WO2009124559A1

WO2009124559A1 - Modulare membrangehäuse, membrangehäuseelemente und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: WO2009124559A1
Application number: PCT/EP2008/002772
Authority: WO
Inventors: Holger Knappe; Nils Knappe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2010-10-08
Also published as: EP2271418A1; EP2271418B1; ES2385600T3; CA2721003A1; ATE542594T1; RU2010143140A; CN102046270B; BRPI0822595A2; CN102046270A; BRPI0822595B1; US10005036B2; AU2008354641A1; RU2470698C2; AU2008354641B2; US20110031176A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind Membrangehäuseelemente (2), die aufgebaut sind aus einem Innenelement (3), einer Faserumwicklung (4) und einer Ummantlung (5) und ein Verfahren zu deren Herstellung. Ferner enthält die Ummantlung wenigstens zwei Zugelemente. Die Membrangehäuseelemente bieten auf Grund ihres Aufbaus eine hohe Druckfestigkeit sowohl hinsichtlich der radialen als auch der axialen Belastung. Durch das kontinuierliche Herstellungsverfahren können große Stückzahlen bei hoher Präzison und Gleichmäßigkeit gefertigt werden. Die Membrangehäuseelemente werden für Membrangehäuse für die Einsatzgebiete Nanofiltration, Ultrafiltration, lonenaustausch und Umkehrosmose verwendet.

Description

Modulare Membrangehäuse, Membrangehäuseelemente und Verfahren zu deren Herstellung

Gegenstand der Erfindung sind Membrangehäuseelemente, die aufgebaut sind aus einem Innenelement, einer Faserumwicklung und einer Ummantlung und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Die Trinkwassergewinnung und Wasseraufbereitung gewinnen zunehmend an Be- deutung. Für die Trinkwassergewinnung durch Meerwasserentsalzung und die Aufbereitung von Brackwasser wird meist die Umkehrosmose, auch als reverse Osmose bezeichnet, oder Nano- und Ultrafiltration eingesetzt. Zur Durchführung der Osmose oder auch zur Filtration von Wasser oder anderen Flüssigkeiten werden vielfach Membranen in Form von Membranelementen eingesetzt. Üblicherweise finden dabei Spiralmembranen Verwendung, bei denen die Membranfolie um das Per- meatrohr gewickelt ist. Diese gewickelten Membranelemente werden in ein druckfestes Gehäuse eingesetzt, das den üblichen Betriebsdrücken standhält, die in der Größenordnung von 16 bis 100 bar liegen. Übliche Membrangehäuse, wie sie in Meerwasser- oder Brackwasser-Entsalzungsanlagen eingesetzt werden, nehmen mehrere in Reihen angeordnete, miteinander verbundenen Membranelemente auf.

Die Membrangehäuse für die Umkehrosmose weisen dabei Längen von beispielsweise 1 bis 7 m auf und haben Durchmesser, die zur Aufnahme von 2,5 , 4, 8 und 16 Inch Membranelementen geeignet sind. Besonderes in der Nano- und Ultrafiltration variieren die Größen abhängig vom jeweiligen Einsatzgebiet. Ein Membranele- ment, wie es für die Umkehrosmose verwendet werden kann, ist beispielsweise aus der EP 0 601 301 B1 bekannt.

An die Membrangehäuse, in die die Membranelemente eingebracht sind, werden durch die Druckbelastung hohe Anforderungen gestellt. Anders als z.B. Druckrohre müssen Membrangehäuse höhere Kräfte aufnehmen, da der Betriebsdruck z.B. für das Umkehrosmoseverfahren 16 bis 84 bar beträgt. Zudem muss der Zylinder des Membrangehäuses die Kräfte der verschlossenen Kopfenden aufnehmen, die besonders an den Endbereichen den radialen Druck überlagern. Die Membrangehäuse müssen im Unterschied zu den Druckrohren auch eine hohe Präzision aufweisen, damit die Membranelemente in das Membrangehäuse eingeschoben werden können. Für Membrangehäuse bestehen daher wesentlich geringere Fertigungstoleranzen und die Gehäuse müssen an jeder Stelle entlang der Achse einen nahezu kreisförmigen Querschnitt und denselben Durchmesser aufweisen. Um diese hohe Präzi- sion zu erreichen, werden Membrangehäuse bisher weitestgehende manuell gefertigt über kalibrierte Stahldorne oder unter Einsatz kalibrierter Innenliner.

Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 422 457 B1 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren läuft beispielsweise wie folgt ab:

a. Die vorgefertigten Innenlinerrohre werden auf die gewünschte Länge zugesägt und auf einen Stützdorn montiert. b. Die zugesägten Elemente werden dann auf eine Maschine eingespannt, die die Innenliner gleichmäßig dreht. Manuell wird eine mit polyamidgetränkte Glasfaser auf das Rohr aufgebracht, während dieses sich maschinell dreht. Dieses dreht sich dann solange bei Bewegung eines hin- und herfahrenden Schlittens bis mehrere komplett deckende Schichten aufgebaut sind. Die glasfaserhaltige Masse wird auf dem Innenliner ausgehärtet. Die Härtung wird über mehrere Stunden unter Rotation entweder durch UV-Licht oder in einem Ofen bewerkstelligt. Bei den ausgehärteten Membrangehäusen werden die Enden besäumt und geschliffen. c. Optional wird in einem weiteren Schritt die Polyamidmasse mit einer UV- härtenden Polymermasse überzogen, um eine optisch ansprechende Ummant- lung zu erreichen.

Dieses Verfahren führt zwar zu Membrangehäuseelementen, die über die gesamte Membrangehäuselänge einen fast identischen Durchmesser aufweisen und keine Ovalitäten zeigen, dafür können über dieses Verfahren Membrangehäuse nur in einer vergleichsweise geringen Stückzahl pro Tag hergestellt werden. Da das Verfah- ren mehrere Schritte aufweist, die in Handarbeit ausgeführt werden müssen, ist es zudem vergleichsweise kostenintensiv. Die vielen Arbeitsschritte beinhalten viel manuelle Arbeit und sind auch aufgrund des umständlichen Handlings der schweren und sperrigen Teile sehr zeitintensiv. Zu dem beanspruchen die einzelnen Arbeitsstationen viel Platz für den Transport und die Lagerung der Teile. Bei der Herstellung der entsprechenden Membrangehäuse muss zudem beachtet werden, dass das innenliegende Rohr, das mit dem entsalzten Wasser in Berührung kommt, keine gesundheitlich bedenklichen Stoffe enthält, die aus dem Rohr ausge- waschen werden könnten. Zudem darf das gesamte Gehäuse kein Licht und keine

UV-Strahlung durchlassen, da diese ggf. das Wachstum von Algen oder Bakterien anregen würde.

Die bisherigen Herstellungsverfahren erfordern es zudem, dass die rohrförmigen Membrangehäuse abhängig vom Einsatzzweck und Einsatzort in verschiedenen

Längen und Durchmessern angefertigt werden. Entsprechend müssen im Lagerbestand viele verschiedene Typen und Größen von Membrangehäusen und rohrfömi- gen Membrangehäuseelementen vorrätig sein, die für verschiedene Druckstufen, Längen und Durchmesser ausgelegt sind.

Einfache Druckrohre werden beispielsweise für Gaspipelines oder Wasserleitungen verwendet und daher in die Erde eingegraben. Entsprechend werden nur geringe Ansprüche an die optische Oberflächenbeschaffenheit gestellt. Im Gegensatz hierzu werden bei Membrangehäusen hohe Anforderungen an die optische Qualität ge- stellt. Die Oberfläche muss glatt und möglichst eben sein und eine optisch ansprechenden Aufmachung zeigen. Deshalb ist bei Membrangehäusen anders als bei Druckohren eine optisch hochwertige Ummantelung notwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Membrangehäuseelement bereitzustellen, das sich kostengünstig herstellen lässt und gleichzeitig eine hohe Präzision und ansprechende äußere Oberfläche aufweist. Das Membrangehäuseelement soll zudem kein Licht und keine UV-Strahlung durchlassen, und eine licht- und wetterbeständige Außenhaut aufweisen und im Inneren aus einem gesundheitlich unbedenklichen Material für den Lebensmittel- bzw. Trinkwasserbereich bestehen. Der Aufbau des Memb- rangehäuses soll es ermöglichen, mit einer geringen Anzahl von Komponenten verschiedenste Membrangehäusevarianten zu realisieren. Die Membrangehäuseelemente sollen sich weiterhin in einfacher Weise in ein Membrangehäuse einbauen lassen bei gleichzeitig druckfester Abdichtung der Kopfenden und Aufnahme der bei Druckbelastung entstehenden radialen und axialen Kräfte. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem kostengünstig größere Mengen der Membrangehäuseelemente in höchster Gleichmäßigkeit hergestellt werden, die die für Membrangehäuse notwendige sehr hohe Prä- zision aufweisen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein zylindrisches Membrangehäuseelement, das aufgebaut ist aus einem Innenelement aus Kunststoff, einer Faserumwicklung (faserverstärkte Schicht) und einer Ummantlung, dadurch gekenn- zeichnet, dass

- auf dem Innenelement eine weitestgehend radiale Umwicklung aus Fasern, als faserverstärkte Schicht, aufgebracht ist und

- auf der faserverstärkten Schicht die Ummantlung aufgebracht ist, die mindestens zwei Zugelemente enthält.

Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche oder nachfolgend beschrieben.

Erfindungsgemäß werden als Fasern (Verstärkungsfasern) für die faserverstärkte

Schicht Mineralfasern, wie z.B. Glasfasern, Basaltfasern, Textilfasern oder Kunststofffasern, wie z.B. Kevlarfasem, Carbonfasern, Polymerfasern oder hochvernetzte oder beschichtete Kunststofffasern eingesetzt. Die faserverstärkte Schicht bedeckt bevorzugt die gesamte Oberfläche des Innenelements, d.h. die radiale Wicklung ist flächendeckend aufgebracht.

Das Innenelement ist bevorzugt ein Innenliner oder inneres Hohlprofil. Besonders bevorzugt ist der Innenliner extrudiert, d.h. aus einem Kunststoff im Extrusionsver- fahren hergestellt. Das innere Hohlprofil ist bevorzugt im Pultrusionsverfahren her- gestellt. Das Pultrusionsverfahren ist wie das Extrusionsverfahren ein kontinuierlicher Herstellungsprozess. Bei diesem werden die Fasern zunächst durch ein Bad mit einem härtbaren Polymer, vorzugsweise einem duroplastischen Polymer, wie Epoxyharze oder Polyester, gezogen und dann beim Durchziehen durch ein beheiztes Werkzeug oder durch UV-Härtung ausgehärtet werden. Ein pultrudiertes Hohl- profil für die erfindungsgemäßen Membrangehäuseelemente ist beispielweise aus dem gleichen Fasern wie die faserverstärkte Schicht aufgebaut, wobei die Fasern im inneren Hohlprofil längs der Gehäuseelementachse verlaufen. Erfindungsgemäß können auch andere mit herkömmlichen Verfahren hergestellte Innenelmente ver- wendet werden, wobei diese weniger bevorzugt sind.

Bevorzugt ist das zylindrische Membrangehäuseelement aufgebaut aus

- einem Innenliner, der extrudiert ist, d.h. aus einem Kunststoff im Extrusionsver- fahren hergestellt ist, - einer Faserumwicklung mit einer thermoplastischen Matrix auf dem Innenliner, die beispielsweise eine glasfaserverstärkte Schicht mit Polypropylenbeschich- tung ist, und als weitestgehend radiale Umwicklung aus Fasern, z.B. Glasfasernbänder, mit thermoplastischer Matrix zusammengehalten wird, und

- eine Ummantlung auf der faserverstärkten Schicht, die im Extrusionsverfahren aufgebracht ist und die mindestens zwei Zugelemente enthält und

- an die Enden des Gehäuses angebrachte Kopfenden oder flanschartige Gebilde zur Aufnahme eines Endplattensystems.

In einer Ausführungsform enthält die Ummantlung Hohlkörper in Form von Rohrpro- filen/Hohlprofilen, die zur Einbringung der axialen Zugelemente dienen. Die Rohrprofile dienen auch zum Schutz der Zugelemente vor Umwelteinflüssen. Vorzugsweise sind die Hohlprofile zur Aufnahme der Zugelemente zwischen der mineralfaserverstärkten Schicht und der Ummantlung eingeschlossen. In einer weiteren Ausführungsform werden Zugelemente aus Mineral- oder Kunststofffasern im Herstellungs- prozess der Ummantelung mit eingebracht.

Die Oberschicht, die zur Ummantlung der erfindungsgemäßen Membrangehäuseelemente aufgetragen wird, besteht vorzugsweise aus einem Acrylnitril-Butadien- styrol-Kautschuk (ABS). Die Ummantlung sorgt für eine optisch ansprechende gleichmäßige Oberfläche, um dem Membrangehäuse ein optimales Aussehen zu verleihen und sorgt für eine gute UV-Beständigkeit. Das Membrangehäuse wird hierdurch licht- und UV-undurchlässig. Die Ummantlung kann außer aus ABS auch aus anderen Thermoplasten hergestellt sein. Die Ummantlung ist vorzugsweise eine durchgängige Kunststoffschicht mit einer Schichtdicke zwischen 2 und 4 mm . Die Zugelemente in den erfindungsgemäßen Membrangehäuseelementen sind bevorzugt Zugstangen oder Zugseile. Die Zugstangen oder Zugseile sind vorzugsweise aus Stahl, Edelstahl oder einem Verbundwerkstoff bestehend aus einer Faser mit thermo- oder duroplastischer Matrix. In einer bevorzugten Ausführungsform werden in den erfindungsgemäßen Membrangehäusen vier Zugelemente verwendet werden, die besonders bevorzugt zu einer gleichmäßigen Kraftverteilung in jeweils gleichem Abstand, parallel zueinander angeordnet sind. Um eine gleichmäßige Um- mantlung zu gewährleisten, werden bevorzugt für die Einbringung der Zugelemente in die Ummantelung während des Ummantelungsprozesses Hohlprofile eingezogen, in denen die Zugelemente gelagert werden. Die Hohlprofile zur Aufnahme der Zugelemente werden zwischen faserverstärkter Schicht und Ummantlung eingeschlossen. Sie können beispielweise aus extrudiertem Kunststoff bestehen. In einer Ausführung wird die Ummantelung durch ein Profil ersetzt, welches bereits die Profile zur Einbringung der Zugelemente enthält, und direkt während des kontinuierlichen

Teils des Herstellungsverfahrens formgebend auf die mineralfaserverstärkte Schicht „aufextrudiert" wird.

Unter zylindrischen (rohrförmigen) Membrangehäuseelementen werden erfindungs- gemäß rohrförmige Gebilde verstanden, die hochdruckresistent sind und z.B. Membranen zur Filtration oder Osmose enthalten.

Das erfindungsgemäße, zylindrische Membrangehäuseelement wird vorzugsweise in einem Verfahren hergestellt, das zumindest folgende Schritte umfasst:

1. Ein Innenliner, vorzugsweise aus PP ohne Glasfaseranteil, wird kontinuierlich im Extrusionsverfahren hergestellt und abgekühlt,

2. der abgekühlte Liner wird immer noch in der Extrusionsstrasse befindlich so erhitzt, dass die Oberfläche aufgeschmolzen wird, 3. die aufgeschmolzene Oberfläche des Liners wird ausschließlich radial mit einer

Glasfaser umwickelt.

4. Nach dem kontinuierlichen Prozess wird auf die Glasfaserschicht eine Oberschicht zur Ummantlung aufgetragen und 5. in die Ummantlung werden dabei mindestens zwei, vorzugsweise vier Zugstangen eingelagert, die die axiale Kraft aufnehmen.

Die Herstellung erfolgt beispielsweise über folgende Schritte: 1. ein Innenliner, vorzugsweise aus Polypropylen-Homopolymer mit kleiner Viskosität (MFR 0,25g/10min) wird kontinuierlich im Extrusionsverfahren hergestellt und abgekühlt,

2. der abgekühlte Liner wird immer noch in der Extrusionsstrasse befindlich so erhitzt, dass nur die Oberfläche aufgeschmolzen wird, 3. die aufgeschmolzene Oberfläche des Liners wird vorwiegend radial mit einer

Glasfaser mit oder ohne thermoplastischer Matrix umwickelt, wobei sich die Faser mit der Schmelze an der Lineroberfläche verkrallt, 4. nach dem kontinuierlichen Prozess wird auf die Faserschicht eine Oberschicht zur Ummantlung aufgetragen und 5. in die Ummantlung oder das Ummantelungsprofil werden dabei mindestens zwei, vorzugsweise vier Hohlprofile für Zugelemente, welche zur Aufnahme der axialen Kraft dienen sollen, eingelagert.

Das so hergestellte zylindrische Membrangehäuseelement kann dann auf beliebige Längen zugeschnitten werden. An dem erfindungsgemäßen zylindrischen Membrangehäuseelement werden später die Rohrköpfe, d.h. die Endstücke mit den Zugelementen montiert.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden als Innenliner dünnwandige Rohre verwendet, wie sie in der EP 0 442 457 B1 beschrieben sind. Die Innenliner in den erfindungsgemäßen zylindrischen Membrangehäuseelementen bzw. die Innenliner, die im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, bestehen vorzugsweise aus Polyethylen (PE), Polypropylen(PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyphenylenoxid (PPO), polyamidmodifiziertem Polyphenylenoxiden, einem polystyrolmodifizierten Polyphenylenoxid, ABS oder Polyvinyledenfluorid-Polymeren (PVDF) oder anderen Thermoplasten.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Membrangehäuseelementes, das zumindest folgende Schritte umfasst: 1. Die kontinuierliche Herstellung eines radial mit Fasern umwickelten Innenliners, wobei bei der Herstellung des umwickelten Innenliners bevorzugt folgende Schritte ablaufen: a. Der Innenliner wird durch kontinuierliche Extrusion auf einer Extrusionsstre- cke hergestellt, b. anschließend der Innenliner kontinuierlich abgekühlt wird, c. die gerade abgekühlte Oberfläche des Innenliners erneut so aufgeheizt wird, dass sie aufschmilzt und vorzugsweise gleichzeitig der Innenliner im wesentli- chen radial mit Fasern, bevorzugt Glasfaser, vorzugsweise Glasfaserrovings oder -bändern die mit einer PP-Matrix zusammengehalten werden, flächendeckend umwickelt wird und sich mit dem Innenlinermaterial verbinden, und d. anschließend unter die Erweichungstemperatur des Innenliners abgekühlt wird, 2. eine Ummantlung oder ein Ummantlungsprofil aufgetragen wird, auf den mit Fasern umwickelten Innenliner, wobei die Ummantlung mindestens zwei eingelagerte Zugelementen oder Hohlprofile zur Aufnahme der Zugelemente aufweist.

Die Fasern verbinden sich in Schritt 1. c. mit der Oberfläche des Innenliners durch Schmelzverbindung des Linermaterials mit den Fasern oder durch Schmelzverbindung des Linermaterials durch die thermoplastische Tränkung des Rovings.

Die Ummantelung oder Herstellung des Ummantlungsprofils erfolgt dabei bevorzugt in derselben Strecke, in der die Innenlinerextrusion und die Umwicklung vorgenom- men werden, ebenfalls im kontinuierlichen Herstellungsprozess. Die Zugelemente, die über die Membrangehäuseendköpfe verbunden werden, werden dann durch die in der Ummantlung geformten Hohlprofile gesteckt, so fern sie nicht direkt bei der Herstellung des Membrangehäuses eingebracht werden. Wenn als Zugelemente Stahlstangen verwendet werden, so werden die Enden der Hohlprofile so versiegelt, dass keine Korrosion entstehen kann.

In einer weniger bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die zylindrischen Membrangehäuseelemente nach Durchlaufen des kontinuierlichen Verfah- rens gemäß Schritt 1. in Stücke endlicher Länge zerschnitten, bevor die Ummant- lung aufgebracht wird.

Besonders bevorzugt werden die rohrförmigen Membrangehäuseelemente in Stücke von 1 bis 12 m Länge, bevorzugt 12 m Länge geschnitten. In einer Ausführungsform werden dabei die Zugelemente, insbesondere als Faserbündel, zwischen die faserverstärkten Schicht und die Ummantlung eingebracht. In einer weiteren Ausführung können die Hohlprofile zur Aufnahme der Zugelemente direkt auf die faserverstärkte Schicht extrudiert werden.

Die aufgeschmolzene Oberfläche des Liners wird radial mit einer Faser umwickelt. Die Faser ist bevorzugt eine Glasfaser, die zu mit Polypropylen verklebten Bändern vorkonfektioniert, wobei eine Aufheizung auf 230⁰C erfolgt. Das Besondere des Verfahrens ist, dass die Umwicklung mit den Fasern weitestgehend radial erfolgt und hierdurch eine hohe Festigkeit in radialer Richtung erreicht wird, ohne wie bei herkömmlichen Membrangehäusen üblich eine erheblich aufwendigere, kostenintensivere und materialaufwendigere Anzahl von Kreuzlagen auftragen zu müssen.

Die für die erfindungsgemäßen zylindrischen Membrangehäuseelemente verwende- ten bzw. die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Fasern sind bevorzugt

Glasfasern oder Glasfaserrovings, besonders bevorzugt mit Thermoplasten verklebte Glasfaserrovings, die zu Glasfaserbändern konfektioniert werden. Die Glasfaserschicht dieser Mineralfasern besteht aus Glasfaserrovings, die, vorzugsweise mittels einer thermoplastischen „Verklebung" zu Bändern vorkonfektioniert, vorgetränkt sind. Der Thermoplast besteht vorzugsweise aus einem Material welches eine thermische Klebverbindung mit dem für die Verwendung des Innenliners und der Ummantlung gewählten Materials besteht.

Die Kraft in einem Druckrohr wirkt im Durchmesser d.h. in radialer Richtung doppelt so stark wie in axialer Richtung. Deshalb wirkt die größte Kraft auf die Radialwicklung des Membrangehäuses. Die Mineralfasern werden in der Radialwicklung bei Innendruck auf Zug belastet. Gewöhnliche E-Glas Fasern weisen bereits 5-6 mal höhere Zugfestigkeiten als gewöhnlicher Stahl auf, weshalb durch die radiale Wicklung eine hohe Zugbelastung gewährleistet ist. Gerade unter Berücksichtigung von Membrangehäusen für die Seewasserentsalzung mit einem typischen Betriebsdruck von 84bar und einem Sicherheitsfaktors von 6 hat das erfindungsgemäße Membrangehäuse gravierende Vorteile gegenüber herkömmlichen Gehäusen mit Kreuzwicklung, da hier auch bei der vergleichsweise geringeren Wicklungsstärke die er- forderlichen Druckbelastungen erreicht werden.

Aufgrund der in die erfindungsgemäßen Membrangehäuseelemente eingebrachten Membran- bzw. Filterelemente müssen diese im Innendurchmesser hochpräzise sein und haben nur geringe Toleranzen von max. +/- 0,2 auf Innendurchmesser von 202mm bezogen bzw. +/-0,3mm auf Innendurchmesser von 406mm. Zudem sind bei den erfindungsgemäß hergestellten Membrangehäuseelementen keine Ovalitäten zulässig, da dieses zu erheblichen Problemen beim Ein- und Ausschieben der Membranen/Filter führen würden. Um diese Präzision und Gleichmäßigkeit zu erreichen, wird der Extruder bei der Herstellung eines 8 Inch großen Innenliners mit ei- nem Vorschub von 0,5m-1m pro Minute geführt. Dieser Vorschub ermöglicht es auf kurzer Strecke Verweilzeit und Druck der Schmelze, deren Abkühlung, den Abzug und besonders die Kalibrierung des Liners so stressfrei zu gestalten, dass beim anschließenden Aufschmelzen der Oberfläche und der Umwicklung mit Fasern sich das Membrangehäuseelement nicht mehr verformt. Bevorzugt wird die Oberfläche des Innenliners nur in geringe Tiefe aufgeschmolzen. Im Gegensatz dazu betragen die Liniengeschwindigkeiten bei den üblichen Rohren beispielsweise 5 m und mehr pro Minute.

Mit den herkömmlichen, manuellen Verfahren werden üblicherweise etwa 25 Memb- rangehäuseelemente mit einer Länge von 6m am Tag (24h) hergestellt, abhängig von der Druckstufe bei der das Gehäuse verwendet werden soll. Im Vergleich hierzu erlaubt der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens überraschenderweise die Herstellung von etwa 120 und 250 Membrangehäuseelementen am Tag bei gleichbleibender Qualität und Präzision.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Sideport-Membrangehäuseelement, das aufgebaut ist aus einem Innenelement z.B. einem Innenliner, der mit Fasern, bevorzugt Glasfasern umwickelt ist und einer Spritzgussummantlung, dadurch gekennzeichnet, dass - der Innenelement ein Kunststoffelement ist, das ausschließlich radial mit Fasern umwickelt ist, vorzugsweise Glasfaserrovings, wie sie im Vorhergehenden beschrieben sind und - zwischen Spritzgussummantlung und faserverstärkter Schicht mindestens zwei

Zugelemente eingebracht sind.

Das erfindungsgemäße Sideportelement ist entweder in einem separaten Rohrkopf/Flansch integriert oder als ein separates Element ausgebildet. Bei klassischen Membrangehäusen werden für seitliche Einspeisungen Ausbrüche in die dafür vorher verstärkte Gehäusewand gebohrt. Das erfindungsgemäße Sideportelement ermöglicht daher einen flexibleren Einsatz ohne entsprechende Verstärkung der Membrangehäuse.

Das erfindungsgemäße Sideport-Membrangehäuseelement entspricht in seinem

Aufbau im Wesentlichen dem erfindungsgemäßen zylindrischen Membrangehäuseelement. Während jedoch das zylindrische Membrangehäuseelement ausschließlich zur Aufnahme der Membranelemente dient, ermöglicht das Sideportelement das Anströmen der Membranelemente bzw. Filter in radialer Richtung bzw. die seitliche Ab- oder Anströmung von Flüssigkeiten und die Montage von Anschlußports. Die einzelnen Bauteile des Sideport-Membrangehäuseelementes, nämlich Innenliner, mineralfaserverstärkte Schicht und Spritzgussummantlung entsprechen im Wesentlichen dem bei den zylindrischen Membrangehäuseelementen Beschriebenen.

Das erfindungsgemäße Sideport-Membrangehäuseelement wird bevorzugt in einem

Verfahren mit folgenden Schritten hergestellt:

• Fertigung des Innenliners im Spritzgussverfahren,

• radiale Umwicklung des Innenliners mit Mineralfasern und • Fertigung einer Ummantlung über der mineralfaserverstärkten Schicht im

Spritzgussverfahren.

Die erfindungsgemäßen Membrangehäuseelemente und Sideportelemente lassen sich zu einem Membrangehäuse verbauen. Ein modulares Membrangehäuse, in das die Membran eingebracht wird, besteht zumindest aus folgenden Membrangehäuseelementen:

- ein oder mehrere erfindungsgemäße zylindrische Membrangehäuseelemente, - ggf. ein oder mehrere erfindungsgemäße Sideport-Membrangehäuseelementen,

- ggf. Anschlussfittinge für die seitliche Anströmung und Entnahme, Kugelhahnelemente und Fittings,

- zwei Membrangehäusendköpfe/Flansche, die durch die Zugelemente zusammengehalten werden und - mindestens zwei Entkappenassemblys (selbstdichtend).

Vorteilhafterweise erlaubt die Verwendung der erfindungsgemäßen Membrangehäuseelemente den Aufbau eines Membrangehäuses als ein modulares System. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht es wirtschaftlich günstig, Membrangehäuseelemente für zwei Druckstufen, nämlich Gehäuse bis beispielsweise 31 bar und Gehäuse bis 84 bar herzustellen. Da sich die zylindrische Membrangehäuseelemente individuell auf verschiedene Längen zusagen lassen, ist es nicht mehr notwendig, Membrangehäuseelemente in verschiedensten Druckstufen und Längen zu lagern, sondern es ist ausreichend, Rohre in einer Maximallänge von 7 m in zwei Druckstufen zu lagen. Zudem sind zur Herstellung des gesamten Membrangehäuses in der einfachsten Ausführung nur noch die Anschlussfittinge und die Endkappenassemblies notwendig, die für beide Systeme gleich sind. Hierdurch müssen deutlich weniger verschiedenen Teile gelagert werden und der Lagerbestand kann drastisch verringert werden.

Die erfindungsgemäßen Membrangehäuseelemente und die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membrangehäuseelemente haben den Vorteil, dass durch die radiale Umwicklung die Schichtdicke des zylindrischen, rohrförmigen Elements variierbar ist. Die radiale Wicklung führt gleichzeitig zu einer hohen Festigkeit und Stabilität, da in allen Bereichen des Membrangehäuseelements eine gleichmäßige Faserschicht sichergestellt ist. Durch die radiale Umwicklung kann das Membrangehäuse selbst die gesamte radiale Kraft tragen. Die Aufnahme der axialen Kraft erfolgt über die in der Ummantelung befindlichen Zugelemente. Die erfindungsgemäßen Membrangehäuse werden vorzugsweise für die Einsatzgebiete Nanofiltration, Ultrafiltration, lonenaustausch und reverse Osmose/Umkehrosmose verwendet. Für die Filtrationsverfahren oder die Umkehrosmose werden die Membrangehäuse mit Membranelementen befüllt. Wenn die Membran- gehäuseendköpfe/Flansche durch gespritzte Böden ersetzt werden, ist es möglich

Tanks oder Behälter unter Verwendung der erfindungsgemäßen Membrangehäuseelementen zu realisieren. Diese werden für den lonentausch mit geeigneten lonen- tauschern z.B. lonentauscherharzen befüllt.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Membrangehäuses, Fig. 2 eine Aufsicht auf die Querseite des Membrangehäuse aus Fig. 1 im Bereich des Flansches und Fig. 3 a, b Längsschnitte durch das Membrangehäuse aus Fig. 1.

Das zentrale Element des erfindungsgemäßen Membrangehäuses 1 ist, wie in Figur 1 zu erkennen ist, das zylindrische Membrangehäuseelement 2. Dieses weist als innerste Schicht einen Innenliner 3 und eine darumliegende faserverstärkte Schicht 4 auf. Um die faserverstärkte Schicht ist die Ummantelung 5 gelegt. In der Ummante- lung 5 sind an den vier Ecken Hohlprofile 6 zu erkennen. Diese dienen zur Aufnahme der Zugstangen 7. An beiden Enden des Membrangehäuseelments 2 sind Side- portelemente 8 gezeigt. In den Sideportelementen befinden sich Öffnungen 9 zur Auffnahme der Sideports 10. Neben den Öffnungen gibt es über den Umfang der Sideportelmente 8 verteilt Einkerbungen 11 , die aufgebohrt werden können und zur

Aufnahme weiteren Sideports dienen. Das Membrangehäuse 1 ist ferner mit zwei Flanschen/Membrangehäusendköpfe 12 versehen, an denen die vier Zugstangen 7 befestigt werden. Die Endkappen zum Abschluss der Membrangehäuse sind hier nicht dargestellt.

In Figur 2 ist eine Aufsicht auf die Seite des Membrangehäuse 1 im Bereich des Flansches 12 gezeigt. Die vier Zugstangen 7 liegen jeweils in den Hohlräumen der Hohlprofile 6. Figur 3a zeigt einen Längsschnitt durch das Membrangehäuse entlang der Achse X- X, wie in Figur 2 angezeichnet. Im mittleren Bereich befindet sich das zylindrische Membrangehäuseelement 2, aufgebaut aus Innenliner 3, faserverstärkter Schicht 4 und Ummantlung 5. Im Außenbereich schließt das Membrangehäuseelement mit dem Flansch 12 ab. Ein weiterer Längsschnitt durch das Membrangehäuse entlang der Achse H-H ist in Fig 3 b gezeigt. Oberhalb des Innenliners 3 und der faserverstärkten Schicht 4 befindet sich hier die Ummantlung 5 mit den Hohlprofilen 6. Die Zugstangen 7, die in den Hohlprofilen 6 verlaufen sind im Flansch 12 befestigt, um die Aufnahme der axialen Zugkraft durch die Zugstangen zu ermöglichen.

Bezugszeichenliste

1 Membrangehäuse

2 zylindrische Membrangehäuseelement

3 Innenliner

4 faserverstärkte Schicht

5 Ummantelung

6 Hohlprofile

7 Zugstangen

8 Sideportelemente

9 Öffnungen

10 Sideports

11 Einkerbungen

12 Flanschen/Membrangehäusendköpfe

Claims

Patentansprüche

1. Zylindrisches Membrangehäuseelement, das aufgebaut ist aus einem Innenelement, einer Faserumwicklung und einer Ummantlung, dadurch gekennzeichnet, dass

- auf dem Innenelement eine radiale Umwicklung aus Fasern aufgebracht ist und

- auf der Faserschicht die Ummantlung aufgebracht ist, die mindestens zwei axiale Zugelemente enthält.

2. Membrangehäuseelement gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Fasern für die faserverstärkte Schicht Mineralfasern, Textilfasern oder Kunststofffasern, vorzugsweise Glasfasern eingesetzt werden.

3. Membrangehäuseelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenelement ist ein Innenliner oder ein inneres Hohlprofil ist.

4. Membrangehäuseelement gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Innenliner extrudiert oder das innere Hohlprofil im Pultrusionsverfahren hergestellt ist.

5. Membrangehäuseelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantlung Hohlprofile enthält, in denen die Zug- elemente gelagert sind.

6. Membrangehäuseelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlprofile zur Aufnahme der Zugelemente oder die Zugelemente selbst zwischen der mineralfaserverstärkten Schicht und der Ummant- lung eingeschlossen sind.

7. Membrangehäuseelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente Zugstangen, bevorzugt aus Metall , oder Zugseile, bevorzugt aus Glas-, Kevlar- oder Kohlefasern, sind und/oder das Membrangehäuseelement genau vier Zugelemente enthält.

8. Membrangehäuseelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Faserschicht aus Glasfasern aufgebaut ist, bevorzugt aus thermoplasten-getränkten oder ungetränkten Glasfaserrovings besteht.

9. Membrangehäuseelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenliner aus Polyethylen (PE), Polypropylen(PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyphenylenoxid (PPO), polyamidmodifiziertem Polypheny- lenoxiden, einem polystyrolmodifizierten Polyphenylenoxid, ABS oder Polyvinyleden- fluorid-Polymeren (PVDF) oder anderen Thermoplasten besteht.

10.Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Membrangehäuseelementes, das zumindest folgende Schritte umfasst:

1. Kontinuierliche Herstellung eines radial mit Fasern umwickelten Innenliners,

2. Auftrag einer Ummantlung, wobei die Ummantlung mindestens zwei eingelagerte axiale Zugelemente oder ein Ummantelungsprofil, in das nachträglich axiale Zug- elemente eingebracht werden können, aufweist.

11.Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt 1 folgende Vorgänge nacheinander ablaufen:

a. der Innenliner durch Extrusion mittels einer Extrusionsstrecke hergestellt wird, b. der Innenliner abgekühlt wird, c. die Oberfläche des Innenliners so aufgeheizt wird, dass sie aufschmilzt und vorzugsweise gleichzeitig der Innenliner radial mit Faser, vorzugsweise Glasfaserrovings oder Bändern flächendeckend umwickelt wird und sich mit dem Linermate- rial verbindet und d. anschließend unter die Erweichungstemperatur des Innenliners abgekühlt wird.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die mit Fasern umwickelten Innenliner im kontinuierlichen Verfahren e. mit einer weiteren Schicht aus Thermoplasten ummantelt werden, vorzugsweise mit ABS oder PP .

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die faserverstärkte Schicht und die Ummantlung extrudierte Hohlprofile zur

Aufnahme der Zugelemente eingebracht werden.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Membrangehäuseelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wird.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantlung oder das Ummantlungsprofil ebenfalls kontinuierlich extrudiert wird.

16.Sideport-Membrangehäuseelement, das aufgebaut ist aus einem Innenliner, der radial mit Fasern umwickelt ist und einer Spritzgussummantlung, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Innenliner ein Kunststoffelement, ist, der radial mit Fasern umwickelt ist und

- zwischen Spritzgussummantlung und Faserschicht mindestens zwei Zugelemen- te eingebracht sind.

17.Sideport-Membrangehäuseelement gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser Glasfaser ist und/oder der Innenliner aus PE, PP, PVC, PPO, polyamidmodifiziertem Polyphenylenoxid, polystyrolmodifizierten Polyphenylenoxid, ABS, PVDF oder anderen Thermoplasten besteht.

18. Verfahren zur Herstellung eines Sideport-Membrangehäuseelementes gemäß einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung folgende Schritte ablaufen:

1. Fertigung des Innenliners im Spritzgussverfahren,

2. radiale Umwicklung des Innenliners mit einer Faser,

3. Fertigung einer Ummantlung über der Faserschicht im Spritzgussverfahren.

19. Modulares Membrangehäuse, das aufgebaut ist aus

- mindestens einem Membrangehäuseelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,

- mindestens zwei Membrangehäuseendköpfen/Flanschen zur Befestigung der Zugelemente,

- mindestens zwei selbstdichtenden Entkappenassemblies und

- ggf. einem oder mehreren Sideportelementen gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17 und

- ggf. Anschlussfittingen für die seitliche Anströmung und Entnahme, Kugelhahn- elementen oder Fittingen.

20. Verwendung eines Membrangehäuseelementes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Aufbau eines Membrangehäuses oder Behälters/Tanks für die Nanofiltra- tion, Ultrafiltration, den lonentausch oder die reverse Osmose.