滤膜分离用的一种设备的滤膜 组件、其应用及其制作方法 本发明涉及一种由一个或多个管状滤膜组成的滤膜分离混合物用的一种设备的滤膜组件及其用塑料挤压的制造方法以及滤膜组件的应用。
众所周知，这种滤膜组件是横流过滤设备的结构元件。这种设备通常包括多个具有过滤器作用的管状滤膜。这种管状滤膜作成多孔管、这种多孔管要么本身做成膜式过滤器，要么在其表面带有由有机或无机材料作成的过滤膜。众所周知，滤膜有位于内部或外部的管状滤膜，其内直径为十分之几毫米至100毫米左右。
为了在实用的过滤效率情况下达到滤膜组件的可支承的结构长度，在一根直的包容管中安装少量或大量的直的管状滤膜。这种组合管具有一个作为残渣的待过滤介质的全部管状滤膜共用的入口和出口以及一个或两个作为渗透液的过滤液的出口。
还有一些滤膜组件做成所谓卷绕组件，织物状的滤膜卷绕成一个长地卷，残渣可在这个卷中流通和渗透液可通过卷入的薄的弹性垫片或网流出。这种卷绕组件在其过滤效率方面是十分经济的，但由于其易于堵塞而不适用于分离固态成分很高的混合物。此外，用内直径为几毫米的管状滤膜亦可处理固态成分高的混合物例如压榨果汁，而无堵塞危险。
由于用聚矾或聚偏氟乙烯(PDVF)制成的公知的管状滤膜的单位面积的过滤效率相当低，所以为了达到较经济的适用的过滤效率，必需用多个组件串联或并联成一个过滤设备，每个组件包括例如各3米长的19个管状滤膜。
如果串联组件的数目较多，例如每串达到大约16个组件，则这些组件通过180度的弯头相互连接。如果一组只包括5个同时并联运行的组系或通道，则须用80个组件尽可能紧凑组成一个单元，以达到大约180米2的滤膜面积。为此，单个组件要支承在支架的悬臂上并设置大量的残渣侧和渗液侧的连接管。这时会出现如下的问题：
-每个滤膜组件需要4个管接头和2至3个支承在悬臂上的支座。在用80个组件组成一台过滤设备时，这些连接管和支座就需要80个连接弯头、85个软管连接和320根连接管，亦即设备费用太高，从而降低设备的经济性。
-滤膜只有有限的寿命。所以滤膜组件是易损件，必须在一定时间间隔内进行更换。
所以，这种结构的安装和拆卸费用以及复杂的结构费用是非常大的。
所以本发明的目的是全面解决上述问题。
根据本发明，对开始时所述的那类一种滤膜组件，这个目的是这样实现的，即管状滤膜以弯曲的形式设置成滤膜组件。这种滤膜组件的一种有利的方案具有这样的特征，即管状滤膜以卷绕的形式设置成滤膜组件。
其中可能具有这样的特点，即管状滤膜由多个管状滤膜以绳状扭转成至少一束的形式卷绕成滤膜组件。
滤膜组件的其他方案和通过塑料挤压制造适用的管状滤膜的一种方法以及这种滤膜组件的应用在各项权利要求中叙述。
业以表明，用公知的管状滤膜可实现本发明的布置，这些管状滤膜可按小于20倍的管内径的弯曲半径进行弯曲，而不损坏滤膜层。用有机材料制成的管状滤膜可从市场上买到为此所需的长度。用无机材料例如烧结金属制成的已知的管状滤膜可用市售的到1米长的管段通过弯曲、焊接和涂敷制成需要长度的滤膜。
与已知的滤膜组件比较，本发明的滤膜组件具有高排列密度和结构简单的优点。与用80个滤膜组件的上述的一个组比较，这个组可用大约1.4米外直径和1.4米结构高度的具有大约180米2的相同膜式过滤器面积的本发明滤膜组件代替。根据结构不同，只需大约3根连接管就可代替上述320根连接管。其中滤膜组件的膜式过滤器面积由大约7毫米内直径的150根分别具有55米长的平行的滤膜管构成。
下面结合附图的说明来详细说明本发明的几个实施例。附图表示：
图1a表示滤膜分离用的本发明一个滤膜组件的图1b的垂直截面B-B；
图1b表示图1a所示滤膜组件的水平截面A-A；
图2a表示一圈始端或末端上的管状滤膜集流管的图2b所示的部分截面C-C；
图2b表示图2a所示管状滤膜集流管的端面图；
图3表示滤膜分离用的本发明一个滤膜组件的一种方案的垂直截面；
图4a表示滤膜分离用的本发明滤膜组件另一个方案与一个渗透液箱组合的垂直截面；
图4b表示通过一个卷绕圈始端或终端上的管状滤膜集流管剖开的图4a所示的部分水平截面D-D；
图5表示在管状滤膜之间用垫片隔开的图1a所示一个滤膜组件中一个卷绕圈的由多个管状滤膜组成的一束的横截面；
图6表示通过在一个管状滤膜上形成一体的间隔元件剖开的截面；
图7表示通过在一个管状滤膜上形成一体的间隔元件的一个方案的透视图；
图8表示围绕管状滤膜缠绕的金属线状的间隔元件的视图；
图9表示由3个管状滤膜根据长度绕成一个单元的一种形状；
图10a表示分别只用一个连续的管状滤膜制成的两个圆盘状的扁平卷绕圈的径向截面；
图10b表示图10a所示两层扁平卷绕圈的卷绕示意图；
图11表示管状滤膜带水平绕轴的一个滤膜组件的轴向部分截面；
图12表示管状滤膜并列设置在一个滤膜组件中的两个卷绕圈的卷绕示意图；
图13表示绕制成扁管形式的一个管状滤膜的透视图；
图14表示带有一个作为已分离的物料的容器的滤膜分离用的一个本发明滤膜组件；
图15表示带有一个图14所示滤膜组件的、用于混合物滤膜分离的一种设备的示意图；
图16表示绕轴垂直布置的多个管状滤膜组成的一个本发明滤膜组件；
图17a、17b表示一个滤膜组件的两个视图，在这种滤膜组件时多个管状滤膜可更换地设置在抽屉格式的支承板之间；
图18表示带有多个管状滤膜的一个本发明滤膜组件，该滤膜组件可用一个翻转装置垂直和水平布置；
图19表示几个管状滤膜用其绕轴水平并列布置成的一个本发明滤膜组件的侧视图；
图20表示图19所示滤膜组件的轴向视图；
图21a、21b、21c表示带有多个水平布置的管状滤膜和一个可驶出的容器的一个本发明滤膜组件的不同视图；
图22表示只用一个连续的管状滤膜制成的圆盘式扁平卷绕圈位于一个用来支撑和更换卷绕圈的盒形容器中；
图23a表示只由一个连续的管状滤膜制成的圆盘状扁平卷绕圈带有一块用来改善稳定性的支承板；
图23b，23c表示图23a所示支承板的两种方案；
图24表示为了扩大卷绕圈的直径和过滤面积而用两个连续管状滤膜制成的一个双层圆盘状扁平卷绕圈的示意图；
图25表示分别由三个管状滤膜组成的三个组并在作为混合室用的各组之间带有集流管的连接示意图；
图26a、26b、26c表示图17所示的带一根集流管的一个管状滤膜快速连接的详图；
图27表示图2a所示的带一根集流管的管状滤膜的卷绕束的连接结构，其中，相同长度的多个管状滤膜端面布置成阶梯形；
图28表示带有相同长度的管状滤膜的分束端面呈阶梯布置的图1a所示滤膜组件中的管状滤膜卷绕束作为混合室构成的中断。
图1a和图1b分别表示一个滤膜组件的截面，带垂直绕轴的管状滤膜卷绕在该滤膜组件中。该滤膜组件包括一个封闭的容器1，该容器由下部2和密封装在其上的、但可取下的上部3组成。特别如图1a所示，上部3两侧引入两根许多管状滤膜6的集流管4、5。从图可清楚看出，每根集流管4、5的一部分位于封闭容器1中。管状滤膜6构成一个连续的束7，该束连接集流管4、5，并以一种弯曲的形式8或绕圈卷绕在一个作为支架的垂直绕轴9上。
图2a和2b表示集流管4或5一端的部分截面和轴向视图。如图2a可清楚看出，许多管形滤膜6以一个具有所谓搏动的缆状扭转成束7。其目的是，束7以形式8的弯曲导向而不损坏管状滤膜6。管状滤膜6在集流管4的端部用一种浇注材料10浇注固定。
待分离的混合物例如已压榨的果汁在压力作用下流入一根集流管4、5，在该处平行绕流许多管形滤膜6。在相应的另一根集流管5或4上，混合物作为残渣被重新输出，在通过管状滤膜6的过程中，相当小的粒径以众所周知的方式通过滤膜分离并这样作为渗透液或滤出液到达容器1的空腔中，该空腔按图1包围着绕圈8。
渗透液从该空腔通过同时作为集流管用的绕轴9到达已分离物的出口11。如图1a所示，绕轴9在其用来支承绕圈8的下部范围作成碟形。出口11设置在上方，以使管状滤膜6的分离滤膜总是保持润湿。束7的整个卷绕圈8与集流管4、5和9可从容器1的下部2拆卸，以便进行检查。同样在下部2设置有一根视孔玻璃12，以便进行监控。为了放出渗透液，容器下部有一个可关闭的排出阀13，上部设置有一个放气阀14。
在图3所示滤膜组件方案中，相应功能的部件沿用图1a已说明的参考号。作为残渣的连接管的集流管4、5在这里设置在容器1的下部2，在上部3设置有一个渗透液的排出口11。在卷绕圈8上进行维修工作时，这里只需用上部3拆卸一根到出口11的渗透液管。卷绕圈8通过一根锁紧带17稳定。绕轴9′设置有孔15，以便收集渗透液。
图4a表示滤膜组件的另一种方案。这里的封闭容器1′作成渗透液箱。在容器1′中，围绕轴16成排和平行卷绕许多管状滤膜6。这些管状滤膜6垂直于轴方向汇入待分离的混合物的集流管4′和5′中，在该处这些集流管与图1a和图3所示方案一样平行绕流，其中管状滤膜6不需扭转，从而在可用的空间中达到过滤面积的高的排列密度。此外，残渣收集管4′、5′可保持小的直径，因为管状滤膜6象4b所示截面D-D那样是横向汇入的。
图4b表示管状滤膜6用一种浇注材料10′浇注在集流管5′中的情况。渗透液从管状滤膜6到达容器1′，该容器在这里也具有组成一体的渗透液箱的功能。在容器1′下方设置一个渗透液流出口11′。如图4a所示，卷绕圈8′用固定带17稳定。
图5表示相当于图2b轴向视图的管状滤膜6的一个管束，该管束中管状滤膜6的位置由锁紧带17稳定。从图中清楚看出，固定带17同时作为管状滤膜6之间的垫片用。从管状滤膜6流出的渗透液的出口由于固定带17作成网状而得到改进。
在一个卷绕形式的管状滤膜6之间建立适当间隔的另一种可能性如图6所示，这时管状滤膜6保持间距的形成一体的元件27沿圆周加厚。这种保持间距的元件27′的一个方案如图7所示，该元件27′在管状滤膜6外面轴向延伸。根据图8，这种保持间距的元件27″也可围绕一个管状滤膜6以金属线的形状呈螺旋形缠绕。
图10a表示只具有两层的管状滤膜6的两个螺旋形卷绕圈8″，所以呈圆盘状。这些卷绕圈8″两侧连接在残渣的集流管4′、5′上，这些集流管还可与同类的没有示出的其他绕圈连接。渗透液可从绕圈8的周围按公知的方式收集。图10b表示一种绕圈8″的管状滤膜6的绕圈示意图。与图1a、3和4a的滤膜组件方案比较，图10a的结构形式可更换单个绕圈8″，从而可更换单个管状滤膜6。为此，烧结的金属管特别适用。
图11表示卷绕的管状滤膜的绕轴位于水平位置的一个滤膜组件。该滤膜组件也包括一个封闭容器1″，该容器具有残渣用的一根输入和输出管4、5以及渗透液用的两根输出管11″。管状滤膜或作为单根管或多根平行的管束7′连接残渣用的输入和输出管4和5绕水平轴16′卷绕。绕圈8″在容器1″中通过垫片30保持，为了使绕圈8″的渗透液流到输出管11″，这些垫片设置有通道。
考虑到管状组件的检修和对过滤面积的不同需要，在一个容器中的滤膜组件的一个方案包括至少两个带有滤渣单独输入和输出的管状滤膜6的单独的绕圈。这种卷绕在一个具有一根轴线16″的共同绕体9″的单独卷绕圈8的示意图如图12所示。
图4a所描述的滤膜组件的一个方案如图14所示。这个方案中也是将多个在图中没有单独示出的卷绕的管状滤膜6围绕一根共同的轴16相互叠置。管状滤膜6在这里例如图10a所描述是这样卷绕的，即待分离的混合物汇入集流管5″和4″以及这些集流管本身相互径向对置。在图4a所示实施例中，渗透液的集液箱1′只通过排气阀14′的溢流管与渗液箱18连接，而图14管状滤膜6的容器40则同时作为已分离的渗透液的容器用。
渗透液箱40下部包括一个渗透液的流出口11″，这些渗透液由一台连接的泵41抽出。如图15所示，在分离设备运行过程中，最好只有在渗透液达到最大液位42时，渗透液才从渗透液箱40用泵抽到一个最低的液位43。渗透液箱40包括一个可取下的上部44，该上部通过一个可拆卸的法兰46与下部45连接。上部44有一个可关闭的检查孔47，在进行维修工作时不需要取掉上部44。最后，在渗液箱40上部设置了一个吹洗接头48，以便吹洗管状滤膜6。
图15表示滤膜分离用的一种设备的示意图，该设备包括图14所示的本发明滤膜组件50。此外，该设备包括一个箱51，该箱通过一根管子52接收一种待分离的混合物53。在箱51下方连接混合物53的一个输出阀54。该混合物通过一台泵55和一个由一个压力传感器56控制的调节阀57输送到虎膜组件50的产品入口58。除了输出阀54外，还设置一个冲洗液的输入阀59，该冲洗液可代替混合物53输入滤膜组件50中。
如图14所描述那样，混合物53流经滤膜组件50并作为残渣离开滤膜组件到达出口60。残渣从出口60通过管道61和调节阀62或者经阀63回到箱51中，或者经阀54离开滤膜分离设备。亦即混合物53在设备分离运行过程中、在一个残渣回路中循环。如已在图14中所述，管状滤膜6中的已分离物作为渗透液经出口11″离开渗透液箱40并由一台连接的泵41从设备中吸走。
泵41的运行由渗透液箱41中的渗透液的液位的传感器65、66经控制线67控制，如图14所示。为了测定混合物53的压力，在产品入口58和出口60分别设置一个压力传感器68、69。产品入口58的压力由调节阀62调节，该调节阀从压力传感器68经控制线70得到一个压力返回信号。
图16表示图14滤膜组件的结构方案，在这个方案中，沿用前面相应结构元件的相同参考号。图16表示绕共同轴16垂直叠置的单个管状滤膜6用其连接管75、76与待分离的混合物的集流管5″和4″的连接。
图17a和17b表示一个滤膜组件的结构型式，这种结构型式在拆开图16所示的共同集流管4″和5″的情况下单个更换管状滤膜特别简单。图17b表示沿图17a剖面线A-A剖开的与滤膜组件的轴16垂直的一个截面。除了待分离的混合物的集流管4″、5″外，还平行设置了一个支承管80。管4″、5、80都分别具有一个径向向里的槽板81，有孔的支承板83插入它的槽82中。这样就构成抽屉格式的支承板83而可将管状滤膜可更换地固定其中。
连接在集流管5″和4″上的管状滤膜6的连接管75、76最好带有快速锁合接头以便更换，如图26a、26b、26c的详图所示。透过管状滤膜6流出的渗透液可通过有孔的支承板83轻易流走。
图18表示具有多个管状滤膜6和一个图16所述那类渗透液箱40的滤膜组件的另一种实施例的示意图。在这种情况中，渗透液箱40用一个轴承86支承在垂直位置87和水平位置88之间并可按箭头89所示方向转动。在水平位置88上，可特别方便地进行单个滤膜组件6的更换，如箭头90所示，而在设备运行过程中，则垂直位置87具有许多优点。
图19和图20分别表示具有一个共同水平轴16的并列设置多个管状滤膜6的一个滤膜组件的侧视图和轴向视图。待分离的混合物的集流管4′、5′与共同的轴16′径向和平行布置，如图20所示。在渗透液箱40下方设置渗透液出口11″。特别是如图20所示，渗透液箱40具有上部44，它用一个铰链96连接可打开，以便进行维修工作。在图19和20中，标号75表示到集液管4′的管状滤膜6的连接管。
图21a、21b、21c表示管状滤膜6带水平轴的滤膜组件的一种可能性，渗透液箱40的一个可拆卸的部分44′通过一个滚动装置101可水平驶出，这样就可自由地进行管状滤膜6的维修工作。
图22表示作成圆盘形扁平绕圈的管状滤膜6的一种有利结构型式，这种结构型式特别适用于图16至21所示的滤膜组件。这种管状滤膜6设置在一个盒状的容器106中，该容器同时用作卷绕的管状滤膜6进行更换时的支承和把手。盒状的容器106的壁部分设置许多孔107，这些孔用来流出作为渗透液的已分离的物料用。在管状滤膜6本身进行维修工作时，可借助于扣锁110从容器106的下部109取掉盖108。
图23a表示一个卷绕管状滤膜的稳定性的另一种改进装置。在这里同样也是将一块圆盘形的支承板116插入带轴16的圆盘状管状滤膜6中，管状滤膜6的环和支承板116通过径向的锁紧带固定，在图23a的截面图中只示出了锁紧带117。图23b和图23c表示改进渗透液流出的支承板116的另一种方案。图23b的支承板116两端具有连接条117′，其间距与管状滤膜6的相邻圈的间距一致。所以管状滤膜6紧贴在连接条117上，从而扩大流出通道。
图23c所示的支承板116具有许多同样便于渗透液流出用的孔118。
如果在由于压力降低管状滤膜的长度有限情况下实现具有大的过滤面积的只有两个轴向层的扁平绕圈，则可用两个径向并列的滤膜管6′、6″构成绕圈，其中最好将滤膜管6′、6″的径向顺序在按图10b所示的绕圈相对于另一层122在中心过渡到一层121时颠倒过来，如图24所示。这样绕圈增大的直径D在许多情况中都不碍事。
待分离的混合物用的上述集流管除了具有集流功能或分配功能外还具有混合功能。在平行入流的滤膜管时，这种混合功能可在一定的管长以后起这样的作用，即可避免在单个滤膜管中混合物的过分浓缩，从而避免混合物的堵塞。图25表示在管状滤膜6的各组126、127、128之间每两组作为集流管134、135设置的共同混合管的示意图。这些混合管在分离运行中向外封闭并具有只从外部操作的清洗阀136、137来进行清洗。
图1a所示管状组件束的滤膜组件可代替图25的混合管136、137作为卷绕束7的中断构成混合室141，如图28所示。管状滤膜6在位于混合室141之间的部分管束7、7′具有全部相同的长度，但由于部分管束的卷绕而出现图28所示的端面呈阶梯形排列。在一次分离运行结束后，连接管146用于输入和输出吹洗管状滤膜的吹洗介质。例如图1a卷绕的管束7所示，混合室141也位于作为渗透液的已分离物的容器1内，所以混合室141在分离运行时外部被渗透液包围，且吹洗介质的连接管146通入图中未示出的连接装置中，该连接装置将渗透液向外引出。
和图28一样，图27也表示一个卷绕端面呈台阶形的相同长度的管状滤膜6的卷绕束7设置在图2a所示的集流管4中。
结合图17a和17b所示滤膜组件的结构型式可在拆卸如图16说明的共同集流管4″和5″的情况下特别方便地更换卷绕的管状滤膜6，这已在管状滤膜6与集流管5″和4″的有利快速锁紧连接作了说明。这种连接如图26a、26b、26c所示。
图26a表示在中间连接一段过滤段151和安装法兰152的情况下管状滤膜6的连接管连接在集流管4″上的纵截面。如沿图26a剖面线A-A剖开的横截面图26b所示，过滤段151具有一个外部环形槽153，在该槽中插入一个U形卡子154。该卡子154沿安装法兰152的正割通过孔155插入并使过滤段151在引入安装法兰152以后可旋转，但保持不掉下。在过滤段151端面上设置一个O形密封圈来在管状滤膜6的连接管76和集流管4″之间实现不渗透液体的连接。图26c表示图26a所示过渡段151一种方案的部分截面图，该图中相应的件沿用相同的参考号。
如上所述，所述的滤膜组件可用市售的管状滤膜制作，这种滤膜可按弯曲半径小于20倍管子内直径进行弯曲，而不损坏滤膜层。作为这种弯曲过程可通过塑料挤压制造管状滤膜的方法比较简单，这种方法采用环形孔的挤压嘴。其中，通过沿环形孔用热的或机械的方法控制塑料的不同流出速度来制造弯曲形式的管状滤膜。在用适当形状的挤压嘴时，也可挤出图9所示的多孔状滤膜36作为一个单元，或者制造如图13所示的、作为扁管的管状滤膜37。对管状滤膜同时输入、输出待分离的混合物的共同集流管，特别是图14所示垂直于其轴线入流的集流管4″、5″可提出多种有利方案，在这些方案中，集流管具有多个分别带有自己给料管的单独件。
本发明的滤膜组件可用于横流方法中束分离果汁、食品或废水。其中，根据混合物待分离成分的种类不同而可选用具有不同分离范围的滤膜，以进行可逆渗透、毫微米级过滤、超级过滤或微米级过滤。在适当的使用情况中，滤膜组件也可简单地改装成带有终端过滤的运行。与直线管状组件的滤膜组件比较，本发明的滤膜组件可达到大约180米2的较大的过滤面积。