Dynamisches Filtersystem
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dynamisches Filtersystem für ein oder mehrere Filterelemente mit zumindest einer über einen Antrieb rotatorisch antreib- baren Antriebswelle, entlang der zumindest ein Abflusskanal für ein Filtrat ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zur Filtration mit einem derartigen Filtersystem.
Filtersysteme der genannten Art lassen sich in vielen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungsbereichen, beispielsweise der Stofftrennung bei biotechnischen oder chemischen Verfahren, einsetzen. Insbesondere die Membrantrenntechnik, wie sie mit dem vorliegenden Filtersystem durchführbar ist, spielt in diesen Bereichen eine wesentliche Rolle.
Stand der Technik
Die Trennschritte in der Membrantrenntechnik lassen sich nach den Trenngrenzen in die Klassen Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie Umkehrosmose einteilen. Bei der Durchführung der Trennverfahren wird das zu filternde bzw. aufzutrennende Medium, eine Flüssigkeit oder ein Gas, durch die Membran geführt. Feststoffe und auch teilweise ionische Bestandteile werden von der Membran zurückgehalten und konzentrieren sich direkt an der Membran auf, während die abfiltrier-
te Flüssigkeit bzw. das abfiltrierte Gas, das Filtrat, die Membran passiert. Durch die Konzentrationsüberhöhung bzw. Konzentrationspolarisation vor der Membran wird ein Deckschichtaufbau, der auch als Membranfouling bekannt ist, verursacht. Dieser Deckschichtaufbau kann im Laufe der Zeit zu einer deutlichen Reduzierung des Durchflusses bis hin zu einer vollständigen Verstopfung der Membran führen. Die Stärke des Deckschichtaufbaus hängt von der Betriebsweise und dem Aufbau des Filter- Systems ab.
So sind als klassische Betriebsweisen die sog. Dead-end Filtration und die sog. Cross-flow-Filtration bekannt. Diese unterscheiden sich in wesentlichen Punkten. Bei der Dead-end-Filtration wird während der Filterung keine erzwungene Anströmung der Membran erzeugt, so dass die Deckschicht unkontrolliert anwachsen kann. Die Deckschicht wird hierbei durch kontinuierliche Ablagerung von Stoffen auf der Membran und direkten, dauerhaften Druck auf die Deckschicht und die Membran verdichtet. Dadurch können Feststoffe in die Struktur der Membran eindringen, so dass eine Reinigung der Membran erschwert wird.
Bei der Cross-flow-Filtration wird die Membran gezielt parallel zur Oberfläche überströmt, um eine
Kontrolle des Deckschichtaufbaus zu erreichen. Hierfür muss die gesamte zu filtrierende Flüssigkeitsmenge durch das Modul gepumpt werden. Dieses Erfordernis sowie die am Modul entstehenden Turbulenzen führen zu einem hohen Energiebedarf, wobei nur ein kleiner Teil der eingesetzten Energie zur eigentlichen Filtration verwendet wird.
Trotz der bei der Cross-flow-Filtration erzeugten Anströmung tritt nach längerer Betriebszeit eine Reduzierung des Filtratstroms auf, da die Deckschicht bei diesem Verfahren nicht optimal abgetragen wird. Sowohl bei der Dead-end-Filtration als auch bei der
Cross-flow-Filtration wird daher die Membran periodisch rückgespült, um über längere Zeit konstante Filtrat- flüsse erzielen zu können.
Der typische spezifische Energiebedarf für eine Cross-flow-Ultrafiltration liegt bei 3 - 7 kWh/m3 bei Filtratflüssen von etwa 100 - 150 l/m2h und einem Transmembrandruck von 3 - 5 * 105 Pa. Für eine Dead- end-Filtration ergeben sich vergleichbare Werte von etwa 0,1 - 0,5 kWh/m3 bei Filtratflüssen von etwa 50 - 80 l/m2h für einem Transmembrandruck von etwa 0,5 - 2 * 105 Pa. Dies führt bei hohen Volumenströmen und geringer Wertschöpfung, wie dies beispielsweise bei der kommunalen oder industriellen Abwasserreinigung oder bei der Trinkwassergewinnung aus Oberflächengewässern der Fall ist, zu einer ungünstigen Kostensituation. Für die Dead-end-Filtration fallen zwar niedrigere Betriebskosten an, jedoch sind dafür höhere Investitionskosten als bei der Cross-flow-Ultrafiltration zu tragen. Die Dead-end-Filtration weist vor allem den
Nachteil einer sehr starken Deckschichtbildung auf, so dass sie in Anwendungen mit hohen Volumenströmen nicht eingesetzt wird. Die Cross-flow-Filtration ist technisch besser für diesen Anwendungsbereich geeignet, verursacht jedoch hohe Betriebskosten.
In jüngster Zeit werden daher vermehrt sog. Tauchsysteme eingesetzt, bei denen das Filtersystem mit der
oder den Membranen in das Medium eingetaucht und darin beispielsweise rotierend angetrieben wird, um die Deckschichtbildung zu verringern. Diese Systeme vermeiden das ständige Umpumpen der Flüssigphase und verursachen dadurch niedrigere Betriebskosten als Cross-flow-Systeme. Dabei kommen unterschiedliche Membranformen wie Hohlfasern, Rohre, Platten oder Scheiben zum Einsatz, bei denen das transmembrane Druckgefälle durch Erzeugen eines Unterdrucks in Höhe von etwa 0,5 - 0,9 * 105 Pa auf der Filtratseite erreicht wird.
Einige der bekannten Tauchsysteme arbeiten mit zylinderförmigen oder scheibenförmigen Membranen. So ist beispielsweise aus der WO 97/09416 ein Filtersystem zur Filterung in einem Fermenter bekannt, das sich aus einem zylindrischen Spinnfilter mit konischem Boden und einem oben offenen Überlauf auszeichnet, der um seine Längsachse rotierend angetrieben wird.
Aus der DE 196 24 176 AI ist eine Filterplatte für die Flüssigkeits- und Gasfiltration bekannt, die aus mehreren laminierten Keramikschichten besteht, die zu einem homogenen Block versintert sind, wobei die Mittelschicht als Drainageschicht und die Deckschichten als Filterschichten ausgebildet sind. Die Druckschrift zeigt ein Rotationssystem, bei dem mehrere dieser Filterplatten mit einer zentralen Abflussöffnung versehen und auf ein Rohr aufgefädelt sind, wobei der Innenraum des Rohres den Abflusskanal für das Filtrat bildet und mit der Mittelschicht jeder Filterplatte durch radiale Bohrungen strömungsleitend verbunden ist. Das Rohr mit den Filterplatten wird in dem zu
filtrierenden Medium um seine Längsachse rotierend angetrieben, so dass die Entstehung von Anbackungen auf den Deckschichten der Filterplatten verringert wird.
Auch die letztgenannten Systeme weisen jedoch bei Anwendungen mit hohen Volumenströmen und geringer Wertschöpfung noch eine für eine wirtschaftliche Betriebsweise zu hohe Neigung zur Deckschichtbildung auf.
Aus Patent abstracts of Japan, JP 10216422 A, ist ein Filtersystem mit einer über einen Antrieb rotatorisch antreibbaren Antriebswelle bekannt, in der ein Abflusskanal für ein Filtrat ausgebildet ist. Die Antriebswelle ist starr mit einem Rotationskörper verbunden, an dem rohrförmig ausgebildete Filterelemente befestigt sind und der eine fluidische Verbindung zu dem Abflusskanal herstellt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein dynamisches Filtersystem sowie ein Verfahren zur Filtration mit einem derartigen System anzugeben, die auf einfache Weise hinsichtlich der Vermeidung der Deckschichtbildung optimierbar und auch für Anwendungen mit hohen Volumenströmen und geringer Wertschöpfung wirtschaftlich einsetzbar sind.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem dynamischen Filtersystem sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Filtersystems
sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche .
Das vorliegende dynamische Filtersystem für ein oder mehrere Filterelemente weist zumindest eine über einen Antrieb rotatorisch antreibbare Antriebswelle auf, entlang der zumindest ein Abflusskanal für ein Filtrat ausgebildet ist. Die Antriebswelle ist starr mit einem Rotationskörper verbunden, der ein oder mehrere Anschlüsse aufweist, die eine Befestigung der ein oder mehreren Filterelemente unter einem definierten Anstellwinkel relativ zur Rotationsrichtung ermöglichen. Die ein oder mehreren Anschlüsse sind derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass daran befestigte Filterelemente bei Rotation des Rotationskörpers in einem zu filternden Medium eine konvektive Strömung, insbesondere eine Pumpwirkung, im Medium hervorrufen. Diese Wirkung kann auch durch zusätzliche Strömungsleitelemente um den Rotationskörper unter- stützt werden. Vorzugsweise sind die Anschlüsse derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass sie eine Befestigung der Filterelemente unter verschiedenen Orientierungen oder Anstellwinkeln relativ zur Rotationsachse bzw. Rotationsrichtung ermöglichen. Der Rotationskörper ist weiterhin mit zumindest einem Führungskanal für das aus den Filterelementen austretende Filtrat ausgebildet, der eine fluidische Verbindung zwischen den Anschlüssen und dem Abflusskanal herstellt.
Bei Einsatz dieses Filtersystems wird die Deckschichtbildung an den Filterelementen durch die Rotation im Medium deutlich reduziert. Es ist kein
weiteres Umpumpen zur Anströmung der Filterelemente erforderlich, so dass die Betriebskosten dieses Filtersystems im Vergleich zu einem Cross-flow-System niedrig liegen. Die besondere Anordnung der Filter- elemente unter einem definierten Anstellwinkel (≠ 0°) an einem Rotationskörper ermöglicht insbesondere, die Filterelemente relativ zur Rotationsrichtung gezielt auszurichten, um einen optimalen Anströmwinkel der Filterelemente im Einsatz zu erreichen. Die Filterelemente, die vorzugsweise flügelartig (als "Membranflügel") am Rotationskörper angeordnet sind, lassen sich durch entsprechende Ausbildung der Anschlüsse unterschiedlichen oder sich verändernden Strömungsrichtungen jederzeit anpassen. Dadurch ist die Vorrichtung optimal auch für den Einsatz in bewegten
Gewässern geeignet. Durch den vorgebbaren Anstellwinkel oder die vorgesehene Einstellmöglichkeit des Anstellwinkels kann die Neigung zum Deckschichtaufbau gegenüber bekannten Rotationssystemen nochmals verringert werden, bei denen in der Regel die Filterelemente um ihre eigene Symmetrieachse rotieren und eine kontrollierte Strömungsrichtung für die optimale Funktion erforderlich ist.
Durch den einfachen Aufbau und die niedrigen Betriebskosten lässt sich das vorliegende Filtersystem sehr vorteilhaft bei Anwendungen mit hohen Volumenströmen und geringer Wertschöpfung einsetzen, zumal die Deckschichtbildung gegenüber bekannten Systemen auf einfache Weise weiter verringert werden kann.
Die Filterelemente für das vorliegende Filtersystem können aus unterschiedlichen Filtermaterialien und Filtertypen bestehen. So lassen sich beispielsweise
Polymermaterialien, Keramikmaterialien bzw. anorganische Membranen, Ultrafiltrationsmembranen oder Mikrofiltrationsmembranen als Bestandteil des Filterelementes einsetzen. Das Filterelement muss lediglich eine geeignete Halterung bzw. ein geeignetes Gehäuse für die Membran aufweisen, das von den Anschlüssen des Rotationskörpers aufgenommen werden kann. Die Befestigung der Filterelemente am Rotationskörper kann beispielsweise durch Schraub-, Klemm- oder Steck- Verbindungen erfolgen. Selbstverständlich sind auch andere Befestigungsmittel einsetzbar. Die Filterelemente können auch durch Löten oder Kleben am Rotationskörper befestigt werden. Die Form der Filterelemente ist hierbei nicht festgelegt. Das Filter- element kann beispielsweise durch ein Rohr, einen Schlauch, einen Kanal, eine Leitung oder Ähnliches gebildet werden, in die die Membran eingeklebt wird, um eine fluidische Verbindung zwischen dem Inneren des Filterelementes und dem Abflusskanal herstellen zu können, über die der Transport des Filtratstromes erfolgen kann.
Die fluidische Verbindung zwischen dem Filterelement und den Anschlüssen des Rotationskörpers kann entweder direkt durch Verschraubung oder über separate Röhren, Leitungen oder Schläuche erfolgen. Die Anschlüsse am Rotationskörper sind mit ein oder mehreren Öffnungen versehen, über die ein Zugang zu den Führungskanälen und somit eine Verbindung zum Abflusskanal besteht. Das Filtrat wird während des Betriebes über den oder die Führungskanäle im Rotationskörper und den Abflusskanal entlang der Antriebswelle abgezogen. Die Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit kann durch das
angelegte Vakuum in Verbindung mit der durch die Rotation erzeugte Fliehkraft erreicht werden. Die Wirkung von Vakuum und Fliehkraft heben sich ab einem bestimmten Grenzwert auf.
Bei dem vorliegenden Filtersystem können entweder nur ein oder auch mehrere Filterelemente am Rotationskörper befestigt werden. Der Rotationskörper ist hierbei vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet, wobei die Anschlüsse für die Filterelemente an der der
Antriebswelle gegenüberliegenden Unterseite des in seinem Zentrum mit der Antriebswelle starr verbundenen Scheibenelementes liegen. Es sind jedoch auch andere geometrische Formen des Rotationskörpers möglich, wie beispielsweise eine rotationssymmetrische Form mit sternförmig angeordneten Auslegern, in deren Inneren die Führungskanäle verlaufen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebswelle als Hohlwelle ausgebildet, so dass der Abflusskanal in der Antriebswelle verläuft. Der zumindest eine Führungskanal ist ebenfalls vorzugsweise im Rotationskörper selbst ausgebildet, beispielsweise durch darin verlaufende Kanäle oder einen einzelnen großen Hohlraum.
Die Anschlüsse am Rotationskörper setzen sich aus Befestigungsmitteln zur Befestigung der Filterelemente sowie zumindest je einer Öffnung zusammen, über die die fluidische Verbindung über den oder die Führungskanäle zum Abflusskanal erfolgt. Die Befestigungsmittel sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die Filterelemente in unterschiedlichen Orientierungen oder
Winkelstellungen am Rotationskörper befestigbar sind. Der Einbau der Filterelemente kann dann so erfolgen, dass die Anströmung bzw. Überströmung vertikal oder horizontal möglich ist. Durch den variablen Einbauwinkel lassen sich die Anströmwinkel der Filterelemente optimal zum Zwecke eines geringen Deckschichtaufbaus einstellen. Durch diese gezielte Einstellmöglichkeit kann die Strömung auf der Membranoberfläche vorteilhaft beeinflusst werden.
Der Einbau von Antriebswelle und Rotationskörper mit den Filterelementen kann auch in einem Gehäuse erfolgen, das einen Zulauf und einen Ablauf aufweist. Die Welle ist in diesem Gehäuse drehbar gelagert. Das Filtrat verlässt das Gehäuse durch die hohle Welle. Der für die Filtration notwendige transmembrane Druck wird beispielsweise durch Anlegen eines Unterdruckes auf der Filtratseite erzeugt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende dynamische Filtersystem wird nachfolgend ohne Beschränkung des vorangehend dargelegten Erfindungsgedankens anhand eines Ausfüh- rungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für das dynamische Filtersystem im Einsatz; Fig. 2 ein Beispiel für eine Anordnung der
Filterelemente auf dem Rotationskörper des Filtersystems; und
Fig. 3 eine Teilansicht des Filtersystems der vorliegenden Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen dynamischen Filtersystems. Das Filtersystem ist in diesem Beispiel in ein Behältnis 8 mit dem zu filternden Medium eingetaucht. Das Filtersystem umfasst eine innen hohle Antriebswelle 3, die mit einer Rotationsscheibe 5 starr verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Welle 3 und der Scheibe 5 kann beispielsweise durch Kleben, Verschrauben, Löten oder Schweißen hergestellt sein. Über diese Antriebswelle 3 wird die Scheibe 5 in dem Medium rotiert. Die Antriebswelle 3 ist hierzu mit einem Motorantrieb 4 verbunden. Die Kopplung zwischen dem Motor 4 und der Antriebswelle 3 kann in bekannter Weise, beispielsweise über einen Zahnkranz an der Welle 3, erfolgen.
An der Unterseite der Rotationsscheibe 5 ist im vorliegenden Beispiel ein Anschluss 6 für ein Filterelement 1 ausgebildet. Die Figur zeigt das über den Anschluss 6 mit der Scheibe 5 verbundene Filterelement 1. Das Filterelement 1 weist einen oder mehrere
Membrankörper auf, deren Filtrat über zwei seitliche rohrförmig ausgebildete Leisten über den Anschluss 6 abgeführt wird. Die Leisten sind hierbei über den Anschluss 6 an der Scheibe 5 befestigt. Der Anschluss an der Scheibe 5 weist zwei Öffnungen auf, die in fluidischer Verbindung mit den rohrförmig ausgebildeten Leisten des Filterelementes 1 stehen. Innerhalb der
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Steckverbindung oder auch über eine Schraubverbindung erfolgen. Es versteht sich von selbst, dass die fluidische Verbindung zwischen dem Inneren der Filterelemente 1 und den Führungskanälen 7 in der Scheibe 5 ausreichend gegenüber dem Medium abgedichtet sein muss, in das das Filtersystem eingetaucht wird.
Mit einem Filtersystem, wie es in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt ist, lassen sich im Falle von Wasser als zu filtrierendem Medium Filtratflüsse » 12000 1/ (m2 h hPa) erzeugen. Das System ist einfach realisierbar und erfordert im Betrieb nur geringe Betriebskosten, die im Wesentlichen durch den rotatorischen Antrieb des Filtersystems im Medium hervorgerufen werden. Die Drehzahl ist abhängig vom Durchmesser der Membranaufhängung 5 und den Eigenschaften des Mediums, insbesondere der Viskosität, und muss abgestimmt auf die jeweiligen Bedingungen eingestellt werden. Der verwendete Typ der eingesetzten Filterelemente ist beliebig, solange die Befestigung an den Anschlüssen 6 der Scheibe 5 im Zusammenhang mit der fluidischen Verbindung gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste
Filterelemente Abflusskanal hohle Antriebswelle Antrieb Rotationskörper, Rotationsscheibe Anschlüsse Führungskanal/Führungskanäle Behältnis mit Medium