WO1985000297A1 - Process and device for the separation of substances by means of membranes - Google Patents

Process and device for the separation of substances by means of membranes Download PDF

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WO1985000297A1 PCT/EP1984/000201 EP8400201W WO8500297A1 WO 1985000297 A1 WO1985000297 A1 WO 1985000297A1 EP 8400201 W EP8400201 W EP 8400201W WO 8500297 A1 WO8500297 A1 WO 8500297A1
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Schleicher and Schuell GmbH
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    • F02B1/02Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

Definitions

  • the invention relates to a process for the separation of liquids or gaseous multi-media by means of membranes, in which the medium to be treated is first subjected to a working pressure required for the separation and is then passed over the surface of the working membrane.
  • such a process includes both filtration processes with small and smallest membrane pore sizes, in particular microfiltration with pore sizes in the range from 1.0 to 0.1 ⁇ m and ultrafiltration in the range from approximately 0.1 to 0.01 ⁇ m as well as the reverse Understood osmosis.
  • the nutrient media in question can therefore be both cloudy, ie dispersions of solid particles in one liquid phase or a smoke as well as solutions or gas mixtures.
  • the separation of viruses and pyrogens from liquid phases, the desalination of seawater and brackish water or the concentration of industrial wastewater containing radioactive salts are typical examples of the material separation processes of the type in question, which are hereinafter briefly referred to as "membrane processes".
  • the invention further relates to a device for carrying out such membrane processes using a working membrane element which is arranged in a pressure vessel, which has an inlet connection for the medium to be treated by means of a pressure generator, usually a displacement pump, a discharge connection for the permeate or filtrate and a concentrate connection at which the medium concentrated by the membrane treatment and retained in front of the membrane can escape.
  • a pressure generator usually a displacement pump
  • a discharge connection for the permeate or filtrate and a concentrate connection at which the medium concentrated by the membrane treatment and retained in front of the membrane can escape.
  • the fine-pored membranes used to carry out these membrane processes or practically pore-free in the case of reverse osmosis are in some cases quite sensitive structures which, if no precautionary measures are taken, quickly show a significant reduction in flow.
  • the best known and most effective measure for suppressing the flow performance drop of membranes of the type in question can be seen in the fact that the medium to be treated, which is used to achieve the separation effect on the membrane with an overpressure in the range from a few bar to a few 10 bar acted upon. is carried out with the greatest possible flow speed parallel to the surface of the working membrane over this membrane surface.
  • the medium to be treated is subjected to the working pressure by a pressure generator, is pumped under this pressure into a pressure vessel in which the membrane element is arranged, and after which it overflows the surface of the membrane exits the pressure vessel via a throttle device.
  • the medium which is then usually referred to as concentrate or retentate, is returned to the pressure generator after the expansion, behind the throttling device, pressurized again and in turn returned to the pressure vessel and over the working membrane surface.
  • part of the retentate is usually branched off and withdrawn as a concentrate from this circuit.
  • the object of the present invention is to create a method and a device for separating liquids or gaseous multi-material media by means of membranes of the type mentioned at the outset, which enable such membrane processes to be carried out with a lower level of plant technology and which require operational outlay; in particular, means are to be found to reduce the working pressure generator and to reduce the pretreatment effort.
  • This object is achieved by the invention by a process for the separation of liquids or gaseous multi-media, in which the medium to be treated is subjected to a working pressure of a working pressure of a few to a few 10 bar and then passed over the surface of a working membrane, in that the medium subjected to the working pressure is circulated over the surface of the working membrane with only the unavoidable pressure drop due to the flow, so that the working pressure generator only needs to convey the volume flow that is required for the actual membrane process, i.e. only one volume flow of the medium to be treated needs to convey, which is equal to the sum of the volume flows of the concentrate and permeate, which are withdrawn from the system continuously or discontinuously.
  • the volume flow of the mixture of concentrate and injected medium to be treated which is circulated for the purpose of suppressing the blocking of the membrane and for suppressing the flow reduction of the membrane, is circulated in the high-pressure region in front of the working membrane and is returned without being relaxed.
  • an additional pump is required for this circulation, simpler, cheaper and smaller pumps can be used for this purpose, which are characterized in particular by an extremely low energy requirement.
  • the required flow rate in the working pressure generator be reduced by at least a factor of 5 to 10. This, in turn, can in practice reduce the size and energy consumption of the pump used as a working pressure generator by an entire dimension.
  • This circulation volume flow which in practice is at least five to ten times the volume flow actually required for the membrane process and by which the working pressure generator is relieved according to the method according to the invention, is now circulated in the high-pressure region in front of the membrane according to the method according to the invention, namely without leaving this high-pressure area, so that the circulation pump required for this only has an energy requirement which has to compensate for the unavoidable pressure drop in the circuit due to the flow.
  • the pressure to be applied for this is around 1 to 3 orders of magnitude lower than the pressure with which the working pressure generator acts on the medium to be treated.
  • the additional investment costs caused by the additional circulation pump are therefore already far overcompensated by the investment costs saved for the working pressure generator, so that the entire considerable operating energy savings in the economic balance sheet are available unabated.
  • the membrane treatment process is carried out in such a way that the medium to be treated is prefiltered through at least one membrane before it reaches the surface of the working membrane.
  • a membrane has an average pore size that is larger than the average pore size of the working membrane.
  • a membrane prefilter and a membrane postfilter are used in front of the actual working membrane.
  • the mean pore size of the membrane prefilter is larger than the mean pore size of the membrane filter and is the average pore size of this membrane post-filter is again larger than the average pore size of the working membrane.
  • the working membrane is a membrane for carrying out the reverse osmosis
  • an ultrafiltration membrane is used as the post-filtration membrane and a microfiltration membrane is used as the prefilter membrane.
  • the medium for the pre-filter membrane hardly needs to be subjected to any noteworthy pressure, whereas for the filtration through the post-filter membrane some pressure is already required in order to achieve a sufficiently high flow rate, according to a further embodiment of the invention the working pressure generator preferably switched between the pre-filter membrane and the post-filter membrane. This has the advantage that no unnecessary pressure drop is generated by connecting the pre-filter membrane in the high-pressure area of the system, ie after the working pressure generator, and that an additional separate pressure generator can be saved for the post-filter membrane.
  • the device for carrying out the method described above essentially consists of a working membrane element which is arranged in a pressure vessel, which in turn is preceded by a pressure generator in which the medium to be treated fed into the pressure vessel is subjected to the working pressure required for the membrane treatment.
  • the working membrane element is preferably a spiral winding element, but can likewise be constructed in a different way, for example as a tubular filter element, labyrinth element or plate filter.
  • the only decisive factor in this connection is that the working membrane element used in each case provides a sufficiently large surface area of the membrane which can be flowed over by the medium to be treated.
  • This membrane treatment arrangement which is customary in this respect is characterized according to the invention by a pump, preferably a turbine centrifugal pump, which is arranged in the pressure vessel in which the working membrane element is also accommodated and whose suction nozzle on the pressure side behind the working membrane element with the concentrate drain and its pressure nozzle with the pressure-side inlet space, inlet area or inlet channel is connected in front of the working membrane element, and by a branch line which connects the suction line of the pump between the concentrate outlet and the suction port of the pump with the concentrate connection of the pressure vessel.
  • the pump arranged in this way in the pressure area of the system within the pressure vessel of the working membrane element thus acts as a circulation pump for the medium to be treated on the pressure side in front of the membrane.
  • this pump is preferably equipped with a turbine drive according to a further embodiment of the invention, the turbine of which is fed via an associated turbine nozzle directly behind the inlet connection of the pressure vessel with that fed into the pressure vessel by the working pressure generator medium to be treated is applied.
  • the turbine pressure drop for the medium fed can be in the order of 0.2 to 8 MPa.
  • the concentrate drain or an additional electric motor can serve as additional drive energy sources for the circulation pump installed in the pressure vessel. If the concentrate outlet is used, it is guided in a separate turbine chamber onto a separate turbine impeller. If an electric motor is provided in addition or alone, it is preferably, but of course not necessarily, arranged outside the pressure vessel.
  • the electric motor for the circulating pump is then preferably, but again also not mandatory, via a coupling which is free of lead-through, for example a magnetic coupling, in order to prevent any technical problems which may occur which may occur when a dynamic seal is formed on a pressure vessel.
  • both an electrical auxiliary drive and an additional turbine drive which can be driven both by external liquid or gaseous pressurized fluids and by utilizing the pressure concentrate discharge, are via a torque limiter, preferably a magnetic coupling, to the turbine which is acted upon by the medium to be treated which is fed in coupled.
  • Figure 1 shows the block diagram of a system for performing the method according to the invention.
  • Figure 2 in axial section and in partial representation the head of the pressure vessel of a device according to the invention.
  • FIG. 3 shows, in axial section and in partial representation, the schematic structure of a foot region of a pressure vessel of the device according to the invention.
  • Fig. 4 is a partial view of the type shown in Fig. 2 in the formation with two turbine wheels.
  • FIG. 1 shows the schematic block diagram of a system for carrying out the method according to the invention.
  • the individual components of this system shown are provided with ISO codes which have the following meaning:
  • the medium to be treated passes through an inlet line 1 and an actuator 2 provided with an overflow stop to a prefilter 3, which is a combination filter comprising a poured, wound or sintered activated carbon filter 4 and a microfiltration membrane 5.
  • the pre-filter 3 can be backwashed and cleaned via a drain valve 6 and can be aerated on the filtrate side via an aeration valve 7.
  • the filtrate leaving the pre-filter 3 can be provided with an additive, for example with a marking substance, a reactant or a process additive, via an auxiliary feed line 8 and a three-way ball valve 9. The proper functioning of the filter 3 is monitored with a downstream manometer 10.
  • the pre-filter 3 is followed by a pressure generator 11, which in the exemplary embodiment shown here is designed as a centrifugal pump driven by an electric motor 12 with a downstream check valve 13.
  • a post-filter 14 is connected, which consists of an outer flexible and flexible hose 15 and an inner elastic membrane filter hose 16. While the membrane filter 5 of the pre-filter 3 has an average pore size of 0.45 ⁇ m, the elastic membrane filter tube 16 of the post-filter 14 has an average pore size of 0.1 ⁇ m. While working membrane poisons such as free chlorine, ozone or oxygen in the pre-filter on the activated carbon and in the membrane pre-filter all particles up to 0.45 ⁇ m, e.g. partly radioactive substances, colloidal suspensions, organic residues and partly bacteria, are retained all bacteria in particular are retained on the post-filter 14.
  • the elastic design of the secondary filter 14 also serves to dampen pulsation and noise, in particular when the pressure generator 11 is a piston displacement pump.
  • the post-filter 14 is monitored with the aid of a manometer 17 and a sampling tap 18.
  • the actual membrane treatment in the exemplary embodiment described here, is reverse osmosis, in assembly 19, referred to here briefly as "turbo module", which is essentially constructed from a pressure vessel 20, a working membrane element 21, a concentrate circulation line 22 and a circulation pump 23.
  • the working membrane can of course also be an ultrafiltration membrane or a microfiltration membrane. It is only necessary to ensure that the membrane 16 of the secondary filter 14 has an average pore size which is larger than the average pore size of the membrane of the membrane element 21, and that the average pore size of the membrane 5 of the pre-filter 3 in turn has a larger pore size than that Membrane 16 of the night filters 14.
  • the circulation pump 23 is designed in the manner described in more detail below as a turbine centrifugal pump which is equipped with an auxiliary electric motor 24.
  • the filtrate circuit line 22 is equipped with a flow monitor
  • the permeate or filtrate is passed through a permeate drain line
  • the quality of the permeate is monitored by means of a conductivity sensor 28.
  • the concentrate removed continuously via a concentrate discharge line 29 and monitored by means of a manometer 30 and a flow monitor 31 is continuously withdrawn from the concentrate flow circulated in the turbo module 19 via a two-way valve 32, the setting of which determines the withdrawal ratio of concentrate to permeate.
  • the electrical control and energy supply of the entire system takes place via a central control and regulating unit 33.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the head of the turbo module 19 shown in FIG. 1 with the cut membrane element 21 and the circulation pump 23.
  • the circulation pump 23 is designed as a turbo centrifugal pump and essentially consists of the pump impeller 34, the turbine impeller 35, which can be acted upon by the turbine nozzle 36, and the auxiliary electric motor 24, which is coupled to the shaft of the turbine impeller 35 via a magnetic coupling 37.
  • the electric auxiliary motor 24 is located outside the pressure vessel 20, but it is. connected to it by means of a mounting plate 38 to form an integral structural unit and by a cover 39 protected from mechanical influences.
  • the pressure vessel 20 has an inlet connection 40 for the medium to be treated with pressure by means of the pressure generator, an outlet connection 41 for the permeate (FIG. 3) and a concentrate connection 42 (FIG. 2), on which the membrane treatment concentrated and pressure side medium retained in front of the membrane can be drawn off continuously in a branch stream.
  • the suction port 43 of the circulation pump 23 is connected via the concentrate circulation line 22, which is also the suction line for the pump 23, to the concentrate outlet space 44 on the pressure side behind the working membrane element 21, while the pressure port 45 of the circulation pump 23 is connected to the inlet space 46 in front of the working membrane element 21.
  • the concentrate flow is indicated by the flow arrow K
  • the flow of the medium to be treated is indicated by the flow arrow E.
  • the suction line 22 of the circulation pump 23 is connected to the concentrate connection 42 via a branch line 47.
  • the turbine wheel 50 is acted upon by a turbine nozzle 51 with the high pressure concentrate under operating pressure from the concentrate branch line 47.
  • the concentrate running off the turbine wheel 50 is led as a low-pressure concentrate via a low-pressure concentrate line 52 to a separate concentrate connection, where it is removed from the system as a concentrate stream.
  • the concentrate auxiliary turbine described in the exemplary embodiment shown in FIG. 4 is also connected to the shaft of the main turbine 23 via a magnetic coupling 37.

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Abstract

Process and device for the separation of substances of fluid or gaseous multisubstances media by means of membranes (21) in a pressure container (20) with pretreatment and conduction of the medium to be treated in a circulation circuit. The medium to be treated mixed with a concentrate is circulated by a separate pump (23) with minimum energy and a large volume flow after the membrane prefiltration (3) and after charging with the operating pressure without pressure reduction by throttle inside the high pressure area. Thereby the operating pressure generator (11) can be adjusted to a volume flow which is just equal to the sum of the permeate volume flow plus the concentrate volume flow and which contains no fraction of the circulation circuit.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Stofftrennung mittels Membranen

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Method and device for separating substances by means of membranes
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B e s c h r e i b u n gDescription

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stofftrennung von flüssigen oder gasförmigen Mehrstoffmedien mittels Membranen, bei dem das zu behandelnde Medium zunächst mit einem für die Trennung erforderlichen Arbeitsdruck beaufschlagt und dann über die Oberfläche der Arbeitsmembran geleitet wird.The invention relates to a process for the separation of liquids or gaseous multi-media by means of membranes, in which the medium to be treated is first subjected to a working pressure required for the separation and is then passed over the surface of the working membrane.

Unter einem solchen Verfahren werden vorliegend sowohl Filtrationsvörfahren mit kleinen und kleinsten Membranporengrößen, speziell also die Mikrofiltration mit Porengrößen im Bereich von 1,0 bis 0,1 μm und die Ultrafiltration im Bereich von ungefähr 0,1 bis 0,01 μm als auch die Umgekehrte Osmose verstanden. Die in Rede stehenden Nährstoffmedien können also sowohl Trüben, also Dispersionen fester Teilchen in einer flüssigen Phase oder ein Rauch als auch Lösungen oder Gasgemische sein. Das Abtrennen von Viren und Pyrogenen aus flüssigen Phasen, die Meerwasser-und Brackwasserentsalzung oder das Aufkonzentrieren radioaktive Salze enthaltender IndusJ:rieabwässer sind typische Beispiele für die Stofftrennungsverfahren der hier in Rede stehenden Art, die im folgenden kurz als "Membranverfahren" bezeichnet sind.In the present case, such a process includes both filtration processes with small and smallest membrane pore sizes, in particular microfiltration with pore sizes in the range from 1.0 to 0.1 μm and ultrafiltration in the range from approximately 0.1 to 0.01 μm as well as the reverse Understood osmosis. The nutrient media in question can therefore be both cloudy, ie dispersions of solid particles in one liquid phase or a smoke as well as solutions or gas mixtures. The separation of viruses and pyrogens from liquid phases, the desalination of seawater and brackish water or the concentration of industrial wastewater containing radioactive salts are typical examples of the material separation processes of the type in question, which are hereinafter briefly referred to as "membrane processes".

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung solcher Membranverfahren unter Verwendung eines Arbeitsmembranelements, das in einem Druckbehälter angeordnet ist, der einen Zulaufanschluß für das mittels eines Druckerzeugers, meist einer Verdrängerpumpe, druckbeaufschlagte zu behandelnde Medium, einen Ablaufanschluß für das Permeat oder Filtrat und einen Konzentratanschluß aufweist, an dem das durch die Membranbehandlung konzentrierte, vor der Membran zurückgehaltene Medium austreten kann.The invention further relates to a device for carrying out such membrane processes using a working membrane element which is arranged in a pressure vessel, which has an inlet connection for the medium to be treated by means of a pressure generator, usually a displacement pump, a discharge connection for the permeate or filtrate and a concentrate connection at which the medium concentrated by the membrane treatment and retained in front of the membrane can escape.

Die zur Durchführung dieser Membranverfahren gebräuchlichen feinporigen oder im Fall der Umgekehrten Osmose praktisch porenfreien Membranen sind zum Teil im Betrieb recht empfindliche Strukturen, die, wenn keine Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, rasch eine signifikante Durchflußverminderung zeigen. Die bekannteste und wirksamste Maßnahme zur Unterdrückung des Durchfluß-Leistungsabfalls von Membranen der in Rede stehenden Art ist darin zu sehen, daß das zu behandelnde Medium, das zur Erzielung des Trenneffektes an der Membran mit einem Überdruck im Bereich von einigen bar bis zu einigen 10 bar beaufschlagt. wird, mit einer möglichst großen Strömungsgeschwindigkeit parallel zur Oberfläche der Arbeitsmembran über diese Membranoberfläche geführt wird. Dies wird in der Praxis in der Weise realisiert, daß das zu behandelnde Medium durch einen Druckerzeuger mit dem Arbeitsdruck beaufschlagt wird, unter diesem Druck in ein Druckgefäß eingepumpt wird, in dem das Membranelement angeordnet ist, und nach dem überströmen der Oberfläche der Membran über eine Drosselvorrichtung wiede aus dem Druckbehälter austritt. Das Medium, das dann üblicherweise als Konzentrat oder Retentat bezeichnet wird, wird nach dem Entspannen hinter der Drosselvorrichtung wieder zum Druckerzeuger zurückgeführt, erneut mit Druck beaufschlagt und wiederum in den Druckbehälter und über die Arbeitsmembranoberfläche zurückgeführt. Je nach den durch die zu lösende Trennaufgabe gegebenen Parametern wird dabei üblicherweise aus diesem Kreislauf ein Teil des Retentats als Konzentrat abgezweigt und abgezogen.The fine-pored membranes used to carry out these membrane processes or practically pore-free in the case of reverse osmosis are in some cases quite sensitive structures which, if no precautionary measures are taken, quickly show a significant reduction in flow. The best known and most effective measure for suppressing the flow performance drop of membranes of the type in question can be seen in the fact that the medium to be treated, which is used to achieve the separation effect on the membrane with an overpressure in the range from a few bar to a few 10 bar acted upon. is carried out with the greatest possible flow speed parallel to the surface of the working membrane over this membrane surface. This is realized in practice in such a way that the medium to be treated is subjected to the working pressure by a pressure generator, is pumped under this pressure into a pressure vessel in which the membrane element is arranged, and after which it overflows the surface of the membrane exits the pressure vessel via a throttle device. The medium, which is then usually referred to as concentrate or retentate, is returned to the pressure generator after the expansion, behind the throttling device, pressurized again and in turn returned to the pressure vessel and over the working membrane surface. Depending on the parameters given by the separation task to be solved, part of the retentate is usually branched off and withdrawn as a concentrate from this circuit.

Eine weitere Vorsichtsmaßnahme zur Verhinderung des Durchflußleistungsabfalls der Arbeitsmembran die in Kombination mit der vorstehend beschriebenen strömungstechnischen Maßnahme ergriffen wird, ist die, daß das der Arbeitsmembran zugeführte zu behandelnde Medium chemisch und physikalisch, insbesondere durch Flockung und Tiefenfiltration, vorbehandelt wird. Aufbereitungsmaßnahmen dieser Art erfordern jedoch aufgrund der zusätzlichen chemischen Operationen und zur Abtrennung der flüssigen Phase von der Flockung zusätzliche betriebstechnnische Maßnahmen und Investitionen, durch die das eigentliche Membranverfahren signifikant verteuert wird. Hinzu kommt, daß zur Aufrechterhaltung der Querströmung über die Arbeitsmembranoberfläche die Pumpen, die das zu behandelnde Medium mit dem Arbeitsdruck beaufschlagen, für einen relativ grossen Volumenstrom ausgelegt sein müssen, da sie neben dem eigentlichen Produktstrom auch den Umwälzstrom fördern müssen. Die dafür erforderlichen Pumpen stellen jedoch nicht nur eine durchaus beachtliche Anlageninvestition dar, sondern erfordern zum Betrieb auch eine Energieeinspeisung, die in den laufenden Betriebskosten einer solchen Anlage zur Membranbehandlung von Medien, die der Stofftrennung unterzogen werden sollen, als signifikanter Faktor in Erscheinung treten.Another precautionary measure to prevent the drop in the flow rate of the working membrane, which is taken in combination with the fluidic measure described above, is that the medium to be treated supplied to the working membrane is pretreated chemically and physically, in particular by flocculation and depth filtration. Treatment measures of this type, however, require additional operational measures and investments due to the additional chemical operations and to separate the liquid phase from the flocculation, which make the actual membrane process significantly more expensive. In addition, in order to maintain the cross flow over the working membrane surface, the pumps which apply the working pressure to the medium to be treated must be designed for a relatively large volume flow, since they must also promote the circulation flow in addition to the actual product flow. The pumps required for this, however, not only represent a considerable investment in the system, but also require an energy supply for operation, which is a significant factor in the running costs of such a system for membrane treatment of media that are to be subjected to material separation.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stofftrennung von flüssigen oder gasförmigen Mehrstoffmedien mittels Membranen der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Durchführung solcher Membranverfahren mit geringerem anlagetecbnlsehen und betriebstechnischem Aufwand ermöglichen; insbesondere sollen Mittel gefunden werden, um den Arbeitsdruckerzeuger zu verkleinern und den Vorbehandlungsaufwand zu vermindern.In view of this prior art, the invention lies The object of the present invention is to create a method and a device for separating liquids or gaseous multi-material media by means of membranes of the type mentioned at the outset, which enable such membrane processes to be carried out with a lower level of plant technology and which require operational outlay; in particular, means are to be found to reduce the working pressure generator and to reduce the pretreatment effort.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Verfahren zur Stofftrennung von flüssigen oder gasförmigen Mehrstoffmedien, bei denen das zu behandelnde Medium durch einen Arbeitsdruckerzeuger mit einem Arbeitsdruck von einigen bis zu einigen 10 bar beaufschlagt und dann über die Oberfläche einer Arbeitsmembran geleitet wird, dadurch, daß das mit dem Arbeitsdruck beaufschlagte Medium mit nur dem strömungsbedingt unvermeidbaren Druckabfall im Kreislauf über die Oberfläche der Arbeitsmembran umgewälzt wird, so daß der Arbeitsdruckerzeuger nur den Volumenstrom zu fördern braucht, der für den eigentlichen Membranprozeß erforderlich ist, also nur einen Volumenström an dem zu behandelnden Medium zu fördern braucht, der gleich der Summe der Volumenströme des Konzentrats und Permeats ist, die aus der Anlage kontinuierlich oder diskontinuierlich abgezogen werden. Mit anderen Worten, der zum Zwecke einer Unterdrückung der Blockierung der Membran und zur Unterdrückung der Durchflußminderung der Membran umgewälzte Volumenstrom des Gemisches aus Konzentrat und eingespeistem zu behandelndem Medium wird im Hochdruckbereich vor der Arbeitsmembran umgewälzt und ohne entspannt zu werden zurückgeführt. Für diese Umwälzung ist zwar eine zusätzliche Pumpe erforderlich, jedoch können zu diesem Zweck einfachere, preiswertere und kleinere Pumpen eingesetzt werden, die sich insbesondere durch einen außerordentlich geringen Energiebedarf auszeichnen. Durch diese zusätzliche Pumpe kann jedoch der erforderliche Fördervolumenstrom im Arbeitsdruckerzeuger minestens um den Faktor 5 bis 10 gesenkt werden. Dadurch wiederum kann in der Praxis die als Arbeitsdruckerzeuger eingesetzte Pumpe in ihren Abmessungen und ihrer Energieaufnahme um eine ganze Dimension verkleinert werden. Dieser Umwälzvolumenstrom, der in der Praxis mindestens das Fünf- bis Zehnfache des für das Membranverfahren eigentlich erforderlichen Volumenstroms beträgt und um den der Arbeitsdruσkerzeuger nach dem Verfahren gemäß der Erfindung entlastet ist, wird nach dem Verfahren gemäß der Erfindung nun im Hochdruckbereich vor der Membran umgewälzt, und zwar ohne diesen Hochdruckbereich zu verlassen, so daß die hierzu erforderliche Umwälzpumpe nur einen Energiebedarf hat, der den strömungsbedingt unvermeidbaren Druckabfall im Kreislauf kompensieren muß. Der hierzu aufzubringende Druck ist jedoch um rund 1 bis 3 Zehnerpotenzen kleiner als der Druck, mit dem der Arbeitsdruckerzeuger das zu behandelnde Medium beaufschlagt. Insgesamt werden daher die durch die zusätzliche Umwälzpumpe verursachten zusätzlichen Investitionskosten durch die für den Arbeitsdruckerzeuger eingesparten Investitionskosten bereits weit überkompensiert, so daß die gesamte beachtliche Betriebsenergieeinsparung in der wirtschaftlichen Bilanz unvermindert zur Verfügung steht.This object is achieved by the invention by a process for the separation of liquids or gaseous multi-media, in which the medium to be treated is subjected to a working pressure of a working pressure of a few to a few 10 bar and then passed over the surface of a working membrane, in that the medium subjected to the working pressure is circulated over the surface of the working membrane with only the unavoidable pressure drop due to the flow, so that the working pressure generator only needs to convey the volume flow that is required for the actual membrane process, i.e. only one volume flow of the medium to be treated needs to convey, which is equal to the sum of the volume flows of the concentrate and permeate, which are withdrawn from the system continuously or discontinuously. In other words, the volume flow of the mixture of concentrate and injected medium to be treated, which is circulated for the purpose of suppressing the blocking of the membrane and for suppressing the flow reduction of the membrane, is circulated in the high-pressure region in front of the working membrane and is returned without being relaxed. Although an additional pump is required for this circulation, simpler, cheaper and smaller pumps can be used for this purpose, which are characterized in particular by an extremely low energy requirement. With this additional pump, however, the required flow rate in the working pressure generator be reduced by at least a factor of 5 to 10. This, in turn, can in practice reduce the size and energy consumption of the pump used as a working pressure generator by an entire dimension. This circulation volume flow, which in practice is at least five to ten times the volume flow actually required for the membrane process and by which the working pressure generator is relieved according to the method according to the invention, is now circulated in the high-pressure region in front of the membrane according to the method according to the invention, namely without leaving this high-pressure area, so that the circulation pump required for this only has an energy requirement which has to compensate for the unavoidable pressure drop in the circuit due to the flow. However, the pressure to be applied for this is around 1 to 3 orders of magnitude lower than the pressure with which the working pressure generator acts on the medium to be treated. Overall, the additional investment costs caused by the additional circulation pump are therefore already far overcompensated by the investment costs saved for the working pressure generator, so that the entire considerable operating energy savings in the economic balance sheet are available unabated.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Membranbehandlungsverfahren in der Weise geführt, daß das zu behandelnde Medium, bevor es auf die Oberfläche der Arbeitsmembran gelangt, durch mindestens eine Membran hindurch vorfiltriert wird. Eine solche Membran hat eine mittlere Porengröße, die größer als die mittlere Porengröße der Arbeitsmembran ist. Dadurch können mit geringem Energieaufwand und Kostenaufwand die gebräuchliche Tiefenfiltration und insbesondere die Flockungsverfahren eingespart werden. Insbesondere wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vor der eigentlichen Arbeitsmembran mit einem Membranvorfilter und einem Membrannachfilter gearbeitet, Dabei ist die mittlere Porengröße des Membranvorfilters größer als die mittlere Porengröße des Membrannaσhfilters und ist die mittlere Porengröße dieses Membrannachfilters wiederum größer als die mittlere Porengröße der Arbeitsmembran. Wenn also beispielsweise die Arbeitsmembran eine Membran zur Durchführung der Umgekehrten Osmose ist, wird als Nachfiltrationsmeinbran eine Ultrafiltrationsmembran und als Vorfiltermembran eine Mikrofiltrationsmembran eingesetzt. Da bei dieser Ausgestaltung der Erfindung das Medium für die Vorfiltermembran kaum mit nennenswertem Druck beaufschlagt zu werden braucht, wohingegen für die Filtration durσh die Nachfiltermembran bereits einiger Druck erforderlich ist, um eine ausreichend hohe Durchflußrate zu erzielen, ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Arbeitsdruckerzeuger vorzugsweise zwischen die Vorfiltermembran und die Nachfiltermembran eingeschaltet. Dies hat den Vorteil, daß durch Vorschalten der Vorfiltermembran im Hochdruckbereich der Anlage, also nach dem Arbeitsdruckerzeuger, kein unnötiger Druckabfall erzeugt wird und daß weiterhin für die Nachfiltermembran ein zusätzliσher separater Druckerzeuger eingespart werden kann.According to one embodiment of the invention, the membrane treatment process is carried out in such a way that the medium to be treated is prefiltered through at least one membrane before it reaches the surface of the working membrane. Such a membrane has an average pore size that is larger than the average pore size of the working membrane. As a result, the customary depth filtration and in particular the flocculation process can be saved with little energy and expense. In particular, according to a further embodiment of the invention, a membrane prefilter and a membrane postfilter are used in front of the actual working membrane. The mean pore size of the membrane prefilter is larger than the mean pore size of the membrane filter and is the average pore size of this membrane post-filter is again larger than the average pore size of the working membrane. If, for example, the working membrane is a membrane for carrying out the reverse osmosis, an ultrafiltration membrane is used as the post-filtration membrane and a microfiltration membrane is used as the prefilter membrane. Since in this embodiment of the invention the medium for the pre-filter membrane hardly needs to be subjected to any noteworthy pressure, whereas for the filtration through the post-filter membrane some pressure is already required in order to achieve a sufficiently high flow rate, according to a further embodiment of the invention the working pressure generator preferably switched between the pre-filter membrane and the post-filter membrane. This has the advantage that no unnecessary pressure drop is generated by connecting the pre-filter membrane in the high-pressure area of the system, ie after the working pressure generator, and that an additional separate pressure generator can be saved for the post-filter membrane.

Die Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem Arbeitsmembranelement, das in einem Druckbehälter angeordnet ist, dem wiederum ein Druckerzeuger vorgeschaltet ist, in dem das in den Druckbehälter eingespeiste zu behandelnde Medium mit dem für die Membranbehandlung erforderlichen Arbeitsdruck beaufschlagt wird. Das Arbeitsmembranelement ist vorzugsweise ein Spiralwickelelement, kann jedoch gleicherweise in anderer Art aufgebaut sein, beispielsweise als Rohrfilterelement, Labyrinthelement oder Plattenfilter. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang lediglich, daß das jeweils verwendete Arbeitsmembranelement eine ausreichend große Oberfläche der Membran zur Verfügung stellt, die von dem zu behandelnden Medium überströmt werden kann.The device for carrying out the method described above essentially consists of a working membrane element which is arranged in a pressure vessel, which in turn is preceded by a pressure generator in which the medium to be treated fed into the pressure vessel is subjected to the working pressure required for the membrane treatment. The working membrane element is preferably a spiral winding element, but can likewise be constructed in a different way, for example as a tubular filter element, labyrinth element or plate filter. The only decisive factor in this connection is that the working membrane element used in each case provides a sufficiently large surface area of the membrane which can be flowed over by the medium to be treated.

Der Druckbehälter, in dem das Arbeitsmembranelement angeordnet ist, weist in üblicher Weise einen Zulaufanschluß für das druckbeaufschlagte zu behandelnde Medium, einen Ablaufansσhluß für das Permeat, wenn eine Umgekehrte Osmose durchgeführt wird, oder für das Filtrat, wenn eine Ultrafiltration durchgeführt wird, und einen Konzentratanschluß auf, an dem das durch die Membranbehandlung konzentrierte und vor der Membran druckseitig zurückgehaltene Medium aus dem Druckbehälter austreten und aus der Membranbehandlungsanlage abgezogen werden kann. Diese insoweit gebräuchliche Membranbehandlungsanordnung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Pumpe, vorzugsweise Turbinenkreiselpumpe, die in dem Druckbehälter, in dem auch das Arbeitsmembranelement untergebracht ist, angeordnet ist und deren Saugstutzen druckseitig hinter dem Arbeitsmembranelement mit dem Konzentratablauf und deren Druckstutzen mit dem druckseitigen Zulaufräum, Zulaufbereich oder Zulaufkanal vor dem Arbeitsmembranelement verbunden ist, und durch eine Zweigleitung, die die Saugleitung der Pumpe zwischen dem Konzentratablauf und dem Saugstutzen der Pumpe mit dem Konzentratanschluß des Druckbehälters verbindet. Die auf diese Weise im Druckbereich der Anlage innerhalb des Druckbehälters des Arbeitsmembranelementes angeordnete Pumpe wirkt also als Umwälzpumpe für das druckseitig vor der Membran zu behandelnde Medium. Das zum Querspülen der druckseitigen Oberfläche der. Arbeitsmembran umgewälzte und bereits durch das Umwälzen aufkonzentrierte zu behandelnde Medium wird also auf seinem gesamten Umwälzkreislauf nicht entspannt, so daß die Umwälzpumpe diesem umgewälzten Medium nur die Energie bzw. den Druck aufzuprägen braucht, der unvermeidbar auf dem zu durchlaufenden Umwälzströmungsweg hingenommen werden muß.The pressure vessel, in which the working membrane element is arranged, has an inlet connection for the pressurized medium to be treated, a drain connection for the permeate if reverse osmosis is carried out, or for the filtrate if ultrafiltration is carried out, and a concentrate connection to which the medium concentrated by the membrane treatment and retained on the pressure side in front of the membrane from the Exit the pressure vessel and can be removed from the membrane treatment system. This membrane treatment arrangement which is customary in this respect is characterized according to the invention by a pump, preferably a turbine centrifugal pump, which is arranged in the pressure vessel in which the working membrane element is also accommodated and whose suction nozzle on the pressure side behind the working membrane element with the concentrate drain and its pressure nozzle with the pressure-side inlet space, inlet area or inlet channel is connected in front of the working membrane element, and by a branch line which connects the suction line of the pump between the concentrate outlet and the suction port of the pump with the concentrate connection of the pressure vessel. The pump arranged in this way in the pressure area of the system within the pressure vessel of the working membrane element thus acts as a circulation pump for the medium to be treated on the pressure side in front of the membrane. That for cross rinsing the pressure side surface of the. Working membrane circulated and medium to be treated which has already been concentrated by circulating is therefore not decompressed over its entire circulating circuit, so that the circulating pump only needs to impress the circulating medium with the energy or the pressure which inevitably has to be accepted on the circulating flow path to be traversed.

Da die dieser Art geschaltete und angeordnete Umwälzpumpe einen nur außerordentlich geringen Energiebedarf hat, ist diese Pumpe nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise mit einem Turbinenantrieb ausgestattet, dessen Turbine über eine zugeordnete Turbinendüse unmittelbar hinter dem Zulaufanschluß des Druckbehälters mit dem in den Druckbehälter vom Arbeitsdruckerzeuger eingespeisten zu behandelnden Medium beaufschlagt wird. Je nach Bauweise und Betriebsweise der Anlage kann der Turbinendruckabfall für das eingespeiste Medium in der Größenordnung von 0,2 bis 8 MPa liegen.Since the circulating pump switched and arranged in this way has only an extremely low energy requirement, this pump is preferably equipped with a turbine drive according to a further embodiment of the invention, the turbine of which is fed via an associated turbine nozzle directly behind the inlet connection of the pressure vessel with that fed into the pressure vessel by the working pressure generator medium to be treated is applied. Depending on the construction and mode of operation of the system, the turbine pressure drop for the medium fed can be in the order of 0.2 to 8 MPa.

Als zusätzliche Antriebsenergiequellen für die im Druckbehälter eingebaute Umwälzpumpe können der Konzentratablauf oder ein zusätzlicher Elektromotor dienen. Wenn der Konzentratablauf ausgenutzt wird, so wird dieser in einer separaten Turbinenkammer auf ein separates Turbinenlaufrad geführt. Wenn ein Elektromotor zusätzlich oder alleine vorgesehen ist, ist dieser vorzugsweise, jedoch selbstverständlich nicht zwingend, außerhalb des Druσkgefäßes angeordnet. Die Kraftübertragung vom. Elektromotor zur Umwälzpumpe erfolgt dann vorzugsweise, jedoch ebenfalls wiederum nicht obligatorisch, über eine durchführungsfreie Kupplung, beispielsweise also eine Magnetkupplung, um gegebenenfalls auftretenden technischen Problemen vorzubeugen, die bei der Ausbildung einer dynamischen Dichtung an einem Druckbehälter auftreten können. Unabhängig vom Problem derDichtung sind jedoch sowohl ein elektrischer Hilfsantrieb als ein zusätzlicher Turbinenantrieb, der sowohl über externe flüssige oder gasförmige Druckfluide als auσh unter Ausnutzung des Druckonzentratablaufs angetrieben werden können, über einen Drehmomentbegrenzer, vorzugsweise eine Magnetkupplung, an die vom eingespeisten zu behandelnden Medium beaufschlagte Turbine angekuppelt.The concentrate drain or an additional electric motor can serve as additional drive energy sources for the circulation pump installed in the pressure vessel. If the concentrate outlet is used, it is guided in a separate turbine chamber onto a separate turbine impeller. If an electric motor is provided in addition or alone, it is preferably, but of course not necessarily, arranged outside the pressure vessel. The power transmission from. The electric motor for the circulating pump is then preferably, but again also not mandatory, via a coupling which is free of lead-through, for example a magnetic coupling, in order to prevent any technical problems which may occur which may occur when a dynamic seal is formed on a pressure vessel. Regardless of the problem of the seal, however, both an electrical auxiliary drive and an additional turbine drive, which can be driven both by external liquid or gaseous pressurized fluids and by utilizing the pressure concentrate discharge, are via a torque limiter, preferably a magnetic coupling, to the turbine which is acted upon by the medium to be treated which is fed in coupled.

Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist weiterhin darin zu sehen, daß die Arbeitsfiltereinheit und die Umwälzeinheit als ein integriertes kompaktes Modul im Druckbehälter gefertigt und vertrieben werden können. Dies vereinfacht wesentlich die Montage und Wartung solcher Anlagen zur Stofftrennung mithilfe von Membranen.A particular advantage of the device according to the invention can also be seen in the fact that the working filter unit and the circulating unit can be manufactured and sold as an integrated compact module in the pressure vessel. This significantly simplifies the assembly and maintenance of such systems for material separation using membranes.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Show it:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung;Figure 1 shows the block diagram of a system for performing the method according to the invention.

. Fig. 2 im Axialschnitt und in Teildarstellung den Kopf des Druckbehälters einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;. Figure 2 in axial section and in partial representation the head of the pressure vessel of a device according to the invention.

Fig. 3 im Axialschnitt und in Teildarstellung den sσhematischen Aufbau eines Fußbereiches eines Druckbehälters der Vorrichtung gemäß der Erfindung; und3 shows, in axial section and in partial representation, the schematic structure of a foot region of a pressure vessel of the device according to the invention; and

Fig. 4 eine Teildarstellung der in Fig. 2 gezeigten Art in der Ausbildung mit zwei Turbinenrädern.Fig. 4 is a partial view of the type shown in Fig. 2 in the formation with two turbine wheels.

In der Fig. 1 ist das schematische Blockschaltbild einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung gezeigt. Die einzelnen dargestellten Baugruppen dieser Anlage sind mit ISO-Codes versehen, die die folgende Bedeutung haben:1 shows the schematic block diagram of a system for carrying out the method according to the invention. The individual components of this system shown are provided with ISO codes which have the following meaning:

H 1 Zweiwegekugelhahn-ÜberströmaperreH 1 two-way ball valve overflow pipe

F 2 VorfilterF 2 prefilter

H 2 DreiwegekugelhahnH 2 three-way ball valve

X 2 EirfclüftungsventilX 2 air vent valve

V 2 AblaßventilV 2 drain valve

TPI 3 Th ermomanometerTPI 3 th ermomanometer

P-M-R 4 DruckerhöhungaeinheitP-M-R 4 pressure booster unit

R 5 RückschlagventilR 5 check valve

F 6 Nachfilter-PulsationsdämpferF 6 post-filter pulsation damper

PI-H 6 Manometer-Probeliahn F-TM-M 7 Membranfilter-Turbomodul-E.MotorPI-H 6 manometer test tube F-TM-M 7 membrane filter turbo module E. engine

PI 7 Durchflußanzeige PI 8 ManometerPI 7 flow indicator PI 8 manometer

TPE 9 Temperatur- und DruckwächterTPE 9 temperature and pressure switch

H 10 Zweiwegekugelhahn-DrosselungH 10 Two-way ball valve throttling

FI 11 DurσhflußmesserFI 11 flowmeter

Q E 12 Leitfählgkeitswert-MeßzelleQ E 12 conductivity measuring cell

PI 1 3 DurchflußmesserPI 1 3 flow meter

S 14 SteuereinheitS 14 control unit

Im einzelnen gelangt das zu behandelnde Medium über eine Zulaufleitung 1 und ein mit überströmsperre versehenes Stellglied 2 auf einen Vorfilter 3, der ein Koribinationsfilter aus einem geschütteten, gewickelten oder gesinterten Aktivkohlefilter 4 und einer Mikrofiltrationsmembran 5 ist. Der Vorfilter 3 kann über ein Ablaßventil 6 rückgespült und gereinigt werden und kann filtratseitig über ein Belüftungsventil 7 belüftet werden. Außerdem kann das den Vorfilter 3 verlassende Filtrat über eine Hilfszulaufleitung 8 und einen Dreiwegekugelhahn 9 bei Bedarf mit einem Zusatzstoff versehen werden, beispielsweise mit einer Markiertungssubstanz, einem Reaktanten oder einem Prozeßadditiv. Die einwandfreie Funktion des Filters 3 wird mit einem nachgeschalteten Manometer 10 überwaσht.Specifically, the medium to be treated passes through an inlet line 1 and an actuator 2 provided with an overflow stop to a prefilter 3, which is a combination filter comprising a poured, wound or sintered activated carbon filter 4 and a microfiltration membrane 5. The pre-filter 3 can be backwashed and cleaned via a drain valve 6 and can be aerated on the filtrate side via an aeration valve 7. In addition, the filtrate leaving the pre-filter 3 can be provided with an additive, for example with a marking substance, a reactant or a process additive, via an auxiliary feed line 8 and a three-way ball valve 9. The proper functioning of the filter 3 is monitored with a downstream manometer 10.

Dem Vorfilter 3 ist ein Druckerzeuger 11 nachgeschaltet, der in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als eine über einen Elektromotor 12 angetriebene Kreiselpumpe mit nachgeschalteterm Rückschlagventil 13 ausgebildet ist.The pre-filter 3 is followed by a pressure generator 11, which in the exemplary embodiment shown here is designed as a centrifugal pump driven by an electric motor 12 with a downstream check valve 13.

Nach dem Rückschlagventil 13 ist ein Nachfilter 14 nachgeschaltet, der aus einem äußeren flexiblen und nachgiebigen Schlauch 15 und einem inneren elastischen Membranfilterschlauch 16 besteht. Während das Membranfilter 5 des Vorfilters 3 eine mittlere Porengröße von 0,45 μm aufweist, weist der elastische Membranfiltersphlauch 16 des Nachfilters 14 eine mittlere Porengröße von 0,1 μm auf. Während im Vorfilter an der Aktivkohle Arbeits membrangifte wie beispielsweise freies Chlor, Ozon oder Sauerstoff und im Membranvorfilter alle Partikel bis zu 0,45 μm, beispielsweise also zum Teil radioaktive Substanzen, kolloidale Suspensionen, organische Rückstände und zum Teil auch Bakterien, zurückgehalten werden, werden am Nachfilter 14 insbesondere sämtliche Bakterien zurückgehalten. Dabei dient die elastische Ausbildung des Nachfilters 14 zusätzlich der Pulsations- und Schalldämpfung, und zwar insbesondere dann, wenn der Druckerzeuger 11 eine Kolbenverdrängerpumpe ist.After the check valve 13, a post-filter 14 is connected, which consists of an outer flexible and flexible hose 15 and an inner elastic membrane filter hose 16. While the membrane filter 5 of the pre-filter 3 has an average pore size of 0.45 μm, the elastic membrane filter tube 16 of the post-filter 14 has an average pore size of 0.1 μm. While working membrane poisons such as free chlorine, ozone or oxygen in the pre-filter on the activated carbon and in the membrane pre-filter all particles up to 0.45 μm, e.g. partly radioactive substances, colloidal suspensions, organic residues and partly bacteria, are retained all bacteria in particular are retained on the post-filter 14. The elastic design of the secondary filter 14 also serves to dampen pulsation and noise, in particular when the pressure generator 11 is a piston displacement pump.

Der Nachfilter 14 wird mit Hilfe einem Manometers 17 und eines Probenahmehahnes 18 überwacht.The post-filter 14 is monitored with the aid of a manometer 17 and a sampling tap 18.

Die eigentliche Membranenbehandlung, in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Umgekehrte Osmose, erfolgt in der hier kurz als "Turbomodul" bezeichneten Baugruppe 19, die im wesentlichen aus einem Druckbehälter 20, einem Arbeitsmembranelement 21, einer Konzentratkreislaufleitung 22 und einer Umwälzpumpe 23 aufgebaut ist.The actual membrane treatment, in the exemplary embodiment described here, is reverse osmosis, in assembly 19, referred to here briefly as "turbo module", which is essentially constructed from a pressure vessel 20, a working membrane element 21, a concentrate circulation line 22 and a circulation pump 23.

Selbst wenn in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel für das Membranenelement 21 eine Membran für die Umgekehrte Osmose, eine sogenannten RO-Membran, verwendet wird, kann die Arbeitsmembran selbstverständlich auch eine Ultrafiltrationsmembran oder eine Mikrofiltrationsmembran sein. Dabei ist lediglich darauf zu achten, daß die Membran 16 des Nachfilters 14 eine mittlere Porengröße hat, die größer als die mittlere Porengröße der Membran des Membranelementes 21 ist, und daß die mittlere Porengröße der Membran 5 des Vorfilters 3 ihrerseits eine größere Porengröße aufweist als die Membran 16 des Nach filters 14.Even if a membrane for the reverse osmosis, a so-called RO membrane, is used for the membrane element 21 in the exemplary embodiment described here, the working membrane can of course also be an ultrafiltration membrane or a microfiltration membrane. It is only necessary to ensure that the membrane 16 of the secondary filter 14 has an average pore size which is larger than the average pore size of the membrane of the membrane element 21, and that the average pore size of the membrane 5 of the pre-filter 3 in turn has a larger pore size than that Membrane 16 of the night filters 14.

Die Umwälzpumpe 23 ist in der unten näher beschriebenen Weise als Turbinenkreiselpumpe ausgebildet, die mit einem Elektrohilfsmotor 24 ausgerüstet ist.The circulation pump 23 is designed in the manner described in more detail below as a turbine centrifugal pump which is equipped with an auxiliary electric motor 24.

Die Filtratkreislaufleitung 22 wird mit einem DurchflußwächterThe filtrate circuit line 22 is equipped with a flow monitor

25 überwacht.25 monitors.

Das Permeat oder Filtrat wird über eine PermeatabflußleitungThe permeate or filtrate is passed through a permeate drain line

26 entnommen, in die ein Durchflußwächter 27 eingeschaltet ist. Die Qualität des Permeats wird mittels eines Leitfähigkeitsserisors 28 überwacht.Removed 26, in which a flow monitor 27 is turned on. The quality of the permeate is monitored by means of a conductivity sensor 28.

Das kontinuierliσh über eine Konzentratablaufleitung 29 entnommene und mittels eines Manometers 30 und eines Durchflußwächters 31 überwachte Konzentrat wird aus dem im Turbomodul 19 im Kreislauf umgewälzten Konzentratfluß kontinuierlich über einen Zweiwegehahn 32 abgezogen, dessen Einstellung das Entnahmeverhältnis Konzentrat zu Permeat bestimmt.The concentrate removed continuously via a concentrate discharge line 29 and monitored by means of a manometer 30 and a flow monitor 31 is continuously withdrawn from the concentrate flow circulated in the turbo module 19 via a two-way valve 32, the setting of which determines the withdrawal ratio of concentrate to permeate.

Die elektrische Steuerung und Energieversorgung der gesamten Anlage erfolgt über eine zentrale Steuer- und Regeleinheit 33.The electrical control and energy supply of the entire system takes place via a central control and regulating unit 33.

In der Fig. 2 ist in schematischer Darstellung der Kopf des in Fig. 1 dargestellten Turbomoduls 19 mit dem angeschnittenen Membranelement 21 und der Umwälzpumpe 23 dargestellt. Die Umwälzpumpe 23 ist als Turbokreiselpumpe ausgebildet und besteht im wesentlicheri aus dem Pumpenlaufrad 34, dem Turbinenlaufrad 35, das über die Turbinendüse 36 beaufschlagbar ist, und dem Elektrohilfsmotor 24, der über eine Magnetkupplung 37 an die Welle des Turbinenlaufrades 35 angekoppelt ist. Dabei liegt der Elektrohilfsmotor 24 zwar außerhalb des Druckbehälters 20, ist jedoch. mit diesem mittels einer Montageplatte 38 zu einer integralen Baueinheit verbunden und durch eine Abdeckung 39 vor mechanischen Einwirkungen geschützt.FIG. 2 shows a schematic representation of the head of the turbo module 19 shown in FIG. 1 with the cut membrane element 21 and the circulation pump 23. The circulation pump 23 is designed as a turbo centrifugal pump and essentially consists of the pump impeller 34, the turbine impeller 35, which can be acted upon by the turbine nozzle 36, and the auxiliary electric motor 24, which is coupled to the shaft of the turbine impeller 35 via a magnetic coupling 37. The electric auxiliary motor 24 is located outside the pressure vessel 20, but it is. connected to it by means of a mounting plate 38 to form an integral structural unit and by a cover 39 protected from mechanical influences.

Der Druckbehälter 20 weist einen Zulaufanschluß 40 für das mittels des Druckerzeugers mit Druσk beaufschlagte zu behandelnde Medium, einen Ablaufanschluß 41 für das Permeat (Fig.3) sowie einen Konzentratanschluß 42 (Fig. 2) auf, an dem das durch die Membranbehandlung konzentrierte und druckseitig vor der Membran zurückgehaltene Medium kontinuierlich in einem Zweigstrom abgezogen werden kann.The pressure vessel 20 has an inlet connection 40 for the medium to be treated with pressure by means of the pressure generator, an outlet connection 41 for the permeate (FIG. 3) and a concentrate connection 42 (FIG. 2), on which the membrane treatment concentrated and pressure side medium retained in front of the membrane can be drawn off continuously in a branch stream.

Der Saugstutzen 43 der Umwälzpumpe 23 ist über die Konzentratkreislaufleitung 22, die gleichzeitig Saugleitung für die Pumpe 23 ist, mit dem Konzentratablaufräum 44 druckseitig hinter dem Arbeitsmembranelement 21 verbunden, während der Druckstutzen 45 der Umwälzpumpe 23 mit dem Zulaufraum 46 vor dem Arbeitsmembranelement 21 verbunden ist. In der Fig. 2 ist der Konzentratstrom durch den Strömungspfeil K angedeutet, während der Strom des zu behandelnden Mediums durch den Strömungspfeil E bezeichnet ist.The suction port 43 of the circulation pump 23 is connected via the concentrate circulation line 22, which is also the suction line for the pump 23, to the concentrate outlet space 44 on the pressure side behind the working membrane element 21, while the pressure port 45 of the circulation pump 23 is connected to the inlet space 46 in front of the working membrane element 21. 2, the concentrate flow is indicated by the flow arrow K, while the flow of the medium to be treated is indicated by the flow arrow E.

In der aus der Fig. 2 weiterhin ersichtlichen Weise ist die Saugleitung 22 der Umwälzpumpe 23 über eine Zweigleitung 47 mit dem Konzentratanschluß 42 verbunden.2, the suction line 22 of the circulation pump 23 is connected to the concentrate connection 42 via a branch line 47.

Der Einlaßstutzen 40 ist über eine Verbindungsleitung 48 mit der Turbinendüse 36 verbunden. Das durch den Zulaufstutzen 40 über die Verbindungsleitung 48 durch die Turbinendüse 36 auf das Turbinenlaufrad 35 strömende zu behandelnde Medium gelangt über den Turbinenauslaß 49 in den druckseitigen Zulaufräum 46 vor dem Arbeitsmembranelement 21 und wird von dort in üblicher Weise über die Membranoberfläche des Arbeitsmembranelementes, hier ein Spiralwickelmodul, geleitet, und zwar vermischt mit dem durch die Umwälzpumpe 23 im Kreislauf geführten Konzentrat. In der Fig. 4 ist, ebenfalls im Axialschnitt und in Teildarstellung, der Kopf eines Turbomoduls dargestellt, der sich von dem in Fig. 2 gezeigten Turbomodulkopf dadurch unterscheidet, daß als Antriebshilfsenergie niσht wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Elektromotor vorgesehen ist, sondern eine zweite Antriebsturbine, deren Turbinenrad 50 über eine Turbinendüse 51 mit dem unter Betriebsdruck stehenden Hochdruckkonzentrat aus der Konzentratzweigleitung 47 beaufschlagt wird. Das vom Turbinenrad 50 ablaufende Konzentrat wird als Niederdruckkonzentrat über eine Niederdruckkonzentratleitung 52 zu einem separaten Konzentratanschluß geführt und dort aus der Anlage als Konzentratstrom entnommen.The inlet connection 40 is connected to the turbine nozzle 36 via a connecting line 48. The medium to be treated flowing through the inlet pipe 40 via the connecting line 48 through the turbine nozzle 36 to the turbine impeller 35 passes through the turbine outlet 49 into the pressure-side inlet space 46 in front of the working membrane element 21 and is from there in the usual way over the membrane surface of the working membrane element, here Spiral winding module, directed, mixed with the concentrate circulated by the circulation pump 23. In Fig. 4, also in axial section and in partial representation, the head of a turbo module is shown, which differs from the turbo module head shown in Fig. 2 in that an electric motor is not provided as auxiliary drive energy as in the embodiment shown in Fig. 2 , but a second drive turbine, the turbine wheel 50 is acted upon by a turbine nozzle 51 with the high pressure concentrate under operating pressure from the concentrate branch line 47. The concentrate running off the turbine wheel 50 is led as a low-pressure concentrate via a low-pressure concentrate line 52 to a separate concentrate connection, where it is removed from the system as a concentrate stream.

Wie im Zusammenhang mit dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ausführlich erläutert, so ist auch die in dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel beschriebene Konzentrathilfsturbine über eine Magnetkupplung 37 mit der Welle der Hauptturbine 23 verbunden.As explained in detail in connection with the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the concentrate auxiliary turbine described in the exemplary embodiment shown in FIG. 4 is also connected to the shaft of the main turbine 23 via a magnetic coupling 37.

Bei einem mehrwöchigen Betrieb mit einer Pilotanlage der in Fig. 1 gezeigten Art unter Verwendung des in den Fig. 2 und 3 gezeigten Turbomoduls wurde für die Abtrennung von radioaktiven Stoffen aus einer wässrigen Lösung bei einem Betriebsdruσk von 30 bar, einer Salzkonzentration von 40.000 ppm im Konzentrat und einem Permeatfluß von 30%, bezogen auf den Konzentratfluß, bei einem Salzrückhaltevermögen von über 99% im gesamten Umkehr-Osmose-Bereiσh, also im Umfang der in Fig. 1 gezeigten Anlage, ein elektrischer Energiebedarf von nur 0,4 kWh erzielt. Ein solcher Wert ist mit herkömmlichen Anlagen auch nicht angenähert zu erreichen. In a multi-week operation with a pilot plant of the type shown in FIG. 1 using the turbo module shown in FIGS. 2 and 3, the removal of radioactive substances from an aqueous solution at an operating pressure of 30 bar, a salt concentration of 40,000 ppm in Concentrate and a permeate flow of 30%, based on the concentrate flow, with a salt retention capacity of over 99% in the entire reverse osmosis range, ie in the scope of the system shown in FIG. 1, achieved an electrical energy requirement of only 0.4 kWh. Such a value cannot be achieved with conventional systems.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims 1. Verfahren zur Stofftrennung von flüssigen oder gasförmigen Mehrstoffmedien mittels Membranen, bei dem das zu behandelnde Medium zunächst mit einem für die Trennung erforderlichen Arbeitsdruck beaufschlagt und dann über die Oberfläche der Arbeitsmembran geleitet wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das mit dem Arbeitsdruck beaufschlagte Medium mit nur dem strömungsbedingt unvermeidbaren Druckabfall im Kreislauf über die Oberfläche der Arbeitsmembran umgewälzt wird.1. A method for the separation of liquid or gaseous multi-media by means of membranes, in which the medium to be treated is initially subjected to a working pressure required for the separation and then passed over the surface of the working membrane, characterized in that the medium subjected to the working pressure with only the unavoidable pressure drop in the circuit is circulated over the surface of the working membrane. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das zu behandelnde Medium, bevor es auf die Oberfläche der Arbeitsmembran gelangt, durch mindestens eine Membran hindurch vorfiltriert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the medium to be treated before it is on the surface reaches the working membrane, is pre-filtered through at least one membrane. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das zu behandelnde Medium, bevor es auf die Oberfläche der Arbeitsmembran gelangt, einer Membranvorfiltration und einer Membrannachfiltration unterzogen wird, wobei die Beaufschlagung mit dem Arbeitsdruck zwischen der Vorfiltration und der Nachfiltration erfolgt.3. The method according to claim 2, characterized in that the medium to be treated, before it reaches the surface of the working membrane, is subjected to a membrane pre-filtration and a membrane post-filtration, the exposure to the working pressure taking place between the pre-filtration and the post-filtration. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Arbeitsmembranelement, das in einem Druckbehälter angeordnet ist, der einen Zulaufanschluß für das mittels eines Druckerzeugers druckbeaufschlagte zu behandelnde Medium, einen Ablaufanschluß für das Permeat oder Filtrat und einen Konzentratanschluß aufweist, an dem das durch die Membranbehandlung konzentrierte, vor der Membran zurückgehaltene Medium austreten kann, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Pumpe (23), die im Druckbehälter (20) angeordnet ist, deren Saugstutzen (43) mit dem Konzentratablauf (44) druckseitig hinter dem Arbeitsmembranelement (21) und deren Druckstutzen (45) mit dem Zulauf (46) vor dem Arbeitsmembranelement (21) verbunden ist, und durch eine Zweigleitung (47), die die Saugleitung (22) der Pumpe (23) mit dem Konzentratanschluß (42) verbindet.4. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 with a working membrane element which is arranged in a pressure vessel which has an inlet connection for the medium to be treated by means of a pressure generator to be treated, an outlet connection for the permeate or filtrate and a concentrate connection to which the the membrane treatment can escape concentrated medium retained in front of the membrane, characterized by a pump (23) which is arranged in the pressure vessel (20), the suction nozzle (43) with the concentrate outlet (44) on the pressure side behind the working membrane element (21) and the pressure nozzle (45) is connected to the inlet (46) in front of the working membrane element (21), and by a branch line (47) which connects the suction line (22) of the pump (23) to the concentrate connection (42). 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Pumpe (23) eine Kreiselpumpe (34) mit Turbinenantrieb (35) ist. 5. The device according to claim 4, characterized in that the pump (23) is a centrifugal pump (34) with a turbine drive (35). 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zulaufanschluß (40) mit der Turbinendüse (36) verbunden ist und siσh der Turbinenauslaß (49) zum Zulauf (46) vor dem Arbeitsmembranelement (21) öffnet.6. The device according to claim 5, characterized in that the inlet connection (40) is connected to the turbine nozzle (36) and siσh the turbine outlet (49) opens to the inlet (46) in front of the working membrane element (21). 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Pumpe (23) einen zusätzlichen Hilfsantrieb (24; 50) hat, der über einen Drehmomentbegrenzer (27) an die Turbinenwelle angekuppelt ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the pump (23) has an additional auxiliary drive (24; 50) which is coupled to the turbine shaft via a torque limiter (27). 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hilfsantrieb ein Elektromotor (24) und/oder eine zusätzliche Turbine (50 ist, deren Turbinendüse (51) mit der Konzentratzweigleitung (47) verbindbar ist.8. The device according to claim 7, characterized in that the auxiliary drive is an electric motor (24) and / or an additional turbine (50, the turbine nozzle (51) of which can be connected to the concentrate branch line (47). 9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurσh g e k e n n z e i σ h n e t , daß zwischen den Druckerzeuger (11) und den Zulaufansσhluß (40) ein Membranfilter (14,16) geschaltet ist, dessen Poren einen größeren Durchmesser als die Poren der Arbeitsmembran (21) haben.9. The device according to claim 4, dadurσh g e k e n n z e i σ h n e t that between the pressure generator (11) and the inlet inlet (40) a membrane filter (14,16) is connected, the pores of which have a larger diameter than the pores of the working membrane (21). 10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Druckerzeuger (11) ein Membranfilter (3,5) vorgeschalfeet ist, dessen Poren einen größeren Durchmesser als die Poren der Arbeitsmembran (21) und als die Poren eines gegebenenfalls weiteren nach- und zwischengeschalteten Membranfilters (14,16) haben.10. The device according to claim 4, characterized in that the pressure generator (11) has a membrane filter (3, 5) is pre-formed, the pores of which have a larger diameter than the pores of the working membrane (21) and the pores of an optionally further downstream and intermediate Membrane filter (14, 16). 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Membran-Vorfilter (5) ein Aktivkohlefilter (4) vorgeschaltet ist. 11. The device according to claim 10, characterized in that the membrane prefilter (5) is preceded by an activated carbon filter (4).
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