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Konstruktion eines Membranmoduls für die Querstromfiltration mit überlagertem elektrischen Feld im Labormaßstab

AutorTom Mühle
VerlagDiplomica Verlag GmbH
Erscheinungsjahr2009
Seitenanzahl159 Seiten
ISBN9783836628747
FormatPDF
Kopierschutzkein Kopierschutz/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis53,00 EUR
Die Filtration ist ein häufig eingesetztes Abscheideverfahren für Partikeln aus gasförmigen oder flüssigen Medien. Man unterscheidet nach der Art der Abscheidung der Partikeln zwischen der Tiefenfiltration, bei welcher die Partikeln in einem Filtermittel abgeschieden werden und der Oberflächenfiltration, bei welcher die Abscheidung der Partikeln an der Oberfläche eines Filtermittels erfolgt und sich eine Deckschicht, der Filterkuchen, bildet.

Bei der Oberflächenfiltration nimmt der Filtratvolumenstrom, meist das Produkt dieses verfahrenstechnischen Prozesses, im zeitlichen Verlauf der Filtration ab, bedingt durch Bildung und Wachstum des Filterkuchens. Um die Wirtschaftlichkeit dieses Abscheideverfahrens zu erhöhen ist ein Ziel, die Filterkuchenbildung zu vermeiden oder zu reduzieren. Eine Möglichkeit der Kuchenbildung bei der Oberflächenfiltration entgegen zu wirken, ist Filtermittel nicht in Richtung sondern quer zum Filtratstrom anzuströmen. Dieses Verfahren wird als Querstromfiltration bezeichnet. Durch die Überströmung quer zum Filtermittel wird, insbesondere auch bei sehr kleinen Partikeln, die Wirtschaftlichkeit der Filtration erhöht. Trotzdem kann weiterhin eine Kuchenbildung auftreten.

Werden Partikeln in einer wässrigen, kontinuierlichen Phase suspendiert, dann sind sie fast immer negativ geladen. Deshalb kann durch ein die Querstromfiltration überlagerndes elektrisches Feld eine weitere von der Membran weg gerichtete Kraftwirkung auf die Partikeln erzeugt werden, um somit eine Deckschichtbildung zu vermeiden.

Ziel dieser Studie ist es, zunächst die theoretischen Grundlagen des elektrischen Feldes zusammenzustellen. Danach erfolgt die Dimensionierung eines Moduls oder mehrerer Varianten zur Untersuchung der Querstromfiltration mit überlagertem elektrischen Feld im Labormaßstab.

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Leseprobe
Kapitel 10.1.1 Der Grundkörper

Dieses Bauteil ist das als erstes entworfene und gleichzeitig das wichtigste aller Modulvarianten. An ihm findet der Filtrationsvorgang statt, es trägt auf seiner Oberfläche die Filtrationsmembran. Es liegt zwischen den jeweiligen Kondensatorplatten. Material des Grundkörpers ist Plexiglas.

Über die Oberseite des Grundkörpers wird die Suspension geführt. In der Ansicht des Grundkörpers von oben ist die zentrale, rechteckige Vertiefung zur Aufnahme der Stützstruktur aus Polyethylen, welche nicht dargestellt wird, zu erkennen. Diese Stutzstruktur wird von unten durch die sichtbare Balkenstruktur im Grund der Vertiefung getragen. Von oben liegt auf die Stützstruktur aus Polyethylen die Filtrationsmembran, ebenfalls nicht dargestellt, auf. Die Filtrationsmembran wird bis in die um die Vertiefung für die Stützstruktur umlaufende, rechteckige Vertiefung geführt und dort durch einen in Abbildung 20 nicht dargestellten Rahmen geklemmt. Diese Vertiefung für den Rahmen weißt an ihren kurzen Seiten insgesamt vier Eingriffshilfen zum Herausheben des Rahmens nach der Filtration auf. Außen umschlossen wird der Filtrationsbereich durch eine spitz zulaufende Dichtringnut, die wiederum von den Bohrungen zur Durchführung der Schrauben zum Montieren des Moduls eingeschlossen wird. Der Grundkörper ist 798 mm lang und 180 mm breit (siehe Abbildung 20: Ansicht Grundkörper von oben).

In der Darstellung des Grundkörpers von unten ist abermals die zentrale Balkenstruktur zu erkennen. Die Balken weißen in ihrer Mitte alle eine Erhöhung auf, welche auf einer Linie liegen. Durch die Lücken zwischen den Balken tritt das Filtrat. Die in Abbildung 21 deutlich zu erkennende, an der Unterseite der Balken vorbei geführte längliche Vertiefung ist der Kanal zum Abführen des Filtrats. Dieser wurde so gestaltet, dass neben dem Abführen auch ein Umpumpen bzw. die Kreisführung des Filtrats möglich ist. Suspensionskanal und Filtratkanal liegen deckungsgleich übereinander. Der Filtratkanal wird wiederum durch eine umlaufende, spitz zulaufende Dichtringnut begrenzt, welche abermals von den Bohrungen für die Schrauben eingeschlossen wird. Die Dichtringnut auf der Oberseite und der Unterseite des Grundkörpers liegen deckungsgleich übereinander. In den äußeren Ecken des Grundkörpers von unten sind Bohrungen zur Aufnahme von Zentrierstiften zu erkennen (siehe Abbildung 21: Ansicht Grundkörper von unten).

Im Vergleich verschiedener Quellen zu früheren Untersuchungen der Querstromfiltration mit überlagertem elektrischen Feld liefert eine maximale elektrische Feldstärke von 30.000 V/m. Anhand Gleichung (23) erkennt man, dass für diese angestrebten hohen elektrischen Feldstärken am Plattenkondensator ein möglichst geringer Plattenabstand notwendig ist. Der Grundkörper war demzufolge als plattenförmiges, möglichst dünnes Bauteil zu gestalten.

Zum Erreichen eines minimalen Plattenabstandes wurde die Entscheidung getroffen, das Modul auch als ganzes in Plattenbauweise (Sandwich-Bauweise) auszuführen. Dabei war auf eine vom Fertigungsaufwand her angemessene Gestaltung der Bauteile zu achten.

Besonders diese Bauform bietet die Möglichkeit, die Gesamteilezahl für alle Modulvarianten so niedrig wie möglich zu halten, indem einzelne Bauteile in jeder Variante wiederverwendet werden. Die Fertigungszeit wird reduziert. Versuche an den verschiedenen Modulvarianten können leicht miteinander verglichen werden.

Durch die Plattenbauweise wurde eine konsequente Umsetzung eines Hygienic Design möglich. Alle Bauteile sind gut zugänglich und können leicht gereinigt werden.

Das Modul wurde in Offenkanalbauweise ausgeführt. Durch einen Spacer kann dann die Kanalhöhe für die Suspension und somit deren Strömungseigenschaften, aber auch der Plattenabstand und somit die elektrische Feldstärke variiert werden. Diese Offenkanalbauweise beeinflusst direkt die Gestaltung des Grundkörpers (siehe Abbildung 22: Offenkanalbauweise).

Des weiteren wurde eine strömungstechnisch möglichst günstige Gestaltung gefordert, was die Minimierung der Verlustbeiwerte für Strömungsvorgänge bedeutet. Dafür sollte zu Beginn der Entwurfsphase der Suspensionsstrom nicht wie in Abbildung 22 senkrecht, sondern parallel zur Oberfläche des Grundkörpers und somit auch parallel zu der in diesen eingebetteten Filtrationsmembran ein- und austreten. Einen sinnvollen Entwurf hierfür zeigt die nachfolgende Abbildung.
Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Konstruktion eines Membranmoduls für die Querstromfiltration mit überlagertem elektrischen Feld im Labormaßstab1
Inhaltsverzeichnis3
Abbildungsverzeichnis5
Formelzeichen und Indizes9
1. Einleitung11
2. Physikalische Grundgesetze für die elektrische Ladung13
2.1. Die elektrische Ladung13
2.2. Elektrische Ladungsdichte13
2.3. Elektrischer Strom13
2.4. Elektrische Stromdichte14
2.5. Elektrischer Widerstand und elektrischer Leitwert14
2.6. Das Coulombsches Gesetz14
2.7. Beweglichkeit von Ladungsträgern15
3. Das Partikel als elektrischer Ladungsträger16
4. Das elektrische Feld18
4.1. Elektrische Feldstärke einer Punktladung18
4.2. Kraft auf eine elektrische Probeladung19
4.3. Arbeit auf eine Probeladung19
4.4. Kapazität19
5. Bauformen von Kondensatoren – das Membranmodul als Plattenkondensator20
5.1. Dielektrikum und elektrische Polarisation am Plattenkondensator20
5.2. Das elektrische Feld an Grenzflächen20
5.3. Kapazität des Plattenkondensators21
5.4. Elektrische Feldstärke des Plattenkondensators21
5.5. Energie und Leistung des Plattenkondensators22
5.6. Auf- und Entladen des Plattenkondensators23
5.7. Wärmeentwicklung am Plattenkondensator24
5.8. Durchschlagfestigkeit des Plattenkondensators24
5.9. Stromfluss bei Kurzschluss des Plattenkondensators25
6. Das magnetische Feld26
7. Kraftwirkung auf geladene Partikeln im homogenen elektrischen Feld29
7.1. Elektrophorese29
7.2. Elektroosmose30
8. Elektrolyse31
9. Korrosion32
10. Modulauslegung34
10.1. In allen Modulvarianten wiederkehrende Bauteile37
10.1.1. Der Grundkörper37
10.1.2. Die Membranstützstruktur im Grundkörper68
10.1.3. Die Filtrationsmembran im Grundkörper68
10.1.4. Der Rahmen zum Fixieren der Filtrationsmembran im Grundkörper68
10.1.5. Der Spacer70
10.1.6. Die Kondensatorplatten (Elektroden)77
10.1.7. Der Kühlkreislauf95
10.1.8. Der Eingriffschutz107
10.1.9. Der Unterlegrahmen110
10.1.10. Die Unterlegscheiben111
10.1.11. Schrauben und Muttern111
10.1.12. Zentrierstifte111
10.2. Modulvariante mit innen liegenden, nicht isolierten Platten112
10.3. Modulvariante mit außen liegenden, isolierten Platten112
10.4. Modulvariante mit Ionentauschermembranen113
11. Elektrolyse am Membranmodul126
12. Leistungsbedarf des Moduls128
13. Durchschlagen des Moduls131
14. Zusammenfassung132
15. Anlagen133
15.1. Übersicht aller Anlagen133
15.2. MathCAD-Sheet zur Auslegung des Grundkörpers134
Quellenverzeichnis157

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