AT1955U1 - Vorrichtung mit lösemittelselektiven und/oder wasserselektiven membranen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung mit lösemittelselektiven und/oder wasserselektiven Membranen (12), die im Abstand voneinander längs eines Zentralkanales (10) innerhalb eines Gehäuses (16) hintereinander gestapelt sind, weist Öffnungen (22, 24, 26, 28) zum Zuführen eines Feedstromes sowie zum Abführen von Retentat und Permeat auf. Zur Abtrennung des Permeates und zum Erhalt des Retentates durchströmt der Feedstrom die Membranen (12) hintereinander. Um eine solche Vorrichtung zu schaffen, die nicht nur kostengünstig herstellbar ist, sondern auch eine erhöhte Austragrate an Retentat und Permeat ermöglicht, begrenzt das Gehäuse (16) einen rechteckigen Aufnahmeraum (30), in dem die rechteckigen Membranen (12) derart angeordnet sind, daß sie entlang von zwei gegenüberliegenden Längsseiten (32) in Anlage mit dem Gehäuse (16) stehen. Entlang ihrer beiden anderen Seiten (34) begrenzen sie mit dem Gehäuse über die gesamte Breite der jeweiligen Membran (12) jeweils einen rechteckigen Strömungsraum (36) zum Führen des Feedstromes.

Description

AT 001 955 Ul

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit lösemittelselektiven und/oder wasserselektiven Membranen, die im Abstand voneinander längs eines Zentralkanales innerhalb eines Gehäuses hintereinander gestapelt sind, das Öffnungen zum Zuführen eines Feedstromes sowie zum Abführen von Retentat und Permeat aufweist, wobei zur Abtrennung des Permeates und zum Erhalt des Retentates der Feedstrom die Membranen hintereinander durchströmt.

Eine dahingehende Vorrichtung ist beispielsweise durch die DE 44 13 362 C1 bekannt und wird für moderne Verfahren zur Abluftreinigung und Lösemittel-Rückgewinnung eingesetzt, häufig auch in Kombination mit anderen Verfahrenstechniken, wie Adsorption, Absorption oder thermischen Abluftreinigungsverfahren. Mit dem letztgenannten Reinigungsverfahren werden bei der sog. Gas-Dampf-Permeation die Lösemittel selektiv aus einem Gasstrom abgetrennt und angereichert. Sofern zusätzlich oder alternativ eine selektive Anreicherung 2 AT 001 955 Ul von Wasser aus Feedströmen (Gasströmen) gewünscht ist, sind spezielle wasserselektive Membranen vorzusehen, wie sie in der DE 44 13 362 C1 beschrieben sind.

Bei der bekannten Vorrichtung nach der genannten deutschen Patentschrift sind die einzelnen Membranen aus Membran-Taschenstapeln gebildet, beispielsweise in Form von PDMS-Membranen, und sind zylindrisch aufgebaut. Das sie aufnehmende Gehäuse ist ebenfalls zylindrisch aufgebaut, so daß aufgrund dieser zylindrischen Formen die Herstellkosten für die bekannte Membran-Trennvorrichtung hoch sind. Darüber hinaus hat es sich gezeigt, daß mit der bekannten Vorrichtung die möglichen zu erreichenden Durchsatzmengen für den Feedstrom begrenzt sind mit der Folge, daß die Austragraten an Permeat und Retentat mit der bekannten Vorrichtung entsprechend gering ausfallen. Dabei setzen die zylindrischen Membran-Taschenstapel dem Durchströmen des Feedstromes einen Widerstand entgegen und die bei der zylindrischen Vorrichtung vorgesehenen Strömungsräume zum Führen des Feedstromes sind nicht optimal gewählt, so daß der Feedstrom nicht über die gesamte Länge des jeweiligen Membran-Taschenstapels in diesen für das Absondern des Permeates aus dem Feedstrom eindringen kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur selektiven Anreicherung von Retentat und Permeat aus gasförmigen Feedströmen zu schaffen, die nicht nur kostengünstig herstellbar ist, sondern insbesondere auf eine Zeiteinheit und eine vorgegebene Baugröße bezogen, gegenüber den bekannten Vorrichtungen erhöhte Austragraten an Retentat und Permeat ermöglicht. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Dadurch, daß erfindungsgemäß das Gehäuse einen rechteckförmigen Aufnahmeraum begrenzt, in dem die rechteckförmig ausgebildeten Membranen derart 3 AT 001 955 Ul angeordnet sind, daß sie entlang von zwei gegenüberliegenden Längsseiten in Anlage mit dem Gehäuse sind und daß sie entlang ihrer beiden anderen Seiten mit dem Gehäuse über die gesamte Breite der jeweiligen Membran jeweils einen rechteckförmigen Strömungsraum zum Führen des Feedstromes begrenzen, ist der Zuführraum für den Feedstrom zum Eindringen in die jeweilige Membran vorzugsweise in Form eines Membran-Taschenstapels erhöht mit der Folge, daß sich auch die auf eine Zeiteinheit und eine vorgegebene Baugröße bezogenen Austragraten an Permeat und Retentat erhöhen, so daß die erfindungsgemäße Lösung insgesamt wirtschaftlicher arbeitet als bekannte Vorrichtungen. Unterstützend kommt hier mit hinzu, daß durch die rechteckförmige Ausbildung der Membranen und des Aufnahmeraumes des Gehäuses eine Zwangsführung für den Feedstrom derart erreicht ist, daß dieser im wesentlichen längs parallelen Strömungslinien die jeweilige Membran von einem Strömungsraum zum nächsten durchquert, ohne daß, wie bei den bekannten Vorrichtungen mit den zylindrischen Membranen, der Feedstrom, um zum anderen Strömungsraum zu gelangen, einen verkürzten Weg einschlägt, der die vorgesehene Abreicherung an Permeat wesentlich verringert. Auch sind ungewollte, den Druchtritt behindernde Wirbelströmungen aufgrund des zylindrischen Aufbaues der Membran mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihrem Rechteckaufbau vermieden.

Des weiteren lassen sich die rechteckförmigen Bauteile, insbesondere wenn es sich um Gehäuseteile handelt, einfacher herstellen als zylindrische und im übrigen auch zusammensetzen, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung bei wesentlich höherer Austragrate kostengünstig herstellbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die einzelnen Membranen voneinander über innerhalb des Gehäuses verlaufende Trennwände getrennt, die in einer alternierenden Reihenfolge Durchlässe für den Feedstrom derart aufweisen, daß der über die Trennwände 4 AT 001 955 Ul in Teilräume jeweils unterteilte Strömungsraum einen dahingehenden Durchlaß aufweist und ansonsten vom nächsten Teilraum getrennt ist. Aufgrund dieser Zwangsführung mit parallel verlaufender Strömungsführung über die Trennwände ist in Verbindung mit dem sonstigen rechteckförmigen Aufbau der gesamten Vorrichtung eine hohe Austragrate an Permeat und Retentat gewährleistet.

Bei einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest einer der beiden endseitigen Gehäusedek-kel flanschartig mit dem Gehäuse verbunden und der jeweilige Gehäusedeckel weist derart einen axialen Abstand zu der ihm benachbart angeordneten Membran auf, daß weitere Strömungsräume innerhalb des Gehäuses gebildet sind. Es hat sich gezeigt, daß mit dem Vorhandensein weiterer großzügig dimensionierter Strömungsräume am Anfang und am Ende des Gehäuses der Ein- und Austrittswiderstand für den Feed- bzw. Retentatstrom sich verringern läßt, was wiederum der hohen Austragrate an Permeat zugute kommt. Dadurch, daß zumindest einer der beiden Gehäusedeckel flanschartig mit dem Gehäuse verbunden ist, lassen sich etwa verbrauchte Membran-Taschenstapel rasch und kostengünstig gegen neue austauschen. Im übrigen läßt sich eine dahingehende Verbindung kostengünstig realisieren, was die Herstellkosten der Vorrichtung senkt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die den Gehäusedeckeln unmittelbar benachbart gegenüberliegenden Membranen über Distanzhalter in ihrer Einbaulage gehalten, die den Zentralkanal radial umschließen und endseitig zusammen mit den freien Enden des Zentral kanales aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Hierdurch wird nicht w nur eine sichere Einbaulage für den jeweiligen Membran-Taschenstapel innerhalb des Gehäuses erreicht, sondern auch gegebenenfalls dem Permeatstrom 5 AT 001 955 Ul auf beiden Seiten des Zentral kanales eine Austrittsstelle aus dem Gehäuse gegeben, was wiederum die Austragrate an Permeat erhöht.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der Zeichnung nach den Figuren näher erläutert.

Es zeigen in prinzipieller und nicht vollständiger Darstellung Fig.l einen Längsschnitt durch die Vorrichtung mit zwei Membran-

Taschenstapeln;

Fig.2 eine Draufsicht auf die teilweise Darstellung nach der Fig.l.

Die in der Fig.l teilweise im Längsschnitt dargestellte Vorrichtung bildet insgesamt eine Art Membran-Modul aus, das aus einem Zentralkanal in Form eines Permeat-Sammelrohres 10, Membranen in Form von Membran-Taschen-

V stapeln 12 mit Trennwänden 14, und einem rechteckförmigen Modulgehäuse 16 V / v besteht, das stirnseitig von Gehäusedeckeln 18 und 20 abgeschlossen ist.

Der nähere Aufbau betreffend die Membranen bei einer dahingehenden Vorrichtung ist beispielsweise in der DE 44 13 362 C1 beschrieben, so daß auf den vorliegenden Aufbau nur noch insofern eingegangen wird, wie er zur Erläuterung der Erfindung notwendig ist. Die Darstellung in Fig.1 gibt/in Blickrichtung gesehe^den üblichen Einbauzustand der Vorrichtung wieder. Die lösemitteiselektiv und/oder wasserselektiv ausgebildeten Membranen 12 sind im Abstand voneinander längs des Zentral kanales 10 innerhalb des Gehäuses ✓ 16 hintereinander gestapelt, wobei in dem oberen Gehäusedeckel 18 eine Öffnung 22 zum Zuführen des gasförmigen Feedstromes auf einer Seite vor-gesehen ist. In Verlängerung dieser ersten Öffnung 22 ist im unteren Gehäuse-deckel 20. eine weitere Öffnung 24/des Gehäuses 16/Zum Abführen des Reten-tates vorgesehen. Darüber hinaus sind mittig in den Gehäusedeckeln 18,20 v >/ Öffnungen 26 und 28 vorgesehen, die dem Abführen des Permeates aus dem y 6 AT 001 955 Ul

Feedgasstrom dienen. Die Abtrennung des Permeates über den Zentralkanal 10 sowie der Erhalt des Retentates über die Öffnung 24 wird dadurch erreicht, daß der Feedstrom in der Art einer Zwangsführung die Membranen 12 nacheinander durchströmt.

Der Feedstrom ist in der Regel gasförmig und kann einen Wasseranteil aufweisen. Der Feedstrom kann darüber hinaus sehr heiß, unter sehr hohem Druck, bei normalem Umgebungsdruck, aber auch mit Unterdrück in die Vorrichtung eingespeist werden, wobei letzteres dadurch ermöglicht wird, daß man eine Kühlvorrichtung in die Vorrichtung einbringt, die dann auf der Permeatseite der Vorrichtung den Wasserdampfpartialdruck sehr niedrig hält. Die dahingehende Ausgestaltung ist in der DE 44 13 362 C1 im einzelnen offenbart.

Der angesprochene Feedstrom, der der Vorrichtung zugeleitet wird, stammt beispielsweise aus der Desorption von Adsorbentien, aus Trocknungsprozessen, aus Verfahren der Bodensanierung, der Abluftreinigung und der Lösemittelrück-gewinnung. Diese Aufzählung ist nur beispielhaft und läßt sich um eine Vielzahl weiterer möglicher Anwendungen ergänzen. Ziel der Vorrichtung ist es jedenfalls, die gasförmigen Bestandteile des Feedstromes als sog. Retentat abgereichert um das Permeat neben diesem eigentlichen Permeat und dem eventuell anfallenden Kondensat in Form von Wasser getrennt voneinander zu gewinnen. Bei dem Permeat kann es sich um Lösemittel handeln aber auch um sonstige, aus dem Feedstrom abzutrennende oder zu gewinnende Stoffe oder Stoffgemische, die mittels der angesprochenen lösemittel- oder wasserselektiven Membranen aus dem Feedstrom abtrennbar und der Permeatseite zuleitbar sind.

Das um das Permeat abgereicherte Retentat, meist in Form von Luft und/oder Stickstoff, verläßt die Vorrichtung über die bereits angesprochene untere Öffnung 24 des Gehäuses 16. Wie insbesondere die Fig.2 zeigt, ist das Gehäu- 7 AT 001 955 Ul se 16 rechteckförmig ausgebildet und begrenzt endseitig jeweils einen rechteckförmigen Aufnahmeraum 30, in dem die rechteckförmig ausgebildeten v

Membranen 12 in Form von Membran-Taschenstapeln derart angeordnet sind, daß sie entlang von zwei gegenüberliegenden Längsseiten 32 im wesentlichen in Anlage mit dem Gehäuse 16 sind. Entlang ihrer beiden anderen Seiten 34 V '/ begrenzt die jeweilige Membran 12 mit der Innenseite des Gehäuses 16 jeweils S y einen rechteckförmigen Strömungsraum 36 zum Führen des Feedstromes.

Die einzelnen Membranen 12 sind voneinander über innerhalb des Gehäuses / 16 verlaufende Trennwände 14 voneinander getrennt, die in einer alternieren-

V den Reihenfolge Durchlässe 38 für den Feedstrom derart aufweisen, daß der v' über die Trennwände 14 in Teilräume 40 jeweils unterteilte Strömungsraum 36 einen dahingehenden Durchlaß 38 aufweist und ansonsten vom nächsten ν'

Teil raum 40 getrennt ist.

V mr jr

Der jeweilige Gehäusedeckel 20J2 weist derart einen axialen Abstand zu der ihm benachbart angeordneten Membran 12 auf, daß weitere Strömungsräume 42 innerhalb des Gehäuses 16 gebildet sind. Darüber hinaus ist der obere

Gehäusedeckel 18 fianschartig mit dem Gehäuse 16 verbunden, wobei Dichtungen zum Abdichten der Flanschverbindung dienen, die im übrigen über Schrauben 44 hergestellt ist. Die den Gehäusedeckeln 18,20 unmittelbar V ·/ l/ benachbart gegenüberliegenden Membranen 12 sind über zylindrische Distanz- ·/ halter 46 in ihrer gezeigten Einbaulage gehalten, wobei sie den Zentralkanal 10 an seinen freien Enden radial umschließen und endseitig zusammen mit den freien Enden desselben aus dem Gehäuse 16 herausgeführt sind, so daß sich zwei Abgabemöglichkeiten für das Permeat ergeben. Der Verlauf der Strömungen von Feed-, Retentat- und Permeatstrom ist in der Fig.1 mit entsprechenden Pfeilbezeichnungen wiedergegeben. Nachdem der gasförmige Feedstrom über die Öffnung 22 in den jeweiligen Aufnahmeraum 30 begrenzt durch das Gehäuse 16 eingeführt ist, befindet er sich zunächst im oberen Strömungsraum 8 AT 001 955 Ul 42, der derart großzügig dimensioniert ist, daß er dem Eintritt des Feedstromes keinen wesentlichen Widerstand entgegensetzt. Über den Strömungsraum 42 und den Durchlaß 38 in der Trennwand 14 wird dann der Feedstrom in Pfeilrichtung über die gesamte Höhe innerhalb des ersten Teilraumes 40 der oberen Membran 12 zugeführt. Hierbei wird über die gesamte Breite der rechts dar-gestellten Seite 34 des Membran-Taschenstapels 12 das Eindringen des Feed- V ν'

Stromes in die obere Membran 12 bei im wesentlichen paralleler Strömungsführung erreichend der in Strömungsrichtung hinter dem Zentralkanal 10 angeordnete Teilraum (nicht dargestellt), der ebenfalls in seinen Abmessungen großzügig bemessen ist, setzt dem Durchlaufen des Feedstromes kaum Widerstand entgegen.

Eine wesentliche Rolle spielt hierbei auch, daß der jeweilige Membran-Ta-schenstapel 12 durch seine rechteckförmige Ausgestaltung im Gegensatz zu der

'J früheren zylindrischen Anordnung bei vergleichbarer Austragrate kleiner dimensioniert sein kann, so daß er ebenfalls dem Durchströmen des Feedstromes einen geringeren Widerstand entgegensetzt. Nach Umlenkung des Feedstromes und Durchtritt durch einen weiteren Durchlaß (nicht dargestellt) in der in Strömungsrichtung nachfolgenden Trennwand 14 durchströmt der Feedstrom in v entgegengesetzter Richtung den unteren Membran-Taschenstapel 12 und gelangt als Retentat über den unteren Teilraum 40 und eine weitere Durchlaß-

V stelle 38 in der untersten Trennwand 14 in den unteren weiteren Strömungs-

S V raum 42, und dann über die Öffnung 24 nach außen. Der beim Durchströmen

V V der Membranen 12 aus dem Feedstrom abgereicherte Permeatanteil verläßt hingegen über die Öffnungen 26 und 28, des Zentral kanales 10 das ·/ ·/

Gehäuse 16.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform (nicht dargestellt) kann jedoch auch vorgesehen sein, daß das Permeat nur über eine Auslaßstelle des Zentral kanales nach außen abgeführt wird. Auch können zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit 9 AT 001 955 Ul der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Reihe hintereinander angeordnet wesentlich mehr als nur zwei Membran-Taschenstapel 12 hintereinander angeordnet sein. Insofern baut dann das Gehäuse 16 in Axialrichtung entsprechend den y aufzunehmenden Trennmembranen 12 größer auf, wobei jedoch abgestufte y

Baugrößen im Sinne einer Modultechnik verwirklichbar sind. Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung bildet also eine Art High-Feed-Flow-Modul für verschiedenste Anwendungen mit hoher Austragrate an Permeat und Retentat aus. 10

Claims (4)

1. AT 001 955 Ul Schutzansprüche 1. Vorrichtung mit lösemittelselektiven und/oder wasserselektiven Membranen (12), die im Abstand voneinander längs eines Zentralkanales (10) innerhalb eines Gehäuses (16) hintereinander gestapelt sind, das Öffnungen (22,24,26,28) zum Zuführen eines Feedstromes sowie zum Abführen von Retentat und Permeat aufweist, wobei zur Abtrennung des Permeates und zum Erhalt des Retentates der Feedstrom die Membranen (12) hintereinander durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) einen rechteckförmigen Aufnahmeraum (30) begrenzt, in dem die rechteckförmig ausgebildeten Membranen (12) derart angeordnet sind, daß sie entlang von zwei gegenüberliegenden Längsseiten (32) in Anlage mit dem Gehäuse (16) sind und daß sie entlang ihrer beiden anderen Seiten (34) mit dem Gehäuse (16) über die gesamte Breite der jeweiligen Membran (12) jeweils einen rechteckförmigen Strömungsraum (36) zum Führen des Feedstromes begrenzen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Membranen (12) voneinander über innerhalb des Gehäuses (16) verlaufende Trennwände (14) getrennt sind, die in einer alternierenden Reihenfolge Durchlässe (38) für den Feedstrom derart aufweisen, daß der über die Trennwände (14) in Teilräume (40) jeweils unterteilte Strömungsraum (36) einen dahingehenden Durchlaß (38) aufweist und ansonsten vom nächsten Teilraum (40) getrennt ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden endseitigen Gehäusedeckel (18) flanschartig mit dem Gehäuse (16) verbunden ist und daß der jeweilige Gehäusedeckel 11 AT 001 955 Ul 4, (20,^!) einen axialen Abstand zu der ihm benachbart angeordneten Membran (12) derart aufweist, daß weitere Strömungsräume (42) innerhalb des Gehäuses (16) gebildet sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Gehäusedeckeln (18,20) unmittelbar benachbart gegenüberliegenden Membranen (12) über Distanzhalter (46) in ihrer Einbaulage gehalten sind, die den Zentralkanal (10) radial umschließen und endseitig zusammen mit den freien Enden des Zentral kanales (10) aus dem Gehäuse (16) herausgeführt sind. 12