DE10011785A1

DE10011785A1 - Membranmodul und Verfahren zur Mischgasseparation

Info

Publication number: DE10011785A1
Application number: DE10011785A
Authority: DE
Inventors: Shunsuke Nakanishi; Masao Kikuchi; Yoshihiro Kusuki; Tatsuo Yamamoto; Mitsuo Maeda
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2000-11-30
Also published as: JP2000262838A; KR100356114B1; JP3876561B2; US6210464B1; KR20010014568A; TW436325B

Abstract

Es wird ein Membranmodul zur Mischgasseparation mit hoher Trennwirksamkeit vorgeschlagen, welches aufweist: ein zylindrisches Gehäuse mit einem Mischgas-Eintrittsbereich, einem Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas und einem mittleren Bereich; ein Bündel aus einer Mehrzahl von Hohlfasern, wobei jede Faser sich durch den mittleren Bereich erstreckt und einen Endbereich aufweist, der gegen den Mischgas-Eintrittsbereich offen ist, und einen gegenüberliegenden Endbereich, der gegen den Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas offen ist; ein Scheibenpaar, umfassend eine erste Scheibe, welche den Hohlfaserendbereich, der gegen den Mischgas-Eintrittsbereich offen ist, hält und den mittleren Bereich von dem Mischgas-Eintrittsbereich trennt, und eine zweite Scheibe, welche die entgegengesetzten Hohlfaser-Endbereiche, die gegen den Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas offen sind, hält und den mittleren Bereich von dem Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas trennt, wobei die erste und die zweite Scheibe die Hohlfasern derart halten, daß die Hohlfasern im wesentlichen unabhängig voneinander sind, so daß ein zusammenhängender Raum zwischen den Hohlfasern bleibt; und ein zylindrisches Folienelement, welches das Hohlfaserbündel in dem Umfang umgibt, daß der zwischen den Hohlfaser geschaffene zusammenhängende Raum mit einer Austrittsöffnung für permeiertes Gas des mittleren Bereichs verbunden ist, wobei der mittlere Bereich eine Austrittsöffnung für permeiertes Gas in ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Membranmodul und ein Verfahren zur Mischgasseparation, um eine Gasfraktion, welche eine hohe Per meabilität durch eine Membran aufweist, aus einem Mischgas ab zutrennen. Im besonderen betrifft die Erfindung ein Membran modul zur Mischgasseparation, welches eine Mehrzahl von Hohl fasern aufweist, um eine in einem Mischgas enthaltene spezifi sche Gasfraktion durch die Hohlfasern hindurchtreten zu lassen und aus dem Mischgas zu entfernen und eine nicht-permeierte Gasfraktion des Mischgases aufzufangen, sowie ein Verfahren, welches das Membranmodul zur Mischgasseparation verwendet, um die spezifische Gasfraktion aus dem Mischgas abzutrennen.

Im einzelnen betrifft die Erfindung ein Membranmodul zur Misch gasseparation, welches zum Abtrennen von Wasserdampf aus einem in dem Mischgas vorhandenen, eine organische Substanz enthal tenden Dampf geeignet ist, und betrifft ferner ein Verfahren zur Mischgasseparation, welches das Membranmodul verwendet und zum Abtrennen von Wasserdampf aus einem in dem Mischgas vorhan denen, eine organische Substanz enthaltenden Dampf geeignet ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Als ein Entwässerungsverfahren für eine wäßrige Lösung einer organischen Substanz offenbart die japanische Offenlegungs schrift Nr. 63-267415 ein Verfahren zum Entwässern und Aufkon zentrieren für eine organische Substanz enthaltende wäßrige Lösung, wobei das Verfahren umfaßt: Herstellen eines Misch gases, welches einen eine organische Substanz enthaltenden Dampf und Wasserdampf umfaßt, indem eine organische Substanz enthaltende wäßrige Lösung verdampft wird; Inkontaktbringen des Mischgases mit einer primärseitigen Oberfläche einer Mischgas- Trennmembran aus aromatischem Polyimid bei einer Temperatur von 70°C oder mehr, um selektiv den Wasserdampf durch die Misch gas-Trennmembran permeieren zu lassen und als permeierte Gas fraktion an der sekundärseitigen Oberfläche der Membran aufzu fangen; und Auffangen - als nicht-permeierte Gasfraktion - des organische Substanz enthaltenden Dampfes mit einem verminderten Wassergehalt an der primärseitigen Oberfläche.

Diese japanische Veröffentlichung offenbart ein Beispiel für den obenerwähnten Prozeß, wonach die Sekundärseite, an der die durch die Membran hindurchgetretene Gasfraktion (Wasserdampf) aufgefangen wird, unter einem sehr verminderten Druck gehalten wird, um selektiv dem Wasserdampf zu erlauben, durch die Mem bran zu permeieren und von der Gasfraktion, welche den organi sche Substanz enthaltenden Dampf umfaßt, getrennt zu werden. Gemäß einem weiteren Beispiel des obenerwähnten Verfahrens wird die Sekundärseite der Mischgas-Trennmembran nicht unter vermin dertem Druck gehalten, wohl aber ein trockenes Gas als Träger gas längs der sekundärseitigen Oberfläche der Membran strömen gelassen, um die selektive Permeation des Wasserdampfes durch die Membran und die Trennung des Wasserdampfes von dem organi sche Substanz enthaltenden Dampf zu begünstigen.

Die im vorstehenden erwähnten Entwässerungstechniken für das Mischgas, wonach die Entfernung des Wasserdampfes unter Auf rechterhaltung eines verminderten Drucks auf der Sekundärseite der Mischgas-Trennmembran oder unter Passierenlassen eines aus einem trockenen Gas bestehenden Trägergases längs der sekundär seitigen Oberfläche der Membran durchgeführt wird, haben die folgenden Nachteile.

Die Permeationsrate des Wasserdampfes durch die Mischgas-Trenn membran je Flächeneinheit der Membran ist nicht immer zufrie denstellend; daher ist die Baugröße des Mischgas-Trennmembran moduls erhöht.

Ferner kann die Trockenheit (der Entwässerungsgrad) der an der Primärseite der Membran verbleibenden, nicht-permeierten Gas fraktion nicht leicht auf das gewünschte hohe Niveau einge stellt werden.

Weiter macht die Durchführung des Entwässerungsprozesses bei einem sehr reduzierten Druck eine Vakuumpumpe notwendig, die imstande ist, ein hohes Vakuum zu erzeugen, so daß viel Energie für den Antrieb der Vakuumpumpe aufgewendet werden muß.

Zudem muß, um einen hohen Entwässerungsgrad des Mischgases bei der Verwendung des Trägergases unter Umgebungsdruck zu erzie len, als Trägergas ein trockenes Gas, was teuer ist, in großen Mengen eingesetzt werden.

Zur Beseitigung der obenerwähnten Nachteile offenbart die japa nische Patentveröffentlichung Nr. 2 743 346 ein Verfahren zum Entwässern einer Lösung, welche Wasser und organische Substanz enthält, wonach eine Wasser und organische Substanz enthaltende Lösung verdampft wird, um ein Mischgas herzustellen, welches Wasserdampf und organische Substanz enthaltenden Dampf umfaßt; das Mischgas in ein Membranmodul zur Mischgasseparation einge speist wird, welches Mischgas-Trennmembranen aus aromatischem Polyimid enthält, jeweils mit:

a) einer Wasserdampf-Permeationsrate (P'H₂O) von 1 × 10^-5 cm³/cm².s.cmHg oder mehr und
b) einem Verhältnis (P'H₂O/P'org) von Permeationsrate des Wasserdampfes (P'H₂O) zu Permeationsrate des organische Substanz enthaltenden Dampfes (P'org) von 100 oder mehr,

bei einer Temperatur von 70°C oder mehr, um das Mischgas in Kontakt mit primär-(speise-)seitigen Oberflächen der Membranen zu bringen; die Sekundär-(Permeat-)Seiten der Membranen einem reduzierten Druck von 50 bis 500 mmHg ausgesetzt werden; und ein inertes trockenes Gas oder ein Teil eines aus dem Membran modul abgezogenen nicht-permeierten Gases als Trägergas durch die Sekundärseiten der Membranen passieren gelassen wird, um dadurch selektiv dem Wasserdampf zu gestatten, durch die Mem branen, von deren Primär-(Speise-)Seiten zu deren Sekundär- (Permeat-)Seiten hindurchzutreten und von einem nicht-permeier ten Gas, welches organische Substanz enthaltenden Dampf umfaßt, getrennt zu werden; und das Gas, welches den organische Sub stanz enthaltenden Dampf umfaßt, mit einem verminderten Wasser gehalt aufgefangen wird.

Das vorgenannte Verfahren und Membranmodul ermöglichen es, das Wasser/organische Substanz enthaltende Mischgas zu entwässern. Es besteht jedoch ein dringender Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Entwässern des Mischgases mit verbes serter Wirksamkeit. Es besteht ferner dringender Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Mischgasseparation, die es ermöglichen, eine Gasfraktion mit hoher Permeabilität durch die Membran, die nicht auf Wasserdampf begrenzt ist, mit hoher Wirksamkeit von einem Mischgas zu trennen.

Als eine Anordnung, die einem herkömmlichen Gastrennmembran modul entspricht, offenbart die japanische Auslegeschrift Nr. 6-91 932 ein Gasseparationsmodul, worin eine spezifische Faserbündelanordnung, gebildet aus einem Bündel von Hohlfasern mit der Funktion, selektiv einer spezifischen Gasfraktion (z. B. einer Wasserstoffgasfraktion) in verschiedenen Mischgasen den Durchtritt durch die Hohlfasern zu erlauben, in geeigneter An ordnung in einem zylindrischen Gehäuse aufgenommen ist, welches eine Materialgaszuführung, einen Auslaß für permeiertes Gas und einen Auslaß für nicht-permeiertes Gas umfaßt, und der Umfang des Faserbündels mit einem Folienelement bedeckt ist. Jedoch ist das in der obenerwähnten Veröffentlichung offenbarte Modul zur Anwendung in der Rückgewinnung von Wasserstoff gedacht, und daher weist die Permeatseite der trennenden Membran eine Struk tur auf, die nur zum Ausbringen des permeierten Gases verwend bar ist. Daher kann dieses Modul nicht für den Fall verwendet werden, wo Wasserdampf aus einem Mischgas, welches organische Substanz enthaltenden Dampf und Wasserdampf umfaßt, abgetrennt werden soll, indem die Permeatseite der trennenden Membran in einen Zustand verminderten Drucks gesetzt wird und indem ein Trägergas durch die Permeatseite der Trennmembran passieren gelassen wird.

Ferner offenbart die japanischen Auslegeschrift Nr. 7-79 954 ein Membranmodul zur Gasseparation mit einem Bündel aus einer Mehrzahl von Gasseparations-Hohlfasern. Dieses Modul weist ein Kernrohr auf, welches in einem im wesentlichen mittigen Teil des Hohlfaserbündels liegt und Öffnungen aufweist, die mit einem Auslaß für nicht-permeiertes Gas verbunden sind, sowie eine zylindrische Trennplatte, die in dem Hohlfaserbündel längs der Hohlfasern angeordnet ist. Der Zweck der in dieser Veröf fentlichung offenbarten Erfindung ist es, den Gasströmungsweg zu vergrößern und die Zuleitungsgeschwindigkeit des Material gases zu erhöhen, und zwar unter Konstanthaltung der Länge der hohlfaserförmigen Trennmembranen. Weil aber ein leerer Raum zwischen der Außenseite des Hohlfaserbündels und dem Modul gehäuse gebildet ist, geht das Gas durch den leeren Raum, mit dem Ergebnis, daß es den zusammenhängenden Raum zwischen den Hohlfasern nicht wirksam durchströmt. Außerdem strömt in gewis sen Bereichen des Moduls das Gas außerhalb der Hohlfasern in der gleichen Richtung wie das Gas innerhalb der Hohlfasern, wodurch die Gastrennwirksamkeit dieses Moduls gegenüber dem Modul mit Gegenstromführung nicht genügend hoch ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Mem branmoduls und eines Verfahrens zur Mischgasseparation, um eine Gasfraktion, welche eine hohe Durchlässigkeit durch die tren nende Membran aufweist, mit hoher Wirksamkeit von einem Misch gas abzutrennen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Membranmodul und ein Verfahren zur Mischgasseparation bereitzustellen, die sich sehr gut für das in der japanischen Patentschrift Nr. 2 743 346 offenbarte Verfahren zum Entwässern eignen und worin ein trockener, organische Substanz enthaltender Dampf mit einem hohen Grad an Trockenheit (einem sehr niedrigen Wassergehalt) in einem kleinen Gasseparations-Membranmodul mit einer relativ kleinen Membranfläche verwendet wird, um leicht eine hohe Trennwirksamkeit (eine große Menge an permeiertem Wasserdampf je Flächeneinheit der Gastrennmembran) zu erhalten.

Die obenerwähnten Ziele können mittels des erfindungsgemäßen Membranmoduls und Verfahrens zur Mischgasseparation erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Membranmodul zur Mischgasseparation umfaßt:

1. ein zylindrisches Gehäuse, welches umfaßt: einen Mischgas- Eintrittsbereich mit einer Mischgas-Eintrittsöffnung, einen Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas mit einer Austrittsöffnung für nicht-permeiertes Gas und einen mitt leren Bereich, der zwischen dem Mischgas-Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas ange ordnet ist und einen Trägergaseinlaß und eine Austritts öffnung für permeiertes Gas aufweist;
2. ein Bündel aus einer Mehrzahl von Mischgasseparations- Hohlfasern, wobei jede Faser einen Mantelbereich und einen von dem Mantelbereich umschlossenen hohlen Bereich umfaßt, sich durch den mittleren Bereich des zylindrischen Gehäu ses erstreckt und einen Endbereich aufweist, der gegen den Mischgas-Eintrittsbereich offen ist, und einen gegenüber liegenden Endbereich, der gegen den Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas offen ist;
3. ein Paar Hohlfaser-Haltescheiben, umfassend eine erste Hohlfaser-Haltescheibe, welche die Endbereiche der Hohl fasern, die gegen den Mischgas-Eintrittsbereich offen sind, hält und den mittleren Bereich von dem Mischgas-Ein trittsbereich trennt, und eine zweite Hohlfaser-Halte scheibe, welche die entgegengesetzten Endbereiche der Hohlfasern, die gegen den Austrittsbereich für nicht-per meiertes Gas offen sind, hält und den mittleren Bereich von dem Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas trennt,
wobei die erste und die zweite Hohlfaser-Haltescheibe die Hohlfasern in der Weise halten, daß die Hohlfasern im wesentlichen unabhängig voneinander sind, so daß ein zu sammenhängender Raum zwischen den Hohlfasern bleibt; und
4. ein zylindrisches Folienelement, welches das Hohlfaserbün del in dem Umfang umgibt, daß der zwischen den Hohlfasern geschaffene zusammenhängende Raum mit der Austrittsöffnung für permeiertes Gas des mittleren Bereichs verbunden ist,
wobei in dem mittleren Bereich die Austrittsöffnung für permeiertes Gas in der Nähe der ersten Hohlfaser-Halte scheibe angeordnet ist und der Trägergaseinlaß in der Nähe oder in der zweiten Hohlfaser-Haltescheibe angeordnet ist, um das in den mittleren Bereich durch den Trägergaseinlaß eingespeiste Trägergas durch den zwischen den Hohlfasern geschaffenen und von dem zylindrischen Folienelement um schlossenen zusammenhängenden Raum gegenläufig zur Strö mungsrichtung des Mischgases in den hohlen Bereichen der Hohlfasern strömen zu lassen.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation bedeckt das zylindrische Folienelement bevorzugt wenigstens 70% der Gesamtumfangsfläche des Hohlfaserbündels.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation können die Mischgasseparations-Hohlfasern fakultativ auch so angeordnet sein, daß mehrfache zylindrische Lagen gebildet wer den, welche die Längsachse des zylindrischen Gehäuses umgeben,
wobei in jeder der zylindrischen Lagen die Hohlfasern oder Hohlfasergruppen einzeln oder in einer Gruppe von zwei oder mehr Hohlfasern im wesentlichen parallel zueinander und im wesentlichen unabhängig voneinander zwischen der ersten und zweiten Hohlfaser-Haltescheibe und in der zylindrischen Lage so verlaufen, daß von jedem Paar von einzelnen Hohlfasern oder Hohlfasergruppen, die benachbart zueinander an der ersten oder zweiten Hohlfaser-Haltescheibe angeordnet sind, eine der beiden einzelnen Hohlfasern oder Hohlfasergruppen in einer Richtung geneigt ist, bezogen auf die Längsachse des zylindrischen Gehäuses, und die andere der beiden Hohlfasern oder Hohlfaser gruppen in der zu der vorgenannten Hohlfaser des Hohlfaserpaa res entgegengesetzten Richtung geneigt ist, bezogen auf die Längsachse des zylindrischen Gehäuses, und
wobei der Neigungswinkel jeder der einzelnen Hohlfasern oder Hohlfasergruppen, ausgehend von einer parallel zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses gezogenen Geraden, an der Peripherie der zylindrischen Lage 5 bis 30 Grad beträgt.

Das erfindungsgemäße Membranmodul zur Mischgasseparation umfaßt fakultativ ferner ein Trägergas-Einleitungsrohr, über das eine Trägergas-Versorgungsquelle durch die zweite Hohlfaser-Halte scheibe mit einem im wesentlichen mittigen Teil des Hohlfaser bündels verbunden ist, wodurch das Trägergas von dem mittigen Teil durch den zwischen den Hohlfasern geschaffenen zusammen hängenden Raum in Richtung der Austrittsöffnung für permeiertes Gas strömen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation, beträgt ein Packungsfaktor, der sich auf das Verhältnis, ausge drückt in Prozent, von Querschnittsflächensumme aller einzelnen Mischgasseparations-Hohlfasern in dem Bündel zu Querschnitts fläche des Bündels von Mischgasseparations-Hohlfasern bezieht, bevorzugt 30% oder mehr.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranmoduls zur Mischgasseparation ist das Trägergas-Einleitungsrohr in den mittigen Teil des Hohlfaserbündels eingeführt, und der einge führte Bereich des Rohres hat ein geschlossenes Ende und eine Mehrzahl von Öffnungen, die in einem Bereich des Rohres nahe bei der zweiten Hohlfaser-Haltescheibe ausgebildet sind, um es zu ermöglichen, das Trägergas in den mittleren Bereich des zylindrischen Gehäuses über die Öffnungen des Rohres einzubrin gen und durch den zwischen den Hohlfasern geschaffenen zusam menhängenden Raum strömen zu lassen.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation, welches das in den mittigen Teil des Hohlfaserbündels einge führte Trägergas-Einleitungsrohr enthält, beträgt ein Packungs faktor, der sich auf das Verhältnis, ausgedrückt in Prozent, von Querschnittsflächensumme aller einzelnen Mischgassepara tions-Hohlfasern in dem Bündel zu Querschnittsfläche des Bün dels der Mischgasseparations-Hohlfasern unter Ausschluß der Querschnittsfläche des in den mittigen Teil des Hohlfaserbün dels eingeführten Trägergas-Einleitungsrohres bezieht, bevor zugt 30% oder mehr.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation sind die Mischgasseparations-Hohlfasern bevorzugt ausgewählt aus aromatischen Polyimid-Hohlfasern.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mem branmoduls zur Mischgasseparation ist die Mischgas-Eintritts öffnung mit einer Versorgungsquelle für ein Mischgas, welches Wasserdampf und organische Substanz enthaltenden Dampf umfaßt, verbunden; die Hohlfasern sind ausgewählt aus aromatischen Polyimid-Hohlfasern; der Trägergaseinlaß ist mit einer Versor gungsquelle für ein Trägergas verbunden, welches ein trockenes Inertgas oder einen Teil der nicht-permeierten, über die Aus trittsöffnung für nicht-permeiertes Gas ausgebrachten Gasfrak tion umfaßt; und die Austrittsöffnung für permeiertes Gas ist mit Druckabsenkungsmitteln verbunden, wodurch der Wasserdampf von dem organische Substanz enthaltenden Dampf durch die aroma tischen Polyimid-Hohlfasern abgetrennt und als permeiertes Gas, zusammen mit dem Trägergas, ausgebracht wird, und der organi sche Substanz enthaltende Dampf mit einem verminderten Wasser dampfgehalt als nicht-permeiertes Gas aufgefangen wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mem branmoduls zur Mischgasseparation weist das zylindrische Gehäuse mindestens einen entfernbaren Endbereich auf und das Hohlfaserbündel, die erste und die zweite Hohlfaser-Halte scheibe und das zylindrische Folienelement sind so miteinander verbunden, daß eine auswechselbare Patrone gebildet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trennen eines Mischgases unter Verwendung des Membranmoduls zur Mischgasseparation wie oben definiert, umfaßt:
Einspeisen eines Mischgases, welches eine erste Gasfraktion und eine zweite Gasfraktion umfaßt, in den Mischgas-Eintrittsbe reich des zylindrischen Gehäuses über die Mischgas-Eintritts öffnung, um das eingespeiste Mischgas durch die hohlen Bereiche der Hohlfasern strömen zu lassen, wobei die erste Gasfraktion eine Permeationsrate durch die Mantelbereiche der Hohlfasern im Verhältnis zu der der zweiten Gasfraktion von 100 oder mehr aufweist, um dadurch die erste Gasfraktion durch die Mantel bereiche der Hohlfasern permeieren zu lassen;
gleichzeitiges Einspeisen eines Trägergases in den mittleren Bereich des zylindrischen Gehäuses über den Trägergaseinlaß, unter Absenkung des Druckes des mittleren Bereichs des zylin drischen Gehäuses, um das eingespeiste Trägergas durch den zwischen den Hohlfasern geschaffenen zusammenhängenden Raum in Richtung der Austrittsöffnung für permeiertes Gas strömen zu lassen und dabei zwangsläufig die permeierte erste Gasfraktion mit dem Trägergas zu verdünnen;
Ausbringen der mit dem Trägergas verdünnten permeierten ersten Gasfraktion über die Austrittsöffnung für permeiertes Gas; und
Auffangen der nicht-permeierten zweiten Gasfraktion, welche die hohlen Bereiche der Hohlfasern passiert und in dem Austrittsbe reich für nicht-permeiertes Gas aufgenommen wird, über die Aus trittsöffnung für nicht-permeiertes Gas.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Mischgasseparation umfaßt das Mischgas als erste Gasfraktion Wasserdampf und als zweite Gasfraktion einen Dampf von wenig stens einer organischen Substanz mit einer Siedetemperatur von 0°C bis 200°C unter Umgebungsdruck.

Bei der obigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Mischgasseparation umfaßt die organische Substanz der zwei ten Gasfraktion bevorzugt Isopropylalkohol.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mischgasseparation erlaubt es, gegebenenfalls einen Teil der aufgefangenen nicht-permeier ten zweiten Gasfraktion zu dem Trägergaseinlaß zurückzuführen und als Trägergas zu verwenden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Mischgasseparation um faßt das Trägergas bevorzugt Stickstoffgas.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens zur Mischgasseparation umfaßt das Mischgas Wasserdampf als erste Gasfraktion und Isopropylalkohol-Dampf als zweite Gasfraktion; die Hohlfasern sind ausgewählt aus aromatischen Polyimid-Hohlfasern; und das Trägergas umfaßt ein trockenes Inertgas, wodurch der Wasserdampf von dem Isopropylalkohol- Dampf durch die Mantelbereiche der aromatischen Polyimid-Hohl fasern abgetrennt wird und als permeiertes Gas, zusammen mit dem Trägergas, ausgebracht wird und der Isopropylalkohol-Dampf mit einem verminderten Wasserdampfgehalt als nicht-permeiertes Gas aufgefangen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mischgasseparation umfaßt fakultativ ferner, vor Herstellen des Mischgases aus einem ent sprechenden Flüssigkeitsgemisch, das Flüssigkeitsgemisch minde stens einer reinigenden Behandlung zu unterziehen, ausgewählt aus der Gruppe, welche Behandlungen mit Ionenaustauscherharzen, Behandlungen durch Destillation und Behandlungen durch Filtra tion umfaßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mischgasseparation umfaßt fakultativ ferner, die aufgefangene nicht-permeierte Gasfrak tion einem Verflüssigungsvorgang zu unterwerfen, gefolgt von wenigstens einer reinigenden Behandlung, ausgewählt aus der Gruppe, welche Behandlungen mit Ionenaustauscherharzen, Behand lungen durch Destillation und Behandlungen durch Filtration um faßt.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranmoduls zur Mischgassepa ration,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungs form des erfindungsgemäßen Membranmoduls zur Misch gasseparation,

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungs form des erfindungsgemäßen Membranmoduls zur Misch gasseparation,

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform eines Bündels von Mischgasseparations- Hohlfasern, welches für die vorliegende Erfindung Anwendung finden kann, wobei die Hohlfasern in einer relativ zur Längsachse eines zylindrischen Gehäuses geneigten Richtung angeordnet sind,

Fig. 5 eine Art der Anordnung für einzelne Hohlfasern in der geneigten Richtung;

Fig. 6A zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der auswechselbaren Patrone, welche ein Hohlfaserbün del, eine erste und eine zweite Hohlfaser-Halte scheibe, ein zylindrisches Folienelement und fakul tativ ein Abdeckelement umfaßt und für das erfin dungsgemäße Membranmodul zur Mischgasseparation Anwendung finden kann,

Fig. 6B zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform des zylindrischen Gehäuses zur Aufnahme der auswechsel baren Patrone, wie in Fig. 4A gezeigt, für das er findungsgemäße Membranmodul zur Mischgasseparation, und

Fig. 7 ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Separation eines Mischgases unter Verwendung des erfindungsgemäßen Mischgasseparations-Membranmoduls.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das erfindungsgemäße Membranmodul und Verfahren zur Mischgas separation werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beige fügte zeichnerische Darstellung beschrieben.

Nach Fig. 1, die einen Querschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranmoduls zur Mischgasseparation zeigt, umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 1 einen Mischgas-Eintrittsbe reich 2, einen Austrittsbereich 3 für nicht-permeiertes Gas und einen mittleren Bereich 4, der zwischen dem Mischgas-Eintritts bereich 2 und dem Austrittsbereich 3 für nicht-permeiertes Gas angeordnet ist. Der Mischgas-Eintrittsbereich 2 weist eine Mischgas-Eintrittsöffnung 2a auf, und der Austrittsbereich 3 für nicht-permeiertes Gas weist eine Austrittsöffnung 3a für nicht-permeiertes Gas auf. Der mittlere Bereich 4 weist eine Austrittsöffnung 5 für permeiertes Gas auf und ist mit einem Trägergaseinlaß 10 verbunden.

Fig. 1 zeigt ferner ein Bündel aus einer Mehrzahl von Mischgas separations-Hohlfasern 6, von denen jede einen Mantelbereich und einen von dem Mantelbereich umschlossenen hohlen Bereich umfaßt und sich durch den mittleren Bereich 4 des zylindrischen Gehäuses 1 erstreckt. Jede Hohlfaser 6 weist einen Endbereich auf, der gegen den Mischgas-Eintrittsbereich 2 offen ist, und einen gegenüberliegenden Endbereich, der gegen den Austrittsbe reich 3 für nicht-permeiertes Gas offen ist. Der Mischgas-Ein trittsbereich 2, der Austrittsbereich 3 für nicht-permeiertes Gas und der mittlere Bereich 4 sind gasdicht voneinander ge trennt durch ein Paar Hohlfaserhaltescheiben 7 und 8, umfassend eine erste und eine zweite Hohlfaser-Haltescheibe. Die erste Scheibe 8 bietet gasdichte Abstützung für die Endbereiche der Hohlfasern 6, die gegen den Mischgas-Eintrittsbereich 2 offen sind, und gasdichte Trennung des mittleren Bereichs 4 und Mischgas-Eintrittsbereichs 2, und die zweite Scheibe 7 bietet gasdichte Abstützung der gegenüberliegenden Endbereiche der Hohlfasern, die gegen den Austrittsbereich 3 für nicht-permei ertes Gas offen sind, und gasdichte Trennung des mittleren Be reichs 4 und Austrittsbereichs 3 für nicht-permeiertes Gas.

Die erste und die zweite Hohlfaser-Haltescheibe 8 und 7 fixie ren die Endbereiche der Hohlfasern 6 in der Weise, daß die Hohlfasern voneinander beabstandet sind, so daß ein zusammen hängender Raum 6a zwischen den Hohlfasern bleibt. Die Hohlfa sern in dem Bündel können in geradliniger oder in gekrümmter Form vorgesehen sein, und sie können parallel zueinander oder nicht parallel zueinander angeordnet sein.

Gemäß Fig. 1 ist ein Trägergas-Einleitungsrohr 9 in einen mit tigen Teil des Hohlfaserbündels, durch den Austrittsbereich 3 für nicht-permeiertes Gas und die zweite Hohlfaser-Halteschei be 7 hindurch eingeführt. Ein Endbereich des Rohres 9, der sich außerhalb des zylindrischen Gehäuses 1 erstreckt, ist mit einer Versorgungsquelle für ein Trägergas (in Fig. 1 nicht gezeigt) verbunden, und der entgegengesetzte Endbereich des Rohres 9 ist in die erste Hohlfaser-Haltescheibe 8 eingeführt und wird von dieser gehalten. Das entgegengesetzte Ende des Rohres 9 ist ge schlossen. Das in den mittigen Teil des Hohlfaserbündels einge führte Trägergas-Einleitungsrohr 9 hat eine Mehrzahl von Öff nungen 10, die in dem eingeführten Teil des Rohres 9 ausgebil det sind, der nahe bei einer Fläche der zweiten Hohlfaser-Hal tescheibe 7 liegt, welche dem mittleren Bereich 4 zugekehrt ist, und die in diesem Teil des Rohres 9 gleichförmig verteilt sind. Die Öffnungen 10 dienen als Trägergaseinlaß. Durch die Öffnungen 10 wird ein über das Rohr 9 zugeleitetes Trägergas gleichmäßig in den mittleren Bereich 4 eingeführt und strömt durch den zwischen den Hohlfasern geschaffenen zusammenhängen den Raum.

Nach Fig. 1 weist das Membranmodul zur Mischgasseparation ein zylindrisches Folienelement 11 auf, welches das Hohlfaserbündel in dem Umfang umgibt, daß der zwischen den Hohlfasern geschaf fene zusammenhängende Raum mit der Austrittsöffnung 5 für per meiertes Gas des mittleren Bereichs 4 verbunden ist, die nahe bei der ersten Hohlfaser-Haltescheibe 8 angeordnet ist.

In dem mittleren Bereich 4 des Membranmoduls von Fig. 1 wird, weil die Austrittsöffnung 5 für permeiertes Gas in der Nähe der ersten Hohlfaser-Haltescheibe 8 angeordnet ist und weil der Trägergaseinlaß (die Trägergaseinlaßöffnungen) 10 in der Nähe der zweiten Hohlfaser-Haltescheibe 7 angeordnet ist bzw. sind, dem in den mittleren Bereich 4 über den Trägergaseinlaß (die Trägergaseinlaßöffnungen) 10 eingespeisten Trägergas erlaubt, durch den zwischen den Hohlfasern 6 geschaffenen und von dem zylindrischen Folienelement 11 umschlossenen zusammenhängenden Raum 6a zu strömen. In dem zusammenhängenden Raum 6a strömt das Trägergas im Gegenstrom zur Strömungsrichtung des Mischgases in den hohlen Bereichen der Hohlfasern.

In Fig. 1 muß das durch die zweite Scheibe 7 hindurch verlau fende Trägergas-Einleitungsrohr 9 nicht unbedingt fest mit der ersten Scheibe 8 verbunden sein, solange das Rohr 9 und die er ste Scheibe 8 unter den Bedingungen, unter denen das Membran modul eingesetzt werden soll, gasdicht miteinander verbunden sind.

Weiter ist in Fig. 1 der mittige leere Raum 6b des Hohlfaser bündels, in welchen das Trägergas-Einleitungsrohr 9 eingeführt wird, im wesentlichen in einem mittigen Teil des Hohlfaserbün dels vorgesehen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, genau in der Mitte des Hohlfaserbündels zu liegen, solange das in den mittleren Bereich 4 eingeführte Trägergas gleichmäßig in den zwischen den Hohlfasern 6 geschaffenen und von dem zylindri schen Folienelement 11 umschlossenen zusammenhängenden Raum 6a eindiffundieren kann.

Gemäß Fig. 1 wird ein Mischgas in den Mischgas-Eintrittsbe reich 2 des zylindrischen Gehäuses 1 über die Mischgas-Ein trittsöffnung 2a eingespeist und gleichmäßig in die Hohlräume der Hohlfasern 6 verteilt. Während das Mischgas die hohlen Be reiche der Hohlfasern 6 durchströmt, wird eine Gasfraktion des Mischgases, die eine höhere Durchlässigkeit durch die Mantelbe reiche der Hohlfasern 6 zeigt als die verbleibende Gasfraktion, durch die Mantelbereiche permeieren. Die permeierte Gasfraktion strömt durch den zusammenhängenden Raum 6a in Richtung der Aus trittsöffnung 5 für permeiertes Gas.

Zur gleichen Zeit wird ein Trägergas in den mittleren Bereich 4 über das Trägergas-Einleitungsrohr 9 und eine Mehrzahl von Öff nungen 10 eingespeist. Das eingeführte Trägergas durchströmt den zusammenhängenden Raum 6a im wesentlichen längs der Hohlfa sern 6, wobei die permeierte Gasfraktion mit dem Trägergas ver dünnt wird, um die Permeationsrate der permeierenden Gasfrak tion durch die Mantelbereiche der Hohlfasern 6 zu fördern, in dem die Konzentration der permeierten Gasfraktion an der Per meatseite (zusammenhängender Raum) der Hohlfasern herabgesetzt wird.

Die mit dem Trägergas verdünnte permeierte Gasfraktion wird über die Austrittsöffnung 5 für permeiertes Gas aus dem Modul ausgebracht.

Die nicht-permeierte Gasfraktion durchströmt die hohlen Berei che der Hohlfasern, sammelt sich in dem Austrittsbereich 3 für nicht-permeiertes Gas und wird über die Austrittsöffnung 3a für nicht-permeiertes Gas aus dem Modul ausgebracht.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Membran moduls zur Mischgasseparation ist das Trägergas-Einleitungs rohr 9 in den mittleren Bereich 4 durch die zweite Scheibe 7 hindurch eingeführt, und die Trägergas-Einlaßöffnungen 10 sind in dem in den mittleren Bereich 4 eingeführten Bereich des Roh res 9 ausgebildet. Die Anordnung des Trägergaseinlasses 10 ist jedoch nicht auf die in Fig. 1 dargestellte begrenzt. Bevorzugt ist der Trägergaseinlaß 10 in der Nähe der zweiten Scheibe 7 angeordnet.

In Fig. 2 ist ein Trägergas-Einleitungsrohr 9 durch den Aus trittsbereich 3 für nicht-permeiertes Gas hindurch in die zweite Scheibe 7 eingeführt. Ein Ende des Rohres 9 ist mit einer Versorgungsquelle für das Trägergas (in Fig. 2 nicht gezeigt) verbunden, und das entgegengesetzte Ende 10a des Roh res 9 öffnet sich an der Innenseite der zweiten Scheibe gegen den mittigen Teil des Hohlfaserbündels, um einen Trägergasein laß zu bilden. Das heißt, in diesem Fall ist der Trägergasein laß in der zweiten Scheibe 7 gebildet. Wenn das Trägergas in den mittigen Teil des mittleren Bereichs über den Trägergasein laß 10a eingespeist wird, diffundiert das eingeführte Trägergas in den zwischen den Hohlfasern 6 geschaffenen und von dem zylindrischen Folienelement 11 umschlossenen zusammenhängenden Raum 6a ein und durchströmt den zusammenhängenden Raum 6a gegenläufig zur Strömungsrichtung des Mischgases in den hohlen Bereichen der Hohlfasern 6.

In Fig. 3 weist das Hohlfaserbündel keinen mittigen leeren Raum auf, und somit sind die Hohlfasern 6 gleichmäßig in dem Bündel verteilt. Ein Trägergaseinlaß 10b ist am Umfang des mittleren Bereichs 4 gebildet und befindet sich in der Nähe der zweiten Scheibe 7. Das zylindrische Folienelement 11 ist an einem seiner Enden über ein Fixierelement 12 gehalten, welches von der inneren Umfangsoberfläche des mittleren Bereichs des zylin drischen Gehäuses nach innen vorsteht. Das entgegengesetzte Ende des zylindrischen Folienelements 11 kann ungestützt sein. Das Fixierelement 12 ist zwischen dem Trägergaseinlaß 10b und der Austrittsöffnung 5 für permeiertes Gas, in der Nähe des Trägergaseinlasses 10b angeordnet, so daß das in den mittleren Bereich 4 über den Trägergaseinlaß 10b eingeleitete Trägergas gleichmäßig in den zwischen den Hohlfasern 6 geschaffenen und von dem zylindrischen Folienelement 11 umschlossenen zusammen hängenden Raum 6a eindiffundieren und durch ihn hindurchströmen kann. Das Fixierelement 12 verhindert, daß das in den mittleren Bereich eingespeiste Trägergas auf direktem Weg zu der Aus trittsöffnung für permeiertes Gas gelangt und ist bevorzugt als Ring (Ringraum) ausgeführt.

Bei einer anderen Ausführungsform des Bündels von Mischgassepa rations-Hohlfasern, wie in Fig. 4 dargestellt, sind eine Mehr zahl von Hohlfasern 15, 16 so angeordnet, daß sie mehrfache zylindrische Lagen bilden, welche die Längsachse 17 eines zylindrischen Gehäuses (in Fig. 4 nicht gezeigt) umgeben. Die zylindrischen Lagen der Hohlfasern sind bevorzugt konzentrisch zueinander um die Längsachse des zylindrischen Gehäuses ange ordnet und sind im wesentlichen unabhängig (getrennt) voneinan der.

In Fig. 4 ist das Bündel aus einer Mehrzahl von Hohlfasern 15 und 16 um ein Trägergas-Einleitungsrohr 9 herum gebildet, des sen Längsmittellinie mit der Längsachse 17 des zylindrischen Gehäuses übereinstimmt. In diesem Fall sind die mehrfachen zylindrischen Lagen der Hohlfasern konzentrisch mit dem Träger gas-Einleitungsrohr 9.

Wie in Fig. 4 gezeigt, ist bei jedem einzelnen Hohlfilament 15 oder 16 ein Endbereich desselben von einer ersten Hohlfaser- Haltescheibe 8 gehalten, und dieses Ende öffnet sich gegen einen Mischgaseintrittsbereich des zylindrischen Gehäuses (in Fig. 4 nicht dargestellt), und der andere Endbereich jeder Hohlfaser ist von einer zweiten Hohlfaser-Haltescheibe 7 gehal ten, und dieses andere Ende öffnet gegen den Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas des zylindrischen Gehäuses (in Fig. 4 nicht dargestellt).

In jeder der zylindrischen Lagen der Hohlfasern erstrecken sich die Hohlfasern zwischen der ersten und der zweiten Hohlfaser- Haltescheibe in der Weise, daß von jedem Paar von Hohlfasern 15 und 16, die benachbart zueinander an der ersten oder an der zweiten Hohlfaser-Haltescheibe 8 oder 7 angeordnet sind, eine Hohlfaser des Hohlfaserpaares in einer Richtung geneigt ist, bezogen auf die Längsachse des zylindrischen Gehäuses, und die andere Hohlfaser des Hohlfaserpaares in der zu der vorgenannten Hohlfaser entgegengesetzten Richtung geneigt ist, bezogen auf die Längsachse des zylindrischen Gehäuses. Ferner beträgt der Neigungswinkel der Hohlfasern, ausgehend von einer parallel zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses gezogenen Geraden, an der Peripherie der zylindrischen Lage der Hohlfasern 5 bis 30 Grad, bevorzugt 10 bis 25 Grad.

Jede zylindrische Lage der Hohlfasern kann nach dem in der US-Patentschrift Nr. 4 336 138 (T. Taniyama et al.) offenbarten Anordnungsverfahren gebildet werden. So wird zum Beispiel, bezugnehmend auf Fig. 5, ein zylindrischer Kern 18 um eine Längsachse 18a mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit in Richtung des Pfeils 18b gedreht und dem Kern 18 über ein Füh rungselement 19a, welches parallel zur Längsachse 18a des Kerns 18 changiert, eine Hohlfaser 19 zugeführt.

Die Hohlfaser 19 wird an einem ihrer Enden in einem Punkt 18c eines linken Endbereichs des Kerns 18 fixiert; wird dann von links nach rechts in Fig. 5 am Umfang des zylindrischen Kerns 18 entlang nach dem rechten Ende des Kerns 18 hin geführt und wird im Endpunkt 18d des Kerns 18 fixiert. Sodann wird die Hohlfaser 19 mit einer festen Geschwindigkeit und während der zylindrische Kern 18 mit einer festen Rotationsgeschwindigkeit rotiert, von dem rechten Endpunkt 18d zu einem linken End punkt 18f geführt und wird in dem linken Endpunkt 18f festge macht.

Zeichnet man eine Gerade 18e am Umfang des Kerns 18 parallel zur Längsachse 18a des Kerns 18 und durch den rechten End punkt 18d, so ist ein Teil 19b der Hohlfaser 19, der zwischen dem linken Endpunkt 18c und dem rechten Endpunkt 18d liegt, ausgehend von der Geraden 18e in einem Neigungswinkel α₁ auf wärts geneigt, und ein Teil 19c der Hohlfaser 19, der zwischen dem linken Endpunkt 18f und dem rechten Endpunkt 18d liegt, ist ausgehend von der Geraden 18e in einem Neigungswinkel α₂ ab wärts geneigt.

Da der Kern 18 mit einer fixen Rotationsgeschwindigkeit rotiert und die Hohlfaser 19 über die Führung des Führungselements 19a mit einer fixen Geschwindigkeit zugeführt wird, sind die Nei gungswinkel α₁ und α₂ der Teile 19b und 19c der Hohlfaser 19, die am rechten Endbereich des Kerns 18 benachbart zueinander liegen, gleich. Der Neigungswinkel ist bevorzugt in einem Be reich von 5 bis 30 Grad angesiedelt, noch bevorzugter 10 bis 25 Grad.

Die zylindrische Lage der Hohlfasern kann von dem zylindrischen Kern getrennt werden; der zylindrische Kern kann aber auch als Trägergas-Einleitungsrohr verwendet werden.

Die Endbereiche der Hohlfasern werden von den Hohlfaser-Halte scheiben gehalten und mit den Haltescheiben durch ein warmhärt bares Harz, z. B. ein Epoxidharz, verbunden. Die abschließenden Bereiche der gebundenen Endbereiche, die sich von den Halte scheiben nach außen erstrecken, werden abgetrennt, so daß die abgetrennten Enden sich gegen den Mischgaseintrittsbereich (nicht gezeigt) oder den (nicht dargestellten) Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas öffnen, wie in Fig. 4 gezeigt.

Bei der obengenannten Ausführungsform kann jede einzelne, zwi schen der ersten und der zweiten Hohlfaser-Haltescheibe ange ordnete Hohlfaser durch eine Gruppe, bestehend aus zwei oder mehr Hohlfasern, bevorzugt 2 bis 100 Hohlfasern, noch bevorzug ter 2 bis 50 Hohlfasern, weiter bevorzugt 2 bis 30 Hohlfasern, ersetzt sein, wobei in einer solchen Gruppe die einzelnen Hohl fasern im wesentlichen parallel zueinander und im wesentlichen getrennt voneinander angeordnet sind, so daß ein zusammenhän gender Raum zwischen den Hohlfasern bleibt.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation sind die einzelnen Hohlfasern im wesentlichen unabhängig von einander angeordnet. Im einzelnen sind sie so angeordnet, daß sie im wesentlichen voneinander getrennt sind, so daß ein zu sammenhängender Raum zwischen den Hohlfasern bleibt. In dem Modul kann Inkontakttreten der Hohlfasern untereinander zuge lassen werden, vorausgesetzt, daß das Trägergas im wesentlichen gleichmäßig durch den Raum zwischen den Hohlfasern strömen kann. Daraus folgt, daß die Berührungsflächen und Verteilung der Kontakte der Hohlfasern miteinander unter Kontrolle gehal ten werden sollten. Die geneigte Anordnung der einzelnen Hohl fasern, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, trägt dazu bei, die Berührungsflächen zu reduzieren, die Verteilung der Kontakte gleichmäßig zu machen und es dem Trägergas zu erlauben, den zwischen den Hohlfasern geschaffenen Raum gleichmäßig zu durch strömen und die wirksame Mischgas-Trennmembranfläche des Moduls hoch und konstant zu halten. Wenn der Neigungswinkel kleiner ist als 5 Grad, kann die Verteilung der Kontakte der Hohlfasern untereinander ungleichmäßig ausfallen und damit verbunden der Fluß des Trägergases durch den Raum zwischen den Hohlfasern ungleichmäßig werden, und wenn der Neigungswinkel mehr als 30 Grad beträgt, kann das Auftreten der Kontakte unter den Hohlfasern zu zahlreich werden und der Effekt der gegenläufigen Strömung von Trägergas und Mischgas zueinander gemindert wer den.

Wenn das Hohlfaserbündel groß ausgeführt wird, sind die Hohl fasern bevorzugt gruppenweise angeordnet, bestehend aus zwei oder mehr Hohlfasern in einer relativ zur Längsachse des zylin drischen Gehäuses geneigten Richtung. In diesem Fall sind die einzelnen Hohlfasern in jeder Gruppe im wesentlichen parallel zueinander und im wesentlichen getrennt voneinander angeordnet. Ferner sind die Hohlfasergruppen in den geneigten Richtungen bezüglich der Längsachsenrichtung des zylindrischen Gehäuses angeordnet. Damit verbunden trägt die geneigte Anordnung der Hohlfasergruppen dazu bei, die Berührungsflächen der einzelnen Hohlfasern untereinander zu reduzieren und die Verteilung der Kontakte unter den einzelnen Hohlfasern gleichmäßig zu gestal ten.

In Fig. 6A ist eine auswechselbare Patrone 20 hergestellt aus einem Bündel aus einer Mehrzahl von Gasseparations-Hohlfa sern 6, einer ersten und einer zweiten Hohlfaser-Haltescheibe 7 und 8 und einem zylindrischen Folienelement 11, die in der gleichen Weise miteinander verbunden sind, wie in Fig. 1 darge stellt.

Die Patrone 20 weist ferner ein zylindrisches Abdeckelement 21 auf, welches an seinen beiden Enden gasdicht mit der ersten und der zweiten Scheibe 8 und 7 verbunden ist und das zylindrische Folienelement 11 und das Hohlfaserbündel umgibt. Das zylindri sche Abdeckelement 21 weist eine Öffnung 22 auf, durch die das Innere der Patrone 20 mit der Austrittsöffnung 5 für permeier tes Gas verbunden ist.

In einer Ausführungsform umfaßt die Patrone 20 ferner ein Trä gergas-Einleitungsrohrelement 9a, welches in einen mittigen Teil des Hohlfaserbündels eingeführt ist. Ein Endbereich des Rohrelements 9a ist in die erste Scheibe 8 eingeführt und weist ein geschlossenes Ende auf. Das gegenüberliegende Ende des Rohrelements 9a öffnet sich nach außen. Der gegenüberliegende Endbereich des Rohrelements 9a weist eine Mehrzahl von Öffnun gen 10 in der Nähe des gegenüberliegenden Endes des Rohrele ments 9a auf. Die Öffnungen 10 dienen als Trägergaseinlaß.

Es wird nun auf Fig. 6B Bezug genommen, gemäß welcher ein zylindrisches Gehäuse 1 gebildet ist aus einem einen Mischgas- Eintrittsbereich bildenden Element 2b, einem einen Austritts bereich für nicht-permeiertes Gas bildenden Element 3b und einem einen mittleren Bereich bildenden zylindrischen Ele ment 4a, welche voneinander getrennt werden können. Wenn minde stens eines der beiden Elemente, welche sind Mischgas-Ein trittsbereich bildendes Element 2b und Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas bildendes Element 3b, von dem den mittle ren Bereich bildenden zylindrischen Element 4a getrennt ist, kann die Patrone in den mittleren Bereich 4 eingeführt werden.

Bei einer Ausführungsform weist das den Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas bildende Element 3b ein Trägergas-Einlei tungsrohrelement 9b auf, welches in das Element 3b eingeführt ist und an einem seiner Enden mit einer Versorgungsquelle für ein Trägergas (in Fig. 6B nicht gezeigt) verbunden ist, während sein gegenüberliegendes Ende gegen den mittleren Bereich 4 offen ist. Wenn die in Fig. 6A gezeigte Patrone 20 in den mitt leren Bereich 4 des zylindrischen Gehäuses 1 eingesetzt ist, ist die dem Ende des Rohrelements 9b gegenüberliegende Öffnung gasdicht mit dem Öffnungsende des Rohrelements 9a der Patro ne 20 verbunden, um ein Trägergas-Einleitungsrohr 9 zu bilden, wie in Fig. 1 dargestellt.

Die auswechselbare Patrone ist vorteilhaft, weil im Falle einer Verschlechterung der Gasseparations-Hohlfasern in dem Modul die verschlechterten Hohlfasern leicht entfernt und durch frische Hohlfasern ersetzt werden können, indem die verbrauchte Patrone gegen eine neue Patrone ausgetauscht wird. Ferner kann das Hohlfaserbündel leicht gelagert und transportiert werden. Daher ergibt sich aus der Verwendung der Patrone ein wirtschaftlicher Vorteil.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation ist ein Packungsfaktor, der sich auf das Verhältnis, ausge drückt in Prozent, der Querschnittsflächen aller einzelnen Mischgasseparations-Hohlfasern in dem Bündel zur Querschnitts fläche des Bündels von Mischgasseparations-Hohlfasern bezieht, bevorzugt 30% oder mehr, noch bevorzugter 35 bis 50%.

Wenn ein Trägergas-Einleitungsrohr in den mittigen Teil des Hohlfaserbündels eingeführt ist, bestimmt sich die Quer schnittsfläche des Hohlfaserbündels unter Ausschluß der Quer schnittsfläche des in den mittigen Teil des Bündels eingeführ ten Trägergas-Einleitungsrohres. Wenn der Packungsfaktor klei ner ist als 30%, kann die Mischgas-Trennwirksamkeit des so erhaltenen Moduls ungenügend ausfallen.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation sind die Hohlfasern bevorzugt aus aromatischen Polyimiden gebildet, z. B. aus solchen, wie sie in der japanischen Offen legungsschrift Nr. 2-222 717 offenbart sind, die sehr gute Gastrenneigenschaften zeigen und ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln.

Hinsichtlich der Zusammensetzung des Mischgases bestehen keine Beschränkungen, vorausgesetzt, daß das Mischgas eine Gasfrak tion enthält, deren Permeabilität durch die Gastrennmembran weit höher ist als die der verbleibenden Gasfraktion. Bevorzugt ist die höhere Gaspermeabilität der Gasfraktion durch die Mischgas-Trennmembran das Hundertfache oder mehr der verblei benden Gasfraktion.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfaßt das Mischgas Wasser dampf und organische Substanz enthaltenden Dampf oder Luft. In dieser Ausführungsform kann der Wasserdampf aus dem Mischgas durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Mischgasseparations- Membranmoduls entfernt werden. Das heißt, das Gas oder die Luft, worin die organische Substanz enthalten ist, kann durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Mischgasseparations-Mem branmoduls entwässert werden.

Im Hinblick auf die thermische Beständigkeit der Mischgassepa rations-Hohlfasern und der erforderlichen Einrichtungen zur Er zeugung der organischen Substanz, hat das Mischgas bevorzugt eine Siedetemperatur von 0°C bis 200°C unter Umgebungsdruck. Das erfindungsgemäße Membranmodul und Verfahren zur Mischgas separation sind vorteilhaft anwendbar auf die Entwässerung von Ethylalkohol oder Isopropylalkohol, weil die Entwässerungswirk samkeit des erfindungsgemäßen Moduls und Verfahrens höher ist als die von herkömmlichen Einrichtungen und Verfahren zur Ent wässerung auf dem Wege der Destillation oder anderen Wegen. Isopropylalkohol findet breite Anwendung in der Halbleiterindu strie und in der chemischen Industrie. Das erfindungsgemäße Modul und Verfahren zum Entwässern können vorteilhaft in der Entwässerung und Reinigung von gebrauchtem, wasserhaltigem Iso propylalkohol Anwendung finden. Für das in dem erfindungsgemä ßen Modul und Verfahren verwendete Mischgas gilt, daß, je grö ßer das Verhältnis der Permeabilitäten durch die Mischgastrenn membran der aus dem Mischgas zu entfernenden Gasfraktion zur verbleibenden Gasfraktion, desto größer die Wirksamkeit, mit der Gasfraktionen voneinander getrennt werden können. Wenn das Permeabilitätsverhältnis kleiner ist als 100, kann das Mischgas möglicherweise nicht befriedigend getrennt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul und Verfahren zur Misch gasseparation ist das Trägergas nicht auf eine spezifische Sorte von Gas beschränkt, solange das Trägergas von einem Gas, welches durch Permeation aus dem Mischgas entfernt werden soll, frei ist oder das Trägergas das zu entfernende Gas in einer niedrigen Konzentration enthält, was bewirkt, daß der Par tialdruck des zu entfernenden Gases, welches in einem Gemisch aus permeiertem Gas/Trägergas an der Permeatseite des Mischgas separations-Membranmoduls enthalten ist, niedriger ist als der an der Nichtpermeatseite des Mischgasseparations-Membranmoduls. Beispielsweise kann Stickstoffgas oder Luft als Trägergas An wendung finden, wobei das Stickstoffgas für das erfindungsge mäße Membranmodul und Verfahren zur Mischgasseparation von Nut zen ist, weil das Stickstoffgas als nicht entflammbares Gas ge eignet ist, wenn das Mischgas organische Substanz enthaltendes Gas bzw. Dampf umfaßt, und weil es schwer von der Permeatseite zur Nichtpermeatseite durch die Mischgastrennmembran zurückper meiert. In dem Fall, wo ein organische Substanz enthaltender Dampf entwässert wird, wird bevorzugt ein inertes trockenes Gas, trockene Luft oder mit Stickstoff angereicherte Luft, her gestellt unter Verwendung einer Gastrennmembran, als Trägergas verwendet. Das inerte trockene Gas ist bevorzugt ein Stick stoffgas. Es ist auch möglich, einen Teil des nicht-permeierten Gases, welches durch Entfernen des zu entfernenden Gases mit dem erfindungsgemäßen Membranmodul oder Verfahren zur Mischgas separation erhalten wurde, zu dem Trägergaseinlaß zurückzufüh ren und als Trägergas zu verwenden.

Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul zur Mischgasseparation sind die Materialien zur Herstellung des zylindrischen Gehäuses und des Trägergas-Einleitungsrohres nicht auf bestimmte Mate rialien beschränkt, solange die Materialien die erforderliche Fähigkeit zur Gasabdichtung und Druckbeständigkeit aufweisen. Allgemein werden das zylindrische Gehäuse und das Trägergas- Einleitungsrohr (welches aufgeteilt sein kann in ein Rohrele ment, das in den Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas eingeführt ist, und ein weiteres Rohrelement, das in der Hohl faserbündel-Patrone angeordnet ist) aus metallischen Werkstof fen, Kunststoffmaterialien oder keramischen Werkstoffen herge stellt. Für das zu trennende Mischgas sind die Hohlfasern be vorzugt aus einem faserbildenden polymeren Material herge stellt, bei dem das Verhältnis der Gaspermeationsrate durch die Mantelbereiche der Hohlfasern für eine durch die Mantelbereiche permeierbare Gasfraktion zu einer verbleibenden, durch die Man telbereiche nicht permeierbaren Gasfraktion 100 oder mehr, noch bevorzugter 200 oder mehr, weiter bevorzugter 500 oder mehr be trägt. Wenn das Mischgas Wasserdampf als permeable Gasfraktion und einen organische Substanz enthaltenden Dampf als nichtper meable Gasfraktion umfaßt, zeigen die Hohlfasern für das Misch gas bevorzugt eine Permeabilität für Wasserdampf (P'H₂O) von 1 × 10^-5 cm³/cm².s.cmHg oder mehr, noch bevorzugter von ca. 5 × 10^-1 bis ca. 1 × 10^-4 cm³/cm².s.cmHg, weiter bevorzugt von ca. 0,5 bis ca. 5,0 × 10^-3 cm³/cm².s.cmHg, und ein Permeabili tätsverhältnis (P'H₂O)/(P'org) von Permeabilität für Wasser dampf (P'H₂O) zu Permeabilität für den organische Substanz ent haltenden Dampf (P'org) von 100 oder mehr. Die Hohlfasern sind bevorzugt ausgewählt aus aromatischen Polyimid-Hohlfasern, wel che die im vorstehenden genannten Gaspermeationseigenschaften zeigen. Die Hohlfasern können asymmetrische Hohlfasern sein, von denen jede eine innere poröse Schicht und eine äußere dichte Schicht umfaßt.

Wenn das Permeabilitätsverhältnis kleiner ist als 100, sind die Hohlfasern hinsichtlich ihrer Gastrenneigenschaften für das Mischgas unbefriedigend.

Die Hohlfasern weisen bevorzugt eine Manteldicke von 50 bis 20 µm und einen Außendurchmesser von 300 bis 800 µm auf.

Die erste und die zweite Hohlfaser-Haltescheibe sind bevorzugt von warmhärtbaren Harzen gebildet, die eine hohe Wärmebestän digkeit und hohe Beständigkeit gegenüber organischen Lösungs mitteln aufweisen, so z. B. Polyurethan-Harze, Phenolformalde hyd-Harze und Epoxidharze.

Das zylindrische Folienelement ist bevorzugt aus folienbilden den Materialien hergestellt, welche im wesentlichen nicht er lauben, daß das in das Modul eingespeiste Mischgas durch sie hindurchtritt, oder einen hohen Widerstand gegenüber Gaspermea tion aufweisen, beispielsweise Kunststoff-Folien wie Polyethy len-, Polypropylen-, Polyamid-, Polyester- und Polyimid-Folien, und Metallfolien wie Folien aus Edelstahl. Aus der Reihe der genannten Kunststoff- und Metallfolien sind Polyimid-Folien, die eine hohe thermische Beständigkeit, hohe Beständigkeit ge genüber organischen Lösungsmitteln und sehr gute Verarbeitbar keit aufweisen, mit Vorteil für die vorliegende Erfindung ver wendbar. Die Dicke des erfindungsgemäßen zylindrischen Folien elements unterliegt keinen Beschränkungen. Allgemein hat das zylindrische Folienelement bevorzugt eine Dicke von 20 µm bis 0,5 mm, noch bevorzugter 50 µm bis 0,1 mm.

Das zylindrische Folienelement bedeckt bevorzugt mindestens 70%, noch bevorzugter 85 bis 95% der Gesamtumfangsfläche des Hohlfaserbündels.

Bei einer Ausführungsform des Moduls ist das zylindrische Folienelement an einem seiner Enden mit der zweiten Hohlfaser- Haltescheibe fest verbunden. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Ende des zylindrischen Folienelements an einem Fixier element befestigt, welches von der inneren Umfangsfläche des mittleren Bereichs des zylindrischen Gehäuses nach innen vor steht und bevorzugt in der Nähe des Trägergaseinlasses angeord net ist.

Das zylindrische Folienelement trägt dazu bei, einen zu dem Fluß des Mischgases in den hohlen Bereichen der Hohlfasern gegenläufigen Fluß des mit dem permeierten Gas gemischten Trä gergases zu begünstigen und zu verhindern, daß das in den mitt leren Bereich eingeleitete Trägergas im Kurzschluß zur Aus trittsöffnung für permeiertes Gas gelangt. Die aus dem Hohlfa serbündel mit der ersten und der zweiten Hohlfaser-Haltescheibe und dem zylindrischen Folienelement gebildete Anordnung kann nach folgender Vorgehensweise hergestellt werden.

Ein Bündel aus einer Mehrzahl von Hohlfasern wird mit einer Folie umhüllt, z. B. mit einer Polyesterfolie, und die zwei ein ander zugekehrten Kanten der Umhüllungsfolie werden miteinander verbunden, um ein zylindrisches Folienelement zu bilden. Die Endbereiche der Kombination von Hohlfaserbündel und zylindri schem Folienelement werden mit einem Klebharz, zum Beispiel einem Epoxidharz, derart verklebt, daß das Klebharz zwischen die Endbereiche der Hohlfasern dringt, um die Hohlfasern von einander zu beabstanden, und eine Scheibenform entsteht. Es wird eine erste und eine zweite Hohlfaser-Haltescheibe gebil det. Ein Endbereich des zylindrischen Folienelements wird mit der zweiten Scheibe fest verbunden. Der gegenüberliegende End bereich des Hohlfaserbündels wird mit dem Klebharz in der glei chen Weise gebunden wie im vorstehenden dargelegt, um eine erste Hohlfaser-Haltescheibe zu bilden. Das gegenüberliegende Ende des zylindrischen Folienelements ist von der ersten Scheibe beabstandet und wird nicht an der ersten Scheibe fixiert. Sodann werden die außenliegenden Flächenbereiche der ersten und zweiten Scheibe weggeschnitten, um sicherzustellen, daß die Enden der Hohlfasern nach außen offen sind.

Die resultierende Anordnung weist einen durchgehenden Raum zwi schen den Hohlfaser auf und ist mit der Außenseite über einen Spalt zwischen dem gegenüberliegenden, freien Ende des zylin drischen Folienelements und der ersten Hohlfaser-Haltescheibe verbunden.

Enthält das Modul ein Trägergas-Einleitungsrohr, so wird das Bündel von Hohlfasern um das Trägergas-Einleitungsrohr herum in gewünschter Dicke gebildet und mit der Folie bewickelt.

Die zweite Hohlfaser-Haltescheibe wird aus dem Klebharz in der Weise hergestellt, daß ein offener Endbereich des Trägergas- Einleitungsrohres durch die zweite Scheibe hindurch führt und gegen die Außenseite offen ist, während ein geschlossener End bereich des Rohres in die erste Scheibe eingeführt und von die ser gehalten wird.

Bei Verwendung der Hohlfaserbündel-Patrone, wie in Fig. 6A gezeigt, wird der Umfang der Patrone mit einem zylindrischen Abdeckelement bedeckt, welches bevorzugt aus einem Kunststoff material hergestellt ist, z. B. einem Polyethylen-, Polypropy len-, Polyamid-, Polyester- oder Polyimid-Kunststoffmaterial, oder aus einem Metall, zum Beispiel Edelstahl.

Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, wonach beim Einspeisen eines Mischgases, welches Wasserdampf und organische Substanz enthaltenden Dampf umfaßt, in ein erfindungsgemäßes Mischgas separations-Membranmodul mit Trägergas-Einleitungsrohr zu dem Zweck, den Wasserdampf aus dem Mischgas zu entfernen und den organische Substanz enthaltenden Dampf aufzufangen, ein Flüs sigkeitsgemisch 30, welche Wasser und eine flüchtige organische Substanz umfaßt, von einem Speicherbehälter 31 für das Flüssig keitsgemisch über eine Flüssigkeitspumpe 33 einem Verdampfer 32 mit einer Heizeinrichtung 32a zugeführt wird. In dem Verdamp fer 32 wird das Flüssigkeitsgemisch 30 durch die Heizeinrich tung 32a erhitzt und durch Verdampfen in ein Mischgas über führt, welches Wasserdampf und organische Substanz enthaltenden Dampf umfaßt. Das Einspeisen des Mischgases aus dem Verdamp fer 32 in ein Mischgasseparations-Membranmodul 34 kann gegebe nenfalls über einen Überhitzer 35 erfolgen, in dem das Mischgas auf eine Temperatur überhitzt wird, bei der der Wasserdampf und der organische Substanz enthaltende Dampf nicht kondensieren. Das überhitzte Mischgas gelangt über eine Mischgas-Eintritts öffnung 2a in einen Mischgas-Eintrittsbereich 2, wird gleichmä ßig in die hohlen Bereiche der Hohlfasern 6 verteilt und durch die hohlen Bereiche der Hohlfasern passieren gelassen, wobei der Wasserdampf-Fraktion in dem Mischgas erlaubt wird, durch die Mantelbereiche der Hohlfasern zu permeieren und in den zu sammenhängenden Raum 6a zwischen den Hohlfasern 6 einzudiffun dieren. Zur gleichen Zeit wird ein trockenes Trägergas, welches von Wasserdampf frei ist, in einer Heizeinrichtung 36 auf eine gewünschte Temperatur erhitzt und in ein Trägergas-Einleitungs rohr 9 des Mischgasseparations-Membranmoduls 34 eingespeist und wird dann über eine Mehrzahl von Öffnungen 10, die als Träger gaseinlaß dienen, in den zusammenhängenden Raum 6a zwischen den Hohlfasern eingeleitet. Das Trägergas durchströmt den zusammen hängenden Raum 6a im Gegenstrom zur Strömungsrichtung des Mischgases in den hohlen Bereichen der Hohlfasern und verdünnt den permeierten, in den zusammenhängenden Raum zwischen den Hohlfasern eindiffundierten Wasserdampf, um den Partialdruck des Wasserdampfes an der Permeatseite der Membran zu erniedri gen und die Permeation des Wasserdampfes durch die Mantelberei che der Hohlfasern zu fördern. Der mit dem Trägergas verdünnte Wasserdampf durchströmt den von dem zylindrischen Folienele ment 11 umschlossenen zusammenhängenden Raum und wird über eine Austrittsöffnung für permeiertes Gas ausgebracht.

Ein nicht-permeierter, organische Substanz enthaltender Dampf wird aus den hohlen Bereichen der Hohlfasern 6 über einen Aus trittsbereich 3 für nicht-permeiertes Gas aufgefangen und über eine Austrittsöffnung 3a für nicht-permeiertes Gas ausgebracht.

Das aus dem Modul 34 ausgebrachte Wasserdampf-Trägergas-Gemisch wird in einem Kühler 37 gekühlt, um den Wasserdampf zu konden sieren und das Trägergas von dem kondensierten Wasser zu tren nen. Das kondensierte Wasser wird in einem Wasserbehälter 38 gespeichert, und das von dem kondensierten Wasser abgetrennte Trägergas wird über den Behälter, ein Ventil 39 und eine Va kuumpumpe 40 zurückgewonnen. Die Vakuumpumpe 40 wird verwendet, um den permeatseitigen Druck des Moduls 34 zu senken. Das Was ser in dem Behälter 38 kann über ein Ventil 41 abgelassen wer den.

Der aus dem Modul 34 ausgebrachte nicht-permeierte, organische Substanz enthaltende Dampf wird einem Kühler 42 zugeführt, in dem der nicht-permeierte, organische Substanz enthaltende Dampf kondensiert wird. Die kondensierte organische Substanz wird in einem Behälter 43 gespeichert und aus dem Behälter 43 über ein Ventil 44 abgezogen.

Das Mischgas wird bevorzugt bei einer Temperatur von 70°C oder mehr in das Mischgasseparations-Membranmodul eingespeist. Die Hohlfasern zeigen bevorzugt eine Durchlässigkeit für Wasser dampf (P'H₂O) von 1 × 10^-5 cm³/cm².s.cmHg oder mehr, und ein Permeabilitätsverhältnis (P'H₂O/P'org) von 100 oder mehr.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wonach ein Mischgas durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Mischgasseparations-Mem branmoduls entwässert wird, wird das Wasserdampf enthaltende Mischgas in das Modul eingespeist, um das Mischgas zu veranlas sen, die hohlen Bereiche der Hohlfasern zu durchströmen, wäh rend der permeatseitige Druck des Moduls unter Verwendung einer Vakuumpumpe abgesenkt wird, um die Permeation des Wasserdampfes durch die Mantelbereiche der Hohlfasern zu fördern, während ein inertes trockenes Trägergas (zum Beispiel Stickstoffgas), das gegebenenfalls mit Hilfe einer Heizeinrichtung vorgewärmt wird, permeatseitig in das Modul eingespeist wird, um den permeierten Wasserdampf mit dem Trägergas zu verdünnen und die Permeation des Wasserdampfes durch die Mantelbereiche der Hohlfasern zu begünstigen.

Das nicht-permeierte Gas, welches den organische Substanz ent haltenden Dampf umfaßt, wird aus den hohlen Bereichen der Hohl fasern aufgefangen und aus dem Modul ausgebracht. Das nicht- permeierte Gas hat einen merklich verminderten Wassergehalt. Aus diesem Grund kann ein Teil des nicht-permeierten Gases in das Modul zurückgeführt und als Trägergas verwendet werden.

In dem in Fig. 7 gezeigten Verfahren wird der als nicht-permei ertes Gas aus dem Modul 34 abgezogene, organische Substanz ent haltende Dampf bevorzugt durch Abkühlen kondensiert, unter Ver wendung eines Kühlers 42, und die kondensierte, organische Sub stanz enthaltende Flüssigkeit wird in dem Flüssigkeitsbehäl ter 43 gespeichert. Ferner wird der durch die Mantelbereiche der Hohlfasern permeierte Wasserdampf mit dem Trägergas ver dünnt, und das Wasserdampf/Trägergas-Gemisch wird aus dem Modul 34 ausgebracht und mit Hilfe eines Kühlers 37 gekühlt, um den Wasserdampf zu kondensieren und das Trägergas von dem kon densierten Wasser zu trennen. Das kondensierte Wasser wird auf gefangen und in dem Behälter 38 gespeichert und von dem Behäl ter 38 aus dem Mischgasseparationssystem ausgebracht.

Das Flüssigkeitsgemisch für das Mischgas kann einer Reinigung unterworfen werden, bevor das Mischgas aus dem Flüssigkeits gemisch erzeugt wird, unter Anwendung mindestens einer reini genden Behandlung, die beispielsweise ausgewählt ist aus Be handlungen mit Ionenaustauscherharzen, Behandlungen durch Destillation und Behandlungen durch Filtration, um feste Parti kel, hochsiedende Substanzen und gelöste Metalle aus dem Flüs sigkeitsgemisch zu entfernen. Weiter kann, nachdem das nicht- permeierte Gas aus dem Modul 34 abgezogen und mit Hilfe des Kühlers 42 kondensiert (verflüssigt) wurde, das kondensierte Produkt gegebenenfalls einer Reinigungsbehandlung unterworfen werden, die beispielsweise auswählt ist aus Behandlungen mit Ionenaustauscherharzen, Behandlungen durch Destillation und Be handlungen durch Filtration, um feste Teilchen, hochsiedende Verunreinigungen und gelöste Metalle aus dem kondensierten Pro dukt zu entfernen.

Für die Behandlungen mit Ionenaustauscherharzen wird, wenn die Verunreinigungen anionisch sind, ein Anionenaustauscherharz verwendet und, wenn die Verunreinigungen kationisch sind, ein Kationenaustauscherharz. Weiter, wenn die Verunreinigungen so wohl anionische Substanzen wie auch kationische Substanzen um fassen, kommt bevorzugt eine Mischbett-Ionenaustauschersäule zur Verwendung, in der eine Mischung aus einem Anionenharz und einem Kationenharz in einem bestimmten Mischungsverhältnis ver wendet wird.

Für die Behandlung durch Destillation ist die Destillations kolonne bevorzugt mit einem Rückflußkühler ausgestattet, der nahe beim Kopf der Destillationskolonne angeordnet ist. Der Rückflußkühler trägt dazu bei, die Reinigungswirkung des destillativen Reinigungsvorgangs zu verbessern.

Für die Filtrationsbehandlung wird bevorzugt ein System zur Partikelabscheidung verwendet.

BEISPIELE

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele noch näher erläutert.

Beispiel 1

Bezugnehmend auf Fig. 7, welche ein Mischgasseparationssystem zeigt, wurde ein Mischgas hergestellt, indem ein Flüssigkeits gemisch, umfassend 95,13 Gew.-% Isopropylalkohol und 4,87 Gew.-% Wasser aus einem Speicherbehälter 31 über eine Flüssigkeitspumpe 33 in einen Verdampfer 32 eingeführt wurde. In dem Verdampfer 32 verdampft das Flüssigkeitsgemisch unter dem Einfluß der Wärme einer Heizeinrichtung 32a; das resultie rende Mischgas wurde mit Hilfe eines Überhitzers 35 auf eine Temperatur von 120°C überhitzt; und das überhitzte Mischgas wird in ein Mischgasseparations-Membranmodul 34 eingespeist. Das Membranmodul 34 enthält ein Bündel aromatische Polyimid- Hohlfasern, welche eine Gesamt-Gaspermeationsfläche von 1,9 m² aufweisen und eine Durchlässigkeit für Wasserdampf (P'H₂O) von 1,0 × 10^-3 cm³/cm².s.cmHg und eine Durchlässigkeit für Isopro pylalkohol-Dampf (P'org) von 3,3 × 10^-7 cm³/cm².s.cmHg zeigen, unter der Voraussetzung, daß ein 10 Gew.-% Wasserdampf und 90 Gew.-% Isopropylalkohol-Dampf enthaltendes Mischgas in das Modul bei einer Temperatur von 130°C unter einem Druck von 2 kg/cm²G eingespeist wird und der permeatseitige Druck des Moduls auf 4 mmHg abgesenkt wird. Die Hohlfasern hatten eine asymmetrische Struktur, aufgebaut aus einer inneren porösen Schicht und einer äußeren dichten Schicht.

In dem Modul 34 wurde das überhitzte Mischgas über eine Misch gas-Eintrittsöffnung 2a in einen Mischgas-Eintrittsbereich 2 eingespeist, um das Mischgas durch die hohlen Bereiche der Hohlfasern in Richtung des Austrittsbereichs 3 für nicht-per meiertes Gas strömen zu lassen, während selektiv die Wasser dampffraktion in dem Mischgas durch die Mantelbereiche der Hohlfasern 6 hindurchtreten gelassen wurde. Gleichzeitig wurde ein trockenes Stickstoffgas in einer Heizeinrichtung 36 auf eine Temperatur von 120°C gebracht und in ein Trägergas-Ein leitungsrohr 9 eingespeist. Das Trägergas wurde in den zwischen den Hohlfasern 6 geschaffenen und von einem zylindrischen Polyimid-Folienelement 11 umschlossenen zusammenhängenden Raum 6a über eine Mehrzahl von in dem Rohr 9 ausgebildeten Öffnungen eingeführt. Das eingeführte Trägergas durchströmt den zusammenhängenden Raum 6a im wesentlichen längs der asymmetri schen Hohlfaser, wobei der permeierte Wasserdampf, der in den zusammenhängenden Raum 6a auf der Permeatseite des Moduls 34 eindiffundiert, verdünnt wird. Der permeatseitige Druck des Moduls 34 wurde mit einer Ejektor-Vakuumeinrichtung 40 auf 100 mmHg gesenkt.

Das Gemisch aus Trägergas/permeiertem Wasserdampf wurde aus dem Modul 34 über eine Austrittsöffnung 5 für permeiertes Gas aus gebracht und mittels eines Kühlers 37 auf eine Temperatur von 20°C gekühlt, um den Wasserdampf zu kondensieren und das Trä ger-(Stickstoff-)Gas von dem kondensierten Wasser zu trennen. Das kondensierte Wasser wurde in dem Behälter 38 gespeichert, und das abgetrennte Träger-(Stickstoff-)Gas wurde über eine Vakuumpumpe 40 von dem Behälter 38 zur Außenseite des Systems abgeführt. Ferner wurde das nicht-permeierte Gas (Isopropylalkohol-Dampf mit einem verminderten Wassergehalt) aus dem Modul 34 über eine Austrittsöffnung 3a für nicht-per meiertes Gas abgeführt und mit Hilfe eines Kühlers 42 gekühlt. Der kondensierte Isopropylalkohol wurde in einem Produktbehäl ter 43 gespeichert.

Die Bedingungen dar Entwässerung und das Ergebnis des im vor stehenden beschriebenen Verfahrens zeigt Tabelle 1.

Vergleichsbeispiel 1

Es wurde das gleiche Entwässerungsverfahren wie in Beispiel 1 angewendet, unter Verwendung desselben Mischgasseparations systems wie in Beispiel 1, ausgenommen, daß das zylindrische Gehäuse keinen Trägergaseinlaß aufwies und somit kein Trägergas in das Modul eingespeist wurde, kein zylindrisches Folienele ment um das Hohlfaserbündel angeordnet war und die Mischgas- Trennbedingungen den in Tabelle 1 aufgezeigten entsprachen.

Das Ergebnis der Entwässerung zeigt Tabelle 1.

Vergleichsbeispiel 2

Es wurde das gleiche Entwässerungsverfahren wie in Beispiel 1 angewendet, unter Verwendung desselben Mischgasseparations systems wie in Beispiel 1, ausgenommen, daß das zylindrische Gehäuse keinen Trägergaseinlaß hatte und daher kein Trägergas in das Modul eingespeist wurde, und die Mischgas-Trennbedingun gen den in Tabelle 1 aufgeführten entsprachen.

Das Ergebnis der Entwässerung zeigt Tabelle 1.

Vergleichsbeispiel 3

Es wurde das gleiche Entwässerungsverfahren wie in Beispiel 1 angewendet, unter Verwendung desselben Mischgasseparations systems wie in Beispiel 1, ausgenommen, daß kein zylindrischen Folienelement in dem Mischgasseparations-Membranmodul angeord net war und die Mischgas-Trennbedingungen den in Tabelle 1 genannten entsprachen.

Das Ergebnis der Entwässerung zeigt Tabelle 1.

Tabelle 1 zeigt, daß, wenn kein Trägergas verwendet wurde, das Vorhandensein des das Hohlfaserbündel umgebenden zylindrischen Folienelements im Hinblick auf eine Verstärkung des Entwässe rungseffekts im wesentlichen wirkungslos war. Bei dem erfin dungsgemäßen Membranmodul und Verfahren zur Mischgasseparation, wobei das zylindrische Folienelement um das Hohlfaserbündel herum angeordnet ist und ein Trägergas in den von dem zylindri schen Folienelement umschlossenen zusammenhängenden Raum einge speist wird, ist der Entwässerungseffekt auf das Mischgas sehr hoch, so daß in Beispiel 1 das resultierende nicht-permeierte Gas einen unerwartet niedrigen Wassergehalt hatte.

Die vorliegende Erfindung, welche das spezifische Membranmodul zur Mischgasseparation verwendet, ermöglicht es, das Mischgas mit hoher Wirksamkeit in bestandteilbildende Gasfraktionen zu trennen. Im besonderen kann ein trockener, organische Substanz enthaltener Dampf, der einen sehr hohen Trockenheitsgrad auf weist, d. h. einen äußerst geringen Wasserdampfgehalt, unter Verwendung eines kleinen Mischgasseparations-Membranmoduls mit einer relativ kleinen Membranfläche erhalten werden, und zwar mit hohem Wirkungsgrad, d. h. einer hohen Wasserdampf-Permeati onsrate je Permeationsflächeneinheit der Mischgas-Trennmembran.

Claims

1. Membranmodul zur Mischgasseparation, welches umfaßt:

1. ein zylindrisches Gehäuse, umfassend einen Misch gas-Eintrittsbereich mit einer Mischgas-Eintritts öffnung, einen Austrittsbereich für nicht-permeier tes Gas mit einer Austrittsöffnung für nicht-per meiertes Gas und einen mittleren Bereich, der zwi schen dem Mischgas-Eintrittsbereich und dem Aus trittsbereich für nicht-permeiertes Gas angeordnet ist und einen Trägergaseinlaß und eine Austritts öffnung für permeiertes Gas aufweist;
2. ein Bündel aus einer Mehrzahl von Mischgassepara tions-Hohlfasern, wobei jede Faser einen Mantel bereich und einen von dem Mantelbereich umschlosse nen hohlen Bereich umfaßt, sich durch den mittleren Bereich des zylindrischen Gehäuses erstreckt und einen Endbereich aufweist, der gegen den Mischgas- Eintrittsbereich offen ist, und einen gegenüberlie genden Endbereich, der gegen den Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas offen ist;
3. ein Paar Hohlfaser-Haltescheiben, umfassend eine erste Hohlfaser-Haltescheibe, welche die Endberei che der Hohlfasern, die gegen den Mischgas-Ein trittsbereich offen sind, hält und den mittleren Bereich von dem Mischgas-Eintrittsbereich trennt, und eine zweite Hohlfaser-Haltescheibe, welche die entgegengesetzten Endbereiche der Hohlfasern, die gegen den Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas offen sind, hält und den mittleren Bereich von dem Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas trennt,
wobei die erste und die zweite Hohlfaser-Halte scheibe die Hohlfasern in der Weise halten, daß die Hohlfasern im wesentlichen unabhängig voneinander sind, so daß ein zusammenhängender Raum zwischen den Hohlfasern bleibt; und
4. ein zylindrisches Folienelement, welches das Hohl faserbündel in dem Umfang umgibt, daß der zwischen den Hohlfasern geschaffene zusammenhängende Raum mit der Austrittsöffnung für permeiertes Gas des mittleren Bereichs verbunden ist,
wobei in dem mittleren Bereich die Austrittsöffnung für permeiertes Gas in der Nähe der ersten Hohlfa ser-Haltescheibe angeordnet ist und der Trägerga seinlaß in der Nähe oder in der zweiten Hohlfaser- Haltescheibe angeordnet ist, um das in den mittle ren Bereich durch den Trägergaseinlaß eingespeiste Trägergas durch den zwischen den Hohlfasern ge schaffenen und von dem zylindrischen Folienelement umschlossenen zusammenhängenden Raum gegenläufig zur Strömungsrichtung des Mischgases in den hohlen Bereichen der Hohlfasern strömen zu lassen.

2. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wobei das zylindrische Folienelement wenigstens 70% der Gesamt umfangsfläche des Hohlfaserbündels bedeckt.

3. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wobei ein Ende des zylindrischen Folienelements mit der zweiten Hohlfaser-Haltescheibe fest verbunden ist.

4. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wobei ein Ende des zylindrischen Folienelements mit einem Fixie relement fest verbunden ist, welches von der inneren Um fangsfläche des mittleren Bereichs des zylindrischen Ge häuses nach innen vorsteht.

5. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wobei die Mischgasseparations-Hohlfasern so angeordnet sind, daß mehrfache zylindrische Lagen gebildet werden, welche die Längsachse des zylindrischen Gehäuses umgeben,
wobei in jeder der zylindrischen Lagen die Hohlfasern oder Hohlfasergruppen einzeln oder in einer Gruppe von zwei oder mehr Hohlfasern im wesentlichen parallel zueinander und im wesentlichen unabhängig voneinander zwischen der ersten und zweiten Hohlfaser-Haltescheibe und in der zylindrischen Lage so verlaufen, daß von jedem Paar von einzelnen Hohlfasern oder Hohlfasergruppen, die benachbart zueinander an der ersten oder zweiten Hohlfaser-Halte scheibe angeordnet sind, eine der beiden einzelnen Hohl fasern oder Hohlfasergruppen in einer Richtung geneigt ist, bezogen auf die Längsachse des zylindrischen Gehäu ses, und die andere der beiden Hohlfasern oder Hohlfaser gruppen in der zu der vorgenannten Hohlfaser des Hohl faserpaares entgegengesetzten Richtung geneigt ist, bezo gen auf die Längsachse des zylindrischen Gehäuses, und
wobei der Neigungswinkel jeder der einzelnen Hohlfasern oder Hohlfasergruppen, ausgehend von einer parallel zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses gezogenen Geraden, an der Peripherie der zylindrischen Lage 5 bis 30 Grad beträgt.

6. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wel ches ferner ein Trägergas-Einleitungsrohr umfaßt, über das eine Trägergas-Versorgungsquelle durch die zweite Hohl faser-Haltescheibe mit einem im wesentlichen mittigen Teil des Hohlfaserbündels verbunden ist, wodurch das Trägergas von dem mittigen Teil durch den zwischen den Hohlfasern geschaffenen zusammenhängenden Raum in Richtung der Aus trittsöffnung für permeiertes Gas strömen kann.

7. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wobei ein Packungsfaktor, der sich auf das Verhältnis, ausgedrückt in Prozent, von Querschnittsflächensumme aller einzelnen Mischgasseparations-Hohlfasern in dem Bündel zu Querschnittsfläche des Bündels von Mischgasseparations- Hohlfasern bezieht, 30% oder mehr beträgt.

8. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 6, wobei das Trägergas-Einleitungsrohr in den mittigen Teil des Hohlfaserbündels eingeführt ist, und der eingeführte Be reich des Rohres ein geschlossenes Ende und eine Mehrzahl von Öffnungen in einem Bereich des Rohres in der Nähe der zweiten Hohlfaser-Haltescheibe aufweist, um das Trägergas in den mittleren Bereich des zylindrischen Gehäuses über die Öffnungen des Rohres einzubringen und durch den zwi schen den Hohlfasern geschaffenen zusammenhängenden Raum strömen zu lassen.

9. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 8, wobei ein Packungsfaktor, der sich auf das Verhältnis, ausge drückt in Prozent, von Querschnittsflächensumme aller ein zelnen Mischgasseparations-Hohlfasern in dem Bündel zu Querschnittsfläche des Bündels der Mischgasseparations- Hohlfasern unter Ausschluß der Querschnittsfläche des in den mittigen Teil des Hohlfaserbündels eingeführten Trä gergas-Einleitungsrohres bezieht, 30% oder mehr beträgt.

10. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wobei die Mischgasseparations-Hohlfasern aus aromatischen Poly imid-Hohlfasern ausgewählt sind.

11. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wobei die Mischgas-Eintrittsöffnung mit einer Versorgungsquelle für ein Mischgas verbunden ist, welches Wasserdampf und organische Substanz enthaltenden Dampf umfaßt, die Hohlfa sern aus aromatischen Polyimid-Hohlfasern ausgewählt sind; der Trägergaseinlaß mit einer Versorgungsquelle für ein Trägergas verbunden ist, welches ein trockenes Inertgas oder einen Teil der nicht-permeierten, über die Austritts öffnung für nicht-permeiertes Gas ausgebrachten Gasfrak tion umfaßt; die Austrittsöffnung für permeiertes Gas mit Druckabsenkungsmitteln verbunden ist, wodurch der Wasser dampf von dem organische Substanz enthaltenden Dampf durch die aromatischen Polyimid-Hohlfasern abgetrennt und als permeiertes Gas, zusammen mit dem Trägergas, ausgebracht wird, und der organische Substanz enthaltende Dampf mit einem verminderten Wasserdampfgehalt als nicht-permeiertes Gas aufgefangen wird.

12. Membranmodul zur Mischgasseparation nach Anspruch 1, wobei das zylindrische Gehäuse mindestens einen entfernbaren Endbereich aufweist und das Hohlfaserbündel und die erste und die zweite Hohlfaser-Haltescheibe und das zylindrische Folienelement so miteinander verbunden sind, daß eine aus wechselbare Patrone gebildet wird.

13. Verfahren zum Trennen eines Mischgases unter Verwendung des Membranmoduls zur Mischgasseparation nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend:
Einspeisen eines Mischgases, welches eine erste Gasfrak tion und eine zweite Gasfraktion umfaßt, in den Mischgas- Eintrittsbereich des zylindrischen Gehäuses über die Mischgas-Eintrittsöffnung, um das eingespeiste Mischgas durch die hohlen Bereiche der Hohlfasern strömen zu las sen, wobei die erste Gasfraktion eine Permeationsrate durch die Mantelbereiche der Hohlfasern im Verhältnis zu der der zweiten Gasfraktion von 100 oder mehr aufweist, um dadurch die erste Gasfraktion durch die Mantelbereiche der Hohlfasern permeieren zu lassen;
gleichzeitiges Einspeisen eines Trägergases in den mittle ren Bereich des zylindrischen Gehäuses über den Trägerga seinlaß, unter Absenkung des Druckes des mittleren Be reichs des zylindrischen Gehäuses, um das eingespeiste Trägergas durch den zwischen den Hohlfasern geschaffenen zusammenhängenden Raum in Richtung der Austrittsöffnung für permeiertes Gas strömen zu lassen und dabei zwangsläu fig die permeierte erste Gasfraktion mit dem Trägergas zu verdünnen;
Ausbringen der mit dem Trägergas verdünnten permeierten ersten Gasfraktion über die Austrittsöffnung für permeier tes Gas; und
Auffangen der nicht-permeierten zweiten Gasfraktion, wel che die hohlen Bereiche der Hohlfasern passiert und in dem Austrittsbereich für nicht-permeiertes Gas aufgenommen wird, über die Austrittsöffnung für nicht-permeiertes Gas.

14. Verfahren zur Mischgasseparation nach Anspruch 13, wobei das Mischgas als erste Gasfraktion Wasserdampf und als zweite Gasfraktion einen Dampf von wenigstens einer orga nischen Substanz mit einer Siedetemperatur von 0°C bis 200°C unter Umgebungsdruck umfaßt.

15. Verfahren zur Mischgasseparation nach Anspruch 14, wobei die organische Substanz der zweiten Gasfraktion Isopro pylalkohol umfaßt.

16. Verfahren zur Mischgasseparation nach Anspruch 13, wobei ein Teil der aufgefangenen nicht-permeierten zweiten Gas fraktion zu dem Trägergaseinlaß zurückgeführt und als Trä gergas verwendet wird.

17. Verfahren zur Mischgasseparation nach Anspruch 13, wobei das Trägergas Stickstoffgas umfaßt.

18. Verfahren zur Mischgasseparation nach Anspruch 13, wobei das Mischgas Wasserdampf als erste Gasfraktion und Isopro pylalkohol-Dampf als zweite Gasfraktion umfaßt; die Hohl fasern ausgewählt sind aus aromatischen Polyimid-Hohlfa sern; und das Trägergas ein trockenes Inertgas umfaßt, wo durch der Wasserdampf von dem Isopropylalkohol-Dampf durch die Mantelbereiche der aromatischen Polyimid-Hohlfasern abgetrennt wird und als permeiertes Gas, zusammen mit dem Trägergas, ausgebracht wird und der Isopropylalkohol-Dampf mit einem verminderten Wasserdampfgehalt als nicht-permei ertes Gas aufgefangen wird.

19. Verfahren zur Mischgasseparation nach Anspruch 13, welches ferner umfaßt, vor Herstellen des Mischgases aus einem entsprechenden Flüssigkeitsgemisch, das Flüssigkeitsge misch mindestens einer reinigenden Behandlung zu unterzie hen, ausgewählt aus der Gruppe, welche Behandlungen mit Ionenaustauscherharzen, Behandlungen durch Destillation und Behandlungen durch Filtration umfaßt.

20. Verfahren zur Mischgasseparation nach Anspruch 13, welches ferner umfaßt, die aufgefangene nicht-permeierte Gasfrak tion einem Verflüssigungsvorgang zu unterwerfen, gefolgt von wenigstens einer reinigenden Behandlung, ausgewählt aus der Gruppe, welche Behandlungen mit Ionenaustauscher harzen, Behandlungen durch Destillation und Behandlungen durch Filtration umfaßt.