DE102004007548A1

DE102004007548A1 - Verbessertes Verfahren zur Stofftrennung mittels Membranen

Info

Publication number: DE102004007548A1
Application number: DE102004007548A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Bitterlich; Hartwig Dr. Voss
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-01
Also published as: WO2005079960A1

Abstract

Verfahren zur Auftrennung eines Gemisches mittels mindestens zweier hintereinandergeschalteter Membranstufen, wobei man
a) das Gemisch als Feedstrom der ersten Membranstufe zuführt, dort ein im wesentlichen die Komponente A enthaltendes Gemisch als Permeat abzieht und das bezüglich der Komponente A verarmte restliche Gemisch als Retentat abzieht und
b) diesen Retentatstrom der ersten Membranstufe als neuen Feedstrom der zweiten Membranstufe zuführt, in welcher dieses aufgegebene Gemisch durch Abfuhr eines die Komponente A enthaltenden Permeatstromes so verändert wird, dass das als Retentatstrom aus der zweiten Membranstrufe abgezogene Gemisch in seiner Konzentration bezüglich der Komponente A noch weiter verringert wird, wobei
die zweite Membranstufe eine geringere Selektivität bezüglich der Komponente A aufweist als die erste Membranstufe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Auftrennung eines Gemisches mittels mindestens zweier hintereinandergeschalteter Membranstufen, wobei man das Gemisch als Feedstrom der ersten Membranstufe zuführt, dort ein im wesentlichen die Komponente A enthaltendes Gemisch als Permeat abzieht und das bezüglich der Komponente A verarmte restliche Gemisch als Retentat abzieht und diesen Retentatstrom der ersten Membranstufe als neuen Feedstrom der zweiten Membranstufe zuführt, in welcher dieses aufgegebene Gemisch durch Abfuhr eines die Komponente A enthaltenden Permeatstromes so verändert wird, dass das als Retentatstrom aus der zweiten Membranstufe abgezogene Gemisch in seiner Konzentration bezüglich der Komponente A noch weiter verringert wird.
Membranverfahren zur Auftrennung von Gemischen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, z.B. die Mikrofiltration die Ultra- und Nanofiltration, die Umkehrosmose, die Pervaporation und die Gas- bzw. Dampfpermeation. Bei praktisch allen Membranverfahren wird mindestens einem Membranapparat ein zu trennendes Gemisch (Feed) zugeführt, welches in dem Apparat in jeweils mindestens einen die Membran hindurch tretenden Strom (Permeat) und einen nicht durch die Membran hindurch tretenden Strom (Retentat) aufgetrennt wird.
Bei Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie bei der Umkehrosmose sind sowohl Feed- als auch Permeatstrom im wesentlichen flüssig (ggf. mit Beimengungen von Feststoffen).
Bei der Pervaporation wird die Membran mit einem flüssigen Feedgemisch beaufschlagt und es wird ein dampfförmiges Permeat abgezogen. Sie ist beispielsweise in M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1991, S 234 ff beschrieben.
Bei der Gaspermeation und bei der Dampfpermeation sind alle in den Membranapparat eintretenden und ihn verlassenden Ströme gas- bzw. dampfförmig Erläuterungen dazu finden sich in M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1991, S.221 ff.
Häufig werden Membrantrennverfahren herangezogen, wenn es darum geht, aus einem Gemisch, welche eine Komponente A enthält, diese möglichst selektiv bis zu einer vorgegebenen Restkonzentration zu entfernen. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, weil alle anderen, im Gemisch enthaltenen Komponenten Wertstoffe sind und möglichst rein zurückgewonnen werden sollen, oder weil die Komponente A ihrerseits für eine Weiterverwendung aus dem Gemisch möglichst rein erhalten werden soll.
Bei den verwendeten Membranen kann es sich um solche handeln, die nach dem sogenannten Lösungs-Diffusions-Mechanismus funktionieren, d.h. die Komponenten lösen sich in der Membran, z.B. einem Polymerfilm, diffundieren hindurch und desorbieren auf der anderen Seite wieder. Es kann sich aber beispielsweise auch um meso- oder mikroporöse Membranen handeln, bei denen an Stelle der Lösung eine Adsorption auf der Innenseite der Poren, gefolgt von einer Oberflächendiffusion in den Poren stattfindet, oder um eine poröse Membran, die mittels Knudsen-Diffusion trennt, oder auch um eine Membran, die nach dem einfachen Größenausschluss (Siebeffekt) funktioniert. Erläuterungen dazu finden sich in M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1991, Kap. V.
Gernerell findet die Auftrennung des als Feedstrom der Membran zugeführten Gemisches dadurch statt, dass die Durchlässigkeit der Membran für die Komponenten unterschiedlich groß ist, dass diese also – in anderen Worten – eine Selektivität aufweist. Für die Selektivität der Membran sind je nach Art des Membranverfahrens unterschiedliche Maßzahlen gebräuchlich.
Im Fall der Pervaporation sowie der Dampf- und Gaspermeation wird häufig als Maß für die Selektivität die sog. Permselektivität angegeben. Die Permselektivität ist definiert als der Quotient der Permeanzen zweier Komponenten, wobei üblicherweise die höhere Permeanz in den Zähler geschrieben wird, so dass die Permselektivität > 1 ist. Die Permeanz wiederum ist definiert als der lokale flächenspezifische Fluss einer bestimmten Komponente, geteilt durch die lokale transmembrane Differenz der Partialdrücke dieser Komponente (auf Feed- bzw. Permeatseite) bzw. die Fugazitäten dieser Komponente. Im Falle der Pervaporation kann die Permeanz ermittelt werden, indem für die Fugazität der Komponente deren Gleichgewichts-Dampfdruck bei der gegebenen Temperatur eingesetzt wird.
Die Permselektivität als ist als Maßzahl auch für Mischungen mit mehr als zwei Komponenten aussagekräftig, sofern entweder die beiden berücksichtigten Komponenten bei weitem den Hauptanteil der Mischung darstellen (Beispiel: Sauerstoff-Abtrennung aus Luft) oder für die Trennaufgabe ein bestimmtes Komponentenpaar kritisch ist.
Im Falle der Pervaporation ist als Maß für die Selektivität der sog. Trennfaktor α verbreiteter der wie folgt definiert ist: α = (XA/XB)/(YA/YB)mit

X_i: = lokaler Molen- oder Massenbruch der Komponente i im Feed,
Y_i: = lokaler Molen- oder Massenbruch der Komponente i im Permeat.

Bei Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie bei der Umkehrosmose ist die gebräuchliche Maßzahl für die Selektivität die sog. Rückhaltung R, die wie folgt definiert ist: R = 1 – cB,P/CB,R wobei c_B,P und C_B,R die Konzentrationen der Komponente B im Permeat und Retentat sind.
Für die Bestimmung dieser Selektivität müssen unabhängig von der Wahl der Maßzahl für die Selektivität bestimmte Vorgaben erfüllt sein. So muss, wie dem Fachmann bekannt, die Überströmung der Membran definiert durch die Reynolds-Zahl hinreichend groß sein und die abgezogene Permeatmenge muss so klein sein, dass die Zusammensetzung des Retentats sich nicht wesentlich von der des Feeds unterscheidet, damit die Selektivität als nur von der Membran und nicht vom Membranapparat abhängige Größe bestimmt wird.
Die für die Bestimmung der Selektivitäten zu verwendenden Apparate und Versuchsbedingungen sind dem Fachmann an sich bekannt.
Für den Fall, dass die Permselektivität oder der Trennfaktor gemäß den o.g. Definitionen größer als 1 ist, trennt die Membran selektiv die Komponente A mittels des Permeatstromes aus dem Gemisch ab. Für Selektivitätswerte kleiner als 1 verschieben sich die Anteile im Permeatstrom entsprechend hin zur Komponente B.
Generell wird die Selektivität durch die Wahl des Membranmaterials, der Art und der Zusammensetzung der zu trennenden Komponenten sowie Druck und Temperatur beeinflusst.
Sofern höhere Abreicherungsraten aus dem Gemisch hinsichtlich der Komponente A erforderlich sind, erweist sich eine Auftrennung mittels lediglich einer Membranstufe häufig als nicht wirtschaftlich.
Welche Trennung mit dem Membranverfahren tatsächlich erzielt wird, d.h. welche Konzentrationen bzw. Reinheiten in den das Verfahren verlassenden Strömen erreicht werden, hängt nicht allein von den Membraneigenschaften, sondern auch vom Aufbau des Verfahrens und den in diesem eingestellten Prozessparametern ab.
Im allgemeinen enthält ein Membranverfahren mindestens eine Membranstufe.
Dabei bezeichnet der Begriff Membranstufe eine Membraneinheit, bestehend aus einem oder mehreren Membranapparaten, innerhalb derer erstens nur eine Membranart enthalten ist und zweitens Feed- und Permeatseite jeweils zusammenhängende, weder durch Druckerhöhungseinrichtungen noch durch Membranen unterteilte Räume darstellen.
Eine Membranstufe kann z.B. aus einem einzelnen Membranapparat bestehen, wie sie dem Fachmann bekannt sind, also z.B. Apparate, die Membranen in Form von Flach-, Rohr-, Kapillar-, Kissen- oder Spiralwickelmodulen enthalten. Sie kann aber auch mehrere parallel und/oder hintereinander geschaltete Einzelapparate enthalten.
Falls sie mehrere Membranapparate aufweist, können die der Membranstufe zuzurechnenden Membranapparate parallel von der jeweiligen Feedmischung angeströmt werden. (oder die aus einem Membranapparat oder mehreren parallel geschalteten Membranapparaten austretende Retentatmischung als Feed in einen Membranapparat oder mehrere parallel geschaltete Membranapparate geführt wird, was im Prinzip innerhalb einer Membranstufe beliebig oft, in der Praxis aber, bedingt durch den dabei auftretenden Druckverlust, wirtschaftlich maximal ca. 10 mal wiederholt werden kann.
Sofern einerseits höhere Abreicherungsraten aus dem Gemisch hinsichtlich der leichter permeierenden Komponente A erforderlich sind und andererseits entweder für mindestens einen Teil des anfallenden Permeats eine Mindestkonzentration für A oder für die Komponente B im Retentat eine Mindestmenge (Ausbeute) festgelegt ist, erweist sich häufig eine Auftrennung mittels lediglich einer Membranstufe als nicht wirtschaftlich. In diesem Fall ist eine zweistufige Anordnung vorteilhaft, bei der das Retentat aus der ersten Membranstufe in eine zweite Membranstufe geführt wird. Das dort anfallende Permeat kann, wenn die wirtschaftlichen, technischen und gesetzlichen Rahmenbedingungen es zulassen, verworfen, also z.B. einem Abgas- oder Abwasserstrom zugeführt, werden; es kann aber auch zwecks Rückgewinnung wertvoller Komponenten vor die erste Membranstufe zurück geführt werden. Derartige Anordnungen sind z.B. beschrieben in M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1991, S. 323. Es sind natürlich prinzipiell auch Anordnungen mit mehr als zwei Membranstufen möglich.
Es bleibt aber auch bei zwei- oder mehrstufigen Anordnungen das Problem, dass bei geringen Konzentrationen an A, die besonders in der zweiten bzw. den letzten Membranstufen der zwei- bzw. mehrstufigen Anordnung gegeben sind, die Triebkraft für die Permeation (allgemein ausgedrückt durch die Differenz der Chemischen Potenziale beidseitig der Membran) von A sehr klein wird, was, wie allgemein bekannt, zu einem geringen Partialfluss von A und somit, bei gegebenem Abreicherungsziel, zu einem hohen Bedarf an Membranfläche führt. Dieser hohe Bedarf an Membranfläche macht das Verfahren verfahrenstechnisch aufwendig und wenig effektiv.
Es stellte sich somit die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zu finden, welches den genannten Nachteilen abhilft und welches eine effektive Auftrennung bei geringer Membranfläche in verfahrenstechnisch einfacher und effektiver Art und Weise ermöglicht. Demgemäß wurde ein Verfahren zur Auftrennung eines Gemisches mittels mindestens zweier hintereinandergeschalteter Membranstufen gefunden, wobei man

a) das Gemisch als Feedstrom der ersten Membranstufe zuführt, dort ein im wesentlichen die Komponente A enthaltendes Gemisch als Permeat abzieht und das bezüglich der Komponente A verarmte restliche Gemisch als Retentat abzieht und
b) diesen Retentatstrom der ersten Membranstufe als neuen Feedstrom der zweiten Membranstufe zuführt, in welcher dieses aufgegebene Gemisch durch Abfuhr eines die Komponente A enthaltenden Permeatstromes so verändert wird, dass das als Retentatstrom aus der zweiten Membranstufe abgezogene Gemisch in seiner Konzentration bezüglich der Komponente A noch weiter verringert wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass

Bisher wurden mehrstufige Membrantrennverfahren so betrieben, dass die Selektivität hinsichtlich der abzutrennenden Komponente A bei den Membranstufen gleich war, dies ist beispielsweise in McCandless, Sep.Sci.Technol. 31 (1996) 729 ff. beschrieben.
Motivation hierbei war, dass ja gerade die Komponente A möglichst vollständig aus dem Gemisch abgezogen bzw. als möglichst reiner Permeatstrom entnommen werden sollte. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens, bei welchem die nachgeschaltete Membranstufe eine im Vergleich zur vorgehenden Membranstufe geringere Selektivität hinsichtlich der Komponente A aufweist (aufweisen), verringert sich zwar naturgemäß die Konzentration der Komponente A im Permeat der nachgeschaltete Membranstufe gegenüber einer dem Stand der Technik entsprechenden Anordnung, bei der anstelle der erfindungsgemäßen Anordnung entweder eine einzige Membranstufe steht oder die nachgeschaltete Membranstufe die gleiche Membranart wie die erste Membranstufe enthält, vorausgesetzt, dass entweder die Retentat-Endkonzentration oder die Membranfläche in beiden Fällen gleich sind. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hierbei , dass, die Komponente A, sofern ihre Permeanz mindestens gleich groß ist wie in der ersten Membranstufe, bei gleicher Membranfläche stärker abgereichert wird, oder dass bei gegebener Konzentration an A in der zweiten Membranstufe weniger Membranfläche benötigt wird als wenn man in der zweiten Membranstufe eine Membran mit gleicher oder höherer Selektivität für A einsetzt. Es lassen sich somit vorteilhafterweise höhere Endreinheiten in dem Gemisch bezüglich der Komponente A erreichen oder bei vorgegebenem Reinheitsgrad kann die benötigte Membranfläche verringert werden.
Die Werte für Permselektivität oder Trennfaktor der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Membranen liegen hinsichtlich der Komponente A generell über 1, da eine Abreicherung dieser Komponente erwünscht ist. Üblicherweise liegen die Selektivitätswerte in einem Bereich von etwa 1,5 bis 10000, bevorzugt 2 bis 5000, besonders bevorzugt 2 bis 1000. Die jeweiligen konkreten Zahlenwerte werden von der vorgegebenen Trennaufgabe (eingesetzte Membran, enthaltene Komponenten, verfahrenstechnische Parameter) beeinflusst. Die erfindungsgemäße Verringerung der Selektivität der nachgeschalteten, zweiten Membranstufe bewirkt man durch Auswahl entsprechender Membranen. Die Auswahl erfolgt dabei aufgrund von allgemein zugänglichen Selektivitätsdaten von erhältlichen Membranen. Bei Bedarf können die benötigten Selektivitätsdaten auch aufgrund von Messungen mit dem zu trennenden Stoffgemisch vom Fachmann ermittelt werden.
Üblicherweise verringert man die Selektivität der in der zweiten Stufe enthaltenen Membranart hinsichtlich der Komponente A auf maximal 80 % bezogen auf die Selektivität in der vorgeschalteten Membranstufe, bevorzugt auf etwa 50 % der Selektivität, welche die in der ersten Membranstufe verwendete Membranart bezüglich der Komponente A aufweist.
Im Fall eines zweistufigen Membranverfahrens kann das bei der zweiten Membranstufe anfallende Permeat, wenn die wirtschaftlichen, technischen und gesetzlichen Rahmenbedingungen es zulassen, verworfen, also z.B. einem Abgas- oder Abwasserstrom zugeführt, werden; es kann aber auch zwecks Rückgewinnung wertvoller Komponenten vor die erste Membranstufe zurück geführt werden. Es können sich auch Anordnungen mit mehr als zwei Membranstufen besonders empfehlen. Die konkrete Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von der jeweiligen Trennaufgabe beeinflusst. Im Fall der Verwendung von mehr als zwei Membranstufen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es sich bei der ersten Membranstufe, welche im Vergleich zur zweiten, nachgeschalteten Membranstufe eine Membran mit höherer Selektivität bezüglich der Komponente A enthält, auch um die zweite, dritte oder vierte Stufe bezogen auf das gesamte Trennverfahren handeln. Wesentlich ist, dass die einer betrachteten („ersten") Membranstufe nachgeschaltete („zweite") Membranstufe hinsichtlich der Selektivität verringert wird.
Es kann unter bestimmten Voraussetzungen vorteilhaft sein, mindestens einen der Permeat- bzw. Retentatströme weiteren an sich bekannten Trennoperationen zu unterwerfen wie z.B. Destillation, Extraktion, Adsorption, Absorption, Kristallisation oder mindestens einem weiteren Membrantrennschritt. Im letztgenannten Fall kann eine Membranart eingesetzt werden, wie sie in dem vorgeschalteten, erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird. Es kann sich aber auch besonders empfehlen, eine andere Membranart zu verwenden, z.B. eine Membranart, welche sich hinsichtlich ihrer Selektivität von den vorgeschalteten, erfindungsgemäß ausgestalteten Membranen unterscheidet. Diese Unterscheidung hinsichtlich der Selektivität kann auch so zu verstehen sein, dass die nachgeschaltete Membran eine Selektivität für mindestens eine der außer der Komponente A in der Ausgangsmischung vorhandenen Komponenten aufweist, wobei die hier betrachtete Selektivität ebenfalls im Sinne der oben gegebenen Definition zu verstehen ist. Dies Verschaltung kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass ein aus dem erfindungsgemäßen Verfahren als Permeatstrom (vorzugsweise das Permeat aus der ersten Membranstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens) ausgeschleuster, im wesentlichen die Komponente A enthaltender Strom einer Membranstufe zugeführt wird, welche eine oder mehrere Membranen aufweist, deren Permselektivität bzw. Trennfaktor hinsichtlich der Komponente A nun kleiner als 1 ist und für eine weitere, enthaltene Komponente B größer als 1 ist, d.h. anteilig wird an dieser Stelle nun bevorzugt die Komponente B als neuer Permeatstrom abgezogen und das restliche Gemisch verlässt als Retentat diese Membranstufe in höherer Konzentration bezogen auf die Komponente A. Das Permeat aus dem letztgenannten Schritt wird z.B. vor die erste oder zweite Membranstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens zurück geführt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 1 dargestellt. Sie weist zwei erfindungsgemäße Membranstufen (I) und (II) auf und das Permeat aus der zweiten Membranstufe (II) wird über Leitung (4) auf eine weitere, dritte Membranstufe (III) geführt. Diese dritte Membranstufe weist die gleiche Membranart wie die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf und besitzt somit die gleiche Selektivität hinsichtlich der Komponente A wie die erste Membranstufe. Das Retentat aus der dritten Membranstufe wird vor die erste Membranstufe geführt.
Die in den erfindungsgemäßen Membranapparaten eingesetzten Membranen können aus einer Vielzahl dem Fachmann bekannter geeigneter Materialien wie Polymere, Kohlenstoff, Metall oder Keramik oder auch aus Kompositen der Materialien gefertigt sein.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen bei Membranverfahren, die nach dem Prinzip der Pervaporation, der Dampfpermeation oder der Gaspermeation arbeiten, wobei die jeweils üblichen und in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschriebenen Prozessbedingungen eingestellt werden können.
Anwendungen sind hier beispielweise die Entwässerung von Luft oder von organischen Komponenten bzw. Gemischen (z.B. Absolutierung von organischen Lösungsmitteln wie z.B. Ethanol), die Entfernung von organischen Komponenten aus Gas- oder Was serströmen wie oder die Trennung von Gasgemischen wie z.B. die Abtrennung von Sauergasen aus Erd- oder Biogas, die Luftzerlegung oder die Abtrennung von Wasserstoff aus Prozessgassströmen. So lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft einsetzen z.B. für die Rückgewinnung von Wasserstoff, Ethylen oder Propylen aus Purgegasströmen, die in chemischen oder petrochemischen Prozessen anfallen (z.B. Herstellprozesse für Ammoniak, Ethylenoxid oder Polyolefinen). Es kann aber auch eingesetzt werden für die Auftrennung von Edukt- oder Produktströmen wie z.B. bei der Auftrennung von Mischungen aromatischer und nichtaromatischer Kohlenwasserstoffe, von Olefin/Alkan-Gemischen oder Mischungen linearer und verzweigter Kohlenwasserstoffe, in allen drei genannten Fällen bevorzugt von Gemischen, bei denen die zu trennenden Kohlenwasserstoffe die gleiche Anzahl von Kohlenstoffatomen je Molekül aufweisen.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise angewendet, dass das in der zweiten und/oder dritten und/oder vierten etc. Stufe anfallende Permeat vor mindestens eine vorhergehende Membranstufe zurück geführt wird, so muss der Zustand des jeweiligen Permeats in geeigneter Weise konditioniert werden; d.h. im Falle der Pervaporation muss das Permeat kondensiert und mittels einer Pumpe auf einen Druck größer oder gleich dem Eingangsdruck an der Stelle, an die zurück geführt wird, gebracht werden. Gleiches gilt für die Dampfpermeation; hier ist zu beachten, dass die Rückführung des kondensierten Permeats vor den der Membranstufe vorgeschalteten Verdampfer erfolgen sollte.
Im Falle der Gaspermeation muss das Permeat mittels eines Verdichters auf einen Druck größer oder gleich dem Eingangsdruck an der Stelle, an die zurück geführt wird, gebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine verfahrenstechnisch einfache und effektive Möglichkeit der Auftrennung von Gemischen. Hierbei können relativ hohe Reinheiten bei niedrigen Membranflächen erzielt werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die nachfolgenden Beispiele veranschaulicht.
Alle genannten Beispiele beziehen sich auf die Trennung eines binären Gemischs mittels Gaspermeation.
Die hierbei ermittelten Werte und errechneten Größen finden ihre Definitionen in den Ausführungen von „M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1991, S. 223 wieder, welche auf den folgenden Grundgleichungen basieren: ji = Qi(xi,RpR – xi,PpP) xi,P = ji/(ja + jb)mit

j_i: = lokaler flächenspezifischer Fluss der Komponente i,
Q_i: = const. = Permeanz der Komponente i, (i = a oder b)
x: = lokaler Molenbruch,
p: = Druck,

a, b: = Komponente a bzw. b
R: = Retentatseite
P: = Permeatseite.

Beispiel 1:
Es wird eine Verschaltung von zwei Membranstufen gem. 2 untersucht.
Vom Ausgangsgemisch 1, das 20 Mol-% der leichtpermeierenden Komponente A enthält, wird in zwei aufeinander folgenden Membranstufen Permeat abgetrennt.
Die Anlage wird so ausgelegt und betrieben, dass das Permeat aus der erste Stufe 60 Mol-% und das Retentat aus der zweiten Stufe 1 Mol-% A enthält.
In der nachfolgenden Tabelle sind die wesentlichen Auslegungs- und Prozessdaten aufgelistet für zwei Fälle, wobei Fall 1 das Vergleichsbeispiel und Fall 2 ein erfindungsgemäßes Beispiel darstellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren (Fall 2) wird die Selektivität (hier Permselektivität genannt) in der zweiten Stufe gegenüber dem Vergleichsbeispiel von 25 auf 10 verringert. Um die gleiche, gewünschte Reinheit des Retentatsroms von 1 Mol-% an A zu erhalten, wird eine deutlich geringere Membranfläche 23,6 m² statt 39,5 m² benötigt.
Beispiel 2:
Es wird eine Verschaltung von zwei Membranstufen gem. 3 untersucht.
Vom Ausgangsgemisch 1, das 20 Mol-% der leichtpermeierenden Komponente A enthält, wird in zwei aufeinander folgenden Membranstufen Permeat abgetrennt, das Permeat aus der zweiten Stufe wird vor die erste Stufe zurück geführt.
Die Anlage wird so ausgelegt und betrieben, dass das Permeat aus der erste Stufe 70 Mol-% und das Retentat aus der zweiten Stufe 1 Mol-% A enthält.
In der nachfolgenden Tabelle sind die wesentlichen Auslegungs- und Prozessdaten aufgelistet für zwei Fälle, wobei Fall 1 das Vergleichsbeispiel und Fall 2 ein erfindungsgemäßes Beispiel darstellt:
Auch hier zeigt sich die Verringerung der benötigten Membranfläche.
Beispiel 3:
Dieses Beispiel entspricht Beispiel 2 mit der Ausnahme, dass bei gleicher Permselektivität wie in Beispiel 2 die Permeanzen für die Komponenten A und B höher sind. Dieser Sachverhalt reflektiert den häufig anzutreffenden Fall, dass eine niedrigere Permselek tivität verbunden ist mit einer höheren Permeanz für alle im Gemisch vorhandenen Komponenten.
In der nachfolgenden Tabelle sind die wesentlichen Auslegungs- und Prozessdaten aufgelistet für zwei Fälle, wobei Fall 1 das Vergleichsbeispiel und Fall 2 ein erfindungsgemäßes Beispiel darstellt:
Allen drei Beispiele zeigen, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei gleicher Menge und Qualität der das Verfahren verlassenden Ströme zu einem geringeren Bedarf an Membranfläche führt als in zweistufigen Anordnungen, bei denen die Membran in beiden Membranstufen die gleiche Selektivität aufweist.

Claims

Verfahren zur Auftrennung eines Gemisches mittels mindestens zweier hintereinandergeschalteter Membranstufen, wobei man a) das Gemisch als Feedstrom der ersten Membranstufe zuführt, dort ein im wesentlichen die Komponente A enthaltendes Gemisch als Permeat abzieht und das bezüglich der Komponente A verarmte restliche Gemisch als Retentat abzieht und b) diesen Retentatstrom der ersten Membranstufe als neuen Feedstrom der zweiten Membranstufe zuführt, in welcher dieses aufgegebene Gemisch durch Abfuhr eines die Komponente A enthaltenden Permeatstromes so verändert wird, dass das als Retentatstrom aus der zweiten Membranstufe abgezogene Gemisch in seiner Konzentration bezüglich der Komponente A noch weiter verringert wird, dadurch gekennzeichnet, dass c) die zweite Membranstufe eine geringere Selektivität bezüglich der Komponente A aufweist als die erste Membranstufe.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Permeatstrom zumindest einer der nachgeschalteten Membranstufen in den Feedstrom einer der vorgeschalteten Membranstufen zurückführt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Permeatstrom zumindest einer der nachgeschalteten Membranstufen in den Feedstrom der unmittelbar vorgeschalteten Membranstufe zurückführt.
Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Membranstufen nach dem Prinzip der Pervaporation, der Dampfpermeation oder der Gaspermeation betreibt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permselektivität bezüglich der Komponente A in der zweiten Membranstufe maximal 80 % der Permselektivität beträgt, welche bezüglich der Komponente A in der ersten Membranstufe eingestellt wurde.