DE102010012601A1

DE102010012601A1 - Apparatus and method for separating a fluid mixture

Info

Publication number: DE102010012601A1
Application number: DE102010012601A
Authority: DE
Inventors: Dr. Baldauf Manfred; Dr. Hanebuth Marc; Dr. Landes Harald
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-09-29
Also published as: WO2011117121A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches, insbesondere eines Gasgemisches. Die Vorrichtung umfasst dabei zumindest eine erste Membran zur Trennung des fluiden Stoffgemisches, wobei die erste Membran selektiv für einen ersten Stoff des fluiden Stoffgemisches ausgebildet ist. Die Vorrichtung umfasst weiter zumindest eine zweite Membran, die selektiv für einen zweiten Stoff des fluiden Stoffgemisches ausgebildet ist, sowie ein Mittel zum Durchleiten von Stoffen, insbesondere Gasen, durch die erste und zweite Membran. Gemische von fluiden Stoffen werden dabei mit hoher Reinheit bei geringem Energiebedarf getrennt.The invention relates to a device and a method for separating a fluid mixture of substances, in particular a gas mixture. The device comprises at least one first membrane for separating the fluid mixture of substances, the first membrane being selectively designed for a first substance of the fluid mixture of substances. The device further comprises at least one second membrane, which is designed selectively for a second substance of the fluid substance mixture, and a means for passing substances, in particular gases, through the first and second membrane. Mixtures of fluid substances are separated with a high degree of purity with low energy requirements.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches und ein Verfahren zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches.The invention relates to a device for separating a fluid mixture and a method for separating a fluid mixture.

Vorrichtungen zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches, insbesondere eines Gasgemisches, sind beispielsweise beim Betrieb von Kraftwerken relevant. Beispielsweise ist bei Kohlekraftwerken die Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Bestandteilen des Brennstoffes von Bedeutung, um den CO₂-Ausstoß pro erzeugter Kilowattstunde zu senken. Die Stofftrennung bzw. Abscheidung erfolgt dabei mit Hilfe von Membranen. Für den Transport der Stoffe, insbesondere der Gase, durch eine Membran muss eine Triebkraft aufgebracht werden, die bei Vorliegen eines Gasgemisches im Wesentlichen durch eine Partialdruckdifferenz der jeweiligen Gase bestimmt wird. Dabei basiert die Trennwirkung der Membran auf einer membranspezifischen Selektivität, das heißt, die Membran wirkt den durch die Membran hindurch tretenden Stoffen unterschiedlich stark entgegen.Devices for separating a fluid mixture, in particular a gas mixture, are relevant, for example, in the operation of power plants. For example, in coal-fired power plants, the deposition of carbonaceous constituents of the fuel is important in order to reduce the CO ₂ emissions per kilowatt-hour produced. The separation or separation takes place with the help of membranes. For the transport of the substances, in particular the gases, through a membrane, a driving force must be applied, which is determined in the presence of a gas mixture substantially by a partial pressure difference of the respective gases. In this case, the separation effect of the membrane is based on a membrane-specific selectivity, that is, the membrane counteracts the material passing through the membrane different degrees.

Wird eine Membran einem Stoffgemisch beaufschlagt, welches getrennt werden soll, ändert sich bei fortschreitender Abtrennung eines Stoffes des Stoffgemisches die Zusammensetzung des Stoffgemisches auf einer Eingangsseite der Membran. Dies bedeutet, dass ein Partialdruck des abzutrennenden Stoffes eingangsseitig absinkt. Dies führt dazu, dass bei einem hohen Grad der Abtrennung eingangseitig das Stoffgemisch komprimiert werden oder aber ausgangsseitig der Druck eines Permeats der Membran entsprechend erniedrigt werden muss, um eine weitere Abtrennung zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, wird entweder das Stoffgemisch auf der Eingangsseite oder das Permeat auf der Ausgangsseite der Membran komprimiert. Bei gasförmigen Stoffen ist eine Kompression allerdings sehr energieaufwendig. Reale Membranen weisen zudem keine unendliche Selektivität auf. Mit zunehmender Abtrennung eines Stoffes steigt somit ein Anteil an unerwünschter Co-Permeation. Dies hat zur Folge, dass das Permeat durch einen weiteren Stoff verunreinigt wird. Dies schmälert wiederum die Ausbeute des abgetrennten Stoffes und bedingt gegebenenfalls weitere Aufbereitungsschritte.If a membrane is subjected to a substance mixture which is to be separated, as the separation of a substance of the substance mixture progresses, the composition of the substance mixture on an input side of the membrane changes. This means that a partial pressure of the substance to be separated drops on the input side. As a result, at a high degree of separation, the substance mixture must be compressed on the input side or, on the output side, the pressure of a permeate of the membrane must be correspondingly reduced in order to allow further separation. In order to achieve this, either the substance mixture on the input side or the permeate on the output side of the membrane is compressed. For gaseous substances, however, compression is very energy-intensive. Real membranes also have no infinite selectivity. With increasing separation of a substance thus increases a proportion of unwanted co-permeation. This has the consequence that the permeate is contaminated by another substance. This in turn reduces the yield of the separated substance and possibly requires further treatment steps.

Um den Energiebedarf bei einer Kompression zu senken, ist es bekannt, die Abtrennung eines Stoffes aus einem Stoffgemisch nicht in einem einzigen Schritt und bei einem bestimmten Druck eines Permeats vorzunehmen, sondern den aus dem Stoffgemisch abzutrennenden Stoff in mehreren Schritten bei sinkendem Gegendruck abzutrennen. Bei jedem Schritt wird damit das bisherige Permeat wiederum einer Membran mit einer Selektivität für den abzutrennenden Stoff zugeführt, um den abzutrennenden Stoff weiter abzutrennen. Diese unterschiedlichen Permeate fallen dann nacheinander und bei unterschiedlichen Drücken an, sodass nicht mehr das gesamte Permeat vom niedrigsten Druckniveau aus komprimiert werden muss. Eine derartige sequentielle Anordnung von Membranen nutzt dabei aus, dass für eine anfängliche Abtrennung mit einer ersten Membran ein höherer Druck des Permeats erlaubt ist, als es für die Erreichung eines vorgegebenen Abtrenngrades für den abzutrennenden Stoff notwendig ist. Damit sinkt zwar der Energiebedarf insgesamt über die verschiedenen Kompressionsstufen, allerdings werden mehr Komponenten in Form von Modulen, Kompressionsstufen, größeren Membranflächen, etc., benötigt.In order to reduce the energy requirement in a compression, it is known to carry out the separation of a substance from a mixture not in a single step and at a certain pressure of a permeate, but to separate the substance to be separated from the mixture in several steps with decreasing back pressure. At each step so that the previous permeate is again fed to a membrane with a selectivity for the material to be separated in order to further separate the material to be separated. These different permeates then accumulate successively and at different pressures, so that it is no longer necessary to compress the entire permeate from the lowest pressure level. Such a sequential arrangement of membranes exploits that for an initial separation with a first membrane, a higher pressure of the permeate is allowed than is necessary for the achievement of a predetermined degree of separation for the substance to be separated. Although the overall energy requirement drops over the various compression levels, more components in the form of modules, compression stages, larger membrane areas, etc. are required.

Aufgrund der endlichen Selektivität von Membranen ist es möglich, dass eine vorgegebene Reinheit eines abzutrennenden Stoffes mit einer einzelnen Membran nicht erreicht werden kann. Um dieses Problem zu lösen, ist es bereits bekannt, das durch eine Membran bereits hindurchgeleitete Permeat durch weitere Membranen durchzuleiten und auf diese Weise aufzukonzentrieren. Hierzu wird ein Teil des bereits durch eine Membran hindurch geleiteten Stoffstromeszurückgeführt, mit dem ursprünglichen Stoffgemisch erneut gemischt und wiederum durch eine oder mehrere Membranen mit Selektivität für den abzutrennenden Stoff zur Abtrennung des Stoffes durchgeleitet. Zwischen den Membranen erfolgt dann eine Aufkonzentrierung, sodass bei Abtrennung durch die letzte Membran der abzutrennende Stoff die gewünschte Reinheit aufweist. Für die Aufkonzentrierung ist üblicherweise ein Verdichter vorgesehen, der bewirkt, dass einerseits das Stoffgemisch durch die weitere Membran hindurchgeleitet wird und andererseits, dass ebenfalls ein Druck eines Retentats der Membran entsprechend groß ist, um eine Kreisführung zu ermöglichen, d. h. eine Zurückführung des Retentats zur erneuten Durchleitung durch eine oder mehrere Membranen. Der Volumenstrom des Retentats muss groß sein, um einen gewünschten hohen Abtrenngrad zu ermöglichen. Hierzu benötigt der Verdichter viel Energie, was hohe Investitions- und Betriebskosten bedingt.Due to the finite selectivity of membranes, it is possible that a given purity of a single membrane material to be separated can not be achieved. In order to solve this problem, it is already known to pass the permeate already passed through a membrane through further membranes and to concentrate it in this way. For this purpose, part of the already passed through a membrane material flow is recycled, mixed again with the original mixture of substances and in turn passed through one or more membranes with selectivity for the substance to be separated for the separation of the substance. Concentration then takes place between the membranes, so that when separated through the last membrane, the substance to be separated off has the desired purity. For the concentration usually a compressor is provided, which causes on the one hand, the mixture is passed through the further membrane and on the other hand, that also a pressure of a retentate of the membrane is correspondingly large, to allow a Kreisführung, d. H. a recycling of the retentate for re-transmission through one or more membranes. The volume flow of the retentate must be large in order to allow a desired high degree of separation. For this purpose, the compressor requires a lot of energy, which requires high investment and operating costs.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches zu schaffen, die eine gewünschte hohe Reinheit eines abzutrennenden Stoffes aus dem Stoffgemisch ermöglichen und gleichzeitig einfach hergestellt und betrieben werden können.An object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method for separating a fluid mixture which allow a desired high purity of a substance to be separated from the mixture and at the same time can be easily produced and operated.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst.This object is achieved with a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 8.

Die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches sowie das in Anspruch 8 definierte Verfahren zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches weisen den Vorteil auf, dass weniger Energie zur Erreichung einer bestimmten Reinheit eines abzutrennenden Stoffes aufgewendet werden muss. Des Weiteren kann eine gewünschte hohe Reinheit eines abzutrennenden Stoffes erhalten werden.The device defined in claim 1 for separating a fluid mixture and the method defined in claim 8 for separating a Fluid mixtures have the advantage that less energy must be expended to achieve a certain purity of a substance to be separated. Furthermore, a desired high purity of a substance to be separated can be obtained.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfassen die Mittel zum Durchleiten einen Verdichter und/oder ein Spülgas.According to a preferred development of the invention, the means for passing through a compressor and / or a purge gas.

Der Vorteil eines Verdichters ist, dass dieser äußerst einfach in bereits bestehende Leitungen integriert werden kann.The advantage of a compressor is that it can be easily integrated into existing lines.

Der Vorteil eines Spülgases besteht darin, dass dieses, ebenso wie das zu trennende fluide Stoffgemisch, nicht unnötig hoch komprimiert werden muss, wodurch die benötigte Energie insgesamt für die Trennung des fluiden Stoffgemisches herabgesetzt wird.The advantage of a purge gas is that it, as well as the fluid mixture to be separated, does not have to be compressed unnecessarily high, whereby the energy required for the total separation of the fluid mixture is reduced.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste Membran und die zweite Membran jeweils in einem ersten und zweiten Membranmodul angeordnet. Das erste und zweite Membranmodul umfasst vorzugsweise jeweils zumindest einen Eingang für ein Feedstoffgemisch, einen ersten Ausgang für ein Permeat und einen zweiten Ausgang für ein Retentat.According to a further preferred development, the first membrane and the second membrane are each arranged in a first and second membrane module. The first and second membrane modules preferably each comprise at least one inlet for a feed mixture, a first outlet for a permeate and a second outlet for a retentate.

Der Vorteil hierbei ist, dass damit eine einfache Kopplung von erstem und zweitem Membranmodul ermöglicht wird und damit die Flexibilität von erstem und zweitem Membranmodul erhöht wird.The advantage here is that it allows a simple coupling of the first and second membrane module and thus increases the flexibility of the first and second membrane module.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Eingang des zweiten Membranmoduls mit dem Ausgang für das Retentat des ersten Membranmoduls fluidtechnisch verbunden.According to a further preferred development, the inlet of the second membrane module is fluidly connected to the outlet for the retentate of the first membrane module.

Der Vorteil hierbei ist, dass auf einfache Weise das Retentat des ersten Membranmoduls nun das zweite Membranmodul und dessen zweite Membran beaufschlagen kann, um dort den zweiten Stoff aus dem Retentat abzutrennen.The advantage here is that in a simple manner, the retentate of the first membrane module can now act on the second membrane module and its second membrane in order to separate the second substance from the retentate there.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind Kombinationen aus erstem und zweitem Membranmodul fluidtechnisch derart mehrfach hintereinander angeordnet, sodass zumindest einer der Ausgänge für ein Retentat des zweiten Membranmoduls mit zumindest einem Eingang des ersten Membranmoduls für ein Feedstoffgemisch verbunden ist.According to a further preferred development of the invention, combinations of the first and second membrane modules are fluidly arranged several times in succession so that at least one of the exits for a retentate of the second membrane module is connected to at least one inlet of the first membrane module for a feed substance mixture.

Der Vorteil hierbei ist, dass sukzessive der erste und der zweite Stoff voneinander getrennt werden können, ohne dass große Veränderungen der für eine Abtrennung relevanten Partialdrücke entstehen und ein erstes und zweites Permeat für den ersten und zweiten Stoff durch unerwünschte Co-Permeation verunreinigt werden.The advantage here is that successively the first and the second material can be separated from each other, without major changes of the relevant for a separation partial pressures arise and a first and second permeate for the first and second material are contaminated by unwanted co-permeation.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Membran in einem gemeinsamen Modul derart angeordnet, dass die erste und zweite Membran im Wesentlichen gleichzeitig vom fluiden Stoffgemisch beaufschlagbar sind.According to a further preferred embodiment, the first and second membrane are arranged in a common module such that the first and second membrane can be acted upon substantially simultaneously by the fluid mixture.

Der Vorteil dabei ist, dass in einem einzigen Membranmodul zwei Membranen mit jeweiliger Selektivität für den ersten und den zweiten Stoff angeordnet sind.The advantage here is that two membranes with respective selectivity for the first and the second substance are arranged in a single membrane module.

Eine derartige Anordnung entspricht im Wesentlichen einer unendlichen Anzahl hintereinander angeordneter Kombinationen aus erstem und zweitem Membranmodul. Damit kann der Aufwand zur Trennung des fluiden Stoffgemisches weiter herabgesetzt werden. Ebenso können die Abmessungen der Vorrichtung verkleinert werden.Such an arrangement essentially corresponds to an infinite number of successively arranged combinations of first and second membrane module. Thus, the effort to separate the fluid mixture can be further reduced. Likewise, the dimensions of the device can be reduced.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Stoffgemisch im Wesentlichen ein Kohlendioxid-/Wasserstoff-, ein Stickstoff-/Sauerstoff-, Kohlenmonoxid-/Wasserstoff- oder ein Kohlendioxid-/Stickstoffgemisch.According to a further preferred development, the substance mixture is essentially a carbon dioxide / hydrogen, a nitrogen / oxygen, carbon monoxide / hydrogen or a carbon dioxide / nitrogen mixture.

Der hierbei erzielte Vorteil ist, dass beispielsweise im Falle eines Kohlendioxid/Wasserstoffgemisches kostengünstige und eine hohe Selektivität aufweisende Membranen verfügbar sind.The advantage achieved in this case is that, for example, in the case of a carbon dioxide / hydrogen mixture, inexpensive and high-selectivity membranes are available.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens bildet das zweite Retentat das Feedstoffgemisch für zumindest eine Wiederholung der Schritte i–vi. Der Vorteil hierbei ist, dass sukzessive das fluide Stoffgemisch getrennt wird, ohne dass es zur Ausbildung von merklichen unerwünschten Partialdruckprofilen entlang der ersten und zweiten Membran kommt.According to a further preferred development of the method, the second retentate forms the feed mixture for at least one repetition of steps i-vi. The advantage here is that the fluid mixture is successively separated without the formation of appreciable undesired partial pressure profiles along the first and second membranes.

Damit wird der Energieaufwand für eine Trennung des fluiden Stoffgemisches gesenkt, gleichzeitig die Reinheit des ersten und zweiten Permeats erhöht.Thus, the energy required for a separation of the fluid mixture is lowered, at the same time increases the purity of the first and second permeate.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden das jeweils erste Permeat und das jeweils zweite Permeat zusammengeführt. Der Vorteil hierbei ist, damit auf einfach Weise der erste und zweite Stoff mit der entsprechenden Reinheit für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Das erste Permeat ist dabei mit dem ersten Stoff, das zweite Permeat mit dem zweiten Stoff entsprechend angereichert.According to a further preferred development, the respectively first permeate and the respective second permeate are combined. The advantage here is that in a simple way, the first and second substance with the appropriate purity for further processing are provided. The first permeate is enriched with the first substance, the second permeate with the second substance accordingly.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung: Further advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing:

Dabei zeigt:Showing:

1 eine erste herkömmliche Vorrichtung zur Trennung von fluiden Stoffgemischen in schematischer Form; 1 a first conventional device for the separation of fluid mixtures in a schematic form;

2 eine weitere herkömmliche Vorrichtung zur Trennung von fluiden Stoffgemischen in schematischer Form; 2 another conventional device for the separation of fluid mixtures in a schematic form;

3 eine dritte herkömmliche Vorrichtung zur Trennung von fluiden Stoffgemischen; 3 a third conventional device for the separation of fluid mixtures;

4 eine Vorrichtung beziehungsweise ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Form; 4 a device or a method according to a first embodiment of the present invention in a schematic form;

5 eine Vorrichtung beziehungsweise ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Form; 5 a device or a method according to a second embodiment of the present invention in schematic form;

6 ein Diagramm zur Darstellung des Energieaufwandes für die Abtrennung von Kohlendioxid aus einem äquimolaren Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid in Abhängigkeit des Kohlendioxid-Abtrenngrades; und 6 a diagram showing the energy expenditure for the separation of carbon dioxide from an equimolar mixture of hydrogen and carbon dioxide, depending on the degree of carbon dioxide separation; and

7 ein Ablaufdiagramm einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches (S). 7 a flow diagram of a possible embodiment of the inventive method for separating a fluid mixture (S).

1 zeigt eine Vorrichtung zur Trennung von fluiden Stoffgemischen in schematischer Form. 1 shows a device for the separation of fluid mixtures in a schematic form.

In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Zuführung für ein zu trennendes fluides Stoffgemisch S aus Gasen. Das aus zwei unterschiedlichen Gasen bestehende Gasgemisch S wird über einen Eingang eines Membranmoduls 2 in das Membranmodul 2 geleitet und beaufschlagt dort eine Membran M, welche das Stoffgemisch S zumindest teilweise auf Grund der endlichen Selektivität der Membran M trennt. Die Membran M trennt das Stoffgemisch S in ein Retentat R und stellt dieses an einem Ausgang des Membranmoduls 2 zur Verfügung sowie in ein Permeat P, welches an einem weiteren Ausgang des Membranmoduls 2 zur Verfügung gestellt wird. Als Mittel zum Durchleiten des Gasgemisches S ist an dem permeatseitigen Ausgang des Membranmoduls 2 ein Verdichter 4 angeordnet, der das Permeat P verdichtet, um das Gasgemisch S durch die Membran M des Membranmoduls 2 hindurchzuleiten.In 1 denotes the reference numeral 1 a feed for a fluid mixture S to be separated from gases. The gas mixture S consisting of two different gases is supplied via an inlet of a membrane module 2 in the membrane module 2 passed there and acts on a membrane M, which separates the mixture S at least partially due to the finite selectivity of the membrane M. The membrane M separates the substance mixture S into a retentate R and places this at an outlet of the membrane module 2 available as well as in a permeate P, which at another output of the membrane module 2 is made available. As a means for passing the gas mixture S is at the permeatseitigen output of the membrane module 2 a compressor 4 arranged, which compresses the permeate P to the gas mixture S through the membrane M of the membrane module 2 through pass.

2 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Trennung von fluiden Stoffgemischen in schematischer Form. 2 shows a further device for the separation of fluid mixtures in a schematic form.

2 entspricht im Wesentlichen einer Serienschaltung von k Membranmodulen 2 gemäß 1. In 2 wird ein zu trennendes Gasgemisch S über einen Eingang eines Membranmoduls 2k in dieses geleitet und beaufschlagt dort eine Membran M_k, die selektiv für mindestens ein Gas des Gasgemisches S ausgebildet ist. Die Membran M_k trennt das Gasgemisch S in ein Retentat R_k und ein Permeat P_k, welches an entsprechenden Ausgängen des Membranmoduls 2k zur Verfügung gestellt wird. Im Unterschied zu 1 wird nun das Retentat R_k erneut einem zweiten Membranmodul 2k+1 zugeführt. Die Membran M_k+1 trennt erneut das zugeführte Retentat R_k in ein zweites Retentat R_k+1 und ein zweites Permeat P_k+1. Das zweite Retentat R_k+1 kann dann wiederum einem dritten Membranmodul 2k+2 zur weiteren Abtrennung zugeführt werden. Bei dieser Anordnung werden also N Abtrennungsschritte nacheinander durchgeführt, wobei der Druck des Permeats P_k in jedem Schritt abgesenkt wird. Damit wird Energie des Permeats P_k eingespart, da bei dieser Anordnung nicht mehr das gesamte Permeat P_k auf dem niedrigsten Druckniveau anfällt. Alle Membranen M_k sind selektiv für das gleiche Gas ausgebildet. Im Gegensatz zu 1 werden bei der Vorrichtung gemäß 2 mehrere Module 2k, Verdichter 4k, Membranflächen M_k etc. benötigt, so dass der Aufwand hierfür größer ist. 2 essentially corresponds to a series connection of k membrane modules 2 according to 1 , In 2 is a gas mixture to be separated S via an input of a membrane module 2k directed therein and acts there a membrane M _k , which is selectively formed for at least one gas of the gas mixture S. The membrane M _k separates the gas mixture S into a retentate R _k and a permeate P _k , which at corresponding outputs of the membrane module 2k is made available. In contrast to 1 Now the retentate R _{k is} again a second membrane module 2k + 1 fed. The membrane M _{k + 1} again separates the added retentate R _k into a second retentate R _{k + 1} and a second permeate P _{k + 1} . The second retentate R _{k + 1} can then turn a third membrane module 2k + 2 be supplied for further separation. In this arrangement, therefore N separation steps are carried out sequentially, wherein the pressure of the permeate P _{k is} lowered in each step. This energy of the permeate P _{k is} saved, since in this arrangement no longer the entire permeate P _{k is obtained} at the lowest pressure level. All membranes M _k are selectively formed for the same gas. In contrast to 1 be in the device according to 2 several modules 2k , Compressor 4k , Membrane surfaces M _k etc. required, so that the effort is greater.

3 zeigt eine dritte Vorrichtung zur Trennung von fluiden Stoffgemischen. 3 shows a third device for the separation of fluid mixtures.

In 3 wird ein Gasgemisch S, bestehend aus mindestens zwei unterschiedlichen Gasen, einem Membranmodul 2a zugeführt und beaufschlagt dort eine Membran M₁. Die Membran M₁ weist eine Selektivität für ein erstes Gas des zu trennenden Gasgemisches S auf und trennt das Gasgemisch S in ein Retentat R₁ und ein Permeat P₁. An einem Ausgang des Membranmoduls 2a wird das erhaltene Permeat P₁ bereitgestellt. Das Permeat P₁ wird anschließend durch einen Verdichter 4 verdichtet und über einen Eingang eines weiteren Membranmoduls 2b in dieses geleitet. In dem Membranmodul 2b beaufschlagt das Permeat P₁ nun erneut eine Membran M₁, die dasselbe Gas wie die Membran M₁ des Membranmoduls 2a permeieren lässt. Die Membran M₁ trennt die Gase des Permeats weiter, sodass das Permeat P₂ eine höhere Reinheit als das Permeat P₁ bezüglich des ersten Gases aufweist. Das Permeat P₂ wird dann weiter durch einen Verdichter 7 verdichtet. Das Retentat R₂ des zweiten Membranmoduls 2b wird nun dem zu trennenden Gasgemisch S vor der Beaufschlagung des ersten Membranmoduls 2a wieder zugeführt. Die Membranen M₁ weisen dabei Selektivitäten auf, die für eine gewünschte Reinheit des Permeats insgesamt nicht ausreichen. Aus diesem Grund wird das Retentat R₂ dem Gasgemisch S zur erneuten Beaufschlagung der Membranmodule 2a, 2b zur Aufkonzentrierung des Permeats P₁, P₂ zugeführt. Der Zweck des Verdichters 4 zwischen erstem Membranmodul 2a und zweitem Membranmodul 2b ist zum einen das erste Permeat P₁ durch das zweite Membranmodul 2b durchzuleiten, zum anderen ausreichend Druck für das Retentat R₂ zur Verfügung zu stellen, um dieses dem Gasgemisch S wieder zuleiten zu können und weiterhin, um eine hinreichend große Triebkraft für den Stoff- bzw. Gastransport durch Membran M₁ aufzubringen. Der Volumenstrom des Retentats R₂ muss entsprechend groß sein, um ein ausreichendes Volumen des Permeats P₂, damit hohe Abtrenngrade des ersten Gases zu ermöglichen. Der Verdichter 4 benötigt daher entsprechend viel Energie.In 3 is a gas mixture S, consisting of at least two different gases, a membrane module 2a supplied and applied there a membrane M ₁ . The membrane M ₁ has a selectivity for a first gas of the gas mixture S to be separated and separates the gas mixture S into a retentate R ₁ and a permeate P ₁ . At an outlet of the membrane module 2a the obtained permeate P _{1 is} provided. The permeate P ₁ is then passed through a compressor 4 compressed and via an input of another membrane module 2 B directed into this. In the membrane module 2 B the permeate P _{1 is} now again charged with a membrane M ₁ which contains the same gas as the membrane M _{1 of} the membrane module 2a permeate. The membrane M ₁ further separates the gases of the permeate, so that the permeate P _{2 has} a higher purity than the permeate P ₁ with respect to the first gas. The permeate P ₂ is then passed through a compressor 7 compacted. The retentate R _{2 of} the second membrane module 2 B is now the gas mixture to be separated S before the application of the first membrane module 2a fed again. The membranes M ₁ have selectivities that are not sufficient for a desired purity of the permeate. For this reason, the retentate R _{2 is} the gas mixture S for re-admission of the membrane modules 2a . 2 B to concentrate the Permeats P ₁ , P ₂ supplied. The purpose of the compressor 4 between the first membrane module 2a and second membrane module 2 B on the one hand, the first permeate P ₁ through the second membrane module 2 B on the other hand, to provide sufficient pressure for the retentate R ₂ to be able to pass it back to the gas mixture S and furthermore to apply a sufficiently large driving force for the material or gas transport through the membrane M ₁ . The volume flow of the retentate R ₂ must be correspondingly large in order to allow a sufficient volume of the permeate P ₂ , so that high degrees of separation of the first gas. The compressor 4 therefore requires a corresponding amount of energy.

4 zeigt eine Vorrichtung beziehungsweise ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Form. 4 shows a device or a method according to a first embodiment of the present invention in a schematic form.

In 4 wird ein zu trennendes Gasgemisch S, bestehend aus zweiunterschiedlichen Gasen, einem ersten Membranmodul 2a mit einer Membran M₁ zugeführt. Die Membran M₁ weist dabei eine Selektivität bezüglich des ersten Gases des Gasgemisches S auf. Die Membran M₁ trennt nun das Gasgemisch S teilweise bezüglich des ersten Gases. Im Permeat P_2a ist ein Stoffmengenanteil des ersten Gases verglichen mit einem Stoffmengenanteil des ersten Gases in dem Gasgemisch S erhöht, wohingegen im Retentat R_2a das zweite Gas entsprechend mit einem höherem Stoffmengenanteil vorliegt. Mit dem Retentat R_2a wird nun ein zweites Membranmodul 2b beaufschlagt. In dem Membranmodul 2b wird das Retentat R_2a durch eine zweite Membran M₂ weiter getrennt. Die Membran M₂ weist eine Selektivität bezüglich des zweiten Gases des Gasgemisches S auf. Die Membran M₂ trennt nun die zwei Gase des Retentats R_2a, welches einen insbesondere geringfügig höheren Anteil des zweiten Gases aufweist, so dass das Permeat P_2b einen höheren Stoffmengenanteil des zweiten Gases aufweist als das Retentat R_2a und als das Gasgemisch S. Das Retentat R_2b wird dann erneut als Ausgangsoder Feedgasgemisch S wiederum analog der vorbeschriebenen Weise einem Membranmodul 2a zugeführt.In 4 is a gas mixture S to be separated, consisting of two different gases, a first membrane module 2a supplied with a membrane M ₁ . The membrane M ₁ has a selectivity with respect to the first gas of the gas mixture S. The membrane M ₁ now separates the gas mixture S partially with respect to the first gas. In the permeate P _2a , a molar fraction of the first gas is increased compared to a molar fraction of the first gas in the gas mixture S, whereas in the retentate R _2a the second gas is correspondingly present with a higher molar fraction. The retentate R _2a is now a second membrane module 2 B applied. In the membrane module 2 B the retentate R _2a is further separated by a second membrane M ₂ . The membrane M ₂ has a selectivity with respect to the second gas of the gas mixture S. The membrane M ₂ now separates the two gases of the retentate R _2a , which has a particularly slightly higher proportion of the second gas, so that the permeate P _{2b has} a higher mole fraction of the second gas than the retentate R _2a and as the gas mixture S. Das Retentate R _2b is then again as the starting or feed gas mixture S again analogous to the manner described above, a membrane module 2a fed.

Durch eine N-fache Hintereinander-Anordnung von Kombinationen aus Membranmodulen 2a und Membranmodulen 2b, die jeweils eine Membran M₁, M₂ mit unterschiedlicher Selektivität für das erste und zweite Gas aufweisen, wird einer Ausbildung eines jeweils eingangsseitigen Partialdruckprofils entgegengewirkt. Wird die Anzahl der Wiederholungen N der Kombination aus Membranmodulen in 2a und 2b möglichst hoch gewählt, wird in einem Membranmodul 2a, 2b jeweils nur ein kleiner Teil des ersten und zweiten Gas aus dem Gasgemisch S abgetrennt.By an N-fold sequential arrangement of combinations of membrane modules 2a and membrane modules 2 B , which each have a membrane M ₁ , M ₂ with different selectivity for the first and second gas, is counteracted forming a respective input-side partial pressure profile. Will the number of repetitions N of the combination of membrane modules in 2a and 2 B as high as possible, is in a membrane module 2a . 2 B in each case only a small part of the first and second gas separated from the gas mixture S.

Das Permeat P_2a des ersten Membranmoduls 2a wird mit den jeweiligen Permeaten (P_2a)_k der wiederholten Kombinationen aus Membranmodulen 2a, 2b zusammengeführt, sodass ein Gasgemisch 9 mit einer gewünschten Reinheit des ersten Gases vorliegt. Ebenfalls werden die Permeate (P_2b)_k der jeweiligen wiederholten Kombinationen aus Membranmodulen 2a, 2b zusammengeführt, so dass ein mit dem zweiten Gas angereichertes Gasgemisch 7 bereitgestellt wird, wobei das zweite Gas in der gewünschten Reinheit in dem Gasgemisch 3 vorliegt. Beide Gasgemische 7, 9 können dabei mittels mindestens eines Verdichters 4, 6 verdichtet werden. Die Verdichter 4, 6 sind jedoch nicht für jede Anwendung nötig. Ferner kann das Retentat R_2b mit dem Gasgemisch 7, 9 je nach Anwendung zusammengeführt werden.The permeate P _{2a of} the first membrane module 2a becomes with the respective permeators (P _2a ) _{k of} the repeated combinations of membrane modules 2a . 2 B merged, leaving a gas mixture 9 is present with a desired purity of the first gas. Also, the permeates (P _2b ) _{k of} the respective repeated combinations of membrane modules become 2a . 2 B merged so that a gas mixture enriched with the second gas 7 is provided, wherein the second gas in the desired purity in the gas mixture 3 is present. Both gas mixtures 7 . 9 can thereby by means of at least one compressor 4 . 6 be compacted. The compressors 4 . 6 however, they are not necessary for every application. Furthermore, the retentate R _2b with the gas mixture 7 . 9 be merged depending on the application.

5 zeigt eine Vorrichtung beziehungsweise ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Form. 5 shows a device or a method according to a second embodiment of the present invention in a schematic form.

In 5 wird ein zu trennendes Gasgemisch S, bestehend aus zwei unterschiedlichen Gasen, einem Membranmodul 2ab zugeführt. Das Membranmodul 2ab weist dabei Membranen M₁, M₂ auf, die jeweils für die beiden unterschiedlichen Gase eine entsprechende Selektivität aufweisen. Das Gasgemisch S kann dabei in dem Membranmodul 2ab die beiden darin enthaltenen Membranen M₁, M₂ im Wesentlichen gleichzeitig beaufschlagen.In 5 is a gas mixture S to be separated, consisting of two different gases, a membrane module 2ab fed. The membrane module 2ab in this case has membranes M ₁ , M ₂ , which each have a corresponding selectivity for the two different gases. The gas mixture S can in the membrane module 2ab the two membranes contained therein M ₁ , M ₂ apply substantially simultaneously.

Das Membranmodul 2ab weist dabei insgesamt drei Ausgänge auf. Der erste Ausgang stellt ein Permeat 9 für die Membran M₁ zur Verfügung, das heißt an dem Ausgang wird ein Gasgemisch 9 zur Verfügung gestellt, welches mit dem ersten Gas angereichert ist. Analog wird ein Ausgang des Membranmoduls 2ab für ein Permeat 7 der zweiten Membran M₂ zur Verfügung gestellt. Das Permeat 7 ist dabei mit dem zweiten Gas des Gasgemisches S angereichert, für die die Membran M₂ eine entsprechende Selektivität aufweist. Des Weiteren kann ein dritter Ausgang vorgesehen sein, der ein Retentat 8 zur Verfügung stellt. Die beiden Permeate 7, 9 können dabei jeweils mittels Verdichtern 4, 6 zusätzlich verdichtet werden, sodass an einem Ausgang der jeweiligen Verdichter 4, 6 jeweils ein Gasgemisch verdichtet vorliegt, welches einen erhöhten Anteil des ersten beziehungsweise zweiten Gases aufweist. Bei der in 5 gezeigten Anordnung sind in dem Membranmodul 2ab zwei Membranen M₁, M₂ mit einer Selektivität für das erste und zweite Gas gemeinsam in diesem angeordnet. Die Trenneigenschaften des Membranmoduls 2ab entsprechen denen der in 4 gezeigten Vorrichtung, jedoch für unendlich viele Wiederholungen Das zu trennende Gasgemisch S kann dabei auch aus mehr als zwei Gasen bestehen. Das Membranmodul 2ab weist dann Membranen M₁, M₂ auf, die jeweils für die beiden relevanten, d. h. zu trennenden, unterschiedlichen Gase eine entsprechende Selektivität aufweisen.The membrane module 2ab has a total of three outputs. The first output is a permeate 9 for the membrane M ₁ available, that is at the output is a gas mixture 9 provided enriched with the first gas. Analogously, an output of the membrane module 2ab for a permeate 7 the second membrane M ₂ provided. The permeate 7 is enriched with the second gas of the gas mixture S, for which the membrane M _{2 has} a corresponding selectivity. Furthermore, a third exit can be provided, which is a retentate 8th provides. The two permeates 7 . 9 can in each case by means of compressors 4 . 6 be additionally compressed so that at an output of the respective compressor 4 . 6 in each case a compressed gas mixture is present, which has an increased proportion of the first or second gas. At the in 5 shown arrangement are in the membrane module 2ab two membranes M ₁ , M _{2 arranged} with a selectivity for the first and second gas together in this. The separation properties of the membrane module 2ab correspond to those of 4 shown device, but for infinitely many repetitions The gas mixture S to be separated can also consist of more than two gases. The membrane module 2ab then has membranes M ₁ , M ₂ , each for the two relevant, ie to separating, different gases have a corresponding selectivity.

6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Energieaufwandes für die Abtrennung von Kohlendioxid CO₂ aus einem äquimolaren Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid in Abhängigkeit des Kohlendioxid-Abtrenngrades. 6 shows a diagram showing the energy expenditure for the separation of carbon dioxide CO ₂ from an equimolar mixture of hydrogen and carbon dioxide, depending on the degree of carbon dioxide separation.

In 6 bezeichnen Bezugsziffern L1–L6 eine notwendige elektrische Leistung für die Abtrennung von Kohlendioxid aus einem äquimolaren Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid in Abhängigkeit des Kohlendioxid-Abtrenngrades. Der Abtrenngrad ist dabei definiert als Quotient eines Stoffmengenstroms des abgetrennten Kohlendioxids, welches in ein Permeat übertritt, und eines Stoffmengenstroms des Kohlendioxids in dem Gasgemisch S. In 6 ist über dem Abtrenngrad die jeweilige Leistung für die Kompression auf den ursprünglichen Druck des Gasgemisches S aufgetragen.In 6 Reference numerals L1-L6 denote necessary electric power for separating carbon dioxide from an equimolar mixture of hydrogen and carbon dioxide depending on the degree of carbon dioxide separation. The degree of separation is defined as the quotient of a molar flow of the separated carbon dioxide, which passes into a permeate, and a molar mass flow of the carbon dioxide in the gas mixture S. In 6 the respective power for the compression to the original pressure of the gas mixture S is plotted above the degree of separation.

Bezugszeichen L1 bezeichnet eine Kurve für die notwendige Leistung für eine Anordnung gemäß 1 mit Kohlendioxidselektiver Membran.Reference character L1 denotes a curve for the necessary power for an arrangement according to FIG 1 with carbon dioxide-selective membrane.

Bezugszeichen L2 bezeichnet eine Kurve für die notwendige Leistung mit Kohlendioxid-selektiver Membran und einem Wiederholungsschritt (N = 2) für eine Vorrichtung gemäß 2.Reference numeral L2 denotes a necessary power curve with carbon dioxide-selective membrane and a repeating step (N = 2) for a device according to FIG 2 ,

Bezugszeichen L3 bezeichnet eine Kurve für die notwendige elektrische Leistung für eine Vorrichtung gemäß 2 mit vier Schritten (N = 4).Reference character L3 denotes a curve for the necessary electric power for a device according to FIG 2 in four steps (N = 4).

Bezugszeichen L4 bezeichnet eine Kurve für eine Vorrichtung gemäß 2 für eine notwendige elektrische Leistung mit acht Schritten (N = 8).Reference character L4 denotes a curve for a device according to FIG 2 for a necessary electric power with eight steps (N = 8).

Bezugszeichen L5 bezeichnet eine Kurve für die notwendige elektrische Leistung mit sechzehn Schritten (N = 16).Reference numeral L5 denotes a necessary electric power curve of sixteen steps (N = 16).

Bezugszeichen L6 bezeichnet die notwendige elektrische Leistung für eine Vorrichtung gemäß 5 mit Kohlendioxidselektiver Membran M₁ und Wasserstoff-selektiver Membran M₂. Alle gezeigten Kurven L1, L2, L3, L4, L5, L6 benötigen für einen Abtrenngrad von 0 keine elektrische Leistung L. Mit steigendem Abtrenngrad steigt der Energiebedarf überproportional, wobei in absteigender Reihenfolge die Kurve L1 den höchsten Energiebedarf aufweist und die Kurve L5 den niedrigsten. Linear steigt jedoch die Kurve L6 an und liegt bei dem jeweiligen Abtrenngrad jeweils unterhalb der Kurven L1–L5. Der Energiebedarf der Anordnung gemäß 5 ist insbesondere bei höheren Abtrenngraden somit deutlich geringer. Grundlage für die Berechnungen der notwendigen elektrischen Leistung L sind die folgenden Annahmen. Die notwendige elektrische Leistung L wird für ein äquimolares Gemisch aus H₂ und CO₂ (je ein Mol pro Sekunde) in Abhängigkeit des Kohlendioxid-Abtrenngrades berechnet. Das zu trennende Gasgemisch weist 30 bar auf und beide Gasströme, das heißt der Kohlendioxidstrom und der Wasserstoffstrom, sollen nach der Trennung auf 30 bar rekomprimiert werden, um entsprechende Werte für den Energiebedarf bzw. die elektrische Leistung vergleichen zu können. Der Kohlendioxid-Abtrenngrad bezieht sich stets auf das gesamte Verfahren und nicht auf eine einzelne Trennung durch eine Membran. Bei der Berechnung wird der Wasserstoff-Abtrenngrad und der Kohlendioxid-Abtrenngrad innerhalb des Moduls 2ab in 5 identisch gewählt, um Partialdruckänderungen in dem zu trennenden Gasgemisch zu vermeiden. Bei allen Kurven L1–L6 sind die erzeugten jeweiligen Gasströme in der Zusammensetzung und dem Gesamtdruck identisch. Die Berechnungen lasen sich z. B. mit Hilfe des Programms Chemcad 6.1 durchführen. Die Berechnung kann aufgrund der folgenden Annahmen erfolgen:

– eine Beschreibung sämtlicher Gasgemische erfolgt nach dem idealen Gasgesetz;
– ein Hindurchtreten der Gase bzw. des Gasgemisches durch die Membranen erfolgt auf Grund einer Partialdruckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des jeweiligen Moduls;
– nahezu kein Druckabfall innerhalb eines Membranmoduls;
– der Druck auf Permeatseite wird maximal gewählt, um eine für die Kompression notwendige Leistung zu minimieren;
– adiabatische Kompression der jeweiligen Gase von 50°C ausgehend in einer Stufe auf 30 bar (idealer Wirkungsgrad);
– eine nahezu unendliche Selektivität der Membranen; die Membranflächen werden derart groß gewählt, dass Permeat und Retentat jeweils Gleichgewichtszusammensetzungen aufweisen.

Reference character L6 denotes the necessary electric power for a device according to 5 with carbon dioxide-selective membrane M ₁ and hydrogen-selective membrane M ₂ . All shown curves L1, L2, L3, L4, L5, L6 need no electrical power L for a separation level of 0. As the degree of separation increases, the energy demand increases disproportionately, in descending order the curve L1 has the highest energy demand and the curve L5 the lowest , However, linearly the curve L6 increases and lies at the respective degree of separation respectively below the curves L1-L5. The energy consumption of the arrangement according to 5 is thus significantly lower, especially at higher degrees of separation. The basis for the calculations of the necessary electric power L are the following assumptions. The necessary electric power L is calculated for an equimolar mixture of H ₂ and CO ₂ (one mole per second each) depending on the degree of carbon dioxide separation. The gas mixture to be separated has 30 bar and both gas streams, that is, the carbon dioxide stream and the hydrogen stream should be recompressed after separation to 30 bar to compare corresponding values for energy requirements and electrical performance can. The degree of carbon dioxide removal always refers to the entire process and not to a single separation through a membrane. In the calculation, the hydrogen separation degree and the carbon dioxide separation degree become within the modulus 2ab in 5 chosen identically to avoid partial pressure changes in the gas mixture to be separated. For all curves L1-L6, the generated respective gas flows are identical in composition and total pressure. The calculations were read z. B. using the program Chemcad 6.1 perform. The calculation can be based on the following assumptions:

A description of all gas mixtures is made according to the ideal gas law;
- A passage of the gases or of the gas mixture through the membranes takes place due to a partial pressure difference between the input and output of the respective module;
- almost no pressure drop within a membrane module;
The pressure on the permeate side is maximally selected in order to minimize a power necessary for the compression;
- Adiabatic compression of the respective gases from 50 ° C starting in one stage to 30 bar (ideal efficiency);
- an almost infinite selectivity of the membranes; the membrane surfaces are chosen so large that permeate and retentate each have equilibrium compositions.

7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung eines Stoffgemisches. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

i) Beaufschlagen S1 einer ersten Membran M₁ mit dem fluiden Stoffgemisch S zu dessen Trennung, wobei die erste Membran M₁ selektiv für einen ersten Stoff ausgebildet ist,
ii) Durchleiten S2 zumindest eines Teils des Stoffgemisches S durch die erste Membran M₁ mittels eines Mittels 4, 6 zum Durchleiten des fluiden Stoffgemisches S,
iii) Trennen S3 des Stoffgemisches S mittels der ersten Membran M₁ in ein erstes Permeat P_2a und ein erstes Retentat R_2a mittels der ersten Membran M1,
iv) Beaufschlagen S4 einer zweiten Membran M₂ mit dem Stoffgemisch S und/oder mit dem ersten Retentat R_2a, wobei die zweite Membran M₂ selektiv für einen zweiten Stoff ausgebildet ist,
v) Durchleiten S5 zumindest eines Teils des fluiden Stoffgemisches S und/oder zumindest eines Teils des ersten Retentats R_2a durch die zweite Membran M₂ mittels eines zweiten Mittels 4, 6 zum Durchleiten von Stoffen, und
vi) Trennen S6 des durchgeleiteten fluiden Stoffgemisches S und/oder des ersten Retentats R_2a in ein zweites Permeat P_2b und ein zweites Retentat R_2b mittels der zweiten Membran M₂.

7 shows a flow diagram of an embodiment of the method according to the invention for the separation of a substance mixture. The method comprises the following steps:

i) pressurizing S1 of a first membrane M ₁ with the fluid mixture S for its separation, the first membrane M _{1 being designed} selectively for a first substance,
ii) passing S2 at least part of the substance mixture S through the first membrane M ₁ by means of an agent 4 . 6 for passing the fluid mixture S,
iii) separating S3 of the substance mixture S by means of the first membrane M ₁ into a first permeate P _2a and a first retentate R _2a by means of the first membrane M1,
iv) pressurizing S4 of a second membrane M ₂ with the substance mixture S and / or with the first retentate R _2a , wherein the second membrane M _{2 is formed} selectively for a second substance,
v) passing S5 at least a portion of the fluid mixture S and / or at least a portion of the first retentate R _2a through the second membrane M ₂ by means of a second agent 4 . 6 for passing through substances, and
vi) separating S6 of the passed fluid mixture S and / or the first retentate R _2a into a second permeate P _2b and a second retentate R _2b by means of the second membrane M ₂ .

Die Schritte S2 und S3 sowie entsprechend S5 und S6 können dabei insbesondere jeweils auch im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen: Das Trennen S3, S6 erfolgt dabei mittels der Membran M₁, M₂, die zumindest einen Teil des Stoffgemisches S und/oder des Retentats R_2a durch die jeweilige Membran M₁ _, M₂ auf Grund ihrer jeweiligen Selektivität hindurchtreten lässt.The steps S2 and S3 as well as correspondingly S5 and S6 can in each case also take place essentially simultaneously: The separation S3, S6 takes place by means of the membrane M ₁ , M ₂ , the at least part of the substance mixture S and / or the retentate R _2a through the respective membrane M ₁ _, M ₂ pass on the basis of their respective selectivity.

Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich nicht nur binäre, sondern auch höhere Stoffgemische trennen. Die Vorteile der Erfindung, d. h. höhere Reinheit und niedrigerer Energieaufwand, treten dann maximal zu Tage, wenn für jeden Stoff des Stoffgemisches eine selektive Membran erhältlich ist.With the present invention, not only binary, but also higher mixtures of substances can be separated. The advantages of the invention, d. H. Higher purity and lower energy consumption, then come to light when a selective membrane is available for each substance in the mixture.

Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, Stoffgemische, insbesondere Gasgemische durch ein Membranmodul gemäß 5 mit mehr als zwei Membranen zu trennen. Die jeweiligen Membranen können dabei alternierend nacheinander oder auch für eine gleichzeitige Trennung des höheren Stoffgemisches angeordnet sind.Furthermore, it is within the scope of the invention, mixtures of substances, in particular gas mixtures by a membrane module according to 5 with more than two membranes to separate. The respective membranes can be arranged alternately one after the other or else for a simultaneous separation of the higher substance mixture.

Das Verfahren kann durch eine Steuerung ausgeführt werden, welche die Vorrichtung gemäß 4 oder 5 ansteuert.The method can be carried out by a controller, which the device according to 4 or 5 controls.

Zusammenfassend weist die Erfindung als einen besonderen Vorteil auf, dass Gemische von fluiden Stoffen in jeweilige Gemische mit höherer Reinheit eines Stoffes getrennt werden können und gleichzeitig der Energiebedarf für eine Trennung erheblich gesenkt werden kann.In summary, the invention has as a particular advantage that mixtures of fluids can be separated into respective mixtures of higher purity of a substance and at the same time the energy requirement for a separation can be significantly reduced.

Bei dem Stoffgemisch kann es sich um ein Gemisch aus zwei oder mehreren Gasen bzw. Gasstoffen handeln oder um ein Gemisch aus zwei oder mehreren sonstigen Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten.The mixture of substances may be a mixture of two or more gases or gas substances or a mixture of two or more other fluids, in particular liquids.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in many ways.

Claims

Device for separating a fluid substance mixture (S), in particular a gas mixture, with at least one first membrane (M ₁ ) for separating the substance mixture (S), wherein the first membrane (M ₁ ) selectively for a first substance of the fluid substance mixture (S) is formed, a second membrane (M ₂ ), which is selectively formed for a second substance of the fluid mixture, and with an agent ( 4 . 6 ) for passing substances, in particular gases, through the first and / or second membrane (M ₁ , M ₂ ).

Device according to claim 1, wherein the means ( 4 . 6 ) has a compressor and / or a purge gas for the passage of substances.

Device according to Claim 1, in which the first membrane (M ₁ ) and the second membrane (M ₂ ) are in each case in a first and second membrane module ( 2a . 2 B ) and wherein the first and the second membrane module ( 2a . 2 B ) each comprise at least one inlet for a feed mixture (S), a first outlet for a permeate (P _2a , P _2b ) and a second outlet for a retentate (R _2a , R _2b ).

Device according to at least claim 3, wherein the input of the second membrane module ( 2 B ) with the outlet for the retentate (R _2a ) of the first membrane module ( 2a ) is fluidly connected.

Device according to at least claim 3, wherein combinations of first and second membrane module ( 2a . 2 B ) are arranged in a fluid-like manner in multiple succession such that at least one of the outlets for a retentate (R _2b ) of the second membrane module ( 2 B ) with at least one input of the first membrane module ( 2a ) is connected to a feed mixture (S).

Device according to at least claim 1, wherein the first and second membranes (M ₁ , M ₂ ) are in a common module ( 2ab ) are arranged such that the first and the second membrane (M ₁ , M ₂ ) are acted upon substantially simultaneously by the fluid mixture (S).

Device according to at least one of the preceding claims 1-6, wherein the fluid mixture (S) is essentially a carbon dioxide / hydrogen, nitrogen / oxygen, carbon monoxide / hydrogen or carbon dioxide / nitrogen mixture.

Method for separating a fluid mixture (S), in particular a gas mixture, comprising the following steps: i) applying (S1) a first membrane (M ₁ ) to the fluid mixture (S) for its separation, the first membrane (M ₁ ) is selectively designed for a first substance, ii) passing (S2) at least part of the fluid mixture (S) through the first membrane (M1) by means of an agent ( 4 . 6 iii) separating the mixture (S) by means of the first membrane (M ₁ ) into a first permeate (P _2a ) and a first retentate (R _2a ) by means of the first membrane (S) M ₁ ), iv) applying (S4) a second membrane (M ₂ ) with the mixture (S) and / or with the first retentate (R _2a ), wherein the second membrane (M ₂ ) is selectively formed for a second material , v) passing (S5) at least part of the fluid mixture (S) and / or at least part of the first retentate (R _2a ) through the second membrane (M ₂ ) by means of a second agent ( 4 . 6 ), and vi) separating (S6) the fluid mixture (S) and / or the first retentate (R _2a ) passed through into a second permeate (P _2b ) and a second retentate (R _2b ) by means of the second membrane (M ₂ )

The method of claim 8, wherein the second retentate (R _2b ) forms a feed mixture (S) for at least one repetition of steps i) -vi).

The method of claim 8, wherein the respective first permeate (P _2a ) and the respective second permeate (P _2b ) are brought together.

Use of at least two membranes (M ₁ , M ₂ ) for separating a fluid substance mixture (S), in particular a gas mixture, which has at least two substances, wherein the first membrane (M ₁ ) has a selectivity for the first substance and the second membrane ( M ₂ ) has a selectivity for the second substance.