DE102010027689A1

DE102010027689A1 - Modul zum Trennen von Stoffgemischen sowie entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102010027689A1
Application number: DE102010027689A
Authority: DE
Inventors: Dr. Baldauf Manfred; Dr. Hanebuth Marc
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-01-26
Also published as: WO2012010457A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul zum Trennen von fluiden Stoffgemischen. Das Modul umfasst ein Modul zum Trennen von fluiden Stoffgemischen, bestehend aus zumindest zwei unterschiedlichen Stoffen, umfassend zumindest zwei Membranen, welche unterschiedliche Stoffselektivität in Bezug auf die zumindest zwei unterschiedlichen Stoffe aufweisen, wobei die beiden Membranen im Wesentlichen gleichzeitig von dem Stoffgemisch beaufschlagbar sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul zum Trennen von Stoffgemischen, insbesondere Fluiden, bestehend aus zumindest zwei unterschiedlichen Stoffen sowie ein entsprechendes Verfahren.
Vorrichtungen zum Trennen von fluiden Stoffgemischen, insbesondere eines Gasgemisches, sind beispielsweise beim Betrieb von Kraftwerken relevant. So ist bei Kohlekraftwerken die Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Bestandteilen des Brennstoffes von Bedeutung, um den Kohlendioxidausstoß pro erzeugter Kilowattstunde zu senken. Das Gasgemisch kann dabei mit Hilfe von Membranen getrennt werden. Damit das Gasgemisch durch die Membran getrennt werden kann, ist eine Partialdruckdifferenz zwischen einer Feed-Seite der Membran und einer Permeatseite der Membran erforderlich. Die Membran ist dabei so ausgebildet, dass sie unterschiedlichen Gasen im Gasgemisch unterschiedlich stark entgegenwirkt, das heißt, sie weist eine unterschiedliche Stoffselektivität gegenüber den verschiedenen Gasen im Gasgemisch auf.
Aufgrund der Tatsache, dass Membranen eine endliche Selektivität aufweisen, kann eine vorgegebene Reinheit eines abzutrennenden fluiden Stoffes aus dem Stoffgemisch mit einer einzelnen Membran oft nicht erreicht werden. Um dieses Problem zu lösen, ist es bereits bekannt, das durch eine Membran bereits hindurchgetretene Permeat durch weitere Membranen durchzuleiten und auf diese Weise aufzukonzentrieren. Hierzu wird ein Teil des bereits durch eine Membran hindurchgeleiteten Stoffstromes zurückgeführt, mit dem ursprünglichen Stoffgemisch wieder gemischt und erneut durch eine oder mehrere Membranen mit Selektivität für den abzutrennenden Stoff zu dessen erneuter Abtrennung durchgeleitet. Zwischen den Membranen erfolgt eine Aufkonzentrierung, so dass 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 ein Druck eines Retentats der Membran ausreichend groß ist, um eine Kreisführung zu ermöglichen. Dabei ist zu beachten, dass der Volumenstrom des Retentats groß genug ist, um einen gewünschten hohen Abtrenngrad zu ermöglichen. Aufgrund dessen ist der Energiebedarf des Verdichters entsprechend hoch, was neben hohen Investitionskosten somit hohe Betriebskosten bedingt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Modul 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 sowie möglichst wenig Bauraum benötigen.
Diese Aufgabe wird mit einem Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Das in Anspruch 1 definierte Modul zum Trennen eines fluiden Stoffgemisches sowie das in Anspruch 11 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 bei gleichzeitigem gewünschtem hohen Reinheitsgrad des abzutrennenden Stoffes. Zudem ist das Modul besonders einfach und kompakt herstellbar, so dass es insbesondere möglichst wenig Bauraum benötigt.
Vorteilhafterweise sind die zumindest zwei Membranen benachbart zueinander angeordnet und insbesondere ist zwischen den benachbarten Membranen ein Zuführ- und/oder Abführkanal angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass damit ein noch kompakteres Modul auf einfache Weise hergestellt werden kann. Bei gleichem Bauraum ist es so möglich, die für eine Trennung des fluiden Stoffgemisches benötigte Membranfläche zu vergrößern, so dass ein zuverlässigeres und schnelleres Trennen des abzutrennenden fluiden Stoffes erreicht werden kann.
Zweckmäßigerweise sind die Membranen in Form einer Wicklung oder stapelförmig oder wabenförmig angeordnet. Sind die Membranen in Form einer Wicklung angeordnet, wird der zur Verfügung stehende Bauraum besonders effektiv genutzt, da die Membranfläche beispielsweise spiralförmig angeordnet wird und so bei größerem Abstand vom Zentrum immer mehr Membranfläche zur Verfügung steht, da die Größe der Membranfläche mit dem jeweiligen Abstand vom Zentrum skaliert, wohingegen der Abstand vom Zentrum durch die Dicke der Membranfläche bestimmt wird. Sind die Membranen stapelförmig angeordnet, ist dabei eine besonders einfache Herstellung des Moduls möglich. Die einzelnen Schichten bzw. Lagen können einfach übereinander und gegebenenfalls unter Anordnung verschiedener Zu- und Abführkanäle für das abzutrennende Stoffgemisch bzw. die abgetrennten Stoffe übereinander gestapelt bzw. -geschichtet werden, einhergehend mit geringen Herstellungskosten. Bei einer wabenförmigen Anordnung wird ein günstiges Membranfläche-Volumen-Verhältnis erreicht. Selbstverständlich ist auch eine beliebige Kombination oben genannter Formen für die Membranen möglich.
Zweckmäßigerweise sind die gewickelten Membranen in Umfangsrichtung versetzt zueinander, insbesondere regelmäßig angeordnet. Der Vorteil hierbei ist, dass damit auf einfache Weise gewickelte Membranen so angeordnet werden können, dass jeweils der abzutrennende Stoff zur Weiterverarbeitung zur Verfügung steht, ohne dass weitere Trennmittel oder aufwändige oder komplizierte Transportmittel für die abgetrennten Stoffe jeweils vorgesehen werden müssen. Bei einer insbesondere regelmäßigen Anordnung der Membranen ist zum einen deren Festlegung besonders einfach, zum anderen kann gleichzeitig auch eine Vielzahl von Membranen mit unterschiedlicher Stoffselektivität angeordnet werden, um auch ternäre oder höhere fluide Stoffgemische trennen zu können.
Vorteilhafterweise sind die gewickelten Membranen um zumindest ein Zentralrohr angeordnet, wobei das Zentralrohr zumindest jeweils einen Auslass für ein jeweiliges Permeat der beiden Membranen aufweist. Durch das Zentralrohr mit zumindest jeweils einem Auslass für das jeweilige Permeat der beiden Membranen wird auf einfache und äußerst kostengünstige Weise ein Wickelkörper für die Wicklung der Membranen zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig ist durch die beiden Auslässe in dem Zentralrohr der Bauraum möglichst gering bzw. wird gering halten, da keine zwei separaten Rohre mit jeweiligen Auslässen bereitgestellt werden müssen.
Zweckmäßigerweise sind die stapelförmig angeordneten Membranen derart gestapelt, so dass jeweils zwei benachbarte Membranen einmal dieselbe Stoffselektivität und einmal unterschiedliche Stoffselektivität aufweisen, insbesondere wobei zwei äußere Lagen jeweils unterschiedliche Stoffselektivität zur benachbarten Membran aufweisen. Der Vorteil dabei ist, dass damit eine Verwendung von gasdichten Trennplatten nicht erforderlich ist: Wäre die Abfolge der stapelförmig angeordneten Membranen derart, dass jeweils benachbarte Membranen unterschiedliche Stoffselektivität aufweisen, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Membranen ein Zwischenraum angeordnet ist, so würde, wenn die Zwischenräume abwechselnd als Feed-Seite bzw. Permeatseite der jeweiligen Membran genutzt werden und diese ebenfalls abwechselnd zwischen den Membranen angeordnet sind, jeweils das zu trennende Stoffgemisch, welches durch die Feed-Seite zwischen die beiden Membranen mit jeweils unterschiedlicher Stoffselektivität zugeführt wird, zwar jeweils getrennt auf die jeweilige Permeatseite durch die jeweilige Membran hindurchtreten. Da jedoch auf der gegenüberliegenden Seite wiederum eine Membran mit gegensätzlicher Stoffselektivität ebenfalls an dem entsprechenden Zwischenraum angeordnet ist, würde auch der zweite zu trennende Stoff in den entsprechenden Zwischenraum eintreten, so dass wiederum ein fluides Gemisch aus den beiden Stoffen vorliegen würde. Die Zusammensetzung dieses fluiden Gemisches könnte zwar leicht von der ursprünglichen Zusammensetzung abweichen, da gegebenenfalls die Membranen nicht nur eine unterschiedliche Stoffselektivität, sondern auch eine unterschiedliche Stärke in der Stoffselektivität aufweisen, im Endeffekt würde jedoch wieder ein Gemisch aus den beiden Stoffen vorliegen, welches sich kaum von der ursprünglichen Zusammensetzung des zu trennenden fluiden Stoffgemisches unterscheidet.
Zweckmäßigerweise sind Triebmittel zur Erhöhung eines Partialdruckunterschiedes zwischen Feed- und Permeatseite zumindest einer Membran angeordnet. Diese Triebmittel können beispielsweise in Form von Spülgasen bereitgestellt werden, die in die entsprechenden Zuführ- und Abführkanäle eingeleitet werden, um den Durchtritt eines aus dem fluiden Stoffgemisch zu trennenden Stoffes durch die entsprechende Membran zu verbessern.
Vorteilhafterweise sind die wabenförmig angeordneten Membranen auf einer Innen- und/oder Außenseite eines Abführkanals für einen jeweiligen fluiden Stoff des Stoffgemisches ausgebildet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit eine einfache Trennung des Stoffgemisches ermöglicht wird und gleichzeitig separate Zuführkanäle, um einen zweiten Abführkanal mit dem zu trennenden fluiden Stoffgemisch zu beaufschlagen, entfallen können.
Zweckmäßigerweise sind ein Zuführkanal und/oder die Abführkanäle rechteckig, hexagonal oder kreisförmig ausgebildet. Der Vorteil einer rechteckigen Ausgestaltung der Kanäle bei einer wabenförmigen Anordnung ist, dass damit im Falle der Abführkanäle keine direkt nebeneinander liegenden Membranen mit unterschiedlicher Stoffselektivität auftreten. Des Weiteren ist eine rechteckige Anordnung der Kanäle auch mechanisch gegenüber einer hexagonalen Anordnung günstiger. Bei einer hexagonalen Anordnung ist jedoch wiederum das Membranfläche/Volumen-Verhältnis günstiger. Eine kreisförmige Ausbildung des Zuführkanals und der Abführkanäle ermöglicht eine besonders einfache Herstellung des Zuführkanals als auch der Abführkanäle. Die Abführkanäle können bei allen Ausgestaltungen beispielsweise über ein Dip-Coating-Verfahren beschichtet werden. Sind geeignete Masken für die Abführkanäle ausgewählt, können die Kanäle während des Coatings selektiv verschlossen werden und somit von der Beschichtung ausgenommen werden. Auf diese Weise können Abführkanäle mit unterschiedlichen Stoffselektivitäten erzeugt werden. Dabei können die selektiven Beschichtungen sowohl aus anorganischem Material als auch aus organischem Material bestehen. Anstelle der hergestellten Zuführkanäle ist es ebenfalls möglich, einen entsprechend porösen Grundkörper zu verwenden, in dem dann lediglich entsprechende Abführkanäle zum Abführen der getrennten Stoffe des fluiden Stoffgemisches vorgesehen werden. Sind die Kanäle mit einer entsprechenden Membran mit entsprechender Stoffselektivität beschichtet, kann beispielsweise der poröse Grundkörper einfach mit einem zu trennenden fluide Stoffgemisch beaufschlagt werden. Das zu trennende Stoffgemisch dringt dann durch den gesamten porösen Grundkörper und weiter zu den entsprechenden Membranen der Abführkanäle vor. Durch die mit der entsprechenden Stoffselektivität versehenen Membranen tritt dann der entsprechende abzutrennende Stoff in den entsprechenden Abführkanal ein und das fluide Stoffgemisch wird auf diese Weise getrennt.
Vorteilhafterweise umfasst das Modul poröses Material, insbesondere wobei das poröse Material als Zuführkanal für zumindest eine Membran ausgebildet ist. Der Vorteil hierbei ist, dass damit unterschiedliche Formen von Zuführ- und auch Abführkanälen verwendet werden können ohne die Gasdurchlässigkeit und die mechanische Belastbarkeit der Kanäle zu vermindern. Gleichzeitig sinkt der Herstellungsaufwand für ein Modul, da kein separater Zuführkanal mehr vorgesehen werden muss.
Ein Modul gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–10 kann aus beliebig vielen weiteren entsprechenden Modulen kombiniert werden. Ein Wickelmodul kann beispielsweise eine Länge von ca. einem Meter aufweisen und ein gestapeltes Modul kann beispielsweise eine Grundfläche von ca. 20 × 20 cm bis ca. 50 × 50 cm aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Modul gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Zentralrohres gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsdarstellung eines Moduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Prinzipdarstellung eines Aufbaus eines Moduls gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Moduls gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Moduls gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt ein Modul gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 ist in dreidimensionaler schematischer Ansicht ein äußeres Zentralrohr 4 gezeigt, in dessen Inneren koaxial zu dem äußeren Zentralrohr 4 ein inneres Zentralrohr 3 verläuft. Um das äußere Zentralrohr 4 sind nun verschiedene Schichten bzw. Lagen 5, 6, 7, 8 gewickelt. Dabei besteht gemäß 1 die innerste Lage 8 aus einer Membran mit einer Stoffselektivität für den zweiten Stoff. Die Membran 8 ist dabei als Membrantasche ausgebildet, d. h. die Membrantasche ist aus einer im Wesentlichen flachen Membran durch ein Umklappen der Membran an einer Seite gebildet, so dass im Wesentlichen zwei Membranseiten parallel zueinander die Schicht bzw. Lage 8 bilden. Innerhalb der Schicht 8 ist zur Beabstandung der gegenüberliegenden Membranseiten voneinander und zur Durchleitung des Permeats, angereichert mit zweitem Stoff, ein Abstandshalter 8a angeordnet. In der zur Achse verlaufenden Seite 81 ist die Membrantasche, wie vorstehend beschrieben, umgeklappt, wohingegen sie den Stirnseiten 82 und 83 gasdicht verschlossen, beispielsweise verschweißt, ist. Darüber wird eine Abstandshalterschicht 7 angeordnet zur Beabstandung der Schicht 8 von einer darauf angeordneten zweiten Schicht in Form einer Membrantasche 6, welche selektiv für den ersten Stoff ausgebildet ist. An der Längskante 61 der Membrantasche 6 ist diese wiederum wie vorstehend mit Bezug auf die Membrantasche 8 beschrieben umgeklappt, wohingegen sie an den Stirnseiten 62 und 63 umseitig gasdicht verschlossen, beispielsweise verschweißt, ist. Auf der Oberseite der ersten Membrantasche 6 ist wiederum eine Abstandshalterschicht 5, beispielsweise in Form eines Drahtgitters, angeordnet.
Dieses vierschichtige System 5, 6, 7, 8 wird nun um das äußere Zentralrohr 4 gewickelt (siehe auch 3). Die Stirnseiten 52, 62, 72, 82 der um das äußere Zentralrohr 4 gewickelten Lagen 5, 6, 7, 8 werden nun mit dem trennenden Gasgemisch 1 beaufschlagt. Da die Stirnseiten 62 und 82 der beiden Membrantaschen 6, 8 verschweißt sind, tritt somit das zu trennende fluide Stoffgemisch nur in die Abstandsschichten 5 und 7 ein. Das sich in den Abstandsschichten 5, 7 befindliche fluide Stoffgemisch 1 kann nun getrennt werden, indem der erste Stoff durch die Membran der Membrantasche 8 mit einer Stoffselektivität für diesen zweiten Stoff in diese eindringen kann und der erste Stoff kann durch die Membran der Membrantasche 6 mit der Stoffselektivität für den ersten Stoff in diese eintreten. Innerhalb der Membrantaschen 6 und 8 wird das um den ersten bzw. zweiten Stoff angereicherte Permeat zu dem äußeren bzw. inneren Zentralrohr 4, 3 geleitet, über die dann das mit dem ersten Stoff bzw. zweiten Stoff angereicherte Permeat einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden kann. Das Retentat, also der Teil des Stoffgemisches, welcher nicht durch die jeweilige Membran der Membrantaschen 6, 8 durchpermeiert ist, strömt entlang der axialen Richtung des äußeren Zentralrohres 4 innerhalb der Abstandsschichten 5 und 7 bis zu den gegenüberliegenden Stirnseiten in axialer Richtung; dort kann dieses dann einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Zentralrohres gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 2 ist das innere Zentralrohr 3 und das äußere koaxial angeordnete Zentralrohr 4 gezeigt. Zur Einleitung von fluiden Stoffen oder Stoffgemischen sind umfangsseitig Öffnungen 9a, 9b im äußeren Zentralrohr 4 angeordnet. Dabei stehen die Öffnungen 9a in fluidischer Verbindung mit dem inneren Zentralrohr 3, wohingegen die Öffnungen 9b in fluidischer Verbindung mit dem äußeren Zentralrohr 4 stehen. Die beiden Zentralrohre 3 und 4 sind dabei fluidisch nicht miteinander verbunden, sondern dienen zur separaten Durchströmung von fluiden Stoffen.
3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Moduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 3 ist im Querschnitt ein Modul gemäß 1 gezeigt. Mittig angeordnet ist das innere Zentralrohr 3, welches eine Öffnung 9a nach unten aufweist. Koaxial hierzu ist das äußere Zentralrohr 4 angeordnet, welches eine Öffnung 9b nach oben aufweist. Die Membrantasche 6 ist nun so angeordnet, dass diese bzw. deren Inneres in fluidischer Verbindung mit der Öffnung 9b des äußeren Zentralrohres 4 steht, wohingegen die Membrantasche 8 entsprechend so angeordnet ist, dass sie in fluidischer Verbindung, genauer gesagt deren Inneres, mit der Öffnung 9a des inneren Zentralrohres 3 steht. Die Membrantaschen 6, 8 sind dabei wie auch die Öffnungen 9a, 9b jeweils um 180° versetzt zueinander, also regelmäßig, angeordnet. Innerhalb der Membrantaschen 6, 8 sind weiterhin Abstandshalter 6a, 8a angeordnet, um ein Durchströmen eines fluiden Stoffgemisches in der jeweiligen Membrantasche 6, 8 zu ermöglichen. Zwischen den Membrantaschen 6, 8 sind ebenfalls Abstandshalter 5, 7 angeordnet, die jeweils an der äußeren Umfangsflächen des äußeren Zentralrohres 4 festgelegt sind.
Um ein Modul herzustellen, werden nun die einzelnen Schichten umfassend den Abstandshalter 5, die Membrantasche 6, den Abstandshalter 7, sowie die Membrantasche 8 am äußeren Zentralrohr 4 wie oben beschrieben festgelegt und dann entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt. Die Membrantaschen 6, 8 können dabei mit dem äußeren Zentralrohr 4 beispielsweise verklebt sein. Selbstverständlich ist es möglich, die in den 1, 2 und 3 gezeigte Anordnung auf mehr als zwei Membrantaschen zu erweitern, um beispielsweise ternäre oder höhere Stoffgemische effizient trennen zu können.
4 zeigt ein Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 4 ist eine im Wesentlichen rechteckige Grundplatte G gezeigt, die an ihren jeweiligen Ecken-Bohrungen B aufweist. Auf die Grundplatte 6 aufgebracht sind nun verschiedene flache Teilmembranmodule M angeordnet, die entsprechende Abmessungen wie die der Grundplatte G aufweisen und die ebenfalls in ihren jeweiligen Ecken mit Bohrungen B versehen sind. Im Inneren des jeweiligen Teilmembranmoduls M ist eine Membran 6, 8 angeordnet, die eine Stoffselektivität für einen bestimmten fluiden Stoff aufweist. Die Grundplatte G sowie die Teilmembranmodule M können dann über die Bohrungen B miteinander fest verbunden werden, beispielsweise durch eine entsprechende Verschraubung. Selbstverständlich sind zwischen den einzelnen Teilmembranmodulen M bzw. zwischen dem Teilmembranmodul M und der Grundplatte G entsprechende Dichtungen angeordnet, um ein gezieltes Zu- und Abführen von fluiden Stoffströmen in die Zwischenräume zwischen den Teilmembranmodulen M und/oder der Grundplatte G zu ermöglichen. Ebenfalls nicht eingezeichnet sind entsprechende Stützschichten, um Druckdifferenzen zwischen den einzelnen Teilmembranmodulen M zu ermöglichen. Ebenfalls nicht eingezeichnet sind entsprechende Zu- und Abführungen, beispielsweise Leitungen für das zu trennende Stoffgemisch. Hierzu können beispielsweise auch die Bohrungen B verwendet werden: So können hohle Gewindestangen durch die Bohrungen B geführt werden, die dann entsprechend den Zwischenräumen zwischen den Teilmembranmodulen M bzw. der Grundplatte G Öffnungen aufweisen, um über die hohlen Gewindestangen dann das zu trennende Stoffgemisch in die Teilmembranmodulzwischenräume einleiten zu können.
5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Aufbaus eines Moduls gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 5 ist ein entsprechender Aufbau eines Moduls mit stapelförmig angeordneten Membranen 6, 8 gezeigt. Der Aufbau von unten nach oben ist wie folgt: Auf einer Grundplatte G₁ ist ein Zwischenraum Z₁ zur Durchleitung eines Fluids angeordnet. Auf diesem Zwischenraum Z₁ ist eine Membran 8 angeordnet, welche selektiv für den zweiten Stoff ist. Oberhalb der Membran 8 ist ein weiterer Zwischenraum Z₂ zur Durchleitung eines fluiden Stoffes angeordnet. Auf diesem ist eine Membran 6 angeordnet, welche eine Stoffselektivität für den ersten Stoff aufweist. Darüber ist wiederum ein Zwischenraum Z₃ zur Durchleitung eines Fluids angeordnet. Auf diesem ist wiederum eine Membran 6 mit einer Stoffselektivität für den ersten Stoff angeordnet. Unter Bildung eines weiteren Zwischenraumes Z₄ ist nun wiederum eine Membran 8, welche eine Stoffselektivität für den zweiten Stoff aufweist, angeordnet. Diese Abfolge von Membranen wird im Wesentlichen fortgeführt, so dass unter Bildung von Zwischenräumen Z die Membranabfolge wie folgt ist: BAABBA...A. Begrenzt wird diese Membranabfolge von Grundplatten G₁ sowie G₂.
Ein Zwischenraum Z₂, Z₄ zwischen zwei Membranen mit unterschiedlicher Stoffselektivität wird nun mit dem zu trennenden Stoffgemisch 1 gemäß 5 von links zwischen die Membranen 6 und 8 geleitet. Das nicht durch die entsprechende Membranen 6, 8 hindurchtretende fluide Stoffgemisch 1, also das Retentat R wird rechts wieder aus dem Zwischenraum Z₂ herausgeführt. Der erste Stoff und der zweite Stoff treten entsprechend nach oben und nach unten durch die jeweilige Membran 6, 8 in die Zwischenräume Z₃, Z₁ ein als Permeat P_A bzw. Permeat P_B und werden nach links aus dem Zwischenraum Z₃ bzw. Z₁ herausgeführt. Zur Unterstützung der Permeation durch die jeweilige Membran 6, 8 können Spülströme bzw. -gase in die Zwischenräume Z₃, Z₁ geleitet werden.
Durch die vorstehend beschriebene Abfolge ist es nicht notwendig, gasdichte Trennplatten zwischen den einzelnen Membranen 6, 8 zu verwenden. In 5 werden die benachbarten Zwischenräume Z₁, Z₂ bzw. Z₂, Z₃ etc. jeweils in entgegengesetzten Richtungen durchflossen, also im sogenannten Gegenstromverfahren. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, hier auch das Modul im Gleich- oder Kreuzstromverfahren zu betreiben.
6 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Moduls gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 6 ist ein zylindrischer Grundkörper Z gezeigt, der in axialer Richtung eine Wabenstruktur W umfasst. Die Wabenstruktur W umfasst dabei axiale Kanäle K₁ zum Zuführen des zu trennenden fluiden Stoffgemisches. Diese Kanäle K₁ sind an ihrer Umfangsfläche zumindest sowohl für den ersten Stoff als auch für den zweiten Stoff durchlässig ausgebildet. Angrenzend an diesen Zuführkanal K₁ sind in Umfangsrichtung um den Zuführkanal K₁ abwechselnd Abführkanäle K₆, K₈ angeordnet. Die Abführkanäle K₆ sind dabei mit einer Membran 6 beschichtet, die eine Selektivität für einen ersten Stoff aufweist und die Abführkanäle K₈ sind mit einer Membran 8 beschichtet, die eine Stoffselektivität für den zweiten Stoff des fluiden Stoffgemisches aufweist. Die jeweiligen Membranen können auch selbst die Abführkanäle K₆, K₈ bilden. In 6 sind die einzelnen Waben sechseckig ausgebildet. Ist beispielsweise in der Mitte ein Zuführkanal K₁ angeordnet, sind jeweils abwechselnd drei Abführkanäle K6 und drei Abführkanäle K₈ um den Zuführkanal K₁ angeordnet. Bei der sechseckigen Ausbildung der Zuführkanäle K₁ bzw. der Abführkanäle K₆, K₈ ist ein günstiges Membranfläche/Volumen-Verhältnis gegeben. Zudem ist eine sechseckige Ausbildung der Membranen 6, 8 unempfindlich gegenüber mechanischen Belastungen.
7 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Moduls gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 7 ist im Unterschied zu der Wabenstruktur W der 6 die Wabenstruktur W viereckig und insbesondere in 7 quadratisch ausgebildet. Die jeweiligen Kanäle K₁, K₆ und K₈ erstrecken sich wieder entlang der Achse des zylindrischen Grundkörpers Z. Der Vorteil einer rechteckigen Ausbildung der Waben ist, dass bei dieser Anordnung der Waben keine direkt benachbarten Membranen unterschiedlicher Stoffselektivität auftreten, so dass eine optimale Stofftrennung in die zwei Stoffe gewährleistet ist.
Um die entsprechenden Kanäle K₁, K₆ und K₈ herzustellen bzw. diese selektiv für einen bestimmten Stoff auszubilden, können diese innen mit einer entsprechenden Membran beschichtet werden. Die Kanäle selbst sind für das fluide Stoffgemisch durchlässig ausgebildet. Eine Einbringung der für eine Beschichtung notwendigen Materialien kann zum Beispiel über ein Dip-Coating-Verfahren erfolgen. Durch eine Wahl geeigneter Masken, die die Kanäle während des Beschichtens selektiv verschließen und diese somit von der Beschichtung ausnehmen, werden Abführkanäle K₆, K₈ mit unterschiedlichen Stoffselektivitäten erzeugt. Diese Beschichtungen können anorganischer oder auch organischer Natur sein.
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist es ebenso möglich, den zylindrischen Grundkörper Z als porösen Körper auszubilden und in diesem lediglich entsprechende Abführkanäle K₆, K₈ vorzusehen. Das zu trennende fluide Stoffgemisch wird dann durch den porösen Grundkörper Z geleitet und entsprechend der Selektivität der Beschichtungen der Abführkanäle K₆, K₈ getrennt und kann durch die Abführkanäle K₆, K₈ zur weiteren Verarbeitung abgeführt werden.
Für einen Betrieb eines Moduls gemäß der 6 und 7 müssen geeignete Kopfplatten, die an den Stirnseiten des zylindrischen Grundkörpers Z angebracht werden, vorgesehen werden, die die verschiedenen Stoffströme gezielt an die jeweiligen Waben bzw. den porösen Grundkörper einleiten bzw. ausleiten. Selbstverständlich ist im Falle eines gasdurchlässigen Grundkörpers eine Ummantelung vorzusehen.
Zusammenfassend weist die Erfindung den Vorteil auf, dass auf einfache und zuverlässige Weise und möglichst geringem Energieeinsatz zwei Stoffe eines Stoffgemisches getrennt werden können und das entsprechende Modul kostengünstig und platzsparend ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung bevorzugt anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Modul zum Trennen von fluiden Stoffgemischen (1), bestehend aus zumindest zwei unterschiedlichen Stoffen, umfassend zumindest zwei Membranen (6, 8), welche unterschiedliche Stoffselektivität in Bezug auf die zumindest zwei unterschiedlichen Stoffe aufweisen, wobei die beiden Membranen (6, 8) im Wesentlichen gleichzeitig von dem fluiden Stoffgemisch (1) beaufschlagbar sind.
Modul gemäß Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Membranen (6, 8) benachbart zueinander angeordnet sind und insbesondere zwischen den benachbarten Membranen ein Zuführ- (K₁) und/oder Abführkanal (K₆, K₈) angeordnet ist
Modul gemäß zumindest Anspruch 1, wobei die Membranen (6, 8) in Form einer Wicklung oder stapelförmig oder wabenförmig angeordnet sind
Modul gemäß zumindest Anspruch 3, wobei die gewickelten Membranen (6, 8) in Umfangsrichtung versetzt zueinander, insbesondere regelmäßig, angeordnet sind.
Modul gemäß zumindest Anspruch 3, wobei die gewickelten Membranen (6, 8) um zumindest ein Zentralrohr (3, 4) angeordnet sind, wobei das Zentralrohr (3, 4) zumindest jeweils einen Auslass (10a, 10b) für ein jeweiliges Permeat der beiden Membranen (6, 8) aufweist.
Modul gemäß zumindest Anspruch 3, wobei die stapelförmig angeordneten Membranen (6, 8) derart gestapelt sind, sodass jeweils zwei benachbarte Membranen (6, 8) einmal dieselbe Stoffselektivität und einmal unterschiedliche Stoffselektivität aufweisen, insbesondere wobei zwei äußere Lagen jeweils unterschiedliche Stoffselektivität zur benachbarten Membran (6, 8) aufweisen.
Modul gemäß zumindest Anspruch 1, wobei Triebmittel (S_A, S_B) zur Erhöhung eines Partialdruckunterschiedes zwischen einer Feed- und einer Permeatseite zumindest einer Membran (6, 8) angeordnet sind.
Modul gemäß zumindest Anspruch 3, wobei die wabenförmig angeordneten Membranen (6, 8) auf einer Innen- und/oder Außenseite eines Abführkanals (K₆, K₈) für einen jeweiligen fluiden Stoff des Stoffgemiches ausgebildet.
Modul gemäß zumindest Anspruch 2, wobei der Zuführkanal (K₁) und die Abführkanäle (K₆, K₈) rechteckig, hexagonalen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Modul gemäß zumindest Anspruch 1, wobei das Modul poröses Material umfasst, insbesondere wobei das poröse Material als Zuführkanal (K₁) für zumindest eine Membran (6, 8) ausgebildet ist.
Verfahren zum Trennen von fluiden Stoffgemischen (1), insbesondere Fluiden, vorzugsweise zur Durchführung mit einem Modul gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–10 geeignet, bestehend aus zumindest zwei unterschiedlichen Stoffen, umfassend ein gleichzeitiges Trennen der zumindest zwei fluiden Stoffe mittels zumindest zwei Membranen (6, 8), welche unterschiedliche Stoffselektivität in Bezug auf die zumindest zwei unterschiedlichen fluiden Stoffe aufweisen, wobei die beiden Membranen (6, 8) im Wesentlichen gleichzeitig von dem fluiden Stoffgemisch (1) beaufschlagt werden.