DE102013220199B4

DE102013220199B4 - Membrandestillationsvorrichtung und Verfahren zur Membrandestillation

Info

Publication number: DE102013220199B4
Application number: DE102013220199.0A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Heinzl; Markus Wenzel; Sebastian Büttner; Dominik Weiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Evcon GmbH
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2033-10-08
Also published as: DE102013220199A1

Abstract

Membrandestillationsvorrichtung (10) mit einer oder mehreren Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36), wobei jede Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) mindestens einen eine aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal (11) aufweist, der durch eine dampfdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membranwand (12) von einem Dampfraum (13) der jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) getrennt ist, und der Dampfraum (13) durch eine Kondensationswand (14) begrenzt ist, an der ein aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehender und durch die Membranwand (12) hindurchtretender Dampf kondensiert, wobei zur Abfuhr eines an der Kondensationswand (14) einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) anfallenden Destillats ein Destillatauslass (20) an den Dampfraum (13) angeschlossen ist, wobei zur Abfuhr von ungewollt durch die Membranwand (12) einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) gelangten Flüssigkeit ein Flüssigkeitsauslass (22) an den Dampfraum (13) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfraum (13) von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) mehrere in einer Reihe angeordnete Kammern (25, 26) umfasst, wobei benachbarte Kammern (25, 26) durch eine jeweilige flüssigkeits- und gasdichte Trennwand (27) voneinander getrennt sind, und jede Trennwand (27) eine für den Dampf durchlässige Öffnung aufweist, wobei ein als Flüssigkeitssperre ausgebildeter Damm (23) vorgesehen ist, der den Durchtritt von Flüssigkeit durch mindestens eine Öffnung verhindert, und wobei die erste in der Reihe angeordnete Kammer (25) durch die Membranwand (12) und die letzte in der Reihe angeordnete Kammer (26) durch die Kondensationswand (14) begrenzt sind, wobei die Öffnung oder Öffnungen in der oder den Trennwänden (27) derart versetzt zur Membranwand (12) und Kondensationswand (14) angeordnet sind, dass keine direkte Sichtverbindung zwischen der Membranwand (12) und der Kondensationswand (14) besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membrandestillationsvorrichtung und ein Verfahren zur Membrandestillation.
Bei der Membrandestillation wird die zu trennende Flüssigkeit entlang einer für nicht benetzende Flüssigkeiten undurchlässigen und für Gase durchlässigen Membranwand geführt, wobei die leichtsiedenden Komponenten der Flüssigkeit aufgrund einer Partialdruckdifferenz durch die Membranwand verdampfen. Die Membranwand dient der Phasentrennung und ermöglicht es, eine sehr große Phasengrenzfläche für die Verdampfung zu erzeugen. Hierbei wird beispielsweise eine vertikale Phasengrenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas ermöglicht. Die verdampften Inhaltsstoffe werden nach Durchqueren der Membranwand auf der anderen Seite kondensiert und können so flüssig gewonnen und dem Prozess entzogen werden.
Es existieren unterschiedliche verfahrenstechnische Varianten von Membrandestillationsverfahren, denen allen die Trennung der verschiedenen Phasen und/oder Fluide durch selektiv permeable Membranen gemeinsam ist, beispielsweise Direktkontaktmembrandestillation, Luftspaltmembrandestillation, Trägergasmembrandestillation und Vakuummembrandestillation.
Eine Membrandestillationsvorrichtung umfasst eine oder mehrere Verdampfungs- und Kondensationsstufen. Jede Verdampfungs- und Kondensationsstufe weist mindestens einen eine aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal und einen Dampfraum auf. Der die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führende Strömungskanal ist durch eine dampfdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membranwand von dem Dampfraum der jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe getrennt. Ferner ist der Dampfraum durch eine Kondensationswand begrenzt, an der der aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehende und durch die Membranwand hindurchtretende Dampf kondensiert. Zur Abfuhr des an der Kondensationswand einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe anfallenden Destillats ist ein Destillatauslass an den Dampfraum angeschlossen.
Die auf dem Markt erhältlichen Membranen, die für die Membrandestillation geeignet sind, weisen eine gute Dichtigkeit gegenüber Flüssigkeiten auf. Jedoch kann aufgrund einer mechanischen Beschädigung der Membranwand oder aus einem sonstigen Grund ungewollt Flüssigkeit durch die Membranwand in den Dampfraum gelangen. Eine derartige Durchlässigkeit der Membranwand kann beispielsweise herstellungsbedingt sein oder aber erst im Laufe des Betriebs der Membrandestillationsvorrichtung auftreten. In jedem Fall ist dadurch die Qualität des Destillationsprodukts gefährdet, da dieses mit der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit in Berührung kommen und vermischt werden kann. Die erfolgreiche Trennaufgabe der Membrandestillationsvorrichtung ist in einem solchen Fall nicht mehr gewährleistet.
Herkömmliche Membrandestillationsvorrichtungen sind aus den Druckschriften JP 2012-130 874 A , DE 10 2009 020 179 A1 und JP H03-187 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Membrandestillationsvorrichtung zu schaffen, die insbesondere verhindert, dass durch eine defekte Membranwand gelangte Flüssigkeitstropfen die Kondensationswand erreichen und das Destillat verunreinigen. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren zur Membrandestillation angegeben werden.
Bei einer Membrandestillationsvorrichtung der oben genannten Art wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Flüssigkeitsauslass gelöst, der an den Dampfraum einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe angeschlossen ist und zur Abfuhr von ungewollt durch die Membranwand gelangten Flüssigkeit dient. Die Abfuhr der aufgrund von Leckage durch die Membranwand gelangten Flüssigkeit aus dem Dampfraum durch den Flüssigkeitsauslass verhindert eine Kontamination des sich an der Kondensationswand ansammelnden Destillats.
Um die durch die Membranwand gelangte Flüssigkeit zuverlässig durch den Flüssigkeitsauslass abfließen zu lassen, sind vorteilhafterweise der Destillatauslass und der Flüssigkeitsauslass derart zur Kondensationswand bzw. zur Membranwand orientiert bzw. diesen zugeordnet, dass das an der Kondensationswand anfallende und durch die Schwerkraft die Kondensationswand herunterrinnende Destillat durch den Destillatauslass und die durch die Membranwand gelangte Flüssigkeit durch den Flüssigkeitsauslass abfließen, ohne dass die Flüssigkeit das Destillat kontaminiert.
Insbesondere sind dabei vorteilhafterweise der Destillatauslass und der Flüssigkeitsauslass benachbart zur Kondensationswand bzw. zur Membranwand angeordnet. Mit anderen Worten kann vorzugsweise die Entfernung des Destillatauslasses zur Kondensationswand geringer sein als seine Entfernung zur Membranwand, und die Entfernung des Flüssigkeitsauslasses zur Membranwand kann geringer sein als seine Entfernung zur Kondensationswand.
Als weitere Maßnahme, die zur Vermeidung einer Produktkontamination dient, ist gemäß einer Ausgestaltung eine Flüssigkeitssperre zwischen dem Destillatauslass und dem Flüssigkeitsauslass in dem Dampfraum von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen vorgesehen. Bei der Flüssigkeitssperre, die verhindert, dass die durch die Membranwand gelangte Flüssigkeit durch den Destillatauslass abfließt, kann es sich insbesondere um einen Damm handeln, der am Boden des Dampfraums angebracht ist und eine ausreichende Höhe aufweist.
Als weitere Maßnahme zur Vermeidung einer Produktkontamination können ein oder mehrere Ablaufschrägen in dem Dampfraum von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen angeordnet sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Ablaufschrägen am Boden des Dampfraums derart angebracht sein, dass die durch die Membranwand gelangte Flüssigkeit zu dem Flüssigkeitsauslass geführt wird und nicht durch den Destillatauslass abfließt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Boden des Dampfraums eine oder mehrere Ablaufschrägen aufweisen, die das die Kondensationswand hinabrinnende Destillat zum Destillatauslass leiten.
Eine weitere Ausgestaltung sieht ein zu dem Dampfraum von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen hin offenes Destillatsammelbecken vor, an das der Destillatauslass angeschlossen ist. Des Weiteren kann in dem Dampfraum von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen ein Flüssigkeitssammelbecken vorgesehen sein, an das der Flüssigkeitsauslass angeschlossen ist. In den jeweiligen Sammelbecken können das Destillat und die Flüssigkeit gesammelt werden, bevor diese durch die jeweiligen Auslässe abgeführt werden. Somit trägt auch diese Maßnahme dazu bei, dass die durch die Membranwand gelangte Flüssigkeit dem Prozess entzogen wird, bevor es zu einer Kontamination des Destillats durch die Flüssigkeit kommt.
Eine defekte Membranwand kann auch zu einem Tropfenflug der durch die Membranwand gelangten Flüssigkeit durch den Dampfraum führen. Um zu vermeiden, dass derartige Flüssigkeitstropfen die Kondensationswand erreichen oder in anderer Weise das Destillat verunreinigen, können verschiedene Vorkehrungen getroffen werden.
Eine Möglichkeit zum Auffangen der Tropfen besteht in einer labyrinthartigen Führung des aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehenden und durch die Membranwand hindurchtretenden Dampfs. Dazu ist der Dampfraum von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen durch mehrere in einer Reihe angeordnete Kammern unterteilt. Die erste in der Reihe angeordnete Kammer ist durch die Membranwand und die letzte in der Reihe angeordnete Kammer ist durch die Kondensationswand begrenzt. Benachbarte Kammern sind durch eine jeweilige flüssigkeits- und gasdichte Trennwand voneinander getrennt. Jede Trennwand weist eine für den Dampf durchlässige Öffnung auf, so dass der durch die Membranwand hindurchtretende Dampf durch die Öffnungen in den Trennwänden zu der Kondensationswand gelangen kann. Außerdem ist mindestens eine Öffnung mit einer Flüssigkeitssperre, insbesondere einem Damm, versehen, die den Durchtritt von am Boden der jeweiligen Kammer angesammelter Flüssigkeit durch die Öffnung verhindert. Somit gelangt lediglich der Dampf zur Kondensationswand, während die durch die Membranwand hindurchgetretenen Flüssigkeitstropfen von der oder den Trennwänden aufgefangen werden.
Erfindungsgemäß sind die Öffnung oder Öffnungen in der oder den Trennwänden derart versetzt zur Membranwand und Kondensationswand angeordnet, dass keine direkte Sichtverbindung zwischen der Membranwand und der Kondensationswand besteht. Bei einer derartigen Anordnung können zwei im Dampfraum vorgesehene Kammern ausreichend sein, um zu verhindern, dass Flüssigkeitstropfen von der Membranwand direkt zur Kondensationswand fliegen.
Weiterhin kann zur Unterbindung von Tropfenflug ein Tropfenfänger zwischen der Membranwand und der Kondensationswand in dem Dampfraum von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen angebracht sein. Der Tropfenfänger kann beispielsweise als Gitter oder als weitere Membran realisiert sein. Der Tropfenfänger ist so angeordnet, dass sich daran ansammelnde Tropfen nicht in das Destillat fließen. Insbesondere erstreckt sich der Tropfenfänger direkt oberhalb von der Flüssigkeitssperre.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Membrandestillationsvorrichtung mehrere hintereinander geschaltete Verdampfungs- und Kondensationsstufen. Dabei grenzt eine jeweilige nachfolgende Verdampfungs- und Kondensationsstufe mit ihrem die Flüssigkeit führenden Strömungskanal unmittelbar an die Kondensationswand der vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe an. Diese Kondensationswand trennt somit den Dampfraum der vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe von dem die Flüssigkeit führenden Strömungskanal der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe. Die bei der Kondensation des Dampfs an der Kondensationswand frei werdende Energie wird durch die wärmeleitende Kondensationswand auf die durch den benachbarten Strömungskanal fließende aufzukonzentrierende Flüssigkeit übertragen und dient folglich als Wärmequelle zur weiteren partiellen Verdampfung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit in der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe.
Vorzugsweise sind bei einer mehrstufigen Ausführung der Membrandestillationsvorrichtung die die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanäle der Verdampfungs- und Kondensationsstufen in Reihe geschaltet. Ein Auslass des die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanals einer jeweiligen vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe ist dabei an einen Einlass des die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanals der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe angeschlossen. Demnach wird die aufzukonzentrierende Flüssigkeit sukzessive durch die hintereinander geschalteten Verdampfungs- und Kondensationsstufen geführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Destillatauslässe der Verdampfungs- und Kondensationsstufen zur Abfuhr des Destillats miteinander verbunden. Ferner können die Flüssigkeitsauslässe der Verdampfungs- und Kondensationsstufen zur Abfuhr der ungewollt durch die Membranwände gelangten Flüssigkeit miteinander verbunden sein. Da typischerweise in den Dampfräumen der einzelnen Verdampfungs- und Kondensationsstufen unterschiedliche Drücke herrschen, ist zum Druckausgleich vorzugsweise der Destillatauslass einer jeweiligen vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe mit dem Destillatauslass der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe über eine jeweilige Drosselvorrichtung, vorzugsweise ein Ventil oder eine Blende, verbunden. Ferner kann der Flüssigkeitsauslass einer jeweiligen vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe mit dem Flüssigkeitsauslass der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe über eine jeweilige Drosselvorrichtung, vorzugsweise ein Ventil oder eine Blende, verbunden sein.
Um größere Volumenströme abarbeiten zu können, umfasst mindestens eine der Verdampfungs- und Kondensationsstufen vorteilhafterweise mehrere zueinander parallele, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führende Strömungskanäle. Die mehreren zueinander parallelen Strömungskanäle sind durch eine jeweilige dampfdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membranwand vom Dampfraum getrennt.
Die oben beschriebene Aufgabenstellung wird des Weiteren gelöst durch ein Verfahren zur Membrandestillation, bei dem eine aufzukonzentrierende Flüssigkeit durch eine oder mehrere Verdampfungs- und Kondensationsstufe geführt wird und jede Verdampfungs- und Kondensationsstufe mindestens einen die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal aufweist, der durch eine dampfdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membranwand von einem Dampfraum der jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe getrennt ist. Aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehender Dampf tritt durch die Membranwand der jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe in den Dampfraum hindurch und kondensiert an einer den Dampfraum begrenzenden Kondensationswand. Das an der Kondensationswand einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe anfallende Destillat wird durch einen an den Dampfraum angeschlossenen Destillatauslass abgeführt. Ungewollt durch die Membranwand einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe gelangte Flüssigkeit wird durch einen an den Dampfraum angeschlossenen Flüssigkeitsauslass abgeführt, wodurch eine Kontamination des Destillats mit dieser Flüssigkeit verhindert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sämtliche oben aufgeführte Ausgestaltungen umfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung mit einem eine aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal, einem von dem Strömungskanal durch eine Membranwand getrennten Dampfraum, einem im Dampfraum angeordneten Damm sowie an den Dampfraum angeschlossene Destillat- und Flüssigkeitsauslässe;
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung mit einem durch eine Trennwand in zwei Kammern unterteilten, labyrinthartigen Dampfraum;
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung mit einem im Dampfraum angebrachten Tropfenfänger;
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung mit einem Flüssigkeitssammelbecken und Ablaufschrägen für das Destillat;
5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung mit zwei hintereinander angeordneten Verdampfungs- und Kondensationsstufen; und
6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung mit mehreren zueinander parallelen, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanälen.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung 10 mit einer Verdampfungs- und Kondensationsstufe. Ein Vektor g zeigt in 1 sowie allen weiteren Figuren die Richtung der Schwerkraft an.
Die Membrandestillationsvorrichtung 10 besteht aus einem Strömungskanal 11 und einem durch eine mikroporöse, dampfdurchlässige, jedoch flüssigkeitsundurchlässige Membranwand 12 von dem Strömungskanal 11 getrennten Dampfraum 13. Auf der der Membranwand 12 gegenüberliegenden Seite ist der Dampfraum 13 durch eine Kondensationswand 14 begrenzt. Der Strömungskanal 11 ist mit einem Einlass 15 und einem Auslass 16 versehen, an denen eine aufzukonzentrierende Flüssigkeit dem Strömungskanal 11 zugeführt bzw. von dem Strömungskanal 11 abgeführt werden kann.
Bei der Membrandestillation wird unter Einsatz von thermischer Energie ein Teil der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit verdampft und wieder kondensiert. Bei der teilweisen Verdampfung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit, bei der es sich um ein Gemisch unterschiedlicher Flüssigkeiten, eine Lösung oder Emulsion handeln kann, verdampfen bei gegebener Temperatur die jeweiligen Bestandteile bei einem von dieser Temperatur abhängigen Dampfdruck, so dass einzelne Bestandteile auskondensiert werden können. Durch Temperatur- bzw. Dampfdruckunterschiede zwischen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit und dem Dampfraum 13 entsteht an der Grenzfläche zwischen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit und der Membranwand 12 Dampf, der durch die Membranwand 12 in den unmittelbar an die Membranwand 12 angrenzenden Dampfraum 13 hindurchtritt. Der Dampf strömt im Dampfraum 13, wie in 1 durch Pfeile 18 dargestellt ist, zur Kondensationswand 14 und kondensiert dort.
Das an der Kondensationswand 14 durch die Kondensation des Dampfs entstehende Destillat rinnt schwerkraftbedingt entlang der Kondensationswand 14 nach unten und wird in einem im unteren Bereich des Dampfraums 13 angeordneten Destillatsammelbecken 19 gesammelt. Am Boden des Destillatsammelbeckens 19 befindet sich ein Destillatauslass 20, durch den das Destillat abgeführt werden kann.
Ferner ist es möglich, dass die durch den Strömungskanal 11 fließende aufzukonzentrierende Flüssigkeit aufgrund von Leckage durch die Membranwand 12 hindurchtritt. Die so in den Dampfraum 13 gelangte Flüssigkeit läuft schwerkraftbedingt die Membranwand 12 hinab und gelangt von dort in ein im unteren Bereich des Dampfraums 13 angeordnetes Flüssigkeitssammelbecken 21, welches an seinem Boden einen Flüssigkeitsauslass 22 aufweist, durch den die durch Leckage in den Dampfraum 13 gelangte Flüssigkeit abgeführt werden kann.
Das Destillatsammelbecken 19 und das Flüssigkeitssammelbecken 21 sind durch einen Damm 23 voneinander getrennt, der verhindert, dass durch Leckage in den Dampfraum 13 gelangte Flüssigkeit in das Destillatsammelbecken 19 gerät und das Destillat kontaminiert.
2 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung 10, bei welcher der Dampfraum 13 durch zwei Kammern 25 und 26 realisiert ist. Die Kammer 25 ist auf ihrer einen Seite durch die Membranwand 12 begrenzt und grenzt somit an den die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal 11 an. Die Kammer 26 ist durch die Kondensationswand 14 begrenzt. Zwischen den Kammern 25 und 26 befinden sich eine flüssigkeits- und gasdichte Trennwand 27, die eine Öffnung aufweist, durch die – wie durch die Pfeile 18 dargestellt – der durch die Membranwand 12 hindurchtretende Dampf von der Kammer 25 in die Kammer 26 strömen und dort an der Kondensationswand 14 kondensieren kann.
Unterhalb der in der Trennwand 27 vorgesehenen Öffnung befindet sich ein Damm 23, der den Durchtritt von in der Kammer 25 angesammelter Flüssigkeit durch die Öffnung verhindert. Ferner sind an die Kammern 25 und 26 ein Flüssigkeitsauslass 22 bzw. ein Destillatauslass 20 zur Abfuhr der durch die Membranwand 12 hindurchgetretenen Flüssigkeit und des durch Kondensation erzeugten Destillats angeschlossen.
Die Öffnung in der Trennwand 27 ist versetzt zur Membranwand 12 und Kondensationswand 14 angeordnet, so dass keine direkte Sichtverbindung zwischen der Membranwand 12 und der Kondensationswand 14 besteht. Dadurch wird eine Kontamination des Destillats durch Tropfenflug verhindert, indem Tropfen der durch die Membranwand 12 gelangten Flüssigkeit von der Trennwand 27 aufgefangen werden.
Eine labyrinthartige Führung des Dampfs von der Membranwand 12 zur Kondensationswand 14 kann auch anders als in 2 gezeigt realisiert werden. Beispielsweise kann der Dampfraum 13 mehr als zwei in Reihe geschaltete Kammern umfassen. Die Öffnungen in den zwischen benachbarten Kammern angeordneten Trennwänden können versetzt zueinander angeordnet sein, um dadurch einen Tropfenflug von der Membranwand 12 bis zum Destillat zu unterbinden.
3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung 10 als Weiterbildung der in 1 dargestellten Membrandestillationsvorrichtung. Als Alternative zu der in 2 gezeigten labyrinthartigen Führung des Dampfs verfügt die Membrandestillationsvorrichtung 10 in 3 über einen im Dampfraum 13 zwischen der Membranwand 12 und der Kondensationswand 14 angeordneten Tropfenfänger 30, der sich oberhalb des Damms 23 erstreckt. Bei dem Tropfenfänger 30 kann es sich um ein feinmaschiges Drahtgitter handeln, an dem Tropfen hängen bleiben und von dort in das Flüssigkeitssammelbecken 21 hinabrinnen. Zum Destillatsammelbecken 19 hin ist der Tropfenfänger 30 durch eine Erhöhung des Damms 23 so abgeschirmt, dass keine Flüssigkeit vom Tropfenfänger 30 in das Destillat gelangen kann.
4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung 10 als Weiterbildung der in 1 dargestellten Membrandestillationsvorrichtung. Die Membrandestillationsvorrichtung 10 verfügt in 4 über keinen Damm 23 zwischen dem Flüssigkeitssammelbecken 21 und dem Destillatsammelbecken 19. Stattdessen ist eine Ablaufschräge 33 in den Boden des Dampfraums 13 integriert, die derart zur Kondensationswand 14 hin geneigt ist, dass sich am Fuß der Kondensationswand 14 ein Destillatsammelbecken 19 bildet, in dem sich das an der Kondensationswand 14 anfallende Destillat sammelt. Benachbart zur Ablaufschräge 33 ist das Flüssigkeitssammelbecken 21 durch eine Vertiefung im Boden des Dampfraums 13 angeordnet, in dem sich die durch Leckage durch die Membranwand 12 gelangte Flüssigkeit sammelt.
Es ist weiterhin denkbar, das Flüssigkeitssammelbecken 21 analog zu dem in 4 gezeigten Destillatsammelbecken 19 durch eine oder mehrere Ablaufschrägen zu realisieren, die derart zur Membranwand 12 hin geneigt sind, dass sie die die Membranwand 12 hinabrinnende Flüssigkeit auffangen.
5 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung 10 mit zwei Verdampfungs- und Kondensationsstufen 35, 36. Jede der Verdampfungs- und Kondensationsstufen 35, 36 ist genauso aufgebaut wie die in 1 gezeigte Verdampfungs- und Kondensationsstufe.
Die Verdampfungs- und Kondensationsstufe 36 grenzt mit ihrem die Flüssigkeit führenden Strömungskanal 11 unmittelbar an die Kondensationswand 14 der Verdampfungs- und Kondensationsstufe 35 an. Diese Kondensationswand 14 trennt somit den Dampfraum 13 der Verdampfungs- und Kondensationsstufe 35 von dem die Flüssigkeit führenden Strömungskanal 11 der Verdampfungs- und Kondensationsstufe 36. Die bei der Kondensation des Dampfs an der Kondensationswand 14 frei werdende Energie wird auf die durch den benachbarten Strömungskanal 11 fließende aufzukonzentrierende Flüssigkeit übertragen.
Ferner sind die die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanäle 11 der Verdampfungs- und Kondensationsstufen 35, 36 in Reihe geschaltet. Dazu ist der Auslass 16 des Strömungskanals 11 der Verdampfungs- und Kondensationsstufe 35 mit dem Einlass 15 des Strömungskanals 11 der Verdampfungs- und Kondensationsstufe 36 verbunden.
Die Flüssigkeitsauslässe 22 und die Destillatauslässe 20 der Verdampfungs- und Kondensationsstufen 35, 36 sind jeweils miteinander verbunden und führen zu einem gemeinsamen Flüssigkeitsauslass 37 bzw. Destillatauslass 38. Die am gemeinsamen Flüssigkeitsauslass 37 abfließende Flüssigkeit kann beispielsweise wieder dem Prozess zugeführt werden.
Da in den Dampfräumen 13 der Verdampfungs- und Kondensationsstufen 35, 36 typischerweise unterschiedliche Drücke herrschen, ist zwischen die Flüssigkeitsauslässe 22 und die Destillatauslässe 20 der beiden Verdampfungs- und Kondensationsstufen 35, 36 jeweils ein Drosselventil 39 zum Druckausgleich geschaltet.
6 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Membrandestillationsvorrichtung 10 als Weiterbildung der in 1 gezeigten Membrandestillationsvorrichtung. Die Membrandestillationsvorrichtung 10 umfasst in 6 mehrere zueinander parallele, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führende Strömungskanäle 11, die jeweils durch eine dampfdurchlässige, jedoch flüssigkeitsundurchlässige Membranwand vom Dampfraum 13 getrennt sind. Ferner ist in 6 der Damm 23 von oben zu sehen, der den Boden des Dampfraums 13 in das Flüssigkeitssammelbecken 21 und das Destillatsammelbecken 19 unterteilt. In 6 sind außerdem mehrere Kondensationswände 14 vorgesehen, die jeweils in den Dampfraum 13 hineinragen, um die für die Kondensation des Dampfs zur Verfügung stehende Gesamtoberfläche zu vergrößern.
Bezugszeichenliste

10: Membrandestillationsvorrichtung
11: Strömungskanal
12: Membranwand
13: Dampfraum
14: Kondensationswand
15: Einlass
16: Auslass
18: Pfeil
19: Destillatsammelbecken
20: Destillatauslass
21: Flüssigkeitssammelbecken
22: Flüssigkeitsauslass
23: Damm
25: Kammer
26: Kammer
27: Trennwand
30: Tropfenfänger
33: Ablaufschräge
35: Verdampfungs- und Kondensationsstufe
36: Verdampfungs- und Kondensationsstufe
37: gemeinsamer Flüssigkeitsauslass
38: gemeinsamer Destillatauslass
39: Drosselventil
g: Richtung der Schwerkraft

Claims

Membrandestillationsvorrichtung (10) mit einer oder mehreren Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36), wobei jede Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) mindestens einen eine aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal (11) aufweist, der durch eine dampfdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membranwand (12) von einem Dampfraum (13) der jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) getrennt ist, und der Dampfraum (13) durch eine Kondensationswand (14) begrenzt ist, an der ein aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehender und durch die Membranwand (12) hindurchtretender Dampf kondensiert, wobei zur Abfuhr eines an der Kondensationswand (14) einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) anfallenden Destillats ein Destillatauslass (20) an den Dampfraum (13) angeschlossen ist, wobei zur Abfuhr von ungewollt durch die Membranwand (12) einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) gelangten Flüssigkeit ein Flüssigkeitsauslass (22) an den Dampfraum (13) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfraum (13) von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) mehrere in einer Reihe angeordnete Kammern (25, 26) umfasst, wobei benachbarte Kammern (25, 26) durch eine jeweilige flüssigkeits- und gasdichte Trennwand (27) voneinander getrennt sind, und jede Trennwand (27) eine für den Dampf durchlässige Öffnung aufweist, wobei ein als Flüssigkeitssperre ausgebildeter Damm (23) vorgesehen ist, der den Durchtritt von Flüssigkeit durch mindestens eine Öffnung verhindert, und wobei die erste in der Reihe angeordnete Kammer (25) durch die Membranwand (12) und die letzte in der Reihe angeordnete Kammer (26) durch die Kondensationswand (14) begrenzt sind, wobei die Öffnung oder Öffnungen in der oder den Trennwänden (27) derart versetzt zur Membranwand (12) und Kondensationswand (14) angeordnet sind, dass keine direkte Sichtverbindung zwischen der Membranwand (12) und der Kondensationswand (14) besteht.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Destillatauslass (20) derart zur Kondensationswand (14) orientiert ist, insbesondere benachbart zur Kondensationswand (14) angeordnet ist, und der Flüssigkeitsauslass (22) derart zur Membranwand (12) orientiert ist, insbesondere benachbart zur Membranwand (12) angeordnet ist, dass das an der Kondensationswand (14) anfallende Destillat durch den Destillatauslass (20) und die durch die Membranwand (12) gelangte Flüssigkeit durch den Flüssigkeitsauslass (22) abfließen, ohne dass die Flüssigkeit das Destillat kontaminiert.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitssperre, insbesondere ein Damm (23), zwischen dem Destillatauslass (20) und dem Flüssigkeitsauslass (22) in dem Dampfraum (13) von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) angeordnet ist, wobei die Flüssigkeitssperre (23) verhindert, dass die durch die Membranwand (12) gelangte Flüssigkeit durch den Destillatauslass (20) abfließt.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ablaufschrägen (33) in dem Dampfraum (13) von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) angeordnet sind, die verhindern, dass die durch die Membranwand (12) gelangte Flüssigkeit durch den Destillatauslass (20) abfließt.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zu dem Dampfraum (13) von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) hin offenes Destillatsammelbecken (19), an das der Destillatauslass (20) angeschlossen ist, und/oder ein zu dem Dampfraum (13) von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) hin offenes Flüssigkeitssammelbecken (21), an das der Flüssigkeitsauslass (22) angeschlossen ist.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tropfenfänger (30) zwischen der Membranwand (12) und der Kondensationswand (14) in dem Dampfraum (13) von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) angeordnet ist.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandestillationsvorrichtung (10) mehrere Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) umfasst und eine jeweilige nachfolgende Verdampfungs- und Kondensationsstufe (36) mit ihrem die Flüssigkeit führenden Strömungskanal (11) unmittelbar an die Kondensationswand (14) der vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35) angrenzt und diese Kondensationswand (14) somit den Dampfraum (13) der vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35) von dem die Flüssigkeit führenden Strömungskanal (11) der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (36) trennt.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanäle (11) der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) in Reihe geschaltet sind, wobei ein Auslass (16) des die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanals (11) einer jeweiligen vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35) an einen Einlass (15) des die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanals (11) der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (36) angeschlossen ist.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Destillatauslässe (20) und/oder die Flüssigkeitsauslässe (22) der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) zur Abfuhr des Destillats und/oder der ungewollt durch die Membranwände (12) gelangten Flüssigkeit jeweils miteinander verbunden sind, wobei insbesondere zum Druckausgleich zwischen den in den Dampfräumen (13) der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) herrschenden unterschiedlichen Drücken der Destillatauslass (20) einer jeweiligen vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35) mit dem Destillatauslass (20) der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (36) über ein jeweiliges Ventil (39) verbunden ist und/oder der Flüssigkeitsauslass (22) einer jeweiligen vorangehenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35) mit dem Flüssigkeitsauslass (22) der nachfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsstufe (36) über ein jeweiliges Ventil (39) verbunden ist.
Membrandestillationsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) mehrere zueinander parallele, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führende Strömungskanäle (11) umfasst und die mehreren zueinander parallelen Strömungskanäle (11) durch eine jeweilige dampfdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membranwand (12) vom Dampfraum (13) getrennt sind.
Verfahren zur Membrandestillation, bei dem eine aufzukonzentrierende Flüssigkeit durch eine oder mehrere Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) geführt wird und jede Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) mindestens einen die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal (11) aufweist, der durch eine dampfdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membranwand (12) von einem Dampfraum (13) der jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) getrennt ist, wobei aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehender Dampf durch die Membranwand (12) der jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) in den Dampfraum (13) hindurchtritt und an einer den Dampfraum (13) begrenzenden Kondensationswand (14) kondensiert und wobei ein an der Kondensationswand (14) einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) anfallendes Destillat durch einen an den Dampfraum (13) angeschlossenen Destillatauslass (20) abgeführt wird, wobei ungewollt durch die Membranwand (12) einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) gelangte Flüssigkeit durch einen an den Dampfraum (13) angeschlossenen Flüssigkeitsauslass (22) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfraum (13) von mindestens einer der Verdampfungs- und Kondensationsstufen (35, 36) mehrere in einer Reihe angeordnete Kammern (25, 26) umfasst, wobei benachbarte Kammern (25, 26) durch eine jeweilige flüssigkeits- und gasdichte Trennwand (27) voneinander getrennt sind, und jede Trennwand (27) eine für den Dampf durchlässige Öffnung aufweist, wobei ein als Flüssigkeitssperre ausgebildeter Damm (23) vorgesehen ist, der den Durchtritt von Flüssigkeit durch mindestens eine Öffnung verhindert, und wobei die erste in der Reihe angeordnete Kammer (25) durch die Membranwand (12) und die letzte in der Reihe angeordnete Kammer (26) durch die Kondensationswand (14) begrenzt sind, wobei die Öffnung oder Öffnungen in der oder den Trennwänden (27) derart versetzt zur Membranwand (12) und Kondensationswand (14) angeordnet sind, dass keine direkte Sichtverbindung zwischen der Membranwand (12) und der Kondensationswand (14) besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Kondensationswand (14) einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) anfallende Destillat von der Kondensationswand (14) zu dem Destillatauslass (20) geführt wird und die ungewollt durch die Membranwand (12) einer jeweiligen Verdampfungs- und Kondensationsstufe (35, 36) gelangte Flüssigkeit von der Membranwand (12) zu dem Flüssigkeitsauslass (22) geführt wird, ohne dass die Flüssigkeit das Destillat kontaminiert.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Flüssigkeitssperre, insbesondere eines Damms (23), und/oder einer oder mehrerer Ablaufschrägen (33) und/oder eines Tropfenfängers verhindert wird, dass die durch die Membranwand (12) gelangte Flüssigkeit durch den Destillatauslass (20) abfließt.