DE10311950A1

DE10311950A1 - Membranmodul für die Trennung von Fluidgemischen

Info

Publication number: DE10311950A1
Application number: DE10311950A
Authority: DE
Inventors: Andreas Noack; Jürgen Kunstmann; Christian Gnabs
Original assignee: Blue Membranes GmbH
Current assignee: Cinvention AG
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-09-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Membranmodul, umfassend mindestens drei parallel zueinander angeordnete Membranplatten, von denen jede mindestens vier Kanten aufweist und jeweils zwei Kanten jeder Membranplatte paarweise zueinander beabstandet sind, und wobei eine erste Membranplatte mit einer benachbarten zweiten Membranplatte entlang jeweils zwei der paarweise beabstandeten Kanten im Wesentlichen fluiddicht verbunden ist, so dass zwischen der einen ersten und der einen zweiten Membranplatte ein erster Zwischenbereich entsteht, der in einer ersten Richtung durchströmbar ist, und wobei die eine zweite Membranplatte mit einer dritten Membranplatte entlang der beiden anderen Kanten der zweiten Membranplatte im Wesentlichen fluiddicht verbunden ist, so dass sich zwischen der einen zweiten und der einen dritten Membranplatte ein zweiter Zwischenbereich ergibt, der in einer zweiten Richtung durchströmbar ist, die einen Winkel mit der ersten Richtung bildet, sowie ferner ein Verfahren zur Fluidtrennung unter Verwendung des Membranmoduls.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Membranmodule umfassend mindestens drei parallel zueinander angeordnete Membranplatten, sowie ein Verfahren zur Trennung von Fluidgemischen mittels eines entsprechenden Membranmoduls.
Die Trennung von flüssigen gasförmigen und dampfförmigen Fluidgemischen an Membranen ist in vielfältigen Verfahrensformen bekannt. Hierbei wird mindestens eine der Komponenten des aufgebrachten Fluidgemisches von der Membran zurückgehalten und in Form eines sogenannten Retentats abgeführt, während mindestens eine weitere Komponente des Fluidgemisches in der Lage ist durch die Membran hindurchzutreten (zu permeieren) und als Permeat auf der anderen Seite dieser Membran aufzutreten und abgeführt zu werden.
Als Membranmaterialien werden verschiedenartige Stoffe verwendet. Diese umfassen beispielsweise abgewandelte Naturprodukte, Synthesepolymere und Materialien wie beispielsweise Celluloseacetate, -butyrate, -nitrate, Polyamidpolysulfon, Vinylpolymere, Polyester, Polyolefine und Polytetrafluorethylen (PTFE) wie auch anorganische Membranrmaterialien, zum Beispiel poröses Glas oder Glaskeramik, Silizium, Oxidkeramik, Aluminiumoxidkeramik, Aktivkohle, Graphitoxid, Polyeletrolytkomplexe und Molekularsiebe wie insbesondere auch Kohlenstoffmolekularsiebe.
Die letztgenannten Kohlenstoffmolekularsiebmembranen sind anorganische poröse Membranen die auf verschiedene Weisen hergestellt werden können. Die meisten sind symmetrisch und existieren als aktive Schicht auf einem porösen Trägermaterial. Verantwortlich für den Trenneffekt dieser Membranen ist die Aktivschicht die Poren in Molekulardimensionen aufweisen können und für die besonderen Trenneigenschaften verantwortlich ist. Kohlenstoffmembranen haben ein großes Potential im Vergleich zu anderen Membranmaterialien insbesondere für die Gastrennung.

Im Stand der Technik bekannte Membranen sind beispielsweise aus der EP 428 052 bekannt, welche semipermeable Kompositmembranen beschreibt, die aus einem mit porösem Absorptionsmaterial überzogenen dünnen porösen Substrat besteht. Zu deren Herstellung wird ein Polymerlatex auf geeignetes Substratmaterial, wie beispielsweise Graphit, aufgetragen und nachfolgend bei erhöhter Temperatur in einer inerten Atmosphäre karbonisiert. Die resultierenden Kompositmembranen sind bis zu 3 mm dick. Nachteil derartiger Kompositmembranen sind insbesondere deren große Dicke, die einerseits zwar für die Stabilität der Membran erforderlich ist, andererseits einen hohen Strömungswiderstand zur Folge hat. Die US-Patentschrift 4,699,892 beschreibt asymmetrische Kompositmembranen mit einer ultradünnen Schicht Zeolith auf porösen Trägersubstraten.

Die US-Patentschrift 5,695,818 beschreibt asymmetrische Membranen auf Kohlenstoffbasis, wobei symmetrische Hohlfasermembranen mit CVD-Methoden modifiziert werden. Auch die US-Patentschrift 5,925,591 beschreibt Verfahren zur Herstellung von symmetrischen Kohlenstoffmembranen bestehend aus hohlen Kohlenstofffasern. Diese Kohlenstoffhohlfasermembranen werden zu Bündeln vereinigt, um entsprechende Kohlenstofffasernbündelmodule zu produzieren. Die beschriebenen Faserbündelmodule sind bis zu einem Meter lang.

Die zitierten Kohlefasermembranen, die in Modulen zu Bündeln zusammengefasst werden erweisen sich insbesondere deshalb als problematisch, weil sie für ihre Herstellung aufwendige Reparaturen und Verfahren erfordern, um eine homogene Karbonisierung der gebündelten Zellulosefasern zu erreichen, aus welchen die Kohlenfasermembranen hergestellt werden. Darüber hinaus haben diese Stand der Technik-Membranen-Systeme und Module den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer Dicke zu große Stofftransportwiderstände und Strömungswiderstände aufhauen, worunter die Wirtschaftlichkeit damit durchgeführter Trennungen leidet.

Gegenüber dem Stand der Technik besteht daher ein Bedarf nach einfach aufgebauten Membranmodulen mit einer geeigneten Modulgeometrie, die bei geringem Strömungswiderstand eine effektive Trennwirkung für verschiedenste Fluidtrennaufgaben zeigen.

Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung unter Überwindung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile neue Membranmodule und Modulgeometrien zur Verfügung zu stellen, die bei hinreichender Stabilität des Moduls hohe Packungsdichten bei gleichzeitig optimalen Strömungsprofilen und hoher Trennselektivität zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Trennung von Fluidgemischen, welches die An- oder Abreicherung bestimmter Fluidkomponenten ermöglicht, wobei ein erfindungsgemäßes Membranmodul eingesetzt wird.

Die genannten Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch Kombination mit den Merkmalen der unabhängigen Unteransprüche.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Membranmodul zur Verfügung gestellt, welches umfasst:
Blockmembranmodul zur Fluidtrennung, umfassend eine dichte Packung aus mehreren parallel zueinander angeordneten und voneinander beabstandeten Membranplatten, wobei die Bereiche zwischen den Membranplatten alternierend mit jeweils einer von zwei Vorrichtungen zur Durchleitung von zwei separaten Fluidströmen durch die jeweiligen Bereiche verbunden sind, und die Bereiche zwischen den Membranplatten fluiddicht voneinander getrennt sind, so dass ein Stoffaustausch zwischen zwei durch die Bereiche zwischen den Membranplatten geführten Fluidströmen im wesentlichen nur durch Permeation von Fluidkomponenten durch die Membranplatten möglich ist.

Mit dem Begriff Fluid werden in der vorliegenden Anmeldung Stoffe bzw. Stoffgemische bezeichnet, die bei den Anwendungstemperaturen des erfindungsgemäßen Membranmoduls bzw. des Trennverfahrens der vorliegenden Erfindung im flüssigen oder gasförmigen Aggregatszustand vorliegen. Besonders bevorzugt wird das Membranmodul bzw. das Fluidtrennverfahren der vorliegenden Erfindung bei der Trennung von Gasen und Gasgemischen ein gesetzt.

Diese einfachste grundlegende Ausführungsform des Membranmoduls der vorliegenden Erfindung gewährleistet zwei Strömungsbereiche für Fluidströme, die auf zwei Seiten einer Membran liegen und in zwei unterschiedlichen Richtungen durchströmbar sind.

Diese Anordnung gewährleistet, dass ein in den ersten Zwischenbereich eingebrachter bzw. dadurch hindurchgeleiteter Fluidstrom bestehend aus mehreren Fluidkomponenten in Kontakt mit der Membranfläche kommt, wobei durch die Membran hindurchtretende Fluidkomponenten in den zweiten Zwischenbereich gelangen können, der in einer zweiten Richtung von einem weiteren Fluid durchströmt wird, das auf diese Weise mit den permeierten Fluidkomponenten angereichert wird.

Der Begriff "Zwischenbereich" bezeichnet einen Hohlraum, durch welchen Fluidströme von einer Eintrittsöffnung bis zu einer Austrittsöffnung des Hohlraums geleitet werden können. Die erfindungsgemäßen ersten und zweiten Zwischenbereiche können in bevorzugten Fällen auch aus einer Vielzahl von separierten oder miteinander verbundenen Kanälen bestehen, die zusammengenommen den Zwischenbereich zwischen zwei Membranplatten bilden.

Die in erfindungsgemäßen Modulen verwendeten Membranplatten können bauartbedingt in bevorzugten Ausführungsformen, insbesondere im Fall von Kohlenstoff- bzw. Kohlenstoffbasierten Membranen sehr dünn sein, mit einer Dicke von unter 1 mm, vorzugsweise unter 100 μm, besonders bevorzugt unter 10 μ.

Durch geeignete Vorrichtungen wird man gewährleisten, dass die Fluidströme in geeigneter Weise separiert voneinander dem Modul zu und nach Durchtritt durch das Modul separat wieder abgeführt werden. Im Regelfall wird man das Membranmodul wie oben definiert so gestalten, dass es eine Vielzahl von Membranplatten umfasst, wodurch im Modul eine Vielzahl von alternierenden ersten und zweiten Zwischenbereichen entsteht. Da die Richtungen, in denen die ersten und zweiten Zwischenbereiche durchströmbar sind, zueinander einen Winkel bilden, also nicht identisch sind, wird das Membranmodul folglich bezüglich der Membranplatten kantenseitige Außenflächen ausbilden, wobei eine erste derartige Außenfläche entsteht, die beiderseits der offenen Enden der ersten Zwischenbereiche angeordnet ist, sowie weitere zwei bezüglich der membranplattenkantenseitigen Außenflächen, die beiderseits der offenen Enden der zweiten Zwischenbereiche angeordnet sind.

Darüber hinaus wird das Membranmodul zwei weitere Außenflächen aufweisen, die jeweils der Außenfläche der jeweils zu äußerst liegenden Membranplatten entsprechen. Diese Art von Modulaufbau gewährleistet mit den ersten bezüglich der Membranplatten kantenseitigen Außenflächen eine erste Anströmfläche des Moduls, die einen Fluiddurchtritt durch das Membranmodul nur durch die ersten Zwischenbereiche zwischen den jeweiligen Membranplatten ermöglicht.

Ferner umfasst das Membranmodul eine zweite Anströmfläche für einen zweiten Fluidstrom, der einen Durchtritt des Fluidstroms ausschließlich durch die zweiten Zwischenbereiche zum anderen Ende des Membranmoduls gewährleistet. Da im Inneren des Moduls jede Membranplatte mit ihren beiderseitigen Flächen an beide Zwischenbereiche und somit an beide Fluidströme angrenzt, die durch das Membranmodul geleitet werden, kann ein Stoffaustausch zwischen dem ersten und den zweiten Zwischenbereich bzw. den dadurch geführten Fluidströmen nur mittels Durchtritt einzelner Fluidkomponenten durch die Membran im Wege der Permeation erfolgen.

Auf diese Weise ist es möglich, ein Fluidgemisch durch Anströmung einer der ersten bezüglich der Membranplatten kantenseitigen Außenflächen in das Membranmodul zu führen und vorzugsweise am anderen Ende der ersten Zwischenbereiche wieder austreten zu lassen, und durch die Membranen hindurch permeierende Fluidkomponenten aus den zweiten Zwischenbereichen separat abzuführen.

Für diese Abführung permeierter Komponenten sind verschiedene Möglichkeiten verwendbar. So können beispielsweise die zweiten Zwischenbereiche durch Anlegung eines Unterdrucks kontinuierlich oder diskontinuierlich abgesaugt werden. Alternativ hierzu kann durch Anströmen der bezüglich der Membranplatten kantenseitigen zweiten Außenflächen mittels eines zweiten Fluidstromes die zweiten Zwischenbereiche des Membranmoduls kontinuierlich oder diskontinuierlich gespült werden, wobei aus den ersten Zwischenbereichen durch die Membranplatten permeierte Fluidkomponenten des ersten Fluidgemisches mit dem zweiten Fluidstrom abgeführt werden.

Der zweite Fluidstrom kann vor Beginn der Trennung die gleiche Zusammensetzung haben wie der erste Fluidstrom, oder eine unterschiedliche.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Membranplatten des Membranmoduls ein oder beiseitig, vorzugsweise beidseitig strukturiert. Eine bevorzugte Strukturierung der Membranplatten besteht in Form eines aufgeprägten oder sonst wie eingebrachten Rillenmusters mit über die gesamte Fläche der Membranplatten im wesentlichen äquidistant zueinander angeordneten Rillen bzw. kanalartigen Vertiefungen. Die Rillenmuster können bezüglich der Kanten der Membranplatten parallel verlaufen, in einem beliebigen Winkel hierzu angeordnet sein, Zickzack- Muster aufweisen oder wellenförmig sein. Ferner können die Membranplatten, sofern beidseitig strukturiert, auf beiden Seiten identische Rillenmuster aufweisen, oder unterschiedliche Rillenmuster. Bevorzugt ist, dass die Membranplatten beidseitig gleichförmig komplementär strukturiert sind, das heißt, dass die Rillenvertiefungen auf einer Seite der Membranplatte einer entsprechenden Erhöhung im Profil der anderen Seite der Membranplatte entsprechen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranmoduls werden die Membranplatten im Modul so angeordnet, dass die Rillenmuster zweier benachbarter Membranplatten im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranmoduls werden die Membranplatten so angeordnet, dass sich die Rillenmuster zweier benachbarter Membranplatten in einem Winkel kreuzen, so dass sich bei Aufeinanderlegen der Membranplatten eine Vielzahl von Berührungspunkten zwischen den benachbarten Platten an den Stellen sich kreuzender erhabender Ränder der Rillenstrukturen benachbarter Platten ergibt. Auf diese Weise können Membranmodule erzeugt werden, die aufgrund der Verbindung an vielen Punkten entsprechend den Berührungspunkten der sich kreuzenden Rillenmuster eine deutlich erhöhte mechanische Stabilität aufweisen.

Die Rillenstrukturen werden vorzugsweise so gewählt, dass sich beim Aufeinanderlegen zweier Membranplatten in den Zwischenbereichen eine Struktur ergibt, die einer Vielzahl von Kanälen oder Röhren entspricht, die einen geeigneten, möglichst geringen Strömungswiderstand im Modul gewährleisten. Der Fachmann wird die Rillenmuster in geeigneter Weise dimensionieren und auswählen.

Übliche Rillenstrukturen in geprägten Membranplatten führen im erfindungsgemäßen Membranmodul zu kanal- bzw. röhrenartigen Strukturen in den ersten und zweiten Zwischenräumen, deren Querschnittsfläche im Bereich von XY bis YZ liegt.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des Membranmoduls der vorliegenden Erfindung können zwischen die Membranplatten zusätzlich Abstandselemente eingebracht sein bzw. vorgesehen sein. Entsprechende Abstandselemente dienen der Gewährleistung ausreichend großer erster und zweiter Zwischenräume zwischen den Membranplatten, die einen geeigneten Strömungswiderstand des Moduls gewährleisten. Entsprechende Abstandselemente können poröse, offenporige Flächengebilde in Form von Zwischenlagen, Netzstrukturen sein, oder auch an den Membranplatten kantenseitig angeordnete Spacer, die einen bestimmten Mindestabstand zwischen den Platten gewährleisten.

Die fluiddichte Randverbindung von jeweils zwei Membranplatten kann ebenfalls in geeigneter Weise mit einem entsprechend dimensionierten Spacer verbunden werden, so dass die Platten auf einem definierten Abstand zueinander gehalten werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Abstand der Membranplatten zueinander dadurch gewährleistet, dass durch entsprechend dimensionierte Rillenprägungen und ein Kreuzen der Rillenmuster zweier benachbarter Membranplatten in einem bestimmten Winkel sich wie oben erwähnt eine Vielzahl von Berührungspunkten zwischen den benachbarten Platten an den Stellen sich kreuzender erhabener Ränder der Rillenstrukturen ergibt, welche gewährleisten, dass entlang der Rillenvertiefungen Zwischenräume in Form einer Vielzahl von kanalartigen Strukturen entsteht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die Abstandselemente auch dadurch gebildet werden, dass auf den Membranplatten alternierend unterschiedlich tiefe Rillenprägungen vorgesehen werden, was zu unterschiedlich hohen Erhebungen einzelner Rillenränder führt, so dass die Zahl der Berührungspunkte zwischen den benachbarten Platten an den Stellen sich kreuzender Ränder der Rillenstrukturen insgesamt gegenüber der Gesamtzahl der vorhandenen Rillenränder in geeigneter Weise verringert wird. Durch Verbindung der Membranplatten an diesen Stellen wird eine ausreichende Festigkeit des Membranmoduls gewährleistet und ein günstiger Strömungswiderstand der zwischen den Platten liegenden ersten und zweiten Zwischenbereiche gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Membranmodul ist vorzugsweise so gestaltet, dass der Winkel zwischen der ersten und zweiten Richtung, welche die ersten und zweiten Zwischenbereiche durchströmbar sind, größer als 0 Grad ist, und bevorzugt zwischen 1 und 90 Grad liegt, vorzugsweise mehr als 5 Grad, bevorzugt mehr als 10 Grad, besonders bevorzugt mehr als 30 Grad und insbesondere bevorzugt von 45 – 90 Grad beträgt.

Dies kann durch unterschiedliche Gestaltung der Membranplatten erreicht werden. So kann beispielsweise, wenn die Membranplatten in Form rechtwinkliger Platten, also in Form von Quadraten oder Rechtecken vorliegen, ein Winkel zwischen der ersten und zweiten Strömungsrichtung gewährleistet werden, der bei etwa 90 Grad liegt, das heißt die beiden Fluidströme durchströmen das Membranmodul in etwa senkrecht zueinander die ersten und zweiten Zwischenbereiche, die jeweils durch eine Membranplatte voneinander getrennt sind.

Sofern Membranplatten in Form beispielsweise eines Parallelogramms verwendet werden, kann der Winkel zwischen der ersten und zweiten Strömungsrichtung entsprechend verringert werden und jeden Bereich zwischen 1 und 90 Grad einnehmen. Auch können die Membranplatten beispielsweise trapezförmig ausgestaltet sein, so dass sich in zumindest einer Strömungsrichtung bei der Durchströmung des Membranmoduls eine Verengung oder in umgekehrter Richtung Erweiterung der durchströmten Zwischenbereiche ergibt. Auf diese Weise können Strömungswiderstände und die Kontaktzeiten des verwendeten Fluidstroms mit den Membranplatten in geeigneter Weise zusätzlich gesteuert und variiert werden.

Die im Membranmodul der vorliegenden Erfindung verwendeten Membranplatten bestehen in bevorzugten Ausführungsformen im wesentlichen aus Kohlenstoff. Besonders bevorzugt sind Membranplatten aus Kohlenstoff-basierten Kompositmaterial, welches gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe wie beispielsweise Siliziumoxide, Aluminiumoxide, Aluminiumsilikate, Boroxide, Gläser, Titan- und Zirkoniumoxide, Keramikmaterialien und dergleichen in unterschiedlichen Mengenanteilen enthalten kann.

Besonders bevorzugt sind Membranplatten aus einem kohlenstoffbasierten Material, ggf. auch Kohlenstoff-Kompositmaterial, das durch Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen hergestellt wird, und im wesentlichen einer Art Kohlenstoffkeramik bzw. kohlenstoffbasierten Keramik entspricht. Die Herstellung entsprechender Materialien kann beispielsweise ausgehend von papierartigen Ausgangsstoffen durch Pyrolyse und eine Abgasbedingung bei hohen Temperaturen erfolgen. Entsprechende Herstellungsverfahren, insbesondere auch für Kohlenstoff-Kompositmaterialien, sind in der internationalen Patentanmeldung WO 01/80981, Seite 14, Zeile 10 bis Seite 18, Zeile 14 beschrieben und vorliegend anwendbar. Die erfindungsgemäßen kohlenstoffbasierten Membranplatten, bzw. daraus gebildete Membranmodule können ferner auch nach den in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP 01/12131 Seite 6, Zeile 5 bis Seite 24, Zeile 9 hergestellt werden.

Darüber hinaus können erfindungsgemäße Membranmodule auch aus Membranplatten gefertigt werden, die aus Polycarbonat, Polysulfon, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylnitril-Copolymer, Cellulose, Celluloseacetat, Cellulosebutyrat, Cellulosenitrat, Viskose, Polyetherimid, Polyoktylmethylsilan, Polyvinylidenchlorid, Polyamid, Polyharnstoff, Polyfuran, Polyethylen, Polypropylen, und/oder Copolymerisate davon, sowie Mixed-Matrix-Systemen die neben der Polymerkomponente auch anorganische Komponenten wie Aktivkohle, Kohlenstoffmolekularsieb oder Zeolithe enthalten, aufgebaut sind.

Die fluiddichten Kantenverbindungen zwischen einzelnen Membranplatten im erfindungsgemäßen Membranmodul können durch Verklebung der Kanten der Membranplatten mittels Klebstoffen, Glas, ggf. gefüllten Epoxidharzen, Lacken und Polymermaterialien gewährleistet werden. Besonders bevorzugt ist es im Fall kunstoffbasierter Materialien, die durch Pyrolyse aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen hergestellt werden, dass die plattenförmigen Ausgangsstoffe an den entsprechenden Kanten mit oben genannten Materialien verklebt werden, und anschließend das so vorgefertigte Membranmodul vollständig der Pyrolyse unterworfen wird, wobei das eigentliche Kohlenstoffmembranmodul erzeugt wird.

Ferner können im wesentlichen fluiddichte Kanten auch durch Falzkanten entlang von Faltungen gebildet werden, indem vor einer Pyrolyse flächige Ausgangsmaterialien Zieharmonika-artig aufeinandergefaltet werden, so dass einige der fluiddichten Kantenverbindungen durch Falze vorgegeben sind, und nach der Pyrolyse im wesentlichen fluiddichte Verbindungen entlang der Falze ergeben.

Die Abdichtung einzelner Kantenseiten des Moduls kann beispielsweise durch im Tauch- oder Extrusionsverfahren aufgebrachte Dichtmassenblöcke, z.B. aus Epoxidharz, erfolgen. Damit kann eine Randabdichtung des Moduls gewährleistet werden, oder auch eine Abdichtung zwischen dem Membranmodul und beispielsweise einem Gehäuse, in welchem das Modul eingebaut wird, um eine funktionelle Fluidtrennvorrichtung zu erhalten. Die so aufgebrachte Dichtmasse kann z.B. nach der Pyrolyse des Modulvorläufers an geeigneten Stellen geschnitten oder aufgeschliffen werden, so dass sich auf der kantenseitigen Außenfläche des Moduls die erfindungsgemäße Struktur alternierender Öffnungen der einen Zwischenbereiche und der fluiddicht verschlossenen Randbereiche der anderen Zwischenbereiche ergibt. Alternativ kann der Dichtmassenblock auch selektiv nur an einzelnen ausgewählten Stellen geöffnet werden.

Erfindungsgemäße Membranmodule können in beliebiger Weise den Fluidtrennaufgaben entsprechend dimensioniert werden, beispielsweise mit Modulvolumen im Bereich von ab 1 cm³, bevorzugt etwa 10 cm³ bis 1 m³. In Fällen wo dies erwünscht ist, sind die Membranmodule auch deutlich größer oder auch im noch kleineren Mikromaßstab dimensionierbar.

Die vorliegende Erfindung gewährleistet ferner ein Verfahren zur Trennung von Fluidgemischen mittels eines erfindungsgemäßen Membranmoduls, umfassend folgende Schritte:

– Aufbringen eines Fluidgemisches auf eine der bezüglich der Membranplatten kantenseitige Außenflächen des Moduls, so dass das Fluidgemisch durch die ersten Zwischenbereiche zwischen den Membranplatten in der ersten Richtung durch das Modul strömt;
– Separates Abführen von durch die Membranplatten aus den ersten in die zweiten Zwischenbereiche permeierten Fluidkomponenten.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die permeierten Fluidkomponenten aus den zweiten Zwischenbereichen mit einem durch diese Zwischenbereiche geführten zweiten Fluidstrom, dem Spülstrom, abgeführt. Dies ist insbesondere bei Gastrennungen die bevorzugte Betriebsart. Dieser zweite Fluidstrom kann die gleiche, oder eine andere Zusammensetzung aufweisen als das aufgebrachte (erste) Fluidgemisch. Ferner kann alternativ eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Abführung der permeierten Fluidkomponenten aus den zweiten Zwischenbereichen vorgesehen sein, etwa durch Absaugung mittels Unterdruck bzw. Vakuumeinrichtungen.

Die Aufbringung des zu trennenden Fluidgemisches kann mittels Druck oder drucklos, diskontinuierlich oder bevorzugt kontinuierlich erfolgen.

Das erfindungsgemäße Membranmodul bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft für eine Vielzahl von Fluidtrennaufgaben verwendet werden, bzw. daran angepaßt werden. Darunter sind beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, die Dampfpermeation, Pervaporation, Entfeuchtung und/oder Entkeimung von Luft und Gasen, oder für die Zu- oder Abluftfiltration, zur Gewinnung von Wasserstoff oder Methan aus Industriegasen, zur Abreicherung von CO₂ aus Luft oder Abgasen, zur Befeuchtung oder Entfeuchtung von Gasen, zur Anreicherung von Lösungsmitteldämpfen aus Abluft, oder zur Entfernung von CO₂ aus Erdgas, in der Gastrennung, vorzugsweise der Abtrennung von CO₂ aus Erdgas, der Abtrennung von Methan und/oder Kohlendioxid von Wasserstoff, zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff und/oder für die Abtrennung oder Anreicherung von Sauerstoff aus Sauerstoff-Stickstoff-Gemischen, insbesondere in Gegenwart von Luftfeuchtigkeit, sowie für die An- oder Anreicherung von Wasserstoff aus wasserstoffhaltigen Kohlenwasserstoff-Gemischen.

Die vorliegende Erfindung wird nun im folgenden anhand von spezifischen bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft näher erläutert.

Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Membranmoduls mit senkrechter Kreuzstromanordnung.

Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines schematischen Membranmodulaufbaus unter Verwendung kreuzweise Rillengeprägter Membranplatten.

Das Modul der 1 besteht aus einer Vielzahl von Membranplatten 3, die beidseitig ein rillenförmiges Prägemuster aufweisen, welches bei aufeinandergelegten Platten in der frontalen Draufsicht zu einer Art Wabenstruktur der vorderen bezüglich der Membranplatten 3 kantenseitigen Außenfläche des Moduls führt. In dieser vorderen Außenfläche ergeben sich alterierend angeordnete Eintrittsöffnungen 5 in die ersten Zwischenbereiche und verschlossene Kantenflächenanteile 4 (dunkel dargestellt), welche den randseitigen Abdichtungen der zweiten Zwischenbereiche entsprechen.

Das Modul kann von einem ersten Fluidstrom in einer ersten Richtung x durch die ersten Zwischenbereiche durchströmt werden. Ein zweiter Fluidstrom kann in einer zweiten Richtung y, senkrecht zur ersten Richtung x, durch die zweiten Zwischenbereiche geleitet werden. Die randseitigen Abdichtungen 7 der Membranplatten an der Modulunterseite liegen im Wechsel mit den freien Öffnungen zum Eintritt in die zweiten, in y-Richtung durchgehenden Zwischenräume, zwischen den Membranplatten 3, welche die ersten Zwischenbereiche begrenzen, die in x-Richtung durchströmt werden. Analog gewährleistet die optionale, versiegelte und geplante Dichtfläche 2 an der Oberseite eine Abdichtung der ersten Zwischenbereiche nach oben, sowie eine gleichzeitige Öffnung der zweiten Zwischenbereiche nach oben, im Sinne einer Abströmfläche 1 bezüglich der Durchströmung in y-Richtung, am Modul gegenüberliegend der Einströmfläche 8 in y-Richtung.

Durch diagonal gegeneinander versetzte Rillenprägungen der Membranplatten 3 ergeben sich an den Kreuzstellen Berührungspunkte zuwicshen jeweils zwei aufeinanderliegenden Membranplatten, die sogenannten Prägewinkelversatzstellen 6.

Die 2 zeigt ebenfalls einen Ausschnitt aus einen erfindungsgemäßen Membranmodul in schematisierter Form. Der Modulausschnitt besteht aus acht übereinander angeordneten Membranplatten 1, die mit einem diagonal verlaufenden regelmäßigen Muster aus halbkreisförmigen Vertiefungsrillen 2 versehen sind. Die Membranplatten 1 sind so übereinander angeordnet, dass die Rillenstrukturen zweier benachbarter Platten stets kreuzweise verlaufen, so dass sich eine Vielzahl von Berührungspunkten 3 zwischen den einzelnen Platten ergibt, an denen die Platten miteinander verbunden sind.

Jeweils zwei benachbarte Membranplatten 1 sind kantenseitig 4, 5 alternierend an verschiedenen Außenseiten des Moduls miteinander fluiddicht verbunden. Hierdurch entstehen zwei in verschiedene Richtungen durchströmbare Zwischenbereiche 6, 7, wobei in der 2 beispielsweise die ersten Zwischenbereiche 6 von links vorne nach links hinten verlaufen, und die zweiten Zwischenbereiche 7 von rechts vorne nach links hinten.

Claims

Membranmodul umfassend mindestens drei parallel zueinander angeordnete Membranplatten, von denen jede mindestens 4 Kanten aufweist, und jeweils zwei Kanten jeder Membranplatte paarweise zueinander beabstandet sind, und wobei eine erste Membranplatte mit einer benachbarten zweiten Membranplatte entlang jeweils zwei der paarweise beabstandeten Kanten im wesentlichen fluiddicht verbunden ist, so dass zwischen der einen ersten und der einen zweiten Membranplatte ein erster Zwischenbereich entsteht, der in einer ersten Richtung durchströmbar ist, und wobei die eine zweite Membranplatte mit einer dritten Membranplatte entlang der beiden anderen Kanten der zweiten Membranplatte im wesentlichen fluiddicht verbunden ist, so dass sich zwischen der einen zweiten und der einen dritten Membranplatte ein zweiter Zwischenbereich ergibt, der in einer zweiten Richtung durchströmbar ist, die einen Winkel mit der ersten Richtung bildet.
Membranmodul nach Anspruch 1, umfassend eine Vielzahl von Membranplatten, wodurch eine Vielzahl von alternierenden ersten und zweiten Zwischenbereichen entsteht.
Membranmodul nach Anspruch 1 oder 2, umfassend zwei bezüglich der Membranplatten kantenseitige erste Außenflächen, die beiderseits der offenen Enden der ersten Zwischenbereiche angeordnet sind, zwei weitere bezüglich der Membranplatten kantenseitige Außenflächen, die beiderseits der offenen Enden der zweiten Zwischenbereiche angeordnet sind, sowie zwei weitere Außenflächen, die jeweils der Außenfläche der beiderseits außenliegenden Membranplatten entsprechen.
Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatten ein- oder beidseitig strukturiert sind.
Membranmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung in Form eines geprägten Rillenmusters mit im wesentlichen äquidistant zueinander angeordneten Rillen vorliegt.
Membranmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenmuster zweier benachbarter Membranplatten parallel zueinander verlaufen.
Membranmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rillenmuster zweier benachbarter Membranplatten in einem Winkel kreuzen, so dass sich eine Vielzahl von Berührungspunkten zwischen den benachbarten Platten an den Stellen sich kreuzender erhabener Ränder der Rillenstrukturen benachbarter Platten ergibt.
Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Membranplatten zusätzlich Abstandselemente vorgesehen sind.
Membranmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente ausgewählt sind aus porösen, offenporigen Flächengebilden bzw. Zwischenlagen, Netzstrukturen, sowie kantenseitig angeordneten linearen Spacern.
Membranmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente durch alternierend unterschiedlich tiefe Rillenprägungen auf den Membranplatten gebildet werden.
Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der ersten und zweiten Richtung, in welcher die ersten und zweiten Zwischenbereiche durchströmbar sind, zwischen 1° und 90° liegt, und vorzugsweise mehr als 5 °, bevorzugt mehr als 10°, besonders bevorzugt mehr als 30° und insbesondere bevorzugt von 45° bis 90° beträgt, und besonders bevorzugt bei etwa 90° liegt.
Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatten aus Polycarbonat, Polysulfon, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylnitril-Copolymer, Cellulose, Celluloseacetat, Cellulosebutyrat, Cellulosenitrat, Viskose, Polyetherimid, Polyoktylmethylsilan, Polyvinylidenchlorid, Polyamid, Polyharnstoff Polyfuran, Polyethylen, Polypropylen, und/oder Copolymerisate davon, sowie Mixed-Matrix-Systemen die neben der Polymerkomponente auch anorganische Komponenten wie Aktivkohle, Kohlenstoffmolekularsieb oder Zeolithe enthalten, aufgebaut sind.
Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatten aus Kohlenstoff, Kohlenstoff-Komposit, oder einem Kohlenstoff-basierten Material, insbesondere eines durch Pyrolyse aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen hergestellten Kohlenstoff-Kompositmaterials bestehen.
Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, herstellbar durch Pyrolyse unter Inertgas und bei erhöhter Temperatur eines aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen vorgefertigten und gemäß Anspruch 1 aufgebauten Moduls.
Membranmodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die fluiddichten Kantenverbindungen durch Verklebung der Kanten der Platten vor der Pyrolyse mittels Klebstoffen, Glas, ggf. gefüllten Epoxidharzen, Lacken und/oder Polymermaterialien gewährleistet werden.
Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Modulvolumen im Bereich von 10 cm³ und 1 m³.
Verfahren zur Trennung von Fluidgemischen mittels eines Moduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Aufbringen eines Fluidgemisches auf eine der bezüglich der Membranplatten kantenseitige Außenflächen des Moduls, so dass das Fluidgemisch durch die ersten Zwischenbereiche zwischen den Membranplatten in der ersten Richtung durch das Modul strömt; – Separates Abführen von durch die Membranplatten aus den ersten in die zweiten Zwischenbereiche permeierten Fluidkomponenten.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die permeierten Fluidkomponenten aus den zweiten Zwischenbereichen mit einem durch diese Zwischenbereiche geführten Fluidstrom abgeführt werden
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zu trennende Fluidgemisch mittels Druck aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Zwischenräume an der der Aufbringseite des Moduls gegenüberliegenden Seite fluiddicht verschlossen sind.
Verwendung des Membranmoduls nach Anspruch 1 bis 16 oder des Verfahrens nach Anspruch 17 bis 20, für die Dampfpermeation, Pervaporation, Entfeuchtung und/oder Entkeimung von Luft und Gasen, oder für die Zu- oder Abluftfiltration, zur Gewinnung von Wasserstoff oder Methan aus Industriegasen, zur Anreicherung von CO₂ aus Luft oder Abgasen, zur Befeuchtung oder Entfeuchtung von Gasen, zur Abreicherung von Lösungsmitteldämpfen aus Abluft, oder zur Entfernung von CO₂ aus Erdgas, in der Gastrennung, vorzugsweise der Abtrennung von CO₂ aus Erdgas, der Abtrennung von Methan und/oder Kohlendioxid von Wasserstoff, zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff und/oder für die Abtrennung oder Anreicherung von Sauerstoff aus Sauerstoff-Stickstoff-Gemischen, insbesondere in Gegenwart von Luftfeuchtigkeit, sowie für die An- oder Abreicherung von Wasserstoff aus wasserstoffhaltigen Kohlenwasserstoff-Gemischen.