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Vorrichtung zum Gasaustausch zwischen zwei oder mehr Fluiden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den selektiven Transport
von Gasen durch eine Membran und insbesondere auf eine Vorrichtung, die in besonders
vorteilhafter Weise bei der Trennung eines Gasgemisches oder beim Austausch von
Gasen und/oder Dämpfen, die in Flüssigkeiten gelöst oder sonstwie darin enthalten
sind, verwendet werden kann.
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Der Gedanke, permeable Membranen zur Trennung von Gasen und Dämpfen
zu verwenden, ist sehr alt und allgemein
bekannt. Ein solches Verfahren
beruht auf der selektiven Durchlässigkeit gewisser organischer Materialien, d. h.
auf der Tatsache, daß ein Gas A eine nicht perforierte Membran aus einem gegebenen
Material schneller als ein Gas B und das Gas B die Membran schneller als ein Gas
C usw. durchdringen. Diese Eigenschaft dieser Materialien ist völlig verschieden
von den Eigenschaften eines nur porösen Materiales wie beispielsweise Papier, das
für Gas zwar durchlässig aber nicht für einzelne Gase selektiv durchlässig ist.
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Es ist allerdings zu beachten, daß die selektive Durchlässigkeit dieser
Membranen nicht bedeutet, daß ein Gas unter vollständigem Ausschluß der anderen
Gase durch die Membran hindurchtritt, sondern daB vielmehr bei zwei verschiedenen
Molekulararten ein Unterschied in der Durchdringungsmenge je Zeit vorliegt Das Gesamtergebnis
ist hierbei immer, daß eine Gasmischung auf der Hochdruckseite der Membran eine
Verringerung der Konzentration der durchgängigeren Eomponete erfährt, wahrend die
Gasmischung auf der Niederdruckseite der Membran mit der durchgangigeren Komponente
angereichert wird. Infolgedessen können solche Membranen entweder zum Ausscheiden
eines durchgängigeren Verunreinigungsstoffes aus einer Vielkomponentenmischung oder-losung
oder zur Herstellung eines Produktes aus einer Vielkomponentengasmischung oder-lösung
verwendet werden, welches Produkt mit den durchgängigeren Komponenten angereichert
ist.
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Der Mechanismus, nach dem ein Gas oder ein Dampf diese Membranen.
durchdringt, besteht nicht in einer einfachen Diffusion wie bei lediglich porösem
Material. Vielmehr löst sich das Gas in der Membran an der Seite mit dem hohen Partialdruck,
diffundiert dann durch die Membran und verläßt auf der anderen Seite der Membran
wieder seinen gelosten Zustand. Wegen dieser Vorgänge ist es wichtig, daß die Membran
ein möglichst hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen besitzen, daß sie ungelocht
sind und daB ein möglichst hoher Partialdruck des zu losenden und durch die Membran
zu diffundierenden Gases aufrechterhalten wird. Deshalb werden sehr diinne Membranen
mit großen Oberflächen erfordert und bestimmte Einrichtungen verlangt, mit denen
die Gase oder Gase enthaltende Flüssigkeiten an beiden Seiten über die Membranoberflächen
getuhrt werden, um eine möglichst große Partialdruckdifferenz der hindurchdringenden
Gase über die Membran hinweg aufrechtzuerhalten.
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Dementsprechend besteht eine Hauptaufgabe der Erfindung darin, eine
Vorrichtung zum Gasaustausch zu schaffen, die gedrängt aufgebaut ist, aber trotzde
selektiv durchlässige Membranen mit einem großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen
besitzt, welche Membranen derart angeordnet sind, daB eine hohe Partialdruckdifferenz
des Gases über die Membran hinweg leicht aufrechterhalten wird.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Gasaustauschvorrichtung mit einer
Vielzahl von selektiv durchlässigen Membranen auagerUstet ist, die in einer Gruppe
Fläche auf Fläche gestapelt sind, wobei zwischen den Membranen jeweils poröse, gitterartige
Trennglieder liegen, welche die Membranen in Abstand voneinander und von Gehäuse
der Vorrichtung halten und Kanäle sur Leitung von Fluiden bilden, welche Kanäle
von den angrenzenden Oberflächen von Paaren von Membranen begrenst merdent Längs
jeter Seite des Membranstapele mind Leitungsansohliiese vorgesehen, und beatimte
benachbarte Rider von Membranpaaren sind miteinander und mit der Gehäuseinnenwandung
an solchen Stellen dicht verbunden, daß eine unmittelbare Verbindung zwischen den
aneinander angrenzenden LeitungsanÇchlusen verhindert ist und daß eine Vielzahl
von Kanälen geschaffen werden, die in zwei Gruppen unterteilt sind, von denen jede
Gruppe eine-Verbindung zwischen eines Paar nicht benachbarter Leitungsanschlüsse
bildet, durch welche Verbindung eine Fluidumleitung zwischenden nicht benachbarten
Leitungsanschlüssen erfolgt.
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In folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand
der Zeichnung beschrieben, in der zeigen : Fig. 1 eine Aufsicht auf die Vorrichtung
gemäß der Erfindung, wobei einige Teile weggebrochen sind ;
Fig.
2 einen Schnitt gemäß der Linie 2-2 in Fig. 1 und Fig. 3 einen Teilquerschnitt gemäß
der Linie 3-3 in Fig. 1.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen einsfluidumdichte Gaskammer 10 mit einem oberen
VerschluBteil 11, mit Seitenwänden 12, 13t 14 und 15 und einem Boden 16. Die Seitenwände
12 bis 15 sind jeweils mit Ausschnitten oder Ausnehmungen 20, 21, 22 und 23 versehen,
in die Leitungsanschlüsse führen, und in den Eckbereichen der sich schneidenden
Seitenwände sind an diesen jeweils Vorsprünge 24,25 vorgesehen, die jeweils eine
Ausnehmung 30 zwischen sich einschlieBen.
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Die AusnehaungrdO, Vorsprüge 24 25 und Ausnehmungen 20, 21,22,23 erstrecken
sich von der Unterseite des Deckels 11 bis zur Oberseite des Bodens 16. Der Deckel
11 weist Leitungen 35, 36, 37 und 38 auf, die Kanäle 40, 41, 42, 43 bilden, durch
welche das Fluidum weg oder hin zu den Ausnehmungen 20, 21, 22 und 23 flieBen kann.
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Innerhalb der Kammer 10 und im wesentlichen deren Innenraum ausfüllend
ist ein Stapel aus abwechselnd aufeinanderliegenden ungelochten Membranscheiben
und porösen Trenngliedern angeordnet. Bei dem speziellen dargestellten Ausfuhrungsbeispiel
umfaBt dieser Stapel monofile Nylongitter 50, 51, 52,53 und 54 als Zwischenlage
und selektiv durchlässige Membranen 55,56,57 und 58. Ausgewählte
Randabschnitte
der Membranen und Nylongitter sind in der folgenden Weise miteinander dicht verbunden.
Die beiden Ränder des Gitters 50, welche neben den Ausnehmungen 20 und 22 liegen,
sind jeweils mit einem schmalen Streifen aus einem elastomeren Bindematerial, wie
bei 60 und 61 gezeigt, imprägniert, und die Membran 55 ist längs dieser Ränder mit
dem Gitter 50 dicht verbunden. Die Streifen 60 und 61 sind mit dem Boden 16 verbunden
und stellen fliissigkeitsdichte Abdichtungen her. Die beiden Ränder des Gitters
51, welche neben den Ausnehmhngen 21 und 23 liegen, sind in ähnlicher Weise mit
einem schmalen Streifen aus elastomeren Bindematerial imprägniert und mit den entsprechenden
oberen Randbereichen der Membran 55 und den entsprechenden unteren Randbereichen
der Membran 66 dicht verbunden. Die Endabschnitte des Gitters 52 und der Membranen
56 und 57, welche neben den Ausnehmungen 20 und 22 liegen, und die Endabschnitte
des Gitters 53 und der Membranen 57 und 58, die neben den Ausnehmungen 21 und d
23 liegen, sind in ähnlicher Weise jeweils zusammen abgedichtet. Die Endabschnitte
des Gitters 54 und die Endbereiche der Membran 58, die neben den Ausnehmungen 20
und 22 liegen, sind miteinander dicht verbunden, und das elastomere Dichtmaterial
erstreckt sich durch das Gitter 54 und bildet mit dem Deckel 11 eine Abdichtung.
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Darüberhinaus sind die vier Ausnehmungen 30 an den Ecken mit einem
lichen elastomeren Material verfüllt, um die benachbarten Ausnehmungen 20, 21, 22
und 23 gegeneinander
absudichten. Es ist somit zu ersehen, daß
jedes Gitter 50 51 ,52, 53 und 54 im Zusammenwirken mit den Membranen 55, 56, 57
und 58 Kanäle oder Fluidumdurchlauze zwischen den Ausnehmungen 20 und 22 sowie 21
und 23 bilden. Beispielsweise kann ein in die Ausnehmung 2 eintretendes Fluidum
durch die von den Gittern 51 und 53 eingenommenen Kanäle nur zur Ausnehmung 22 fließen,
während ein anderes Fluidum, das in die Ausnehmung 21 ! eintritt, durch die von
den Gittern 50, 52 und 54 besetzten Kanäle nur zur Ausnehmung 23 fließen kann. Es
ist hierbei zu ersehen, daß jede Membran mit einer Oberfläche dem einen Fluidum
und mit seiner gegenüberliegenden Oberfliche dem anderen Fluidum ausgesetzt ist.
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Bei einer speziellen Ausbildung der Vorrichtung war der gezeigte Stapel
aus Silikon-Kautschuk-Membranen von etwa 25 Mikron Dicke und 35 cn2 GroBe aufgebaut.
Die Gesamtdicke der Membranen und Nylongitter betrug etwa 3, 2 mm.
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Zwischen den Ausnehmungen 21 und 23 zirkulierte menschliches Blut
und zwischen den Ausnehmungen 20 und 22 Sauerstoff. Es wurde festgestellt, daß das
Blut in befriedigender Weise mit Sauerstoff angereichert werden konnte, und zwar
bei Durchflußmengen von etwa 100 ml Blut je Minute, eine Durchflußmenges die die
des menschlichen Lungengewbes übertrifft.
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Für den Fachmann ist es klar, daß Abwandlungen und Ausgestaltungen
bei der Vorrichtung gemäB der Erfindung möglich sind. Wenn auch die Oxygenierung
von Blut als spezielles Beispiel angegebenen wurde, so können selbstverständlich
auch andere Gase als Sauerstoff über solche Membranen ausgetauscht werden, und die
Membranen können aus anderen Materialien als Silikon-Kautschuk bestehen.
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Wenn ein Druckgefälle an den Membranen besteht, dann können die Gittef
bei den Kanälen fUr den höheren Druck gewunschtenfalls weggelassen werden. Es ist
jedoch zu beachten, daß die Gitter über die Abstützung und Trennung hinaus noch
eine weitere Aufgabe erfüllen. Die Gitter rufen eine derartige Turbulenz in den
sie durchströmenden Fluiden hervor, daß sie in gewünschter Weise die Ausbildung
einer Fluidumgrenzschicht unmittelbar an der Membranobertläche verhindern, welche
Grenzschicht entweder in der Konzentration des Austauschgases verarmt oder ortlich
damit hoch angereichert wäre. Beide Fälle sind unerwunscht, da jedesmal die Austauschmenge
herabgesetzt wurde.
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Darüberhinaus ist zu beachten, daß dann, wenn eine Druckdifferenz
zwischen den beiden Fluiden besteht, die Tatsache, daß beide Membranen auf ! Jeder
Seite eines gegebenen Gitters demselben Druck ausgesetzt sind, welcher hoher ist
als der Druck des Fluidums, das sich zwischen
den Membranen befindet,
auf einen Kräfteausgleich am Gitter hinwirkt, so daß nur eine PreBkrqft über die
Gitteroberfläche hinweg auge-dut wird. Hierdurch wird zumindest eine der Schwierigkeiten
ausgeschaltet, die bei älteren Vorrichtungen, z. B. bei der in der USA-Patentschrift
Ser. No. 2 966 235 von Kammermeyer beschriebenen Vorrichtung, gefunden wurden. Wenn
auch erläuterungshalber eine Vorrichtung beschrieben wurde, bei der ein Gasaustausch
zwischen zwei Fluiden vorgesehen ist-und bei der eine mit"90° Querstromung"zu bezeichnende
Anordnung verwendet ist-, so ist es ferner offenbar, daB drei oder vier oder mehr
verschiedene Fluide verwendet werden können und daß verschiedene Winkelbeziehungen
zwischen den Teilstromungen vorliegen können. Beispielsweise können statt einer
rechtwinkligen Anordnung mit zwei Gruppen von Kanälen und Leitungsanschlüssen auch
eine hexagonale Anordnung mit drei Sätzen von Kanälen und zugehörigen Leitungsanschlüssen
oder auch eine oktagonale Anordnung mit vier Paaren von Kanälen und zugehörigen
Leitungsanschlüssen vorgesehen werden. In diesen Fällen kann die Zusammensetzung
der Membranen aus verschiedenen Materialien gewählt werden, um eine wirksamere Trennung
der verschiedenen verwendeten Gase zu eneichen.
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Die vorstehenden Ausfuhrungen zeigen, daß die beschriebene Vorrichtung
in vielfältiger Weise abwandelbar ist, ohne daB hierdurch der Rahmen der vorliegenden
Erfindung verlassen wird.