DE1544035A1 - Vorrichtung zum Gasaustausch zwischen zwei oder mehr Fluiden - Google Patents
Vorrichtung zum Gasaustausch zwischen zwei oder mehr FluidenInfo
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Description
- Vorrichtung zum Gasaustausch zwischen zwei oder mehr Fluiden.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Die vorstehenden Ausfuhrungen zeigen, daß die beschriebene Vorrichtung in vielfältiger Weise abwandelbar ist, ohne daB hierdurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Claims (11)
- Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Gasaustausch, die eine Vielzahl von ungelochten Membranen umfaßt, welche Fläche auf Fläche angeordnet sind und Jeweils ein großes Verhältnis von Fläche zu lUlumen besitzen, wobei jede Membran mit einer Oberfläche in einer im wesentlichen konstanten Entfernung von der Oberfläche einer benachbarten Membran liegt, um zwischen den Membranen eine Vielzahl von Kanälen vorzusehen, und wobei die Membranen aus einem organischen Material bestehen, das für Gase und Dampé selektiv durchläsig ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20,22) die einen Strom aus einem ersten Fluidum, welches ein Gas enthält, fur das zumindest ein Teil der Membranen (55, 56,57,58) durchlässig ist, im wesentlichen gleichzeitig durch einige der Kanäle (bei 51, 53) leitet, die zum Teil je von einer gasdurchlässigen Membran begrenzt werden, und durch eine Einrichtung (21, 23), die einen Strom aus einem zweiten Fluidum gleichzeitig mit dem ersten Fluidum und d im wesentlichen gleichzeitig durch andere Kanäle (bei 50, 52,54) leitet, welche zum Teil ebenfalls durch die gasdurchlässigen Membranen begrenzt sind.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20, 22) für das erste Fluidum im wesentlichen gleichzeitig durch jeweils den zweiten Kanal (bei 51, 53) das erste Fluidum leitet und d daß die Einrichtung (21, 23) für das zweite Fluidum diesesgleichzeitig mit des ersten Fluidum und im wesentlichen gleichzeitig durch die jeweils zwischen den vorerwähnten Kanälen liegenden Kanäle (bei 50, 52, 54) leitet.
- 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Kanäle mit einem porösen Trennglied (50 bis 54) im wesentlichen ausgefüllt sind.
- 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20, 22) fUr das erste Fluidum geeignet ausgebildet ist, um das erste Fluidum mit einem hoheren Druck einzuleiten, als das zweite Fluidum eingeleitet wird, und daß die das zweite Fluidum aufnehmenden Kanäle mit porösen renngliedern (50,52,54) im wesentlichen gefüllt sind.
- 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daB zumindest ein Fluidum in flüssigem Zustand vorliegt.
- 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Fluidum ein Gas enthält, für das zumindest einige der Membranen (55-58) durchlässig sind.
- 7. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20,22) für das erste Fluidum einen EinlaB-und Auslaßleitungsanschluß (35, 37) enthält, welche mit der einen Gruppe der Kanäle (bei 51, 53) in Verbindung stehen.
- 8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (21,23) für das zweite Fluidum einen Einlaß-und AuslaBleitungsanschluB (36, 38) enthält, welche in Verbindung mit der anderen Gruppe von Kanälen (bei 50, 52, 54) stehen.
- 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (20,22y und die jeweils mit diesen verbundenen Kanile und Leitungsanschlüsse für das erste und das zweite Fluidum voneinander getrennt sind.
- 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanschlüsse (35, 37) für das erste Fluidum und die Leitungsanschliisse (36, 38) für das zweite Fluidum jeweils an jeden zweiten der übereinanderliegenden Kanäle angeschlossen sind.
- 11. Vorrichtung zum Gasaustausch zwischen Fluiden, bestehend aus einer Vielzahl übereinander angeordneter, selektiv gasdurchlässiger Membranen aus organischem Material, zwischen denen Strömungskanäle für die Fluide liegen, dadurch gekennzeichnet, daB die Kanäle (bei 50 bis 54) periodisch, z. B. bei Verwendung von zwei Fluiden alternierend, zu Gruppen zusammengefaßt sind, daB die Gruppen von Kanälen gegeneinander abgedichtet und jeweils an verschiedene DurchfluBleitungen (35, 37 und 36, 38) angeschlossen sind, wobei die Kanäle der einzelnen Gruppen stirnseitig etwa auf voller Breite in Zufluß-bzw.AbfluBräume (20 bis 23) müden, und daß die Ranale mit porösen Trenngliedern (50 bis 54) gefüllt sind.L e e r s e i t e
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