DE1769356A1 - Gasaustauscher mit loeslicher Verschlussmasse - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasaustauscher und ein Verfahren zur Herstellung eines Gasaustausohers für die spezifische Überführung eines Gases von einem Bereich in einen anderen.

In der modernen Technologie ist oft die selektive Abtrennung eines Gases aus einer Gasmischung und dessen Überführung in ein anderes, flüssiges Medium erforderlich. Die Beziehung des Gases zu dem Medium, in welches es überführt wird, soll solcher Art sein, dass optimale oder nahezu optimale Verhält*- nisse für das Gas bestehen. Bei einer bevorzugten Anordnung fHessen Gas und aufnehmendes Flussigkeitsmedium in nahezu entgegengesetzter Richtung über die Membranoberfläche, zur Übertragung eines bestimmten Gases in eine aufnehmende Plüssig-

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lceit wird eine kompakte Apparatur benötigt. Eine Austauschapparatur wird zusammengesetzt und abgedichtet, um unerwünschte Gase fernzuhalten und um einen möglichst vollständigen Übergang des Gases in daa Medium zu gewährleisten. Das Letztere gelingt unter Ausnutzung des Gegenstromprinzips.

Ein Problem bei der Herstellung einer Anzahl aufeinandergeschichteter Kammern mit dazwischen angebrachten Membranen, wobei die Kammern abwechselnd Gas und die Absorptionsflüssigkeit enthalten, besteht darin, dass die Dichtungsmasse beim Zusammenbau der Kammerelemente leicht in die Öffnungen, durch die die zirkulierenden Flüssigkeiten fliessen, gelangt und diese verstopft. Man kann, das Problem dadurch lösen, dass man im Bereich dieser Öffnungen den Draht entfernt und den entstandenen Raum mit einem Stopfen verschliesst. Die Stopfen sitzen Jedoch häufig schlecht, darüberhinaus können beim Einschneiden des Metallgewebes zwischen den Membranen verzaokte Enden entstehen, die die Membrane durchspiessen oder brechen, weiterhin können die Stopfen mit der Dichtungsmasse verbacken und sind dann ohne Beschädigung der Dichtungsmasse schwer zu entfernen.

Kurz gefasst, wird gemäss vorliegender Erfindung im Metallgewebe dort ein wasserlösliches Wachs od^r eine Verschlussmasse angebracht, wo sich später eine Öffnung befinden soll, danach werden abwechselnd Metallgewebe und Membrane schichtweise übereinander angebracht und mit einer Dichtungsmasse zusammengefügt. Endlich wird die wasserlösliche Masse durch Waschen entfernt, wobei präformierte Öffnungen für die Zirkulation des flüssigen Mediums zurückbleiben.

Die erfindungsgemässe Apparatur für den Gasaustausch ist extrem trennwirksam und besteht aus einer ebenen, undurchbrochenen Membran, die für bestimmte Gase durchlässig ist

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und die in einer Kammer oder zwischen zwei Kammern angebracht wird, wobei durch eine Kammer das Gas und durch die andere die absorbierende Flüssigkeit' flieset. Eine vulkanisierbare Einbettungsmasse wird .zur Abdichtung der Kanten mit Ausnahme der Sin- und Austrittaöffnungen verwendet, sodass unerwünschte Gase oder Flüssigkeiten nicht in die Kammern, in denen der Gasaustausch stattfindet, eindringen können. Die Ecken der Apparatur werden vor der Aufbringung der Dichtungsmasse in einen Polyäthylenglykol eingetaucht. Das Material an den Ecken kann abgewaschen werden und lässt einen Zugang zum Gasaustauscher zurück. An jeder Kante kann ein Kopfstück angebracht werden, sodass die Flüssigkeit willkürlich.zu und vom Gasaustauscher weggeleitet werden kann. Vorzugsweise wird der Gasstrom etwa im rechten Winkel zur Fliessrichtung der Flüssigkeit in der anderen Kammer geleitet, so dass eine optimale Gasmenge von der absorbierenden Flüssigkeit aufgenommen werden kann. Zur Erhöhung der Wirksamkeit und der Kapazität des Gasaustauschers kann eine Anzahl von Kammern, die abwechselnd Gas und Absorptionsflüssigkeit enthalten, schichtweise übereinander angeordnet werden.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen die Erfindung näher erläutern:

Figur 1 zeigt die Ansicht eines erfindungsgemässen Gasaustauschers.

Figur 2 zeigt einen vergrösserten Schnitt der Apparatur aus Figur 1 vor der Aufbringung der Dichtungsmasse.

Figur 3 zeigt die vergrösserte Ansicht der Apparatur aus Figur 1 nach Aufbringung der Dichtungsmasse.

Figur 4 zeigt die schichtweise Anordnung der die Membrane enthaltenden Elemente.

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Figur 5 zeigt die abgedichtete Anordnung und deutet die gegenläufige Durchflussrichtung an.

Figur 6 zeigt die vergrösserte Ansicht einer Ecke aus Figur 5 nach .Entfernung der Verschlussmasse.

Die Ansicht des GasaustausGhapparats in Figur 1 zeigt eine geeignete, undurchbrochene Membran 2, die für bestimmte Gase durchlässig ist und die als Trennmedium für die Kammern 3 und 4 dient, durch welche das. Gas bzw. die Absorptionsflüssigkeit fHessen. Als Gase kommen hauptsächlich Sauerstoff oder Luft in Betracht. Die Membran 2 besteht aus undurchbrochenem Material, wie zum Beispiel einer Silikonkautschukmembran, wie sie in den USA-Anmeldungen 241 346, 247 904, 269 430, 397 687 und 466 698, die der Anmelderin gehören, beschrieben sind, und ist für bestimmte Gase und dampfförmige Substanzen durchgängig, wogegen die übrigen im wesentlichen zurückgehalten werden. Die Gase, für die die Membran durchlässig ist, wandern von der Seite des höheren Partialdrucks zur Seite des niedrigeren Partialdrucks.

Beträgt zum Beispiel der Partialdruck des Sauerstoffgases, der durch die Kammer 3 fliesst, 0,21 kg/cm , also dem Partialdruck von Sauerstoff in Luft entsprechend, und der Partialdruck des Säuerstoffs der Flüssigkeit in Kammer 4 ist geringer, so tritt Sauerstoff durch die Membran 2. und wird von der Flüssigkeit der Kammer 4 aufgenommen. Die Flüssigkeit der Kammer 4 wird auf Kosten der Konzentration mit diesem angereichert.

Wie Figur 2 zeigt, werden die Membrane 2 abwechselnd mit dem Gitter 5 oder anderen versteifenden Vorrichtungen angeordnet. Die Gitter erlauben den Durchfluss der Flüssigkeit

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in Ifongitudinalrichtung, sie verursachen Turbulenz und Durchmischung, Sie ermöglichen den Flüssigkeitsdurchgang ohne jäinreissen der Membran, da diese durch das Gitter an vielen !Punkten gestützt wird. Die Stützung durch Gitter 5 reicht für hohe absolute Druckdifferenzen aus. Das Gitter kann aus einem geeigneten Kunststoff oder aus Metall in der: üblichen Weise verwoben werden.

Der Stapel von Membranen und Gittern wird zum Zusammenbau vorbereitet, wobei die ausgeschnittenen Ränder 6 und 7 jeweils mit einem Abstandstück versehen, abwechselnd angeordnet werden? nach deren Entfernung werden, wie in Figur Z gezeigt, in der endgültigen Anordnung Ausnehmungen zurückgelassen. Diese Ausnehmungen 9 stellen die Einlass- und Austrittsöffnungen dar, durch welche das Gas und die Flüssigkeit in den Gasaustauscher gelangen. Die Abstandsstücke 8 werden aus Polytetrafluorethylen hergestellt und verbacken nicht mit dem Dichtungsmaterial, Bei einer ebenen Anordnung dar Membrane • 2» wie in den Figuren 1 und 2, sind die Abstandsstücke flach und entsprechen in ihrer Höhe dem gewünschten Abstand zwischen, den Membranen 2, sie präformieren also nicht nur den Einlass-» und den Austrittskanal, sondern halten die Membrane auch in gewünschtem Abstand bis zu ihrer endgültigen Verbindung. In den erläuternden Figuren werden rechteckige Membrane und Abstandsstücke gezeigt, in Verbindung mit der gegenwärtigen Erfindung können jedoch auch andersgestaltete Elemente erfolgreich eingesetzt werden. Bei entsprechender Anordnung der Abstandsstück^ 8 flieset der Gasstrom in Kammer 3 in entgegengesetzter Richtung der absorbierenden Flüssigkeit in. Kammer 4, sodass Gas und Flüssigkeit im Gegenstrom fliessen.

Sind Membrane, Gitter und; Abstand sstücke, wie in. Figur 2 gezeigt, in geeigneter Weise angeordnet, so können die Ränder

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in eine geeignete Dichtungsmasse 10 eingetaucht werden, vorzugsweise in eine vulkanisierbare Kautschukzusamraensetzung oder eine härtbare Siloxan-Einbettungsmasse, wie sie in der USA-Patentschrift 3 135 891 beschrieben wird. Dieee Masse wird so lange aufgestrichen, bis ein fester Überzug erzielt ist. Jede Ecke der Anordnung wird bis zur Hilfslinie 11 in die Einbettungsmasse eingetaucht, um eine sichere Verbindung der Membrane und eine leokverhindernde Abdichtung zu gewährleisten, die den Zutritt von Gasen, die den Austauschvorgang stören, verhindert. Von aussen eindring-ende Gase wurden die Partialdruckverhältnisse in der Apparatur verändern und den Pluss im Apparat stören. Wie Pigur 2 zeigt, reichen die Abstandsstilcke 8 über die Linie 11 hinaus, die gebildeten Kanäle erstrecken sich also durch das gesamte Jäinbettungsmaterial hindurch, die Einlass- und Austrittskanäle 50 werden also durch das Dichtungsmaterial nicht eingeengt. Die oben erwähnte, härtbare Siloxanmasseerstarrt schnell ohne Anwendung von Druck. Mit dem beschriebenen Dichtungaverfahren können komplizierte Kanäle auf einfache Weise hergestellt werden und bilden den oben beschriebenen Gegenstrom-Gasaustauscher .

Wie aus JPigur 1 leicht zu ersehen ist, tritt das Gas durch eine der Öffnungen, die z.B. durch die Ausräumungen 7 gebildet werden, ein und füllt die dazugehörige Kammer 3 aus. In ähnlicher Weise tritt die absorbierende Flüssigkeit .in. die Kammer 4 ein, erfüllt die Kammer und bedeckt die andere Oberfläche der Membran. Das Gas mit dem höheren Partialdruck wandert nun durch die Membran in die flüssigkeit mit dem niedrigeren Partialdruck.

Eine theoretische Diskussion der Arbeitsweise wird in der bereits erwähnten Anmeldung gegeben, auf die hier verwiesen wird.

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Die oben erwähnte Diskussion beschränkt eich auf die Betrachtung einer SοIitärmembran und der Stützstruktur, es wird betont, dass bei einer Serie von Membranen der Gasaustausch schneller und einheitlicher erfolgt, weil für eine grössere Gasraenge eine grosse Absorptionsfläche zur Verfügung steht. Jede der beschriebenen Apparaturen kann im Hinblick auf Figur 1 mit einem oder mehreren Elementen konstruiert werden.

Die in ihre Einzelteile aufgelöste Darstellung in Figur 4 zeigt die Anordnung eines Gasaustauschers. Das obere Element ist ein gewobenes Gitter 12, bei dem die entgegengesetzten Ecken mit einer dünnen Schicht Spezialwachs 13 versehen und die anderen Ecken entfernt sind. Das als nächstes darunterliegende Element ist eine selektiv durchgängige Membran 14, die im wesentlichen für ein Gas durchlässig ist. Bei jeder Membran sind alle vier Ecken entfernt. Das dritte Element ist wiederum ein gewobenes Gitter 15, bei dem die anderen Ecken, d.h. die beiden anderen Ecken, wie von Element 12 mit Wachs versehen und die restlichen entfernt sind. Das vierte Element ist eine weitere selektiv durchgängige Membran 16, ähnlich dem zweiten Element und das fünfte Element ist ein gewobenes Gitter, bei dem die entsprechenden Ecken wie im Element 12 mit Wachs versehen sind. So wird eine gestapelte Anordnung vieler Schichten erhalten, bei der abwechselnd jedes zweite Gitter eine Wachsschicht an den gleichen Ecken besitzt, wodurch der Fluss durch den Austauscher ermöglicht wird. Die Elemente werden zusammengehalten und der aussere Rand mit einer Dichtungsmasse überzogen. Die Abdichtung wird dadurch vervollständigt, dass man die gesamte Peripherie mit Ausnahme der Ecken mit der Dictitungmasse übergiesst. Jede gewobene Gittertrennwand wird an zwei gegenüberliegenden Enden mit einer bei niedriger Temperatur schmelzenden Wachsmasse 13 überzogen, die bei Zimmertemperatur erstarrt und mit Wasser entfernt werden kann. Das Wachs soll einen möglichst niederen Schmelzpunkt besitzen, doch sollte der Schmelzpunkt etwas über der

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beim Prozess auftretenden Temperatur liegen. Beispiele für solche Wachse sind die handelsüblichen Polyäthylenglykole, mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht zwischen etwa 700 und 20 000. Diese Wachse sind sehr gut wasserlöslich und können durch Waschen leicht entfernt werden. Die endgültige Apparatur ist demnach ein Stapel von abwechselnden Schichten einer selektiv durchgängigen Membran und einem Gitter, dessen mit Wachs überzogene Ecken wie in Figur 5 gezeigt entgegengesetzt liegen. Von den vier iScken werden nur zwei gegenüberliegende mit dem zeitweilig abschliessenden Material überzogen, während die übrigen Ecken fest mit dem Dichtungsmaterial verschlossen werden. Diese Ecken wurden zuvor abgeschnitten und sind vollständig in der Dichtungsmasse eingebettet. Dadurch werden Leckverluste im Austauscher vermieden. Um die Elemente zusammen abzudichten, kann die Anordnung mit der gewünschten Anzahl von Membranen und Gittern in eine ϊοπη gebracht werden, die längs der Randflächen an der Peripherie offen ist, das Ganze wird nun mit Dichtungsmaterial versehen, sodass in jeder Randfläche der Peripherie bei Umgebungstemperatur das Dichtungsmaterial bis zu einer Tiefe eindringt, die durch die Grosse der Einheit und durch den erwarteten inneren Druck bestimmt wird. Die Dichtungsmasse dringt also an allen Randflächen der Peripherie, wo kein Wachs vorhanden ist, ein, verbindet die gewobenen Gitter.mit den permeablen Membranen im Bereich der Randflächen, da zuletzt eine dünne Dichtungsschicht die ganze Anordnung überzieht. Die Dichtungsmasse wird nun an den Ecken abgesägt, um das Wachs freizulegen. Die freigelegte Gitterseite enthält an jeder Ecke Y/achs. Das Wachs kann durch Begiessen mit einem geeigneten Lösungsmittel, wie warmem Wasser, entfernt werden. Ist das Wachs entfernt, so bilden die vorher mit Wachs ausgefüllten Bereiche nunmehr die Kanäle 17, 18, sowie 19» 20, durch die die auszutauschenden Medien fliessen. In Übereinstimmung mit der Erfindung können selbstverständlich andere als rechteckige Aueformungen zur Verwendung kommen, ausserdem können über dem Kopfelement und unter dem Boden-

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element Deckplatten angebracht werden. Wird zum Beispiel eine hexagonale Form bevorzugt, so könnten drei Flüssigkeitsströme durch den Austauscher geleitet werden, während eine runde Form die Abdichtung vereinfachen würde, da ein runder Austauscher eine kontinuierlich verlaufende Mantelfläche besitzt, die durch Rotieren in einem Bad mit der Dichtungsmasse abgedichtet werden könnte. .

Bei der Anordnung der Figur 5 sind die Prinzipien des Gegenstroms, wie die Hilfslinien zeigen, nahezu erfüllt. Tritt zum Beispiel ein mit Kohlendioxid geladenes Gas in der Öffnung einer Ecke ein und bei der anderen wieder aus, so kann ein Waschgas an einer dritten Ecke eingeleitet werden, es flieset nun in mehr oder weniger entgegengesetzter Richtung des ursprünglich eingeleiteten Gases und extrahiert aus ihm einen grossen Anteil des Kohlendioxids. Das angereicherte Waschgas kann nunmehr durch die Öffnung der vierten JSoka aus dem Austauscher entweichen.

Die in ihre Einzelteile aufgelöste Ansicht (Figur 6) einer Ecke der Figur 5 zeigt das Ergebnis, wenn die Dichtungsmasse ■■ ein Stück in das Gitter eindringt und nunmehr zwischen den permeablen Membranen, sowie oberhalb und unterhalb des Gitters liegt. Wird das Wachs entfernt, so kann die Austauschflüssigkeit durch die erste und dritte Lage zirkulieren, während die zweite und vierte Lage durch die Dichtungsmasse verschlossen ist und keinen Durchgang erlaubt.

Einige Vorteile dieses Vorgehens sind die folgenden: Es ist nicht notwendig, das Gitter einzuschneiden. Dadurch wird der Verarbeitungsprozess vereinfacht und eine Beschädigung der Membrane verhindert. Die scharfen Ränder und Krate, die beim Schneiden entstehen, befinden sich alle an der äusseren

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Peripherie und nicht im Innern, wo sie die Membran durchspiessen und daduroh einen Leckverlust bedingen könnten. Die Entfernung der Stopfen wird dadurch erleichtert, dass sie nunmehr duroh Wasser entfernt werden können und nicht mehr herausgezogen werden müssen. Das mögliche Zersplittern und Abplättein der Dichtungsmasse wird durch das Auswaschen des Stopfens vermieden. Endlich wird nach Aufbringung der Dichtungsmasse auf die vorgeschnittenen Gitter und Membrane eine leckfreie Abdichtung gewährleistet.

-!!-/Patentansprüche;

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Claims (6)

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung einer Gasaustausch-Apparatur, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst an den' entgegengesetzten Ecken der Trennwände aus gewobenem Gitter gewärmtes, wachsartiges Material, das bei Zimmertemperatur erstarrt und durch Abwaschen entfernt werden kann, angebracht wird, dass eine Anzahl·undurchbrochener Membrane und Schichten aus gewobenem Gitter als Trennwände gerstapelt angeordnet werden, sodass abwechselnd eine Anzahl erster und zweiter Pliessbereiche entstehen, dass eine Siloxan-Einbettungsmasse auf die Randflächen der zusammengefügten Membrane aufgebracht wird, um die ersten und zweiten 3?liessbereiche zu umgrenzen und abzudichten und sie voneinander zu-trennen, sodass ein Medium, das in einem Fliessbereich zirkuliert, die Membran durchwandern muss, um in den anderen Fliessbereich zu gelangen, dass das oben genannte Wachsmaterial von den gegenüberliegenden Eoken abgewaschen und somit ein gegenläufiger Durchfluss in den beiden Fliessbereichen ermöglicht wird, um so ein Partialdruck-Differential über die Membran zu erhalten und einen optimalen Gasaustausch zu gewährleisten.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wachsartige Material ein Abkömmling des Polyäthylenglykols ist. ·

3.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyäthylenglykol ein durchschnittliches Molekulargewicht zwischen etwa 700 und 20 000 besitzt.

4.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn-

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zeichnet, dass die iäcken der oben beschriebenen, abgedichteten Anordnung nach der Aufbringung des Siloxan-Einbettungsmaterials und vor dem Abwaschen des Wachsmaterials abgeschnitten werden.

5.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das beschriebene Siloxan-ßinbettungsmaterial bei Zimmertemperatur befindet.

6.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5; dadurch gekennzeichnet, dass die den beschriebenen Ecken gegenüberliegenden vor der Aufbringung des erwärmten Wachsmaterials abgeschnitten werden, sodass das Dichtungsmaterial diese eindeckt.

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