DE2244218A1 - Membranen-trennvorrichtung - Google Patents

Membranen-trennvorrichtung

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DE2244218A1
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membranes
membrane
fluid
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Alphonse Faure
Bruno Jamet
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Rhone Poulenc SA
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    • B01D—SEPARATION
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Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenigsberger - DIpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumstein jun.
PATENTANWÄLTE
POSTSCHECKKONTO: MÜNCHEN 91139
BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHÄUSER
β MÜNCHEN 2,
SC 3968
v/th
EHÖHE-P0U-TJ3NC S.Ao, Paris/Frankreich
Membranen-Treibvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Merabranen-Trennvorrichtung, die für den Gasdurchtritt und den Dampfdurehgang geeignet ist.
Derartige Verfahren werden in sehr unterschiedlichen Bereichen angewendet, beispielsweise in der chemischen Industrie zur Rückgewinnung von Gas aus Abfallstoffen oder zur Herstellung von sauerstoffangereicherter Luft aus Umgebungslufto Die Durchführung dieser Verfahren macht besondere Vorrichtungen erforderliche
Derartige Vorrichtungen sind bereits beispielsweise in der US-PS 3 252 272 bescEfieben worden» Diese Patentschrift betrifft eine Vorrichtung aus spiralförmig eingewickelten Membranen. Eine derartige Vorrichtung bildet eine nicht teilbare Anordnung, deren Dichtheit schwer zu erreichen ist und die bei einer einzigen Leckstelle unbrauchbar werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Schaffung einer Membranen-Trennvorrichtung gerichtet, die einfach aufgebaut ist und auto-
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matisch hergestellt werden kann, die große Membranenoberflachen bei kleinen Abmessungen aufweist, deren Durchgangskreislauf entleert werden kann und in der eine eventuelle Leckstelle durch eine Membran hindurch gegebenenfalls leicht lokalisiert werden kann.
Die erfindungsgemäße Membranen-Trennvorrichtung umfaßt getrennte Platten, die beliebig angeordnet sein können.
Die erfindungsgemäße Membranen-Trennvorrichtung für einen Gasdurchgang oder Dampfdurchtritt mit Membranen und Platten umfaßt wenigstens eine Leitung für die Einleitung des zu behandelnden Fluids, eine Leitung für den Abzug des behandelten Fluids und eine Leitung des Durchgangsmaterials und ist dadurch gekennzeichnet, daß sie im Inneren eines geschlossenen Gehäuses einen abwechselnden Stapel von Rahmendichtungen und parallel epipedisehen Membranenelementen umfaßt, die zwischen zwei Platten ange^- ordnet und eingeklemmt sind, die mit Kanälen versehen sind, die mit den Leitungen zur Einleitung und Ableitung des Fluids verbunden sind, wobei die Membranenelcmente jeweils aus zwei auf beiden Seiten einer porösen Stütze angeordneten Membranen bestehen, die an einem Ende in einem Abstand zwischen 40 und 90°/o der Breite wenigstens eine Aussparung aufweist, wobei die beiden Membranen dicht um wenigstens eine Öffnung im Inneren der Aussparung angeordnet sind ,und die Aussparungen von zwei aufeinanderfolgenden Membranenelementen sind alternativ auf einer Seite und sodann auf der anderen, gegenüberliegenden Seite des Stapels in bezug auf die Stapeldichte senkrecht zu den Membranenelementen angeordnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt vorzugsweise im übrigen eine oder mehrere Zwischenplatten, die auf beiden gegenüberliegenden Flächen eine längliche Öffnung aufweisen, deren Lage derjenigen der Öffnungen der angrenzenden Membranenelemente entspricht, wobei die länglichen Öffnungen mit einer Leitung in Verbindung stehen, die in der Seitenfläche der Platte mündet und di It.-iigen symmetrisch in Benug auf die Mitte der Platte an- geo. \dt sind. Röhren gestatten die Verbindung der Leitungen mit geeigneten Sammelorganen. Der durch eine Endplatte oder Zwischen- plav^e, eine bestimmte Anzahl von Rahmendichtungen
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BAD ORIGINAL
durch Membranenelemente und eine Zwischenplatte gebildete Stapel stellt eine Untergruppe dar.
Vorzugsweise sind die Endplatten und die Zwischenplatten identisch aufgebaut.
Im folgenden werden beispielsweise, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die sich auf eine Vorrichtung bezieht, die für den Gas- und Dampfdurchtritt bei Drücken zwischen vorzugsweise 3 und 12 Bar absolut beziehte
Fig. 1 zeigt eine Ansicht der Anordnung entsprechend einer Ausführungsform der erfindurigsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 ist eine Ansicht der Vorrichtung der Fig. 1 von unten;
Figo 3 ist eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung, wobei das -Gehäuse weggelassen ist;
Fig. 4 zeigt eine Unteransicht eines Membranenelements; Fig. 5 zeigt eine Unteransicht einer Rahmendichtung;
Fig. 6 ist eine Teil—Schnittdarstellung entlang der Linie ABCD des in Fig. 4 gezeigten Elements;
Fig* 7 ist eine Unteransicht einer Endplatte oder einer Zwischenplatte;
Fig. 8 zeigt eine Ansicht im Teilsohnitt E-E der in Fig. 7 ' gezeigten Platte von links;
Fig. 9 ist ein Schnitt von zwei Untergruppen mit einem Zirkulationsschema der Fluide;
Fig* 10 zeigt das Zirkulationsschema der Fluide in einer Anordnung von Elementen im Inneren einer Untergruppe*
Die in Fig* 1 und 2 gezeigte Vorrichtung umfaßt ein dichtes Gehäuse, das einen starren.Sockel 1 und einen Kasten 3 umfaßt, der zur Vereinfachung der Zeichnung durchsichtig dargestellt ist» Der Sockel und der Kasten sind durch nicht gezeigte Verbindung?einrichtungen verbunden, wobei die Dichtheit durch eine Dichtung 2
sichergestellt ist. Der Sockel und der Kasten bilden ein dichtes Gehäuse.
Im Inneren des Gehäuses befindet sich ein Stapel 41 der durch zwei Endplatten 7 und 8 begrenzt wird. Der Stapel ist zwischen dem Sockel 1 und einer Btarren Platte 57 wit Hilfe einer Reihe von Gewindestangen 9» Muttern 11 und Scheiben 10 eingeklemmt0 Er wird durch zwei mit dem Sockel fest verbundenen Zentrierungsstangen und 6 in seiner Stellung festgelegt·
Zwei Sammler 12 und 13 zur Einleitung des au behandelnden Fluids bzw, zum Abzug des behandelten Fluids sind auf beiden Seiten des Stapels 4- angebracht. Sie durchdringen den Sockel 1 und münden !auf der Außenseite in Leitungen H und 15, Der Sammler 12 ist durch eine Röhre 16 mit einem Kanal 33 (Fig» 7) im Inneren der Platte 7 verbunden, und der Sammler 13 steht durch ein Rohr 17 mit einem Kanal 34 (Fig. 7) im Inneren der Platte 8 in Verbindung. Im übrigen setzt eine Leitung 19 das Innere des Gehäuses mit dessen Äußeren in Verbindung und gestattet es, das Fluid, das die Membranen durchquert hat, abzuziehen* Dieses Fluid wird hier Durchgangsfluid genannt.
Der Stapel 4 wird durch abwechselndes Stapeln von Rahmendichtungen 20, die im Mittelbereich in weitem Umfange durchbrochen und in Fig. 5 dargestellt sind, und Membranenelementen 21, die in Fig. 4 gezeigt sind, gebildet. Die Dichtungen 20 und die Membranenelemente 21 sind eben und weisen ein äußeres parallelepipedisches, vorzugsweise rechtwinkeliges Profil auf, das es gestattet, die Membranen praktisch ohne Verlust aus kontinuierlichen Bändern herzustellen. Sie sind vorzugsweise mit diagonal gegenüberliegenden Aussparungen 22 und 23 oder 29 und 30 versehen, die eine Anbringung auf den Zentrierungsstangen 5 und 6 gestatten. Fig. 6 zeigt die relative Anordnung eines Membranenelements 21 zwischen zwei Rahaendiehtungen 20«
Jedes Membranenelement 21 (siehe Fig. 4 und 6) umfaßt zwei Membranen 24, die auf beiden Seiten einer porösen, im allgemeinen biegsamen Stütze 25 angeordnet sind, in der aumindest eine Aus-
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sparung 26 in der Nähe eines Endös angebracht ist* Es können mehrere Aussparungen in Querrichtung angeordnet sein. Vorzugsweise wird eine einzige Aussparung 26. mit länglicher form quer über die Stütze angebrachte Die Gesamtlänge des ausgesparten Bereiches beträgt im allgemeinen zwischen 40 und 90$, vorzugsweise zwischen 50 und 80$ der Breite der Stütze. Die beiden Membranen 24 sind - beispielsweise durch Kleben oder Thermoschweissung - dicht in Bezug auf das Innere jeder Aussparung zusammengefügt. Dieser Bereich ist in Pig. 4 durch gestrichelte Linien 27 dargestellt. Die beiden verbundenen Membranen können durch eine einzige, umgefaltete Membran ersetzt werden. Sie sind im Bereich der Linie 27» in dem sie dicht zusammengefaßt sind, mit einer oder mehreren Öffnungen 28 versehen.
Die Membranenelemente 21 werden jeweils zu zweit Kopfende bei Fußende bei der Bildung des, Stapels angeordnet, wie Pig. 9 zeigt.
Die Endplatten 7 und 8(Pig. 7 und 8) sind im allgemeinen parallelepipedisch geformt, und ihre Abmessungen entsprechen denjenigen der Membranenelemente 21. Zwei diagonal gegenüber angeordnete Löcher 31 und 32 ermöglichen im allgemeinen ihre Anordnung auf den Zentrierungsstangen 5 und 6. Zwei seitliche Kanäle 33 und 34, die symmetrisch in Bezug auf den Mittelpunkt der Platte angeordnet sind, sind in die Platte an jedem ihrer Enden eingearbeitete Diese Kanäle münden je auf einer gegenüberliegenden Oberfläche der Platte in länglichen, querverlaufenden Öffnungen 35 und 36. Die Anordnung dieser Öffnungen stimmt mit der Lage der Öffnungen 28 der Membranenelemente überein.
Der Stapel 4, der in Pig. 9 dargestellt ist, wird durch zwei Untergruppen S1 und S2 gebildet, die je mehrere Membranenlemente 21 umfassen. Die beiden Untergruppen werden durch eine Zwischenplatte P getrennt, die mit den Endplatten 7 und 8 identisch ist.
Die Untergruppen S1 und S2 sind mit einem Versorgungs-Sammler 12 über parallel angeordnete Rohre 16 und mit, einem Abzugs-Sammler . 13 über ebenfalls parallel angeordnete Rohre 17 verbunden.
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Das Durchgangsfluid tritt aus dem Stapel im Umfang der Membranenelemente entsprechend den in Pig. 9 gezeigten Pfeilen aus.
Pig· 3 zeigt im Teilschnitt einen derartigen Stapel.
Daher kann die Zirkulation des zu behandelnden Pluids im Inneren einer Untergruppe, in Reihe von einem Membranenelement 21 zu dem nächsten und parallel zwischen jeder Untergruppe erfolgen. Das gewährleistet eine große Vielseitigkeit der Verwendung und gestattet es unter Umständen, eine Untergruppe, in der eine Lecksteile aufgetreten ist, zu lokalisieren und zu isolieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit Hilfe von sehr verschiedenen Materialien entsprechend den üblichen Regeln des Apparatebaus hergestellt werden. Der Kasten, der Sockel und die Klemmplatten können beispielsweise aus Metall wie Aluminium oder aus thermoplastischen Materialien wie Polyvinylchlorid und PoIyvinylacetochlorid oder Methylmethacrylat bestehen. Das Material für die poröse Stütze der Membranenelemente ist im allgemeinen ein nicht gewebter, und zwar natürlicher (Filterpapier, Filz) oder künstlicher (gesintertes Polyäthylen, nicht gewebte Pasern aus Polyester oder Nylon) Stoff. Die Membranen sind üblicherweise für den Gasdurchtritt verwendete Membranen, beispielsweise aus Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat, Polybutadien, Polystyrol, Vinyltrialcoylsilanpolymer usw. Vorzugsweise werden Membranen verwendet,die gemäß der belgischen Patentschrift 763 749 aus Vinyltriorganosilan gebildet werden, da sie den Vorteil aufweisen, thermoverschweißbar zu sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vielfach abgewandelt werden, So können vorzugsweise mehrere Membranenelemente 21 zwischen zwei starren Platten 39 angeordnet werden, die mit Öffnungen versehen sind, die den Öffnungen 28 entsprechen, und sie beispielsweise durch Haftbänder 40 verbinden, wie in Pig. 10 gezeigt ist. Eine volle Dichtung 38, die mit einer Öffnung entsprechend den Öffnungen 41 versehen ist, ist zwischen den Platten 39 und P angeordnet. Diese Anordnung erleichtert die Handhabung, die lagerung und die Erreichung der Dichtheit» Zum Zwecke der be.i-
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spielhaften Erläuterung zeigt I1Ig.- 10 Membraneneleraentengruppen M, die paarweise in Reihe im Inneren der pärallelversorgten Untergruppen S verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für Gasdurchgangsverfahren, beispielsweise zum Anreichern von Luft mit Sauerstoff, zum kontinuierlichen Gewinnen von Wasserstoff aus Abläufen, zum Trennen von Methanwasserstoff beim Cracken, zum Reinigen von Kohlenmonoxyd enthaltender Luft, zum Rückgewinnen von mit Luft vermischtem Helium in Ballonsonden und lenkbaren Ballons, zur Tren*· nung von Helium aus natürlichem Gas usw. verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ebenfalls für den Dampfdurchgang geeignet, bei dem durch eine Membran in Dampfform wenigstens ein Bestandteil einer flüssigen Phase hindurchgeleitet wird, wobei die flüssige Phase auf eine Temperatur unterhalb ihres Siegepunktes bei dem jeweiligen Druck erwärmt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet viele Vorteile, da sie aus flachen Elementen aufgebaut ist, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind, das lediglich durch .einen Kasten verschlossen wird. Die Vorrichtung kann leicht demontiert und ihre verschiedenen Bestandteile können leicht ausgetauscht werden0
Die Herstellung in Untergruppen gestattet eine einfache Bestimmung eines defekten Elementeso
Der Aufbau als geschlossenes Gehäuse ermöglicht eine einfache Entleerung der Anordnung des Kreislaufes des Durchgangsfluids. Die Gruppierung der Membranen in Membraneneleriienten ermöglicht eine große Oberfläche der Membranen bei einem reduzierten Raumbedarf und eine einfache Handhabung der Membranen»
Die folgenden Beispiele zeigen die ausgezeichneten Ergebnisse, die beim Gasdurchtritt mit der mit den angegebenen Membranen versehenen Vorrichtung erzielt werden*
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Beispiel 1
Man verwendet die in Pig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Gewinnung eines sauerstoffangereicherten Durchgangsfluids aus Umgebungsluft.
Die Vorrichtung umfaßt 16 Membranenelemente 21, die übereinandergelegt und in Reihe im Inneren eines dichten Gehäuses verbunden sind. Jedes Elemente umfaßt zwei Membranen 24 aus Polyvinyltri~ methyleilan auf beiden Seiten eines Pilterpapieres mit einer Dicke von 0,12 mm und sind bei HO0C in Bezug auf das Innere der Aussparung 26 thermoverschweißt. Die Gesamtdicke der Membran beträgt etwa 200 /u und die Dicke der Selektivschicht der Membran :1 /u. Die poröse Schicht der Membran ist gegen das Filterpapier gelegt. Die rechtwinkeligen Membranen von 115 x 205 mm werden von vier ausgerichteten Öffnungen 28 mit einem Durchmesser von 4 mm in einem thermoverschweißten bzw. thermoversiegelten rechtwinkeligen Bereich von 8 χ 68 mm durchdrungen. Die Hutzoberflache
2
jeder Membran beträgt 1 dm . Die Dichtungen 20 mit einer Stärke von 1 mm bestehen aus Gummi mit einer Shore-Härte von 40.
Es werden eine Reihe von Messungen bei einer Temperatur von
240C durchgeführt. Die behandelte Luft wird unter zunehmenden, absoluten Drücken P eingeleitet, und das Durchgangsfluid wird unter einem konstanten Druck von 745 mm Quecksilber abgezogen.
Die erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Die Durchsätze werden in l/h angegeben und bei normalen Temperatur- und Druckbedingungen (0 C, 760 mm Quecksilber) erzielt. Die verwendeten Abkürzungen haben folgende Bedeutung:
A: Luft-Eintrittsdurchsatz (mit 21$ Sauerstoff)
P: Leckdurchsatz (der Gasmischung, die nicht durch die Membranen hindurchgegangen .ist)
X: Prozentsatz des Sauerstoffs in P
D: Durchsatz des Durchgangsfluids (Gasmischung, die durch die Membranen hindurchgegangen ist)
Y: Prozentsatz des Sauerstoffs in D.
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P Bar A _ ( F- X ,4 D 22 4421
• Bar 980 930 20 ,3 47 Y
6 Bar 925 870 20 Λ 53 36 ,5,
8 Bar 1050 1000 H—20 48 36 ,5
8,9 1060 1000 60 36
11 38 -
Es zeigt sich, daß das Durchgangsfluid beträchtlich in Bezug auf Sauerstoff angereichert ist.
Beispiel 2
Es wird dieselbe Vorrichtung verwendet v/ie "bei Beispiel 1 , jedoch wird die Anzahl der Elemente auf 15 und die Dicke der Rahmendichtungen auf 0,7 mm festgelegt (Shore-Härte 6O)0
Es wird eine Reihe von Messungen bei einer Temperatur von 24 C durchgeführt. Die behandelte Luft wird unter einem konstanten, absoluten Druck P mit verschiedenen Durchsätzen eingeleitet, und das Durchgangsfluid wird unter einem absoluten Druck von 0,1 Bär abgezogen. Die erzielten Resultate werden in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, in der die oben erläuterten Abkürzungen verwendet werden:
P Bar A "F X 1 D. Y ,5
3, 65 Bar 990 940 20, 8 50 36 ,5
3, 65 Bar 215 163 16, 8 52 33 ,0
3, 65 73 23 7, -49 27
Es zeigt sich, daß das Durchgangsfluid in Bezug auf Sauerstoff umso stärker angereichert ist, je geringer der Abzugsdruck ist«
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    ο Trennvorrichtung für den Gas- und Dampfdurchgang mit Membranen und Platten, die wenigstens eine Leitung zur Einleitung des zu behandelnden Fluids, eine Leitung zum Abziehen des behandelten Fluids und eine Leitung zur Rückgewinnung des Durchgangsfluids aufweist, dadurch gekennz e i chne t, daß sie im Inneren eines geschlossenen Gehäuses (1,2) einen abwechselnden Stapel (4) aus Rahmendichtungen (20) und parallelepipedischen Membranenelementen (21) umfaßt, die zwischen zv/ei Endplatten (7, 8) angeordnet und .eingeklemmt sind, die mit Kanälen (33» 34) zum Einleiten und Abziehen des Fluids ausgerüstet sind, wobei die Membranenelemente durch je zwei Membranen (24) gebildet werden, die auf beiden Seiten einer porösen Stütze (25) angeordnet sind, die an einem Ende in einem Abstand zwischen 40 und SOfo ihrer Breite wenigstens eine Aussparung (29) aufweisen und die beiden Membranen dicht um wenigstens eine Öffnung (28) im Inneren der Aussparung (29) angeordnet sind,und die Aussparungen
    von zv/ei aufeinanderfolgecden Membranenelementen sind alternativ auf einer Seite und sodann auf tier anderen ,gegenüberliegenden Seite des Stapels in bezug auf die Stapeldiohte senkrecht zu den Membranenelementen angeordnet.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Membranenelemente (21), die angrenzend in Reihe verbunden sind, eine von der folgenden Untergruppe durch eine Zwischenplatte getrennte Untergruppe bilden und die aneinander angrenzenden Untergruppen parallel mit der Leitung (14) zur Einleitung des zu behandelnden Fluids verbunden sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Membranenelemente (21) mit zwei starren Platten mit Öffnungen entsprechend den öffnungen der Membranenelemente verbunden sind.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3f dadurch gekennzei chne t, daß wenigstens ein Membranen-
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    elemente (21) anisotrope Membranen (24) aus Vinyltriorganosilan-Polymer aufweist, im Inneren der Aussparungen (29) thermoverschv/eißt sind»
  5. 5. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche für den Gasdurchgang. ·
  6. 6. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche für den Dampfdurchgang.
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