DE2851687C2

DE2851687C2 - Semipermeable Hohlfasern

Info

Publication number: DE2851687C2
Application number: DE2851687A
Authority: DE
Inventors: Richard Lloyd Decatur Ala. Leonard
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1977-11-30
Filing date: 1978-11-29
Publication date: 1983-05-11
Also published as: LU80600A1; FR2410494A1; AU4202778A; JPS583047B2; JPS5488317A; ES475458A1; SU1022650A3; BR7807845A; DE2851687A1; IT1192290B; IL56081A0; CA1114307A; IT7830319A0; NO146625C; SE7812302L; GB2009034B; IN149938B; BE872380A; ES480626A1; GB2009034A

Description

Die Erfindung betrifft semipermeable, eine Vielzahl von Wellen aufweisende Hohlfasern, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen, so daß die Vielzahl der Wellen während der Fluidtrennung erhalten bleibt; aus diesem, im wesentlichen parallel orientierten Hohlfasern gebildete Hohlfaserbündel mit einem Durchmesser von wenigstens etwa 0,02 m und einem Packungsfaktor von wenigstens 40% sowie die Verwendung dieser Hohlfasern und dieser Hohlfaserbündel in Fluidtrennvorrichtungen.

Die erfindungsgemäßen Hohlfasern sind vorzugsweise für die Verwendung in Fluidtrennvorrichtungen geeignet.

Bei der Verwendung von Hohlfasern in Trennvorrichtungen können verschiedene Probleme auftreten, die die Wirksamkeit der Trennvorrichtung verringern. So stehen die Hohlfasern in Kontakt mit anderen Fasern in der Trentivorrichtung, in der die Fasern zusammengefaßt sind. Die sich ergebende Kontaktfläche ist für die gewünschte Trennung nicht geeignet, so daß die Strömungsgeschwindigkeit und Wirksamkeit verringert wird. Der Kontakt der Hohlfasern behindert außerdem den Strom des Fluids um die Hohlfasern und durch die Hohlfasern hindurch, wodurch ein ungleichförmiger Strom innerhalb der Trennvorrichtung und lokalisierte Strömungsecken erhalten werden. Diese Fluidtaschen enthalten — wenn sie mit der Außenfläche der Fasern in Kontakt stehen — eine erhöhte Konzentration eines weniger durchlässigen Fluids der eingespeisten Mischung. Die größere Konzentration des weniger durchlässigen Fluids der Ausgangsmischung führt zu einer erhöhten Durchlässigkeit des weniger durchlässigen Fluids durch die Membranen und verringert so die Selektivität der Trennung. Im Extremfall, bei dem das Ausgangsgemisch eine Flüssigkeit ist, werden die Fluidtaschen so mit dem weniger durchlässigen Fluid gesättigt, daß das weniger durchlässige Fluid ausfällt oder sich zwischen den Hohlfasern abtrennt. Bei der Verwendung voi. Hohlfasern mit relativ kleinem Außendurchmesser und dünnen Seitenwänden sind die Fasern sehr flexibel. Selbst wenn die Hohlfasern in einer Trennvorrichtung so zusammengefaßt werden, daß der Kontakt zwischen den Hohlfasern so gering wie

μ möglich ist, ist es jedoch nicht zu verhindern, daß die Hohlfasern zunehmend miteinander in Kontakt geraten und ungleiche Verteilungskanäle aufgrund der leichten Beweglichkeit der hochflexiblen Hohlfasern während der Durchführung des Trennverfahrens bilden.

J*> Es sind Versuche unternommen worden, die Fluidverteilung zwischen den Hohlfasern bei Trennvorrichtungen, die Hohlfasermembrane enthalten, zu verbessern. In der US-PS 36 16 928 wird die Verwendung von stark gekräuselten Hohlfasern, die eine statistische dreidi-

•»o mensionale Kurvenform besitzen, welche Spiralen, Wellen, Schleifen und Wirbel aufweist, die in unregelmäßigen Intervallen längs der Hohlfaser vorliegen, als semipermeable Membranen beschrieben. Die gekräuselten Hohlfasern sind adhäsiv an einer Vielzahl von

Ί5 angrenzenden Flächen miteinander verbunden, wodurch die räumliche Anordnung zwischen den Hohlfasern bestimmt wird. Die Trennvorrichtung ist mit Mitteln für die Zuführung des Fluidgemisches über die Peripherie der Ansammlung der Hohlfasern ausgerüstet, so daß die zugeführten Fluide du/ch die Hohlfasern radial nach innen strömen können. Die US-Patentschrift er.thält jedoch keine Angaben über die Querschnittsfläche der Trennvorrichtung, die von den Hohlfasern besetzt ist, das heißt, keine Angaben über die Packungsfaktoren oder die Packungsdichte. Dieser Anteil scheint jedoch relativ gering zu sein, z. B. etwa 16% gemäß Beispiel 4 der US-Patentschrift, während bei üblichen Trennanlagen, in denen das zu trennende Gemisch in die öffnungen der Hohlfasern eingespeist wird, diese Fläche oft bei etwa 45 bis 60% oder mehr liegt (vgl. US-PS 33 39 341, Spalte 5, Zeilen 10 bis 25). Die Verwendung eines niedrigen Packungsfjktors, wie er in der US-PS 36 16 928 vorgeschlagen wird, steht im Gegensatz zu dem Wunsch nach Verkleinerung der Trennvorrichtung. Darüber hinaus macht das adhäsive Verbinden der Hohlfasern zur Aufrechterhaltung der räumlichen Anordnung der Fasern einen weiteren Verfahrensschritt notwendig und die Anwesenheit des

Klebemittels verringert die zur Verfügung stehende Membranoberflädv für die Durchführung der Fluidtrennung,

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, semipermeable Hohlfasern und Hohlfaserbündel anzugeben, die eine bessere Durchdringung des Faserbündels durch das zu trennende Fluid ermöglichen, so daß es gelingt, bei Steigerung der Trennwirksamkeit die Trennvorrichtungen zu verkleinern.

Gegenstand der Erfindung sind daher semipermeable, eine Vielzahl von Wellen aufweisende Hohlfasern, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen, so daß die Vielzahl der Wellen während der Fluidtrennung erhalten bleibt, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Wellen Wellenamplituden von weniger als 50% des Außendurchmessers der Hohlfasern und eine mittlere Wellenperiode von weniger als 15 cm besitzen.

Diese erfindungsgemäßen Hohlfasern sind insbesondere zur Bildung von Hohlfaserbündeln geeignet, dis eine Vielzahl von im wesentlichen parallel orientierten Hohlfasern dieser Art aufweisen, und die einen Durchmesser von wenigstens 0,02 m und einen Pakkungsfaktor von weniger als 40% besitzen und dadurch gekennzeichnet sind, daß sie wenigstens 50% der oben definierten Hohlfasern enthalten.

Die erfindungsgemäßen semipermeablen Hohlfasern und die damit gebildeten Hohlfaserbündel werden gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Fluidtrennvorrichtungen verwendet, so daß man Trennvorrichtungen erhält, die trotz eines vorteilhaft kompakten Volumens einen großen Membranoberflächenbereich aufweisen. Dabei wird trotz hoher Pakkungsfaktoren eine gute Flute verteidig in dem Bündel erreicht, so daß die wenigstens ein durchlässiges Fluid aufweisende Fluidmischung auf die A Senflächen der Hohlfasern aufgegeben werden kann, wonach das hindurchgedrungene Fluid ohne weiteres aus dem Inneren der Hohlfasern abgezogen werden kann.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Hohlfasern zur Bildung von Hohlfaserbündeln ist es nicht erforderlich, Mittel vorzusehen, die die notwendige räumliche Verteilung der Fasern sicherstellen oder spezielle Verfahrensschritte zur Erreichung eines Packungsfaktoi's, der eine Fluidverteilung zwischen den Bündeln ermöglicht, anzuwenden. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die erfindungsgemäßen Hohlfasern nicht unter Verwendung eines Klebemittels in dem Hohlfaserbündel in ihrer Anordnung fixiert werden müssen, um einen gewünschten Packungsfaktor in dem Bündel zu erreichen, wenn dieses be: einer Fluidtrennung eingesetzt wird.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Hohlfasern mit der geringen Kräuselung zeigt sich insbesondere dann, wenn die Fluidmischung auf die Hüllseite der Bündel aufgegeben wird, im Vergleich zur Aufgabe der Fluidmischung auf die Hüllseite eines Bündels von Hohlfasern, die im wesentlichen keine Kräuselung aufweisen, da durch die Kräuselung eine gute Fluidverteilung bei geringem Druckabfall erreicht wird. Die Vorteile zeigen sich insbesondere dann, wenn die Fluidmischung radial eingespeist wird, das heißt, wenn die Fluidmischung in den mittleren Teil des Bündels eingegeben wird und im wesentlichen senkrecht zur Orientierung der Hohlfasern oder überwiegend axial strömt, das heißt, die Fluidmischung wird an einem äußeren Teil des Bündels eingegeben, fließt im allgemeinen in der gleichen Richtung wie die Fasern und tritt an dem anderen Ende des Bündels aus. Da man annimmt, daß eine radiale Zuführung mit einer verbesserten Fluidtrennwirkung verbunden ist, kann eine vorteilhafte Fluidtrennwirksamkeit erhalten werden, indem man das Gemisch axiaJ in die die ϊ erfindungsgemäßen Hohlfasern enthaltenen Bündel einführt- Die axiale Zuführung kann wünschenswert sein, da die Trennvorrichtung weniger komplex aufgebaut ist als die Trennvorrichtung mit radialer Zuführung und keine radialen Zuführungsvorrichtu.rgen

ι» innerhalb des Bündels vorgesehen werden müssen. Die Bündel, die für die axiale Strömung verwendet werden, können einen größeren Anteil Membranoberfläche pro Volumen der Trennvorrichtung enthalten als dies bei der Trennvorrichtung mit radialer Zuführung der Fall

i'i ist

Die semipermeablen Hohlfasern der Erfindung weisen Kräuselungen oder Wellen von geringer Amplitude auf. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß eine wünschenswerte Verteilung der Fluidmischun-

-¹» gen in den Bündeln aus den Hohlfasern auch dann erreicht werden kann, wenn die Bündel einen relativ hohen Packungsfaktor aufweisen. Die Amplitude der Kräuselungen ist nicht so groß, daß es zu einer unerwünschten Zahl von Überkreuzungen bzw. Über-

y> deckungen der Hohlfasern kommt, wenn diese in einem dicht gepackten, im wesentlichen parallel orientierten Faserbündel angeordnet werden.

Der Ausdruck »Überkreuzungen« bedeutet hierin, daß die Kräuselung bzw. Wellung eine Amplitude

»ι aufweist, die so groß ist, daß die Welle genügend weit aus der Achse der Hohlfaser herausragt und so zwischen zwei oder mehreren benachbarten Hohifasern vorliegt, und die benachbarten Hohlfasern in einem Abstand hält, der wenigstens dem Durchmesser der Faser entspricht.

!*< diese Überschneidungen verhindern, daß Bündel mit hohen Packungsfaktoren erhalten werden.

Vorteilhafterweise beträgt die Amplitude der Wellen 1 bis 30% des Außendurchmessers der Hohlfaser. Eine gewisse Kompression des Bündeis dient dazu, die

•»υ Hohlfasern in einer im wesentlichen fixierten Anordnung zueinander zu halten und zu verhindern, daß die Hohlfasern sich bewegen und so seitliche Durchströmkanäle bilden, die die Wirksamkeit der Trennung herabsetzen. Die Kompression der Fasern soll nicht zu

Ί5 einer unerwünschten Lokalisierung der Hohlfasern führen, so daß der Durchtritt des Fluids in diesen Regionen unterbunden wird, oder daß es zu einer ungleichförmigen Beladung der Hohlfasern kommt, was zu einem Kollaps der Kohlfasern führen kann. Jede der

Ι« Wellen auf einer Hohlfaser oder zwischen den Hohlfasern, die verwendet werden um ein Bündel zu bilden, weist die gleiche oder eine unterschiedliche Amplitude auf als die anderen Wellen. Die Amplituden der Wellen können über den gesamten Bereich

5ϊ variieren, damit es nicht zur Ausbildung eines Registers zwischen den Hohlfasern kommt. Das Bündel kann auch Hohlfasern ohne Wellen enthalten, die zwischen den Hohlfasern mit Wellung verteilt sind. Hohlfasern mit einer Verteilung einer Wellenamplitude von 10 bis 30%

f>» des Durchmessers der Hohlfaser, die zu einem Bündel mit einem Packungsfaktor von 50% zusammengefaßt sind, weisen eine gute Fluidverteilung bei axialer Zuführung auf.

Die Durchmesser der Hohlfasern können über einen

^h'' weiten Bereich variiert werden, wobei die Hohlfasern jedoch eine ausreichende Wandstärke aufweisen sollten, so daß die Wellung erhalten bleibt. Der Außendurchmesser der Hohlfasern beträgt im allgemeinen wenig-

stens 50 μπι, wobei Fasern mit dem gleichen oder mit unterschiedlichem Außendurchmesser zu einem Bündel zusammengefaßt werden können. Oft beträgt der Außendurchmesser bis zu 800 oder 1000 μπι. Obwohl die Hohlfasern mit einem größeren Außendurchmesser verwendet werden können, sind diese jedoch weniger geeignet aufgrund des geringen Anteils der Hohlfaseroberfläche pro Volumeneinheit der Fluidtrennvorrichtung. Vorzugsweise beträgt der Außendurchmesser der Hohlfasern 150 bis 800 μπι, die Amplitude der Wellen liegt im allgemeinen im Bereich von 10 bis 400 μπι bzw. 10 bis? 300 μπι mit einer mittleren Wellenamplitude von etwa 15 bis 250 μπτ.

Es hat sich gezeigt, daß die Wellen nicht kontinuierlich Ober die Länge der Hohlfasern verteilt sein müssen, um entsprechende Hohjfasermembranen für die Zusammensetzung in einem Bündel zu erhalten. So können die Wellen intermittierend über die Länge der Hohlfasern angeordnet sein und die Frequenz der Wellen kann unregeimäßig sein. Es können auch Fasern mit einer Verteilung von regelmäßigen W°llen verwendet werden. Wenigstens etwa 50%, vorzugsweise wenigstens etwa 75% der Fasern sind in einem Bündel gewelk bzw. gekräuselt. Die Hohlfasern, die periodisch gewellt sind, weisen durchschnittlich wenigstens eine Welle pro 5 cm Faserlänge auf. Die mittlere Frequenz der Wellen über die Länge der Hohlfasern beträgt 0,2 bis 10 pro cm oder mehr, insbesondere 0,25 bis 5 pro cm.

Für den Fall, daß die Frequenz der Wellen in der Hohlfaser unregelmäßig ist, liegen die Wellen im allgemeinen mit einer Häufigkeit von etwa 1 bis etwa 50 Wellen pro 5 cm z. B. 1 bis 30 Wellen pro 5 cm der Hohlfaserlänge vor.

Die Periode der Wellen, das heißt die Länge jeder Welle soll möglichst so kurz sein, daß die Welle diese Konfiguration beibehält und es im wesentlichen nicht zu einer Änderung der Amplitude der Welle kommt, wenn die hohlen Fasern zu einem Bündel zusammengefaßt werden. Wenn die Periode der Welle zu lang ist und allmählich bis zum Scheitelpunkt ansteigt, werden geringe mechanische Kräfte angewendet, um die hohle Faser zu strecken. Um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erhalten, kann die Periode der Welle relativ kurz sein, z. B. weniger als etwa 5 cm. Die Länge der Wellen ist im allgemeinen begrenzt durch die Dimensionen der hohlen Faser, das heißt, mit Hohlfasern mit kleinerem Durchmesser können im allgemeinen kleinere Wellenperioden erhalten werden. Die mittlere Wellenperiode !iegt bei etwa 0,05 bis 5 cm, z. B. bei 0,1 bis 2 cm

Die Amplitude, die Frequenz der Wellen und die Wellenperiode sind Faktoren, die in Beziehung zur Konfiguration der hohlen Fasern stehen. Hin nützliches Hilfsmittel, das diese Faktoren für die Beschreibung der Konfiguration der hohlen Fasern enthält ist das Verhältnis der wirklichen Länge der gewellten Hohlfasern zur Länge der Hohlfasern, wenn diese gesireckt sind. Es stehen optische Analysegeräte, z. B. sogenannte Bildanalysatoren für die Bestimmung dieser F^:aktoren zur Verfugung, bei denen die hohlen Fasern nicht gereckt werden müssen. Im Hinblick auf die geringen ' Unterschiede zwischen der gewellten bzw. gekräuselten Länge und der ungewollten Länge kann auch der Unterschied (in Prozent) der Längenänderung aufgrund der Kräuselung herangezogen werden. Die Längenänderung in Prozent liegt im allgemeinen im Bereich von etwa 0.01 bis 10, insbesondere bei 0.05 bis Ί.

Die Hohlfasern ff;mäl3 der Erfindung werden im Bündel im wesentlichen parallel zueinander angeordnet.

Der Querschnitt des Bündels kann jede Form aufweisen, die für die Verwendung in Fluidtrennvorrichtungen geeignet ist, z. B, einen kreisförmigen Querschniti oder einen ovalen Querschnitt Der Packungsfaktor des Bündels wird beeinflußt von der Amplitude der Wellen, der Frequenz der Wellen, der Periode der Wellen und der Kompression des Bündels. Er liegt bei wenigstens 40%. Der Packungsfaktor des Bündels liegt vorzugswei se bei etwa 45 bis 65%. Bei einer Trennvorrichtung, bei der die Mischung axial zugeführt wird, liegt der Packungsfaktor des Bündels zweckmäßig bei etwa 45 bis 55%. Da der Packungsfaktor aufgrund der Konfiguration der hohlen Fasern erhalten wird, ist es nicht notwendig Raumverteilungsvorrichtungen vorzusehen, um den Packungsfaktor in den gewünschten Bereichen einzustellen. Für Bündel mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt kann der Durchmesser des Bündels in weiten Bereichen variieren, z. B. von wenigstens 0,02 bis zu Im oder mehr. Wird die Mischrjig der Trennvorrichtung radial zugeführt, kann der Durchmesser des Bündeis g' -.Her als 1 m sein, wobei es trotzdem zu einer entsprechende·! Fluidverteilung in dem Bündel kommt, ohne daß es zur Ausbildung eines unerwünschten Druckabfalls kommt. Auf der anderen Seite ist festgestellt worden, daß, wenn die Mischung der Trennvorrichtung axial zugeführt wird, eine verstärkte Fluidverteilung im Bündel mit höherer Raumgeschwindigkeit erreicht werden kann. Zweckmäßig werden kleinere Bündeldurchmesser verwendet, z. B. etwa 0,02 oder 0,05 bis 0,5 m. Die effektive Länge der Hohlfasern im Bündel kann in weiten Bereichen variieren, z. B. von 0,2 bis 15 oder 20 m, insbesondere etwa 1 bis 10 m.

Das Bündel ist an wenigstens einem Ende fest eingebettet um eine Fluidverbindung zwischen den äußeren und inneren Flächen der hohlen Fasern, mit Ausnahme durch die semipermeablen Wände der Fasern, zu verhindern. Jede geeignete Methode für das Einbetten der Fasern in das Einbettui.gsma;erial kann verwendet werden, z. B. Gießen des Einbettungsmaterials um die Enden des Bündels herum (vgl. US-PS 33 39 341 und 34 42 389) oder Imprägnieren der Enden der Fasern mit Einbettungsmaterial während die Hohlfasern zu einem Bündel zusammengefaßt werden (vgl. US- PS 34 55 460 und 36 90 465).

Es wird gewünscht, daß beim Zusammenfassen der Bündel die Wellen der Hohlfasern nicht zu einem Register zusammenfallen. Die Verhinderung der Bildung eines Registers kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden, z. B. dadurch, daß man die Fasern so anordnet, daß die Wellen bei regelmäßig gewellten Hohlfasern nicht ineinanderpassen. Dieses Verfahren ist unerwünscht kompliziert. Vorteilhafterweise unter- £ .'neiden sich die Hohlfasern wenigstens in den Wellenfrequenzen, der Wellenperiode und/oder den Wellenamplituüen, so daß die hohlen Fasern willkürlich zusammengefaßt sind und die Wahrscheinlichkeit, daß man eine unerwünschte Anzahl von Fasern in Form eines Registers erhält, minimal ist.

Die Hohlfasern können aus allen üblichen synthetischen und natürlichen Materialien hergestellt werden, sofern diese für die Fluidtrennungen pee'gr.et sind oder als Träger für Materialien geeignet sind, die in die Fluidtrennungen eingesetzt werden können. Damit die Fa?-.Y;i die erf'ndungsgemäße Wellung beibehalten, sollten die Fasern geeignete mechanische Eigenschaften aufweisen, z. B. sollten die Wellen nicht im Laufe der Zeit oder während des Trennvorgangs verschwinden.

Wenn Hohlfasern aus Materialien mit geringerer Zugfestigkeit hergestellt werden, kann es notwendig sein, die Fasern mit größerem Durchmesser und stärkerer Wandstärke zu verwenden, um den Wellen der Hohlfasern die ausreichende Festigkeit zu verleihen, damit sie ihre Konfiguration beibehalten. Im allgemeinen beträgt die Wandstärke der Hohlfasern wenigstens etwa 5 μηι und in einigen Fällen beträgt die Wandstärke bis zu 200 oder 300 μπι. insbesondere etwa 50 bis 200 μπι. In den meisten Fällen weist das Material der hohlen Faser einen relativ hohen Zugmodul, das heißt Elastizitätsmodul oder Young-Modul auf, so daß die Wellen sowohl longitudinal als auch leteral belastet werden können. Im allgemeinen beträgt der Zugmodul (ASTM D 638) wenigstens etwa 147 N/mm*¹, insbesondere wenigstens etwa 392 N/mm-, Die zweckmäßig verwendbaren polymeren Materialien werden ausgewählt aus solchen Polymeren, die einen Zugmodul von etwa 589 bis 4905 N/mm² aufweisen.

Als Materialien für die Herstellung der Hohlfasern können Polymermaterielien verwendet werden, sowohl aus Additionspolymeren und Kondensationspolymeren, die für die Herstellung geeigneter hohler Fasern geeignet sind, bestehen können. Einige organische Polymermaterialien können auch mit anorganischen Materialien, z. B. Füllmaterialien vermischt sein. Geeignete Polymermaterialien können substituierte oder unsubstituierte Polymermaterialien sein, die ausgewählt sind, z. B. aus Polysulfonen, Polystyrolen einschließlich Styrol enthaltenden Copolymeren, z. B. Acrylnitril-Styrol-Copolymere, Styrol-Butadien-Copolymere und Styrol- Vinylbenzylhalogenid-Copolymere; Polycarbonate. Zellulosepolymermaterialien z. B. Zelluloseacetat, ZeIIulose-acetatbut)-at. Zellulosepropyonat, Ethylzellulose, Methylzellulose. Nitrozellulose usw; Polyamide und Polyimide einschließlich Arylpolyamide und Arylpolyimide: Polyether; Polvaryl-Oxide. z.B. Polyphenylenoxid und PolyxyKienoxid: Polyesteramid-diisocyanat; Polyurethane: Polyester einschließlich Polyacrylate, z. B. Polyethylenterephthalat. Polyalkyl-methacrylate. Polyalkyl-acrylate. Polyphenylenierephthalat usw.; Poiysulfide. Polymere aus Monomerverbindungen, die 't-oiefinisch ungesättigt sind, und zwar andere Monomerverbindungen als oben erwähnt, z. B.

Polyethylen.
Polypropylen.
Polybuten-1.
Poly-4-methyi-penten-l.
Polyvinyl, z. B.
Polyvinylchlorid.
Poly, inylfluorid.
Polyvinylidenchlorid,
Polyvinylidenfluorid,
Polyvinylalkohol,
Polyvinylester, z. B.
Poiyvinylacetate und

Polyvinylpropionate.
Polyvinyipyridine,
Polyvinylpyrrolidone.
Polyvinylether,
Polyvinylketone,
Polyvinylaldehyde, z. B.
Polyvinylformaldehyd und

Polyvinylbutyraldehyd,
Polyvinyiamide,
Polyvinylamine,
Polyvinylurethane,

Polyvinylharnstoffe,

Polyvinylphosphate und
Polyvinylsulfate;

Polyallyle,
■"· Polybenzobenzimidazol;

Polyhydrazide,

Polyoxadiazole:

Polytriazole,

Polybenzimidazol;
η

Polycarbodiimide, Polyphosphazine und Interpolymere einschließlich Blocktcrpolymere enthaltend wiederholende Einheiten der obengenannten Einheiten, z. B. Terpolymere von Acrylnitrilvinylbromid (Natriumsalz)

' der p-Sulfophenylmethallyläther und Pfropfpolymere und Polymermischungen enthaltend die vorher genannten. Die geeigneten Substituenten für die substituierten Polymerverbindungen sind Halogen, z. B. Fluor, Chlor und Brom. Hydroxylgruppen, niedrige Alkylgruppen.

niedrige Alkoxygruppen, monocyclische Arylgruppen. niedrige Acylgruppen.

Die Wellen können in üblicher Weise in die Hohlfasern eingearbeitet werden. So kann man z. B. gerade Hohlfasern mit einem Lösungsmittel oder einem

» Plastifiziermittel erweichen, mechanisch deformieren, um die Wellengestalt einzuarbeiten und dann entsprechend weiicrbearbeiten,z. B.Trocknen um das Lösungsmittel oder Plastifiziermittel zu entfernen, damit die Faser wieder die gewünschte Festigkeit erhält. Alternativ dazu oder zusätzlich dazu kann das Material der hohlen Faser durch Anwendung von Wärme erweicht werden. In jedem Fall ist das Erweichen des Materials dann ausreichend, wenn der Innenkern der Faser bei der Anwendung mechanischer Kräfte zur Herstellung der Welle im wesentlicher, unverändert bleibt, bzw. nicht verkleinert wird. Ein geeignetes Verfahren für die Herstellung von Wellen bei koagulieren hohlen Spinnfasern, das heißt Hohlfasern, die aus einer Lösung des Materials in ein Nichtlösungsmittel für das Material gesponnen werden, ist das Aufdrehen der hohlen Spinnfaser auf eine Haspel während die Fasern noch naß sind. Wenn das Lösungsmittel abgedampft wird, und die Hohlfaser auf der Haspel getrocknet wird, neigen die hohlen Fasern dazu, zu schrumpfen und üben so einen erhöhten Druck auf die unteren Fasern auf. Dieser Druck liefert die mechanische Kraft die notwendig ist. um die gewünschte Kräuselung zu erzeugen und beim Verdampfen des Lösungsmittels erhalten die Fasern ihre Festigkeit zurück, so die Wellen fixiert werden. Da die Kräfte, die auf die Hohlfasern ausgeübt werden, mit der Tiefe der hohlen Faser innerhalb des Bund' .'s variieren, kommt es zur Ausbildung unregelmäßiger Wellen auf den Hohlfasern, wobei die äußeren Anteile des Bündels eine geringere weiträumigere Kräuselung aufweisen als die Hohlfasern, die im inneren Zentrum des Bündels angeordnet sind.

Die folgenden Beispiele dienen der näheren Erläute rung der Erfindung. Alle Teile und Prozentangaben der Flüssigkeiten und Feststoffe sind Gewichtsteile bzw. Gewichtsprozente und alle Teile und Gewichtsangaben der Gase sind Volumenteile bzw. Volumenprozente, falls nichts anderes angegeben ist

Beispiel 1

Es wird eine Hohlfaser hergestellt aus der trockenen Porysulfonpolymerverbindung mit der folgenden sich wiederholenden Einheit

worin n(Polymerisationsgrad) etwa 50 bis 80 ist.

Das Polysulfon wird mit Dimethylacetamid vermischt um eine Masse zu erhalten, die etwa 27,5 Gew.-% der Polymerverbindung enthält und die Masse wird dann versponnen (koaguliert), indem man sie durch eine Spinndüse preßt, die in Wasser von etwa 4ⁿC eingetaucht ist. Die Spinndüse weist einen äußeren Düsendurchmesser von 0.0559 cm und eine innere Dorngröße von 0,0229 cm und eine Einspritzöffnimg von O,OI27cm, durch die Wasser eingeführt wird, auf. Die Masse wird zu der Spinndüse in einer Menge von etwa 7,2 mi pro Minute gepumpt und von der Spinndüse als Hohlfaser in einer Menge von 33 m/Minute abgezogen. Nachdem die Koagulation der Fasern im wesentlichen beendet ist, wird diese bei Raumtemperatur gewaschen. Die Hohlfaser wird im wesentlichen ohne Spannung mittels einer Haspel auf Rollvorrichtungen auf eine 30.48 cm-Haspel (Abstand zwischen den inneren Köpfen ca. 25.4 cm) aufgedreht. Die Hohlfaser wird durch ein axial angeordnetes Führungsorgan, welches an beiden Enden der Haspel angeordnet ist,

Tabelle I

Relative Frequenzerscheinung

geführt und auf der Oberfläche der sich drehenden Haspel gesammelt, so daß die Hohlfaser auf der Haspel in aufeinanderfolgenden Schichten in Helixform aufgedreht wird. Die Haspel wird in feuchtem Zustand bei Raumtemperatur gelagert, wobei die Fasern in dem Bündel schrumpfen und dabei die Wellen bzw. Kräuselung bilden. Die Hohlfasern werden dann zu einem Knäuel mit einem Umfang von etwa 6 m aufgewickelt. Die Hohlfasern werden dann vom Knäuel in 3 m langen Strängen abgenommen, aufgehängt und dann bei Umgebungstemperatur und normaler Laborieuchiigkeit getrocknet. Die Hohifasern weisen einen äußeren Durchmesser von etwa 540 μσι und einen Innendurchmesser von etwa 260 Jim auf.

Eine statistisch ausgewählte Probe der Hohlfasern wird von dem getrockneten Strang entfernt und bezüglich der Konfigurationseigenschaften mit einem Bildanalysator analysiert. Die Probe enthält Faserteile von der Innenseite, dem Mittelteil und dem äußeren Teil der Haspel. Die Untersuchungsergebnisse sind in der folgenden Tabelle I zusammengefaßt.

Innen 24 143 0 13

Mitte 9 82 5 6

Außen 108 0 0 0

190 7 60 136 144 4Γ.

179 4 47 233 38 2

162 8 190 72 2 0

Beispiel 2

Es werden gewellte bzw. gekräuselte Hohlfasern im wesentlichen nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1 hergestellt und zu einem Bündel zu im wesentlichen parallel orientierten Hohlfasern zusammengefaßt Es werden etwa 1200 Hohlfasern mit einer Länge von etwa 30 cm verwendet, wobei die Fasern statistisch ausgewählt werden aas den Fasern, die aus allen Bereichen der Haspel entnommen wurden. Die Hohlfasern bilden ein zylindrisches Bündel mit einem Durchmesser von etwa 2$ cm und einem Packungsfaktor von etwa 50%. Das Bündel wird mittels einer Oxyharzmasse an beiden Enden versiegelt und dann werden die Enden (Rohrwand und Stutzenenden) in eine flüssige Epoxidharzmasse getaucht, worauf man das Epoxidharz aushärten läßt. Nachdem das Harz ausgehärtet ist, werden die Enden abgeschnitten, um die Innenräume der Hohlfasern beim Rohrwandende zu öffnen.

Das Bündel wird dann in eine Lösung von 5 Gew-% eines vernetzten Dimethylsiloxanpolymers, das bei Umgebungstemperatur aushärtet, in Isopentan eingetaucht. Das Innere der Hohlfasern steht in Verbindung mit einem Vakuum von etwa 800 bis 933 mbar. Das

5fi Bündel wird für etwa 15 Minuten in die Lösung eingetaucht und das Vakuum wird etwa weitere 15 Minuten aufrechterhalten, nachdem das Bündel aus der Lösung herausgezogen worden ist. Das beschichtete Bündei wird während etwa 24 Stunden bei etwa 40 bis 50⁰C ausgehärtet und in eine Fluidtrennvorrichtung mit axialer Zuführung eingesetzt Es wird ein Gasgemisch, enthaltend Wasserstoff und Kohlenmonoxid, auf die äußere Seite der Fasern der Trennvorrichtung aufgegeben und dann die Durchlässigkeit des durchzusetzenden

μ Gases bestimmt Die Durchlässigkeit wird über den mittleren logarithmischen Partialdnick-Abfall entlang der hohlen Fasern bestimmt Der Trennfaktor wird bestimmt, indem man die Durchlässigkeit des Wasserstoffs durch die Durchlässigkeit des Kohlenmonoxids dividiert Außerdem wird die Trennwirksamkeit bestimmt indem man den Trennfaktor berechnet aus dem zugeführten Gas, enthaltend Wasserstoff und Kohlenmonoxid, durch den Trennfaktor dividiert den man

Entnahme der

\Ve||en/cm

bis

2

bis

3

Wellen Amplitude

(mm)

bis

0,2 und

Längenänderung

pro

cm

3

.)

3 und

ΐ

Hohlfaser

mehr

■

vom Bündel

Obis 1 1

0 bis 0,05 0,05 bis

0,1

0 bis 1 I bis 2

2

bis

0,1

0,2

Il

erhält, wenn man die Trennung von im wesentlichen reinem Wasserstoff und im wesentlichen reinem Kohlenmonoxid vornimmt.

Geringe Trennwirksamkeiten zeigen oft eine geringe Fliiidverteilung im Bündel an, wobei es zu lokalen

Gebieten hoher Konzentrationen der unerwünschten Komponente (Kohlenmonoxid) kommt, und wobei die Permeation der unerwünschten Komponente ansteigt und der Trennfaktor abfällt. Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle Il zusammengefaßt.

Tabelle Il

Versuch Abs. Druck (bar) Strömung, I (STM)/Min.

Λ u Uc ii-

SC f tC

Innen

Außenseite

Innen

Speisung Zufuhr (Vol.-%)

CO, CO

Durchlässig- Trennfaktor Trennkeit wirk-

cm³/cm²- samkeit

Sek.-cm
MgX 10"

H₂ CO Mischg. Bezg.

27,4
21,1
21,1
14,2
14,3
27,5
27,5
27,5
27,5
27,5
27,5
26,5

3,58
7,65
7,75
4,32
4,32
3,72
3,72
3,63
3,72
3,63
3,72
0,62

14,2
19,5

4,5
19

4,4
15
13

8,6
12,6
13
12,3
10,6

3,0 9,2 6,7 8 5

8.5 3,3 15.8 3,6 9

3,2 1,2

17,2

28,6

11,2

27

10,4

23,6

16,3

24.3

16,2

22

15,5

11,8

73 73 73 73 50 24 73 24 50 16 3

73,8	45	1,45	31	33	93
27	51	2,0	26	34	74
27	53	2,0	27	34	80
27	56	2,0	28	34	83
27	56	1,8	31	34	89
50	45	1,8	26	33	76
76	44	1,6	27	33	81
27	54	2,4	22	32	69
76	42	1,4	22	32	67
50	49	2,2	22	32	68
73	45	1,8	20	32	79
97	34	1,5	23	33	68

Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel)

Das Verfahren von Beispiel 2 wird im wesentlichen wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, daß die verwendeten Hohlfasern nicht nach dem Spinnvorgang auf eine Haspel aufgewickelt werden und daher keine Kräuselung aufweisen. Da die Hohlfasern im wesentlichen wellenfrei sind, weist das Bündel der Fasern auch einen geringen Durchmesser auf. Bei den Versuchen enthält die eingespeiste gasförmige Beschickung 22 Vol.-% Wasserstoff und 78 Vol.-% Kohlenmonoxid. Bei zwei Versuchen beträgt der Außendruck auf den Fasern etwa 27,5 bar (absoluter Druck) und im Innern der Fasern etwa 4,02 bar (absoluter Druck). Bei einer Beschickung von 12,3 I pro Minute (STP) werden eine Sauerstoffdurchlässigkeit von 37,7 χ 10~⁶ cm³/cm²-Sek.-cmHg und eine Kohlenmonoxiddurchlässigkeit von l,60xl0-⁶cm³/cm²-Sek.-cmHg ermittelt. Der Trennfaktor wird zu 23,6 errechnet, was einer Trennwirksamkeit von etwa 63% entspricht Bei einer höheren Beschickungsrate von z.B. 21,1 pro Minute (STP) beträgt die Wasserstoffdurchlässigkeit 41,4 χ ΙΟ-⁶ cm³/ cm²-Sek.-cmHg und die Kohlenmonoxiddurchlässigkeit

1,74 x 10-⁶cmVcm²-Sek.-cmHg. Der Trennfaktor wird zu etwa 23,8 errechnet, was einer Trennwirksamkeit von 64% entspricht. Bei beiden Versuchen ergeben die Berechnungen, bezogen auf die Strömungsgeschwindigkeiten und Durchlässigkeiten weniger als 95% des Wasserstoffs, der in die Trennvorrichtung mit der Beschickung eingegeben worden ist. Das Verfahren wird wiederholt mit einem Druck auf der AuP^nseite der Fasern von 27,5 bar (absoluter Druck) und einem Druck auf der Innenseite der Fasern von 2,45 bar (absoluter Druck) einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 14,51 pro Minute (STP), einer Gasmischung enthaltend 272% Wasserstoff und 72,8% Kohlenmonoxid. Die Wasserstoffdurchlässigkeit beträgt etwa 31,6 χ 10-⁶cm³/cm²-Sek.-cmHg. Die Kohlenmonoxiddurchlässigkeit beträgt etwa 2,Ox 10~⁶ cm³/cm²-Sek.-cmHg und der Trennfaktor beträgt 15,8. Der Bezugs-Trennfaktor beträgt 36,8, was einer Trennwirksamkeit von ·'/! entspricht. Dabei wurde der gesamte Wasserstoff für den Materialausgleich berücksichtigt.

Da die Durchmesser der untersuchten Bündel in den Beispielen 2 und 3 relativ klein sind, ist der Unterschied in den Trennwirksamkeiten nicht so groß wie sonst, wenn größere Bündel verwendet werden, in denen sich ein entsprechend größerer Durchsatz ergibt

Claims

Patentansprüche:

\r Semipermeable, eine Vielzahl von Wellen aufweisende Hohlfasern, die eine ausreichende ί Festigkeit aufweisen, so daß die Vielzahl der Wellen während der Fluidtrennung erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen Wellenamplituden von weniger als 50% des Außendurchmessers der Hohlfasern und eine mittle- u> re Wellenperiode von weniger als 5 cm besitzen.
2. Hohlfasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenänderung der Hohlfasern auf Grund der Wellen 0,01 bis 10%, der Außendurchmesser der Hohlfasern wenigstens 150 μΐη beträgt ΐί und das Material der Hohlfasern eine Zugfestigkeit von wenigstens 15 kg/mm² aufweist.
3. Hohlfasern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser 150 bis 800 μιτι, die Wandstärke 50 bis 200 μπι und die -¹» mittlere Wellenamplitude 15 bis 250 μπι beträgt und das Material der semipermeablen Hohlfaser eine Zugfestigkeit von wenigstens 40 kg/mm² aufweist
4. Hohlfasern nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Wellenamplitude 1 bis 30% des Außendurchmessers beträgt,
5. Hohlfaserbündel, das eine Vielzahl von im wesentlichen parallel orientierten Hohlfasern aufweist, einen Durchmesser von wenigstens 0,02 m und einen Packungsfaktor von wenigstens 40% besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 50% der Hohlfasern aus den gewellten Hohlfasern gemäß einem der Ansprüche i bis 4 bestehen.
6. Hohlfaserbündel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 75% der Hohlfasern gewellt sind.
7. Hohlfaserbündel nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß derf-s^kungsfaktor 45 bis 65% beträgt.
8. Verwendung der Hohlfasern gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 bzw. der Hohlfaserbündel gemäß den Ansprüchen 5 bis 7 in Fluidtrennvorrichtungen.