DE2923607A1

DE2923607A1 - Vorrichtung

Info

Publication number: DE2923607A1
Application number: DE19792923607
Authority: DE
Inventors: Tommy Edwin Graham; Billie Joe Harris; Duane Eugene King; Donald Lewis Gage Maclean
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1978-06-12
Filing date: 1979-06-11
Publication date: 1979-12-20
Also published as: LU81375A1; MX148919A; US4315819A; IL57531A0; IT7923463A0; IN151367B; IL57531A; BE876899A; ZA792886B; AU4794479A; AU517526B2; GB2022457A; JPS5630043B2; JPS54163788A; GB2022457B; DD144205A5; FR2428461A1; CA1114308A; GR68501B; NL7904515A

Description

DR. BERG PIPL.-ING. STAPF... .. DIPL.-ING. SCHWABS OR. DK.SANDMAiR

PATENTANWÄLTE
Postfach 860245 · 8000 München 86 2923607

-5-

Ar.waltsakte: 30 170 It.

MONSANTO COMPANY
St. Louis, Missouri / U.S.A.

Vorrichtung

- Ansprüche 9 09851/0801

»(049) 93 82 72 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850-

9SS273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bay« VeteinsNmk MUnchen 453100(BLZ 70020270)

983310 0524560BERGd Postscheck München 65343-808 (BLZ 7OO10Ö80)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Trennen wenigstens eines Strömungsmittels von einem wenigstens einen weiteren Bestandteil enthaltenden Strömungsgemisch durch selektive Durchdringung des wenigstens einen Strömungsmittels durch Membranen.

Die Verwendung von Membranen zum Trennen wenigstens eines Strömungsmittels von einem wenigstens einen weiteren Bestandteil enthaltenden Strömungsgemisch ist seit langem bekannt. Bei einem solchen Trennvorgang durchdringen die abzuscheidenden Strömungsmittel des Gemischs eine Filtermembrane unter dem Einfluß einer Triebkraft, z.B. Konzentration, Teildruck oder absoluter Druck, je nach Art der Membrane und den Arbeitsbedingungen von einer Zufuhrseite zur Filtratseite. Das Hindurchtreten des Strömungsmittels durch die Membrane kann durch Wechselwirkung mit dem Material der Membrane oder durch Durchströmung von in der Membrane vorhandenen Poren zustande kommen. Mittels solcher Membranen können Feststoffe von Gasen oder Flüssigkeiten, Flüssigkeiten von Gasen sowie jeweils verschiedene Gase und Flüssigkeiten voneinander getrennt werden.

Die Anwendbarkeit von Membranen zum Trennen von Strömungsmitteln ist im Vergleich zu anderen Trennverfahren wie Absorption, Adsorption, Destillation und Verflüssigung häufig eine Frage der Kosten, dem gewünschten Grad der Selektivität der Trennung, der zulässigen Geaamt-Druckverluste in einer solchen Trennvorrichtung, der Nutzungsdauer einer solchen Vorrichtung sowie der Abmessungen und der Betriebseigenschaften einer solchen Vorrichtung. Flächenmembranen sind häufig weniger vorteilhaft als andere Trenneinrichtungen, da sie der Abstützung bedürfen, um den Arbeitsbedingungen standhalten zu können, wodurch eine mit Flächenmembranen arbeitende Vorrichtung übermäßig kompliziert wird.

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Die Mängel der Flächenmembranen können durch als Hohlfasern ausgebildete Membranen wenigstens teilweise beseitig werden, da solche Hohlfasern auch unter Arbeitsbedingungen weitgehend selbsttragend sind und eine größere Membranflache pro Volumeneinheit einer Trennvorrichtung bieten als Flächenmembranen. Daher können mit Hohlfasern arbeitende Trennvorrichtungen im Hinblick auf Zweckmäßigkeit, Abmessungen und Einfachheit des Aufbaus von Interesse sein.

Vorrichtungen zum Trennen von Strömungsmitteln unter Verwendung von Hohlfasermembranen enthalten gewöhnlich ein längliches Bündel von im wesentlichen parallel angeordneten Hohlfasern und arbeiten nach einem von zwei Grundverfahren. Bei dem einen Verfahren wird das Strömungsgemisch außerhalb der Hohlfasern im wesentlichen Quer zur Längsausrichtung der Hohlfasern durch die Trennvorrichtung hindurchgeleitet, und beim anderen Verfahren durchströmt das Gemisch die Vorrichtung entlang den Außenseiten der Hohlfasern im wesentlichen parallel zu deren Längsausrichtung. Dabei auftretende Querströmungen zwischen den Hohlfasern entstehen wenigstens teilweise durch den der Strömung entgegenwirkenden Druckwiderstand innerhalb der Trennvorrichtung. Der Wirkungsgrad einer mit Hohlfasern arbeitenden Trennvorrichtung ist weitgehend abhängig von der effektiven Strömungsverteilung über die Außenseiten der Hohlfasern. Trennvorrichtungen mit Radialströmung zeigen gewöhnlich einen höheren Wirkungsgrad der Trennung als Axialstrom-Trennvollrichtungen, da das Strömungsmittel bei ihnen quer zwischen den Hohlfasern hindurchströmen muß, um zum Auslaß der Vorrichtung zu gelangen. Demgegenüber ist die Strömungsverteilung zwischen den Hohlfasern einer Axialstrom-Trennvorrichtung nicht in einem solchen Maße gewährleistet.

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Ungeachtet möglicher Mängel im Hinblick auf die Strömungsverteilung um die Hohlfasern herum bieten Axialstrom-Trennvorrichtungen beträchtliche Vorteile gegenüber Radialstrom-Trennvorrichtungen, da sie einen wesentlich einfacheren Aufbau haben können. Ein weiterer Vorteil von Axialstrom-Trennvorrichtungen ergibt sich aus der Möglichkeit die Strömungen um die Hohlfasern herum und innerhalb derselben wahlweise gleichlaufend oder gegensinnig verlaufen zu lassen.

Der Trennungsgrad von Axialstrom-Trennvorrichtungen ließe sich zwar dadurch steigern, daß das das abzuscheidende Strömungsmittel enthaltende Gemisch durch die Hohlräume der Hohlfasern hindurchgeleitet wird, dieses Verfahren ist jedoch häufig unzweckmäßig, da bei der Strömung des Gemischs durch die Hohlfasern hindurch ein sehr hoher Druckabfall eintreten kann. Außerdem kann auch bei einem solchen Verfahren eine gewisse Beeinträchtigung des Trennungsgrads auftreten, da sich das abgetrennte Strömungsmittel zwischen den Hohlfasern und einem diese umgebenden Gehäuse örtlich ansammeln und stauen kann. Außerdem ist es bei gewissen Trennvorgängen zweckmäßiger, das Strömungsgemisch der Außenseite der Hohlfasern zuzuführen, wenn nämlich sein Gesamtdruck höher ist als der an der Piltratseite der Membrane herrschende Gesamtdruck. Falls ferner die Gefahr des Zusetzens der Membrane durch im Strömungsgemisch enthaltene Bestandteile besteht, Kann ein solches Zusetzen, sofern es an der Außenseite der Hohlfasern auftritt, allenfalls die verfügbare Membranfläche verkleinern, während ein Zusetzen an der Innenseite der Hohlfasern zu einem vollständigen Blockieren von deren Hohlräumen führen kann. Bei der Zuleitung des Strömungsgemischs zur Außenseite der Hohlfasern ist außerdem die Herstellung der Trennvorrichtung erheblich erleichtert, da in diesem Falle nur ein Ende der Hohlfasern in eine Rohrwand eingebettet zu werden oraucht,

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um das Abströmen des abgetrennten Strömungsmittels aus der Trennvorrichtung zu ermöglichen.

Es wird daher nach Möglichkeiten gesucht, den Wirkungsgrad von Axialstrom-Trennvorrichtungen zu steigern. Die US-PS 3 616 928 beschreibt die Verwendung von stark gewellten oder gekräuselten Hohlfasern als Trennoder Filtermembranen in Axialstrom-Trennvorrichtungen. Die gewellten Hohlfasern sind an verschiedenen Berührungsstellen stoffschlüssig miteinander verbunden, damit ihre vorbestimmte räumliche Anordnung erhalten bleibt. Der Trennungs-Wirkungsgrad kann hier zwar sehr hoch sein, es scheint jedoch, daß aufgrund der starken Wellung oder Kräuselung der Hohlfasern eine kleinere Membranfläche pro Volumeneinheit der Vorrichtung vorhanden ist als bei einer Eadialstrom-Trennvorrichtung mit der gleichen Trennleistung. In der genannten US-PS sind zwar keine genauen Angaben über den von den Hohlfasern eingenommenen Anteil der Querschnittsfläche der Trennvorrichtung, d.h. also über die Packungsdichte, enthalten, dieser Anteil scheint jedoch ziemlich gering zu sein, im Beispiel 4 etwa 16%, im Vergleich zu herkömmlichen Trennvorrichtungen mit Zufuhr des Strömungsgemischs zu den Hohlräumen der Hohlfasern, bei denen die Packungsdichte häufig 45 bis 60% oder mehr beträgt (siehe US-PS 3. 339 341, Spalte 5, Zeilen 10 bis 25). Darüber hinaus erfordert die zur Einhaltung der räumlichen Anordnung der Hohlfasern notwendige stoffschlüssige Verbindung derselben einen zusätzlichen Arbeitsgang bei defilierst ellung, wobei der verwendete Kleber außerdem die für Has Trennen der Strömungsmittel verfügbare Membranfläche verkleinert.

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Die neuere US-Patentanmeldung Ser.No. 855 850/77 beschreibt Hohlfaser-Filtermembranen mit Wellen von relativ geringer Amplitude, welche zu Bündeln mit einer sehr großen Packungsdichte zusammengefaßt werden können und dabei·eine gute Strömungsverteilung gewährleisten. Die beschriebenen Hohlfasermembranen können zwar einen guten Trennungsgrad bei Anwendung einer hohen Packungsdichte erzielen, es können jedoch noch immer den Trennungsgrad beeinträchtigende Schwierigkeiten auftreten» So können sich die Hohlfasern unter dem Einfluß von bei der Trennung auftretenden Strömungen bewegen, möglicherweise auch unter Schwerkrafteinfluß usw., so daß in Längsrichtung verlaufende Kanäle entstehen, in denen keine oder nur wenige Hohlfasern vorhanden sind. Die Strömung verläuft dann vorzugsweise entlang diesen Kanälen, anstatt sich zwischen den Hohlfasern zu verteilen. Die Kanalbildung kann somit den Wirkungsgrad der Trennung beeinträchtigen. Sie kann offensichtlich auch in Trennvorrichtungen mit glatten, d.h. ungewellten Hohlfasern auftreten.

Um eine solche Kanalbildung zu verhindern, kann man die Anzahl der Hohlfasern in einer Trennvorrichtung erhöhen, so daß sich die schädlichen Kanäle nicht ohne weiteres bilden können. Je größer jedoch die Anzahl der Hohlfasern, um so schwieriger wird es sie in das Gehäuse einer Trennvorrichtung einzubringen, ohne sie dabei zu beschädigen. Die durch Vergrößerung der Anzahl der Hohlfasern erhöhte Packungsdichte verursacht außerdem einen sehr viel größeren Widerstand gegenüber Eadialströmungen von Gasen zwischen den Hohlfasern. Die US-PS 3 339 34-1 beschreibt eine Hohlfaser-Trennvorrichtung, bei welcher das das abzuscheidende Strömungsmittel enthaltende Gemisch in die Hohlräume der Hohlfasern eingeleitet wird. Wie in Spalte 5» Zeile 24 ff der genannten US-PS ausgeführt ist, sind Packungsdiclten von mehr als 40% bevorzugt,

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wobei derartige Packungsdichten zwar nicht gegliche Bewegung des Strömungsmittels zwischen den Hohlfasern des Bündels verhindern, die Strömung an den Außenseiten der Hohlfasern jedoch vorwiegend in Längsrichtung derselben lenken. Dies steht somit im Widerspruch zur angestrebten radialen Verteilung von Strömungsmitteln zwischen den Hohlfasern in einer Trennvorrichtung. In Spalte 7, Zeilen 5 if der genannten US-PS ist angegeben, daß die Hohlfasern in einer bevorzugten Betriebsweise von einem Spülgas umströmt sind. Die bei der Verwendung eines Spülgases angestrebte radiale Verteilung wird dabei begünstigt durch die Aufteilung der Hohlfasern zu einer AnzaOb.1 von Teilbündeln, zwischen denen das Spülgas hindurchströmen kann. Dank dem kleineren Durchmesser der einzelnen Teilbündel gelangt das Spülgas leichter bis in den mittleren Bereich derselben als in den mittleren Bereich eines nicht in Teilbündel unterteilten, dickeren Bündels. Die Herstellung der Teilbündel erfordert jedoch zusätzliche Arbeitsgänge bei der Fertigung der Trennvorrichtung, und zwischen den Teilbündeln können Kanäle vorhanden sein, welche den Wirkungsgrad der Trennvorrichtung beeinträchtigen.

Angesichts der Schwierigkeiten bei der Fertigung von einen annehmbaren Wirkungsgrad aufweisenden Axialstrom-Trennvorrichtungen ist es nicht verwunderlich, daß bisher wenig Entwicklungsarbeit in dieser Richtung geleistet wurde. Stattdessen wurde der Entwicklung von Radialstrom-Trennvorrichtungen erhebliche Aufmerksamkeit kewidmet, da bei diesen die Erzielung von besseren Wirkungsgraden in höherem Maße gewährleistet ist, insbesondere wenn das Strömungsgemisch den Außenseiten der Hohlfasern zugeleitet werden soll. Wie vorstehend ausgeführt, können Axialstrom-Trennvorrichtungen jedoch beträchtliche Vorteile gegenüber Radialstrom-Trennvorrichtungen bieten, sofern es gelin5t den damit erziel-

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sr- -

baren Wirkungsgrad zuverlässig zu steigern.

Die Erfindung schafft eine Axialstrom-Trennvorrichtung mit Hohlfaser-Piltermembranen zum Trennen wenigstens eines Strömungsmittels von einem wenigstens einen weiteren Bestandteil enthaltenden Strömungsgemisch durch selektiven Durchtritt des wenigstens einen Strömungsmittels. Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung erzielt Dank einer guten Verteilung der Strömung über die Außenseiten der Hohlfasern einen hohen Wirkungsgrad. Die erfindungsgemäße Axialström-Trennvorrichtung kann in vorteilhafter Weise mit einer hohen Packungsdichte der Hohlfasern gefertigt werden, so daß ihr Volumen sehr gut ausgenützt wird, ohne daß die Packungsdichte jedoch so hoch zu sein braucht, daß dadurch die Fertigung der Trennvorrichtung erschwert ist oder die Gefahr der Beschädigung der Hohlfasern besteht. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung sind durch relativ einfache Änderungen an vorhandenen Axialstrom-Trennvorrichtungen und mit allenfalls geringfügig erhöhtem Pertigungsaufwand erzielbar. Zahlreiche vorhandene Axialstrom-Trennvorrichtungen lassen sich ohne größere Schweirigkeiten zu Trennvorrichtungen gemäß der Erfindung umwandeln und erhalten dadurch einen verbesserten Wirkungsgrad.

Die Erfindung schafft somit eine Axialstrom-Trennvorrichtung oder ein Ultrafeinfilter zum Trennen wenigstens eines Strömungsmittels aus einem wenigstens einen weiteren Bestandteil enthaltenden Strömungsgemisch durch selektive Durchdringung, mit einem länglichen, für Strömungsmittel undurchlässigen Gehäuse mit wenigstens einem für die Aufnahme einer Eohrwand eingerichteten Ende, einer Anzahl von selektiv durchdringbaren, jeweils eine Außenfläche und einen Hohlraum aufweisenden Hohlfasern, welche in Form eines Bündels im wesentlichen

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parallel zueinander im Gehäuse angeordnet sind, wenigstens einer strömungsdicht in Das Gehäuse eingesetzten Rohrwand, in welche die Hohlfasern mit jeweils wenige stens einem Ende strömungsdicht eingebettet sind, so daß ihre Hohlräume durch die Bohrwand hindurch offen sind, wenigstens einem in das Gehäuse führenden Strömungseinlaß und wenigstens einem in Längsabstand zu diesem aus dem Gehäuse herausführenden Strömungsauslaß, welche so angeordnet sind, daß sie mit den Außenflächen der Hohlfasern in Strömungsverbindung stehen und eine axiale Strömung des Strömungsmittels im Gehäuse bewirken, und mit Einrichtungen zum Verdichten des Hohlfaserbündels in Längsrichtung.

Das axiale Verdichten oder Zusammenschieben des Hohlfaserbündels bewirkt in überraschender Weise eine Verbesserung des Trennungs- oder Wirkungsgrades der Trennvorrichtung. Durch das axiale Verdichten des Hohlfaserbündels erhöht sich die Packungsdichte oder der volumetrische Packungsfaktor, bezogen auf ein gegebenes Volumen der Vorrichtung, ohne daß dazu die Anzahl der Hohlfasern vergrößert zu werden braucht, so daß die Fertigung der Vorrichtung bei verringerter Gefahr einer Beschädigung der Hohlfasern erheblich erleichtert ist. Die erhöhte Packungsdichte verhindert oder erschwert die Bildung von Kanälen in der Trennvorrichtung, ohne den Widerstand gegenüber der radialen Verteilung des Strömungsmittels zwischen den Hohlfasern des Bündels nennenswert zu vergrößern. In gewissen Fällen kann sich dieser Widerstand sogar verringern.

Das Verdichten des Hohlfaserbündels kann gemäß der Erfindung auf verschiedene Weise erfolgen. Die zum Verdichten des Bündels in Längsrichtung angewendeten Mittel sind vorzugsweise so beschaffen, daß sie keine Schädigung der Hohlfasern verursachen und die Strömungsverteilung

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innerhalb der Trennvorrichtung nicht stören. Das Hohlfaserbündel wird in Längsrichtung soweit verdichtet, daß der Trennungs- bzw. Wirkungsgrad der Trennvorrichtung dadurch im gewünschten Maße verbessert wird. Dabei kann die Größenordnung, um welche das Bündel in Längsrichtung zu verdichten ist, häufig ziemlich klein sein. Die Längsverdichtung des Bündels reicht vorzugsweise gerade aus, um Verlagerungen oder Bewegungen der Hohlfasern aufgrund der Schwerkraft und/oder aufgrund von Strömungskräften während des Trennvorgangs zu verhindern. Das Ausmaß der Längsverdichtung läßt sich prozentual als der Unterschied zwischen der Länge des längsverdichteten Bündels und der Länge des nicht verdichteten Bündels angeben. Dabei ist die Länge des Bündels gegeben durch die Länge des Bereichs, in welchem die Oberflächen der Hohlfasern für den Trennvorgang verfügbar sind. Die Ausgangslänge des Bündels ist bestimmt durch die Länge des unter seinem Eigengewicht frei aufgehängten Bündels. Die Längsverdichtung des Bündels beträgt vorzugsweise wenigstens etwa O,5%» beispielesweise etwa 0,7 bis 10%. In jedem Falle ist die Längsverdichtung vorzugsweise ausreichend, um die Hohlfasern an der Außenseite des Bündels in erhöhtem Maße in Anlage an der Innenseite des Gehäuses zu bringen. Auf diese Weise läßt sich das Entstehen von den Wirkungsgrad der Trennung beeinträchtigenden Kanälen zwischen dem Umfang des Bündels und der Gehäusewand verhindern oder wesentlich verringern. Sofern ein Hohlfaserbündel den Innenquerschnitt des Gehäuses bereits im nicht verdichteten Zustand weitgehend ausfüllt, kann die zur Erzielung des gewünschten Wirkungsgrads notwendige Längsverdichtung wesentlich kleiner ausfallen als bei einem Bündel, dessen Querschnitt im nicht verdichteten Zustand erheblich kleiner ist als der Innenquerschnitt des Gehäuses. In gewissen Fällen könnan auch nach der Längsverdichtung in Längsrichtung verlaufende Kanäle vorhanden

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sein, welche jedoch im wesentlichen sämtlich kurzer sind als die Gesamtlänge des Bündels. Die Kanäle entstehen durch die Lagerung der Hohlfasern relativ zueinander und reichen Jeweils nur bis zu einer Stelle, an welcher die Hohlfasern einander wieder berühren. An dem so gebildeten Ende eines jeden Kanals ergibt sich ein erhöhter Strömungswiderstand, welche eine Querströmung um die den Kanal umgebenden Hohlfasern- herum begünstigt.

Bei seiner axialen.Verdichtung wird das Hohlfaserbündel vorzugsweise möglichst nicht oder nur wenig verdreht. Durch die axiale Verdichtung werden die einzelnen Hohlfasern gewöhnlich durchgebogen, d.h. sie erhalten Wellen von ziemlich langer Periode, z.B. 10 cm oder darüber. Die Wellen können in bezug auf die Längsachsen der einzelnen Fasern in jeder Richtung verlaufen, wodurch das Hohlfaserbündel stabilisiert und das Entstehen von Kanälen weitgehend vermieden wird. Die axiale Verdichtung des Hohlfaserbündels kann je nach der Ausführung der Trennvorrichtung auf verschiedene Weise erfolgen. Bei einer Doppelend-Trennvorrichtung, bei welcher an jedem Ende des Gehäuses eine Rohrwand vorhanden ist, kann die Verdichtung dadurch bewerkstelligt sein, daß das Gehäuse verkürzt ist, so daß das Bündel beim Zusammen bau gestaucht wird. Bei einer Trennvorrichtung mit nur einem offenen Ende, bei welchem die Hohlfasern des Bündels U-förmig und mit beiden Enden in einer Rohrwand eingebettet sind oder jeweils ein Ende der Hohlfasern in einer Rohrwand eingebettet ist, während die anderen Enden sttömungsdicht verschlossen sind, etwa indem sie in einem undurchlässigen Material eingebettet sind, ist eine Längsverdichtung auf noch einfachere Weise bewerkstelligbar, beispielsweise durch Verwendung eines verkürzten Gehäuses, mittels eines zwischen dem Ende des Bündels und dem geschlossenen Ende des Gehäuses angeordneten, steifen oder auch elastischen Abstandhal-

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ters oder, bei im wesentlichen senkrechter Anordnung der Trennvorrichtung mit unten liegender Rohrwand, durch den Einfluß der Schwerkraft auf die Hohlfasern, gegebenenfalls mit Unterstützung durch ein Gewicht am Ende des Bündels. Beim Zusammenbau einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist es zumeist zweckmäßig, das Gehäuse und das Bündel in Schwingungen zu versetzen, insbesondere bei senkrechter Anordnung der Trennvorrichtung mit unten liegender Rohrwand, um auf diese Weise die Anordnung der Hohlfasern in einer stabilen Lage zu unterstützen. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die zum Verdichten des Bündels in Längsrichtung verwendeten Einrichtungen fortdauernd eine in Längsrichtung wirksame Druckkraft aufrechterhalten. Dadurch lassen sich die Hohlfasern des Bündels ungeachtet der Einflüsse der Strömung innerhalb der Trennvorrichtung und der Schwerkraft über eine lange Betriebszeit in einer relativ stabilen Anordnung halten. Insbesondere bei Verwendung eines im wesentlichen nicht elastischen Abstandhalters zum Längsverdichten des Bündels ist dieser vorzugsweise in Längsrichtung verstellbar, so daß der Grad der axialen Verdichtung und damit der Wirkungsgrad der Trennung ohne Schwierigkeit erzielbar ist. Falls die axiale Verdichtung durch einen elastischen Abstandhalter, etwa eine Feder, oder, bei im wesentlichen senkrecht angeordneter Trennvorrichtung, durch die Schwerkraft erfolgt, findet eine SelbstJustierung auf das gewünschte Maß der Längsverdichtung statt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Axialschnittansicht einer Trennvorrichtung bzw. eines Ultrafeinfilters in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

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Pig. 2 eine schematisierte Axialscimittansicht einer Trennvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform,

Pig. 3 eine schematisierte Axialschnittansicht einer Trennvorrichtung in einer dritten Ausführungsform und

Fig. 4 eine schematisierte Axialschnittansicht einer Trennvorrichtung in einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

In Pig. 1, 2 und 3 der Zeichnung sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Eine in Fig. 1 dargestellte Trennvorrichtung 10 hat ein Gehäuse 12 aus einem strömungsmittelundurchlässigen Material. Im Hinblick auf leichte Bearbeitbarkeit, Dauerhaftigkeit und Festigkeit wird bevorzugt Stahl verwendet. Das Gehäuse 12 kann beliebige Querschnittsform haben, vorzugsweise jedoch kreisförmige. Das dargestellte Gehäuse 12 hat ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende, welches durch einen mittels eines Flansche daran befestigten Deckel 14 verschlossen ist.

Das Gehäuse 12 umgibt ein Bündel 16 aus zahlreichen Hohlfasern. Das Bündel 16 kann mehr als etwa 1(X)OO. Hohlfasern enthalten, je nach den relativen Durchmessern der Hohlfasern und des Gehäuses können mehr als 100 oder gar 1 000 000 Hohlfasern vorhanden sein. Das Bündel 16 hat mbrzugsweise im wesentlichen die gleiche Querschnittiform wie das Gehäuse 12. Die Hohlfasern des Bündels 16 sind mit jeweils einem Ende in einer Eohrwand 18 eingebettet, so daß ihre Hohlräume durch diese hindurch mit dem offenen Ende des Gehäuses 12 in Strömungsverbindung stehen. Die Rohrwand 18 ist strömungsdicht in oas Gehäuse 12 eingesetzt und vom Deckel 14

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festgehalten. TJm die notwendige Abdichtung zu erzielen, können 0-Ringdichtungen verwendet werden. Die Rohrwand kann in beliebiger Weise hergestellt sein, etwa durch Umgießen des Endes des Bündels mit einer härtbaren Masse, wie in den US-Patentschriften 3 339 34-1 und 3 442 389 beschrieben, oder durch Beschichten der Hohlfasern mit einer Dichtungsmasse während dem Aufbau des Bündels, wie in den US-Patentschriften 3 455 460 und 3 690 465 beschrieben. Auf die genannten US-Patentschriften wird hier insoweit bezug genommen. Geeignete Gieß- oder Dichtungsmassen umfassen härtbare flüssige Polymere, etwa Epoxidharze, Urethane usw., Lötmittel, Kleber, Wachse und dergl.. Mit dem anderen Ende sind die Hohlfasern in einem Dichtungskörper 20 eingebettet. Dieser ist ähnlich ausgeführt wie die Rohrwand 18, mit dem Unterschied jedoch, daß die Hohlräume der Hohlfasern nicht durch den Dichtungskörper hindurch offen sind. Der Dichtungskörper 20 ist in Längsrichtung des Gehäuses 12 frei beweglich. Zwischen dem Dichtungskröper 20 und dem geschlossenen Ende des Gehäuses 12 sitzt ein nicht elastischer Abstandhalter 22. Dieser hat eine ausreichende Höhe, um die notwendige Längsverdichtung des Bündels 16 zu bewirken.

Im Betrieb der Trennvorrichtung wird ein Strömungsgemisch über einen Durchlaß 24 oder 26 in das Gehäuse 12 geleitet. In Fig. 1 ist zwar nur ein einziger Durchlaß 24 abgebildet, es können jedoch mehrere Durchlässe 24 um den Umfang des Gehäuses 12 herum angeordnet sein. Nach wenigstens teilweiser Abscheidung des durch die Membrane hindurchtretenden Bestandteils wird das Strömungsgemisch über den jeweils anderen Durchlaß 26 bzw. 24 abgeführt. In den meisten Fällen wird das Strömungsgemiseh über den der Rohrwand 18 zunächst liegenden Durchlaß 24 zugeführt. Die Strömung des Gemische durch die Vorrichtung 10 hin-

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durch verläuft vorwiegend in Axialrichtung, wobei sich die Strömungsmischung radial durch das Bündel 16 hindurch verteilt. Der wenigstens eine abzuscheidende Bestandteil durchdringt die Wandungen der Hohlfasern und gelangt in deren Hohlräume, von wo aus er durch die Rohrwand 18 hindurch und über einen Auslaß 28 im Deckel 14 aus der Vorrichtung 10 abströmt.

In der Ausführungsforni nach !"ig. 2 ist die Längsverdichtung des Bündels 16 durch eine Druckfeder 30 bewerkstelligt. Während das Ausmaß der Längsverdichtung des Bündels 16 in der Ausführungsform nach Fig. 1 allein durch die Höhe des nicht elastischen Abstandhalters bestimmt ist, hängt es bei der Ausführung nach Fig. 2 vorwiegend von der durch die Feder 30 ausgeübten Kraft ab. Bei einer gegebenen Trennvorrichtung ist daher mit einer stärkeren Feder eine stärkere Längsverdichtung erzielbar. Die Ausrichtung der Trennvorrichtung kann dabei einen Einfluß auf die Wahl der gewünschten Federkraft haben. Verläuft beispielsweise die Längsachse des Hohlfaserbündels im wesentlichen waagerecht, so wird allenfalls ein kleiner Teil des Gewichts des Hohlfaserbündels von der Feder getragen. Ist dagegen die Längsachse des Hohlfaserbündels mit dem Dichtungskörper oben senkrecht angeordnet, so wird ein beträchtlicher Teil des Gewichts der Hohlfasern und des Dichtungskörpers von der Feder getragen. Zur Bestimmung der notwendigen Federkraft wird die Trennvorrichtung zweckmäßig in die für ihren späteren Betrieb vorgesehene Stellung gebracht und die für die gewünschte Längsverdichtung des Hohlfaserbqiaels notwendige Kraft ermittelt. Die Feder 30 ist zwar als Schraubenfeder dargestellt, es können jedoch auch andere Federn wie Wellenbandfedern od. dergl. verwendet werden. Die Feder ist Jeweils so anzuordnen, daß durch ihre Kompression oder Expansion die für die Längsverdichtung des Hohlfaserbündels notwendige Federkraft erzeugt wird.

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Pig. 3 zeigt eine besonders zweckmäßige Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung, bei welcher die Längsverdichtung durch die Schwerkraft bewirkt ist. Der Dichtungskörper 20 hat hier ein zum Erzielen der gewünschten Längsverdichtung des Hohlfaserbündels 16 ausreichendes Gewicht. Je größer der elastische Widerstand der Hohlfasern gegen die für die Längsverdichtung ausgeübte Kraft ist und je größer die von dem die Trennvorrichtung durchströmenden Strömungsmittel ausgeübten Kräfte sind, um so größer muß das Gewicht des Dichtungskörpers 20 sein, um die gewünschte Längsverdichtung zu erzielen. Die Bestimmung des geeigneten Gewichts für den Dichtungskörper 20 für eine gegebene Trennvorrichtung erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß zunächst eine Trennvorrichtung mit einem Dichtungskörper von bekanntem Gewicht gefertigt wird. Die Trennvorrichtung wird dann in der für ihren Betrieb vorgesehenen Stellung ausgerichtet und, insbesondere bei vorgesehener Verwendung für ein flüssiges Strömungsmittel, in Betrieb genommen, worauf dann die für die gewünschte Längsverdichtung notwendige Kraft ermittelt wird. Dementsprechend wird dann der Dichtungskörper 20 beschwert oder erleichtert, oder weitere Dichtungskörper werden mit entsprechend berichtigtem Gewicht hergestellt, um die gewünschte Längsverdichtung zu erzielen.

Für die notwendige Längsverdichtung des Hohlfaserbündels können neben dem Dichtungskörper 20 oder anstelle davon zusätzliche Gewichte verwendet werden. So können zwischen dem Dichtungskörper 20 und dem geschlossenen Ende des Gehäuses 12 scheiben- oder ringförmige Gewichte angeordnet sein, welche in der aufrechten Stellung des Hohlfaserbündels auf dem Dichtungskörper 20 ruhen und die für die Längsverdichtung des Bündels notwendige Belastung liefern. Anderenfalls können die Hohlfasern des Bündels U-förmig verlaufen, mit der Krümmung der U-form nahe dem

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geschlossenen Ende des Gehäuses, wobei dann, ein scheibenförmiges Gewicht auf den Krümmungen aufliegt. Das zum Längsverdichten des Hohlfaserbündels notwendige Gewicht beträgt häufig etwa 1 bis 5·
schnittsfläche des Bündels.

beträgt häufig etwa 1 bis 50 g oder mehr pro cm Quer-

Fig. 4 zeigt eine an beiden Enden offene Trennvorrichtung 100. Diese hat ein an beiden Enden offenes Gehäuse 102, dessen Enden durch jeweils an einem Flansch befestigte Deckel 104, 106 verschlossen sind. Ein im Gehäuse 102 angeordnetes Hohlfaserbündel 108 ist an beiden Enden in jeweils einer Rohrwand 110, 112 befestigt, so daß die Hohlräume der Hohlfasern durch die jeweilige Rohrwand hindurch offen sind. Die Rohrwände 110, 112 sind strömungsdicht in das Gehäuse 102 eingesetzt und zwischen diesem und dem jeweiligen Deckel festgehalten. Bei der Fertigung der Trennvorrichtung 100 wird eine oder werden beide Rohrwände 110, 112 nach dem Einführen der Hohlfasern in das Gehäuse 102 geformt. Zwei Teile des Gehäuses sind über Flansche 114 miteinander verbunden, zwischen welche bei der Fertigung der jeweils letzten Rohrwand Abstandhalter eingesetzt werden, um die Länge des Gehäuses zu vergrößern. Die Länge der Abstandhalter entspricht dabei dem gewünschten Maß der Längsverdichtung, so daß das Bündel nach dem Herausnehmen der Abstandhalter und Aneinanderlegen der Flansche 114 in Längsrichtung verkürzt wird. In einer anderen Ausführungsform kann das Hohlfaserbündel mit den Rohrwänden vor dem Einbau in das Gehäuse fertiggestellt werden.

Im Betrieb der Trennvorrichtung 100 wird ein Strömungs-

gemisch oder ein Spülmittel über einen Durchlaß 116 in das Gehäuse 102 eingeführt und verläßt dieses über einen in Längsrichtung dazu versetzten Auslaß 118. Es können jeweils mehrere entlang dem Umfang des Gehäuses 102 verteilte Ein- und Auslässe 116 bzw. 118 vorhanden sein.

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Sofern über den Einlaß 116 ein Spülmittel zugeführt wird, kann das zu trennende Strömungsgemisch je nachdem, ob die Trennvorrichtung im Gleichstrom oder Gegenstrom arbeiten soll, über einen Durchlaß 120 oder 122 im Deckel 104 bzw. 106 zugeführt und über den Durchlaß im jeweils anderen Deckel abgeführt werden. Dabei durchströmt das zu trennende Strömungsgemisch die Hohlräume der Hohlfasern. Der auszuscheidende Bestandteil tritt durch die Wandungen der Hohlfasern hindurch und wird mit dem Spülmittel abgeführt. Wird das zu trennende Strömungsgemisch über den Einlaß 116 zugeführt, so tritt der auszuscheidende Bestandteil durch die Wandung der Hohlfasern hindurch in deren Hohlräume und das von wenigstens einem Teil dieses Bestandteils befreite Gemisch verläßt das Gehäuse 102 über den Auslaß 118. Der aus dem Gemisch ausgeschiedene Bestandteil kann wahlweise über einen der Durchlässe 120, 122 aus den Hohlräumen der Hohlfasern abströmen oder mittels eines über einen der Durchlässe 120 oder 122 zugeführten Spülmittels abgeführt werden.

Es wurde festgestellt, daß eine verbesserte Strömungsverteilung durch das Hohlfaserbündel einer Axialstrora-Trennvorrichtung durch erhöhte Raumgeschwindigkeiten erzielbar ist. Dementsprechend wird häufig ein kleiner Durchmesser für das Bündel bevorzugt, z.B. ein Durchmesser von ca. 0,02 oder 0,05 bis ca. 0,5 m. Die effektive Länge der Hohlfasern des Bündels kann ebenfalls innerhalb eines weiten Bereichs von beispielsweise etwa 0,2 bis 15 oder 20 m, insbesondere etwa 1 bis 10 m liegen. Bei Bündeln größeren Durchmessers ist die gewünschte Strömungsverteilung im allgemeinen mit einer größeren Länge des Bündels erzielbar. Die Packungsdichte oder der Packungsfaktor der Hohlfasern, bezogen auf die Abmessungen des Innenquerschnitts des Gehäuses und die für die Trennung verfügbare Länge sowie die Gesamt-Quer—

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schnittsflache der Hohlfasern, beträgt vorzugsweise · wenigstens etwa 35%» vorzugsweise etwa 40 bis 65 oder 45 bis 60%.

Die Hohlfasern können aus jedem für die Trennung von Strömungsmitteln oder als Träger für eine solche Trennung bewirkendes Material geeigneten synthetischen oder natürlichen Material gefertigt sein. Die Wahl des Materials für die Hohlfasern ist etwa bestimmt durch dessen thermische und chemische Widerstandsfähigkeit und /oder seine mechanische Festigkeit sowie durch andere, durch die zu trennenden Strömungsmittel sowie durch die zu erwartenden Betriebsbedingungen vorgegebene Faktoren.

Der Durchmesser der Hohlfasern kann innerhalb eines weiten Bereichs gewählt werden, solange die Wandstärke eine ausreichende Festigkeit gewährleistet. Der Außen-

durchmesser der Hohlfasern beträgt wenigstens etwa 50 oder Ί00 um, wobei Hohlfasern gleichen oder verschiedenen Außendurchmessers in einem Bündel enthalten sein können. Der Außendurchmesser liegt häuf ig -auch bei etwa 800 bis zu etwa 1000 um. Es können zwar auch Hohlfasern mit noch größerem Außendurchmesser verwendet werden, es ergibt sich dann jedoch ein sehr niedriges Verhältnis zwischen der Oberfläche der Hohlfasern und dem Gesamtvolumen der Trennvorrichtung; Der Außendurchmesser der Hohlfasern liegt deshalb im Bereich, von etwa 150 oder 350 bis 800 um. Dabei sind häufig die größeren Durchmesser erwünscht, da sich bei ihrer Verwendung eine bessere Querverteilung des Strömungsmittels zwische||| den Hohlfasern bei axialer Durchströmung des Bündels drgibt. Die Wandstärke der Hohlfasern liegt bei wenigstens etwa 5 pm und kann bei manchen Hohlfasern bis zu etwa 200 oder 300 um, insbesondere etwa 50 bis Jim betragen. Bei Hohlfasern aus einem Material geringer Festigkeit können größere Durchmesser und Wandstärken notwendig sein, um den Hohlfasern die notwendige Festigkeit zu verleihen. 909851/0801

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Um die notwendige Durchlässigkeit der Hohlfasern zu gewährleisten, insbesondere von Hohlfasern mit einer Wandstärke von wenigstens etwa 50 um, haben diese ein beträchtliches Hohlraumvolumen. Dieses ist definiert als von Material freie Hohlräume innerhalb der Wandung der Hohlfasern. Aufgrund dieser Hohlräume ist die Dichte' der Hohlfasern geringer als die der Masse des Materials der Hohlfasern. Der Anteil des Hohlraum- oder Porenvolumens kann bis zu 90%, d.h. etwa 10 bis 80%, vorzugsweise etwa 20 oder 30 bis 70% des Gesamtvolumens der Wandungen der Hohlfasern betragen. Die Ditfhte der Hohlfasern kann über die gesamte Wandstärke gleichbleibend, d.h. isotrop sein, oder die Wandung der Hohlfasern kann einen relativ dichteren, der Durchströmung einen Widerstand entgegensetzenden Bereich aufweisen, d.h. also anisotrop sein. Bei solchen anisotropen Hohlfasern liegt der relativ dichtere Bereich gewöhnlich im wesentlichen an der Außenseite der Faser.

Für die Verwendung in Axial strom-Trennvorrichtungen gemäß der Erfindung sind Hohlfasern mit eine kleine Amplitude aufweisenden Wellen, wie in der US-Patentanmeldung Ser.ITo. 855 850/77 beschrieben, auf welche hier insoweit bezug genommen wird. In diesem Zusammenhand bedeutet die Amplitude der Wellen den halben Querabstand der Mittelpunkte der Hohlfasern zwischen einander entgegengesetzten und benachbaretn Wellenbergen. Sofern keine einander benachbarten, entgegengesetzten Wellenberge vorhanden sind, ist die Amplitude der Querabstand zwischen dem Mittelpunkt der Hohlfaser am Wellenberg und dem Mittelpunkt der nicht gewellten Hohlfaser. Die Amplitude der Wellen beträgt vorzugsweise weniger als ca. 50% des Durchmessers der Hohlfasern und liegt insbesondere im Bereich zwischen etwa Λ und 30% des Durchmessers. Es können zwar auch Amplituden von mehr als 50% des Durchmessers der Hohlfasern angewendet werden,

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gewöhnlich, muß das fertiggestellte Bündel jedoch zusammengepreßt werden, um eine erwünschte hohe Packungsdichte zu erzielen. Das Zusammenpressen der Bündels dient wenigstens teilweise auch dazu, die Hohlfasern relativ zueinander im wesentlichen festzulegen. Die Wellen der in einem Bündel enthaltenen Hohlfasern können sämtlich die gleiche oder auch verschiedene Amplituden aufweisen, wobei unterschiedliche Amplituden einer gleichmäßigen Ausrichtung der Hohlfasern entgegenwirken. Das Bündel kann auch im wesentlichen ungewellte Hohlfasern im Gemisch mit gewellten Hohlfasern enthalten. Die Wellen brauchen nicht durchgehend über die gesamte Länge der Hohlfasern zu verlaufen, sondern können vielmehr in unterschiedlichen Abständen und Längen über die Länge der Hohlfaser verteilt sein. Gewöhnlich sind etwa wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens etwa 75% der Hohlfasem in einem Bündel gewellt. Diese haben vorzugsweise im Durchschnitt wenigstens eine Welle pro 5 cm ihrer Länge. Die mittlere Frequenz der Wellen über die Länge einer Hohlfaser beträgt häufig etwa 0,2 bis 10 oder darüber, z.B. 0,25 bis ca. 5 pro Zentimeter. Bei ungleichmäßiger Frequenz der Wellen der Hohlfasern sind gewöhnlich etwa 1 bis 50, insbesondere etwa -1 bis 30 Wellen pro 5 cm der Länge der Hohlfaser vorhanden. Die Länge der einzelnen Wellen ist vorzugsweise ziemlich klein, so daß die Wellen ihre Form behalten und ihre Amplitude sich beim Zusammenlegen der Hohlfasern zu einem Bündel nicht wesentlich ändert« Sind nämlich die Wellen zu lang, so reichen bereits geringe mechanische Kräfte aus, die Hohlfaser gerade zu strecken. ITm die durch die Erfindung gebotenen Vorteile zu realisiereJL können die Wellen ziemlich kurz, d.h. weniger als etwa 5 cm lang sein. Die Länge der Wellen ist nach unten gewöhnlich durch die Abmessungen der Hohlfasern begrenzt, d.h. bei kleineren Durchmessern der Hohlfasem können kürzere Wellen angewendet werden. Die mittlere Länge der Wellen beträgt häufig etwa 0,05 bis ;5 cm, ins-

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besondere etwa 0,1 bis 2 cm. Die Beziehung zwischen der mittleren Länge der Wellen und ihrer Frequenz kann in einem weiten Bereich zwischen z.B. 0,05 σ 1 bis ca. 1 : 1 variieren. Beim Zusammenlegen der Hohlfasern zu einem Bündel sollen ihre Wellen vorzugsweise nicht gleichlaufend ausgerichtet sein. Vorzugsweise weisen wenigstens einige Hohlfasern unterschiedlichen Wellenfrequenzen, Wellenlängen und/oder Wellenamplituden auf, so daß beim willkürlichen Zusammenlegen der Hohlfasern die Wahrscheinlichkeit einer gleichlaufenden Ausrichtung sehr zahlreicher Fasern äußerst gering ist.

Die Hohlfasern können aus anorganischen, organischen oder gemischten Werkstoffen sein, ifypische anorganische Werkstoffe sind Glas, keramische Werkstoffe, Cermets, Metalle und dergl.. Die organischen Werkstoffe sind gewöhnlich Polymere. Dabei kommen sowohl Additionsais auch Kondensationspolymere in Frage, aus welchen sich in geeigneter Weise Hohlfasern herstellen lassen. Gewöhnlich werden für die Herstellung der Hohlfasern organische Polymere, gegebenenfalls vermisch mit anorganischen Füllstoffen, verwendet. (Typische Werkstoffe sind substituierte oder unsubstituierte Polymere aus der Gruppe der Polysulfone, Polystyrole, einschließlich styrolhaltiger Kopolymere, etwa Acrylnitril-Styrol-Kopolymere, Styrol-Butadien-Kopolymere und Styrol-Vinylbenzylhalid-Kopolymere, Polykarbonate,, Zellulosepolymere wie Celluloseacetat, Zelluloseacetatbutyrat, Zellulosepropionat, A'thylzellulose, Methylzellulose, Nitrozellulose usw., Polyamide und Polyimide, einschließlich Aryl-Polyamide und Arylpolyimide, Polyäther, Polyarylenoxide _c

wie Polyphenylidenoxid und Polyxylylidenoxid, PoIyesteramiddiisocyanat, Polyurethane, Polyester (einschließlich Polyarylaten) wie Polyethylenterephthalat, PoIyalkylmethacrylate, Polyalkylacrylate, Polyphenyl ent erephthalat usw., Polysulfide, Polymere aus alpluiolefinungesättigt en Monomeren neben den vorstehend genannten,

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wie Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten-1, Poly-4~methylpenten-1, Polyvinyle, z.B. Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylalkohol, Polyvinylester wie Polyvinylacetat und Polyvinylpropionat, Polyvinylpyridine, Polyvinylpyrrolidone, Polyvinyläther, Polyvinylketone, Polyvinylaldehyde wie Polyvinylformal, und Polyvinylbutyral, Polyvinylamine,Polyvinylphosphate und Polyvinylsulfate, Polyallyle, Polybenzobenzimidazol, Polyhydrazide, Polyoxadiazole, Polytriazole, Polybenzimidazol, PoIycarbodiimide, Polyphsphazine, Polyacetale usw., und Mischpolymerisate, einschließlich wiederkehrende Gruppen der vorstehenden enthaltenden Block-Terpolymeren, z.B. Terpolymeren aus Acrylnitrilvinyl-Brom-lfatriuinsalz von Parasulfophenylmethallyläthern, sowie Pfropf- und Mischpolymerisate der vorstehenden Verbindungen, Typische Substituenten für substituierte Polymere sind u. A. Halogene wie Fluor, Chlor und Brom, Hydroxylgruppen, niedere Alkylgruppen, niedere Alkoxygruppen, monocyclisches Aryl, niedere Acylgruppen und dergl..

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert. Anteile und prozentuale Gehalte von Flüssigkeiten und Feststoffen sind auf das Gewicht bezogen, bei Gasen auf das Volumen, sofern nicht anders angegeben.

Beispiel 1 '

Eine Hohlfaser wird aus einem getrockneten Pölysulfonpolymer mit der wiederkehrenden Einheit

CH₃ 0

O >-c-< O)-Q-(O

-In

hergesrellt. Die Jöezexcnnung η für den Grad der Polymerisierung beträgt etwa 50 bis 80. Das Material ist unter der Bezeichnung P-35OO von der Firma Union Carbide erhältlich.

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Das Polysulfon wird mit Dimethylacetamid vermischt,so daß eine Masse entsteht, welche ca. 27»5 Gew.% Polymer enthält. Die Masse wird durch eine in Wasser mit einer Temperatur von ca. 4 ⁰C eintauchenden Spinndüsenkopf extrudiert. Die Spinndüse hat einen äußeren Öffnungsdurchmesser von 0,0559 cm, einen Dorn mit einem Durchmesser von 0,0229 cm und einen Einspritzdurchlaß mit einem Durchmesser von 0,0127 cm, durch welchen Wasser eingeführt wird. Die Masse wird der Spinndüse mit einer Geschwindigkeit von ca. 7»2 ml/min zugeführt und mit einer Geschwindigkeit von ca. 33 m/min in Form einer Hohlfaser vom Spinnkopf abgezogen. Nachdem die Masse im wesentlichen koaguliert ist, wird die Hohlfaser mit Wasser von etwa Zimmertemperatur gewaschen. Die Hohlfaser wird mittels eines Spulenwicklers im wesentlichen ohne Zugspannung auf eine zwischen den Endscheiben etwa 25»^ cm lange Spule gewickelt. Dabei wird die Hohlfaser durch eine sich in Axialrichtung zwischen den Enden der Spule hin und her bewegende Führung geleitet und auf der sich drehenden Spule aufgewickelt, so daß sie auf dieser übereinander liegende Lagen von entlang Schraubenlinien verlaufenden Windungen bildet. Die Spule wird bei Zimmertemperatur in einem Wasserbad gehalten, wobei die daruf gewickelte Hohlfaser schrumpft, so daß sich Wellen ausbilden. Anschließend wird die Hohlfaser auf eine Haspel mit einem Durchmesser von ca. 6 m gewickelt. Dann wird die Hohlfaser in Form einer etwa drei Meter langen Docke abgenommen und aufgehängt, um bei normaler Zimmertemperatur und Luftfeuchtigkeit zu trocknen. Die Hohlfasern haben einen Außendurchmesser von ca. 540 um und einen Innendurchmesser von ca. 260 Jim, und weisen durch das Schrumpfen im aufgespulten Zustand unregelmäßige Wellen f-

von kleiner Amplitude auf.

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Beispiel 2

!fach einem Verfahren wie im wesentlichen in Beispiel 1 beschrieben hergestellte Hohlfasern werden in folgender Weise zu einem Bündel vereinigt; Eine ca. 20 000 Windungen enthaltende, im fest mit einem Band umwickelten Zustand einen Durchmesser von ca. 10 cm bei einer Länge von etwas über 3 m aufweisende Docke aus getrockneten Hohlfasern wird an beiden Enden abgeschnitten, so daß ein Strang von etwas weniger als 3 m Länge entsteht. Die Enden des Strangs werden mit Kunststoffband umwickelt und von diesem in kreisförmigem Querschnitt fest zusammengehalten. An einem Ende des Strangs wird eine Rohrwand gebildet, indem die Öffnungen der Hohlfasern verschlossen werden und das betreffende Ende des Strangs dann in ein flüssiges Epoxydharz getaucht wird, welches man anschließend erstarren läßt. Nach dem Erstarren wird der aus dem Harz gebildete Körper quer zu den Hohlfasern abgeschnitten, um die öffnungen der Hohlfasern freizulegen. Um zu gewährleisten, daß die Hohlfasern weitgehend offen sind, so daß ein Strömungsaustausch mit ihren Hohlräumen stattfinden kann, verwendet man einen elektrischen Hobel wie in der US-Patentanmeldung 855 84-5/77 beschrieben. Die fertige aus dem Epoxydharz geformte Rohrwand hat einen Durchmesser von ca. 15 cm und eine Länge von ca. 10 cm. Das andere Ende des Strangs wird in flüssiges Epoxidharz getaucht, welches anschließend zu einem Dichtungs- oder Abschlußkörper aushärtet. Dieser hat einen Durchmesser von etwa 9»5 cm und eine Länge von ca. 2,5 cm. Auf die beschriebene Weise werden sechs Hohlfaserbündel A, B, Qf₁B, E und F hergestellt. Die Bündel werden jeweils! in das Gehäuse einer Axialstrom-Trennvorrichtung der in Pig. 1 gezeigten Art eingebaut. Dieses hat einen Innendurchmesser von ca. 10,16 cm. Eine Lösung von 5 Gew.% Sylgard 184 in Isopentan wird gehäuseseitig durch jede Trennvorrichtung hindurchgeleitet. Sylgard 184-ist ein quervernetzbares Diöethylsiloxanpolymer, welches

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bei Zimmertemperatur abbindet. An die Hohlräume der Hohlfasern wird ein Unterdruck von ca. 600 bis 700 mm Hg gelegt. Die Sylgardlösung wird ca. 30 min lang umgewälzt und nach Abzug der Lösung aus der Gehäuseseite der Trennvorrichtung wird der Unterdruck weitere ca. 15 min lang aufrecht erhalten. Das beschichtete Bündel wird ca. 24 h lang bei ca. 40 bis 50 ⁰C abbinden gelassen, indem Stickstoff durch die Gehäuseseite der Trennvorrichtung geleitet wird.

Die Bezugs-Packungsdichte für jede Trennvorrichtung wird ermittelt, indem die Querschnittsfläche einer Hohlfaser des Bündels mit der geschätzten Anzahl der Fasern des Bündels multipliziert und das Produkt durch die Innenquerschnittsfläche des Gehäuses dividiert wird. Durch Multiplizieren des Quotienten mit 100 ergibt sich dann die Packungsdichte in Prozent. Die einzelnen Bündel haben die folgende Bezugs-Packungsdichte:

A	49,6%
B	55,9%
C	48,0%
D	50,0%
E	51,3%
P	50,1%

Mit den Trennvorrichtungen werden Versuche ausgeführt, um den Wasserstoff-Wirkungsgrad sowie den Trennungswirkungsgrad bei Längsverdichtung des Bündels gemäß der Erfindung zu ermitteln. Zur Demonstration der Bedeutung der Erfindung werden Vergleichsversuche mit den Bündeln A, B und C ausgeführt. In den Trennvorrichtungen erfolgt die erfindungsgemäße Längsverdichtung der Bündel bei waagerechter Anordnung durch einen zwischen dem Dichtungskörper und dem Ende des Gehäuses angeordneten, nicht elastischen Abstandhalter, und bei senkrechter Anordnung mit unten liegender Rohrwand durch die Schwerkraft.

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Bei der Fertigung beider Arten von Trennvorrichtungen werden diese mit unten liegender Rohrwand senkrecht aufgestellt und durch Schlagen mit einem schweren hölzernen Stock in Schwingungen versetzt, so daß sich die Hohlfasern der Bündel in eine stabile Lage ordnen. Bei. den Trennvorrichtungen der ersten Art wird dann das dem Dichtungskörper zunächst liegende Ende des' Gehäuses abgenommen und ein Abstandhalter eingesetzt, dessen Höhe etwa dem Abstand zwischen dem Dichtungskörper des abgesetzten Bündels und der Endwand des Gehäuses entspricht. Die Längsverdichtung der Bündel in den erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen mag etwa 2,5 bis 5 oder 7 cm betragen. Jedes Bündel und jede Trennvorrichtung wird sowohl in der erfindungsgemäßen Anordnung als auch in den Vergleichsanordnungen in einem aus drei Schritten bestehenden Versuch untersucht. Im ersten Versuchsschritt wird der Gehäuseseite der Trennvorrichtung ein Gasgemisch aus ca. 74· vol.% Wasserstoff und ca. 26 vol.% Kohlenmonoxid zugeführt. In den anderen Schritten wird jeweils reiner Wasserstoff bzw. reines Kohlenmonoxid zugeführt. Bei jedem Versuchsschritt wird die Gehäuseseite der Trennvorrichtung auf einem absoluten Druck von 8 bis 10 at gehalten, und an der Hohlraumseite der Hohlfasern herrscht ein Gesamtdruck von 2 bis 6 ata. In jedem ^ersuchsschritt wird die Durchlässigkeit für das jeweilige Gas ermittelt. Zur Bestimmung eines Trennungsfaktors werden die Ergebnisse des ersten Versuchsschritts verwendet, indem die Durchlässigkeit für Wasserstoff durch die Durchlässigkeit für Kohlenmonoxid dividiert,wird. Ferner wird ein reiner Gas-Trennungsfaktor frmittelt, indem die Durchlässigkeit für Wasserstoff bei Zufuhr von reinem Wasserstoff durch die Durchlässigkeit für Kohlenmonoxid bei Zufuhr von reinem Kohlenmonoxid dividiert wird. Der Wasserstoff-Wirkungsgrad wird bestimmt, indem die Durchlässigkeit für Wasserstoff bei Zufuhr des Gasgemischs durch die Durchlaääisigkeit für

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Wasserstoff bei Zufuhr von reinem Wasserstoff dividiert wird. Ferner wird ein Trennungs-Wirkungsgrad ermittelt, indem der aus den Durchlässigkeiten für die Bestandteile des Gasgemischs errechnete Trennungsfaktor durch den Reingas-Trennungsfaktor dividiert wird. Ein niedriger Wasserstoff-Wirkungsgrad und ein niedriger Trennungs-Wirkungsgrad sind häufig bezeichnend für eine schlechte Strömungsverteilung innerhalb des Hohlfaserbündels, wodurch örtlich erhöhte Konzentrationen des unerwünschten Bestandteils (Kohlenmonoxid) entstehen, so daß dieser Bestandteil in verstärktem Maße durchtritt und dadurch den Trennungsfaktor verschlechtert. Im Allgemeinen nehmen die Wirkungsgrade mit steigender Zufuhrgeschwindigkeit zur Trennvorrichtung zu.

Die das Bündel A enthaltende Trennvorrichtung wird in zwei erfindungsgemäßen Anordnungen, nämlich einmal aufrecht stehend mit unten liegender Rohrwand und Längsverdichtung des Hohlfaserbündels durch das Gewicht des Dichtungskörpers, und zum anderen liegend mit Längsverdichtung des Hohlfaserbündels durch einen nicht elastischen Abstandhalter von entsprechender Höhe, sowie in zwei nicht erfindungsgemaßen Anordnungen untersucht, nämlich einmal liegend ohne Längsverdichtung durch einen Abstandhalter, und zum anderen aufrecht stehend mit oben liegender Rohrwand. Die Ergebnisse der Versuche mit dem Bündel A sind in Tabelle I wiedergegeben.

309851/080 1 GOPY

Bündel Λ.

Gasgemisch

Durchlässigkeit,_Ce(STP)/cm²-sec~cm

Wasserstof Wirkungsgr

Gehäu s e s e iisc^e
Geschwindigkeit

Trennungs dVirkungs-

Trennungs Trennungs
faktor-

I —J 1 — j

Aufrecht stehend, Rohrwand unten

l/iegend, nicht elastischer

Abstandhalt

Liegend,- kein Abstandhalter.

Aufrecht ' stehend, Rohrwand oben

Die das Bündel B enthaltende Trennvorrichtung wird wie die das Bündel A enthaltende in zwei erfindungsgemäßen und zwei nicht erfindungsgemäßen Anordnungen untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt. Die mit * bezeichneten Vergleichsversuche mit liegender Trennvorrichtung wurden unmittelbar nach dem Hinlegen der Trennvorrichtung ausgeführt, bevor die Hohlfasern Zeit hatten, sich zu setzen und Durchlaßkanäle im Bündel zu bilden.Die übrigen Vergleichsversuche mit liegender Anordnung der Trennvorrichtung wurden nach 2 oder 3 Tagen ausgeführt. Wie daraus zu erkennen ist, kann das Absetzen der Hohlfasern in einer liegend angeordneten Trennvorrichtung einen beträchtlichen Einfluß auf ihre Leistung haben.

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TABEIjLE II Bündel B ,

	C	Reingas	CO	Trenriungs	^H2	43	CO	Trennungs	41	1.5	2.1	* 60	2.8	27	Wasserstoff Wirkungsgrad	at en	100	Rohrwand oben "	60	Trennungs Wirkungs	%
Gehäuseseitige	Jasgemisch \|\|	Durchlässigkeit, cc(STP)/cm²-sec-cm(Hi»)xl0^ß		faktor '	Aufrecht ste	42	hend,	faktor	41	1.5	2.0	60	2,8	27		93	21	60	grad
Geschwindigkeit		2.1		20		1.9	Rohrwand w	41	1.5	2.3	60	2,8	27	%	bstandhalter	21	67	87
m/sec		2.1	ia	1.8	23	,. kein_: Abst	, 2.3	■andhalter -	55	21		78
			23	50	1.8	24	49
0.20	43	1.8	Liegend, nicht elastischer-A	49	Aufrecht stehend,	25	63	44
0.28	39	1.9	12	53	11	23		41
		1.6	■XI	53	12	23	33	59
0.20	22		16	46	14	25	35
0.21	20.	3.3	Liegend		48	21
0.37	26	3.8	5.1	75	18
		2.8	4,5	76	40
0.18	17	2.7	9.2	65
0.19	17	2.5	15	56
0.21*	26		■ 14
0.32*	40	3.1	52
0.33	35	3.0	57
		3.0	67
0.16	36
0,24	36
0,31	40

Die das Bündel C enthaltende Trennvorrichtung wird in einer erfindungsgemaßen Anordnung aufrecht stehend mit unten liegender Rohrwand und Längsverdichtung durch das Gewicht des Epoxidharz-Dichtungskörpers sowie in einer nicht erfindungsgemäßen, liegenden Anordnung ohne Längsverdichtung durch einen Abstandhalter untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengefaßt. Die mit * bezeichneten Versuche wurden unmittelbar nach dem Umlegen der Trennvorrichtung vorgenommen, bevor die Hohlfasern Zeit hatten sich zu setzen und Durchlaßkanäle im Bündel zu bilden. Ein Vergleich mit den anderen Versuchen, in denen die Hohlfasern zuvor Zeit hatten, sich zu setzen, zeigt daß das Absetzen der Hohlfasern einen beträchtlichen Einfluß auf die Leistung der Trennvorrichtung haben kann.

TABELLE,III Bündel C

	Gasgemisch	Reingas	CO	Trennungs faktor	H₂	CO	Trennungs faktor	24	Wasserstoff Trennungs WirkungsgraqWirkuneserrai	en.	99	%
Gehauseseitige	Durchlässigkeit .cc (STP)/cit^-sec-cra (Hr) xlO⁶		Aufrecht	steh«	3nd,-E	ohrwand-. unt	25	%	104
Geschwindigkeit m/sec	H₂	2.0	28	58	2.3	25	25	72	112
		2.1	29	58	2.3	26	24		112
0.20	57	2.1	21	58	2.3	26		86	81
0.24	61		Liegend, -	kein	Abstandhalter		65
0.29	42	2.5	22	64	2.7	57	92
		2.7	14	59	2.4	, 96	36
0.14*	55	2.3	15	59	2.4	60
0.15	39	2.7	23	64	2.7	96
0.25	33
0.28*	61

Die die Bündel D, E und ϊ¹ enthaltenden übrigen Ohrennvorrichtungen wurden in einer im wesentlichen senkrecht stehenden erfindungsgemäßen Anordnung mit unten liegender Rohrwand und Längsverdichtung des Bündels durch das Gewicht des Epoxidharz-Dichtungskörpers untersucht.
Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengefaßt.

asu

TABELLE IV

Gehäuseseitige Geschwindigkeit m/sec

0.20 0.26

0.19 0.23

GasRemisoh

Reinprag.

DurQh-lässigkei,t cc (STP)/cm²-sec-cm(H«)xl0⁶

42 44

70

84

CO

2.7 2.4

2.9

3.1

'Trennungs faktor'

16 18

24

27

CO

Trennungs faktor "

Bündel* D:

51 51

2.2 2.2

Bündel E:

67

2.7

Bündel ρ: 78

^rasserstoff Wirkungsgrad

83 86

104

108

Trennungs Wirkungsgrad

70 78

96

90

Claims

Patentansprüche ;

Λ,) Ultrafeinfilter zum Trennen wenigstens eines Strömungsmittel aus einem wenigstens einen weiteren Bestandteil enthaltenden Strömungsgemisch durch selektive Durchdringung, gekennzeichnet durch ein längliches, für Strömungsmittel undurchlässiges Gehäuse (12) mit wenigstens einem für die Aufnahme einer Rohrwand (18) eingerichteten Ende, durch eine Anzahl von selektiv durchdringbaren, jeweils eine Außenfläche und einen Hohlraum aufweisenden Eohlfasern, welche in Form eines Bündels (16) im wesentlichen parallel zueinander im Gehäuse angeordnet sind, durch wenigstens eine strömungsundurchlässig im Gehäuse eingesetzte Rohrwand, in welche die Hohlfasern mit jeweils wenigstens einem Ende strömungsdicht eingebettet sind, so daß ihre Hohlräume durch die Rohrwand hindurch offen sind, durch wenigstens einen in das jjfehäuse führenden Strömungseinlaß (24·) und wenigstens einen in Längsabstand zu diesem aus dem Gehäuse herausführenden Strömungsauslaß (26), welche so angeordnet sind, daß sie mit den Außenflächen der Hohlfasern in Strömungsverbindung stehen und eine axiale Strömung des Strömungsmittels im Gehäuse bewirken, und durch Einrichtungen (22, 30) zum Verdichten des Hohlfaserbündels in Längsrichtung.

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2. Ultraf exnfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungsdichte der Hohlfasern, bezogen auf die Abmessungen des Innenquerschnitts des Gehäuses (12) und die Querschnittsflächen der Hohlfasern, wenigstens ca. 35% beträgt.
3. Ultrafeinfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungsdichte der Hohlfasern, bezogen auf die Abmessungen des Innenquerschnitts des Gehäuses (12) und die Querschnittsflächen der Hohlfasern, ca. 45 bis 60% beträgt.
4. Ultrafeinfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (22, 30) zum Verdichten des Bündels (16) in Längsrichtung zum Verdichten desselben um wenigstens etwa 0,5% eingerichtet sind.
5. ültraf einfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Rohrwand (18) aufweist.
6. Ultraf einfilter nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Längsverdichten des Bündeis (16) einen zwischen dessen Ende (20) und dem geschlossenen Ende des Gehäuses (12) angeordneten Abstandhalter (22, 30) aufweist.
7. Ultraf einfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter (22) im wesentlichen nicht elastisch ist.
8. Ultraf einfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter (30) elastisch

ist.

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9. Ultraf einf ilter nach'Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Verwendung in aufrecht stehender Stellung mit unten liegender Rohrwand (18) eingerichtet ist und daß die Längsverdichtung des Bündels (16) in dieser Stellung durch die Schwerkraft bewirkt ist.
10. Ultraf einf ilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das der Rohrwand (18) gegenüberliegende Ende des Bündels (16) in einem Dichtungskörper (20) eingeschlossen ist.
11. ■ Ultraf einf ilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es an jedem Ende eine Eohrwand

(110, 112) enthält.
12. Ultrafeinfilter nach Anspruch 5 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsverdichtung des Bündels (108) durch Verkürzung des Gehäuses (102) bewerkstelligt ist.
13. Ultrafeinfilter nach Anspruch 1, 5 oder 11, dadurch, gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die Längsverdichtung des Bündels (16, 108) zum Zusammenschieben des Bündels um ca. 0,7 bis 10% eingerichtet ist.
Ultrafeinfilter nach Anspruch2, dadurch g e k e'n η zeichnet, daß die Hohlfasern einen Außendurchmesser von ca. 100 bis 1000 μΐη haben.
15. Ultrafeinfilter nach Anspruch2, 5 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern einen Außendurchmesser von ca. 350 bis 800 um haben.

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16.. Ultrafeinfilter rach Anspruch 1, 5 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ca. 50% der Hohlfasern mehrere Wellen aufweisen, deren Amplituden bis zu ca. 50% des Außendurchmessers der Hohlfasern betragen, deren Periode weniger als ca. 5 cm beträgt, und bei welchen das Verhältnis zwischen der mittleren Periode und der mittleren Frequenz zwischen etwa 0,1 : 1 und 1 : 1 liegt.

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