DE3518871C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Tren­ nen von Fluidgemischen mit einer oder mehreren Membranen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE-OS 33 04 956 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist die Membran eine Pervaporationsmem­ bran, d. h. eine Membran, deren Trennfunktion auf unter­ schiedlichen Löslichkeiten (Sorption) sowie zusätzlich auf unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten der einzelnen Bestandteile des Fluidgemisches im Membranmaterial beruht. Das Membranmaterial ist so gewählt, daß sich der abzutren­ nende Bestandteil des Fluidgemisches im Membranmaterial besser löst als die restlichen Komponenten des Gemisches. Als Membranmaterialien werden beispielsweise Polymere verwendet.

Läßt man auf der einen Seite der Membran das Fluidgemisch vorbeiströmen, während man auf der anderen Seite der Mem­ bran einen niedrigeren Partialdruck des abzutrennenden Bestandteils als in dem Fluidgemisch aufrechterhält, so reichert sich der abzutrennende Bestandteil auf dieser Seite an. Das Permeat, d. h. der abzutrennende Bestandteil verläßt jedoch die Membran im dampfförmigen Zustand, so daß der Umgebung die zur Umwandlung vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand erforderliche Wärme entzogen werden muß. Hierdurch kühlt sich das Fluidgemisch ab. Die Abküh­ lung des Fluidgemisches verlangsamt aber die auf Diffusion beruhenden Transportvorgänge durch die Membran; unter Umständen können die Transportvorgänge sogar praktisch vollständig zum Erliegen kommen.

Aus diesem Grunde ist in der DE-OS 33 04 956 vorgeschlagen worden, in dem Flüssigkeits- bzw. Fluidgemisch, das auf der einen Seite der Membran vorbeiströmt, eine Heizung vorzusehen, die eine "optimierbare" gleichmäßige Tempera­ tur innerhalb der Rohmediumkammer einstellt. Unter Rohme­ diumkammer wird dabei in der DE-OS 33 04 956 der Bereich verstanden, durch den das Fluidgemisch an der Membran vorbeiströmt.

Diese in der DE-OS 33 04 956 vorgeschlagene Heizung des Fluidgemisches hat eine Reihe von Nachteilen:

Durch die in der "Rohmediumkammer" vorgesehene Heizung wird nicht nur das durch die Membran permeierende Fluid aufgeheizt, sondern das gesamte Fluidgemisch, so daß der Leistungsverbrauch beträchtlich ist. Durch die Aufheizung des Fluidgemisches können darüber hinaus temperaturem­ pfindliche Komponenten des Fluidgemisches geschädigt wer­ den. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Membran zur kontinuierlichen Produktentfernung aus einem Bioreak­ tor genutzt wird. In den Fluidgemischen von Bioreaktoren befinden sich auch die das abzutrennende Produkt erzeugen­ den Mikroorganismen, die häufig sehr temperaturempfindlich sind und bezüglich der Produkterzeugung ein Temperaturop­ timum besitzen. Dabei ist es sehr häufig der Fall, daß man zur Kompensation der von der permeierenden Komponente aufgenommenen Verdampfungswärme gezwungen ist, das Fluid­ gemisch über das Temperaturoptimum hinaus aufzuheizen, so daß es zu einer Verringerung, ja sogar zu einer Einstel­ lung der Produktion kommen kann.

Ferner ist es aus der US-PS 36 08 610 eine Vorrichtung mit einer Pervaporationsmembran bekannt, bei der eine Stütz­ konstruktion der Membran gleichzeitig als Heizelement für die Aufbringung der Verdampfungswärme dient. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird zwar nicht das gesamte Flüssig­ keitsgemisch aufgeheizt, die wärmste Stelle ist aber nicht die Membran, sondern die davon beabstandete Stützkonstruk­ tion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine Abkühlung des Fluidgemisches verhindert wird und die wärmste Stelle im Bereich des Elements mit Trennfunktion liegt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, mindestens eine beheizbare Porenmembran bzw. Ultrafiltrationsmembran vorzusehen, die aus einem elektrisch leitenden Material besteht und durch direkten Stromdurchgang oder induktiv beheizbar ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Membran als beheizbare Membran ermöglicht eine Beheizung, durch die sich nur die Membran und die unmittelbar an der Membran anliegende Fluidschicht bzw. die in der Membran befindlichen Bestand­ teile erwärmen. Die Temperatur des gesamten Fluidgemisches erhöht sich aufgrund der lokalen Beheizung der Membran sowie der die Membran umgebenden Fluidschicht praktisch nicht, so daß empfindliche Bestandteile des Fluidge­ misches, wie Mikroorganismen etc. nicht geschädigt werden:

Zum einen wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Membran nur ein kleiner Teil des Fluidgemisches aufge­ heizt; vor allem aber kann die der Membran zugeführte Heizleistung so geregelt werden, daß lediglich die der Membran bzw. ihrer Umgebung entzogene "Verdampfungs- bzw. Absorptionswärme" wieder zugeführt wird. Durch die lokale Beheizung wird darüber hinaus die benötigte Heizleistung wesentlich reduziert.

Durch die Heizung der Membran ergibt sich eine Membran­ destillation. Zu den Grundlagen der Membrandestillation wird auf den Artikel von K. Schneider und T. J. van Gassel "Membrandestillation" in Chemie-Ingenieur Technik, 1984, S. 514-521 verwiesen. Die erfindungsgemäß vorgesehene Heizung der Membran hat jedoch gegenüber den bekannten Vorrichtungen, bei denen das Fluidgemisch als Ganzes auf­ geheizt wird, die vorstehend erläuterten Vorteile.

Die Porenmembran kann entweder aus einem elektrisch lei­ tenden Material, wie Kohlenstoff oder einem Metall, insbe­ sondere einem Sintermetall bestehen. In jedem Falle kann die Porenmembran entweder mittels direkten Stromdurchgangs oder induktiv geheizt werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet:

Selbstverständlich ist es möglich, zusätzlich zu der be­ heizten Poren- bzw. Ultrafiltrationsmembran noch andere nicht beheizte Membrane des gleichen oder eines anderen Typs vorzusehen, die ebenfalls eine Trennfunktion haben (Anspruch 2).

Der Trennfaktor der erfindungsgemäß vorgesehenen beheizten Membran kann weiter erhöht werden, wenn diese gemäß An­ spruch 3 aus einem Material besteht oder auf der dem Fluidgemisch zugewandten Seite mit einem Material be­ schichtet ist, das von der abzutrennenden Komponente be­ vorzugt benetzt wird.

Beispielsweise kann die Membran bei der Trennung von Öl und Wasser hydrophil oder hydrophob beschichtet sein, je nachdem ob das Öl oder das Wasser aus dem Wasser/Öl-Ge­ misch entfernt werden soll. Diese Benetzbarkeit der Mem­ bran durch die abzutrennende Komponente bzw. die Nichtbe­ netzbarkeit der Membran durch die zurückzuhaltenden Kom­ ponenten verstärkt die selektive Wirkung der Beheizung der Membran, so daß bei hohen Trenngeschwindigkeiten große Trennfaktoren erhalten werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben, deren einzige Figur ein Ausführungsbeispiel zeigt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel strömt auf der Seite 2 (Fluidseite) einer Membran 1 mit Trenn- und Stütz­ funktion ein Fluidgemisch beispielsweise in einem nicht näher dargestellten Kanal an dieser Membran vorbei. Auf der anderen Seite 3 (Permeatseite) sorgt eine nicht näher dargestellte Einrichtung dafür, daß ein niedrigerer Par­ tialdruck der abzutrennenden Komponente als auf der Seite des Fluidgemisches aufrechterhalten wird. Die Einrichtung, die den niedrigeren Partialdruck aufrechterhält, kann beispielsweise eine Saugeinrichtung, eine Kühlfalle oder ein Inertgas-Strom sein. Das Fluidgemisch kann beispiels­ weise eine wäßrige Lösung, ein Öl/Wasser-Gemisch oder ein Produkt/Substrat-Gemisch eines Bioreaktors sein; das Fluidgemisch kann aber auch eine Mischung gasförmiger Komponenten sein.

Die Porenmembran 1 selbst besteht bei dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel aus einem Metall, so daß sie beispielsweise durch direkten Stromdurchgang oder induktiv beheizbar ist.

Die Porenmembran 1 ist auf der Seite 2, auf der sich das Fluidgemisch befindet, aus dem ein Bestandteil abgetrennt worden soll, mit einem Material 4 beschichtet, das bevor­ zugt von dem abzutrennenden Bestandteil benetzt wird. Soll beispielsweise aus einer wäßrigen Lösung ein Bestandteil abgetrennt werden, so kann die Beschichtung 4 der Poren­ membran 1 beispielsweise aus einem Polyolifin oder einem Polyfluorkohlenwasserstoff, wie Polytetrafluorethylen oder Polyvinylidenfluorid bestehen. Derartige Materialien wer­ den von Wasser weitgehend nicht benetzt (hierzu wird auf den bereits genannten Artikel "Membrandestillation" ver­ wiesen).

Umgekehrt kann die Beschichtung 4 hydrophil sein, wenn beispielsweise einer wäßrigen Lösung Wasser entzogen werden soll.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen mit einer oder mehreren Membranen, auf deren einer Seite das Fluid­ gemisch vorbeiströmt, und auf deren anderen Seite ein niedriger Partialdruck des abzutrennenden Bestandteils als in dem Fluidgemisch aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Porenmembran vorgesehen ist, die aus einem elektrisch leitenden Ma­ terial besteht und durch einen direkten Stromdurchgang oder induktiv beheizbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens eine nicht beheizte Membran vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenmembran oder Poren­ membranen auf der Seite des Fluidgemisches (2) mit einem Material (4) beschichtet sind, das von der abzutrennenden Komponente bevorzugt benetzt wird.