DE3531834C1

DE3531834C1 - Pervaporationsverfahren

Info

Publication number: DE3531834C1
Application number: DE3531834A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig Storkebaum; Uwe Dr. 3341 Wittmar Tegtmeier
Original assignee: Starcosa GmbH
Current assignee: Starcosa GmbH
Priority date: 1985-09-06
Filing date: 1985-09-06
Publication date: 1986-09-18
Also published as: US4719016A; ATE47326T1; EP0216181B1; EP0216181A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Pervaporationsverfahren, bei dem die Suspension einer Lösungsdiffusionsmembran zugeführt und durch Erzeugung eines Unterdrukkes auf der Permeatseite das Permeat verdampft und vor Überführung in einen Permeatsammelbehälter in den flüssigen Zustand kondensiert wird.

Es sind Verfahren der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei denen die Rohflüssigkeit der Zulauf- bzw. Retentatseite mit einem Überdruck zugeleitet und auf der Permeatseite mit Hilfe einer Vakuumpumpe ein Unterdruck erzeugt wird, um ein Permeat zu gewinnen, welches mit der leichter in der Membran in Lösung gehenden bzw. leichter durch die Membran hindurchdiffundierenden Komponente der Rohflüssigkeit angereichert ist. Zur Kondensation des verdampften Permeats ist es erforderlich, diesem die Verdampfungsenthalpie durch Kühlung zu entziehen, um es als Flüssigkeit in den Permeatsammelbehälter zu überführen.

Die Gesamtdruckdifferenz zwischen der Zulauf- bzw. Retentatseite und der Permeatseite ist dabei abhängig von der Art und Zusammensetzung der Rohflüssigkeit, von der Art des Permeats und des zur Verdampfung des Permeats notwendigen Unterdruckes sowie von den Daten der Membran. Dabei ist ein hinreichendes Druckgefälle zwischen der zuströmenden Rohflüssigkeit und dem Retentataustritt erforderlich, welches durch Umwandlung in Strömungsenergie zu einer hinreichend intensiven Durchströmung des Retentatraumes führt.

Für die Kondensation des in Dampfform anfallenden Permeats ist ein sehr erheblicher Energieaufwand erforderlich, da das Permeat relativ stark gekühlt werden muß, um dessen Kondensation bei dem herrschenden starken Unterdruck auf dem Wege in den Permeatsammelbehälter zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend genannten Art so weiterzubilden, daß der Energieaufwand für die Verdampfung und Kondensation des Permeats vermindert wird und darüber hinaus günstige Bedingungen für die Erzielung und Aufrechterhaltung eines sterilen Verfahrensablaufes geschaffen werden.

Zur Lösung vorstehender Aufgabe kennzeichnet sich das einleitend genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß das aus der Membran austretende Permeat der Saugwirkung einer Strahlpumpe ausgesetzt und im Treibstrahl der Strahlpumpe kondensiert, in eine Kreislaufströmung überführt sowie innerhalb der Kreislaufströmung als Treibmittel der Strahlpumpe zugeleitet wird.
Durch die Strahlpumpe wird auf einfache Weise und

ίο ohne mechanisch bewegte Teile das für die Trennung der Suspension notwendige Druckgefälle sowie der für die Verdampfung des Permeats erforderliche Unterdruck erzeugt, wobei die Strahlpumpe gleichzeitig auch für die Kondensierung des verdampften Permeats in

ihrem Treibstrahl sorgt, so daß die Überführung des Permeats in den dampfförmigen Zustand und seine Kondensation in die flüssige Phase im Zuge des Förderweges des Permeats ohne äußere Einwirkung erfolgt. Die Kondensation des verdampften Permeats vollzieht sich in der Kreislaufströmung des bereits zuvor in den flüssigen Zustand überführten Permeats, so daß eine sterile Prozeßführung ermöglicht bzw. sehr erleichtert wird.

Zwar wird auch für die Erzeugung des Unterdruckes auf der Permeatseite und die Kondensation des verdampften Permeats Energie benötigt, jedoch wird gegenüber dem bekannten Verfahren eine erhebliche Energieeinsparung erzielt und gleichzeitig die Möglichkeit einer teilweisen Rückgewinnung der aufgewandten Energie geschaffen.

Die für die Verdampfung des Permeats notwendige Verdampfungswärme wird im wesentlichen dem Retentat entzogen, während die Kondensationswärme zur Überführung des verdampften Permeats in den flüssigen Zustand dem Treibstrahl der Strahlpumpe zugeführt wird. Zur Abführung dieser Wärme kann das Permeat während der Kreislaufströmung gekühlt werden, wobei diese Kühlung im Zuge der Kreislaufströmung zweckmäßig durch Wärmetausch mit der zur Lösungsdiffusionsmembran zugeführten Rohflüssigkeit erfolgt. Hierdurch wird der Rohflüssigkeit die dem Retentat entzogene Wärme zumindest teilweise wieder zugeführt und hierdurch gleichzeitig eine Vorwärmung der Rohflüssigkeit erreicht, welche sich günstig auf den angestrebten Verdampfungsvorgang für das Permeat auswirkt.

Das beschriebene Verfahren ist beispielsweise besonders geeignet für die Gewinnung von Ethanol aus einer wäßrigen Lösung, für die Meerwasserentsalzung oder

auch für die Trennung von öl-Wasser-Emulsionen.

Die Zeichnung gibt ein Ausführungsbeispiel für die Durchführung des Pervaporationsverfahrens wieder.

In der Zeichnung ist mit 1 die Zuführungsleitung für die Rohflüssigkeit zu einer insgesamt mit 2 bezeichneten Membranfilteranordnung bezeichnet. Im Zuge der Zuführungsleitung 1 sind eine Förderpumpe 21 und ein Strömungsregelventil 22 vorgesehen. Die Membranfilteranordnung 2 ist durch eine Lösungsdiffu^onsmembran 3 in einen Retentatraum 2a und einen Permeatraum 2b unterteilt. Die Zuführungsleitung 1 für die Suspension mündet in den Retentatraum 2a aus.

Von dem Permeatraum 26 erstreckt sich die Permeatabführungsleitung 4, welche mit einer Strahlpumpe 5 verbunden ist. Die Strahlpumpe 5 ist im Zuge einer nachstehend näher beschriebenen Kreislaufleitung für das Permeat angeordnet.

Die genannte Kreislaufleitung erstreckt sich mit einem Abschnitt 7 von der Unterseite eines Permeatsam-

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melbehälters 6 zu einer Förderpumpe 8. Die von der nung aus einer wäßrigen Lösung bzw. die starke Anrei-

Förderpumpe ausgehende Druckleitung 9 führt zu ei- cherung in der Lösung an Ethanol mit Hilfe der in der

nem Wärmetauscher 10, welcher in der Zuleitung 1 für Zeichnung wiedergegebenen Vorrichtung kurz be-

die Rohflüssigkeit angeordnet ist. Von dem Wärmetau- schrieben.

scher 10 führt die Kreislaufleitung über einen weiteren 5 Es wird ausgegangen von einer Lösung, welche 91% Leitungsabschnitt 11 durch eine ebenfalls als Wärme- Ethanol und 9% Wasser aufweist. Die Temperatur der tauscher ausgebildete Kühleinrichtung 12 zur Eintritts- Lösung soll 20⁰C betragen. Nach Passieren des Wärmeseite der Strahlpumpe 5 und von dort aus über den tauschers 18 sowie der Wärmetauscher 10 und 19 be-Leitungsabschnitt 13 in den Permeatsammelbehälter. trägt die Temperatur beim Eintritt in die Membranfil-

Von dem Leitungsabschnitt 11 der Kreislaufleitung 10 teranordnung,2etwa90°C. Das aus der Membranfiltergeht eine Permeatabführungsleitung 15 aus, in der ein anordnung 2 abfließende Retentat wird durch den Wär-Ventil 16 vorgesehen ist, welches über eine Niveau- meentzug bei der Verdampfung des Permeats auf ca. steuerungseinrichtung 14 in Abhängigkeit von dem 65° C abgekühlt und nach Passieren des Wärmetau-Flüssigkeitsspiegel in dem Permeatsammelbehälter 6 schers 18 mit etwa 25° C abgeleitet,
betätigt wird. 15 Die Strahlpumpe 5 führt in dem Permeatraum 2b der

Zur Abführung des Retentats aus dem Retentatraum Membranfilteranordnung und in der Permeatüberfüh-

2a dient eine Retentatabführungsleitung 17, die durch rungsleitung 4 zu einem Unterdruck von 0,4 bar. Die

einen Wärmetauscher 18 hindurchgeführt ist, der ande- Temperatur des verdampften Permeats beträgt etwa

rerseits im Zuge der Zuführungsleitung 1 für die Roh- 65° C.

flüssigkeit liegt, so daß bei erhöhter Temperatur des 20 Durch die in der Strahlpumpe bewirkte Kondensa-

Retentats in der Retentatsabführungsleitung 17 eine tion des Permeats wird das Permeat erwärmt, so daß das

Vorwärmung der Rohflüssigkeit erfolgt. in dem Permeatsammelbehälter 6 befindliche flüssige

Im Zuge der Zuführungsleitung 1 für die Rohflüssig- Permeat etwa eine Temperatur von 8O⁰C annimmt. In keit ist zusätzlich zu den Wärmetauschern 18 und 10 der Kreislaufströmung des Permeats erfolgt zunächst noch ein weiterer Wärmetauscher 19 erkennbar, wel- 25 durch den Wärmetauscher 10 eine Abkühlung auf etwa eher unmittelbar vor der Membranfilteranordnung 2 65° C und beim Passieren der ebenfalls als Wärmetauvorgesehen ist. scher ausgebildeten Kühleinrichtung 12 eine weitere

Die beschriebene Anordnung wird in der Weise be- Abkühlung auf 45° C, mit dem das Permeat als Treibtrieben, daß der in der Strahlpumpe 5 erzeugte Unter- strahl der Strahlpumpe 5 zugeleitet wird. Bei Verwendruck, welcher sich auf den Permeatraum 2b auswirkt, 30 dung einer hydrophilen Lösungsdiffusionsmembran 3 eine solche Größe erreicht, daß das Permeat verdampft und dem Betrieb der Anordnung unter Einhaltung der und in dem dampfförmigen Zustand durch die Saugwir- vorgenannten Daten ergibt sich bei einem Massenstrom kung in die Strahlpumpe 5 gelangt. Die zur Verdamp- der Permeatabführung von 1 und einem Massenstrom fung notwendige Wärme wird dabei dem im Retentat- der zugeführten Lösung von 9,7 ein Massenstrom des raum 2a befindlichen Retentat entzogen. 35 Retentats von 8,7. Das über die Leitung 15 aus der An-

In der Strahlpumpe erfolgt eine Kondensation des Ordnung abgeführte Permeat weist bei diesem Beispiel

verdampften Permeats in ,den Treibstrahl. Der Treib- eine Zusammensetzung auf von 80% Wasser und 20%

strahl besteht dabei aus flüssigem Permeat, welches mit- Ethanol, während das abgeführte Retentat bei einem

tels der Förderpumpe 8 durch die beschriebene Kreis- Massenstrom von 8,7 aus 99,2% Ethanol und nur noch

laufleitung und durch die in dieser Leitung vorgesehe- 40 0,8% Wasser besteht,

nen Wärmetauscher gefördert wird. Bei dem beschriebenen Beispiel ist keine teilweise

Durch den Wärmetauscher 10 wird ein Teil der von Rückführung des Retentats vorgesehen, obgleich diese

dem Treibstrahl aufgenommenen Wärme der in die durchaus möglich ist, und auf diese Weise eine geringere

Membranfilteranordnung 2 zufließenden Rohflüssigkeit Anwärmung der Lösung bzw. des Gemisches aus der

zugeführt und gleichzeitig hierdurch eine Abkühlung 45 Lösung und dem rückgeführten Retentat notwendig ist

des Permeats erzielt. Die weitere ebenfalls in dem Bei- und somit die durch den Wärmetauscher 19 zugeführte

spiel als Wärmetauscher ausgebildete Kühleinrichtung zusätzliche Energie erheblich vermindert werden kann.

12 unmittelbar vor der Strahlpumpe bewirkt eine zu- Bei einer mehrfachen Rückführung des Retentats ist es

sätzliche Abkühlung des in der Kreislaufleitung geführ- möglich, mit einer geringeren Eingangstemperatur der

ten Permeats unmittelbar vor Eintritt in die Strahlpum- 50 Lösung bzw. der Mischung aus der Lösung und des

pe, wo das Permeat den Treibstrahl bildet. Durch diese Retentats in die Membranfilteranordnung 2 zu arbeiten.

zusätzliche Kühlung kann die Verdampfungstempera-

tür des Permeats in der Membranfilteranordnung 2 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

niedrig gehalten werden. Dies führt zu einer schonen-

den Behandlung des Permeats, die bei empfindlichen 55
Gütern von sehr erheblicher Bedeutung sein kann.

Um mit einem möglichst niedrigen Unterdruck für die
Verdampfung des Permeats auszukommen, ist in dem
dargestellten Beispiel eine zusätzliche Erwärmung der

Rohflüssigkeit in der Zuführungsleitung 1 durch die An- 60
Ordnung der Wärmetauscher 18 und 19 vorgesehen. Der
Wärmetauscher 18 entnimmt dabei die Wärme dem abfließenden Retentat, welches durch die Retentatabführungsleitung 17 fließt, und führt auf diese Weise zu einer

Vorwärmung der Rohflüssigkeit, während der Wärme- 65
tauscher 19 mit einer in der Zeichnung nicht wiedergegebenen zusätzlichen Wärmequelle verbunden ist.

Nachstehend wird ein Beispiel für die Ethanolgewin-

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Claims

Patentansprüche:

1. Pervaporationsverfahren, bei dem die Rohflüssigkeit einer Lösungsdiffusionsmembran zugeführt und durch Erzeugung eines Unterdruckes auf der Permeatseite das Permeat verdampft und vor Überführung in einen Permeatsammelbehälter in den flüssigen Zustand kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Membran austretende Permeat der Saugwirkung einer Strahlpumpe ausgesetzt und im Treibstrahl der Strahlpumpe kondensiert, in eine Kreislaufströmung überführt sowie innerhalb der Kreislaufströmung als Treibmittel der Strahlpumpe zugeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat während der Kreislaufströmung gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat im Zuge der Kreislaufströmung durch Wärmetausch mit der zur Lösungsdiffusionsmembran zugeführten Rohflüssigkeit gekühlt wird.