DE4039967A1 - Anlage zur trennung von fluessigen oder gasfoermigen stoffgemischen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Trennung von flüssigen oder gasförmigen Stoffgemischen, bei der eine semipermeable Membran einen von einem Stoffgemisch durchströmten Retentat­ raum von einem Permeatraum trennt, aus dem das von dem Stoff­ gemisch abgetrennte Permeat abgeführt wird, wobei die semi­ permeable Membran aus einzelnen Hohlfasermodulen zusammenge­ setzt ist.

Anlagen der angegebenen Art werden für Trennverfahren nach dem Prinzip der Umkehr-Osmose, beispielsweise zur Entsalzung von Wasser eingesetzt. Das Wasser wird unter Druck in den Per­ meatraum eingeleitet, wo es die semipermeable Membran durch­ dringen kann, während die im Wasser gelösten Stoffe von der Membran zurückgehalten werden. Es ist bekannt als Membranen Hohlfasern zu verwenden und in Form von Hohlfasermodulen an­ zuordnen, die - ähnlich den bekannten Filterpatronen - nach Erschöpfung gegen neue oder regenerierte Hohlfasermodule ausgetauscht werden können. In den Hohlfasermodulen werden jeweils eine große Anzahl von Hohlfasern zu einem Faserbündel zusammengefaßt derart gehalten, daß die offenen Faserenden an­ geströmt werden können und das die Faserwand durchdringende Medium abgeleitet werden kann. Zur Herstellung einer größeren Membranfläche ist es erforderlich, eine größere Zahl von Hohl­ fasermodulen vorzusehen und an Zuführ-, Retentat- und Permeat­ leitungen anzuschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit Hohlfasermodulen der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit geringem Bauaufwand auf kleinem Raum die Unterbrin­ gung einer großen Membranfläche ermöglicht, und sich durch geringe Strömungsverluste und eine hohe Austauschleistung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Permeatraum von einem langgestreckten, rohrförmigen Behäl­ ter gebildet wird, in den im Abstand voneinander und quer zu seiner Längsachse mehrere jeweils ein Hohlfaserbündel enthaltende Membrankartuschen eingesetzt sind, wobei in der Wand des Behälters für den Anschluß von Zuführ- und Reten­ tatleitungen Rohrstutzen vorgesehen sind, in denen die En­ den der Membrankartuschen gehalten und abgedichtet sind.

Die Erfindung ermöglicht auf einfache, leicht herstellbare Weise die parallele Anordnung einer Vielzahl von durch Mem­ brankartuschen gehaltenen Hohlfaserbündeln in einer durch den Behälter gebildeten, kompakten baulichen Einheit. Die Hohlfaserbündel können dabei eine vergleichsweise geringe Länge haben, so daß die Druckverluste in den Hohlfasern klein bleiben und eine entsprechend hohe Austauschleistung erzielt werden kann. Das Anordnen von Membrankartuschen in einem rohrförmigen Behälter ermöglicht weiterhin einen ge­ ringen Kartuschenabstand und dementsprechend die Unterbrin­ gung einer großen Membranfläche auf einem kleinen Bauraum. Der Behälter dient dabei als Permeatsammler, der aufgrund seines großen Querschnitts eine nahezu verlustfreie Abströ­ mung des Permeats ermöglicht und eine aufwendige Verrohrung für die Permeatabführung überflüssig macht. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Membrankartuschen durch die Rohrstutzen von außen leicht zugänglich sind und daher leicht ausgewech­ selt werden können. Hierdurch kann der Wartungs- und Repara­ turaufwand klein gehalten werden. Die Zuführ- und Retentat­ leitungen können aus unterschiedlichen Richtungen an die Rohrstutzen herangeführt werden, so daß eine gute Anpassung an die jeweils gegebenen Raumverhältnisse hinsichtlich der Ausführung der Verrohrung gegeben ist.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Behälter quer zu seiner Längsachse von zylin­ drischen Hülsen durchdrungen ist, die druckdicht mit der Be­ hälterwand verbunden sind, wobei die Wände der Hülsen inner­ halb des Behälters Öffnungen aufweisen und die Enden der Hül­ sen aus dem Behälter herausragen und die Rohrstutzen bilden. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, daß die Aufnahme der Membrankartuschen mit großer Genauigkeit hergestellt werden kann, so daß axiale Verspannungen der Membrankartuschen ver­ mieden werden. Weiterhin nehmen die Hülsen die Druckkräfte auf, die durch die auf der Zuführ- und Retentatseite herr­ schenden Drücke hervorgerufen werden, so daß die Druckbe­ lastung des Behälters klein bleibt.

Zu ihrer Lagerung und Abdichtung sind die Enden der Membran­ kartuschen erfindungsgemäß mit Flanschringen verschraubt, die von außen in die stirnseitigen Öffnungen der Rohrstutzen einsetzbar sind und von Schraubkappen gehalten werden, die auf die Rohrstutzen aufschraubbar sind. Die Abdichtung der Flanschringe gegenüber den Membrankartuschen einerseits und den Rohrstutzen und/oder Schraubkappen andererseits kann er­ findungsgemäß durch elastische Dichtringe erfolgen, um das Auswechseln der Membrankartuschen zu erleichtern.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage kann vorgesehen sein, daß die Schraubkappen einen zentralen Anschlußstutzen für die Zuführ- bzw. Retentatleitung haben. Hierbei ist zum Auswechseln der Membrankartuschen ein Lösen der Zuführleitung oder der Retentatleitung erforderlich. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Zuführleitungen und/oder die Retentatleitungen radial an die Rohrstutzen angeschlossen sind und zwischen den Schraubkappen und den Flanschringen in die Rohrstutzen münden, wobei zwischen den Flanschringen und den Schraub­ kappen Durchlässe vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungs­ form kann das Auswechseln der Membrankartuschen ohne Lösen der Zuführ- und Retentatleitungen erfolgen.

Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, daß mehrere Behälter durch in die Permeaträume mündende Rohrflansche zu einer größeren Einheit verbunden sind. Vorzugsweise sind hierbei die Rohrflansche etwa in der Mitte zwischen den axialen Enden der Behälter angeordnet, so daß sich kurze Strömungswege und entsprechend geringe Strömungsverluste ergeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht mehrerer Behälter einer erfindungsge­ mäßen Anlage zur Trennung eines Kohlenwasserstoff­ luftgemischs,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Behälter gemäß Fig. 1 in der Ebene einer Membrankartusche und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungs­ form des Anschlusses der Zuführleitung am Ende einer Membrankartusche.

Fig. 1 zeigt drei rohrförmige Behälter 1 einer eine Viel­ zahl solcher Behälter umfassenden Anlage zur Trennung eines Gemisches aus Luft und Kohlenwasserstoffdämpfen, wie es bei der Befüllung von Tankanlagen mit Kohlenwasserstoffen anfällt. Die Behälter 1 bestehen aus zylindrischen Rohren, die an bei­ den Enden verschlossen sind. In der Mitte zwischen ihren ver­ schlossenen Enden sind die Behälter 1 durch Rohrflansche 2 miteinander verbunden und an eine Permeatleitung 3 angeschlos­ sen. Jeder Behälter 1 ist senkrecht zu seiner Längsachse von parallel zueinander angeordneten Hülsen durchdrungen, deren beide Enden über die Außenwand der Behälter 1 hinausragen und mit Schraubkappen 4 verschlossen sind. In den Hülsen ist je­ weils eine Membrankartusche angeordnet. Die Schraubkappen 4 sind mit einem Anschlußstutzen versehen. Auf der in der Zeich­ nung sichtbaren Vorderseite der Behälter 1 werden die An­ schlußstutzen der Schraubkappen 4 mit einer Zuführleitung 5 zum Zuführen des Luft-Kohlenwasserstoff-Gemisches verbunden. An die Schraubkappen 4 auf der nicht sichtbaren Rückseite der Behälter 1 wird eine Retentatleitung 6 angeschlossen, die das von Kohlenwasserstoffen abgereicherte Retentat ableitet.

Aus der Schnittdarstellung in Fig. 2 ist der innere Aufbau der Behälter 1 zu ersehen. Die Hülsen 7 zur Aufnahme der Mem­ brankartuschen 8 sind in eine den Behälter 1 quer durchdrin­ gende Bohrung eingesetzt und durch Schweißnähte 9 druckdicht mit dem Behälter 1 verbunden. Im Inneren des Behälters 1 ist die Wand der Hülsen 7 mit Schlitzen 10 versehen, durch die der Innenraum der Hülsen 7 mit dem Innenraum des Behälters 1 in Verbindung steht. Die aus dem Behälter 1 herausragenden Enden der Hülsen 7 haben ein Außengewinde, auf das die Schraubkappen 4 aufgeschraubt sind.

In jeder Hülse 7 befindet sich eine Membrankartusche 8. Die Membrankartusche 8 besteht aus einem durch eine Zylin­ derhülse gebildeten Gehäuse 12, das an seinen beiden Enden jeweils einen konisch erweiterten Bund 13 aufweist. Der mittlere, zylindrische Abschnitt des Gehäuses 12 ist mit mehreren Längsschlitzen 14 versehen. Im Inneren des Gehäuses 12 befindet sich ein Bündel Hohlfasern, deren Länge dem Ge­ häuse 12 entspricht und deren offene Enden den beiden Stirn­ seiten des Gehäuses 12 zugekehrt sind. Die Hohlfasern bestehen aus einer porösen Polysulfonstruktur. Der Innendurchmesser beträgt ca. 400 µm und ihre Wandstärke ca. 120 µm. Jede Mem­ brankartusche enthält ca. 2500-4000 solcher Hohlfasern, was einer Membranfläche von 0,6-1 qm entspricht. Die Faser­ enden sind gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse 12 mit Hilfe eines Kunststoffs abgedichtet, der in die Zwischen­ räume eingeschleudert wird.

Die Membrankartuschen 8 werden in den Hülsen 7 mit Hilfe von Flanschringen 15 gehalten, die mit einem Innengewinde ver­ sehen sind und auf die mit einem entsprechenden Außengewinde versehenen Bunde 13 der Membrankartuschen 8 aufgeschraubt sind. Zwischen den Flanschringen 15 und den Stirnflächen der Gehäuse 12 ist jeweils ein Dichtring 16 angeordnet. Die Flanschringe 15 greifen mit einem Zentrierbund 17 in die Bohrung einer Hülse 10 ein und stützen sich über einen Dicht­ ring 18 an der jeweiligen Stirnfläche der Hülse 7 ab. Die Flanschringe 15 werden von den Schraubkappen 4 gehalten und die Hülse 7 angedrückt, wobei zwischen den Flanschringen 15 und der Bodenfläche der Schraubkappen 4 eine Dichtscheibe 19 eingesetzt ist, um die Zuführ- bzw. Retentatseite nach außen abzudichten. An die Anschlußstutzen 20 der Schraubkap­ pen 4 werden mit üblicher Rohrverschraubungen die Zuführlei­ tung 5 bzw. die Retentatleitung 6 angeschlossen.

Im Betrieb wird das Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisch mit einem Druck von etwa 10 bar über die Leitung 5 zugeführt. Der Druck in der Leitung 6 auf der Retentatseite liegt etwas unter 10 bar und wird durch den Druckabfall in der Membrankartusche 8 bestimmt. Im Permeatraum der Behälter 1 steht ein Druck von ca. 800 mbar an. Durch das Druckgefälle zwischen dem mit der Zuführleitung 5 und der Retentatleitung 6 verbundenen Micro­ kanal der einzelnen Hohlfasern und dem sie umgebenden Per­ meatraum kommt es zu einer Aufspaltung des Kohlenwasserstoff- Luft-Gemisches in ein mit Kohlenwasserstoffen angereichertes Permeat und ein abgereichertes Retentat, da die Kohlenwasser­ stoffe bevorzugt die semipermeable Wand der Hohlfasern durch­ dringen. Aus dem angereicherten Permeat können die Kohlen­ wasserstoffe zurückgewonnen werden, während das abgemagerte Retentat im Wege einer katalytischen Oxydation nachgereinigt wird.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante ist das Ende der Hülse 7 mit einer Stufenbohrung 20 versehen, die an ihrem äußeren Ende ein Innengewinde hat. Ein mit der Mem­ brankartusche 8 verschraubter Flanschring 21 ist in der Stu­ fenbohrung 20 angeordnet und mit einem in seiner Umfangs­ fläche angeordneten Dichtring 22 abgedichtet. Nach innen stützt sich der Flanschring 21 an der die Stufenbohrung 20 begrenzenden Stufenfläche ab. Auf seiner der Membrankartusche 8 abgekehrten Seite weist der Flanschring 21 durch Ausspa­ rungen 23 voneinander getrennte Vorsprünge 24 auf, die an der Innenfläche einer in die Hülse 7 eingeschraubten Kappe 25 anliegen. In dem durch die Vorsprünge 24 überbrückten Zwischenraum zwischen dem Flanschring 21 und der Kappe 25 mündet eine radiale Anschlußbohrung 26 eines auf der Mantel­ fläche der Hülse 7 angeordneten Anschlußstutzens 27, an den die Zuführleitung 5 oder die Retentatleitung 6 anschließbar ist. Zwischen der Kappe 25 und der Stirnfläche der Hülse 7 befindet sich ein Dichtring 28.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membrankartusche 8 ohne Lösen der Zuführ- oder Retentatlei­ tung zugänglich. Es ist lediglich erforderlich, die Kappe 25 abzuschrauben, um die Membrankartusche 8 zusammen mit dem Flanschring 21 aus der Hülse 7 ausbauen zu können.

Claims (8)

1. Anlage zur Trennung von flüssigen oder gasförmigen Stoff­ gemischen, bei der eine semipermeable Membran einen von einem Stoffgemisch durchströmten Retentatraum von einem Permeatraum trennt, aus dem das von dem Stoffgemisch ab­ getrennte Permeat abgeführt wird, wobei die semipermeable Membran aus einzelnen Hohlfasermodulen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Permeatraum von einem langgestreckten, rohrförmigen Behälter (1) gebildet wird, in den im Abstand voneinander und quer zu seiner Längs­ achse mehrere jeweils ein Hohlfaserbündel enthaltende Mem­ brankartuschen (8) eingesetzt sind, wobei in der Wand des Behälters (1) für den Anschluß von Zuführleitungen (5) und Retentatleitungen (6) Rohrstutzen (7) vorgesehen sind, in denen die Enden (13) der Membrankartuschen (8) gehalten und abgedichtet sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) quer zu seiner Längsachse von zylindrischen Hülsen (7) durchdrungen ist, die druckdicht mit der Be­ hälterwand verbunden sind, wobei die Wände der Hülsen (7) innerhalb des Behälters (1) Öffnungen aufweisen und die die Rohrstutzen bildenden Enden der Hülsen (7) aus dem Behälter (1) herausragen.

3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Enden (13) der Membrankartuschen (8) mit Flanschringen (15, 21) verschraubt sind, die von außen in die stirnseitigen Öffnungen der Rohrstutzen (7) einsetzbar sind und von Kappen (4, 25) gehalten werden, die mit den Rohrstutzen (7) verschraubt sind.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den Membrankartuschen (8) einerseits und den Rohr­ stutzen (7) und/oder Kappen (4, 25) elastische Dicht­ ringe angeordnet sind.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kappen (4) einen zentralen Anschluß­ stutzen aufweisen, mit dem die Zuführleitung (5) bzw. die Retentatleitung (6) verbunden sind.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuführleitungen (5) und/oder die Re­ tentatleitung (6) radial an die Rohrstutzen (7) ange­ schlossen sind und zwischen einer Kappe (25) und einem Flanschring (21) in den Rohrstutzen (7) münden, wobei zwischen der Kappe (25) und dem Flanschring (21) radiale Durchlässe (23) vorgesehen sind.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Behälter (1) durch in die Permeaträume mündende Rohrflansche (2) zu einer größeren Einheit verbunden sind.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrflansche (2) etwa in der Mitte zwischen den axialen Enden der Behälter (1) angeordnet sind.