DE4222089C2 - Vorrichtung mit mindestens einer Membranstufe zur Abtrennung gelöster Stoffe aus Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtrennung gelöster Stoffe aus Flüssigkeiten, umfassend wenigstens eine Membranstufe, auf die die zu trennende Flüssigkeit gegeben und in einen stoffabgereicherten Flüssigkeits­ strom (Retentat) und einen stoffangereicherten Strom (Permeat) getrennt wird.

Für die Abtrennung von Stoffen aus Flüssigkeiten sind verschiedene Verfahren (DE-PS 36 10 011) bekannt. Für die Abtrennung von Stoffen in Form flüchtiger Komponen­ ten aus Flüssigkeiten wie Abwässern und dergl. werden beispielsweise Adsorp­ tionsverfahren herangezogen, wobei Adsorptionsverfahren besonders effektiv Kleinstmengen gelöster Stoffe ab­ trennen.

Der Nachteil der bekannten Adsorptionsverfahren besteht darin, daß die zur Ausführung der Verfahren verwendeten Adsorptionsmittel nach bestimmten Betriebszeiten rege­ neriert oder aufgearbeitet werden müssen, was wiederum in der Regel sehr aufwendige Verfahrensschritte erfor­ dert, beispielsweise durch Anwendung einer thermischen Regenerierung oder einer Verdrängung mit anderen Lö­ sungsmitteln. Die Betriebszyklen verkürzen sich dabei umso stärker, je höher die Menge der in den Flüssig­ keiten gelösten Stoffe ist.

Neben den bekannten Adsorptionsverfahren sind auch Stripp-Verfahren bekannt, die grundsätzlich geeignet sind, auch hohe Stoffanteile aus den Flüssigkeiten abzutrennen. Der freien Abgabe der mit abzutrennenden Stoffen beladenen Strippgasströme an die Umgebung sind durch Gesetze bzw. Verordnungen Grenzen gesetzt. Um derartige Vorgaben einhalten zu können, ist eine Ab­ trennung der im Strippgasstrom mitgeführten abgetrennten Stoffe nötig, was beispielsweise durch eine Adsorption in der Gasphase oder mittels Tieftemperaturkondensation geschehen kann. Eine nachgeschaltete Adsorptionsstufe hat aber wiederum die gleichen Nachteile wie die ein­ gangs erwähnte alleinige Behandlung der zu trennenden Flüssigkeit mittels Adsorption. Eine Kondensation ist schließlich wegen der verfahrensbedingten großen Inert­ gasmenge nur außerordentlich aufwendig zu realisieren, da sehr große Wärmeübertragungsflächen und sehr niedrige Temperaturen verlangt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor­ richtung zu schaffen, mit der selbst in kleinsten Mengen in Flüssigkeiten gelöste Stoffe auf effiziente Weise abgetrennt werden können und dabei sichergestellt ist, daß die Umwelt durch die Vorrichtung verlassende Abluft­ ströme in bezug auf deren Beladung mit den abzutrennen­ den Stoffen unterhalb vorbestimmter Größenordnungen belastet wird, d. h. bei der der die Vorrichtung verlas­ sende Flüssigkeitsstrom unbedenklich an die Umgebung abgegeben bzw. einer Weiterverwendung zugeführt werden kann und der stoffangereicherte Flüssigkeitsstrom (Permeat) auf einfache Weise getrennt und der dabei abgetrennte Stoff ggf. ohne weitere Behandlung als Rohstoff eingesetzt werden kann, wobei die Vorrichtung einfach und kostengünstig herstellbar sein soll und ein mit der Vorrichtung ausführbares Verfahren zur Abtren­ nung gelöster Stoffe aus Flüssigkeiten einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das Retentat auf eine nach dem Prinzip des Stripp- Verfahrens arbeitende Desorptionsstufe gegeben wird, die das Retentat in hochgereinigter Form verläßt.

Der Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß einerseits das Retentat die Vorrichtung in hochgereinigter Form, d. h. unmittelbar verwend- bzw. verarbeitbar verläßt und zudem das die Desorptionsstufe verlassende beladene Strippgas pro Volumen derart kleine Mengen an aus den Flüssig­ keiten abgetrennten Stoffen enthält, daß das Strippgas ohne Weiterbehandlung, anders als es bisher erforderlich war, sofort an die Umgebung abgegeben werden kann und dabei gesetzlich vorgeschriebene Grenzen unterschritten werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung die an sich günstigen Trenneigen­ schaften von Membrantrenneinrichtungen bzw. von Mem­ brantrennstufen auch bei relativ hohen Konzentrationen der Stoffe in der zu trennenden Flüssigkeit und einen einfachen Aufbau und eine sehr einfache Betriebsweise insbesondere der nach dem Stripp-Verfahren arbeitenden Desorptionsstufe vereinigt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird das in die Desorptionsstufe eintretende, unbeladene Strippgas vor Eintritt in die Desorptionsstufe als Kühlmittelstrom einer Kühleinrichtung verwendet, wobei der Kühlmittelstrom in der Kühleinrichtung durch Wärme­ austausch eines zwischen Kühleinrichtung und einer Kondensationseinrichtung zur Kondensation des Permeats kreisförmig umlaufenden Wärmeübertragungsmediums erwärmt wird. Dieser Aufbau gestattet einen energetisch sehr effizienten Betrieb der Vorrichtung, da die bei der Kondensation des dampfförmigen Permeats abzuführende Wärmemenge zuzüglich der Kompressionswärme der Kälte­ maschine vom Strippgasstrom aufgenommen wird, d. h. die Wärmemenge kann hierbei zur Vorwärmung des Strippgas­ stromes genutzt werden, wodurch die Desorption in der Desorptionsstufe effektiver wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird das die Desorptionsstufe verlassende, beladene Strippgas über einen Wärmetauscher geführt. Hierbei werden die Kompressions- und Kondensationswärme­ beträge der Kühleinrichtung zur Permeatkondensation abgeführt. Das durch den Strippvorgang gekühlte Stripp­ gas sorgt nach seinem Austritt aus der Desorptionsstufe für eine effektive Abfuhr der im Wärmeübertragungsmedium mitgeführten Kondensationswärme.

Eine Kondensation des dampfförmigen Permeats, das aus der Membranstufe austritt, kann grundsätzlich bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgen. Vorteilhaft ist es, die Kondensation des Permeats bei tiefer Temperatur unter Vakuumbedingungen erfolgen zu lassen, für andere Verwendungszwecke kann es jedoch vorteilhaft sein, die Kondensation des Permeats nach seiner Überleitung über eine Verdichtungseinrichtung bei gegenüber einer Konden­ sation unter Vakuumbedingungen höherer Temperatur erfolgen zu lassen.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird das Permeat nach seiner Kondensation über eine Phasentrenneinrichtung in eine Permeatphase I und eine Permeatphase II getrennt, wobei eine der beiden Phasen i.d.R. sehr rein anfällt und als wiederverwert­ bares Gut erneut in einen Weiterbearbeitungsprozeß eingeleitet werden kann oder ganz allgemein als wieder­ verwertbares Gut zur Verfügung steht.

Vorzugsweise wird dabei die andere Permeatphase in die zu trennende Flüssigkeit vor deren Eintritt in die Membranstufe gegeben, d. h. die andere Permeatphase wird erneut dem mit der Vorrichtung auszuführenden Trenn­ prozeß zugeführt.

Die zu trennende Flüssigkeit wird über eine Pumpein­ richtung in die Membranstufe gefördert.

Vorteilhaft ist es schließlich, daß die zu trennende Flüssigkeit unmittelbar vor Eintritt in die Membranstufe über eine Heizeinrichtung geleitet wird, wobei die Erwärmung der zu trennenden Flüssigkeit auf eine vorbe­ stimmte Temperatur einen optimierten Wirkungsgrad für den Trennprozeß gewährleistet, da der Trennprozeß bei höheren Temperaturen effizienter ablaufen kann als bei niedrigeren Temperaturen, beispielsweise Raumtemperatur.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach­ folgenden schematischen Zeichnungen anhand zweier Ausführungsbeispiele eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ausführung eines Trennverfahrens, bei dem in Flüssigkeiten gelöster Stoffe abtrennbar sind,

Fig. 2 ein Blockschaltbild gemäß Fig. 1, jedoch in einer gegenüber der Fig. 1 abgewandelten Form,

Fig. 3 eine Darstellung des zulässigen Schadstoffan­ teils in der zu trennenden Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Menge der zu trennenden Flüssigkeit bei Einsatz einer nach dem Stripp- Verfahren arbeitenden Desorptionsstufe zur Entfernung von Schadstoffen der Klasse I und

Fig. 4 eine Darstellung der Membranfläche in Abhän­ gigkeit von der Retentatkonzentration für einen Zulauf von 10 m³/h mit 1000 ppm, 1,2-Dichlor­ ethan als darin gelöstem Stoff bei einer Permeationstemperatur von 50°C und einem Permeatraumdruck von 15 mbar und einer Membran PDMS.

Die Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einer Membranstufe 12, auf die die zu trennende Flüssigkeit 11 eingangsseitig gegeben wird, und aus einer Desorptions­ stufe 15. Die Membranstufe 12 trennt die zu trennende Flüssigkeit 11 in einen stoffabgereicherten Flüssigkeitsstrom, Retentat 13 genannt, und einen stoffangereicherten Strom, Permeat 14 genannt. Die Membranstufe 12 ist retentatseitig mit der Desorptions­ stufe 15 verbunden. Die Desorptionsstufe 15 arbeitet nach dem Prinzip des Stripp-Verfahrens, d. h. ein in die Desorptionsstufe 15 eingeleitetes Strippgas 16 kommt in der Desorptionsstufe 15 auf bekannte Weise in Kontakt mit dem von der Membranstufe 12 kommenden Retentat 13, wobei dieses die Desorptionsstufe 15 als hochgereinigtes Retentat 130 verläßt.

Das von der Membranstufe 12 kommende Permeat 14 wird über eine Verdichtungseinrichtung 21 geleitet und von dort auf einen Kondensator 19, in dem das bisher gas­ förmige Permeat in eine flüssige Phase überführt wird. Die Kondensation kann alternativ auch vor die Verdich­ tungseinrichtung 21 verlegt werden.

Grundsätzlich gilt, daß für die Kondensation des dampf­ förmigen Permeats 14 sich alle gängigen Kondensatortypen eignen. Die Kondensation des Permeats 14 kann dabei bei sehr tiefen Temperaturen unter Vakuum oder nach einer Vorverdichtung mittels der Verdichtungseinrichtung 21, wie hier beschrieben, bei höheren Temperaturen gesche­ hen. Als Vakuumerzeuger bzw. Vorverdichtungseinrichtung 21 sind alle für eine derartigen Aufgabe bekannten Einrichtungen sowie einzeln, als auch mehrstufig oder in Kombination miteinander einsetzbar.

Die Aufnahme und Abfuhr der Kondensations- bzw. Ver­ dichtungswärme der Kondensationseinrichtung 19 erfolgt durch einen Kühlmittelstrom. Dieses kann beispielsweise durch eine luftgekühlte Kompressionsmaschine erfolgen, alternativ kann aber auch die Wärmemenge direkt konvek­ tiv durch einen Kühlgasstrom abgeführt werden. Die Kondensationstemperatur wird durch einen von einer Kälteanlage 190 kommenden Kühlmittelstrom bestimmt, der zwischen Kälteanlage 190 und Kondensationseinrichtung 19 kreisförmig umläuft. Die Kälteanlage 190 ist somit als Teil der Kondensationseinrichtung 19 zu verstehen.

Die Wärmemenge der Kälteanlage 190 muß ebenfalls wieder abgeführt werden, was dadurch geschieht, daß eine Kühleinrichtung 17 in einen Kreislauf eines Wärmeüber­ tragungsmediums 20 eingeschaltet ist, wobei das Wärme­ übertragungsmedium 20 zwischen Kälteanlage 190 und Kühleinrichtung 17 kreisförmig umläuft. Der zur Kühlung des Wärmeübertragungsmediums 20 benötigte Gasstrom 18, mit dem die Kühleinrichtung 17 beaufschlagt wird, erwärmt sich in der Kühleinrichtung 17 und wird bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 10 als Strippgas 16 der Desorptionsstufe 15 zugeführt, wobei mittels des Strippgases 16, wie oben beschrieben, durch einen Strippvorgang die Restbeladung aus dem von der Membranstufe 12 kommenden Retentat 13 entfernt wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 10 wird das aus der Desorptionsstufe 15 austretende, beladene Strippgas 16 über eine Kühlein­ richtung 17 zum Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungs­ medium 20, das zwischen der Kühleinrichtung 17 und der Kondensationseinrichtung 19 zur Kondensation des Per­ meats 14 kreisförmig umläuft, benutzt.

Das die Kondensationseinrichtung 19 nach seiner Konden­ sation verlassende Permeat 14, das eine hochangerei­ cherte Mischung aus aus der zu trennenden Flüssigkeit 11 abgetrennten gelösten Stoffen bildet, liegt somit in hochangereichter Form vor. Da häufig das Permeat 14 in dieser Form aus zwei Phasen besteht, wird das Permeat über eine Phasentrenneinrichtung 22 geleitet, in der es in eine z. B. wäßrige flüssige Permeatphase I 23 und in eine z. B. organische flüssige Permeatphase II 24 ge­ trennt wird. Die z. B. organische flüssige Permeatphase II 24 steht somit unmittelbar als wiederverwertbares Gut ohne weitere Behandlung zur Verfügung. Die z. B. wäßrige flüssige Phase 23 kann nach Art eines Kreisprozesses wiederum in die zu trennende Flüssigkeit vor deren Eintritt in die Membranstufe 12 gegeben werden.

Vorgeschaltet vor die Membranstufe 12 können eine Pumpeneinrichtung 25 sowie nachfolgend eine Heizein­ richtung 26 vorgesehen werden, so daß die zu trennende Flüssigkeit 11, was gleichermaßen für z. B. die wäßrige flüssige Permeatphase 23 gilt, zunächst die Pumpenein­ richtung 25 durchläuft und nachfolgend vor Eintritt in die Membranstufe 12 über die Heizeinrichtung 26 erwärmt wird, wobei die Erwärmung der zu trennenden Flüssigkeit den Wirkungsgrad des Trennprozesses erhöht.

Anhand der Fig. 3 wird die Funktion der Vorrichtung 10 bzw. das mit der Vorrichtung 10 ausführbare Trennver­ fahren beispielhaft aufgezeigt. Eine chlorierte Kohlen­ stoffverbindung als zu trennende Flüssigkeit 10, bei­ spielsweise 1,2-Dichlorethan, wird nach der TA-Luft in die sogenannte Schadstoffklasse I eingeordnet, die eine maximale Emissionsfracht von 0,1 kg/h zuläßt, oder aber bei Überschreitung dieser Maximalfracht 20 mg/m³ als Konzentrationsobergrenze vorschreibt. Fig. 3 zeigt für das Kriterium der maximalen Fracht, wie hoch ein gege­ bener zu trennender Flüssigkeitsstrom 11 belastet sein darf, wenn die gesamte Verunreinigung allein durch eine Desorptionsstufe 15, die nach dem Stripper-Verfahren arbeitet, entfernt werden soll. Liegt der Belastungszu­ stand der zu trennenden Flüssigkeit oberhalb dieser Kurve, würde ein Stripp-Verfahren ohne nachfolgende Reinigungsstufen die Vorschriften der TA-Luft verletzen. Legt man die Konzentrationsobergrenze von 20 mg/m³ bei dieser Betrachtung zugrunde und geht von einer typischen Gasbelastung von 40 m³/h Luft pro m³/h Flüssigkeit 11, beispielsweise Abwasser, aus, ergibt sich für den Flüssigkeitsstrom eine maximale Verunreinigung von 800 ppb, wobei eine derartige Belastung ohne weitere Nach­ behandlungsschritte mittels eines Stripp-Verfahrens entfernt werden kann. Das Frachtkriterium geht unter diesen Voraussetzungen bei einer Flüssigkeitsmenge von 125 m³/h in das Konzentrationskriterium über. Eine Reinigung der Flüssigkeit 10 auf Belastungswerte unter 5 ppb, wie mittels des Stripp-Verfahrens grundsätzlich möglich, ist ein für eine Membrantrennung mittels Pervaporation nicht zugänglicher Bereich.

Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, sollte die Membrantren­ nung mittels Pervaporation nicht zu weit in den Bereich kleiner Konzentrationen ausgedehnt werden, da die benötigte Membranfläche dann überproportional ansteigen würde.

Die hier vorgeschlagene Vorrichtung 10, bei der eine Membranstufe 12 mit einer Desorptionsstufe 15, die nach dem Prinzip des Stripp-Verfahrens arbeitet, kombiniert ist, hält alle durch die TA-Luft aufgeführten Grenzwerte ein und beschränkt die erforderliche Membranfläche in der Membranstufe 12 auf ein Minimum.

Die Vorrichtung 10 gilt darüberhinaus aber auch aus energetischer Sicht als besonders effizient, da die bei der Verdichtung und Kondensation des dampfförmigen Permeats 14 abzuführende Wärmemenge vom Strippgas 16 aufgenommen wird.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung
11 zu trennende Flüssigkeit
12 Membranstufe
13 Retentat
130 hochgereinigtes Retentat
14 Permeat
15 Desorptionsstufe
16 Strippgas
17 Kühleinrichtung
18 Kühlmittelstrom
19 Kondensationseinrichtung
190 Kälteanlage
20 Wärmeübertragungsmedium
21 Verdichtungseinrichtung
22 Phasentrenneinrichtung
23 wäßrige flüssige Permeatphase
24 organische flüssige Permeatphase
25 Pumpeneinrichtung
26 Heizeinrichtung

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Abtrennung gelöster Stoffe aus Flüssigkeiten, umfassend wenigstens eine Membranstufe, auf die die zu trennende Flüssigkeit gegeben und in einen stoffabgereicherten Flüssigkeitsstrom (Retentat) und einen stoffangereicherten Strom (Permeat) getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Retentat (13) auf eine nach dem Prinzip des Stripp-Verfahrens arbeitende Desorptionsstufe (15) gegeben wird, die das Retentat (13) in hochgereinigter Form verläßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Desorptionsstufe (15) eintretende, unbeladene Strippgas (16) vor Eintritt in die Desorp­ tionsstufe (15) als Kühlmittelstrom (18) verwendet wird, wobei der Kühlmittelstrom (18) in der Kühleinrichtung (17) durch Wärmeaustausch eines zwischen der Kühlein­ richtung (17) und einer Kondensationseinrichtung (19) zur Kondensation des Permeats (14) kreisförmig umlau­ fenden Wärmeübertragungsmediums (20) erwärmt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Desorptionsstufe (15) verlassende, beladene Strippgas (16) über eine Kühleinrichtung (17) zum Wärmeaustausch mit einem Wärmeübertragungsmedium (20) geführt wird, das zwischen der Kühleinrichtung (17) und einer Kondensationseinrichtung (19) zur Kondensation des Permeats (14) kreisförmig umläuft.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kondensation des Permeats (14) bei tiefer Temperatur unter Vakuumbedin­ gungen erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation des Permeats (14) nach Passieren einer oder mehrerer Ver­ dichtungseinrichtungen (21) oder zwischen diesen bei gegenüber einer Kondensation unter Vakuumbedingungen höherer Temperatur erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat (14) nach seiner Kondensation über eine Phasentrenneinrichtung (22) in eine Permeatphase I (23) und in eine Permeat­ phase II (24) getrennt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Permeatphasen (23, 24) in die zu trennende Flüssigkeit (11) vor deren Eintritt in die Membranstufe (12) gegeben wird.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu trennende Flüssigkeit (11) vor Eintritt in die Membranstufe (12) über eine Heizeinrichtung (26) geleitet wird.