DE60220146T2

DE60220146T2 - Fraktionierung von flüssigkeitsgemischen mit membranstoffaustauschern

Info

Publication number: DE60220146T2
Application number: DE60220146T
Authority: DE
Inventors: Albert Edward Jansen; Erik Everhardus Meuleman; Jan Hendrik Haanemaaijer; Johannes De Graauw
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: DE60220146D1; WO2002070113A1; NL1017516C2; ATE362392T1; US20040211725A1; JP3899032B2; WO2002070113A8; EP1370346A1; JP2004521734A; EP1370346B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fraktionieren eines flüssigen Gemischs, das eine niedrigsiedende (flüchtigere) und eine hoch siedende (weniger flüchtige) Komponente enthält, wobei Membrankontaktoren verwendet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens.
Destillation wird in großem Maßstab angewendet, um zwei oder mehr Komponenten in einer Flüssigkeit (teilweise) voneinander zu trennen. Da die Trennung im Allgemeinen nicht zu vollständig reinen Komponenten führt, wird der Begriff Fraktionierung verwendet. Meist wird die Fraktionierung in einer Glockenbodenkolonne oder einer Kolonne ausgeführt, die mit Betten mit strukturierter Füllung versehen- ist. Charakteristisch für diese Prozesse ist, dass nach oben fließender Dampf und nach unten fließende Flüssigkeit in Kontaktzonen direkt miteinander in Kontakt gebracht werden.
Der "klassische" Destillationsprozess hat eine Reihe von Nachteilen, unter anderem den, dass relativ viel Energie und relativ große Kolonnen benötigt werden. In jüngster Zeit wurden Anstrengungen unternommen, um den bestehenden Destillationsprozess zu verbessern, zum Beispiel durch Verwendung von selektiven Membranen. Beispiele dafür sind in US 5,905,182 , US 5,914,435 und US 5,962,763 beschrieben. Der Vorteil der Pervaporation (Flüssigkeit als Zufuhr) oder der Dampfpermeation (Dampf als Zufuhr) besteht darin, dass eine große Kontaktoberfläche vorhanden ist, und durch Verwendung von selektiven Membranen kann die Effizienz erhöht werden und daher eine kompakte Kolonne aufgebaut werden. Bis heute hat sich die Trennungsfähigkeit – Kombination aus Permeationsrate und Selektivität – mittels einer Membran als noch nicht ausreichend herausgestellt, um mit der Destillation zu konkurrieren.
Pervaporation oder Dampfpermeation können zur Unterstützung der Destillation eingesetzt werden. In diesen Fällen wird ein oberer oder unterer Strom aus der Kolonne durch eine Membraneinheit geleitet, in der die Membranen in Bezug auf wenigstens eine der Komponenten in dem Gemisch selektiv sind. Die Komponenten passieren die Membran und werden als Produkt gesammelt. Das Retentat und ein Teil des Produkts werden in die Destillationskolonne zurückgeführt. Eine spezielle Ausführungsform für die Destillation ist in US 3,649,467 angegeben, wo ein flüssiges Gemisch durch einen Kanal geleitet wird, dessen Wand permeabel für Dampf ist. Der Dampf diffundiert über die permeable Wand und kondensiert auf der anderen Seite oder an der nächsten permeablen Wand, die von der ersten Wand durch ein Dampfdiffusionsgebiet getrennt ist, wodurch niedrigsiedende Komponenten von einer Seite der Wand zur anderen oder zur nächsten permeablen Wand überführt werden. Weiterhin beschreibt WO 99/64,147 einen Mikrokomponentenaufbau zum effizienten in Kontakt bringen von Fluiden. Sie ist aus flachen Abteilen aufgebaut. Zwischen den Abteilen sind poröse Kontaktoren platziert, durch die ein Massenübergang von Dampf aus dem einen in das andere Fach stattfindet. Der resultierende Prozess kann Adsorption, Desorption oder Destillation sein. In jedem Abteil können leicht Wärmetauscher und Kühler hinzugefügt werden, um diese Prozesse zu beschleunigen oder gekühlte und/oder erwärmte Ströme für äußere Verwendungen zu erzeugen, was zu einer kompakten Anlage führt. In dieser Anlage wird Kondensationswärme durch ein Kühlmittel aufgenommen und aus der Anlage abgeführt oder woanders in der Anlage verwendet. Auf diese Weise findet ein Massentransport in eine Richtung statt, d.h. von der warmen zu der kalten Seite. WO 95/35,153 beschreibt einen Absorber oder Desorber unter Verwendung der Membrankontaktortechnik. Beides sind Einwegprozesse, bei denen die Verbindungen durch die Membranwände diffundieren, aus der Gasphase in die Flüssigphase in dem absorbierenden Modus und aus der flüssigen in die Gasphase in dem desorbierenden Modus. In EP 457,981 ist ein mehrstufiger Pervaporationsprozess beschrieben, bei dem jede Stufe Erwärmen, Kühlen und Massentransport in eine Richtung von der wärmeren zu der kälteren Seite durch selektive Membranen umfasst.
Auf der anderen Seite wird in der Patentschrift US 3,562,116 ein Destillationsprozess beschrieben, bei dem Dampf durch dünne Schichten von Flüssigkeit geleitet wird und nur am Ende der Kolonne kondensiert wird. Hier ist es jedoch notwendig, dass der Dampf durch die Flüssigkeit durch Kondensation auf der wärmeren Seite der Flüssigkeitsschicht und durch Verdampfung auf der kälteren Seite fließt, so dass die Flüssigkeit nur in dünnen Schichten vorhanden ist, was die Fließgeschwindigkeit in der Kolonne beeinträchtigt.
Die Membrantechnik ist auch außerordentlich geeignet, azeotrope Gemische ohne den Zusatz von Chemikalien aufzuspalten. Dies kann geschehen, indem ein Gemisch mit einer Zusammensetzung nahe an der des azeotropen Gemischs außerhalb der Kolonne angereichert wird und es zurückgeführt wird oder in einer nächsten Kolonne separiert wird ( US 4,774,365 ). Auch beschrieben ist das Aufteilen des azeotropen Gemischs mit der Membrantechnologie in der Kolonne ( US 5,614,065 ). Pervaporationen oder Dampfpermeationen haben jedoch noch keinen Durchbruch erreicht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Destillationsprozess bereitzustellen, der unter anderem:

– Weniger Energie als bekannte Prozesse benötigt,
– in einem Gerät mit weniger Volumen ausgeführt werden kann,
– mehr Freiheitsgrade beim Aufbau einer Destillationseinheit gibt.

Die Erfindung umfasst, dass Fluidströme mit unterschiedlichen Konzentrationen zueinander unter Verwendung von permeablen Membrankontaktoren in nächste Nähe zueinander gebracht werden. Diese Membrankontaktoren führen den Flüssigkeitsstrom. Der Membrankontaktor hält die Flüssigkeit zurück und lässt Moleküle nur als Dampf passieren. Optional, aber nicht notwendig, kann die Membranwand in Bezug auf die Komponenten des Flüssigkeitsstroms selektiv sein.
Die vorliegende Erfindung schafft demgemäß ein Verfahren, wie in Anspruch 1 beansprucht, zum Fraktionieren eines flüssigen Gemisches mit einer niedrigsiedenden und einer hochsiedenden Komponente, wobei das flüssige Gemisch durch einen Flüssigkeitskanal eines ersten Membrankontaktors geleitet wird, wobei die Wände des Flüssigkeitskanals für Dampf durchlässig sind, wobei Dampf entlang des Flüssigkeitskanals durch einen Dampfkanal geleitet wird, wobei durch die Wände des Flüssigkeitskanals Massenaustausch zwischen dem flüssigen Gemisch und einer Dampfphase außerhalb des Flüssigkeitskanals stattfindet, so dass eine erste Dampfphase angereichert mit niedrigsiedender Komponente gebildet wird und das flüssige Gemisch mit hochsiedender Komponente angereichert wird. In der Erfindung wird ein Membrankontaktor verwendet. Der Membrankontaktor bildet (wenigstens) einen Flüssigkeitskanal, durch den die zu fraktionierende Flüssigkeit fließen kann. Dampf diffundiert aus dem Flüssigkeitskanal durch die permeable Wand. Zwischen dem Dampf außerhalb des Flüssigkeitskanals und der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitskanal tritt Massenaustausch auf. Dies ist ein dynamischer Prozess, der insgesamt zu einem Dampf mit einer höheren Konzentration der am stärksten flüchtigen (niedrigsiedenden) Komponente als das anfängliche Flüssigkeitsgemisch führt. Die verbleibende Flüssigkeit wird dadurch mit hochsiedenden Komponenten relativ angereichert.
In dieser Ausführungsform ist die Membran, die die durchlässige Wand des Flüssigkeitskanals bildet, nicht selektiv. Die Membran leitet sowohl die hochsiedende als auch die niedrigsiedende Komponente in dem gleichen Umfang. Die Verwendung von selektiven Membranen wird jedoch durch die Erfindung nicht ausgeschlossen. Im Prinzip sind herkömmliche Arten von Membranen geeignet. Die Membran kann durch Flüssigkeit benetzt werden oder nicht.
Vorzugsweise wird das Verfahren gemäß der Erfindung mit wenigstens zwei Membrankontaktoren ausgeführt. Bei diesem Verfahren wird der an niedrigsiedender Komponente angereicherte erste Dampf entlang eines zweiten Membrankontaktors geführt, der einen Flüssigkeitskanal umfasst, dessen Wände für Dampf durchlässig sind,
wird ein zweites flüssiges Gemisch mit der niedrigsiedenden und der hochsiedenden Komponente durch den Flüssigkeitskanal des zweiten Membrankontaktors geleitet,
wobei durch die Wände des Flüssigkeitskanals Massenaustausch zwischen dem zweiten flüssigen Gemisch und Dampf außerhalb des Flüssigkeitskanals stattfindet;
so dass eine zweite Dampfphase, die verglichen mit der ersten Dampfphase an niedrigsiedender Komponente angereichert ist, gebildet wird und das zweite flüssige Gemisch an hochsiedender Komponente angereichert wird.
Die Flüssigkeitskanäle der ersten und zweiten Membrankontaktoren können gekoppelt werden, und das zweite an hochsiedender Komponente angereicherte Gemisch, das den zweiten Membrankon taktor verlässt wird durch den ersten Membrankontaktor geleitet und weiter mit der hochsiedenden Komponente angereichert.
Eine Anzahl von Membrankontaktoren, deren Flüssigkeitskanäle gekoppelt sind, können kombiniert werden, zum Beispiel in einem Behälter, in dem die Fraktionierung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Fraktionieren eines Flüssigkeitsstroms mit einer niedrigsiedenden und einer hochsiedenden Komponente, wobei der Flüssigkeitsstrom durch wenigstens zwei Membrankontaktoren geleitet wird, wobei der Flüssigkeitsstrom aufeinanderfolgend durch die Membrankontaktoren fließt und bei jedem Membrankontaktor mit hochsiedender Komponente angereichert wird, und, wobei ein Dampfstrom entlang der Membrankontaktoren in einer Richtung entgegengesetzt oder quer zu der Richtung des Flüssigkeitsstrom geleitet wird, wobei dieser Dampfstrom mit niedrigsiedender Komponente aus dem Flüssigkeitsstrom angereichert wird.
Die Membrankontaktoren können in einem Behälter kombiniert werden, aber die Erfindung kann auch aus einer Anordnung von "losen" Membrankontaktoren bestehen, die miteinander gekoppelt sind.
Ein Dampfstrom, der reich an niedrigsiedender Komponente ist, und ein Flüssigkeitsstrom, der reich an hochsiedender Komponente ist, treten daher aus der Anordnung von Membrankontaktoren aus. Die Ausführung des Verfahrens in einer solchen Anordnung hat den Vorteil, dass viel Kontaktoberflächen vorhanden sind und dass eine hohe Trenneffizienz erreicht werden kann. Tatsächlich ist eine solche Ausführungsform vergleichbar mit einer klassischen Destillation in einer Glockenbodenkolonne. Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass die Flüssigkeits- und Dampfphasen durch einen Membrankontaktor physisch voneinander getrennt gehalten werden. Der austretende Dampfstrom wird kondensiert und als Produkt gewonnen. Vorzugs weise wird ein Teil des kondensierten Dampfstroms als Flüssigkeitsstrom in den letzten Membrankontaktor entgegen der Richtung des Dampfstroms zurückgeleitet. Der austretende Flüssigkeitsstrom wird als Produkt gewonnen. Ein Teil des Flüssigkeitsstroms wird wieder verdampft und als Dampfstrom zu dem letzten Membrankontaktor quer oder entgegen der Richtung des Flüssigkeitsstroms zurückgeführt.
Das Eingangsmaterial, das das zu fraktionierende Gemisch enthält, wird vorzugsweise zwischen dem Membrankontaktor am "Oberende" und dem Membrankontaktor am "Unterende" des Behälters eingeführt. Das Unterende des Behälters ist hier der Membrankontaktor, wo ein Flüssigkeitsstrom mit einer vergleichsweise niedrigeren Konzentration der niedrigsiedenden Komponente austritt. Das Oberende des Behälters wird durch den Kontaktor gebildet, bei dem der Dampfstrom mit einer vergleichsweise höheren Konzentration der niedrigsiedenden Komponente austritt, der daran anschließend kondensiert wird, wie oben beschrieben. Vorzugsweise wird das Eingangsmaterial angrenzend an einen Membrankontaktor eingespeist, wo der Flüssigkeitsstrom die gleiche Zusammensetzung wie das Eingangsmaterial hat.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung, wie in Anspruch 12 beansprucht, zum Fraktionieren eines flüssigen Gemisches mit einer niedrigsiedenden und einer hochsiedenden Komponente, wobei die Vorrichtung aufweist:
Einen Behälter, der an einem Ende mit einem Auslass für einen mit niedrigsiedender Komponente (Destillat) angereicherten Dampfstrom und einer Zufuhr für einen Flüssigkeitsstrom versehen ist und am anderen Ende mit einer Zufuhr für einen Dampfstrom und einem Auslass für einen mit hochsiedender Komponente (Rückstand) angereicherten Flüssigkeitsstrom versehen ist, wobei der Behälter weiter mit einer Zufuhr für ein zu fraktionierendes flüssiges Gemisch (Eingangsmaterial) versehen ist,
wobei der Behälter wenigstens zwei Membrankontaktoren umfasst, die einen Flüssigkeitskanal zum Transport des Flüssigkeitsstroms (L1, L2, etc.) aufweisen, wobei der Flüssigkeitskanal eines Membrankontaktors mit dem Flüssigkeitskanal eines benachbarten Membrankontaktors verbunden ist, so dass der Flüssigkeitsstrom durch die Membrankontaktoren von einem Ende des Behälters zum anderen Ende transportiert werden kann,
wobei die Wände der Membrankontaktoren durchlässig für Dampf sind und wobei der Behälter einen Dampfkanal entlang der Flüssigkeitskanäle der Membrankontaktoren zum Transport des Dampfstroms aufweist.
Der Dampfkanal zum Transport des Dampfstroms ist so gebildet, dass ein Dampfkanal entlang eines Membrankontaktors mit einem Dampfkanal entlang eines benachbarten Membrankontaktors verbunden ist, so dass der Dampfstrom entlang der Membrankontaktoren von einem Ende des Behälters zum anderen Ende transportiert werden kann, insbesondere in einer Richtung entgegengesetzt oder quer zu dem Flüssigkeitsstrom.
Der Behälter kann weiter mit einem Kondensator versehen sein, der mit dem Auslass für das Destillat verbunden ist und der mit einem Auslass für kondensiertes Destillat versehen ist, der wiederum mit der Zufuhr für Flüssigkeitsstrom verbunden ist. Es kann auch ein Wiederverdampfer vorhanden sein, der mit dem Auslass für Rückstand verbunden ist und der mit einem Auslass versehen ist, der mit der Zufuhr für Dampfstrom verbunden ist. Ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass der Kondensator und der Verdampfer außerhalb der physischen Hülle des Behälters platziert werden können. Die Einfuhr von relativ warmen Dampf und relativ kühler Flüssigkeit sorgt für einen Temperaturgradienten innerhalb des Behälters. Dies liefert als zusätzlichen Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeit und des Dampfs durch Einstellungen der Druckdifferenz unabhängig voneinander gesteuert werden können und, wenn nötig, eingestellt werden können, um ideale Bedingungen für den Massenaustausch zu erhalten.
Der Membrankontaktor bildet (wenigstens) einen Flüssigkeitskanal. Dies kann erreicht werden, indem als Membrankontaktor zwei oder mehr parallele flache Membranen verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Hohlfasermembranen oder Kapillarmembranen. Durch Kombinieren einer Anzahl von Fasern parallel zueinander, kann ein Segment von Hohlfasern, erhalten werden. Dies kann insgesamt als Membrankontaktor verwendet werden. Durch ein Segment fließt ein Flüssigkeitsstrom, der im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung in jeder Faser hat. Eine Anzahl von Segmenten von Hohlfasern kann kombiniert werden, um ein Hohlfasermodul zu bilden. Durch das gesamte Modul fließt eine Flüssigkeit mit im Wesentlichen der gleichen Zusammensetzung. Der Behälter wird durch Kombination von zwei oder mehr Segmenten oder Modulen gebildet.
Über einen Behälter hinaus kann eine geeignete Vorrichtung gemäß der Erfindung ein Aufbau einer Anzahl von Membranenkontaktoren, insbesondere in Modulen, sein. Diese Module müssen nicht in einem festen Gehäuse vorgesehen sein. Auf diese Weise werden zusätzliche Freiheiten für die Struktur der Massenströme und des Wärmeaustauschs geschaffen.
In einer speziellen Ausführungsform ist die Fließrichtung des Flüssigkeitsstroms durch einen Membrankontaktor quer zum Flüssigkeitsstrom durch einen benachbarten Membrankontaktor.
Mögliche Gestaltungen der Wände des Flüssigkeitskanals sind: Poröse Membranen mit einer dünnen Schicht aus dichtem Polymer oder Keramik darauf, die (leicht) selektiv ist und durch die Komponenten wie Dampf hindurch dringen können; eine poröse Membran, die das Flüssigkeitsgemisch dadurch festhält, dass die Membranen nicht benetzt werden, während sich die Poren mit Dampf füllen; eine poröse Wand, die den Durchgang des Flüssigkeitsgemisches erlaubt, so dass die Flüssigkeit als dünne Schicht auf dem Membrankontaktor liegt, wobei die Poren mit Flüssigkeit gefüllt sind.
Es ist bevorzugt, den Behälter so aufzubauen, dass der Dampfstrom am Flüssigkeitskanal im Gegenstrom zu dem Flüssigkeitsstrom verläuft. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zwischen den Membrankontaktoren Platten angeordnet sind, die den Dampfstrom an. den Membrankontaktoren entlang der Membrankontaktoren im Gegenstrom zu dem Flüssigkeitsstrom leiten.
In einer Ausführungsform verlaufen die Platten abwechselnd von einer oder der anderen Wand des Behälters, wodurch sie einen Durchgang für den Dampfstrom und den Flüssigkeitsstrom frei lassen. In einer anderen Ausführungsform sind die Platten wenigstens teilweise perforiert und erstrecken sich über die ganze Breite des Behälters. Es ist auch eine Kombination dieser Ausführungsformen möglich, bei der die Platten teilweise perforiert sind, um einen Durchgang für den Dampfstrom und den Flüssigkeitsstrom zu erhalten.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Membrankontaktoren nicht unbedingt übereinander angeordnet werden müssen, um eine Kolonne oder Säule wie im Fall der klassischen Destillation zu erhalten. Bei der klassischen Destillation müssen, um eine richtige Durchrieselung zu erhalten, die Rieselplatten exakt horizontal und die Kolonne exakt vertikal ausgerichtet sein. Die Membrankontaktoren können in irgendeinem Winkel angeordnet sein. Außerdem hat man die freie Wahl der Strömungsrichtung des Dampf- und Flüssigkeitsstroms.
Der Abstand zwischen Membrankontaktoren ist so klein wie möglich und wird durch die physischen Abmessungen von Abstandshaltematerialien, die Membranen und den maximal zulässigen Dampfdruckabfall über die Segmente bestimmt.
Die Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beleuchtet, in denen:
1 eine Fraktionierung über zwei Membrankontaktoren darstellt;
2a eine Draufsicht auf einen Behälter mit mehreren Membrankontaktoren darstellt;
2b eine Seitenansicht eines Behälters mit mehreren Membrankontaktoren darstellt;
3a und 3b eine seitliche und eine vordere Ansicht eines möglichen Behälteraufbaus mit Hohlfasern mit teilweisem Gegenstrom und sehr geringem Dampfdruckabfall darstellt;
4a und 4b eine seitliche und eine vordere Ansicht eines möglichen Behälteraufbaus mit Hohlfasern mit vollständigem Gegenstrom und maßvollem Dampfdruckabfall repräsentiert;
5a und 5b eine seitliche und eine vordere Ansicht eines möglichen Behälteraufbaus mit Hohlfasern mit vollständigem Gegenstrom und hohem Dampfdruckabfall repräsentiert;
7a und 7b eine seitliche und eine vordere Ansicht eines möglichen Behälteraufbaus mit perfektem Gegenstrom und maßvollem Dampfdruckabfall, aufgebaut mit Membranmodulen, darstellt;
8a und 8b eine seitliche und eine vordere Ansicht eines möglichen Behälteraufbaus mit flachen Membranen mit teilweisem Gegenstrom und sehr hohem Druckabfall darstellt;
9a und 9b eine seitliche und eine vordere Ansicht eines möglichen Behälteraufbaus mit flachen Membranen mit teilweisem Gegenstrom und maßvollem Druckabfall zeigt.
In 1 ist das Verfahren gemäß der Erfindung für zwei Membrankontaktoren 1 und 2 dargestellt. Der Flüssigkeitsstrom L₂, der eine niedrigsiedende und eine hochsiedende Komponente enthält, wird über eine Leitung 27 dem Membrankontaktor 2 zugeleitet, der aus einer Wand 24 besteht, die einen Flüssigkeitskanal 25 umgibt. Der Flüssigkeitskanal ist zum Beispiel eine Hohlfaser. Ein Flüssigkeitsstrom L₁, der im Vergleich mit L₂ in Bezug auf die hochsiedende Komponente angereichert ist, verlässt den Membrankontaktor 2 über eine Leitung 26 und wird darauf folgend zum Membrankontaktor 1 geleitet.
Der Membrankontaktor 1 besteht aus einer Wand 22, die einen Flüssigkeitskanal 23 umgibt. Ein Flüssigkeitsstrom L₀, der im Vergleich mit dem Flüssigkeitsstrom L₁ in Bezug auf die hochsiedende Komponente angereichert ist, verlässt den Membrankontaktor 1 über die Leitung 28. Durch die Wand 22 des Membrankontaktors 1 diffundiert ein Dampfstrom V₁. Dieser Dampfstrom ist im Vergleich mit dem Flüssigkeitsstrom L₁ in Bezug auf die niedrigsiedende Komponente angereichert. Der Dampfstrom V₁ fließt in die Richtung des Membrankontaktors 2. Aus dem Dampfstrom V₁ kondensiert ein Flüssigkeitsstrom L_a in dem Flüssigkeitsstrom L₂. L_a ist im Vergleich mit V₁ in Bezug auf die hochsiedende Komponente angereichert. Aus dem Membrankontaktor 2 diffundiert durch die Wand 24 ein Dampfstrom V. Dieser Dampfstrom V₂ ist im Vergleich mit dem Dampfstrom V₁ in Bezug auf die niedrigsiedende Komponente angereichert.
2a und 2b stellen einen Behälter dar, der mehrere Membrankontaktoren enthält. 2a zeigt eine Ansicht von oben, während 2b eine seitliche Ansicht zeigt. 2a zeigt einen Behälter 30, in dem zur Illustration vier Membrankontaktoren 1, 2, 3 und 4 enthalten sind. Die Membrankontaktoren können aus Hohlfasern bestehen, können aber auch aus flachen Membranen gebildet sein.
In 2a wird dem Behälter über eine Leitung 31 Eingangsmaterial angrenzend an den Membrankontaktor 2 zugeführt. Aus dem Behälter tritt ein Flüssigkeitsstrom 32 aus, der in einen Bodenstrom 33 (Bodenprodukt oder Rückstand) und einen Rückführstrom 34 aufgeteilt wird. über den Verdampfer 43 wird der Rückführstrom erwärmt, bevor er dem Behälter zugeführt wird.
Auf der anderen Seite des Behälters ist ein Dampfstrom 35 vorhanden. Dieser wird einem Kondensator 44 zugeführt, wonach ein Destillatstrom 36 (oberes Produkt) erhalten wird. Ein Teil des Destillatstroms 37 wird so dem Behälter an dem Membrankontaktor 4 wieder zugeführt. Dieser Flüssigkeitsstrom L₄ fließt durch den Membrankontaktor 4, wo er in Bezug auf die hochsiedende Komponente angereichert wird. Ein angereicherter Flüssigkeitsstrom L₃ wird über eine Leitung 38 zu dem Membrankontaktor 3 weitergeleitet, aus dem ein Flüssigkeitsstrom L2 austritt, der über eine Leitung 39 mit dem Eingangsmaterial 31 zusammengeführt und dem Membrankontaktor 2 zugeleitet wird, aus dem ein Flüssigkeitsstrom L₁ austritt, der über eine Leitung 40 zu dem Membrankontaktor 1 geleitet wird, aus dem schließlich der Flüssigkeitsstrom 32 austritt. Aus dem vorher Gesagten folgt, dass der Flüssigkeitsstrom von oben nach unten zunehmend weiter in Bezug auf die hochsiedende Komponente angereichert wird.
Zusätzlich zu dem Flüssigkeitsstrom fließt auch ein Dampfstrom durch den Behälter. An jedem Membrankontaktor wird dieser Strom weiter in Bezug auf die niedrigsiedende Komponente angereichert (V₁, V₂, V₃, V₄). Schließlich wird der Dampfstrom 35 erhalten.
In 2b ist eine Seitenansicht eines Behälters 30 dargestellt, der dem in 2a gezeigten vergleichbar ist. Ein Membrankontaktor besteht aus einem Segment 41 von Hohlfasern 42. Im ganzen sind vier Membrankontaktoren (1, 2, 3, 4) dargestellt. Ferner sind in diesen Figuren die Ströme in und aus dem Behälter mit den gleichen Bezugszeichen wie in 2a dargestellt. Mithin ist 31 das Eingangsmaterial, 32 das untere Produkt, 34 der Rückführstrom von dem Verdampfer 43, 35 der aus dem Behälter austretende Dampfstrom, 37 ein Teil des kondensierten Dampfstroms, der in den Behälter zurückgeführt wird, nachdem er in dem Kondensator 44 kondensiert ist. Das obere Produkt 36 und das untere Produkt 33 sind auch dargestellt. Mit dem großen Pfeil ist die Gesamtflüssigkeitsströmung durch die Fasern dargestellt.
In 3 bis 9 sind mögliche Aufbauten des Behälters und der darin vorhandenen Membrankontaktoren dargestellt. Alle Figuren geben sowohl eine vordere als auch eine seitliche Ansicht (a und b). In 3a und 3b sind eine Anzahl von Segmenten 56 aus Hohlfasermembranen 55 dargestellt, die in einem Behälter 57 angeordnet sind. Der Flüssigkeitsstrom 52 tritt in das obere Segment ein und fließt über die jeweiligen Membransegmente durch den Behälter. Die Hohlfasermembranen jedes Segments sind mit dem nächsten Segment über Verbindungen 53, 54 verbunden. Ein Dampfstrom 51 fließt von dem unteren Segment durch den Behälter, insgesamt im Gegenstrom zu der Flüssigkeit, aber lokal, angrenzend an die Hohlfasermembranen im Querstrom.
Um den Kontakt zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem Dampfstrom zu ändern und den Druckabfall einzustellen, sind andere Kolonnenkonstruktionen möglich, wie in 4a/b, 5a/b und 6a/b dargestellt. In 4a und 4b sind abwechselnd auf der einen und der anderen Wand des Behälters Platten 58, 60 angeordnet. Diese Platten lassen Freiräume 59, 61 für den Durchfluss von Dampf und die Verbindungen 53, 54 zwischen den Hohlfasermembranen frei.
In 5a und 5b lassen die Platten 58, 60 keine Freiräume, sind aber bei 62, 63 im Bereich der Verbindungen 53, 54 zwischen den Hohlfasermembranen perforiert. In 6a und 6b erstrecken sich die Platten 64 über die ganze Breite und sind über die ganze Breite perforiert.
7a und 7b zeigen ein Beispiel eines Behälters, in dem die Membrankontaktoren in Form von Hohlfasermodulen 65 vorliegen. Durch ein Modul, das aus verschiedenen Segmenten 56 aus Hohlfasern 55 besteht, schließt ein Flüssigkeitsstrom etwa gleicher Zusammensetzung durch jede Hohlfaser. Zwischen den Modulen sind abwechselnd auf der einen und der anderen Wand des Behälters 57 Platten 66, 67 angeordnet, die für eine Führung des Dampfstroms sorgen.
8 und 9 stellen zwei Beispiele von Behältern dar, in denen die Membrankontaktoren aus Flachmembranen bestehen. In 8a und 8b ist ein Behälter 80 gezeigt. In dem Behälter sind Membrankontaktoren 81 angeordnet, die aus einer flachen Membran 82 und einer flachen Membran 83 gebildet sind, die einen Flüssigkeitskanal 84 bilden. Durch den Flüssigkeitskanal 84 zwischen den beiden Flachmembranen 82 und 83 fließt ein Flüssigkeitsstrom 85. Die verschiedenen so gebildeten Membrankontaktoren sind über Leitungen 86 und 87 verbunden. Eine Dampfstrom 88 fließt im Gegenstrom zu dem Flüssigkeitsgesamtstrom durch den Behälter und entlang der Membranen.
In 9a und 9b sind die Membrankontaktoren 91 und 92 so gestaltet, dass sie abwechselnd auf der einen und der anderen Seite Freiräume 93, 94 lassen, durch die der Gasstrom nahe an den Membrankontaktoren im Gegenstrom zu dem Flüssigkeitsstrom vorbeifließt.

In der unten angegebenen Tabelle sind jeweils die Kerndaten für die Destillation mit Bodenkolonne, für strukturierte Füllungen und für Membranbehälter aufgeführt.

	Bodenkolonnen Destillation	Destillation mit strukturierter Packung	Leistungsfähigkeit von bMemranbehältern
k [m/s]	1,5 10^–1	(2–4) × 10^–2	10^–3–10^–4
a [m²/m³]	30–100	50–500	500–1300
HTE/HETP [cm]	40–60	30–50	5–30
Kolonneninhalte [Hfl/m²]	–	20–40	> 20–40
Druckabfall [mbar/Platte]	2–5	0,1–0,5	0,2

Die erwähnten Parameter haben die im Stand der Technik übliche Bedeutung, nämlich:

k: Massenübergangskoeffizient
a: Spezifisches Oberflächengebiet
HTE: Höhe der Transfereinheit
HETP: Höhenäquivalent einer theoretischen Platte

Beispiele
Beispiel 1
Berechnung von HETP für die Fraktionierung des Gemisches Benzol/Toluol – vernachlässigbarer Membranwiderstand.
Auf der Grundlage von Daumenregeln in Bezug auf Destillation, bekannten physikalischen Eigenschaften, bekannten Massenübergangskoeffizienten von Membrankontaktoren in vergleichbaren Systemen und geeigneten Sherwood-Gleichungen wurde eine Abschätzung des Höhenäquivalents einer theoretischen Platte (HETP) für das Modellgemisch Toluol/Benzol in einer atmosphärischen Kolonne durchgeführt. In diesem Gemisch ist Benzol leichter flüchtig als Toluol, so dass die verdampfte Flüssigkeit in Bezug auf Benzin angereichert wird, während der kondensierende Dampf in Bezug auf Toluol angereichert wird. Das Gemisch bildet kein azeotropes Gemisch bilden. Die folgenden Annahmen wurden gemacht:
Mittlere physikalische Eigenschaften Dichte (p) und Viskosität (η) der Flüssigkeit (L) und des Gases (G):

ρ_L = 800 kg/m³
ρ_G = 2,8 kg/m³
η_L = 2,8 × 10^–4 Ns/m²
η_G = 10^–5 Ns/m²

Geschätzte Diffusionskoeffizienten (D):

Flüssigkeit: D_L = 5 10^–9 m²/s
Dampf: D_G = 10^–5 m²/s

Verteilungskoeffizient (m)
Hohlfaserabmessungen

Außendurchmesser: d_ext = 1 mm,
Wanddicke: δ = 0 mm
Länge: L = 200 mm

Oberflächengasgeschwindigkeit: V_G = 0,5 m/s

Berechnung des Gesamtgastransferkoeffizienten k_OG:

k_OG = 10^–2 m/s

HETP ist daher etwa 5 cm.

Pro HETP ist der Dampfdruckabfall 0,2 mbar und der Flüssigkeitsdruckabfall ist 35 mbar.
Beispiel 2
Berechnung von HETP für die Fraktionierung des Gemisches Benzol/Toluol – einschließlich Membranwiderstand einer Membran mit Deckschicht.
Annahmen wie in Beispiel 1. Zusätzlich ist eine Deckschicht auf einer porösen Trägerschicht mit den folgenden Eigenschaften vorhanden:
Membranwanddicke: 100 μm
Deckschichtgeldicke: 100 nm
Diffusionskoeffizient in der Trägerschicht: 10^–5 m/s
Diffusionskoeffizient in der Gelschicht: 10^–9 m/s
Der Zweck der Gelschicht besteht darin, das Eindringen von Flüssigkeit in den porösen Bereich der Membran zu verhindern, ohne den Massentransfer zu behindern, mithin ohne Selektivität.
Die Durchführung der gleichen Berechnungen in einem Reihenmodell hinzugefügten Widerstand mit den oben angegebenen Daten führt zu einem HETP von 10 cm.
Die Hauptvorteile dieses Verfahrens gegenüber der klassischen Destillation sind:

– Es wird Energie dadurch eingespart, dass in den Kontaktzonen eine sehr viel größere Kontaktoberfläche pro Volumen aufgebaut werden kann, so dass die Fraktionierung bei einer niedrigeren Temperatur möglich ist. Es kann Energie aus einer Energiequelle niedrigerer Güte oder Klasse verwendet werden.
– Es wird dadurch Volumen eingespart, dass in den Kontaktzonen eine sehr viel größere Kontaktoberfläche pro Volumen aufgebaut werden kann, so dass eine kleinere Anlage die gleiche Trennung erreicht.
– Dampf und Flüssigkeit können in horizontalem Gegenstrom durch die Kontaktzonen geleitet werden.
– Die Kontaktzonen können modular aufgebaut werden.
– Durch den modularen Aufbau und die geringe Gesamthöhe kann die Trennanlage leicht vergrößert werden und ist leicht zu warten.
– Durch den modularen Aufbau und die niedrige Gesamthöhe können Energieeinsparungen durch die Verwendung von Wärmepumpen (zwischen Destillations- und Abscheideabschnitt) leicht realisiert werden.
– Kein bevorzugter Flüssigkeitsfluss. Daher werden keine Verteiler und Neuverteiler benötigt.
– Die zulässige Dampfgeschwindigkeit durch das Abfließen von nach unten fließender Flüssigkeit begrenzt.
– Keine Mitnahme von kleinen Tröpfchen durch den Dampf. Daher werden keine Nebelkollektoren benötigt.
m Optional erhöhte Selektivität durch Verwendung von spezifischen Membranen.
– Der Flüssigkeitsdruck kann unabhängig von Dampfdruck festgesetzt werden.

Die nachfolgenden Patentansprüche definieren die Erfindung. Das Auftreten von Bezugszeichen in Klammern in diesen Ansprüchen soll nicht im Sinne einer irgendwie gearteten Einschränkung der Patentansprüche ausgelegt werden.

Claims

Verfahren zum Fraktionieren eines flüssigen Gemischs mit einer nierigsiedenden und einer hochsiedenden Komponente, wobei das flüssige Gemisch (L1) durch einen Flüssigkeitskanal (23) eines ersten Membrankontaktors (1) geleitet wird, wobei die Wände (22) des Flüssigkeitskanals für Dampf (V1) durchlässig sind; wobei Dampf entlang des Flüssigkeitskanals durch einen Dampfkanal geleitet wird; wobei durch die Wände des Flüssigkeitskanals Massenaustausch zwischen dem flüssigen Gemisch und einer Dampfphase außerhalb des Flüssigkeitskanals stattfindet, wodurch die niedrigsiedende Komponente von der Flüssigkeit zu dem Dampfkanal und die hochsiedende Komponente aus der Dampfphase zu dem Flüssigkeitskanal übergeleitet wird; so dass eine erste Dampfphase mit niedrigsiedender Komponente angereichert wird und das flüssige Gemisch mit hochsiedender Komponente angereichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mit niedrigsiedender Komponente angereicherte erste Dampfphase (V1) entlang eines zweiten Membrankontaktors (2) geleitet wird, der einen Flüssigkeitskanal (25) aufweist, dessen Wände (24) für Dampf durchlässig sind; ein zweites flüssiges Gemisch (L2) mit der niedrigsiedenden und der hochsiedenden Komponente durch den Flüssigkeitskanal des zweiten Membrankontaktors geleitet wird; wobei durch die Wände des Flüssigkeitskanals Massenaustausch zwischen dem zweiten flüssigen Gemisch und Dampf außerhalb des Flüssigkeitskanals stattfindet; so dass eine zweite Dampfphase (V2), die verglichen mit der ersten Dampfphase (V1) an niedrigsiedender Komponente angereichert ist, gebildet wird und das zweite flüssige Gemisch (25) an hochsiedender Komponente angereichert wird.
Verfahren zum Fraktionieren eines flüssigen Gemischs nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Dampfkanal so gebildet ist, dass ein Dampfkanal entlang des ersten Membrankontaktors mit einem Dampfkanal entlang eines benachbarten Membrankontaktors verbunden ist, so dass der Dampfstrom entlang der Membrankontaktoren transportiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das zweite flüssige Gemisch (L2), das mit hochsiedender Komponente angereichert ist, durch den ersten Membrankontaktor (1) geleitet wird und weiter mit der hochsiedenden Komponente angereichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Fraktionieren eines Flüssigkeitsstroms mit einer niedrigsiedenden und einer hochsiedenden Komponente, wobei der Flüssigkeitsstrom durch wenigstens zwei Membrankontaktoren (1, 2, etc.) geleitet wird, der Flüssigkeitsstrom aufeinanderfolgend durch die Membrankontaktoren fließt und bei jedem Membrankontaktor mit hochsiedender Komponente angereichert wird, und ein Dampfstrom entlang der Membrankontaktoren in entgegengesetzter Richtung zu der Richtung des Flüssigkeitsstroms geleitet wird, wobei der Dampfstrom mit niedrigsiedender Komponente aus dem Flüssigkeitsstrom angereichert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Dampfstrom, der alle Membrankontaktoren passiert hat, kondensiert wird und teilweise als Flüssigkeitsstrom zu dem letzten Membrankontaktor entgegen der Richtung des Dampfstroms zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Flüssigkeitsstrom, der durch alle Membrankontaktoren geflossen ist, teilweise verdampft wird und als Dampfstrom zu dem letzten Membrankontaktor entgegengesetzt zu der Richtung des Flüssigkeitsstroms zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei eine Einspeisung (31), die ein zu fraktionierendes flüssiges Gemisch aufweist, einem der Membrankontaktoren zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Einspeisung angrenzend an einen Membrankontaktor zugeführt wird, wo der Flüssigkeitsstrom die gleiche Zusammensetzung wie die Einspeisung hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dampfstrom benachbart dem Flüssigkeitskanal entlang des Flüssigkeitskanals entgegengesetzt gerichtet zu dem Flüssigkeitsstrom fließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fließrichtung des Flüssigkeitsstroms durch einen Membrankontaktor quer in Bezug auf den Flüssigkeitsstrom durch einen benachbarten Membrankontaktor ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung aufweist: Einen Behälter (30), der an einem Ende mit einem Auslass für einen mit niedrigsiedender Komponente (Destillat) (35) angereicherten Dampfstrom und eine Zufuhr für einen Flüssigkeitsstrom (37) versehen ist und am anderen Ende mit einer Zufuhr für einen Dampfstrom (34) und einem Auslass für einen mit hochsiedender Komponente (Rückstrand) (32) angereicherten Flüssigkeitsstrom versehen ist, wobei der Behälter weiter mit einer Zufuhr für ein zu fraktionierendes flüssiges Gemisch (Einspeisung) (31) versehen ist, wobei der Behälter wenigstens zwei Membrankontaktoren (1, 2, etc.) umfasst, die einen Flüssigkeitskanal zum Transport des Flüssigkeitsstroms (L1, L2, etc.) aufweisen, wobei der Flüssigkeitskanal eines Membrankontaktors verbunden ist (38, 39, etc.) mit dem Flüssigkeitskanal eines benachbarten Membrankontaktors, so dass der Flüssigkeitsstrom durch die Membrankontaktoren von einem Ende des Behälters zum anderen Ende transportiert werden kann, wobei die Membran der Membrankontaktoren die hochsiedende und die niedrigsiedende Komponente in gleichem Umfang passieren lässt; wobei die Wände (22, 24) der Membrankontaktoren durchlässig für Dampf sind und wobei der Behälter einen Dampfkanal entlang der Flüssigkeitskanäle der Membrankontaktoren zum Transport des Dampfstroms (51) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Membrankontaktoren durch Segmente (41) aus im Wesentlichen parallelen hohlen Membranfasern (42) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Membrankontaktoren durch wenigstens zwei flache Membranen (82, 83) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Behälter weiter einen mit dem Auslass für das Destillat (35) verbundenen Kondensator (44) aufweist, der mit einem Auslass für kondensiertes Destillat versehen ist, der mit der Zufuhr für Flüssigkeitsstrom (37) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Behälter weiter mit einem Wiederverdampfer (43) versehen ist, der mit dem Auslass für Rückstand (32) verbunden ist und der mit einem Auslass versehen ist, der mit der Zufuhr für Dampfstrom (34) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei zwischen den Membrankontaktoren Platten (58) angeordnet sind, die den Dampfstrom angrenzend an den Membrankontaktor entlang des Membrankontaktors entgegengesetzt zu dem Flüssigkeitsstrom leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Platten abwechselnd von einer und der anderen Wand des Behälters (66, 67) ausgehen, wodurch sie einen freien Durchgang für Dampfstrom und Flüssigkeitsstrom lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Platten wenigstens teilweise mit Löchern versehen sind und sich über die ganze Breite des Behälters erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Platten teilweise mit Löchern versehen sind, um einen Durchlass für Dampfstrom und Flüssigkeitsstrom zu erhalten.