DE69302651T2

DE69302651T2 - Gehäuse für Permeationstrennvorrichtung

Info

Publication number: DE69302651T2
Application number: DE69302651T
Authority: DE
Inventors: James Baird Walker
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1992-10-08
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2013-10-09
Also published as: JPH06190248A; DE69302651D1; US5282966A; EP0591982B1; EP0591982A1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um Membranen aus gebündelten Hohifasern in Kontakt mit einem Fluidgemisch zu bringen, um die Komponenten des Gemischs zu trennen, indem die permeableren Komponenten durch die Membranen geleitet werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Membranen zum Trennen von Gemischen und Lösungen von Gas und Gas, Flüssigkeit und Flüssigkeit sowie von Flüssigkeit und Feststoff können heute allgemein in der Industrie in verschiedenen Verfahren angewandt werden, zu denen auch die Ultrafiltration, die Umkehrosmose und die Dialyse gehören. Im allgemeinen sind die an diesen Verfahren beteiligten Membranelemente in Gefäßen untergebracht, die Permeationsbehälter genannt werden und im allgemeinen aus einem Behälter oder Gehäuse mit verschiedenen Einlaß- und Auslaßöffnungen und einer Anordnung von Membranen in dem Behälter bestehen. Die inneren Konfigurationen sind so angeordnet, daß ein Zuführstrom mit oder ohne Druck an der oberhalb gelegenen Seite der Membranen eingeleitet werden kann und Einrichtungen zum Sammeln des Permeats, das durch die Membranen strömt und an deren unterhalb gelegenen Seiten austritt, und Einrichtungen vorhanden sind, die verhindern, daß sich das zugeführte und das permeierende Material vermischen.
Die vorliegende Erfindung betrifft Hohlfasern, die in bausteinartiger Form zusammengefügt sind, um die gewünschte Trennung herbeizuführen. Aus Hohlfasern bestehende permselektive Trennvorrichtungen eignen sich insbesondere zum Trennen der Komponenten von gasförmigen Gemischen. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Permeatoren, in denen die sogenannte Hüllenseite etwa einen atmosphärischen Druck aufweist.
Vorrichtungen aus Hohlfasermembranen werden eingesetzt zum selektiven Trennen von mindestens einer fluiden Komponente aus einem Gemisch von Fluids oder aus einer Lösung. Solche Vorrichtungen umfassen im allgemeinen eine Vielzahl von Hohlfasermembranen, wobei die Membranen selektiv für mindestens eine Komponente des Fluidgemischs permeabel sind. Die Hohlfasermembranen sind im Innern einer Hülle, eines Gehäuses oder eines Behälters angeordnet. Das Gehäuse hat mindestens einen Einlaß, um ein zugeführtes Fluid in Kontakt mit einer Fläche der Hohlfasermembranen zu bringen. Es ist eine Einrichtung erwünscht, um die gleichmäßige Verteilung des zugeführten Fluids zu fördern. Es sind auch mindestens ein Auslaß zum Abführen von Fluid, das nicht durch die Membran permeiert, und mindestens ein Auslaß für Fluid erforderlich, das durch die Membran permeiert. Die Hohlfasern sind in mindestens einen Rohrboden eingebettet. Die Bohrungen in den Fasern kommunizieren entweder mit dem Auslaß für das Permeat oder mit dem Einlaß für das Fluid. Der Rohrboden wirkt abdichtend mit der Innenseite des Gehäuses zusammen. Der Behälter dient dazu, den Druck von einem der Fluidströme zu unterstützen und die Fluidströme zu isolieren. Der Behälter und die zugehörigen Armaturen tragen ebenfalls dazu bei, die Position der Trennvorrichtung beim Betrieb aufrechtzuerhalten. Es können mehrere Trennvorrichtungen hintereinander oder parallel ausgerichtet gruppiert oder verbunden werden.
Das Material der Membranen und dessen angewandte Form können jedes geeignete Material sein, das die gewünschte Trennung herbeiführen kann. Zum Beispiel finden Cellulosederivate, Polyamide, Polyimide, Polysulfone und Polystyrole oder Mischungen derselben Anwendung. Hohlfasermembranen können auch aus Verbund-, asymmetrischer oder dichter Folie bestehen.
Die Vielzahl von Membranmaterialien zum Ausführen verschiedener Trennungen ist sehr groß, die Einsatzmöglichkeit vieler Membranen beschränkt sich jedoch auf schmale Bereiche. Zum Beispiel kann eine Membran zum Trennen von Gasgemischen aus Sauerstoff und Stickstoff geeignet sein, kann jedoch ungeeignet sein zum Trennen von Gasgemischen aus Kohlendioxid und Stickstoff. Ebenso kann sich eine Membran zum Entsalzen von Brackwasser eignen, braucht sich jedoch nicht zum Entsalzen von Meereswasser zu eignen. Die Konzentrationen der Komponenten in dem zu trennenden Fluid und die gewünschten Strömungsmengen sind ebenfalls Faktoren, die zu berücksichtigen sind.
Auf Grund des beschränkten Membranen ist zu wün schen, daß es eine Trennvorrichtung gibt, bei der das Membranbündel ohne weiteres ausgewechselt oder ersetzt werden kann.
Es ist auch bekannt, daß sich die Funktionseigenschaften der meisten Membranen mit der Zeit verschlechtern. Die Verschlechterung von Funktionseigenschaften kann sich durch den Abau des Membranmaterials, Schäden an den Membranen oder Verschmutzung einstellen. Die Verschmutzung der Membranen ist ein Problem, das sofortiger Abhilfe bedarf, und wofür oft die Trennvorrichtung ersetzt werden muß.
Das Problem der Membranenverschmutzung infolge des Rückhaltens von suspendierten Teilchen ist besonders markant in herkömmlichen Trennvorrichtungen. Die zugeführten Ströme enthalten unvermeidlicherweise unterschiedlich viele suspendierte disperse Stoffe oder biologische Substanzen. Es wird zwar allgemein sehr streng darauf geachtet, daß der zugeführte Strom vorgefiltert wird oder die suspendierten Teilchen und biologischen Stoffe auf andere Weise beseitigt werden, bevor die Strömung zu den Permeationseinrichtungen geführt wird, jedoch werden die herkömmlichen Trennvorrichtungen mit Hohlfasern schließlich zu Sammelbecken für eine Menge dieses Materials. Bündel, insbesondere dicht gepackte Hohlfaserbündel, lassen abgeschlossene Abschnitte entstehen und büßen wirksame Membranbereiche ein.
Ein weiteres Problem beim Betreiben von Trennvorrichtungen mit Hohlfasermembranen entsteht durch mangelnde Regulierung des Stroms des Permeats und/oder Treibfluids auf der Hülsenseite der Trennvorrichtung zwecks Verbesserung der Leistung der Vorrichtung.
Permeationsmembranen brechen oder platzen bekanntlich auch, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen und -drücken. Gase werden am wirksamsten getrennt bei hohen Drücken, da die Permeationsgeschwindigkeiten von Gasen durch polymere Membranen hindurch im allgemeinen proportional den Differenzen der Gasdrücke auf den beiden Seiten der Membranen sind und diese Trennungen bei höheren Temperaturen noch rascher erfolgen. Werden solche Trennvorrichtungen industriemäßig eingesetzt, ist es deshalb wichtig, daß sie bei den höchsten praktischen Drücken und Temperaturen betrieben werden. Das Brechen von Membranen ist ein besonderes Problem in den Bereichen nahe an dem Rohrboden, insbesondere bei hohen Betriebsdrücken. Schon eine geringe Menge von nicht mehr als 0,1 % gebrochenen Fasern kann sich sehr nachteilig auf die Fluidtrennungseigenschaften der Trennvorrichtung auswirken.
Werden permeationsvorrichtungen bei hohen Temperaturen (oft von 80 ºC) betrieben, muß um den Permeator herum eine Isolierung erfolgen. Die Permeatoren sind in herkömmlicher Weise mit einem Isolierungsmaterial umhüllt, zum Beispiel mit Glasfasern, Schaumstoff, Matten oder dergleichen. Wahlweise kann die Trennvorrichtung in einem Behälter untergebracht werden, der ein Isolierungsmaterial enthält oder mit einem Isolierungsmaterial umschlossen ist. In jedem Falle muß die Trennvorrichtung mit einem Isolator versehen werden, um den Wärmeverlust zu vermindern und einen Betrieb im Gleichgewichtszustand zu halten.
Zum Transport müssen die Membranbündel mit Sorgfalt verpackt werden. Das Bündel wird typischerweise in eine "Blasenfolie", in Pappe, Schaumstoff oder anderes Material eingehüllt, um die Membranen zu schützen. Dann kann das eingehüllte Bündel in einen Pappbehälter, gewöhnlich einen zylindrischen Behälter, gebracht werden. Dann kann einer oder können mehrere Pappbehälter zum Transport in eine Holzkiste gesetzt werden. Das Verpackungsmaterial ist oft teuer und sperrig. Außerdem werden die Membranen beim Verpacken und beim Transport übermäßig stark in Anspruch genommen, was oft zu Schaden oder Verzerrung an den zerbrechlichen Membranen führt und schließlich die Leistungsfähigkeit der Trennvorrichtungen mindert. Weiterhin müssen die Bündel schließlich ausgepackt, ausgewickelt und vor dem Betreiben in das Gehäuse der Trennvorrichtung eingesetzt werden. Dabei können die Membranen durch die Einwirkung der Umwelt beschädigt werden.
Wahlweise können Membranbündel auch in Behältern aus Stahl oder Glasfasern, d.h. in dem beim Betreiben benutzten Hüllen, transportiert werden. Die Behälter, gewöhnlich zylindrische Hüllen, können auf einer Palette aus Holz festgespannt werden. Bequemer ist es, die Bündel direkt in die Druckbehälter zu packen und diese damit weniger zu beanspruchen, dies führt jedoch zu sperrigen, schweren Ladungen, die schließlich die Transportkosten erhöhen.
Trennvorrichtungen nach dem Stande der Technik gibt es sehr viele. In dem USA-Patent Nr. 3,339,341 wird zum Beispiel eine Standardvorrichtung zum Trennen der Komponenten eines Fluidgemischs durch selektive Permeierung der Komponenten durch die Wände von Hohlfasermembranen hindurch offenbart. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Bündel geeeigneter Hohlfasermembranen, die in Längsrichtung umgeben sind von mindestens einem langgestreckten flexiblen, porösen Hülsenelement, einem Gußharzrohrboden an jedem Ende des Bündels, wobei die Hohlfasermembranen in den Rohrboden eingebettet sind und sich durch diesen erstrecken, einer Hülle, das das Bündel umgibt und an jedem Ende an diesem versiegelt ist, einer Einrichtung zum Einleiten eines Fluidgemischs ins Innere der Hohlfasermembranen an einem Ende des Bündels (d.h. am Zuführende auf der Faserseite oder Bohrungsseite), einer Einrichtung zum Abziehen des Teils des Fluidgemischs, das nicht durch die Wände der Hohlfaser permeiert, aus dem Innern der Hohlfasermembranen am anderen Ende des Bündels (d.h. am Rückgewinnungsende auf der Faserseite oder Bohrungsseite), und einer Einrichtung zum Abziehen des Teils des Fluidgemischs, das durch die Wände der Hohlfaser permeiert, aus der Hülle (d.h. am Rückgewinnungsende auf der Hüllen- seite). Ähnliche Trennvorrichtungen werden offenbart in den USA- Patenten mit den Nummern 3,228,876; 3,228,877; 3,422,008; 3,455,460; 3,475,331; 3,526,001 und 3,536,611.
Mit diesen Trennvorrichtungen nach dem Stande der Technik wird jedoch kein Permeator geschaffen, der sich zwecks Reparatur, Reinigung oder Auswechselung des Bündels von Trennmembranen ohne weiteres öffnen und wieder schließen läßt. Darüber hinaus wird mit den Trennvorrichtungen nach dem Stande der Technik keine Vorrichtung zum bequemen, kostengünstigen und leichten Transport von Membranbündeln geschaffen, die gleichzeitig als ein wiederverschließbares Gehäuse oder als Hülle für die Membranen dienen kann. Des weiteren wird mit den Trennvorrichtungen nach dem Stande der Technik auch keine Vorrichtung geschaffen, in der das Gehäuse aus einem Isolierungsmaterial gefertigt ist und trotzdem die Vorteile von Vorrichtungen nach dem Stande der Technik beibehält. Auch lassen Trenneinrichtungen nach dem Stande der Technik nicht ohne weiteres Modifikationen an Größe und Konfiguration des ringförmigen Raums um die Bündel herum zu, damit der Strom des Permeats und/oder des Treibfluids auf der Gehäuseseite der Vorrichtung reguliert werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Gehäuse für Trennvorrichtungen, das eine Vielzahl von Funktionen erfüllt. Das Gehäuse kann als Versandpackung zum Transport von Bündeln aus Trennmembranen dienen. Das Gehäuse kann leicht einem Zweck als Hülle oder Behälter für die Trennvorrichtung adaptiert werden. Ein solches Gehäuse läßt sich zum Zwecke der Reparatur, Reinigung oder Auswechselung der Trennmembranen oder der Änderung der Größe und der Konfiguration des ringförmigen Raums leicht öffnen und dann wieder verschließen, und kann auch aus einem Isolierungsmaterial, wie zum Beispiel aus Schaumpolystyrol für Permeationen bei hoher Temperatur, gefertigt werden.
Die Trennvorrichtung umfaßt:
1. ein oder mehrere Membranbündel, die an jedem Ende in einen Rohrboden eingebettet sind und sich durch diese hindurch erstrekken; und
2. ein Gehäuse, das das Bündel oder die Bündel umgibt und einen ringförmigen Raum für Fluid um das Bündel oder die Bündel herum schafft und an diesen fluiddicht an jedem Ende des Bündels abgedichtet ist, das einen Rohrboden aufweist, wobei das Gehäuse aus zwei Teilen besteht und wiederverschließbar um das Bündel oder die Bündel herum befestigt ist.
Die Vorrichtung kann auch umfassen:
3. Einrichtungen zum Einbringen eines Fluidgemisches in die Vorrichtung, so daß ein permeierender Teil entsteht, der durch die Membranen hindurchdringt, und ein nichtpermeierender Teil, der nicht durch die Membranen hindurchdringt;
4. Einrichtungen zum Beseitigen des nichtpermeierenden Teils des Fluidgemisches aus der Vorrichtung; und
5. Einrichtungen zum Beseitigen des permeierenden Teils des Fluidgemisches aus der Vorrichtung, und
6. einen unzylindrischen oder ungleichmäßigen ringförmigen Raum, der die Bündel umgibt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Figur 1 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Trennvortung mit der (dem) wiederverschließbaren Packung (Gehäuse).
Figur 2 ist ein Querschnitt durch ein Ende der Trennvorrichtung.
Figur 3 ist ein Querschnitt durch ein Ende einer alternativen Ausführungsform der Trennvorrichtung, der eine Abstandsscheibe zeigt, um einen ungleichmäßigen ringförmigen Raum um das Bündel von Membranen herum zu schaffen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der Einfachheit halber wird die Packung (der Behälter) für die Trennvorrichtung hierin und in den Ansprüchen als "Gehäuse" bezeichnet, wobei das Gehäuse jedoch die zahlreichen Funktionen erfüllt, eine feste, leichte, billige, thermisch isolierende Hülle oder einen ebensolchen Behälter für die Trennvorrichtung zu schaffen und gleichzeitig eine leichte, billige Schutzverpackung für das Bündel von Trennmembranen zu schaffen.
Die Erfindung ist nicht auf eine spezielle Konfiguration einer Trennvorrichtung mit Hohlfasermembranen beschränkt. Die oben beschriebene Standard-Konfiguration wird jedoch bevorzugt. Das zugeführte und zu trennende Fluid strömt aus dem Faserbündel heraus nach außen zur Außenseite der Fasern. Die Hüllenseite des Permeats arbeitet vorzugsweise mit oder fast mit atmosphärischem Druck. Ein Fachmann auf dem Membransektor würde erkennen, daß weitere Konfigurationen für den Permeator ausführbar wären. Zum Beispiel können Hohlfasern so angeordnet werden, daß beide Enden der Faser durch einen einzelnen Rohrboden ragen, oder es kann ein einzelner mittiger Rohrboden benutzt werden. Auch kann das Membranbündel einen nichtkreisförmigen Querschnitt mit ungleichmäßiger Packdichte der Membranen aufweisen.
Es sei angemerkt, daß eine Anzahl von Trennvorrichtungen parallel oder hintereinander gruppiert oder verbunden werden kann, um die Kapazität zu erhöhen und/oder die Trennung zu verbessern. Außerdem kann jeder Permeator mehr als nur ein Bündel von Trennmembranen aufnehmen. Der Fachmann kann die Erläuterungen hierin leicht auf solche Konfigurationen abstimmen.
Figur 1 stellt eine Trennvorrichtung mit Hohlfasermembranen dar. Das zu trennende Fluidgemisch wird in den Einlaß 1 eingeleitet und dann über eine Fluidzuführ- und Verteilungseinrichtung (nicht dargestellt) verteilt. Die Zuführ- und Verteilungseinrichtung erstreckt sich durch einen ersten Rohrboden und endet in einem zweiten Rohrboden. Eine Vielzahl von Hohlfasermembranen, d.h. ein Bündel 6, ist im allgemeinen parallel zu der und vorzugsweise konzentrisch um die Zuführ- und Verteilungseinrichtung herum zusammengefügt. Bei dieser Ausführungsform sind die Enden des Bündels 6 und der zugehörigen Rohrböden mit Endkappen 3 und 4 bedeckt. Ein Teil des zugeführten Fluids läuft axial, jedoch grundsätzlich radial, durch das Bündel von Hohlfasern 6 zu einem Auslaß 7 in dem das Bündel umgebenden Gehäuse. Der Rest des zugeführten Fluids, der nicht selektiv durch die Membranen permeiert, läuft linear durch die Hohlfasern und tritt an der Austrittsöffnung 8 aus.
Das Gehäuse ist eine wiederverschließbare Packung oder Hülle. Die wichtigen Merkmale des Gehäuses sind beispielhaft in Figur 1 dargestellt. Zuerst muß das Gehäuse so abdichtbar sein, daß es einen Behälter bildet. Das Gehäuse muß wiederverschließbar sein. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform besteht das Gehäuse aus zwei Teilen, einem oberen Teil 10 und einem unteren Teil 11. Die Teile sind so gefertigt, daß sie ein Bündel von Membranen festhalten, wenn die Trennvorrichtung abgedichtet ist. Außerdem ist das Gehäuse so bearbeitet oder ausgeformt, daß darin die Einlaßöffnung 1 und die Auslaßöffnungen 7 und 8 sowie die Endkappen 3 und 4 enthalten sind. Die beiden Teile des Gehäuses lassen sich mit Hilfe der Verschlußbügel 15 verschließen. Die Bügel können mit herkömmlichen Einrichtungen, wie zum Beispiel einer Schraube und einer Mutter (nicht dargestellt), befestigt werden. Die Bügel können auch ohne weiteres aus ihrer Befestigung gelöst und abgenommen werden, damit das Gehäuse geöffnet und wieder verschlossen werden kann. Für den Fachmann ist zu erkennen, daß viele verschiedene Verschlußeinrichtungen angewandt werden können, um das Gehäuse um das Bündel herum fest abzudichten, wie zum Beispiel elastische Bänder, Spanneisen aus Kunststoff oder Metall, mechanische Spannklammern oder dergleichen.
Das Gehäuse der Trennvorrichtung kann eine beliebige Anzahl herkömmlicher Verschlußeinrichtungen besitzen. Mit diesen Verschlußeinrichtunge.n muß sich das Gehäuse zwecks Herstellung einer Abdichtung versiegeln und dann wieder leicht öffnen lassen. Die in Figur 1 dargestellte Verschlußeinrichtung dient nur der bequemen Erläuterung. Ebenso kann auch eine Vielzahl von herkömmlichen Vorrichtungen benutzt werden, um das Gehäuse besser öffnen und schließen zu können, wie zum Beispiel ein Gelenk, das zwei Ränder der Gehäuseteile 10 und 11 fest zusammenhält. Form und Größe des Gehäuses werden bestimmt durch Form und Größe des Bündels. Die Dicke des Gehäuses wird in hohem Maße bestimmt durch den Betriebdsdruck der Vorrichtung und das Konstruktionsmaterial des Gehäuses.
Das Gehäuse kann aus einer großen Vielzahl von Materialien gefertigt werden, unter anderem aus Schaumpolystyrol, Schaumpolyurethan, Schaumpolyethylen, Glasfasern, Asbest, Graphit, Holz, wie zum Beispiel Balsaholz, und dergleichen zählen. Das Konstruktionsmaterial ist vorzugsweise leicht und so fest, daß es Schäden an den Membranen verhindert und gute Isolierungseigenschaften aufweist. Das Gehäusematerial läßt sich vorzugsweise leicht zu der gewünschte Größe und Konfiguration bearbeiten oder ausformen und kann leicht Armaturen wie Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen aufnehmen. Das bevorzugte Konstruktionsmaterial ist Schaumpolystyrol auf Grund seiner niedrigen Dichte, seiner Schlagfestigkeit und seiner guten Isolierungseigenschaften. Es kann auch mehr als ein Konstruktionsmaterial verwendet werden, wie zum Beispiel in einen Metallmantel oder eine -decke eingeschlossenes Schaumpolystyrol. Vorzugsweise ist das Konstruktionsmaterial so fest, daß es hohe Seitendrücke durch das Permeataushält.
Der Einfachheit halber sind in den Figuren kleinere oder wahlweise eingesetzte, in der Technik bekannten Elemente wie O-Dichtungsringe zwischen dem Rohrboden und dem Gehäuse, Rohrbodenhalterungen für den Rohrboden und die Armaturen an dem Gehäuse nicht dargestellt.
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht einer Trennvorrichtung mit Membranen, die in der Verpackung (dem Gehäuse) abgedichtet ist. Die Gehäuseteile 10 und 11 sind mit der Endkappe 4 fest um das Membranbündel 6 herum angebracht. Die Einlaßöffnung 1 erstreckt sich von der Endkappe 4 durch das Gehäuse hindurch, so daß eine Fluidverbindung zwischen dem Bündel und dem Einlaßfluid entsteht.
Bei Betrieb bei hohen Temperaturen können Heizspulen oder andere Heizeinrichtungen um das Gehäuse gewickelt, in dieses eingebettet oder in diesem enthalten sein, so daß die Membranen leichter aufgeheizt werden können.
Wahlweise könnte ein Treibfluid in den einen Gehäusesammelraum eingeleitet und durch den Auslaß in dem anderen Gehäusesammelraum abgezogen werden, damit sich das Permeat besser ansammeln kann. Die Endkappe 4 bildet einen Gehäusesammelraum (nicht dargestellt), wo sich das Fluid ansammelt, das durch die Membranen gedrungen ist. Die Gehäuseteile 10 und 11 umgeben das Membranbündel 6 und bilden einen ringförmigen Raum 18.
Es ist wohlbekannt, daß Permeationstrennvorrichtungen bei hohen Drücken arbeiten. Zum Beispiel muß der durch die Membran wirkende Druck, d.h. der Druckunterschied zwischen der Zuführungsseite der Hohlfasermembran und dem Druck auf der Permeatseite der Membran beim Betrieb so groß sein, daß er die Permeation durch die Membran mit einer akzeptablen Geschwindigkeit fördert, jedoch nicht so groß, daß die Hohlfaser beschädigt würde oder einbräche. Der Funktionsbereich von Drücken durch eine Membran hängt ab von zahlreichen Faktoren, darunter dem Membranmaterial, der Dicke der Membran, den zu trennenden Fluids und der während des Betriebs herrschenden Temperatur. Typischerweise wird ein Druck durch die Membran von mindestens 10 psi (69 kPa) und vorzugsweise von mindestens etwa 40 psi (276 kpa) angewandt. Die Obergrenze bei dem Druck durch die Membran richtet sich nicht nur nach der Festigkeit der Hohlfasermembran, sondern auch nach dem Vermögen der zugehörigen Leitun gen und Anlagen, einem Druck standzuhalten. Im allgemeinen sind Drücke durch die Membran von mehr als etwa 1500 psi (10340 kpa) mit bestimmten dünnwandigen Hohlfasern zwar herstellbar, jedoch nicht zu wünschen. Für die beste Leistung ist es im allgemeinen erwünscht, den Druck auf der Permeatseite beim Betrieb so niedrig wie praktisch zu halten. Die Permeatseite (oder Gehäuseseite) arbeitet vorzugsweise mit oder fast mit atmosphärischem Permeatseitendruck. Aus leichtem Material, wie zum Beispiel aus Schaumpolystyrol, gefertigte Gehäuse können hohe Permeatseitendrücke nicht aushalten.
Das erfindungsgemäße Gehäuse löst Probleme, die nach dem Stande der Technik bekannt sind, ohne die Vorteile von Trennvorrichtungen nach dem Stande der Technik einzubüßen. Insbesondere wird mit dem Gehäuse in vorteilhafter Weise eine einfache, wirksame Verpackung geschaffen, die auch als Behälter für die Membranen fungieren kann. Das Gehäuse schützt die Membranen vor Schaden durch Transport oder durch die Umgebung, dient zum Isolieren der verschiedenen Fluidströme, unterstützt den Druck von einem der Fluidströme und trägt dazu bei, die Position der Trennvorrichtung beim Betrieb zu bewahren. Das Gehäuse ist eine Transpackung, die leicht und stoßfest ist und Schäden von den Membranen fernhält. Außerdem wird der Transport der Membranen stark eingeschränkt, denn die Bündel werden nicht aus einer Transpackung in einen anderen Behälter übergeführt, wodurch die Trennvorrichtung leichter zusammenbaubar wird und der Transport der Membranen weiter eingeschränkt wird, wodurch Schäden an der Membran weiter vermindert werden.
Das Gehäuse kann vorteilhafterweise mit Armaturen versehen werden, wie zum Beispiel mit Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen. Wie leicht zu erkennen ist, kann die Trennvorrichtung durch das erfindungsgemäße Gehäuse direkt mit dem gewünschten Fluidtrennsystem verbunden werden, ohne daß das Membranbündel bewegt werden muß. Da die Vorrichtung leicht anschließbar ist, werden auch das Testen und die Bewertung einer Vielzahl von verschiedenen Membranen leichter.
Das Gehäuse läßt sich öffnen und wieder verschließen, wodurch das Membranbündel in vorteilhafter Weise (i) zwecks Transport in das Gehäuse gebracht werden, (ii) zur Inspektion, Reparatur oder Auswechselung herausgenommen werden und (iii) gereinigt werden kann, insbesondere bei Verschmutzung.
Darüber hinaus kann das Gehäuse aus einem Material gefertigt werden, das gute Isolierungseigenschaften aufweist. Infolgedessen wird bei Permeation bei hoher Temperatur der Bedarf an zusätzlichem Isolierungsmaterial vermindert oder beseitigt.
Größe, Form und Konfiguration des Gehäuses können ohne weiteres an die gewünschten Konfigurationen der Trennvorrichtung und der Rohrböden angepaßt werden. Die Trennvorrichtungen lassen sich leicht parallel oder hintereinander gruppieren oder verbinden. Bei Bedarf können ohne weiteres mehrere Bündel in eine Trennvorrichtung eingebracht werden. Trennvorrichtungen mit Gehäusen, die aus Schaumpolystyrol, Schaumpolyurethan, Schaumpolyethylen, Holz oder dergleichen gefertigt sind, eignen sich besonders zu Zwecken, bei denen die Trennvorrichtung ungleichmäßige oder nicht traditionelle Größen oder Konfigurationen aufweist. Ein aus solchen Materialien gefertigtes Gehäuse kann zum Zeitpunkt des Einbaus der Trennvorrichtung zugeschnitten oder bearbeitet werden. Das hilft auch bei der Lagerhaltung der Trennvorrichtungen, insbesondere der Vorrichtungen, die bisher auf Kundenwünsche zugeschnitten werden müssen.
Größe, Form und Konfiguration des Gehäuses können auch ohne weiteres so angepaßt werden, daß sich der die Bündel umgebende ringförmige Raum verändert, so daß der Strom des Permeats und/oder oder des Treibfluids reguliert wird und sich damit die Leistung der Trennvorrichtungen verbessert und unter anderem ungünstige Konzentrationsgradienten in dem ringförmigen Raum gemildert werden. Solche Konzentrationsgradienten können sich nachteilig auf die Leistung der Trennvorrichtung auswirken, insbesondere auf die Selektivität der Vorrichtung. Die Regulierung des permeierenden Fluids und/oder des Treibfluids läßt sich durch Änderung der Konfiguration des ringförmigen Raums verbessern. Der ringförmige Raum kann zum Zwecke der Änderung des normalen Stroms des Permeats in dem ringförmigen Raum eine unregelmäßige oder ungleichmäßige Form aufweisen. Der ringförmige Raum kann zum Beispiel Rinnen oder Vorsprünge besitzen oder konisch oder abgestumpft sein, und nicht zylindrisch. Für die Zwecke dieser Beschreibung und der Ansprüche wird der mo difizierte ringförmige Raum als "ungleichmäßig" bezeichnet. Der "ungleichmäßige" Raum ist nicht beschränkt, soll jedoch jede Konfiguration einschließen, die die Ströme von Fluids verändern oder verbessern kann.
Das Gehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich ins besondere dazu, Ströme zu regulieren, indem ein ungleichmäßiger ringförmiger Raum vorgesehen wird. Erstens wird es durch die erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen möglich, den ringförmigen Raum ohne weiteres zu konfigurieren. Zweitens ist die Trennvorrichtung wiederabdichtbar, so daß der Bediener die Konfiguration verändern kann, indem er sie öffnet, die Größe, Form und Konfiguration des ringförmigen Raums reguliert und dann die Vorrichtung wieder abdichtet. Bei Trennvorrichtungen nach dem Stande der Technik ist das Gehäuse gewöhnlich (sowohl an den Innen- als auch an den Außenseiten) zylindrisch und nicht wiederverschließbar, und die Bündel werden durch ein offenes Ende eingebracht, das anschließend versiegelt wird. Solche Vorrichtungen lassen keine Regulierungen an Größe, Form und Konfiguration des ringförmigen Raums zu. Außerdem lassen sich die Bündel nicht in das offene Ende von Gehäusen mit unregelmäßigen Innenseiten einführen. Zweitens lassen sich Größe, Form und Konfiguration des unregelmäßigen ringförmigen Raums mit Abstandsscheiben oder einem Gehäuseeinsatz (wie zum Beispiel einem keilförmigen Stück oder einem Stück mit horizontalen oder vertikalen Rinnen) oder ähnlichen Mitteln regulieren.
Der ungleichmäßige ringförmige Raum eignet sich insbesondere dazu, Ströme in Vorrichtungen mit Gegenstrom zu regulieren.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Ende einer Trennvorrichtung, in der der ringförmige Raum konisch ist. Die Gehäuseteile 10 und 11 sind fest um das Bündel von Membranen 6 mit Endkappe 4 herum angebracht. Die Einlaßöffnung 1 erstreckt sich von der Endkappe 4 durch das Gehäuse hindurch, so daß eine fluide Verbindung zwischen dem Bündel und dem eintretenden Fluid zustandekommt.
Wahlweise könnte ein Treibfluid in den einen Gehäusesammelraum eingeleitet und durch den Auslaß in dem anderen Gehäusesammelraum abgezogen werden, um dazu beizutragen, daß sich das Permeat besser ansammelt. Die Gehäuseteile 10 und 11 umgeben das Membranbündel 6 und bilden den konischen ringförmigen Raum 28. Durch die Auslaßöffnung 7 in dem Gehäuseteil 11 kann das Fluid aus der Vorrichtung austreten. An der Innenseite des Gehäuses 8 ist abnehmbar ein Ring 25 befestigt. Der Ring kann ein O-Ring oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Vorzugsweise besteht der Ring aus einem durchgehenden Stück, kann jedoch auch aus zwei oder mehreren Stücken bestehen. Es kann zum Beispiel angemessen oder erwünscht sein, einen halben Ring in das Gehäuseteil 10 und einen weiteren halben Ring in das Gehäuseteil 11 einzusetzen, bevor das Gehäuse verschlossen und versiegelt wird. Der Ring fungiert als "Abstandsscheibe", so daß der ungleichmäßige ringförmige Raum gebildet wird. Auch kann ein Einsatz abnehmbar an der Innenwand des Gehäuses 8 befestigt sein, so daß der ringförmige Raum 18 gebildet wird. Größe, Form, Konfiguration und Konstruktionsmaterial der Abstandsscheibe oder des Einsatzes sind nicht entscheidend. Bei Bedarf können mehrere Abstandsscheiben benutzt werden, um einen sehr unregelmäßigen ringförmigen Raum zu bilden. Die Abstandsscheiben oder Einsätze stehen vorzugsweise in fluiddichtem Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses und der Außenseite des Rohrbodens des Bündels.
Die Konfiguration der Trennvorrichtung und des darin enthaltenen Rohrbodens sind wohlbekannt. Wie oben angegeben, ist die Querschnittskonfiguration von Rohrböden gewöhnlich im allgemeinen kreisförmig. Ebenso ist klar, daß die Querschnittskonfiguration auch jede beliebige andere Form aufweisen kann und zum Beispiel dreieckig, trilobal, quadratisch, rechteckig, trapezförmig, fünfeckig, sechseckig, von freier Form oder dergleichen sein kann. Das maximale Querschnittsmaß des Rohrbodens kann auch sehr verschieden sein. Zum Beispiel braucht das maximale Querschnittsmaß des Rohrbodens nicht mehr als 5 Zentimeter bei labormäßigen Experimenten bis zu 50 Zentimetern zu betragen oder beträgt mehr bevorzugt 10 bis 30 Zentimeter, wenn Fluidströme mit großem Volumen behandelt werden. Die Vorderseite des Rohrbodens kann jede geeignete Konfiguration aufweisen und besitzt im allgemeinen im wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die Querschnittskonfiguration des Rohrbodens. Die Vorderseite kann im wesentlichen eben sein oder kann gekrümmt oder unregelmäßig in den Oberflächenkonturen sein. Der Rohrboden kann ein oder mehrere Bündel Trennmembranen enthalten.
Das Membranbündel kann jede passende Konfiguration aufweisen und zum Beispiel im Querschnitt kreisförmig, sechseckig, trilobal oder dergleichen sein und Rippen, Rinnen oder dergleichen aufweisen, die von den Wänden der Membranen nach innen oder außen ragen.
Bei Trennmembranen mit Hohlfasern beträgt das maximale äußere Querschnittsmaß der Hohlfaserrnembranen im allgemeinen mindestens etwa 50 µm und oft sogar bis zu etwa 500 µm oder mehr. In vielen Fällen beträgt das maximale Innenmaß (das maximale Bohrungsmaß) der Hohlfasermembranen mindestens etwa 30 bis etwa 300 µm. Das Verhältnis der Wanddicke zu dem maximalen Außenmaß der Hohlfasermembranen beträgt häufig etwa 0,05 bis 0,50 und vorzugsweise etwa 0,2 bis 0,4. Die Hohlfasermembranen können isotrop sein, d.h. in der gesamten Wanddicke im wesentlichen die gleiche Struktur aufweisen, oder anisotrop sein, d.h. einen Bereich oder mehrere in der Wanddicke auf weisen, der (die) eine dichtere Struktur besitzen (besitzen). Die Hohlfasermembranen eignen sich zu Fluidtrennungen, d.h. sie können als Träger für eine Schicht dienen, die eine selektive Trennung herstellt, oder als Medium, das die Trennung ausführt.
Vorteilhafterweise kann durch diese Erfindung ein weiter Bereich von Materialien zur Herstellung der Membranen eingesetzt werden. Die zur Herstellung der Membranen verwendeten Materialien sind vorzugsweise elastisch und werden bei der Bearbeitung oder beim Zerschneiden nicht plastisch. Das Material für die Membranen kann synthetisch oder natürlich sein und kann anorganisch, organisch oder organisch in Mischung mit anorganischem sein. Typische anorganische Materialien für die Membranen sind unter anderem Glas, Keramik, Metallkeramik, Metalle und dergleichen. Die organischen Materialien sind ihrer Art nach im allgemeinen polymer. Typische für die Membranen geeignete Polymere sind substituierte oder nicht- substituierte Polymere und können ausgewählt werden aus Polysulfonen; Poly(styrolen) einschließlich von styrolhaltigen Copolymeren, wie zum Beispiel Copolymeren von Acrylnitril und Styrol, Copolymeren von Styrol und Butadien und Copolymeren von Styrol und Vinylbenzylhalogeniden, Polycarbonaten; Cellulosepolymeren wie Celluloseacetatbutyrat; Cellulosepropionat, Ethylcellulose, Methylcellulose, Nitrocellulose usw.; Polyamiden und Polyimiden einschließlich von Arylpolyamiden und Arylpolyimiden; Polyethern; Poly(arylenoxiden) wie Poly(phenylenoxid) und Poly(xylenoxid); Poly(esteramiddiisocyanat); Polvurethanen; Polyestern (einschließlich von Polyarylaten), wie z. B. Poly(ethylenterephthalat), Poly(alkylmethacrylaten), Poly(alkylacrylaten), Poly(phenylenterephthalat) usw.; Polysulfiden; Poly(siloxanen); Polymeren von Monomeren, die alpha-olefinisch anders ungesättigt sind wie die oben erwähnten, wie zum Beispiel Poly(ethylen); Poly(propylen), Poly(buten-1), Poly(4-methylpenten-1), Polyvinylen wie Poly(vinylchlorid) 1 Poly(vinylfluorid), Poly(vinylidenchlorid), Poly(vinylidenfluorid), Poly(vinyl alkohol), Poly(vinylestern) wie Poly(vinylacetat) und Poly(vinylpropionat), Poly(vinylpyridinen), Poly(vinylpyrrolidonen), Poly(vinylethern), Poly(vinylketonen), Poly(vinylaldehyden) wie Poly(vinylformal) und Poly(vinylbutyral), Poly(vinylamiden), Poly(vinylaminen), Poly(vinylphosphaten) und Poly(vinylsulfaten), Polyallylen; Poly(benzimidazol); Polyhydraziden; Polyoxadiazonen; Polytriazolen; Poly(benzimidazol), Polycarbodiimiden; Polyphosphazinen usw. und Mischpolymeren einschließlich von Blockmischpolymeren, die sich wiederholende Einheiten aus den obigen und Propfcopolymere und Mischungen enthalten, die die oben angeführten enthalten. Typische Substituenten, die substituierte Polymere liefern, sind unter anderem Halogene, wie zum Beispiel Fluorid, Chlorid und Brom; Hydroxylgruppen, alkylärmere Gruppen; alkoxylärmere Gruppen, monozyklisches Aryl, acylärmere Gruppen und dergleichen. Das Polymer kann Modifikationsmittel, Weichmacher, Füllstoffe usw. enthalten.
Ein Rohrboden ist gewöhnlich nahe an mindestens einem Ende des Membranbündels ausgebildet, während ein Rohrboden oder Endboden vorteilhafterweise nahe an den einander entgegengesetzten Enden der Fasern vorhanden ist. Beim Betrieb wirken der Rohrboden und der Endboden oder die Rohrböden abdichtend mit dem Gehäuse zusammen. Der Rohrboden und der Endboden bilden zusammen mit dem Gehäuse einen Raum, typischerweise einen ringförmigen Raum, außerhalb der Membranen, dei nicht direkt mit den Membranen kommuniziert.
Das zur Herstellung des Rohrbodens verwendete Vergußmaterial kann aus jedem geeigneten Material bestehen. Vorteilhafterweise kann durch diese Erfindung ein weiter Bereich von Materialien als Vergußmaterial verwendet werden. Vorzugsweise kann das Vergußmaterial eine im wesentlichen flüssige Form aufweisen, wenn der Rohrboden hergestellt wird, und kann danach, z. B. durch Abkühlen, Härten oder dergleichen, verfestigt werden. Das erstarrte Vergußmate rial sollte relativ reaktionsträge gegenüber den Komponenten sein, die beim Fluidtrennvorgang auf dieses einwirken.
Das Vergußmaterial kann organisch, anorganisch oder organisch mit einem Gehalt an anorganischem Material sein, und das Vergußmaterial kann natürlich oder synthetisch sein. Typische anorganische Materialien für die Membranen sind unter anderem Glas, Keramik, Metallkeramik, Metalle und dergleichen. In herkömmlicher Weise enthält das Vergußmaterial ein härtbares Harz. Typische Harze sind unter anderem Phenolaldehydharze, Melarninaldehydharze, wärmehärtende synthetische Kautschuke, Acrylharze, Urethanharze, Siliconharze, Polysulfide, Acetale, Cellulosen, Fluorkohlenstoffe, Vinyle, Styrole, Polyethylen, Polypropylen und weitere olefinisch ungesättigte Monornere und dergleichen. Besonders attraktive Vergußmaterialien sind die Epoxidharze, z. B. aus Polyglycylharzen, die vorzugsweise eine oder mehrere Diglycidylether enthalten, die abgeleitet sind von Resorcinol, Catechol, Hydrochinon, Phloroglucin, 4,4'-dihydroxybenzophenon; 1,1-bis-(4-hydroxyphenyl)ethan; 2,2-bis (4-hydroxyphenylpropan (Bisphenol A); Bis(2-hydroxynaphthyl)methan; 2,2-bis- (4-hydroxyphenyl)butan; 4,4'-dihydroxyphenylphenylsulfon, Ethylenglycol, Propylenglycol, Butandiol, Pentandiol, Isopentandiol in Oleindimersäure, Poly(oxypropylen)glycol; 2,4,4'-trihydroxybisphenyl; 2,2'-4,4'-tetrahydroxybisphenyl, Bis-resorcinol F; 2,2'-4,4'- tetrahydroxybenzophenon; 1,1-bis(hydroxyphenyl)cyclohexan; Bisphenolhexafluoraceton; Anilin, Paraaminophenol, Isocyanurat, Cyanurchlorid, Hydantoin, Tetraphenylenethen, Phenolformaldehyd-Novolak, o-Cresonformaldehydnovolak, Cycloaliphatische Epoxidharze und dergleichen. Diese Harze können substituiert werden, z. B. mit Hydroxyl- oder Halogenkomponenten, z. B. mit Fluor, Chlor und Brom (wie zum Beispiel mit Tetrabrom-Bisphenol A).
Gewöhnlich wird das Epoxidharz mit einem Härtemittel gehärtet. Härtemittel sind in der Technik wohlbekannt. Das Vergußmaterial kann weitere Bestandteile enthalten, wie zum Beispiel Weichmacher, bindungsfördernde Mittel, Härtungsbeschleuniger, Eindickungsmittel, Farbstoffe und Pigmente.
Die Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in vorteilhafterweise zum Trennen von Fluiden benutzt werden, unter anderem von Gas und Gas, Flüssigkeit und Flüssigkeit oder Flüssigkeit und Feststoff, darunter auch zum Herauslösen von Sauerstoff, Stickstoff, Methan oder Wasserstoff aus einer Mischung von Gasen. Außerdem wurde die Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zwar in Verbindung mit Hohlfasermembranen beschrieben, sie eignet sich jedoch auch für andere Membranvorrichtungen, zum Beispiel für spiralig gewundene Membranen.

Claims

1. Trennvorrichtung, umfassend

1. ein oder mehrere Membranbündel; und

2. ein Gehäuse, das das Bündel oder die Bündel umgibt und einen ringförmigen Raum für Fluid um das Bündel oder die Bündel herum schafft und an diesen fluiddicht an jedem Ende des Bündels abgedichtet ist, das einen Rohrboden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei Teilen besteht und wiederverschließbar um das Bündel oder die Bündel herum befestigt ist.

2. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, in der das Gehäusematerial ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Schaumpolystyrol, Schaumpolyurethan, Schaumpolyethylen, Glasfasern, Asbest, Graphit, Holz oder Gemischen daraus.

3. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, in der die Membranen Hohlfasermembranen sind.

4. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, in der die Vorrichtung in einem Gastrennverfahren eingesetzt wird.

5. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend

1. Einrichtungen zum Einbringen eines Fluidgemisches in die Vorrichtung, so daß ein permeierender Teil entsteht, der durch die Membranen hindurchdringt, und ein nichtpermeierender Teil, der nicht durch die Membranen hindurchdringt;

2. Einrichtungen zum Beseitigen des nichtpermeierenden Teils des Fluidgemisches aus der Vorrichtung; und

3. Einrichtungen zum Beseitigen des permeierenden Teils des Fluidgemisches aus der Vorrichtung.

6. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, in der der ringförmige Raum ungleichmäßig ist.

7. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, in der der ringförmige Raum unzylindrisch ist.

8. Trennvorrichtung nach Anspruch 6, in der der ungleichmäßige ringförmige Raum durch einen Einsatz begrenzt wird, der herausnehmbar an der Innenfläche der Gehäuseteile befestigt ist.