DE69310386T2

DE69310386T2 - Hohlfasermembran-vorrichtung mit hohlraumseitiger zuführung

Info

Publication number: DE69310386T2
Application number: DE69310386T
Authority: DE
Inventors: Terrence L. Concord Ca 94521 Caskey; John A. Benicia Ca 94510 Jensvold; George E. Iii Berkeley Ca 94703 Mahley; Johnny L. Antioch Ca 94531-2603 Trimmer; Randall A. Vallejo Ca 94598 Yoshisato; Thomas C. Walnut Creek Ca 94598 Young
Original assignee: MG Generon Inc
Current assignee: MG Generon Inc
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: CA2156518A1; WO1994019094A1; DE69310386D1; CA2156518C; ATE152365T1; EP0684870B1; EP0684870A1; US5282964A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlfasermembranvorrichtung, angepaßt an hohlraumseitige Zuführungen, welche verbesserte schalenseitige Gegenflußfließverteilung besitzt, was zu einer höheren Produktivität, wahrend der Herstellung eines hochreinen Nicht-Permeatproduktstromes führt.
Mehrere Gestaltungen für Hohlfasermembranvorrichtungen mit hohlraumseitiger Zuführung sind bekannt. Bei einem hohlraumseitigen Zuführungsbetrieb wird ein zu trennendes Fluidgemisch an einem Ende der Hohlfasermembranvorrichtung eingebracht, so daß das Fluidgemisch die Hohlräume (Lumina) der Hohlfasern hinunterfließt. Das Fluid, welches nicht durch die Fasern hindurchtritt, tritt aus den Hohlräumen an den entgegengesetzten Enden der Fasern aus, während das durch die Fasern hindurchtretende Fluid von der Außenseite der Fasern entfernt wird.
Was gebraucht wird, ist eine Hohlfasermembranvorrichtung, welche angepaßt ist an hohlraumseitige Zuführungen, die keine komplexen Herstellungsverfahren erfordert, um eine gleichförmige Packung der Fasern zu erhalten, aber gleichzeitig eine Wirksamkeit erreicht, die im wesentlichen der theoretischen Gegenflußwirksamkeit näher kommt, eingeschlossen die theoretische Ausbeute. Was auch gebraucht wird, ist eine Hohlfasermembranvorrichtung, die für einen weiten Bereich an Produktivitäten oder Kapazitäten leicht hergestellt wird.
Die Hohlfasermembranvorrichtung dieser Erfindung ist gekennzeichnet durch:
A. mindestens zwei Bündel, wobei jedes Bündel eine Vielzahl von Hohlfasermembranen umfaßt, die mindestens ein Fluid von einem Zufüll-Fluidgemisch trennen können, wobei jedes Bündel ein erstes Ende und ein zweites Ende und eine radiale Pedet- Zahl von weniger als ungefähr 30 hat, wobei jedes Bündel in einer separaten und unterschiedlichen Einfassung enthalten ist, die im wesentlichen undurchlässig für die zu trennenden Fluide und zusammen angeordnet für einen im wesentlichen parallelen Fluß von einem Zufüll-Fluidgemisch durch jedes Bündel ist;
B. mindestens einen ersten Röhrenboden, aufgebaut aus einem heiß-fixierten oder thermoplastischen polymeren Material, das sich an den ersten Enden der Bündel befindet, so angeordnet, daß die Hohlfasermembranen in einem ersten Röhrenboden eingebettet sind und durch den ersten Röhrenboden kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Röhrenbodens offen sind;
C. mindestens einen zweiten Röhrenboden, aufgebaut aus einem heiß-fixierten oder thermoplastischen polymeren Material, der sich an den zweiten Enden der Bündel gegenüber den ersten Enden der Bündel befindet, so angeordnet, daß die Hohlfasermembranen in einem zweiten Röhrenboden eingebettet sind und durch mindestens einen zweiten Röhrenboden kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Seite des zweiten Röhrenbodens offen sind;
D. Abdeckmittel für das erste Ende, angeordnet und angepaßt zum Anbringen an und Verschließen des ersten Endes der Bündel oder der Einfassungen bei oder nahe des mindestens einen ersten Röhrenbodens;
E. Abdeckmittel für das zweite Ende, angeordnet und angepaßt zum Anbringen an und Verschließen des zweiten Endes der Bündel oder der Einfassungen bei oder nahe des mindestens einen zweiten Röhrenbodens;
F. Mittel zum Einbringen eines Zufüll-Fluidgemisches in die Hohlräume der Hohlfasermembranen des mindestens einen ersten Röhrenbodens;
G. Mittel zum Entfernen Nicht-Permeat-Fluids aus den Hohlräumen der Hohlfasermembranen des mindestens einen zweiten Röhrenbodens; und
H. Mittel zum Entfernen Permeat-Fluids von der Außenseite der Hohlfasermembranen, das an dem Ende angebracht ist, das am nächsten zu dem Mittel zum Einbringen des Fluids in die Hohlräume der Hohlfasermembranen in dem mindestens einen ersten Röhrenboden ist,
worin die Vorrichtung im wesentlichen eine entgegengesetzte Fließrichtung auf der Schalenseite relativ zu dem Zufüll-Fluidgemisch innerhalb der Hohlräume der Hohlfasermembranen besitzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hohlfasermembranvorrichtung geeignet zum Trennen eines Zufüll-Fluidgemisches, das ein Gasgemisch enthält.
Die Vorrichtungen der Erfindung besitzen hohe Produktivität und Ausbeute, wobei sie einen hochreinen Nicht-Permeatproduktstrom erzeugen. Die hohe Ausbeute der Vorrichtungen setzen sich um in geringere Betriebsenergieerfordernisse. Die Vorrichtungen dieser Erfindung sind auch leicht herstellbar für einen weiten Bereich von Produktivitätserfordernissen, mit weniger Fasergebrauch und Faserabfall verglichen mit gebräuchlichen Hohlfasermembranvorrichtungen.
Figur 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Hohlfasermembranvorrichtung dieser Erfindung dar.
Figur 2 stellt eine alternative Ausführungsform der Hohlfasermembranvorrichtung dieser Erfindung dar.
Figur 3 stellt eine alternative Ausführungsform der Hohlfasermembranvorrichtung dieser Erfindung dar.
Figuren 4 bis 8 stellen den Einfluß der Peclet-Zahl auf die Vorrichtungsleistung dar.
Die für Vorrichtungen dieser Erfindung geeigneten Hohlfasermembranen werden im allgemeinen aus einem Polymer gebildet, welches in der Lage ist, ein oder mehrere Fluide von einem oder mehreren anderen Fluiden in einem Fluidgemisch zu trennen. Solche Hohlfasermembranen können morphologische Strukturen aufweisen, welche nicht porös, mikroporös, symmetrisch (isotrop), asymmetrisch (anisotrop) oder zusammengesetzt sind. Nicht poröse Membran, wie hierin verwendet, bedeutet eine Membran, welche dicht ist, d.h. im wesentlichen frei von Löchern oder Hohlräumen. Asymmetrische Membran, wie hierin verwendet, bedeutet eine Membran, welche mindestens einen trennenden Abschnitt und mindestens einen porösen Abschnitt besitzt, worin der trennende und poröse Abschnitt dasselbe Polymer umfaßt. Zusammengesetzte Membran, wie hierin verwendet, bedeutet eine Membran, welche mindestens eine trennende Schicht und mindestens eine poröse Schicht besitzt, worin die trennenden und porösen Schichten verschiedene Polymere umfassen.
Im allgemeinen kann jedes Polymer verwendet werden, welches gas- oder flüssigkeitstrennende Eigenschaft aufweist, um Membranen zu bilden, die in den Vorrichtungen dieser Erfindung verwendete werden. Für Gastrennungsmembranmaterialien bevorzugte Polymere beinhalten unsubstituierte und substituierte Polyolefine, Polyamide, Polyacetylene, Polytriazole, Polyoxadiazole, Polyphenylenoxide, Polyimide, Polycarbonate, Polyestercarbonate, Polyester, Polyarylate, Polyether, Polysulfone, Polyethersulfone, Polybenzoxazole, wie etwa Polybenzoxazole, Polybenzothiazole, Polybenzoimidazole, Polybenzobisoxazole, Polybenzobisthiazole und Polybenzobisimidazole und Copolymere und physische Gemische davon. Für Gastrennungsmembranmaterialien besonders bevorzugte Polymere beinhalten Polymere, die im allgemeinen eine rigide Struktur aufweisen, wie etwa Polybenzoxazol oder ein Polymer, das enthält 9,9-Bis(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)fluoren, 9,9-Bis(3,5-dichlor- 4-hydroxyphenyl)fluoren, Hexafluorbisphenol A, Tetrahalogenbisphenol A, Tetrahalogenhexafluorbisphenol A, Tetraalkylbisphenol-A oder Tetraalkylhexafluorbisphenol A Gruppen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyimid, Polyether, Polysulfon, Polyethersulfon, Polvarylat, Polyester, Polyestercarbonat, Polycarbonat und Copolymeren und physischen Gemischen davon. Hexafluorbisphenol A wie hierin verwendet, bedeutet Bisphenol A, worin alle sechs Wasserstoffe an der Isopropylidenbrückengruppe durch Fluorgruppen ersetzt wurden. Tetrahalogen oder Tetraalkyl, wie hierin verwendet, bezüglich Bisphenol A bedeutet Bisphenol A, worin alle vier Wasserstoffe an den aromatischen Ringen ersetzt sind mit Halogen bzw. Alkylgruppen. Die Herstellung solcher Membranen ist dem Fachmann bekannt.
Für flüssige Trennungsmembranmaterialien sind Polymere bevorzugt, die Polyolefine, wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Poly-4-methylpenten-1, Polytetrafluorethylen, Polyetherketon und Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid, Polyvinylidenfluorid und Polyvinylidenchlorid beinhalten.
Die Herstellung solcher Membranen ist dem Fachmann bekannt.
Die mögliche Empfindlichkeit einer Membranvorrichtung für eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit in Verbindung mit Kanalbildung, kann durch dimensionale Analyse bewertet werden, einer Technik, die dem Fachmann der Chemietechnologie wohlbekannt ist. Durch Anwendung der dimensionalen Analyse können Spezies Kontinuitätsgleichungen abgeleitet werden, welche Zusammensetzungsprofile für den Fluidraum außerhalb der Fasern bestimmen, wobei die Ausdrücke für eine charakteristische dimensionslose Gruppe hierin als die Peclet-Zahl bezeichnet wird. Der Wert der Peclet-Zahl gibt die relative Wichtigkeit der Konvektion und Diffusion bei dem Massentransport innerhalb eines Fließsystems an. Eine hohe Redet- Zahl (viel größer als 1) gibt an, daß die Konvektion dominiert und die Wirkung der Diffusion gering ist. Zusammensetzungsprofile können sich in einem System mit hohen Pedet-Zahlen schnell ändern. Eine kleine Pedet- Zahl (viel kleiner als 1) gibt an, daß die Diffusion dominiert und die Wirkung der Konvektion gering ist. Zusammensetzungsprofile ändern sich in einem System mit kleinen Pedet-Zahlen langsam. Eine Redet-Zahl nahe 1 deutet auf ein Gleichgewicht zwischen Konvektion und Diffusion hin. Für Membranvorrichtungen ist eine hohe Peclet-Zahl in der Axialrichtung (entlang der Länge der Fasern) wünschenswert, während eine kleine Pedet- Zahl in den Radial- und Winkelrichtungen (rechtwinklig zu den Fasern) wünschenswert ist. Vorrichtungen, die diese Kriterien erfüllen, werden eine Leistung zeigen, die dem Gegenflußideal nahekommt, solange der Fluidfluß außerhalb der Fasern im allgemeinen entgegengesetzte Fließrichtung hat. Komplexe Herstellungsverfahren sind nicht notwendig, um einheitliche Faserpackung zu erhalten. Eine einfache, im wesentlichen impermeable äußere Ablenkscheibe oder Schale ist ausreichend, um den Fluß in eine allgemein entgegengesetzte Fließrichtung zu zwingen, verwendet in Verbindung mit einem Bündel einer bestimmten Größe.
Axiale Pedet-Zahlen, PEL werden definiert durch Gleichung 1:
PeL= 4(Lf²)(&epsi;) (NTO) / (Df) (1-&epsi;) (cDAB)
Radiale Peclet-Zahlen, PER, werden definiert durch Gleichung 2:
PeR= (Db²) (&epsi;) (NTO) / 2(Df) (1-&epsi;) (cDAB)
In Gleichungen 1 und 2, ist
c die molare Dichte des Fluids außerhalb der Fasern (kg-Mol/m³);
DAB das molare Ausbreitungsvermögen eines binären Gaspaares in dem Fluid außerhalb der Fasern (m²/s);
Db der wirksame Durchmesser eines Faserbündels (m);
Df der Außendurchmesser der Faser (m);
&epsi; die Volumenpackungsfraktion der Faser in dem Bündel;
Lf die Länge des aktiven Abschnitts der Faser in dem Bündel (m); und
NTO der charakteristische Gesamtgasfluß durch die äußere Oberfläche einer Faser (kg-Mol/m²s).
Die molare Dichte des Fluids, c, kann bestimmt werden durch Messung oder Berechnung unter Verwendung aller gültigen Schätzungsmethoden, die Chemikern oder Ingenieuren bekannt sind, wie etwa das ideale Gasgesetz oder andere Zustandsgleichungen.
Das molare Ausbreitungsvermögen, DAB, kann durch kinetische Theorie oder andere gültige Korrelationen geschätzt werden.
Das molare binäre Gasausbreitungsvermögen, DAB, kann bestimmt werden durch Messung oder Schätzen mittels der Gaskinetik-Theorie oder anderen gültigen Korrelationen. Für Multikomponentensysteme, in denen die Trennung zwischen zwei Hauptbestandteilen des Zufüllgasstroms (allgemein bekannt als "Schlüssel"-Bestandteile) stattfindet, wird das Ausbreitungsvermögen bestimmt mit den Schlüsselbestandteilen als dem binären Gaspaar. Für Multikomponentensysteme mit keinen klaren Schlüsselbestandteilen, wird das Ausbreitungsvermögen als das größte binäre Ausbreitungsvermögen für alle möglichen Gaspaare bewertet.
Der wirksame Bündeldurchmesser, Db, ist das Maximum der kürzesten Entfernung zwischen jeglichen zweier Punkte innerhalb des Querschnitts des Faserbündels, wobei die Entfernung entlang eines vollständig innerhalb des Bündels enthaltenen Weges und rechtwinklig zu den Fasern gemessen wird.
Der Packungsfaktor oder die volumetrische Packungsfraktion der Faser in dem Bündel, E, ist das von den Fasern besetzte Volumen geteilt durch das Gesamtvolumen des Faserbündels.
Die aktive Länge der Fasern, Lf, ist die Fasergesamtlänge minus die Länge der Faser, welche inaktiv ist (eingekapselt in das Rohrbodenmaterial oder auf andere Weise inaktiv).
Die Eigenschaften c, DAB und NTO werden unter Standardreferenzbedingungen für die verwendete Faser und die Trennung von Interesse bewertet. Standardreferenzbedingungen werden definiert als die Stromzustände am Mittelpunkt der Hohlfasermembran vorrichtung wie durch eine ideale Gegenflußsimulation der Trennung von Interesse vorhergesagt.
Alternativ können die axialen und radialen Pedet-Zahlen definiert werden, basierend auf der Gesamtpermeationsrate durch eine arbeitende Vorrichtung, wie angegeben in Gleichung 3 bzw. 4:
PeL= 4(Lf) (&epsi;) (FPERM) / ΠNfDf² (1-&epsi;) cDAB,
PeR= Db² (&epsi;) (FPERM) / 2ΠNfDf²Lf(1-&epsi;)cDAB.
In Gleichungen 3 und 4 sind &epsi;, c, Db, Df, Lf und DAB wie vorher definiert.
FPERM ist die molare Flußrate des Permeats, das die Vorrichtung verläßt (kg- Mol/s), und
Nf ist die Zahl der aktiven Fasern in der Vorrichtung.
Die meisten herkömmlichen Hohlfasermembranvorrichtungen zur Gastrennung sind so konzipiert, daß die axiale Peclet-Zahl ausreichend groß ist für unwesentliche Axialdiffusion, Dispersion oder Mischen (PeL ≥ 100). Jedoch sind solche gebräuchlichen Vorrichtungen so konzipiert, daß die radiale Peclet-Zahl zu groß ist, um die Vorrichtung als radial gut gemischt anzusehen (PeR ≥ 20). So unterliegen die meisten gebräuchlichen Vorrichtungen einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit aufgrund von Kanalbildung. Folglich sind komplexe Herstellungsverfahren nötig, die die Einheitlichkeit der Faserpackung kontrollieren, um gleichmäßige Flußverteilung und hohe Leistungsfähigkeit sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Bildung multipler Bündel, wobei jede kleine radiale Pedet-Zahlen hat, im Gegensatz zu den gebräuchlichen Techniken zur Bildung eines einzigen großen Bündels mit einer großen radialen Peclet-Zahl. Folglich führen die gebräuchlichen Bündelgeometrien zu hohen radialen Pedet-Zahlen und deshalb besitzen sie unterlegene Leistungsfähigkeit verglichen mit Vorrichtungen in Übereinstimmung mit dieser Erfindung.
Die Vorrichtungen der Erfindung besitzen vorzugsweise mindestens 60 % der theoretischen Gegenflußproduktivität und mindestens 80 % der theoretischen Gegenflußausbeute. Die Vorrichtungen besitzen besonders bevorzugt mindestens 80 % der theoretischen Gegenflußproduktivität und mindestens 90 % der theoretischen Gegenflußausbeute. Produktivität wird definiert als die Flußrate des gewünschten Produkts aus der Membranvorrichtung. Ausbeute wird definiert als die Flußrate des gewünschten Produkts aus der Membranvorrichtung geteilt durch die Flußrate des Zuflußstroms, der in die Vorrichtung eintritt. Theoretische Gegenflußproduktivität und Ausbeute werden erhalten aus der Lösung der Gleichungen 5 bis 10, wenn die gewünschte Produktzusammensetzung, Druck und Permeatdruck spezifiziert sind. Gleichungen 5 bis 10 werden leicht gelöst durch eine Vielzahl von numerischen Standardintegrationstechniken.
In Gleichungen 5 bis 10 sind c, Df, FPERM, Lf und Nf wie vorher definiert.
Df ist der Innendurchmesser der Fasern (m);
FF ist die molare Flußrate des Stroms im Hohlraum der Fasern in Position z (kg-Mol/s);
FFEED ist die molare Flußrate des Zuflußstroms, der in die Vorrichtung eintritt (kg-Mol/s);
FP ist die molare Flußrate des Stroms außerhalb der Fasern in Position z (kg- Mol/s);
FREJ ist die molare Flußrate des Ausschlußstroms, der die Vorrichtung verläßt (kg-Mol/s);
ki ist die Durchlässigkeit des Bestandteils i durch die Fasern (kg-Mol/cm² kPa s);
LTS ist die Länge der in den Röhrenboden eingeschlossenen Faser (cm); Ni ist der Fluß des Bestandteils i, der durch die Faser in Position z durchtritt (kg-Mol/cm² s);
PF ist der Hohlrauminnendruck der Fasern in Position z (kPa);
PFEED ist der Druck des Zuflußstroms, der in die Vorrichtung eintritt (kPa);
PP ist der Permeatdruck (KPa);
xi ist die Molfraktion des Bestandteils i im Strom in dem Hohlraum der Fasern in Position z;
Xi,FEED ist die Molfraktion des Bestandteils i im Zuflußstrom, der in die Membranvorrichtung eintritt;
Xi,REJ ist die Molfraktion des Bestandteils i im Ausflußstrom, der die Vorrichtung verläßt;
yi ist die Molfraktion des Bestandteils i im Strom außerhalb der Fasern in Position z;
Yi,PERM ist die Molfraktion des Bestandteils i im Permeatstrom, der die Vorrichtung verläßt; und
µ ist die Viskosität des Stroms im Hohlraum der Fasern in Position z (kg/m s).
Um die Vorrichtungen dieser Erfindung zu bilden, werden Hohlfasermembranen in multiple Bündel geformt, wobei jedes Bündel eine radiale Peclet-Zahl von vorzugsweise weniger als 30, besonders bevorzugt weniger als 10, noch mehr bevorzugt weniger als 5 hat. Die Faserbündel können eine Vielzahl von Querschnittformen besitzen, wie etwa zylindrisch, hexagonal, quadratisch, dreieckig oder unregelmäßig. Vorzugsweise ist die Querschnittform der Bündel konvex und im wesentlichen zirkulär.
Jedes Bündel hat vorzugsweise einen Packungsfaktor von mindestens 30 %, besonders bevorzugt von mindestens 50 %. Jedes Bündel hat vorzugsweise einen effektiven Durchmesser von weniger als 4,0 Zoll (10,2 Zentimeter), besonders bevorzugt von weniger als 2,5 Zoll (6,35 Zentimeter).
Jedes individuelle Faserbündel ist im wesentlichen in einer Hülle eingeschlossen, das im wesentlichen undurchlässig für ein zu trennendes Fluid ist. Einige Bereiche des Faserbündels brauchen nicht durch das undurchlässige Material eingeschlossen sein, wie etwa die Faser, die in dem Röhrenboden eingeschlossen ist und der Bereich, an dem das durchtretende Fluid aus dem Bündel entfernt wird. Deshalb, weil es die Funktion der undurchlässigen Einfassung nur im Hauptkörper des Bündels ist, wo die Trennung stattfindet, zu verhindern, daß Fluid zwischen benachbarten Faserbündeln durchtritt. Beispiele für geeignete undurchlässige Einfassungen beinhalten einen flexiblen Film, der um das Bündel gewickelt werden kann, einen hohlen Schlauch oder eine Röhre, in welche das Bündel eingeschlossen sein kann oder andere Materialien, die wirksam das Fluid in einem Bündel von dem Fluid in anderen Bündeln trennen können.
Ein Röhrenboden oder Röhrenböden sind an jedem Ende der Hohlfasermembranbündel oder Einfassungen befestigt. Epoxidharze, Polyurethane oder andere geeignete Harze sind als Röhrenbodenmaterialien geeignet. Die Röhrenböden werden gebildet, so daß die Hohlfasermembranen eingebettet sind in und in Verbindung stehen durch den Röhrenboden, wobei die Fasern auf der entgegengesetzten Seite des Röhrenbodens offen sind. Die Röhrenböden können gebildet werden vor oder nach dem Zusammensetzen in ein Cluster oder eine Anordnung vielzähliger Bündel innerhalb ihrer entsprechenden Einfassungen. Zum Beispiel können die Bündel innerhalb ihrer entsprechenden Einfassungen in einem Cluster oder einer Anordnung zusammengesetzt sein und jedes Ende eingefaßt in einem Röhrenboden, wie veranschaulicht in der Vorrichtung, dargestellt in Figur 1. Alternativ kann ein Röhrenboden an jedem Ende jedes einzelnen Bündels innerhalb seiner individuellen Einfassung gebildet werden und dann kann eine Vielzahl von Einfassungen zusammen in einem Cluster oder einer Anordnung angeordnet werden, um eine Vorrichtung zu bilden, wie veranschaulicht in Figur 2.
Endabdeckmittel, angeordnet und angepaßt zum Anbringen und Verschließen, sind an jedem Ende der Bündel oder Einfassungen an oder nahe jedem Röhrenboden angebracht.
Die Vorrichtung beinhaltet Mittel zum Einführen eines Zufüllfluidgemisches in die Hohlräume der Hohlfasermembranen am ersten Röhrenboden. Vorzugsweise ist das Mittel zum Einführen des Zufüllfluidgemisches ein Loch, Schnabel, Anschluß oder eine andere Öffnung, die in dem ersten Endabdeckmittel plaziert ist.
Die Vorrichtung beinhaltet ein Mittel zum Entfernen von Nicht-Permeatfluid aus den Hohlräumen der Hohlfasermembranen am zweiten Röhrenboden. Vorzugsweise ist das Mittel zum Entfernen des Nicht-Permeatfluids ein Loch, Schnabel, Anschluß oder eine andere Öffnung, die in dem zweiten Endabschlußmittel plaziert ist.
Die Vorrichtung beinhaltet auch ein Mittel zum Entfernen des Permeatfluids von der Außenseite der Hohlfasermembranen, plaziert am Ende am nächsten zu dem Mittel zum Einführen des Fluids in die Hohlräume der Hohlfasermembranen. Das Mittel zum Entfernen des Permeatfluids ist vorzugsweise ein oder mehrere Löcher, Schnäbel, Anschlüsse oder andere Öffnungen, die sich in den undurchlässigen Einfassungen befinden.
Die Hohlfasermembranvorrichtungen dieser Erfindung sind geeignet zur Trennung von Fluiden von Fluidgemischen, die Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform, sind die Vorrichtungen dieser Erfindung geeignet zum Trennen von Gasen und/oder Dämpfen aus Gemischen von Gasen und/oder Dämpfen, welche beinhalten Gemische umfassend Wasserstoff, Hehum, Sauerstoff, Stickstoff, Luft, Argon, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ammoniak, Wasserdampf, leichte Kohlenwasserstoffe, natürliches Gas, Schwefelwasserstoff, Stickstoffoxide, Schwefeloxide, organische Dämpfe, fluorierte Kohlenwasserstoffe und Kühlgase. Leichte Kohlenwasserstoffe wie hierin verwendet, bedeutet gesättigte und ungesättigte C1-4 Kohlenwasserstoffe. Stickstoffoxide wie hierin verwendet, bedeutet Verbindungen, die nur Stickstoff- und Sauerstoffatome enthalten. Schwefeloxide wie hierin verwendet, bedeutet Verbindungen, die nur Schwefel- und Sauerstoffatome enthalten. Organische Dämpfe wie hierin verwendet, bedeutet Verbindungen, die im wesentlichen Kohlenstoff- und Wasserstoffatome enthalten.
Für solche Anwendungen sind Membranen mit dicht selektiven Schichten oder Regionen bevorzugt, wie etwa nicht poröse, asymmetrische und zusammengesetzte Membranen. Die Vorrichtungen dieser Erfindung sind geeignet für viele verschiedene Gastrennungsanwendungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Bereitstellen eines angereicherten Stickstoffstroms zum Inertmachen von flammbaren Fluiden, verderblichen Lebensmitteln und Metallbehandlungsverfahren, Bereitstellen eines angereicherten Sauerstoffstroms für medizinische Verwendungen, Fermentationsverfahren oder verbesserte Verbrennungsprozesse, Gewinnen von Kohlendioxid aus leichten Kohlenwasserstoffen, Behandeln von Rauchgasen, um Stickstoffoxide und/oder Schwefeloxide zu entfernen, Entfernen von organischem Wasserdampf aus Luft, Trocknungsluft und natürlichem Gas und ähnliches.
Zur Gastrennung beträgt die Betriebstemperatur vorzugsweise zwischen -25 und 100 ºC, besonders bevorzugt zwischen 15 und 90 ºC und der Betriebsdruck beträgt vorzugsweise zwischen 25 und 2000 psig (270 und 14000 kPa), besonders bevorzugt zwischen ungefähr 50 und 500 psig (450 und 3600 kPa).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Vorrichtungen dieser Erfindung geeignet zur Trennung von Gasen und/oder Dämpfen aus Flüssigkeitsgemischen oder Gemischen aus Flüssigkeiten und Gasen unter Verwendung der Membrantrennungsverfahren des Membranstripping, der Membrandestillation oder der Verdunstung durch eine Membran. Beim Membranstripping wird eine mikroporöse Membran verwendet und das Material, das durch oder über die Membran durchtritt, wird aus der Vorrichtung als ein Gas oder Dampf entfernt. Bei Membrandestillation, wird eine mikroporöse Membran verwendet und das Material, das durch oder über die Membran durchtritt, wird kondensiert und aus der Vorrichtung als eine Flüssigkeit entfernt. Bei der Verdunstung wird eine nicht mikroporöse Membran verwendet und das Material, das durch oder über die Membran durchtritt, kann aus der Vorrichtung als ein Gas oder Dampf entfernt werden oder kondensiert werden und aus der Vorrichtung als eine Flüssigkeit entfernt werden. Für Membranstripping, Membrandestillation oder Verdunstung beträgt die Betriebstemperatur zwischen 0 und 75 ºC, besonderes bevorzugt zwischen 5 und 50 ºC und der Betriebsdruck beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 80 psig (135 und 650 kPa), besonders bevorzugt zwischen 5 und 50 psig (135 und 450 kPa).
Die Hohlfasermembranvorrichtungen dieser Erfindung können in jeder Zusammensetzung oder Kombination betrieben werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf parallele, serien, recyclisierende oder kaskaden Betriebsweisen. Diese Hohlfasermembranvorrichtungen können auch betrieben werden in Verbindung mit anderen Trennungsverfahren oder Grundverfahren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Kristallisation, Fraktionieren, Filtrieren, Reagieren, Wärmetauschen, Kompremieren, Expandieren, Pumpen, Schwingungsadsorption und ähnliche.
Figur 1 veranschaulicht eine Ausführungsform dieser Erfindung, in welcher sieben zylindrische Röhren (10), die Bündel von Hohlfasern (11) beinhalten als ein einziges Modul (12) angeordnet wurden. Die Enden der Anordnung sind in Röhrenböden (13) eingefaßt worden, die aus ausgehärteten Epoxidharzen oder ähnlichen Materialien bestehen. Der Zufüllstrom (14) tritt in die Hohlräume der Fasern an einem Ende des Moduls ein und der Nicht- Permeatproduktstrom (15) verläßt den Hohlraum der Fasern am anderen Ende des Moduls. Öffnungen (16) in den zylindrischen Röhren (10) nahe einem Röhrenboden, erlaubt es dem Permeat (17) die Faserbündel zu verlassen. Anordnungen dieser Öffnungen (16) nahe des Zufüllendes des Moduls begünstigt allgemein einen Gegenflußstrom des Permeatfluids (17).
Figur 2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung, in welcher zylindrische Röhren (20), die Bündel von Hohlfasern beinhalten getrennte Röhrenböden (23) haben, die an jedem Ende eingefaßt sind. Die Röhrenböden enthalten Abschnitte zum Verlassen oder Eintreten von Gasen in die Hohlräume der Fasern. Zwei oder mehrere Bündel mit Röhrenböden werden dann als ein Einzelmodul (22) angeordnet. Der Zufüllstrom (24) tritt in den Hohlraum der Fasern durch die Röhrenböden an einem Ende des Moduls ein und der Nicht-Permeatproduktstrom (25) verläßt den Hohlraum der Fasern durch den Röhrenboden am anderen Ende des Moduls. Öffnungen (26) in den zylindrischen Röhren (20) nahe einem Röhrenboden erlaubt dem Permeat (27) die Faserbündel zu verlassen. Anordnung dieser Öffnungen (26) nahe dem Zufüllende des Moduls unterstützt allgemein einen Gegenflußstrom des Permeatfluids (27). Diese Ausführungsform erlaubt auch Flexibilität, so daß eine variable Anzahl von Röhren zusammen verbunden werden kann, was es erlaubt, daß Module mit unterschiedlichen Kapazitäten aus einer Größe zylindrischer Röhren geformt werden können.
Figur 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung, welche eine Vielzahl nicht zylindrischer Faserbündel enthält. Das Modul (32) enthält acht Hohlfaserbündel (31), wobei jedes von dem anderen durch Verwendung eines undurchlässigen Materials (30) getrennt ist. Die Bündel (31) sind an jedem Ende in geeignetem Röhrenbodenmaterial (33) eingebettet. Der Zufüllstrom (35A) tritt in die Hohlräume der Hohlfasern an einem Ende (34A) der Bündel (31) ein, während der Nicht-Permeatstrom (358) die Hohlräume der Hohlfasern am anderen Ende der Bündel (348) verläßt. Eine Öffnung (36) nahe dem Zuflußende des Moduls unterstützt einen Gegenflußstrom des Permeatfluids (37) des Moduls.

BESONDERE AUSFÜHRUNGSFORMEN

Beispiel 1 -- Vergleichsbeispiel mit gebräuchlicher Vorrichtung

Dieses Beispiel dient ausschließlich Vergleichszwecken und beschreibt die Erfindung nicht.
Eine konventionelle Hohlfasermembranvorrichtung wurde hergestellt aus 351,600 Hohlfasern mit einem Sauerstoff/Stickstoff-Trennungsfaktor bei 250 ºC von ungefähr 7,4 und einem Sauerstofffluß von ungefähr
24 X 10&supmin;&sup6; cm³(STP) / cm²s cmHg
Die Fasern wurden parallel um einen zentralen Kern gewickelt und in Position gehalten mit Epoxidrohrenböden. Die aktive Faserlänge betrug ungefähr 47 Zoll (119,4 Zentimeter). Die Vorrichtung wurde bewertet für die Trennung von Luft in angereicherte Sauerstoff- und angereicherte Stickstoffströme, wobei Luft mit ungefähr 25 ºC und ungefähr 1031.5 SCFH (Standardkubikfuß pro Stunde) (29,2 Standardkubikmeter pro Stunde (SCMH)) als das Zufüllgas verwendet wurde. Die Vorrichtung produziert ungefähr 324,1 SCFH (9,2 Standardkubikmeter pro Stunde) eines 99 % Stickstoff als dem Nicht-Permeatstrom und ungefähr 707.4 SCFH (20, Standardkubikmeter pro Stunde) angereicherten Sauerstoff als den Permeatstrom. Die Ausbeute, gemessen als der Prozentanteil des Verhältnisses der Nicht-Permeatproduktflußrate zu der Zufüllflußrate bei 1 % Sauerstoffkonzentration im Nicht-Permeat, wurde bestimmt ungefähr 31,4 % zu sein. Die theoretische Leistung der Vorrichtung, basierend auf den Membrantrennungsleistungscharakteristika, lag bei ungefähr 516 SCFH (14,6 Standardkubikmeter pro Stunde) eines 99 % Stickstoff als dem Nicht- Permeatstrom, ungefähr 5749,5 SCFH (21,2 Standardkubikmeter pro Stunde) eines angereicherten Sauerstoff als dem Permeatstrom und eine Ausbeute bei 1 % Sauerstoffkonzentration im Nicht-Permeat von ungefähr 40,8 %. Somit war der Prozentsatz der tatsächlichen Leistung zu der theoretischen Leistung ungefähr 062,8 % für den Nicht- Permeatproduktstromfluß, 94 % für den Permeatstromfluß und 77 % für die Ausbeute. Die radiale Peclet-Zahl dieser Vorrichtung wurde berechnet 67 zu sein.

Beispiel 2-- Sechs Röhren Cluster-Vorrichtung

Eine Hohlfaservorrichtung mit einer Form ähnlich der wie in Figur 1 beschrieben, außer daß nur sechs Röhren verwendet wurden, wurde hergestellt unter Verwendung von 351,600 Hohlfasern mit einem Sauerstoff/Stickstoff-Trennungsfaktor bei 25 ºC von ungeführ 6,65 und einem Sauerstofffluß von ungefähr
24 X 10&supmin;&sup6; cm³(STP) / cm²s cmHg
Die Hohlfasern wurden aufgeteilt und eingebracht in sechs Röhren mit 1 und 1/4 Zoll (3,2 Zentimeter) O.D. (Außendurchmesser) Durchmesser, wie dargestellt in Tabelle 1. Die Röhren wurden in einem Cluster an jedem Ende zusammen angeordnet und unter Verwendung von Epoxidharz verbunden, um einen Röhrenboden zu erhalten. Die aktive Faserlänge betrug ungefähr 47 Zoll (119,4 Zentimeter). Die Vorrichtung wurde bewertet für die Trennung von Luft in angereicherte Sauerstoff- und angereicherte Stickstoffströme, wobei Luft mit ungefähr 25 ºC und ungefähr 955 SCFH (Standardkubikfuß pro Stunde) (27,0 Standardkubikmeter pro Stunde) als das Zufüllgas verwendet wurde. Die tatsächliche und theoretische Leistung der Vorrichtung und jeder einzelnen Röhre ist in Tabelle 1 angegeben. Die radiale Peolet-Zah für Röhren 1, 2, 4 und 5 ist 17. Die radiale Peclet-Zahl für Röhren 3 und 6 ist 12. Es wird angenommen, daß die Faser in Röhre 1 aufgrund von Schwierigkeiten verbunden mit dem Einbringen der Bündel in die Röhre während der Herstellung beschädigt wurde.
Die Vorrichtung in diesem Beispiel, die eine Ausführungsform der Erfindung ist, erreicht eine signifikant höhere Leistung als ein Teil der theoretischen Gegenflußleistung als die Vorrichtung ähnlicher Kapazität, beschrieben in Beispiel 1, die keine Ausführungsform der Erfindung ist. Die höhere von den Vorrichtungen der Erfindung erreichte Leistung erlaubt es, daß Vorrichtungen mit gegebener Kapazität aus einem geringeren Teil einer Hohlfaser gemacht werden und es muß weniger Zufülluft verwendet werden, um einen gegebenen Anteil des Produktstickstoffs herzustellen. Tabelle 1

Beispiel 3 -- Einzelröhrenvorrichtungen

Eine Anzahl von Einzelröhrenmembranvorrichtungen wurde hergestellt unter Verwendung von Bündeln mit wechselnden Durchmessern, um den Einfluß der radialen Peclet-Zahl auf die Modulleistung zu untersuchen. Diese Einzelröhrenvorrichtungen sind keine Ausführungsform der Erfindung, aber sie sind hierin enthalten, um zu zeigen, daß Faserbündel mit kleinen radialen Pedet-Zahlen bessere Leistung erreichen als Faserbündel mit großen Peclet- Zahlen. Dieses Beispiel stützt auch die Erkenntnis, daß Module, die aus verschiedenen unabhängigen kleinen Bündeln gebildet werden, eine bessere Leistung erreichen werden als ein Modul, das ein einziges großes Bündel enthält.
Alle Vorrichtungen wurden hergestellt aus Tetrabrom-Bisphenol A Polycarbonat-Hohlfasermembranen mit einer nominalen Fasergröße von 135 Mikron O.D. (Außendurchmesser) bei 95 Mikron ID. (Innendurchmesser). Jedes Bündel wurde in eine Plastikröhre eingebracht, die einen nominalen Durchmesser von 0,75 bis 4,0 Zoll (1,9 bis 10,2 cm) hat. Jedes Ende war eingeschlossen in Epoxidharz, um einen Röhrenboden zu bilden. Die aktive Länge jeder Vorrichtung betrug ungefähr 26 Zoll (66 cm).
Jede Vorrichtung wurde bewertet für die Trennung von Luft in angereicherten Sauerstoff und angereicherten Stickstoff, wobei Luft mit ungefähr 25 ºC und 135 psig als dem Zufüllgas verwendet wurde. Die tatsächliche Leistung jeder Vorrichtung wurde verglichen mit der theoretischen Leistung, basierend auf Messungen der Einzelgaspermeabilitäten für die Fasern. Die Leistung dieser Module relativ zur idealen Gegenstromleistung ist in Tabelle II zusammengefaßt. Tabelle II zeigt die durchschnittliche relative Ausbeute und relative Leistung, basierend auf Tests von 5 bis 8 Proben pro Modulgröße sowie der durchschnittlichen radialen Peclet-Zahl für eine gegebene Modulgröße. Module mit radialen Peclet-Zahlen von weniger als ungefähr 1 2 arbeiten viel besser als Module mit radialen Peclet-Zahlen signifikant größer als 1 2. Zum Beispiel hat ein Modul mit einer radialen Peclet-Zahi von ungefähr 40 weniger als 70 % der idealen Leistung. Ein Modul mit einer radialen Peclet- Zahl von 3 arbeitet mit über 93 % der idealen Leistung.
Die relativen Leistungsdaten in Tabelle II sind dargestellt in Figur 4A und 4B mit entsprechenden Fehlerbalken und einer Trendlinie. Statistisch gesprochen haben Module mit radialen Pedet-Zahlen von weniger als ungefähr 12 ungefähr dieselbe relative Leistung. Der Leistungsabfall bei einer radialen Peclet-Zahl von ungefähr 40 ist statistisch signifikant. Es ist zu bemerken, daß die Fehlerbalken über den Bereich der Peclet-Zahlen 12 bis 40 ähnlich sind und diese statistischen Ergebnisse zeigen, daß sich die kritische Peclet-Zahl im Bereich von 25 bis 31 findet, wie dargestellt in Figuren 4A und 4B. Tabelle II
A cm³(STP) / cm²s cmHg

Beispiel 4 -- Simulation der Kanalbildung

Dieses Beispiel ist eine Simulation der Leistung eines Einzelzylinderbündels der Hohlfasermembranen mit vorsätzlich induzierter Kanalbildung. Dieses Beispiel zeigt, daß Vorrichungen mit kleinen radialen Pedet-Zahlen zur Leistung nahe der Gegenflußidealgrenze in der Lage sind. Da die Flußfelder, die in diesem Beispiel simuliert wurden, die schlimmste mögliche Kanalbildung darstellen, beschreibt dieses Beispiel den schlimmsten Leistungsabfall, der durch Kanalbildung in einem Hohlfaserbündel verursacht werden kann.
Hohlfasermembrane, die Tetrabrombisphenol A Polycarbonat umfassen, werden in ein Zylinderbündel geformt. Das Bündel wird eingeschlossen in eine poröse zylindrische Innenhülle eines festgelegten Durchmessers. Die Bündel werden in der Mitte einer undurchlässigen äußeren Hülle mit größerem Durchmesser eingebracht, wobei ein ringförmiger Kanal für einen Strom zwischen den porösen und undurchlässigen Hüllen offengelassen ist. Die zwei Enden der Bündel werden eingeschlossen in Röhrenböden und Kopfstücke werden um die Röhrenböden eingesiegelt, so daß ein Hochdruckzufüllstrom in den Hohlraum der Fasern an einem Ende eingebracht werden kann und ein Hochdruck Nicht-Permeat-Produktstrom aus dem Hohlraum der Fasern am anderen Ende entfernt werden kann. Öffnungen werden um den Umfang der undurchlässigen äußeren Hülle nahe dem Zufüllende der Anordnung gemacht, so daß das durchtretende Gas aus der Anordnung entfernt werden kann.
Da der Widerstand zu fließen im offenen Abschnitt zwischen den porösen und undurchlässigen Hüllen viel geringer ist als in dem mit Fasern gepackten Bereich, wird das durchtretende Fluid radial außerhalb des Faserbündels in den offenen Abschnitt fließen. Das durchtretende Fluid wird sich in dem offenen Abschnitt sammeln und wegen des Vorhandenseins der Öffnungen in der äußeren Hülle axial zu dem offenen Abschnitt hinunter fließen in eine Richtung, die dem Fluß des Zufüllgases entgegengesetzt ist. Axiale Diffusion, Dispersion und Mischen wird als vernachlässigbar in diesem System angesehen. Radiale Geschwindigkeiten im Faserbündel werden beschrieben durch die Kontinuitätsgleichung und die Permeatzusammensetzung wird beschrieben durch Spezies Kontinuitätsgleichungen. Axialgeschwindigkeiten und die Zusammensetzung in dem ringförmigen offenen Kanal wird beschrieben durch eindimensionale Hüllengleichgewichte, mit dem Permeat aus dem Bündel behandelt als Quellterme. Die Fasern werden als gleichförmig angenommen. Geschwindigkeit, Druck und Zusammensetzung innerhalb des Hohlraums der Faser wird beschrieben durch eindimensionale Hüllengleichgewichte mit dem Austreten aus der Faser, behandelt als Quellterme. Durchtrittsraten werden beschrieben durch das Standardgaspermeabilitätsmodell mit Unterschieden im Partialdruck der Bestandteile als der treibenden Kraft. Druckabfälle im Hohlraum der Fasern werden beschrieben durch das Hagen- Poiseuille Gesetz für laminare Strömung in Röhren. Die Gleichung, die dieses Modell beschreibt wird leicht gelöst, durch Verwendung einer Vielzahl von Standard-numerischen Methoden. Hier wurde orthogonale Nebeneinanderdarstellung (orthogonal Collacalisation) verwendet.
Bei 25 ºC hat die Faser eine Sauerstoff/Stickstoff-Selektivität von ungefähr 7,4 und einen Sauerstofffluß, basierend auf dem Außendurchmesser von ungefähr 2 x 10-6 cc (STP)/cm²s cmHg. Die Faser hat einen Außendurchmesser von 135 mm und einen Innendurchmesser von 95 mm. Fasern werden in Bündel angeordnet mit einem Packungsfaktor von ungefähr 35 % und einer aktiven Länge von ungefähr 62 Zoll (157,5 Zentimeter). Ein Gas, das im Volumen ungefähr 20,95 Prozent Sauerstoff und 79,05 Prozent Stickstoff enthält, wird mit 1 35 psig in den Hohlraum der Fasern gefüllt. Der Druck außerhalb der Fasern wird bei ungefähr 1 atm gehalten. Die molare Gasdichte wird unter Verwendung des idealen Gasgesetzes berechnet. Viskosität und Diffusion werden aus der kinetischen Gastheorie berechnet.
Die vorhergesagte Leistung der Vorrichtungen, die der obigen Beschreibung entsprechen, sind in Figuren 5 bis 8 gezeigt. Figuren 5 und 6 zeigen die normalisierte Ausbeute und Produktivität als eine Funktion der radialen Peclet-Zahl. Figuren 7 und 8 zeigen die normalisierte Ausbeute und Produktivität als eine Funktion des Faserbündeldurchmessers.
Dies zeigt, daß Bündel mit geeigneten kleinen Pedet-Zahlen eine Leistung erreichen können, die sich dem Gegenflußstromideal nähert, selbst wenn extreme Kanalbildung vorhanden ist.
Der Abfall in der Leistung, der durch dieses Beispiel vorhergesagt wird, tritt bei radialen Peclet-Zahlen um 1 auf, wogegen die Messungen von Beispiel 3 einen Abfall in der Leistung bei radialen Peclet-Zahlen von ungefähr 40 zeigen. Diese Diskrepanz ist zurückzuführen auf die Annahme der schlimmsten Kanal-bildenden Flußfelder, die für dieses Beispiel möglich sind, während der Modulaufbau von Beispiel 3 einen Gegenflußstrom begünstigt. Von den Ergebnissen von Beispiel 3 wird angenommen, daß sie die Leistung der Formgebung widerspiegeln, worin ein Gegenflußstrom des Permeats durch das Bündel im allgemeinen unterstützt wird.

Claims

1. Hohlfasermembranvorrichtung, gekennzeichnet durch:

A. mindestens zwei Bündel, wobei jedes Bündel eine Vielzahl von Hohlfasermembranen (11) umfaßt, die mindestens ein Fluid von einem Zufüll-Fluidgemisch trennen können, wobei jedes Bündel ein erstes Ende und ein zweites Ende hat und vorgesehen ist mit einer radialen Peclet-Zahl von weniger als ungefähr 30 zu arbeiten, wobei jedes Bündel in einer separaten und unterschiedlichen Einfassung (10; 20; 30) enthalten ist, die im wesentlichen undurchlässig für die zu trennenden Fluide und zusammen angeordnet für einen im wesentlichen parallelen Fluß von einem Zufüll-Fluidgemisch durch jedes Bündel ist;

B. mindestens einen ersten Röhrenboden (13; 23; 33), aufgebaut aus einem heiß-fixierten oder thermoplastischen polymeren Material, das sich an den ersten Enden der Bündel befindet, so angeordnet, daß die Hohlfasermembranen (11) in einem ersten Röhrenboden (13) eingebettet sind und durch den ersten Röhrenboden (13; 23; 33) kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Röhrenbodens offen sind;

C. mindestens einen zweiten Röhrenboden, aufgebaut aus einem heiß-fixierten oder thermoplastischen polymeren Material, der sich an den zweiten Enden der Bündel gegenüber den ersten Enden der Bündel befindet, so angeordnet, daß Hohlfasermembranen in einem zweiten Röhrenboden eingebettet sind und durch mindestens einen zweiten Röhrenboden kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Seite des zweiten Röhrenbodens offen sind;

D. Abdeckmittel für das erste Ende, angeordnet und angepaßt zum Anbringen an und Verschließen des ersten Endes der Bündel oder der Einfassungen bei oder nahe des mindestens einen ersten Röhrenbodens;

E. Abdeckmittel für das zweite Ende, angeordnet und angepaßt zum Anbringen an und Verschließen des zweiten Endes der Bündel oder der Einfassungen bei oder nahe des mindestens einen zweiten Röhrenbodens;

F. Mittel zum Einbringen eines Zufüll-Fluidgemisches in die Hohlräume der Hohlfasermembranen des mindestens einen ersten Röhrenbodens;

G. Mittel zum Entfernen Nicht-Permeat-Fluids aus den Hohlräumen der Hohlfasermembranen des mindestens einen zweiten Röhrenbodens; und

H. Mittel zum Entfernen Permeat-Fluids von der Außenseite der Hohlfasermembranen, das an dem Ende angebracht ist, das am nächsten zu dem Mittel zum Einbringen des Fluids in die Hohlräume der Hohlfasermembranen in dem mindestens einen ersten Röhrenboden ist, um im wesentlichen eine entgegengesetzte Fließrichtung auf der Schalenseite relativ zu dem Zufüll-Fluidgemisch innerhalb der Hohlräume der Hohlfasermembranen zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin jedes Bündel einen Packungsfaktor von mindestens 30 Prozent hat.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Hohlfasermembranbündel parallel gepackt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Hohlfasermembranbündel schräg gepackt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Einfassungen ein im wesentlichen starres Material umfassen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Hohlfasermembranen ein Polyether, ein Polysulfon, ein Polyethersulfon, ein Polybenzoxazol, ein Polyimid, ein Polyester, ein Polyethercarbonat, ein Polycarbonat, ein Polyarylat oder ein Copolymer oder ein physikalisches Gemisch daraus umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die Hohlfasermembranen Polybenzoxazol oder mindestens ein Polymer, das 9,9-bis- (Dibrom-4-hydroxyphenyl)-fluoren-, 9,9-bis (Dichlor-4- hydroxyphenyl)fluoren-, Hexafluorbisphenol A-, Tetrahalogenbisphenol A-, Tetrahalogenhexafluorbisphenol A-, Tetraalkylbisphenol A- oder Tetraalkylhexafluorbisphenol A-Reste enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polycarbonat, Polyimid, Polyether, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyarylat, Polyester, Polyestercarbonat oder ein Copolymer oder ein physikalisches Gemisch davon umfassen.

8. Verfahren zum Auftrennen eines Zufüll-Fluids, umfassend mindestens zwei Bestandteile, wobei das Verfahren umfaßt das Zufüll-Fluid durch die Hohlfasermembranen einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu leiten und Permeat-Fluid von der Außenseite der Hohlfasermembranen im wesentlichen im Gegenstrom zu entfernen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin das aufzutrennende Zufüll-Fluid ein Gemisch aus zwei oder mehr Gasen umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin das auf zutrennende Zufüll-Fluid Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserdampf, Stickstoffoxid, ein Schwefeloxid, einen leichten Kohlenwasserstoff, Naturgas, einen organischen Dampf, einen Fluorkohlenstoff oder ein Kühlmittelgas umfaßt.