DE8803701U1 - Vorrichtung zum Ablassen von Druck - Google Patents

Description

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	New	York, NY	&bull; · · · · « ftf Il ■ PATENTANWÄLTE	OR. J.-D. PRHR. von UEXKÜLL OR. ULRICH QRAF STOLBERQ DIPL-INQ. JÜRGEN SUOHANTKE DIPL INQ. ARNULF HUBER OR. ALLARO von KAMBKE DIPL-BIOL. INQEBORQ VOELKER
V.St	.A.	BRSELBRSTRASSE 4 D-aOOOHAMBURQSa	Prio.» 31. März 1987 US SN 032,826
		& Co. of the Americas,	24925 hu/co
	10036	März 1988
	Vorrichtunq zum Ablassen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung schützt Gastrennmembranen gegenüber Druckumkehrungen in Gastrennsystemen, beispielsweise durch eine Ablaßeinrichtung für das Ablassen des Druckes auf der Permeatseite einer Gastrennungsmembran, wenn der Permeatseitendruck den Druck auf der Einspeisungsseite der Membran um einen vorgegebenen Wert übersteigt.

Die Verwendung von Membranen für die Gastrennung findet immer mehr Verbreitung. Dabei werden Gasgemische unter verhältnismäßig hohem Druck über die Oberfläche einer Membran geleitet, die als selektive Barriere wirkt und einige Bestandteile des Gasgemisches schneller als andere hindurchläßt. Die Trennung der Gase bei diesem Verfahren erfolgt im allgemeinen aufgrund molekularer Wechselwirkung zwischen den gasformigen Komponenten im Einsatzstrom. Da unterschiedliche Komponenten mit der Membran unterschiedlich wechselwirken, sind ihre Transmissionsraten durch die Membran verschieden und es kann somit eine wesentiche Trennung von Komponenten erreicht werden. Während ein bestimmter selektiver Effekt von der freien molekularen Diffussion durch die Membranporen stammen kann, insbesondere

im Falle von kleinen Gasmolekülen wie Wasserstoff und Helium, wird die Membranseparation häufig hauptsächlich durch Sorption einer gasförmigen Komponente auf der Einspeisungsseite der Membran ablaufen, worauf diese Komponente durch die Membran diffundiert und auf der Permeatseite der Membran desorbiert, Für Gasseparationsprozesse eingesetzte Membranen, bei denen der Separationsmechanismus hauptsächlich durch Löslichkeit und Diffusicnsvsrmcg«n im Gegensatz zu molekularer Diffusion gesteuert wird, werden als unporöse Membranen bezeichnet. Während diese unporösen Membranen tatsächlich kleine Poren haben, werden sie typischerweise in einer sorgfältig geregelten Weise hergestellt, um eine dichte Schicht zu haben, welche die Gasübertragung in dem System wirksam steuert. Der Aufbau dieser dichten

&Lgr;*. Steuerschicht ist oft entscheidend für die Membraneigenschaften, und diese können durch Faktoren wie Feuchtigkeit, chemische Verschlechterung oder physikalische Verformung nachteilig beeinflußt werden.

Die Gasübertragung durch nicht poröse Membranen hängt ab von der Membranoberfläche, der Druckdifferenz über die Membran, von der Diffusionsrate der gasförmigen Komponenten und von der effektiven Dicke der Membran. Im allgemeinen sollte die Membranschicht, durch die die Gase diffundieren müssen, so dünn wie möglich sein, um eine maximale Gasdiffusionsmenge zu erhalten. Der Dünnheit der Membran sind jedoch dadurch Grenzen gesetzt, daß diese frei von Defekten sein muß, also beispielsweise keine kleinen Locher haben darf, und daß sie höhe Drücke von beispielsweise bis zu 20 bar aushalten können muß. Beispielsweise lädt sich eine asymmetrische Zelluloseestermembran herstellen, die eine sehr dünne, jedoch dichte, unporöse Schicht: besitzt/ und die mit einer Stützschicht von größerer Porengröße versehen ist.. Die dünne, dichte Schicht steuert im wesentlichen die Massenübertragung in dem System während die dickere Trägerschicht

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far die Festigkeit verantwortlich ist. Für die Gastrennung lassen sich viele Arten von Membranen einsetzen, beispielsweise Zelluloseester- und Polymer-Membranen wie Silikatkautschuk, Polyethylen oder Polycarbonat. Die jeweils gewählte Membran wird dem Einsatzzweck entsprechend ausgewählt.

Kommerzielle Gastrennverfahren werden im allgemeinen ununterbrochen durchgeführt/ wobei ein Einäät-äyäöätiroin in Kontakt mit der Einsatzseite einer Membran gebracht wird.

Der Druck auf der Einsatzseite des Systems wird hinreichend höher als der Druck auf der Permeatseite der Membran gehalten, um eine Antriebskraft für die Diffusion der am meisten permeablen Komponenten der gasförmigen Mischung durch die Membran zu erhalten. Der Partialdruck der permeableren gasförmigen Komponenten wird ebenfalls auf der Einsatzseite der Membran auf einen höheren Wert als auf der Permeatseita gehalten, indem ununterbrochen der Permeatstrom und der Rest des Einsatzstromes von der Membran entfernt wird. Während der Permeatstrom das gewünschte Produkt darstellen kann, ist bei zahlreichen Gastrennverfahren das gewünschte Produkt der Reststrom, während der Permeatsirom aus Verunreinigungen besteht, die aus dem Einsatzstrom zu entfernen sind.

Beispielsweise können CO- und H-S aus einer Kohlenwasserstoffmischung wie Erdgas entfernt werden, indem man eine äünne, getrocknete und gestützte ZelJ.uloseestermembran verwendet und indem man einen Differentialdruck von etwa 0,5 bär einstellt. Die partialdrücke von CO₂ und H₂B im Permeatstrom werden vorzugsweise auf etwa 80% oder weniger des Partialdruckes derselben Komponenten im Einsatzstrom gehalten, indem getrennt und kontinuierlich das verarmte Einsatzgas (Rest) und der Permeatstrom vom Kontakt der Membran entfernt werden. Der Reststrom kann natürlich in eine andere Gastrennungs-Kembranstufe eingeleitet werden und

der Permeatgasstrom kann ähnlich in eine weitere Trennetufe eingespeist werden, um ein Produkt mit noch höherer Konaentration der stärker durchlässigen Produkte zu ergeben. Tatsächlich liefert die Verwendung von mehrfachen Trennschritten seriell und/oder parallel wesentliche Variationen bei den Trennalternativen bei der Membrantechnologie, solange im System hinreichende Drücke aufrechterhalten werden körnen.

Die Einsatzstromdrücke können von 0,05 bis 20 bar schwanken, liegen jedoch im allgemeinen im Bereich von etwa 2^5 bis etwa 15 bar. Die Differentialdrücke über die Membran können so klein wie 0,05 bar oder so hoch wie etwa 10 bar sein, was von vielen Paktoren abhängt, beispielsweise von der Art der verwendeten Membran, von der Strömungsgeschwindigkeit des Einsatzstromes und von der Verfügbarkeit es Kompressors zum Komprimieren des Permeatstromes, falls eine derartige Kompression gewünscht wird. Ein Differentialdruck von mindestens 0,5 bar wird bevorzugt, da ein geringerer Differentialdruck mehrere Einheiten, mehr Zeit und Kompression der Zwischenproduktströme bei hintereinandergeschalteten Einheiten erfordert. Differentialdrücke von 5 bar oder weniger werfen ebenfalls allgemein bevorzugt, da sie die Lebensdauer der Membranen verlängern. Differentialdrücke von mehr als etwa

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10 bar führen leicht zum Zerreißen der Membran. Obgleich eine zusätzliche Membranstütze oder ein Membranträger in Form von porösem Metall oder Kunststoff vorgesehen sein kann, können diese Stoffe die Größe des Systems wesentlich

beeinflussen und sie können weitere Verträglichkeitsprobleme 30

mit sich bringen, insbesondere unter Bedingungen, wenn sie sich in anderem Ausmaße als die Membranen selbst dehr^n
zusammenziehen.

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Spiralförmig gewickelte Membrananordnungen finden immer mehr Verbreitung bei kommerziellen Gastrennverfahren. Ein Vorteil der Spiralwicklungstechnik liegt darin, daß dabei eine große Membrankontaktfläche zur Verfugung gestellt wird, während die Gesamtabmessungen des einschließenden Gefäßes verhältnismäßig klein sind. Spiralförmig gewickelte Membranen für die koinesrzielle Anwendung werden üblicherweise in Form von Membraneinheiten aufgebaut, die einen Abschnitt von Permeatleitung aufweisen, um den die Membran gewickelt ist. Diese j Membraneinheiten werden dann entweder allein oder zusammen f. in Reihe geschaltet, indem ihre Permeatleitungsabschnitte | verbunden werden. Der übliche Weg, spiralförmig gewickelte , Membraneinheiten zu verwenden, besteht darin, diese entweder j allein oder in Form mehrerer Einheiten in Modulen unterzu bringen. Die Module können dann wieder allein verwendet oder zweckmäßigerweise in Reihe oder parallel geschaltet werden, um die gewünschte Behandlung zu ergeben.

Die praktische Lebensdauer von Gastrennungsmembranen

einschließlieh von spiralförmig gewickelten Membranen hat sich noch nicht als vollständig vorhereagbar erwiesen. Man glaubt, daß verschiedene Faktoren die Eigenschaften der Membranen mit der Zeit beeinflussen. Hierzu gehören die normalen Betriebsdruckdifferenzen, die Art des zu behandelnden Gases und die Qualität der Membran selbst. Membranen verschlechtern sich im übrigen mit der Zeit von selbst. Man hat daher immer wieder versucht/ in Gastrennsystemen die Zuverlässigkeit der Membranen zu verbessern, insbesondere ihre Lebensdauer zu verlängern.

Bs hat sich nun gezeigt, daß, obgleich Membranen bereite wesentliche Druckdifferenzen aushalten können, wenn nämlich der Druck auf der Eiflaatzsöite den Druck auf der Permeatseite wesentlich übersteigt/ ihre asymmetrische

Struktur, insbesondere bei spiralförmiger Wicklung, sie

wesentlich anfalliger für Beschädigungen macht, wenn eine Druckumkehr erfolgt. Beispielsweise wurden spiralförmig gewickelte Elemente, die für Drücke von 5,6 bar im Normalbetrieb ausgelegt waren, bereits durch verhältnismäßig kleine Umkehrdrücke beschädigt. Dabei traten starke Beschädigungen oder selbst Bruche der Membranelemente bei Permeatdrücken auf, die nur 0,02 bar hoher als auf ier Einsatzseite waren. Solche Umkehrdrücke können jedoch zufällig in Hochdrucksystemen bei Anlagenstörungen auftreten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die in Gastrennsystemen einen Druckablaß bewirkt, wenn sich die Druckdifferenz über eine Gastrennmembran derart umkehrt, daß der Rückdruck eine Beschädigung der "⁵ Trennmerabran befürchten läßt.

Gleichzeitig soll das abströmende Permeatgas in gesteuerter Weise aus dem System abgelassen werden.

Zur Losung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.

Die Vorrichtung besitzt einen Körper mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei ein zusammenhängender Kanal von einem Einlaß am zweiten Ende zu einem Auslaß am ersten Ende verläuft. Ein Ventilkegel mit einer Tellergröß^, die den Kanalauslaß abzudecken vermag, ist an dem Körper so bewegbar montiert, daß er in einer geschlossenen Stellung den Kanalauslaß abdeckt und in einer offenen Stellung Gas durch den Kanal strömen läßt/ wenn der Körper zwischen der Permeatseite und der Einsatzseite der Membran befestigt ist. Dabei steht der Kanaleinlaß in StrömungsverbJLndung mit der Permeatseite der Membran und der Kanalauslaß ist an die Einsatzseite der Membran angeschlossen. Dadurch wird jede Differenz zwischen dem permeatseitigen Druck und dem

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einsatzseitigen Druck ausgeglichen. Vorspannmittel spannen den Ventilkegel in die geschlossene Stellung vor, wenn der Penneatseitendruck den Druck auf der Einsatzseite nicht um eine vorgegebene Größe übersteigt. Die Vorspannung ist außerdem so gewählt, daß der Ventilkegel offnen kann, wenn der Druck auf der Permeatseite den Druck auf der Einsatzseite der Membran um den vorgegebenen Betrag übersteigt. Schließlich dienen Dichtungsmittel dazu, eine Gasströmung durch den Kanal zu verhindern, wenn der Ventilkegel geschlossen ist.

Eine derartige Ablaßvorrichtung läßt sich allgemein in Gastrennvorrichtungen einsetzen und insbesondere in solchen, die spiralförmig gewickelte Membraneinheiten aufweisen. Bekannte Systeme lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im ülrigen ohne weiteres nachrüsten.

Heitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung und den Unteransprüchen .

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels in geöffneter Stellung»

Figur 2 eine Draufsicht auf das erste Ende des Körpers der Vorrichtung von Figur 1;

Figur 3 einen Grundriß des Ausführungsbeispiels von Figur 1 von der Schaftseite aus gesehen»

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Figur 4 einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel, und zwar entlang der Linie 4-4 von Figur 3?

Figur 5 einen Längsschnitt durch den Korper des Ausführungsbeispiels; und zwar entlang der Linie 5-5 von

Figur 2 j

Figur 6 einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel

von Figur 1 mit geschlossenem Ventil;
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Figur 7 eine Ansicht einer Gastrennvorrichtung, bei dsr das Ausführungsbeispifcl eingesetzt ist; und

Figur 8 eine teilweise geschnittene Darstellung der Gastrennvorrichtung nach Figur 7 unter Darstellung des Einsatzes des Ausführungsbeispiels.

In den Figuren sind gleiche Teile durchwegs mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Ablassen von Druck auf der Permeatseite einer Gastrennungsmembran, wenn der Druck um einen vorgegebenen Betrag größer als auf der Einsatzseite wird. Die Vorrichtung 10 besitzt einen Körper 12 und einen Ventilkegel 14. Gemäß Figur 5 hat der Körper 12 ein erstes Ende 16, ein zweites Ende 18 und einen zusammenhängenden Kanal 20, der von einem Einlaß 22 am zweiten Ende zu einem Auslaß 24 an dem ersten Ende verläuft. In der dargestellten Ausführungsform weist der Auslaß 24 sechs Bohrungen 26 am ersten Ende auf. Gemäß Figur 3 besitzt der Ventilkegel 14 einen Teller 28, der so bemessen ist, daß er den Auslaß 24 einschließlich aller Bohrungen 26 abdeckt. Gemäß Figur 6 ist der Ventilkegel im Körper bewegbar montiert, so daß er eine geschlossene Stellung gemäß Figur 6 haben kann, bei der der Teller 28 den Kanalauslaß 24 abdeckt, und der eine offene Stellung gemäß 5 Figur 1 einnehmen kann.

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Zweckmäßigerweise besitzt der Ventilkegel einen zylindrischen Schaft 30 und der Körper besitzt eine zylindrische öffnung 32, die den Schaft 30 derart aufnimmt, daß der Ventilkegel 14 im Körper gleitend verschiebbar montiert ist. Der Schaft 30 gleitet dann in der öffnung, wenn sich der Ventilkegel zwischen seiner geöffneten und geschlossenen Stellung bewegt. In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist ein Ende Aaa Sciisfts 3Q Hiit einem Gstiinclsfortsatz 34 versehen - dsr einen kleineren Durchmesser als der Schaft 30 hat, so daß eine Schulter 36 am übergang vom Fortsatz zum Schaft gebildet ist. Gemäß Figur 6 ist eine Scheibe 38 mit einer Mittelbchrung 40 von solcher Große, die den Durchtritt des Gewindefortsatzes 34 gestattet, nicht jedoch den Durchtritt des Schafts erlaubt, am Ventilkegel befestigt, wenn der Schaft durch die Korperbohrung 32 gesteckt ist. Die dargestellte Scheibe 38 wird an der Schulter 36 durch Stellmuttern 41 gehalten und sie ist zweckmäßigerweise so groß, daß der Ventilkegel nicht vollständig durch die Körperbohrung 32 nach außen gezogen werden kann.

Vorspannmittel sind vorgesehen, um den Ventilkegel in seine geschlossene Stellung vorzuspannen. In der hierin dargestellten bevorzugten Ausfuhrungsform besitzt der Körper 12 einen ersten Federraum 42, der konzentrisch zu der Bohrung 32 ist 5 und der zur Aufnahme eines Endes einer Schraubenfeder 44 dient. Die Scheibe 38 ist so geformt, daß sie eine Schale 45 für die Aufnahme des anderen Endes der Schraubenfeder bildet* Die Schraubenfeder hat einen solchen Durchmesser, daß dar Schaft 30 hindurchgesteckt werden kann, so daß er darin beim Übergang von der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung und umgekehrt bewegbar ist. Bei der Hontage der Vorrichtung 10 wird der Schaft 30 durch die Bohrung 32 des Körpers 12 gesteckt, worauf die Schraubenfeder 44 über den Schaft 30 geschoben wird. Danach wird die Scheibe 38 auf den Gewindefortsatz 34 gesteckt und gegen die

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Schulter 36 gedrückt/ und zwar durch die Einstellmuttern 41. Wenn die Einstellmuttern 41 auf dem Gewindefortsatz 34 ein Stück zurückgeschraubt werden/ so verändert dies die Vorspannung der Schraubenfeder 44. Es sind aber auch andere Vorspanneinrichtungen, beispielweise Blattfedern oder elastische Elemente anstelle der Schraubenfeder einsetzbar. Ihre Auswahl ist dem Fachmann geläufig.

Dichtungsmittel sind außerdem vorgesehen, um die Gasströmung im wesentlichen durch den Kanal 20 zu unterbrechen/ wenn sich der Ventilkegel 14 in der geschlossenen Stellung befindet. In den bevorzugten Ausführungsformen hat der Teller 28 eine kreisförmige Nut 46, die so angeordnet ist, daß sie einen Teil des ersten Endes 16 des Körpers 12 überlappt, welcher den Kanalauslaß 24 einschließlich aller Bohrungen 26 vollständig umgibt. Die Nut 46 besitzt eine Nase 48 und hat eine derartige Tiefe, daß ein nachgiebiger O-Ring 49 in die Nut einschnappen und trotzdem noch etwas vorstehen kann, um dichtend auf dem ersten Ende 16 aufzuliegen, wenn der Ventilkegel 14 geschlossen ist. Die Länge der Schraubenfeder 44 ist so gewählt, daß außer wenn eine hinreichende externe Kraft den Ventilkegel in die offene Stellung drückt, die Federkraft ihn geschlossen hält, wobei der O-Ring 49 dichtend auf dem ersten Ende 16 aufliegt 5 und dadurch eine Gasströmung durch den Kanal 20 verhindert. Andere Dichtungseinrichtungen wie eine undurchlässige Dichtung, die an geeigneter Stelle am Umfang des ersten Endes 16 eingebaut ist/ sind dem Fachmann ebenfalls geläufig.

Das Vorspannmittel in Form der Schraubenfeder 44 ist so gewählt/ daß dann, wenn dere Korper 12 zwischen der Permeatseite und der Zuleitungsseite der Membran befestigt ist, der Ventilkegel in seiner geschlossenen Stellung bleibt, wenn der Permeatseitendruck den Zuleitungsseitendruck nicht um

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einen vorgegebenen Betrag überschreitet. Wenn aber der permeatseitige Druck den Druck an der Zuleitungsseite um den vorgegebenen Betrag überschreitet, dann kann der Ventilkegel öffnen und Gas durch den Kanal 20 ablassen, so daß ein Differentialdruckausgleich erfolgt. Es ist klar, daß dann, wenn der Permeatseitendruck den Einsatzseitendruck um eine vorgewählte Größe übersteigt, der Druck im Gas, das sich im

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und dabei die von der Schraubenfeder 44 eingestellte Vorsp<

wird.

Vorspannung überwindet, so daß der Ventilkegel geöffnet

Die Figuren 1, 3, 4 und 6 zeigen am besten, daß der Teller 28 des Ventilkegels scheibenartig ist und eine kreisförmige Deckfläche 47 hat, die am ersten Ende 16 des Körpers 13 anliegt, während der Stamm 30 zweckmäßigerweise zylindrisch ist und sich im rechten Winkel von der Mitte der Abdeckfläche 47 erstreckt. Die Oberfläche des Körpers 12 ist am ersten Ende 16 zweckmäßigerweise eben, so daß der Teil des ersten Endes, der von dem O-Ring 49 berührt wird, wenn der Ventilkegel geschlossen ist, im wesentlichen kopie^iar ist. Dies liefert eine im wesentlichen gleichmäßige Dichtung, wenn der O-Ring 49 zwischen dem Ventilteller 28 und dem ersten Körperende 16 zusammengedrückt wird. Es ist außerdem zweckmäßig, wenn der Kanalauslaß 24 in Bezug auf die Abdeckfläche 47 symmetrisch ist, um einen gleichmäßigen Gasstrom durch den Auslaß 24 einzurichten, wenn der Ventilkegel unter Druck geöffnet wird. Gemäß Figur 2 hat der Auslad sechs Bohrungen 26, die symmetrisch um die Mitte der Abdeckfläche 47 des Ventiltellers 28 angeordnet sind.

Das beschriebene Ablaßventil kann in bestehende Gastrennsysteme mit Membran eingesetzt werden, um die Membranen vor Beschädigung zu schützen, wenn der Druck auf der Permeatseite der Membran den Druck an der Einsatzseite um einen vorgegebenen

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Betrag übersteigt.

Die Figuren 7 und 8 zeigen Einzelheiten der Installation des erfindungsgemäßen Ablaßventils. Ein Modul 50 weist ein Gefäß 53 mit einer Einsatzgas-Einla41eitung 54, einer Restauslaßöffnung 56 und einer PermeatauslaßÖffnung 58 auf. Figur B zeigt den Innenaufbau des Moduls 50. Der Modul 50 enthält

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Di'htungsstruktur 62, die gleichzeitig aus Stütze für die Membraneinheit 60 und als Barriere für unter Druck eingeleitetes Gas dient, das durch die Einlaßöffnung 54 in die Membraneinheit 60 eintritt. Die in Figur 8 gezeigte Membraneinheit 60 stellt eine typische Einheit dar, bei der eine Membran 63 spiralförmig um eine Permeatleitung 64 gewickelt ist. Die durch die Membran tretenden Gase gelangen zum Innenende der Spiralwicklung, an dem sie in die Permeatleitung 64 durch darin vorgesehene, jedoch nicht dargestellte Öffnungen eintreten. Es sind verschiedene Abstandsstrukturen bekannt, beispielsweise Trikotprodukte, welche in der Spiralstruktur verwendet werden, um die Strömung des Permeats in Richtung auf die Leitung zuzulassen. Solche Abstandsstrukturen bestehen aus feinmaschigem Material mit offenen Kanälen. Das Material kann ein Polypropylen, ein Polyester oder ein ähnliches polymeres Material sein. ^^J Außerdem ist eine Abstandsstruktur an der Einsatzseite der Membran vorgesehe.., um Gasströmung in und durch die spiralförmig gewickelte Struktur zuzulassen. Diese äußere Abstandsstruktur kann aus polymerem Material wie Polypropylen gemacht sein. Ein Beispiel dafür ist ein Vexarnetz. Nähere Einzelheiten über ein spiralförmig gewickeltes Gastrenneleroent. sind der ÜS-PS 4 134 742 zu entnehmen, auf die hie"-ausdrücklich Bezug genommen wird. In jedem Fall q^. -&ldquor;tet diese Struktur, daß Permeatgas in die Permeatleitung 64 durch die zuvor erwähnten, nicht dargestellten Löcher eintreten kann. Die Permeatleitung liegt dabei in der

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Membraneinheit. Das Restgas strömt von der Membraneinheit in das Einschlußgefäß, und zwar auf der Restseite der Dichtung. Das Restgas kann dann den Modul 50 durch die Auslaßöffnung 56 verlassen.

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In der Praxis beträgt der Druckabfall fiber die Dichtungsbarriere 62 zwischen dem Einsatzgas und dem Restgas nur sehr wenig, nämlich lediglich einige Zehntel bar und der Einsatz- > gasdruck wird daher im wesentlichen als gleich groß wie der Restgasdruck angesehen. Andererseits ist der Arbeitsdruckab- f fall von dem Einsatzgas und dem Restgasstrom zum Permeatgas- ' strom im Gastrennsystem normalerweise mindestens 0,05 bar, ' während der im allgemeinen zwischen 0,5 und 5 bar liegt und bei manchen Membransystemen sogar bis zu 10 bar betragen kann. Sowohl der Einsatzstrom als auch der Reststrom befinden sich an der Einsatzseite der Membran, während der Permeatstrom an der anderen Seite der Membran zu finden ist. Gemäß Figur 8 ist die Vorrichtung 10 an der Permeatleitung 64 der Membraneinheit 60 angebracht, wobei der Körper 12 an der Permeatleitung zwischen der Permeatseite und der Einsatzseite der Membran befestigt ist. Der Kanaleinlaö steht in Strömungsverbindung mit der Permeatseite der | Membran, und zwar durch die Permeatleitung 64. In Figur 8 ist der Ventilkegel 14 in geschlossener Stellung dargestellt.

Wenn der Ventilkegel in Figur 8 öffnet, dann gelangt der Kanalauslafl des Körpers 12 in Strömungsverbindung mit der Einsatzseite der Membran, so daß Gas durch den Körperkanal strömen kann.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung 10 wird im folgenden anhand von Pigur 8 erläutert! Im Normalzustand ist der Einsatzseitendruck (d.h. der Gasdruck an der Reätauslaßoffnung) wesentlich höher als der Permeatseitendruck (d.h. der Druck in der Permeatleitung). Die spiralförmig gewickelte Membran einheit 60 ist so gebaut, dall sie die normalerweise

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auftretenden Betriebsbedingungen aushalten kann. Unter diesen Bedingungen wird der Ventilkegel von einem Vorspannmittel, beispielsweise der Feder 44 von Figur 6 und von der Arbeitsdruckdifferenz geschlossen gehalten. Wenn jedoch der Permeatseitendruck durch eine zufällige Bildung von Rückdruck im System ansteigt, oder wenn andererseits der Einsatzseitendruck plötzlich absinkt, beispielsweise durch ein Leck im Einsatzsystem, dann entsteht eine umkehr des Differenzdrucks in der Weise, daß der Permeatseitendruck großer als der Einsatzseitendruck wird. Es hat sich nun gezeigt, daß lediglich eine nominelle Umkehr des Differenzdrucks, die beispielsweise in der Größenordnung von 0,02 bar liegt, zu Beschädigungen der spiralförmig gewickelten Membran fuhren kann. Dies läßt sich dadurch vermeiden, indem die Vorrichtung 10 mit einem Vorspannmittel versehen wird, welches es dem Ventilkegel 14 gestattet, zu offnen und den Differenzdruck abzulassen, wenn der Permeatseitendruck den Einlaßseitendruck um einen vorgegebenen Annäherungswert überschreitet. Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Vorspannung am Ventilkegel 14 so eingestellt wird, daß dieser bereits bei einem Rückdruck von etwa 0,01 bar öffnet. Dann werden nämlich selbst zerbrechlichste Membranen wirkungsvoll geschützt.

^S Es wird darauf hingewiesen, daß bei geeignet bemessenen Einschlußgefäßen verschiedene, beispielsweise sechs Membraneinheiten 60 gemäß Figur 8 vorgesehen sein können, von denen jede eine Permeatleitung 64 mit einer Membran 63 aufweist, die spiralförmig darum gewickelt ist und die untereinander in Reihe geschaltet sind, indem eine Verbindung an den Permeatleitungsenden hergestellt wurde. Dichtungsbarrieren wie 62 in Figur 8, können für jede Einheit vorgesehen sein. Andererseits kann eine rohrförmigen glatte Auskleidung/ die nicht dargestellt ist, in dem Einschlußgefäß vorgesehen und 5 darin in einer Weise abgedichtet sein, die ähnlich der-

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jenigen ist, die für die Membraneinheit 60 in Figur 8 gezeigt ist, so daß verschiedene Membraneinheiten satt in die Auskleidung einsetzbar und ihre Permeatleitungen in Reihe verbunden sind, während ihre Außenflächen hinreichend gegen die Innenfläche der Auskleidung abgedichtet sind. In jedem Fall ist die vorderste Permeatleitung beispielsweise durch das Rohr 67 in Figur 8 mit der Permea t aus laß öffnung gemäß 58 in Figur 8 verbunden, und da diese Leitungen untereinander verbunden sind, braucht lediglich die hinterste Membraneinheit mit einem Ablaßventil versehen zu sein. Die so mit einem Ablaßventil ausgestatteten Membraneinheiten ergeben eine verbesserte Membraetrennvorrichtung. Bei der Ausfuhrungsform nach Figur 8 ist das Ablaßventil 10 an die Permeatleitung 64 der Membraneinheit 60 angeschlossen.

Wie man am besten anhand der Figuren 1 und 6 erkennt, ist das zweite Ende &Iacgr;3 des Korpers 12 eben und gemäß Figur 8 ist es so gestaltet, daß es dem Endflansch 69 einer Permeatleitung zugewandt ist. Eine ringförmige, nachgiebige Dichtung (nicht dargestellt) ist zweckmäßigerweise zwischen dem zweiten Ende 18 und dem Endflansch 69 eingelegt und die Vorrichtung 10 kann an einer Permeatleitung 64 mit Hilfe von nicht dargestellten Klammern im wesentlichen luftdicht befestigt werden, wobei die Klammern den Rand 19 des Körpers und den Flansch der Permeatleitung 64 erfassen. Der Rand 19 ist ein Mittel zum Befestigen des zweiten Körperendes 18 der Vorrichtung 10 an einer Permeatleitung. Andere Befestigungsmittel sind natürlich ebenfalls denkbar, beispielsweise eine Gewindeverbindung oder eine andere Art von Schraubenverbindung.

Die verbesserte Membraneinheit und die Module verwenden beispielsweise Zelluloseacetatmembranen, wie sie in der US-PS 4 134 742 beschrieben sind. Andere Membranmaterialien sind natürlich ebenfalls einsetzbar. Hierzu gehören nicht

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nur die verschiedenen anderen Zelluloseester, sondern auch andere Polymerstoffe.

Der Korper 12 und der Ventilkegel 14 der Vorrichtung sind aus einem Material gebaut, das die erwähnten Druckdifferenzen aushalten kann und das gegenüber Chemikalien widerstandsfähig ist, die in dem Gas enthalten sind. Außerdem muß das Material für Gas im wesentlichen undurchlässig sei-.. Bevorzugte Verwendung findet rostfreier Stahl. Die Scheibe 88 und die Stellmuttern 41 sowie die Schraubenfeder 44 bestehen ebenfalls zweckmaßigerweise aus rostfreiem Stahl. Der O-Ring 49 soll ebenfalls fur Chemikalien widerstandsfähig sein und kein Gas durchlassen. In einer Ausführungsform, die für die kommerzielle Gastrennung in Modulen geeignet ist, bei der die Membranen spiralförmig gewickelt sind, hat einen maximalen Außendurchmesser von etwa 7,5 cm und eine Hohe von etwa 8,5 bis 9,5 cm. Die sechs Bohrungen 26 haben jeweils etwa 12 mm Durchmesser.

Claims (6)

- 17 - Ansprüche

1. Vorrichtung zum Ablassen von Druck auf der Permeatseite einer Gastrennungsmembran, wenn der Permeatseitendruck den Druck auf der Einsatzseite der Membran um einen vorgegebenen Betrag übersteigt, gekennzeichnet durch:

- (a) einen Korper (12) mit einem ersten Ende (16), einem zweiten Ende (18) und einem durchgehenden Kanal (2C), der von einem Einlaß (22) an dem zweiten Ende (18) zu einem Auslaß (24) an dem ersten Ende (16) verläuft»

- (b) einen Ventilkegel (14) mit einem Teller (28), der den Kanal-Auslaß (24) überdecken kann, wobei der Ventilkegel (14) in dem Korper (12) zwischen einer geschlossenen Stellung, bei der der Teller (28) den Kanal-Auslaß (24) verschließt, und einer offenen Stellung, bei der Gas durch den Kanal (20) strömen kann, wenn der Korper (12) zwischen der Permeatseite und der Einsatzseite der Membran montiert und der Kanal-Einlaß (22) an die Permeatseite der Membran und der Kanalauslaß (24) an die Einsatzseite der Membran angeschlossen ist»

- (c) Vorspannmittel zum Vorspannen des Ventilkegels (14) in die geschlossene Stellung; und

(d) Dichtungsmittel (49) zum Abdichten des Ventilkegels (14) in der geschlossenen Stellung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet»

daß das Vorspannmittel eine Schraubenfeder (44) ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsmittel ein Ring aus nachgiebigem Material ist_r der zwischen den Teller (28) des Ventilkegels (14) und das den Auslaß (24) umgebende erste Ende (16) des Korpers (12) eingelegt ist.

4· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkegel (14) einen Schaft (30) aufweist, der sich durch eine Bohrung (32) im Körper (12) erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet:, daß der Teller (28) des Ventilkegels (14) scheibenartig ist und eine kreisförmige Abdeckfläche hat, die bei geschlossenem Ventil auf dem ersten Ende (16) des Korpers (12) aufliegt; daß der Schaft (30) des Ventilkegels (14) zylindrisch ist und sich von der Mitte des Tellers (28) senkrecht erstreckt; und daß der Auslaß (24) des Korpers (12) in Bezug auf den Teller (28) symmetrisch ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (49) ein O-Ring ist, der in eine Tellernut (46) eingelegt i&t und etwas über die Unterseite des Tellers (28) vorsteht.

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