NL1017516C2 - Fractionering van vloeistofmengsels met behulp van membraancontactoren. - Google Patents

Description

Fractionering van vloeistofmengsels met behulp van membraancontactoren

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het fractioneren van een 5 vloeistofmengsel dat een laagkokende (meest vluchtige) en hoogkokende (minst vluchtige) component bevat, waarbij gebruik wordt gemaakt van membraancontactoren. De uitvinding betreft eveneens een inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze.

Destillatie wordt op grote schaal toegepast om twee of meer componenten in een vloeistof 10 (gedeeltelijk) te scheiden. Aangezien de scheiding in het algemeen niet tot volledige zuivere componenten zal leiden, wordt gesproken van fractionering. Meestal wordt de fractionering uitgevoerd in een schotelkolom of een kolom voorzien van bedden met gestructureerde pakking. Kenmerkend voor deze processen is dat een omhoog stromende damp en een neerwaarts stromende vloeistof in contactzones direct met elkaar in contact worden gebracht. 15

Het "klassieke" destillatieproces heeft een aantal nadelen, waaronder dat het relatief veel energie vereist en relatief grote kolommen noodzakelijk zijn. Recentelijk zijn pogingen gedaan het bestaande destillatieproces te verbeteren, bijvoorbeeld door toepassing van selectieve membranen. Voorbeelden hiervan worden beschreven in US 5905182, US 5914435 en 20 US 5962763. Voordeel van pervaporatie (vloeistof als voeding) of damppermeatie (damp als voeding) is dat een groot contactoppervlak aanwezig is en door het toepassen van selectieve membranen de efficiëntie kan worden verhoogd en daardoor een compacte kolom gebouwd kan worden. Tot nog toe blijkt dat het scheidend vermogen - combinatie van permeatie-snelheid en selectiviteit - door een membraan nog niet voldoende is om met destillatie te 25 kunnen concurreren.

Pervaporatie of damppermeatie worden wel als ondersteuning van destillatie gebruikt. In al deze gevallen wordt een top- of bodemstroom uit de kolom door een membraanunit geleid, waarin de membranen selectief zijn t.o.v. tenminste één van de componenten in het mengsel. 30 De componenten passeren het membraan en worden opgevangen als product. Het retentaat en een gedeelte van het product worden terug in de destillatiekolom gevoerd.

- 1Gi7 -ia 2

Ook is membraantechnologie bij uitstek geschikt om azeotropen te kraken, zonder additie van chemicaliën. Dit kan door een mengsel met een samenstelling die dicht bij het azeotroop ligt buiten de kolom te verrijken en terug te voeren danwel in een volgende kolom te scheiden 5 (US 4774365). Ook is het kraken van de azeotroop met membraantechnologie in de kolom beschreven (US 5614065). Pervaporatie of damppermeatie zijn echter nog niet doorgebroken.

Het doel van de uitvinding is een destillatie proces te verschaffen dat o.a.: • minder energie vereist dan bekende processen; 10 · kan worden uitgevoerd in een inrichting met minder volume; • meer vrijheidsgraden geeft bij de bouw van een destillatie-unit.

De uitvinding bestaat eruit dat vloeistofstromen met verschillende concentraties in eikaars nabijheid worden gebracht met behulp van permeabele membraancontactoren. Deze 15 membraancontactoren geleiden de vloeistofstroom. De membraancontactor houdt de vloeistof tegen en laat moleculen alleen als damp door. Eventueel maar niet noodzakelijk kan de membraanwand selectief zijn ten opzichte van de componenten van de vloeistofstroom.

De onderhavige uitvinding verschaft derhalve een werkwijze voor het ffactioneren van een 20 vloeistofmengsel omvattende een laagkokende en een hoogkokende component, waarbij het vloeistofmengsel door een vloeistofkanaal van een eerste membraancontactor wordt gevoerd, waarbij de wanden van het vloeistofkanaal permeabel zijn voor damp; waarbij stofuitwisseling plaatsvindt via de wanden van het vloeistofkanaal tussen het vloeistofmengsel en een damp buiten het vloeistofkanaal; 25 waardoor een eerste damp verrijkt aan laagkokende component ontstaat en het vloeistofmengsel wordt verrijkt aan hoogkokende component.

Bij de uitvinding wordt een membraancontactor toegepast. De membraancontactor vormt (ten minste) een vloeistofkanaal waar de te ffactioneren vloeistof doorheen kan stromen. Damp 30 treedt via de permeabele wand uit het vloeistofkanaal. Tussen de damp buiten het 3 vloeistofkanaal en de vloeistof in het vloeistofkanaal treedt stofuitwisseling op. Dit is een dynamisch proces dat overall resulteert in een damp met een hogere concentratie van de meest vluchtige (laagkokende) component dan het initiële vloeistofmengsel. De achterblijvende vloeistof raakt hierdoor relatief verrijkt aan hoogkokende component.

5

Bij deze uitvoering is het membraan dat de permeabele wand van het vloeistofkanaal vormt, niet-selectief. De hoogkokende en de laagkokende component worden in dezelfde mate doorgelaten door het membraan. Het gebruik van selectieve membranen wordt volgens de uitvinding echter niet uitgesloten. In principe zijn gebruikelijke typen membraan geschikt.

10 Het membraan kan al dan niet door vloeistof worden bevochtigd.

Bij voorkeur wordt de werkwijze volgens de uitvinding met ten minste twee membraan-contactoren uitgevoerd. Bij deze werkwijze wordt de eerste damp verrijkt aan de laagkokende component langs een tweede membraancontactor gevoerd welke een vloeistofkanaal omvat 15 waarvan de wanden permeabel zijn voor damp; wordt een tweede vloeistofmengsel omvattende de laagkokende en de hoogkokende component door het vloeistofkanaal van de tweede membraancontactor gevoerd; waarbij stofuitwisseling plaatsvindt via de wanden van het vloeistofkanaal tussen het tweede vloeistofmengsel een damp buiten het vloeistofkanaal; 20 waardoor een tweede damp verrijkt aan laagkokende component ten opzichte van de eerste damp ontstaat en het tweede vloeistofmengsel wordt verrijkt aan hoogkokende component.

De vloeistofkanalen van de eerste en tweede membraancontactoren kunnen zijn gekoppeld, waarbij het tweede vloeistofmengsel verrijkt aan hoogkokende component dat de tweede 25 membraancontactor verlaat, door de eerste membraancontactor wordt gevoerd en verder wordt verrijkt aan de hoogkokende component.

Een aantal membraancontactoren waarvan de vloeistofkanalen gekoppeld zijn kan worden samengevoegd, bijvoorbeeld in een container waarin de fractionering kan worden uitgevoerd. 30 Deze uitvoeringsvorm betreft een werkwijze voor het fractioneren van een vloeistofstroom omvattende een laagkokende en een hoogkokende component, waarbij de vloeistofstroom 4 door ten minste twee membraancontactoren wordt gevoerd waarbij de vloeistofstroom achtereenvolgens door de membraancontactoren stroomt en bij iedere membraancontactor wordt verrijkt aan hoogkokende component en een dampstroom langs de membraancontactoren wordt gevoerd in een richting tegengesteld 5 aan de richting van de vloeistofstroom, welke dampstroom wordt verrijkt met laagkokende component uit de vloeistofstroom.

De membraancontactoren kunnen zijn samengevoegd in een container, maar de uitvinding kan ook bestaan uit een samenstel van "losse" membraancontactoren welke zijn gekoppeld.

10

Een dampstroom rijk aan laagkokende component en een vloeistofstroom rijk aan hoogkokende component treden dus uit het samenstel van membraancontactoren. Het uitvoeren van de werkwijze in een dergelijk samenstel heeft als voordeel dat er veel contactoppervlakken zijn en dat een grote scheidingsefïiciëntie kan worden bereikt. In feite is 15 een dergelijke uitvoeringsvorm vergelijkbaar met een klassieke destillatie in een schotelkolom. Belangrijk onderscheid is dat de vloeistof- en dampfase fysiek gescheiden worden gehouden door een membraancontactor.

De uittredende dampstroom wordt gecondenseerd en als product gewonnen. Bij voorkeur 20 wordt een deel van de gecondenseerde dampstroom teruggevoerd als vloeistofstroom in de laatste membraancontactor tegen de richting van de dampstroom in. De uittredende vloeistofstroom wordt als product gewonnen. Een deel van de vloeistofstroom wordt herverdampt en teruggevoerd als dampstroom aan de laatste membraancontactor tegen de richting van de vloeistofstroom in.

25

De voeding, welke het te ffactioneren mengsel bevat, wordt bij voorkeur tussen de membraancontactor bij de "top" en de membraancontactor bij de "bodem" van de container ingebracht. De bodem van de container is hier de membraancontactor waar een dampstroom uittreedt met de relatief laagste concentratie laagkokende component. De top van de container 30 wordt gevormd door de contactor waar de dampstroom uittreedt met de relatief hoogste concentratie laagkokende component, welke vervolgens wordt gecondenseerd, zoals 5 hierboven beschreven. Bij voorkeur wordt de voeding toegevoerd ter hoogte van een membraancontactor waar de vloeistofstroom eenzelfde samenstelling heeft als de voeding.

De onderhavige uitvinding verschaft eveneens een inrichting voor het fractioneren van een 5 vloeistofmengsel omvattende een laagkokende en een hoogkokende component, welke inrichting omvat: een container voorzien aan een uiteinde van een afvoer voor dampstroom verrijkt aan laagkokende component (destillaat) en een toevoer voor vloeistofstroom, en aan het andere uiteinde van een toevoer voor dampstroom en een afvoer voor vloeistofstroom verrijkt aan 10 hoogkokende component (residu), welke container eveneens is voorzien van een toevoer voor een te fractioneren vloeistofmengsel (voeding), waarbij de container ten minste twee membraancontactoren bevat welke een vloei-stofkanaal voor transport van de vloeistofstroom omvatten, waarbij het vloeistofkanaal van 15 een membraancontactor verbonden is met het vloeistofkanaal van een aangrenzende mem braancontactor zodanig dat de vloeistofstroom via de membraancontactoren van het ene uiteinde van de container naar het andere uiteinde getransporteerd kan worden, waarbij de wanden van de membraancontactor doorlaatbaar zijn voor damp.

20 De container kan voorts zijn voorzien van een condensor verbonden met de afvoer voor destillaat, welke condensor voorzien is van een afvoer voor gecondenseerd destillaat, welke verbonden is met de toevoer voor vloeistofstroom. Eveneens kan een herverdamper aanwezig zijn, welke is verbonden met de afvoer voor residu en welke is voorzien van een afvoer die is verbonden met de toevoer voor dampstroom.

25

De membraancontactor vormt (ten minste) een vloeistofkanaal. Dit kan worden verkregen door als membraancontactor twee of meer parallelle vlakke membranen toe te passen. Een andere mogelijkheid is het gebruik van holle vezelmembranen of capillaire membranen. Door een aantal vezels parallel te combineren wordt een segment van holle vezels verkregen. Dit 30 kan in zijn geheel toegepast worden als membraancontactor. Door een segment stroomt een vloeistofstroom met in iedere holle vezel globaal dezelfde samenstelling. Een aantal 6 segmenten van holle vezels kan worden gecombineerd tot een holle vezelmodule. De gehele module wordt doorstroomd door een vloeistof met globaal eenzelfde samenstelling. De container wordt gevormd door een combinatie van twee of meer segmenten of modules.

5 Naast een container is een geschikte inrichting volgens de uitvinding een samenstel van een aantal membraancontactoren, in het bijzonder modules. Deze modules hoeven zich niet in een "vaste behuizing" te bevinden. Op deze wijze worden extra vrijheiden gecreëerd voor de opbouw van stofstromen en warmte-uitwisseling.

10 Bij een specifieke uitvoeringsvorm is de stroomrichting van de vloeistofstroom door een membraancontactor kruislings ten opzichte van de vloeistofstroom door een daaraan grenzende membraancontactor.

Mogelijke vormen van de wanden van de vloeistofkanalen zijn: met poreuze membranen met 15 daarop een dunne dichte polymeer of keramische laag die (licht) selectief is, waardoor de componenten als damp permeëren; een poreus membraan die het vloeistofmengsel tegenhoudt doordat de membranen niet worden bevochtigd, waarbij de poriën zijn gevuld met damp; en een poreuze wand die het vloeistofmengsel zodanig doorlaat dat de vloeistof als een dunne film op de membraancontactor staat, de poriën zijn gevuld met vloeistof.

20

Het heeft de voorkeur de container zo uit te voeren dat de dampstroom ter hoogte van het vloeistofkanaal in tegenstroom met de vloeistofstroom is. Dit kan worden bereikt doordat tussen de membraancontactoren platen zijn aangebracht welke de dampstroom ter hoogte van de membraancontactor in tegenstroom met de vloeistofstroom langs de membraancontactor 25 geleiden.

Bij een uitvoeringsvorm strekken de platen zich afwisselend vanaf de ene dan wel de andere wand van de container uit en laten daarbij een doorgang vrij voor dampstroom en vloeistofstroom. Bij een andere uitvoeringsvorm zijn de platen ten minste gedeeltelijk geperforeerd en 30 stekken zij zich over de volle breedte van de container uit. Ook een combinatie van deze uit- 7 voeringsvormen is mogelijk, waarbij de platen gedeeltelijk geperforeerd zijn voor het verkrijgen van een doorgang voor dampstroom en vloeistofstroom.

Een voordeel van de uitvinding is dat de membraancontactoren niet noodzakelijkerwijs op 5 elkaar geplaatst hoeven worden ter verkrijging van een kolom zoals bij klassieke destillatie het geval is. Bij klassieke destillatie moeten om een juiste bevloeiing te krijgen, de bevloeiingschotels exact horizontaal en de kolom zelf exact verticaal geplaatst worden. De membraancontactoren kunnen onder iedere hoek geplaatst worden. Daarbij is er een vrije keuze van stroomrichting van damp- en vloeistofstroom.

10

De afstand tussen membraancontactoren is zo klein mogelijk en wordt bepaald door de fysieke afmetingen van spacermaterialen, de membranen en de maximaal toelaatbare dampdrukval over de segementen.

15 De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de figuren, waarin figuur 1 een fractionering over twee membraancontactoren weergeeft; figuur 2a het bovenaanzicht van een container met meerdere membraancontactoren weergeeft; figuur 2b het zijaanzicht van een container met meerdere membraancontactoren 20 weergeeft; figuur 3a en 3b respectievelijk zij- en vooraanzicht van een mogelijke containercon-structie met holle vezels met gedeeltelijke tegenstroom en zeer lage dampdrukval weergeven; figuur 4a en 4b respectievelijk zij- en vooraanzicht van een mogelijke containercon-structie met holle vezels met volledige tegenstroom en redelijke dampdrukval weergeven; 25 figuur 5a en 5b respectievelijk zij- en vooraanzicht van een mogelijke containercon- structie met holle vezels met volledige tegenstroom en hoge dampdrukval weergeven; figuur 6a en 6b respectievelijk zij- en vooraanzicht van een mogelijke containercon-structie met holle vezels met gedeeltelijke tegenstroom en hoge dampdrukval weergeven; figuur 7a en 7b respectievelijk zij- en vooraanzicht van een mogelijke containercon-30 structie met perfecte tegenstroom en redelijke dampdrukval weergeven, uitgevoerd met membraanmodules; 8 figuur 8a en 8b respectievelijk zij- en vooraanzicht van een mogelijke containercon-structie met vlakke membranen met gedeeltelijke tegenstroom en zeer hoge drukval weergeven; figuur 9a en 9b respectievelijk zij- en vooraanzicht van een mogelijke containercon-5 structie met vlakke membranen met gedeeltelijke tegenstroom en redelijke drukval weergeven.

In figuur 1 wordt de werkwijze volgens de uitvinding weergegeven voor twee membraan-contactoren 1 en 2. Vloeistofstroom L2 welke een laagkokende en hoogkokende component 10 bevat, wordt via leiding 27 toegevoerd aan membraancontactor 2 welke bestaat uit wand 24 welke een vloeistofkanaal 25 omgeeft. Het vloeistofkanaal is bijvoorbeeld een holle vezel. Een vloeistofstroom Li verrijkt aan hoogkokende component, ten opzichte van L2, verlaat membraancontactor 2 via leiding 26 en wordt vervolgens naar membraancontactor 1 gevoerd.

15 Membraancontactor 1 bestaat uit een wand 22, welke een vloeistofkanaal 23 omgeeft. Een vloeistofstroom Lo verrijkt aan hoogkokende component ten opzichte van vloeistofstroom Li verlaat de membraancontactor 1 via leiding 28. Via de wand 22 van membraancontactor 1 treedt een dampstroom V1 naar buiten. Deze dampstroom is ten opzichte van vloeistofstroom Li verrijkt aan laagkokende component. Dampstroom Vi stroomt in de richting van mem-20 braancontactor 2. Uit dampstroom V1 condenseert een vloeistofstroom La in vloeistofstroom L2. La is ten opzichte van Vi verrijkt aan hoogkokende component Uit membraancontactor 2 treedt via wand 24 een dampstroom Vz. Deze dampstroom V2 is ten opzichte van dampstroom VI verrijkt aan laagkokende component.

25 In figuren 2a en 2b is een container weergegeven welke meerdere membraancontactoren bevat. Figuur 2a geeft een bovenaanzicht terwijl figuur 2b een zijaanzicht geeft. Figuur 2a toont een container 30 waarin zich ter illustratie 4 membraan contactoren 1,2,3 en 4 bevinden. De membraancontactoren kunnen bestaan uit holle vezels, maar kunnen ook gevormd worden door vlakke membranen.

30 9

In figuur 2a wordt via 31 voeding toegevoerd aan de container ter hoogte van membraancon-tactor 2. Uit de container treedt een vloeistofstroom 32 welke wordt gescheiden in een bo-demstroom 33 (bodemproduct of residu) en een recyclestroom 34. Via herverdamper 43 wordt de recyclestroom verwarmd voordat deze wordt toegevoerd aan de container.

5

Aan de andere zijde van de container treedt een dampstroom 35 uit. Deze wordt toegevoerd aan een condensor 44 waarna een destillaatstroom 36 (topproduct) wordt verkregen. Een deel van de destillaatstroom 37 wordt teruggevoerd naar de container ter hoogte van mem-braancontactor 4. Deze vloeistofstroom L4 stroomt door membraancontactor 4 en wordt 10 hierin verrijkt aan hoogkokende component. Een verrijkte vloeistofstroom L3 wordt via lei ding 38 naar membraancontactor 3 gevoerd. Hieruit treedt een vloeistofstroom L2 welke via leiding 39 wordt gecombineerd met de voeding 31 en aan membraancontactor 2 wordt toegevoerd. Uit membraancontactor 2 treedt een vloeistofstroom Li welke via leiding 40 naar membraancontactor 1 wordt gevoerd. Uit membraancontactor 1 treedt ten slotte 15 vloeistofstroom 32. Uit het bovenstaande volgt dat de vloeistofstroom van top naar bodem steeds verder wordt verrijkt met de hoogkokende component.

Naast de vloeistofstroom gaat ook een dampstroom door de container. Bij elke membraancontactor wordt deze verder verrijkt aan laagkokende component (respectievelijk Vi, V2, V3, 20 V4). Ten slotte wordt dampstroom 35 verkregen.

In figuur 2b is als zijaanzicht een vergelijkbare container 30 als in figuur 2a weergegeven. Een membraancontactor bestaat uit een segment 41 van holle vezels 42. In totaal zijn vier membraancontactoren (1,2,3 en 4) weergegeven. Voorts zijn in deze figuren de stromen in 25 en uit de container weergeven, met dezelfde referentiecijfers als in figuur 2a. Zo is 31 de voeding, 32 het bodemproduct, 34 de recyclestroom uit de herverdamper 43, 35 de dampstroom die uit de container treedt, 37 een deel van de gecondenseerde dampstroom welke wordt teruggevoerd naar de container na te zijn gecondenseerd in condensor 44. Topproduct 36 en bodemproduct 33 zijn ook weergegeven. Met de grote pijl is de overall vloeistofstroom 30 door de vezels weergegeven.

10

In de figuren 3 tot en met 9 zijn mogelijke constructies van de container en de daarin aanwezige membraancontactoren weergegeven. Alle figuren geven zowel een voor- als een zijaanzicht (a en b). In figuur 3a en 3b zijn een aantal segmenten 56 van holle vezelmembranen 55 weergegeven welke zijn geplaatst in container 57. Vloeistofstroom 52 treedt in het bovenste 5 segment binnen en stroomt via de respectieve membraansegmenten door de container. De holle vezelmembranen van ieder segment zijn via koppelingen 53, 54 gekoppeld met het volgende segment. Een dampstroom 51 stroomt vanaf het onderste segment door de container, overall in tegenstroom met de vloeistof, maar lokaal, ter hoogte van de holle vezel membranen, in dwarsstroom.

10

Om het contact tussen vloeistofstroom en dampstroom te veranderen en om de drukval aan te passen, zijn verschillende kolomconstructies mogelijk zoals weergegeven in figuur 4a/b, 5a/b en 6a/b. In figuur 4a en 4b zijn er afwisselend aan de ene dan wel aan de andere wand van de container platen 58,60 aangebracht. Deze platen laten ruimtes 59, 61 vrij voor doorstroming 15 van de damp en de koppelingen 53, 54 tussen de holle vezel membranen.

In figuur 5a en 5b laten de platen 58, 60 geen ruimtes vrij maar zijn deze ter hoogte van de koppelingen 53,54 tussen de holle vezel membranen geperforeerd 62,63. In figuur 6a en 6b strekken de platen 64 zich over de hele breedte uit en zijn over de gehele breedte 20 geperforeerd.

Figuur 7a en 7b geven een voorbeeld van een container waarin de membraancontactoren de vorm hebben van holle vezel modules 65. Door een module, welke bestaat uit verschillende segmenten 56 van holle vezels 55, stroomt een vloeistofstroom met globaal gelijke 25 samenstelling door elke van de holle vezels. Tussen de modules kunnen afwisselend aan de ene dan wel de andere wand van de container 57 platen 66,67 zijn aangebracht, welke zorgen voor geleiding van de dampstroom.

In figuur 8 en 9 zijn twee voorbeelden weergegeven van containers waarin de membraan-30 contactoren bestaan uit vlakke membranen. In figuur 8a en 8b worden een container 80 getoond. In de container zijn membraancontactoren 81 aangebracht welke bestaan uit een 11 vlak membraan 82 en een vlak membraan 83 welke een vloeistofkanaal 84 vormen. Door het vloeistofkanaal 84 tussen de twee vlakke membranen 82 en 83 gaat een vloeistofstroom 85. Verschillende aldus gevormde membraancontactoren zijn via leidingen 86 en 87 gekoppeld. Een dampstroom 88 gaat in tegenstroom met de overall vloeistofstroom door de container en 5 langs de membranen.

In figuur 9a en 9b zijn de membraancontactoren 91,92 zodanig aangebracht dan zij afwisselend aan de ene en de andere zijde ruimtes 93,94 open laten waardoor de gasstroom ter hoogte van de membraancontactor in dwarsstroom met de vloeistofstroom stroomt.

10

In de onderstaande tabel staan kernwaarden voor respectievelijk zeefschotel, gestructureerde pakkingen en membraancontainer destillatie.

zeefschotel destillatie met potentie destillatie gestructureerde pakking membraancontainer _____ 1.5 10'1 (2-4) X10'2 10’J -10-4 a [m2/m3] 30-100 50-500 500-1300 HTU/HETP [cm] 40-60 30-50 5-30

Kolominhoud [Hfl/m2] - 20-40 >20-40

Drukval [mbar/schotel] 2-5 0.1-0.5 0.2 15 De genoemde parameters hebben de in de techniek bekende betekenis, te weten: k: stofoverdrachtscoëfficiënt a: specifiek oppervlak HTU: height of a transfer unit HETP: heigh equivalent of a theoretical plate 20

Voorbeelden Voorbeeld 1 12

Berekening HETP voor het fractioneringsmengsel Benzeen/Tolueen - verwaarloosbare membraanweerstand -

Op basis van voor destillatie geldende vuistregels, bekende fysische eigenschappen, bekende 5 stofoverdrachtcoëffciënten van membraancontactoren in vergelijkbare systemen en geschikte Sherwoodvergelijkingen is een schatting gemaakt van de height equivalent of a theoretical plate (HETP) voor het modelmengsel tolueen/benzeen in een atmosferische kolom. In dit mengsel is benzeen vluchtiger dan tolueen, waardoor verdampende vloeistof in benzeen verrijkt terwijl condenserende damp in tolueen verrijkt. Het mengsel vormt geen azeotroop. 10 De volgende aannames zijn gedaan:

Gemiddelde fysische eigenschappen, dichtheid (p) en viscositeit (η) van respectievelijk de vloeistof (L) en het gas (G):

Pl = 800 kg/m3 15 po = 2.8 kg/m3 til = 2.8 10"4 Ns/m2 ηο = 10'5 Ns/m2

Geschatte diffusiecoëfficiënten (D): 20 Vloeistof: Dl = 5 10'9 m2/s

Damp: Dg - 10'5 m2/s

Verdelingscoëfficiënt (m) m = K^- = \— =0.0035 Pl 800 25

Holle vezel afmetingen uitwendige diameter: du;t = 1 mm, wanddikte: 6 = 0 mm lengte: L = 200 mm 13

Superflciele gassnelheid: vg = 0.5 m/s

Berekening overall gas overdrachtscoëfficiënt koG-5 — = — + — = 23.8 + 78 = 102 s/m

kOG kG kL

koG = 10' m/s HTU0G = = —°f· = 0.05 m = 5 cm oc k0Ga 10~2103 10 De HETP is daarmee omstreeks 5 cm.

Per HETP is de dampdrukval 0.2 mbar en de vloeistofdrukval 35 mbar.

Voorbeeld 2

Berekening HETP voor het fractioneringsmengsel Benzeen/Tolueen 15 - inclusief membraanweerstand van membraan met toplaag -

Uitgangspunten als voorbeeld 1. Extra is een toplaag op een poreuze steunlaag met de volgende eigenschappen:

Membraanwanddikte: 100 μιη 20 Toplaagdikte gel: 100 nm

Diffusiecoëfficiënt in de steunlaag: 10'5 m/s Diffusiecoëfficiënt in de gellaag: 10'9 m/s

Doel van de gellaag is het voorkomen van penetratie van vloeistof in het poreuze gedeelte van het membraan zonder dat de massaoverdracht wordt belemmerd cq. zonder selecitiviteit. 25

Uitvoering van dezelfde berekeningen met daaraan toegevoegd een weerstand in serie model met bovenstaande gegevens resulteert in een HETP van 10 cm.

De voornaamste voordelen van deze werkwijze t.o.v. klassieke destillatie zijn: 14 • Energiebesparing doordat in de contactzones een veel groter contactoppervlak kan worden geïnstalleerd per volume, waardoor de fractionering op lagere temperatuur mogelijk is. Gebruik van energie die uit een lagere energieklasse komt.

• Volumebesparing doordat in de contactzones een veel groter contactoppervlak kan wor-5 den geïnstalleerd per volume, waardoor een kleiner apparaat dezelfde scheiding bewerkstelligt.

• Damp en vloeistof kunnen ook in horizontale tegenstroom door de contactzones geleid worden.

• De contactzones kunnen modulair worden gebouwd.

10 · Door modulaire bouw en lage bouwhoogte is het scheidingsapparaat gemakkelijk uit te breiden en gemakkelijk te onderhouden.

• Door modulaire bouw en lage bouwhoogte wordt energiebesparing door toepassing van warmtepompen (tussen de rectificatie- en stripsectie) gemakkelijker realiseerbaar.

• Geen voorkeurstroming van vloeistof. Dus ook geen vloeistofverdelers en herverdelers 15 nodig.

• De toelaatbare dampsnelheid is niet gelimiteerd door opstuwing (flooding) van neerwaarts stromende vloeistof.

• Geen meeslepen van kleine druppels door de damp. Dus ook geen mistvangers nodig.

• Eventueel verhoogde selectiviteit door toepassing van specifieke membranen.

20 · Druk van vloeistof kan onafhankelijk van druk van damp worden ingesteld.

Claims (19)

1. Werkwijze voor het fractioneren van een vloeistofmengsel omvattende een 5 laagkokende en een hoogkokende component, waarbij het vloeistofmengsel door een vloeistofkanaal van een eerste membraancontactor wordt gevoerd, waarbij de wanden van het vloeistofkanaal permeabel zijn voor damp; waarbij stofuitwisseling plaatsvindt via de wanden van het vloeistofkanaal tussen het vloeistofmengsel en een damp buiten het vloeistofkanaal; 10 waardoor een eerste damp verrijkt aan laagkokende component ontstaat en het vloeistofmengsel wordt verrijkt aan hoogkokende component.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de eerste damp verrijkt aan de laagkokende component langs een tweede membraancontactor 15 wordt gevoerd welke een vloeistofkanaal omvat waarvan de wanden permeabel zijn voor damp; een tweede vloeistofmengsel omvattende de laagkokende en de hoogkokende component door het vloeistofkanaal van de tweede membraancontactor wordt gevoerd; waarbij stofuitwisseling plaatsvindt via de wanden van het vloeistofkanaal tussen het tweede 20 vloeistofmengsel en een damp buiten het vloeistofkanaal; waardoor een tweede damp verrijkt aan laagkokende component ten opzichte van de eerste damp ontstaat en het tweede vloeistofmengsel wordt verrijkt aan hoogkokende component.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij het tweede vloeistofmengsel verrijkt aan 25 hoogkokende component door de eerste membraancontactor wordt gevoerd en verder wordt verrijkt aan de hoogkokende component.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, voor het fractioneren van een vloeistofstroom omvattende een laagkokende en een hoogkokende component, waarbij 9 de vloeistofstroom door ten minste twee membraancontactoren wordt gevoerd waarbij de vloeistofstroom achtereenvolgens door de membraancontactoren stroomt en bij iedere membraancontactor wordt verrijkt aan hoogkokende component en een dampstroom langs de membraancontactoren wordt gevoerd in een richting tegengesteld 5 aan de richting van de vloeistofstroom, welke dampstroom wordt verrijkt met laagkokende component uit de vloeistofstroom.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij de dampstroom welke alle membraancontactoren is gepasseerd wordt gecondenseerd en gedeeltelijk als vloeistofstroom wordt 10 teruggevoerd aan de laatste membraancontactor tegen de richting van de dampstroom in.

6. Werkwijze volgens conclusie 4 of 5, waarbij de vloeistofstroom welke alle membraancontactoren is doorstroomd gedeeltelijk wordt herverdampt en als dampstroom wordt teruggevoerd aan de laatste membraancontactor tegen de richting van de vloeistofstroom in. 15

7. Werkwijze volgens conclusie 4, 5 of 6, waarbij een voeding welke een te fractioneren vloeistofmengsel omvat, wordt toegevoerd aan een van de membraancontactoren.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij de voeding wordt toegevoerd ter hoogte van 20 een membraancontactor waar de vloeistofstroom eenzelfde samenstelling heeft als de voeding.

9. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de dampstroom ter hoogte van het vloeistofkanaal in tegenstroom met de vloeistofstroom langs het 25 vloeistofkanaal stroomt.

10. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de stroomrichting van de vloeistofstroom door een membraancontactor kruislings ten opzichte van de vloeistofstroom door een daaraan grenzende membraancontactor is. 30

11. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, welke inrichting omvat: een container voorzien aan een uiteinde van een afvoer voor dampstroom verrijkt aan laagkokende component (destillaat) en een toevoer voor vloeistofstroom, en aan het andere 5 uiteinde van een toevoer voor dampstroom en een afvoer voor vloeistofstroom verrijkt aan hoogkokende component (residu), welke container eveneens is voorzien van een toevoer voor een te fractioneren vloeistofmengsel (voeding), waarbij de container ten minste twee membraancontactoren bevat welke een vloei-10 stofkanaal voor transport van de vloeistofstroom omvatten, waarbij het vloeistofkanaal van een membraancontactor verbonden is met het vloeistofkanaal van een aangrenzende mem-braancontactor zodanig dat de vloeistofstroom via de membraancontactoren van het ene uiteinde van de container naar het andere uiteinde getransporteerd kan worden, waarbij de wanden van de membraancontactor doorlaatbaar zijn voor damp. 15

12. Inrichting volgens conclusie 11, waarbij de membraancontactor wordt gevormd door een segment van in hoofdzaak parallelle holle membraanvezels.

13. Inrichting volgens conclusie 11, waarbij de membraancontactor wordt gevormd door 20 ten minste twee vlakke membranen.

14. Inrichting volgens een van de conclusies 11 tot 13, waarbij de container voorts is voorzien van een condensor verbonden met de afvoer voor destillaat, welke condensor voorzien is van een afVoer voor gecondenseerd destillaat welke verbonden is met de toevoer voor 25 vloeistofstroom.

15. Inrichting volgens een van de conclusies 11 tot 14, waarbij de container voorts is voorzien van een herverdamper, welke is verbonden met de afVoer voor residu en welke is voorzien van een afvoer die is verbonden met de toevoer voor dampstroom. 30 A ; % ' · .' f" .·*’·' ;·>··· } i : / : , o i

16. Inrichting volgens een van de conclusies 11 tot 15, waarbij tussen de membraancontactoren platen zijn aangebracht welke de dampstroom ter hoogte van de membraancontactor in tegenstroom met de vloeistofstroom langs de membraancontactor geleiden. 5

17. Inrichting volgens conclusie 16, waarbij de platen zich afwisselend vanaf de ene dan wel de andere wand van de container uitstrekken daarbij een doorgang voor dampstroom en vloeistofstroom vrijlatend.

18. Inrichting volgens conclusie 16, waarbij de platen ten minste gedeeltelijk geperfo reerd zijn en zich over de volle breedte van de container uitstrekken.

19. Inrichting volgens conclusie 18, waarbij de platen gedeeltelijk geperforeerd zijn voor het verkrijgen van een doorgang voor dampstroom en vloeistofstroom.