WO2008116872A1 - Membranvorrichtung und verfahren zur herstellung einer membranvorrichtung - Google Patents

Membranvorrichtung und verfahren zur herstellung einer membranvorrichtung Download PDF

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WO2008116872A1
WO2008116872A1 PCT/EP2008/053529 EP2008053529W WO2008116872A1 WO 2008116872 A1 WO2008116872 A1 WO 2008116872A1 EP 2008053529 W EP2008053529 W EP 2008053529W WO 2008116872 A1 WO2008116872 A1 WO 2008116872A1
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Thomas Melin
Michael Schleger
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Rwth Aachen
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Definitions

  • the membrane device according to the invention for mass and / or heat exchange between fluids such as gases and liquids has several membrane layers. Between the membrane layers in each case flow channels are formed. In this case, it is preferred that in each case a flow channel is formed between two adjacent membrane layers.
  • the connection of adjacent membrane layers takes place at least in part by punctiform connection points. To produce such a punctiform connection point at which the membrane layers are joined to one another, for example by welding or gluing, at least one of the two membrane layers lying opposite one another is led out of the membrane layer plane and connected to the adjacent membrane layer at a punctiform connection point to form a three-dimensional membrane device.
  • Suitable materials for the membrane layers are polymer compounds containing, for example, vinyl, phenyl, fluoroethylene, ether, imide, amicyl, sulfone, cellulose and / or acetate compounds, and / or polycationic and anionic materials, such as perfluorinated and / or sulfonated polyaromatics and ketones, polyether ketones, polyetheretherketones Particularly preferred in this case is the use of bondable materials.
  • the second membrane layer which is preferably likewise aligned, is then placed on top.
  • adhesive is applied in the form of dots and possibly lines to the upper side of the second membrane layer, wherein the now applied adhesive dots are applied laterally offset to the first on adhesive dots.
  • the application of the adhesive to the outside of the second membrane layer can take place before or after the connection of the second membrane layer to the first membrane layer.
  • the application of adhesive and subsequent application of the next Membraniage is repeated.
  • the punctiform connection points or the adhesive points are preferably arranged in a regular grid.
  • the lateral offset of the point-shaped adhesive points is preferably chosen such that the distance between a punctiform bond to the surrounding Kiebs? is always the same.
  • the supply and removal of fluid in a preferred embodiment does not take place laterally into the flow channels, but through correspondingly provided passage openings.
  • passage openings are made in the membrane bearings, which are in particular flat.
  • the passage openings are produced in particular by punching.
  • annular glue lines in the edge region of the through-openings, in the case of round through-openings. This results in a seal.
  • Corresponding sealing connections are provided alternately between adjacent membrane layers, so that fluid can flow in or out only in every second flow channel.

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Abstract

Eine Mernbranvorrichtung zum Stoff- und/ oder Wärmeaustausch zwischen Fluiden weist mehrer Membranlagen (10, 12) auf. Zwischen den Membranlagen ist jeweils ein Strömungskanal (44, 46) ausgebildet. Die Membranlagen (10, 12) sind an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen (16, 22) zur Ausbildung einer dreidimensionalen Membranvorrichtung miteinander verbunden. Ferner betrifft die Verbindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Membranvorrichtung,

Description

Membran Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer
Membranvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Membranvorrichtung zum Stoff- und/ oder Wärmeaustausch zwischen Fluiden wie Gasen und/ oder Flüssigkeiten sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Membranvorrichtung,
Da je nach Einsatzzweck die ein- oder andere Anforderung an die Modulkonstruktioπ geknüpft ist, sind auf dem Markt eine Reihe unterschiedlich konzipierter Modultypeπ erhältlich. Im Bereich der Flachmembranen haben sich 3 Bauarten etabliert - der Plattenmodul, der Kissenmodul und der Wickelmodul.
Beim Plattenmodu! werden die einzelnen Flachmembranen jeweils mit einer Platte abgestutzt und zu Stapeln zusammengefasst. Die gesamte Konstruktion und insbesondere das Dichtungssystem ist sehr aufwändig. Viele Strömungsumlenkungen führen zu relativ hohen internen Druckverlusten, gleichzeitig resultieren die geringen Packungsdichten in vergleichsweise hohen spezifischen Kosten.
Zur Fertigung des Kissenmoduls werden zwei Flachmembranen mit einem dazwischen Hegenden Abstandhalter (Spacer) an den Rändern zu einem Kissen verschweißt oder verklebt. Die Membrankissen werden in Stapein angeordnet und zeichnen sich durch geringe permeatseitige Druckverluste, eine niedrige Anzahl an Dichtungen aus. Als nachteilig erweist sich die relativ geringe Packungsdichte und - je nach Bauart - ein erhöhter Energiebedarf aufgrund vieler Umlenkungen des feedseitigen Strömungskanals.
Beim Wickelmodul werden eine oder mehrere Membrantaschen zusammen mit je einem netzähnlichen Spacer aus Kunststoff spiralförmig um ein Permeatsammeirohr gewickelt. Die Membrantasche besteht dabei aus zwei ebenen Membranen, zwischen denen, ähnlich wie beim Kissenmodul, ein Spacer zur Permeatabfuhr eingearbeitet ist. Von allen Modulen mit Flachmembraπen weist der Wickelmodul die höchste Packungsdichte auf. Auch die einfache, kostengünstige Fertigung und ein durch feedseitige Abstandhalter verursachter guter Stoffaustausch sind positiv zu bewerten. Als Nachteile sind der zum Teil lange permeatseitige Strömungsweg und die schlechte Reinigungsmöglichkeit zu nennen.
Ferner ist aus DE 10 2005 011 471 eine Membranvorrichtung mit wabenförmigen Kanälen bekannt. Mit den Kanalenden sind die entsprechenden Kanäle über ein Verteiisystem miteinander bzw. mit einer Zu- und Abführleitung verbunden. Die einzelnen Membranlagen sind zur Ausbildung der wabenförmigen Kanalstruktur abgewinkelt, so dass in Längsrichtung der Kanäle verlaufende Knickkanten vorgesehen sind, Benachbarte Membranlagen sind in Längsrichtung der Kanäle an aneinander liegenden Flächen miteinander verklebt. Eine derartige Membranvorrichtung weist insbesondere den Nachteil auf, dass ein abdichtendes Verbinden der Verteiler mit der Membranstruktur, um ein Vermischen der Fluide zu vermeiden, problematisch sein kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Membranvorrichtung zum Stoff- und/ oder Wärmeaustausch zwischen Fluiden sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Membranvorrichtung zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und kostengünstig herstellbar ist. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfinduπgsgemäß durch ein Membranvorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 18,
Die erfindungsgemäße Membranvorrichtung zum Stoff- und/ oder Wärmeaustausch zwischen Fluiden wie Gasen und Flüssigkeiten weist mehrere Membraniagen auf. Zwischen den Membrantagen sind jeweils Strömungskanäle ausgebildet. Hierbei ist es bevorzugt, dass zwischen zwei benachbarten Membranlagen jeweils ein Strömungskanal ausgebildet ist Erfindungsgemäß erfolgt das Verbinden benachbarter Membraniagen zumindest teilweise durch punktförmige Verbindungsstellen. Zum Erzeugen einer derartigen punktförmigen Verbindungsstelle, an der die Membranlagen beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben miteinander verbunden werden, wird zumindest eine der beiden einander gegenüberliegenden Membranlagen aus der Membranlagenebene herausgeführt und zur Ausbildung einer dreidimensionalen Membranvorrichtung an einer punktförmigen Verbindungsstelle mit der benachbarten Membranlage verbunden. Aufgrund des erfindungsgemäßen punkförmigen Verbindens an zumindest einigen Stellen kann einerseits eine einfache Verbindung benachbarter Membranlagen erfolgen und andererseits werden durch die Membranlagen Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet. Hierdurch erfolgt ein Auftreten von Strömungsänderungen in den Fluiden, wie beispielsweise das Auftreten von Verwirbelungen, Turbulenzen oder Verzweigungen des strömenden Fluids. Dies hat den Vorteil, dass an den Grenzschichten zwischen dem Fluid und den Membranlagen ein guter Fluidaustausch stattfindet, so dass ein guter Wärme- und/ oder Stoffaustausch zwischen den Fluiden über die entsprechende Membranlage erzielt ist.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Verbindens benachbarter Membranlagen über Verbindungsstellen, insbesondere Klebstelien, kann in bevorzugter Ausführungsform das Vorsehen eines Abstandshalters bzw. eines Spacers zwischen den Membranlagen entfallen. Beim Vorsehen von mehreren punktförmigen Verbindungsstellen erfolgt automatisch ein dreidimensionales Verformen der Membranlagen. Bevorzugt ist es hierbei eine dreidimensionale Wellenstruktur in den einzelnen Membranlagen durch entsprechendes Anordnen der Verbindungsstellen zu erzielen. Insbesondere in Hauptströmungsrichtung weist der Strömungskanal eine Weilenstruktur auf. Vorzugsweise ist auch quer zur Hauptströmungsrichtung eine entsprechende Wellenstruktur vorgesehen.
Besonders bevorzugt ist es, insbesondere durch das Vorsehen der punktförmigen Verbindungsstellen kuppelartige Erhebungen sowie vorzugsweise komplementäre Vertiefungen auszubilden. Derartige Erhebungen, die im Querschnitt beispielsweise parabelförmig sind, werden von dem Fluid umströmt. Ferner werden durch die Erhebungen Turbulenzen hervorgerufen, so dass ein durch Mischen des Fluids innerhalb des Strömungskanals gewährleistet ist. Insbesondere sind in Hauptströmungsrichtung mehrere Erhebungen und zwischen den Erhebungen vorgesehene entsprechende Vertiefungen angeordnet. Vorzugsweise ist die Welienstruktur auch senkrecht zur Hauptströmungsrichtung entsprechend ausgebildet, so dass die Wellenstruktur abwechselnd kuppeiförmige Erhebungen und Vertiefungen aufweist.
In besonders bevorzugter Ausführungsform erfolgt das Vorsehen der Verbindungsstellen bzw. der Klebestellen an den Maxima der Erhebungen. Hierbei ist es weiter bevorzugt, dass die benachbarte Membranlage mit der die Membranlage verbunden werden soll an der Verbindungsstelle eine Vertiefung aufweist. Die Verbindungsstellen benachbarter Membraniagen sind hierbei in bevorzugter Ausführungsform zueinander versetzt und insbesondere regelmäßig angeordnet. Ist beispielsweise zwischen einer ersten und einer zweiten Membranlage an einem bestimmten Punkt eine Verbindungsstelle vorgesehen, so ist zwischen der zweiten und dritten Stelle lediglich in einem Abstand zu dieser Verbindungsstelle, d, h. seitlich zu der Verbindungsstelle verschoben, eine weitere Verbindungsstelle zwischen der zweiten und dritten Mernbranlage vorgesehen. Die einzelnen Verbindungsstellen zwischen unterschiedlichen Membranlagen sind somit seitlich zueinander versetzt angeordnet.
Die Verbindung der einzelnen Strömungskanäle mit einer Zu- und Abführleitung sowie gegebenenfalls die Verbindung einzelner Kanäle untereinander beim Vorsehen mehrerer Kanäle kann über seitlich an den Membranlagen angeordnete Verbindungselemente, insbesondere wie in DE 10 2005 011 471 beschrieben, erfolgen. In besonders bevorzugter Ausführungsform erfolgt ein derartiges Verbindung der Strömungskanäle mit mindestens einer Zu- und einer Ableitung über in den Membranlagen vorgesehen Durchlassöffnuπgen. Insbesondere sind mehrere Durchlassöffnung koaxial zueinander angeordnet. Dies kann insbesondere durch gemeinsames Ausstanzen entsprechender Durchlassöffnungen durch die Membranlagen erfolgen. Hierbei handelt es sich um ein einfaches und somit kostengünstiges Herstellungsverfahren. Vorzugsweise sind im Bereich der Durchlassöffnungen benachbarte Membranlagen paarweise miteinander abdichtend verbunden. Dies hat zur Folge, dass ein Fluid, das insbesondere senkrecht zu den Membranlagen durch die Durchlassöffnungen strömt, nur in jeden zweiten Strömungskanal gelangen kann. Selbstverständlich kann das Zu- und Ableiten von Fluid entsprechende Durchlassöffnungen sowie durch entsprechende mit einer Stirnseite der Membranvorrichtung verbundenen
Beförderungsvorrichtung, wie beispielsweise in DE 10 2005 011 471 beschrieben, auch miteinander kombiniert werden.
Die einzelnen Membranlagen sind vorzugsweise über mehrere, insbesondere punktförmige Verbindungsstellen miteinander verbunden. Im Randbereich können auch linien- oder rahmenförmige Verbindungsstellen vorgesehen sein. Insbesondere ist die Wahl des Materials der Membranlagen sowie deren Dicke in Verbindung mit der Anzahl bzw. der Dichte der Verbindungspunkte sowie in Verbindung mit gegebenenfalls weiter vorgesehenen Verbindungsstellen derart gewählt, dass eine selbsttragende Struktur erzielt ist. Hierzu weisen die einzelnen Membraniagen in bevorzugter Ausfuhrungsform eine Dicke von 5 - 200 μm auf. Geeignete Materialien für die Membranlagen sind Polymerverbindungen, die beispielsweise Vinyl-, Phenyl-, Fluorethylen-, Ether- , Imid-, Amicj-, Sulphon-, Ceiiuiose- und/ oder Acetat-Verbindungen enthalten, und/ oder polykationische und anionische Materialien, wie perfluorierte und/ oder sulfonierte Polyaromate und -ketone, Polyetherketone, Polyetheretherketone aufweist Besonders bevorzugt ist hierbei die Verwendung von verklebbaren Materialien.
Die Strömungskanäle weisen vorzugsweise sich verändernde Querschnittsgeometrien auf. Die Querschnittsflächen bleiben hierbei vorzugsweise im Wesentlichen konstant. Hierdurch ist gewährleistet, dass keine oder nur geringe Druckverluste auftreten. Hierdurch treten keine oder nur geringe Beschleunigungen in dem Fluid auf.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann insbesondere mit Hilfe des nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, das insbesondere zur Hersteilung der vorstehend beschriebenen Membranvorrichtung geeignet ist, werden in einem ersten Schritt zweiflächig oder partiell aneinanderliegende Membranlagen an Verbindungsstellen, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben miteinander verbunden. Die Verbindungsstellen sind zumindest teilweise punktförmig ausgebildet. Im nächsten Schritt wird eine dritte Membraniage mit einer der beiden ersten Membranlagen ebenfalls an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen mit dieser verbunden. Erfindungsgemäß weist zumindest ein Teil der punktförmigen Verbindungsstellen zum Verbinden der ersten beiden Membranlagen zu den punktförmigen Verbindungsstellen zum Verbinden mit der dritten Membranlage einen Abstand zueinander auf. Hierbei handelt es sich um einen seitlichen Abstand. Zumindest ein Tei! der Verbindungsstellen ist somit nicht miteinander fluchtend bzw. übereinander angeordnet. Anschließend werden die mindestens drei Membranlagen auseinanderbewegt, so dass Strömungskanäle zwischen den Membraniagen ausgebildet werden und eine dreidimensionale Membranvorrichtung entsteht. Vorzugsweise erfolgt das Auseinanderbewegen der Membranlagen im Wesentlichen senkrecht zu den Ebenen der einzelnen Membranlagen, wobei diese zumindest vor dem Auseinanderbewegen im Wesentlichen parallel zueinander sind.
Zur Ausbildung von mehr als zwei Strömungskanälen von denen jeweils einer zwischen zwei benachbarten Membranlagen ausgebildet ist, werden vorzugsweise weitere Membraniagen vorgesehen, die ebenfalls über zumindest teilweise punktförmige Verbindungsstellen mit benachbarten Membranlagen verbunden werden. Es erfolgt somit ein stapeiförmiges Vorsehen von Membranlagen. Vorzugsweise ist die Anordnung der punktförmigen Verbindungsstellen alternierend, so dass die Lager der Verbindungssteilen, beispielsweise zwischen den Membranlagen 1 - 2, 3 - 4, 4 - 5 identisch ist. Entsprechend sind auch die punktförmigen Verbindungsstellen zwischen den Membranlagen 2 - 3, 3 - 4, 3 - 5 usw. identisch. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verbinden zweier Membranlagen dadurch, dass zunächst auf eine der beiden Membranlagen Klebstoffpunkte und gegebenenfalls zusätzlich Klebstoffstreifen aufgebracht werden. Die Membranlage ist hierbei vorzugsweise eben angeordnet. Im nächsten Schritt erfolgt sodann ein Auflegen der zweiten, vorzugsweise ebenfalls eben ausgerichteten Membranlage. Sodann wird auf die Oberseite der zweiten Membranlage wiederum Klebstoff in Form von Punkten und gegebenenfalls Linien aufgebracht, wobei die nunmehr aufgebrachten Klebstoffpunkte zu den zuerst auf Klebstoffpunkten seitlich versetzt aufgebracht sind. Das Aufbringen des Klebstoffs auf die Außenseite der zweiten Membranlage kann vor oder nach dem Verbinden der zweiten Membranlage mit der ersten Membranlage erfolgen. Je nach Anzahl der miteinander zu verbindenden Membranlagen wird das Aufbringen von Klebstoff und anschließendes Auflegen der nächsten Membraniage wiederholt. Die punktförmigen Verbindungsstellen bzw. die Klebstoffpunkte sind vorzugsweise in einem regelmäßigen Raster angeordnet. Der seitliche Versatz der punktförmigen Klebstellen wird vorzugsweise derart gewählt, dass der Abstand einer punktförmigen Klebstelle zu den umgebenden Kiebsteilen stets gleich ist. Beispielsweise sind die Klebstellen bzw, die punktförmigen Verbindungsstellen auf Kreuzungspunkten eines Gitters angeordnet, wobei vier Kiebsteilen die Ecken eines Quadrats definieren. Die Klebstellen zum Verbinden der nächsten Membranlage befinden sich sodann stets auf dem Mittelpunkt der Quadrate.
Das Aufbringen der Klebpunkte bzw. Klebelinien kann durch CNC-Systeme oder auch durch druckähnliche Prinzipien entsprechend dem Offsetdruck erfolgen.
Erfindungsgemäß erfolgt das Zu- und Abfuhren von Fluid in bevorzugter Ausfuhrungsform nicht seitlich in die Strömungskanäle, sondern durch entsprechend vorgesehene Durchlassöffnungen, Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nach Zusammenlage und dem Verkleben der Membranlagen ein Einbringen von Durchgangsöffnungen in die insbesondere flächig aufeiπanderüegenden Membranlager. Die Durchgangsöffnungen werden insbesondere durch Ausstanzen hergestellt. Bereits beim Verbinden der Membranlagen, insbesondere durch Verkleben können im Randbereich der Durchgangsöffnungen, bei runden Durchgangsöffnungen beispielsweise ringförmige Klebstofflinien vorgesehen sein. Hierdurch erfolgt ein Abdichten. Entsprechende abdichtende Verbindungen werden abwechselnd zwischen benachbarten Membranlagen vorgesehen, so dass Fluid nur in jeden zweiten Strömungskanal ein- bzw. ausströmen kann. ~ Q _
Mit den äußeren Durchgangsöffnungen können beispielsweise rohrartige Anschiussstücke verbunden, insbesondere mit der äußeren Membranlage verklebt sein.
Erfindungsgemäß erfolgt sodann das Auseinanderbewegen der Mernbranlagen. Dies kann in bevorzugter Ausführungsform durch Aufblasen, d. h. Zuführen von Gas durch die Durchiassöffnungen erfolgen.
Die so entstandene dreidimensionale Membranvorrichtung kann beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet werden, wobei die Zu- und Ableitungen über entsprechende Zwischenstucke vorgesehen werden können. Die Lage der Membranvorrichtung, bei der es sich in besonders bevorzugter Ausführungsform um eine selbsttragende Struktur handeln kann, kann in dem Gehäuse beispielsweise durch das Einbringen von Giesharz oder anderen Fixierelementen fixiert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Prinzipskizzen und bevorzugten Ausführungsformeπ näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematϊsche Draufsicht auf zwei Membraniagen vor deren
Verbindung,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht miteinander verbundener
Membranlagen,
Fig. 3 eine schematische Draufsicht eines Ausschnitts einer einzelnen wellenförmig strukturierten Membranlage,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts mehrerer miteinander verbundener Membranlagen und Fign. 5 und 6 schematische perspektivische Ansichten weiterer
Ausführungsformen einer in einem Gehäuse angeordneten Membranvorrichtung.
Benachbarte Membranlagen 10, 12 sind in Fig. 1 nebeneinanderliegend schematisch dargestellt. Auf einer Oberseite 14 der ersten Membranlage 10 sind in einem regelmäßigen Raster Klebstoffpunkte 16 vorgesehen. Ferner ist im Randbereich eine umlaufende rahrnenförmige Klebstofflinie 18 vorgesehen. Auf die erste Membranlage 10 wird die zweite Membranlage 12, auf der gegebenenfalls noch kein Klebstoff vorgesehen ist, aufgelegt, so dass sich an der Unterseite der Membranlage 12 mit der Oberseite 14 der Membran!age 10 verbindet.
Vor oder nach dem Auflegen der Membranlage 12 auf die Membranlage 10 werden auf einer Oberseite 20 der Membranlage 12 Klebstoffpunkte 22 angeordnet. Diese sind regelmäßig angeordnet. Die Klebstoffpunkte 22 sind jeweils in den Zwischenräumen der Klebstoffpunkte 16 angeordnet. Im Randbereich ist auf der Oberseite 20 der Membranlage 12 ebenfalls eine rahmenförmige Klebstofflinie 24 vorgesehen. Hierbei ist die rahmenförmige Klebstofflinie 24 bezogen auf die rahmenförmige Klebstofflinie 18 weiter außen angeordnet, so dass die Klebstofffinien 18, 24 zueinander versetzt angeordnet sind. Dies ist erforderlich, um ein Auseinanderziehen der einzelnen Membranlagen zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur zu gewährleisten. Durch die Klebstofflinien 18, 24 erfolgt ein vollständiges seitliches Abdichten eines zwischen zwei Membranlagen angeordneten Strömungskanals.
Die Klebstoffpunkte 16 sind gegenüber den Klebstoffpunkten 22 seitlich um einen Abstand a (Fig. 2) zueinander versetzt angeordnet. Die Klebstoffpunkte 22 sind somit stets in Zwischenräumen der Kiebstoffpunkte 16 angeordnet. Da die Membranvorrichtung vorzugsweise mehrere Mernbraniagen aufweist, werden die Membranlagen 10, 12, wie vorstehend beschrieben, abwechselnd aufeinandergelegt und entsprechend miteinander verbunden. Die Klebstoffpunkte 16, bzw. 22 liegen somit übereinander.
Anschließend werden Durchgangsöffnungen 26, 28, 30, 32 (Fig. 2) durch Ausstanzen der aufeinanderliegenden Membranlageπ 10, 12 hergestellt. Die Durchgangsöffnungen 26, 28, 30, 32 dienen jeweils ein Ein- oder Auslässe für zwischen zwei benachbarten Membranlagen vorgesehenen Strömungskanälen, Hierbei sind die einzelnen Durchlässe nur mit jedem zweiten Strömungskanal verbunden. Hierzu sind bereits vor dem Aufeinanderkleben der einzelnen Membraniagen auf der Membraniage 10 ringförmige zur Abdichtung dienende Klebstofflinien 34 und auf der Membranlage 12 Klebstofflinien 36 vorgesehen.
Die Durchgangsöffnungen 28 stellen somit beispielsweise den Einlass zwischen der ersten und zweiten Membranlage dar und korrespondieren mit dem als Auslass zwischen der ersten und zweiten Membranlage dienenden Durchgangsöffnung 30. Das Fluid strömt somit durch die Durchiassöffnung 28 in den zwischen der ersten und zweiten Membranlage ausgebildeten Strömungskanal ein, durchströmt in dem Strömungskanal im dargestellten Ausführungsbeispiel in eine diagonale Hauptströmungsrichtung und tritt durch die Öffnung 30 wieder aus.
Entsprechend stellt die Durchgangsöffnung 32 einen Einlass für den Strömungskana! dar, der zwischen der zweiten und dritten Membranlage vorgesehen ist. Den Auslass des Strömungskanals, der zwischen der zweiten und dritten Membranlage vorgesehen ist, bildet die Auslassöffnung 26,
Die Ein- und Auslassöffnungen 28 und 30, die für den zwischen der ersten und zweiten Membranlage ausgebildeten Strömungskanal vorgesehen sind, können gleichzeitig auch bei mehrlagigen Membranvorrichtungen für den zwischen der dritten und vierten Membraniage vorgesehenen Strömungskanal dienen, usw. Entsprechendes gilt für die Öffnungen 26, 32, durch die Fluid auch zu einem Strömungskanal geführt werden kann, der zwischen der vierten und fünften Mernbranlage angeordnet ist.
Wie sich schematisch aus Fig. 3 ergibt, strömt das Fluid, beispielsweise über eine Membranlage 10 und zwischen einer nicht dargestellten oberhalb der Membraniage 10 angeordneten weiteren Membranlage 12 hindurch. Die Membranlage 10 ist mit den Punkten 16 mit der darüber liegenden Membraniage 12 verbunden. Hierbei erfolgt die punktförmige Verbindung an entsprechenden Vertiefungen bzw. Tälern der Membranlage 12, Die Membranlagen 10, 12 sind von der wellenförmigen Struktur identisch ausgebildet und zueinander versetzt angeordnet. Jede Membranlage weist somit kuppeiförmige Erhebungen 38 und zwischen den Erhebungen 38 angeordnete entsprechende Vertiefungen 40 auf. Ein in Richtung eines Pfeiis 42 durch die wellenförmige Struktur strömendes Fluid wird somit durch die einzelnen Erhebungen 38, wie durch die Pfeile dargestellt, verzweigt. Ferner treten hierdurch innerhalb des Fluids Verwirbelungen und Turbulenzen auf.
Aus Fig. 4 ist schematisch die Anordnung benachbarter dreidimensional angeordneter Membraniagen 10, 12 ersichtlich, wobei zwischen den benachbarten Membranlagen 10, 12 jeweils Strömungskanäle 44 für das eine und Strömungskanäle für das andere Medium ausgebildet sind. Hierbei ist die Strömungsrichtung des einen Mediums durch die Strömungskanäle 44 durch helle Pfeile 48 und die des Mediums, das durch die Strömungskanäle 46 durch dunkle Pfeile 50 dargestellt
Die vorstehend beschriebene Membranvorrichtung kann in einem Gehäuse angeordnet werden, wobei das Gehäuse beispielsweise vier mit den entsprechenden Durchlassöffnungen verbundene Zufuhrieitungen und vier mit den jeweils anderen Durchiassöffnungen verbundene Abführleitungen aufweist. Hierbei kann es sich sodann um ein quaderförmiges Gehäuse handein, welches entsprechend den Durchlassöffnungen vorgesehene runde Öffnungen aufweist.
In weiteren Ausführungsforrnen, wie beispielsweise in den Figuren 5 und 6 dargestellt, kann ein Gehäuse 52 auch an den Stirnseiten offen sein. Die einzelnen Membranlagen 10, 12, die in den Figuren 5, 6 nur durch Striche angeordnet sind, sind somit am Rand nicht vollständig abdichtend miteinander verbunden. Jeweiis jede zweite Membranlage ist nicht mit der nächsten Membranlage verbunden, so dass jeder zweite Kanal nach außen an einer Stirnseite 54 des Gehäuses 52 offen ist. Eines der Fluide kann somit, wie durch die dunklen PfeiSe 50 dargestellt, an einer der beiden Stirnseiten 54 in die Strömungskanäle eintreten und auf der gegenüberliegenden Seite wieder austreten. Das durch die anderen Strömungskanäle strömende Fluid wird, wie vorstehend beschrieben, durch Öffnungen 56 des Gehäuses 52 sowie durch die entsprechenden Durchgangsöffnungen zwischen den Membranlagen in die anderen Strömungskanäle geleitet. Die Strömung des zweiten Fluids erfolgt somit wie durch die Pfeüe 48 angedeutet. Hierbei können in einander gegenüberliegende Seiten 58 des Gehäuses 52, die vorzugsweise senkrecht zu den Stirnseiten 54 verlaufen, die entsprechenden Öffnungen 56 angeordnet sein. An einer gegenüberliegenden Öffnung 56 wird versuchsweise das Fluid zugeführt und an den beiden anderen Öffnungen 56, die ebenfalls einander gegenüberliegende sind, abgeführt.
Die weitere bevorzugte Ausführungsform (Figur 6) entspricht im Wesentlichen der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform. Diese weist lediglich den Unterschied auf, dass zum Zu- bzw. Abführen eines der Medien in Richtung der Pfeile 48 jeweils nur eine Öffnung 56 im Gehäuse 52 vorgesehen ist.
In sämtlichen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Strömungsrichtungen der beiden Fluide vorzugsweise einander im Wesentlichen entgegengesetzt verlaufen.

Claims

Patentansprüche
1. Membranvorrichtung zum Stoff- und/ oder Wärmeaustausch zwischen Fluiden, mit
mehreren Membranlagen (10, 12), zwischen denen jeweils Strömungskanäie (44, 46) ausgebildet sind,
wobei die Membranlagen (10, 12) an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen (16, 22) zur Ausbildung einer dreidimensionalen Membranvorrichtung miteinander verbunden sind,
2. Membranvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranlagen (10, 12) an den punktförmigen Verbindungssteilen (16, 22) unmittelbar verbunden, insbesondere verklebt und/ oder verschweißt sind,
3. Membranvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranlagen (10, 12) eine dreidimensionale Wellenstruktur aufweist.
4. Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranlagen (10, 12) kuppelartige Erhebungen (38) aufweisen,
5. Membranvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmigen Verbindungsstellen (16, 22) an den kuppelartigen Erhebungen (38), insbesondere an deren Maximum vorgesehen sind.
6. Membranvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den kuppelartigen Erhebungen (38) Vertiefungen (40) ausgebildet sind,
7. Membraπvorrichtuπg nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranlagen (10, 12) eine regelmäßige Anordnung von Erhöhungen (38) und Vertiefungen (40) aufweisen,
8. Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Membraniagen (10, 12) ein einziger Strömungskanai (44, 46) ausgebildet ist,
9. Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (46, 48) jeweils mehrfach verzweigt sind.
10. Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 9, gekennzeichnet durch in den Membranlagen (10, 12) vorgesehene Durchiassoffnungen (26, 28, 30, 32).
11. Membranvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere alle, Membranlagen (10, 12) koaxial ausgebildete Durchlassöffnungen (26, 28, 30, 32) aufweisen,
12. Membranvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membraniagen (10, 12) im Bereich der Durchiassoffnungen (26, 28, 30, 32) paarweise miteinander abdichtend verbunden sind.
13. Membranvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membraniagen (10, 12) zum Abdichten paarweise aneinander Hegen und insbesondere durch Verkleben oder Verschweißen miteinander verbunden sind,
14. Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (44, 46) sich verändernde Querschnittsgeometrie aufweisen.
15. Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranlagen (10, 12) eine selbsttragende Struktur bilden.
16,Membranvorπchtung nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Dicke von 5 - 200 μm aufweist.
17, Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran Polymerverbindungen, die beispielsweise Vinyl-, Pheny!-, Fiuorethyien-, Ether-, Imid-, Amid-, Sulphon-, Cellulose- und/ oder Acetat-Verbindungen enthaften, und/ oder polykationische und anionische Materialien, wie perfiuorierte und/ oder sulfonierte Polyaromate und -ketone, Polyetherketone,
Polyetheretherketone aufweist,
18. Verfahren zur Herstellung einer Membranvorrichtung, insbesondere einer Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 17, mit den Schritten:
Verbinden von zwei aneinanderliegenden Membranlagen (10, 12) an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen (16),
Verbinden einer dritten Membranlage mit einer der beiden ersten Membranlagen (10, 12) an zumindest teilweise punktförmigen Verbindungsstellen (16), die zumindest teilweise einen Abstand zu den punkförmigen Verbindungsstellen (22) zwischen den ersten beiden Membranlagen (10, 12) aufweisen und
Auseinanderbewegen der Membranlagen (10, 12) zur Ausbildung von Strömungskanälen (44, 46) zwischen den Membranlagen (10, 12).
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei weichem weitere Membranlagen (10, 12) über zumindest teilweise punktförmige Verbindungsstellen (16, 22) mit den vorherigen Membranlagen (10, 12) stapeiförmig verbunden werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmigen Verbindungsstellen (16, 22) zwischen den Membranlagen (10, 12) alternierend angeordnet sind.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 20, bei welchem das Verbinden durch Verkleben und/ oder Verschweißen erfolgt,
22, Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 21, mit den zusätzlichen Schritten:
Aufbringen von Klebstoffpunkten auf der ersten Membraniage,
Auflegen der zweiten Membranlage auf die erste Membranlage zum Herstellen der punktförmigen Verbindungsstellen und
Wiederholen dieser Schritte mit mindestens einer weiteren Membranlage.
23. Verfahren nach Anspruch 22, mit dem zusätzlichen Schritt:
Einbringen von Durchgangsöffnungen (26, 28, 30, 32) in die insbesondere flächig aufeinanderliegenden Mernbraniagen (10, 12), insbesondere durch Ausstanzen.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 23f mit dem Schritt:
abwechselndes Abdichten benachbarter Membranlagen (10, 12), wobei die Abdichtungen (34, 36) die Durchlassöffnungen (26, 28, 30, 32) umgeben.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 24, bei weichern das Auseinanderbewegen der Membranlagen (10, 12) durch Aufblasen erfolgt.
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