DE1806472A1

DE1806472A1 - Vorrichtung zur Erhoehung der Konzentration eines weniger fluechtigen Fluessigkeitsanteils in einer Fluessigkeitsmischung

Info

Publication number: DE1806472A1
Application number: DE19681806472
Authority: DE
Inventors: Rodgers Franklin Alanson
Original assignee: Pactide Corp
Current assignee: Pactide Corp
Priority date: 1967-11-01
Filing date: 1968-10-31
Publication date: 1970-08-06
Also published as: GB1189608A; BE723238A; US3562116A; SE353844B; CH500739A; FR1590459A; NL6815610A; NO127038B

Description

Vorrichtung zur Erhöhung der Konzent:<>&tLon eines weniger flüchtigen Flüösigkeltsanteils in einer Flüssigkeitsmisehung

Gegenstand der Erfindung ist eine Verrichtung sur Erhöhung der Konzentration «inc-s weniger flüchtigen Flussigkeitaante.1 Is einer Mischung, bestehend aus diener Flüssigkeit und einer Flüssigkeit, die eine größere Flüchtigkeit aufweist, und insbesondere befaßt sich die I ,'rf indung; mit der Konzentration von schwerem Wasser in einer Mischung, die gewöhnliches Warjci- enthält. Dia gemäß der Erfindung t: us gebildete Vorrichtung vroJ.st eine Vielzahl von Membranen mikroporöser Struktur ^iui', die f'Ur die Flüssigkeiten der Mischung iir we-sentlichen undurohl.Hfcnlß sind, Jedoch die Dämpfe der Flüssigkeiten, hlndurchtreten lassen, und als Scirlchtenkörper so angeordnet sind, daß cine öliule zwischen Vorrichtungen gebildet wird, die an den jindfi'a der SKuIe liegen und einen Temperaturgradlenton Über der Säule erzeugen. Die Mischung wird in einen Mittelabschnitt der Säule eingeführt und isirkulieru nach dem heißeren Ende la Gestalt d'-femor Filme zwlychon benachbarten Mem-

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BAD ORJGINAL

brarien, dami>; die Flüssigkeit höherer 'Flüchtigkeit (mit höherem Siedepunkt) nach dem heißeren Ende der Säule überführt wird, wobei die Flüssigkeit geringerer Flüchtigkeit (mit niedrigerem Siedepunkt) nach dem kälteren Ende geleitet wird, was dazu führt, daß der Anteil mit niedrigerem Siedepunkt im kälteren Abschnitt der Säule entleert bzw. abgezogen wird und die Konzentration oder Anreicherung im heißeren Abschnitt der Säule stattfindet«

Bekannte Systeme zur Isoiopenkonzentrafcion.und insbesondere zur Konzentration von Deuterium erfordern eine sehr große Kapital-Investierung, die sich aus den Kosten für die Arbeit und die weltläufigen Anlagen zusammensetzt , wobei außerdem eine relativ große Menge des Isotopen, z.B. von schwerem V/asser, in dem System "aufgehalten" wird und diese Menge häufig so groß ist, wie der größere Teil einer Jahresproduktion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Konzentration eines Plüsoigkeitsanteils zu schaffen, das eine einfache und billige Konstruktion und eine sehr kleine Investition für das im System aufgehaltene Produkt erfordert.

Weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt als Hauptbestandteil eine Vielzahl mikroporöser Membranen, wie sie.beispielsweise in

tU3-sfjr.No.. 524 Jt>6 v, 27.12.65) der deutschen Patentanmeldung P ?8 262 IVc/12a/beschrleben sind; Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet im wesentlichen auf dem gleichen Grundprinzip wie die Destilllervorrichtung, die in der vorgenannten Patentanmeldung beschrieben ist. Die mikroporöse Membran ist ein dünner poröser Polymerfilm mit einem hohen Prozentsatz von leeren Räumen in Gestalt mikroskopischer Durchtritte, die sich durch die gesamte Membran erstrecken. Die Poren oder Durchtritte enthalten im wesentlichen nur Oase und sind von einer Größe, die leicht Gase einschließlich von Dämpfen bestimmter Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser, hindurchtreten läßt, jedoch beim

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BAD ORtGtNAL

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Fehlen eines woscntl.lohen hyd.^ont^fciuiel'.cn, Υ:?\ keine Flüssigkeit hirrfurchtreten Xftßfc. Diene einer Membran gegenüber der Flüssigkeit ißt eine Funktion der Porengröße, dar OberflSchenspannuxis der Flüssigkeit und des Berührungswinkels, der, wie in der erwähnten Patentanmeldung beschrieben, gemäß bekannten physikalischen Prinzipien bestimmt wird und die Strömung von Flüssigkeiten durch Krpillarwirlcimg bestimmt, wodurch es möglich wird, eine Membran mit der grö.ßümögliciien Porenkonsistenz und der Undurchläßsißkelt gegenüber der· Flüssigkeit zu benutzen. Die poröse Membran wirkt als flüßsigkeitsimc'.urchlässige, aber dampfdurchlässige Earriex'e zwischen einem Körper, bestehend aus einer gemischten FlttS&iokeitf s.B. Salzi-ras-ser oder schwerem und gewöhnlichem Wasser» und einem anderen Körper von Flüssigkeit, der den höheren Anteil hat (bis zu 100$) des flüchtigeren Flüssigkeitsanteils. Die Flüssigkeiten.werden als dünne Filme in direktem Kontakt mit gegenüberllegenden Seiten der Membran geführt, um die Flüssigkeit zu verdampfen und die Wärme wird von der Flüssigkeit nach der geganüberllesenden Seite der Membran übertragen, wodurch die DKmpfe durch die Membran hindurchtreten und auf der kühleren Ceite der Membran kondensieren .

Eine einzige mikroporöse Membran , die sieh auf beiden Seiten mit Flüssigkeiten in Berührung befindet riid elno Vorrichtung s;ur Übertragung von Wärme nach den Flussigkeitftschichten hin bzw. von diesen weg aufweist, bildet eine Deßtilliervovriohtung, die auf Grund ihrer Beschaffenheit vorteilhaft für eine vielstufige Anordnung geeignet ist, bei der mehrere poröse Membranen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Wärme wird von der Flüssigkeit auf der heißen Seite Jeder Membran neon der Flüssigkeit auf der kalten Seite der Membran der nächstfolgenden Stufe übertragen, so daß eine DastilHervorrichtung rcit Yerviolfachcrwirkung geschaffen wird, die aus einer Vielzahl von Destillationsstufen entsteht, von denen jede eino mikroporöse Membran aufweist, wobei die Wärme jene Kraft darstellt, die die Dämpfe durch dis Grenzschicht zwischen benachbarte;! Flüssißkeitslagon hindurchdrUckt.

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Die so ausgebildete Destillations- oder- Fx»aktioE2ierun.gs«· Vorrichtung ist durch einen Nutseffekt gekennzeichnet„ der sich vorteilhaft gegenüber den weitaus icorapleacepeii und teueren bestehenden Anordnungen auszeichnet, well die Wärmeübertragung optimal ist, denn die Flüssigkeiten sirkulleren als relativ dünne Filme und die Flüssigtceitszlrlculation 1st insofern optimal, als die dünnen Flüssigkeitsfilme nur aussen, d.h. an ihren zwei größeren äußeren Oberflächen getragen werden. Wagen der großen Zahl von Membranen können diese so zusammengestellt werden, daß sie eine Destillationsvorrichtung mit vervielfachter Wirkung ergeben und diese Vorrichtung ist klein und kompakt und außerdem kann die Vorrichtung unter atmosphärischem Druck oder einem nahe dem atmosphärischem Druck liegenden Druck betrieben werden und. die Arbeitstemperaturen brauchen In der Regel den Siedepunkt der Flüssigkeit, z.B. Wasser, nicht zu überschreiten und die Destillations- bzw. Fraktionierungsvorrichtung selbst sowie die Traganordnung hierfür sind weniger komplex, und kostspielig als bekannte Vorrichtungen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung seigern Fig. 1 eine schematische Schnlttanslcht einer Fraktionierungsvorriohtung nach der Erfindung„

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht der Vorrichtung,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht, teilweise im Schnitt, welche eine andere Ausführungs.form des erfindungegemäßen Gerätes darstellt.

Der Grundbestandteil der Fraktion!erungsvorrichtung nach der Erfindung wird von einer mikroporösen tiembran 10 gebildet, die vorzugsweise aus Polymer-Material besteht, das in Mombrangestalt nicht benetzbar lot oder wenigstens nur in geringem Maße durch die Flüssigkeit, ζ.B.Wasser, benetzt wird, d.h. von Jenex» Flüssig-

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tr*

. keit^in Verbindung rait der· die Vorrichtung benutzt wird. Bevorzugte Eigenschaften der Membran slmli geri'ügstmögliche Dicke bei Aufrechterhaltung der erforderlichen mechanischen Festigkeit; hoher Widerstand gegenüber dem Durchfcrlti; von Flüssigkeit; geringer Widerstand gegenüber dem Durchtritt von Gasen; ein großer Prozentsatz von Hohlräumen; ein hoher Widerstand gegenüber einer Wärmeübertragung; die Membran soll inert gegenüber der Flüssigkeit sein; eine geringe Absorption der Flüssigkeit; physikalische Festigkeit und Beständigkeit bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart der Flüssigkeit; Gleichförmigkeit inbermg auf-die physikalischen Eigenschaften, insbesondere inbesug auf die Sicke, die Porengröße und die Verteilung und thermische Leitfähigkeit. Als Beispiel hat sich eine Membran als nützlich in einem nach der Erfindung ausgebildeten Gerät erwiesen, das zur Erhöhung dor Konzentration von schwerem Wasser In einer Mischung von schwerem Vfasser und gewöhnlichem Wasser verwendet wurde, wobei diese Meinbraß aus Poly-1, I-Venyliden-Fluorid bestand und ein© Dicke von etwa 0,13 Kim (0,005 Zoll) aufweist und 75$ Hohlräume besitzt. Diese Membran ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Durehl&ssigkeitopunkt für Wasser und einen Druck von 1,406 kg/cm (20 psl) und eine Luftströmung in der Größenordnung von 1 Liter pro Minute und pro QuadratZentimeter zuläßt. Membranen aus diesem Material und dieser Bauart haben eine Oberfläche, die in mikroskopischem Maßstab sehr rauh 1st und es hat sich gezeigt,, daß sie einen Kontaktwinkel von mehr als 90° besitzen, so daß sie effektiv nicht durch Wasser benetzbar sind. Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrene zur Herstellung einer Membran dieser Art findet sich in der US - Patentanmeldung serial No. 557 993 vom l6. Juni 1966.

Der Orundbeetandteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht aus einer Vielzahl von Membranen 10, die als Schiohtenkörper gegeneinanderwelsend gestapelt sind und eine Säule 12 bilden, in der die Membranen im wesentlichen parallel zueinander und gegeneinander durch flache Kanäle distanziert sind, die eine Tiefe in

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der Größenordnung dar Dicke der Meyab-c&n heben., ä.h« ein® Tiefe von 0,075bis 0,13 vm (0,003 bis 0,005 Zoll), und hierdurch werden Kanäle gebildet, durch die eine Mischung, bestehend z»B. aus gewöhnlichem Wasser und schwerem Wasser, als ditoner Film ssirkulleren kann, der in seiner äußeren Begrenzung durch unmittelbare Berührung mit den mikroporösen Membranen getragen wird. Wie erwähnt, ist diese Anordnung von Membranen svr Zirkulation der Flüssigkeit in Gestalt dünner Film® vorteilhaft wegen der verbesserten Wärmeübertragung, die so erhalten werden kann und im Hinblick auf die Tatsache, daß nichts &v;i schön don Membranen befindlich lat, das die Zirkulation der FlÜsnigköitsniischimg stören könnte.

Die Membranen können irgendeine zweckmäßige Form aufweisen, bei« spielsweise können 3 ie kreisrund oder rechteckig ausgebildet sein. Jedoch sind sämtliche Membranen vorsugsweise von der gleichen Fläohenerstreokung und sia sind an ihren Rändern durch Dichtungsringe 14 abgedichtet, um das Austreten von Flüssigkeit zwischen den Membranen an deren Rändern zu vermeiden. Die Dichtungsringe, können aus einem polymeren oder einem elaotoasren Material bestehen, das gute Hafteigenschaften inbesug auf die Membran besitzt und vorzugsweise duroplastisch ist, jedoch kann auch die Verwendung von Epoxydharzen und Silicongummi, die flüssig oder im festen thermoplastischen Zustand aufgebracht werden, vorteilhafter sein, weil hierdurch eine leichtere Zusammenstellung möglich ist und aus Gründen, die nachstehend beschrieben werden. Dichtungsmaterial, das sich in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als zweckmäßig insbesondere Inbesug auf die Haftfähigkeit und die Einfachheit der Herstellung erwiesen hat;, enthält Haftbestandteile aus Nltril« und Urethan-Elastomeren, die von der Firma B.F. Goodrich unter der Bezeichnung A-178-B und A-1247-B auf den Markt gebracht werden.

Mittel zur Zuführung von Wärme nach der Säule und zur Abführung von Wärme von der Säule sind an gegenüberliegenden Enden der Säule vorgesehen, um über der Säule einen Temperaturgradienten

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zu schaffen. Gemäß dem dargestellten Ausflihruxigsbeispiel umfassen diese Kittel Blöe&e 16 und 18 an gegenüberliegenden Enden der Säule» wodurch Kammern 20 und 22 geschaffen werden, durch die ein erhitztes Strömungsmittel, z.B. Dampf, und ein KUhlungsströmungsmittel, z.B. Wasser, hindurchgeleitet werden kann. Die spezielle Konstruktion der Mittel zur Zuführung von Wärme nach der Säule und zur Abführung von Wärme ist unwesentlich. Wichtig Ist lediglich» daß diese Mittel so ausgebildet sind, daS sie Wärrae^ufÖhren bzw. abführen an den Endlagen der Flüssigkeltsfllme* die durch die Säule zirkulieren, wobei ein im wesentlichen konstanter Temperaturgradient aufrechterhalten bleibt.

Die die Säule bildenden Membranen sind mit Ausnahme der dem kalten Ende am nächsten liegenden Endmembran mit Offnungen oder Löchern 24 ausgestattet, um die Massenströmung von Flüssigkeit nach dem heißen Bilde der von den Membranen gebildeten Säule zu ermöglichen. Die Lochmuster benachbarter Membranen sind gegeneinander derart versetzt, daß Jedes Loch einer gegebenen Membran In gleichem Abstand von dem am nächsten liegenden Loch In der benachbarten Membran befindlich ist, so daß eine Zirkulation von Flüssigkeit zwischen benachbarten Membranen In einer Richtung im wesentlichen parallel L.» den Membranen und normal zur Richtung des Temperaturgradienten längs der Membranen Möglich wird. Bei dem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung* die zur Konzentrierung schweren Wassers bestimmt ist* können die Löcher in den Membranen in der Größen-Ordnung von 1,6 mm {l/i6 Zoll) sein und sie liegen im Abstand voneinander, um eine wesentliche Zirkulation und gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeit zwischen benachbarten Membranen sicherzustellen. Die Arbeitsweise der Vorrichtung hängt von der Differenz der Siedepunkte der Flüseigkeitsanteile ab, die die Mischung darstellen und von denen einer anzureichern ist. In dem speziellen Beispiel, In dem schweres Wasser konzentriert werden soll, beträgt die Differenz der Siedepunkte 1,42°C. Die

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Wärme wird der FlUssigkeitsmischung auf einer Seite einer Membran zugeführt und es soll in erster Linie jene Flüssigkeit verdampft werden, die den niedrigeren Siedepunkt hat. Infolgedessen wird die Mischung auf der heißen Seite der Membran von einem Teil des Flüssigkeitsanteils mit niedrigem Siedepunkt gebildet werden und umgekehrt wird auf der anderen Seite ein größerer Anteil des Fltissigkeltsanteils mit höherem Siedepunkt verbleiben. Diese Ausschöpfungs-Konzentrations-Wirfcung findet bei Jeder Membran der Säule statt, so daß die Gesamtwirkung eine Massenströnumg von FlUssigkeitsmischung nach einem oder beiden Enden der Säule oder eine Dampfströmung des Anteils mit niedrigem Siedepunkt nach dem kalten Ende der Säule ist.

OeraSß einer bevorzugten Ausführung wird die SpeiseflüaBtgkeit z.B. eine Mischung von DgO und H₂O In die Säule zwischen die Membranen im Bereich des Mlttelsabschnifcts der Säule eingeführt und die Flussigfceitsmisehung zirkuliert nach dem heiesen Ende der SSuIe und wird dort Über den anliegenden Block 16 abgezogen. So findet eine Massenströraung von Flüssigkeit vom Mittelabschnitt der Säule nach dem heißen Ende der Säule statt, während eine Massenströmung von Dampf des Anteils mit niedrigerem Siedepunkt, z.B. gewöhnliches Wasser, nach dem kalten Ende der Säule oder nach dem Block 18 strömt. Der/8upcß ale nicht perforierte Endmembran benachbart zum Block 18 hlndurehtrltt, wird kondensiert und als Flüssigkeit von dem in der Mhe des Kühlblockes liegenden Ende der SSuIe abgezcgen. Die Geschwindigkeit der Dampf übertragung über die Membranen bei konstantem WärmeenerglefluiJ 1st eine ansteigende Funktion der Temperatur, so daß die Flüesfgkeitsmenge, die durch Verdunsten auf eine Plüsslgfceltsechlcht übertragen wird, größer 1st als die Menge der Flüssigkeit, die durch Verdampfung; aus der Flüssigkeifcsschieht übertragen wird;. Da die dem kalten= Ende der SSuIe am nächsten liegende Membran un-perforlert Is fc* findet die Flüssigkeitsströmung, nach dem heißen Ende der Säule statt. Die Membranen, die am kalten Ende $er Säule angeordnet sind;, bewirke» eine Abstreifung von schwerem: Wasser

aus der Mischung und die Membranen, die zwischen dem Einführungspunkt der Speiseflüssigkeit und dem heißen Ende der Säule angeordnet sind, bewirken eine Konzentration des schweren Wassers in der Mischung von schwerem Wasser und gewöhnlichem Wasser. Das Produkt, das aus mit schwerem Wasser angereichertem Wasser besteht, wird vom heiBen Ende der Säule abgezogen und der Rest oder die Mischung, aus der das schwere Wasser abgezogen wurde, wird am kalten Ende der Säule abgezogen. Der Anteil der Abstreifstufen zu den Konzentrationsstufen In der Säule kann 1:1 sein oder er kann erforderlichenfalls geändert werden.

Die Speiseflüsslgkeit,die Produktflüssigkeit und der Rest (zügeführte Flüssigkeit minus Produktflüssigkeit) werden in die Säule durch Kanäle eingeführt und von dieser abgezogen, die in Dichtungsringen 14 zwischen den einzelnen Membranen vorgesehen sind« Die Traganordnung für eine Säule weist die notwendigen Leitungen auf, die durch geeignete Verbindungen an die durch die Dichtungsringe gehenden Kanäle angeschlossen sind und es sind weiter Pumpen 26 vorgesehen, um die Flüssigkeit durch die Säule hindurchzirkulieren ssu lassen. Eine typische Säule, die für die Konzentration von «ohwerem Wasser bestimmt ist, kann zwischen Umgebungstemperatur und Siedepunkt von Wasser in Betrieb genommen werden, so daß die Hilfseinrichtung Mittel aufweisen sollte, um das Kühlmittel durch die Kammer 22 und den Block 18 zirkulieren zu lassen und ein erhitztes Strömungsmittel, z.B. Dampf, nach der Kammer 20 des Blocks 16 zu überführen. Die Blöoke 1.6 und 18 können selbst miteinander verbunden sein und dadurch die Membranen Im Abstand zueinander in der Säule halten, die sonst keine weiteren Mittel zur Aufrecht erhaltung ihrer gegenseitigen Lage benötigen, insoweit als der hydrostatische Druck der Flüssigkeiten innerhalb der SKuIe vom atmosphärischen Druck nicht sehr abweicht und diesen atmosphärischen Druck nur um ein geringes überschreitet, nämlich um einen Wert, der notwendig ist, um eine Zirkulation der Flüssigkeit durch die Säule hindurch zu bewirken.

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Jede Einzelsäule» die gemäß der Erfindung hergestellt und in Betrieb genommen wird, wird durch bestimmte Konzentrationsund Abstreiffaktoren bestimmt, d.h. durch Faktoren, durch die die Konzentration des Bestandteiles mit höherem SMepunkt.in der Mischung erhöht (vervielfacht) bzw. vermindert (geteilt) wird. In einer typischen Situation,; in der die Singangskonzeritration des Bestandteiles mit höherem Siedepunkt relativ klein. 1st, besteht die öesamtanlag© aus mehreren Säulen, die in Kaskade (vergl.Fig.l) geschaltet sind, wobei das konzentrierte Produkt jeder Säule als Speisung der nächstfolgenden Sftule benutzt wird und der andere Bestandteil zur Speisung der vorhergehenden Säule benutzt wird. Die Gesamtzahl von Membranen in «feder Säule sowie die Zahl von Membranen in den Konzentrations- bzw» Abstreifstufen 1st abhängig von den Konzentrations- bzw» Abstreiffaktoren und die Zahl und die Kapazität der miteinander gekuppelt" tenSäulen, die eine gesarate Anlage bilden_p hängt von den Konzen-.. tratlons- bzw. Abstreiffaktoren und.dem Ausgang der EinselaEulem und der schließlich zu erlangenden Konzentration ab. iufeiaandprfolgende Stufen oder Säulen, die der ersten folgen_fi haben.aufeinender folgend jeweils kleinere lapaaitätea,, die je .gleich sind -. . -.. dem Aue gang der -vorhergehenden Stufe, obgleich jede .Säule _ dem gleichen Konzentrations- und Abstreiffaktor aufweisen kann. Dl® Zahl von Säulen und Endkonzentrationen des Anteiles mit. - ,. höherem Siedepunkt hingt von Wirtsohaftllohkeitsgesichtspunkten..» ... ab und insbesondere von der Beziehung zwischen Konzentrat Ions-. ... faktor, Kapitalkosten und-Produktmense₉ wie aus "dem nächst©laead ... . beschriebenen Beispiel ersichtlich. . - - _>i;-.

Es sind zahlreiche Abwandlungen möglich, um benachbarte Membranen' in gegenseitigem Abstand zu halten und Kanäle zwischen den. Mem.--- ·,■■ branen vorzusehen, durch die die Flüssigkeit als dünne.r-Film.;, zirkulieren kann. Eine Möglichkeit besteht darin, jede ssweite. . -.-· Membran zu wellen, so daß die Jeweils zweit ei Membranen ,einen·■. - >-. Im wesentlichen &lnusfö:rmigen_/,Qu,e.r^chnltt3^eriauf .zeigen-.und j-ed«' gewellte Membran als Ab3tandehalt:©Mi-:zwiBÄe;n ,pleh^j undden.. bewach-·- barten Membranen wirkt. In dieser .Ausführungsform der Vorrlch-

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tung sucht sieh eine lineare Flüssigkeitsströmung zwischen benachbarten Membranen in Richtung parallel zu den Wellungen einzustellen. . -

Gemäß einer abgewandelten Aueführungsform nach Flg.3 sind sämtliche Membranen gewellt und Je zwei benachbarte Membranen sind mit ihren Wellungen rechtwinkelig zueinander angeordnet. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß die Flüssigkeit zwischen benachbarten Membranen im wesentlichen in allen Richtungen zirkulieren kann. Eine Membran mit einer im Aueführungsbeispiel gegebenen Stärke von 0,13 mm kann mit sinusförmigen Wellungen versehen sein, deren Amplitude in der Größenordnung von 0,25 mm liegt und deren Wellenlänge in der Größenordnung von 0,3 mm liegt. Diese grundsätzliche Ausbildung ist in der deutschen Patentanmeldung F 40 884 IVo/12a (US-Ser.No. 533 190 vom 26.MaI 1966) beschrieben und diese Ausbildung 1st wegen der Einfachheit der Herstellung und wegen des Widerstandes gegenüber Druck beim Zusammenstellen einer Säule besonders zweckmäßig» Dichtungsmaterial in flüssiger oder teigiger Form oder solches Dichtungsmaterial, das unter Wärmeanwendung verflüssigt oder erweicht werden kann, ist besonders nützlich in Verbindung mit gewellten Membranen, weil dieses Dichtungsmaterial in die Wellungen einfließen und diese ausfüllen kann.

Ein typisches System, das zur Konzentration von schwerem Wasser in einer Mischung von gewöhnlichem Wasser ausgelegt ist und mit einem Temperaturdifferential zwischen Umgebungstemperatur und Siedepunkt von Wasser betrieben wird, weist eine Säule mit insgesamt 55 Membranen auf, von denen jede 0,13 mm dick 1st, wobei zwischen diesen Membranen Wasserfilme von einer Tiefe zwischen 0,08 und 0,13 mm verlaufen, so daß die Gesarathöhe der Säule ausschließlich der Wärmeübertragungsmittel 13 mm nicht überschreitet« Eine gemäß diesem Beispiel konstruierte Anordnung besitzt einen KonzentratIons- und Abstreiffaktor Je in der Größenordnung von vier, d.h. die Sehwerwaseerkonzentration in dem Produkt ist viermal so groß wie im Speis«wasser, während 75$ des schweren Wassers in dem Speisewasser zurückgewonnen werden. Wie erwähnt, hängt die Zahl vom in Kaskade

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geschaltet on Säulen einen vollständigen Systems wad C.i.3 Konzentration des Bestandteiles mit höiierera Siedepunkt im Produkt einer solchen Anlage von ökonomischen Faktoren ab, die die Kosten des Endproduktes bestimmen. Wenn die anfängliche Konsentration sehr klein ist, wie es bei schwerem Wasser im Speisewasser der Fall ist, kann ein so beschriebenes System wirtschaftlich vor« teilhaft sein trotz des relativ niedrigen Konzentrationsfaktors, weil nur sehr geringe Kapitalkosten erforderlich sind und auch nur geringe Arbeitskosten anfallen. Kostspieligere Systeme mit höheren Konzentrationsfaktoren rechtfertigen sich wirtschaftlich nur, wenn die Anfangskonzentration des Bestandteiles mit höherem Siedepunkt relativ hoch ist.

^. Es sind diese wirtschaftlichen Zusammenhänge zwischen Konzentrationsfaktor und Anlagekosten, die die Zahl der SSuIen und die Konzentration des Produktes eines Scbwerwassersystems ge-

bestimmen,
maß diesem Ausführungsbeispiel/und t:uf dieser Basis ergibt sich, daß eine komplette Schwerwasserkonzentrationsanlage oder ein System dieser Art aus sechs Stufen oder Säulen der beschriebenen Art bestehen kann, die je eine Kapazität von ein Viertel der vorhergehenden Säule besitzen. Eine solche Anlage würde eine gewöhnliche Mischung von Wasser und Schwerwasser auf 50 molal fs Schwerwasser konzentrieren, bei weIcherKonsentration andere und wesentlich kostspieligere Systeme mit höheren Konzont-ratlon.svej.-htiltnissen sich als wirtschaftlicher erweisen können. Vorteile einer solfe chen Anlage sind darin zu sehen, daß die Gesamtverifei!dauer in der Größenordnung von sechs bis sieben Stunden liegt und Jeder gewünschte Wert einer Gesamtanlagekapftzltät nur dadurch erlangt werden kann, daß zusätzlich Systeme oder Anlagen in Betrieb genommen werden, die je sechs Säulen aufweisen und die parallel zueinander geschaltet sind. Eine solche Anlage hätte den zusätzlichen Vorteil, daß die einzelnen sechs Säuioneinheiten Jeweils zur Wertung oder Reparatur außer Boti'leb gesetzt werden könnten, ohne daß die Produktion der Übrigen Einheiten gestört; würde,und wenn die Erzeugung einer Einheit klein im Vergleich zur G©s«mtkapÄSität ist, dann ist die Abschaltung öder der Ausfall einer oder

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weniger Einheiten vernachlässigbar für die Gesamtproduktion.

Die wichtigsten Vorteile eines Systems dieser Bauart werden offenbar, wenn man einen Vergleich einer Destillationsanlage herkömmlicher Art zieht, die einen Turm mit vierundvierzig Stufen und einer Höhe von 60 Metern aufweist, mit einer Schwerwassergewinnung von 1,9$ und einer Verweilzeit von etwa 75 Tagen. Der bedeutende Unterschied zwischen Komplexheit, Größe und Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und herkömmlicher Systeme ist außerordentlich groß, während die Unterschiede in der· Komplexheit und der Kosten der TrSgeranordnung für die beiden Systeme ebenfalls entsprechend groß ist.

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Claims

Patentanspruches

1. Vorrichtung zur Erhöhung-der Kon2@ntration-eines Flüssigkeit« /anteils in einer aus diesem Fltissigkeitsanteil und ©laer hiervon unterschiedlich flüchtigen Flüssigkeit bestehenden Flüs« sigkeitsntlechimg,

. dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl dünner poröser Membranes! (1O)₃ von denen Jede eine Vielzahl mikroskopisch kleiner gasgefüllter Durch» gänge aufweist, durch die Dampf der Flüssigkeiten hindurchtreten kann, während der Durchtritt ¥on Flüssigkeit selbst verhindert ist, einander gegenüberliegend so angeordnet ist, daß die Membranen eine Säule (12) bilden,, wobei die FlUssigkeitsmischung zwischen zwei dieser Membranen im Mittelabschnitt der Säule eingeführt wird vma die Flüssigkeitsmisefaimi als dünner Film zwischen aufeinanderfolgenden Paaren dieser Membranen nach einem Ende der Säule strömt, daß Heizmittel vorgesehen sind, um den Flüssigkeitsfilm nahe dem eitfin^lnde der Säule (12) zu erwärmen,und daß Mittel vorgesehen sind,

C kalten) um Wärme aus dem Flüssigkeitsfilm an dem anderen/finde der Säule abzuführen, wobei die Flüsslgkeitsmischung, die durch einen weniger flüchtigen Flüssigkeitsanteil angereichert ist, von der Säule nah© dem warmen Ende desselben abgezogen wird.

2. Vorrichtungi&aeh Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Membranen (10) im Abstand ^uiinander derart angeordnet sind, daß Kanäle zwischen benachbarten Membranen gebildet werden, durch die die Flüssigkeitsmisehuiag als dünner Film zirkulieren kann.

35. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2₉ daduroh g e k © η η z®iohn<at* daß jede der porösen Membranen mit Ausnahm® jener

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in der NMhe des kalten Sacles der Säule mehrere öffnungen (24) aufweist, um den Durchtritt der Flussigkeitsmlschung durch die Säule zwischen aufeinanderfolgenden Paaren der Membranen nach dem warmen Ende der Säule zu ermöglichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (24) in Jeder der Membranen (10) gegenüber den öffnungen benachbarter Membranen versetzt angeordnet sind, damit die Fitissigkeltsmischung als dünner Film zwischen benachbarten Membranen strömen kann.

5· Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um am kalten Ende der Säule von dieser Säule Flüssigkeit abzuführen, die als Dampf durch die Membran hindurchgetreten und auf dor kalten Seite der Membran kondensiert ist, welche Flüssigkeit dem weniger flüchtigen Flüssigkeitsanteil entzogen wurde.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Jede zweite Membran gewellt ist, um Kanäle zu bilden, durch die FlUssigkeifcsmlsehung zwischen den Membranen zirkulieren kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Membranen gewellt ausgebildet sind und die Wellungen Jeder Membran sich in einem Winkel gegenüber den Wellungen benachbarter Membranen erstreckt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet ,

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daß wenigstens eine «weite Säule vorgesehen ist, die ebenfalls eine Vielzahl von Membranen aufweist, welch© gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, und daß dies© zweite Säule parallel zu der ersten Säule gesahaltet ist.

9· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Membranen bei Fehlen eines beträchtlichen hydrostatischen Druckdifferentials über den Membranen im wesentlichen undurchlässig für Wasser sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen durch Wasser nicht benetzbar sind.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß sie zur Konzentration von schwerem Wasser aus einer Mischung vorgesehen ist, die gewöhnliches Wasser enthält.

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