DE19900432A1 - Membranmodul - Google Patents
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Abstract
Das Membranmodul für die Stofftrennung besteht aus einem Gehäuse und einem darin eingebauten Faserbündel, welches eine oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl von, parallel angeordneten semipermeablen Schlauchmembranen (8) aufweist, die mit ihren Enden an Kopfplatten (5) (Pottings) befestigt sind, wobei die Innenseiten der Schlauchmembranen (8) mit entsprechenden, in mindestens einer der Kopfplatten (5) angeordneten Kanälen verbunden sind. Der Abstand der Pottings (5) im Faserbündel ist vor dessen Einbau in das Gehäuse frei veränderbar. Nach dem Einbau des Faserbündels in das Gehäuse ist der Abstand der Pottings (5) zueinander fixiert. Das Modulkonzept ist universell für alle Anwendungsfälle geeignet, läßt alle individuellen Vorteile der existierenden, aber unterschiedlichen Konstruktionen in einem Konzept zu, aber vermeidet dabei alle individuellen Nachteile der existierenden, aber unterschiedlichen Konstruktionen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Membranmodul für die
Stofftrennung, bestehend aus einem Gehäuse und einem darin
eingebauten Faserbündel, welches eine oder mehrere,
insbesondere eine Vielzahl von, parallel angeordneten
semipermeablen Schlauchmembranen aufweist, die mit ihren
Enden an Kopfplatten (Pottings) befestigt sind, wobei die
Innenseiten der Schlauchmembranen mit entsprechenden, in
mindestens einer der Kopfplatten angeordneten Kanälen
verbunden sind.
Verfahren wie Mikro- und Ultrafiltration (MF, UF), Umkeh
rosmose (UO) und Dialyse (DL) finden breiten industriellen
Einsatz, z. B. in der Abwassertechnik (Mikrofiltration,
Ultrafiltration) bzw. in der Meerwasserentsalzung zur
Trinkwassergewinnung (Umkehrosmose), und haben einen Ent
wicklungsstand erreicht, der kaum noch grundlegende Neue
rungen erwarten läßt. Es gibt darüber hinaus Membranver
fahren, die es ermöglichen selektiv Komponenten aus Gemi
schen abzutrennen. Dabei handelt es sich um die Pervapora
tion (PV), wenn das Gemisch im flüssigen Aggregatzustand
befindet, um die Dampfpermeation (DP), wenn das Gemisch
dampfförmig und letztlich um die Gaspermeation (GP), wenn
das Gemisch gasförmig vorliegt.
Die Pervaporation sowie die Dampfpermeation verfügen hin
sichtlich ihrer Einsatzgebiete und einer verfahrenstechni
sch sinnvollen Kombination mit anderen Prozeßschritten,
insbesondere Rektifikation und Reaktion, über ein hohes
Entwicklungspotential.
Daß der industrielle Einsatz der Pervapora
tion/Dampfpermeation bislang kaum erfolgt ist, kann nicht
einfach auf einen Mangel an geeigneten Membranen zurückge
führt werden. Vielmehr ist festzustellen, daß das Poten
tial der zur Verfügung stehenden Membranen bei weitem
nicht ausgeschöpft ist. Für einen breiteren Einsatz der
Pervaporation/Dampfpermeation sind vor allem die Entwick
lung zuverlässiger und kostengünstiger Module und eine
optimale Integration des Membranverfahrens in technische
Prozesse von Bedeutung.
Kernstück jeder Membrananlage ist der Modul, d. h. die
technische Anordnung der Membranen. Dabei bedeutet:
Modul = Membran(en) + Gehäuse
Bei der Modulentwicklung müssen im wesentlichen die fol
genden z. T. widersprüchlichen Anforderungen berücksichtigt
werden:
- - gute, gleichmäßige Überströmung der Membran
- - mechanische, chemische und thermische Stabilität
- - große Packungsdichte
- - kostengünstige Fertigung
- - gute Reinigungsmöglichkeit
- - kostengünstige Möglichkeit eines Membranwechsels
- - geringe Druckverluste
Darüber hinaus ist auch den vielfältigen Transportwider
ständen bei der Konstruktion eines Moduls Rechnung zu
tragen, die in Gasen und Dämpfen eine völlig andere Bedeu
tung besitzen als in Flüssigkeiten. Daher ist es einleuch
tend, daß derselbe Modultyp hinsichtlich der optimalen
Geometrie und Strömungsführung verschieden ausfällt, je
nachdem ob er für die Umkehrosmose, Gaspermeation, Per
vaporation oder Dampfpermeation konzipiert ist. Da je nach
Einsatzzweck der eine oder der andere Gesichtspunkt im
Vordergrund steht, sind auf dem Markt eine Reihe völlig
unterschiedlich konzipierter Modultypen erhältlich. Sieht
man von konstruktiven Einzelheiten ab, so lassen sich die
Module auf 2 Bauklassen und 6 Bauarten zurückführen:
Schlauchmembranen:
Rohrmodul
Kapillarmodul
Hohlfasermodul
Rohrmodul
Kapillarmodul
Hohlfasermodul
Flachmembranen:
Plattenmodul
Wickelmodul
Kissenmodul
Plattenmodul
Wickelmodul
Kissenmodul
Die Erfindung betrifft Module mit Schlauchmembranen, wel
che nachfolgend näher erläutert werden.
Bei diesem Modultyp liegt die Membran in Schlauchform auf
der Innenseite druckfester Rohre, die Durchmesser zwischen
6 und 24 mm aufweisen. Der Feed wird in das Innere des
Rohres gepumpt, das Permeat durchdringt die Membran und
wird im Außenraum abgezogen. Zum Teil können die Membranen
ausgewechselt werden, zum Teil sind sie aber auch fest auf
dem Stützmaterial aufgebracht. Zur Erhöhung der relativ
geringen Packungsdichte (< 80 m2 Membranfläche pro m3
umbautem Raum) ordnen viele Hersteller mehrere Module in
einem Mantelrohr an. Die Vorteile und Nachteile des Rohr
moduls sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei
der Innendurchmesser mit di abgekürzt ist:
Im Gegensatz zu Rohrmodulen und Modulen mit Flachmembra
nen, bei denen die Membranfolie durch eine poröse Stütz
struktur mechanisch abgestützt wird, gibt es auch Modul
konstruktionen, die mit selbsttragenden Membranen ausge
stattet sind
- - das Hohlfasermodul
- - das Kapillarmodul
Letzteres besteht aus größeren (di = 0.5-6 mm) und damit
weniger druckfesten Membranschläuchen, die asymmetrisch
aufgebaut sind und innen die aktive Trennschicht besitzen.
Das Kapillarmodul wird im Bereich der Ultrafiltration
sowie bei der Gaspermeation in den Fällen eingesetzt, in
denen die Triebkraft durch Anlegen von Vakuum auf der
Permeatseite - bei Umgebungsdruck auf der Feedseite -
realisiert wird. Er ist mit einem Rohrbündelwärmeaus
tauscher zu vergleichen: die Membranschläuche sind paral
lel angeordnet und an beiden Enden in einer Kopfplatte
(Potting) verklebt. Im Vergleich zum Rohrmodul besitzt der
Kapillarmodul eine höhere Packungsdichte, jedoch wegen der
meist laminaren Strömung ein weniger gutes Stoffaustausch
verhalten. Die Vorteile und Nachteile des Kapillarmoduls
sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
Sehr viel geringere Durchmesser als beim Kapillarmodul
werden in Hohlfasermodulen verwendet. Hohlfasermodule
werden bei der Umkehrosmose und Gaspermeation eingesetzt,
bei der Gaspermeation aber nur dort, wo die Triebkraft
durch Überdruck auf der Zulaufseite - bei Umgebungsdruck
auf der Permeatseite - realisiert wird. Meist ist die zu
trennende Mischung auf der Außenseite der Fasern, während
das Permeat im Faserinnern abströmt. Die Hohlfasern werden
also im Gegensatz zu Kapillaren zumeist durch Außendruck
beansprucht. Aus diesem Grund sind sie druckstabiler als
Kapillar- und Rohrmodul und können einer Druckdifferenz
bis zu 100 bar standhalten. Meist sind die eingesetzten
Hohlfasern asymmetrisch, wobei die aktive Schicht in den
meisten Fällen außen liegt. Typische Größenordnungen sind
Außendurchmesser da = 85 µm (Dupont - UO, da = 200 µm
(Toyobo - UO) und da = 400 µm (Monsanto GP und UBE GP).
Beim Hohlfasermodul werden die einzelnen Fasern zu einem
Faserpaket zusammengefaßt und in ein Druckrohr eingebaut.
Konstruktiv sind dabei die Module für die Gaspermeation so
ausgebildet, daß die zu trennende Mischung parallel zu den
Fasern geführt wird (Gleich- oder Gegenstrom), während bei
Hohlfasermodulen für die Umkehrosmose die Rohlösung radial
zum Faserbündel, und zwar von innen nach außen strömt
(Kreuzstrom). Als Beispiel für letzteres sei das Membran
modul genannt, das unter dem Handelsnamen "Permasep" von
der Fa. Du Pont vertrieben wird.
Während bei den Hohlfasermodulen für die Umkehrosmose die
zu trennende Mischung immer auf der Außenseite der Fasern
strömt und das Permeat im Faserinnern, existieren für die
Gaspermeation beide Stromführungen. Insgesamt sind dabei
die in Fig. 5 dargestellten 3 Varianten hinsichtlich der
Stromführung von Feed 3 und Permeat 4 und hinsichtlich des
Membranaufbaus entwickelt worden:
Neben der Variante A mit außenumströmtem Faserbündel und außenliegender aktiver Schicht 1 der Membran und innenlie gender Stützschicht 2 gibt es auch Module mit feedseitig innendurchströmten Hohlfasern. Selbstverständlich müssen hier die Fasern analog zu einem eingängigen Rohrbündelwär meaustauscher an beiden Faserenden offen eingeklebt sein. Die aktive Schicht 1 der Membran ist bei dieser Stromfüh rung normalerweise auf der Innenseite (Variante B), jedoch ist auch ein innendurchströmter Hohlfasermodul für die Gaspermeation mit außen liegender aktiver Schicht 1 (Variante C) bekannt.
Neben der Variante A mit außenumströmtem Faserbündel und außenliegender aktiver Schicht 1 der Membran und innenlie gender Stützschicht 2 gibt es auch Module mit feedseitig innendurchströmten Hohlfasern. Selbstverständlich müssen hier die Fasern analog zu einem eingängigen Rohrbündelwär meaustauscher an beiden Faserenden offen eingeklebt sein. Die aktive Schicht 1 der Membran ist bei dieser Stromfüh rung normalerweise auf der Innenseite (Variante B), jedoch ist auch ein innendurchströmter Hohlfasermodul für die Gaspermeation mit außen liegender aktiver Schicht 1 (Variante C) bekannt.
Die Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten lassen sich
anhand der Fig. 6a und 6b charakterisieren, in denen
die Pottings 5 mit den Dichtungen 6, das Zulauf- und Ab
laufrohr (Zentralrohr) 7 und die Schlauchmembranen 8 sowie
Feed 3 und Retentat 9 dargestellt sind. Der Feeddruck PF,
der Permeatdruck PP und der Retentatdruck PR sowie die
resultierende Kraft 10 bzw. der resultierende Druck 10 auf
die Pottings 5 sind ebenfalls eingezeichnet.
Bei außen angeströmten Varianten wirkt der Systemüberdruck
auf die Innenseite der Pottings mit dem Bestreben, diese
auseinanderzudrücken.
Bei innen angeströmten Varianten wirkt der Systemüberdruck
auf die Stirnseiten der Kopfplatten 5 (Pottings) mit dem
Bestreben, diese gegeneinander zu drücken.
Hier können aufgrund der hohen mechanischen Stabilität von
Rohren unter Außendruck hohe feedseitige Drücke (Δp ≈ 70 bar)
realisiert werden. Permeatseitig sind jedoch relativ
hohe Druckverluste zu erwarten, da aus konstruktiven Grün
den kleine Faserdurchmesser und große Faserlängen ange
strebt werden. Hinzu kommt bei Gaspermeationsmodulen der
ungünstige Einfluß des niedrigen Permeatdruckes auf den
Druckverlust (Δp ~ 1/p). Es ist jedoch eine große
Packungsdichte erreichbar, da die äußere Mantelfläche der
Hohlfasern natürlich sehr viel größer ist als die innere.
In diesem Fall ist der permeatseitige Druckverlust ver
nachlässigbar klein. Dies ist für die Gaspermeation we
sentlich, da hier die Selektivität relativ stark vom
Druckverhältnis PF/PP abhängt und damit wesentlich emp
findlicher auf permeatseitige Druckverluste reagiert als
auf feedseitige (Größenordnungen beachten!). Nachteilig
sind die deutlich geringere Packungsdichte, vor allem aber
die geringere Belastbarkeit der Hohlfasern bei Innendruck
(PFmax ≈ 15 bar).
Bei diesem Typ wird versucht, den Vorteil der Variante A -
große, weil außen liegende aktive Membranfläche - mit dem
Vorteil der Variante B - geringer permeatseitiger Druck
verlust - zu verbinden. Hinsichtlich der mechanischen
Beanspruchung ist zu berücksichtigen, daß einerseits eine
außen liegende, auf Dehnung beanspruchte aktive Schicht
gefährdeter ist als eine innen liegende Schicht, anderer
seits aber eine eventuelle Beschädigung durch im Feed
befindliche Partikel ausgeschlossen ist.
Die Vorteile und Nachteile des Hohlfasermoduls sind in der
folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei der Innendurchmes
ser mit di abgekürzt ist:
Abschließend werden die wichtigsten Unterscheidungsmerkma
le der drei Modultypen mit Schlauchmembran zusammengefaßt.
Gerade die Vielzahl an verfügbaren Modulsystemen hat eine
Verbreitung der Membranverfahren in solchen Gebieten ver
hindert, in denen verschiedene Membranen in derselben
Modulkonfiguration benötigt werden. Sollen z. B. in demsel
ben Reaktor unter Einsatz verschiedener Membranen unter
schiedliche Substanzen synthetisiert werden, so kann u. a.
auch die Anströmung von Synthese zu Synthese variieren. Im
einen Fall, z. B. Veresterung, ist eine außenumströmte,
wasserselektive (hydrophile) Membran, in der nächsten
Anwendung, z. B. Umesterung, hingegen eine innenangeström
te, organikaselektive (hydrophobe) Membran erforderlich.
Muß der Nutzer dazu verschiedene Modulkonzepte installie
ren, wird er aufgrund der hohen Kosten und der logisti
schen Komplexität (Service) mit hoher Wahrscheinlichkeit
auf die Investition verzichten.
Hohlfaser- und Kapillarmodule werden in allen Membranver
fahren in verschiedenen Konfigurationen angeboten. Die ver
fügbaren Modulkonzepte sollen im folgenden diskutiert
werden. Zunächst wird auf die unterschiedliche konstrukti
ven Merkmale von Faserbündeln eingegangen.
Die Fertigung von Faserbündeln ist um so aufwendiger,
desto größer die Faserbündeldurchmesser und je höher der
angestrebte Temperaturbereich ist. Die Hauptprobleme
liegen in der Fertigung der Pottings. Da es sich um
Polymermaterialien handelt, unterliegen die Faserbündel
großen Fertigungstoleranzen bis zu 1%.
Starre Faserbündel sind die häufigste Form, gekennzeichnet
dadurch, daß die Pottings z. B. durch eine Rohr-, Stangen
oder Stützmantelkonstruktion starr miteinander verbunden
und im Gehäuse 11 axial fixiert sind. Die konstruktive
Gestaltung der Module bei innen- bzw. außen umströmter
Konfiguration ist bei starren Faserbündel einfacher. Un
terliegt das starre Zentralrohr 7 mit zunehmender Tempera
tur einer stärkeren Längendehnung als das Gehäuse, so kann
die relative Längendehnung des Zentralrohrs 7 zum axialen
Ausbrechen des Zentralrohrs 7 aus dem Potting 5 führen
(Fig. 7a, 7b).
Mit steigenden Anwendungstemperaturen (90-400°C und
darüber) entsteht die Notwendigkeit, axial veränderliche
Faserbündel zu fertigen, da die unterschiedlichen Wärme
dehnungen der verwendeten Materialien (Fasern, Potting
harz, Zentralrohr, Stützkäfig) berücksichtigt werden müs
sen. Das Zentralrohr kann aus Kunststoff oder, im Falle
hoher Betriebstemperaturen, aus Stahl bestehen. Das
gleiche gilt für das Gehäuse.
Längenveränderliche Faserbündel sind durch eine axiale
Verschiebbarkeit der Pottings relativ zueinander gekenn
zeichnet. Dies kann u. a. durch Teilung der Zentralrohre 7
erzielt werden. Die Fig. 8a, 8b, 8c zeigen schematisch
die Wirkungsweise längenveränderlicher Faserbündel bei
Temperaturerhöhung. In Fig. 8a sind im Gehäuse fixierte
Pottings 5, in Fig. 8b im Gehäuse axial verschiebbare
Pottings 5 bei Innenanströmung (Druck von außen auf die
Pottings) und in Fig. 8c im Gehäuse axial verschiebbare
Pottings 5 bei Außenanströmung (Druck von innen auf die
Pottings) dargestellt.
Durch die entfallende axiale Fixierung, erhält ein Potting
eine "schwimmende" Funktion (vgl. "schwimmende" Lagerung
bei Metallbauteilen). Bei geteilten Faserbündeln sind
sowohl für die innen-, wie auch die außenangeströmte Vari
ante besondere konstruktive Vorkehrungen zu berücksichti
gen. Wird z. B. bei Innenanströmung das flexible Potting
nicht fixiert, so reduziert der Systemüberdruck 13 das
axiale Dehnungsspiel 12 auf Null (Fig. 8b). Die Wärmedeh
nung führt nun zu einer Gleitbewegung des "schwimmenden"
Pottings 5a und verursacht eine permanente Gleitbelastung
der Dichtung 6. Der Systemüberdruck 13 wirkt der Wärmedeh
nung 14 entgegen.
Bei Außenanströmung ist zudem die Empfindlichkeit längen
veränderlicher Faserbündel gegenüber dem Mediumdruck kon
struktiv auszugleichen, denn der Systemüberdruck 13 drückt
das "schwimmende" Potting 5a so weit nach außen, bis die
Fasern 8 die vollständige Kraft aufnehmen (Fig. 8c). Wird
das Potting 5a axial nicht fixiert, kann besonders eine
schnelle Druckbeaufschlagung zum Faserriß führen (Fig.
8c, unten).
Bei dieser häufigsten, anzutreffende Bauart werden die
Fasern direkt im Gehäuse vergossen (verklebt) und somit
Leckage- und Dichtigkeitsprobleme umgangen. Darüber hinaus
werden nur kleine Modulgrößen angeboten, da hier die Wär
medehnungsaspekte weniger ausgeprägt sind. Die verfügbaren
Module sind jedoch nur für den Niederdruckbereich
(Polymergehäuse) und den Niedertemperaturbereich (bis ca.
100°C) geeignet. Eine Montage/Demontage nur der Faserbün
del ist allerdings nicht möglich, d. h. bei Auftreten von
Membrandefekten sind die kompletten Module auszutauschen.
Ein Membranaustausch seitens des Kunden ist somit immer
mit einem Modulaustausch verbunden. Ein Membranwechsel
(Verwendung von Membranen anderer Hersteller) ist aufgrund
anderer konstruktiver Gestaltung in der Regel nicht mög
lich. Durch die Einklebung sind solche Faserbündel starr.
Bei den bekannten technischen Lösungen sind die zur Dich
tung der Faserbündel 8 montierten O-Ringe 6 am Außenumfang
der Pottings 5 (radial wirkend) angeordnet (Fig. 9).
Nachteilig an dieser Konstruktion ist, daß axiale Drücke
tangential auf eine sehr dünne Dichtfläche wirken. Die
Empfindlichkeit dieses Dichtungskonzepts nimmt mit zuneh
mendem Druck und besonders mit zunehmender Temperatur und
chemischem Angriff zu.
Die Montage erfolgt am beidseitig geöffneten Gehäuse 11
durch Einschieben des Faserbündels 5, 8 und durch Einlegen
der beiden O-Ringe 6 und deren Verpressung durch einen
geeigneten Andruckflansch 15.
Eine Variation starrer Faserbündel sind einseitig montier
bare Kartuschen, die z. B. unter dem Handelsnamen
"Permasep" von der Fa. Du Pont vertrieben werden. Diese
Kartuschen sind ebenfalls durch radial wirkende Dichtungen
(O-Ringe) und durch ein die Pottings fixierendes, starres
Zentralrohr charakterisiert. Es gelten die Limitierungen
für starre Faserbündel.
Ähnlich sind einseitig montierbare Kartuschen (z. B.
"Permasep") für Wickelmodule. Wickelmodule haben keine
Pottings. Die Kartuschen sind durch eine fixierende Kunst
stoff-Ummantelung charakterisiert (starr), die Nuten zur
Aufnahme von ebenfalls radial wirkenden Dichtungen (O-
Ringe, Lippendichtungen) aufweisen.
Daher sind Modulkonzepte zu fordern, die universell für
alle Anwendungsfälle geeignet sind, die alle individuellen
Vorteile der existierenden, aber unterschiedlichen Kon
struktionen in einem Konzept zulassen und dabei alle indi
viduellen Nachteile der existierenden, aber unterschiedli
chen Konstruktionen vermeiden.
Mit zunehmendem Einsatz von Membranen in der chemischen
Industrie sind häufige An- und Abfahrvorgänge durch Fehl
bedienungen oder Sicherheitsverriegelungen unausweislich.
Das bedeutet, die Module müssen viele Anfahrprozesse be
wältigen können. Zudem erfordern chemische Prozesse auch
die Variation des Prozeßdrucks (Feeddruck, Permeatdruck)
in weiten Bereichen. Daher sollten "schwimmende" Pottings
vermieden werden.
Auch Polymermembranen werden zunehmend in Temperaturberei
chen bis 400°C eingesetzt, d. h. die Modulkonstruktionen
müssen die Fertigungstoleranzen der Faserbündel (Polymer,
Epoxidharze) als auch die Wärmeausdehnungen kompensieren.
Längenveränderliche Faserbündel sind daher anzustreben.
Darüber hinaus müssen die Membranen zwecks Produktionssi
cherheit vom Betriebspersonal gewechselt werden können.
Dies erfordert eine geeignete In-situ-Montagevorrichtung
von einer Seite.
Das bei herkömmlichen Modulen ausschließlich anzutref
fende, radiale Dichtkonzept ist bei zunehmenden Drücken
und Temperaturen, sowie der geforderten Tauglichkeit der
Module für Dämpfe zu labil. Diese Anforderung wird kon
struktiv durch ein geeignetes Dichtkonzept erzielt. Das
Dichtungskonzept sollte für beide Anströmvarianten geeig
net und zudem unempfindlich gegen die Fertigungstoleranzen
der Faserbündel sein.
Die Universalität fordert, daß der Modul für alle Anwen
dungen, u. a.
- a) innen- und außenangeströmte Faserbündel
- b) starre und nicht starre Faserbündel
- c) Selbstdichtungsfunktion
- d) Niedrig- und Hochtemperaturanwendungen
- e) einseitige (in-situ) Montier- und Demontierbarkeit geeignet sein sollte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem
Membranmodul der eingangs genannten Art diese Anforderun
gen zu erfüllen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß der Abstand der Pottings im Faserbündel vor dessen
Einbau in das Gehäuse frei veränderbar ist und daß nach
dem Einbau des Faserbündels in das Gehäuse der Abstand der
Pottings zueinander fixiert ist.
Mit der Erfindung können die widersprüchlichen Forderungen
- - längenvariabler Faserbündel und
- - beidseitig fixierter Pottings
gleichzeitig erfüllt werden.
Die freie Veränderbarkeit des Abstandes der Pottings
erlaubt ein Wärmedehnungsspiel und damit die Verwendung
des Membranmoduls sowohl bei hohen als auch bei niedrigen
Temperaturen, ohne daß beispielsweise ein vorhandenes
Zentralrohr axial aus dem Potting ausbricht. Durch die
Fixierung des Abstands der Kopfplatten zueinander kann das
Faserbündel sowohl von innen als auch von außen angeströmt
werden, ohne daß durch eine Verschiebung der Pottings
Dichtungsprobleme auftreten und ohne daß der Druck des
Mediums auf die Schlauchmembranen wirkt und eventuell zu
einem Membranriß führt.
Vorgeschlagen wird weiterhin, daß innerhalb des
Faserbündels ein Zulauf- oder Ablaufrohr angeordnet ist,
wobei mindestens ein Ende des Zulauf- und Ablaufrohrs fest
und axial unverschiebbar mit einer der Pottings verbunden
ist, und daß vor dem Einbau des Faserbündels in das
Gehäuse der Abstand dieses Endes zum gegenüberliegenden
Potting veränderbar ist. Üblicherweise ist das Zulauf- und
Ablaufrohr zentral innerhalb des Bündels von
Schlauchmembranen ("Faserbündels") angeordnet und wird
daher Zentralrohr genannt. Z. B. kann das eine Ende des
Rohrs fest im Potting eingeklebt sein und das andere Ende
in einer entsprechenden Sackbohrung des anderen Pottings
lose und axial verschiebbar einliegen. Es liegt aber auch
im Rahmen der Erfindung, daß im Faserbündel überhaupt kein
solches Zentralrohr angeordnet ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, daß beide Enden des Zulauf-
und Ablaufrohrs mit dem jeweiligen Potting fest und axial
unverschiebbar verbunden ist, daß die Länge des Zulauf-
oder Ablaufrohrs frei veränderbar.
Die freie Veränderbarkeit der Länge des Zulauf- und Ab
laufrohres kann auf unterschiedliche Weise erreicht wer
den. So wird zum einen vorgeschlagen, daß das Zulauf- und
Ablaufrohr mindestens zwei teleskopartig teilweise inein
anderschiebbare Rohrstücke aufweist.
Alternativ kann man in einer weiteren vorteilhaften Ausge
staltung der Erfindung vorsehen, daß das Zulauf- und Ab
laufrohr mindestens einen in Längsrichtung wirkenden Kom
pensator aufweist.
Auch die Fixierung des Abstands der Kopfplatten zueinander
kann unterschiedlich ausgestaltet sein. So wird zum einen
vorgeschlagen, daß der Abstand der Kopfplatten zueinander
einstellbar ist. Diese Ausgestaltung wird im einzelnen
weiter unten in Beispiel 1 erläutert.
Die erfindungsgemäßen Merkmale sind hier durch die kon
struktive Gestaltung des Gehäuses verwirklicht, z. B. durch
die Integration einer axial fixierbaren
"Montagevorrichtung" mit einer zunächst veränderbaren,
nach der Montage aber fixierten Verbindung zwischen den
Pottings (Beispiel 1, Fig. 1 und 2).
Bei der Montage eines solchen erfindungsgemäßen Membranmo
duls versieht man die Verbindung der Pottings zunächst mit
einem definierten axialen Wärmedehnungsspiel und fixiert
anschließend den Abstand der Pottings und damit auch das
vorgegebene Wärmedehnungsspiel des Zulauf- und Ablauf
rohrs.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
haben die Kopfplatten einen festen, vorgegebenen Abstand
zueinander. Hier liegt also ein festes, vorgegebenes Wär
medehnungsspiel des Zulauf- und Ablaufrohrs vor. Das wei
ter unten im einzelnen erläuterte Beispiel 2 betrifft
diese Ausgestaltung.
Weiter wird vorgeschlagen, daß die Kopfplatten an den
Enden eines inneren Mantelrohrs fest angebracht sind und
das innere Mantelrohr innerhalb des äußeren Mantelrohrs
angeordnet ist. Hier erhält man eine auswechselbare Kartu
sche, die das Faserbündel, die Pottings und das innere
Mantelrohr umfaßt.
Die erfindungsgemäßen Merkmale werden durch die konstruk
tive Gestaltung des Wechselelements erzielt, z. B. indem
man ein Hohlfaserbündel mit einer starren Ummantelung
versieht, die Einbauten zwischen den Pottings jedoch axial
zueinander verschiebbar (z. B. geteilte Zentralrohre, Zen
tralrohre mit Kompensatoren, etc.) fertigt (Beispiel 2,
Fig. 4).
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Außenfläche des
inneren Mantelrohrs bzw. der Kopfplatten bzw. eines fest
damit verbundenen Teils gegenüber der Innenfläche des
Gehäuses abgedichtet ist und die Dichtungen als
Lippendichtungen, insbesondere als selbstdichtende
Lippendichtungen, ausgebildet sind.
Vorzugsweise werden derartige Dichtungen eingesetzt, bei
denen der Systemdruck in allen Anströmungsvarianten die
Dichtungswirkung unterstützt (Selbstdichtungswirkung). So
können umklappbare bzw. wechselseitig einbaubare
Lippendichtungen eingesetzt werden, mit denen die Einheit
aus Faserbündel und Pottings bzw. das Wechselelement für
jede Anströmungsvariante selbstdichtend gegenüber dem
Permeatraum abgedichtet wird.
Vorzugsweise sind die Schlauchmembranen als Polymermembra
nen, insbesondere als hochtemperaturbeständige Membranen
ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Membranmodul kann für beliebige Mem
branverfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise wird es für
die Verfahren Dampfpermeation, Pervaporation verwendet.
Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren unter Verwendung
eines genannten Membranmoduls, wobei man bei dem
Faserbündel ein Wärmedehnungsspiel einstellt, welches
kleiner als die Wärmedehnung bei der Betriebstemperatur
ist. Z. B. kann ein Wärmedehnungsspiel von 10 mm bei einem
Abstand von etwa 1 m zwischen den Pottings erforderlich
sein und eingestellt werden, wenn eine Betriebstemperatur
von 150°C vorgesehen ist. Wird dagegen ein Spiel von nur
8 mm eingestellt, so wirkt der Druck des Mediums bei
Außenanströmung (Fig. 3b) bei der Betriebstemperatur
unmittelbar auf die Dichtungen und führt bei einer
entsprechenden Ausgestaltung der Dichtungen zu einer
Verstärkung der Dichtwirkung (axiale/radiale
Selbstabdichtung) der Pottings. Das Spiel kann
beispielsweise durch die Änderung des Abstandes der
Pottings mittels einer axial verstellbaren Gewindestange
(Fig. 1 bis 3) eingestellt werden.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfin
dung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Membranmodul mit umgebenden Gehäuse nach einem
ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 den rechten Teil von Fig. 1 in Vergrößerung,
Fig. 3 Details der Fig. 1 und 2 zur Erläuterung des
Aufbaus, der Montage und der Funktionsweise, zum
Teil mit unterschiedlichen Ausgestaltungen ein
zelner Elemente,
Fig. 4a, 4b je einen Längsschnitt durch ein erfindungs
gemäßes Membranmodul nach einem zweiten Ausfüh
rungsbeispiel,
Fig. 5A, 5B, 5C ein Membranmodul im Längsschnitt
mit Darstellung der Stromführung von Feed und
Permeat (Stand der Technik, bereits erläutert),
Fig. 6a, 6b jeweils ein Membranmodul im Längs
schnitt mit schematischer Darstellung der An
strömungsvarianten (Stand der Technik, bereits
erläutert),
Fig. 7a, 7b jeweils ein Membranmodul im Längs
schnitt mit im Gehäuse axial fixierten Pottings
und mit schematischer Darstellung des Effektes
der Wärmedehnung (Stand der Technik, bereits er
läutert),
Fig. 8a, 8b, 8c jeweils ein Membranmodul im Längs
schnitt mit im Gehäuse axial beweglichen Pot
tings mit veränderbarem gegenseitigem Abstand
und mit schematischer Darstellung des Effektes
der Wärmedehnung (Stand der Technik, bereits er
läutert),
Fig. 9 ein Membranmodul im Längsschnitt beim Einbau in
ein Gehäuse (Stand der Technik, bereits erläu
tert) und
Fig. 10a und 10b die Herstellung eines Faserbündels
nach dem Stand der Technik.
In allen Zeichnungen, auch in denen zum Stand der Technik,
haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und
werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
Die Anforderungen wurden erfindungsgemäß durch einen Mon
tagekäfig mit folgenden Merkmalen gelöst:
- 1. axial/radiale Dichtung 6 der Pottings 5a, 5b (Fig. 3f, 3g, 3i)
- 2. einseitiges Fixlager (links in Fig. 1),
- 3. gegenüberliegendes Loslager (rechts in Fig. 1, zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen)
- 4. Elemente zur Fixierung des Loslagers (siehe Fig. 2),
- 5. einseitige Montier-/Demontierbarkeit,
- 6. radiales Dichtungskonzept am Loslager (z. B. O-Ringe, vorzugsweise jedoch Lippendichtungen 16, da selbstdichtend, z. B. erhältlich unter dem Handelsnamen "Variseal")
- 7. Selbstdichtungswirkung der Dichtungen 16 und 6 (als Dichtung 6 wird vorzugsweise ein O-Ring eingesetzt, der durch die Verschiebbarkeit des rechten Pottings 5b (Fig. 2) selbstdichtend ist)
- 8. in-situ Montier-/Demontierbarkeit
- 9. Möglichkeit, verschiedene Faserbündelkonstruktionen in demselben Gehäuse einzusetzen,
- 10. Schutz des Faserbündels 8 bei Montage-/Demontage,
- 11. leichte Durchführung von Druckprüfungen der Anlage,
- 12. Tauglichkeit für Pharmaanwendungen (Wegwerfmembranen, Sterilisierbarkeit von Gehäuse und Membran).
Das äußere Mantelrohr 17 ist von einem Heizmantel 18 mit
Ein- und Auslässen 19 umgeben.
ad 1. Die axial/radiale Dichtungswirkung wird durch eine Nut 20 im distalen Potting 5a erzielt, die als Auf nahme für ein Dichtelement (z. B. O-Ring 6) dient (Fig. 3a für außenangeströmte Schlauchmembranen 8, selbstdichtend). Die Dichtung 6 wird per distaler Durchschraubung (Schraube 21) der distalen Andruckplatte 22 in den Dichtsitz ver preßt. Radiale Fertigungstoleranzen der Pottings sind dadurch unerheblich.
Die Fig. 3f und 3g zeigen das axial/radiale und selbstdichtende Dichtungskonzept bei Verwendung von O- Ringen als Dichtungen. An sich bekannt ist radiale, nicht selbstdichtende Dichtungskonzept nach Fig. 3h. Ein vorteilhaftes, nicht bekanntes, radiales und selbstdichtendes Dichtungskonzept unter Verwendung von Lippendichtungen zeigt Fig. 3i.
ad 2. Dadurch ist das distale Potting 5a fixiert.
ad 3. Eine entsprechende Nut 24 wird am proximalen Potting 5b ("schwimmender Potting") vorgesehen (Fig. 3b für außenangeströmte Schlauchmembranen 8, selbstdichtend). Per Verschraubung (Schraube 25) des proximalen ungeteilten Andruckflansches 26 wird die Dichtung 6 in dem proximalen Dichtsitz verpreßt. Der Systemdruck wird in Fig. 3b mit dem Pfeil 27 dargestellt.
ad 4. Der proximale Dichtsitz ist in einen Flansch 29 integriert, der außerdem eine außen umlaufende Nut 30 aufweist, in der eine Lippendichtung 16 für die Abdichtung der Montagevorrichtung gegenüber dem Gehäuse 11 einliegt (Fig. 3c, 3d, 3e). Das distale (Fix)lager und das proximale Lager werden durch axial verstellbare Verbindun gen gegeneinander fixiert, z. B. mittels konterbarer Ge windestangen 23 durch Anziehen der Kontermutter 28. Die Flexibilität vor der Fixierung, insbesondere durch eine "tiefe" Sackbohrung im Flansch 29, ermöglicht den Aus gleich von axialen Fertigungstoleranzen der Faserbündel. Auch hier sind radiale Toleranzen unbedeutend.
Dadurch wird das Faserbündel 8 gegen Temperatur-/Druck wechselbeanspruchungen unempfindlich, da die Kräfte von der Montagevorrichtung aufgenommen werden. Unterschiedli che Wärmedehnungen zwischen Fasern und Gehäuse, Faserbün deleinbauten (Zentralrohr 7, Stützkäfig, etc.) werden ggf. durch Teilung dieser Faserbündeleinbauten kompensiert.
ad 5. Die Montagevorrichtung ermöglicht die einseitige Montage/Demontage des Faserbündels.
ad 6. Die Montagevorrichtung wird gegenüber dem Gehäu se 11 durch Radialdichtelemente, nämlich Lippendichtungen 16 (Fig. 3d, 3e), gedichtet. Fig. 3d zeigt die Anord nung für außenangeströmte, Fig. 3e die Anordnung für innenangeströmte Membranmodule.
ad 7. Hier werden Lippendichtungen 16 bevorzugt, da diese eine selbstdichtende Wirkung sowohl im innen- wie auch außenangeströmten Fall ausüben, indem die Öffnung der Überdruckseite zugewandt wird. Der Überdruck drückt die Lippen 16 auseinander und erhöht somit selbsttätig die Dichtwirkung.
ad 8. Durch die einseitige Montierbarkeit ist ein in- situ Ein- bzw. Ausbau der Faserbündel (vom Anwender) mög lich. Dadurch ist jederzeit die Produktionssicherheit gewährleistet.
ad 9. Die Montagevorrichtung ermöglicht den Einsatz konstruktiv unterschiedlicher Faserbündel in demselben Gehäuse 11.
ad 10. Die Montagevorrichtung wirkt als Schutzkäfig für das Faserbündel, d. h. alle Prozeß- und Montage/Demontage- Kräfte werden vom Schutzkäfig aufgenommen und schonen dadurch die empfindlicheren Membranelemente.
ad 11. Turnusmäßig durchzuführende Druckprüfungen von Anlagen werden in der Regel durch Füllen der Anlagen mit Wasser durchgeführt. Die Entkopplung von Faserbündel und Gehäuse erlaubt die Prüfung der Anlage bei ausgebautem Faserbündel (Vermeidung von Membrankontakt mit unnötigen Medien).
ad 12. Das Wechselkonzept in Verbindung mit hochtempe raturbeständigen Membranelementen (auch wenn die Membranen nur im Niedertemperaturbereich eingesetzt werden) ist zum Einsatz der Verfahren Dampfpermeation, Pervaporation im Pharmabereich tauglich, da Gehäuse und Membranen gemeinsam (in-situ) sterilisiert (z. B. Dampfsterilisation) werden können. Auch der Einsatz von Einweg-Membraneinsätzen ist denkbar.
ad 1. Die axial/radiale Dichtungswirkung wird durch eine Nut 20 im distalen Potting 5a erzielt, die als Auf nahme für ein Dichtelement (z. B. O-Ring 6) dient (Fig. 3a für außenangeströmte Schlauchmembranen 8, selbstdichtend). Die Dichtung 6 wird per distaler Durchschraubung (Schraube 21) der distalen Andruckplatte 22 in den Dichtsitz ver preßt. Radiale Fertigungstoleranzen der Pottings sind dadurch unerheblich.
Die Fig. 3f und 3g zeigen das axial/radiale und selbstdichtende Dichtungskonzept bei Verwendung von O- Ringen als Dichtungen. An sich bekannt ist radiale, nicht selbstdichtende Dichtungskonzept nach Fig. 3h. Ein vorteilhaftes, nicht bekanntes, radiales und selbstdichtendes Dichtungskonzept unter Verwendung von Lippendichtungen zeigt Fig. 3i.
ad 2. Dadurch ist das distale Potting 5a fixiert.
ad 3. Eine entsprechende Nut 24 wird am proximalen Potting 5b ("schwimmender Potting") vorgesehen (Fig. 3b für außenangeströmte Schlauchmembranen 8, selbstdichtend). Per Verschraubung (Schraube 25) des proximalen ungeteilten Andruckflansches 26 wird die Dichtung 6 in dem proximalen Dichtsitz verpreßt. Der Systemdruck wird in Fig. 3b mit dem Pfeil 27 dargestellt.
ad 4. Der proximale Dichtsitz ist in einen Flansch 29 integriert, der außerdem eine außen umlaufende Nut 30 aufweist, in der eine Lippendichtung 16 für die Abdichtung der Montagevorrichtung gegenüber dem Gehäuse 11 einliegt (Fig. 3c, 3d, 3e). Das distale (Fix)lager und das proximale Lager werden durch axial verstellbare Verbindun gen gegeneinander fixiert, z. B. mittels konterbarer Ge windestangen 23 durch Anziehen der Kontermutter 28. Die Flexibilität vor der Fixierung, insbesondere durch eine "tiefe" Sackbohrung im Flansch 29, ermöglicht den Aus gleich von axialen Fertigungstoleranzen der Faserbündel. Auch hier sind radiale Toleranzen unbedeutend.
Dadurch wird das Faserbündel 8 gegen Temperatur-/Druck wechselbeanspruchungen unempfindlich, da die Kräfte von der Montagevorrichtung aufgenommen werden. Unterschiedli che Wärmedehnungen zwischen Fasern und Gehäuse, Faserbün deleinbauten (Zentralrohr 7, Stützkäfig, etc.) werden ggf. durch Teilung dieser Faserbündeleinbauten kompensiert.
ad 5. Die Montagevorrichtung ermöglicht die einseitige Montage/Demontage des Faserbündels.
ad 6. Die Montagevorrichtung wird gegenüber dem Gehäu se 11 durch Radialdichtelemente, nämlich Lippendichtungen 16 (Fig. 3d, 3e), gedichtet. Fig. 3d zeigt die Anord nung für außenangeströmte, Fig. 3e die Anordnung für innenangeströmte Membranmodule.
ad 7. Hier werden Lippendichtungen 16 bevorzugt, da diese eine selbstdichtende Wirkung sowohl im innen- wie auch außenangeströmten Fall ausüben, indem die Öffnung der Überdruckseite zugewandt wird. Der Überdruck drückt die Lippen 16 auseinander und erhöht somit selbsttätig die Dichtwirkung.
ad 8. Durch die einseitige Montierbarkeit ist ein in- situ Ein- bzw. Ausbau der Faserbündel (vom Anwender) mög lich. Dadurch ist jederzeit die Produktionssicherheit gewährleistet.
ad 9. Die Montagevorrichtung ermöglicht den Einsatz konstruktiv unterschiedlicher Faserbündel in demselben Gehäuse 11.
ad 10. Die Montagevorrichtung wirkt als Schutzkäfig für das Faserbündel, d. h. alle Prozeß- und Montage/Demontage- Kräfte werden vom Schutzkäfig aufgenommen und schonen dadurch die empfindlicheren Membranelemente.
ad 11. Turnusmäßig durchzuführende Druckprüfungen von Anlagen werden in der Regel durch Füllen der Anlagen mit Wasser durchgeführt. Die Entkopplung von Faserbündel und Gehäuse erlaubt die Prüfung der Anlage bei ausgebautem Faserbündel (Vermeidung von Membrankontakt mit unnötigen Medien).
ad 12. Das Wechselkonzept in Verbindung mit hochtempe raturbeständigen Membranelementen (auch wenn die Membranen nur im Niedertemperaturbereich eingesetzt werden) ist zum Einsatz der Verfahren Dampfpermeation, Pervaporation im Pharmabereich tauglich, da Gehäuse und Membranen gemeinsam (in-situ) sterilisiert (z. B. Dampfsterilisation) werden können. Auch der Einsatz von Einweg-Membraneinsätzen ist denkbar.
Im folgenden wird die Montage des Membranmoduls erläutert.
Außerhalb des Gehäuses wird um das Faserbündel ein
Membrankäfig montiert. Dabei wird die rechte Pottinghälfte
(Fig. 1) durch zwei Flansche stirnseitig umschlossen. Die
linke Pottinghälfte erhält zunächst nur innenseitig zwei
Flanschhälften. Diese Flanschhälften werden mittels zweier
Gewindestangen und je einer Kontermutter mit der rechten
Pottingumhüllung über die gesamte Faserlänge hinweig
verbunden und fixiert.
Nach Einschub des Membrankäfigs in das Gehäuse ist die
linke Pottinghälfte auch an der linken Stirnseite von
einem Flansch umgeben, der fest mit dem Gehäuse verbunden
ist. Durch die Verschraubung beider Flanschseiten des
linken Pottings ist diese gesamte Pottinghälfte ein fester
Verbund mit dem Gehäuse und dient somit als "Festlager".
Da die rechte Pottingumhüllung gegenüber dem Gehäuse axial
verschiebbar ist, dient diese als "Loslager". Der sich auf
dieser Seite ergebende Spalt zwischen Flansch und Gehäuse
wird mittels eines Dichtrings geschlossen.
Über die Gewindestangen des Membrankäfigs können
Längentoleranzen des Faserbündels bei der Montage besser
ausgeglichen werden. Längentoleranzen im Gehäuse werden
über das "Loslager" kompensiert. Nach dem Einbau des
Membrankäfigs in das Gehäuse dienen die beiden
Gewindestangen zur Aufnahme der Druck- und Zugkräfte,
damit das Faserbündel während des Betriebs entlastet und
somit geschützt ist.
Der Membrankäfig schützt das Faserbündel bereits beim
Einschieben ins Gehäuse, da auch hier aufgrund des
Handling entstehende Belastungen vom Membrankäfig
aufgenommen werden. Bei der Demontage gilt das gleiche.
Die Längenausdehnung unter Wärmeeinwirkung kann mit dem
geteilten Zentralrohr (Fig. 3c) ausgeglichen werden. Bei
Verwendung gleichen Materials beim Zentralrohr und den
Gewindestangen kann das Zentralrohr sogar starr ausgeführt
sein. Die Längenausdehnung erfolgt dann über das
"Loslager". Die Längenausdehnung des Membrankäfigs und des
Zentralrohrs gegenüber dem Faserbündel wird durch eine
entsprechend lockere Wicklung der Schlauchmembranen
(Fasern) ausgeglichen.
Die Druck- und Zugkräfte während des Betriebs werden
ausschließlich von den Gewindestangen aufgenommen. Das
Faserbündel einschließlich des Zentralrohrs ist dadurch
vollkommen entlastet und somit geschützt.
Hier können Wärmedehnungen durch das axiale Dehnungsspiel
12 des Zentralrohrs 7 ohne Belastung der Pottings 5 statt
finden. Bei Innenanströmung wird der Systemüberdruck durch
eine axiale Druckbelastung des inneren Mantelrohrs 31
aufgefangen, so daß keine druckbedingte Reduktion des
Wärmedehnungsspiels erfolgt. Bei Außenanströmung wird der
Systemüberdruck durch eine axiale Zugbelastung des inneren
Mantelrohrs 31 aufgefangen, so daß keine druckbedingte
Dehnung der Membranfasern 8 erfolgt. Eine Belastung der
Membranfasern 8 durch die Wärmedehnung des inneren Mantel
rohrs 31 wird durch eine entsprechend "lockere" Wicklung
der Fasern 8 vermieden.
Die Variante in Fig. 4a arbeitet mit einem teleskopartig
längenvariablen Zentralrohr 7. In der Variante nach Fig.
4b wird die unterschiedliche Wärmedehnung des Zentralrohrs
7 gegenüber dem inneren Mantelrohr 31 durch einen Kompen
sator 32 ausgeglichen.
Diese Kartusche entspricht in ihrer Wirkungsweise dem in
der Montagevorrichtung integrierten Faserbündel entspre
chend Beispiel 1 nach der Fixierung der Pottings durch
Kontern der Gewindestangen.
Zur Erläuterung des Begriffs "Faserbündel" wird dessen
Herstellung in den Fig. 10a und 10b veranschaulicht.
Das Zentralrohr 7, um das die Schlauchmembranen 8
angeordnet sind, wird durch eine Öffnung einer Gießform
33 gesteckt, welche mit Epoxidharz ausgefüllt wird. Nach
dem Aushärten und dem Entfernen der Gießform 33 erhält man
das in Fig. 10b teilweise dargestellte Faserbündel, das
aus dem Potting 5, den Schlauchmembranen 8 und dem
Zentralrohr 7 besteht. Nach einem Abdrehen (Schneiden) der
Stirnseite des Gießlings entlang der gestrichelten Linie
34 erhält man das fertige Faserbündel, dessen Potting an
der Stirnseite Ein- bzw. Auslaßkanäle für die
Schlauchmembranen aufweist. Mit dem anderen Ende der
Schlauchmembranen 8 verfährt man entsprechend, so daß die
Schlauchmembranen 8 von zwei Pottings gehalten werden.
1
aktive Schicht
2
Stützschicht
3
Feed
4
Permeat
5
,
5
a,
5
b Potting, Kopfplatte
6
Dichtung, O-Ring
7
Zulauf- und Ablaufrohr (Zentralrohr)
8
Schlauchmembran, Faserbündel
9
Retentat
10
resultierende Kraft bzw. Druck
11
Gehäuse
12
axiales Spiel
13
Systemüberdruck
14
Wärmedehnung
15
Andruckflansch
16
Lippendichtung
17
äußeres Mantelrohr
18
Heizmantel
19
Ein- und Auslässen
20
Nut
21
Schraube
22
Andruckplatte
23
Gewindestange
24
Nut
25
Schraube
26
Andruckflansch
27
Pfeil
28
Kontermutter
29
Flansch
30
Nut
31
inneres Mantelrohr
32
Kompensator
33
Gießform
da
da
Außendurchmesser
di
di
Innendurchmesser
PF
PF
Feeddruck
PP
PP
Permeatdruck
PR
PR
Retentatdruck
Claims (12)
1. Membranmodul für die Stofftrennung, bestehend aus
einem Gehäuse und einem darin eingebauten
Faserbündel, welches eine oder mehrere, insbesondere
eine Vielzahl von, parallel angeordneten semiper
meablen Schlauchmembranen (8) aufweist, die mit ihren
Enden an Kopfplatten (5) (Pottings) befestigt sind,
wobei die Innenseiten der Schlauchmembranen (8) mit
entsprechenden, in mindestens einer der Kopfplatten
(5) angeordneten Kanälen verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Pottings (5) im Faserbündel vor
dessen Einbau in das Gehäuse frei veränderbar ist und
daß nach dem Einbau des Faserbündels in das Gehäuse
der Abstand der Pottings (5) zueinander fixiert ist.
2. Membranmodul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb des Faserbündels ein Zulauf- oder
Ablaufrohr (7) angeordnet ist, wobei mindestens ein
Ende des Zulauf- und Ablaufrohrs (7) fest und axial
unverschiebbar mit einer der Pottings (5) verbunden
ist, und daß vor dem Einbau des Faserbündels in das
Gehäuse der Abstand dieses Endes zum
gegenüberliegenden Potting veränderbar ist.
3. Membranmodul nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Enden des Zulauf- und Ablaufrohrs (7) mit
dem jeweiligen Potting fest und axial unverschiebbar
verbunden ist, daß die Länge des Zulauf- oder
Ablaufrohrs (7) frei veränderbar.
4. Membranmodul nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zulauf- und Ablaufrohr (7) mindestens zwei
teleskopartig teilweise ineinanderschiebbare Rohr
stücke aufweist.
5. Membranmodul nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zulauf- und Ablaufrohr (7) mindestens einen
in Längsrichtung wirkenden Kompensator (32) aufweist.
6. Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Kopfplatten (5) zueinander ein
stellbar ist.
7. Membranmodul nach einem Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kopfplatten (5) einen festen, vorgegebenen
Abstand zueinander haben.
8. Membranmodul nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kopfplatten (5) an den Enden eines inneren
Mantelrohrs (31) fest angebracht sind und das innere
Mantelrohr (31) innerhalb des äußeren Mantelrohrs
(17) angeordnet ist.
9. Membranmodul nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenfläche des inneren Mantelrohrs (31) bzw.
der Kopfplatten (5) bzw. eines fest damit verbundenen
Teils (29) gegenüber der Innenfläche des Gehäuses
(11) abgedichtet ist und die Dichtungen als
Lippendichtungen (16), insbesondere als
selbstdichtende Lippendichtungen, ausgebildet sind.
10. Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schlauchmembranen (8) als Polymermembranen,
insbesondere als hochtemperaturbeständige Membranen
ausgebildet sind.
11. Verwendung eines Membranmoduls nach einem der vorher
gehenden Ansprüche für die Verfahren Dampfpermeation,
Pervaporation.
12. Verfahren unter Verwendung eines Membranmoduls nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man bei dem
Faserbündel ein Wärmedehnungsspiel einstellt, welches
kleiner als die Wärmedehnung bei der
Betriebstemperatur ist.
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