DE3125222A1 - Membranelement zur trennung von gas- und fluessigkeitsgemischen und apparat mit dem genannten element - Google Patents

Membranelement zur trennung von gas- und fluessigkeitsgemischen und apparat mit dem genannten element

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DE3125222A1 DE19813125222 DE3125222A DE3125222A1 DE 3125222 A1 DE3125222 A1 DE 3125222A1 DE 19813125222 DE19813125222 DE 19813125222 DE 3125222 A DE3125222 A DE 3125222A DE 3125222 A1 DE3125222 A1 DE 3125222A1
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Description

Be Schreibung
Die .Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Diffusiionsprozessen zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen mittels polymerer Selektiv membranen;, insbesondere auf i*.embranelemente zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitselementen sowie auf Membranapparate, in denen die genannten Elemente zur Verwendung komiien0
Bevorzugt kann die Erfindung in der chemischen Industrie, in der Gasindustrie9 in der erdölverarbeitenden Industriej, in medizinischen Apparaten und bei anderen Industriezweigen5bei solchen Prozessen wie Anreicherung der Luft mit Sauerstoff^ Gewinnung von Helium und Wasserstoff aus Gasgemischen j, Entsalzung von Wässern sowie zur Trennung verschiedenster Gas=» und Flüssigkeitsgemische angewendet wer= deno
Die in Membranapparaten mit Sauerstoff angereicherte Luft kann in medizinisches Heilanstalten^ zur Intensivierung von chemischen !Prozessen uswD breite Anwendung i'indeno
Membranapparate werden zur Realisierung
der genannten Prozesse weitgehend eingesetzte. Der Membranapparatebau steht vor der Aufgabe9 die Wirksamkeit der Trennung von Gemischen zu erhöhens die Technologie der Herstellung von Membranapparaten und in diesen verwendeten Elementen 'zu vereinfachen sowie ihre Betriebsdauer zu verlängern
Bekannt sind Membranelemente zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischens die ihrem tech-
nischen Wesen nach der vorgeschlagenen Erfindung nahekommen.
Eines der bekannten iwembranelemente ist das MembraneIement vom Rollentyp (siehe Buch von Ju. I. Dytnersky "Membrannye protsessy razdelenia zhidkikh sinesei" /Membranprozesse der Trennung von Flüssigkeitsgemischen/, Verlag "iüiimia", Moskau, 1975, S. 64 - 65).
Das bekannte Element besteht aus zwei Membranen, die durch eine biegsame poröse Platte und eine gewellte Tafel ge trennt sind, wobei das Element in Form einer Wendel auf ein Län^sschlitze aufweisendes Rohr aufgewunden wird.
Ein solches Element besitzt jedoch keine hohe Wirksamkeit bei der Trennung von Gemischen infolge eines hohen hydraulischen Widerstandes gegen das eindringende Gemisch und es ist außerdem kompliziert in der Fertigung.
Verwendung in der Industrie finden ivlembrsnapper ate zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen, in denen Membraneleiiiente vom Typ eines Planfilters der fressenbauart benutzt werden.
Ein solches Membranelement ist
aus zwei flachen Membranen ausgeführt, welche mit Hilfe von Separatorplatten aus faserstoff oder porösem Material (beispielsweise aus Filtrierpapier) voneinander getrennt sind, die als Stütze für die unter Druck stehenden Membranen dienen und das Durchlassen des eingedrungenen Gases gewährleisten ( siehe Buch von Robert E. Laceu and Sidneu Joeb "Industrial processing with membrans", Toronto, (1972).
Das Dekannte Membranelement gewährleistet keine hohe amAeit der 'trennung von Gemischen infolge eines gro-Jien hydraulischen Widerstandes der porösen Schichten«, Die konstruktive Ausführung des Elementes schließt die mögliche Bildung von Falten an seiner Membran sowie eine übermäßige Spannung derselben nicht ausj, was zum raschen Ausfall des Elementes insbesondere bei der Fertigung der Membran aus glasigem Polymer führt»
Hächstliegend der Erfindung ist ein bekanntes i.iembranelement zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen9 das aus zwei semipermeablen Membranen Desteht, zwischen denen ein poröser Träger eingeschlossen ist (siehe die US-PS 333 2 216).
Der poröse Träger des bekannten Elementes stellt ein rechtwinkliges Metallgitter dar ^ das auf beiden Seiten mit dünnen metallischen Streifen versehen ist, die über die gesamte Länge des Gitcers längs seiner Zentralachse anliegen,. Das Gitter samt den zwei metallischen Streifen befindet sich seinerseits in einer Hüll© aus einem Faserstoff, beispielsweise aus Filterpapier,*. Das Element wird durch Verbindung der iwembranen an seinen Stirnseiten abgedichtet. Das Membranelement ermöglicht jedoch keine wirksame Trennung von Gemischen infolge eines hohen hydraulischen Widerstandes des porösen Trägers« Sei einem Druckgefälle an der
Membran erleidet die letztere eine ungleichmäßige Belastung.
Infolge des im Membraneleraent vorgesehenen Iüetallgitters treten an den Iv.eiabranen bei der Erzeugung eines Jttruckgefalles Biegungen auf, die zur Spannung der membran und Bildung von Mikrorissen führen. Die Entstehung von Mikrorissen verschlechtert die Trennwirksamkeit und macht das Membrane le ment; bald uribrauch— Dar.
Die Fertigung des Membranelementes mit dem erwähnten porösen Träger ist arbeitsaufwendig und teuer, und ihre Verwendung in den fflembranapparauen führt zur komplizierung der konstruktion des Apparates und zur Verteuerung desselben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Membranelement zu schaffen, bei dem der poröse Träger so ausgeführt ist, daß bei der Verwendung dieser membranelemente in Iviembranapparaten eine hohe Wirksamkeit der Trennung von Gas- und J?lüssigkeitsgemischen durch Verminderung des hydraulischen Widerstandes des porösen Trägers bei zugleich hoher Packungsdichte der Membranen im Apparat gewährleistet, die Spannung der üeiabran und die Bildung von iviikrorissen verhindert und die konstruktive Ausführung sowohl der l'jlembranelemente selbst als auch der iviembranapparate im ganzen vereinfacht würden.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß im Membranelement zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen, das zwei semipermeable Jweinbranen enthält, zwischen denen ein poröser
Träger eingeschlossen ist8 erl'indungsgemäß der genannte Träger in Form von zwei porösen Platten ausgeführt ist„ die auf der einen Seite flach und auf der anderen gerippt sind und mit den gerippten Seiten einander zugewandt sind«
Bei einer solchen konstruktiven Ausführung des ifiembranelementes werden zwischen den porösen Platten Kanäle gebildet , die den hydraulischen Widerstand gegen den Gemischstroin selbst oei minimaler Picke des Wieiiibraneleinenres (O57 0s2 mm) herabminderne¥egen der Anordnung der Membranen auf der flachen Seite der steifen porösen Platten wird die Spannung der iviembran und die Bildung von Falten auf derselben vermiedens was eine beträchtliche Erhöhung der Betriebsdauer der Keinbranelemente zur Fogle hat0
. ■ Die porösen Platten des Trägers des iaembranelementes können aus einem billigen Kunststoff ausgeführt sein^ wodurch die Fertigung der Membranelemente vereinfacht und verbilligt wird.
Derartige Membranelemente können in Membranapparaten zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen zur Anwendung gelangen«
Ein Membranapparat mit solchen Membran-
elemental enthält ein Gehäuse, einen Deckels Stutzen zur üinleirung und Abführung des zu trennenden Gemisches, einen innerhalb des Gehäuses befindlichen Sammler mit an diesem angebrachten flachen iviembraneleinenten, wobei bei ihm erfindungsgemäß die Membranelemente an dem Sammler, der mit koaxial angeordneten Buchsen mit Bohrungen und Anschlägen versehen ist, angebracht und zu einem Paket zusammengefaßt
sind, welches von einer elastischen Hülle umschlossen ist, die an den Stirnflächen der Elemente und an einem Vorsprung satt anliegt, der am Deckel ausgebildet und dessen Umfang mit dem Umfang des Pakets übereinstimmt.
Wegen einer solchen konstruktiven Ausführung des Sair.mlers des ixeiiibranapparates wird eine zuverlässige Abdichtung der Membranelemente aufgrund einer gleichmäßigen Verteilung der Spannungskraft zwischen ihnen erzielt , und das Vorhandensein der elastischen Hülle, die an den Stirnflächen der Elemente und an dem am Deckel ausgebildeten Vorsprung satt anliegt, gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des zu trennenden Gemisches über die gesamte Oberfläche der Membranen und eine hohe lineare Strömungsgeschwindigkeit des zu trennenden Gemisches, was die Wirksamkeit der Trennung des Gemisches steigert, die Betriebszuverlässigkeit des Apparates . erhöht und seinen Pertigungsaufwand senkt.
Die elastische Hülle des Membranapparates kann aus einem Gewebe bestehen, das mit einer selbsthärtenden polymeren Masse (z.B. mit Epoxidharzen) imprägniert ist.
Wachstehend folgt die Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Gesamtansicht des. erfindungsgemäßen Membranelementes zur Trennung eines Gas- und Flüssigkeitsgemischesj
Fig. 2 eine Gesamtansicht des Kembranapparates, bei dem
die luembranelemente verwendet sind, welche auf einem ler zusammengefaßt sind, der mit koaxial angeordneten Buchsen mit Bohrungen und Anschlägen versehen ist; Fig„ 3 · eine Gesamtansicht des Membranapparates mit elastischer Hülle*
Der Membranapparat ist auf zwei Figuren (Figo 2 und' Fig. 3) dargestellte
Das wieiiibranelement (Figo 1) enthält zwei semipermeable I.":einbranen 1S die beispielsweise aus Polyvinyltriniethylsilan ausgeführt sinds zwischen denen ein poröser Träger eingeschlossen ist β
Der poröse Träger des iwembraneleinentes stellt swei poröse Platten 2 daTj, die auf der einen Seite flach, auf der anderen gerippt und mit den gerippten Seiten einander zugewandt sind ο
Auf den flachen Seiten der Platten 2 sind die Membranen 1 angeordnet, und infolge der Rippen auf den anderen Seiten entsteht zwischen den Platten ein Kanal zur Abführung des angereicherten Gemisches,»
Die semipermeable!! Membranen 1 und der poröse Träger werden an der Kante 3 des gesamten Umfangs des Elementes abgedichtet..
Das Membranelement arbeitet folgenderweise. Ein zu trennendes Gemisch (beispielsweise die atmosphärische Luft) wird der Oberfläche der semipermeable!! Membranen 1 des Elementes unter Druck zugeführt. Infolge der un-
terschiedlichenDurchdringungsfähigkeit von Sauerstoff und Stickstoff diffundiert durch die Membranen 1 vorwiegend die mit Sauerstoff angereicherte Luft, die dann durch die Poren der Platten 2 in die von den gerippten Seiten der Platren des Elementes gebildeten Kanäle gelangt. In diesen Kanälen bewegt sich die angereicherte Luft zu einer Öffnung 4, aus welcher sie über den Sammler des ivlembranapparates als Fertigprodukt abgeführt wird.
Die von den gerippten Seiten der porösen Platten 2 gebildeten Kanäle setzen den hydraulischen Widerstand beträchtlich herab und gestatten, die Luft mit Sauerstoff bis zu 42% bei minimaler Dicke des Membranelementes (0,7 - 0,2 mm) und hoher Packungsdichte der Mem-
2 3
bran im Apparat (bis 600 m /ar effektiv anzureichern.
Wegen der Anordnung der Membranen 1 auf der flachen Seite der steifen porösen Platten 2 wird die Spannung der Membranen und die Bildung von Mikrorissen auf derselben sowie das Auftreten von Falten auf den Membranen ausgeschlossen, was zu einer beträchtlichen Verlängerung der Betriebszeit der Elemente führt.
Die porösen Platten 2 des Trägers können aus einem billigen Kunststoff, beispielsweise aus Polyvinylchlorid, ausgeführt sein, wodurch die Fertigung der Membranelemente vereinfacht und verbilligt wird.
Wegen der besonderen Fertigung des erfindungsgemä\ß vorgeschlagenen Membraneleinentes wird seine gleichmäßige Dickebei minimaler Dicke erzielt und eine produktive
automatisierte Massenfertigung der Elemente sichergestellte Diese Membranelemente erfüllten die Hauptfunktion bei der Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen in Jviembranapparaten und.sind zur Anreicherung der Luft mit Sauerstoff, Gewinnung von Helium und Wasserstoff aus Gasgemischen sowie zur Entsalzung von Wässern bestimmte Sie finden ihre Anwendung in einem in Figo 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Membranapparate
Der iviembranapparat zur Trennung von Gas- und flüssigkeit sgemischen (Eige 2i^3) enthält ein Gehäuse 5? das dis Form eines Zylinders hats einen Deckel 6, Stutzen 7 und 8 zur Einleitung bzw. Abführung des zu trennenden Gemisches9 ein Paket von Membranelenientens die aus den Membranen 1 und porösen Trägern bestehen, von denen jeder in Form von zwei Platten 2 ausgeführt ist0 die auf der einen Seite flachD auf der anderen gerippt und mit den gerippten Seiten einander zugewandt sind«,
Jedes der Membranelemente 1, 2 kann die Gestalt einer runden Scheibe mit abgeschnittenen Segmenten haben« Hierbei werden beim Zusammenbau dieser Membranelemente zu einem Paket die Scheiben relativ zueinander so angeordnets daß die abge« schnittenen Segmente derselben zu verschiedenen Seiten in bezug auf die Längsachse des Sammlers 9 zu liegen kommen,, wodurch das aufeinanderfolgende Überströmen des anzureichernden Gemisches von einem Membranelement zum anderen sichergestellt wird.
Die Membranelemente 15 2 sind auf dem Sammler 9 mit Dictfcungsbeilagen 10 aufgereiht 0 Das Paket der ivieinbranele-
iiiente mit den Beilagen ist von einer elastischen Hülle 11 umschlossen, die an den Stirnflächen 12 der Elemente und an einem Vorsprung 13 anliegt, der am Deckel 6 ausgebildet ist und dessen Umfang mit dem üiüfang des Paketes der iuembraneieiiidnte übereinstimmt. Als elastische Hülle Kann ein Polyäthylen-, Lavsan- oder ein anderer polymer er if'ilrn. mit klebriger Schicht oder ohne diese, thermisch schrumpf bare JPolymerfilme sowie geweote Stoffe verwendet werden, die mit selosthärtenden polymeren massen, beispielsweise mit Epoxidharzen, imprägniert sind.
Der Sammler 9 zur Abführung des angereicherten Gemisches ist mit koaxial angeordneten Buchsen 14 mit Bohrungen und mit Anschlägen 15 versehen. An den Bucnsen 14 sind die Inembranelemente 1,2 mit den Dicircungsbeilagen 10 angebracht. Auf das freie Ende des Sammlers ist eine Spannmutter 16 mit einer öffnung 17 zur Abführung des angereicherten Gemisches aufgeschraubt. Zur Abdichtung des Apparates ist die Mutter 16 mit einer ringförmigen Dichtungsbeilage 18 versehen. Beim Festschrauben der Spanηmutter 16 sind die Buchsen auf dem Sammler frei verschiebbar, und die gesamte Anzugskraft wird wegen der Wirkung der Anschläge 15 gleichmäßig auf sämtliche Membrane le ment e verbeut, wodurch eine zuverlässige Abdichtung des Apparates während einer langen Betriebsdauer sichergestellt wird.
Der Membranapparat arbeitet folgenderweise.
Das zu trennende Gemisch gelangt unter Druck durch den Stutzen 7 in einen Hohlraum, der vom Gehäuse 5 des Apparates
und der elastischen Hülle 11 gebildet ist. Durch die Zwischenräume 9 die von den Stirnseiten der wiembranelemente 1, und der elastischen Hülle 11 gebildet sinds strömt das zu trennende,Gemisch in den Eaum zwischen den Oberflächen der iuembranelemente und wird,, indem es diese aufeinanderfolgend umfließt^ aus dem Apparat durch den Stutzen 8 abgeführte Die Fließrichtung des anzureicherndoiGemisches ist in Fig. 2p 3 durch einen Pfeil A angedeutete
Seinerseits diffundiert ein Teil des zu trennenden Gemisches selektiv durch die Membranen 1 und wird an leicht eindringenden Komponenten angereicherte
2\Tach Passieren dar von den gerippten Seiten der Platten 2 gebildeten Kanäle dringt das angereicherte Gemisch durch die Bohrungen in den Buchsen 14 durch und gelangt in den Sammler 9? worauf es durch die Öffnung 17 der Spannmutter 16 aus dem Apparat herausgeführt wird.
Wegen einer solchen Bauart des Membran—
apparates wird eine gleichmäßig© Verteilung des zu trennenden Gemisches über die gesamte Oberfläche der Membran 1, eine hohe lineare Geschwindigkeit des zu trennenden Gemisches gewährleistet und werden Stillstandszonen vermieden.
- Das erhöht wesentlich die Wirksamkeit der Trennung des Gemisches, vergrößert den Gewinnungsfaktor der Zielkomponente und erhöht beträchtlich den Anreicherungsgrad an Komponenten» Die elastische Hülle ermöglicht eine zuverlässige Abdichtung zwischen der Hülle und den Stirnflächen der Elemente mit einem minimalen Energieauf-
wand. Die konstruktive Ausführung der Membranelemente begünstigt die Zuverlässigkeit ihrer Abdichtung am Sammler während einer langen Betriebsdauer des Apparates wegen der gleichtaäßigen Verteilung der Anzugskraft.
Leerseite

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1„ Membranelement zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischenj, mit
    zwei semipermeablen Membranen? einem zwischen den Membranen eingeschlossenen porösen Träger^
    dadurch gekennzeichnet „ daß der poröse Träger von zwei porösen Platten (2) gebildet ist und die Platten auf der einen Seite flach und auf der anderen Seite gerippt sind und mit den gerippten Seiten einander zugewandt sind,
    2 ο Membranelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß die porösen Platten (2) aus Kunststoff bestehen.
    3. Membranapparat zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen mit Elementen nach Anspruch 1, und mit einem Gehäuse, einem Deckel, einem Stutzen zur Einleitung und Abführung des zu trennenden Gemisches, ferner mit einem innerhalb des Gehäuses befindlichen Sammler, und mit flachen Membranelementen und Dichtungsbeilagen, die am genannten Sammler angebracht sind,
    dadurch gekennzeichnet , daß der Sammler (9) mit koaxial angeordneten Buchsen (14) mit Bohrungen und Anschlägen (15) versehen ist, daß die Membranelemente (1, 2) am Sammler (9) angebracht und zu einem Paket zusammengefaßt sind,
    daß das Paket der Membranelemente (1, 2) von einer elastischen Hülle (11) umschlossen ist,
    daß die elastische Hülle (11) an den Stirnflächen (12) der Membranelemente (1, 2) und an einem Vorsprung (13) des Deckels
    (6) satt anliegt und
    daß der Umfang des Vorsprungs (13) mit dem Umfang des Pakets der Membranelemente (1, 2) übereinstimmt.
    4. Membranapparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Hülle (11) aus einem mit einer selbsthärtenden polymeren Masse imprägnierten Gewebe besteht.
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