DE3839567A1 - Hohlfadenmodul zum abtrennen von gas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlfadenmodul zum Abtrennen von Gas aus einem Fluid, bei dem die Hohlfäden in Ebenen angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zur Durch­ strömungsrichtung, d.h. senkrecht zur Achsrichtung des Moduls, liegen, bei dem die Endbereiche der Hohlfäden in einem Vergußmassekörper eingebettet sind, wobei der Verguß­ massekörper ring- oder rohrförmig ausgebildet ist und einen Durchströmungskanal bildet, durch den die Hohlfäden geführt sind, und bei dem die an ihren beiden Enden offenen Hohl­ fäden auf der äußeren Mantelfläche (Umfangsfläche) des Ver­ gußmassekörpers ausmünden.

Unter Fluid wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Gasgemisch beispielsweise Luft oder Erdgas bzw. eine Flüssigkeit, in welcher Gas (Gasgemisch) in Form von Gas­ blasen oder auch in gelöster Form bzw. chemisch gebunden vorliegt, verstanden, wobei das Fluid in beiden Fällen auch eine dampfförmige Komponente enthalten kann.

Ziel der Gastrennung, auch Gasseparation genannt, ist das weitestgehende, möglichst vollständige, Zerlegen von natürlich vorkommenden Gasgemischen wie Erdgas oder Luft oder von als Produkt oder Abfallprodukt (Abgas) anfallenden, also künstlich erzeugten, Gasgemischen in ihre einzelnen Komponenten und deren Gewinnung. Dabei ist es auch möglich, nur einzelne Komponenten eines Gasgemisches abzutrennen und zu verwerten.

Ziel der Entgasung von Flüssigkeiten ist das möglichst voll­ ständige Abtrennen von in der Flüssigkeit gelöstem oder chemisch gebundenem oder in Form von Gasblasen vorliegendem Gas (Gasgemisch).

Das Abtrennen von Gas aus einem Fluid mittels Membranen in Hohlfadenform sowie die hierzu geeigneten Membranwerkstoffe sind an sich bekannt. Für die Abtrennung von Gaskomponenten aus einem Gasgemisch werden sogenannte nichtporöse Membra­ nen, für das Abtrennen von Gasblasen aus einer Flüssigkeit dagegen in der Regel poröse bis mikroporöse Membranen ver­ wendet. Bei der Entfernung gelöster oder chemisch gebundener Gase aus Flüssigkeiten können sowohl poröse als auch nicht­ poröse Membranen zur Anwendung kommen.

Das Abtrennen von Gas aus einem Fluid erfolgt bei dem gattungsgemäßen Hohlfadenmodul in der Weise, daß die Hohl­ fäden außen von dem zu behandelnden Fluid beaufschlagt werden und die abgetrennte(n) Gaskomponente(n) bzw. das abgetrennte Gas (Gasgemisch) aus dem Innern (Lumen) der Hohlfäden abgezogen wird (werden). Auch bei nichtaus­ schließlichem Abtrennen nur einer Gaskomponente wird bei der Gastrennung (Gasseparation) wenigstens eine Gaskomponente bevorzugt abgetrennt, da sie bevorzugt durch die Membran permeiert, und liegt somit in der abgetrennten Fraktion (Permeat) in höherer Konzentration vor als im Ausgangs­ gemisch. Die Gewinnung eines solchen Gases in möglichst reiner Form ist dabei durch mehrmaliges Wiederholen des Abtrennverfahrens möglich, wobei das Permeat aus der jeweils vorhergehenden Trennstufe als Ausgangsgemisch in der jeweils nachfolgenden Trennstufe eingesetzt wird.

Um die oben beispielshalber aufgeführten kurz umrissenen Verfahren möglichst wirtschaftlich durchführen zu können, ist es erforderlich, eine möglichst große die Gasabtrennung bewirkende Membranfläche auf möglichst kleinem Raum anzu­ ordnen. Um dies zu erreichen, müssen die Hohlfadendurch­ messer und Hohlfadenabstände möglichst klein bemessen werden. Erreicht wird dies durch eine möglichst dichte, dabei aber geordnete Anordnung der Hohlfäden in dem Durch­ strömungskanal für das zu behandelnde Fluid.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen zum Abtrennen von Gas aus einem Fluid geeigneten Hohl­ fadenmodul zur Verfügung zu stellen, der nicht nur die zuvor genannten Bedingungen erfüllt, sondern der sich darüber hinaus auf einfache Weise und damit außerordentlich wirt­ schaftlich herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Hohlfadenmodul erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hohlfäden in jeder Ebene im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und daß sie durch maschenbildende Kettfäden eingebunden und miteinander verbunden sind.

Auch beim erfindungsgemäßen Hohlfadenmodul haben die Hohl­ fäden eine als (semipermeable) Membran wirkende Wand. Es handelt sich somit auch hierbei um Membranen in Hohlfaden­ form, sog. Hohlfadenmembranen, wie eingangs erwähnt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn als Bindungsart für die Kettfäden die Fransenbindung, auch Einfadenkettenstich genannt, (engl.: pillar stitch), ange­ wendet wird. Die Bindungsart "Franse" (Fransenbindung; sog. einfache Kettenstichnaht) ist eine in der Kettenwirkerei an sich bekannte Bindungsart. Sie hat den großen Vorteil, daß beim Legen der Kettfäden um die Hohlfäden - wenn überhaupt - allenfalls nur ein geringes Einschnüren der Hohlfäden an den Bindungspunkten erfolgt. Außerdem gibt sie einer Ware Stabilität und läßt sich - falls gewünscht - wieder auf­ ziehen. Beim erfindungsgemäßen Hohlfadenmodul sind die Kett­ fäden selbst keine Hohlfäden, sondern Fasergarne oder Mono­ bzw. Multifilamentfäden oder -garne. Das mattenförmige Ge­ bilde aus Hohlfäden und maschenbildenden Kettfäden, welches als Ausgangsprodukt für die Herstellung des erfindungsge­ mäßen Hohlfadenmoduls dient, könnte hinsichtlich seines Auf­ baus auch als "Franse mit Schuß" bezeichnet werden. Die Her­ stellung einer solchen Hohlfadenmatte erfolgt zweckmäßiger­ weise auf modernen Kettenwirkmaschinen mit Schußeintrag, wobei - wie sich aus dem oben Gesagten bereits ergibt - die Hohlfäden die Schußfäden bilden.

Zur Herstellung einer Hohlfadenmatte können einzelne Hohl­ fäden als Schußfäden eingetragen werden. Es hat sich jedoch - insbesondere bei Hohlfäden mit sehr kleinen Durchmessern - häufig als zweckmäßiger und wirtschaftlicher erwiesen, die Hohlfäden in Bündelform als Schußfäden einzutragen und auf diese Weise mehrere Hohlfäden pro Masche einzubinden. Wenn die Hohlfäden beispielsweise aus einer Mehrloch-Düse ge­ sponnen werden, kann das auf diese Weise hergestellte Bündel zunächst aufgespult und später oder (ohne vorheriges Auf­ spulen) von der Spinnmaschine direkt einer Kettenwirk­ maschine zugeführt (vorgelegt) werden. Es können darüber hinaus aber auch mehrere solcher Hohlfadenbündel zuvor zusammengeführt (gefacht) werden, so daß dann beispielsweise 2×12 = 24 oder 4×12 = 48 Hohlfäden zu einem Hohlfaden­ bündel gefacht werden und in der Hohlfadenmatte von einer Masche eingebunden sind. Die Hohlfäden solcher Hohlfaden­ bündel sind sowohl innerhalb des Bündels zueinander als auch zu den Hohlfäden der anderen Bündel der Hohlfadenmatte im wesentlichen parallel angeordnet. Zwischen den Einbindungs­ stellen liegen die Hohlfäden relativ locker nebeneinander, so daß eine gute Umströmung auch der in den Bündeln weiter innen liegenden Hohlfäden gewährleistet ist. Trotz der rela­ tiv hohen Dichte der Hohlfäden innerhalb eines Bündels können im fertigen Modul ausreichend niedrige Füllgrade (Packungsdichten) erreicht werden, die eine gute und gleich­ mäßige Durchströmung des gesamten Hohlfadenmoduls bewirken.

Die Herstellung des Hohlfadenmoduls geschieht in der Weise, daß aus der Hohlfadenmatte beispielsweise runde Segmente ausgeschnitten oder ausgestanzt werden, mehrere dieser Segmente übereinandergelegt werden und die Endbereiche der Hohlfäden anschließend beispielsweise durch Einschleudern in eine aushärtbare Vergußmasse eingebettet werden.

Das Übereinanderstapeln der Hohlfadenmattensegmente kann so erfolgen, daß die Hohlfäden eines Segments, die also in einer Ebene liegen, mit den Hohlfäden wenigstens der un­ mittelbar benachbarten Segmente einen Winkel bilden, was durch Verdrehen der Hohlfadenmattensegmente gegeneinander um die Längsachse des Hohlfadenmoduls erreicht wird. Werden benachbarte Schichten beispielsweise um jeweils 10° in der­ selben Drehrichtung gegeneinander verdreht angeordnet, so bilden die Hohlfäden von insgesamt 36 Schichten einen Winkel miteinander. Die Hohlfäden der 37. Schicht verlaufen dabei dann wieder parallel zu den Hohlfäden der 1. Schicht usw. Welche Anordnung der Hohlfäden aber die zweckmäßigste ist, läßt sich durch einfache Versuche ermitteln.

Als häufig zweckmäßiger hat es sich jedoch erwiesen, schon vor dem Ausschneiden (Ausstanzen) der Mattensegmente mehrere Mattenschichten übereinanderzulegen. Dies kann beispiels­ weise durch zick-zack- bzw. mäanderförmiges Ablegen, sog. Abtafeln, einer Hohlfadenmatte erfolgen, bis beispielsweise fünf oder mehr Schichten übereinanderliegen, aus denen dann in einem Arbeitsgang die Segmente als Block herausgetrennt werden. Bei dieser Vorgehensweise liegen dann alle Hohlfäden eines Blocks im wesentlichen parallel zueinander. Jeder Block enthält dann mehrere (n ₀, n ₁, n ₂ usw.) Ebenen, wobei jede Schicht einer Ebene entspricht. Die Blöcke können vor dem Einbetten (Einschleudern) der Endbereiche der Hohlfäden dann so gegeneinander verdreht angeordnet werden, daß die Hohlfäden eines Blocks zumindest mit den Hohlfäden des/der unmittelbar benachbarten Blocks/Blöcke einen Winkel bilden (in Draufsicht betrachtet, da die Hohlfäden in Ebenen ange­ ordnet sind, die gemäß Oberbegriff im wesentlichen senkrecht zur Achsrichtung des Moduls - mithin parallel zueinander - angeordnet sind). Daran schließt sich auch hierbei das Ein­ betten der Endbereiche der Hohlfäden an.

Durch Abtragen eines Teils der erhärteten Vergußmasse am äußeren Umfang des Moduls werden anschließend die Lumen der Hohlfäden freigelegt. Der Modul kann dann in ein seinen Abmessungen entsprechendes Gehäuse mit den notwendigen Abdichtungen und den Anschlüssen für das Zuführen des zu behandelnden Fluids und das Abführen des behandelten Fluids und des abgetrennten Gases (Permeats) eingebracht werden. Es können aber auch mehrere Module in Parallel- oder Reihen­ schaltung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.

Das oben erwähnte Ausstanzen der Hohlfadenmattensegmente kann vorteilhafterweise so erfolgen, daß gleichzeitig mit dem Durchtrennen der Hohlfäden diese verschlossen (abge­ schweißt) werden, so daß bei dem anschließend erfolgenden Einbetten der Hohlfadenendbereiche die Einbettmasse nicht in die Hohlfäden eindringen kann. Das Heraustrennen der Hohl­ fadensegmente und das gleichzeitige Abschweißen (Ver­ schließen) der Hohlfäden kann thermisch oder mittels Ultra­ schall erfolgen.

Das Abtrennen von in einer Flüssigkeit gelöstem Gas (-gemisch) kann durch Aufrechterhalten eines transmembranen Konzentrations- bzw. Druckgefälles bewirkt werden.

Der erfindungsgemäße Hohlfadenmodul ist aber auch zur Be­ gasung von Flüssigkeiten geeignet.

Beispiele:

Erfindungsgemäße Hohlfadenmodule, die sich in der Praxis sehr gut bewährt haben, bestanden aus 18 bis 50 überein­ andergestapelten Hohlfadenmattensegmenten, wobei die Höhe des Stapels im wesentlichen vom Außendurchmesser der Hohl­ fäden abhing. Bei einem üblichen Hohlfadendurchmesser betrug die Höhe bei 18 Hohlfadenmattensegmenten in einem Fall 20 mm. Der Außendurchmesser des Moduls betrug beispielsweise 250 mm. Es wurden auch Hohlfäden mit einem Durchmesser von nur ca. 30 µm erfolgreich verwendet. Als Kettfäden wurden beispielsweise Multifilamentgarne dtex 33f14 gedreht ver­ wendet. Der gegenseitige Abstand der Kettfäden betrug bei­ spielsweise ca. 10 mm. Die Kettfäden wurden zum Teil auch paarweise angeordnet, wobei der Kettfadenabstand innerhalb eines Paares ca. 1 mm und der gegenseitige Abstand der Kettfadenpaare ca. 20 mm betrug.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in vereinfachter schematischer Darstellungsweise:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Grundlegung Franse, auch Fransenbindung oder einfache Kettenstichnaht genannt,

Fig. 2 eine Ausführungsform der Bindungskombination Franse mit Schuß,

Fig. 3 eine scheibenförmige Ausführungsform des Hohlfaden­ moduls,

Fig. 4 das Abtafeln einer Hohlfadenmatte.

In Fig. 1 ist die sogenannte offene Franse dargestellt. Nicht dargestellt, jedoch erfindungsgemäß ebenfalls geeig­ net, ist die sogenannte geschlossene Franse. Beim erfin­ dungsgemäßen Hohlfadenmodul sind die maschenbildenden Kett­ fäden 1 in dieser Legung angeordnet.

In Fig. 2 ist die Anordnung der Kettfäden 1 und der Hohl­ fäden 2 dargestellt. Diese Art der Anordnung entspricht der Bindungskombination Franse mit Schuß. Die Hohlfäden 2 bilden hierbei also die Schußfäden.

Mit der Bezugsziffer 2 sind einzelne Hohlfäden oder Hohl­ fadenbündel aus beispielsweise bis zu 50 oder mehr Hohlfäden bezeichnet. Dies gilt für die Fig. 2 bis 4 gleichermaßen.

In Fig. 3 ist in perspektivischer Darstellungsweise ein scheibenförmig ausgebildeter Hohlfadenmodul dargestellt. Hergestellt werden kann dieser Modul durch Ausstanzen von runden Segmenten aus einer - vorzugsweise in mehreren Schichten übereinander abgelegten (abgetafelten) - Hohlfadenmatte gemäß Fig. 2, Übereinanderstapeln der Seg­ mente bzw. Segmentblöcke, wobei das jeweils nachfolgende Segment bzw. der nachfolgende Block gegenüber dem jeweils vorhergehenden Segment bzw. Block um einen bestimmten Winkel verdreht wird, Einbetten der Endbereiche der Hohlfäden 2 in eine aushärtbare Vergußmasse 3 und Abtragen eines Teils der erhärteten Vergußmasse 3 zum Freilegen der Lumen der Hohl­ fäden 2. Die Durchströmungsrichtung für das zu behandelnde Fluid ist durch die Pfeile 4 angezeigt. Die Ausströmrichtung des Permeats aus den Hohlfäden 2 ist durch die vom Verguß­ massekörper 3 weggerichteten Pfeile 5 angezeigt. Die Hohl­ fäden 2, die durch die maschenbildenden Kettfäden 1 einge­ bunden und miteinander verbunden sind, sind hierbei in Ebenen angeordnet, die im wesentlichen senkrecht zur Durch­ strömungsrichtung 4 und somit senkrecht zur Achsrichtung des Moduls mithin parallel zueinander liegen, wobei die Hohl­ fäden 2 in jeder Ebene - wie dies auch in Fig. 2 darge­ stellt ist - im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Der Vergußmassekörper 3, in welchen die Endbereiche der Hohlfäden 2 eingebettet sind, ist hierbei ringförmig ausgebildet und bildet einen Durchströmungskanal für das zu behandelnde Fluid, durch welchen die nicht eingebetteten mittleren Bereiche der Hohlfäden 2 und natürlich auch der Kettfäden 1 geführt sind. Andeutungsweise ist ebenfalls dargestellt, daß alle Hohlfäden 2 auf der äußeren Mantel­ fläche (Umfangsfläche) 6 des Vergußmassekörpers 3 ausmünden. Derartige Ausmündungen befinden sich auf der gesamten Um­ fangsfläche 6 des Vergußmassekörpers 3, da die Hohlfäden 2 an ihren beiden Enden offen sind. Die jeweils durch eine Masche eingebundenen Hohlfäden 2 haben zu den unmittelbar benachbarten, durch die unmittelbar benachbarte Masche desselben Kettfadens eingebundenen Hohlfäden 2 einen - wenn auch noch so geringen - seitlichen Abstand innerhalb der­ selben Ebene. Darüber hinaus wurde zur Vereinfachung eine Ausführungsform dargestellt, bei der parallel liegende Hohl­ fäden in nur einer Ebene angeordnet sind. Dies ist jedoch häufig nicht die bevorzugte Ausführungsform.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellungsweise, was unter zick-zack- bzw. mäanderförmigem Ablegen, also Ab­ tafeln, einer Hohlfadenmatte zu verstehen ist. Die Hohlfäden bzw. Hohlfadenbündel 2 sind dabei quer zur Längsrichtung der Hohlfadenmatte angeordnet, die Kettfäden 1 verlaufen in Längsrichtung. Wie die Darstellung zeigt, sind bereits 7 Schichten 7 übereinandergelegt worden, weitere können folgen. Zum Zwecke des Heraustrennens der Hohlfadensegmente - hier als Block - werden die Schichten 7 zuvor leicht auf­ einandergelegt, ohne die Hohlfäden flach zu drücken. Das Ablegen (Abtafeln) kann von Hand oder maschinell erfolgen. Die Hohlfadenmatte kann dabei als Spule (Baum) vorgelegt oder direkt von einer Kettenwirkmaschine zugeführt werden.

Das Bilden von Hohlfadenmattenschichten kann auch in der (nicht dargestellten) Weise erfolgen, daß von mehreren Vorlagespulen (Bäumen) je eine Hohlfadenmatte gleichzeitig abgewickelt wird und alle Hohlfadenmatten gleichzeitig über­ einander abgelegt, also übereinandergeschichtet werden. Man könnte dies auch als Fachen von Hohlfadenmatten bezeichnen.

Claims (8)

1. Hohlfadenmodul zum Abtrennen von Gas aus einem Fluid, bei dem die Hohlfäden in Ebenen angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zur Durchströmungsrichtung, d.h. senkrecht zur Achsrichtung des Moduls, liegen, bei dem die Endbereiche der Hohlfäden in einem Vergußmassekörper eingebettet sind, wobei der Vergußmassekörper ring- oder rohrförmig ausgebildet ist und einen Durchströmungskanal bildet, durch den die Hohlfäden geführt sind, und bei dem die an ihren beiden Enden offenen Hohlfäden auf der äußeren Mantelfläche (Umfangsfläche) des Vergußmasse­ körpers ausmünden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohl­ fäden in jeder Ebene im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und daß sie durch maschenbildende Kett­ fäden eingebunden und miteinander verbunden sind.

2. Hohlfadenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kettfäden in der Grundlegung (Bindungsart) Franse, auch Einfadenkettenstich genannt, (engl.: pillar stitch) angeordnet sind.

3. Hohlfadenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfäden einer jeden Ebene mit den Hohlfäden wenigstens der unmittelbar benachbarten Ebenen einen Winkel bilden.

4. Hohlfadenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hohlfäden von n ₁ aufeinanderfolgenden Ebenen im wesentlichen keinen Winkel miteinander bilden, daß sie aber mit den Hohlfäden wenigstens der unmittel­ bar benachbarten n ₂ bzw. n ₀ aufeinanderfolgenden Ebenen einen Winkel bilden.

5. Hohlfadenmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß n ₀, n ₁ und n ₂ im Bereich von 2 bis 10 liegen.

6. Hohlfadenmodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß n ₀ gleich n ₁ gleich n ₂ ist.

7. Hohlfadenmodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß pro Masche mehrere Hohlfäden eingebunden sind.

8. Hohlfadenmodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß pro Masche wenigstens bis zu 50 Hohlfäden eingebunden sind.