DE4244823C2 - Vorrichtung zur Durchführung der Membrandestillation - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung der Membrandestillation. Bei der
Membrandestillation ist die zu destillierende Flüssigkeit vom Destillat durch eine flüssigkeits
dichte aber dampfdurchlässige, mikroporöse Membran getrennt. Weisen die beiden durch die
Membran getrennten Flüssigkeiten, in der Regel infolge eines Temperaturunterschiedes, unter
schiedliche Drücke auf, so findet ein Dampftransport entlang des Dampfdruckgefälles statt.
Vorrichtungen zur Durchführung der Membrandestillation wurden vor allem zur Gewinnung von
Trinkwasser aus Meerwasser oder salzhaltigem Grundwasser entwickelt. Aus der US-PS
3340186 ist bekannt, einzelne Einheiten zur Membrandestillation in einem Plattenstapel zu
sammenzufassen oder die Kanäle für das warme, salzhaltige Wasser und für das kühlere De
stillat spiralförmig zu einem Zylinder aufzuwickeln. In der DE-PS 31 40 614 ist ebenfalls eine
Vorrichtung zur Membrandestillation in Form eines Plattenstapels angegeben.
Aus der US-PS 4545862 und der DE-PS 38 24 829 ist ebenfalls eine spiralig zu einem Zylinder
aufgewickelte Vorrichtung zur Membrandestillation bekannt, in der eine Wärmerückgewinnung
ohne externen Wärmetauscher möglich ist. Diese Vorrichtungen enthalten drei verschiedene
Kanäle: einen durch die mikroporöse Membran begrenzten Kanal für die heiße, zu destillieren
de Flüssigkeit, einen Destillatkanal und einen Kanal mit dampf- und flüssigkeitsdichten Wänden
für die kalte, zu erwärmende Flüssigkeit. Bei der Destillation durch die Mikroporen der Mem
bran wird Wärme von der heißen Flüssigkeit auf das Destillat und vom Destillat auf die kalte, zu
erwärmende Flüssigkeit übertragen. Die dadurch erwärmte Flüssigkeit wird nach dem Austritt
aus dem Zylinder durch externe Erwärmung weiter erwärmt und dann in den durch die mikropo
röse Membran begrenzten Kanal geleitet.
Aus der DE 25 29 977 B2 und der DE 22 34 289 B2 sind außerdem Vorrichtungen mit
aufgewickelten, rohrförmigen Membranen zur Durchführung der Umkehrosmose und
Ultrafiltration bekannt.
Aus dem Artikel "Membrandestillation" von K. Schneider und K. J. van Gassel in der Zeitschrift
Chemie-Ingenieur-Technik Band 56, Jahrgang 1984, Heft 7, Seiten 514 bis 521 ist ferner be
kannt, zur Membrandestillation nicht Flachmembranen sondern Kapillarmembranen zu verwen
den. In diesem Artikel werden folgende Hauptanwendungsgebiete für die Membrandestillation
genannt:
- - Meerwasser-Entsalzung unter Nutzung der Abwärme von Dieselmotoren und Kraftwerken sowie der Sonnenenergie,
- - Aufkonzentrierung von Produkt- und Abfall-Lösungen sowie der Kombination von Aufkonzen trierung mit dem Herstellen von vollentsalztem Wasser für industrielle Zwecke,
- - Kesselspeisewasser-Erzeugung in Kraftwerken mit Niedrigtemperatur-Kondensatsystem.
Die für die Trinkwassergewinnung aus Meerwasser bekannten Bauarten von Vorrichtungen zur
Membrandestillation können auch für andere Anwendungsbereiche, z. B. zur Wertstoffrückge
winnung aus wäßrigen Prozeßflüssigkeiten z. B. von Oberflächenbehandlungsanlagen verwen
det werden.
Zur Herstellung von elektrolytisch (galvanisch) abgeschiedenen Metallschichten, stromlos
(chemisch) abgeschiedenen Metallschichten sowie von anodisch und chemisch erzeugten Kon
versionsschichten durchläuft die zu behandelnde Ware eine Reihe von Behandlungsbädern, die
wäßrige Prozeßflüssigkeiten enthalten. Allen diesen Verfahren gemeinsam ist eine Vorbehand
lung zur Herstellung einer reinen Warenoberfläche. Die Vorbehandlung umfaßt in der Regel ei
ne Entfettung und eine Beizung.
Nach der Beschichtung schließt sich häufig eine Nachbehandlung an, z. B. eine Passivierung,
die Erzeugung eine Konversionsschicht oder eine Versiegelung. Zwischen den verschiedenen
Behandlungsstufen wird die Ware gespült, um eine Verschleppung der Prozeßflüssigkeiten in
die nachfolgenden Behandlungsbäder zu vermeiden.
Der letzte Spülvorgang muß mit vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) durchgeführt werden, um
Flecken auf der Warenoberfläche nach der Trocknung zu vermeiden. Häufig wird auch der je
weils letzte Spülvorgang zwischen verschiedenen Behandlungsstufen, insbesondere vor und
nach den Beschichtungsbädern, mit VE-Wasser durchgeführt.
Das durch Membrandestillation erzeugte Destillat eignet sich für Spülzwecke als Ersatz von
VE-Wasser, da das Destillat außer Wasser höchstens flüchtige Stoffe enthält, die nach der
Trocknung der gespülten Ware keine Flecken auf der Oberfläche verursachen können. Da die
Membrandestillation bis zu hohen Konzentrationen in der Nähe der Sättigungskonzentration
durchführbar ist, kann die Konzentration im durch Membrandestillation erhaltenen Konzentrat
soweit erhöht werden, daß die Konzentrate, falls erforderlich, wieder in den Prozeß zurückge
führt werden können. Durch die Membrandestillation können sowohl die wäßrigen Lösungen
aus den Behandlungsbädern als auch das Spülwasser aus dem diesen Behandlungsbädern
nachgeschalteten Spülbecken behandelt werden.
Aufgrund anderer Anwendungsbereiche und anderer Betriebsbedingungen ergeben sich ande
re Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Aus Gründen der Korrosionsfestigkeit ist es
z. B. vorteilhaft, für die Dampf- und flüssigkeitsdichten Wände des Kanals für die zu erwär
mende Flüssigkeit Folien aus einem korrosionsfesten Kunststoff, z. B. einem voll- oder teilfluo
rierten Kunststoff wie PVDF, zu verwenden und keine metallische Folie, obwohl Metallfolien we
gen der größeren Wärmeleitfähigkeit von Vorteil wären.
Die bekannten Vorrichtungen zur Membrandestillation können jedoch nur eingesetzt werden,
wenn Temperaturen von ca. 70 bis höchstens 80°C in der Vorrichtung zur Membrandestillation
nirgends überschritten werden. Die bekannten Vorrichtungen enthalten nämlich verklebte bzw.
mit Kunstharz vergossene Stellen. Die Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen den
nicht benetzbaren Kunststoffen PP, PVDF und insbesondere PTFE mit der Vergußmasse ist
besonders schwierig und nur nach einer geeigneten, die Oberfläche dieser Kunststoffe aktivie
renden Vorbehandlung möglich. Mit zunehmender Temperatur wächst die Gefahr einer Schädi
gung der Verbindung zwischen Vergußmasse und den eingegossenen Kunststoffen aufgrund
unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß die zu behandelnde Flüssigkeit
entlang evtl. entstehender Materialablösungen in den Destillatkanal übertreten kann.
Bei der Entsalzung von Meerwasser ist die in der Heizeinrichtung erzeugte Temperatur auf ca.
70°C begrenzt, da andernfalls die Gefahr besteht, daß sich ausgefällte Stoffe, z. B. Gips oder
Kalk in der Entsalzungsvorrichtung und besonders auf der Membran ablagern.
Bei anderen Anwendungsbereichen ist diese Einschränkung meist nicht gegeben.
Eine Durchführung der Membrandestillation bei höheren Temperaturen ist von Vorteil. Mit zu
nehmender Temperatur steigt nämlich der Dampfdruck immer schneller an. Eine vorgegebene
Temperaturdifferenz zwischen zu behandelnder Prozeßflüssigkeit auf der einen Seite der nicht
benetzbaren mikroporösen Membran und dem Destillat auf der anderen Seite führt daher bei
höheren Temperaturen zu einem größeren Dampfdruckunterschied und damit zu einer höheren
Destillatleistung als bei tiefen Temperaturen. Bei höheren Temperaturen ist ferner der Anteil an
nicht kondensierbaren Gasen in den Mikroporen der Membran 20 geringer. Dadurch wird die
Trennleistung der Membran ebenfalls verbessert, da der Anteil der Wärmeverluste durch Wär
meleitung über die Membran zurückgeht. In Membrandestillationsvorrichtungen mit innerer
Wärmerückgewinnung führt ein Betrieb bei höheren Temperaturen außerdem zu einer Vergrö
ßerung des Anteils der zurückgewonnenen Wärme. Das Verhältnis der extern zugeführten
Wärme zu der zurückgewonnenen Wärme entspricht nämlich dem Verhältnis zwischen der ex
tern vorgenommenen Temperaturerhöhung der Flüssigkeit zu der Temperaturerhöhung zwi
schen dem Eintritt der kalten Flüssigkeit in die Vorrichtung zur Membrandestillation und dem
Eintritt in die externe Heizeinrichtung.
Der Dampfdruck von Wasser beträgt bei 70°C ca. 300 mbar und bei 95°C ca. 850 mbar. Eine
Aufheizung der wäßrigen Prozeßflüssigkeit in der Heizeinrichtung auf 95°C anstelle von 70°C
hat daher eine erheblich höhere Destillatleistung zur Folge. Bei der Auswahl geeigneter
Materialien und einer druckfesten Ausführung der Vorrichtung zur Membrandestillation kann die
Flüssigkeit in der Heizeinrichtung bis auf 120°C oder sogar bis 130°C aufgeheizt werden. Bei
120°C beträgt der Wasserdampfdruck fast 2 bar.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen zur Membrandestillation ist darin zu sehen,
daß bei einem Defekt, insbesondere bei einem Defekt der mikroporösen Membran, in den mei
sten Fällen weder eine Reparatur noch eine Stillegung des defekten Bereiches möglich ist, so
daß in diesen Fällen die gesamte Vorrichtung unbrauchbar wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Vorrichtungen zur Membrandestillation so zu konstruieren,
daß die Gefahr von Totalausfällen erheblich reduziert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ferner, Vorrichtungen zur Membrandestillation so zu
konstruieren, daß die Membrandestillation bei hohen Temperaturen oberhalb von ca. 80°C
durchgeführt werden kann.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen kenn
zeichnenden Merkmalen erfüllt.
Für einen Betrieb bei hohen Temperaturen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders
geeignet, da wegen der Verwendung von Schläuchen innerhalb der Vorrichtung zur Membran
destillation kein Verkleben, Verschweißen oder Vergießen erforderlich ist. Es sind nur Verbin
dungen der Sammelleitungen mit den parallel geschalteten Schläuchen erforderlich. Diese
Verbindungen können von außen zugänglich ausgeführt werden, so daß an diesen kritischen
Stellen eventuell auftretende Schäden repariert werden können.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß bei einem Defekt eines Schlauches im Inneren der
Vorrichtung zur Membrandestillation der defekte Schlauch von außen abgeklemmt oder ver
schlossen werden kann. In einem solchen Fall wird die Destillatleistung entsprechend reduziert,
die Vorrichtung ist aber nicht vollständig unbrauchbar.
Wenn in der Vorrichtung zur Membrandestillation höhere Temperaturen als ca. 90°C auftreten
können, sollte die Vorrichtung zur Membrandestillation nur aus temperaturbeständigen und kor
rosionsfesten Kunststoffen z. B. teil- oder vollhalogenierten Kunststoffen wie PVDF oder PTFE
aufgebaut sein: das häufig als Stützgewebe (backing) für die mikroporöse Membran und als
Leitungsmaterial eingesetzte PP sollte durch einen dieser Kunststoffe ersetzt werden.
Soll die Membrandestillation bei Temperaturen durchgeführt werden, bei denen der Dampf
druck der aufzukonzentrierenden Prozeßflüssigkeit größer ist als der Atmosphärendruck, dann
muß die Vorrichtung druckfest ausgeführt sein, und das Destillat sollte ungefähr unter demsel
ben Druck stehen wie die Prozeßflüssigkeit, so daß die Druckdifferenz auf beiden Seiten der
mikroporösen Membran an keiner Stelle einen vorgegebenen Grenzwert von z. B. 50 kPa
übersteigt.
In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Membrandestillation mit interner
Wärmerückgewinnung dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Einzelheit dieser Vorrichtung.
Die zu behandelnde wäßrige Prozeßflüssigkeit tritt bei (30) in die Vorrichtung zur Membrande
stillation ein und wird auf mehrere Schläuche mit dünnen, flüssigkeits- und gasundurchlässigen
Wänden (29) verteilt. Durch diese Schläuche strömt die wäßrige Prozeßflüssigkeit unter Wär
meaufnahme aus dem kondensierenden Destillat auf Spiralen nach innen und nach oben. Am
oberen Austritt aus der Vorrichtung wird die wäßrige Prozeßflüssigkeit in einer gesamten Lei
tung gesammelt und in einer Heizvorrichtung (25) weiter erwärmt. Nach dieser Erwärmung wird
die wäßrige Prozeßflüssigkeit im Innern der Vorrichtung zur Membrandestillation auf mehrere
Schläuche mit flüssigkeitsdichten aber gasdurchlässigen mikroporösen Wänden (20) verteilt.
Durch diese Schläuche fließt die wäßrige Prozeßflüssigkeit unter Abkühlung aufgrund der Ver
dampfung eines Teiles der Prozeßflüssigkeit spiralig nach unten und außen und verläßt bei (31)
über eine Sammelleitung die Vorrichtung zur Membrandestillation. Zwischen den Schläuchen
mit den gasdurchlässigen Wänden (20) und den Schläuchen mit den gas- und flüssigkeitsdich
ten Wänden kondensiert das gebildete Destillat, das bei (32) abgezogen werden kann. Die
Temperatur in der Vorrichtung nimmt von unten nach oben zu. Dies ist für eine möglichst voll
ständige Wärmerückgewinnung von Vorteil, da die Schwerkraft in diesem Fall nicht zu Um
schichtungen im Destillatkanal führt.
Das im Zwischenraum zwischen den Schläuchen kondensierende Destillat wird unten an der
kältesten Stelle abgeleitet und verläßt bei (32) die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung.
Der innerste Schlauch ist auf einen Kegelstumpf (36) mit einer Rampe (37) aufgewickelt, die in
gleichmäßiger Steigung an der Außenseite des Kegelstumpfes herum geführt ist. Breite und
Ganghöhe der Rampe (37) entsprechen dem Außendurchmesser der verwendeten Schläuche.
Zur Verdeutlichung ist in Fig. 2 eine Aufsicht auf die Rampe dargestellt. Zur Verbesserung des
Wärmetransportes ist es von Vorteil, die Rampe nicht aus Vollmaterial sondern z. B. als Gitter
oder leiterartig, wie in Fig. 2 dargestellt, auszubilden. Durch diese Wicklung wird gewährleistet,
daß jeder Membranschlauch mit der aufzukonzentrierenden Prozeßlösung im Innern der Vor
richtung zur Membrandestillation, wie in Fig. 1 dargestellt, von 4 Folienschläuchen umgeben ist
und umgekehrt jeder Folienschlauch von 4 Membranschläuchen.
Die in Fig. 1 dargestellten Schläuche können bei größeren Durchmessern zusammengedrückt
werden. Wenn diese Gefahr besteht, können die Schläuche über eine Kunststoffspirale oder
eine ähnliche Vorrichtung extrudiert werden, durch die der kreisförmige Schlauchquerschnitt
über die volle Schlauchlänge gewährleistet wird. Durch eine solche Spirale wird auch der Wär
meübergang auf die Schlauchwand verbessert. Bei Schläuchen mit kleinem Durchmesser ist
dies nicht erforderlich.
Es ist möglich, die Schläuche dichter als in Fig. 1 dargestellt aufzuwickeln, z. B. so, daß die
Mittelpunkte der Schlauchquerschnitte der verschiedenen Schichten nicht wie in Fig. 1 darge
stellt übereinanderliegen sondern von Schicht zu Schicht um den Schlauchradius versetzt sind.
Breite und Ganghöhe sind dazu entsprechend zu verkleinern.
Sollte bei Verwendung von Schläuchen mit kleinem Durchmesser der Destillatfluß unzulässig
behindert sein, dann ist auch eine weniger dichte Aufwicklung der Schläuche mit zusätzlichen in
Fig. 1 nicht dargestellten Hilfseinrichtungen problemlos realisierbar.
Bei der Fig. 1 handelt es sich um eine schematische Darstellung. Die Anzahl der in Fig. 1 dar
gestellten, parallel geschalteten Schläuche dienen nur als Beispiel. Ihre konkrete Anzahl hängt
ab von den vorgesehenen Betriebsparametern, dem Grad der angestrebten Wärmerückgewin
nung, dem Schlauchdurchmesser und den Preisen für Schläuche.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Membrandestillation mit integrierter Wärmerück
gewinnung kann in den Schläuchen eine turbulente Strömung und damit ein guter Wärmeüber
gang auf die Folie oder Schlauchwand (29) bzw. die mikroporöse Membran (20) realisiert wer
den. Im Destillatraum herrscht dagegen nur eine geringe Strömung und damit ein schlechter
Wärmeübergang zur Membran (20). Da durch das Stützgewebe (backing) der mikroporösen
Membran eine Flüssigkeitsschicht entsprechender Dicke immobilisiert wird, ist es günstiger, die
mikroporöse Membran so einzubauen, daß das Stützgewebe dem Destillatraum zugewandt ist
als umgekehrt. Die Anordnung ist auch dann von Vorteil, wenn auf der Destillatseite ein gerin
gerer Druck herrscht als in den Kanälen mit der aufzukonzentrierenden Prozeßflüssigkeit oder
wenn in den Kanälen mit der aufzukonzentrierenden Prozeßflüssigkeit Druckstöße nicht völlig
unterbunden werden können.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Durchführung der Membrandestillation von wäßrigen Lösungen mit interner
Wärmerückgewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle für die aufzukonzentrie
rende, erwärmte Flüssigkeit (21) durch Schläuche mit vorzugsweise kreisförmigem Quer
schnitt gebildet werden, deren Wände aus einer flüssigkeitsdichten, aber dampfdurchlässi
gen, mikroporösen Membran (20) gebildet werden, daß die Kanäle für die zu erwärmende
Flüssigkeit (29) durch Schläuche mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt gebildet
werden, deren Wände aus flüssigkeits- und gasdichten Folien bestehen, daß die Schläuche
in mehreren horizontal übereinander liegenden Lagen aufgewickelt und innerhalb eines
gemeinsamen Gehäuses derart angeordnet sind, daß die einem Membranschlauch be
nachbarten Schläuche Folienschläuche sind und daß die einem Folienschlauch benachbar
ten Schläuche Membranschläuche sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schlauchenden in
der untersten und der obersten horizontalen Lage angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schläuche am Ein
tritt in die oder am Austritt aus der Vorrichtung zur Membrandestillation einzeln abgeklemmt
oder verschlossen werden können.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgewebe der mikropo
rösen Membran dem Destillat zugewandt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Membran und
ihr Stützgewebe aus dem gleichen Material bestehen.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Anschlüsse für die kalten Flüssigkeiten im unteren Bereich und die Anschlüsse
für die warmen Flüssigkeiten im oberen Bereich der Vorrichtung angebracht sind.
7. Verwendung der Vorrichtungen nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche zur
Behandlung von wäßrigen Prozeßlösungen insbesondere zur Behandlung von wäßrigen
Prozeßlösungen aus Behandlungsbädern oder den diesen Bädern nachgeschalteten
Spülbädern von Oberflächenbehandlungsanlagen zur galvanischen oder chemischen
Abscheidung von Metallschichten oder zur Erzeugung von Konversionsschichten.
8. Verwendung der Vorrichtungen nach wenigstens einem der Ansprüche 1-6 zur Behandlung
von wäßrigen Lösungen mit einer Temperatur von mindestens 80°C.
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