DE19900432A1

DE19900432A1 - Membrane module

Info

Publication number: DE19900432A1
Application number: DE19900432A
Authority: DE
Inventors: Stephan R Blum; Bernd Luehrs
Original assignee: Heggemann GmbH
Current assignee: Heggemann GmbH
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2000-07-13
Also published as: WO2000040325A1; DE20022342U1

Abstract

The invention relates to a membrane module which is provided for separating materials, which is comprised of a housing and of a fiber bundle fitted therein, and which has one or more, especially a multitude of, parallel semipermeable tubular membranes (8) that are fixed with the ends thereof to top plates (5) (pottings). The interiors of the tubular membranes (8) are connected to corresponding channels which are arranged in at least one of the top plates (5). The distance between the pottings (5) in the fiber bundle can be freely altered before fitting the same in the housing. The distance between the pottings (5) is fixed in relation to one another after fitting the fiber bundle in the housing. The module concept is universally suited for all applications, allows for all individual advantages of existing, however, different constructions in <u>a single</u> concept, but avoids all individual disadvantages of existing, however, different constructions.

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.The invention relates to a membrane module for the Separation, consisting of a housing and one inside built-in fiber bundle, which one or more, in particular a large number of arranged in parallel has semi-permeable tubular membranes with their Ends are attached to head plates (pottings), the Inside of the hose membranes with corresponding, in at least one of the head plates arranged channels are connected.

1. Background of the Invention and State of the Art 1.1 General

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.Processes such as micro and ultrafiltration (MF, UF), reverse rosmose (UO) and dialysis (DL) find wide industrial Use, e.g. B. in wastewater technology (microfiltration, Ultrafiltration) or in seawater desalination Drinking water production (reverse osmosis), and have a Ent level of development reached, the hardly fundamental new one can be expected. There is also membrane ver drive that enable selectively components from Gemi cut off. This is the Pervapora tion (PV) when the mixture is in the liquid state located to vapor permeation (DP) when the mixture vaporous and ultimately gas permeation (GP) if the mixture is in gaseous form.

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.The pervaporation as well as the vapor permeation dispose clearly their areas of application and a process engineering sensible combination with other process steps, especially rectification and reaction, over a high Development potential.

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.That the industrial use of Pervapora tion / vapor permeation has so far hardly taken place, cannot simply attributed to a lack of suitable membranes leads. Rather, it can be said that the poten tial of the available membranes by far is not exhausted. For a wider use of the Pervaporation / vapor permeation are primarily the development reliable and cost-effective modules and a optimal integration of the membrane process into technical Processes of importance.

Kernstück jeder Membrananlage ist der Modul, d. h. die technische Anordnung der Membranen. Dabei bedeutet:
The core of every membrane system is the module, ie the technical arrangement of the membranes. Here means:

Modul = Membran(en) + GehäuseModule = membrane (s) + housing

Bei der Modulentwicklung müssen im wesentlichen die fol genden z. T. widersprüchlichen Anforderungen berücksichtigt werden:
In the module development essentially the following z. T. conflicting requirements are taken into account:

- Good, even flow across the membrane
- mechanical, chemical and thermal stability
- high packing density
- inexpensive manufacturing
- good cleaning possibility
- Inexpensive possibility of changing the membrane
- low pressure drops

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:In addition, the diverse transport is also against would be charged when designing a module wear in gases and vapors a completely different meaning possess than in liquids. Therefore it is easy tend that the same module type in terms of the optimal Geometry and flow control are different, each after whether he is responsible for reverse osmosis, gas permeation, per vaporation or vapor permeation is designed. Because depending Purpose one or the other point of view in The foreground are a number completely on the market differently designed module types available. See if one starts from constructive details, then the Reducing modules to 2 classes and 6 types:

Schlauchmembranen:
Rohrmodul
Kapillarmodul
HohlfasermodulHose membranes:
Tube module
Capillary module
Hollow fiber module

Flachmembranen:
Plattenmodul
Wickelmodul
KissenmodulFlat membranes:
Plate module
Winding module
Pillow module

Die Erfindung betrifft Module mit Schlauchmembranen, wel che nachfolgend näher erläutert werden.The invention relates to modules with hose membranes, wel che are explained in more detail below.

1.2 Types of modules with hose membranes 1.2.1 Pipe module

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 d_i abgekürzt ist:
In this type of module, the membrane is in the form of a tube on the inside of pressure-resistant pipes with diameters between 6 and 24 mm. The feed is pumped into the inside of the pipe, the permeate penetrates the membrane and is drawn off in the outside. Some of the membranes can be replaced, but some of them are also firmly attached to the support material. To increase the relatively low packing density (<80 m ² membrane area per m ^{3 of} enclosed space), many manufacturers arrange several modules in one jacket tube. The advantages and disadvantages of the tube module are summarized in the following table, the inside diameter being abbreviated to d _i :

1.2.2 Capillary module

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
In contrast to tubular modules and modules with flat membranes, in which the membrane film is mechanically supported by a porous support structure, there are also module constructions that are equipped with self-supporting membranes

- the hollow fiber module
- the capillary module

Letzteres besteht aus größeren (d_i = 0.5-6 mm) und damit weniger druckfesten Membranschläuchen, die asymmetrisch aufgebaut sind und innen die aktive Trennschicht besitzen.The latter consists of larger (d _i = 0.5-6 mm) and thus less pressure-resistant membrane hoses, which are constructed asymmetrically and have the active separation layer on the inside.

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:
The capillary module is used in the field of ultrafiltration and gas permeation in cases where the driving force is achieved by applying a vacuum on the permeate side - at ambient pressure on the feed side. It can be compared to a shell-and-tube heat exchanger: the membrane hoses are arranged in parallel and glued to a head plate (potting) at both ends. Compared to the tube module, the capillary module has a higher packing density, but because of the mostly laminar flow it behaves less well. The advantages and disadvantages of the capillary module are summarized in the following table:

1.2.3 Hollow fiber module

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 d_a = 85 µm (Dupont - UO, d_a = 200 µm (Toyobo - UO) und d_a = 400 µm (Monsanto GP und UBE GP). Much smaller diameters than the capillary module are used in hollow fiber modules. Hollow fiber modules are used for reverse osmosis and gas permeation, but only for gas permeation where the driving force is realized by overpressure on the inlet side - at ambient pressure on the permeate side. The mixture to be separated is usually on the outside of the fibers, while the permeate flows out inside the fibers. In contrast to capillaries, the hollow fibers are usually stressed by external pressure. For this reason, they are more stable under pressure than capillary and tube modules and can withstand a pressure difference of up to 100 bar. The hollow fibers used are usually asymmetrical, with the active layer being in most cases on the outside. Typical dimensions are outer diameters d _a = 85 µm (Dupont - UO, d _a = 200 µm (Toyobo - UO) and d _a = 400 µm (Monsanto GP and 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.With the hollow fiber module, the individual fibers become one Fiber package combined and installed in a pressure pipe. The modules for gas permeation are constructive trained that the mixture to be separated parallel to the Fibers is guided (cocurrent or countercurrent), while at Hollow fiber modules for reverse osmosis the raw solution radially to the fiber bundle, flowing from the inside out (Cross flow). The membrane is an example of the latter called module, which under the trade name "Permasep" from is distributed by Du Pont.

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.While in the hollow fiber modules for reverse osmosis the mixture to be separated always flows on the outside of the fibers and the permeate inside the fibers, there are both current paths for gas permeation. Overall, the 3 variants shown in FIG. 5 with regard to the current flow of feed 3 and permeate 4 and with regard to the membrane structure have been developed:
In addition to variant A with an external fiber bundle and external active layer 1 of the membrane and internal support layer 2, there are also modules with hollow fibers through which feed flows on the inside. Of course, the fibers have to be glued open at both ends of the fiber analogous to a catchy tube bundle heat exchanger. The active layer 1 of the membrane is normally on the inside of this current guide (variant B), but an internally flowed hollow fiber module for gas permeation with an external active layer 1 (variant C) is also known.

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 P_F, der Permeatdruck P_P und der Retentatdruck P_R sowie die resultierende Kraft 10 bzw. der resultierende Druck 10 auf die Pottings 5 sind ebenfalls eingezeichnet.The advantages and disadvantages of the individual variants can be characterized on the basis of FIGS. 6a and 6b, in which the pottings 5 with the seals 6 , the inlet and outlet pipes (central pipe) 7 and the hose membranes 8 as well as feed 3 and retentate 9 are shown are. The feed pressure P _F , the permeate pressure P _P and the retentate pressure P _R as well as the resulting force 10 or the resulting pressure 10 on the pottings 5 are also shown.

Variants against the outside ( Fig. 6a)

Bei außen angeströmten Varianten wirkt der Systemüberdruck auf die Innenseite der Pottings mit dem Bestreben, diese auseinanderzudrücken.The system overpressure acts on variants with external flow on the inside of the pottings with an effort to get this apart.

Variants with internal flow ( Fig. 6b)

Bei innen angeströmten Varianten wirkt der Systemüberdruck auf die Stirnseiten der Kopfplatten 5 (Pottings) mit dem Bestreben, diese gegeneinander zu drücken.In the case of variants with internal flow, the system overpressure acts on the end faces of the head plates 5 (pottings) with the aim of pressing them against one another.

Variant A (inflow outside)

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.Due to the high mechanical stability of Pipes under external pressure high feed-side pressures (Δp ≈ 70 bar) will be realized. However, the permeate side is relative high pressure drops are to be expected because of the green construction the small fiber diameter and long fiber lengths strives to be. Added to this is the gas permeation module unfavorable influence of the low permeate pressure on the Pressure loss (Δp ~ 1 / p). However, it is a big one Packing density achievable because the outer surface of the Hollow fibers are of course much larger than the inner one.

Variant B (inflow inside)

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 P_F/P_P 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 (P_Fmax ≈ 15 bar). In this case, the permeate pressure drop is negligibly small. This is essential for gas permeation, since here the selectivity depends relatively strongly on the pressure ratio P _F / P _P and is therefore much more sensitive to pressure loss on the permeate side than on the feed side (note the order of magnitude!). Disadvantages are the significantly lower packing density, but above all the lower resilience of the hollow fibers under internal pressure (P _Fmax ≈ 15 bar).

Variant C (flow inside)

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.This type tries to take advantage of variant A - large, because active membrane surface outside - with the Advantage of variant B - low permeate pressure loss - to connect. In terms of mechanical Stress must be taken into account that on the one hand active layer on the outside that is subject to stretching is more vulnerable than an inner layer, another but possible damage from the feed located particles is excluded.

Die Vorteile und Nachteile des Hohlfasermoduls sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei der Innendurchmes ser mit d_i abgekürzt ist:
The advantages and disadvantages of the hollow fiber module are summarized in the following table, the inner diameter of which is abbreviated to d _i :

1.2.4 Overview

Abschließend werden die wichtigsten Unterscheidungsmerkma le der drei Modultypen mit Schlauchmembran zusammengefaßt. In conclusion, the main distinguishing feature le of the three module types combined with a hose membrane.

Unterscheidungsmerkmale der Modultypen mit Schlauchmembran Distinguishing features of the module types with hose membrane

1.3 Disadvantages of the prior art

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.The large number of available module systems has one Spread of membrane processes in such areas ver prevents different membranes in the same Module configuration are required. Should z. B. in demsel ben reactor using different membranes different substances are synthesized, so u. a. the inflow also varies from synthesis to synthesis. in the a case, e.g. B. esterification, is an external flow, water-selective (hydrophilic) membrane, in the next Application, e.g. B. transesterification, on the other hand, an internal flow te, organic selective (hydrophobic) membrane required. To do this, the user must install various module concepts ren, it becomes due to the high costs and the logistic complexity (service) with a high probability forego the investment.

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.Hollow fiber and capillary modules are used in all membrane drive offered in different configurations. The ver Available module concepts are discussed below become. First, the different constructi characteristics of fiber bundles.

1.3.1 Disadvantages of fiber bundle constructions

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%.The production of fiber bundles is all the more complex, the larger the fiber bundle diameter and the higher the target temperature range is. The main problems are in the production of the pottings. Since it is The polymer bundles are subject to the fiber bundles large manufacturing tolerances up to 1%.

Rigid fiber bundles (low temperature range)

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).Rigid fiber bundles are the most common form, characterized in that the pottings z. B. rigidly connected to each other by a tube, rods or support jacket construction and axially fixed in the housing 11 . The constructive design of the modules with a flow around the inside or outside is simpler with rigid fiber bundles. Un is subject to the rigid central tube 7 with increasing tempera ture a greater elongation than the housing, the relative elongation of the central tube 7 can lead to the axial breakout of the central tube 7 from the potting 5 ( Fig. 7a, 7b).

Length-adjustable fiber bundles (high temperature range)

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.With increasing application temperatures (90-400 ° C and above) there arises the need to be axially variable Manufacture fiber bundles because of the different heat strains of the materials used (fibers, potting resin, central tube, support cage) must be taken into account sen. The central tube can be made of plastic or, in the case high operating temperatures, made of steel. The the same applies to the housing.

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.Length-variable fiber bundles are characterized by an axial displacement of the pottings relative to each other. This can be achieved by dividing the central tubes 7 . Figs. 8a, 8b, 8c show schematically the operation of variable-length fiber bundles with increasing temperature. In Fig. 8a are pottings 5 fixed in the housing, in Fig. 8b in the housing axially displaceable pottings 5 with internal flow (pressure from outside on the pottings) and in Fig. 8c in the housing axially displaceable pottings 5 with external flow (pressure from inside on Pottings).

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.Due to the lack of axial fixation, potting has a "floating" function (cf. "floating" bearing in metal components). In the case of split fiber bundles, special constructive measures must be taken into account for both the inside and outside flow. If the flexible potting is not fixed in the case of internal flow, the system overpressure 13 reduces the axial expansion play 12 to zero ( FIG. 8b). The thermal expansion now leads to a sliding movement of the "floating" pottings 5 a and causes a permanent sliding load on the seal 6 . The system pressure 13 counteracts the thermal expansion 14 .

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).In addition, the sensitivity of length-variable fiber bundles to the medium pressure must be compensated for structurally because the system overpressure 13 pushes the "floating" potting 5 a outwards until the fibers 8 absorb the full force ( FIG. 8c). If the potting 5 a is not fixed axially, particularly rapid pressurization can lead to fiber tearing ( Fig. 8c, below).

1.3.2 Disadvantages of module designs 1.3.2.1 Glued-in fiber bundles

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.This is the most common type of construction Potting (gluing) fibers directly in the housing and thus Leakage and tightness problems avoided. Furthermore only small module sizes are offered, since the heat Aspects of stretching are less pronounced. The available However, modules are only for the low pressure range (Polymer housing) and the low temperature range (up to approx. 100 ° C). An assembly / disassembly of the fiber bund only del is not possible, however. H. when occurrence of The entire modules must be replaced with membrane defects. A membrane exchange on the part of the customer is therefore always connected with a module exchange. A membrane change (Use of membranes from other manufacturers) is due other constructive design usually not possible Lich. Such fiber bundles are rigid due to the gluing.

1.3.2.2 Simple fiber bundles

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).In the known technical solutions, the O-rings 6 mounted to the fiber bundle 8 are arranged on the outer circumference of the pottings 5 (acting radially) ( 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.The disadvantage of this construction is that axial pressures act tangentially on a very thin sealing surface. The The sensitivity of this sealing concept is increasing increasing pressure and especially with increasing temperature and chemical attack too.

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.The assembly is carried out on the housing 11, which is open on both sides, by inserting the fiber bundle 5 , 8 and by inserting the two O-rings 6 and pressing them together using a suitable pressure flange 15 .

1.3.2.3 Cartridges (hollow fiber modules)

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.A variation of rigid fiber bundles are mounted on one side bare cartridges z. B. under the trade name "Permasep" are distributed by Du Pont. This Cartridges are also due to radial seals (O-rings) and by a rigid, fixing the pottings Central tube characterized. The limitations apply for rigid fiber bundles.

1.3.2.4 Cartridges (winding modules)

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.Cartridges that can be mounted on one side are similar (e.g. "Permasep") for winding modules. There are no winding modules Pottings. The cartridges are of a fixative art Characterized fabric sheathing (rigid), the grooves for Inclusion of radial seals (O- Rings, lip seals).

2. Object of the invention

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.Therefore, modular concepts must be demanded that are universal for all use cases are suitable, all individual Advantages of the existing, but different Kon Allow structures in a concept and all indi visual disadvantages of the existing, but different avoid constructions.

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.With the increasing use of membranes in the chemical Industry are frequent start-up and shutdown processes due to errors controls or safety interlocks are inevitable. This means that the modules have to undergo many start-up processes can cope. In addition, chemical processes also require the variation of the process pressure (feed pressure, permeate pressure) in wide areas. Hence, "floating" pottings be avoided.

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.Polymer membranes are also increasingly used in the temperature range Chen used up to 400 ° C, d. H. the module constructions the manufacturing tolerances of the fiber bundles (polymer, Epoxy resins) and to compensate for thermal expansion. Length-variable fiber bundles should therefore be aimed for.

Darüber hinaus müssen die Membranen zwecks Produktionssi cherheit vom Betriebspersonal gewechselt werden können. Dies erfordert eine geeignete In-situ-Montagevorrichtung von einer Seite.In addition, the membranes must be used for production safety can be changed by the operating personnel. This requires a suitable in-situ mounting device from one side.

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.This can only be found in conventional modules fende, radial sealing concept is with increasing pressures and temperatures, as well as the required suitability of the Modules for vapors too unstable. This requirement is met structurally achieved through a suitable sealing concept. The The sealing concept should be suitable for both inflow variants net and also insensitive to manufacturing tolerances be the fiber bundle.

Die Universalität fordert, daß der Modul für alle Anwen dungen, u. a.The universality demands that the module for all users dungen u. a.

a) Inside and outside flow of fiber bundles
b) rigid and non-rigid fiber bundles
c) Self-sealing function
d) Low and high temperature applications
e) one-sided (in-situ) assembly and disassembly should be suitable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Membranmodul der eingangs genannten Art diese Anforderun gen zu erfüllen. The invention is therefore based on the object Membrane module of the type mentioned initially meet these requirements gen to meet.

3. Solution of the task

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.The task is solved that the spacing of the pottings in the fiber bundle before that Installation in the housing is freely changeable and that after the installation of the fiber bundle in the housing the distance of the Pottings is fixed to each other.

Mit der Erfindung können die widersprüchlichen Forderungen
With the invention, the contradicting claims

- variable length fiber bundle and
- pottings fixed on both sides

gleichzeitig erfüllt werden.be met at the same time.

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.The free change of the spacing of the pottings allows a thermal expansion game and thus the use of the membrane module at both high and low Temperatures without, for example, an existing one Central tube breaks out of the potting axially. Through the Fixing the distance between the head plates can do that Fiber bundles flow from both inside and outside without being displaced by the pottings Sealing problems occur and without the pressure of the Medium acts on the hose membranes and possibly too leads to a membrane tear.

4. Preferred configurations

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.It is also proposed that within the An inlet or outlet tube is arranged in the fiber bundle, with at least one end of the inlet and outlet pipe fixed and axially immovably connected to one of the pottings is, and that before installing the fiber bundle in the Housing the distance of this end to the opposite Potting is changeable. Usually the inlet and Drain pipe centrally within the bundle of Hose membranes ("fiber bundle") arranged and is therefore called central tube. For example, one end of the Rohrs be firmly glued in the potting and the other end in a corresponding blind hole of the other potting insert loose and axially displaceable. But it is also in the context of the invention that none at all in the fiber bundle such a central tube is arranged.

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.It is also proposed that both ends of the inlet and drain pipe with the respective potting fixed and axial is immovably connected that the length of the inlet or drain pipe freely changeable.

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.The free changeability of the length of the inflow and down can be reached in different ways the. On the one hand, it is proposed that the inflow and Drain pipe partially at least two telescopically has sliding pipe pieces.

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.Alternatively, you can in a further advantageous Ausge staltung of the invention provide that the inlet and Ab barrel at least one in the longitudinal direction Kom has pensator.

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.Also fixing the distance between the head plates can be designed differently. So on the one hand suggested that the distance of the head plates to each other is adjustable. This configuration is in detail explained below in Example 1.

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).The features of the invention are realized here by the structural design of the housing, for. B. by the integration of an axially fixable "assembly device" with an initially changeable, but after the assembly fixed connection between the pottings (example 1, Fig. 1 and 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.When installing such a membrane mo duls, the connection of the pottings is initially provided with a defined axial thermal expansion play and fixed then the spacing of the pottings and thus that too predetermined thermal expansion play of the inlet and outlet pipes.

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.In another advantageous embodiment of the invention the head plates have a fixed, predetermined distance to each other. So there is a fixed, predetermined heat expansion play of the inlet and outlet pipe. That knows ter relates to Example 2 explained in detail below this configuration.

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.It is also proposed that the head plates on the Ends of an inner jacket tube are firmly attached and the inner jacket tube inside the outer jacket tube is arranged. Here you get a replaceable cartouche the fiber bundle, the pottings and the inner Jacket tube includes.

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).The features of the invention are achieved by the constructive design of the interchangeable element, for. B. by providing a hollow fiber bundle with a rigid sheathing, but the internals between the pottings but axially displaceable relative to each other (z. B. divided central tubes, Zen tral tubes with compensators, etc.) (Example 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.It is also advantageous if the outer surface of the inner casing tube or the head plates or one fixed associated part opposite the inner surface of the Housing is sealed and the seals as Lip seals, especially as self-sealing Lip seals are formed.

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.Such seals are preferably used at which the system pressure in all flow variants Sealing effect supports (self-sealing effect). So can be folded or alternately installed Lip seals are used to secure the unit from fiber bundles and pottings or the interchangeable element for each flow variant self-sealing against the Permeate space is sealed.

Vorzugsweise sind die Schlauchmembranen als Polymermembra nen, insbesondere als hochtemperaturbeständige Membranen ausgebildet.The tubular membranes are preferably in the form of a polymer membrane NEN, especially as high temperature resistant membranes educated.

Das erfindungsgemäße Membranmodul kann für beliebige Mem branverfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise wird es für die Verfahren Dampfpermeation, Pervaporation verwendet.The membrane module according to the invention can be used for any mem industry processes are used. It is preferably used for the methods used steam permeation, pervaporation.

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.The invention also encompasses a method using the membrane module mentioned, the thermal expansion play in the fiber bundle being set to be smaller than the thermal expansion at the operating temperature. For example, a thermal expansion clearance of 10 mm at a distance of about 1 m between the pottings may be necessary and can be set if an operating temperature of 150 ° C. is provided. If, on the other hand, a clearance of only 8 mm is set, the pressure of the medium with external flow ( Fig. 3b) acts directly on the seals at the operating temperature and, if the seals are designed accordingly, leads to an increase in the sealing effect (axial / radial self-sealing) Pottings. The game can be adjusted, for example, by changing the spacing of the pottings using an axially adjustable threaded rod (FIGS . 1 to 3).

5. Embodiments

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen The following are two embodiments of the invention dung described with reference to drawings. Show it

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Membranmodul mit umgebenden Gehäuse nach einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 1 a longitudinal section through an inventive membrane module with surrounding housing according to a first embodiment,

Fig. 2 den rechten Teil von Fig. 1 in Vergrößerung, Fig. 2 the right part of Fig. 1 in enlargement,

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. 3 Details of FIGS. 1 and 2 for explaining the construction, installation and operation, sometimes with different configurations of individual elements a,

Fig. 4a, 4b je einen Längsschnitt durch ein erfindungs gemäßes Membranmodul nach einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel, Fig, 4b each show a longitudinal section through a fiction, for example approximately membrane module according to a second exporting. 4a,

Fig. 5A, 5B, 5C ein Membranmodul im Längsschnitt mit Darstellung der Stromführung von Feed und Permeat (Stand der Technik, bereits erläutert), Fig. 5A, 5B, 5C, a membrane module in longitudinal section showing the current control of feed and permeate (state of the art, already referred to),

Fig. 6a, 6b jeweils ein Membranmodul im Längs schnitt mit schematischer Darstellung der An strömungsvarianten (Stand der Technik, bereits erläutert), FIG. 6a, 6b respectively a membrane module in longitudinal section with a schematic representation of the variant of flow (state of the art, already referred to),

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. 7a, 7b each of a membrane module in longitudinal section with the housing axially fixed pottings and with a schematic representation of the effect of thermal expansion (prior art, he already explained),

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. 8a, 8b, 8c are each a membrane module in longitudinal section with axially movable in the housing pot tings variable mutual spacing and with a schematic representation of the effect of thermal expansion (prior art, he already explained),

Fig. 9 ein Membranmodul im Längsschnitt beim Einbau in ein Gehäuse (Stand der Technik, bereits erläu tert) und Fig. 9 is a membrane module in longitudinal section when installed in a housing (prior art, already tert) and

Fig. 10a und 10b die Herstellung eines Faserbündels nach dem Stand der Technik. Fig. 10a and 10b the production of a fiber bundle according to the prior art.

In allen Zeichnungen, auch in denen zum Stand der Technik, haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.In all drawings, including those related to the state of the art, have the same reference numerals the same meaning and may therefore only be explained once.

5.1 Example 1 ( Fig. 1 to 3)

Die Anforderungen wurden erfindungsgemäß durch einen Mon tagekäfig mit folgenden Merkmalen gelöst:
According to the invention, the requirements were met by a mon day cage with the following features:

1. axial / radial seal 6 of the pottings 5 a, 5 b (FIGS . 3f, 3g, 3i)
2. one-sided fixed bearing (left in Fig. 1),
3rd opposite floating bearing (on the right in Fig. 1, to compensate for manufacturing tolerances)
4. elements for fixing the floating bearing (see FIG. 2),
5. unilateral assembly / disassembly,
6. radial sealing concept on the floating bearing (eg O-rings, but preferably lip seals 16 , since self-sealing, eg available under the trade name "Variseal")
7. Self-sealing effect of the seals 16 and 6 (an O-ring is preferably used as the seal 6 , which is self-sealing due to the displaceability of the right potting 5 b ( FIG. 2))
8. In-situ assembly / disassembly
9. Possibility of different fiber bundle constructions use in the same housing,
10. Protection of the fiber bundle 8 during assembly / disassembly,
11. easy pressure tests of the system,
12. Suitability for pharmaceutical applications (disposable membranes, Sterilizability of housing and membrane).

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.The outer jacket tube 17 is surrounded by a heating jacket 18 with inlets and outlets 19 .
ad 1. The axial / radial sealing effect is achieved by a groove 20 in the distal potting 5 a, which serves as a receptacle for a sealing element (eg O-ring 6 ) ( FIG. 3 a for externally flowed tubular membranes 8 , self-sealing). The seal 6 is pressed ver by distal screwing (screw 21 ) of the distal pressure plate 22 into the sealing seat. Radial manufacturing tolerances of the pottings are therefore irrelevant.
Figs. 3f and 3g show the axial / radial and self-sealing sealing concept with the use of O-rings as seals. Radial, not self-sealing sealing concept according to FIG. 3h is known per se. An advantageous not known, radial and self-sealing sealing concept using lip seals, Fig. 3i.
ad 2. This fixes the distal potting 5 a.
ad 3. A corresponding groove 24 is at the proximal Potting 5 b ( "floating Potting") is provided (Fig. 3b, self-sealing for externally flowed tubular membranes 8). By screw connection (screw 25) of the proximal undivided pressing flange 26 is compressed, the seal 6 in the proximal sealing seat. The system pressure is shown in Fig. 3b with the arrow 27 .
ad 4. The proximal sealing seat is integrated in a flange 29 , which also has an outer circumferential groove 30 , in which a lip seal 16 for sealing the mounting device relative to the housing 11 lies (FIGS . 3c, 3d, 3e). The distal (fix) bearing and the proximal bearing are fixed against each other by axially adjustable connections, e.g. B. by means of lockable Ge threaded rods 23 by tightening the lock nut 28th The flexibility before the fixation, in particular through a "deep" blind hole in the flange 29 , enables the compensation of axial manufacturing tolerances of the fiber bundles. Radial tolerances are also insignificant here.
As a result, the fiber bundle 8 is insensitive to temperature / pressure fluctuations, since the forces are absorbed by the mounting device. Different thermal expansions between fibers and housing, fiber bundle internals (central tube 7 , support cage, etc.) are compensated for if necessary by dividing these fiber bundle internals.
ad 5. The assembly device enables one-sided assembly / disassembly of the fiber bundle.
ad 6. The mounting device is sealed to the housing 11 by radial sealing elements, namely lip seals 16 ( Fig. 3d, 3e). Fig. 3d shows the arrangement for outside flow, Fig. 3e shows the arrangement for inside flow membrane modules.
ad 7. Here, lip seals 16 are preferred, since they have a self-sealing effect both in the case of flow on the inside and on the outside, in that the opening faces the overpressure side. The overpressure presses the lips 16 apart and thus automatically increases the sealing effect.
ad 8. Due to the one-sided mountability, the fiber bundles can be installed or removed in-situ (by the user). This ensures production safety at all times.
ad 9. The assembly device enables the use of different fiber bundles in the same housing 11 .
ad 10. The assembly device acts as a protective cage for the fiber bundle, ie all process and assembly / disassembly forces are absorbed by the protective cage and thereby protect the more sensitive membrane elements.
ad 11. Regular pressure tests of systems are usually carried out by filling the systems with water. The decoupling of the fiber bundle and the housing allows the system to be checked when the fiber bundle is removed (avoiding membrane contact with unnecessary media).
ad 12. The change concept in connection with high temperature resistant membrane elements (even if the membranes are only used in the low temperature range) is suitable for the use of vapor permeation, pervaporation in the pharmaceutical sector, since the housing and membranes sterilize together (in-situ) (e.g. Steam sterilization). The use of disposable membrane inserts is also conceivable.

Im folgenden wird die Montage des Membranmoduls erläutert.The assembly of the membrane module is explained below.

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.A membrane cage is mounted outside the housing around the fiber bundle. The right half of the potting ( Fig. 1) is enclosed on the front by two flanges. The left potting half initially only has two flange halves on the inside. These flange halves are connected and fixed with the right potting sheath over the entire fiber length by means of two threaded rods and one lock nut each.

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". After inserting the membrane cage into the housing, the left potting half also on the left front side of surrounded by a flange that is firmly connected to the housing is. By screwing both flange sides of the Left pottings, this entire half of the potting is fixed Compound with the housing and thus serves as a "fixed bearing".

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.Because the right potting envelope is axial relative to the housing is movable, this serves as a "floating bearing". The on resulting gap between flange and housing is closed with a sealing ring.

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.Via the threaded rods of the membrane cage Length tolerances of the fiber bundle better during assembly be balanced. Length tolerances in the housing compensated via the "floating bearing". After installing the Membrane cage in the housing serve the two Threaded rods for absorbing the pressure and tensile forces, so that the fiber bundle is relieved during operation and is thus protected.

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.The membrane cage already protects the fiber bundle when Insert into the housing, because here too, due to the Handling resulting loads from the membrane cage be included. The same applies to disassembly.

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.The linear expansion under the influence of heat can be compensated for with the divided central tube ( Fig. 3c). If the same material is used for the central tube and the threaded rods, the central tube can even be rigid. The linear expansion then takes place via the "floating bearing". The linear expansion of the membrane cage and the central tube in relation to the fiber bundle is compensated for by a correspondingly loose winding of the tube membranes (fibers).

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. The compressive and tensile forces during operation only taken up by the threaded rods. The This makes the fiber bundle including the central tube completely relieved and thus protected.

5.2 Example 2 ( FIGS. 4a and 4b)

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.Here thermal expansion can take place through the axial expansion play 12 of the central tube 7 without loading the pottings 5 . In the case of internal flow, the system overpressure is absorbed by an axial pressure load on the inner casing tube 31 , so that there is no pressure-related reduction in the thermal expansion play. When there is an external flow, the system overpressure is absorbed by an axial tensile load on the inner casing tube 31 , so that the membrane fibers 8 do not expand due to pressure. A load of the membrane fibers 8 by the thermal expansion of the inner jacket tube 31 is prevented by a corresponding "loose" winding of the fibers. 8

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.The variant in FIG. 4a works with a telescopic, length-variable central tube 7 . In the variant according to FIG. 4b, the different thermal expansion of the central tube 7 relative to the inner jacket tube 31 is compensated for by a compensator 32 .

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.The effect of this cartridge corresponds to that in correspond to the assembly device integrated fiber bundle Example 1 after fixing the pottings Counter the threaded rods.

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. To explain the term "fiber bundle", its manufacture is illustrated in FIGS. 10a and 10b. The central tube 7 , around which the tubular membranes 8 are arranged, is inserted through an opening in a casting mold 33 , which is filled with epoxy resin. After curing and removal of the casting mold 33 , the fiber bundle partially shown in FIG. 10b is obtained, which consists of the potting 5 , the tubular membranes 8 and the central tube 7 . After twisting (cutting) the end face of the casting along the dashed line 34 , the finished fiber bundle is obtained, the potting of which has inlet or outlet channels for the hose membranes on the end face. With the other end of the tube membranes 8 one proceeds accordingly, so that the tube membranes 8 are held by two pottings.

Reference list

11

aktive Schicht
active layer

22nd

Stützschicht
Support layer

33rd

Feed
Feed

44th

Permeat
Permeate

55

, ,

55

a, a,

55

b Potting, Kopfplatte
b Potting, headstock

66

Dichtung, O-Ring
Seal, o-ring

77

Zulauf- und Ablaufrohr (Zentralrohr)
Inlet and outlet pipe (central pipe)

88th

Schlauchmembran, Faserbündel
Hose membrane, fiber bundle

99

Retentat
Retentate

1010th

resultierende Kraft bzw. Druck
resulting force or pressure

1111

Gehäuse
casing

1212th

axiales Spiel
axial play

1313

Systemüberdruck
System overpressure

1414

Wärmedehnung
Thermal expansion

1515

Andruckflansch
Pressure flange

1616

Lippendichtung
Lip seal

1717th

äußeres Mantelrohr
outer jacket tube

1818th

Heizmantel
Heating jacket

1919th

Ein- und Auslässen
Inlets and outlets

2020th

Nut
Groove

2121

Schraube
screw

2222

Andruckplatte
Pressure plate

2323

Gewindestange
Threaded rod

2424th

Nut
Groove

2525th

Schraube
screw

2626

Andruckflansch
Pressure flange

2727

Pfeil
arrow

2828

Kontermutter
Lock nut

2929

Flansch
flange

3030th

Nut
Groove

3131

inneres Mantelrohr
inner casing tube

3232

Kompensator
Compensator

3333

Gießform
d_a Mold
d _a

Außendurchmesser
d_i outer diameter
d _i

Innendurchmesser
P_F Inside diameter
P _F

Feeddruck
P_P Feed printing
P _P

Permeatdruck
P_R Permeate pressure
P _R

Retentatdruck
Retentate printing

Claims

1. membrane module for material separation, consisting of a housing and a fiber bundle installed therein, which has one or more, in particular a plurality of, parallel arranged semiper mable hose membranes ( 8 ) which are attached with their ends to head plates ( 5 ) (pottings) are, with the insides of the tubular membranes (8) with corresponding, in at least one of the header plates (5) arranged channels are connected, characterized in that the distance between the pottings (5) is freely variable in the fiber bundle prior to its installation in the housing and in that after the fiber bundle has been installed in the housing, the spacing of the pottings ( 5 ) from one another is fixed.

2. Membrane module according to claim 1, characterized in that an inlet or outlet pipe ( 7 ) is arranged within the fiber bundle, at least one end of the inlet and outlet pipe ( 7 ) being fixedly and axially immovably connected to one of the pottings ( 5 ) , and that before installing the fiber bundle in the housing, the distance of this end to the opposite potting can be changed.

3. Membrane module according to the preceding claim, characterized in that both ends of the inlet and outlet pipe ( 7 ) with the respective potting is firmly and axially immovably connected, that the length of the inlet or outlet pipe ( 7 ) is freely variable.

4. Membrane module according to the preceding claim, characterized in that the inlet and outlet pipe ( 7 ) has at least two telescopically partially telescoping pipe pieces.

5. Membrane module according to claim 3 or 4, characterized in that the inlet and outlet pipe ( 7 ) has at least one compensator acting in the longitudinal direction ( 32 ).

6. Membrane module according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the head plates ( 5 ) to one another is adjustable.

7. Membrane module according to one of claims 1 to 5, characterized in that the head plates ( 5 ) have a fixed, predetermined distance from one another.

8. Membrane module according to the preceding claim, characterized in that the head plates ( 5 ) are fixedly attached to the ends of an inner jacket tube ( 31 ) and the inner jacket tube ( 31 ) is arranged within the outer jacket tube ( 17 ).

9. Membrane module according to the preceding claim, characterized in that the outer surface of the inner casing tube ( 31 ) or the head plates ( 5 ) or a part connected thereto ( 29 ) is sealed against the inner surface of the housing ( 11 ) and the seals are designed as lip seals ( 16 ), in particular as self-sealing lip seals.

10. Membrane module according to one of the preceding claims, characterized in that the tubular membranes ( 8 ) are designed as polymer membranes, in particular as high-temperature resistant membranes.

11. Use of a membrane module according to one of the previously claims for steam permeation processes, Pervaporation.

12. Method using a membrane module one of the preceding claims, wherein one Fiber bundle sets a thermal expansion game, which less than the thermal expansion at Operating temperature is.