DE3518871A1

DE3518871A1 - Vorrichtung zum trennen von fluidgemischen

Info

Publication number: DE3518871A1
Application number: DE19853518871
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 7250 Leonberg Chmiel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1986-03-06
Also published as: DE3518871C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen mit einer oder mehreren Membranen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 33 04 956 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist die Membran eine Pervaporationsmembran, d.h. eine Membran, deren Trennfunktion auf unterschiedlichen Löslichkeiten der einzelnen Bestandteile des Fluidgemisches im Membranmaterial beruht. Das Membranmaterial, das beispielsweise ein Polymer ist, ist dabei so gewählt, daß sich der abzutrennende Bestandteil des Fluidgemisches im Membranmaterial besser löst als die restlichen Komponenten des Gemisches.
Läßt man auf der einen Seite der Membran das Fluidgemisch vorbeiströmen und hält man auf der anderen Seite der Membran einen niedrigeren Partialdrucks des abzutrennenden Bestandteils als in dem Fluidgemisch aufrecht, so reichert sich der abzutrennende Bestandteil auf der Seite an, auf der ein niedrigerer Partialdruck aufrechterhalten wird. Das Permeat, d.h. der abzutrennende Bestandteil, verläßt die Membran jedoch im dampfförmigem Zustand, so daß der Umgebung die zur Umwandlung vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand erforderliche Wärme entzogen werden muß. Hierdurch kühlt sich das Fluidgemisch ab; diese Abkühlung des Fluidgemischs verlangsamt die Transportvorgänge durch die Membran; unter Umständen können die Transportvorgänge sogar vollständig zum Erliegen kommen.
Aus diesem Grunde ist in der DE-OS 33 04 956 vorgeschlagen worden, in dem Flüssigkeitsgemisch, das auf der einen Seite der Membran vorbeiströmt, eine Heizung vorzusehen, die eine "optimierbare" gleichmäßige Temperatur innerhalb der Rohmediumkammer einstellt. Unter Rohmediumkammer wird dabei in der DE-OS 33 04 956 der Bereich verstanden, in dem das Fluidgemisch auf der einen Seite der Membran vorbeiströmt.
Diese in der DE-OS 33 04 956 vorgeschlagene Heizung des Fluidgemisches hat nicht nur den Nachteil, daß auch das nicht durch die Membran permeierende Fluid mit aufgeheizt werden muß, die Aufheizung des Fluids kann darüber hinaus beispielsweise dann, wenn das Fluidgemisch temperaturempfindliche Komponenten enthält, zu einer Schädigung dieser Komponenten führen. Dies ist insbesondere in der Biotechnologie der Fall, wenn ein Produkt aus einem Bioreaktor entfernt werden soll, in dem sich neben anderen Bestandteilen des Fluidgemisches auch die dieses Produkt erzeugenden Mikroorganismen befinden. Diese sind häufig sehr temperaturempfindlich und besitzen hinsichtlich der Produkterzeugung ein Temperaturoptimum. Ist man zur Kompensation der von der permeierenden Komponente aufgenommenen Verdampfungswärme gezwungen, das Fluidgemisch über das Temperaturoptimum hinaus aufzuheizen, so kann es zu einer Verringerung, ja sogar zu einer Einstellung der Produktion kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen mit einer Membran gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine Abkühlung der Flüssigkeit durch die von der permeierenden Komponente aufgenommene Verdampfungswärme verhindert wird, ohne daß das Fluidgemisch als Ganzes zu stark aufgeheizt würde.
Eine erfindungsgmäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildung in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine beheizbare Membran vorgesehen. (Dabei wird unter Membran eine Schicht verstanden, die Stütz- und Trennfunktion hat.) Die Membran wird derart beheizt, daß sich nur die Membran und die unmittelbar an ihr anliegende Fluidschicht erwärmt. Die Temperatur des Fluidgemisches erhöht sich aufgrund der lokalen Beheizung der Membran sowie der die Membran umgebenden Fluidschicht praktisch nicht, so daß empfindliche Bestandteile des Fluidgemisches, wie Mikroorganismen etc. nicht geschädigt werden: Zum einen wird nur ein kleiner Teil des Fluids aufgeheizt; vor allem aber kann die der Membran zugeführte Heizleistung so "dosiert" werden, daß lediglich die der Membran und ihrer Umgebung entzogene ~Verdampfungs- bzw. Absorptionswärme wieder zugeführt wird.
Der erfindungsgemäße Grundgedanke, die Membran zu beheizen ist nicht nur bei Vorrichtungen einsetzbar, bei denen als Trennmembran eine Pervaporationsmembran verwendet wird. Er läßt sich vielmehr auch bei Vorrichtungen mit einer Porenmembran (Ultrafiltrationsmembran) als Trennmembran verwenden (Anspruch 2). Durch die Heizung der Membran ergibt sich eine Membrandestillation. Zu den Grundlagen der Membrandestillation wird auf den Artikel von K. Schneider und T.J. van Gassel Membrandestillationin Chemie-Ingenieur Technik, 1984, Seite 514 - 521 verwiesen. Die erfindungsgemäße vorgesehene Heizung der Membran hat jedoch gegenüber den bekannten Vorrichtungen, bei denen das Fluidgemisch als Ganzes aufgeheizt wird die vorstehend genannten Vorteile.
In den Ansprüchen 3 und 4 sind vorteilhafte Ausbildungen der zur Membrandestillation verwendeten Porenmembran gekennzeichnet: Die Porenmembran kann entweder aus einem elektrisch leitenden Material, wie Kohlenstoff oder einem Metall, insbesondere einem Sintermetall bestehen, oder es kann bei einer aus einem Isolator bestehenden Porenmembran eine elektrisch-leitende Schicht aufgebracht werden. In jedem Falle kann dann die Membran entweder mittels direkten Stromdurchgang oder induktiv geheizt werden (Ansprüche 9 bzw. 10).
Der Trennfaktor der erfindungsgemäß vorgesehenen beheizten Porenmembran kann weiter erhöht werden, wenn diese gemäß Anspruch 12 aus einem Material besteht, oder auf der dem Fluidgemisch zugewandten Seite mit einem Material beschichtet ist, das von der abzutrennenden Komponente bevorzugt benetzt wird.
Beispielsweise kann die Porenmembran bei der Trennung von öl und Wasser hydrophil oder hydrophob beschichtet sein, je nachdem ob das Öl oder das Wasser aus dem Wasser/öl-Gemisch entfernt werden soll. Diese Benetzbarkeit der Porenmembran durch die abzutrennende Komponente bzw. die Nichtbenetzbarkeit der Porenmembran durch die zurückzuhaltenden Komponenten verstärkt die selektive Wirkung der Beheizung der Membran, so daß bei hohen Trenngeschwindigkeiten große Trennfaktoren erhalten werden.
Selbstverständlich kann der selektive Teil der Membran - wie bereits ausgeführt - auch eine Pervaporationsmembran, d.h.
eine Löslichkeitsmembran sein. Um technisch und wirtschaftlich relevante Massenströme durch die permselektive Membran hindurch zu erzeugen, muß der selektive Teil der Membran möglichst dünn sein. Er hat deshalb oft keine ausreichende mechanische Festigkeit, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß Druckdifferenzen bis zu einigen 100 bar auftreten können, weshalb der selektive Teil der Membran ein Stützgerüst benötigt. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Anordnung erwiesen, bei der das Stützgerüst auf der Seite des Fluidgemisches angeordnet ist, während der permselektive Teil der Membran zur Unterdruckseite, d.h. zur Filtratseite weist (Anspruch 6). In diesem Falle nämlich können sich auf der Filtratseite keine Oberflächenschichten mit einer hohen Konzentration der abzutrennenden Komponente bilden, was bei einer filtratseitigen Anordnung des Stützgerüstes möglich wäre.
Erfindungsgemäß kann das Stützgerüst selbst zur Beheizung der permselektiven Membran dienen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Stützgerüst als poröse Metallschicht (allerdings ohne eigentliche Filterwirkung) auszubilden.
Eine derartige Metallschicht hat nicht nur den Vorteil besonders hoher Festigkeit, sondern läßt sich auch einfach beheizen.
Verwendet man als Stützgerüst ein Metall vergleichsweise schlechter elektrischer Leitfähigkeit, so eignet sich dieses zur Widerstandsheizung. Eine andere vorteilhafte Ausführung des Erfindungsgedankens besteht in der Anwendung einer induktiven Heizung. Schließlich kann als eine andere vorteilhafte Ausführung auch eine Mikrowellenheizung vorgesehen werden. Eine weitere Ausführungsform sieht einen Zwei-Schichten-Aufbau des Stützgerüstes, d.h. mit der permselektiven Schicht einen Drei-Schichten-Aufbau der gesamten Membran vor. Die beiden Schichten des Stützgerüstes sind z.B. die poröse Metallschicht mit beschränkter Dicke und ein weiteres grobporiges bzw. engmaschiges, gitterartiges Stützgerüst. Dieser Aufbau ist beispielsweise bei nicht ausreichender mechanischer Festigkeit der porösen Metallschicht bezüglich des angelegten Unterdrucks erforderlich.
Die Beheizung kann entweder in der einen oder anderen oder auch beiden Schichten des Stützgerüstes erfolgen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben,in der zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Porenmembran Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Vorrichtung mit einer Pervaporationsmembran, und Fig. 3 eine Variante des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.
Allen in den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß auf der einen Seite einer Membran 1 mit Trenn- und Stützfunktion ein Fluidgemisch 2 an dieser Membran vorbeiströmt, und auf der anderen Seite 3 eine nicht näher dargestellte Einrichtung dafür sorgt, daß ein niedrigerer Partialdruck der abzutrennenden Komponente als auf der Seite des Fluidgemisches aufrechterhalten wird. Die Einrichtung, die den niedrigeren Partialdruck aufrecht erhält, kann beispielsweise eine Saugeinrichtung, eine Kühlfalle oder ein Inertgas-Strom sein. Das Fluidgemisch kann beispielsweise eine wässrige Lösung, ein Öl/Wasser-Gemisch oder ein Produkt/Substrat-Gemisch eines Bioreaktors sein; das Fluidgemisch kann aber auch eine Mischung gasförmiger Komponenten sein.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Membran als selektive Schicht eine Porenmembran 1 aufweist. Die Porenmembran 1 ist auf der Seite, auf der sich das Fluidgemisch 2 befindet, aus dem ein Bestandteil abgetrennt werden soll, mit einem Material 4 beschichtet, das bevorzugt von dem abzutrennden Bestandteil benetzt wird. Soll beispielsweise aus einer wässrigen Lösung ein Bestandteil abgetrennt werden, so kann die Beschichtung 4 der Porenmembran 1 beispielsweise aus einem Polyolifin oder einem Polyfluorkohlenwasserstoff, wie Polytetrafluorethylen oder Polyvinylidenfluorid bestehen. Derartige Materialien werden von Wasser weitgehend nicht benetzt (hierzu wird auf den bereits genannten Artikel Membran Destillation" verwiesen.
Umgekehrt kann die Beschichtung 4 hydrophil sein, wenn beispielsweise einer wässrigen Lösung Wasser entzogen werden soll.
Die Porenmembran selbst besteht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Metall, so daß sie beispielsweise durch direkten Stromdurchgang oder induktiv beheizbar ist.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Membran 1 aus einer selektiven Schicht 5 und einem Stützgerüst 6 besteht. Die selektive Schicht 5 ist eine Pervaporationsmembran, die z.B. aus einem Polymer oder einem Silikonkautschuk besteht. Das Stützgerüst 6 kann beispielsweise ein poröses Metall ohne Trennfunktion sein.
Wie Fig. 3 zeigt, kann zusätzlich zu dem Stützgerüst 6 ein weiteres, beispielsweise aus einem geflochtenen Drahtnetz, einem Metallsieb etc. bestehendes Stützgerüst 7 vorgesehen werden.
Die Beheizung der Pervaporationsmembran 5 erfolgt dabei vorzugsweise über die poröse Metallschicht 6 und/oder das Stützgerüst 7.
In jedem Falle ist es besonders vorteilhaft, wenn sich das Stützgerüst für den eigentlichen selektiven Teil der Membran auf der Fluidseite befindet, da sich dann keine Oberflächenschichten mit einer hohen Konzentration der permeierenden Substanz bilden können.
Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Grundgedankens, die Membran zu beheizen, sind die verschiedensten Modifikationen möglich. Beispielsweise kann die Beheizbarkeit der Membran in der in der DE-OS 29 26 941 angegebenen Weise erzielt werden. Ferner ist es möglich, zusätzlich weitere nicht beheizte oder beheizte Membranen vorzusehen, die weitere Trennfunktionen ausüben: Beispielsweise kann einer beheizten Pervaporationsmembran eine Porenmembran vorgeschaltet weren, die z.B. Mikroorganismen abhält. - Leerseite -

Claims

Neuanmeldung F 29/85 23.4.1985 Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen Patentansprüche frx D Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen mit einer oder mehreren Membranen (1), auf deren einer Seite das Fluidgemisch (2) vorbeiströmt, und auf deren anderer Seite ein niedrigerer Partialdruck des abzutrennenden Bestandteils als in dem Fluidgemisch aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine beheizbare Membran (1) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Porenmembran (1) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenmembran (1) aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenmembran (1) mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Teil (5) der Membran (1) eine Pervaporationsmembran ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennnzeichnet, daß die Pervaporationsmembran (5) ein Stützgerüst (6) auf der Seite des Fluidgemisches (2) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgerüst (6) aus einem porösen Metall besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein netzartiges Stützgerüst (7) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein elektrisch leitender Bestandteil (1,6,7) der Membran durch direkten Stromdurchgang beheizbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein elektrisch leitender Bestandteil (1,6,7) der Membran induktiv beheizbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der trennende Teil (5) der Membran aus organischem Material besteht, und daß zum Heizen der Membran eine Mikrowellenheizung vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenmembran auf der Seite des Fluidgemisches (2) mit einem Material (4) beschichtet ist, das von der abzutrennenden Komponente bevorzugt benetzt wird.