DE3650292T2 - Hohlfasermodul für Trennungsverfahren. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Hohlfaser-Trennmodulkomponenten, und genauer gesagt, auf einen Trennmodul, der ein ringförmiges Faserbündel umfaßt und in welchem Fluid parallel zur zentralen Achse der Fasermatrix strömt.
• Die Verwendung von Membranen zum Bewirken der Trennung von Gas/Gas-Flüssigkeit/Flüssigkeit- und Flüssigkeit/Feststoffgemischen und --lösungen hat allgemeine industrielle Anwendbarkeit gefunden durch verschiedene Methoden, unter denen sich die Ultrafiltration, Hyperfiltration, Umkehrosmose und Dialyse befinden. Im allgemeinen befinden sich Membranelemente für diese Prozesse in Gefäßen, die als Module bezeichnet werden, umfassend ein Gehäuse mit verschiedenen Einlaß- und Auslaßöffnungen und einer Baugruppe von Membranen innerhalb dieses Gehäuses. Die inneren Konfigurationen sind so ausgebildet, daß die Einspeisung eines Zufuhrstromes mit oder ohne Druck an der stromaufliegenden Seite der Membranen ermöglicht wird, Mittel für das Sammeln von Permeat, die sich durch die Membran erstrecken und auf der stromabliegenden Seite austreten, und Mittel für das Halten von Einspeisungs- und Permeatmaterialien gegen Durchmischung.
• US-A-4,207,192 offenbart eine Form eines Hohlfaser-Trennmoduls und ein Verfahren für seine Herstellung.
• Wenn Hohlfasermembranen verwendet werden zum Trennen von Komponenten eines Gasgemisches oder von gelösten Stoffen in flüssigen Lösungen, gibt es eine Anzahl von Methoden des Fließenlassens des Gemisches, das zu trennen ist, über die Membranen. Das verwendete Fließverfahren bestimmt die Art und Weise, in der die einzelnen Hohlfasermembraneinheiten innerhalb des Druckgehäuses zu organisieren sind. Ein sehr übliches Verfahren der Faseranordnung umfaßt das Anordnen einer großen Anzahl von parallelen und geraden Fasern in einem generell zylindrischen Querschnitt, der Tausende oder vielleicht Millionen solcher Fasern umfaßt, rings um ein axialparalleles, zentrales Kernrohr. Das Kernrohr kann perforiert oder geschlitzt sein und als eine Einlaßleitung dienen für unter Druck stehendes Zufuhrfluid. Das Fluid wird abgepumpt über die Fasern unter rechten Winkeln zu deren Achsen, und wenn es die äußeren Bereiche der Fasermatrix erreicht, wird das Fluid in einem Ringraum nahe der Innenwandungsoberfläche der Druckschale gesammelt. Dieselbe generelle physikalische Anordnung von Fasern könnte verwendet werden für das Fließenlassen in entgegengesetzter Richtung durch Einspeisen von Zufuhrfluid in den Ringraum an der Innenwandungsoberfläche des Druckgehäuses und radial Einwärtsströmenlassen in Richtung des perforierten Rohres, das sich im Zentrum der Fasermatrix befindet. Als eine andere Variante dieses generellen Ansatzes kann die Faser um das zentrale Kernrohr in reversierenden Schraubenlinien gewickelt werden, und der Einstrom kann eingesetzt werden entweder in das Kernrohr oder in den Perimeter des Bündels, wie oben diskutiert. All diesen Optionen entsprechen unterschiedliche Formen der Kreuzstromzufuhr. Das heißt, die Strömungsrichtung oder das Permeat in den Bohrungen der Fasern ist generell unter einem rechten Winkel zur Richtung der Strömung des Einsatzmaterials über ihre externen Oberflächen.
• Ein bevorzugter Modus der Einlaufrichtungsströmung ist im Mitstrom oder im Gegenstrom, parallel zur Strömung des Permeats in den Hohlfasern. Um eine dieser Moden zu erzielen, muß der Einstrom generell parallel zu anstatt unter einem rechten Winkel zu der zentralen Achse der Fasermatrix fließen. Die Fasern können entweder in geraden Baugruppen organisiert sein, parallel zur zentralen Achse der Matrix oder alternierend schraubenlinienförmig um die zentrale Achse gewickelt werden, wie in dem Kreuzstrombetrieb.
• Ein Beispiel einer Trennvorrichtung vom Hohlfasermembrantyp, bei der die Einstromrichtung parallel zu einem ringförmigen Bündel gerader Fasern ist, ist in Patent Abstracts of Japan, Band 3, Nr. 133 (C-63), 7. November 1979, und JP-A-54 110 183 offenbart. In dieser Vorrichtung, die einen Aufbau gemäß der Präambel von Anspruch 1 aufweist, tritt der Einstrom ein und strömt das Raffinatfluid ab bezüglich des Faserbündels durch eine Mehrzahl von Säulen, welche die im übrigen kontinuierliche impermeable Schicht und den Dorn durchsetzen.
• Die französische Patentanmeldung Nr. 2 542 203 beschreibt einen Dialyseapparat, der ein Bündel von Fasern umfaßt, die in Bahnform gewickelt und innerhalb einer Außenschale montiert sind. Die Bahn erleichtert das Einführen des Faserbündels in die Schale und liegt an der Innenwandung der Schale auf dem größten Teil ihrer Länge an.
• Das Einspeisen einer parallelen Einströmung über die Fasern erzeugt jedoch Möglichkeiten für das unter Druck stehende Einstromgas oder die unter Druck stehende Einstromflüssigkeit, um Umgehungsströmungspfade außerhalb des Bündels zu finden. Solche Umgehungen können beispielsweise zwischen der Innenoberfläche der Schalenwandung und den äußersten Fasern des Bündels vorliegen. Es ist auch möglich bei relativ lose gepackten parallelen Matrizen von Fasern, daß Umgehungskanäle über den Fasern vorliegen. Ein mögliches Mittel zum überwinden des letztgenannten Umgehungsproblems besteht darin, die Fasern in relativ dichte Packungen zu wickeln mittels schraubenlinienförmiger Windungen, alternierender S- & Z-Richtungen um ein zentrales Stützglied, wodurch ein generell ringförmiges Bündel erzeugt wird. Eine solche Bündelanordnung kann dann in eine Druckbehälterschale eingesetzt werden, doch muß ein Mittel gefunden werden, jeglichen Zwischenraum zwischen den äußeren Bereichen des Bündels und der Innenoberfläche der Druckschalenwandung abzusperren, um die oben erwähnte erste Umgehungsroute zu vermeiden. Eine Anzahl von Schemata wurde für diesen Zweck erprobt einschließlich solcher Komponenten wie Lippendichtungen, dicht umschließende Hüllen, Schrumpfhülsen usw.. Diese haben bestimmte Vorteile, ermöglichen jedoch immer noch in häufigen Fällen, daß die Strömung eine Umgehung findet, und sie haben andere inhärente Probleme.
• FR-A-2 267 138 offenbart die Verwendung eines impermeablen Gehäuses, das rings um Hohlfasern in einer Trennvorrichtung angeordnet ist, welches Gehäuse mindestens teilweise aus einem elastischen Material oder einem Material mit elastischem Gedächtnis besteht und bei dem es sich beispielsweise um ein wärmeaufgeschrumpftes Gehäuse handeln kann (siehe auch US-Patent Nr. 4,400,276).
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hohlfaser-Trennmodul mit Axialfluidzufuhrströmung zu schaffen, bei dem das Problem der Strömungsumgehung längs der Grenzfläche zwischen dem Faserbündel und der Druckschale wie auch über relativ lose gepackte Fasern überwunden werden kann.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Hohlfaser-Trennmodul für das Separieren von Fluiden in Permeat- und Raffinatkomponenten, umfassend ein ringförmiges Hohlfaserbündel mit einem ersten und einem zweiten Ende, Vergußmaterial, mit dem das zweite Bündelende eingekapselt ist, eine impermeable Barriere, die die Gesamtheit der zylindrischen Längsoberfläche des Bündels umschließt mit Ausnahme einer Öffnung, die nahe dem Vergußmaterial angeordnet ist, eine Endkappe, die an dem ersten Ende des Bündels mit der Barriere versiegelt ist, eine druckfeste Schale, die das Bündel umschließt und einen Kanal zwischen der Innenoberfläche der Schale und der Außenoberfläche der Barriere begrenzt, eine Öffnung an dem zweiten Bündelende in Fluidkommunikation mit den Bohrungen der Hohlfasern für den Austrag der Permeatkomponente, eine erste Öffnung an dem ersten Bündelende in Fluidkommunikation mit den Außenoberflächen der Hohlfasern nahe dem zweiten Bündel ende über den Kanal, und eine zweite Öffnung an dem ersten Bündelende in Fluidkommunikation mit den Außenoberflächen der Hohlfasern über einen Hohldorn, der sich längs der Längsachse des Bündels erstreckt und die Endkappe durchsetzt, wobei das Bündel aus Fasern besteht, die schraubenlinienförmig um den Dorn gewunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die impermeable Barriere sich dicht an die zylindrische Längsoberfläche des Bündels anschmiegt, und daß die genannte Öffnung sich in Umfangsrichtung um die zylindrische Längsoberfläche des Bündels an dem zweiten Ende des Bündels erstreckt und dieses gegenüber dem Kanal exponiert derart, daß der Zustrom in oder der Raffinatstrom aus der zylindrischen Längsoberfläche an diesem zweiten Ende des Bündels gleichförmig rings um das Bündel ist.
• Das Material der impermeablen Barriere kann eine Wicklung eines undurchlässigen Films sein oder es kann ein undurchlässiges Beschichtungsmaterial sein, das aus einer Lösung aufgebracht wird, die die Membran nicht beschädigt. Die undurchlässige Barriere kann alternativ die Form einer Schrumpfhülse haben, die über dem Bündel installiert wird und auf das Bündel aufgeschrumpft wird.
• In dem Modul ist das ringförmige Hohlfaserbündel auf den Dorn aufgewickelt, der ein hohles Rohr umfaßt, dessen eines Ende sich durch die Endkappe erstreckt, welches eine Ende eine Öffnung darin aufweist für die Kommunikation mit dem Außeren des Moduls, welches hohle Rohr außerdem zumindest eine Öffnung in einer Wandung desselben aufweist, welche Wandung sich innerhalb der Endkappe befindet und die Fluidkommunikation mit dem Faserbündel herstellt.
• Das Einströmzufuhrmittel kann in Fluidkommunikation mit dem Kanal stehen und das Auslaßmittel für die Raffinatkomponente kann in Fluidkommunikation mit dem Faserbündel sein. Alternativ kann das Einlaßzufuhrmittel in Fluidkommunikation mit dem Faserbündel stehen und das Auslaßmittel für die Raffinatkomponente kann in Fluidkommunikation mit dem Kanal sein.
• Der Ausdruck "Zufuhrfluid", wie er hier angewandt wird, bezieht sich auf Flüssigkeitszufuhr oder ein Zufuhrgas.
• Als Beispiel soll ein Trennmodul, aufgebaut gemäß der Erfindung, beschrieben werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die einen Längsschnitt durch den Modul darstellt.
• Die Figur illustriert einen Hohlfaser-Trennmodul 10 für das Trennen von Zufuhrfluid. Ein ringförmiges Hohlfaserbündel 12 wird gebildet durch das Aufwickeln einzelner Fasern in schraubenlinienförmigen Windungen um einen Dorn in Form eines hohlen Stützdornes 14, der vorzugsweise eine hohle Supportstange ist, die eine Auslaßpassage begrenzt und die eine Bündelzugangsöffnung 16 aufweist. Diese Zugangsöffnung kann dazu dienen, einen Anschluß an eine Druckzufuhrquelle vorzunehmen oder als einen Auslaß für Raffinatfluid, das nicht die Wandungen der Hohlfasern durchdringt.
• Das Faserbündel 12 ist eingeschlossen mittels einer impermeablen Barriere 18, bei der es sich um einen Wickel aus einer undurchlässigen Folie handeln kann (beispielsweise Polyvinyliden oder dergleichen) oder es kann sich um ein undurchlässiges Beschichtungsmaterial handeln, aufgebracht aus einer unschädlichen Lösung (beispielsweise Polysiloxan). Alternativ kann die undurchlässige Barriere 18 eine Schrumpfhülse sein, die über dem Bündel angebracht und auf es aufgeschrumpft wird. In jedem Falle haftet das Barrierematerial 18 dicht an der zylindrischen Außenoberfläche des Bündels und an der Endkappe 28. Das Barrierematerial 18 zusammen mit der Endkappe 28 umschließt die Gesamtheit der Oberfläche des Faserbündels 12 mit Ausnahme eines nichtumschlossenen Umfangsoberflächenbereichs 19.
• Nach Anbringen der undurchlässigen Barriere 18 und der Endkappe 28 an dem Bündel wird Vergußmaterial 20 am entgegengesetzten Ende des Faserbündels 12 wie dargestellt aufgebracht. Das Vergußmaterial ist eine harzige Abdichtung für das Abschließen der Faserenden und für die Vermeidung des Durchmischens von Einspeisungs- und Permeatmaterial. Die Faserbohrungsöffnungen werden erzeugt in einer schrägen Ebene des Vergußmaterials, angedeutet bei 21. Permeate treten aus dem System bei 29 aus.
• Das umschlossene und vergossene Faserbündel wird dann von einer druckfesten, zylindrischen Schale 22 eingekapselt. Die Schale 22 ist so konstruiert, daß sie dem internen Fluiddruck standhalten kann, erzeugt durch das Einspeisen von unter Druck stehendem Zufuhrfluid in dem Trennmodul. An einem Ende hat die Schale 22 zwei Öffnungen 15 beziehungsweise 16.
• Die doppelköpfigen Pfeile deuten alternative mögliche Strömungsrichtungen an derart, daß, wenn die Öffnung 16 der Einlaß für unter Druck stehendes Zufuhrfluid ist, 15 der Auslaß für Raffinat ist, und umgekehrt. In der ersteren Situation strömt das Einsatzgas an der stromaufliegenden Seite der Faseroberfläche generell parallel und in derselben Richtung wie das Strömungspermeatgas in den Faserbohrungen, normalerweise in einem Gleichströmungsmodus. In der letzteren Alternative, nämlich dann, wenn der Einstrom bei 15 eingesetzt wird, ist der Strömungspfad durch das Bündel generell parallel, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu der Strömung des Permeats in den Faserbohrungen.
• "0"-Ringe 30 bilden eine undurchlässige Abdichtung zwischen dem Vergußmaterial 20 und der Innenoberfläche der druckfesten Schale. Weitere "0"-Ringe 31, 32 dichten zwischen der Endplatte 24 und dem Rohr 14 ab sowie zwischen der Endplatte 24 und der Innenoberfläche der Druckschale 22.
• Wenn unter Druck stehendes Einsatzfluid in die Zugangsöffnung 15 eingespeist wird, gelangt es in den Plenumbereich 33 und tritt dann in den Kanal 34 zwischen der Innenoberfläche der druckfesten Schale und der undurchlässigen Barriere 18 ein. Diese Verwendung des abgedichteten Kanals 34 als ein notwendiger Bestandteil des Fluideinsatzpfades überwindet das Problem der Trennkomponenten nach dem Stand der Technik, wo Faserumgehungsströmung auftritt zwischen der druckfesten Schale und dem Faserbündel. Das Fluid gelangt aus dem Kanal 34 durch den in Umfangsrichtung dicht umschlossenen Bereich 19 in das Faserbündel 12. An diesem Punkt tritt der unter Druck stehende Einstrom durch das Faserbündel in eine Richtung generell parallel zur Achse des ringförmigen Bündels 12. Permeat tritt durch die Hohlfasermembranwandungen in deren Bohrungen und strömt darin durch das Vergußmaterial 20 zu der Permeatauslaßöffnung 29. Raffinatmaterial gelangt in den hohlen Stützdorn 14 und tritt aus dem Modul 10 durch die Auslaßöffnung 16 aus. Dieser Strömungsweg definiert den Gegenstrommodus. Wie angegeben, führt das Umkehren der Funktionen von Zugangsöffnung 16 und Auslaß 15 zu dem Gleichstrommodus.
• Das Einsatzfluid für den Trennmodul kann eine Einsatzflüssigkeit oder ein Einsatzgas sein und es kann im allgemeinen an einem Ende des Faserbündels 12 zugeführt werden, wobei das unter Druck stehende Fluid entweder von über den Fasern oder eingesetzt werden kann, um über die Fasern zu strömen, wobei das Bündel nur an dem Umfangsbereich 19 unumwickelt oder beschichtet bleibt. Der einzige andere Zugang zu den Fasern als solche des Bündels erfolgt mittels eines Einlaß- oder Auslaßmerkmals 16 der Stützstange oder des Dornes 14, angeordnet am Bündelende, das abliegt bezüglich der unumschlossenen Region 19. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Einstrom nicht die Fasern des Bündels umgeht und gezwungen wird, generell in einer Richtung parallel zur Orientierung der Faserachsen zu strömen und im wesentlichen gleichförmig über die Fasern.

Claims (10)

1. Ein Hohlfaser-Trennmodul (10) für das Separieren von Fluiden in Permeat- und Raffinatkomponenten, umfassend ein ringförmiges Hohlfaserbündel (12) mit einem ersten und einem zweiten Ende, Vergußmaterial (20), mit dem das zweite Bündelende eingekapselt ist, eine impermeable Barriere (18), die die Gesamtheit der zylindrischen Längsoberfläche des Bündels umschließt mit Ausnahme einer Öffnung (19), die nahe dem Vergußmaterial angeordnet ist, eine Endkappe (28), die an dem ersten Ende des Bündels mit der Barriere versiegelt ist, eine druckfeste Schale (22), die das Bündel umschließt und einen Kanal (34) zwischen der Innenoberfläche der Schale und der Außenoberfläche der Barriere begrenzt, eine Öffnung (29) an dem zweiten Bündelende in Fluidkommunikation mit den Bohrungen der Hohlfasern für den Austrag der Permeatkomponente, eine erste Öffnung (15) an dem ersten Bündelende in Fluidkommunikation mit den Außenoberflächen der Hohlfasern nahe dem zweiten Bündelende über den Kanal (34), und eine zweite Öffnung (16) an dem ersten Bündelende in Fluidkommunikation mit den Außenoberflächen der Hohlfasern über einen Hohldorn (14), der sich längs der Längsachse des Bündels erstreckt und die Endkappe durchsetzt, wobei das Bündel (12) aus Fasern besteht, die schraubenlinienförmig um den Dorn (14) gewunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die impermeable Barriere (18) sich dicht an die zylindrische Längsoberfläche des Bündels anschmiegt, und daß die genannte Öffnung (19) sich in Umfangsrichtung um die zylindrische Längsoberfläche des Bündels an dem zweiten Ende des Bündels erstreckt und dieses gegenüber dem Kanal (34) exponiert derart, daß der Zustrom in oder der Raffinatstrom aus der zylindrischen Längsoberfläche an diesem zweiten Ende des Bündels gleichförmig rings um das Bündel ist.

2. Ein Hohlfaser-Trennmodul nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Dichtung (30), die zwischen dem Vergußmaterial (20) und der druckfesten Schale (22) angeordnet ist.

3. Ein Hohlfaser-Trennmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die impermeable Barriere (18) eine Schrumpfhülse ist, die auf das Hohlfaserbündel (12) aufgeschrumpft ist.

4. Ein Hohlfaser-Trennmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die impermeable Barriere (18) eine Umhüllung aus einer undurchdringlichen Folie ist.

5. Ein Hohlfaser-Trennmodul nach Anspruch 4, bei dem die impermeable Barriere (18) aus Polyvinyliden zusammengesetzt ist.

6. Ein Hohlfaser-Trennmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die impermeable Barriere (18) aus Polysiloxan besteht.

7. Ein Hohlfaser-Trennmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der hohle Dorn (14) ein hchles Rohr umfaßt, das sich mit einem Ende durch die Endkappe (28) erstreckt, welches eine Ende eine Öffnung darin aufweist für die Kommunikation mit dem Äußeren des Moduls, welches hohle Rohr ferner mindestens eine Öffnung in einer Wandung desselben aufweist, welche Öffnung innerhalb der Endkappe (28) liegt und Fluidkommunikation mit dem Faserbündel (12) herstellt.

8. Die Anwendung eines Hohlfaser-Trennmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Zustrom an der ersten Öffnung (15) eingelassen wird und die Raffinatkomponente an der zweiten Öffnung (16) ausgetragen wird.

9. Die Anwendung eines Hohlfaser-Trennmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Zustrom an der zweiten Öffnung (16) eingelassen wird und die Raffinatkomponente an der ersten Öffnung (15) ausgetragen wird.

10. Die Anwendung eines Hohlfaser-Trennmoduls nach Anspruch 8 oder 9 für das Trennen der Komponenten in einem Gas/Fluidgemisch.