DE4242719C2 - Vorrichtung zum Trennen vorzugsweise temperierter Gemische mittels Pervaporation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen vor­ zugsweise temperierter Gemische - bestehend aus Flüssig­ keiten oder Gasen - mittels Pervaporation, mit zwei eine vorzugsweise flächige Ausnehmung aufweisenden Platten und mindestens einer dazwischen angeordneten, dampf- be­ ziehungsweise gasdurchlässigen Membran, wobei die Plat­ ten beziehungsweise Ausnehmungen jeweils einen Zulauf und einen Ablauf aufweisen und mit den Ausnehmungen auf­ einanderzugerichtet sind, wobei zwischen den Platten eine einen vorzugsweise mittigen Durchgang aufweisende Vakuumplatte vorgesehen ist, deren Durchgang in etwa den flächigen Ausnehmungen der Platten entspricht, wobei zwischen den Platten und der Vakuumplatte jeweils eine mit der aktiven Seite der jeweiligen Platte zugewandte Membran angeordnet ist, so daß zwischen den Platten be­ ziehungsweise Bodenflächen der Ausnehmungen und der je­ weiligen Membran eine Rohgemischkammer und im Durchgang der Vakuumplatte eine Permeatdampfkammer gebildet ist und wobei die Vakuumplatte sich von außerhalb in den Durchgang öffnende Kanäle aufweist, durch die hindurch der Durchgang evakuierbar beziehungsweise absaugbar ist.

Vorrichtungen zum Trennen der in Rede stehenden Art bzw. mit­ tels Membran arbeitende Trennverfahren werden heute in unter­ schiedlichsten Bereichen zur Trennung von Gemischen eingesetzt, bspw. im Bereich der Meer- und Brackwasserentsalzung, der Auf­ bereitung von Prozeßlösungen, bei der Ultrafiltration, etc. Auf anderen Gebieten, bspw. bei der Trennung von Mischungen aus sich nur geringfügig in ihren Siedepunkten unterscheidenden or­ ganischen Flüssigkeiten, z. B. isomeren oder azeotropen Mischun­ gen sowie der Gastrennung, steht das mittels Membran arbeitende Trennverfahren noch in den Anfängen.

Die sog. Pervaporation ist ein besonders erfolgreiches Mem­ brantrennverfahren, nämlich zur Trennung flüssiger oder auch gasförmiger Mischungen. Es unterscheidet sich von anderen Trennverfahren dadurch, daß im Falle der Trennung flüssiger Ge­ mische beim Durchgang durch die Membrane eine Phasenumwandlung vom flüssigen zum gasförmigen Zustand der permeierenden Kompo­ nenten stattfindet. Obwohl das Pervaporationsverfahren bereits seit etwa zehn Jahren in der chemischen Industrie angewendet wird, steht es immer noch am Anfang der Entwicklung.

Wie bereits zuvor erwähnt, wird bei dem Pervaporationsverfahren ein dampfförmiges Permeat gebildet. Wie bei den anderen Mem­ brantrennverfahren wird auch bei der Pervaporation das zu tren­ nende Gemisch mit der "aktiven" Seite einer zur Trennung ge­ eigneten Membran in Kontakt gebracht. Die zur Trennung bzw. zur Permeation erforderlichen Differenzen in den chemischen Poten­ tialen der die Mischung bildenden Komponenten auf beiden Seiten der Membran werden nicht durch Druckerhöhung und somit nicht durch Erhöhung der chemischen Potentiale auf der Mischungs­ seite, sondern vielmehr durch eine Absenkung der chemischen Po­ tentiale auf der Permeatenseite bewirkt. Dies erfolgt im ein­ fachsten Falle dadurch, daß durch Erzeugen eines Vakuums auf der Permeatseite die permeatseitigen Partialdrücke sämtlicher Komponenten unter die entsprechenden Partialdrücke auf der Mi­ schungsseite erniedrigt werden. Durch Absaugen bzw. Abpumpen der dampfförmig durch die Membran hindurchtretenden Komponenten und ihre anschließende Kondensation im Vakuum bzw. innerhalb eines nachgeschalteten Kondensators wird eine andauernd hohe Differenz der Partialdrücke zwischen den beiden Seiten der Mem­ bran aufrechterhalten. Folglich können nur solche Komponenten einer Mischung durch eine Pervaporationsmembran permeieren, die eine hinreichend hohe Flüchtigkeit aufweisen. Ebenso könnte die durch die Membran hindurchtretende Komponente durch eine Gas­ strömung vorzugsweise inerten Gases mitgerissen und dabei ggf. gewaschen werden.

Zur Realisierung der Pervaporationsverfahren bzw. bei Schaffung entsprechender Vorrichtungen werden stets porenfreie oder Kleinstporen mit einer Porengröße von vorzugsweise weniger als 10 Micron aufweisende Membranen verwendet. Unterschiedliche Per­ meationsraten der Komponenten der zu trennenden Mischung durch die Membran hindurch bestimmen die Trennwirkung des Pervaporationsprozesses. Zwischen beiden Seiten der Membran herrscht demnach kein thermodynamisches Gleichgewicht. Die Se­ lektivität und der Grad der erreichbaren Trennung wird aus­ schließlich durch die Transporteigenschaften der Membran be­ stimmt. Folglich lassen sich auch bspw. Gemische wie Azeotrope wirksam trennen, deren Trennung über thermodynamische Dampf­ flüssigkeits-Gleichgewichte nicht möglich ist.

Aus der DE-OS 33 04 956 ist ein Plattenmodul bekannt, welches aus einer Aneinanderreihung von Heizkammern, Rohgemischkammern und Permeatdampfkammern besteht. Die Heizungskammer dient zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur der Permeatdampfkammer und kompensiert durch den Permeationsvorgang auftretende Wärmeverluste. Diese bekannte Vorrichtung erfordert einen er­ heblichen Raum und einen enormen konstruktiven und materialmä­ ßigen Aufwand für die Heizungskammer. Desweiteren ist eine zu­ sätzliche Abdichtung der Rohgemischkammer gegenüber der Hei­ zungskammer erforderlich, was einerseits den Aufwand, anderer­ seits die Fehlerwahrscheinlichkeit, insbesondere im Hinblick auf Undichtigkeit, und somit auch im Hinblick auf die Kosten, erheblich erhöht.

Des weiteren ist aus der EP 0 214 496 A2 ein Plattenmodul be­ kannt, bei dem die Rohgemischkammer des Moduls aus zwei mitein­ ander verschweißten dünnen Metallplatten mit einer Höhe von ca. 1 mm besteht. Jede Platteneinheit weist einen Zulauf- und einen Ablaufkanal sowie eine Membranseite auf. Bei diesem bekannten Modul wird eine relativ hohe Packungsdichte erzielt, die in räumlicher Hinsicht vorteilhaft ist. Bei dem bekannten Modul treten jedoch große Probleme bei der Abdichtung der Rohgemisch­ kammer auf. Außerdem wird die Rohgemischkammer mit vorgeheizten Rohgemischen durchströmt, die ihre Wärme an diese Kammern abge­ ben. Folglich kommt es zu enormen Temperaturverlusten in den Rohgemischkammern, was zu einer Herabsetzung des Durchsatzes führen kann. Aufgrund der relativen hohen Packungsdichte der Membranfläche kann dieser Nachteil zwar kompensiert werden, führt jedoch zu einer Verteuerung des Prozesses. Ein weiterer Nachteil des bekannten Moduls liegt darin, daß das dampfförmige Permeat auf der Rückseite, d. h. der der aktiven Seite abgewand­ ten Seite, in der Permeatdampfkammer bzw. Vakuumkammer zur Kon­ densation neigt, da die Vakuumkanäle bei diesem System unbe­ heizt sind. Eine solche Kondensation auf der Rückseite der Mem­ bran verursacht eine vorzeitige Zerstörung der Membran. Sowohl die Temperaturverluste als auch die Zerstörung der Membran füh­ ren bei diesem System zu erhöhten Kosten bei Anwendung dieses bekannten Moduls.

Weiterhin ist aus der DE-OS 36 01 909 ein weiteres Modul be­ kannt, bei dem die Rohgemischkammern aus aufeinander gestapel­ ten, dickwandigen Metallwärmetauscherplatten bestehen. Die strömungsfähige Rohmischung wird intern durch die Wärmetau­ scherplatten auf Betriebstemperatur verbracht. Die Wär­ metauscherplatten selbst werden elektrisch aufgeheizt. Dadurch ist eine exakte Kontrolle bzw. genaue Einstellung der internen Betriebstemperatur nur schwer möglich, vielmehr treten im Strö­ mungspfad Temperaturgradienten auf. Bei diesem bekannten Modul ist eine zwischenzeitliche - externe - Aufheizung des Rohge­ mischs erforderlich, um die gewünschte Betriebstemperatur stets aufrechtzuerhalten. Des weiteren muß das dampfförmige Permeat auf der Vakuumseite äußerst lange Wege durch den großflächigen Plattenraum zurücklegen, um in den Kondensator zu gelangen. Dies stellt wiederum große Anforderungen an die verwendeten Va­ kuumpumpen. Gleichzeitig muß im nachgeschalteten Kondensator eine hohe Kühlleistung aufgebracht werden, um ein Auskondensie­ ren des Dampfes im Vakuumraum zu verhindern. Des weiteren be­ steht auch hier die Gefahr, daß die Kondensation des Permeat­ dampfes bereits auf den großen Flächen der Membranrückseite er­ folgt, was - wie bereits bei dem zuvor erwähnten Stand der Technik ausgeführt - zu einer frühzeitigen Zerstörung der Mem­ brane bzw. des Membranpolymerträgermaterials führt. Da sich die Kosten einer Ersatzmembrane auf etwa DM 250,00 bis DM 300,00 je Quadratmeter ahne Berücksichtigung des Installationskosten be­ laufen, ist dies ein erheblicher Kostenfaktor beim Betreiben der bekannten Vorrichtung. Schließlich treten beim Stapeln der mit den Maßen 150 × 50 × 2 cm äußerst großen Metallwärmetau­ scherplatten und beim Anbringen der großflächigen Membrane Handhabungsschwierigkeiten auf, die einerseits die anfängliche Montage, andererseits die Wartung erschweren und somit auch verteuern.

Aus der DE-OS 24 33 456 ist eine Membrantragplatte sowie eine mittels selektiver Permeabilität arbeitende Fluid­ trenneinrichtung, die derartige Tragplatten enthält, be­ kannt, welche auf jeder Seitenfläche eine Schale hat, wo­ bei jede Schale eine Entleerungseinrichtung für Permeat aufweist und vorzugsweise einen porösen Träger aufnimmt. Auf dem Träger ruht eine Membran. Die Dicke des Trägers und der Membran sind so beschaffen, daß jede Membran im wesentlichen in der gleichen Ebene liegt wie jede äußere Seitenfläche der Tragplatte. Die Membranplatte weist eine längsgestreckte Öffnung an den Enden und außerhalb der Schale für den Durchtritt von zu behandelndem Fluid auf. Die Öffnung durchquert die Tragplatte über ihre ganze Dicke. Die Tragplatte besteht im wesentlichen aus dicht miteinander vereinigten Elementen, wobei jedes ebene Ele­ ment im wesentlichen symmetrisch gegenüber einer entlang seiner Dickenabmessung verlaufenden Mittelebene ist.

Des weiteren ist aus der DE-OS 23 03 860 eine Membrantrenn­ vorrichtung bekannt, die insbesondere bei der Ultrafiltra­ tion und bei der Gasdurchdringung verwendet werden kann. Die bekannte Membrantrennvorrichtung, in der das zu behan­ delnde Fluid insbesondere zur Ultrafiltration oder zur Gas­ durchdringung in Kontakt mit den Membranen zirkuliert, um­ faßt zwischen zwei Endplatten einen Stapel aus abwechseln­ den Rahmendichtungen, die die Dicke der Fluidschicht bei der Zirkulation sicherstellen, und Membranstützplatten, von denen jede aus zwei Grundplatten mit nahezu rechtecki­ ger Form besteht, die in der Nähe wenigstens eines Endes wenigstens eine Öffnung für den Durchgang des zu behandeln­ den Fluids aufweisen. Die zwei Grundplatten sind mit ihren gegenüberstehenden inneren Hauptaußenflächen dicht angeord­ net und begrenzen zwischen sich einen Raum, der einerseits durch wenigstens eine Leitung mit dem Rand der Stützplatte und andererseits durch Bohrungen mit der gegenüberliegen­ den äußeren Hauptfläche jeder Grundplatte verbunden ist. Die äußere, verbleibende Außenfläche jeder Grundplatte weist ein flaches Becken auf, in dem eine Membranstütze und die Membran angeordnet sind, wobei die Öffnung für den Durchlaß des zu behandelnden Fluids nahezu die Breite des Beckens aufweist und der Raum zwischen den Grundplatten wenigstens einen Stützpfeiler für die angrenzenden zwei Grundplatten aufweist.

Weiterhin ist aus der DE-AS 20 50 917 eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Verminderung des Säurege­ halts von wäßrigen Flüssigkeiten, bei der die umgekehrte Osmose angewendet wird, bekannt, in welcher Einheiten oder Stapel von Einheiten einer semipermeablen Membran mit einer Stützvorrichtung verwendet werden. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Plattenaggregat verwen­ det wird, welches besteht aus einer Verteilerplatte mit Zu­ lauf, Kanälen und Überlauf sowie der semipermeablen Mem­ bran mit zwei porösen Stützscheiben, zwischen denen ein Drainagegewebe angeordnet ist, dessen Kanäle in einen Aus­ flußkanal für das Filtrat münden.

Die bei den bekannten Vorrichtungen zur Pervaporationstrennung auftretenden Probleme bzw. Nachteile lassen den Einsatz solcher bekannter Vorrichtungen als unwirtschaftlich erscheinen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zum Trennen vorzugsweise temperierter Gemische mittels Pervaporation zu schaffen, die im Vergleich zum Stand der Tech­ nik einen erhöhten Wirkungsgrad bei einfachster Konstruktion und somit verringerten Herstellkosten aufweist. Des weiteren soll die erfindungsgemäße Vorrichtung äußerst betriebssicher arbeiten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gekennzeichnet.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei eine vor­ zugsweise flächige Ausnehmung aufweisende Platten auf und mindestens eine dazwischen angeordnete, dampfdurch­ lässige Membran, wobei die Platten beziehungsweise Aus­ nehmungen jeweils einen Zulauf und einen Ablaufaufwei­ sen und mit den Ausnehmungen aufeinanderzugerichtet sind. Zwischen den Platten ist eine einen vorzugsweise mittigen Durchgang aufweisende Vakuumplatte vorgesehen, deren Durchgang in etwa den flächigen Ausnehmungen der Platten entspricht. Zwischen den Platten und der Vakuum­ platte ist jeweils eine mit der aktiven Seite der jewei­ ligen Platte zugewandte Membran angeordnet, so daß zwischen den Platten beziehungsweise Bodenflächen der Ausnehmungen und der jeweiligen Membran eine Rohgemisch­ kammer und im Durchgang der Vakuumplatte eine Permeat­ dampfkammer gebildet ist.

Hohe Pervaporationsraten, das heißt das Absaugen großer Mengen permeierten Dampfes, kann nur dann erreicht wer­ den, wenn die Per­ meatdampfkammer entsprechend dimensioniert ist, d. h., wenn ge­ nügend großer Raum zur Aufnahme des permeierten Dampfes zur Verfügung steht. Diese vergrößerte Permeatdampfkammer wird durch die Vakuumplatte erreicht, die einen vorzugsweise mitti­ gen Durchgang bzw. eine entsprechende Ausnehmung aufweist, die sich wiederum an die Ausnehmung der Platten anschließt, diese somit als quasi Zwischenlage oder Adapter vergrößert. Des wei­ teren werden die beidseitig an der Vakuumplatte anliegenden Platten in vorteilhafter Weise zur Bildung einer doppelten Roh­ gemischkammer verwendet, nämlich zur Bildung einer beidseits der Vakuumplatte anliegenden Rohgemischkammer, die jeweils durch eine Membrane von der Permeatdampfkammer getrennt ist. Dabei ist wesentlich, daß die Membrane mit ihrer aktiven Seite stets den Platten bzw. der jeweiligen Rohgemischkammer zuge­ wandt ist. Der in die Permeatdampfkammer durch die Membrane ge­ langte Permeatdampf wird von dort aus mittels einer Vakuumpumpe abgesaugt und kann außerhalb der Vorrichtung kondensieren. So­ mit ist eine wirksame Trennung des Gemischs möglich.

Im Hinblick auf eine besonders einfache technische Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es von besonderem Vor­ teil, wenn sowohl die Ausnehmungen der Platten als auch der Durchgang in der Vakuumplatte kreisförmig ausgebildet sind. Das Vermeiden von Ecken und Kanten innerhalb der Kammern verhindert des weiteren das "Hängenbleiben" von Flüssigkeiten durch Kapil­ larwirkung.

Im Hinblick auf ein wirksames Abdichten zwischen den Platten ist es von weiterem Vorteil, wenn die Platten, und ggf. die Va­ kuumplatte beidseitig, eine um die Ausnehmung bzw. den Durch­ gang umlaufende Nut zum Einlegen einer Ringdichtung aufweisen. Diese Ringdichtung sollte je nach zu trennendem Gemisch che­ misch beständig sein. Durch Zusammenpressen der Platten würde die Ringdichtung gequetscht werden und könnte in idealer Weise für eine Abdichtung zwischen den aneinanderliegenden Flächen sorgen. Die Vorkehrung von Dichtungen an der Vakuumplatte könnte dann erforderlich sein, wenn zwischen der Vakuumplatte und den die Rohgemischkammer bildenden Platten weitere Elemente angeordnet sind. Zur abermaligen Erhöhung der Resistenz der Ringdichtung könnte diese metallisiert sein.

Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache Ausgestaltung von Zu­ lauf und Ablauf der Platten, insbesondere auch im Hinblick auf kürzeste Wege zur Vermeidung erheblicher Wärmeverluste, könnten Zulauf und Ablauf in Form eines jeweils von außerhalb in die Platten bzw. Ausnehmungen der Platten hineinführenden Kanals ausgebildet sein, der jeweils in den Randbereich der Ausnehmung mündet. Von dort aus könnte sich das Rohgemisch - ausgehend vom Zulauf - über den gesamten Bereich der Rohgemischkammer hinweg verteilen und diese bis hin zur Membrane auffüllen. Damit nun auch tatsächlich die gesamte Rohgemischkammer zum anschließen­ den Permeieren durch die Membrane hindurch genutzt wird, soll­ ten sich Zulauf und Ablauf in der Ausnehmung in etwa diametral gegenüberliegen, so daß das Gemisch erst wieder in den Ablauf gelangen kann, wenn die gesamte Rohgemischkammer aufgefüllt ist.

Zur Vermeidung von Luftblasen bzw. Lufteinschlüssen innerhalb der Rohgemischkammer, die stets zur Verringerung des Wirkungs­ grades der Vorrichtung führen, sind in ganz besonders vor­ teilhafter Weise zwischen dem Zulauf und dem Ablauf auf der Bo­ denfläche der Platte Nuten, Rillen, Furchen oder dgl. vor­ gesehen, die für das Gemisch eine Art Strömungspfad bilden. Dieser Strömungspfad führt das Gemisch auf definiertem Wege vom Zulauf zum Ablauf, so daß sich das Gemisch von diesem Strö­ mungspfad ausgehend aufgrund des durch den Ablauf vorgegebenen Strömungswiderstandes in der gesamten Rohgemischkammer ausbrei­ ten kann.

Damit die Membrane auch erheblichen Druckunterschieden zwischen Rohgemischkammer und Permeatdampfkammer standhält, ist in ganz besonders vorteilhafter Weise zwischen der Membrane und der Va­ kuumplatte eine die Membrane stützende Lochplatte vorgesehen. Diese Lochplatte weist Durchgänge mit einem Durchmesser von vorzugsweise 0,1 mm bis 0,5 mm auf. Ein weiterer Schutz der Membrane und eine Begünstigung der Pervaporation wird dadurch hervorgerufen, daß vorzugsweise beidseitig an der Lochplatte anliegend jeweils ein dampfdurchlässiges Vlies vorgesehen ist. Dieses Vlies schützt einerseits die Membrane gegenüber der Lochplatte und verhindert andererseits auf der Rückseite der Lochplatte ein verfrühtes Kondensieren des Permeatdampfes. Die Lochplatte selbst könnte aus Edelstahl, bspw. in Form eines Edelstahlbleches hergestellt sein.

Im Hinblick auf ein besonders wirksames Absaugen bzw. Evaku­ ieren der Vakuumplatte weist die Vakuumplatte sich von au­ ßerhalb in den Durchgang erstreckende Kanäle auf, durch die hindurch der Durchgang evakuierbar bzw. absaugbar ist. Diese Kanäle können sich allseitig und vorzugsweise parallel zu den Oberflächen der Vakuumplatte in den Durchgang hinein er­ strecken. Entsprechend wäre dann der Durchgang bzw. die Per­ meatdampfkammer über diese Kanäle mit der bereits zuvor erwähn­ ten Vakuumeinrichtung strömungsverbunden. Die Vorkehrung der Kanäle von allen Seiten der Vakuumplatte her hätte den enormen Vorteil, daß pro Zeiteinheit eine enorme Menge des Permeat­ dampfes abgesaugt werden könnte, so daß ein den Wirkungsgrad verringerndes und die Membrane möglicherweise beschädigendes Kondensieren innerhalb der Vakuumkammer so gut wie ausgeschlos­ sen ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich durch mindestens zwei der Kanäle und somit durch den Durchgang der Vakuumplatte bzw. die Permeatdampfkammer hindurch ein Heiz­ element erstreckt. Dieses Heizelement kann die im Hinblick auf die Kondensation kritische Permeatdampfkammer erwärmen, so daß hierdurch abermals ein Kondensieren des Permeatdampfes an den Wandungen der Permeatdampfkammer verhindert ist. Folglich ist durch diese Maßnahme ganz besonders gewährleistet, daß der in die Permeatdampfkammer gelangte Permeatdampf auch tatsäch­ lich durch die Vakuumeinrichtung - durch die Kanäle hindurch - abgezogen bzw. abgesaugt werden kann.

Ebenso ist es denkbar, daß sich das Heizelement durch mehrere Kanäle mehrfach durch den Durchgang bzw. die Permeatdampfkammer hindurch erstreckt. Mit anderen Worten könnte das Heizelement mehrfach in die Permeatdampfkammer hinein und auch wieder her­ ausgeführt werden, so daß es sich letztendlich schleifenartig durch diese hindurch erstreckt. Dabei muß selbstverständlich gewährleistet sein, daß das Heizelement gegenüber den Kanälen abgedichtet ist, damit die übrigen Kanäle wirksam zum Absaugen bzw. Evakuieren verwendet werden können. Eine Abdichtung wäre lediglich dann nicht erforderlich, wenn die gesamte Vorrichtung in einem Vakuumbehältnis angeordnet wäre.

Grundsätzlich könnte das Heizelement als elektrisch betriebenes Heizrohr oder gar im Sinne einer Heizspirale ausgeführt sein. Im Hinblick auf eine Optimierung des Wirkungsgrades der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ist es jedoch von ganz besonderem Vor­ teil, wenn das Heizelement als Wärmetauscher ausgeführt ist. Dazu könnte es im Sinne einer Röhre ausgebildet sein, die ein erwärmtes Fluidum führt. Zur Vergrößerung der wirksamen Ober­ fläche könnte diese Röhre innerhalb der Permeatdampfkammer ge­ rillt oder mit Rippen versehen sein. Im Hinblick auf die Tempe­ ratur des im Wärmetauscher strömenden Fluidums ist wesentlich, daß dieses das zu trennende Rohgemisch in etwa auf dessen Be­ triebstemperatur hält. Als Betriebstemperatur kommen je nach zu trennendem Gemisch Temperaturen zwischen 100 und 110° in Frage.

In weiterer vorteilhafter Weise könnte der Wärmetauscher einlaß­ seitig mit dem Ablauf der darunter oder darüber angeordneten Platte und auslaßseitig mit dem Zulauf der darüber oder darun­ ter angeordneten Platte strömungsverbunden sein. Folglich wäre im Rahmen einer solchen Ausgestaltung der Wärmetauscher in den Strömungspfad des Rohgemischs eingebunden, würde einen Teil des Strömungspfads des Rohgemischs darstellen. Somit könnte das aus einem Vorratsbehälter strömende Rohgemisch auch gleichzeitig zur Temperierung der Permeatdampfkammer bzw. der gesamten Vor­ richtung verwendet werden. Gerade bei der Verwendung des zu trennenden Rohgemischs zum Erwärmen der Permeatdampfkammer bzw. der Platten ist es von weiterem Vorteil, wenn zur Kompensation von Wärmeverlusten der Wärmetauscher aus der Vakuumplatte her­ aus durch eine Heizeinrichtung hindurch entweder wieder in die Vakuumplatte hinein oder in den Zulauf der darüber oder darun­ ter angeordneten Platte führt. Folglich würde das im Wärmetau­ scher strömende Fluidum nach Zurücklegung gewisser Strecken in­ nerhalb des Wärmetauschers quasi extern wieder aufgewärmt wer­ den. Im Hinblick auf eine abermalige Optimierung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung bezüglich dessen Wirkungsgrad könnte der das temperierte Rohgemisch enthaltende Vorratsbehälter als Heizeinrichtung dienen, wobei der Wärmetauscher durch diesen Vorratsbehälter hindurchgeleitet werden könnte.

Im Hinblick auf eine Temperierung nicht nur der Vakuumplatte bzw. der Permeatdampfkammer, sondern auch der die Rohgemisch­ kammern bildenden Platten, d. h. der gesamten Vorrichtung, könnte der Wärmetauscher auch die die Rohgemischkammern bilden­ den Platten penetrieren und somit wirksam vermeiden, daß das darin befindliche Rohgemisch kritische Wärmeverluste erleidet. Somit könnte im Falle der Verwendung des Rohgemischs selbst als Fluidum innerhalb des Wärmetauschers die gesamte Vorrichtung ohne Vorkehrung einer externen Heizung und unter Minimierung der vom Fluidum zurückzulegenden Wegstrecken durch das Rohge­ misch selbst auf Betriebstemperatur gehalten werden. Besondere Heizeinrichtungen zur Temperierung der Vorrichtung sind jeden­ falls insoweit nicht erforderlich.

Gerade im Hinblick auf den zuvor bereits mehrfach erwähnten Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollte diese ggf. auch mehrstufig ausführbar sein. Dabei könnte eine der Platten beidseitig eine Ausnehmung und einen darin mündenden Zulauf und Ablauf aufweisen. Beidseits dieser Platte könnte sich dann im Sinne einer zweistufigen Ausgestaltung eine Mem­ bran und ggf. eine Lochplatte mit beidseitig anliegendem Vlies, eine Vakuumplatte, wiederum eine Lochplatte mit beidseitig an­ liegendem Vlies sowie eine danach angeordnete weitere Platte anschließen. Die Zuläufe nachgeschalteter Rohgemischkammern wä­ ren dann mit den Abläufen der vorgeschalteten Rohgemischkammern oder den vorgeschalteten Wärmetauschern strömungsverbunden. Mit anderen Worten lassen sich die bereits zuvor erwähnten, aus ei­ ner ersten Platte, einer Membrane, einer sich anschließenden Lochplatte mit beidseitig anliegendem Vlies, einer Vakuum­ platte, wiederum einer Lochplatte mit beidseitig anliegendem Vlies, einer weiteren Membrane sowie einer sich daran anschlie­ ßenden weiteren Platte mit einer Rohgemischkammer bestehenden Module in quasi beliebiger Anzahl zu einem mehrere Trennstufen aufweisenden Plattenturm zusammenschalten.

Im Hinblick auf eine besonders wirksame Dichtung zwischen den Elementen der Module bzw. des Plattenturmes, d. h. der aufeinan­ dergestaffelten Platten, ist es erforderlich, die Module bzw. Elemente dicht aneinanderzupressen, so daß auch die dazwischen vorzugsweise in Ringnuten einliegenden Dichtungen auch tatsäch­ lich wirksam sind. Dazu könnten die jeweils äußeren Platten durch eine Art Spannrahmen erfaßt und gegeneinander zusammen­ gedrückt werden. Da jedoch die Platten wie auch die Vakuum­ platte aus Kunststoff gefertigt sein können, würde sich die ge­ samte Anordnung bei punktueller Kraftbeaufschlagung der äußeren Platten möglicherweise verspannen und dabei verbiegen bzw. tor­ dieren. Folglich ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn die Platten durch einen endseitige Rahmenplatten und die Rahmen­ platten miteinander verbindende Rahmenteile aufweisenden Rahmen lösbar und dabei kraftschlüssig abdichtend zusammengehalten werden. Die die Rahmenplatten verbindenden Rahmenteile könnten als sich durch Bohrungen in den Randbereichen der Platten hin­ durch erstreckende Stangen ausgebildet sein, wobei zur Durch­ führung der Stangen es auch erforderlich ist, sämtliche dazwi­ schen angeordneten Funktionselemente mit entsprechenden Durch­ gängen zu versehen. Dies ist wiederum konstruktiv aufwendig. Folglich ist es im Hinblick auf eine besonders einfache kon­ struktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Vorteil, wenn die Rahmenteile als sich an den Randbereichen, vorzugsweise an diesen anliegend, entlang erstreckende Stangen, Stäbe oder dgl. ausgeführt sind. Mit anderen Worten würden diese Rahmenteile außerhalb der Platten verlaufen, so daß die Bauteile der Vorrichtung im Hinblick auf die Rahmenteile über­ haupt nicht vorzubereiten bzw. zu bearbeiten sind.

Zum tatsächlich wirksamen Zusammenhalten der gesamten Vorrich­ tung empfiehlt es sich, daß mindestens zwei, vorzugsweise vier, jeweils paarweise diametral gegenüberliegend angeordnete Rah­ menteile vorgesehen sind, so daß auf die Platten ein allseitig gleicher Anpreßdruck ausgeübt werden kann, was die Dichtwirkung abermals begünstigt. Die Rahmenteile könnten ungeachtet ihrer Positionierung an den freien Enden Gewinde aufweisen, so daß die Rahmenplatte mittels aufgeschraubter Muttern, möglicher­ weise nach Anbringen eines Spannbügels oder dgl., zusammenge­ halten werden.

Wie bereits zuvor erwähnt, könnten die Platten, die Vakuumplat­ ten und ggf. auch die Rahmenplatten aus Kunststoff hergestellt sein. Im Hinblick auf eine besonders stabile Ausgestaltung, insbesondere beim Verspannen der gesamten Vorrichtung, sollte jedoch zumindest die Rahmenplatte aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt sein. Je nach zu trennendem Gemisch könnte es jedoch auch erforderlich sein, die Platten bzw. Vaku­ umplatte aus Edelstahl zu fertigen.

Das Volumen des mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu tren­ nenden Rohgemischs bzw. der Durchsatz insgesamt könnte abermals erhöht werden, indem mindestens zwei der zuvor beschriebenen Filtertürme parallel oder in Reihe zueinander geschaltet wer­ den, wobei es nicht erforderlich ist, die Filtertürme extrem hoch zu stapeln. Mehrere Aggregate bzw. Filtertürme nebeneinan­ der könnten bei kürzesten Strömungspfaden des Rohgemischs und unter Zugrundelegung der zuvor beschriebenen kontinuierlichen Erwärmung bzw. Warmhaltung des Rohgemischs ein beachtliches Trennergebnis liefern.

Ebenfalls wäre es ohne weiteres denkbar, die gesamte Vorrich­ tung in einem Vakuumgefäß anzuordnen, so daß Dichtigkeitspro­ bleme an den Platten bzw. im Bereich der Vakuumplatte keine be­ sondere Rolle mehr spielen. Aus dem Bereich der Vakuumplatte heraus bzw. durch die dort ausgebildeten Kanäle würde dann das pervaporierte Gas wirksam abgesaugt werden, wobei auch hier ein zu frühes Kondensieren an den Wandungen des Vakuumgefäßes ver­ mieden werden sollte.

Schließlich könnte das aus dem Rohgemisch getrennte und abge­ saugte Permeatgas in einem nachgeschalteten Kondensator gekühlt und dabei an definierter Stelle verflüssigt werden. Ein ent­ sprechendes Reservoir zum Auffangen der getrennten Substanz sollte hier ebenfalls vorgesehen sein.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorlie­ genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei­ terzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Er­ läuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer Draufsicht, schematisch, eine die Rohge­ mischkammer aufweisende Platte eines Ausführungsbei­ spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Tren­ nen vorzugsweise temperierter Gemische mittels Perva­ poration,

Fig. 2 den Gegenstand aus Fig. 1 in einer Seitenansicht mit durch strichpunktierte Linien angedeuteten Kammern und Kanälen,

Fig. 3 in einer Draufsicht, schematisch, eine Vakuumplatte der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 den Gegenstand aus Fig. 3 in einem Querschnitt,

Fig. 5 in einer Draufsicht, schematisch, eine Platte der er­ findungsgemäßen Vorrichtung mit beidseitigen Ausneh­ mungen bzw. Rohgemischkammern,

Fig. 6 den Gegenstand aus Fig. 5 in einer Seitenansicht, wo­ bei die Ausnehmungen und Kanäle strichpunktiert dar­ gestellt sind,

Fig. 7 in einer Draufsicht eine Lochplatte der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung und

Fig. 8 in einer schematischen Sprengdarstellung ein Ausfüh­ rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Sinne eines Plattenturmes.

Die Fig. 1 bis 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zum Trennen vorzugsweise temperierter Gemische mittels Pervaporation. In der einfachsten Ausführung weist die Vorrichtung nur zwei eine flächige Ausnehmung 1 aufwei­ sende Platten 2 auf.

Zwischen diesen Platten 2 ist mindestens eine dampfdurchlässige Membran 3 angeordnet, wobei die Platten 2 bzw. Ausnehmungen 1 jeweils einen Zulauf 4 und einen Ablauf 5 aufweisen und mit den Ausnehmungen 1 aufeinanderzugerichtet sind.

In erfindungsgemäßer Weise ist zwischen den Platten 2 eine einen mittigen Durchgang 6 aufweisende Vakuumplatte 7 vorgese­ hen, deren Durchgang 6 in etwa den flächigen Ausnehmungen der Platten 2 entspricht. Zwischen den Platten 2 und der Vakuum­ platte 7 ist eine mit der aktiven Seite der jeweiligen Platte 2 zugewandte Membran 3 angeordnet, so daß zwischen den Platten 2 bzw. Bodenflächen 8 der Ausnehmungen 1 und der jeweiligen Mem­ bran 3 eine Rohgemischkammer 9 und im Durchgang 6 der Vakuum­ platte 7 eine Permeatdampfkammer 10 gebildet ist.

Die Fig. 1 und 3 zeigen besonders deutlich, daß sowohl die Ausnehmung 1 als auch der Durchgang 6 kreisförmig ausgebil­ det sind und gemäß der Darstellung in Fig. 8 - im zusammenge­ bauten Zustand - miteinander fluchten.

Den Fig. 1 bis 6 sowie der Fig. 8 läßt sich des weiteren entnehmen, daß die Platten 2 und auch die Vakuumplatte 7 - beidseitig - eine um die Ausnehmung 1 bzw. den Durchgang 6 um­ laufende Nut 11 zum Einlegen einer in den Figuren nicht gezeig­ ten Ringdichtung aufweisen. Diese Ringdichtung sollte chemisch beständig und dabei metallisiert sein.

Den Fig. 1 und 2 sowie 5 und 6 läßt sich entnehmen, daß der Zulauf 4 und der Ablauf 5 in der Ausnehmung 1 einander diame­ tral gegenüberliegen. Zwischen dem Zulauf 4 und dem Ablauf 5 sind Rillen 12 ausgebildet, die auf der Bodenfläche 8 der Aus­ nehmung 1 bzw. Platte 2 einen Strömungspfad für das Gemisch bilden. Ebenso könnte der Zulauf auch in der Mitte der Ausneh­ mung münden. Entsprechend könnten sich Rillen, Nuten oder dgl. evolventenkurvenähnlich von dem Zulauf aus zu dem am Randbe­ reich ausgebildeten Ablauf hin erstrecken, so daß die zu tren­ nende Flüssigkeit die Rohgemischkammer von der Mitte aus zum Rande hin allmählich füllt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 8 ist zwischen der Membran 3 und der Vakuumplatte 7 eine Lochplatte 13 mit vorzugsweise beidsei­ tig an der Lochplatte 13 anliegendem, dampfdurchlässigem Vlies 14 angeordnet. Diese Lochplatte 13 ist in Fig. 7 isoliert dar­ gestellt. Die Lochplatte 13 ist aus Edelstahl hergestellt und weist Durchgänge 15 mit einem Durchmesser zwischen 0,1 mm und 0,5 mm auf.

Die geschnittene Darstellung in Fig. 4 zeigt besonders deut­ lich, daß die Vakuumplatte 7 sich von außerhalb in den Durchgang 6 erstreckende Kanäle 16 aufweist, durch die hindurch der Durchgang 6 evakuierbar bzw. absaugbar ist. Durch die in Fig. 4 gewählte Darstellung wird deutlich, daß sich die Kanäle 16 allseitig und vorzugsweise parallel zu den Oberflächen der Va­ kuumplatte 7 in den Durchgang 6 hineinerstrecken. Wesentlich ist dabei, daß der Durchgang 6 bzw. die Permeatdampfkammer 10 über die Kanäle 16 mit einer in den Figuren nicht gezeigten Va­ kuumeinrichtung strömungsverbunden sind.

Weiterhin ist bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel we­ sentlich, daß sich durch mindestens zwei der Kanäle 16 und so­ mit durch den Durchgang 6 bzw. die Permeatdampfkammer 10 hin­ durch ein in Fig. 8 lediglich angedeutetes Heizelement 17 er­ streckt. Dieses Heizelement 17 könnte durch mehrere Kanäle 16 hindurch sich mehrfach durch den Durchgang 6 bzw. die Permeat­ dampfkammer 10 hindurch erstrecken. Bei dem hier gewählten Aus­ führungsbeispiel ist das Heizelement 17 als Wärmetauscher aus­ geführt bzw. im Sinne einer Röhre ausgebildet und führt ein er­ wärmtes Fluidum. Dabei handelt es sich um das zu trennende Roh­ gemisch in etwa auf dessen Betriebstemperatur.

In Fig. 8 ist des weiteren angedeutet, daß der Wärmetauscher bzw. das Heizelement 17 ein1aßseifig mit dem Ablauf 5 der dar­ unter angeordneten Platte 2 und auslaßseitig mit dem Zulauf 4 der darüber angeordneten Platte 2 strömungsverbunden ist. Ebenso ist in Fig. 8 angedeutet, daß der Wärmetauscher 17 aus der Vakuumplatte 7 heraus durch eine Heizeinrichtung 18 hin­ durch in den Zulauf 4 der darüber angeordneten Platte 2 führt. Dabei ist wesentlich, daß der das temerierte Rohgemisch enthal­ tende Vorratsbehälter 19 als Heizeinrichtung 18 dient, wobei der Wärmetauscher 17 durch den Vorratsbehälter 19 hindurch­ führt.

An dieser Stelle sei lediglich kurz angesprochen, daß auch die Platten 2 durch einen Wärmetauscher penetriert werden können, so daß die Platten selbst bzw. die darin ausgebildeten Rohge­ mischkammern 9 auf Betriebstemperatur gehalten werden.

Fig. 8 läßt des weiteren erkennen, daß eine der Platten, näm­ lich die mit Bezugszeichen 20 versehene Platte, beidseitig eine Ausnehmung 1 und einen jeweils darin mündenden Zulauf 4 und Ab­ lauf 5 aufweist. Beidseits dieser Platte 20 schließt sich im Sinne einer zweistufigen Ausgestaltung eine Membran 3, eine Lochplatte 13 mit beidseitig anliegendem Vlies 14, eine Vakuum­ platte 7, wiederum eine Lochplatte 13 mit beidseitig anliegen­ dem Vlies 14 sowie eine danach angeordnete Platte 2 an. Die Zu­ läufe 4 nachgeschalteter Rohgemischkammern 9 sind mit den Ab­ läufen 5 der vorgeschalteten Rohgemischkammern 9 oder den vor­ geschalteten Wärmetauschern 17 strömungsverbunden. Gemäß der Darstellung in Fig. 8 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere Trennstufen 21 auf, die zu einem Plattenturm zusammen­ geschaltet sind.

In Fig. 8 ist des weiteren angedeutet, daß die Platten 2, 7, 20 durch einen endseitige Rahmenplatten 22 und die Rahmenplat­ ten 22 miteinander verbindende Rahmenteile aufweisenden Rahmen 24 lösbar und dabei kraftschlüssig abdichtend zusammengehalten sind. Die Rahmenteile 23 sind dabei als sich durch Bohrungen 25 in den Randbereichen 26 der Platten 2, 7, 20 hindurch erstrec­ kende Stangen ausgebildet. Andersartige Konstruktionen des Rahmens 24 bzw. ein grundsätzlich anderer Verlauf der Rahmen­ teile 23 ist denkbar. Wesentlich ist jedenfalls, daß insgesamt vier als Rahmenteil 23 ausgebildete Stangen vorgesehen sind, die an ihren freien Enden Gewinde 27 aufweisen, so daß die Rah­ menplatten 22 mittels aufgeschraubter Muttern 28 zusammengehal­ ten sind.

Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel sind die Platten 2, 7 und 20 aus Kunststoff hergestellt und sind die Rahmenplatten 22 aus Metall bzw. Edelstahl gefertigt.

Schließlich ist in Fig. 8 lediglich schematisch angedeutet, das die Vorrichtung insgesamt in einem Vakuumgefäß 29 angeord­ net ist und daß das aus dem Rohgemisch getrennte und abgesaugte Permeatgas in einem nachgeschalteten Kondensator 30 verflüssigt wird.

Abschließend sei hervorgehoben, daß das voranstehend beschrie­ bene Ausführungsbeispiel lediglich der Erörterung der bean­ spruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungs­ beispiel einschränkt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Trennen vorzugsweise temperierter Ge­ mische mittels Pervaporation, mit zwei eine vorzugsweise flächige Ausnehmung (1) aufweisenden Platten (2) und min­ destens einer dazwischen angeordneten, dampfdurchlässigen Membran (3), wobei die Platten (2) beziehungsweise Ausneh­ mungen (1) jeweils einen Zulauf (4) und einen Ablauf (5) aufweisen und mit den Ausnehmungen (1) aufeinander zu ge­ richtet sind, wobei zwischen den Platten (2) eine einen vorzugsweise mittigen Durchgang (6) aufweisende Vakuum­ platte (7) vorgesehen ist, deren Durchgang (6) in etwa den flächigen Ausnehmungen (1) der Platten (2) entspricht, wo­ bei zwischen den Platten (2) und der Vakuumplatte (7) je­ weils eine mit der aktiven Seite der jeweiligen Platte (2) zugewandte Membran (3) angeordnet ist, so daß zwischen den Platten (2) beziehungsweise Bodenflächen (8) der Ausnehmun­ gen (1) und der jeweiligen Membran (3) eine Rohgemischkammer (9) und im Durchgang (6) der Vakuumplatte (7) eine Per­ meatdampfkammer (10) gebildet ist und wobei die Vakuum­ platte (7) sich von außerhalb in den Durchgang (6) öffnen­ de Kanäle (16) aufweist, durch die hindurch der Durchgang (6) evakuierbar beziehungsweise absaugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch mindestens zwei der Kanäle (16) und somit durch den Durchgang (6) beziehungsweise die Permeatdampf­ kammer (10) hindurch ein Heizelement (17) erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Heizelement (17) durch mehrere Kanäle (16) mehrfach durch den Durchgang (6) beziehungsweise die Per­ meatdampfkammer (10) hindurch erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (17) als Wärmetauscher ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (17) als Röhre für ein erwärmtes Fluidum ausgeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidum das zu trennende Rohgemisch in etwa auf dessen Betriebstemperatur ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (17) einlaßseitig mit dem Ablauf (5) der darunter oder darüber angeordneten Platte (2) und aus­ laßseitig mit dem Zulauf (4) der darüber oder darunter an­ geordneten Platte (2) strömungsverbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (17) aus der Vakuumplatte (7) heraus durch eine Heizeinrichtung (18) hindurch entweder wieder in die Vakuumplatte (7) hinein oder in den Zulauf (4) der darüber oder darunter angeordneten Platte (2) führt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der das temperierte Rohgemisch enthaltende Vorratsbe­ hälter (19) als Heizeinrichtung (18) dient, wobei der Wär­ metauscher (17) durch den Vorratsbehälter (19) hindurch­ führt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (17) auch die Platten (2) penetriert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Platten (2) beidseitig eine Ausnehmung (1) und einen darin mündenden Zulauf (4) und Ablauf (5) auf­ weist, daß sich beidseits dieser Platte (2) - im Sinne einer zweistufigen Ausgestaltung - eine Membran (3) und gegebenenfalls eine Lochplatte (13) mit beidseitig anlie­ gendem Vlies (14), eine Vakuumplatte (7), wiederum eine Lochplatte (13) mit beidseitig anliegendem Vlies (14) so­ wie eine danach angeordnete weitere Platte (2) anschließen und daß die Zuläufe (4) nachgeschalteter Rohgemischkammern (9) mit den Abläufen (5) der vorgeschalteten Rohgemischkam­ mern (9) oder den vorgeschalteten Wärmetauschern (17) strö­ mungsverbunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Trennstufen (21) zu einem Plattenturm zusammen­ geschaltet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (1) und der Durchgang (6) kreisförmig ausgebildet sind.