DE69022502T2

DE69022502T2 - Membrantrennvorrichtung und verfahren zur herstellung.

Info

Publication number: DE69022502T2
Application number: DE69022502T
Authority: DE
Inventors: Terrence Caskey; Janine Jorgensen; Robert Krueger; Johnny Trimmer
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Mg Generon Inc (ndgesd Staates Delaware) Ma
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2010-02-03
Also published as: DE69022502D1; CA2009563A1; KR910700092A; EP0408737A1; JPH04501822A; EP0408737B1; AU627280B2; WO1990009224A1; AU5099590A; ATE128040T1; EP0408737A4; BR9005083A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membrantrennvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung. Die Membrantrennvorrichtung umfaßt ein Gehäuse oder einen Behälter, innerhalb dessen ein Membrantrennmodul, der aus einer Vielzahl von semipermeablen Hohlfasermembranen hergestellt ist, fest angeordnet ist.
Trennvorrichtungen, welche einen Hohlfasermembrantrennmodul enthalten, der für die Dialyse, Mikrofiltration, Ultrafiltration, Umkehrosmose, Blutsauerstoffbehandlung, Gastrennung, Pervaporation, das Membranabstreifen und dergl. geeignet ist, sind wohlbekannt. Verschiedene Verfahren zur Herstellung wurden beschrieben. Im allgemeinen besteht der Hohlfasertrennmodul jedoch aus einer Vielzahl von feinen Hohlfasern, deren Endabschnitte in einer oder zwei aktiven Rohrplatte/n eingefaßt sind, und deren offene Faserenden in einer oder zwei aktiven Rohrplattenfläche/n enden, welche einen Zugang für Fluid zum Eintritt oder Austritt in das Innere der Hohlfasern bereitstellen, wodurch ein Modul gebildet wird, der ein Bündel von Hohlfasern und eine oder zwei Rohrplatte/n umfaßt. Der Hohlfasermodul ist in einem Gehäuse oder Behälter in einer solchen Weise eingesiegelt, daß zwei Bereiche des Fluidflusses abgegrenzt werden, der durch die Trenn- oder Permeationseigenschaften der Hohlfasermembrane gesteuert wird. Die zwei Bereiche werden im allgemeinen als die Mantelseite und die Schlauchseite bezeichnet. Der Mantelseitenbereich ist der Bereich außerhalb der Hohlfasern, welcher sich zwischen den Rohrplatten befindet, während der Schlauchseitenbereich der Bereich im Inneren der Hohlfasern ist. Jeder Bereich kann durch ihn hindurchströmendes Fluid von höherem oder niedrigerem Druck als der andere aufweisen, abhängig davon, ob das Einspeisungsfluid in die Vorrichtung auf der Außenseite oder der Innenseite der Hohlfasern vorliegt. Die Treibkraft für den Transport quer durch die Hohlfasern kann eine Differenz des Druckes, der Konzentration und/oder des elektrischen Potentials sein.
Der Hohlfasertrennmodul kann eine oder zwei aktive Rohrplatten umfassen; im ersten Fall sind die Hohlfasern gedoppelt rückgeführt, so daß alle Enden der Hohlfasern zusammen in einer aktiven Rohrplatte enden. Ein Hohlfasertrennmodul, welcher eine solche aktive Rohrplatte aufweist, in welcher alle Hohlfaserenden sich befinden, kann ebenfalls eine nicht aktive Rohrplatte besitzen, um die Bildung des Hohlfaserbündels und das Abdichten des Hohlfaserbündels innerhalb des Gehäuses oder Behälters zu erleichtern. Eine nichtaktive Rohrplatte enthält keine abschließenden Enden der Hohlfasern. Dies bedeutet, daß Fluid nicht in eine solche nichtaktive Rohrplatte eingeführt oder hieraus abgezogen werden kann. Die Rohrplatte/n bindet/en die Hohlfasern zusammen und hält/halten sie an Ort und Stelle. Jede Rohrplatte ist ebenfalls an der inneren Wandoberfläche des Behälters oder Gehäuses abgedichtet, so daß der Trennmodul an Ort und Stelle innerhalb des Behälters fixiert ist. Die Rohrplatte/n zusammen mit dem Behälter begrenzt/en den zu den Hohlfasern außenliegenden Mantelseitenbereich, welcher nicht direkt mit den inneren Lumen der Hohlfasern kommuniziert.
Patente hinsichtlich des Standes der Technik von Hohlfasermembrantrennvorrichtungen schließen ein: US-A-2972 349, US-A-3 328 876, US-A-3 228 877, US-A-3 422 008; US-A-3 423 491, US-A-3 339 341.
Der Stand der Technik hat die Verwendung einer Anzahl von Harzen zur Bildung der Rohrplatten beschrieben. Typische solche Harze sind Polyurethane, Polyolefine, mit Wachs gestreckte Polyolefine, Polyolefincopolymere, Polyamide, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Silikonkautschuke, Epoxyharze und dergl..
Ein Problem, das in Verbindung mit der Herstellung von Trennvorrichtungen unter Verwendung von Hohlfasermembrantrennmodulen vorgefunden wurde, ist, daß es kein preistes und einfaches Verfahren zum Abdichten der Rohrplatte/n an den Innenwandoberflächen des umgebenden Behälters gibt, das für eine Produktion im großen Maßstab geeignet ist. Als Folge von Wärme, Druck und anderen Spannungsfaktoren kann das Abdichtmittel zwischen der/den Rohrplatte/n und den Innenwandoberflächen des Gehäuses sich ablösen oder Risse bilden, was ein Vermischen der Fluide in den beiden zuvorgenannten Bereichen ermöglicht. Dieses Vermischen von Fluiden ist unannehmbar, da der effiziente Betrieb einer solchen Membrantrennvorrichtung erfordert, daß die Fluide im wesentlichen in den zuvorgenannten getrennten Bereichen gehalten wird.
Die US-A-4 269 712 beschreibt eine medizinische Hohlfasertrennvorrichtung, welche eine mechanische Abdichtung vom Drucktyp zwischen der inneren Endoberfläche des Scheibenabschnittes der Rohrplatte und einer radial und axial nach innen sich erstreckenden konischen Innenwandoberfläche des umgebenden Mantels der Vorrichtung einschließt.
Abdichtprobleme zwischen der/den Rohrplatte/n und dem Behälter wurden in der US-A-4 269 712 dadurch überwunden, daß ein radial nach innen sich erstreckender konischer Abschnitt der Innenwand des Mantels oder des Gehäuses der Trenneinheit vorgesehen wurde, wobei die Abdichtung, welche von dem die periphere Rohrplattenwand axial nach innen pressenden Druck herrührt, eine flüssigkeitsdichte und gasdichte Abdichtung der Rohrplatte gegen eine konische Gehäuse- oder Manteloberfläche bewirkt. Die gezeigte Struktur ist jedoch komplex und wäre für eine Herstellung unwirtschaftlich.
Die US-A-4 414 110 beschreibt eine medizinische Hohlfasertrenneinheit, worin die Rohrplatten an jedem Ende der Fasern die Gestalt eines Kegelstumpfes besitzen und in der Größe so ausgelegt sind, daß die Fasern den Konus bis zur peripheren Kante an der äußeren planaren Endoberfläche des Stumpfes ausfüllen. Diese Vorrichtung ist ebenfalls eine komplexe Vorrichtung, welche schwierig in wirtschaftlicher Weise herzustellen wäre.
Das US-Patent 4 512 892 bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Struktur zum Abdichten der Enden eines schlauchförmigen Filterelementes, wobei das Verfahren umfaßt die Bereitstellung eines Streifens eines nicht-porösen Films längs der Kante einer Folie des mikroporösen Filtermaterials, wobei der Streifen an dem Filtermaterial fluid-dicht an seinem äußeren Abschnitt befestigt ist, jedoch ein freies Band an seinem inneren Abschnitt bildet, Formen des Elementes mit dem Streifen an einem Ende und über der Strömungsaufwärtsseite des Filtermaterials, Einbetten des Endes in ein flüssiges Abdichtmittel bis zu einer Tiefe, welche oberhalb des Bandabschnittes des Streifens endet, und Verfestigen des Abdichtmaterials. Es wird weiterhin angegeben, daß die freien Kanten einer rechteckig gefalteten Membran an den gegenüberliegenden Wänden eines Behälterträgers abgedichtet werden können, wobei die Enden dann, wie zuvor beschrieben, abgedichtet werden.
Die FR-A-2 366 860 beschreibt eine Hohlfasermembrantrennvorrichtung, in welcher die Rohrplatten an den inneren Wänden eines Gehäuses mittels eines Klebstoffes abgedichtet sind. Der Klebstoff wird durch zwei getrennte kleine Öffnungen eingeführt.
Die DE-A-2 259 949 beschreibt eine Hohlfasertrennvorrichtung, bei welcher ein eingefaßtes Bündel von Hohlfasern in einen Behälter eingesetzt wird, und ein Rahmen über ein Ende des Bündels geschoben wird. Dieser Rahmen ist auf der Behälterwand angeflanscht. In den Freiraum zwischen dem eingefaßten Ende des Bündels und der Behälterinnenwand wird eine Einlage eingesetzt, und danach wird eine Vergußmasse in den Freiraum eingegossen.
Die US-A4 283 284 beschreibt ein End-Abdichtungssystem für einen Hohlfaserdialysator. Das Abdichtungsmaterial wird durch Öffnungseinrichtungen in dem Endabschluß aufgebracht, um eine Abdichtung ringsum das Äußere eines Abdichtringes zu bilden. Es wird angegeben, daß die Qualität dieser Abdichtung sich nicht signifikant durch Fließen in der Kälte bei der Lagerung verändert, da der Abdichtring relativ nicht komprimiert sein kann, da er in situ gebildet wird.
Das Abdichtmaterial kann durch Rotierenlassen des Dialysators bei gleichzeitigem Einsetzen einer aushärtenden Verbindung durch die Öffnungen eingesetzt werden, bis eine sog. innere Hülse bis zu dem gewünschten Ausmaß gefüllt ist. Danach wird die Aushärtverbindung aushärten gelassen.
Schließlich beschreibt die US-A-3 422 008 eine Hohlfaserpermeabilitäts-Trennapparatur, welche O-Ringe als Abdichtungen benutzt.
Alle die zuvorgenannten Mittel zum Abdichten von Rohrplatten an die Innenwandoberflächen von einschließenden Gehäusen oder Behältern haben sich als nachteilig in dem einen oder anderen Punkt erwiesen.
Es wäre eine Verbesserung des Standes der Technik, eine Hohlfasermembrantrennvorrichtung bereitzustellen, welche vereinfachte Mittel zum Abdichten der Rohrplatten und des Membranmoduls innerhalb des umgebenden Gehäuses aufweist.
Insbesondere wäre es eine Verbesserung, ein wirksames, bequemes und wirtschaftliches Verfahren zum Abdichten des Membranmoduls mit solchen hiermit verbundenen Rohrplatten in einem umgebenden Gehäuse bereitzustellen, welches die Möglichkeit des Bruchs oder des Lösens der Dichtung zwischen den Rohrplatten und dem Gehäuse im wesentlichen ausschließt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsiegeln eines Hohlfasermembrantrennmoduls in ein Gehäuse, bei welchem der Hohlfasermembrantrennmodul eine Vielzahl von Hohlfasern, die in einem einen Kern umgebenden Bündel angeordnet sind, und jedes Ende des Bündels umgebende Rohrplatten, welche die Hohlfasern zusammenbinden, umfaßt, wobei das Verfahren umfaßt:
A. Anordnen des Hohlfasertrennmoduls innerhalb eines Gehäuses, während sich das Gehäuse in einer praktisch senkrechten Stellung befindet;
B. Einführen eines Harzes durch eine Öffnung am Boden in das erste Ende des Gehäuses in einer ausreichenden Menge zum im wesentlichen Auffüllen des Bereiches angrenzend an dieses Ende zwischen dem Inneren des Gehäuses und der ersten Rohrplatte, während ein Raum oder Hohlraum, der über den offenen Enden dieser Hohlfasern bei dieser ersten Rohrplatte liegt, beibehalten wird;
C. Aushärten des Harzes;
D. Umkehren der Stellung des Gehäuses;
E. Einführen eines Harzes durch eine Öffnung in das zweite Ende des Gehäuses in einer ausreichenden Menge zum Auffüllen des Bereiches angrenzend an dieses Ende zwischen dem Inneren des Gehäuses und zweiter Rohrplatte, während ein Raum oder Hohlraum, der über den offenen Enden dieser Hohlfasern bei dieser zweiten Rohrplatte liegt, beibehalten wird;
F. Aushärten des Harzes; und
G. erneutes Anbringen von Öffnungen an jedem Ende des Gehäuses durch das ausgehärtete Harz, die in die Zwischenräume, welche über den Enden der Hohlfasern liegen, eindringen, wodurch Strömungspfade zum Einführen und/oder Abziehen von Fluiden durch diesen Hohlfasermembrantrennmodul bereitgestellt werden.
Das Verfahren der Erfindung liefert ein bequemes, effektives und ökonomisches Verfahren zum Einsiegeln eines Hohlfasermembrantrennmoduls innerhalb eines Gehäuses. Solch ein Verfahren ist für die Herstellung solcher Vorrichtungen im großen Maßstab geeignet. Die Erfindung schließt eine Fluid-Trennvorrichtung ein, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist, wobei diese Vorrichtung umfaßt:
A. eine Vielzahl von Hohlfasermembranen, die in einem Bündel angeordnet sind und zur Trennung von einem oder mehreren Fluid/en aus einer Fluideinspeisungsmischung ausgelegt sind;
B. eine erste Rohrplatte, gebildet aus einem hitzehärtbaren oder thermoplastischen polymeren Material an dem ersten Ende des Bündels, wobei diese in der ersten Rohrplatte eingebetteten Hohlfasermembrane durch diese Rohrplatte kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Fläche dieser Rohrplatte offen sind;
C. eine zweite Rohrplatte, gebildet aus einem hitzehärtbaren oder thermoplastischen polymeren Material an dem zweiten Ende des Bündels gegenüber dem ersten Ende, wobei diese in der zweiten Rohrplatte eingebetteten Hohlfasermembrane durch diese zweite Rohrplatte kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Fläche dieser Rohrplatte offen sind;
D. einen Kern, um welchen das Hohlfasermembranbündel geformt ist, weiter so angeordnet, daß sich der Kern hierdurch erstreckt und an der ersten Rohrplatte und der zweiten Rohrplatte befestigt ist;
E. einen Rohrplatten-Tragzylinder, der das Bündel umgibt, worin ein erstes Ende an die erste Rohrplatte gebunden oder hierin eingebettet ist und ein zweites Ende an der zweiten Rohrplatte gebunden oder hierin eingebettet ist;
F. einen Einspeisungseinlaß zum Einführen einer Einspeisungsmischung von zu trennenden Fluiden in die Bohrungen der Hohlfasermembrane durch Inkontaktbringen der Einspeisungsmischung mit den Hohlfasermembranen an der gegenüberliegenden Fläche der ersten Rohrplatte;
G. einen Einspeisungseinlaßraum oder -bereich angrenzend an die gegenüberliegende Fläche der ersten Rohrplatte, ausgelegt zur Bildung eines Hohlraumes, in welchen die Einspeisungseinlaßeinrichtung die Einspeisungsmischung einführt, wobei der Bereich so abgedichtet ist, daß Fluid in den Bereich nur durch den Einspeisungseinlaßbereich oder die Hohlfasern eintreten oder den Bereich verlassen kann, und wobei der Einspeisungseinlaß so angeordnet ist, die Einspeisungsfluidmischung in die Bohrungen der Hohlfasermembrane einzuführen;
H. einen Nicht-Permeat-Auslaß zur Entfernung der Fluide, welche nicht durch die Hohlfasermembrane aus der Bohrung der Hohlfasermembrane permeieren, an der gegenüberliegenden Fläche der zweiten Rohrplatte;
I. einen Nicht-Permeat-Auslaßraum oder -bereich angrenzend an die gegenüberliegende Fläche der zweiten Rohrplatte, ausgelegt zur Bildung eines Hohlraumes, in welchen die Hohlfasermembrane Fluide einführen, welche nicht durch die Membran permeieren, und aus welchem der Nicht-Permeat-Auslaß die nicht permeierten Fluide aus dem Modul entfernt, wobei der Nicht-Permeat-Auslaßbereich derart abgedichtet ist, daß Fluid in den Bereich nur durch die Hohlfasermembrane oder die Nicht- Permeat-Auslaßeinrichtung eintreten oder den Bereich verlassen kann;
J. ein Gehäuse, das zum Einfassen der gesamten Hohlfasermembranbündels und der zwei Rohrplatten ausgelegt ist;
K. eine Öffnung in dem Gehäuse und Rohrplatten-Tragzylinder zur Entfernung der Fluide, welche durch die Hohlfasermembrane permeieren, aus der Nachbarschaft der Hohlfasermembrane;
L. Dichtungen zwischen der ersten Rohrplatte und dem Gehäuse und zwischen der zweiten Rohrplatte und dem Gehäuse, so daß Fluid zwischen den Einspeisungseinlaß- oder Auslaßbereichen und dem Bereich zwischen den zwei Rohrplatten, der außerhalb der Hohlfasern ist, nicht kommunizieren kann;
M. eine erste Endkappe zum Abdichten des Endes des Gehäuses nahe bei der ersten Rohrplatte, wodurch der Einspeisungseinlaßraum oder -bereich eingeschlossen wird, wobei diese Endkappe mechanisch an diesem Gehäuse befestigt ist;
N. eine zweite Endkappe zum Abdichten des Endes des Gehäuses nahe bei der zweiten Rohrplatte, wodurch der Nicht- Permeat-Auslaßraum oder -bereich eingeschlossen wird, wobei diese Endkappe mechanisch an diesem Gehäuse befestigt ist.
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die Dichtungen (unter L. aufgeführt) Harzdichtungen sind;
(b) die Einspeisungseinlaßöffnung und die Nicht-Permeat-Auslaßöffnung durch die Harzdichtungen hindurchführen und durch Wiederaufbohren dieser Öffnungen bis zu einer in die Hohlraumbereiche und eindringenden Tiefe erhalten worden sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt die zuvorgenannte Vorrichtung Einrichtungen zum Kanalisieren von Fluß von Permeat in der Längsrichtung parallel zu dem Kern zu dem Permeatauslaß, wobei diese Einrichtungen ein Ende eingebettet in der zweiten Rohrplatte aufweisen, und das zweite Ende in einem kurzen Abstand von der ersten Rohrplatte endet, um den Fluß von Permeat zu der Permeatauslaßeinrichtung zu ermöglichen.
Diese Einrichtung zum Kanalisieren von Fluß kann umfassen:
eine äußere Ablenkplatte, welche das Äußere des Hohlfaserbündels einschließt, wobei das erste Ende dieser Ablenkplatte in oder an der zweiten Rohrplatte eingebettet oder befestigt ist, und das gegenüberliegende Ende dieser Ablenkplatte in einem ausreichenden Abstand von der ersten Rohrplatte angeordnet ist, um das Abziehen des Permeat- Fluids zu erlauben; und
wenigstens eine innere Ablenkplatte im Inneren des Hohlfaserbündels, wobei das erste Ende dieser inneren Ablenkplatte nahe der ersten Rohrplatte in einem ausreichenden Abstand hiervon angeordnet ist, um das Abziehen des Permeat-Fluids aus diesem Modul zu erlauben, und das zweite Ende dieser Ablenkplatte an dieser zweiten Rohrplatte befestigt ist.
Die zuvorgenannte Vorrichtung kann einen perforierten Kern einschließen, um ein Spülfluid in die Permeat-Seite dieser Hohlfasermembrane einzuführen. Bei einer Ausführungsform ist der Kern nur nahe bei der zweiten Rohrplatte perforiert, wodurch Fluß von Spülfluid und Permeat parallel zu diesem Kern erfolgt, im Gegensatz zu Fluß von Fluid auf der Bohrungsseite.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Hohlfasermembranntrennmoduls, der ein Teil der Membrantrennvorrichtung dieser Erfindung bildet.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines anderen Typs eines Hohlfasermembrantrennmoduls, der ein Teil der Membrantrennvorrichtung dieser Erfindung bildet.
Fig. 3 ist eine weggeschnittene Ansicht einer Hohlfasermembrantrennvorrichtung dieser Erfindung, welche den Hohlfasermembrantrennmodul von Fig. 2, der innerhalb des Gehäuses hierfür positioniert ist, zeigt.
Fig. 4 ist eine weggeschnittene Ansicht einer Hohlfasermembrantrennvorrichtung dieser Erfindung, welche den Hohlfasermembrantrennmodul von Fig. 2 zeigt, der innerhalb des Gehäuses hierfür mit daran befestigten Endkappeneinrichtungen angeordnet ist.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer Hohlfasermembrantrennvorrichtung dieser Erfindung, welche Ablenkplatten enthält.
Die Fig. 6A und 7A sind vergrößerte Ansichten einer Ausführungsform von zwei Enden der Hohlfasermembrantrennvorrichtung dieser Erfindung, die in Fig. 5 gezeigt ist, welche im Detail die Mittel zum Binden der Rohrplatte an der inneren Wandoberfläche des umgebenden Gehäuses zeigt.
Die Fig. 6B und 7B sind vergrößerte Ansichten der gegenüberliegenden Enden einer alternativen Ausführungsform einer Hohlfasermembrantrennvorrichtung dieser Erfindung, welche zur Verwendung mit einem mantelseitigen Spülfluid geeignet ist.
Die Erfindung schließt ein Verfahren zum Einsiegeln bzw. Abdichten eines Hohlfasermembrantrennmoduls in einem Gehäuse ein. Die Erfindung schließt ebenfalls Vorrichtungen ein, welche nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt sind und die zum Trennen von einem oder mehreren Fluiden von einem oder mehreren anderen Fluiden in einer Fluidmischung geeignet sind, wobei die Trennung durch selektiven Transport von einem oder mehreren Fluiden quer zu einer Membran durchgeführt wird. In dieser Erfindung liegen die Membrane in Hohlfaserform vor. Die zu trennende Fluidmischung kann entweder auf der Außenseite der Hohlfasermembrane oder die Bohrungen oder Lumen der Hohlfasermembrane hinab eingeführt werden. Die Bohrung oder das Lumen, wie es hier benutzt wird, bezieht sich auf den Teil der Faser, welcher im Zentrum einer solchen Faser hohl ist. Solche Vorrichtungen sind bevorzugt ausgelegt, um Fluid die Bohrungen der Hohlfasermembrane hinab einzuspeisen.
Die Hohlfasermembranvorrichtungen dieser Erfindung können zur Trennung von einem oder mehreren Fluiden von einem oder mehreren anderen Fluiden in einer Fluidmischung benutzt werden, worin die Fluide unterschiedliche Transportgeschwindigkeiten durch die Membrane oder quer zu den Membranen besitzen. Die Fluide können im gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Zustand vorliegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hohlfasermembranvorrichtungen dieser Erfindung zum Trennen von einem oder mehreren Gasen von einem oder mehreren anderen Gasen in einer Einspeisungsgasmischung geeignet. Die Mischung von zu trennenden Gasen umfaßt bevorzugt wenigstens eines der Gase, ausgewählt aus der aus Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Methan oder anderen leichten Kohlenwasserstoffen und dergl. bestehenden Gruppe. Die hier so bezeichneten leichten Kohlenwasserstoffe bedeuten gesättigte oder ungesättigte C&sub1;&submin;&sub4;-Kohlenwasserstoffe. Beispiele solcher zu trennenden Gase sind Wasserstoff und/oder Helium von leichten Kohlenwasserstoffen, Sauerstoff von Stickstoff, Stickstoff von Methan, Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid von leichten Kohlenwasserstoffen und dergl..
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die zu trennenden Fluide Flüssigkeiten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei welcher die zu trennenden Fluide Flüssigkeiten sind, wird das Material durch die oder quer zur Membran als ein Gas oder Dampf transportiert. Das durch die oder quer zur Membran als ein Gas oder Dampf permeierende Material kann aus der Vorrichtung als ein Gas oder Dampf entfernt werden, oder es kann kondensiert und aus der Vorrichtung als eine Flüssigkeit entfernt werden. Diese Trennung kann als Membranabstreifen, Membrandestillation oder Pervaporation bezeichnet werden. Beim Membranabstreifen wird eine mikroporöse Membran eingesetzt, und das durch die oder quer zur Membran permeierende Material wird aus der Vorrichtung als ein Gas oder Dampf entfernt. Bei der Membrandestillation wird eine mikroporöse Membran verwendet, und das durch die oder quer zur Membran permeierende Material wird kondensiert und aus der Vorrichtung als eine Flüssigkeit entfernt. Bei der Pervaporation wird eine nicht-mikroporöse Membran eingesetzt, und das durch die oder quer zur Membran permeierende Material kann als ein Gas oder Dampf entfernt werden, oder es kann kondensiert und aus der Vorrichtung als eine Flüssigkeit entfernt werden. Bei diesen Ausführungsformen werden flüchtige Verbindungen, d.h. solche mit relativ höheren Dampfdrücken unter den Trennbedingungen, von Verbindungen mit relativ niedrigeren Dampfdrücken getrennt. Beispiele von flüchtigen Verbindungen, welche aus flüssigen Mischungen entfernt werden können, schließen ein: C&sub1;&submin;&sub1;&sub0; aliphatische und aromatische halogenierte Kohlenwasserstoffe wie Dichlormethan (Methylenchlorid), Dibrommethan (Methylenbromid), Trichlormethan (Chloroform), Tribrommethan (Bromoform), Tetrachlorkohlenstoff, 1,1-Dichlorethan, 1,2-Dichlorethan, 1,1,1-Trichlorethan, 1,1,2-Trichlorethan, Trichlorethylen, Tetrachlorethylen (Perchlorethylen), 1,2-Dichlorpropan, Chlorbenzol, Dichlorbenzol, Trichlorbenzol und Hexachlorbenzol; C&sub1;&submin;&sub1;&sub0; aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan, Propan, Butan, Hexan, Heptan, Octan, Ethylen, Propylen, Butylen, Benzol, Toluol und Xylol; C&sub1;&submin;&sub1;&sub0; aliphatische und aromatische Alkohole wie Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol und Phenol; C&sub1;&submin;&sub8; Ketone wie Aceton, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Pentanon und Hexanon; C&sub1;&submin;&sub8; Ether wie Bis(2-chlorethyl)-ether; C&sub1;&submin;&sub8; Amine wie Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, Ethylamin, Diethylamin, Triethylamin, Ethylendiamin und Anilin und dergl.. Weniger flüchtige Flüssigkeiten, von denen die flüchtigen Verbindungen entfernt werden können, schließen Wasser und Mischungen von Wasser und organischen Stoffen ein. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform können in einer Flüssigkeit eingeschlossene oder aufgelöste Gase aus solchen Flüssigkeiten entfernt werden. Beispiele solcher eingeschlossenen oder aufgelösten Gase schließen Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und dergl. ein.
Die Hohlfasermembrane sind in einem Bündel angeordnet, welches eine Vielzahl der Hohlfasermembrane einschließt. Ein solches Bündel kann verschiedene Gestalten annehmen und verschiedene Faserwickelmuster aufweisen. Bündel von in dieser Erfindung brauchbaren Hohlfasermembranen können verschiedene Gestalten und Faseranordnungen aufweisen, einschließlich solcher in Mahon, US-A-3 228 876 und McLain, US-A-3 422 008 beschriebenen Anordnungen. Bevorzugt ist das Bündel in einer geordneten, d.h. im wesentlichen nicht-statistischen Art angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hohlfasermembranbündel in einer zylindrischen Weise angeordnet, wobei die Enden der Hohlfasern an jedem Ende des zylindrischen Bündels angeordnet sind. Ein solches Bündel ist bevorzugt ein längliches Bündel, wobei die Länge größer als der Durchmesser ist. Bevorzugt sind die Hohlfasern in dem Bündel entweder in einer parallel gewickelten Weise oder in einer schrägschnittig gewickelten Weise angeordnet. Bei der parallelen Wicklung liegen die Hohlfasern im wesentlichen parallel zueinander, wobei jedes Ende der Hohlfasern sich an jedem Ende des Bündels befindet. Bei der schrägschnittigen Wicklung sind die Hohlfasern in einem kreuzförmigen Muster bei einem festgelegten Winkel gewickelt, so daß die Hohlfasern in einem Bündel an Ort und Stelle gehalten werden. Bei dem schrägschnittigen Wicklungsmuster befinden sich die Enden der Hohlfasern an dem Ende des Bündels. Wickel aus permeablem Gewebe wie aus DYNEL , ein Polyestergewebe, können dazu verwendet werden, um das Zusammenhalten des Bündels von Hohlfasern zu unterstützen.
Die Hohlfasermembrane werden im allgemeinen aus einem polymeren Material geformt, welches fähig ist, ein oder mehrere Fluide von einem oder mehreren anderen Fluiden in einer Fluidmischung zu trennen. Die polymeren Materialien, welche zur Herstellung der Hohlfasermembrane benutzt werden können, schließen bevorzugt ein: olefinische Polymere wie Poly-4-methylpenten, Polyethylen und Polypropylen; Polytetrafluorethylen, Celluloseester, Celluloseether und regenerierte Cellulose; Polyamide; Polyetherketone und Polyetheretherketone; Polyestercarbonate; Polycarbonate einschließlich ringsubstituierten Versionen von Polycarbonaten auf Bisphenolbasis; Polystyrole; Polysulfone; Polyimide; Polyethersulfon, Polyester und dergl.. Die Hohlfasermembrane können homogene, symmetrische (isotrope) oder asymmetrische (anisotrope) Membrane oder Verbundmembrane sein. Die Membrane können einen dichten Diskriminierungsbereich bzw. Trennbereich besitzen, welcher eine oder mehrere Fluide von einem oder mehreren anderen Fluiden basierend auf den Unterschieden in Löslichkeit und Diffusionsfähigkeit der Fluide in dem dichteren Bereich der Membran trennen. Alternativ können die Membrane mikroporös sein und ein oder mehrere Fluide von einem oder mehreren anderen Fluiden basierend auf relativen Flüchtigkeiten der Fluide trennen.
Hohlfasermembrane mit dichten Bereichen werden für Gastrennungen bevorzugt. Asymmetrische Hohlfasermembrane können den diskriminierenden Bereich entweder auf der Außenseite der Hohlfaser, auf der Innenseite (Lumenoberfläche) der Hohlfaser oder irgendwo im Inneren zu sowohl der Außenseite als auch der Innenseite der Hohlfasermembranoberflächen haben. Bei der Ausführungsform, wo der diskriminierende Bereich der Hohlfasermembran innenliegend zu beiden Hohlfasermembranoberflächen ist, sind die innere Oberfläche (Lumenoberfläche) und die äußere Oberfläche der Hohlfasermembran porös, dennoch zeigt die Membran die Fähigkeit zur Gastrennung. Bei der Ausführungsform, bei welcher Gase getrennt werden, schließen bevorzugte polymere Materialien für Membrane Polyestercarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyimid, Polyester und Polycarbonat ein. Mehr bevorzugte polymere Materialien für Gastrennmembrane schließen Polycarbonat und Polyestercarbonat ein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden solche Membrane nach der in der US-A-4 772 392 beschriebenen Verfahrensweise hergestellt.
Mikroporöse Membrane sind für Flüssigtrennungen wie das Membranabstreifen und die Membrandestillation bevorzugt. Solche mikroporöse Membrane können symmetrisch (isotrop) oder asymmetrisch (anisotrop) sein. Bei der Ausführungsform, bei welcher Flüssigkeiten getrennt werden, schließen bevorzugte polymere Materialien für Membrane Polyolefine oder fluorierte Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen, Poly-4-methylpenten, fluoriertes Polyethylen, Polytetrafluorethylen und Copolymere und Mischungen hiervon, Polystyrol, Polyetherketon und Polyetheretherketon ein. Die Methoden zur Herstellung solcher Hohlfasermembrane sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt.
Die Hohlfasern besitzen bevorzugt einen Außendurchmesser von 50 bis 5000 um, mehr bevorzugt von 100 bis 1000 um, bei einer Wanddicke von 5 bis 500 um und mehr bevorzugt 10 bis 100 um.
Um jedes Ende des Bündels liegt eine Rohrplatte vor. Die Rohrplatte dient zum Halten der Hohlfasermembrane an Ort und Stelle und zur Trennung der Membranvorrichtung in drei unterschiedliche Fluidbereiche. Solche Fluidbereiche schließen einen ersten Fluidbereich außenliegend zu der ersten Rohrplatte ein, welcher in der bevorzugten Ausführungsform unter Anwendung einer bohrungsseitigen Einspeisung einen Einspeisungseinlaßbereich umfaßt, in welchen die Mischung von zu trennenden Fluiden in die Hohlfasermembrane eingeführt wird. Der zweite Fluidbereich ist der Bereich zwischen den Rohrplatten, welcher außerhalb der Hohlfasermembrane liegt, d.h. die Mantelseite (Außenseite) der Hohlfasermembrane. Der dritte Fluidbereich liegt außerhalb der zweiten Rohrplatte, welche bei der bevorzugten Ausführungsform unter Anwendung einer bohrungsseitigen Einspeisung den Nicht-Permeat-Auslaßbereich umfaßt, in welchen das die Bohrungen der Hohlfasermembran herabfließende Fluid, welches nicht quer zur Membran permeiert, strömt und aus welchem dieses Fluid entfernt wird.
Die Rohrplatten können aus einem hitzegehärteten oder thermoplastischen harzartigen Material bestehen. Solche harzartigen Materialien sollten in der Lage sein, eine für Fluid dichte Einsiegelung rings um die Hohlfasermembrane zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen ist es bevorzugt, daß solche harzartige Materialien ebenfalls in der Lage sind, an den Kern und/oder das Gehäuse wie auch an den Hohlfasermembranen zu binden. Die Hohlfasermembrane in dem Bündel kommunizieren durch jede Rohrplatte zu der Fläche jeder Rohrplatte gegenüberliegend zum Bündel. Die Bohrungen der Hohlfasermembrane sind zu einem Raum oder Hohlraum angrenzend an jede Fläche offen, so daß das Kommunizieren von Fluid aus solchen Räumen oder Hohlräumen in diese Hohlfasermembrane hinein oder aus ihnen heraus möglich ist. Der Hauptteil jeder Rohrplatte umfaßt einen Verbund der Hohlfasermembrane, die in dem harzartigen Material eingebettet sind. Die Rohrplatten können eine beliebige Gestalt besitzen, welche die zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet. Bevorzugt sind die Rohrplatten kreisförmig mit ausreichender Querschnittsfläche und Dicke, um einen Träger für die Hohlfasermembrane zu bilden und den auf die Rohrplatten während des Betriebes ausgeübten Drücken zu widerstehen. Der Abschnitt jeder Rohrplatte außerhalb des Bündels kann für verschiedene Zwecke in Abhängigkeit von der Auslegung der Vorrichtung aufgebaut sein. Diese Abschnitte der Rohrplatten können lediglich Harz oder mit Gewebe imprägniertes Harz umfassen, welches um den äußeren Abschnitt jeder Rohrplatte gewickelt ist.
Beispiele solcher als harzartige Materialien für Rohrplatten brauchbaren Materialien schließen künstliche und natürliche Gummi, Phenolaldehyde, Acrylharze, Polysiloxane, Polyurethane, Fluorkohlenstoffe und Epoxyharze ein.
Bei der Ausführungsform, bei welcher die Vorrichtung für Gastrennungen verwendet wird, werden die Rohrplatten bevorzugt aus Epoxyharzen hergestellt. Ein beliebiges Epoxyharz, welches an den Hohlfasermembranen haftet und einer Hohlfasermembranvorrichtung nach der Aushärtung Stabilität liefert, kann bei der Erfindung eingesetzt werden. Polyepoxidharze, welche für die in dieser Erfindung brauchbaren Harzformulierungen erwünscht sind, schließen Glycidylpolyether von mehrwertigen Phenolen ein.
Beispiele der mehrwertigen Phenole sind Monoringphenole und Polyringphenole, und zu den ersteren gehören Phenolaldehydkondensationsharze, welche üblicherweise als Novolakharze bekannt sind. Typische Monoringphenole schließen Resorcin, Catechin, Hydrochinon, Phloroglucin und dergl. ein. Beispiele von Polyringphenolen schließen ein: 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan (Bisphenol A), ,4,4'-Dihydroxybenzophenon, 1,1-Bis(4-hydroxyphenyl)-ethan, Bis(2-hydroxynaphthyl)- methan, 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-butan, 4,4'-Dihydroxyphenyl-phenylsulfon und dergl..
Die Herstellung solcher Epoxyharze ist wohlbekannt und in einer Anzahl von Patenten wie der US-A-2 935 488 und in Handbüchern wie Lee and Neville, Handbook of Epoxy Resins, McGraw-Hill Book Co., 1967, beschrieben.
Bevorzugte Epoxyharze sind solche Harze, welche von Bisphenol A abstammen, z.B. Diglycidylether von Bisphenol A. Solche bevorzugten Harze entsprechen im allgemeinen der Formel:
worin n eine positive ganze Zahl zwischen 0 und 6, mehr bevorzugt zwischen 0 und 4 und noch mehr bevorzugt zwischen 0 und 1,5 ist. In der folgenden Beschreibung beziehen sich alle Teile in bezug auf die Harzformulierungen auf 100 Gew.- Teile des Epoxyharzes (Teile pro 100 Teile Harz, phr).
Zur Anwendung in dieser Erfindung bevorzugte Epoxyharze schließen D.E.R. Epoxyharze, erhältlich von The Dow Chemical Company, ein.
Das Epoxyharz wird mit einem dem Fachmann auf dem Gebiet bekannten Aushärtmittel ausgehärtet. Bevorzugte Aushärtmittel schließen polyfunktionelle Amine, z.B. aromatische Diamine oder Mischungen oder Addukte hiervon und 2,4-Dialkylimidazole ein. Typische Amine schließen ein: m-Phenylendiamin, Methylendianilin, Mischungen (einschließlich Addukten) von m-Phenylendiamin und Methylendianilin, Diaminodiphenylsulfon, 4-Chlorphenylendiamin und dergl.. Bevorzugte Aushärtmittel zur Anwendung in dieser Erfindung schließen Ancamine -Aminaushärtmittel, erhältlich von Pacific Anchor Chemical Corp. ein.
Eine wahlweise dritte Komponente der Epoxyharzformulierung für die Rohrplatte ist ein Epoxyaushärtkatalysator. Beliebige bekannte Epoxyaushärtkatalysatoren, welche das Aushärten eines Polyglycidylethers eines mehrwertigen Phenols mit dem Aushärtmittel fördern, können verwendet werden. Solche Katalysatoren werden im allgemeinen in katalytischen Mengen eingesetzt, d.h. in ausreichenden Mengen zur Förderung des Aushärtens des Epoxyharzes mit dem Aushärtmittel. Bevorzugt liegt der Katalysator in einer Menge zwischen 0,5 und 10 Teilen pro 100 Teile Harz, mehr bevorzugt zwischen 0,5 und 4 Teilen Katalysator pro 100 Teile Harz und am meisten bevorzugt zwischen 1 und 2 Teilen pro 100 Teilen Harz vor. Bevorzugte Katalysatoren schließen ein: tertiäre Amine, z.B. Benzyldimethylamin, N,N,N',N'-Tetramethylbutandiamin, Dimethylaminopropylamin, N-Methylmorpholin, N-Triethylendiamin und dergl.. Wenn das Aushärtmittel auf einem Amin basiert, ist im allgemeinen ein Katalysator nicht erforderlich.
Bei der Ausführungsform, bei welcher die Vorrichtung der Erfindung für das Membranabstreifen, die Membrandestillation oder die Pervaporation eingesetzt wird, umfassen die Rohrplatten bevorzugt die zuvor beschriebenen Epoxyharze oder Polyurethane.
Das Hohlfasermembranbündel wird um einen Kern angeordnet. Der Kern ist derart angeordnet, daß er sich durch sowohl die erste als auch die zweite Rohrplatte erstreckt und hieran gebunden ist. Der Kern dient zur Bereitstellung eines Trägers für die zwei Rohrplatten und verhindert das Fallen der Rohrplatten aufeinander während des Betriebes. Der Kern dient weiter zum Tragen des Hohlfasermembranbündels, welches um den Kern angeordnet ist. Der Kern kann einen Stab, ein festes Rohr oder ein perforiertes Rohr umfassen, vorausgesetzt, daß der Kern ausreichende mechanische Festigkeit besitzt, um die Hohlfasermembrane und die Rohrplatten zu halten. Der Kern kann einen nichtkreisförmigen Querschnitt besitzen. Bei einer Ausführungsform, bei welcher kein Spülfluid eingesetzt wird, ist es bevorzugt, daß der Kern entweder ein festes Rohr oder ein fester Stab ist. Bei einer anderen Ausführungsform, bei welcher kein Spülfluid verwendet wird, ist es bevorzugt, daß der Kern ein hohles Rohr ist, das dazu dient, Nicht-Permeatfluid aus dem dritten Fluidbereich angrenzend an die zweite Rohrplatte zu dem Einspeisungsende des Moduls zurückzuführen. Dies bedeutet, daß das aus den Hohlfasern in der Nachbarschaft der zweiten Rohrplatte austretende Nicht-Permeatfluid in die Nachbarschaft der ersten Rohrplatte über den hierfür ausgelegten Kern rückgeführt werden kann.
Bei einigen Ausführungsformen unter Verwendung einer bohrungsseitigen Einspeisung ist es erwünscht, ein Spülfluid in die Mantelseite der Hohlfasermembranvorrichtung einzuführen, um die Entfernung von permeierten Fluiden aus der Nachbarschaft des zweiten Fluidbereiches auf der Außenseite der Hohlfasermembrane zwischen den zwei Rohrplatten zu unterstützen. Eine Methode zur Einführung eines solchen Spülfluids ist die Ausrüstung eines Endes des Kernes mit einer Spüleinlaßeinrichtung, welche zur Einführung eines Spülfluids in den Kern ausgelegt ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Kern in der Nachbarschaft des Hohlfasermembranbündels derart perforiert, daß das Spülfluid in das Hohlfasermembranbündel eintritt. Das Kernrohr ist bevorzugt fest, wo es durch den ersten Einspeisungseinlaßbereich des Fluids und den dritten Nicht-Permeat-Auslaßbereich des Fluids durchtritt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, bei welcher ein Spülfluid eingesetzt wird, ist der Kern an einem Ende des Abschnittes des Kernes, der zwischen den Rohrplatten vorliegt, perforiert. Bei einer solchen bevorzugten Ausführungsform ist ein solches Ende des Kernes benachbart zu der zweiten Rohrplatte, gegenüberliegend zu dem ersten Einspeisungseinlaßbereich des Fluids perforiert, was die Förderung einer Strömung im Gegenstrom unterstützt.
Der Kern kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, welches ausreichende mechanische Festigkeit besitzt, um den gewünschten Träger für das Bündel und die Rohrplatten bereitzustellen. Der Kern kann aus einem Plastikmaterial wie PVC, einem Verbundmaterial oder einem Metall bestehen. Bevorzugt besteht der Kern aus einem Metall, beispielsweise Aluminium oder Stahl.
Der gesamte Membranmodul ist innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Das Gehäuse dient zum Schutz der Außenseite des Membranmoduls vor Beschädigung und zur Aufnahme oder Abdichtung des Membranmoduls vor der äußeren Umgebung. Weiterhin ist das Gehäuse rings um die Rohrplatten in einer solchen Weise angeordnet, daß eine Abdichtung zwischen der ersten Rohrplatte und dem Gehäuse und der zweiten Rohrplatte und dem Gehäuse gebildet wird, so daß Fluid nicht quer zu der oder durch die Abdichtung kommunizieren kann. Auf diese Weise wird die Membranvorrichtung in drei unterschiedliche, nicht kommunizierende Bereiche unterteilt: einen ersten Fluidraum oder -bereich außerhalb der ersten Rohrplatte, welcher bei der die Bohrungsseite der Einspeisung benutzenden Ausführungsform den Einspeisungseinlaßbereich umfaßt, einen zweiten Raum oder Fluidbereich, welcher der Bereich zwischen den Rohrplatten, der außerhalb der Hohlfasermembrane liegt, ist; und einen dritten Raum oder Fluidbereich außerhalb der zweiten Rohrplatte, welcher bei der bohrungsseitigen Einspeisung benutzenden Ausführungsform den Nicht- Permeat-Auslaßbereich umfaßt. Die Abdichtung bzw. Einsiegelung wird durch beliebige Mittel gebildet, welche eine gegenüber dem Fluid dichte Einsiegelung zwischen jeder der Rohrplatten und dem Gehäuse bilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die Rohrplatten direkt an das Gehäuse mit einem Haftmaterial gebunden sein, welches sowohl an der Rohrplatte als auch an dem Gehäuse haftet. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält das Gehäuse eine Lippe oder Verjüngung, gegen welche eine Dichtung wahlweise angeordnet wird, und gegen welche der äußere Umfang der Rohrplattenfläche angrenzend an die Dichtung unter dem Einfluß des während des Betriebs der Vorrichtung ausgeübten hydrostatischen Druckes abgedichtet wird, wobei der Leerraum zwischen der Rohrplatte und dem Gehäuse mit Harz aufgefüllt ist.
Das Gehäuse kann ein beliebiges Material umfassen, welches zum Schutz der Membranvorrichtung vor der Umgebung in der Lage ist. Bei der bohrungsseitige Einspeisung anwendenden Ausführungsform kann das Gehäuse, muß jedoch nicht ein Druckbehälter sein. Bei solchen Ausführungsformen unter Anwendung bohrungsseitigerEinspeisung, bei welchen es erwünscht ist, das Permeatfluid innerhalb des Gehäuses zu sammeln, sollte das Gehäuse im wesentlichen gegenüber dem Permeatfluid undurchlässig sein. Bevorzugt ist das Gehäusematerial ein Kunststoff wie Polyvinylchlorid (PVC), ein Verbundmaterial oder ein Metall. Mehr bevorzugt ist das Gehäusematerial Metall wie Aluminium oder Stahl.
An jedem Ende des Gehäuses sind Endkappeneinrichtungen angeordnet, welche zum Abdichten des Endes des Gehäuses nahe der Rohrplatte ausgelegt sind, um Räume oder Hohlraumbereiche angrenzend an die gegenüberliegenden Flächen der Rohrplatten, welche zu den Hohlfasermembranen zu offen ist, zu bilden. Der Bereich angrenzend an die äußere Fläche der ersten Rohrplatte ist der erste Fluidraum oder -hohlraumbereich. Der Bereich angrenzend an die äußere Fläche der zweiten Rohrplatte ist der dritte Fluidraum oder -hohlraumbereich. Solche Endkappeneinrichtungen sind an dem Gehäuse durch eine Befestigungs- und Dichtungseinrichtung derart befestigt, daß eine Abdichtung gebildet wird, um das Kommunizieren von Fluid zwischen der Außenseite und dem ersten Fluidbereich oder der Außenseite und dem dritten Fluidbereich zu verhindern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Endkappeneinrichtung eine Endplatte, welche durch eine Befestigungseinrichtung an dem Gehäuse befestigt ist. Eine solche Endplatte kann durch ein Verfahren des Anschraubens der Endplatte direkt an das Gehäuse zur Verfügung gestellt werden.
Das Gehäuse kann an ihm angeordnet oder mit ihm verbunden eine Befestigungseinrichtung aufweisen, die zur Befestigung der Endkappeneinrichtung an dem Ende des Gehäuses ausgelegt ist. Jedes Ende des Gehäuses kann ringsum außen einen Flansch aufweisen, an welchen die Endkappeneinrichtung befestigt werden kann. Bei einer Ausführungsform kann der Flansch durch Aufbau der Rohrplatte gebildet werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein getrennter Flansch an der Rohrplatte, dem Gehäuse oder sowohl der Rohrplatte als auch dem Gehäuse befestigt sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein Gleitflansch um das Gehäuse angeordnet sein. Bei einer solchen Ausführungsform wird die Rohrplatte so aufgebaut, daß der Gleitflansch auf der Membranvorrichtung gehalten wird. Die Endkappeneinrichtung wird an dem Flansch, welcher auf der Vorrichtung durch die eingebaute Rohrplatte gehalten wird, befestigt. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Endkappeneinrichtung an dem Gehäuse verlötet oder verschweißt sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine der Endkappeneinrichtungen einen integralen Teil des Gehäuses ausmachen.
Die Membranvorrichtungen dieser Erfindung umfassen weiterhin eine Einspeisungseinlaßeinrichtung. Im allgemeinen ist dies eine Öffnung, eine Düse, ein Fitting oder eine andere Öffnung, welche die Einführung der Mischung von zu trennenden Fluiden in die Vorrichtung erlauben. Bei einer Vorrichtung mit bohrungsseitiger Einspeisung ist die Einspeisungseinlaßeinrichtung an einem Ende der Vorrichtung derart angeordnet, daß die Einspeisung in die Bohrungen der Hohlfasermembrane eingeführt wenden kann. Eine solche Einspeisungseinlaßeinrichtung ist in der Nachbarschaft der gegenüberliegenden (äußeren) Fläche der ersten Rohrplatte angeordnet. Bevorzugt ist die Vorrichtung derart ausgelegt, daß ein erster Raum oder Bereich oder Hohlraum für Fluid vorliegt, d.h. der Einspeisungseinlaßraum oder -bereich, welcher abgedichtet ist, um das Kommunizieren von Fluid mit der Außenseite der Membranvorrichtung oder mit dem Bereich zwischen den Rohrplatten, der außerhalb der Hohlfasermembrane liegt, zu verhindern. Der Einlaßeinspeisungsbereich wird durch die erste Rohrplatte, die erste Endkappeneinrichtung und das Gehäuse begrenzt. Ein solcher Einspeisungseinlaßbereich wirkt als Druckbehälter. Der Einspeisungseinlaßbereich führt die Einspeisungsfluidmischung in einen solchen Bereich ein. Ein solcher Bereich kommuniziert mit einem Ende der Hohlfasermembrane, so daß die aufzutrennende Einspeisungsfluidmischung in die Bohrungen der Hohlfasermembrane ein- und diese hinabfließt. Die Einspeisungseinlaßeinrichtung kann in der ersten Endkappeneinrichtung angeordnet sein. Bei einer mantelseitigen Einspeisungsvorrichtung ist die Einspeisungseinlaßeinrichtung in der Nachbarschaft des zweiten Fluidbereiches außerhalb der Hohlfasern zwischen den Rohrplatten angeordnet. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Einspeisungseinlaßeinrichtung bevorzugt in dem Gehäuse angeordnet.
Die Nicht-Permeat-Auslaßeinrichtung ist ausgelegt, um die Fluide, welche nicht durch die Hohlfasermembrane permeieren, aus der Membranvorrichtung zu entfernen. Bei einer bohrungsseitigen Einspeisungsvorrichtung treten die Fluide, welche nicht durch die Membrane permeieren, aus den Bohrungen der Hohlfasermembrane an dem Ende gegenüberliegend zu dem Ende, an welchem die Einspeisungsfluidmischung eingeführt wird, aus. Bevorzugt treten die austretenden Fluide in einen dritten Fluidraum oder -bereich ein, d.h. den Nicht- Permeat-Auslaßbereich. Ein solcher Raum oder Bereich befindet sich angrenzend an die gegenüberliegende (außenseitige) Fläche der zweiten Rohrplatte, und er ist derart abgedichtet, daß Fluid nicht mit der Außenseite der Membranvorrichtung oder mit dem Bereich zwischen den Rohrplatten, der sich außerhalb der Hohlfasermembrane befindet, kommunizieren kann. Dieser Bereich ist im allgemeinen ein Raum oder Hohlraum, welcher durch die zweite Rohrplatte, das Gehäuse und die zweite Endkappeneinrichtung begrenzt wird. Die Nicht- Permeat-Auslaßeinrichtung ist im allgemeinen eine Öffnung, eine Düse, ein Fitting oder eine andere Öffnung, welche die Entfernung des Nicht-Permeates aus der Vorrichtung ermöglicht. Die Nicht-Permeat-Auslaßeinrichtung kann in der zweiten Endkappeneinrichtung angeordnet sein. Bei einer mantelseitigen Einspeisungsvorrichtung ist die Nicht-Permeat-Auslaßeinrichtung innerhalb der Nachbarschaft des zweiten Fluidbereiches, bevorzugt innerhalb des Gehäuses, angeordnet.
Bei einer bohrungsseitigen Einspeisungseinrichtung ist die Permeat-Auslaßeinrichtung zur Entfernung der Fluide, welche durch die Hohlfasermembrane permeieren, aus dem Bereich zwischen den zwei Rohrplatten, der außerhalb der Hohlfasermembrane liegt, eine Öffnung, eine Düse, ein Fitting oder eine andere Öffnung, welche zum Abziehen des Permeates aus der Mantelseite der Membranvorrichtung ausgelegt ist. Bei einer Ausführungsform ist es bevorzugt, daß die Permeat-Auslaßeinrichtung nahe dem Ende der Membranvorrichtung, zu welchem die Einspeisungsfluidmischung eingeführt wird, angeordnet ist. Eine solche Anordnung der Permeat-Auslaßeinrichtung ergibt einen Fluß der Einspeisungsfluidmischung im Gegenstrom zu dem Fluß des Permeat-Fluids, was den Konzentrationsgradienten längs der Hohlfasermembrane verstärkt, wodurch die Gewinnung und Produktivität der Membranvorrichtung verbessert wird. Bei einer Vorrichtung mit mantelseitiger Einspeisung ist die Permeat-Auslaßeinrichtung in der Nachbarschaft des ersten Fluidbereiches und/oder des dritten Fluidbereiches außerhalb von der ersten bzw. zweiten Rohrplatten angeordnet. Solche Permeat-Auslaßeinrichtungen sind bevorzugt in den Endkappeneinrichtungen angeordnet.
Bei der Ausführungsform unter Anwendung bohrungsseitiger Einspeisung enthält die Membranvorrichtung dieser Erfindung wahlweise Einrichtungen zum Kanalisieren des Flusses. Solche wahlweisen Einrichtungen zum Kanalisieren des Flusses oder Ablenkplatten sind angeordnet, um den Fluß von Permeat in einer Längsrichtung parallel zu dem Kern zu der Permeat- Auslaßeinrichtung zu kanalisieren. Die wahlweisen Einrichtungen zum Kanalisieren von Fluß wirken daher zur Verstärkung des Gegenströmungsflusses der zu trennenden Einspeisungsfluidmischung die Bohrungen der Hohlfasern hinab in bezug auf den Fluß des Permeat-Fluids und, falls vorhanden des Spülfluids.
Solche Membranvorrichtungen dieser Erfindung können eine oder mehrere wahlweise Mittel zum Kanalisieren des Flusses von Permeat enthalten. Bevorzugt schließt eine Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses das Äußere des Hohlfaserbündels ein, und sie hat ihr erstes Ende an der zweiten Rohrplatte befestigt oder hierin eingebettet, so daß Permeat-Fluid die Vorrichtung nicht nahe bei der zweiten Rohrplatte verlassen kann; das zweite Ende dieser äußeren Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses ist in einem Abstand von der ersten Rohrplatte angeordnet, wobei der Abstand zwischen dem zweiten Ende der Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses und der ersten Rohrplatte ausreichend ist, um Permeat-Fluid und Spülfluid, falls vorhanden, durch die Permeat-Auslaßeinrichtung, wobei ein solcher Fluß nahe bei der ersten Rohrplatte erfolgt, abzuziehen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann eine wahlweise Einrichtung zum Kanalisieren von Fluß in beiden Rohrplatten eingebettet sein. Bei einer solchen Ausführungsform ist irgendein Mittel vorgesehen, um den Fluß von Permeat-Fluid von der Außenseite des Hohlfaserbündels zum Austritt aus der Vorrichtung über die Permeat-Auslaßeinrichtung in der Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses zu ermöglichen. Bevorzugt sind die Mittel zur Ermöglichung des Flusses von Fluid zu der Permeat-Auslaßeinrichtung bei einer solchen Ausführungsform Bohrungen oder Perforationen in den Kanalisierungseinrichtungen für den Fluß. Solche Bohrungen oder Perforationen sind nahe dem in der ersten Rohrplatte eingebetteten Ende angebracht.
Eine oder mehrere wahlweise Einrichtungen zum Kanalisieren von Fluß können innerhalb des Inneren des Hohlfaserbündels angeordnet sein. Das erste Ende solcher inneren Einrichtungen zum Kanalisieren von Fluß ist nahe der zweiten Rohrplatte derart angeordnet, daß der Abstand zwischen der zweiten Rohrplatte und der inneren Einrichtung zum Kanalisieren von Fluß ausreicht, damit Permeat-Fluid und, falls vorhanden, Spülfluid in die Strömungskanäle, welche durch die inneren Einrichtungen zum Kanalisieren des Flusses gebildet werden, strömen kann. Das zweite Ende einer solchen inneren Einrichtung zum Kanalisieren von Fluß ist nahe bei der ersten Rohrplatte angeordnet, wobei der Abstand zwischen dem zweiten Ende und der ersten Rohrplatte ausreicht, um die Permeat-Strömung und, falls vorhanden, das Spülfluid durch die Permeat-Auslaßeinrichtung abzuziehen. Solche innere Einrichtungen zum Kanalisieren von Fluß wirken dahin, den Gegenstromfluß durch die Vorrichtung aufrechtzuerhalten und die Permeat-Konzentration innerhalb der Vorrichtung zu steuern. Bei der Ausführungsform, bei welcher kein Spülfluid eingesetzt wird, haben solche wahlweisen inneren Einrichtungen zum Kanalisieren von Fluß bevorzugt ein erstes Ende in der zweiten Rohrplatte eingebettet, und das zweite Ende ist in einem Abstand von der ersten Rohrplatte angeordnet, wobei dieser Abstand zwischen dem Ende der inneren Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses und der ersten Rohrplatte ausreichend ist, um das Permeat-Fluid, welches längs der inneren Einrichtung zum Kanalisieren von Fluß strömt, durch die Permeat-Auslaßeinrichtung abzuziehen. Solche wahlweisen inneren Einrichtungen zum Kanalisieren von Fluß wirken dahin, das Permeat-Fluid zwangsweise in einer Richtung im Gegenstrom zu der Richtung strömen zu lassen, in welcher die Einspeisungsfluidmischung die Bohrungen der Hohlfasermembrane hinabströmt. Ein solcher Gegenstromfluß ergibt eine Reduzierung der Konzentration des Permeat-Fluids in dem Bereich am nächsten zur zweiten Rohrplatte, so daß der Konzentrationsgradient über einen größeren Teil der Länge der Membranvorrichtung auf einem Maximum gehalten wird.
Bei der Ausführungsform, bei welcher ein Spülfluid in das Hohlfaserbündel über den Kern eingeführt wird, wird es bevorzugt, wenigstens zwei Einrichtungen zum Kanalisieren von Permeat-Fluß vorliegen zu haben.
Der tatsächliche Abstand zwischen dem Ende der Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses und der ersten Rohrplatte ist nicht kritisch, vorausgesetzt ausreichend Abstand ist zwischen dem Ende der Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses und den Rohrplatten vorhanden, um das Abziehen des permeierenden Gases durch die Permeat-Auslaßeinrichtung zu ermöglichen. Dies ergibt eine verbesserte Gewinnung und Produktivität für die Vorrichtung unter Verwendung bohrungsseitiger Einspeisung.
Die Einrichtungen zum Kanalisieren von Fluß können bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Reihe von im wesentlichen undurchlässigen Ablenkplatten oder Hüllen umfassen. Solche Ablenkplatten bestehen bevorzugt aus flexiblen Materialien, welche im wesentlichen gegenüber den zu trennenden Fluiden undurchlässig sind. Beispiele von geeigneten undurchlässigen Materialien für Ablenkplatten sind MYLAR Polyesterfolie, erhältlich von ICI, und SARAN Polyvinylidenchlorid-Kunststoffolie, erhältlich von The Dow Chemical Company. Solche Ablenkplatten können als konzentrische Rohre parallel zum Kern angeordnet sein. Wahlweise können solche Ablenkplatten in einer spiralförmigen Weise beginnend an dem Kern und endend nahe bei oder an der Außenseite des Bündels geformt sein. Die Anzahl von Ablenkplatten, welche vorhanden sein können, ist diejenige Anzahl, die ein ausreichendes Kanalisieren des Permeat-Fluids zur Aufrechterhaltung einer Strömung im wesentlichen in Gegenstrom ergibt. Die Anzahl von eingesetzten Ablenkplatten hängt daher vom Bündeldurchmesser, dem Packungsfaktor der Hohlfasermembrane in dem Bündel und der Bündellänge ab. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Ablenkplatten bevorzugt in Abständen, gemessen längs des Bündeldurchmessers von dem Kern, von zwischen 1/4 bis 2 Zoll (0,6 bis 5,1 cm), mehr bevorzugt 3/4 bis 1 1/2 Zoll (1,9 bis 3,8 cm), noch mehr bevorzugt 3/4 bis 1 1/4 (1,9 bis 3,2 cm) angeordnet. Die Länge der Ablenkplatte sollte ausreichend sein, um eine Strömung im Gegenstrom längs einem größeren Abschnitt der Länge der Hohlfasermembrane zu fördern. Die Ablenkplatten erstrecken sich bevorzugt längs der Länge des Bündels zwischen den Rohrplatten zwischen 50 und 95%, mehr bevorzugt zwischen 75 und 95%, noch mehr bevorzugt zwischen 80 und 90%.
Wahlweise kann die Vorrichtung eine getrennte Trageinrichtung für die Rohrplatte enthalten, welche eine Einrichtung umfaßt, welche zum Tragen der äußeren Kante der Rohrplatten und zur Verhinderung oder Reduzierung von Spannungen als Folge des Biegens und der Kompression als Ergebnis des Unterdrucksetzens der Außenflächen der Rohrplatten wirkt. Die Trageinrichtung für die Rohrplatten ist bevorzugt ein Zylinder, welche den äußeren Abschnitt des Hohlfaserbündels umgibt und an der Rohrplatte mit einem Harz befestigt ist. Ein beliebiges Harz, welches die Rohrplatte mit dem Rohrplattenträger verklebt und einen ausreichenden Modul hat, um die Verklebung unter normalen Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, ist zur Bildung einer solchen Verbindung brauchbar. Zu den Harzen, welche zur Bildung einer solchen Verbindung eingesetzt werden können, gehören die Harze, welche zur Bildung der Rohrplatten verwendet werden können. Die Trägereinrichtung kann einen Teil der Rohrplatte umgeben und hieran gebunden sein, oder die Trägereinrichtung kann in einer Rohrplatte, welche rings um die Trägereinrichtung aufgebaut ist, eingebettet sein. Die Trägereinrichtung für die Rohrplatte kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, welches ausreichende Tragfähigkeit ergibt, um die Kompressionsspannungen und die Biegespannungen auf die Rohrplatte zu verhindern oder zu reduzieren und das Zusammenfallen der Rohrplatten aufeinander zu vermeiden. Solche Materialien schließen Kunststoffe mit hoher Festigkeit wie PVC, Verbundmaterialien und Metalle ein; Metalle sind bevorzugt. Beispiele von Metallen, welche verwendet werden können, schließen Aluminium oder Stahl ein. Die Trägereinrichtung für die Rohrplatte enthält eine oder mehrere Durchlässe oder Öffnungen, damit das Permeat-Fluid die Membranvorrichtung verlassen kann.
Wahlweise kann ein Material, welches zur Isolierung der Membranvorrichtung wirkt und/oder schockabsorbierend ist, innerhalb des Gehäuses auf der Außenseite des Hohlfaserbündels in dem Bereich zwischen den zwei Rohrplatten angeordnet werden. Ein solches Material schließt Polyurethanschaum und dichtgepackte Schaumperlen ein. Das Material bedeckt im allgemeinen einen Abschnitt der Außenseite des Hohlfasermembranbündels, wobei sich dieser Abschnitt von der zweiten Rohrplatte längs der Länge des Hohlfasermembranbündels zu der ersten Rohrplatte erstreckt und kurz von der ersten Rohrplatte derart endet, daß eine ausreichende Öffnung existiert, damit Permeat-Fluid und, falls vorhanden, Spülfluid durch die Öffnung zu der Permeat-Auslaßeinrichtung strömen können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wirkt das isolierende und/oder schockabsorbierende Material ebenfalls als äußere Einrichtung zur Kanalisierung des Flusses.
Die Hohlfasermembranbündel dieser Erfindung können unter auf dem Fachgebiet wohlbekannten Verfahrensweisen aufgebaut werden. Im allgemeinen werden bei der Herstellung von Hohlfasermembranbündeln die Hohlfasermembrane zu einem Bündel mit einer geeigneten Gestalt für die Vorrichtungskonstruktion geformt. Bevorzugte Bündelanordnungen schließen das parallele Ablegen von Fasern oder das schräggeschnittene Ablegen der Fasern ein. Die Rohrplatten können an den Enden des Bündels gleichzeitig mit dem Ablegen der Fasern gebildet werden, beispielsweise durch Auftropfen von Harz längs der Fasern, wenn die Fasern abgelegt werden. Alternativ kann das Bündel geformt werden, und dann können die Rohrplatten an jedem Ende des Bündels durch Arbeitsweisen des Schleudergießens oder Vergießens durch Eintauchen, wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt, gebildet werden. Bei solchen Ausführungsformen, bei denen der Aufbau der Rohrplatten bis zu einem Umfang größer als der Umfang des Hohlfaserbündels erwünscht ist, kann die folgende Arbeitsweise angewandt werden. Wenn die Rohrplatten nach der Bildung des Bündels geformt werden, schließt das Gießen oder die Eintauchtechnik die Verwendung geeigneter Formen zur Bildung von Rohrplatten mit größeren Umfängen ein. Bei der Ausführungsform, bei welcher die Rohrplatte gebildet wird, wenn die Fasern abgelegt werden, kann die Rohrplatte, sobald alle Fasern abgelegt wurden, nach einer Vielzahl von Methoden aufgebaut werden. Eine solche Methode ist die Fortführung des Umwickelns von Harz und imprägniertem Gewebe rings um das Ende der Rohrplatten oder des Umfanges der Rohrplatten und die Zufuhr von weiterem Harz, so daß die Rohrplatten aufgebaut werden; danach wird das Harz ausgehärtet.
Die wahlweisen Einrichtungen zur Kanalisierung von Fluß, d.h. bevorzugt die Ablenkplatten, werden in das Hohlfaserbündel während der Herstellung des Bündels eingeführt. Falls die Ablenkplatten in spiraliger Konfiguration oder einer Konfiguration während des Aufwickelns angeordnet werden, werden die Ablenkplatten rings um die Fasern, wenn die Fasern abgelegt werden, angeordnet. Falls alternativ die Ablenkplatten in einer konzentrischen Zylinderanordnung vorliegen, wird eine Ablenkplatte, nachdem ein Anteil der Fasern abgelegt wurde, über den Fasern angeordnet, und weitere Faserschichten werden abgelegt, bis die nächste Ablenkplatte über den Fasern angeordnet wird; diese Arbeitsweise wird fortgeführt, bis die Vorrichtung vervollständigt ist.
Wenn das Hohlfaserbündel, die Rohrplatten und die Ablenkplatten zusammengebaut worden sind, wird die wahlweise Trägereinrichtung für die Rohrplatten um die Außenseite des Hohlfaserbündels angeordnet und entweder an der Rohrplatte unter Verwendung eines Harzes befestigt, oder die Rohrplatte wird rings um das Ende der Trägereinrichtung für die Rohrplatte aufgebaut. Bei einer Ausführungsform, bei welcher die Trägereinrichtung für die Rohrplatte mit der Rohrplatte verbunden ist, wird die folgende Arbeitsweise angewandt. Mit der Trägereinrichtung für die Rohrplatte am Ende werden die Rohrplatten und das Hohlfaserbündel in die Trägereinrichtung für die Rohrplatte eingesetzt, wobei die Rohrplatte an einem Ende hiervon zuvor aufgebaut wurde und bearbeitet wurde, um eine Schulter zu bilden, gegen welche die Trägereinrichtung für die Rohrplatte an diesem Ende aufgesetzt wird. Die Rohrplatte wird dann wahlweise rings um den Rohrplattenträger aufgebaut, bevor der Modul innerhalb des Gehäuses, wie im folgenden beschrieben, eingesiegelt wird.
Die Rohrplatten können innerhalb der Trägereinrichtung für die Rohrplatte eingegossen und angeordnet werden, wobei die Rohrplatte gebildet und die Verklebung zwischen der Rohrplatte und der Trägereinrichtung für die Rohrplatte in einer einzigen Stufe gebildet wird. Sobald die Trägereinrichtung für die Rohrplatte an der Rohrplatte befestigt ist, wird eine Befestigungseinrichtung an der Trägereinrichtung für die Rohrplatte, der Rohrplatte oder beiden befestigt, welche zur Befestigung der Endkappeneinrichtung hieran ausgelegt ist. Bei einer Ausführungsform ist ein Flansch an der Trägereinrichtung für die Rohrplatte angeschweißt oder mit der Rohrplatte über ein Harz verklebt oder beides. Danach werden die Endkappeneinrichtungen an einem solchen Flansch befestigt. Erforderlichenfalls werden Dichtungen zwischen dem Flansch an der Rohrplatte und der Endkappeneinrichtung angeordnet, um eine fluiddichte Abdichtung sicherzustellen. Alternativ können Gleitflansche verwendet werden, wie zuvor beschrieben.
Zum Einsiegeln des Hohlfasermembranmoduls innerhalb des Gehäuses wird zunächst das Gehäuse mit der schützenden unteren und ein Ende überkappenden Einrichtung zusammengebaut, und es wird in einer im wesentlichen senkrechten Stellung angeordnet. Der Hohlfasermembrantrennmodul, welcher, wie zuvor beschrieben, vorfabriziert wurde, wird dann innerhalb des Gehäuses angeordnet und in einer im wesentlichen festen Position durch geeignete Einrichtungen gehalten. Danach wird ein Harz durch eine Öffnung am Boden des Gehäuses oder der unteren Endkappe in den inneren Bereich zwischen der Innenwandoberfläche des Gehäuses und der äußeren Oberfläche der Rohrplatte injiziert, wobei das Harz in einer ausreichenden Menge injiziert wird, um im wesentlichen den Bereich in dem Gehäuse derart aufzufüllen, daß das Harz einen wesentlichen Anteil der Rohrplatte umschließt, wobei ein Raum oder ein Hohlraum über den offenen Faserenden der Rohrplatte überliegend beibehalten wird.
Das Harz wird dann aushärten gelassen. Danach wird die Stellung des Gehäuses umgedreht, und der Prozeß wird wiederholt. Das heißt, daß der Anteil des Gehäuses, der ursprünglich an der Oberseite lag, nun an dem Boden positioniert ist, und es wird ein Harz durch eine Öffnung an dem neuen Boden des Gehäuses oder der Endkappe in den inneren Bereich zwischen der Innenwandoberfläche des Gehäuses und der äußeren Oberfläche der Rohrplatte injiziert, wobei das Harz in einer ausreichenden Menge injiziert wird, um den Bereich in dem Gehäuse im wesentlichen aufzufüllen, so daß dieses Harz einen wesentlichen Anteil der Rohrplatte einschließt. Danach wird das Harz aushärten gelassen.
Nachdem das Harz an beiden Enden der Vorrichtung ausgehärtet ist, wird eine Öffnung, beispielsweise durch Bohren durch wenigstens eine der Öffnungen, durch welche das Harz ursprünglich injiziert wurde, hergestellt, so daß ein Kommunizieren von dem Äußeren des Gehäuses zu den inneren Räumen oder Bereichen, welche über den Flächen der Hohlfasern liegen, erhalten wird, durch welche Fluid eingeführt oder abgezogen werden kann.
Das Verfahren der Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die Fig. 1-7 erläutert; die Hohlfasern sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. In der Fig. 5 ist das Hohlfaserbündel 10, welches wahlweise Ablenkplatten 11 enthält, mit Rohrplatten 14 und 15 um einen mit Stopfen versehenen Kern 12 gebildet, so daß dieses einen Hohlfasermembranmodul umfaßt. Der Hohlfasermembranmodul schließt Rohrplatten-Schutzkappen ein, welche die Raum- oder Hohlraumbereiche 19, 20, welche über den offenen Enden der Hohlfasern liegen, begrenzen und schützen. Die Bezugsziffern "19" und "20" werden in den Figuren benutzt, um entweder die Rohrplatten-Schutzkappe oder den hierdurch begrenzten Raum oder Hohlraum angrenzend an die erste bzw. zweite Rohrplatte zu bezeichnen.
Der Modul wird senkrecht in das eine integrale Endkappe 18 enthaltende Gehäuse 16, in welchem eine Öffnung 22 angebracht ist, eingesetzt, so daß das Ende des die Rohrplatte 15 und die über dem Raum 20 liegende Rohrplatten-Schutzkappe 18 am Boden des senkrecht gestellten Gehäuses 16 angeordnet sind. Harz wird in den zwischen der inneren Oberfläche des Gehäuses 16 und den äußeren Oberflächen der Rohrplatten- Schutzkappe 20 und der Rohrplatte 15 gebildeten Bereich injiziert. Nachdem das Harz ausgehärtet ist, wird die Stellung des Gehäuses 16 umgedreht, und die Arbeitsweise kann wiederholt werden. Die Endkappe 17 ist an ihrem Ort mittels Schrauben 24 über der Rohrplatten-Schutzkappe 19 befestigt. Die Endkappe 17 enthält eine Öffnung 21, in welche Harz injiziert wird. Die Öffnungen 21 und 22, gefüllt mit Harz, werden durchbohrt und es wird in die Rohrplatten-Schutzkappen 19 und 20 eingebohrt, damit die Einführung von Fluid hierin oder das Abziehen hiervon möglich wird.
Die Fig. 6A und 7A sind vergrößerte Ansichten der Enden der Vorrichtung von Fig. 5, welche die Abdichtungsmittel von Fig.5 erläutern.
Die Fig. 6B und 7B sind vergrößerte Ansichten der Enden einer Membranvorrichtung dieser Erfindung, welche für ein mantelseitiges Spülfluid ausgelegt ist und alternierende Abdichtmittel besitzt. Wie in der Diskussion zuvor in bezug auf das Strömenlassen eines Spülfluids auf der Außenseite der Hohlfasern angegeben wurde, kann der Kern 12 perforiert sein (solche Perforationen sind in den Figuren nicht gezeigt). Das Spülfluid kann durch den Kern 12 mittels Öffnungen 23, 25 an einem oder beiden Enden eingeführt werden, wobei die Mischung von Permeat und Spülfluid aus dem Fitting auf dem Gehäuse (16) nahe der ersten Rohrplatte (14) abgezogen wird. Andere Strömungsanordnungen können, falls gewünscht, benutzt werden.
Das Verfahren dieser Erfindung ermöglicht den Aufbau einer Anordnung einer Membrantrenneinheit, bei welcher der Membranmodul mit der inneren Wandoberfläche des Gehäuses, innerhalb dessen er angeordnet ist, verbunden ist, wodurch eine für Fluid dichte Einsiegelung zwischen solchen Bereichen, durch welche das Fluid durchtritt, bereitgestellt wird, ohne Möglichkeit der Vermischung von Fluid zwischen den Bereichen.
Das Einspeisungsfluid kann auf der Schlauchseite oder Mantelseite der Hohlfasermembrantrennvorrichtung eingeführt werden. Bevorzugt wird das Einspeisungsfluid die Bohrungen der Hohlfasern hinab eingeführt. Die Vorrichtungseinheit kann unter einer Vielzahl von mantelseitigen Strömungskonfigurationen einschließlich Fluß im Gleichstrom, Fluß im Gegenstrom und radialem Fluß betrieben werden.
Bei der bohrungsseitigen Einspeisung benutztenden Ausführungsform, bei welcher ein Spülfluid verwendet wird, kann das Spülfluid ein beliebiges Fluid sein, welches die Entfernung des Permeat-Fluids aus der Mantelseite der Membranvorrichtung unterstützt. Das Spülfluid kann eine Flüssigkeit, ein Dampf oder ein Gas sein. Bei einer Gastrennung oder einer Membranabstreiftrennung ist das Spülfluid bevorzugt ein Gas. Bevorzugte Spülgase schließen Luft, Stickstoff und dergl. ein.
Die Betriebstemperatur und der Betriebsdruck der Vorrichtung hängt von dem verwendeten Membrantyp und der angewandten Membrantrennmethode ab. Die Betriebstemperatur sollte unterhalb der Temperatur liegen, bei welcher die Membranintegrität in negativer Weise beeinträchtigt wird, d.h. unterhalb des Erweichungs- oder Schmelzpunktes des Polymeren, aus welchem die Membrane hergestellt sind. Die Betriebstemperatur beträgt bevorzugt weniger als 95ºC, mehr bevorzugt weniger als 60ºC. Der Betrieb bei Umgebungstemperaturen ist oft geeignet. Der Betriebsdruck sollte ausreichend sein, um das zu behandelnde Fluid umzupumpen, jedoch unterhalb des Berstdruckes oder Zusammenfalldruckes der Hohlfasern, was von der angewandten Einspeisungsweise abhängt. Die Berst- und Zusammenfalldrücke hängen von dem Membranmaterial und der Fasergröße ab. Bevorzugt beträgt der Betriebsdruck weniger als 2000 psig (13 891 kPa absolut) im Fall der mantelseitigen Einspeisung, und bevorzugt weniger als 100 psig (791 kPa absolut) im Fall der bohrungsseitigen Einspeisung.
Die Erfindung ist unter Bezug auf das folgende Beispiel vollständiger verständlich, wobei dieses die Erfindung erläutert, aber nicht beschränken soll.

Beispiel 1

Ein Hohlfasermembrantrennmodul wird aufgebaut, der einen rohrförmigen zentralen Kern umfaßt, welcher von einer Vielzahl von semipermeablen Hohlfasern umgeben ist, extrudiert aus Tetrabrombisphenol-A-polycarbonat entsprechend der in der US-A-4 772 392 beschriebenen Methode. Die Fasern werden parallel zu dem zentralen Kern angeordnet, so daß sie eine längliche zylindrische Vorrichtung bilden. Jedes Ende der Vorrichtung wird in einem Epoxyharz eingegossen, um Rohrplatten bereitzustellen, welche die Hohlfasern an Ort und Stelle halten. Eine Rohrplatten-Schutzkappe wird über der offenen Fläche jeder der Rohrplatten an jedem Ende des Moduls angeordnet, und der Modul wird in ein rohrartiges Gehäuses, das an einem Ende durch eine Endkappe geschlossen ist, eingesetzt. Das rohrartige Gehäuse hat eine Öffnung an der Seite hiervon, durch welche Fluid eingeführt oder abgezogen werden kann, und eine Öffnung an jedem Ende, welche mit dem Raum oder dem Bereich kommuniziert, der durch die Schutzkappen über den jeweiligen Enden der Hohlfasermembrantrennvorrichtung gebildet werden.
Das Gehäuse wird dann in einer im wesentlichen senkrechten Stellung angeordnet und Harz wird durch die Öffnung in dem Boden des Gehäuses in einer ausreichenden Menge eingeführt, um den Bereich zwischen der äußeren Oberfläche der Rohrplatte und der inneren Wand des Gehäuses bis zu einer Höhe aufzufüllen, welche annähernd gleich der nach innen gerichteten Fläche der Rohrplatte ist. Das Harz wird dann aushärten gelassen.
Danach wird das Gehäuse umgedreht, wobei der Abschnitt, welcher ursprünglich am Boden lag, nun an der Oberseite liegt, und der Abschnitt, welcher ursprünglich das Oberteil bildete, nun an der Unterseite positioniert ist.
Danach wird Harz durch die nun an dem Boden des Gehäuses positionierte Öffnung in einer ausreichenden Menge eingeführt, um den verfügbaren Raum zwischen der äußeren Oberfläche der Rohrplatte und der inneren Wand des Gehäuses, in welchem der Membranmodul angeordnet ist, bis zu einer Höhe aufzufüllen, welche mit der Höhe der nach innen gerichteten Fläche der Rohrplatte äquivalent ist. Das Harz wird dann aushärten gelassen.
Danach werden die Öffnungen an jedem Ende der Membranvorrichtung, durch welche das Harz eingeführt wurde, und welche nun ausgehärtetes Harz enthalten, wieder bis zu einer Tiefe aufgebaut, durch welche die über den offenen Flächen der Hohlfasern liegende Schutzkappe und die nach außen gerichtete Fläche der Rohrplatte an jedem Ende durchdrungen wird.
Auf diese Weise wird eine Einrichtung bereitgestellt, um Fluide durch diese jeweiligen wieder aufgebohrten Öffnungen in den Bereich einzuführen oder hieraus abzuziehen, der durch die Schutzabdeckungen über den Flächen der Rohrplatten gegeben ist. Dies ermöglicht, daß Gase oder Flüssigkeiten in die Hohlfasermembrane eingeführt oder hieraus abgezogen werden können.

Claims

1. Verfahren zum Einsiegeln eines Hohlfasermembrantrennmoduls in ein Gehäuse (16), bei welchem der Hohlfasermembrantrennmodul eine Vielzahl von Hohlfasern, die in einem einen Kern (12) umgebenden Bündel (10) angeordnet sind, und jedes Ende des Bündels umgebende Rohrplatten (14, 15), welche die Hohlfasern zusammenbinden, umfaßt, wobei das Verfahren gekennzeichnet, ist durch die Stufen:

A. Anordnen des Hohlfasertrennmoduls innerhalb eines Gehäuses (16), während sich das Gehäuse in einer praktisch senkrechten Stellung befindet;

B. Einführen eines Harzes durch eine Öffnung (21) am Boden in das erste Ende des Gehäuses in einer ausreichenden Menge zum im wesentlichen Auffüllen des Bereiches angrenzend an dieses Ende zwischen dem Inneren des Gehäuses (16) und erster Rohrplatte (14), während ein Raum oder Hohlraum (19), der über den offenen Enden dieser Hohlfasern bei dieser ersten Rohrplatte (14) liegt, beibehalten wird;

C. Aushärten des Harzes;

D. Umkehren der Stellung des Gehäuses;

E. Einführen eines Harzes durch eine Öffnung (22) in das zweite Ende des Gehäuses (16) in einer ausreichenden Menge zum Auffüllen des Bereiches angrenzend an dieses Ende zwischen dem Inneren des Gehäuses (16) und zweiter Rohrplatte (15), während ein Raum oder Hohlraum (20), der über den offenen Enden dieser Hohlfasern bei dieser zweiten Rohrplatte (15) liegt, beibehalten wird;

F. Aushärten des Harzes; und

G. erneutes Anbringen von Öffnungen (21, 22) an jedem Ende des Gehäuses (16) durch das ausgehärtete Harz, die in die Zwischenräume (19, 20), welche über den Enden der Hohlfasern liegen, eindringen, wodurch Strömungspfade zum Einführen und/oder Abziehen von Fluiden durch diesen Hohlfasermembrantrennmodul bereitgestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Hohlfasertrennmodul umfaßt:

A. eine Vielzahl von Hohlfasermembranen, die in einem Bündel (10) angeordnet sind und zur Trennung von einem oder mehreren Fluid/en aus einer Fluideinspeisungsmischung ausgelegt sind;

B. eine erste Rohrplatte (14), gebildet aus einem hitzehärtbaren oder thermoplastischen polymeren Material, angeordnet an einem ersten Ende des Bündels (10), wobei diese in der ersten Rohrplatte eingebetteten Hohlfasermembrane durch die erste Rohrplatte kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Fläche der ersten Rohrplatte offen sind;

C. eine zweite Rohrplatte (15), gebildet aus einem hitzehärtbaren oder thermoplastischen polymeren Material, angeordnet an dem zweiten Ende des Bündels (10) gegenüber dem ersten Ende des Bündels, wobei diese in der zweiten Rohrplatte eingebetteten Hohlfasermembrane durch die zweite Rohrplatte kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Fläche der zweiten Rohrplatte offen sind;

D. einen Kern (12), um welchen das Hohlfasermembranbündel geformt ist, weiter so angeordnet, daß sich der Kern (12) hierdurch erstreckt und an der ersten Rohrplatte (14) und der zweiten Rohrplatte (15) befestigt ist; und

E. Einrichtungen (11) zum Kanalisieren von Fluid, das durch die Hohlfasermembrane zu dem Bereich zwischen den zwei Rohrplatten permeiert und außerhalb der Hohlfasermembrane ist, wobei diese Einrichtungen diesen Fluß in Längsrichtung parallel zu dem Kern kanalisieren, wobei diese Kanalisierungseinrichtungen ein Ende aufweisen, das in oder an der zweiten Rohrplatte (15) eingebettet oder befestigt ist, und das gegenüberliegende Ende in einem ausreichenden Abstand von der ersten Rohrplatte (14) angeordnet ist, um dieses Fluid aus diesem Modul abzuziehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin dieser Kern (12) perforiert ist, um ein Spülfluid in den Abschnitt des Moduls zwischen der ersten und zweiten Rohrplatte, der außerhalb der Hohlfasermembrane ist, einzuführen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, worin die Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses umfaßt:

eine äußere Ablenkplatte (11), welche das Äußere des Hohlfaserbündels (10) einschließt, wobei das erste Ende dieser Ablenkplatte (11) in oder an der zweiten Rohrplatte (15) eingebettet oder befestigt ist, und das gegenüberliegende Ende dieser Ablenkplatte in einem ausreichenden Abstand von der ersten Rohrplatte (14) angeordnet ist, um das Abziehen des Permeat-Fluids zu erlauben; und

wenigstens eine innere Ablenkplatte (11) im Inneren des Hohlfaserbündels, wobei das erste Ende dieser inneren Ablenkplatte nahe der ersten Rohrplatte (14) in einem ausreichenden Abstand hiervon angeordnet ist, um das Abziehen des Permeat-Fluids aus diesem Modul zu erlauben, und das zweite Ende dieser Ablenkplatte an dieser zweiten Rohrplatte (15) befestigt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Hohlfasermembrane einen dichten Diskrimierungsbereich aufweisen, der ein oder mehrere Fluid/e von einem oder mehreren anderen Fluid/en trennt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, worin die Hohlfasermembrane wenigstens ein Polysulfon, Polyethersulfon, Polyimid, Polestercarbonat oder Polycarbonat umfassen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Membrane mikroporös sind und wenigstens ein Polyolefin, fluoriertes Polyolefin, Polystyrol, Polyetherketon oder Polyetheretherketon umfassen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin dieses Polyolefin Polyethylen, Polypropylen oder Poly-4-methylpenten ist.

9. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Einrichtung zum Kanalisieren des Flusses undurchlässige Ablenkplatten umfassen, welche sich über 50 bis 95 % der Bündellänge zwischen den zwei Ablenkplatten erstrecken.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Hohlfasermembranbündel schrägschnittig gewickelt oder parallel gewickelt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, worin dieses Harz zum Auffüllen der Bereiche zwischen dem Gehäuse und den Rohrplatten ein Epoxyharz oder ein Polyurethanharz umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 2, worin der Kern (12) ausgelegt ist, Fluid, das nicht durch die Hohlfasermembrane in der Nachbarschaft der zweiten Rohrplatte permeiert, zu der Nachbarschaft der ersten Rohrplatte rückzuführen.

13. Fluidtrennvorrichtung, umfassend:

B. eine erste Rohrplatte (14), gebildet aus einem hitzehärtbaren oder thermoplastischen polymeren Material an dem ersten Ende des Bündels, wobei diese in der ersten Rohrplatte eingebetteten Hohlfasermembrane durch diese Rohrplatte (14) kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Fläche dieser Rohrplatte (14) offen sind;

C. eine zweite Rohrplatte (15), gebildet aus einem hitzehärtbaren oder thermoplastischen polymeren Material an dem zweiten Ende des Bündels gegenüber dem ersten Ende, wobei diese in der zweiten Rohrplatte (15) eingebetteten Hohlfasermembrane durch diese zweite Rohrplatte (15) kommunizieren und auf der gegenüberliegenden Fläche dieser Rohrplatte (15) offen sind;

D. einen Kern (12), um welchen das Hohlfasermembranbündel (10) geformt ist, weiter so angeordnet, daß sich der Kern (12) hierdurch erstreckt und an der ersten Rohrplatte (14) und der zweiten Rohrplatte (15) befestigt ist;

E. einen Rohrplatten-Tragzylinder, der das Bündel umgibt, worin ein erstes Ende an die erste Rohrplatte (14) gebunden oder hierin eingebettet ist und ein zweites Ende an der zweiten Rohrplatte (15) gebunden oder hierin eingebettet ist;

F. einen Einspeisungseinlaß (21) zum Einführen einer Einspeisungsmischung von zu trennenden Fluiden in die Bohrungen der Hohlfasermembrane durch Inkontaktbringen der Einspeisungsmischung mit den Hohlfasermembranen an der gegenüberliegenden Fläche der ersten Rohrplatte;

G. einen Einspeisungseinlaßraum oder -bereich (19) angrenzend an die gegenüberliegende Fläche der ersten Rohrplatte (14), ausgelegt zur Bildung eines Hohlraumes, in welchen die Einspeisungseinlaßeinrichtung die Einspeisungsmischung einführt, wobei der Bereich so abgedichtet ist, daß Fluid in den Bereich nur durch den Einspeisungseinlaßbereich oder die Hohlfasern eintreten oder den Bereich verlassen kann, und wobei der Einspeisungseinlaß so angeordnet ist, die Einspeisungsfluidmischung in die Bohrungen der Hohlfasermembrane einzuführen;

H. einen Nicht-Permeat-Auslaß (22) zur Entfernung der Fluide, welche nicht durch die Hohlfasermembrane aus der Bohrung der Hohlfasermembrane permeieren, an der gegenüberliegenden Fläche der zweiten Rohrplatte;

I. einen Nicht-Permeat-Auslaßraum oder -bereich angrenzend an die gegenüberliegende Fläche der zweiten Rohrplatte (15), ausgelegt zur Bildung eines Hohlraumes, in welchen die Hohlfasermembrane Fluide einführen, welche nicht durch die Membran permeieren, und aus welchem der Nicht-Permeat-Auslaß die nicht permeierten Fluide aus dem Modul entfernt, wobei der Nicht-Permeat-Auslaßbereich derart abgedichtet ist, daß Fluid in den Bereich nur durch die Hohlfasermembrane oder die Nicht- Permeat-Auslaßeinrichtung eintreten oder den Bereich verlassen kann;

J. ein Gehäuse (16), das zum Einfassen der gesamten Hohlfasermembranbündels und der zwei Rohrplatten ausgelegt ist;

K. eine Öffnung in dem Gehäuse (16) und Rohrplatten-Tragzylinder zur Entfernung der Fluide, welche durch die Hohlfasermembrane permeieren, aus der Nachbarschaft der Hohlfasermembrane;

L. Dichtungen zwischen der ersten Rohrplatte (14) und dem Gehäuse (16) und zwischen der zweiten Rohrplatte (15) und dem Gehäuse (16), so daß Fluid zwischen den Einspeisungseinlaß- oder Auslaßbereichen und dem Bereich zwischen den zwei Rohrplatten, der außerhalb der Hohlfasern ist, nicht kommunizieren kann;

M. eine erste Endkappe (17) zum Abdichten des Endes des Gehäuses (16) nahe bei der ersten Rohrplatte (14), wodurch der Einspeisungseinlaßraum oder -bereich (19) eingeschlossen wird, wobei diese Endkappe (17) mechanisch an diesem Gehäuse (16) befestigt ist;

N. eine zweite Endkappe (18) zum Abdichten des Endes des Gehäuses (16) nahe bei der zweiten Rohrplatte (15), wodurch der Nicht-Permeat-Auslaßraum oder -bereich (20) eingeschlossen wird, wobei diese Endkappe (18) mechanisch an diesem Gehäuse (16) befestigt ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Dichtungen (unter L. aufgeführt) Harzdichtungen sind;

(b) die Einspeisungseinlaßöffnung (21) und die Nicht-Permeat- Auslaßöffnung (22) durch die Harzdichtungen hindurchführen und durch Wiederaufbohren dieser Öffnungen bis zu einer in die Hohlraumbereiche (19) und (20) eindringenden Tiefe erhalten worden sind.

14 Vorrichtung nach Anspruch 13,, weiter gekennzeichnet durch Einrichtungen (11) zum Kanalisieren von Fluß von Permeat in der Längsrichtung parallel zu dem Kern zu dem Permeat-Auslaß hin, wobei diese Einrichtungen (11) ein Ende in der zweiten Rohrplatte eingebettet haben und das zweite Ende in einem kurzen Abstand von der ersten Rohrplatte endet, damit Permeat zu der Permeat- Auslaßeinrichtung fließen kann.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin diese Einrichtungen (11) zum Kanalisieren von Fluß umfaßt:

eine äußere Ablenkplatte (11), welche das Äußere des Hohlfaserbündels (10) umschließt, wobei das erste Ende dieser Ablenkplatte (11) an oder in der zweiten Rohrplatte (15) befestigt oder eingebettet ist und das gegenüberliegende Ende dieser Ablenkplatte in einem ausreichenden Abstand von der ersten Rohrplatte (14) angeordnet ist, um das Abziehen des Permeat-Fluids zu erlauben; und

wenigsten eine innere Ablenkplatte (11) im Inneren des Hohlfaserbündels, wobei das erste Ende dieser inneren Ablenkplatte nahe der ersten Rohrplatte (14) in einem ausreichenden Abstand hiervon angeordnet ist, um das Abziehen des Permeat- Fluids aus diesem Modul zu erlauben, und das zweite Ende dieser Ablenkplatte an dieser zweiten Rohrplatte (15) befestigt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, weiter umfassend:

einen perforierten Kern (12) zum Einführen eines Spülfluids in die Permeat-Seite dieser Hohlfasermembrane.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, worin dieser Kern (12) nur nahe bei der zweiten Rohrplatte (15) perforiert ist, wodurch Fluß von Spülfluid und Permeat parallel zu diesem Kern im Gegenstrom zu Fluß von kernseitigem Fluid ist.