DE69501909T2

DE69501909T2 - Vorrichtung zur Fluidabtrennung mit integralem Entlüftungssteuerungsventil

Info

Publication number: DE69501909T2
Application number: DE69501909T
Authority: DE
Inventors: Benjamin Bikson; Salvatore Giglia; Patrick Samuel Nicolas; David Richard Thompson
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1995-02-24
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2015-02-25
Also published as: CN1109796A; JPH07251038A; EP0669158B1; BR9500764A; CN1050769C; DE69501909D1; US5411662A; EP0669158A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hohlfasermembranvorrichtung zur Fluidabtrennung mit einem integralen Spülsteuerungsventiloder einem spezifischen Spülfluidrückstromsystem, das der Vorrichtung einen innenliegenden Spülfluidanschluß bereitstellt. Diese Vorrichtung ist unter anderem zur Trennung von Wasserdampf von einem Gasstrom nützlich.

Hintergrund der Erfindung

Verschiedene Hohlfasermembran-Fluidtrennvorrichtungen sind zur Trennung von Fluidmischungen verwendet worden. Normalerweise sind diese Fluidtrennvorrichtungen so ausgelegt, daß eine Fluidmischung mit der dortigen Hohlfasermembran unter Druck in Kontakt gebracht werden kann, um eine Permeation einer oder mehrerer Komponenten der Fluidmischung zu bewerkstelligen. Während des Inkontaktbringens ermöglicht die Hohlfasermembran der leichter permeierbaren Komponente der Fluidmischung, in die Permeatseite der Hohlfasermembran zu permeieren, während ein wesentlicher Teil der weniger leicht permeierbaren Komponente der Fluidmischung an der Nichtpermeatseite der Hohlfasermembran zurückgehalten wird. Die permeierten und nichtpermeierten Komponenten werden von mindestens einem Permeatauslaß bzw. mindestens einem Nichtpermeatauslaß entfernt oder wiedergewonnen.
In einigen Fällen sind die Fluidtrennvorrichtungen für die Bereitstellung eines Reinigungs oder Spülfluids in der Permeatseite der Hohlfasermembran ausgelegt. Die Verwendung eines Reinigungs- oder Spülfluids an der Permeatseite der Hohlfasermembran erweist sich in bestimmten Gastrennverfaliren wie in Gasdehydrationsverfahren als vorteilhaft, da sich dort aufgrund des hohen Gaspermeabilitätskoeffizienten der permeierten Komponente(n), z.B. Wasserdampf; an der Permeatseite der Membran ein hoher Permeatpartialdruck autbaut. Weil der hohe Permeatpartialdruck der permeierten Komponente das Permeations- und Trennvermögen der Hohlmembranfasern in der Fluidtrennvorrichtung begrenzt, reduziert die Einleitung eines Reinigungs- oder Spülfluids mit geringem Partialdruck in die Permeatseite den Partialdruck der permeierten Komponente und ermöglicht dadurch, daß die leichter permeierbare Komponente von der Fluidmischung gründlicher gestrippt wird.
Die für die Bereitstellung eines Spül- oder Reinigungsgases nützlichen Fluidtrennvorrichtungen weisen allgemein ein ringförmiges Hohlmembranfaserbündel in einem Mantel mit einem Einsatzfluideinlaß, einem Nichtpermeatauslaß, einem Permeatauslaß und einem Spül- oder Reinigungsgaseinlaß auf. Die US- Patentschriften 3 499 062, 4 718 921, 5 108 464, 5 160 514 und 5 026479 offenbaren beispielsweise derartige Fluidtrennvorrichtungen. Diese Fluidtrennvorrichtungen erfordern allerdings externe Leitungen und Ventile, um den Durchfluß des in den Spül- oder Reinigungsgaseinlaßanschluß einzuspeisenden Spülgases zu steuern. Das Erfordernis, das Spül- oder Reinigungsgas außerhalb der Fluidtrennvorrichtungen durch einen Verteiler zu führen, trägt zu einer Vermehrung der Größe und Komplexität der Fluidtrennvorrichtungen bei.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer Anordnung, durch die der Betrieb der Fluidtrennvorrichtungen ohne externe Leitungen und Ventile durchgeführt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Anordnung, mittels derer die Fluidtrennvorrichtungen mit einer Spülanordnung einfach realisiert und betrieben werden können.

Zusammenfassunh der Erfindung

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die obigen und weitere, dem Fachmann verständliche Aufgaben durch eine Vorrichtung zur Fluidabtrennung bewerkstelligt, welche folgende Merkmale aulweist:
(a) ein langgestrecktes inneres Kernteil, bei welchem es sich um eine hohle Röhre handelt, deren Wand Perforationslöcher aufweist;
(b) ein Hohlfasermembranbündel mit Permeat- und Nichtpermeatseiten, welches mindestens einen Teil des langgestreckten inneren Kernteils umgibt;
(c) mindestens eine Verkapselung, durch die ein Fluidstrom hindurchtreten kann und mit der ein Ende des Hohlfasermembranbündels verkapselt ist;
(d) eine integrale Spülsteuerung mit einem Körper, der mindestens einen Durchlaß bestimmt, der über die Löcher mit der Nichtpermeatseite des Hohlfasermembranbündels in Verbindung steht und der in mindestens einem Nichtpermeatauslaß und mindestens einem Spülfluidanschluß endet, wobei der mindestens eine Spülfluidanschluß mindestens einen Teil des Nichtpermeatstromes in dem mindestens einen Durchlaß durch die Verkapselung zu der Permeatseite des Hohlfasermembranbündels überleiten kann, sowie mit einer Fluidstrom-Steueranordnung zum Einstellen oder Festlegen der Strömung des Nichtpermeatstromes von dem mindestens einen Durchlaß in den mindestens einen Spülfluidanschluß; und
(e) einen Mantel, der mindestens einen Einsatzfluideinlaß und mindestens einen Permeatauslaß aufweist und die Hohlfasermembran umgibt, wobei mindestens ein Ende des Mantels die integrale Spülsteuerung aufweist.
Verkapselungen werden zur Umkapselung beider Enden des Hohlfasermembranbündels und zur Trennung der Einsatz- /Nichtpermeatseite von der Spül-/ Permeatseite des Hohlfasermembranbündels verwendet. Mindestens eine der Verkapselungen, welche zwischen mindestens einem Spülfluidanschluß und der Permeatseite des Hohlfasermembranbündels angeordnet ist, ist durchtrennt, so daß der Spülfluidanschluß in Fluidverbindung mit der Permeatseite des Hohlfasermembranbündels steht. Weiterhin kann eine im wesentlichen undurchdringliche Filmbarriere verwendet werden, um die im wesentlichen gesamte Länge der freiliegenden Hohlfasern mit Ausnahme eines nicht umschlossenen Umfangsbereichs an einem der Enden des Hohlfasermembranbündels zu umschließen. Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "eine Vorrichtung zur Fluidabtrennung" auf jede Vorrichtung, jedes Modul oder System, welche(s) zur Trennung einer Fluidkomponente oder von Fluidkomponenten von einer Fluidmischung nützlich ist.
Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "integrales Spülsteuerungsventil" auf ein Ventil, das integral in einer Fluidtrennungsmembranvorrichtung angeordnet ist, um den geregelten Durchfluß eines Spülgases innerhalb der Vorrichtung bereitzustellen.
Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "freiliegende Hohlfasern" auf die gesamte Länge der Außenfläche des zwischen den Verkapselungen angeordneten Hohlfasermembranbündels.
Wie im folgenden verwendet, bezieht sich der Begriff "Fluidmischung" auf ein Flüssigkeits- oder Gasgemisch oder auf ein Gemisch von Gasen und Flüssigkeiten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine Schnittansicht einer Fluidtrennvorrichtung mit einem integralen Spülsteuerungsventil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
FIG. 2 ist eine Schnittansicht eines integralen Spülsteuerungsventils vom Dosiertyp gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
FIG. 3 ist eine Schnittansicht eines integralen Spülsteuerungsventils vom An/Aus-Typ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
FIG. 4 ist eine Schnittansicht eines integralen Spülsteuerungsventils mit fester Öffnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
FIG. 5 ist eine Schnittansicht einer Fluidtrennvorrichtung mit einer festen Öffnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 6 ist eine Schnittansicht einer Fluidtrennvorrichtung mit einem integralen Spülsteuerungsventil, welche sich für eine Bohrungsseiten-Einlaßanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als nützlich erweist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Ein Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Spülsteuerventils, das integral mit einer Hohlfasermembran Vorrichtung zur Fluidabtrennung angeordnet ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Produktrückstromsystems, das integral mit einem Hohlfasermembranbündel angeordnet ist. Dieses Ventil und Rückstromsystem sind ausgelegt, eine bestimmte Menge eines Spül- oder Reinigungsfluids zu der Permeatseite der Membran ohne externe Leitungen und Ventile zuzuführen. Da das Spül- oder Reinigungsgas innerhalb der Vorrichtung zur Fluidabtrennung fließt, kann die Vorrichtung zur Fluidabtrennung mit weniger externen Verbindungen gefertigt werden. Mit anderen Worten muß mindestens ein mit den externen Leitungen und den Ventilen verbundener Spül- oder Reinigungsfluideinlaß in dem Mantel der Fluidtrennvorrichtung nicht vorhanden sein, weil es das integrale Spülventil und Rückstromsystem gestatten, daß das Spül- oder Reinigungsfluid innerhalb der Vorrichtung zur Fluidabtrennung in die Permeatseite der Membran eingespeist werden kann.
Eine bevorzugte Vorrichtung zur Fluidabtrennung mit integralen Spülventilen oder Rückstromsystemen wird mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Allerdings versteht sich für den Fachmann, daß die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen keinesfalls weitere zahlreiche Variationen der bevorzugten Vorrichtung zur Fluidabtrennung, der integralen Spülsteuerungsventile und der Rückstromsysteme ausschließt.
In FIG. 1 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten Vorrichtung zur Fluidabtrennung dargestellt, die zur Einleitung einer Fluidmischung auf die Mantelseite, d.h. die Außenfläche der Hohlfasermembran verwendet wird. Die Vorrichtung zur Fluidabtrennung weist einen Mantel (1) mit mindestens einem Einsatzfluideinlaß (18) und mindestens einem Permeatstromauslaß (17) auf, der ein ringfömiges, auf einen inneren Kernteil (5) gewickeltes Hohlfasermembranbündel (2) umgibt. Beide Enden des Hohlfasermembranbündels (2) sind in Verkapselungen (6 und 14), wobei sich mindestens ein Ende des inneren Kernteils durch eine der Verkapselungen (6 oder 14) heraus öffnet. Das freiliegende Hohlfasermembranbündel zwischen den Verkapselungen (6 und 14) kann mit einer im wesentlichen undurchdringlichen Filmbarriere (15) mit Ausnahme eines nicht umschlossenen Umfangsbereichs (13) nahe einem der Enden des Hohlfasermembranbündels (2) umschlossen sein. Ein Ende des Mantels (1) weist einen mechanischen Träger (4) für die ringfömige Hohlfasermembran (2) und möglicherweise mindestens eine Öffnung (17) zur Entfernung mindestens eines Permeatstroms auf. Das gegenüberliegende Ende des Mantels enthält ein integrales Spülsteuerungsventil(20), das mindestens einen Nichtpermeatstromauslaß (11) bestimmt. Das integrale Spülsteuerungsventil ist ausgelegt, ein Spülfluid in die Bohrungen der Hohlfasermembran einzuleiten. Das integrale Spülsteuerungsventil(20) ist mit dem Mantel (1) und/oder der Verkapselung (6) abdichtend verbunden, beispielsweise durch eine Dichtungsanordnung (7 und 16) wie O-Ring-Dichtungen, Gewinde, mechanische Dichtungen, Dichtungsmanschetten und/oder Verbinden. Mindestens ein Teil der Außenfläche des Ventilkörpers (10) ist vorzugsweise so beschaffen, daß er in den Mantel (1) abdichtend eingesetzt werden kann, während mindestens ein Teil des Ventilkörpers (10), der mindestens einen Durchlaß (21) festlegt, ausgelegt ist, festsitzend in eine durch die Verkapselung (6) bestimmte Öffnung eingesetzt zu werden.
Mindestens ein Durchlaß (21) steht mit der Nichtpermeatseite des Hohlfasermembranbündels (2) durch die Innenfläche des inneren Kernteils (5) in Verbindung. Der Durchlaß (21) endet mit mindestens einem Nichtpermeatauslaß (11) und mindestens einem Spülfluidanschluß (12). Der Spülfluidanschluß (12) kann mindestens ein Teil eines Nichtpermeatstromes in den Durchlaß (21) zu der Permeatseite, d.h. den Bohrungen des Hohlfasermembranbündels (2) überleiten. Die Permeatseite des Hohlfasermembranbündels wird zu dem Spülfluidanschluß (12) hin mittels Durchtrennen der Verkapselung (6) geöffnet. In den Durchlaß (21), den Nichtpermeatauslaß (11) und/oder den Spülfluidanschluß (12) kann jede Fluidstrom-Steueranordnung (8) mit der Dichtungsanordnung (9) angeordnet werden, so daß der Durchfluß des Nichtpermeatstromes von dem Durchlaß (21) in den Spülfluidanschluß (12) eingestellt oder geregelt werden kann.
In den Fign. 2-3 sind verschiedene bevorzugte Fluidstrom-Steueranordnungen (8) dargestellt. Die in den Fign. 2 und 3 gezeigte Fluidstrom-Steueranordnung (8), weist einen sich vertikal in den Durchlaß (21) erstreckenden Ventilstößel und ein Teil des mindestens einen Spülfluidanschlusses (12) vom Äußeren des Ventilkörpers (10) auf. Mindestens ein Endabschnitt des Ventilstößels ist in dem Einlaß des Spülfluidanschlusses (12) angeordnet. In FIG. 2 ist mindestens der Endabschnitt des Ventilstößels graduell verengt, d.h. graduell verjüngt, so daß ein Spalt oder ein Kanal zwischen der inneren Wandfläche des Spülfluidanschlusses (12) und der Außenfläche des Stößels ausgebildet ist. Dieser Spalt oder Kanal ermöglicht es dem Nichtpermeatstrom in dem Durchlaß (21), in den Spülfluidanschluß (12) hineinzufließen. Der Spalt oder Kanal kann vergrößert oder verkleinert werden, indem der Stößel nach oben oder herunter weg von dem oder in den Spülfluidanschluß (12) hinein bewegt wird. In der FIG. 3 weist der Ventilstößel einen Endabschnitt mit einer Querschnittsfläche oder einem Durchmesser auf, die/der kleiner als der Einlaß des Spülfluidanschlusses (12) ist. Der verbleibende Abschnitt und insbesondere ein Abschnitt, welcher sich gerade über dem Endabschnitt befindet, weist eine Querschnittsfläche oder einen Durchmesser auf, die/der größer als der Einlaß des Spülfluidanschlusses (12) ist. Diese Stößelform ermöglicht ein Schließen oder Öffnen des Einlasses des Spülfluidanschlusses, indem der Stößel von dem Einlaß des Spülanschlusses (12) weg- oder in diesen hineingeschoben wird. Der Ventilstößel aus den Fign. 2 und 3 kann zur Steuerung der Stößelbewegung in den Spülfluidanschluß (12) hinein bzw. aus diesem heraus schwenkoder drehbar ausgebildet sein. Zusätzlich zu dem in den Fign. 2 und 3 dargestellten Ventilstößel können zur Einstellung des Fluidflusses in den Spülfluidanschluß andere Arten von Fluidsteueranordnungen wie Nadel- oder Kugelventile verwendet werden.
Anstelle der Fluidstrom-Steueranordnung kann flir die Überführung eines Nichtpermeatstroms in dem Durchlaß (21) zu dem Spülfluidanschluß (12) beispielsweise ein Fluidstrombegrenzer (23), z.B. eine in der FIG. 4 dargestellte Öffnung verwendet werden. Die Öffnung oder das Loch, das eine Verbindung des Durchlasses (21) mit dem Spülfluidanschluß (12) ermöglicht, ist spezifisch ausgelegt, um eine gesteuerte Rückstromrate, d.h. einen gesteuerten Nichtpermeatstromfluß in den Spülfluidanschluß (12) zu bewerkstelligen. Die Größe oder der Durchmesser der Öffnung ist von der erwünschten oder erforderlichen spezifischen Durchflußrate abhängig, die von den Membraneigenschaften, dem erwünschten Produkt (der notwendigen Produkttrockenheit), dem Nichtpermeatdruck und dem Permeatdruck bestimmt wird. Beispielsweise erfordert eine spezifische Membranfluidtrennvorrichtung bei einem Kompressorluftablaßdruck von 0,69 bar (100 psig), einer Gastemperatur von 32º C (90º F) und einem atmosphärischen Permeationsdruck die Durchleitung einer spezifischen Menge eines Spülgases in den Spülfluidanschluß (12), um einen Gastaupunkt von -32º C (-40º F) zu bewerkstelligen. Da der Produktdruck viel höher als der Permeatdruck ist, kann die erwünschte Größe der Öffnung auf der Grundlage kritischer Durchflußberechnungen bestimmt und somit der erwünschte Spülgasdurchfluß erreicht werden.
In FIG. 5 ist eine Schnittansicht einer weiteren bevorzugten Vorrichtung zur Fluidabtrennung mit einer Produktrückstromanordnung dargestellt, die mit einem Hohlfasermembranbündel (2) verbunden ist. Diese Anordnung gestattet der Vorrichtung zur Fluidabtrennung den Betrieb ohne die Verwendung eines integralen Spülsteuerungsventils. Diese Vorrichtung zur Fluidabtrennung weist ein auf der Außenfläche eines langgestreckten inneren Kernteils (5) mit Öffnungen (19) gewickeltes Hohlfasermembranbündel (2) auf. Eine im wesentlichen undurchdringliche Filmbarriere (15) kann zum Umschließen der im wesentlichen gesamten Länge des freiliegenden Hohlfaserbündels (2) mit Ausnahme eines nicht umschlossenen Umfangsbereiches (13) bereitgestellt werden. Beide Enden des Hohlfasermembranbündels (2) sind in Verkapselungen (6 und 14) eingekapselt, wobei sich mindestens ein Ende des inneren Kernteils durch eine der Verkapselungen, der Verkapselung (6), hinaus öffnet. Die Verkapselungen (6 und 14) sind durchtrennt, so daß die Bohrungen der Hohlfasern offen sind. An einem Ende des Hohlfasermembranbündels ist ein Produktrückstromsystem (24) bereitgestellt. Das Produktrückstromsystem (24) weist einen Körper (22) auf, der mit einer der Verkapselungen (6 oder 14) durch eine Dichtungsanordnung (3) fluiddicht befestigt ist, um eine der Verkapselungen (6 oder 14) zu umgeben. Der Körper (22) legt mindestens einen Durchlaß (38) und einen Spülfluidanschluß oder eine Kammer (28) fest. Während der Durchlaß (38) über den inneren Kernteil mit der Nichtpermeatseite (der Mantelseite) der Hohlfasern in Fluidverbindung steht, steht der Spülfluidanschluß oder die Kammer (28) mit der Permeatseite (den Bohrungen) der Hohlfasern (2) in Fluidverbindung. Der Spülfluidanschluß oder die Kammer(28) steht durch eine an dem Einlaß des Spülfluidanschlusses oder der Kammer (28) angeordneten Öffnung (26) mit dem Durchlaß (38) in Fluidverbindung. Ein Mantel (1) umgibt das Hohlfasermembranbündel (2) einschließlich des Rückstromsystems (24). Das Hohlfasermembranbündel (2) ist in dem Mantel (1) durch einen mechanischen Träger und eine erste Verschlußanordnung (30) festgehalten, welche einen Nichtpermeatauslaßanschluß (11) und einen Einsatzfluideinlaß (18) bestimmt. Das mit der Verkapselung an einem Ende des Hohlfasermembranbündels befestigte Rückstromsystem (24) kann mittels einer Dichtungsanordnung (34) fluiddicht mit der ersten Verschlußanordnung (30) befestigt werden, so daß der Durchlaß (38) des Rückstromsystems (24) mit dem Nichtpermeatauslaß (11) in Fluidverbindung steht. An dem gegenüberliegenden Ende des Mantels (1) ist eine zweite, einen Permeatauslaß (17) bestimmende Verschlußanordnung (40) bereitgestellt. Die erste und zweite Verschlußanordnung können aus jeglichen undurchdringlichen Werkstoffen gefertigt sein.
In FIG. 6 ist eine Schnittansicht einer zusätzlichen bevorzugten Trennungsvorrichtung dargestellt, die zur Einleitung einer Fluidmischung in die Bohrungen der Hohlfasermembran verwendet wird. Die Vorrichtung zur Fluidabtrennung weist einen Mantel (1) mit mindestens einem Einsatzfluideinlaß (18) und mindestens einem Permeatstromauslaß (17) auf, der ein auf einem inneren Kernteil (5) mit Öffnungen (19) gewickeltes ringfömiges Hohlfasermembranbündel (2) umgibt. Beide Enden des Hohlfasermembranbündels (2) sind in Verkapselungen (6 und 14) verkapselt, wobei sich mindestens ein Ende des inneren Kernteils (5) aus einer der Verkapselungen (6 oder 14) heraus öffnet. Das freiliegende Hohlfasermembranbündel zwischen den Verkapselungen (6 und 14) kann mit einer im wesentlichen undurchdringlichen Filmbarriere (15) mit Ausnahme eines nicht umschlossenen Umfangsbereiches (13) nahe einem der Enden des Hohlfasermembranbündels (2) umschlossen werden. Benachbart zu dem nicht umschlossenen Umfangsbereich (13) legt eine Mantelende-Verschlußanordnung (40) mindestens einen Einsatzfluidgemischeinlaß (18) fest. Die Außenfläche der Mantelende-Verschlußanordnung (40) ist an dem Mantel durch eine Dichtungsanordnung (42) wie z.B. O-Ring-Dichtungen, Gewinde, mechanische Dichtungen, Dichtungsmanschetten und/oder Verbinden engsitzend befestigt. Das gegenüberliegende Ende des Mantels enthält ein integrales Spülsteuerungsventil (20), das mindestens einen Nichtpermeatstromauslaß (11) bestimmt. Das integrale Spülsteuerungsventil ist ausgelegt, ein Spülfluid iii die Mantelseite, d.h. die Außenfläche der Hohlfasermembran einzuleiten. Das integrale Spülsteuerungsventil (20) ist dichtend an dem Mantel (1) und/oder der Verkapselung (6) durch eine Dichtungsanordnung (7 und 16), wie z.B. O-Ring-Dichtungen, Gewinde, mechanische Dichtungen, Dichtungsmanschetten und/oder Verbinden befestigt. Mindestens ein Teil der Außenfläche des Ventilkörpers (10) ist vorzugsweise so ausgelegt, daß er fluiddicht in den Mantel eingesetzt werden kann, während mindestens ein Teil des Ventilkörpers (10), der mindestens einen Spülfluidanschluß (12) festlegt, so beschaffen ist, daß er fluiddicht in eine von der Verkapselung (6) festgelegte Öffnung eingesetzt werden kann. Die Verkapselungen (6 und 14) sind wiederum mit der Innenfläche des Mantels (1) durch eine Dichtungsanordnung (3) engsitzend verbunden.
Mindestens ein von dem Ventilkörper (10) bestimmter Durchlaß (21) steht mit der Nichtpermeatseite, d.h., den Bohrungen des Hohlfasermembranbündels (2) in Verbindung. Die Bohrungen der Hohlfasern sind zu dem Einsatzfluidgemischein laß (18) und dem Durchlaß (21) durch Durchtrennung der Verkapselungen (6 und 14) hin geöffnet. Der Durchlaß (21) endet mit mindestens einem Nichtpermeatauslaß (11) und mindestens einem Spülfluidanschluß (12). Der Spülfluidanschluß (12) kann mindestens ein Teil eines Nichtpermeatstromes in dem Durchlaß (21) zu der Permeatseite, d.h. der Mantel seite des Hohlfasermembranbündels (2) durch das innere Kernteil (5) überleiten. In den Durchlaß (21) können der Nichtpermeatauslaß (11) und/oder der Spülfluidanschluß (12) und jede Fluidstrom-Steueranordnung (8) oder jeder Fluidbegrenzer (23) angeordnet werden, wie in den Fign. 4 und 5 gezeigt, so daß der Durchfluß des Nichtpermeatstromes von dem Durchlaß (21) in den Spülfluidanschluß (12) eingestellt oder gesteuert werden kann. Beispielsweise erstreckt sich eine Fluidstrom-Steueranordnung (8), wie ein Ventilstößel, in Längsrichtung von außerhalb des Ventilkörpers in den inneren Abschnitt des Spülfluidanschlusses (12). Der Ventilstößel weist eine graduelle Verjüngung auf, so daß ein Spalt oder ein Kanal zwischen der inneren Wandfläche des Spülfluidanschlusses (12) und der Außenfläche des Stößels ausgebildet ist. Dieser Spalt oder Kanal ermöglicht den Durchfluß des Nichtpermeatstromes in dem Durchlaß (21) zu dem Spülfluidanschluß (12).
Das einen langgestreckten inneren Kernteil (5) umgebende ringfömige Hohlfasermembranbündel (2) kann ein Hohlfasermembranbündel sein, das spiralförmig um das Äußere des inneren Kernteils gewickelt ist. Die Hohlfasermembran kann um das innere Kernteil (5) mit jedem Winkel gewunden sein, vorzugsweise jedoch mit einem Winkel von etwa 30º oder mehr, von einer parallel zu dem inneren Kernteil verlaufenden Linie aus gemessen. Diese Hohlfasermembran kann in der Form von dichtwandigen, Verbund- oder asymmetrischen Membranen vorliegen. Die dichtwandigen, asymmetrischen und Verbundmembrane sind beim Stand der Technik bekannt und beispielsweise in den US-Patentschriften 108464, 4718921, 4844719, 4497640, 4 783 201 und 5 026479 offenbart.
In bestimmten Fällen ist allerdings die Hohlfasermembran in der Form einer Verbundmembran bevorzugt. Zur Erzeugung dieser Verbundhohlfasermembran wird anfänglich eine permeierbare oder poröse Hohlfaser durch sämtliche der bekannten Verfahren hergestellt, die beispielsweise in I. Cabasso, "Hollow Fiber Membranes", Kirk-Othmer: Enc. of Chem. Tech., 12, 3. Auflage, S. 492-517 (1980) und I. Cabasso, "Membranes", Enc. of Pol. Sc. & Eng., 9, 2. Auflage, S. 509-579 (1987) beschrieben sind. Die permeierbare oder poröse Hohlfaser kann aus jeden bekannten anorganischen und/oder organischen Werkstoffen einschließlich der in US-A-5 026 479 bereitgestellten Werkstoffen gefertigt werden. Die erwünschte Wandstärke und der durchschnittliche Porenquerschnitts- und Außendurchmesser der sich ergebenden Hohlfaser hängen normalerweise von der beabsichtigten Verwendungsart der Membran ab. Nach der Ausbildung der erwünschten porösen Hohlfaser wird ein dünner membranbildender Werkstoff der oben beschriebenen Art auf der Oberfläche der Hohlfaser bereitgestellt, was durch jedes der bekannten Verfahren einschließlich des in US-A-4 467 001 gezeigten Verfahrens erfolgen kann, indem beispielsweise zur Ablagerung der letztuchen trockenen Beschichtung eine Lösung des membranbildenden Werkstoffes auf der Oberfläche der Hohlfaser aufgebracht wird.
Das verwendete innere Kernteil (5) kann ein langgestrecktes Rohr mit Öffnungen nahe mindestens einem der Enden sein, um den Durchfluß von Fluid zwischen der Außenfläche der Hohlfasern und dem inneren Kern des Rohrs zu ermöglichen. Die Größe, Anzahl und Anordnung dieser Öffnungen ist jeweils von der Größe der Vorrichtung, der Fluidstromgeschwindigkeit an der Nichtpermeatseite und der Fluidstromkonfiguration, beispielsweise einer Gegen-, Gleich- und Querströmung abhängig. In einer Gegenströmungsanordnung sind die Öffnungen beispielsweise im allgemeinen an einer Stelle angeordnet, die sich an einem Punkt von etwa 1% oder weniger bis zu einem Punkt bis zu 25% der Länge zwischen den zwei Verkapselungen befindet. In einer Querströmungsanordnung sind die Öffnungen andererseits im allgemeinen über der gesamten Länge des inneren Kernteils hinweg angeordnet. Die Öffnungen können in der Form von gebohrten Löchern, ausgeschnittenen Schlitzen oder anderen Perforierungsformen vorliegen. Die von den Löchern eingenommene Querschnittsfläche wird im wesentlichen von den Druckabfallsanforderungen bestimmt und wird vorzugsweise auf einem akzeptablen minimalen Querschnitt gehalten, wobei Löcher in der Nähe der Verkapselung angeordnet sind, um eine optimale Strömungsdynamik sicherzustellen. Das Rohr kann aus jedem undurchdringlichen Werkstoff wie Metall, Glas, Holz, Plastik, Verbundlaminaten und ähnlichem gefertigt werden.
Benachbart zu den Öffnungen kann mindestens eine Verkapselung, wie in den Fign. 1, 5 und 6 gezeigt, zur Einkapselung eines der Enden des Hohlfasermembranbündels (2) bereitgestellt werden. Eine zusätzliche Verkapselung ist für das andere Ende bereitgestellt, so daß die beiden Enden des Hohlfasermembranbündels (2) verkapselt sind, wobei mindestens ein Ende des inneren Kernteils, d.h. des Rohres, sich durch eine der Verkapselungen, d.h. die Verkapselung (6), heraus öffnet, um den Fluiddurchfluß in das Rohr oder aus diesem heraus zu ermöglichen. Die die beiden Enden des Bündels (2) einkapselnde Verkapselung ist durch O-Ring-Dichtungen (3) engsitzend mit dem Mantel (1) befestigt. Mindestens eine der Verkapselungen, z.B. die Verkapselung (6), und vorzugsweise beide Verkapselungen, ist/sind durchtrennt, so daß die Bohrungen der Hohlfasern geöffnet sind. Die Verkapselungen können aus allen undurchdringlichen Werkstoffen, beispielsweise Epoxidharz, gefertigt sein.
Die gesamte Länge der freiliegenden Hohlfasern zwischen den Verkapselungen mit Ausnahme eines Umfangsbereichs in der Nähe einer der Verkapselungen, z.B. der Verkapselung (14), kann von einer im wesentlichen undurchdringlichen und vorzugsweisen flexiblen Barriere aus einer oder mehrerer Schichten aus dünnem Film dicht umschlossen sein. Die im wesentlichen undurchdringliche flexible Filmhülle oder Filmbarriere kann jede Zusammensetzung aufweisen, z.B. einen dünnen Film aus Polyolefin- oder Polyvinylidenchlorid. Der undurchlässige Film kann weiterhin ein undurchlässiger Beschichtungswerkstoff sein, der aus einem unschädlichen Lösungsmittel aufgebracht wird. Wahlweise dazu kann die undurchlässige Barriere durch Schrumpfen einer Plastikschrumpfhülle um die Außenfläche des Bündels herum angeordnet werden. Falls erwünscht, kann sie aufgetragen werden, bevor die Verkapselung, mit einem Ende in der Verkapselung eingebettet, ausgebildet worden ist, oder sie kann für das Hohlfaserbündel verwendet werden, nachdem die Verkapselung ausgebildet worden ist. Wie erwähnt, bedeckt die flexible Filmhülle nicht die gesamte Oberfläche des Hohlfaserbündels. An dem Ende, das dem Ende gegenüberliegt, in dem sich die Löcher in dem zentralen Kernrohr befinden, bleibt ein Teil des Hohlfaserbündels nahe der gegenüberliegenden Verkapselung unbedeckt, um einen Gaseintritt oder einen Austritt von Fluiden bereitzustellen. Dieser unbedeckte Spalt kann eine variable Breite aufweisen, die jedoch im allgemeinen von etwa 1% oder darunter bis zu etwa 25% der Länge zwischen den zwei Verkapselungen und vorzugsweise von etwa 1% bis 5% beträgt. Für eine optimale Wirksamkeit der Strömungsdynamik sollte der Spalt mit minimalen Abmessungen dimensioniert sein, wobei darüber hinaus die Abmessungen von den minimalen Druckabfallsanforderungen bestimmt sind, da ein äußerst enger Spalt einen deutlichen Druckabfall bewirken kann.
Der Mantel, der die gesamte Länge des um das innere Kernteil gewickelten Hohlfasermembranbündels umhüllt, kann zylindrisch sein oder jede andere geometrische Form aufweisen, und er kann hohem Druck und/oder hohen oder niedrigen Temperaturen widerstehen. Der Mantel kann sich über die gesamte Länge des Hohlfasermembranbündels erstrecken, um die Verkapselungen und möglicherweise ein integrales Spülsteuerungsventil (in Abhängigkeit davon, ob das integrale Ventil in den Mantel oder der Mantel in das integrale Ventil eingepaßt ist) und die Mantelverschlußanordnung (in Abhängigkeit davon, ob die Verschlußanordnung in den Mantel oder der Mantel in die Verschlußanordnung eingepaßt ist) einzuschließen.
Bei der Anwendung der Vorrichtung zur Fluidabtrennung aus der FIG. 1 wird der Fluidstrom über den Einlaß (18) in die Vorrichtung eingespeist. Die Filmbarriere (15) zwingt das Fluid dazu, entlang der Länge der Bündeleinheit weiterzuströmen, bis es die offene Fläche (13) erreicht. Durch die O-Ring- Dichtungen (3) an den Verkapselungen (6) und (14) wird das Fluid daran gehindert, von den Enden der Membranvorrichtung auszutreten. Das nichtpermeierende Fluid fließt dann weiter durch den unbedeckten Anteil (13) und herunter durch die Extraktionslöcher (19), während die leicht permeierbare Fluidkomponente auf den Bohrungen, d.h. der Permeatseite, der Hohlfasern permeiert. Anschließend tritt das nichtpermeierende Fluid durch eine Öffnung in der Verkapselung (6) und mindestens einen Durchlaß (21) des Ventilkörpers (10) durch den Anschluß (11) aus. Durch die O-Ring-Dichtungen (16) wird das nichtpermeierende Fluid daran gehindert, direkt in die offene Bohrungsseite der Verkapselung (6) einzutreten. Durch ein Einstellen des Ventilstößels (8) fließt ein Teil des nichtpermeierenden Fluids in mindestens einem Durchlaß (21) des Ventilkörpers (10) durch mindestens einen Spülfluidanschluß (12) und in die Bohrungen der Hohlfasern. Das von den O-Ring-Dichtungen (3) und (7) abgedichtete Spülgas fließt entlang den Bohrungen der Hohlfasern weiter und tritt am Anschluß (17) mit der permeierten Komponente aus.
Bei der Anwendung der Vorrichtung zur Fluidabtrennung aus der FIG. 5 wird der Fluidstrom durch den Einlaß (18) in die Vorrichtung eingespeist. Die Filmbarriere (15) zwingt das Fluid, entlang der Länge der Bündeleinheit zu fließen, bis es die offene Fläche (13) erreicht. Durch die O-Ring-Dichtungen (3) an den Verkapselungen (6) und (14) wird das Fluid daran gehindert, an den Enden der Membranvorrichtung auszutreten. Fließt das Fluid weiter durch den unbedeckten Anteil (13) und herunter durch die Extraktionslöcher (19), permeiert die leichter permeierbare Fluidkomponente zu den Bohrungen, d.h. der Permeatseite, der Hohlfasern. Das nichtpermeierende Fluid tritt anschließend durch einen Nichtpermeatauslaßanschluß (11) über eine Öffnung in der Verkapselung (6) und mindestens einen Durchlaß (38) des Rückstromsystems (24) aus. Das nichtpermeierende Fluid wird durch O-Ring-Dichtungen (16) daran gehindert, in die offene Bohrungsseite der Verkapselung (6) direkt einzutreten. Durch eine spezifisch dimensionierte Öffnung (26) wird ein Teil des nichtpermeierenden Fluids in mindestens einem Durchlaß (38) über einen Spülfluidanschluß oder eine Kammer (28), der/die mit den offenen Enden der Hohlfasern in der Verkapselung (6) in Verbindung steht, in die Bohrungen der Hohlfasern eingespeist. Das von den O-Ring-Dichtungen (3) und (16) abgedichtete Spülgas fließt entlang den Bohrungen der Hohlfasern weiter und tritt am Anschluß (17) mit der permeierten Komponente aus.
Bei der Anwendung der Vorrichtung zur Fluidabtrennung aus der FIG. 6 wird der Fluidstrom über den Einlaß (18) in die Bohrungen der Hohlfasern eingespeist. Das Fluid fließt entlang der Länge der Bündeleinheit (2), bis es mindestens einen Durchlaß (21) eines integralen Spülsteuerungsventils (20) erreicht. Das nichtpermeierende Fluid wird durch O-Ring-Dichtungen (3 und 16) daran gehindert, direkt in die offene Mantelseite, d.h. die Permeatseite, der Verkapselungen (6 und 14) einzutreten. Anschließend tritt das nichtpermeierende Fluid durch einen Nichtpermeatauslaßanschluß (11) über mindestens einen Durchlaß (21) des integralen Spülsteuerungsventils (20) aus. Durch das Einstellen des Ventilstößels (8) fließt ein Teil des nichtpermeierenden Fluids in dem Durchlaß (21) des integralen Spülsteuerungsventils (20) zu der Mantelseite, d.h. der Permeatseite, der Hohlfasern durch einen Spülfluidanschluß (12) und Öffnungen in dem inneren Kernteil (5). Das aus den Öffnungen in dem inneren Kernteil (5) herausfließende Spülfluid wird durch eine die freiliegende Oberfläche des Hohlfasermembranbündels (2) umschließende Filmbarriere (15) dazu gezwungen, der Länge des Faserbündels (2) entlangzuströmen. Das Spülfluid und die permeierte Komponente treten dann an einer offenen Fläche (13) des Hohlfasermembranbündels (2) und einem Permeatanschluß (17) aus.

Claims

1. Fluidtrennvorrichtung mit:

(a) einem langgestreckten inneren Kernteil (5), bei welchem es sich um eine hohle Röhre handelt, deren Wand Perforationslöcher (19) aufweist;

(b) einem Hohlfasermembranbündel (2) mit Permeat- und Nichtpermeatseiten, welches mindestens einen Teil des langgestreckten inneren Kernteils umgibt;

(c) mindestens einer Verkapselung (6), durch die ein Fluidstrom hindurchtreten kann und mit der ein Ende des Hohlfasermembranbündels verkapselt ist;

(d) einer integralen Spülsteuerung (20, 24) mit einem Körper (10, 22), der mindestens einen Durchlaß (21, 38) bestimmt, der über die Löcher (19) mit der Nichtpermeatseite des Hohlfasermembranbündels in Verbindung steht und der in mindestens einem Nichtpermeatauslaß (11) und mindestens einem Spülfluidanschluß (12) endet, wobei der mindestens eine Spülfluidanschluß mindestens einen Teil des Nichtpermeatstromes in dem mindestens einen Durchlaß durch die Verkapselung zu der Permeatseite des Hohlfasermembranbündels überleiten kann, sowie mit einer Fluidstrom-Steueranordnung (8, 23, 26) zum Einstellen oder Festlegen der Strömung des Nichtpermeatstromes von dem mindestens einen Durchlaß in den mindestens einen Spülfluidanschluß; und

(e) einem Mantel (1), der mindestens einen Einsatzfluideinlaß (18) und mindestens einen Permeatauslaß (17) aufweist und die Hohlfasermembran umgibt, wobei mindestens ein Ende des Mantels die integrale Spülsteuerung aufweist.

2. Fluidtrennvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fluidstrom-Steueranordnung (8) einen Ventilstößel aufweist, der sich von außerhalb des Körpers (10) in den Durchlaß (21, 38) und in mindestens einen Teil des mindestens einen Spülfluidanschlusses (12) hinein erstreckt und der eine graduelle Verjüngung aufweist, so daß mindestens ein Kanal zwischen einem äußeren Körper des Ventilstößels und einer Innenfläche des mindestens einen Spülfluidanschlusses gebildet wird.

3. Fluidtrennvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fluidstrom-Steueranordnung ein Fluidstrombegrenzer zum Überleiten einer speziellen Menge eines Nichtpermatstromes in den Spülfluidanschluß ist.

4. Fluidtrennvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Fluidstrom-Steueranordnung (8) eine innerhalb des Durchlasses (21, 38), des Nichtpermeatauslasses (11) und/oder des Spülfluidanschlusses angeordnete Öffnung ist.

5. Fluidtrennvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Fluidstrom-Steueranordnung (8) eine am Einlaß des mindestens einen Spülfluidanschlusses angeordnete Öffnung (26) ist.

6. Fluidtrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das langgestreckte innere Kernteil (5) ein zentrales Kernrohr ist, in dessen Wand Perforationslöcher (19) an einer Stelle nahe der integralen Spülsteuerung vorgesehen sind, wobei die Perforationslöcher für eine Fluidverbindung zwischen der Außenfläche des Hohlfasermembranbündels und dem Inneren des zentralen Kernrohrs sorgen.

7. Fluidtrennvorrichtung nach Anspruch 6, ferner versehen mit einer im wesentlichen undurchdringlichen Filmbarriere (15), welche im wesentlichen die gesamte Länge des Hohlfasermembranbündels (2) mit Ausnahme eines nicht umschlossenen Umfangsbereiches (13) an einem Ende des Hohlfasermembranbündels umschließt.

8. Fluidtrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spülsteuerung (24) an der Verkapselung (6) angebracht ist, wobei der Körper (22) der Spülsteuerung die Verkapselung umgibt.

9. Fluidtrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Verkapselungen (6, 14) vorgesehen sind, die einen Fluidstrom durchlassen können und die beide Enden des Hohlfasermembranbündels (2) umgeben.

10. Fluidtrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner versehen mit zwischen der Außenseite der integralen Spülsteuerung und der Innenseite des Mantels (1) angeordneten Dichtungen (7).

11. Fluidtrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Enden des Mantels (1) mittels einer Verschlußanordnung (30, 40) verschlossen sind, die einen Permeatauslaß (17), einen Einsatzfluideinlaß (18) und/oder einen Nichtpermeatauslaß (11) in Fluidverbindung mit dem mindestens einen Durchlaß (21, 38) bestimmt.