DE69216106T2

DE69216106T2 - Zweischalige halterung zur verwendung in hohlfasermembranvorrichtungen

Info

Publication number: DE69216106T2
Application number: DE69216106T
Authority: DE
Inventors: Johnny Trimmer
Original assignee: MG GENERON Inc N D GES D STAAT
Current assignee: MG GENERON Inc N D GES D STAAT
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2012-10-01
Also published as: US5211728A; CA2120246A1; EP0607290A1; DE69216106D1; JPH06511195A; WO1993006918A1; EP0607290B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Membranntrennvorrichtung. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zur Befestigung einer Endkappe an die Rohrplatte eines Hohlfasermembrantrennmoduls oder eine Einrichtung zur Befestigung der Rohrplatte von einem Hohlfasermodul an die Rohrplatte eines anderen Hohlfasermoduls. Gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Membrantrennvorrichtung, umfassend ein Hohlfasermembranbündel und Rohrplatten, Endkappen, zweischalige Halteeinrichtungen, am Umfang befindliche Fixiereinrichtungen und wahlweise einen Hohlmantel, welcher den Membrantrennmodul einschließt. Diese Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Trennung von Gaszusammensetzungen unter Verwendung einer solchen Membrantrennvorrichtung.
Hohlfasermembrantrennmodule bestehen im allgemeinen aus einem Hohlfasermembranbündel, das aus einer Vielzahl von Hohlfasermembranen gebildet wird, die um einen Kern oder Dorn angeordnet und an Ort und Stelle durch Rohrplatten zusammengehalten werden. Die Module sind typischerweise in einem Druckbehälter, der ein zylindrisches Rohr und Endkappen besitzt, eingeschlossen, welcher alle Komponenten des Moduls enthält. Endkappen von angemessenen Abmessungen und mit geeigneten Fluidverbindungsöffnungen sind typischerweise in den oder auf dem zylindrischen Rohrabschnitt des Druckbehälters eingeschraubt. Alternativ kann der zylindrische Rohrabschnitt des Druckbehälters in einer solchen Weise geflanscht sein, daß er in eine in ähnlicher Weise angeflanschte Endkappe, welche hieran vernietet oder geschraubt ist, paßt. Der Druckbehälter trägt den Modul, schützt die Modulkomponenten, begrenzt Fluidströmungsbereiche in Verbindung mit anderen Modulkomponenten und schützt Betriebspersonal vor möglichem Bruch von Modulkomponenten. Konventionelle Druckbehälter bedingen üblicherweise einen beträchtlichen Anteil der Kosten von Membranvorrichtungen, da solche Behälter ausreichend groß sein müssen, um den gesamten Modul aufzunehmen, und ausreichend fest sein müssen, um den üblicherweise angewandten Drücken zu widerstehen. Solche Druckbehälter werden weiterhin im allgemeinen mit engen Toleranzen aus hochfesten und korrosionsbeständigen Materialien gearbeitet.
Es besteht die Notwendigkeit für eine Vorrichtung zur Befestigung einer Endkappe an der Rohrplatte eines Hohlfasermembranmoduls oder zur Befestigung der Rohrplatte von einem Hohlfasermembranmodul an die Rohrplatte eines anderen Hohlfasermembranmoduls, wobei diese in wirksamer und leichter Weise ohne Zuhilfenahme von speziellen Werkzeugen zusammengebaut wird. Weiter besteht die Notwendigkeit für eine kostengünstigere Vorrichtung für die Unterbringung eines Hohlfasermembrantrennmoduls. Weiterhin ist eine zusammengebaute Vorrichtung erforderlich, welche stärker kompakt und weniger raumbeanspruchend ist und weniger wiegt als konventionelle Vorrichtungen.
Daher ist die Erfindung eine Vorrichtung zur Befestigung einer Endkappe an eine Rohrplatte eines Hohlfasermembrantrennmoduls, wie in den Ansprüchen 1 und 3 bis 5 definiert,oder eine Vorrichtung zur Befestigung einer Rohrplatte eines zweiten Hohlfasermembranntrennmoduls an eine Rohrplatte eines ersten Hohlfasermembrantrennmoduls, wie durch die Ansprüche 2 und 3 bis 5 definiert.
Gemäß einem anderen Aspekt ist die Erfindung weiterhin eine Hohlfasermembranntrennvorrichtung, wie durch die Ansprüche 6 bis 8 definiert.
Gemäß einem dritten Aspekt ist die Erfindung ebenfalls ein Verfahren zur Trennung eines Einspeisungsgasgemisches, wie durch Anspruch 9 definiert.
Die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung sind als Folge der niedrigen Kosten, der Zuverlässigkeit, der Kompaktheit, des reduzierten Gewichtes und der Robustheit der Ausrüstung und der Leichtigkeit des geeigneten Zusammenfügens der Komponenten der Vorrichtung und wegen deren Effizienz und Verläßlichkeit beim Gebrauch vorteilhaft.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer zweistufigen konzentrischen Moduleinspeisungs-Endkappe gemäß der Erfindung mit am Umfang befindlicher Vertiefung und entsprechenden Fluidöffnungen, welche sich zwischen den inneren und äußeren Flächen der Endkappe erstrecken.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Nichteinspeisungs-Endkappe oder einer einstufigen Moduleinspeisungs- Endkappe mit einer am Umfang befindlichen Vertiefung und einer Fluidöffnung, welche sich zwischen den inneren und äußeren Flächen der Endkappe erstreckt.
Fig. 3 ist eine bruchstückartige perspektivische Ansicht eines Hohlfasermembranbündels mit einer Rohrplatte an dem gezeigten Ende, wobei die Rohrplatte eine am Umfang befindliche Vertiefung gemäß der Erfindung hat.
Fig. 4 ist eine Endansicht einer Hohlfasermembran-Rohrplatte mit geeigneten Abdichtungsflächen an der Endfläche, welche mit einer Endkappe in den Zusammenbauten gemäß der Erfindung zusammenpaßt.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer kragenartigen, aus zwei Teilsegmenten bestehenden zweischaligen Halteeinrichtung mit sich radial nach innen erstreckenden Flanschen, welche in am Umfang befindliche Vertiefungen bei der Befestigung einer Endkappe an einer Rohrplatte, wie hier beschrieben, passen.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer kragenähnlichen, aus vier Teilsegmenten bestehenden zweischaligen Halteeinrichtung mit sich radial nach innen erstreckenden Flanschen.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer am Umfang befindlichen Fixiereinrichtung in Form eines kreisförmigen Bandes einer verkürzt dargestellten Hülse, welche über eine zweischalige Halteeinrichtung zum Halten der Segmente an Ort und Stelle gestreift wird.
Fig. 8 ist eine explodierte perspektivische Ansicht, welche die Beziehung zwischen einer Endkappe, die abdichtend an einer Hohlfasertrennmembran-Rohrplatte für einen zweistufigen konzentrischen Modul befestigt ist, wobei jede Endkappe und Rohrplatte eine am Umfang befindliche Vertiefung auf ihrer äußeren Oberfläche tragen, einer aus zwei Teilen bestehenden zweischaligen Halteeinrichtung mit sich radial nach innen erstreckenden Flanschen, welche in diese Vertiefungen jeweils passen, und am Umfang befindlichen Fixiereinrichtungen, welche die zweischalige Halteeinrichtung umgibt und die Flansche hiervon in diesen Vertiefungen hält, erläutert.
Fig. 9 ist eine alternative Ausführungsform einer Fixiereinrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 9 ist eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht eines Hohlfasermembranbündels mit einer Rohrplatte, Endkappe und zweischaliger Halteeinrichtung, umgeben von einer Fixiereinrichtung vom Schlauchschellentyp.
Fig. 10 ist eine alternative Ausführungsform einer Fixiereinrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 10 ist eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht vergleichbar zu Fig. 9, jedoch mit einer explodierten Ansicht hinsichtlich der zweischaligen Halteeinrichtung und einer verschraubten Spaltring-Fixiereinrichtung.
Fig. 11 ist eine Seitenansicht, teilweise gebrochen und im Schnitt dargestellt, einer zweistufigen konzentrischen Hohlfasermembrantrennvorrichtung, welche Endkappen, Rohrplatten, Hohlfasermembranbündel, zweischalige Halteeinrichtungen, am Umfang befindliche Fixiereinrichtungen und einen Hohlmantel rings um den Hohlfasermembranmodul gemäß der Erfindung umfaßt.
Fig. 12 ist eine Seitenansicht, teilweise gebrochen und im Schnitt dargestellt, einer zweistufigen konzentrischen Hohlfasermembrantrennvorrichtung gemäß der Erfindung, worin sich der einzige Hohlmantel über die Endkappen erstreckt und ebenfalls als Fixiereinrichtung dient.
Diese Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Trennung von einem oder mehreren Fluiden von einem oder mehreren anderen Fluiden in einem Fluidgemisch, bei welchem die Trennung durch selektiven Transport von einem oder mehreren Fluiden durch eine Membran erfolgt. Bei der vorliegenden Erfindung liegen die in diesen Vorrichtungen eingesetzten Membrane in Hohlfaserform vor. Gemäß einem anderen Aspekt ist die Erfindung ein Gehäuse für einen Hohlfasermembrantrennmodul. Gemäß einem noch anderen Aspekt ist die Erfindung ein Mittel zur Befestigung einer Endkappe oder einer Rohrplatte eines zweiten Hohlfasermembrantrennmoduls an eine Rohrplatte eines ersten Hohlfasertrennmoduls.
Die Hohlfasermembranvorrichtungen der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um ein oder mehrere Fluide von einem oder mehreren anderen Fluiden in einem Fluidgemisch zu trennen, in welchem die Fluide unterschiedliche Transportgeschwindigkeiten durch die oder quer zu den Membranen besitzen. Die Fluide können im Zustand von Gas, Dampf oder Flüssigkeit vorliegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hohlfasermembranvorrichtungen dieser Erfindung bei der Trennung von einem oder mehreren Gasen von einem oder mehreren anderen Gasen in einem Einspeisungsgasgemisch brauchbar. Die Mischung von zu trennenden Gasen umfassen bevorzugt wenigstens eines der Gase, ausgewählt aus der aus Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Wasserdampf, Ammoniak, Methan, anderen leichten Kohlenwasserstoffen und dergl. bestehenden Gruppe. Leichte Kohlenwasserstoffe, wie sie hier verwendet werden, bedeuten gesättigte und 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, Kohlenwasserstoffe von 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 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. Bei Membranabstreifen wird eine mikroporöse Membran verwendet, 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, d.h. eine eine dichte Trennschicht oder einen dichten Trennbereich aufweisende Membran, eingesetzt, und das durch die oder quer zur Membran permeierende Material kann als ein Gas oder Dampf entfernt oder 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: aliphatische und aromatische halogenierte C&sub1;&submin;&sub1;&sub0;-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; aliphatische und aromatische C&sub1;&submin;&sub1;&sub0;-Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan, Propan, Butan, Hexan, Heptan, Octan, Ethylen, Propylen, Butylen, Benzol, Toluol und Xylol; aliphatische und aromatische C&sub1;&submin;&sub1;&sub0;-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 welchen 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 von solchen eingeschlossenen oder aufgelösten Gasen schließen Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und dergl. ein.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein Spülfluid verwendet werden. Bei der Ausführungsform, bei welcher ein Spülfluid verwendet wird, kann das Spülfluid ein beliebiges Fluid sein, welches die Entfernung des Permeatfluids von der Mantelseite der Membranvorrichtung unterstützt. Das Spülfluid kann eine Flüssigkeit, ein Dampf oder ein Gas sein. Bei Gastrennung oder Membranabstreifabtrennung ist das Spülfluid bevorzugt ein Gas oder Dampf. Bevorzugte Spülgase schließen Luft, Stickstoff und dergl. ein.
Die Hohlfasermembrane werden im allgemeinen aus einem Polymeren gebildet, welches zur Trennung von einem oder mehreren Fluiden von einem oder mehreren anderen Fluiden in einem Fluidgemisch fähig ist. Die Hohlfasermembrane können durch Schmelzspinnen, Naßspinnen, Trockenspinnen oder eine Kombination hiervon hergestellt werden. Das Polymere, welches zur Herstellung der Hohlfasermembrane verwendet werden kann, schließt bevorzugt olefinische Polymere wie Poly-4- methylpenten, Polyethylen, Polypropylen und fluoriertes Polyethylen, Polytetrafluorethylen, Celluloseester, Celluloseether und regenerierte Cellulose, Polyamide, Polyetherketone einschließlich Polyetheretherketonen und Polyetherketonketonen, Polyestercarbonate, Polycarbonate, Polyester, Polyarylate, Polyether, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polytriazole, Polycyanoarylether, Polyamidimide, Polythioether, Polystyrole, Polysulfone, Polyimide, Polyetherimide, Polyethersulfone und Copolymere und physikalische Mischungen hiervon ein.
Die Hohlfasermembrane können homogene, symmetrische (isotrope), asymmetrische (anisotrope) oder zusammengesetzte Membrane sein. Die Membrane haben einen dichten Trennbereich bzw. diskriminierenden Bereich, welcher ein oder mehrere Fluide von einem oder mehreren anderen Fluiden basierend auf Unterschieden in der Löslichkeit und der Diffusionsfähigkeit der Fluide in dem dichten Bereich der Membran trennt. Alternativ können die Membrane mikroporös sein und ein oder mehrere Fluide von einem oder mehreren anderen Fluiden basierend auf den relativen Flüchtigkeiten der Fluide trennen.
Hohlfasermembrane mit dichten Bereichen sind für Gastrennungen bevorzugt. Asymmetrische Hohlfasermembrane können den Trennbereich entweder auf der Außenseite der Hohlfaser, auf der innenseitigen Lumenoberfläche der Hohlfaser oder irgendwo innenliegend zu sowohl der außenseitigen als auch der innenseitigen Oberflächen der Hohlfasermembran vorliegen haben. Bei der Ausführungsform, bei welcher der Trennbereich der Hohlfasermembran innenliegend zu beiden Oberflächen der Hohlfasermembran vorliegt und die innenseitige Lumenoberfläche und die außenseitige Oberfläche der Hohlfasermembran poros sind, zeigt die Membran dennoch die Fähigkeit zur Trennung von Gasen. Bei der Ausführungsform, bei welcher Gase getrennt werden, schließen bevorzugte Polymere für Membrane ein: Polyestercarbonate, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyimide, Polyether, Polyester, Polyarylate, Polybenzoxazole, Polydiazole, Polytriazole, Polycyanoarylether, Polyamidimide, Polyetherimide, Polythioether, Polycarbonate und Copolymere und physikalische Mischungen hiervon. Mehr bevorzugte Polymere für Gastrennmembrane schließen ein: Polysulfone, Polyethersulfone, Polyimide, Polyester, Polycarbonate und Polyestercarbonate. Eine bevorzugte Klasse von als Gastrennmembrane brauchbaren Polymeren schließen ein: auf ringoder brücken-substituiertem Bisphenol basierende Polysulfone, Polyethersulfone, Polyimide, Polyester, Polyestercarbonate und Polycarbonate, worin die Substituenten bevorzugt C&sub1;&submin;&sub4;-Alkylsubstituenten oder Halogensubstituenten, mehr bevorzugt Halogensubstituenten wie Chlor-, Brom- und Fluorsubstituenten sind. Bevorzugte Polycarbonat-, Polyester- und Polyestercarbonat-membrane für die Gastrennung schließen solche ein, die beschrieben sind in den US-Patenten 4 955 993, 4 874 401, 4 851 014, 4 840 646 und 4 818 254. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden solche Membrane nach dem im US-Patent 4 772 392 beschriebenen Verfahren hergestellt.
Mikroporöse Membrane werden für Flüssigkeitstrennungen wie das Membranabstreifen und die Membrandestillation bevorzugt. Solche mikroporösen Membrane können symmetrisch (isotrop) oder asymmetrisch (anisotrop) sein. Bei der Ausführungsform, bei welcher Flüssigkeiten getrennt werden, schließen bevorzugte Polymere für Membrane ein: Polyolefine oder fluorierte Polyolefine, wie Polyethylen, Polypropylen, Poly-4-methylpenten und fluoriertes Polyethylen, Polytetrafluorethylen, Polystyrole, Polyetherketone einschließlich Polyetheretherketonen und Polyetherketonketonen und Copolymere und physikalische Mischungen hiervon. Die Methoden zur Herstellung solcher Hohlfasermembrane sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt. Siehe beispielsweise US-Patente 4 927 535, 4 904 426 und 4 115 492.
Die in den Vorrichtungen dieser Erfindung brauchbaren Hohlfasermembrane besitzen bevorzugt einen Außendurchmesser in dem Bereich von 50 Mikron (µm) bis 400 Mikron (µm), mehr bevorzugt in dem Bereich von 75 Mikron (µm) bis 250 Mikron (µm). Das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser solcher Membrane liegt bevorzugt zwischen 1,15 und 2,50, mehr bevorzugt zwischen 1,25 und 1,70. Im Fall von asymmetrischen Membranen oder Verbundmembranen hat die Trennschicht bevorzugt weniger als 1 Mikron (µm), mehr bevorzugt weniger als 0,5 Mikron (µm). Die Trennschicht in asymmetrischen Membranen oder Verbundmembranen kann auf der Außenseite oder der Innenseite der Hohlfasermembrane liegen.
Die in dieser Erfindung brauchbaren Membrane besitzen bevorzugt einen Gastrennfaktor bei 30ºC für Helium/Methan von wenigstens 50, mehr bevorzugt von wenigstens 95. Die Membrane dieser Erfindung besitzen bevorzugt einen Gastrennfaktor bei 30ºC für Helium/Ethan von wenigstens 80, mehr bevorzugt von wenigstens 150. Die Membrane dieser Erfindung besitzen bevorzugt einen Gastrennfaktor bei 30ºC für Helium/ Ethylen von wenigstens 75, mehr bevorzugt von wenigstens 125. Die Membrane dieser Erfindung besitzen bevorzugt eine Gaspermeabilität für Helium von wenigstens 5,0 Barrers, mehr bevorzugt von wenigstens 15 Barrers.
Die Membrane dieser Erfindung besitzen bevorzugt einen Gastrennfaktor für Sauerstoff/Stickstoff bei 30ºC von wenigstens 3,0, mehr bevorzugt von wenigstens 4,0, noch mehr bevorzugt von wenigstens 5,0. Die Membrane dieser Erfindung besitzen bevorzugt eine Gaspermeabilität für Sauerstoff von wenigstens 0,5 Barrers, mehr bevorzugt von wenigstens 2,5 Barrers, noch mehr bevorzugt von wenigstens 4,0 Barrers.
Die Hohlfasermembrane werden in einem Bündel angeordnet, welches eine Vielzahl der Hohlfasermembrane umfaßt. Ein solches Bündel kann verschiedene Gestalten annehmen und verschiedene Muster der Faserwicklung besitzen. Bündel von Hohlfasermembranen, die in dieser Erfindung brauchbar sind, können verschiedene Gestalten und Faseranordnungen umfassen, einschließlich solcher, wie in den US-Patenten 3 422 008 und 3 228 876 beschrieben. Bevorzugt ist das Bündel in einer organisierten, d.h. im wesentlichen nichtstatistischen Weise angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hohlfasermembranbündel in einer zylindrischen Weise angeordnet, wobei die Enden der Hohlfasern an jedem Ende des zylindrischen Bündels befindlich sind. Ein solches Bündel ist bevorzugt ein längliches Bündel, bei welchem die Länge größer als der Durchmesser ist. Bevorzugt sind die Hohlfasern in dem Bündel entweder in Parallelwickelweise oder in einer Schrägwickelweise angeordnet. Bei paralleler Wicklung liegen die Hohlfasern im wesentlichen parallel zueinander, wobei jedes Ende der Hohlfasern an jedem Ende des Bündels angeordnet ist. Bei der Schrägwicklung sind die Hohlfasern in einem kreuzweisen Muster mit bestimmtem Winkel gewickelt, so daß die Hohlfasern in einem Bündel an Ort und Stelle gehalten werden. Wicklungen aus permeablem Material wie DYNEL(M)- Polyestertextilmaterial kann verwendet werden, um den Zusammenhalt des Bündels zu unterstützen. Undurchlässige Wicklungen können ebenfalls in das Bündel eingebaut werden, um gewünschte Strömungswege zu begünstigen, wie dies in den US- Patenten 4 929 259 und 4 961 760 beschrieben ist. Das Bündel kann ebenfalls in konzentrische Abschnitte für einen Vielstufenbetrieb oder zur Bereitstellung einer variablen Strömungsfähigkeit hergestellt werden, wie dies in den US-Patenten 5 013 437 bzw. 5 013 331 beschrieben ist.
An jedem Ende des Hohlfaserbündels befindet sich eine Rohrplatte. Die Rohrplatte dient dem Halten der Hohlfasermembrane an Ort und Stelle in einem Bündel und zur Auftrennung der Membranvorrichtung in unterschiedliche Fluidbereiche. Solche Bereiche schließen ein: den Einspeisungseinlaßbereich, in welchem das zu trennende Fluidgemisch in die Vorrichtung eingeführt wird, und einen Nicht-Permeatauslaßbereich, in welchem das Fluid, welches nicht quer zur Membran permeiert, d.h. das Nicht-Permeat, aus der Vorrichtung entfernt wird.
Die Rohrplatten können aus einem hitzegehärteten oder thermoplastischen harzartigen Material bestehen. Solche harzartigen Materialien sollten in der Lage sein, eine fluiddichte Abdichtung rings um die Hohlfasermembrane zu bilden. In einigen Ausführungsformen ist es bevorzugt, daß ein solches harzartiges Material fähig ist, an dem Kern und/oder Gehäuse wie auch an den Hohlfasermembranen zu haften. Die Hohlfasermembrane in dem Bündel kommunizieren durch jede Rohrplatte, und die äußere Fläche jeder Rohrplatte gegenüberliegend zu dem Bündel ist so geöffnet, daß die Bohrungen der Hohlfasermembrane gegenüber dem Bereich benachbart zu jeder Rohrplattenfläche geöffnet sind, wodurch eine Kommunikation von Fluid aus solchen Bereichen in die und aus den Hohlfasermembranen möglich ist. Der überwiegende Teil jeder Rohrplatte umfaßt als Verbund die Hohlfasermembrane, welche in dem harzartigen Material eingebettet sind. Die Rohrplatte kann eine beliebige Gestalt besitzen, welche die zuvor beschriebenen Funktionen liefert. Bevorzugt sind die Rohrplatten im wesentlichen kreisförmig mit ausreichender Querschnittsfläche und Dicke, um einen Träger für die Hohlfasermembrane bereitzustellen und den auf die Rohrplatten während des Betriebes ausgeübten Drücken zu widerstehen. Der Abschnitt jeder Rohrplatte außerhalb des Bündels kann für verschiedene Zwecke ausgestaltet sein, abhängig von der Auslegung des Gehäuses. Diese Abschnitte der Rohrplatten können lediglich Harz oder mit Gewebe imprägniertes Harz, welches rings um den äußeren Abschnitt jeder Rohrplatte gewickelt ist, od.dgl. umfassen.
Beispiele solcher als harzartige Materialien für Rohrplatten brauchbaren Materialien schließen künstliche und natürliche Kautschuke, 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 anhaftet und nach dem Aushärten Stabilität ergibt, kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Polyepoxidharze, welche für in dieser Erfindung brauchbare Harzformulierungen erwünscht sind, schließen Glycidylpolyether von vielwertigen Phenolen ein.
Beispiele für vielwertige Phenole sind einringige Phenole und Polyringphenole, und zu den letzteren gehören Phenol- Aldehydkondensationsharze, welche üblicherweise als Novolakharze bekannt sind. Typische einringige Phenole schließen Resorcin, Brenzcatechin, Hydrochinon, Phloroglycin 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'-Dihydroxyphenylphenylsulfon und dergl..
Die Herstellung solcher Epoxyharze ist wohlbekannt und ist in einer Anzahl von Patenten, wie im US-Patent 2 935 488 und in Lehrbüchern wie in 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 allgemein der Formel:
worin n eine positive reelle Zahl zwischen 0 und 6, mehr bevorzugt zwischen 0 und 4, mehr bevorzugt zwischen 0 und 1,5 ist.
In der folgenden Beschreibung beziehen sich alle Teile in bezug auf die Harzformulierung auf 100 Gew.-Teile des Epoxyharzes (Teile pro 100 Teile Harz, phr).
Zur Verwendung in dieser Erfindung bevorzugte Epoxyharze schließen D.E.R.(M) Epoxyharze, erhältlich von The Dow Chemical Company, ein.
Das Epoxyharz wird mit einem dem Fachmann auf dem Gebiet bekannten Aushärtmittel ausgehärtet Typische Aushärtmittel schließen aliphatische wie auch aromatische polyfunktionelle Amine ein, sowohl als gereinigte Verbindungen oder als Mischungen oder Zusammenmischungen mit anderen Verbindungen einschließlich solcher, welche als Eigenformulierungen von einer Vielzahl von unterschiedlichen Lieferanten wie Pacific Anchor Chemical Corporation hergestellt werden.
Typische aromatische Amine schließen m-Phenylendiamin, Methylendianilin, Mischungen (einschließlich Addukten) von m-Phenylendiamin und Methylendianilin, Diaminodiphenylsulfon, 4-Chlorphenylendiamin und dergl. ein.
Typische aliphatische Amine schließen Aminoethylethanolamin, Polymethylendiamine, Polyetherdiamine, Diaminocyclohexan und dergl. ein.
Andere als Epoxyhärter brauchbare Klassen von Verbindungen schließen Säureanhydridverbindungen wie Nadinmethylanhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid und dergl. ein. Im allgemeinen erfordern Säureanhydridhärter die Verwendung eines Katalysators zur Beschleunigung der Aushärtung bei Temperaturen niedriger als 100ºC. Solche Katalysatoren werden allgemein in katalytischen Mengen eingesetzt, d.h. ausreichenden Mengen zur Förderung des Aushärtens des Epoxyharzes mit dem Aushärtmittel. Bevorzugt liegt der Katalysator in einer Menge zwischen 0,5 und 10 Teilen Katalysator pro 100 an Harz vor, mehr bevorzugt zwischen 0,5 und 4 Teilen Katalysator pro 100 Teile von Harz und am meisten bevorzugt zwischen 1 und 2 Teilen Katalysator pro 100 Teile von Harz. Bevorzugte Katalysatoren schließen tertiäre Amine, beispielsweise Benzyldimethylamin, N,N,N',N'-Tetramethylbutandiamin, Dimethylaminopropylamin, N-Methylmorpholin, N-Triethylendiamin und dergl. ein. Wenn das Aushärtmittel auf Amin basiert, ist im allgemeinen ein Katalysator nicht erforderlich.
Eine zusätzliche wahlweise Komponente von Aushärtmitteln für Epoxyharzen ist eine Komponente, welche als ein Weichmacher für das ausgehärtete Harz wirkt und welche die Viskosität des Harzes vor dem Gelieren des Harzes erniedrigt. Solche Komponenten wie Dioctylphthalat, Dibutylphthalat, Acetyltributylcitrat oder Polyglykole mit niedrigem Molekulargewicht wie PEG 2000, hergestellt von The Dow Chemical Company, sind für diesen Zweck brauchbar.
Das Aushärten von Epoxyharzen ist in einer Reihe von Lehrbüchern beschrieben wie in Lee and Neville, Handbook of Epoxy Resins, McGraw-Hill Book Co., 1967.
Bei der Ausführungsform, bei welcher die Vorrichtung der Erfindung für das Membranabstreifen, die Membrandestillation oder die Pervaporation verwendet wird, umfassen die Rohrplatten bevorzugt die zuvor beschriebenen Epoxyharze oder Polyurethane.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, insbesondere Fig. 11, können Vorrichtungen der Erfindung wie folgt zusammengebaut werden. Beispielsweise wird ein zweistufiges konzentrisches Hohlfasermembranbündel 304, das geeignet modifizierte und konfigurierte Einspeisungs- und Nichteinspeisungs-Rohrplatten 300 und 300a aufweist, mit Dichtungsmitteln wie O-Ringen 801 und 801a, welche in Vertiefungen 302 und 302a eingesetzt sind, ausgerüstet; ein Hohlmantel von geeigneten Abmessungen wird vorsichtig in Stellung gebracht, so daß er abdichtend an beiden O-Ringen anliegt. Dichtungen wie O-Ringe 802 und 802a werden sorgfältig in die Umfangsoberflächen der Einspeisungs- und Nichteinspeisungs-Rohrplatten 300 und 300a eingelegt, und der O-Ring 800 wird in gleicher Weise sorgfältig in der inneren Oberfläche der Einspeisungsendkappe 100 angeordnet; die Einspeisungs- und Nichteinspeisungsendkappen 100 und 200 werden nacheinander sorgfältig auf die Rohrplatte vorgeschoben, wobei erforderlichenfalls eine Drehung ausgeführt wird, bis der sichtbare Spalt zwischen der Rohrplatte und der Endkappe minimiert ist. Ein einzelnes Segment der kragenähnlichen zweischaligen Halteeinrichtung 500 wird in geeigneter Weise in Stellung gebracht, so daß die nach innen sich erstreckenden Flansche in die am Umfang befindlichen Vertiefungen eingreifen können. Die Einspeisungsendkappe 100 wird gegen die Rohrplatte 300 gepreßt, während die Flansche des Einzelsegmentes der zweischaligen Halteeinrichtung in die geeigneten Vertiefungen eingesetzt werden. Das zweite Segment der zweischaligen Halteeinrichtung wird in derselben Weise in seiner Stellung eingepaßt. Dieselbe Arbeitsweise wird angewandt, um die kragenähnliche zweischalige Halteeinrichtung zu positionieren und einzusetzen, welche zum Halten der Nichteinspeisungsendkappe 200 in der geeigneten Stellung benutzt wird. Eine erste am Umfang befindliche Fixiereinrichtung 700, welche periphere innere Kanten, die wahlweise abgeschrägt wurden, besitzt, wird in ihre Stellung rings um die Halteeinrichtung vorgeschoben, zur Ausrichtung gedreht und in Stellung beispielsweise durch Einsetzen einer Kopfschraube in das Loch 701 fixiert. Eine zweite am Umfang befindliche Fixiereinrichtung 701a mit denselben Abmessungen und derselben Beschreibung wird in ihre Stellung rings um die Halteeinrichtung unter Eingriff mit der Nichteinspeisungsendkappe 200 und der Rohrplatte 300a vorgeschoben; die Fixiereinrichtung wird in ähnlicher Weise gedreht und in ihrer Stellung beispielsweise durch Einsetzen einer Kopfschraube in das Loch 701a fixiert. Ein Einspeisungsrohr wird in die Kommunikationsöffnung 103 eingeschraubt. Ein Permeatrohr wird an der Kommunikationsöffnung 1101 befestigt. Ein Nicht-Permeatrohr wird in die Kommunikationsöffnung 104 eingeschraubt, und die Kommunikationsöffnung 203 wird verschlossen (bei der Ausführungsform, bei welcher ein konventioneller einstufiger Hohlfasermembranmodul in das Gehäuse eingesetzt wird, wird die Kommunikationsöffnung 203 zum Abziehen von Nicht-Permeat verwendet, und nur eine einzige Einspeisungskommunikationsöf fnung wird im allgemeinen am Einspeisungsende des Moduls benutzt).
Das Hohlfasermembranbündel mit Rohrplatten wird abdichtend innerhalb des Gehäuses montiert, so daß zwei Fluidbereiche abgegrenzt werden, worin die Fluidströmung zwischen den zwei Bereichen durch das durch die Membrane permeierende Fluid gegeben ist. Die Membrane, Rohrplatten und das Gehäuse teilen die Vorrichtung in eine Seite mit höherem Druck, in welche das Einspeisungsfluidgemisch eingeführt wird, und in eine Seite mit niedrigerem Druck. Die Einspeisungsseite der Membrane mit höherem Druck wird mit dem Einspeisungsfluid unter Druck in Kontakt gebracht, während ein Druckdifferential quer über die Membrane aufrechterhalten wird. Das Einspeisungsfluidgemisch kann auf der Außenseite oder der Innenseite, bevorzugt auf der Innenseite, der Hohlfasermembrane eingeführt werden. Wenigstens eine Fluidkomponente in dem Einspeisungsfluidgemisch permeiert selektiv durch die Membrane rascher als die andere Fluidkomponente oder -komponenten in dem Einspeisungsgasgemisch. Fluid, welches an der / an den selektiv permeierenden Komponente oder Komponenten angereichert ist, wird so auf der Seite der Membrane mit niedrigerem Druck als Permeat erhalten. An der / den selektiv permeierenden Fluidkomponente oder Komponenten verarmtes Fluid wird auf der Seite der Membrane mit höherem Druck erhalten, welches von der Seite der Membrane mit höherem Druck als Nicht-Permeat entfernt wird. Das Permeat und das Nicht- Permeat werden aus der Vorrichtung über geeignet angeordnete Austritte oder Öffnungen in dem Gehäuse, d.h. in den Endkappen oder dem Hohlmantel, entfernt. Die Erfindung ist zur Trennung von Komponenten aus Gasmischungen brauchbar.
Die Gaspermeabilität ist definiert als:
P = (Menge von Permeat) (Membrandicke)
(Fläche) (Zeit) (Triebkraft quer zur Membran)
Eine Meßeinheit der Standardpermeabilität ist das Barrer (Ba), welches gleich ist zu:
10&supmin;¹&sup0;(Zentimeter)³ (STP) (Zentimeter)
(Zentimeter)² (Sekunde) (Zentimeter Hg)
abgekürzt im folgenden als 10&supmin;¹&sup0; cm³ (STP) cm
cm²s cm Hg
Der reduzierte Gasfluß ist definiert als (Permeabilität) ÷ (Membrandicke). Eine Standardeinheit des reduzierten Flusses ist
10&supmin;&sup6; (Zentimeter)³ (STP)
(Zentimeter) 2 (Sekunde) (Zentimeter Hg)
abgekürzt im folgenden als 10&supmin;&sup6; cm³ (STP)
cm²s cm Hg
[STP bedeutet Normaldruck und -temperatur]
Alpha, der Gastrennfaktor oder die Gasselektivität, ist als das Verhältnis der Permeabilität oder der Fluß des schneller permeierenden Gases zu der Permeabilität oder dem Fluß des langsamer permeierenden Gases definiert.
Die Gewinnung ist als das Verhältnis der Produktgasströmungsgeschwindigkeit zu der Einspeisungsgasströmungsgeschwindigkeit definiert, und sie wird im allgemeinen bei einer vorgegebenen Temperatur und Zusammensetzung von Nicht-Permeat definiert.
Das Gastrennverfahren wird bei Drücken und Temperaturen durchgeführt, welche die Membrane nicht in schädlicher Weise beeinträchtigen. Bevorzugt liegt der Druck auf der Seite der Membrane mit höherem Druck zwischen 10 psig (68,95 kPa) und 2000 psig (13.790 kPa), mehr bevorzugt zwischen 50 psig (344,7 kPa) und 1000 psig (6895 kPa) . Die Temperatur des Einspeisungsgasgemisches liegt bevorzugt zwischen 0ºC und 150ºC, mehr bevorzugt zwischen 10ºC und 120ºC. Die Temperatur der Membrane liegt bevorzugt zwischen 0ºC und 150ºC, mehr bevorzugt zwischen 10ºC und 120ºC.
Das Membrangastrennverfahren dieser Erfindung kann mit Nicht-Membrangastrennverfahren wie Tieftemperaturdestillation und Druckwechseladsorption kombiniert werden. Die Vorrichtungen dieser Erfindung können in Reihe oder parallel betrieben werden. Der Betrieb kann wahlweise die Rückführung wenigstens eines Teiles des Permeates und/oder des Nicht-Permeates einschließen.
Die Erfindung wird mehr spezifisch im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
In der Fig. 1, welche eine perspektivische Ansicht eines Einspeisungsendkappenabschnittes dieser Erfindung für einen zweistufigen konzentrischen Hohlfasermodul wiedergibt, ist 100 ein Einspeisungsendkappenkörper mit einer radial außenliegenden Oberfläche, 101 ist eine in der radial außenliegenden Oberfläche der Endkappe ausgebildete, am Umfang befindliche Vertiefung, 102 ist eine eingerückte, am Umfang befindliche Oberfläche, welche Dichtungseinrichtungen wie einen O-Ring oder eine Dichtung aufnimmt, 106 ist ein penpherer Flansch, wobei der Flansch so angeordnet und ausgelegt ist, daß er gegen eine komplementäre periphere Oberfläche auf der äußeren Fläche einer benachbarten Rohrplatte paßt, und 103 und 104 sind die Fluidkommunikationsöffnungen.
In Fig. 2, welche eine perspektivische Ansicht einer Nicht-Einspeisungsendkappe oder einer Einspeisungsendkappe eines einstufigen Moduls zeigt, ist 200 ein Endkappenkörper mit einer radial außenseitigen Oberfläche, 201 ist eine in der radial außenliegenden Oberfläche der Endkappe ausgebildete, am Umfang befindliche Vertiefung, 202 ist eine eingerückte, am Umfang befindliche Fläche, welche eine Dichtungseinrichtung wie einen O-Ring oder eine Dichtung aufnimmt, 204 ist ein peripherer Flansch, wobei der Flansch so angeordnet und ausgelegt ist, daß er gegen eine komplementäre periphere Oberfläche auf der äußeren Fläche einer benachbarten Rohrplatte paßt, und 203 ist eine Fluidkommunikationsöffnung, welche sich zwischen den inneren und äußeren Flächen der Endkappe erstreckt.
In den Fig. 3 und 4, welche jeweils eine perspektivische Ansicht und eine Endansicht einer Hohlfasermembran-Rohrplatte zeigen, ist 300 ein Rohrplattenkörper, 301 und 302 sind am Umfang befindliche Vertiefungen, 303 ist eine komplementäre periphere Oberfläche, welche abdichtend mit der inneren Oberfläche des peripheren Flansches zusammenpaßt, 304 ist ein Hohlfasermembranbündel, 305 ist ein Kern eines Hohlfasermembranbündels, 306 ist ein Hohlfasermembranbündel und 307 ist die komplementäre radial abdichtende Oberfläche, welche zu der Endkappe paßt.
In Fig. 5, welche eine perspektivische Ansicht einer kragenförmig segmentierten multiplen zweiteiligen Halteeinrichtung zeigt, ist 500 der Körper der zweischaligen Halteeinrichtung und 501 sind periphere Flansche, welche sich radial nach innen erstrecken, wobei der Abstand zwischen den Flanschen derart ist, daß jede Endkappe und hiermit verbundene Rohrplatte eng aneinander in abdichtender Beziehung gepreßt werden.
In Fig. 6, welche eine perspektivische Ansicht einer kragenähnlichen segmentierten vielfachen aus vier Teilen bestehenden zweischaligen Halteeinrichtung zeigt, ist 600 der Körper der zweischaligen Halteeinrichtung und 601 sind periphere Flansche, welche sich radial nach innen erstrecken, wobei der Abstand zwischen den Flanschen derart ist, daß jede Endkappe und hiermit verbundene Rohrplatte eng zusammen in abdichtender Beziehung gepreßt werden.
In Fig. 7, welche eine perspektivische Ansicht einer am Umfang befindlichen Fixiereinrichtung zeigt, ist 700 der Körper der am Umfang befindlichen Fixiereinrichtung und 701 ist eine Einrichtung für die Markierung und Ausrichtung der am Umfang befindlichen Fixiereinrichtung mit der Endkappe wie ein konischer Stift oder eine Kopfschraube.
In Fig. 8, welche eine explodierte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, ein Gehäuse für einen zweistufigen konzentrischen Hohlfasermodul, zeigt, ist 100 die Einspeisungsendkappe, welche abdichtend an 300, der Hohlfasermembran-Rohrplatte, unter Verwendung der O-Ringe 800 und 802 befestigt ist. Die radialen Oberflächen jedes Teiles sind von äquivalentem Umfang und werden durch 501, die sich radial nach innen erstreckenden peripheren Flansche auf der zweischaligen Halteeinrichtung 500, zusammengehalten, welche passend und koordinierend in 101, die am Umfang befindliche Vertiefung in der Einspeisungsendkappe 100, und in 301, die am Umfang befindliche Vertiefung in der Hohlfasermembran-Rohrplatte 300, passen.
700 ist die am Umfang befindliche Fixiereinrichtung, welche eng jede zweischalige Halteeinrichtung 500 umgibt, um die Flansche der zweischaligen Halteeinrichtung 500 in den jeweiligen Vertiefungen in Endkappe 100 und hiermit verbundenerrohrplatte 300 zu halten.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Fixiereinrichtung 700, wobei dies eine in Stufen einstellbare Klemme ist. 701 ist eine Einrichtung zum Markieren und Ausrichten der zweischaligen Halteeinrichtung 900 mit der Endkappe 100 wie ein konischer Stift oder eine Kopfschraube.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Fixiereinrichtung 700, wobei dies eine steife mehrfache zweiteilige Klemme mit zueinander komplementären axialen Ausdehnungen ist, 1001 sind Kopfschrauben, welche in die axialen Verlängerungen eingeschraubt werden können, und welche dicht jede zweischalige Halteeinrichtung 500 umschließen, um die Flansche der zweischaligen Halteeinrichtung 500 in den jeweiligen Vertiefungen in Endkappe 100 und hiermit verbundener Rohrplatte 300 zu halten. 701 ist eine Einrichtung zur Markierung und Ausrichtung der steifen mehrfachen zweiteiligen Klemme mit der Endkappe, beispielsweise ein konischer Stift oder eine Kopfschraube.
In Fig. 11, welche eine Seitenansicht einer zweistufigen konzentrischen Hohlfasermembrantrennvorrichtung zeigt, ist 1100 ein Hohlmantel, welcher abdichtend das Hohlfasermembranbündel 304 einschließt. 801 ist ein O-Ring, welcher stramm in 302, der am Umfang befindliche Vertiefung in dem Einspeisungsende der Hohlfasermembran-Rohrplatte 300, angeordnet ist. 302a ist die am Umfang befindliche Vertiefung in dem Nicht-Einspeisungsende der Hohlfasermembran-Rohrplatte 300a. 1101 ist eine Fluidkommunikationsöffnung. In dem Einspeisungsende des Hohlfasermembranmoduls ist 110 der Einspeisungseinlaßbereich. In dem Nicht-Einspeisungsende des Hohlfasermembranmoduls ist 210 ein zwischenliegender Mischbereich, wobei die Fluidkommunikationsöffnung 203 verschlossen ist. Beim Betrieb, beispielsweise bei einem Verfahren zur Trennung eines Einspeisungsgasgemisches, tritt das Einspeisungsgasgemisch in die Vorrichtung über die Öffnung 103 in der Einspeisungsendkappe 100 ein, füllt den Einspeisungseinlaßbereich 110 zwischen der Einspeisungsendkappe 100 und der Rohrplatte 300 und tritt in die Bohrungen der Hohlfasermembrane ein, welche längs der radialen Fläche der Rohrplatte freiliegen. Wenn das Gasgemisch innerhalb des Bündels 304 strömt, permeiert wenigstens eine gasförmige Komponente in dem Gasgemisch durch die Faserwände rascher als wenigstens eine andere gasförmige Komponente. Das Nicht-Permeat von der ersten Stufe verläßt die Bohrungen der Hohlfasermembrane in den Mischbereich 210 und in die zweite Stufe, wobei das Nicht-Permeat schließlich aus den Bohrungen der Hohlfasermembrane bei 306 in den Nicht-Permeatauslaßbereich 109 entfernt wird, aus diesem wird das Nicht-Permeat aus der Vorrichtung durch die Fluidkommunikationsöffnung 104 entfernt. Das angereicherte Permeat wird von der äußeren Oberfläche des Hohlfasermembranbündels 304 durch die Fluidkommunikationsöffnung 1101 entfernt.
In Fig. 12, welche eine andere Seitenansicht einer Hohlfasermembrantrennvorrichtung zeigt, ist 1200 ein einziger Hohlmantel, welcher sich über die Endkappen 100 und 200 erstreckt und ebenfalls als Fixiereinrichtung dient und welcher abdichtend das Hohlfasermembranbündel 304 einschließt und jede zweischalige Halteeinrichtung 500 dicht umgibt, um die Flansche der zweischaligen Halteeinrichtung 500 in den jeweiligen Vertiefungen in jeder Endkappe 100 und 200 und hiermit verbundenen Rohrplatte 300 und 300a zu halten.
Bei jeder Ausführungsform, wie in den Fig. 1, 2, 8, 11 und 12 gezeigt, können die Eintritts- und Austrittsöffnungen für das Fluid entgegengesetzt benutzt werden. Bei einem konventionellen einstufigen Modul wird der Zusammenbau und der Betrieb entsprechend vereinfacht.
Das folgende Beispiel dient lediglich Zwecken der Erläuterung der Erfindung und soll den Umfang der Erfindung oder der Ansprüche nicht einschränken.

Beispiel

Ein Hohlfasermembranbündel mit Epoxyrohrplatten wurde unter Verwendung von Membranen aus Tetrabrombisphenol-A-polycarbonat, extrudiert in der im US-Patent 4 772 392 beschriebenen Weise, zusammengebaut. Das Membranbündel hat eine aktive Fläche von etwa 200 Quadratmetern, basierend auf dem Außendurchmesser der Hohlfasern. Eine Vorrichtung mit der Konfiguration von Fig. 11 wurde entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt. Endkappen wurden aus Aluminium hergestellt und abdichtend unter Verwendung von geeignet angeordneten O-Ringen auf der komplementären Oberfläche jeder Rohrplatte angeordnet. Ein zylindrischer Hohlmantel wurde aus druckfestem PVC hergestellt und abgedichtet montiert, so daß er das Hohlfasermembranbündel und die Rohrplatten umgab. Aus zwei Teilen bestehende zweischalige Halteeinrichtungen mit peripheren radialen Flanschen wurden aus Aluminium hergestellt, und die peripheren Flansche wurden in die geeigneten am Umfang befindlichen Vertiefungen in jeder Endkappe und benachbarter hiermit verbundener Rohrplatte in Eingriff gebracht. Eine einteilige zylindrische Hülse wurde aus Aluminium hergestellt und so montiert, daß sie die aus zwei Teilen bestehende zweischalige Halteeinrichtung einfaßte. Die zylindrische Hülse wurde mit einem Stift an Ort und Stelle gehalten.
Luft (mit etwa 20,95% Sauerstoff) bei einem Druck von etwa 135 psi (etwa 930,8 kPa), einer Temperatur von etwa 25,8ºC und einer Strömungsrate von etwa 11,9 SCFM (etwa 336,9 L/M [1/min]) wurde in die Einspeisungsöffnung der Vorrichtung eingeführt. Das Permeat, das eine Zusammensetzung von etwa 29,34% Sauerstoff aufwies, wurde bei einer Temperatur von etwa 25,3ºC und einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 8,4 SCFM (etwa 237,8 L/M [1/min]) gewonnen. Das inerte Nicht-Permeatprodukt wurde bei einem Druck von etwa 124,5 psi (etwa 859,1 kPa), einer Temperatur von etwa 24,1ºC und einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 3,5 SCFM (etwa 99,1 L/M [1/min]) gewonnen. Die Sauerstoffzusammensetzung der inerten Produktströmung wurde zu etwa 1% Sauerstoff gefunden.

Claims

1. Vorrichtung zur Befestigung einer Endkappe (100) an eine Rohrplatte (300) eines Hohlfasermembrantrennmoduls, wobei diese Rohrplatte eine innere Fläche, die von einer Vielzahl von Hohlfasermembranen durchsetzt ist, eine äußere Fläche und eine äußere periphäre Oberfläche aufweist, die Hohlfasermembran abdichtend in der Rohrplatte befestigt ist und hierdurch kommuniziert, wobei diese Endkappe eine radial periphäre Oberfläche und eine innere Fläche mit einem periphären Flansch (106) hat, dieser Flansch angeordnet und ausgelegt ist, um abdichtend gegen eine hierzu passende komplementäre periphäre Oberfläche auf der äußeren Fläche dieser Rohrplatte zu passen, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

A. eine periphäre am Umfang befindliche Vertiefung (301) in der äußeren periphären Oberfläche dieser Rohrplatte, benachbart der inneren Fläche hiervon;

B. eine periphäre am Umfang befindliche Vertiefung (101) in der radial außenliegenden Oberfläche dieser Endkappe;

C. zweischalige Haltereinrichtungen in Form eines segmentierten Kragens mit einer Vielzahl von gekrümmten Segmenten (500), wobei die Segmente zusammen einen im wesentlichen vollständigen zylindrischen Kragen mit Flanschabschnitten (501) angrenzend an die beiden Ränder hiervon bilden, die Flanschabschnitte auf jedem Segment sich radial nach innen erstrecken, die Flanschabschnitte von jedem Segment dazu ausgelegt sind, jeweils und aufeinander abgestimmt in das Paar von periphären Vertiefungen (101, 301) der Endkappe und der Rohrplatte einzupassen, der Abstand zwischen den Flanschabschnitten (501) so ist, daß die Endkappe und die Rohrplatte in abdichtender Weise eng zueinander gepreßt werden; und

D. eine am Umfang befindliche Fixiereinrichtung (700), welche die zweischalige Halteeinrichtung eng umgibt, um die Flanschabschnitte (501) der zweischaligen Halteeinrichtung in den jeweiligen Vertiefungen (101, 301) in der Endkappe und der Rohrplatte zu halten.

2. Vorrichtung zur Befestigung einer Rohrplatte eines zweiten Hohlfasermebrantrennmoduls an einer Rohrplatte eines ersten Hohlfasermebrantrennmoduls wobei die Rohrplatten jeweils eine innere Fläche, die von einer Vielzahl von Hohlfasermembranen durchsetzt ist, und eine äußere Fläche aufweisen, die Rohrplatte des zweiten Moduls und die Rohrplatte des ersten Moduls zueinander passende periphäre Oberflächen haben und die Rohrplatte des zweiten Moduls und die Rohrplatte des ersten Moduls jede eine äußere periphäre Oberfläche besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

A. eine periphäre am Umfang befindliche Vertiefung in der äußeren periphären Oberfläche jeder der Rohrplatten, wobei die Vertiefung in der äußeren Oberfläche der Rohrplatten benachbart zu der inneren Fläche hiervon ist;

B. zweischalige Haltereinrichtungen für die Rohrplatten in Form eines segmentierten Kragens mit einer Vielzahl von gekrümmten Segmenten, wobei die Segmente zusammen einen im wesentlichen vollständigen zylindrischen Kragen mit Flanschabschnitten angrenzend an die beiden Rändern hiervon bilden, die Flanschabschnitte auf jedem Segment sich radial nach innen erstrecken, die Flanschabschnitte von jedem Segment dazu ausgelegt sind, jeweils und aufeinander abgestimmt in das Paar von periphären Vertiefungen der Endkappe und der Rohrplatte einzupassen, wobei der Abstand zwischen den Flanschabschnitten derart ist, daß die Rohrplatten in einer abdichtender Weise aneinander gepreßt werden; und

C. eine am Umfang befindliche Fixiereinrichtung, welche jede zweischalige Halteeinrichtung eng umgibt, um die Flanschabschnitte der zweischaligen Halteeinrichtung in den Vertiefungen in jeder Rohrplatte zu halten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin diese zweischalige Halteeinrichtung aus nicht aneinander berührenden Segmenten besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin diese am Umfang befindliche Fixiereinrichtung aus einer Schelle mit einstellbarer Größe (700) besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin diese Rohrplatte oder Endkappe eine Einrichtung zur Markierung und Ausrichtung dieser am Umfang befindlichen Fixiereinrichtung besjtzt.

6. Hohlfasermembran-Trennvorrichtung, umfassend: Hohlfasermembranbündel (304) mit einer Rohrplatte (300, 300a) an jedem Ende des Bündels, wobei jede Rohrplatte eine innere Fläche, die von einer Vielzahl von Hohlfasermembranen durchschnitten ist, eine äußere Fläche und eine äußere periphäre Oberfläche hat, die Hohlfasermembrane abdichtend an jedem Ende in der jeweiligen Rohrplatte und hierdurch kommunizierend befestigt sind, erste und zweite Endkappen (100, 200), wovon jede eine radial äußere Oberfläche und eine innere Fläche mit einem periphären Flansch (106, 204) hat, wobei dieser Flansch angeordnet und ausgelegt ist, gegen einer komplementäre periphäre Oberfläche auf der äußeren Fläche einer angrenzenden jeweiligen Rohrplatte abdichtend zu passen, jeder Flansch ausreichende Breite in der axialen Richtung besitzt, um einen eingeschlossen Raum zwischen der inneren Fläche dieser Endkappe und der äußeren Fläche ihrer jeweiligen benachbarten Rohrplatte bereitzustellen, wobei der Raum als ein Fluideinlaß- oder -auslaßbereich (110, 210) dient, und Einrichtungen zum Befestigen jeder Endkappe an ihre jeweilige benachbarte Rohrplatte, dadurch gekennzeichnet, daß diese Befestigungsmittel so sind, wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 angegeben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, zusätzlich umfassend: einen Hohlmantel (1100, 1200), welcher dieses Hohlfasermembranbündel einschließt, wobei dieser Mantel Enden aufweist, die abdichtend gegen jede jeweilige Rohrplatte angepreßt sind, um einen eingeschlossenen Raum rings um das Hohlfaserbündel bereitzustellen; und

jeweilige Öffnungen (103, 104, 203, 1101), welche sich durch jede Endkappe und diesen Hohlmantel erstrecken, um Kommunikation von Fluid in die und aus der Vorrichtung bereitzustellen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die am Umfang befindliche Fixiereinrichtung aus einer Schelle von einstellbarer Größe (700) besteht.

9. Verfahren zur Trennung eines Gasgemisches unter Verwendung einer Membrantrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend:

(1) Inkontaktbringen einer Seite dieses Hohlfasermembranbündels mit einem Einspeisungsgasgemisch unter Druck;

(2) Aufrechthalten eines Druckdifferentials quer zu dem Hohlfasermembranbündel unter solchen Bedingungen, daß wenigstens eine gasförmige Komponente in dem Einspeisungsgasgemisch selektiv durch das Holhlfasermembranbündel von der Seite mit höherem Druck zu der Seite mit niedrigerem Druck dieses Hohlfasermembranbündels permeiert;

(3) Entfernen des permeierten Gases, welches an wenigstens einer selektiv permeierenden gasförmigen Komponente angereichert ist, von der Seite mit niedrigerem Druck dieses Hohlfasermembranbündels, und

(4) Entfernen des nicht-permeierten Gases, welches an wenigstens einer selektiv permeierenden gasformigen Komponente abgereichert ist, von der Seite mit höherem Druck dieses Hohlfasermembranbündels.