DE19900432A1

DE19900432A1 - Membranmodul

Info

Publication number: DE19900432A1
Application number: DE19900432A
Authority: DE
Inventors: Stephan R Blum; Bernd Luehrs
Original assignee: Heggemann GmbH
Current assignee: Heggemann GmbH
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2000-07-13
Also published as: DE20022342U1; WO2000040325A1

Abstract

Das Membranmodul für die Stofftrennung besteht aus einem Gehäuse und einem darin eingebauten Faserbündel, welches eine oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl von, parallel angeordneten semipermeablen Schlauchmembranen (8) aufweist, die mit ihren Enden an Kopfplatten (5) (Pottings) befestigt sind, wobei die Innenseiten der Schlauchmembranen (8) mit entsprechenden, in mindestens einer der Kopfplatten (5) angeordneten Kanälen verbunden sind. Der Abstand der Pottings (5) im Faserbündel ist vor dessen Einbau in das Gehäuse frei veränderbar. Nach dem Einbau des Faserbündels in das Gehäuse ist der Abstand der Pottings (5) zueinander fixiert. Das Modulkonzept ist universell für alle Anwendungsfälle geeignet, läßt alle individuellen Vorteile der existierenden, aber unterschiedlichen Konstruktionen in einem Konzept zu, aber vermeidet dabei alle individuellen Nachteile der existierenden, aber unterschiedlichen Konstruktionen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Membranmodul für die Stofftrennung, bestehend aus einem Gehäuse und einem darin eingebauten Faserbündel, welches eine oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl von, parallel angeordneten semipermeablen Schlauchmembranen aufweist, die mit ihren Enden an Kopfplatten (Pottings) befestigt sind, wobei die Innenseiten der Schlauchmembranen mit entsprechenden, in mindestens einer der Kopfplatten angeordneten Kanälen verbunden sind.

1. Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik 1.1 Allgemeines

Verfahren wie Mikro- und Ultrafiltration (MF, UF), Umkeh rosmose (UO) und Dialyse (DL) finden breiten industriellen Einsatz, z. B. in der Abwassertechnik (Mikrofiltration, Ultrafiltration) bzw. in der Meerwasserentsalzung zur Trinkwassergewinnung (Umkehrosmose), und haben einen Ent wicklungsstand erreicht, der kaum noch grundlegende Neue rungen erwarten läßt. Es gibt darüber hinaus Membranver fahren, die es ermöglichen selektiv Komponenten aus Gemi schen abzutrennen. Dabei handelt es sich um die Pervapora tion (PV), wenn das Gemisch im flüssigen Aggregatzustand befindet, um die Dampfpermeation (DP), wenn das Gemisch dampfförmig und letztlich um die Gaspermeation (GP), wenn das Gemisch gasförmig vorliegt.

Die Pervaporation sowie die Dampfpermeation verfügen hin sichtlich ihrer Einsatzgebiete und einer verfahrenstechni sch sinnvollen Kombination mit anderen Prozeßschritten, insbesondere Rektifikation und Reaktion, über ein hohes Entwicklungspotential.

Daß der industrielle Einsatz der Pervapora tion/Dampfpermeation bislang kaum erfolgt ist, kann nicht einfach auf einen Mangel an geeigneten Membranen zurückge führt werden. Vielmehr ist festzustellen, daß das Poten tial der zur Verfügung stehenden Membranen bei weitem nicht ausgeschöpft ist. Für einen breiteren Einsatz der Pervaporation/Dampfpermeation sind vor allem die Entwick lung zuverlässiger und kostengünstiger Module und eine optimale Integration des Membranverfahrens in technische Prozesse von Bedeutung.

Kernstück jeder Membrananlage ist der Modul, d. h. die technische Anordnung der Membranen. Dabei bedeutet:

Modul = Membran(en) + Gehäuse

Bei der Modulentwicklung müssen im wesentlichen die fol genden z. T. widersprüchlichen Anforderungen berücksichtigt werden:

- gute, gleichmäßige Überströmung der Membran
- mechanische, chemische und thermische Stabilität
- große Packungsdichte
- kostengünstige Fertigung
- gute Reinigungsmöglichkeit
- kostengünstige Möglichkeit eines Membranwechsels
- geringe Druckverluste

Darüber hinaus ist auch den vielfältigen Transportwider ständen bei der Konstruktion eines Moduls Rechnung zu tragen, die in Gasen und Dämpfen eine völlig andere Bedeu tung besitzen als in Flüssigkeiten. Daher ist es einleuch tend, daß derselbe Modultyp hinsichtlich der optimalen Geometrie und Strömungsführung verschieden ausfällt, je nachdem ob er für die Umkehrosmose, Gaspermeation, Per vaporation oder Dampfpermeation konzipiert ist. Da je nach Einsatzzweck der eine oder der andere Gesichtspunkt im Vordergrund steht, sind auf dem Markt eine Reihe völlig unterschiedlich konzipierter Modultypen erhältlich. Sieht man von konstruktiven Einzelheiten ab, so lassen sich die Module auf 2 Bauklassen und 6 Bauarten zurückführen:

Schlauchmembranen:
Rohrmodul
Kapillarmodul
Hohlfasermodul

Flachmembranen:
Plattenmodul
Wickelmodul
Kissenmodul

Die Erfindung betrifft Module mit Schlauchmembranen, wel che nachfolgend näher erläutert werden.

1.2 Bauformen von Modulen mit Schlauchmembranen 1.2.1 Rohrmodul

Bei diesem Modultyp liegt die Membran in Schlauchform auf der Innenseite druckfester Rohre, die Durchmesser zwischen 6 und 24 mm aufweisen. Der Feed wird in das Innere des Rohres gepumpt, das Permeat durchdringt die Membran und wird im Außenraum abgezogen. Zum Teil können die Membranen ausgewechselt werden, zum Teil sind sie aber auch fest auf dem Stützmaterial aufgebracht. Zur Erhöhung der relativ geringen Packungsdichte (< 80 m² Membranfläche pro m³ umbautem Raum) ordnen viele Hersteller mehrere Module in einem Mantelrohr an. Die Vorteile und Nachteile des Rohr moduls sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei der Innendurchmesser mit d_i abgekürzt ist:

1.2.2 Kapillarmodul

Im Gegensatz zu Rohrmodulen und Modulen mit Flachmembra nen, bei denen die Membranfolie durch eine poröse Stütz struktur mechanisch abgestützt wird, gibt es auch Modul konstruktionen, die mit selbsttragenden Membranen ausge stattet sind

- das Hohlfasermodul
- das Kapillarmodul

Letzteres besteht aus größeren (d_i = 0.5-6 mm) und damit weniger druckfesten Membranschläuchen, die asymmetrisch aufgebaut sind und innen die aktive Trennschicht besitzen.

Das Kapillarmodul wird im Bereich der Ultrafiltration sowie bei der Gaspermeation in den Fällen eingesetzt, in denen die Triebkraft durch Anlegen von Vakuum auf der Permeatseite - bei Umgebungsdruck auf der Feedseite - realisiert wird. Er ist mit einem Rohrbündelwärmeaus tauscher zu vergleichen: die Membranschläuche sind paral lel angeordnet und an beiden Enden in einer Kopfplatte (Potting) verklebt. Im Vergleich zum Rohrmodul besitzt der Kapillarmodul eine höhere Packungsdichte, jedoch wegen der meist laminaren Strömung ein weniger gutes Stoffaustausch verhalten. Die Vorteile und Nachteile des Kapillarmoduls sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

1.2.3 Hohlfasermodul

Sehr viel geringere Durchmesser als beim Kapillarmodul werden in Hohlfasermodulen verwendet. Hohlfasermodule werden bei der Umkehrosmose und Gaspermeation eingesetzt, bei der Gaspermeation aber nur dort, wo die Triebkraft durch Überdruck auf der Zulaufseite - bei Umgebungsdruck auf der Permeatseite - realisiert wird. Meist ist die zu trennende Mischung auf der Außenseite der Fasern, während das Permeat im Faserinnern abströmt. Die Hohlfasern werden also im Gegensatz zu Kapillaren zumeist durch Außendruck beansprucht. Aus diesem Grund sind sie druckstabiler als Kapillar- und Rohrmodul und können einer Druckdifferenz bis zu 100 bar standhalten. Meist sind die eingesetzten Hohlfasern asymmetrisch, wobei die aktive Schicht in den meisten Fällen außen liegt. Typische Größenordnungen sind Außendurchmesser d_a = 85 µm (Dupont - UO, d_a = 200 µm (Toyobo - UO) und d_a = 400 µm (Monsanto GP und UBE GP).

Beim Hohlfasermodul werden die einzelnen Fasern zu einem Faserpaket zusammengefaßt und in ein Druckrohr eingebaut. Konstruktiv sind dabei die Module für die Gaspermeation so ausgebildet, daß die zu trennende Mischung parallel zu den Fasern geführt wird (Gleich- oder Gegenstrom), während bei Hohlfasermodulen für die Umkehrosmose die Rohlösung radial zum Faserbündel, und zwar von innen nach außen strömt (Kreuzstrom). Als Beispiel für letzteres sei das Membran modul genannt, das unter dem Handelsnamen "Permasep" von der Fa. Du Pont vertrieben wird.

Während bei den Hohlfasermodulen für die Umkehrosmose die zu trennende Mischung immer auf der Außenseite der Fasern strömt und das Permeat im Faserinnern, existieren für die Gaspermeation beide Stromführungen. Insgesamt sind dabei die in Fig. 5 dargestellten 3 Varianten hinsichtlich der Stromführung von Feed 3 und Permeat 4 und hinsichtlich des Membranaufbaus entwickelt worden:
Neben der Variante A mit außenumströmtem Faserbündel und außenliegender aktiver Schicht 1 der Membran und innenlie gender Stützschicht 2 gibt es auch Module mit feedseitig innendurchströmten Hohlfasern. Selbstverständlich müssen hier die Fasern analog zu einem eingängigen Rohrbündelwär meaustauscher an beiden Faserenden offen eingeklebt sein. Die aktive Schicht 1 der Membran ist bei dieser Stromfüh rung normalerweise auf der Innenseite (Variante B), jedoch ist auch ein innendurchströmter Hohlfasermodul für die Gaspermeation mit außen liegender aktiver Schicht 1 (Variante C) bekannt.

Die Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten lassen sich anhand der Fig. 6a und 6b charakterisieren, in denen die Pottings 5 mit den Dichtungen 6, das Zulauf- und Ab laufrohr (Zentralrohr) 7 und die Schlauchmembranen 8 sowie Feed 3 und Retentat 9 dargestellt sind. Der Feeddruck P_F, der Permeatdruck P_P und der Retentatdruck P_R sowie die resultierende Kraft 10 bzw. der resultierende Druck 10 auf die Pottings 5 sind ebenfalls eingezeichnet.

Außen angeströmte Varianten (Fig. 6a)

Bei außen angeströmten Varianten wirkt der Systemüberdruck auf die Innenseite der Pottings mit dem Bestreben, diese auseinanderzudrücken.

Innen angeströmte Varianten (Fig. 6b)

Bei innen angeströmten Varianten wirkt der Systemüberdruck auf die Stirnseiten der Kopfplatten 5 (Pottings) mit dem Bestreben, diese gegeneinander zu drücken.

Variante A (außen angeströmt)

Hier können aufgrund der hohen mechanischen Stabilität von Rohren unter Außendruck hohe feedseitige Drücke (Δp ≈ 70 bar) realisiert werden. Permeatseitig sind jedoch relativ hohe Druckverluste zu erwarten, da aus konstruktiven Grün den kleine Faserdurchmesser und große Faserlängen ange strebt werden. Hinzu kommt bei Gaspermeationsmodulen der ungünstige Einfluß des niedrigen Permeatdruckes auf den Druckverlust (Δp ~ 1/p). Es ist jedoch eine große Packungsdichte erreichbar, da die äußere Mantelfläche der Hohlfasern natürlich sehr viel größer ist als die innere.

Variante B (innen angeströmt)

In diesem Fall ist der permeatseitige Druckverlust ver nachlässigbar klein. Dies ist für die Gaspermeation we sentlich, da hier die Selektivität relativ stark vom Druckverhältnis P_F/P_P abhängt und damit wesentlich emp findlicher auf permeatseitige Druckverluste reagiert als auf feedseitige (Größenordnungen beachten!). Nachteilig sind die deutlich geringere Packungsdichte, vor allem aber die geringere Belastbarkeit der Hohlfasern bei Innendruck (P_Fmax ≈ 15 bar).

Variante C (innen angeströmt)

Bei diesem Typ wird versucht, den Vorteil der Variante A - große, weil außen liegende aktive Membranfläche - mit dem Vorteil der Variante B - geringer permeatseitiger Druck verlust - zu verbinden. Hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung ist zu berücksichtigen, daß einerseits eine außen liegende, auf Dehnung beanspruchte aktive Schicht gefährdeter ist als eine innen liegende Schicht, anderer seits aber eine eventuelle Beschädigung durch im Feed befindliche Partikel ausgeschlossen ist.

Die Vorteile und Nachteile des Hohlfasermoduls sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei der Innendurchmes ser mit d_i abgekürzt ist:

1.2.4 Übersicht

Abschließend werden die wichtigsten Unterscheidungsmerkma le der drei Modultypen mit Schlauchmembran zusammengefaßt.

Unterscheidungsmerkmale der Modultypen mit Schlauchmembran

1.3 Nachteile des Standes der Technik

Gerade die Vielzahl an verfügbaren Modulsystemen hat eine Verbreitung der Membranverfahren in solchen Gebieten ver hindert, in denen verschiedene Membranen in derselben Modulkonfiguration benötigt werden. Sollen z. B. in demsel ben Reaktor unter Einsatz verschiedener Membranen unter schiedliche Substanzen synthetisiert werden, so kann u. a. auch die Anströmung von Synthese zu Synthese variieren. Im einen Fall, z. B. Veresterung, ist eine außenumströmte, wasserselektive (hydrophile) Membran, in der nächsten Anwendung, z. B. Umesterung, hingegen eine innenangeström te, organikaselektive (hydrophobe) Membran erforderlich. Muß der Nutzer dazu verschiedene Modulkonzepte installie ren, wird er aufgrund der hohen Kosten und der logisti schen Komplexität (Service) mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die Investition verzichten.

Hohlfaser- und Kapillarmodule werden in allen Membranver fahren in verschiedenen Konfigurationen angeboten. Die ver fügbaren Modulkonzepte sollen im folgenden diskutiert werden. Zunächst wird auf die unterschiedliche konstrukti ven Merkmale von Faserbündeln eingegangen.

1.3.1 Nachteile von Faserbündelkonstruktionen

Die Fertigung von Faserbündeln ist um so aufwendiger, desto größer die Faserbündeldurchmesser und je höher der angestrebte Temperaturbereich ist. Die Hauptprobleme liegen in der Fertigung der Pottings. Da es sich um Polymermaterialien handelt, unterliegen die Faserbündel großen Fertigungstoleranzen bis zu 1%.

Starre Faserbündel (Niedertemperaturbereich)

Starre Faserbündel sind die häufigste Form, gekennzeichnet dadurch, daß die Pottings z. B. durch eine Rohr-, Stangen oder Stützmantelkonstruktion starr miteinander verbunden und im Gehäuse 11 axial fixiert sind. Die konstruktive Gestaltung der Module bei innen- bzw. außen umströmter Konfiguration ist bei starren Faserbündel einfacher. Un terliegt das starre Zentralrohr 7 mit zunehmender Tempera tur einer stärkeren Längendehnung als das Gehäuse, so kann die relative Längendehnung des Zentralrohrs 7 zum axialen Ausbrechen des Zentralrohrs 7 aus dem Potting 5 führen (Fig. 7a, 7b).

Längenveränderliche Faserbündel (Hochtemperaturbereich)

Mit steigenden Anwendungstemperaturen (90-400°C und darüber) entsteht die Notwendigkeit, axial veränderliche Faserbündel zu fertigen, da die unterschiedlichen Wärme dehnungen der verwendeten Materialien (Fasern, Potting harz, Zentralrohr, Stützkäfig) berücksichtigt werden müs sen. Das Zentralrohr kann aus Kunststoff oder, im Falle hoher Betriebstemperaturen, aus Stahl bestehen. Das gleiche gilt für das Gehäuse.

Längenveränderliche Faserbündel sind durch eine axiale Verschiebbarkeit der Pottings relativ zueinander gekenn zeichnet. Dies kann u. a. durch Teilung der Zentralrohre 7 erzielt werden. Die Fig. 8a, 8b, 8c zeigen schematisch die Wirkungsweise längenveränderlicher Faserbündel bei Temperaturerhöhung. In Fig. 8a sind im Gehäuse fixierte Pottings 5, in Fig. 8b im Gehäuse axial verschiebbare Pottings 5 bei Innenanströmung (Druck von außen auf die Pottings) und in Fig. 8c im Gehäuse axial verschiebbare Pottings 5 bei Außenanströmung (Druck von innen auf die Pottings) dargestellt.

Durch die entfallende axiale Fixierung, erhält ein Potting eine "schwimmende" Funktion (vgl. "schwimmende" Lagerung bei Metallbauteilen). Bei geteilten Faserbündeln sind sowohl für die innen-, wie auch die außenangeströmte Vari ante besondere konstruktive Vorkehrungen zu berücksichti gen. Wird z. B. bei Innenanströmung das flexible Potting nicht fixiert, so reduziert der Systemüberdruck 13 das axiale Dehnungsspiel 12 auf Null (Fig. 8b). Die Wärmedeh nung führt nun zu einer Gleitbewegung des "schwimmenden" Pottings 5a und verursacht eine permanente Gleitbelastung der Dichtung 6. Der Systemüberdruck 13 wirkt der Wärmedeh nung 14 entgegen.

Bei Außenanströmung ist zudem die Empfindlichkeit längen veränderlicher Faserbündel gegenüber dem Mediumdruck kon struktiv auszugleichen, denn der Systemüberdruck 13 drückt das "schwimmende" Potting 5a so weit nach außen, bis die Fasern 8 die vollständige Kraft aufnehmen (Fig. 8c). Wird das Potting 5a axial nicht fixiert, kann besonders eine schnelle Druckbeaufschlagung zum Faserriß führen (Fig. 8c, unten).

1.3.2 Nachteile von Modulkonstruktionen 1.3.2.1 Eingeklebte Faserbündel

Bei dieser häufigsten, anzutreffende Bauart werden die Fasern direkt im Gehäuse vergossen (verklebt) und somit Leckage- und Dichtigkeitsprobleme umgangen. Darüber hinaus werden nur kleine Modulgrößen angeboten, da hier die Wär medehnungsaspekte weniger ausgeprägt sind. Die verfügbaren Module sind jedoch nur für den Niederdruckbereich (Polymergehäuse) und den Niedertemperaturbereich (bis ca. 100°C) geeignet. Eine Montage/Demontage nur der Faserbün del ist allerdings nicht möglich, d. h. bei Auftreten von Membrandefekten sind die kompletten Module auszutauschen. Ein Membranaustausch seitens des Kunden ist somit immer mit einem Modulaustausch verbunden. Ein Membranwechsel (Verwendung von Membranen anderer Hersteller) ist aufgrund anderer konstruktiver Gestaltung in der Regel nicht mög lich. Durch die Einklebung sind solche Faserbündel starr.

1.3.2.2 Einfache Faserbündel

Bei den bekannten technischen Lösungen sind die zur Dich tung der Faserbündel 8 montierten O-Ringe 6 am Außenumfang der Pottings 5 (radial wirkend) angeordnet (Fig. 9).

Nachteilig an dieser Konstruktion ist, daß axiale Drücke tangential auf eine sehr dünne Dichtfläche wirken. Die Empfindlichkeit dieses Dichtungskonzepts nimmt mit zuneh mendem Druck und besonders mit zunehmender Temperatur und chemischem Angriff zu.

Die Montage erfolgt am beidseitig geöffneten Gehäuse 11 durch Einschieben des Faserbündels 5, 8 und durch Einlegen der beiden O-Ringe 6 und deren Verpressung durch einen geeigneten Andruckflansch 15.

1.3.2.3 Kartuschen (Hohlfasermodule)

Eine Variation starrer Faserbündel sind einseitig montier bare Kartuschen, die z. B. unter dem Handelsnamen "Permasep" von der Fa. Du Pont vertrieben werden. Diese Kartuschen sind ebenfalls durch radial wirkende Dichtungen (O-Ringe) und durch ein die Pottings fixierendes, starres Zentralrohr charakterisiert. Es gelten die Limitierungen für starre Faserbündel.

1.3.2.4 Kartuschen (Wickelmodule)

Ähnlich sind einseitig montierbare Kartuschen (z. B. "Permasep") für Wickelmodule. Wickelmodule haben keine Pottings. Die Kartuschen sind durch eine fixierende Kunst stoff-Ummantelung charakterisiert (starr), die Nuten zur Aufnahme von ebenfalls radial wirkenden Dichtungen (O- Ringe, Lippendichtungen) aufweisen.

2. Aufgabe der Erfindung

Daher sind Modulkonzepte zu fordern, die universell für alle Anwendungsfälle geeignet sind, die alle individuellen Vorteile der existierenden, aber unterschiedlichen Kon struktionen in einem Konzept zulassen und dabei alle indi viduellen Nachteile der existierenden, aber unterschiedli chen Konstruktionen vermeiden.

Mit zunehmendem Einsatz von Membranen in der chemischen Industrie sind häufige An- und Abfahrvorgänge durch Fehl bedienungen oder Sicherheitsverriegelungen unausweislich. Das bedeutet, die Module müssen viele Anfahrprozesse be wältigen können. Zudem erfordern chemische Prozesse auch die Variation des Prozeßdrucks (Feeddruck, Permeatdruck) in weiten Bereichen. Daher sollten "schwimmende" Pottings vermieden werden.

Auch Polymermembranen werden zunehmend in Temperaturberei chen bis 400°C eingesetzt, d. h. die Modulkonstruktionen müssen die Fertigungstoleranzen der Faserbündel (Polymer, Epoxidharze) als auch die Wärmeausdehnungen kompensieren. Längenveränderliche Faserbündel sind daher anzustreben.

Darüber hinaus müssen die Membranen zwecks Produktionssi cherheit vom Betriebspersonal gewechselt werden können. Dies erfordert eine geeignete In-situ-Montagevorrichtung von einer Seite.

Das bei herkömmlichen Modulen ausschließlich anzutref fende, radiale Dichtkonzept ist bei zunehmenden Drücken und Temperaturen, sowie der geforderten Tauglichkeit der Module für Dämpfe zu labil. Diese Anforderung wird kon struktiv durch ein geeignetes Dichtkonzept erzielt. Das Dichtungskonzept sollte für beide Anströmvarianten geeig net und zudem unempfindlich gegen die Fertigungstoleranzen der Faserbündel sein.

Die Universalität fordert, daß der Modul für alle Anwen dungen, u. a.

a) innen- und außenangeströmte Faserbündel
b) starre und nicht starre Faserbündel
c) Selbstdichtungsfunktion
d) Niedrig- und Hochtemperaturanwendungen
e) einseitige (in-situ) Montier- und Demontierbarkeit geeignet sein sollte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Membranmodul der eingangs genannten Art diese Anforderun gen zu erfüllen.

3. Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Abstand der Pottings im Faserbündel vor dessen Einbau in das Gehäuse frei veränderbar ist und daß nach dem Einbau des Faserbündels in das Gehäuse der Abstand der Pottings zueinander fixiert ist.

Mit der Erfindung können die widersprüchlichen Forderungen

- längenvariabler Faserbündel und
- beidseitig fixierter Pottings

gleichzeitig erfüllt werden.

Die freie Veränderbarkeit des Abstandes der Pottings erlaubt ein Wärmedehnungsspiel und damit die Verwendung des Membranmoduls sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen, ohne daß beispielsweise ein vorhandenes Zentralrohr axial aus dem Potting ausbricht. Durch die Fixierung des Abstands der Kopfplatten zueinander kann das Faserbündel sowohl von innen als auch von außen angeströmt werden, ohne daß durch eine Verschiebung der Pottings Dichtungsprobleme auftreten und ohne daß der Druck des Mediums auf die Schlauchmembranen wirkt und eventuell zu einem Membranriß führt.

4. Bevorzugte Ausgestaltungen

Vorgeschlagen wird weiterhin, daß innerhalb des Faserbündels ein Zulauf- oder Ablaufrohr angeordnet ist, wobei mindestens ein Ende des Zulauf- und Ablaufrohrs fest und axial unverschiebbar mit einer der Pottings verbunden ist, und daß vor dem Einbau des Faserbündels in das Gehäuse der Abstand dieses Endes zum gegenüberliegenden Potting veränderbar ist. Üblicherweise ist das Zulauf- und Ablaufrohr zentral innerhalb des Bündels von Schlauchmembranen ("Faserbündels") angeordnet und wird daher Zentralrohr genannt. Z. B. kann das eine Ende des Rohrs fest im Potting eingeklebt sein und das andere Ende in einer entsprechenden Sackbohrung des anderen Pottings lose und axial verschiebbar einliegen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, daß im Faserbündel überhaupt kein solches Zentralrohr angeordnet ist.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß beide Enden des Zulauf- und Ablaufrohrs mit dem jeweiligen Potting fest und axial unverschiebbar verbunden ist, daß die Länge des Zulauf- oder Ablaufrohrs frei veränderbar.

Die freie Veränderbarkeit der Länge des Zulauf- und Ab laufrohres kann auf unterschiedliche Weise erreicht wer den. So wird zum einen vorgeschlagen, daß das Zulauf- und Ablaufrohr mindestens zwei teleskopartig teilweise inein anderschiebbare Rohrstücke aufweist.

Alternativ kann man in einer weiteren vorteilhaften Ausge staltung der Erfindung vorsehen, daß das Zulauf- und Ab laufrohr mindestens einen in Längsrichtung wirkenden Kom pensator aufweist.

Auch die Fixierung des Abstands der Kopfplatten zueinander kann unterschiedlich ausgestaltet sein. So wird zum einen vorgeschlagen, daß der Abstand der Kopfplatten zueinander einstellbar ist. Diese Ausgestaltung wird im einzelnen weiter unten in Beispiel 1 erläutert.

Die erfindungsgemäßen Merkmale sind hier durch die kon struktive Gestaltung des Gehäuses verwirklicht, z. B. durch die Integration einer axial fixierbaren "Montagevorrichtung" mit einer zunächst veränderbaren, nach der Montage aber fixierten Verbindung zwischen den Pottings (Beispiel 1, Fig. 1 und 2).

Bei der Montage eines solchen erfindungsgemäßen Membranmo duls versieht man die Verbindung der Pottings zunächst mit einem definierten axialen Wärmedehnungsspiel und fixiert anschließend den Abstand der Pottings und damit auch das vorgegebene Wärmedehnungsspiel des Zulauf- und Ablauf rohrs.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung haben die Kopfplatten einen festen, vorgegebenen Abstand zueinander. Hier liegt also ein festes, vorgegebenes Wär medehnungsspiel des Zulauf- und Ablaufrohrs vor. Das wei ter unten im einzelnen erläuterte Beispiel 2 betrifft diese Ausgestaltung.

Weiter wird vorgeschlagen, daß die Kopfplatten an den Enden eines inneren Mantelrohrs fest angebracht sind und das innere Mantelrohr innerhalb des äußeren Mantelrohrs angeordnet ist. Hier erhält man eine auswechselbare Kartu sche, die das Faserbündel, die Pottings und das innere Mantelrohr umfaßt.

Die erfindungsgemäßen Merkmale werden durch die konstruk tive Gestaltung des Wechselelements erzielt, z. B. indem man ein Hohlfaserbündel mit einer starren Ummantelung versieht, die Einbauten zwischen den Pottings jedoch axial zueinander verschiebbar (z. B. geteilte Zentralrohre, Zen tralrohre mit Kompensatoren, etc.) fertigt (Beispiel 2, Fig. 4).

Ferner ist es von Vorteil, wenn die Außenfläche des inneren Mantelrohrs bzw. der Kopfplatten bzw. eines fest damit verbundenen Teils gegenüber der Innenfläche des Gehäuses abgedichtet ist und die Dichtungen als Lippendichtungen, insbesondere als selbstdichtende Lippendichtungen, ausgebildet sind.

Vorzugsweise werden derartige Dichtungen eingesetzt, bei denen der Systemdruck in allen Anströmungsvarianten die Dichtungswirkung unterstützt (Selbstdichtungswirkung). So können umklappbare bzw. wechselseitig einbaubare Lippendichtungen eingesetzt werden, mit denen die Einheit aus Faserbündel und Pottings bzw. das Wechselelement für jede Anströmungsvariante selbstdichtend gegenüber dem Permeatraum abgedichtet wird.

Vorzugsweise sind die Schlauchmembranen als Polymermembra nen, insbesondere als hochtemperaturbeständige Membranen ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Membranmodul kann für beliebige Mem branverfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise wird es für die Verfahren Dampfpermeation, Pervaporation verwendet.

Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren unter Verwendung eines genannten Membranmoduls, wobei man bei dem Faserbündel ein Wärmedehnungsspiel einstellt, welches kleiner als die Wärmedehnung bei der Betriebstemperatur ist. Z. B. kann ein Wärmedehnungsspiel von 10 mm bei einem Abstand von etwa 1 m zwischen den Pottings erforderlich sein und eingestellt werden, wenn eine Betriebstemperatur von 150°C vorgesehen ist. Wird dagegen ein Spiel von nur 8 mm eingestellt, so wirkt der Druck des Mediums bei Außenanströmung (Fig. 3b) bei der Betriebstemperatur unmittelbar auf die Dichtungen und führt bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Dichtungen zu einer Verstärkung der Dichtwirkung (axiale/radiale Selbstabdichtung) der Pottings. Das Spiel kann beispielsweise durch die Änderung des Abstandes der Pottings mittels einer axial verstellbaren Gewindestange (Fig. 1 bis 3) eingestellt werden.

5. Ausführungsbeispiele

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Membranmodul mit umgebenden Gehäuse nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 den rechten Teil von Fig. 1 in Vergrößerung,

Fig. 3 Details der Fig. 1 und 2 zur Erläuterung des Aufbaus, der Montage und der Funktionsweise, zum Teil mit unterschiedlichen Ausgestaltungen ein zelner Elemente,

Fig. 4a, 4b je einen Längsschnitt durch ein erfindungs gemäßes Membranmodul nach einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 5A, 5B, 5C ein Membranmodul im Längsschnitt mit Darstellung der Stromführung von Feed und Permeat (Stand der Technik, bereits erläutert),

Fig. 6a, 6b jeweils ein Membranmodul im Längs schnitt mit schematischer Darstellung der An strömungsvarianten (Stand der Technik, bereits erläutert),

Fig. 7a, 7b jeweils ein Membranmodul im Längs schnitt mit im Gehäuse axial fixierten Pottings und mit schematischer Darstellung des Effektes der Wärmedehnung (Stand der Technik, bereits er läutert),

Fig. 8a, 8b, 8c jeweils ein Membranmodul im Längs schnitt mit im Gehäuse axial beweglichen Pot tings mit veränderbarem gegenseitigem Abstand und mit schematischer Darstellung des Effektes der Wärmedehnung (Stand der Technik, bereits er läutert),

Fig. 9 ein Membranmodul im Längsschnitt beim Einbau in ein Gehäuse (Stand der Technik, bereits erläu tert) und

Fig. 10a und 10b die Herstellung eines Faserbündels nach dem Stand der Technik.

In allen Zeichnungen, auch in denen zum Stand der Technik, haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.

5.1 Beispiel 1 (Fig. 1 bis 3)

Die Anforderungen wurden erfindungsgemäß durch einen Mon tagekäfig mit folgenden Merkmalen gelöst:

1. axial/radiale Dichtung 6 der Pottings 5a, 5b (Fig. 3f, 3g, 3i)
2. einseitiges Fixlager (links in Fig. 1),
3. gegenüberliegendes Loslager (rechts in Fig. 1, zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen)
4. Elemente zur Fixierung des Loslagers (siehe Fig. 2),
5. einseitige Montier-/Demontierbarkeit,
6. radiales Dichtungskonzept am Loslager (z. B. O-Ringe, vorzugsweise jedoch Lippendichtungen 16, da selbstdichtend, z. B. erhältlich unter dem Handelsnamen "Variseal")
7. Selbstdichtungswirkung der Dichtungen 16 und 6 (als Dichtung 6 wird vorzugsweise ein O-Ring eingesetzt, der durch die Verschiebbarkeit des rechten Pottings 5b (Fig. 2) selbstdichtend ist)
8. in-situ Montier-/Demontierbarkeit
9. Möglichkeit, verschiedene Faserbündelkonstruktionen in demselben Gehäuse einzusetzen,
10. Schutz des Faserbündels 8 bei Montage-/Demontage,
11. leichte Durchführung von Druckprüfungen der Anlage,
12. Tauglichkeit für Pharmaanwendungen (Wegwerfmembranen, Sterilisierbarkeit von Gehäuse und Membran).

Das äußere Mantelrohr 17 ist von einem Heizmantel 18 mit Ein- und Auslässen 19 umgeben.
ad 1. Die axial/radiale Dichtungswirkung wird durch eine Nut 20 im distalen Potting 5a erzielt, die als Auf nahme für ein Dichtelement (z. B. O-Ring 6) dient (Fig. 3a für außenangeströmte Schlauchmembranen 8, selbstdichtend). Die Dichtung 6 wird per distaler Durchschraubung (Schraube 21) der distalen Andruckplatte 22 in den Dichtsitz ver preßt. Radiale Fertigungstoleranzen der Pottings sind dadurch unerheblich.
Die Fig. 3f und 3g zeigen das axial/radiale und selbstdichtende Dichtungskonzept bei Verwendung von O- Ringen als Dichtungen. An sich bekannt ist radiale, nicht selbstdichtende Dichtungskonzept nach Fig. 3h. Ein vorteilhaftes, nicht bekanntes, radiales und selbstdichtendes Dichtungskonzept unter Verwendung von Lippendichtungen zeigt Fig. 3i.
ad 2. Dadurch ist das distale Potting 5a fixiert.
ad 3. Eine entsprechende Nut 24 wird am proximalen Potting 5b ("schwimmender Potting") vorgesehen (Fig. 3b für außenangeströmte Schlauchmembranen 8, selbstdichtend). Per Verschraubung (Schraube 25) des proximalen ungeteilten Andruckflansches 26 wird die Dichtung 6 in dem proximalen Dichtsitz verpreßt. Der Systemdruck wird in Fig. 3b mit dem Pfeil 27 dargestellt.
ad 4. Der proximale Dichtsitz ist in einen Flansch 29 integriert, der außerdem eine außen umlaufende Nut 30 aufweist, in der eine Lippendichtung 16 für die Abdichtung der Montagevorrichtung gegenüber dem Gehäuse 11 einliegt (Fig. 3c, 3d, 3e). Das distale (Fix)lager und das proximale Lager werden durch axial verstellbare Verbindun gen gegeneinander fixiert, z. B. mittels konterbarer Ge windestangen 23 durch Anziehen der Kontermutter 28. Die Flexibilität vor der Fixierung, insbesondere durch eine "tiefe" Sackbohrung im Flansch 29, ermöglicht den Aus gleich von axialen Fertigungstoleranzen der Faserbündel. Auch hier sind radiale Toleranzen unbedeutend.
Dadurch wird das Faserbündel 8 gegen Temperatur-/Druck wechselbeanspruchungen unempfindlich, da die Kräfte von der Montagevorrichtung aufgenommen werden. Unterschiedli che Wärmedehnungen zwischen Fasern und Gehäuse, Faserbün deleinbauten (Zentralrohr 7, Stützkäfig, etc.) werden ggf. durch Teilung dieser Faserbündeleinbauten kompensiert.
ad 5. Die Montagevorrichtung ermöglicht die einseitige Montage/Demontage des Faserbündels.
ad 6. Die Montagevorrichtung wird gegenüber dem Gehäu se 11 durch Radialdichtelemente, nämlich Lippendichtungen 16 (Fig. 3d, 3e), gedichtet. Fig. 3d zeigt die Anord nung für außenangeströmte, Fig. 3e die Anordnung für innenangeströmte Membranmodule.
ad 7. Hier werden Lippendichtungen 16 bevorzugt, da diese eine selbstdichtende Wirkung sowohl im innen- wie auch außenangeströmten Fall ausüben, indem die Öffnung der Überdruckseite zugewandt wird. Der Überdruck drückt die Lippen 16 auseinander und erhöht somit selbsttätig die Dichtwirkung.
ad 8. Durch die einseitige Montierbarkeit ist ein in- situ Ein- bzw. Ausbau der Faserbündel (vom Anwender) mög lich. Dadurch ist jederzeit die Produktionssicherheit gewährleistet.
ad 9. Die Montagevorrichtung ermöglicht den Einsatz konstruktiv unterschiedlicher Faserbündel in demselben Gehäuse 11.
ad 10. Die Montagevorrichtung wirkt als Schutzkäfig für das Faserbündel, d. h. alle Prozeß- und Montage/Demontage- Kräfte werden vom Schutzkäfig aufgenommen und schonen dadurch die empfindlicheren Membranelemente.
ad 11. Turnusmäßig durchzuführende Druckprüfungen von Anlagen werden in der Regel durch Füllen der Anlagen mit Wasser durchgeführt. Die Entkopplung von Faserbündel und Gehäuse erlaubt die Prüfung der Anlage bei ausgebautem Faserbündel (Vermeidung von Membrankontakt mit unnötigen Medien).
ad 12. Das Wechselkonzept in Verbindung mit hochtempe raturbeständigen Membranelementen (auch wenn die Membranen nur im Niedertemperaturbereich eingesetzt werden) ist zum Einsatz der Verfahren Dampfpermeation, Pervaporation im Pharmabereich tauglich, da Gehäuse und Membranen gemeinsam (in-situ) sterilisiert (z. B. Dampfsterilisation) werden können. Auch der Einsatz von Einweg-Membraneinsätzen ist denkbar.

Im folgenden wird die Montage des Membranmoduls erläutert.

Außerhalb des Gehäuses wird um das Faserbündel ein Membrankäfig montiert. Dabei wird die rechte Pottinghälfte (Fig. 1) durch zwei Flansche stirnseitig umschlossen. Die linke Pottinghälfte erhält zunächst nur innenseitig zwei Flanschhälften. Diese Flanschhälften werden mittels zweier Gewindestangen und je einer Kontermutter mit der rechten Pottingumhüllung über die gesamte Faserlänge hinweig verbunden und fixiert.

Nach Einschub des Membrankäfigs in das Gehäuse ist die linke Pottinghälfte auch an der linken Stirnseite von einem Flansch umgeben, der fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Durch die Verschraubung beider Flanschseiten des linken Pottings ist diese gesamte Pottinghälfte ein fester Verbund mit dem Gehäuse und dient somit als "Festlager".

Da die rechte Pottingumhüllung gegenüber dem Gehäuse axial verschiebbar ist, dient diese als "Loslager". Der sich auf dieser Seite ergebende Spalt zwischen Flansch und Gehäuse wird mittels eines Dichtrings geschlossen.

Über die Gewindestangen des Membrankäfigs können Längentoleranzen des Faserbündels bei der Montage besser ausgeglichen werden. Längentoleranzen im Gehäuse werden über das "Loslager" kompensiert. Nach dem Einbau des Membrankäfigs in das Gehäuse dienen die beiden Gewindestangen zur Aufnahme der Druck- und Zugkräfte, damit das Faserbündel während des Betriebs entlastet und somit geschützt ist.

Der Membrankäfig schützt das Faserbündel bereits beim Einschieben ins Gehäuse, da auch hier aufgrund des Handling entstehende Belastungen vom Membrankäfig aufgenommen werden. Bei der Demontage gilt das gleiche.

Die Längenausdehnung unter Wärmeeinwirkung kann mit dem geteilten Zentralrohr (Fig. 3c) ausgeglichen werden. Bei Verwendung gleichen Materials beim Zentralrohr und den Gewindestangen kann das Zentralrohr sogar starr ausgeführt sein. Die Längenausdehnung erfolgt dann über das "Loslager". Die Längenausdehnung des Membrankäfigs und des Zentralrohrs gegenüber dem Faserbündel wird durch eine entsprechend lockere Wicklung der Schlauchmembranen (Fasern) ausgeglichen.

Die Druck- und Zugkräfte während des Betriebs werden ausschließlich von den Gewindestangen aufgenommen. Das Faserbündel einschließlich des Zentralrohrs ist dadurch vollkommen entlastet und somit geschützt.

5.2 Beispiel 2 (Fig. 4a und 4b)

Hier können Wärmedehnungen durch das axiale Dehnungsspiel 12 des Zentralrohrs 7 ohne Belastung der Pottings 5 statt finden. Bei Innenanströmung wird der Systemüberdruck durch eine axiale Druckbelastung des inneren Mantelrohrs 31 aufgefangen, so daß keine druckbedingte Reduktion des Wärmedehnungsspiels erfolgt. Bei Außenanströmung wird der Systemüberdruck durch eine axiale Zugbelastung des inneren Mantelrohrs 31 aufgefangen, so daß keine druckbedingte Dehnung der Membranfasern 8 erfolgt. Eine Belastung der Membranfasern 8 durch die Wärmedehnung des inneren Mantel rohrs 31 wird durch eine entsprechend "lockere" Wicklung der Fasern 8 vermieden.

Die Variante in Fig. 4a arbeitet mit einem teleskopartig längenvariablen Zentralrohr 7. In der Variante nach Fig. 4b wird die unterschiedliche Wärmedehnung des Zentralrohrs 7 gegenüber dem inneren Mantelrohr 31 durch einen Kompen sator 32 ausgeglichen.

Diese Kartusche entspricht in ihrer Wirkungsweise dem in der Montagevorrichtung integrierten Faserbündel entspre chend Beispiel 1 nach der Fixierung der Pottings durch Kontern der Gewindestangen.

Zur Erläuterung des Begriffs "Faserbündel" wird dessen Herstellung in den Fig. 10a und 10b veranschaulicht. Das Zentralrohr 7, um das die Schlauchmembranen 8 angeordnet sind, wird durch eine Öffnung einer Gießform 33 gesteckt, welche mit Epoxidharz ausgefüllt wird. Nach dem Aushärten und dem Entfernen der Gießform 33 erhält man das in Fig. 10b teilweise dargestellte Faserbündel, das aus dem Potting 5, den Schlauchmembranen 8 und dem Zentralrohr 7 besteht. Nach einem Abdrehen (Schneiden) der Stirnseite des Gießlings entlang der gestrichelten Linie 34 erhält man das fertige Faserbündel, dessen Potting an der Stirnseite Ein- bzw. Auslaßkanäle für die Schlauchmembranen aufweist. Mit dem anderen Ende der Schlauchmembranen 8 verfährt man entsprechend, so daß die Schlauchmembranen 8 von zwei Pottings gehalten werden.

Bezugszeichenliste

1

aktive Schicht

2

Stützschicht

3

Feed

4

Permeat

5

,

5

a,

5

b Potting, Kopfplatte

6

Dichtung, O-Ring

7

Zulauf- und Ablaufrohr (Zentralrohr)

8

Schlauchmembran, Faserbündel

9

Retentat

10

resultierende Kraft bzw. Druck

11

Gehäuse

12

axiales Spiel

13

Systemüberdruck

14

Wärmedehnung

15

Andruckflansch

16

Lippendichtung

17

äußeres Mantelrohr

18

Heizmantel

19

Ein- und Auslässen

20

Nut

21

Schraube

22

Andruckplatte

23

Gewindestange

24

Nut

25

Schraube

26

Andruckflansch

27

Pfeil

28

Kontermutter

29

Flansch

30

Nut

31

inneres Mantelrohr

32

Kompensator

33

Gießform
d_a

Außendurchmesser
d_i

Innendurchmesser
P_F

Feeddruck
P_P

Permeatdruck
P_R

Retentatdruck

Claims

1. Membranmodul für die Stofftrennung, bestehend aus einem Gehäuse und einem darin eingebauten Faserbündel, welches eine oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl von, parallel angeordneten semiper meablen Schlauchmembranen (8) aufweist, die mit ihren Enden an Kopfplatten (5) (Pottings) befestigt sind, wobei die Innenseiten der Schlauchmembranen (8) mit entsprechenden, in mindestens einer der Kopfplatten (5) angeordneten Kanälen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Pottings (5) im Faserbündel vor dessen Einbau in das Gehäuse frei veränderbar ist und daß nach dem Einbau des Faserbündels in das Gehäuse der Abstand der Pottings (5) zueinander fixiert ist.

2. Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Faserbündels ein Zulauf- oder Ablaufrohr (7) angeordnet ist, wobei mindestens ein Ende des Zulauf- und Ablaufrohrs (7) fest und axial unverschiebbar mit einer der Pottings (5) verbunden ist, und daß vor dem Einbau des Faserbündels in das Gehäuse der Abstand dieses Endes zum gegenüberliegenden Potting veränderbar ist.

3. Membranmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden des Zulauf- und Ablaufrohrs (7) mit dem jeweiligen Potting fest und axial unverschiebbar verbunden ist, daß die Länge des Zulauf- oder Ablaufrohrs (7) frei veränderbar.

4. Membranmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Zulauf- und Ablaufrohr (7) mindestens zwei teleskopartig teilweise ineinanderschiebbare Rohr stücke aufweist.

5. Membranmodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zulauf- und Ablaufrohr (7) mindestens einen in Längsrichtung wirkenden Kompensator (32) aufweist.

6. Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Kopfplatten (5) zueinander ein stellbar ist.

7. Membranmodul nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfplatten (5) einen festen, vorgegebenen Abstand zueinander haben.

8. Membranmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfplatten (5) an den Enden eines inneren Mantelrohrs (31) fest angebracht sind und das innere Mantelrohr (31) innerhalb des äußeren Mantelrohrs (17) angeordnet ist.

9. Membranmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des inneren Mantelrohrs (31) bzw. der Kopfplatten (5) bzw. eines fest damit verbundenen Teils (29) gegenüber der Innenfläche des Gehäuses (11) abgedichtet ist und die Dichtungen als Lippendichtungen (16), insbesondere als selbstdichtende Lippendichtungen, ausgebildet sind.

10. Membranmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlauchmembranen (8) als Polymermembranen, insbesondere als hochtemperaturbeständige Membranen ausgebildet sind.

11. Verwendung eines Membranmoduls nach einem der vorher gehenden Ansprüche für die Verfahren Dampfpermeation, Pervaporation.

12. Verfahren unter Verwendung eines Membranmoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man bei dem Faserbündel ein Wärmedehnungsspiel einstellt, welches kleiner als die Wärmedehnung bei der Betriebstemperatur ist.