DE102011117194A1

DE102011117194A1 - Verfahren zur Konditionierung von aus mehreren Stoffen bestehenden Gasen oder Flüssigkeiten durch simultanen Wärme- und Stoffaustausch über mikroporöse Membranen

Info

Publication number: DE102011117194A1
Application number: DE201110117194
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-29
Filing date: 2011-10-29
Publication date: 2013-05-02

Abstract

Verfahren zur Konditionierung von aus mehreren Stoffen bestehenden Gasen oder Flüssigkeiten durch simultanen Wärme- und Stoffaustausch über mikroporöse Membranen Die Verfahren zur Konditionierung von Gasen, etwa Luft gemäß dem Stand der Technik und die zur Durchführung dieser Verfahren gewählten Vorrichtungen weisen jedoch einen nicht optimalen Wirkungsgrad auf, da oft mehrere Verfahrensschritte oder offene Prozesse mit direktem Kontakt gewählt werden müssen.. Das Verfahren wird verbessert, indem das Fluid über eine nicht für Flüssigkeiten durchlässige Membran mit einem weiteren Fluid in engen Kontakt gebracht wird. Bei diesem Kontakt tauschen die beiden Fluide sowohl Wärme als auch einen oder mehrere Stoffe aus. Die ausgetauschten Stoffe müssen, um mit dem Verfahren nutzbar zu sein, einen nennenswerten Dampfdruck haben. Durch das neue Verfahren wird beispielsweise die Entfernung eines kondensierbaren Komponente eines Gasstromes ermöglicht, ohne daß der Gasstrom unter die Kondensationstemperatur der zu entfernenden Komponente abgkühlt wird. Die gegebenenfalls erforderliche Kälteleistung ist dann nur mehr wenig unterhalb der gewünschten Gastemperatur und nicht unterhalb des meist wesentlich niedrigeren Taupunktes, was den Wirkungsgrad der Kältemaschine verbessert. Das neue Verfahren gestattet es auch, erwünschte Inhaltsstoffe direkt aus einer flüssigen Phase in einen Gasstrom hineinzubringen, ohne daß diese in direktem Kontakt stehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Einstellung der Temperatur und der Konzentration einer oder mehrerer der Komponten eines Stoffstromen über eine gas- aber nicht flüssigkeitsdurchlässige Membran.
Die Aufgabe, einen Flüssigkeits- oder Gasstrom in seiner Zusammensetzung und Temperatur auf einen gewünschten Wert einzustellen, stellt sich in vielen technischen Anwendungen, so etwa bei der Behandlung von Gasen, Lebensmitteln oder insbesondere der Belüftung von Räumen. Nach dem Stand der Technik geschieht dies in der Regel in mehreren Verfahrensschritten, wie etwa Kühlen, teilweise Kondensation, Stoffaustausch in direktem Kntakt mit Waschflüssigkeiten, Wiedererwärmung, Zudosieren von Dampf etc.
In gewissen Maße kann die Aufgabe auch in direktem Kontakt des zu konditionierenden Gases mit einer Flüssigkeit geschehen. Nachteilig ist allerdings die hierbei unvermeidliche gegenseitige Kontamination des eines Fluides mit den Inhaltsstoffen des anderen, und nicht nur durch den Stoffaustausch angetrieben durch unterschiedlichen chemischen Potentiale, sondern auch durch Tropfenflug, Staub etc.
Solche Kontamination ist beispielsweise bei Lebensmitteln, gefährlichen Inhaltsstoffen oder Belüftung von Räumen unerwünscht. Die Verfahren mit direktem Kontakt werden daher in vielen Fällen nicht angewandt, obwohl sie aus thermodynamischer Sicht günstiger wären.
In der Literatur sind mehrere Verfahren beschrieben, in denen mit Hilfe von Membranen Stoffe ans einem in ein anderes Medium übertragen wird.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderliche Membran ist nicht zu verwechseln mit Membranen für Umkehrosmose bzw. Pervaporation.
Die Membran ist auch nicht spezifisch nur für Moleküle mit einer maximalen Größe durchlässig DD000000151471A5 , oder hat gar eine erhebliche Löslichkeit für die zu transportierenden Stoffe, wie dies bei der Pervaporation der Fall ist, sondern nutzt zum Transport im Wesentlichen eine Dampfphase und als Antriebskraft lediglich die Differenzen zwischen den Partialdrücken der einzelnen Stoffe im Falle eines Gases bzw. den sich an der Oberfläche der Flüssigkeit an der Membran einstellenden Partialdrücken.
Membranen dieser Art sind in der Verfahrenstechnik wohlbekant und werden in Destillationssystemen siehe ( DE102004013647A1 ) eingesetzt. Im Unterschied zu diesen Anwendungen ist jedoch die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht etwa die Abtrennung zur Gewinnung eines Reinstoffes, sondern vielmehr die Konditionierung des Stoffstromes durch den Stoffaustausch über die Membran und gleichzeitige Einstellung der Temperatur.
Membranen die die geforderten Eigenschaften aufweisen, bestehen üblicherweise aus einem für den eigentlichen Prozeß nicht relevanten Trägermaterial, etwa einem Vlies oder Gewebe, und einer darauf aufgebrachten eigentlichen Membranschicht. Die Membran kann auch beidseitig auf das Trägermaterial aufgebracht sein. Die Beschaffenheit der Membranen wird so ausgewählt daß sie von der Flüssigkeit nicht oder nur sehr schlecht benetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zum einen, die Zahl erforderlichen Verfahrensschritte zur Einstellung der Temperatur und der Zusammensetzung zu einem einzigen zu reduzieren und andererseits eine gegenseitige Kontamination der Fluide durch Einsatz einer Membran zu verhindern.
Wesentlich ist hier, daß bei dem Vorfahren gemäß dieser Erfindung das zu behandelnde Fluid über die Membran in intensiven Wärme- und Stoffaustausch tritt, wobei allerdings nur diejenigen Stoffe übertreten, welche einen nennenswerten Dampfdruck aufweisen und so über die Gasphase innerhalb bzw. zwischen zwei Membranen transportiert werden.
Durch die Kombination des Stoff- und Wärmetausches in einem einzigen Verfahrensschritt werden die irreversiblen Vorgänge reduziert, was dazu führt, daß zur Durchführung des Verfahrens weniger Arbeit oder alternativ thermische Energie mit niedrigerer Temperatur eingestzt werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil wenn ansonsten kaum nutzbare Wärme mit niedrieger Temperatur aus Kraftmaschinen eingesetzt werden kann.
Das Verfahren gestattet es somit beispielsweise, einem Gasstrom einen der Inhaltsstoffe zu entziehen, indem er über die Membran einen seiner Inhaltsstoffe mit einer Flüssigkeit auf der anderen Seite der Membran austauscht, in der der auszutauschende Stoff einen niedrigeren Dampfdruck hat als es dem Partialdruck im Gasstrom entspricht. Der Dampfdruck des auszutauschenden Stoffes kann in der Flüssigkeit durch die Temperatur und durch Zugabe weiterer Stoffe in der Flüssigkeit in weiten Grenzen unabhängig eingestellt werden. Da bei der Strömung der Fluide entlang der Membran gleichzeitig Wärme über die Membran ausgetauscht wird, kann zusätzlich die Temperatur des zu behandelnden Stromes eingestellt werden.
Das Fluid welches zur Konditionierung des zu behandelnden Stromes eingesetzt wird, verändert bei dieser Vorgang ebenfalls seine Temperatur und die Zusammensetzung seiner Inhaltsstoffe. Um das Fluid erneut einzusetzen, muß es daher einer Regeneration unterzogen werden. Vorteil des Verfahrens ist, daß zur Regeneration Verfahrensschritte anwendbar sind, die beim ursprünglichen Strom (Fluid 1) aus vielerlei Gründen, wie etwa Korrosivität oder Kontamination oder Empfindlichkeit gegenüber Druck und Temperatur nicht anwendbar sind. Die Methoden zur Regeneration können von einfachen Verdampfungsvorgängen, osmotischen Verfahren bis hin zu chemischen Reaktionen wie etwa Fällungen oder Extraktion oder elektrochemischen Prozessen reichen.
Der wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist, das der ursprünglich zu behandelnde Strom in nur einem einzigen Schritt bei der Strömung entlang der Membran konditioniert wird und die oft komplizierte Trennung des Fluides 2 dann mit anderen Methoden in einem oder mehreren Schritten erfolgen kann.
Um eine verfahrenstechnisch vorteilhafte Ausnutzung der Membranen zu erzielen, ist es in der Regel erforderlich, die Ströme im Gegenstrom an der Membran entlangzuführen. Um ausreichend Querschnitte für die Strömung zu schaffen, werden mehrere Membranen mit Rahmen und Zwischenplatten so gestapelt, daß die beiden Fluide immer im Wechsel zwischen den Membranen strömen. Um den unterschiedlichen Wärmekapazitäten und Dichten Rechnungszu tragen müssen die Platten und darin befindlichgen Kanäle für Gas und Flüssigkeiten unterschiedlich ausgebildet werden. So sind bei Flüssigkeit eher schmale stärker mäandrierende Kanäle vorteilhaft. Die der Zeichnung 1 dargelegte Aufbau zeigt lediglich beispielhaft und in vereinfachter Form die Ausbildung einer Leitplatte (27) mit beidseitigen Stegen (18) und Strömungskanälen (19) für eine Flüssigkeit. Der Rahmen (29), welcher die Membran (16) fixiert und schließlich ist beispielhaft eine Variante einer Leitplatte (28) zur Führung eines Gasstromes mit größeren Querschnitten und Zuströmung (22) bzw. Abströmung (23) über die Stirnseiten. Auch die Zwischenplatte (28) für Gas muß wie (27) mit Stegen versehen werden werden, um die Gasströmung zu leiten und die Membran abzustützen
Die Rahmen werden jeweils mit Dichtungen (24) bzw. (25) gegeneinander so abgedichtet, daß kein Fluid, welches durch die Bohrungen strömt, in die Räume an den Membranen gelangen kann.
An den beiden Enden des Stapels werden Endplatten angebracht, welche mit Zugankern verbunden sind und so die notwendigen Kräfte für die Abdichtung der Platten und Rahmen aufbringen.
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Aufbaus der wesentlichen Komponenten eines Membranaustauschapparates zum Austausch von Wärme zwischen eine flüssigen und einem gasförmigen Fluid, bestehend aus wechselweise gestapelten
Endplatte
Leitplatte (24),
Rahmen mit Membran (29),
Leitplatte (28),
Rahmen mit Membran (29)
Leitplatte (24)
Rahmen mit Membran (29),
Leitplatte (28),
Rahmen mit Membran (29)
und so fort
...
Leitplatte (24)
Endplatte
Endplatten und die erforderliche Zuganker, mit denen der Stapel so gepreßt wird, daß die Dichtungen die Fluide gegeneinander und nach außen abdichten sind nicht dargestellt.. Für Wartungszwecke kann der Stapel ähnlich einem Plattenwärmetauscher leicht zerlegt werden. Geeignete Konstruktionen sind in der Literatur hinlänglich bekannt.
Beispielhaft ist in 2 eines der erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Dem Fluid 1, beispielsweise einem Gas soll ein kondensierbarer Inhaltsstoff entzogen werden und auf eine vorbestimmte Temperataur beim Austritt (2) eingestellt werden.
Das Fluid 2 hier beispielsweise eine salzhaltige Flüssigkeit, der die Slazkonzetration so eingestellt ist, das der Dampfdruck leicht unterhalb des im Fluid 1 am Punkt 2 gewünschte Partialdruck des kondensierbaren Inhaltstoffes liegt.
Fluid 2 wird von der Pumpe (4) durch den Apparat (3) gefördert, wo mit Fluid 1 Wärme und Stoffe austauscht. Von dort gelangt es in einen Wärmetauscher, wo es auf eine für die Regeneration erforderliche Temperatur gebracht wird (7) und in einem zweiten Membranaustauschapparat den im Apparat 3 aufgenommenen Stoff and das Fluid 15 abgeben zu können.
Darunter ist ein ähnliches Verfahren dargestellt, allerdings wird hier ein zusätzlicher Wärmetauscher eingefügt, mit dem erreicht werden kann, daß die zur Einstelleng der notwendigen Temperatur des Fluides 2 erforderlich Wärme zum Teil aus dem zum Regernator zurückströmenden Fluid 2 stammt. Dies vor allem dann sehr vorteil wenn der Prozeß im Apparat (3) bei deutlich niedriger oder deurtlich höherer Temperatur stattfindet als die Regenation.
Bezugszeichenliste

1: Eintritt Fluid 1 mit Temperatur T1 und Konzentration xi1 der Inhaltsstoffe i
2: Austritt Fluid 1 mit Temperatur T2 und Konzentration xi2 der Inhaltsstoffe i
3: Austauschapparat mit Membran zur Konditinierung des Fluids 1
4: Pumpe zur Förderung des Fluids 2
5: Wärmetauscher zur Einstellung der Temperatur des Fluids 2
6: Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen Fluid 2
7: Fluid 2 zum Regenerator
8: Fluid 2 vom Regenerator mit
9: Austauschapparat mit Membran als Regenerator
10: Zufuhr Wärmeträgermedium 1 zur Einstellung der Temperatur des Fluids 2
11: Abfuhr Wärmeträgermedium 1
12: Zufuhr Wärmeträgermedium 2 zur Einstellung der Temperatur des Fluids vor Eintritt in den Regenerator (9)
13: Abfuhr Wärmeträgermedium 2
14: Wärmetauscher zur Einstellung der Temperatur des Fluids 2 vor Eintritt in den Regenerator (9)
15: Fluid 3 zum Regenerator mit Membranaustauschapparat
16: Fluid 3 vom Regenerator
17: gasdurchlässige aber nicht flüssigkeitsdurchlässige Membran
18: Stege in Verteilplatte
19: Strömungskanal mit Fluid 1
20: Zuführung für Fluid 2
21: Abströmkanal Fluid 2
22: Zuströmung Fluid 1 (beispielhaft Gas)
23: Abströmung Fluid 1
24: Dichtung zum Membranrahmen
25: Dichtung zum Membranrahmen
26: Strömungskanal für Fluid 2
27: Verteilplatte für Flüssigkeit
28: Verteilplatte für gasförmiges Fluid
29: Rahmen zur Befestigung der Membran
30: Fläche zur Befestigung der Membran (z. B. Klebefläche)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DD 000000151471 A5 [0007]
DE 102004013647 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Einstellung von Konzentration und Temperatur eines aus zwei oder mehr Stoffen bestehenden gasförmigen oder flüssigen Fluides 1 über eine in einem Membranaustauschapparat geeignet angeordnete Membran, dadurch gekennzeichnet daß, a) die mikroporöse Membran für Gase, nicht aber für Flüssigkeiten durchlässig ist und in der die beteiligten Stoffe nicht nennenswerte Löslichkeit aufweisen, b) simultan einzelne oder mehrere Stoffe sowie Wärmeenergie vom Fluid 1 mit einem anderen Fluid 2 austauscht und damit gleichzeitig sowohl die Temperatur als auch die Stoffzusammensetzung des Fluides 1 gezielt eingestellt werden, c) das Fluid 2, vorzugsweise eine Flüssigkeit, welches ebenfalls ebenfalls aus mehreren Stoffen besteht, über seine Zusammensetzung so eingestellt wird, daß das zu konditionierende Fluid 1 die Stoffe über die Gasphase in der Membran in geeigneter Menge erhält bzw. abgibt d) die beiden Fluide nicht in direktem, unmittelbarem Kontakt miteinander stehen und e) während des Austausches über die Membran keine Wärme von außen zu- oder abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Fluide über eine je eine Membran von gleicher oder den Eigenschaften der Fluida angepaßten verschiedener Beschaffenheit, von einem zwischen beiden Membranen liegenden Gasraum getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Gaszwischenraum zwischen den Membranen durch eine Leitung nach außen mit einem Gas mit einstellbarem Druck befüllt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Regeneration des Fluides 2 eine Vorrichtung eingesetzt wird, die in ihrem Aufbau der zur Durchführung des nach Anspruch 1, 2 oder 3 beschriebenen Verfahrens erforderlichen Membranaustauschers entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4 bei dem die Zufuhr und Abfuhr thermischer Energie ausschließlich in Wärmeübertragern durchgeführt wird, in denen das Fluid 2 keinen Phasenwechsel und keine Änderung der Stoffzusammentzung erfährt.
Verfahren gemäß einem der oben genannten Ansprüche bestehend aus mindestens zwei Membranaustauschapparaten sowie zwei Wärmeaustauschern, dergestalt verbunden, das das zu behandelnde Fluid 1 zunächst wie Anspruch 1, 2 oder 3 dargelegt, im Membranaustauschapparat auf die gewünschte Temperatur und Konzentration gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß a) das Fluid 2 mit einem Wärmetauscher durch Wärmezufuhr von bzw. anch außen auf die für den Austausch mit Fluid 1 erforderliche Temperatur gebracht wird, b) das Fluid 2 nach Durchgang durch den Membranaustauschapparat zur Regenerierung in einem zweiten Wärmetauscher durch Zu- oder Abfuhr von Wärme von bzw. nach außen auf eine Temperatur gebracht wird, die es gestattet, in einem zusätzlichen Membranaustauschapparat das Fluid 2 dadurch zu regenerieren, daß es die vom Fluid 1 aufgenommenen Stoffe mit einem dritten Fluid austauschen kann und b) das Fluid 2, vorzugsweise eine Flüssigkeit, mit einer oder mehreren Pumpen in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid 2 aus Wasser besteht, dem eine geeignete Menge an löslichen Salzen oder eine den Dampfdruck des Wassers hinreichend absenkenden, vollständig mit Wasser mischbaren organischen Flüssigkeit mit vernachlässigbarem eigenem Dampfdruck beigegeben wird, und die in Abhängigkeit von der Konzentration den Dampfdruck so verändert, daß bei der gewählten Temperatur die gewünschte Konzentration an Wasserdampf im Fluid 1 erreicht wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1, 2 oder 3 bei dem das Fluid 2 nach dem Stoff- und Wärmeaustausch mit Fluid 1 durch ein anderes thermisches oder mechanisches Verfahren wieder regeneriert wird und so wieder die für das Verfahren nach Anspruch 1 erforderliche Stoffzusammensetzung erhält und das Fluid 2 somit dem Prozeß wieder zugeführt werden kann.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneration des Fluides 2 auch durch eine chemische, biochemische oder elektrochemische Umsetzung eines oder mehrerer der Inhaltsstoffe des Fluides 2 erfolgt.
Verfahren, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid 2 auch mittels eines flüssig-flüssig Extraktionsverfahrens in direktem Kontakt mit einem dritten Fluid regeneriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem zur Verringerung des Energieverbrauches das Fluid 2 vor Eintrittt in den zur Einstellung der gewünschten Temperatur erforderlichen Wärmetauscher einen weiteren Wärmetauscher durchströmt, in dem es Wärme mit dem vom Membranaustauschapparat kommenden Fluid 2 austauscht, bevor es zur Regenerationseinrichtung gelangt.