DE3016305A1

DE3016305A1 - GAS SEPARATOR

Info

Publication number: DE3016305A1
Application number: DE19803016305
Authority: DE
Inventors: Sun-Tak Prof Hwang
Original assignee: Dow Corning Corp
Current assignee: Dow Silicones Corp
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1980-04-28
Publication date: 1981-01-08
Also published as: GB2053021A; CA1145683A; JPS567603A; FR2464088A1

Description

DESCRIPTION

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Gasphasentrennung, wobei Gase durch eine Membran wandern, und sie betrifft insbesondere die Anreicherung bestimmter Gase in einem Gasgemisch.The invention relates generally to the field of gas phase separation, wherein gases migrate through a membrane, and in particular it relates to the enrichment of certain gases in a gas mixture.

Die Trennung von Gasen unter Verwendung einer Membran ist bereits bekannt. Hierzu geeignete Gastrennvorrichtungen gehen beispielsweise aus US-PS 2 159 434 und US-PS 2 388 hervor, und bei diesen Vorrichtungen wird an eine Seite einer semipermeablen Membran unter Druck ein Gemisch aus Gasen aufgegeben. Die dabei verwendete Membran ist so beschaffen, daß sie einen bevorzugten Durchgang eines Gases gegenüber einem anderen Gas erlaubt. Das aus einer solchen Vorrichtung als Produkt erhaltene Gas kann zur weiteren Anreicherung des gewünschten Gases dann in ebenfalls bekannter Weise durch eine Reihe hintereinander geschaltener derartiger Vorrichtungen geführt werden.The separation of gases using a membrane is already known. Suitable gas separation devices for this purpose for example, US Pat. No. 2,159,434 and US Pat. No. 2,388 are disclosed and these devices have a semipermeable membrane under pressure a mixture of gases is applied. The membrane used is such that it allows preferential passage of one gas over another gas. That from such a device as The gas obtained from the product can then be passed through in a likewise known manner for further enrichment of the desired gas a number of such devices connected in series can be performed.

Ebenfalls bekannt ist auch ein sich verjüngender Aufbau einer solchen Gastrennvorrichtung. In diesem Zusammenhang wird auf Nuclear Chemical Engineering, von Benedict and Pigford, Seite 391, (McGraw-Hill, New York, 1957) hingewiesen, woraus ein sich verjüngender Aufbau aus einer Reihe solcher Gastrennvorrichtungen hervorgeht, die in Kaskadenform miteinander verbunden sind, um hierdurch die Strömungsmenge eines Gases gleichförmig durch ein Gastrennsystem zu verteilen. Sich verjüngende und kaskadenförmig aufgebaute Anordnungen dieser Art werden unter anderem auch in Introduction to Nuclear Engineering, von Stephenson, Seiten 362-368 (McGraw-Hill, New York, 1958) beschrieben. Weiter gehen derartige Vorrichtungen auch aus Journal of Nuclear ScienceA tapered structure of such a gas separation device is also known. In this context Attention is drawn to Nuclear Chemical Engineering, by Benedict and Pigford, page 391, (McGraw-Hill, New York, 1957), from which a tapered structure emerges from a series of such gas separation devices which are cascaded are interconnected to thereby increase the flow rate of a gas uniformly through a gas separation system to distribute. Tapering and cascading arrangements of this type are also discussed in Introduction to Nuclear Engineering, by Stephenson, pages 362-368 (McGraw-Hill, New York, 1958). Go further such devices also from the Journal of Nuclear Science

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ORiGiNAL. INSPECTEDOriginal. INSPECTED

and Technology, Januar 1976, Sexten 30-34, hervor. Schließlich wird in diesem Zusammenhang auch noch auf Introduction to Nuclear Engineering, von Murray (George Allen, Unwin Ltd., London, Seiten 68-79, hingewiesen.and Technology, January 1976, Sexten 30-34. In the end In this context, the Introduction to Nuclear Engineering, by Murray (George Allen, Unwin Ltd., London, pp. 68-79.

Ein Arbeiten unter Gegenstromrückfluß ist beispielsweise bei Verfahren zur Destillation, Extraktion und Gasabsorptin schon bekannt. Eine Gasdxffusionsvorrichtung unter Gegenstromrückfluß ohne Rückmischung geht beispielsweise aus US-PS 3 144 313 hervor. Durch eine solche Vorrichtung läßt sich ein bestimmtes Gas von einem Gasgemisch mittels einer Membran abtrennen, die eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit für das jeweils abzutrennende Gas aufweist. Die Vorrichtung wird bei verhältnismäßig hohen Temperaturen (300 bis 400⁰C) und Drücken (2,75 χ 10 bis 3,45 χ 10 Pa) betrieben und macht von einer Metallmembran Gebrauch.Working under countercurrent reflux is already known, for example, in processes for distillation, extraction and gas absorption. A countercurrent reflux gas diffuser without backmixing is disclosed, for example, in US Pat. No. 3,144,313. By means of such a device, a specific gas can be separated from a gas mixture by means of a membrane which has a high diffusion rate for the gas to be separated. The device is operated at relatively high temperatures (300 to 400 ^° C.) and pressures (2.75 10 to 3.45 10 Pa) and makes use of a metal membrane.

Es sind auch bereits Gasdiffusionsvorrichtungen bekannt, bei denen als Membranen zur Auftrennung eines Gasgemisches und als Gewinnungskammern Hohlfasern oder Schläuche verwendet werden, und in diesem Zusammenhang wird auf US-PS 3 144 sowie US-PS 3 735 558 verwiesen.There are also already known gas diffusion devices, in which hollow fibers or tubes are used as membranes to separate a gas mixture and as recovery chambers and in this connection reference is made to US Pat. No. 3,144 and US Pat. No. 3,735,558.

Vorrichtungen zur Gasdiffusion werden in der Praxis umfangreich und vielfältig angewandt. Sie werden beispielsweise eingesetzt zur Sauerstoffanreicherung bei der Inhalationstherapie, zum Entschwefeln von Naturgas, zur Reinigung von Gichtgas sowie zur Anreicherung von Stickstoff zur Herabsetzung der Explosionsgefahr. Beim Großteil dieser Anwendungsarten ist es entscheidend, daß solche Vorrichtungen unter wirtschaftlich günstigen Bedingungen und entsprechendem Wirkungsgrad betrieben werden körinen. Erwünscht sind hierzu daher Vorrichtungen, die bei verhältnismäßig niedrigenDevices for gas diffusion are used extensively and in many ways in practice. You will for example used for oxygen enrichment in inhalation therapy, for desulfurization of natural gas, for purification of Blast furnace gas as well as for enrichment of nitrogen to reduce the risk of explosion. Most of these types of applications it is crucial that such devices under economically favorable conditions and the like Efficiency are operated körinen. Devices are therefore desirable for this purpose, which at relatively low

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Temperaturen und Drücken betrieben werden können und einen relativ geringen Energieaufwand erfordern.Temperatures and pressures can be operated and require a relatively low expenditure of energy.

Es besteht daher auch der Wunsch nach Gastrennvorrichtungen, die ohne Anwendung zahlreicher Kaskadenstufen auskommen. Die bisher bekannten Vorrichtungen zur Gastrennung sind demnach noch in mancher Hinsicht verbesserungsbedürftig.There is therefore also a desire for gas separation devices that do not require the use of numerous cascade stages. the Hitherto known devices for gas separation are therefore still in need of improvement in some respects.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Gastrennvorrichtung, durch die man ein bestimmtes Gas oder bestimmte Gase aus einem Gasgemisch anreichern kann. Diese Gasanreicherung soll bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen und Drücken möglich sein. Die Gasanreicherung soll sich dabei ohne Anwendung von Kaskadenstufen und unter einer praktisch homogenen Strömungsgeschwindigkeit in einem unter Gegenstromrückfluß arbeitenden Gasauftrennsystem erreichen lassen. Schließlich soll sich hierdurch auch Feuchtigkeit von einem Gas abtrennen lassen.The object of the invention is therefore to create a gas separation device, through which one can enrich a certain gas or certain gases from a gas mixture. This gas enrichment should be possible at relatively low temperatures and pressures. The gas enrichment should thereby without the use of cascade stages and at a practically homogeneous flow rate in a countercurrent reflux working gas separation system. Ultimately, this should also reduce moisture can be separated from a gas.

Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß nun gelöst durch ein bei Raumtemperatur einsetzbares System, durch das sich die Relativkonzentration der Bestandteile eines Gemisches aus Fluiden verändern läßt, das sich in dem System bewegt. Die entsprechende Vorrichtung besteht aus wenigstens einer Zelle mit Kammern, die durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Die einzelnen Kammern stehen so miteinander in Verbindung, daß sich ein Gegenstromrückfluß des Gemisches ergibt und daß in einer Kammer ein höherer Druck herrscht als in der anderen Kammer. Die Kammern sind geometrisch so ausgestaltet, daß es zu keiner Rückmischung kommt, und die hierzu verwendete Membran weist eine für wenigstens zwei der Bestandteile des Gemisches unterschiedliche Permeabilitätskonstante auf.The above object is now achieved according to the invention by a system that can be used at room temperature and through which the relative concentration of the constituents of a mixture can be changed from fluids moving in the system. The corresponding device consists of at least one Cell with chambers that are separated from one another by a semipermeable membrane. The individual chambers stand with one another in connection that there is a countercurrent reflux of the mixture and that a higher pressure in a chamber prevails than in the other chamber. The chambers are geometrically designed so that there is no backmixing, and the membrane used for this purpose has a different permeability constant for at least two of the constituents of the mixture on.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ferner auch Mittel,, durch die sich über die jeweilige Membran eine Druckdifferenz erzeugen läßt, und wenigstens einen Einlaß zur Einspeisung des Gemisches in das System. An der Vorrichtung ist ferner auch wenigstens ein Auslaß vorhanden, über den sich das Gemisch nach erfolgter Veränderung der Relativkonzentration seiner Bestandteile gewinnen läßt. Die Mittel zur Ausbildung einer Druckdifferenz können für irgendeine derartige geeignete Druckdifferenz sorgen, wobei jedoch eine Druckdifferenz von weniger als etwa 3,45 χ 10 Pa bevorzugt wird.The device according to the invention also contains means, through which a pressure difference can be generated across the respective membrane, and at least one inlet for the feed of the mixture into the system. The device also has at least one outlet through which the mixture can win after changing the relative concentration of its constituents. The means of training a pressure differential can provide any such suitable pressure differential, but with a pressure differential less than about 3.45 10 Pa is preferred.

Die Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen den einzelnen Kammern kann beispielsweise ein Druckminderer sein, der in der Verbindung zwischen den Kammern angeordnet ist. Ferner läßt sich eine derartige Druckdifferenz auch durch Einspeisung des jeweiligen Gemisches unter verhältnismäßig hohem Druck oder mittels eines Kompressors, der an der Verbindungsstelle zwischen den Kammern angeordnet ist, oder auch durch eine Kombination beider Möglichkeiten erreichen. The device for generating a pressure difference between the individual chambers can, for example, be a pressure reducer be, which is arranged in the connection between the chambers. Furthermore, such a pressure difference can also by feeding in the respective mixture under relatively high pressure or by means of a compressor that is connected to the connection point is arranged between the chambers, or can be achieved by a combination of both possibilities.

Der Auslaß kann in der Vorrichtung so angeordnet sein, daß sich ein verändertes Gemisch mit erhöhter Menge an entweder dem am stärksten permeablen Gas oder dem am wenigsten permeablen Gas oder beides zugleich gewinnen läßt. Der Einlaß kann an jeder geeigneten Stelle der Vorrichtung angeordnet sein, er befindet sich jedoch vorzugsweise an einer Stelle, an der die Konzentration an Gasen in der Vorrichtung der Konzentration an Gasen im eintretenden Gemisch entspricht. The outlet can be arranged in the device so that an altered mixture with an increased amount of either the most permeable gas or the least permeable gas or both at the same time. The inlet can be located at any suitable location on the device, but is preferably located at one Point where the concentration of gases in the device corresponds to the concentration of gases in the incoming mixture.

Bei der erfxndungsgemäßen Vorrichtung, die unter verhältnismäßig niedrigem Druck und bei Raumtemperatur betriebenIn the device according to the invention, which is operated under relatively low pressure and at room temperature

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werden kann, läßt sich jede geeignete semipermeable Membran verwenden. Hierzu gehören beispielsweise Membranen aus Celluloseacetat, Polytetrafluorethylen, Cellulosetriacetat, Celluloseacetatstyrol, Celluloseacetatbutyrat, Polyethylmethacrylat, Cellulosepropionat, Polypropylen, Epoxyverbindungen, Ethylcellulose, Ethylenvinylacetat, Methy!cellulose, Nitrocellulose, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat, Nitrosokautschuk, Polyamid, Polybutadien, Polyvinylidenchlorid,. Poly(butadienmethylmethacrylat), Poly(butadienstyrol), Polycarbonat, PoIydialkylsiloxanharzen, Siliconkautschuken, Polyethylenacrylnitril, Polyethyleniminpolyvinylbutyral, Polyethylen, Polyestermethan oder Polyethylenterephthalat.any suitable semipermeable membrane can be used. These include, for example, membranes made of cellulose acetate, Polytetrafluoroethylene, cellulose triacetate, cellulose acetate styrene, Cellulose acetate butyrate, polyethyl methacrylate, Cellulose propionate, polypropylene, epoxy compounds, Ethyl cellulose, ethylene vinyl acetate, methyl cellulose, nitrocellulose, Polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, nitroso rubber, polyamide, polybutadiene, polyvinylidene chloride ,. Poly (butadiene methyl methacrylate), Poly (butadiene styrene), polycarbonate, polydialkylsiloxane resins, Silicone rubbers, polyethylene acrylonitrile, polyethylene imine polyvinyl butyral, polyethylene, polyester methane or polyethylene terephthalate.

Infolge ihrer Permeabilität und ihrer relativen chemischen Inertheit werden häufig Membrane aus Siliconen bevorzugt. Besonders bevorzugt werden Membranen aus einem Poly(alphamethylstyrol-co-dimethylsiloxan)copolymer (US-PS 4 107 227), da solche Membranen über das Permeabilitätsverhalten von Siliconkautschuk verfügen, zugleich aber über Formungs- und Handhabungseigenschaften verfügen, wie sie für Kunststoffe typisch sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Hohlfasern als Membranen verwendet.Owing to their permeability and their relative chemical inertness, membranes made from silicone are often preferred. Membranes made from a poly (alphamethylstyrene-co-dimethylsiloxane) copolymer are particularly preferred (US-PS 4 107 227), since such membranes have the permeability behavior of Silicone rubber have, but at the same time molding and Have handling properties such as those for plastics are typical. In a preferred embodiment of the invention, hollow fibers are used as membranes.

Eine Zelle kann aus einer Reihe miteinander in Verbindung stehender Baueinheiten gebildet werden. Jede dieser Baueinheiten enthält Kammern, die über eine Membran voneinander getrennt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Baueinheiten in einem sich verjüngenden Aufbau so miteinander verbunden, daß ein System gebildet wird, bei dem die Geschwindigkeit der Bewegung des Gemisches durch das ganze System praktisch konstant ist.A cell can be formed from a number of interconnected structural units. Each of these building blocks contains chambers that are separated from one another by a membrane. In a preferred embodiment of the invention Device, the structural units are connected to one another in a tapered structure so that a System is formed in which the speed of movement of the mixture through the whole system is practically constant is.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung weiter erläutert. In ihr zeigen:The invention is further explained below with reference to the drawing. Show in it:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,1 shows a schematic cross section through a device according to the invention,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der relativen Membranfläche, die zur Erzielung einer praktisch gleichförmigen Strömung bei der Vorrichtung nach Fig. 1 erforderlich ist,Fig. 2 is a schematic representation of the relative membrane area required to achieve a practically uniform flow is required in the device according to FIG. 1,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Baueinheiten, die zusammen die Vorrichtung nach Anspruch 1 bilden und deren Membranfläche etwa der nach Fig. 2 entspricht, Fig. 3 is a schematic cross section of an arrangement of structural units which together the Form device according to claim 1 and the membrane area of which corresponds approximately to that of FIG. 2,

Fig. 4 und 5 andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.4 and 5 show other embodiments of the invention Contraption.

Im einzelnen bezieht sich die Fig. 1 auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Veränderung der Relativkonzentration der Bestandteile eines Gemisches von Fluiden, das sich in dieser Vorrichtung bewegt. Die Vorrichtung enthält eine Zelle 1, die aus einer Hochdruckkammer 2 und einer Niederdruckkammer 3 besteht, welche durch eine Membran 4 voneinander getrennt sind. Die Kammern 2 und 3 stehen über einen Druckminderer 25 an einem Ende und über einen Kompressor 5 am anderen Ende miteinander in Verbindung.In detail, Fig. 1 relates to an inventive Device for changing the relative concentration of the constituents of a mixture of fluids which is in this device moves. The device contains a cell 1 consisting of a high pressure chamber 2 and a low pressure chamber 3, which are separated from one another by a membrane 4. The chambers 2 and 3 are above a pressure reducer 25 at one end and through a compressor 5 at the other end.

Jede der Kammern 2 und 3 ist geometrisch so ausgelegt, daß eine Rückmischung des durch die Vorrichtung strömenden Gases vermieden ist. Zu diesem Zweck haben diese Kammern gewöhnlich einen kleinen Querschnitt. Bei einer möglichen Ausführungs-Each of the chambers 2 and 3 is geometrically designed so that a back-mixing of the gas flowing through the device is avoided. For this purpose, these chambers usually have a small cross-section. In a possible execution

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form der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht beispielsweise die Zelle 1 aus einem Bündel hohler Mikrofasern, die in ein Rohr gepackt sind, wobei jede dieser hohlen Mikrofasern einen Innendurchmesser von 0,239 mm und einen Außendurchmesser von 0,610 mm hat. Die Innenseite der Mikrofasern bildet die Kammer 2, während die außerhalb der Fasern, jedoch innerhalb des Rohrs befindliche Außenfläche die Kammer 3 bildet.form of the device according to the invention consists for example the cell 1 consists of a bundle of hollow microfibers packed in a tube, each of these hollow microfibers has an inner diameter of 0.239 mm and an outer diameter of 0.610 mm. The inside of the microfiber forms the chamber 2, while the outer surface located outside the fibers but inside the tube forms the chamber 3 forms.

über einen Einlaß 6 kann ein Gasgemisch in die Vorrichtung eintreten. Der Einlaß 6 kann eine unter Druck stehende Zuführung sein. Eire solche unter Druck stehende Zuführung sorgt über einen Druckminderer 25 für eine Druckdifferenz an der Membran. Der Einlaß 6 kann an irgendeiner Stelle längs einer der beiden Seiten der Zelle 1 angeordnet sein, er befindet sich vorzugsweise jedoch etwa an dem Punkt, an dem die Gaskonzentration in dem sich durch die Vorrichtung bewegenden Gemisch etwa gleich ist wie die Konzentration der in die Vorrichtung eintretenden Gase.A gas mixture can enter the device via an inlet 6 enter. The inlet 6 can be a pressurized feed. Eire provides such pressurized feed via a pressure reducer 25 for a pressure difference across the membrane. The inlet 6 can be at any point along a the two sides of the cell 1, but it is preferably located approximately at the point at which the gas concentration in the mixture moving through the device is about the same as the concentration of that in the device entering gases.

Bei der aus Fig. 1 hervorgehenden Vorrichtung läßt sich die Druckdifferenz an der Membran über den Kompressor 5 erreichen, der den Druck des Gases erhöht, während sich dieses von der Kammer 3 in die Kammer 2 bewegt.In the device shown in Fig. 1, the pressure difference on the membrane can be achieved via the compressor 5, which increases the pressure of the gas as it moves from chamber 3 into chamber 2.

An einem Ende der Vorrichtung ist ein Auslaß 7 für ein verändertes Gemisch 11 angeordnet, das mit dem am wenigsten permeablen Gas angereichert ist. Am anderen Ende der Vorrichtung befindet sich ein Auslaß 8, über den ein verändertes Gemisch abgeführt wird, das durch das am stärksten permeable Gas angereichert ist.At one end of the device is an outlet 7 for a modified one Mixture 11 arranged, which is enriched with the least permeable gas. At the other end of the device there is an outlet 8 through which a modified mixture is discharged, which is most permeable through the Gas is enriched.

Längs einer der beiden Seiten der Zelle 1 können mehrere Auslässe, wie beispielsweise Auslässe 7 und 8, oder auchAlong one of the two sides of the cell 1, several outlets, such as for example outlets 7 and 8, or else

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nur ein derartiger Auslaß angeordnet sein, und auf diese Weise läßt sich dann jedes gewünschte Gasgemisch entnehmen.only one such outlet can be arranged, and in this way any desired gas mixture can then be withdrawn.

Beim Betrieb-der aus Fig. 1 hervorgehenden Vorrichtung wird ein unter Druck befindliches Gasgemisch 9 an demEinlaß 6 in die Vorrichtung eingespeist, und dieses Gasgemisch bewegt sich dann in der durch die Pfeile angegebenen Richtung durch die Vorrichtung.When operating the device shown in FIG a pressurized gas mixture 9 is fed into the device at the inlet 6, and this gas mixture moves then through the device in the direction indicated by the arrows.

Während sich das Gemisch 9 längs der Kammer 2 bewegt, gehen bestimmte Mengen der am stärksten permeablen Komponente 10 durch die Membran 4. Sobald das Gemisch 9 das Ende der Kammer 2 erreicht hat, hat sich seine Relativkonzentration, an am wenigsten permeablen und am meisten permeablen Bestandteilen infolge des Verlustes an am meisten permeabler Komponente 10 verändert.As the mixture 9 moves along the chamber 2, certain amounts of the most permeable component go 10 through the membrane 4. As soon as the mixture 9 reaches the end of the Chamber 2 has reached its relative concentration of least permeable and most permeable components changed due to the loss of the most permeable component 10.

Das veränderte Gemisch 11 _r das über eine verhältnismäßig niedrige Konzentration an Komponente 10 verfügt, kann an dem Auslaß 7 gewonnen werden.The modified mixture 11 _r, which has a relatively low concentration of component 10, can be obtained at the outlet 7.

Während sich das Gemisch 9 im Gegenstrom zu dem in der Kammer 2 befindlichen Strom längs der Kammer 3 bewegt, sammeln sich in ihm weitere Mengen der am stärksten permeablen Komponente 10 an, und an dem Auslaß 8 läßt sich daher ein verändertes Gemisch 12 abziehen, das über eine verhältnismäßig hohe Menge an am stärksten permeabler Komponente 10 verfügt.While the mixture 9 moves in countercurrent to the flow in the chamber 2 along the chamber 3, collect in it further amounts of the most permeable component 10, and at the outlet 8, therefore, a modified mixture 12 can be withdrawn, which has a relatively high amount of the most permeable component 10 has.

Bei den meisten Betriebsarten kann das Volumen des durch die Zelle 1 rezirkulierten Gasstroms ziemlich stark über dem Volumen des BeschxckungsStroms 9 liegen. Bei einem Betrieb unter stationärem Zustand entspricht das Volumen der veränderten Gemische 11 und 12 j edoch insgesamt dem Volumen des Beschickungsgemisches 9.In most modes of operation, the volume of gas flow recirculated through cell 1 can be quite large the volume of the loading stream 9. At one company in the steady state, however, the volume of the modified mixtures 11 and 12 corresponds overall to the volume of the feed mixture 9.

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Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß ein derartiges Strömungsmuster normalerweise zu einem größeren Volumen an Gemisch 9 nahe dem Kompressorende der Zelle 1 führt, an dem das am stärksten permeable Gas 10 zu einer Ansammlung neigt. Bei einem System zur Anreicherung von Sauerstoff in Luft wird beispielsweise kondensierte Luft (die 21,1 % Sauerstoff enthält) am Einlaß 6 in einer Menge von etwa 0,137 cm³ pro Sekunde unter einem Druck von 2295 mbar (172,1 cm Hg) (das System arbeitet bei einer Temperatur von etwa 23,1⁰C) eingeführt. Am Einlaß 6 strömt das bereits in der Zelle 1 befindliche Gemisch 9 mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,093 cm³ pro Sekunde in der durch die Pfeile angegeben Richtung.It will be readily apparent that such a flow pattern will normally result in a larger volume of mixture 9 near the compressor end of the cell 1 where the most permeable gas 10 is prone to accumulation. For example, in a system for enriching oxygen in air, condensed air (containing 21.1% oxygen) is supplied at inlet 6 at an amount of about 0.137 cm ³ per second under a pressure of 2295 mbar (172.1 cm Hg) (the System works at a temperature of about 23.1 ⁰ C) introduced. At the inlet 6, the mixture 9 already in the cell 1 flows at a speed of about 0.093 cm ³ per second in the direction indicated by the arrows.

Sobald das Gemisch 9 zum Ende der Kammer 2 gelangt, nämlich über eine Entfernung von 2,11 m in einem Bündel aus 35 Mikrohohlfasern aus Siliconkautschuk, hat es einen Druck von nur mehr 2287 mbar (171,5 cm Hg), da Sauerstoff durch die Membran 4 ausgetreten ist. Am Ende der Kammer 2 verfügt der Gasstrom daher über einen Sauerstoffgehalt von lediglich mehr 15,1 %. Das an Sauerstoffgehalt erniedrigte (und an Stickstoffgehalt angereicherte) veränderte Gemisch 11 wird bei diesem Beispiel in einer Menge von etwa 0,0972 cm³ pro Sekunde am Auslaß 7 entnommen.As soon as the mixture 9 reaches the end of the chamber 2, namely over a distance of 2.11 m in a bundle of 35 hollow micro-fibers made of silicone rubber, it has a pressure of only 2287 mbar (171.5 cm Hg), since oxygen is transported through the Membrane 4 has leaked. At the end of the chamber 2, the gas flow therefore has an oxygen content of only more than 15.1%. The modified mixture 11, reduced in oxygen content (and enriched in nitrogen content) is withdrawn from outlet 7 ^{in this example in an amount of about 0.0972 cm 3 per second.}

Nichts des Gasstroms geht durch den Druckminderer 25. An einer Stelle der Kammer 3, die dem Einlaßventil 6 gegenüberliegt, beträgt der Gasstrom jedoch 0,133 cm³ pro Sekunde und die Sauerstoffkonzentration etwa 25,9 %. Der Druck in der Kammer 3 macht 1012 mbar (75,92 cm Hg) aus.None of the gas flow passes through the pressure reducer 25. At a point in the chamber 3 which is opposite the inlet valve 6, however, the gas flow is 0.133 cm ³ per second and the oxygen concentration is about 25.9%. The pressure in chamber 3 is 1012 mbar (75.92 cm Hg).

Am Ende der Kammer 3 (Entfernung etwa 4,24 m) hat der Gasstrom eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,284 cm³ pro Sekunde und eine veränderte Sauerstoffkonzentration von etwa 36,8 ' Etwa 0,0401 cm³ pro Sekunde des mit Sauerstoff angereichertenAt the end of chamber 3 (distance about 4.24 m) the gas stream has a flow rate of 0.284 cm ³ per second and an altered oxygen concentration of about 36.8 'about 0.0401 cm ³ per second of that which is enriched with oxygen

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veränderten Gemisches 12 werden am Auslaß 8 entnommen, und etwa 0,244 cm³ pro Sekunde hiervon werden unter einem Druck von etwa 2301 mbar (172,6 cm Hg) wieder in die Kammer 2 eingespeist. Infolge eines Durchgangs des am stärksten permeablen Gases 10 (Sauerstoff) durch die Membran 4 verringert sich der Druck des Gemisches 9 nach Durchwandern der 2,13 m langen Strecke bis zum Einlaß 6 auf etwa 2295 mbar (172,1 cm Hg).Altered mixture 12 is withdrawn from outlet 8 and about 0.244 cm ³ per second of this is fed back into chamber 2 at a pressure of about 2301 mbar (172.6 cm Hg). As a result of the passage of the most permeable gas 10 (oxygen) through the membrane 4, the pressure of the mixture 9 decreases to about 2295 mbar (172.1 cm Hg) after traveling the 2.13 m long section to the inlet 6.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Folienmembran 14, die so geformt ist, daß sie dem sich verändernden Stromungsvolumen des Gemisches 9 entspricht, während dieses im Gegenstrom die Zelle 1 von Fig. 1 umströmt, wodurch sich eine praktisch homogene Strömungsgeschwindigkeit ergibt. Da das Gemisch 9 am Einlaß 6 in die Kammer 2 eintritt, strömt durch die Membran 4 viel der am stärksten permeablen Komponente 10, und hierdurch erhöht sich das Volumen des Teils des Gemisches 9, der sich bereits in der Kammer 3 befindet. Das Volumen des Gemisches 9 erniedrigt sich dann kontinuierlich, während dieses Gemisch längs der Kammer 2 strömt, da Anteile dieser am stärksten permeablen Komponente 10 kontinuierlich durch die Membran 4 gehen.Fig. 2 shows schematically a film membrane 14 which is shaped in this way is that it corresponds to the changing flow volume of the mixture 9, while this in countercurrent the Flows around cell 1 of FIG. 1, which results in a practically homogeneous flow rate. Since the mixture 9 Entering chamber 2 at inlet 6, much of the most permeable component 10, and this increases the volume of the part of the mixture 9 which is already in the chamber 3. The volume of the Mixture 9 then decreases continuously, while this mixture flows along the chamber 2, since proportions of this on strongest permeable component 10 go continuously through the membrane 4.

Die Membranfolie 14 gemäß Fig. 2 ist so konstruiert, daß sie den Veränderungen des Volumens des Gemisches 9 ent^ spricht, wodurch sich ein praktisch gleichförmiger Strom an Gemisch 9 ergibt.The membrane film 14 according to FIG. 2 is constructed so that it corresponds to the changes in the volume of the mixture 9 speaks, resulting in a practically uniform flow of mixture 9.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so konstruiert sein, daß sie der Form der Membranfolie 14 entspricht und einen Auslaß für das veränderte Gemisch 11 hat, das mit dem am wenigsten permeablen Produkt angereichert ist, sowie über einen Auslaß 8 für das veränderte Gemisch 12 verfügt, welches mit dem am stärksten permeablen Produkt angereichert ist.The device according to the invention can be constructed so that it corresponds to the shape of the membrane film 14 and has an outlet for the modified mixture 11, which is with the on least permeable product is enriched, and has an outlet 8 for the modified mixture 12, which is enriched with the most permeable product.

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Die Konstruktion einer solchen Vorrichtung bereitet in der Praxis jedoch Schwierigkeiten, so daß es sich hierbei um keine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung handelt. Diese Schwierigkeiten lassen sich durch die aus Fig. 3 schematisch hervorgehende Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weitgehend beseitigen.However, the construction of such a device causes difficulties in practice, so that it is here to is not a preferred embodiment of the invention. These difficulties can be explained schematically by the one shown in FIG. 3 emerging embodiment of an inventive Eliminate device largely.

Die Fig. 3 zeigt im einzelnen eine Zelle 15, die aus Baueinheiten 16 aufgebaut ist. Jede Baueinheit 16 besteht aus einer Hochdruckkammer 17 und einer Niederdruckkammer 18, die über eine Membran 19 voneinander getrennt sind. Die Baueinheiten 16 sind so miteinander verbunden, daß sich eine Membranoberfläche und ein Membranaufbau etwa nach Fig. 2 ergibt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit an allen Teilen der Zelle 15 praktisch konstant ist.3 shows in detail a cell 15 which is made up of structural units 16. Each structural unit 16 consists of a high pressure chamber 17 and a low pressure chamber 18, which are separated from one another by a membrane 19. The building units 16 are connected to one another in such a way that a membrane surface and a membrane structure as shown in FIG. 2 are obtained. so that the flow rate at all parts of the cell 15 is practically constant.

In die Zelle 15 wird über einen Einlaß 20 ein Gasgemisch eingespeist. Das Gasgemisch bewegt sich durch die Kammern 17 und 18 und durch die Membran 19 genauso wie bei Fig. 1. Bei der aus Fig. 3 hervorgehenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung strömt das Gasgemisch infolge des sich verjüngenden Aufbaus der einzelnen Baueinheiten jedoch praktisch gleichförmig durch das ganze System. Hierdurch läßt sich ein Gasgemisch mit veränderter Konzentration an Komponenten entweder über einen Auslaß 21 (für Gemische mit erniedrigter Konzentration an am stärksten permeabler Komponente) oder über einen Auslaß 22 (für Gemische mit erhöhter Konzentration an am stärksten permeabler Komponente) abziehen.A gas mixture is fed into the cell 15 via an inlet 20. The gas mixture moves through the chambers 17 and 18 and through the membrane 19 in the same way as in FIG. 1. In the embodiment of the invention shown in FIG. 3 The gas mixture flows through the device due to the tapering structure of the individual structural units but practically uniformly through the whole system. This allows a gas mixture with a changed concentration of components either via an outlet 21 (for mixtures with a reduced concentration of the most permeable Component) or via an outlet 22 (for mixtures with an increased concentration of the most permeable component) pull off.

In der aus Fig. 3 hervorgehenden Vorrichtung ist weiter auch ein Druckminderer 23 und ein Kompressor 24 vorhanden, deren Funktion dem Druckminderer 25 und dem Kompressor 5 von Fig. 1 entspricht.In the device shown in FIG. 3 there is also a pressure reducer 23 and a compressor 24, whose function corresponds to the pressure reducer 25 and the compressor 5 of FIG.

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Fig. 4 zeigt im einzelnen schematisch einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Druckdifferenz erreicht wird, indem man ein Beschickungsgemisch 27 unter Druck durch einen Einlaß 26 einspeist, and hierbei bewegt sich am stärksten permeable Komponente 30 durch eine semipermeable Membran 31, während das Gemisch 27 durch eine Hochdruckkammer 28 zu einem Druckminderer 29 strömt. In einer Niederdr-uckkammer 32 vereinigt sich die am stärksten permeable Komponente 30 unter Gegenstromrückfluß mit dem Gemisch 27.Fig. 4 shows in detail, schematically, a cross section through an embodiment of a device according to the invention, at which the pressure differential is achieved by passing a feed mixture 27 under pressure through an inlet 26 feeds, and here the most permeable component 30 moves through a semipermeable membrane 31, while the mixture 27 flows through a high pressure chamber 28 to a pressure reducer 29. Combined in a low pressure chamber 32 The most permeable component 30 will reflux with the mixture 27 under countercurrent flow.

Am Auslaß 33 kann ein verändertes Gemisch 32 mit hoher Konzentration an am stärksten permeablem Gas gesammelt werden. In ähnlicher Weise läßt sich bei dieser Ausführungsform verändertes Gemisch 34 am Auslaß 35 gewinnen. Das veränderte Gemisch 34 hat etwas an am stärksten permeablem Gas 30 verloren, so daß es über eine angereicherte Konzentration an am wenigsten permeablem Gas verfügt.At the outlet 33, a modified mixture 32 with a high concentration collected on the most permeable gas. In a similar way, modified mixture 34 can be obtained at outlet 35 in this embodiment. The changed mixture 34 has lost some of the most permeable gas 30 so that it has an enriched concentration of am has the least permeable gas.

Aus Fig. 5 geht eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervor. Hiernach wird die Druckdifferenz über eine Membran 36 erreicht durch einen Kompressor 37, der Beschickungsgemisch (wie beispielsweise Luft) über einen Einlaß 41 in eine Niederdruckkammer 39 zieht, den Druck dieses Beschickungsgemisches erhöht und dieses Gemisch dann im Gegenstrom in eine Hochdruckkammer 40 führt. Aus dem Gemisch 38 bewegt sich am stärksten permeable Komponente 42 durch die Membran 36 in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung, und der Gegenstrom an Gemisch 38 ergibt ein verändertes Gemisch 43, das mit der am meisten permeablen Komponente angereichert ist. Das hierbei anfallende veränderte Gemisch 43 kann am Auslaß 44 gesammelt werden. Ein verändertes Gemisch 45, das bei dieser Ausführungsform der Erfindung gewöhnlich als Rest anzusehen ist, läßt sich am Auslaß 46 sammeln.5 shows another embodiment of the invention Device. Thereafter, the pressure difference is achieved across a membrane 36 by a compressor 37, the feed mixture (such as air) draws via an inlet 41 into a low-pressure chamber 39, the pressure of this Increased feed mixture and this mixture then leads into a high pressure chamber 40 in countercurrent. From the mixture 38 the most permeable component 42 moves through the membrane 36 in the direction indicated by the arrows, and the countercurrent of mixture 38 results in an altered mixture 43 which is enriched in the most permeable component is. The resulting changed mixture 43 can be collected at outlet 44. A different mixture 45, which is common in this embodiment of the invention is to be regarded as the remainder, can be collected at outlet 46.

630062/063-8630062 / 063-8

Claims

301630

.'Jf'Π,'ί 40.'Jf'Π, 'ί 40

DC 2297

Dow Coming Corporation, Midland, Michigan, V. St. A.

Gas separator

PATENT CLAIMS

nj gas separator operated at room temperature can be and through which the relative concentration of the constituents of a mixture in the device can change moving fluids, characterized by

(A) at least one cell, the chambers of which are separated from one another by a semipermeable membrane, these Chambers are in communication with one another in such a way that there is a countercurrent reflux flow of the mixture and that the pressure in one chamber is higher than the pressure in the other chamber, and the chambers are geometrically so are designed so that there is no backmixing of the membrane with different permeability constants for at least two of the constituents of the mixture koivimt,

030062/0638

(b) Means for generating a pressure difference through the
Membrane,

(c) at least one inlet for feeding the mixture into the device and

(d) at least one outlet for recovering the mixture from the device after changing the relative concentration its components.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a in the connection between the individual chambers
Pressure reducer is arranged.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the cell consists of a number of interconnected structural units and each of these structural units by a
Has membrane separate chambers.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the individual structural units with the formation of a tapered Arrangement are interconnected so that the speed of movement through the whole device is practically is constant.

030062/0631