Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Auftrennung eines Fluidgemisches aus mindestens zwei Komponenten, umfassend eine Kohlenstoffmembran an oder auf einer Oberfläche einer porösen Transportmatrix, wobei die Membran an einen ersten Arbeitsbereich angrenzt und eine räumlich von der Membran entfernt liegende weitere Oberfläche der Transportmatrix an einen zweiten Arbeitsbereich angrenzt, sowie Einrichtungen zum Erwärmen der Oberfläche und/oder eines Teils der Transportmatrix, welcher an dem zweiten Arbeitsbereich anliegt.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des obengenannten Verfahrens bzw. der genannten Vorrichtung zur Reinigung von verunreinigter Zu- oder Abluft, zur Anreicherung einer Komponente aus Prozeßgasen, insbesondere Wasserstoff und/oder zur Trennung von Luft.

Die Trennung von Fluidgemischen in ihre Komponenten stellt ein wirtschaftlich sehr bedeutendes Gebiet der Technik dar. Sie reicht von der Gewinnung einzelner Gemisch-komponenten in reinster Form bis zur Erzeugung von Produktgemischen, in denen wenigstens eine Komponente in angereicherter Form vorliegt, relativ zum Gehalt im Ausgangsgemisch. Typische Aufgabenbereiche umfassen die Rückgewinnung von Lösungsmitteldämpfen, die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen und/oder Wasserstoff aus entsprechenden Gemischen, beispielsweise nach Crack-Prozessen ("Rektisorptionsverfahren"), aber auch die

Trennung von Permanentgasen aus natürlichen Vorkommen oder technischen Prozessen, wie beispielsweise die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft oder die Rückgewinnung von Wasserstoff aus Ammoniak/Wasserstoffgemischen beim Haber-Bosch-Prozeß oder in anderen technischen Prozeßgasen.

Auch die Reinigung von Luft oder Abluft von schädlichen, umweltbelastenden oder gar toxischen Komponenten erfordert die Abtrennung einzelner Komponenten aus komplexen Fluidgemischen. In den letzten Jahren haben derartige Reinigungsverfahren eine zunehmende Bedeutung erfahren, wie etwa bei der Raumluftreinigung in industriellen Produktionsstätten, z. B. in Reinsträumen der Halbleiterindustrie, oder auch bei der Zuführung von gereinigter Umgebungsluft in den Innenraum von Kraftfahrzeugen.

Die Trennung von Gas-und Gas/Dampfgemischen, sowie die Abtrennung einzelner Komponenten aus derartigen Gemischen erfolgt technisch meist durch Adsorption, oder in jüngster Zeit, einhergehend mit der Entwicklung selektiver Membranen, auch unter Anwendung von Permeationsverfahren.

Die Adsorption nutzt die Eigenschaft poröser Feststoffe mit großer Oberfläche, wie beispielsweise Aktivkohle, Kieselgel und Aluminiumsilikate, aus Gasgemischen in geringer Konzentration enthaltene Gase und Dämpfe anzureichern und damit aus dem Gemisch abzutrennen.

Alle bekannten Adsorptionsverfahren bestehen im wesentlichen aus zwei Arbeitsschritten : der Adsorption und der Desorption. Beide Vorgänge können sowohl diskontinuierlich mit ruhenden Adsorbensschichten, als auch kontinuierlich in Gegenstromverfahren durchgeführt werden. Die Adsorption erfolgt meist bei möglichst niedrigen Temperaturen, da höhere Temperaturen das Aufnahmevermögen des Adsorptionsmittels senken. Die Desorption erfolgt in der Regel bei höheren Temperaturen, bei welchen das beladene Adsorptionsmittel durch Einblasen von Heißdampf thermisch vom aufgenommenen Adsorbat befreit wird.

Zur Trennung von Permanentgasen wurde die Druckwechseladsorption (pressure swing adsorption, PSA) entwickelt. Hierbei wird die Adsorption, insbesondere wiederum an Aktivkohle, aus dem Gemisch bei hohen Drücken von bis zu etwa 10 bar durchgeführt, weil bei solchen höheren Drücken das höher siedende Gas besser adsorbiert wird als das niedriger siedende Gas. Man kann eine scharfe Trennung beispielsweise von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, oder auch Wasserstoff und Methan, erhalten. Die Regeneration des Adsorbens, also die Desorption der stärker adsorbierten Gaskomponente, erfolgt durch Entspannung im Gleichstrom und nachfolgende Spülung mit Niederdruck-Reingas. Bei diesem diskontinuierlichen Prozeß muß ein Teil des gewonnenen Reingases für die Regeneration wieder verbraucht werden. Die PSA-Fluidtrennung wird großtechnisch angewandt, ist aber für viele denkbare Anwendungszwecke zu unhandlich und auch nicht wirtschaftlich genug.

Speziell für die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff wurde das sogenannte "BF-Verfahren"entwickelt. Hierbei macht man sich den geringen Größenunterschied zwischen Stickstoff und Sauerstoff zunutze, der sich dann auswirkt, wenn eine Adsorption an so engporigen Adsorbentien stattfindet, daß die Porengröße in den Bereich des kritischen Moleküldurchmessers kommt. Dann wirken sich die molekularen Größenunterschiede stark auf die Diffusionsgeschwindigkeit im Adorbens aus. Es ist beispielsweise gefunden worden, daß der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Adsorption von Sauerstoff aus einem Sauerstoff/Stickstoffgemisch an Kohlenstoff-Molekularsieben mit Poren- durchmessern im Bereich 0,5 bis 0,7 nm die sogenannte Oberflächendiffusion ist, die von der Molekülgröße und insbesondere von der Elektronendichte abhängt.

Trotz ähnlicher Gleichgewichtsbeladungen für Stickstoff und Sauerstoff wird Sauerstoff sehr viel schneller adsorbiert. Entsprechend ist ein diskontinuierliches Verfahren vorgeschlagen worden, das dem PSA-Verfahren ähnelt, bei welchem ein mit Aktivkoks beschickter Adsorber kurze Zeit mit Luft unter leichtem Überdruck durchströmt wird. Hierbei wird zunächst der Sauerstoff adsorbiert. Der entsprechend mit Sauerstoff beladene Adsorber wird dann evakuiert, um den Sauerstoff abzuziehen. Verwendet man zwei parallel geschaltete Adsorber, von denen einer

jeweils beladen und der andere entladen wird, läßt sich ein quasi-kontinuierliches Verfahren durchführen, das ein Sauerstoff-Reichgas mit etwa 50 bis 55 % Sauerstoff liefert. Führt man einen Teil des desorbierten Reichgases zur Spülung des jeweils parallel laufenden Adsorbers zurück, läßt sich eine Sauerstoffanreicherung auf etwa 80 Vol.-% erreichen.

Das deutsche Patent DE 36 18 426 sowie die EP 606 306 der Bergwerksverband GmbH beschreiben die Herstellung von Kohlenstoffmolekularsieben, wie sie in PSA-bzw. BF-Verfahren zur Stickstoffgewinnung aus Luft eingesetzt werden.

Dabei werden in der Regel hochdichte, besonders feinporige Aktivkohlegranulate mit Schüttgewichten von mehr als 500 g/I verwendet.

Eine andere Möglichkeit zur Trennung von Gasen und Gas/Dampfgemischen, sowie zur Anreicherung einzelner Komponenten oder der Abtrennung einzelner Komponenten aus derartigen Gemischen, stellt das auf der Grundoperation der Permeation basierende Membrantrennverfahren dar. Hierbei werden teildurchlässige, selektiv wirkende Membranen zum Trennen von Mehrstoffgas-oder Gas/Dampfgemischen genutzt. Werkstoffe für dafür notwendige Festmembranen umfassen neben maßgeschneiderten, synthetischen Polymeren u. a. auch anorganische Materialien wie poröses Glas oder Glaskeramik, Graphit, Graphitoxid und ähnliche Materialien.

Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, Sauerstoff-Reichgase durch Lufttrennung an Membranen zu erhalten ; ein Hauptproblem hierbei ist die ungünstige Volumenarbeit im Vergleich zu Flüssigphasenanwendungen.

Die US-Patentschrift 4,349,356 beschreibt ein Verfahren zur Anreicherung einer Komponente aus einem Gasgemisch nach dem Prinzip der Knudsen-Diffusion an porösen Glasmembranen. Hierbei wird das Gasgemisch pulsweise auf die Membran aufgebracht und nach bestimmten Zeitabständen werden die permeierten Gase im Vakuum abgesaugt. Der Anreicherungsfaktor ist dabei sowohl Zeit-und

Porengrößen abhängig, wobei die Triebkraft wiederum die Druckdifferenz ist.

Adsorptionsvorgänge spielen beim Verfahren der US-4,349,356 keine Rolle.

Auch Trennverfahren unter Anwendung kombinierter Adsorptions-und Membran- trennmechanismen sind im Stand der Technik bekannt.

Ein kontinuierlich arbeitendes Gastrennverfahren an Membranen ist beispielsweise in der EP 428 052 beschrieben. Darin wird eine semipermeable Kompositmembran verwendet, welche aus einem mit einem porösen Adsorptionsmaterial überzogenen, dünnen porösen Substrat besteht. Das poröse Substrat hat dabei im wesentlichen die Aufgabe, eine mechanische Trägerung und eine definierte Porengröße der darauf abgeschiedenen porösen Membran zu gewährleisten.

Das Gastrennverfahren der EP 428 052 beruht im wesentlichen auf der angelegten Druckdifferenz, also darauf, daß das Fluidgemisch unter hohen Druck auf die Membran gepreßt werden, wobei Teile des Fluidgemisches an der Komposit- membran selektiv adsorbiert werden, durch Oberflächenfluß auf die andere Seite gelangen und dort im Unterdruck abgesaugt werden bzw. durch Entspannung desorbieren. Das Trägersubstrat beeinflußt dabei diese Vorgänge nicht, es ist inert.

Wesentlich für die Durchführbarkeit dieses Verfahrens ist die geringe Dicke der Kompositmembran von weniger als 20 um, da andernfalls die Permeations- geschwindigkeiten der adsorbierten Komponenten zu gering sind.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens des Standes der Technik ist, daß die Anreicherung von schwer desorbierbaren Spezies (z. B. Wasser, hochsiedende Verbindungen wie beispielsweise Xylol, Naphthalin, S02, H2SO4 etc.) die Selektivitäten beträchtlich mindert. So müssen die verwendeten Fluidgemische praktisch wasserfrei sein, da Wasser die Adsorptionsplätze an Kohlenstoff- membranen belegt und so die Selektivität und Permeabilität derartiger Systeme stark herabsetzt. Zur Entfernung von Wasser müßten deutlich höhere und im Verlauf des Prozesses ansteigende Druckgradienten aufgebaut werden, um das adsorbierte Wasser zu entfernen. Hochsieder sind bei Raumtemperatur im Vakuum praktisch

nicht zu entfernen und vergiften die Membran sukzessive. Dies schränkt den Anwendungsbereich von Membranen wie jener der EP 428 052 sehr stark ein. So müssen im diskontinuierlichen Verfahren zur Wasserentfemung Unterdrücke bis-50 mbar angelegt werden, was in kontinuierlichen Verfahren aus verfahrenstechnischen Gründen meist nicht möglich ist.

Die Verwendung analoge Kompositmembranen zur Anreicherung von Wasserstoff wird in der EP 582 184 beschrieben. Hier wird das Membrantrennverfahren der EP 428 052 in Kombination mit dem herkömmlichen PSA-Prozeß eingesetzt. Auch hier ergeben sich die obigen Nachteile der Membranvergiftung.

Die US-Patentschrift 5,649,996 beschreibt ein Verfahren zur Trennung von Gasen unter Verwendung von Molekularsiebmembranen (MSM) aus Aktivkohlefasern. Zur Erzielung der notwendigen Selektivität und der höheren Trennschärfe muß hier bei kryogenen Temperaturen von unter-20 °C gearbeitet werden. Jedoch muß bei derartig tiefen Temperaturen zur Desorption des Permeats ein wesentlich größerer Druckgradient an der Membran angelegt werden. Dies schränkt sowohl die Anwendbarkeit, wie auch die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahren erheblich ein.

Ferner werden auch hier die Gase vorgereinigt, um Wasser, Hochsieder und andere schwer desorbierbare Stoffe von der Membran fernzuhalten.

Die US-Patentschrift 4,685,940 beschreibt die Herstellung und Verwendung von Kohlenstoffmembranen mit definierter Porengröße und-Verteilung. Diese dienen der siebartigen Trennung von Gasgemischen nach dem Moleküldurchmesser. Die Kohlenstoffmembranen werden auf inerten porösen Trägern abgeschieden. Auch hier wird ein Druckgradient durch die Membran aufgebaut. Ferner werden hier nur zwei- komponentige Gemische zur Trennung verwendet. Für das Verfahren der vorliegen- den Erfindung sind die in den US Patenten 5,649,996 und 4,685,940 beschriebenen Membranen jedenfalls überwiegend nicht geeignet.

Es besteht daher ein erheblicher Bedarf, Membrantrennverfahren zur Verfügung zu stellen, welche die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik

überwinden, insbesondere dahingehend, daß die Selektivität der Membran über einen langen Zeitraum unverändert erhalten bleibt.

Ein erheblicher und immer noch steigender Bedarf an angereicherten und Reingasen macht darüberhinaus die Senkung der Kosten für entsprechende Trennverfahren dringend erforderlich. Druckgradient-Prozesse, insbesondere Druckwechselverfahren sind durch hohe Energiekosten für die Komprimierung und Dekomprimierung von Gasen deshalb besonders nachteilig. Auch die Rückgewinnung von Eduktgasen aus Prozeßgasgemischen industrieller Produktionsanlagen zum Zwecke der Rückführung in den Produktionsprozeß ist sowohl aus ökonomischen, wie auch aus ökologischen Gründen notwendig und wünschenswert, hängt aber im wesentlichen von den Investitions-und Betriebskosten für dafür notwendige Trennverfahren ab. Auch der technisch gleichwertige Fall der gezielten Abreicherung einzelner, beispielsweise schädlicher Komponenten aus einem Gas-oder Gas/Dampfgemisch erfordert möglichst kostengünstige Trennverfahren.

Es besteht daher ein starkes Bedürfnis, ein kostengünstiges Trennverfahren für die An-oder Abreicherung von Gasen aus entsprechenden Gemischen zur Verfügung zu stellen.

Ein derartiges Verfahren sollte im günstigsten Fall die positiven Eigenschaften her- kömmlicher Adsorptionstrennverfahren mit den Besonderheiten der Membrantrenn- verfahren verbinden, also im wesentlichen eine hohe Trennselektivität ermöglichen, ohne die Notwendigkeit einer kostenintensiven räumlich und/oder zeitlich separat durchzuführenden Regeneration der Membran bzw. des Adsorbens.

Vor diesem Hintergrund ist es eine wesentliche Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Trennung von Fluidgemischen der im Anspruch 1 genannten Art zur Verfügung zu stellen, das mit unaufwendigen Mitteln eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Prozeßführung zur Gewinnung bzw. Abtrennung wenigstens einer Fluidkomponente schafft.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll mit niedrigem Energie-und Konstruktionsaufwand eine hohe Selektivität und Ausbeute der Trennung bzw.

Anreicherung ermöglichen.

Eine weitere wesentliche Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Trennung von Fluidgemischen der im Anspruch 13 genannten Art, die es erlaubt, die vorstehend genannten Trennverfahren zu realisieren.

Ferner liegt eine wesentliche Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer solchen Vorrichtung, die bei hohem Wirkungsgrad und entsprechender Dimensionierung eine oder mehrere Komponenten aus Zu-oder Abluft, oder aus Prozeßgasen abzutrennen vermag.

Die Lösung der verfahrensbezogenen Aufgaben liegt in den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Verfahrens-unteransprüchen definiert.

Die vorrichtungsbezogenen Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Vorrichtungsunteransprüchen definiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung eines Fluidgemisches aus mindestens zwei Komponenten umfaßt folgende Schritte : -Kontaktieren des Fluidgemisches bei einer ersten, niederen Temperatur in einem ersten Arbeitsbereich mit einer Kohlenstoffmembran, die an eine Oberfläche einer porösen Transportmatrix angrenzt (und vorzugsweise auf diese aufgebracht ist), wobei Adsorption mindestens einer Fluidkomponente erfolgt und wenigstens eine adsorbierte Komponente des Fluidgemisches bevorzugt durch die Membran permeiert ; Erwärmen einer von der Membran räumlich entfernt liegenden Oberfläche und/oder eines Teils der porösen Transportmatrix auf eine zweite, höhere Temperatur, welche die thermische Desorption adsorbierter Komponenten in einen zweiten Arbeitsbereich ermöglicht, wodurch ein Konzentrations-

gradient bezüglich der wenigstens einen permeierten Komponente von der Membranoberfläche durch die Transportmatrix zum zweiten Arbeitsbereich hin erzeugt wird ; -Getrenntes Abführen des an der wenigstens einen permeierten Komponente abgereicherten Fluidgemisches aus dem ersten Arbeitsbereich und des an der wenigstens einen permeierten Komponente angereicherten Fluidgemisches aus dem zweiten Arbeitsbereich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Auftrennung eines Fluidgemisches aus mindestens zwei Komponenten umfaßt eine Kohlenstoffmembran angrenzend an einer Oberfläche einer porösen Transportmatrix, wobei die Membran an einen ersten Arbeitsbereich der Matrix angrenzt und eine räumlich von der Membran entfernt liegende weitere Oberfläche der Transportmatrix an einen zweiten Arbeitsbereich angrenzt, sowie Einrichtungen zum Erwärmen der Oberfläche und/oder eines Teils der Transportmatrix, welcher an dem zweiten Arbeitsbereich anliegt.

Die Transportmatrix für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung besteht aus porösem Material, welches ähnliche Adsorptionseigenschaften wie Aktivkohle aufweist, üblicherweise poröses Aktivkohlematerial selbst. Dieses kann beliebiger Form, beispielsweise in Form von Platten und/oder Rohren, oder auch Schüttgut verwendet werden. Besonders bevorzugt wird die Verwendung von durch Extrusion hergestellten Formkörpern. Deren Herstellung ist seit langem im Stand der Technik bekannt (siehe hierzu z. B. Fuel 1881, Vol. 60, S. 817ff, DE 21 19 829, DE 36 18 426). Üblicherweise erfolgt die Herstellung von Aktivkohle-Formteilen danach durch Verpressen von Kohle/Binder-Gemischen, anschließendes Sintern und Dampfaktivierung.

Besonders bevorzugt ist als Transportmatrixmaterial gesinterte Aktivkohle mit einer Dichte von 0,2-1,8 g/l, vorzugsweise 0,6-1,2 g/l, und einer BET-Oberfläche von größer als 200 m2/g, vorzugsweise größer als 500 m2/g, mehr bevorzugt größer als 800 m2/g, besonders bevorzugt größer als 1000 m2/g und insbesondere bevorzugt von größer als 1200 m2/g. Derartige gesinterte Aktivkohlematerialien ermöglichen eine

hohe Oberflächenmobilität der adsorbierten Komponenten. Weiterhin ist derartiges Aktivkohlematerial konstruktiv besonders geeignet für die Anbringung von desorptionsseitigen Bohrungen zur Einbringung beispielsweise elektrischer Heizleiter.

Als Material für die Transportmatrix können jedoch möglicherweise auch eine Vielzahl anderer poröser Adsorbentien verwendet werden, wie etwa Aluminosilikate, Zeolithe, Kieselgele, Silikate aller Art, etc., sofern sie den Transport der permeierten Komponenten durch den im wesentlichen gleichen molekularen Bewegungs- mechanismus gewährleisten, insbesondere durch Oberflächenfluß.

Zur Erzeugung von Kanälen zum Abführen des Permeats/Desorbats innerhalb der Transportmatrix können vor dem Verpressen des Kohle/Binder-Gemisches niedrigschmelzende Stoffe, beispielsweise Metalle, eingelagert werden, welche beim Sintern schmelzen, herauslaufen, und so die entsprechenden Hohlräume erzeugen.

Die erfindungsgemäß verwendbare Transportmatrix muß mit einer Aktivkohlemembran verbunden, vorzugsweise selbst an einer Oberfläche membranisiert werden. Auch hierzu sind im Stand der Technik seit langem viele Verfahren bekannt.

In den meisten Fällen werden zur Erzeugung von Kohlenstoffmembranen sogenannte CVD-Verfahren angewandt. Hierzu wird der Träger, im Falle der vorliegenden Erfindung die Transportmatrix, mit Kohlenwasserstoff-abspaltenden Verbindungen bei hohen Temperaturen behandelt (vgl. G. Savage, Carbon-Carbon Composites, Chapman and Hall, London, 1993, S. 85 ff, US 3,960,769, US 3,979,330). Als Kohlenwasserstoff-abspaltende Verbindungen kommen nahezu alle bekannten gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffe mit ausreichender Flüchtigkeit in Frage. Beispiele hierfür sind Methan, Ethan, Ethylen, Acetylen, lineare und verzweigte Alkane, Alkene und Alkine mit Kohlenstoffzahlen von Cl 20, aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Naphthalin etc. ein und mehrfach alkyl-, alkenyl- und alkinylsubstituierte Aromaten wie z. B. Toluol, Xylol, Cresol, Styrol etc. und

dergleichen. Diese werden in CVD und CVI-Verfahren zumeist in geringer Konzentration in einem Inertgas wie z. B. N2, Argon oder dergleichen verwendet.

Auch der Zusatz von Wasserstoff zu entsprechenden Abscheidegasgemischen ist möglich.

Zur gleichmäßigeren Verteilung der abgeschiedenen Aktivkohlemembran auf der Matrix wird das in der Literatur beschriebene und dem Fachmann wohlbekannte sogenannte CVI-Verfahren (Chemical Vapour Infiltration, siehe z. B. auch W.

Benzinger et al., Carbon 1996,34, S. 1465) standardmäßig angewandt, wobei während der Abscheidung der Membran die Zersetzungsgase mittels eines kontinuierlichen Vakuums an die Oberfläche der Transportmatrix gesaugt werden ("forced flow CVI"). Auf diese Weise wird ein im wesentlichen homogenes Porengefüge in der Aktivkohlemembran erhalten. Diese Homogenisierung des Porengefüges mittels forced flow CVI erhöht zudem die mechanische Festigkeit der Membran. Optional kann nach der CVI-Membranisierung ein weiterer Sinterungsschritt bei Temperaturen von bis zu 1200 °C durchgeführt werden, um die Homogenisierung und Festigkeit weiter zu stabilisieren.

Auch kann bei zu geringer Permeabilität der resultierenden Membran das Porensystem nachträglich erweitert werden, indem man die Membran kurzzeitig mit einem Oxidationsmittel, z. B. HNO3, benetzt, und anschließend thermisch nachbehandelt.

In der vorliegenden Erfindung wird ein aufzutrennendes Fluidgemisch in einem ersten Arbeitsbereich bei einer ersten, niederen Temperatur mit der Aktivkohlemembran in Kontakt gebracht. Aufgrund der molekularkinetischen und thermodynamischen Eigenschaften der Membranoberfläche wird dabei mindestens eine Komponente an der Membran bevorzugt adsorbiert, das heißt mit höherer Selektivität als andere Fluid-komponenten. Je nach Art der zu adsorbierenden Komponente kann die Selektivität der Adsorption durch geeignete Druck-und Temperaturbedingungen erhöht werden. Niedrige Temperaturen auf der

Membranoberfläche sind dabei zu bevorzugen, bevorzugt sind Temperaturen von minus 20 °C bis zu etwa 100 °C, besonders bevorzugt ist Raumtemperatur.

Im Sinne eines thermodynamisch getriebenen Konzentrationsausgleichs beginnen dann die adsorbierten Moleküle mit steigender Belegung der Oberfläche durch Platzwechselvorgänge in Richtung der geringeren Belegungsdichte zu wandern, wobei sie teilweise an der Oberfläche der Membran in die Porenkanäle wandern, und die Membran auf diese Weise durchqueren.

Mindestens eine der adsorbierten Komponenten wird dabei im Regelfall eine gegen- über den anderen Adsorbaten höhere Mobilität aufweisen und bevorzugt durch die Membran in die Transportmatrix permeieren. Diese Fähigkeit zur bevorzugten Per- meation bestimmt im wesentlichen die Selektivität der Trennung an der Membran.

Die Platzwechselvorgänge an Adsorptionsstellen werden im allgemeinen als Oberflächenfluß bezeichnet. Hinter der Membran verteilen sich die permeierten Komponenten auf den Adsorptionsplätzen des Porensystems der Transportmatrix.

Solange hier freie Adsorptionsplätze vorhanden sind, werden diese von nach- rückenden Molekülen belegt, wodurch auf der Membran stets neue Adsorptions- plätze frei werden, die sofort wieder von Molekülen aus dem Fluidgemisch besetzt werden. Dieser thermodynamisch getriebene Konzentrationsausgleich findet erst dann ein Ende, wenn sich ein Konzentrationsgleichgewicht eingestellt hat, d. h. wenn alle Adsorptionsstellen auf der Membran und in der Transportmatrix besetzt sind.

Die Transportmatrix erfüllt also eine mehrfache Funktion : Zum einen fördert sie den Stofftransport permeierter Spezies durch die Membran hindurch, ohne daß auf der Rückseite der Membran eine sofortige Desorption der Komponenten erfolgen muß, indem sie durch Gewährleistung einer ununterbrochenen Kette von Adsorptionsstellen den Oberflächenfluß auch hinter der Membran aufrechterhält.

Zum anderen wirkt sie durch die große Vielzahl an Adsorptionsstellen als eine Art Reservoir oder Zwischenspeicher für adsorbierte Komponenten.

Die Transportmatrix verbindet den an der Membran angrenzenden ersten Arbeitsbereich mit einem zweiten Arbeitsbereich, der in einer räumlichen Entfernung von der Membran an der Transportmatrix liegt. Dies kann beispielsweise die der Membranseite gegenüberliegende äußere Oberfläche, oder auch ein Hohlraumkanal, eine Bohrung oder dergleichen in der Transportmatrix sein. Zur Desorption der adsorbierten Komponenten in den zweiten Arbeitsbereich ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Grenzfläche zwischen der Transportmatrix und dem zweiten Arbeitsbereich und/oder einen Teil der an den zweiten Arbeitsbereich angrenzenden Transportmatrix zu erwärmen, um auf diese Weise die zur Desorption der Sorbate notwendige Energie zur Verfügung zu stellen.

Die thermische Energie kann auf alle erdenklichen Arten zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise durch Beheizung mit elektrischen Heizleitern, Induktions- heizung, Heizstrahlröhren, Röhrenlampen, Infrarotbestrahlung, Mikrowellen- bestrahlung, über-oder partielles Durchleiten eines erwärmten Gas-oder Fluidstroms über/durch die Transportmatrix und ähnliche dem Fachmann bekannte Maßnahmen.

Auch mit katalytisch wirksamen Material ummantelte Heizleiter können verwendet werden, womit in bestimmten Anwendungen beispielsweise adsorbierte flüchtige organische Verbindungen bei der Desorption katalytisch oxidiert werden. Besonders bevorzugt ist die direkte Beheizung eines Teils der Transportmatrix durch Anbringen oder Einbau von Elektroden, sofern die Transportmatrix aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Besonders vorteilhaft ist die direkte elektrische Beheizung über eingebaute Elektroden bei einer Aktivkohlematrix. Aktivkohle weist einen stark temperaturabhängigen (negativen) elektrischen Wärmeleitfähigkeits- koeffizienten auf, wodurch in der Transportmatrix eine Art elektrischer Kanalbildung auftritt, mit deren Hilfe sich die Transportmatrix lokal begrenzt besonders effektiv erwärmen läßt, wobei die Membranschicht im wesentlichen nicht erwärmt wird.

Die zum Zwecke der Desorption angelegte Temperatur liegt je nach Art der zu desorbierenden Komponenten, zwischen 30 und 300 °C, bevorzugt zwischen 50 und 150 °C. Bei starker Belegung der Transportmatrix mit hochsiedenden Stoffen kann in

Einzelfällen (nichtoxidative Bedingungen) auch auf höhere Temperaturen aufgeheizt werden, bis zu 500 °C oder mehr.

Die thermische Desorption adsorbierter Komponenten aus der Transportmatrix in den zweiten Arbeitsbereich führt zum Freiwerden neuer Adsorptionsplätze in der Transportmatrix, wodurch das Konzentrationsgleichgewicht gestört und der Oberflächenfluß der Sorbate von der Membran in die Transportmatrix im Wege des Konzentrationsausgleichs wieder angeregt wird. Auf diese Weise kann durch diskontinuierliche oder kontinuierliche Erwärmung auf der einen Seite der Transportmatrix ein quasi-kontinuierlicher Oberflächenstrom adsorbierter Komponenten vom ersten in den zweiten Arbeitsbereich erzeugt werden, welcher zu einer Abreicherung der adsorbierenden Komponenten aus dem Fluidgemisch im ersten Arbeitsbereich führt, sowie zu einer entsprechenden Anreicherung dieser Komponenten im zweiten Arbeitsbereich.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Oberflächenflußvorgänge neben normalen Diffusionsvorgängen bzw. parallel dazu an der Membran und in der Transportmatrix ablaufen. Die Porengröße der Membran ist also für den Trenneffekt nicht ausschlaggebend. Die Porengrößen der Membran werden zwischen 4 und 50 A im Durchmesser liegen, vorzugsweise zwischen 4 und 10 Å, die der Transportmatrix bei bis zu 10 m. Der Moleküldurchmesser adsorbierter Komponenten ist meist deutlich kleiner, eine Trennung nach Art eines Molsiebes liegt also nicht vor.

Vielmehr treten im Rahmen von Diffusions-und Strömungsvorgängen in der Regel nahezu alle Spezies des Fluidgemisches durch die Membran hindurch, der Stofftransport durch Oberflächenfluß adsorbierter Komponenten ist jedoch um ein vielfaches schneller, so daß der Trenneffekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen auf kinetischen Effekten beruht.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung der thermischen Desorption, die aufgrund der besseren Energiebilanz nicht nur energetisch günstiger

als Druckdesorption ist, sondern auch die Entfernung von mittels Druck schwer desorbierbarer Stoffe, wie z. B. Wasser, Hochsieder, Säuren etc., auf einfache Art erlaubt. Somit ist die Lebensdauer und Selektivität erfindungsgemäßer Vorrichtungen deutlich höher als die der aus dem Stand der Technik bekannten Druckdesorptionsvorrichtungen.

In vorteilhafter Weise läßt sich im erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung die Thermodesorption mit Druckdesorption kombinieren und/oder ergänzen. Hierzu muß gegebenenfalls im zweiten Arbeitsbereich zusätzlich ein Unterdruck appliziert werden.

Auch kann das Fluidgemisch pulsweise oder im Wechsel von Über-und Unterdruck in den ersten Arbeitsbereich eingegeben werden, um nicht permeierende Kompo- nenten wieder von der Membran bzw. schneller aus den Poren und dem Bereich vor der Membran, an der die Trennung erfolgt zu entfernen.

Die Abführung von an den bevorzugt adsorbierten Komponenten abgereicherten Fluidgemischen aus dem ersten Arbeitsbereich nach einer gewissen Kontaktzeit und der entsprechend angereicherten Fluide muß auf voneinander getrennten Wegen erfolgen. Zur weiteren Erhöhung des An-bzw. Abreicherungsgrades können die Fluidgemische in Kontakt mit weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen gebracht werden, im Sinne einer Reihenschaltung der Membranen. Hierbei kann z. B. aus dem ersten Arbeitsbereich gewonnenes Fluidgemisch als Kreislaufgas zur AbRührung des abgereicherten Fluidgemisches im ersten Arbeitsbereich einer nachgeschalteten und/oder parallel geschalteten Membran verwendet werden, indem es beispielsweise im Kreislauf geführt wird. Ebenso kann das aus dem zweiten Arbeitsbereich gewonnene Fluidgemisch zur Abfiihrung desorbierter Komponenten aus dem zweiten Arbeitsbereich einer nachgeschalteten und/oder parallel geschalteten Membranvorrichtung verwendet werden. Auch und besonders bevorzugt die parallele Stromführung auf eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Membran/Transportmatrix- Vorrichtungen ist erfindungsgemäß vorgesehen.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die Vorrichtung sowohl zur Gewinnung eines an mindestens einer Komponente abgereicherten Gases aus dem ersten Arbeitsbereich verwendbar, wie auch zur Gewinnung von angereicherten Fluidgemischen aus dem zweiten Arbeitsbereich. Je nach Trennaufgabe und Eigenschaften der Fluidkomponenten wie auch der Membran wird der Fachmann auswählen, wo das für ihn interessantere Fluidgemisch auftritt.

Die Abführung der mit desorbierten Komponenten angereicherten Fluidmischung aus dem zweiten Arbeitsbereich kann durch Anlegen eines Unterdruckes mittels Absaugen geschehen, oder auch mittels Durchströmung des zweiten Arbeitsbereiches mit einem Trägergas, welches die desorbierten Komponenten mitreißt.

Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann für eine Vielzahl von Trennaufgaben angewendet werden, etwa die Trennung von Permanentgasen, wie zum Beispiel die Trennung von Luft in N2 und 02, die Anreicherung von °2 aus Luft, die Anreicherung oder Abtrennung von Wasserstoff aus industriellen Prozeßgasen, die Anreicherung oder Abtrennung von D2 aus H2/D2- Gemischen, die Abtrennung von flüchtigen Kohlenwasserstoffen aus Zu-oder Abluft (Luftreinigung), und dergleichen. Ebenso ist die Trocknung von Gasen und/oder gasgemischen erfindungsgemäß möglich. Die Thermodesorption erlaubt dabei eine nahezu quantitative Abtrennung von Wasser auf sehr einfache Weise.

Auch die Trennung von Gas/Dampf-Gemischen oder Flüssigmischungen ist mittels der Erfindung möglich.

Ferner kann die Erfindung zur Trennung von Edelgasen, zur Isotopentrennung von fluiden Isotopen enthaltenden Mischungen, zur Isomerentrennung, zur Trocknung von Druckluft, sowie zur Gewinnung und/oder Anreicherung von N2 genutzt werden.

Auch die Verwendung der Erfindung als Vorstufe in Verbindung mit einem herkömmlichen Druckwechsel-Adsorptionsverfahren, beispielsweise an Zeolithen, zur Sauerstoffgewinnung ist erfindungsgemäß vorgesehen.

Die Dimensionierung erfindungsgemäßer Vorrichtungen kann je nach Anwendungszweck in weiten Grenzen variiert werden. Für die Verwendung als

Raumluftfilter z. B. in Kraftfahrzeugen sind kleine kompakte Module mit Autobatterie-Niederspannungsheizung denkbar, zur Trennung von Luft in seine Hauptbestandteile sind entsprechend große technische Anlagen nötig.

Wesentliche Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer dement- sprechenden Vorrichtung gegenüber dem bekannten Stand der Technik liegen vor allem im geringen konstruktiven Aufwand, da in der möglichen kompakten Bau- weise weder beweglichen Teile vorliegen, noch separate Regenerations-bzw.

Desorptionseinrichtungen vorgesehen werden müssen. Vorteilhaft ist weiterhin die hohe, konstruktionsbedingte mechanische Stabilität, welche die Desorption auch thermisch instabiler Spezies im Vakuum ermöglicht. Auch können sehr hohe Desorptionstemperaturen erzielt werden, ohne dal3 Spezialwerkstoffe oder aufwendige Isolierungen erforderlich sind.

Die vorliegende Erfindung soll anhand des folgenden Vorrichtungsbeispieles näher erläutert werden.

Beschreibung der Figuren : Figur 1 zeigt das Profil einer erfindungsgemäßen Transportmatrix mit einer Lamellenstruktur.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Transportmatrix aus Figur 1.

Figur 1 und 2 zeigen eine Transportmatrix, bestehend aus einer zentralen Platte 1, an der beidseitig zueinander parallel angeordnete Lamellenflächen 2 senkrecht zur Abbildungsebene angebracht sind. Die Hauptebene der Lamellenflächen steht dabei senkrecht zur Ebene der zentralen Platte 1. In die zentralen Platte 1 sind durch- laufende Kanäle 3 vorgesehen, die den zweiten Arbeitsbereich der Vorrichtung bilden. Die Lamellenflächen 2 sind oberflächlich membranisiert. Diese membranisierte Oberfläche grenzt an den ersten Arbeitsbereich an, der die Platte 1 außen umgibt.

Werden nun an der zentralen Platte l beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten (A, B) Elektroden angebracht und unter elektrische Spannung gesetzt, fließt der elektrische Strom auf kürzestem Weg durch die zentrale Platte l und erwärmt im wesentlichen nur den zweiten Arbeitsbereich der Platte. Hierdurch wird die Erwärmung der Lamellen und damit auch der Membran weitgehend vermieden.

Das Fluidgemisch wird von beiden Seiten auf die membranisierten Lamellenflächen geführt, wobei die permeierenden Komponenten nach thermischer Desorption aus den Kanälen 3 der zentralen Platte l anschließend abgeführt werden können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Kanäle 3 der zentralen Platte 1 einseitig verschlossen, wobei an deren anderen Ende ein Absaugstutzen aus elektrisch nicht leitfähigem Material angebracht sein kann.