專利名稱：膜干燥方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體的干燥，更具體地說，本發(fā)明涉及用于對空氣和其它氣體進(jìn)行增強(qiáng)干燥的膜方法和系統(tǒng)。
對于完成所希望的氣體分離來說，能夠有選擇地透過氣體混合物的某一組分的滲透膜被認(rèn)為是一種便利的、潛在地具有高度優(yōu)越性的裝置。為了在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)這一潛在的優(yōu)越性，膜系統(tǒng)必須能夠達(dá)到所要求的加工效率。業(yè)已知道，水蒸氣和其它可冷凝的氣體(例如二氧化碳)在許多膜材料中具有高的滲透性，因此，空氣和其它氣體的干燥是膜的一個(gè)重要的應(yīng)用，為了滿足對這一技術(shù)的日益增長的需求，需要一種具有增強(qiáng)的干燥效率的膜。
通常的慣用作法是，以大量的細(xì)小空心纖維的形式使用膜材料，這些纖維經(jīng)過排列使加壓的原料氣與大的膜表面積接觸，原料氣中選擇性地透過空心纖維的組分作為低壓可滲透氣體被分離出去。非滲透性氣體大體上在滲透壓力水平上被收集起來。在這樣的操作過程中，一般是將原料氣傳送通過空心纖維的外側(cè)，也就是外殼一側(cè)，而滲透氣體則從纖維孔中排出，這種方法被稱為“由外向里”的流動(dòng)方式。此外，也可以規(guī)定，將加壓的原料氣通入纖維的孔，從纖維外面的外殼一側(cè)的空間中排除滲透氣體，即采用“由里向外”的流動(dòng)方式。在本專業(yè)領(lǐng)域中，這二種方式已經(jīng)用于工業(yè)化的膜滲透工藝過程中。
如果被膜分離的高壓原料氣體和低壓滲透氣體處于停滯或不流動(dòng)狀態(tài)，那么，在膜二側(cè)的易滲透組分(例如水或被處理的原料氣體中的雜質(zhì))的分壓就會(huì)趨近于共同平衡值，易滲透組分就不再進(jìn)一步滲透了。因此，在實(shí)際生產(chǎn)操作中，原料氣體不是在孔一側(cè)就是在外殼一側(cè)必須沿著空心纖維膜而過，這樣，易滲透組分的分壓可以連續(xù)降低，從而能持續(xù)不斷地將其從原料氣中分離出去。此外，還要求低壓滲透氣流具有逐漸降低的易滲透組分的分壓。本專業(yè)的技術(shù)人員都知道，將滲透膜配置成經(jīng)過適當(dāng)排列的組件或柱，以使高壓原料氣流和低壓滲透氣流朝相反的方向流動(dòng)，就可以有利地實(shí)現(xiàn)上述條件。通常，把這種操作稱為逆流流動(dòng)操作。
在需要將水或其它具有高度可滲透特性的雜質(zhì)從空氣或其它原料氣流中分離出去的干燥處理中，還有一種常見的作法是，以干燥的或不含雜質(zhì)的氣體作為吹掃氣體，使之通過膜的低壓滲透一側(cè)，以利于保持跨膜的分壓差以及由此而產(chǎn)生的滲透推動(dòng)力。
采用逆流流動(dòng)條件和吹掃氣流的膜組件已經(jīng)被用于干燥供試驗(yàn)室或分析儀器使用的少量空氣。這些膜組件干燥器被設(shè)計(jì)成柱狀物，帶有4個(gè)氣口，即(1)原料氣進(jìn)口，(2)非滲透的產(chǎn)物氣體出口，(3)吹掃氣體導(dǎo)入口，以及(4)吹掃氣體和滲透氣體的導(dǎo)出口。這種干燥器使用均質(zhì)的聚合物空心纖維，纖維具有足夠大的厚度以承受膜的二側(cè)所要求的壓差。鑒于這種均質(zhì)材料的膜所要求的厚度，由滲透性/厚度(p/t)比所表示的這類膜滲透率是相當(dāng)?shù)偷模词箤τ诟邼B透性的氣體也是如此。因此，這種均質(zhì)的空心纖維膜不完全適用于大規(guī)模的工業(yè)化氣體干燥。
在這一技術(shù)領(lǐng)域中，人們還知道有這樣一種用于氣體干燥和其它流體分離的膜方法，其中所使用的膜結(jié)構(gòu)不同于以均質(zhì)的即均一密度的單一膜材料為基礎(chǔ)的那種結(jié)構(gòu)。因此，目前已有復(fù)合空心纖維膜和不對稱空心纖維膜可用于所希望的流體分離。復(fù)合膜包括一層薄的分離層或疊合在多孔基質(zhì)上的適宜的滲透膜材料的涂層。薄的分離層決定了這一復(fù)合結(jié)構(gòu)的分離特性，而多孔的基質(zhì)則為上述分離層提供了機(jī)械支撐。與此相反，不對稱膜是由單一的滲透膜材料組成，這種材料與均質(zhì)膜有所不同，它具有一個(gè)決定膜的分離特性的、薄而致密的半滲透性表皮區(qū)和一個(gè)低密度的、多孔的、通常是非選擇性的支撐區(qū)，這一支撐區(qū)的作用與上述復(fù)合膜的多孔基質(zhì)相同，是用于防止薄的表皮區(qū)在壓力下破裂。與均質(zhì)膜相比，這二種類型的非均質(zhì)空心纖維膜即復(fù)合膜和不對稱膜顯示出較高的滲透性/厚度比，特別是相對于可冷凝氣體的滲透性來說。
對于在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)操作中應(yīng)用來說，上述類型的膜結(jié)構(gòu)通常是以膜組合或膜束的形式使用的，這些膜組合或膜束一般被安放到外殼里，形成膜組件，它是總的膜系統(tǒng)的基本元件。這種膜系統(tǒng)通常由一個(gè)膜組件組成或是由許多個(gè)這種組件組成，用于并聯(lián)或串聯(lián)操作。
使用非均質(zhì)空心纖維進(jìn)行氣體分離時(shí)，常常將高壓原料氣流加到膜空心纖維上設(shè)置有膜分離部分的一側(cè)，不管這一側(cè)是在空心纖維的里面還是在空心纖維的外面。這樣，透過分離層或表皮的氣體就進(jìn)入膜的多孔基質(zhì)部分，從膜結(jié)構(gòu)的非分離一側(cè)排出。
迄今為止已經(jīng)制造的空心纖維膜組件一般都是這樣一種情況，盡管總的流動(dòng)情況看起來似乎是逆流的，但是在每一空心纖維附近局部區(qū)域，流動(dòng)方式近似于交叉流動(dòng)。在交叉流動(dòng)作業(yè)時(shí)，壓膜的滲透側(cè)的滲透氣體流動(dòng)方向與在膜的進(jìn)料側(cè)的原料氣體的流動(dòng)方向垂直。例如，原料氣體通過空心纖維膜的外面時(shí)，纖維孔中滲透氣體的滲透氣體的流動(dòng)方向一般與流過空心纖維外表面上的原料氣流動(dòng)方向成直角。同樣地，在由內(nèi)向外流動(dòng)，也就是原料氣體通過空心纖維的孔的情況下，滲透氣體通常是沿著與空心纖維孔內(nèi)原料氣體的流動(dòng)方向垂直的方向從空心纖維的表面上通過，然后，在外殼內(nèi)朝著滲透氣出口的方向流出。這種交叉流動(dòng)型的流動(dòng)方式與逆流流動(dòng)型的流動(dòng)方式不同。在逆流流動(dòng)方式中，根據(jù)于所要求的由內(nèi)向外或由外向內(nèi)的操作方式，使原料氣體或者是滲透氣體與空心纖維孔中的滲透氣或原料氣的流動(dòng)方向平行地逆流通過空心纖維的外表面。例如，使空心纖維束外面的原料氣體平行于空心纖維的中心軸流動(dòng)，而不是與之相垂直。
在上述類型的膜干燥操作中，往往會(huì)遇到橫貫于膜基質(zhì)部分的濃差極化問題，并且，與致密的均質(zhì)膜纖維不同，在使用復(fù)合膜或不對稱膜時(shí)往往是在交叉流動(dòng)滲透特性的條件下進(jìn)行操作的。如果橫貫于膜基質(zhì)部分出現(xiàn)明顯的濃差極化，也就是說橫慣于該基質(zhì)部分存在有濃度梯度，那么，穿過復(fù)合膜的薄的分離層或穿過不對稱膜的薄表皮部分的推動(dòng)力就會(huì)因此而減弱。在不存在這種濃差極化的情況下，可以利用膜二側(cè)的原料氣體和滲透氣體之間的壓力差有效地促進(jìn)所需要來自原料氣的水分的選擇性滲透或進(jìn)行其它所需要的干燥作業(yè)。關(guān)于這一點(diǎn)，了解下面所述的情況是十分重要的即使基質(zhì)二側(cè)的滲透組分的濃度是相同的，即0%濃差極化(這種情況有時(shí)稱為“完全徑向混合”)，但跨越膜束的流動(dòng)方式具有交叉流動(dòng)的型式，總的滲透結(jié)果仍然符合交叉流動(dòng)滲透的一般數(shù)學(xué)模型;同樣地，如果膜束的流動(dòng)方式被安排成逆流操作，但纖維的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得穿過基質(zhì)產(chǎn)生完全的濃差極化，即100%濃差極化，那么，纖維的總的性能仍將符合交叉流動(dòng)滲透的模型而不符合逆流滲透的模型。本專業(yè)的技術(shù)人員都會(huì)理解，實(shí)現(xiàn)明顯的徑向混合程度的逆流滲透操作通常是人們所希望的，與交叉流動(dòng)滲透相比，它達(dá)到較高的滲透水平，這可以由這二種類型滲透的數(shù)學(xué)模型來證明。
使用上文所述的均勻密度的纖維膜進(jìn)行膜干燥作業(yè)時(shí)，達(dá)到明顯有效的所要求的逆流程度，通常，在使用這種致密的纖維膜時(shí)，可以如上文所述在滲透側(cè)伴隨使用吹掃氣體，也可以不用吹掃氣體。在上述后一種情況下，令人滿意的干燥需要在較高的分級遞減(stage cut)下進(jìn)行，也就是說，被干燥的氣體中有相當(dāng)大的數(shù)量必須與水共同滲透，以便將上述膜系統(tǒng)中的水沖入廢氣流中。如果要求高的產(chǎn)物回收率，這種操作就不適用了。
人們都知道，致密纖維的膜厚度也就是它的壁厚，這一厚度與不對稱膜的表皮部分或復(fù)合膜的分離層相比是非常大的。對于致密纖維來說，為了獲得足夠的承壓能力，必須具有較大的壁厚。這樣一來，致密纖維的滲透率就很低，為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中所要求的干燥，需要使用非常大的表面積。對于工業(yè)應(yīng)用來說，這往往是一個(gè)致命的缺點(diǎn)，因?yàn)樘峁┻@樣大面積的膜必然導(dǎo)致成本增加。相形之下，如上文中所述，不對稱或復(fù)合膜具有很薄的膜分離層，其多孔的支撐部分提供了機(jī)械強(qiáng)度并為決定膜分離特性的非常薄的部分提供了支撐。因此，對于不對稱膜或復(fù)合膜來說，所需要的表面積比致密度、均勻的膜要少得多。
致密的膜一般不會(huì)產(chǎn)生橫穿其表面的濃差極化，這使得這種膜呈現(xiàn)出逆流滲透，而不對稱膜和復(fù)合膜則容易產(chǎn)生濃差極化，在實(shí)際應(yīng)用過程中它們往往表現(xiàn)為交叉流動(dòng)滲透通量(即滲透物/時(shí)間)特性。由于使用不對稱膜或復(fù)合膜而不用致密的膜可以獲得固有的改善的滲透性，因此在這一技術(shù)領(lǐng)域中人們要求進(jìn)一步改善不對稱膜和復(fù)合膜的性能，以利于在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮膜干燥及其它分離操作的優(yōu)越性。
在C.Y.Pan和H.W.Habgood所著的“Gas Separation by Permeation，Part I.Calculation Methods and Parametric Analysis”(見Canadian Journal of Chemical Engineering，Vol.56，April，1978，pp.197-209)一書中具體說明了用于分析膜性能的數(shù)學(xué)模型。采用這一數(shù)學(xué)模型分析方法，根據(jù)對于不對稱膜所作的分析，C.Y.Pan斷定，所述的膜，不論流動(dòng)方式以及原料氣流和滲透氣流的流動(dòng)方向如何，總是產(chǎn)生交叉流動(dòng)類型的滲透。這一結(jié)論及其數(shù)學(xué)原理發(fā)表在“Gas Separation by Permeators with High Flux Asymmetric Membranes”一文中，作者是C.Y.Pan，參見AIChE Journal，Vol.29，No.4，July，1983，pp.545-552。
根據(jù)這一分析，可以得出一般性的結(jié)論以交叉流動(dòng)方式進(jìn)行空氣和其它氣體分離操作肯定是可行的，為了增強(qiáng)這一操作，膜束設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)有助于增強(qiáng)這一交叉流動(dòng)滲透操作。于是，許多膜束沿著其長度方向配置了大量的孔，以利于實(shí)現(xiàn)交叉流動(dòng)滲透方式。如前所述，在這種情況下，即使基質(zhì)的結(jié)構(gòu)使得能夠排除濃差極化的可能性，采用這種膜束設(shè)計(jì)所得到的總的膜性能仍然符合于交叉流動(dòng)滲透的數(shù)學(xué)模型。
最近，在這一技術(shù)領(lǐng)域中人們觀察到，與上述早期的現(xiàn)有技術(shù)所予想的情況相反，許多膜在操作過程中顯示出明顯的對流，而濃差極化比以往所予計(jì)的要低。例如，M.Sidhoum、W.Sengapta和K.K.Sirkar在“Asymmetric Cellulose Acetate Hollow FibersStudies in Gas Permeation”(參見AIChE Journal，Vol.34，No.3，March 1988，pp.417-425)一文中談到這一早期的數(shù)學(xué)模型，并就建立不對稱膜的交叉流動(dòng)滲透方式(與不十分理想的對稱或均質(zhì)膜的滲透方式大不相同)作了說明。該作者報(bào)告說，按照推測具有交叉流動(dòng)滲透方式的這種膜，其行為方式并不完全遵循交叉流動(dòng)操作的模型，而是更多地遵循與逆流流動(dòng)行為相一致的均質(zhì)膜模型。因此，與早期所予計(jì)的情況相反，實(shí)際上許多不對稱膜和復(fù)合膜具有顯著程度的逆流。根據(jù)這一研究結(jié)果，在該技術(shù)領(lǐng)域中非常需要開發(fā)、研制增強(qiáng)逆流滲透的改進(jìn)的膜干燥及其它氣體分離方法和系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種用于膜干燥和其它分離的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是，提供一種具有增強(qiáng)的干燥能力的復(fù)合或不對稱空心纖維膜分離方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是，提供一種將膜表面積以及實(shí)現(xiàn)所要求的干燥或類似分離程度所不可避免的產(chǎn)物滲透損失減小到最低程度的膜方法和系統(tǒng)。
考慮到這些目的以及其它目的，下文中對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，在所附的權(quán)利要求中特別指出了本發(fā)明的新的技術(shù)特征。
對于不對稱或復(fù)合空心纖維膜，采用全面的工藝方法和系統(tǒng)技術(shù)特征的組合進(jìn)行空氣干燥和其它氣體分離，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的干燥或其它純化。這些技術(shù)特征包括一種特定的膜基質(zhì)結(jié)構(gòu)用以產(chǎn)生顯著的徑向混合;沿著膜的滲透表面和非滲透表面的逆流流動(dòng)方式;使用吹掃氣體;空心纖維的排列，以便產(chǎn)生穿過膜表面的原料氣體的均勻流動(dòng)。
下面將參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)地說明本發(fā)明

圖1是用以實(shí)施本發(fā)明的膜系統(tǒng)的示意流動(dòng)圖解，在該系統(tǒng)的滲透側(cè)包含有吹掃氣體的供給;
圖2是一個(gè)表明跨膜的逆流流動(dòng)方式的程度與分離系數(shù)、基質(zhì)結(jié)構(gòu)和滲透率的關(guān)系的曲線圖。
本發(fā)明的目的是通過以下措施來實(shí)現(xiàn)的使用由不對稱膜或復(fù)合膜構(gòu)成的空心纖維膜系統(tǒng)，所述的膜具有穿過基質(zhì)形成顯著徑向混合的基質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài);使用吹掃氣體;逆流的工藝所流流動(dòng)方式;跨膜的均勻流動(dòng)方式。以這種方式使空心纖維膜系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)可以以合乎需要的高的產(chǎn)物(即非滲透氣體)回收率實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的干燥或其它純化。這種膜的特性，至少部分地遵循膜特性的逆流數(shù)學(xué)模型，而不是遵循交叉流動(dòng)模型。以往，由于人們認(rèn)為膜特性的交叉流動(dòng)數(shù)學(xué)模型適合于氣體分離，因此，早期研制出的許多組件設(shè)計(jì)產(chǎn)生交叉流動(dòng)分布。所研制出的其它設(shè)計(jì)，雖然產(chǎn)生的總的流動(dòng)分布是逆流的，但在每一空心纖維附近局部還是產(chǎn)生了交叉流動(dòng)方式。與這種現(xiàn)有技術(shù)的作法相反，本發(fā)明的全面的逆流滲透行為導(dǎo)致在膜的交叉流動(dòng)運(yùn)行過程中由于共滲透而損失的有用的產(chǎn)物氣體(例如氮/氧)的數(shù)量顯著地降低了。
大家都會(huì)理解，對于任何膜材料和構(gòu)形，本專業(yè)的技術(shù)人員按照上文中引證的文獻(xiàn)所描述的模型準(zhǔn)則都可以計(jì)算出膜性能的逆流和交叉流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。任何膜系統(tǒng)的膜性能都可以通過常規(guī)的試驗(yàn)測定，并與上述模型進(jìn)行比較。在實(shí)施與逆流模型相適應(yīng)的本發(fā)明時(shí)，在膜的低壓、滲透側(cè)所使用的干燥的回流吹掃氣體取代了原料氣流中所需要的產(chǎn)物氣體的共滲透(在交叉流動(dòng)運(yùn)行時(shí))，將水蒸氣或其它滲透氣體從膜分離層吹走，從而保持了相當(dāng)高的去除水分或雜質(zhì)的推動(dòng)力。這不僅最大限度地降低了實(shí)現(xiàn)所要求的干燥或純化所不可避免的產(chǎn)物滲透損失，而且還使實(shí)現(xiàn)這種分離所需要的膜面積減小到最低程度。就實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)而言，雖然近來人們已經(jīng)知道為了干燥及類似目的而使用吹掃氣體，但是迄今為止，上述關(guān)于跨膜的交叉流動(dòng)與逆流流動(dòng)方式的現(xiàn)有技術(shù)水平一直是沒有對于膜性能的顯著逆流程度的潛在優(yōu)越性的評價(jià)或者在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中沒有用于增強(qiáng)這種逆流的裝置的原因之一。
因此，在實(shí)施本發(fā)明的過程中，用于空氣干燥或其它氣體純化的膜可以以高的產(chǎn)物(非滲透物)回收率實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的氣體分離，并表現(xiàn)出顯著程度的逆流特性。在本文中，與已知的現(xiàn)有技術(shù)一致，將這一性能參數(shù)或量度定義為膜性能趨近于膜的逆流數(shù)學(xué)模型的程度。在100%逆流的情況下，膜性能將與利用逆流模型予測的結(jié)果一致。在0%逆流時(shí)，所述性能與交叉流動(dòng)模型一致。通常，在實(shí)施本發(fā)明時(shí)可以達(dá)到的逆流程度至少是20%左右，一般情況下是約50%或更高，在理想的情況下是約80%或80%以上，這種較高程度的逆流行為意味著在膜干燥技術(shù)中取得了人們所希望的技術(shù)進(jìn)步。關(guān)于這一點(diǎn)，人們都會(huì)理解，在任何特定的應(yīng)用場合所觀察到的上述逆流程度，依據(jù)與這一應(yīng)用有關(guān)的全面的條件的不同會(huì)發(fā)生一些變化，包括用于分析膜性能的數(shù)學(xué)模型的詳細(xì)數(shù)據(jù)也是如此。由于這個(gè)原因，逆流的程度是本發(fā)明的優(yōu)越性的反映，而不是用以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些優(yōu)越性的限制條件。
前已述及，增強(qiáng)的干燥或其它這類氣體純化是通過下列措施來實(shí)現(xiàn)的(1)膜的基質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)，這種結(jié)構(gòu)形態(tài)使得穿過膜的基質(zhì)部分獲得顯著程度的徑向混合，(2)跨越由表皮部分和基質(zhì)部分組成的膜的滲透表面和非滲透表面，即在纖維的外面和在纖維孔內(nèi)的逆流流動(dòng)方式，(3)在膜的滲透側(cè)使用吹掃氣體，(4)空心纖維膜的排列，這種排列使得從膜的進(jìn)料(非滲透)側(cè)到滲透側(cè)實(shí)現(xiàn)均勻的氣體流動(dòng)，上述膜是由所述的表皮(或復(fù)合膜中的分離層)部分和所述的基質(zhì)部分組成。這種新的技術(shù)特征組合使得能夠獲得增強(qiáng)的膜性能，并具有所指明的高的有用產(chǎn)物氣體(作為非滲透氣體)回收率。
本發(fā)明特別適用的氣體純化操作(如空氣的干燥或從原料氣流中分離出雜質(zhì))是這樣一些操作，其中，與被干燥或純化的原料氣流相比，水蒸氣或被分離的雜質(zhì)具有高的分離選擇性。例如，相對于被干燥或純化的原料氣流來說，分離組分的分離系數(shù)或選擇性至少是15左右。本發(fā)明特別適用于這樣一些分離，其中，分離組分的分離系數(shù)是約50或更高，尤其是大約100或更高，最為理想的是，分離系數(shù)至少是1000或者更高。空氣的干燥是上述后一種情況的一個(gè)例子。本發(fā)明非常適用的其它一些實(shí)際的工業(yè)操作包括(但不限于)CO2或甲烷與氮分離;酸性氣體與惰性氣流(例如氮)分離;以及氨與氮分離。在本發(fā)明的所有這些具體方案中，伴隨有合乎要求的高產(chǎn)物回收率的增強(qiáng)的氣體分離都表現(xiàn)出膜的顯著的對流特性。
參看附圖1，用于氣體干燥的膜滲透器組件用數(shù)字1表示，它是由長度基本上均勻的、螺旋形纏繞的復(fù)合空心纖維束2構(gòu)成。上述復(fù)合物的分離層被沉積在多孔空心纖維的外表面或內(nèi)表面上。不言而喻，膜的高壓、非滲透側(cè)3可以是空心纖維的內(nèi)孔一側(cè)，也可以是外殼一側(cè)，標(biāo)號為4的一側(cè)表示空心纖維的另一側(cè)，即低壓滲透側(cè)。在下文中所述的示例性實(shí)施例中，分離層被沉積在空心纖維的外表面上，高壓原料氣體被加到膜的外殼一側(cè)，也就是沉積了分離層的那一側(cè)。于是，從原料氣體中分離出的滲透氣體沿著從外向里的方向通過，然后從空心纖維的孔中排出。需要進(jìn)行干燥的濕原料氣流5由進(jìn)料端導(dǎo)入膜的高壓側(cè)3，干燥的產(chǎn)物氣體6由對面一端即膜的產(chǎn)物端排出。干燥的吹掃氣流7由產(chǎn)物端導(dǎo)入膜的低壓側(cè)4，充滿水分的廢氣流8在低壓下由對面一端即膜的進(jìn)料端排出。當(dāng)水或其它分離組分相對于被干燥或純化的原料氣流具有如上所述的分離系數(shù)時(shí)，使用這樣一種膜系統(tǒng)或者如本文中所述的該系統(tǒng)的變種實(shí)施本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的氣體干燥或純化。
前已述及，如果在基質(zhì)的二側(cè)滲透組分的濃度是相同的，即在0%濃差極化情況下，就會(huì)產(chǎn)生完全的徑向混合。實(shí)際達(dá)到的徑向混合的程度可以用下式表示徑向混合(RM)＝ (Y最大－Y)/(Y最大－Y孔)式中，Y最大是利用膜性能的交叉流動(dòng)模型計(jì)算出來的、膜的基質(zhì)部分的低壓滲透側(cè)的濃度;Y是基質(zhì)的低壓側(cè)的實(shí)際濃度;Y孔是纖維孔中的濃度。在沒有徑向混合時(shí)，Y就等于Y最大并且橫穿基質(zhì)的表面有濃差極化存在。如果發(fā)生完全的徑向混合并且不存在橫穿基質(zhì)的濃差極化，那么Y就等于Y孔。
對于空氣干燥應(yīng)用來說，現(xiàn)已求出所述的徑向混合與基質(zhì)孔隙率、有代表性的復(fù)合空心纖維膜的分離系數(shù)(選擇性)及滲透通量的關(guān)系，在附圖2中將空氣干燥應(yīng)用的這一關(guān)系標(biāo)繪成曲線。本文中使用的“滲透通量”這一術(shù)語，對于空氣干燥來說指的是水的滲透率與厚度之比。對于氣體純化來說則是雜質(zhì)的滲透率與厚度之比，它是用工程單位英尺3/天/(磅/平方英寸)/英尺2來表示的。上述圖2曲線的模坐標(biāo)是膜基質(zhì)的孔隙率除以所述的滲透通量，它是用對數(shù)標(biāo)度表示的。所繪制的曲線表明了不同的分離系數(shù)，即不同分離層材料的選擇對所述空氣干燥的影響。可以看出，分離系數(shù)的明顯差別產(chǎn)生的影響不是很大的，從50至1000的分離系數(shù)相應(yīng)的曲線實(shí)際上靠得很近。如圖2中所示，對于顯著的徑向混合程度，即高于約10%，基質(zhì)孔隙率/(p/t)一定是大于約0.005;對于高的徑向混合程度，即80%左右或更接近于完全徑向混合，基質(zhì)孔隙率/滲透通量必定大于約0.1。以上述工程單位表示的水的滲透通量值一般在約5至約50的范圍內(nèi)。因此，為了獲得高的徑向混合程度，基質(zhì)孔隙率應(yīng)當(dāng)是約0.5%至約5%，或者更高，而為了獲得上面所述的顯著的徑向混合程度，基質(zhì)孔隙率應(yīng)是約0.05%或更高。可以理解，這些基質(zhì)孔隙率范圍不僅適用于空氣干燥用途，也適合于其它氣體純化用途。雖然這些數(shù)值是使用具有均勻孔隙率的基質(zhì)確定的，但是，一般地說它們也適用于基質(zhì)的平均孔隙率，例如不對稱膜的低密度支撐區(qū)或者顯示一定程度的不對稱性的復(fù)合膜基質(zhì)，它們具有不同級別的基質(zhì)孔隙率。
圖2中所示的曲線是根據(jù)設(shè)置在空心纖維膜系統(tǒng)的低壓側(cè)即滲透側(cè)的基質(zhì)測定的。事實(shí)上，如果基質(zhì)是在空心纖維膜系統(tǒng)的高壓側(cè)，也就是非滲透側(cè)，將會(huì)有利于獲得高的徑向混合程度。在這種具體實(shí)施方案中，圖2所示的曲線將與空心纖維膜二側(cè)的高壓/低壓比成比例地向左移動(dòng)。因此，一般地說，如果情況允許的話將基質(zhì)設(shè)置在膜的高壓側(cè)(即進(jìn)料側(cè))較為有利。另外，為了減小高壓和低壓氣流的壓力降，通常，最好是使高壓原料氣流通過空心纖維膜的孔，使吹掃/滲透氣流流過膜的滲透側(cè)，同時(shí)，將不對稱膜的薄而致密的分離區(qū)和復(fù)合膜的薄的分離涂層設(shè)置在膜的外殼一側(cè)。
雖然使得能夠獲得顯著的穿過基質(zhì)的徑向混合程度的膜基質(zhì)結(jié)構(gòu)對于實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的干燥或其它氣體純化性能是重要的，但是這種獲得本身并不能保證所述的增強(qiáng)的性能。上文中所確定的其它必要因素之一是，提供跨越膜的滲透表面和非滲透表面的逆流流動(dòng)方式。將空心纖維束封入一個(gè)在其縱向外表面上方的不可滲透的屏障內(nèi)，只留下一個(gè)未封閉的流動(dòng)通道區(qū)，就可以造成上述逆流流動(dòng)方式。1987年6月24日公布的歐洲專利公開No.0226431中公布了建立這種逆流流動(dòng)方式的方法，它使得在空心纖維外面的原料氣體或滲透氣體(取決于所要求的工作方式，即由內(nèi)向外流動(dòng)還是由外向內(nèi)流動(dòng))能夠平行于空心纖維孔中的滲透氣體或原料氣體的流動(dòng)方向而逆流流動(dòng)。例如，使空心纖維束外面的原料氣體平行于(而不是垂直于)纖維束的中心軸流動(dòng)。不可滲透屏障材料可以是不具有滲透性的膜(例如聚乙二烯或類似物)的包裝紙。作為替代方案，這種不可滲透的屏障也可以是利用無害溶劑涂敷而成的抗?jié)B涂層材料，例如聚硅氧烷，或者是安到膜束上面和熱壓到膜束上的熱配套管。在空心纖維束與膜組件的外殼之間還可以設(shè)置O型環(huán)或其它屏障，例如制成的填料，或者將外殼本身設(shè)置在非?？拷な牡胤剑纬伤枰钠琳?。在這些具體方案中，不可滲透的屏障將空心纖維束包封起來，只剩下一個(gè)開口供氣體流入或流出膜束，從而使得流體朝著基本上與空心纖維束的軸平行的方向、沿著膜束中基本上所有空心纖維的外表面流動(dòng)。由此得到的流動(dòng)方式是一種濕原料(空氣)氣流和滲透氣體的逆流流動(dòng)，所述滲透氣體由吹掃氣體和透過膜材料的水分或氣體雜質(zhì)組成。
本發(fā)明的增強(qiáng)的空氣干燥或氣體純化操作的第三個(gè)要求是，在膜的滲透側(cè)使用基本上干燥的吹掃氣體。如果所進(jìn)行的是交叉流動(dòng)型的滲透，吹掃氣的使用對所得到的干燥結(jié)果不會(huì)有什么影響。反之，在表現(xiàn)出明顯的逆流程度的操作中，吹掃氣體有助于促進(jìn)從膜的表面上除去滲透氣體，例如在空氣干燥處理中的水分。吹掃氣體使得能夠保持橫穿膜的高的驅(qū)動(dòng)力，從而使得所要求的從原料氣流中除去水分或雜質(zhì)的過程持續(xù)進(jìn)行下去。這一總體發(fā)明的特征有助于將所需要的表面積及用其它方法實(shí)現(xiàn)所要求的干燥或純化時(shí)不可避免的有用產(chǎn)物(如干燥空氣)滲透損失減小到最低程度。很容易理解，在最大可能的范圍內(nèi)減少由于原料空氣中的氮/氧(或其它所要求的非滲透產(chǎn)物氣體)的共滲透而造成的氮/氧產(chǎn)物損失是人們所希望的。例如，希望把這種因共滲透而引起的產(chǎn)物損失保持在低于膜系統(tǒng)中非滲透的產(chǎn)物氣體總流量的1%，最好是低于0.5%。在下面的實(shí)施例中提供了有關(guān)本發(fā)明的吹掃要求的進(jìn)一步的情況。
實(shí)施本發(fā)明所要求的第四個(gè)技術(shù)特征是空心纖維膜的排列，這種排列使得能夠?qū)崿F(xiàn)跨越膜表面的原料氣體和滲透氣體的均勻流動(dòng)。本發(fā)明的這一技術(shù)特征的一個(gè)理想的具體方案是，將空心纖維膜排列成含有基本上均勻的有效長度的空心纖維的、螺旋形纏繞的空心纖維膜筒。這種螺旋形繞法是已知技術(shù)，Coplan等人的美國專利4631128中公布的內(nèi)容證明了這一點(diǎn)。本專業(yè)的技術(shù)人員都可以理解，僅僅將空心纖維排列成具有平行或直線形狀而不是上述特定的螺旋形狀的膜筒還不能獲得所要求的跨越空心纖維表面的均勻的氣體流動(dòng)分布。例如，這種空心纖維的直線排列實(shí)際上可能會(huì)包含有個(gè)別的、程度不同地卷曲的空心纖維，因而不可能實(shí)現(xiàn)所要求的均勻流動(dòng)分布。大家可以想象到，用其它的、從經(jīng)濟(jì)角度上看不是特別理想的機(jī)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)上述的氣體均勻流動(dòng)。例如，可以設(shè)置篩網(wǎng)或其它節(jié)流部件如擋板，它們可安排用于獲得所述的均勻流路。此外，還可以將空心纖維排列成類似于繩子的辮狀，這種結(jié)構(gòu)式樣可以實(shí)現(xiàn)所要求的均勻氣體流動(dòng)。
不言而喻，對本文中所描述的發(fā)明主題的細(xì)節(jié)可以作各種改變和改進(jìn)，而不超出所附權(quán)利要求中規(guī)定的本發(fā)明的范圍。例如，膜的材料可以是能以適當(dāng)?shù)姆蛛x系數(shù)水平有選擇地透過需要從空氣或其它氣流中除去的水或雜質(zhì)的任何適宜的材料。使用聚砜或其它所需的基質(zhì)以及乙基纖維素、乙酸纖維素或其它這類膜材料的分離層可以方便地制成復(fù)合空心纖維膜。也可以使用由乙酸纖維素、聚砜之類的材料構(gòu)成的不對稱膜。但是，可以理解，這些材料只是許許多多適用于在本發(fā)明中作為復(fù)合膜的基質(zhì)或分離層材料或者作為以不對稱形式使用的材料的已有材料的代表。這種材料的空心纖維可以按該專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)人們熟知的方法紡成。例如，按照Cabasso等人所述的工藝方法(參見“Composite Hollow Fiber Membranes”，Journal of Applied Polymer Science，Vol.23，pages 1509-1523)，由聚砜在已知的溶劑/非溶劑混合物中的三元溶液可以十分使得地紡成多孔的聚砜空心纖維。在上述紡絲工藝方法中可以采用著名人的套管式噴射技術(shù)，以21℃左右的水作為纖維的外部淬火介質(zhì)。纖維中心孔內(nèi)的淬火介質(zhì)是空氣。淬火之后用水洗滌纖維，然后使空心纖維通過熱空氣干燥塔，在30℃下進(jìn)行干燥。對于制造復(fù)合膜來說，可以在經(jīng)過干燥的空心纖維上直接、在線涂以適當(dāng)?shù)姆蛛x層溶液，例如乙基纖維素聚合物溶液。這種溶液可以通過將大約1%的乙基纖維素溶解在異丙醇中然后經(jīng)過一個(gè)1.5毫微米的玻璃濾器過濾而制成，然后把它涂到聚砜空心纖維支撐層即基質(zhì)上。也可以使空心纖維基質(zhì)徑直通過盛放在涂料容器中的經(jīng)過過濾的涂料溶液，經(jīng)過涂敷的纖維在烘箱中干燥，然后在卷繞機(jī)上纏繞。這樣制備的示例性的聚砜空心纖維復(fù)合膜最好是具有很薄的涂層厚度，例如0.2微米左右或者更薄一些。這種復(fù)合空心纖維膜(用三乙酸纖維素作為有代表性的膜材料)的氧和氮之間的分離系數(shù)是5.9左右，氧的滲透通量是大約0.08英尺3/英尺2·磅/平方英寸·天。用空心纖維繞制成滲透器筒，將一個(gè)或多個(gè)筒配制成適合于通入原料氣和吹掃氣并分別排出非滲透氣和滲透氣與吹掃氣組合物的膜組件。本專業(yè)的技術(shù)人員都能理解，所使用的膜組件是適合用于導(dǎo)入原料氣和吹掃氣并分別排出滲透/吹掃氣和非滲透氣體的、帶有4個(gè)氣口的適當(dāng)組件。當(dāng)然，可以將原料氣通入空心纖維的孔中(對于由內(nèi)向外流動(dòng))，也可以通入膜的外殼一側(cè)(對于由外向內(nèi)流動(dòng))。
很顯然，除了本文中所述空氣干燥這一重要應(yīng)用外，本發(fā)明具有各式各樣的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。例如，本發(fā)明的其它示例性應(yīng)用實(shí)例還有氣體分離，例如二氧化碳快速滲透與氮或甲烷分離以及氨與氮的分離。
下面參照具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明，不言而喻，這些實(shí)施例旨在以具體例子對本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)加以說明，不應(yīng)將它們理解為是對所附權(quán)利要求中規(guī)定的本發(fā)明范圍的限定。
實(shí)施例1本實(shí)施例中使用了一個(gè)具有同等長度空心纖維的、螺旋形繞制的筒，將該筒罐藏，切割纖維束以使纖維的二端可以通入氣流，這個(gè)組件可以以圖1中所示的帶有4個(gè)氣口的組件形式進(jìn)行工作。所用的空心纖維膜是用上面涂有乙基纖維素分離層的聚砜空心纖維基質(zhì)制成的復(fù)合膜?？招睦w維被纏繞成螺旋形，以便具有相同的活性長度。環(huán)繞著空心纖維束配置了不可滲透的聚乙二烯膜，以保證在空心纖維的外表面上原料氣和非滲透氣的逆流流動(dòng)，也就是說，平行于空心纖維孔中的滲透氣體和吹掃氣體的流動(dòng)，所使用的這種膜采用了由外向內(nèi)的流動(dòng)方式。在用于進(jìn)行滲透干燥時(shí)，原料空氣和非滲透(即保留物)氣流處于約150磅/平方英寸(表壓)的壓力下，而滲透氣體則是接近于大氣壓即O磅/平方英寸(表壓)。在這樣的條件下，空氣的組成成分即氧和氮以及存在于原料空氣中的水分明顯地發(fā)生滲透，這樣，為了實(shí)現(xiàn)所要求的干燥而發(fā)生了有用產(chǎn)物氣體的嚴(yán)重滲透。
為了減少空氣基本成分的滲透，使用吹掃氣體進(jìn)行了試驗(yàn)，吹掃氣體和滲透氣流處于約149磅/平方英寸(表壓)壓力下，從而在膜的二側(cè)只有1磅/平方英寸的壓差。使非滲透氣流在21至85NCFH之間變動(dòng)，即使是在較低的流量下，干燥空氣的分級遞減也只有2%。吹掃空氣流也破改變，用分析儀器測定原料氣、非滲透氣、吹掃氣和滲透廢氣流中的水蒸氣的濃度。所測得的原料氣流中的水分含量只有輕微變化，平均為1073ppm?；旧细稍锏拇祾邭饬鞯暮首儎?dòng)于約0.85至約1.50ppm之間，其平均值是大約1.29ppm。對于所使用的膜材料，就水和氧的分離來說，水的滲透率與氧的滲透率之比(即分離系數(shù))大于100，水與氮的分離系數(shù)更要大得多。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，用上述工程單位表示的水的有效p/t值是介于4和8之間。聚砜基質(zhì)的孔隙率在0.5%至約1%的范圍內(nèi)。
許多試驗(yàn)進(jìn)行了三個(gè)月的時(shí)間。由于濃度趨近于穩(wěn)定狀態(tài)十分緩慢，下列數(shù)據(jù)相當(dāng)于至少20小時(shí)，甚至是幾百小時(shí)的試驗(yàn)周期，試驗(yàn)結(jié)果示于下面表Ⅰ中。
表Ⅰ原料流 清洗比 未滲透的水 水的清除率(NCFH) (ppm) (%)23 0.02 1075.0 13.3124 1.02 53.80 95.371.73 1.48 99.8621 1.27 4.97 99.571.66 2.05 99.8144 1.10 32.85 96.911.23 14.98 98.611.70 1.38 99.8665 1.15 38.40 96.241.25 14.10 98.621.71 1.38 99.87
上面所述的清洗比是吹掃比除以膜滲透側(cè)的低壓與非滲透側(cè)的高壓的壓力比，即清洗比＝吹掃比÷(P低/P高)。這里所說的吹掃比是標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力(STP)吹掃氣流體積與標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力(STP)產(chǎn)物氣流體積之比。本文中所述標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力(STP)是指0℃和1大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)條件。結(jié)果表明，使用吹掃氣體并采用大于1的清洗比時(shí)，在本發(fā)明的全面條件下可以將原料氣流中的水分幾乎全部除去。很顯然，如同上文中所討論并在本實(shí)施例中使用的那樣，這些條件包括膜的基質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得穿過膜的基質(zhì)部分實(shí)現(xiàn)顯著程度的徑向混合;跨越膜的逆流流動(dòng)方式;空心纖維膜的排列，這種排列使得跨膜的均勻氣體流動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。如果所要求的水(或雜質(zhì))的清除率低于接近完全清除的水平，就象在不完全干燥應(yīng)用中那樣，顯然，可以使用低于1的清洗比。例如，可以采用約0.9的清比，甚至最低可達(dá)約0.6或0.5的低清洗比也可適用于某些用途。
在第一個(gè)試驗(yàn)中，沒有使用吹掃氣，操作方式是滲透型清洗而不是吹掃型清洗。結(jié)果，水的去除量很低，利用原料空氣中氧的氮的滲透作用而分離除去的水分只有13%左右。在建立在吹掃型清洗基礎(chǔ)上的所有其它試驗(yàn)中，95%以上的水被除去，干燥或純化的程度取決于所用的清洗比。清洗比為1.7時(shí)，99%以上的水被廢氣-吹掃氣流除去，非滲透氣流接近于與用于吹掃氣流的干燥空氣一樣干燥。應(yīng)當(dāng)指出，采用吹掃型清洗得到這樣理想的結(jié)果只伴隨有數(shù)量微不足道的產(chǎn)物氣體損失，在所有的情況下這一損失都不到2%。所測得的廢氣流含水率使得能夠進(jìn)行水的物料衡算，它證實(shí)了原料空氣中基本上所有的水都被排除到廢氣流中。應(yīng)當(dāng)指出，在膜以交叉流動(dòng)方式工作的場合，吹掃氣體對干燥的結(jié)果不會(huì)有什么影響，這種干燥是以被干燥的原料空氣中氧和氮的滲透為代替而實(shí)現(xiàn)的。
實(shí)施例2本實(shí)施例中使用的膜組件與實(shí)施例1中用的相類似，唯一不同在于，所用空心纖維是使用很厚的乙基纖維素材料涂層專門制造的。由于膜的厚度大大增加，顯著地降低了氧和氮的滲透通量。這種較厚的膜允許使用比較常用的跨膜壓力差而不會(huì)發(fā)生明顯的空氣滲透。相反，水蒸氣的滲透率如此之大，以致于盡管是比較厚的膜仍然顯示出高的遷移速率。出人意料地發(fā)現(xiàn)，水的有效p/t值是3-5工程單位，并不比實(shí)施例1中得到的數(shù)值低很多。這意味著，在實(shí)施例1其它的阻礙水遷移的因素例如可能是毛細(xì)冷凝在起作用?；|(zhì)材料與實(shí)施例1中用的相同，基質(zhì)孔隙率也相同，即0.5-1%，本發(fā)明的其它技術(shù)特征均與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例2的各個(gè)試驗(yàn)是按圖1的工藝流程圖進(jìn)行的，高壓原料和非滲透氣流是114.7磅/平方英寸(絕對壓力)，低壓吹掃和滲透氣流是14.7磅/平方英寸(絕對壓力)，即大氣壓。測得的干燥空氣分級遞減是2%左右。原料空氣流的含水率約為3000ppm，用于吹掃目的的基本上干燥的空氣的含水率是2.7ppm。這些試驗(yàn)的結(jié)果示于下面的表Ⅱ中。
表Ⅱ原料流 清洗比 未滲透的水 水的去除率(NCFH) (ppm) (%)21.2 0.18 2619.0 16.0021.2 1.17 51.1 98.42·1.56 5.38 99.841.95 3.69 99.8742.4 1.17 121.8 96.361.56 21.96 99.301.95 11.46 99.6463.6 1.17 188.0 93.511.56 66.06 97.921.95 19.80 99.4584.8 1.17 258.0 91.291.56 128.9 95.031.95 34.2 99.00這些結(jié)果表明，在吹掃氣流只是產(chǎn)物氣流的一部分的比較實(shí)用的壓差條件下，可以將空氣中的水幾乎完全除去。在所示的第一個(gè)試驗(yàn)中，基本上沒有使用吹掃。如同僅有的18%清洗比所表明的那樣，吹掃確實(shí)是發(fā)生了，它是由于氧和氮的共滲透而產(chǎn)生的?？梢钥闯觯浣Y(jié)果是很差的，水的去除率只有16%，這再一次證明，單有空氣組成成分的共滲透不足以達(dá)到良好的空氣干燥所要求的水分去除率。與這種低劣的滲透型干燥完全不同，清洗比大于1的其它試驗(yàn)一般都實(shí)現(xiàn)了接近完全除去原料空氣中的水分。在這些情況下，很顯然，清洗比是用(吹掃氣流/產(chǎn)物氣流)比除以(低壓/高壓)比而得到的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)指出，吹掃氣流只構(gòu)成了產(chǎn)物氣流的一部分，盡管如此，在與實(shí)施例1相比增大了的壓差條件下，這一吹掃氣流仍產(chǎn)生了大于1的清洗比。
由表Ⅱ的結(jié)果可以看出，取決于以較高清洗比使用吹掃氣體并結(jié)合本發(fā)明其它特征的干燥或其它純化的程度，還受到在任一特定應(yīng)用中處理的氣體數(shù)量的影響，所述的數(shù)量用原料氣體流量來表示。不言而喻，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，通過調(diào)整原料氣流量、清洗比和/或吹掃氣流量的相對數(shù)值，可以少許改變純化的程度，與交叉流動(dòng)或滲透清洗操作相比其總的水平仍然是高的?？傊捎酶叩那逑幢葦?shù)值，例如為了達(dá)到接近完全干燥采用高于1的清洗比，空氣中的水分或氣體的雜質(zhì)含量可以被減少到很低的值，其產(chǎn)物氣體損失對于滲透清洗目的來說是微不足道的。
在上述的二個(gè)實(shí)施例中，原料空氣的流動(dòng)是由外向內(nèi)的，膜的分離部分在纖維的外表面上。很顯然，采用將原料氣通入空心纖維膜孔中的由內(nèi)向外流動(dòng)方式一般地可以獲得同樣的或更好的結(jié)果。在這后一實(shí)施方案中，復(fù)合膜的分離層或不對稱膜的薄而密實(shí)的表皮一般是設(shè)置在膜的外殼一側(cè)。
雖然這二個(gè)實(shí)施例涉及使用干燥空氣流作為吹掃氣體的空氣干燥，但是可以理解，原料氣流不一定是空氣，它可以是在適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下相對于水或要去除的雜質(zhì)具有較低滲透率的任何氣體。因此，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中存在的有用的工藝氣體流可以采用干燥空氣作為吹掃氣流進(jìn)行干燥。
雖然已經(jīng)指出，可以以很小的產(chǎn)物氣體損失對原料氣流進(jìn)行干燥，但是在某些情況下，例如上述的空氣干燥，用產(chǎn)物氣體(經(jīng)過或不經(jīng)過后續(xù)處理)作為吹掃氣源可能是合乎需要的。例如，在低溫吹氣分離裝置中，常常存在有干燥的所謂廢氣流可供按本發(fā)明進(jìn)行操作的膜氣體分離系統(tǒng)(例如膜空氣干燥器)用來作為吹掃氣源，對通入上述低溫裝置的原料空氣進(jìn)行干燥。本發(fā)明的空氣干燥或其它氣體純化操作與來自其它工業(yè)生產(chǎn)過程的干燥氣流結(jié)合起來的各式各樣的其它這類組合對于本專業(yè)的技術(shù)人員來說是顯而易見的，它們將進(jìn)一步增進(jìn)本發(fā)明的優(yōu)越性。很清楚，在實(shí)施本發(fā)明中使用任何其滲透率遠(yuǎn)低于快速滲透組分(例如水)的干燥吹掃氣流的能力是本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，采用以往的現(xiàn)有技術(shù)例如滲透型干燥是作不到這一點(diǎn)的。
滲透膜可以以高的生產(chǎn)效率和簡易性實(shí)現(xiàn)令人滿意的氣體分離，具有維修最少且簡便易行的優(yōu)點(diǎn)?？諝飧稍锖推渌鼩怏w純化是膜技術(shù)特別是本發(fā)明所涉及的空心纖維膜技術(shù)的重要的和理想的應(yīng)用。通過使用具有理想的表面積特征的空心纖維膜提供增強(qiáng)的空氣或其它工藝氣流的干燥，以及以最小的產(chǎn)物氣體損失(這種損失是由于在各種已有技術(shù)方法中不可避免的共滲透而引起的)實(shí)現(xiàn)所要求的氣體分離，本發(fā)明提供了在膜技術(shù)領(lǐng)域中的非常有價(jià)值的技術(shù)進(jìn)步，它進(jìn)一步擴(kuò)展了膜系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，滿足了各種工業(yè)應(yīng)用的日益增長的需要。
權(quán)利要求
1.一種用于對原料氣流進(jìn)行增強(qiáng)純化的膜方法，包括(a)將含有需要分離去除的雜質(zhì)的原料氣流通入能選擇性透過該雜質(zhì)的滲透膜系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中所述雜質(zhì)相對于上述原料氣流和/或其組分具有至少約15的分離系數(shù)，所述的膜系統(tǒng)包括大于約0.05%的基質(zhì)或低密度區(qū)孔隙率的復(fù)合膜或不對稱膜，以獲得穿過上述膜基質(zhì)部分的顯著程度的徑向混合；(b)在上述膜的外側(cè)設(shè)置部件，用以產(chǎn)生跨越由所述基質(zhì)部分和表皮或分離層部分組成的膜的滲透面和非滲透面的逆流流動(dòng)方式，所述的膜系統(tǒng)包括排列的空心纖維膜，其排列使得在由由上述基質(zhì)部分和表皮或分離層部分組成的膜的進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)實(shí)現(xiàn)基本上均勻的氣體流動(dòng)；(c)使吹掃氣體通過膜的滲透側(cè)，該吹掃氣體促進(jìn)上述雜質(zhì)滲透通過膜及其排除，這一吹掃氣體是以至少約0.5的清洗比被使用的，所述清洗比是標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力吹掃氣體積流量與標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力非滲透產(chǎn)物體積流量之比除以所述膜的低壓、滲透側(cè)的壓力與膜的高壓、進(jìn)料側(cè)的壓力之比；(d)作為所需要的產(chǎn)物氣體，從膜系統(tǒng)中排出非滲透氣體；(e)分別將吹掃氣體和上述滲透氣體從膜系統(tǒng)中排出；從而，所要求的純化被增強(qiáng)，并具有高的非滲透產(chǎn)物氣體回收率，這一膜系統(tǒng)顯示出顯著程度的逆流性能，以吹掃氣體取代所需要的產(chǎn)物氣體的共滲透來促進(jìn)雜質(zhì)的滲透及其從膜表面的清除，從而保持了使雜質(zhì)穿過上述膜的驅(qū)動(dòng)力。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述清洗比是約0.6至約1.7。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述清洗比大于1。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，所述雜質(zhì)相對于所述原料氣流具有大于約100的分離系數(shù)。
5.權(quán)利要求4的方法，其中，所述雜質(zhì)相對于所述原料氣流及其組分具有大于約1000的分離系數(shù)。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，所述原料氣體由空氣構(gòu)成，所述雜質(zhì)是水，所述純化包括空氣干燥。
7.權(quán)利要求6的方法，其中，所述的水相對于原料空氣及其組分氧和氮具有大于1000的分離系數(shù)。
8.權(quán)利要求7的方法，其中，所述清洗比是大于1，所述的水幾乎完全從產(chǎn)物空氣中分離出去。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，所述空心纖維被纏繞成螺旋形，其有效長度基本上是均勻的，從而促進(jìn)了跨越膜表面的均勻氣體流動(dòng)。
10.權(quán)利要求8的方法，其中，所述的產(chǎn)生跨越膜表面的逆流流動(dòng)方式的部件包括由沿著膜的縱向外表面將膜包封起來的不可滲透的屏障。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述基質(zhì)孔隙率大于0.5%。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述基質(zhì)孔隙率是約0.5%至約5%或更高。
13.權(quán)利要求1的方法，其中，所述原料氣包括空氣，所述雜質(zhì)包括水，所述吹掃氣體基本上是干燥的，清洗比大于1，所述空心纖維纏繞成螺旋形，其有效長度基本上是均勻的，所述空心纖維沿著其縱向外表面被包封在一個(gè)不可滲透的屏障中。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述基質(zhì)孔隙率大于0.5%。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述基質(zhì)孔隙率是約0.5%至約5%或更高。
16.一種用于對原料氣流進(jìn)行增強(qiáng)純化的膜系統(tǒng)，包括(a)用以將含有待分離出去的雜質(zhì)的原料氣流通入滲透膜系統(tǒng)的導(dǎo)管部件;(b)適合于接受上述原料氣的滲透膜系統(tǒng)，該系統(tǒng)能選擇性地透過上述雜質(zhì)，所述膜系統(tǒng)的材料應(yīng)使得雜質(zhì)相對于所述原料氣和/或其組分具有至少約15的分離系數(shù)，所述膜系統(tǒng)包括具有大于約0.05%的基質(zhì)或低密度區(qū)孔隙率的復(fù)合膜或不對稱膜，以實(shí)現(xiàn)穿過膜基質(zhì)部分的顯著程度的徑向混合，所述復(fù)合膜或不對稱膜是由排列的空心纖維膜構(gòu)成，這種排列使得能夠跨越由基質(zhì)部分和表皮或分離層部分組成的膜實(shí)現(xiàn)基本上均勻的氣體流動(dòng);(c)在所述膜外側(cè)的部件，用以跨越由所述基質(zhì)部分和表皮或分離層部分組成的膜建立逆流流動(dòng)方式;(d)用以在膜的滲透側(cè)供給吹掃氣體的導(dǎo)管部件，以便提供至少約0.5的清洗比，所述清洗比是標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力吹掃氣體積流量與標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力非滲透產(chǎn)物體積流量之比除以膜的低壓、滲透側(cè)的壓力與膜的高壓、原料側(cè)的壓力之比;(e)用以將非滲透氣體作為所需要的產(chǎn)物氣體從膜系統(tǒng)中排出的部件;(f)用于從膜系統(tǒng)中排出吹掃氣體和上述滲透氣體的分立的部件;這樣，該膜系統(tǒng)起到增強(qiáng)所要的純化的作用，并且有高的非滲透產(chǎn)物氣體回收率，這一膜系統(tǒng)顯示了顯著程度的逆流特性，它以吹掃氣體取代所需要的產(chǎn)物氣體的共滲透來促進(jìn)雜質(zhì)滲透及其從膜表面的清除，從而保持了使雜質(zhì)橫穿過膜的驅(qū)動(dòng)力。
17.權(quán)利要求16的膜系統(tǒng)，其中，所述膜的材料應(yīng)使得雜質(zhì)相對于原料氣流具有大于約100的分離系數(shù)。
18.權(quán)利要求17的膜系統(tǒng)，其中所述分離系數(shù)是大于約1000。
19.權(quán)利要求16的膜系統(tǒng)，其中所述用于吹掃氣的導(dǎo)管部件應(yīng)提供約0.6至約1.7的清洗比。
20.權(quán)利要求19的膜系統(tǒng)，其中所述清洗比大于1。
21.權(quán)利要求16的膜系統(tǒng)，其中，所述空心纖維被纏繞成螺旋形，纖維的有效長度基本上是均勻的，從而能夠促進(jìn)跨越由所述基質(zhì)部分和表皮或分離層部分組成的膜二側(cè)的基本上均勻的氣體流動(dòng)。
22.權(quán)利要求16的膜系統(tǒng)，其中，所述用以跨越膜的表面建立逆流流動(dòng)方式的部件是由沿著膜的縱向外表面將膜包封起來的不可滲透的屏障構(gòu)成。
23.權(quán)利要求16的膜系統(tǒng)，其中所述表面孔隙率是大于0.5%。
24.權(quán)利要求23的膜系統(tǒng)，其中所述表面孔隙率是約0.5%至約5%或更高。
25.權(quán)利要求16的膜系統(tǒng)，其中所述膜系統(tǒng)包括一個(gè)復(fù)合膜系統(tǒng)。
26.權(quán)利要求25的膜系統(tǒng)，其中所述基質(zhì)包括聚砜。
27.權(quán)利要求16的膜系統(tǒng)，其中所述膜系統(tǒng)包括一個(gè)不對稱膜系統(tǒng)。
全文摘要
用吹掃氣體(而不是產(chǎn)物氣體)來促進(jìn)膜系統(tǒng)中的滲透，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的空氣干燥或其它氣體純化，所述膜系統(tǒng)具有適合于獲得徑向混合的基質(zhì)，并具有逆流流動(dòng)方式和在膜表面上方的均勻氣體流動(dòng)。
文檔編號B01D53/22GK1060417SQ9110962
公開日1992年4月22日 申請日期1991年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月11日
發(fā)明者R·普拉薩德 申請人:聯(lián)合碳化工業(yè)氣體技術(shù)公司