專利名稱：中空纖維膜分離設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從包含流體混合物的進料中分離流體組分的中空纖維膜束。所述流體混合物是液體混合物和/或氣體混合物。這種用途包括氣體的分離、返滲透和超濾。盡管本發(fā)明可以是具有兩塊管板的組件，但通常是具有單一的管板的組件。
本發(fā)明還涉及一種包括改進組件的中空纖維膜分離設(shè)備。
本發(fā)明還涉及一種沿組件長度改變填充密度和橫截面直徑的方法。
背景技術(shù)：
用螺旋纏繞中空纖維制備的中空纖維膜流體分離裝置的優(yōu)點在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。這樣纏繞的中空纖維膜裝置的制備描述在美國專利US3794468；4631128；4865736；4881955和5299749中。
US3794468描述了一種傳質(zhì)裝置，其中中空纖維繞芯纏繞。同一層中相鄰的纏線通常相互平行，而相鄰層中相鄰的纏組間通常有一角度。在US4631128中公開了一種中空纖維膜組件裝置，其中螺旋狀的路線(path)是這樣設(shè)置的，使得所有纖維段在長度上差不多是相等的。在US4865736中利用一種類似的結(jié)構(gòu)，但是纏繞的中空纖維是以這樣的方式組裝流體平行于環(huán)形纖維組件的軸流動，沿纖維組件/壓力殼界面不發(fā)生流動的旁路。US4881955揭示了一種中空纖維滲透器，其中進料氣引入到螺旋纏繞的膜元件的腔內(nèi)。這樣設(shè)置具有良好的分離效率。最后，US5229749涉及一種中空纖維組件，其中一層中的纖維(filament)段都具有同樣的螺旋角和方向。
影響組件性能的的一個重要參數(shù)是纖維的纏繞角度。術(shù)語“纏繞角度”是這樣定義的使組件處于水平位置，纏繞角度X是纖維相對于垂直軸跨過組件的角度。例如，以90°的纏繞角纏繞的纖維是平行的，從組件的一端到另一端是直的。在組件中以相同纏繞角纏繞的纖維具有相同的纖維長度。
由于幾個理由，小纏繞角度通常是優(yōu)選的，在這里是指小于45°。這些理由包括增加了組件的結(jié)構(gòu)整體性，因為降低了溝流和旁路(channeling andbypassing)的機會不太可能出現(xiàn)流動頒分布不良?！皽狭骱团月贰笔侵改け砻娴奶貏e部分流體的旁路，即流體以非均勻流動的形式通過滲透器組件，產(chǎn)生高或低的線速度這樣的情況，由于降低了分離效率從而引起組件性能的下降。
小纏繞角的另一優(yōu)點是由于殼側(cè)流體與纖維之間有更有利的接觸角度(減少了邊界層效應(yīng))從而提高了分離效率。使用小角度纏繞還允許使用切槽方法以在管板上打開中空纖維的孔。切槽管板在高壓力負荷下是特別有利的，其制備描述在US4207192中。
小纏繞角度的主要缺點是加長了纖維的長度。因為腔側(cè)的壓力損失，所以較長的纖維會降低分離效率。
Haworth等人在US5462619中提出了一種中空纖維組件，其中填充組分隨徑向變化。這是在纏繞過程中改變每一層纖維的纏繞角度來實現(xiàn)的。
在所引證的每一篇專利中，纖維纏繞角度是通過調(diào)節(jié)橫移(纖維下落)速度與心軸(組件)旋轉(zhuǎn)速度的比率來控制的。在每一個行程(stroke)中纏繞比率都保持不變。行程是指在組件從一端橫向移動到另一端的過程中的組件長度。以前的發(fā)明者都未考慮過在同一行程中沿組件的長度改變纏繞角度。因此，在大纏繞角度和小纏繞角度的優(yōu)點和缺點之間不得不提出一種折衷方案。
發(fā)明概述本發(fā)明包括一個環(huán)形中空纖維膜組件，該組件包括多層纏繞在圓柱形中心管上的螺旋纏繞的半滲透中空纖維，其中在一層或多層中纖維的纏繞角度在組件的軸向長度上變化。
在一個優(yōu)選方案中，組件具有至少一個管板區(qū)域和一個有效區(qū)域，在組件管板區(qū)域的纏繞角度不同于組件的有效區(qū)域的纏繞角度。
在再一優(yōu)選方案中，在組件徑向上的相鄰層的相鄰區(qū)域內(nèi)的纖維纏繞角度基本相同。
在另一優(yōu)選方案中，不僅在組件的軸向長度上改變纖維的纏繞角度，而且改變纖維間的距離，以致于在所述軸向長度上的填充密度也改變。
在另一優(yōu)選方案中，中空纖維膜組件包括a)一個環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，該組件包括多層纏繞在圓柱形中心管上的螺旋纏繞的半滲透中空纖維，其中在一層或多層中纖維的纏繞角度在組件的軸向長度上變化；b)一個密封所述組件的流體不滲透外殼；c)一個進料流體入口；d)一個滲透物流體排出口；和e)一個未滲透物流體排出口。
附圖簡述從以下優(yōu)選方案和附圖的描述中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可認識到本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。其中

圖1是本發(fā)明一個方案的組件的示意圖，其中封裝端部分(potted end section)比有效區(qū)域(active region)的纏繞角度小，封裝端以一定角度切割。
圖1A是圖1所示組件從封裝端看的視圖。
圖2是說明在跨過組件直徑的每一層中怎樣保持纖維纏繞角度不變的示意圖。
圖3是本發(fā)明的第二方案的示意圖，在該方案中組件包括兩個管板。
圖4是本發(fā)明的第三方案的示意圖，其中封裝端部分(potted end section)比有效區(qū)域(active region)的纏繞角度小，封裝端平切。
圖4A是圖4所示組件從封裝端看的視圖。
圖5是本發(fā)明的第四方案的示意圖，其中填充密度和橫截面直徑隨組件長度而改變。
圖6是包括中空纖維膜組件的流體分離設(shè)備的示意圖，其中組件封裝端的纖維纏繞角度小于有效區(qū)域的纖維纏繞角度。
本發(fā)明的詳細描述本發(fā)明提供了一種使用中空纖維膜束的滲透器，在中空纖維組件的一端或兩端具有開孔。在本發(fā)明滲透器的使用中，可以在進料和滲透物之間維持逆流、錯流或并流。對于氣體分離應(yīng)用來說，逆流通常是更希望的流動方式。
在逆流方式中，引入進料并沿膜表面流動，殘液從膜組件的一端排出，而富集了至少一種更易滲透的氣體組分的滲透物與進料/殘液流逆向流動。實現(xiàn)這一方式的方法是已知的，被描述在US4881955和4865736中。
本發(fā)明的膜組件包括一個中心管，中空纖維繞中心管纏成圓柱形。一般一次繞多根中空纖維，通常使用6-20根纖維。中心管是一根有開口或孔的圓柱形中空管，允許流體在中空纖維的外表面和中心管的的內(nèi)芯之間流動。開口的大小、位置和數(shù)量取決于所應(yīng)用的流型、元件的大小和在殼側(cè)的氣體流動速度。開口可以是鉆孔、開槽或其它穿孔形式。由孔占據(jù)的橫截面積主要由所需的壓力降來確定，優(yōu)選保持可接受的最小橫截面積。中心管可以由任何非滲透材料制成，如金屬、玻璃、木材、塑料、復(fù)合層壓板等。
中空纖維繞圓柱形中心管心軸纏繞的方法在現(xiàn)有技術(shù)中已確立了，用于形成管板的方法和材料以及切割管板暴露出中空纖維腔的方法也是這樣的。在一種方法中，中空纖維是通過在管板上切縫或切槽來切割的。在另一種方法中，可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法切割管板產(chǎn)生一平面，然后用多孔板或其它元件來支撐。
本發(fā)明的重要特征是在從組件的一端到另一端的一個行程中改變纖維纏繞角度以得到最優(yōu)的纏繞角度條件。一般說來，超過45°則認為纏繞角度大，低于45°則認為纏繞角度小。
例如，為使分離效率最優(yōu)，在高跨膜高壓差的分離應(yīng)用中，在膜組件的有效區(qū)域內(nèi)使用高纏繞角度是有利的。這樣的分離包括從天然氣中分離CO2，或在煉油廠或合成氨過程中從含氫氣流中分離H2，在這種分離中跨過膜的壓差為400-2000 psig。有效區(qū)域是指能發(fā)生有效流體分離的區(qū)域。
與此相反，為了利用能高壓切槽或鉆孔的管板設(shè)計結(jié)構(gòu)，如US4207192和US4061574所描述的，則要求小纏繞角度。在這種情況下，在纖維-管板的界面區(qū)域纖維的纏繞角度(由纏繞比來控制)由大變小。
在某些分離應(yīng)用中，流體分離條件在組件的有效區(qū)域要求小的纏繞角度，而在管板區(qū)域則要求大的纏繞角度。在這些應(yīng)用中，利用平切的管板結(jié)構(gòu)是有利的，平整地切割底面以暴露和打開所有封閉的纖維。如果跨過管板的壓差低(通常小于400psig)，則這種平切管板是有利的。在這種情況下，通過提高封裝區(qū)的纏繞角度，能顯著地降低跨過管板的腔側(cè)壓力損失。與第一個例子相反，在纖維-管板界面區(qū)域纏繞角度由大變小。
在高回收率的軸向流方案以及高級分割比條件下(回收率至少60-95％)改變纏繞角度更為有利，在這種場合中流動速度沿組件長度改變很快。改變填充密度對高回收率，即高分離比，流體分離基本上是有利的。術(shù)語“分離比”是指滲透氣體與流體進料混合物中的此氣體的摩爾比。腔以及殼側(cè)流體的流速和組成改變時，與纖維的最優(yōu)接觸角度(例如，最好的傳質(zhì)角度)也可以改變。在這種情況下，從組件的一端到另一端逐漸改變纖維的纏繞角度也是有益的。
中空纖維組件的另一重要特征是纖維的填充密度。高填充密度(大于50％)具有面積填充效率高和通過組件流動分布改進的優(yōu)點。然而，提高填充密度會使殼側(cè)流體壓力降升高。從工藝的觀點來看，高壓力降是不希望的，還會導(dǎo)致組件的損害。
通過對纖維的布置(即纏繞比率)，本發(fā)明提供了在沿組件長度上的填充密度的控制，因此在軸向流動構(gòu)型中控制最優(yōu)流動動力學(xué)。“軸向流動構(gòu)型”是指進料流體平行于纖維方向流動，滲透物氣體的流動平行于沿進料氣體入口和殘液出口而行的軸。
具有可變填充密度的組件可以允許組件的高流速區(qū)域內(nèi)壓力降低，同時能使在組件的低流速區(qū)域的填充密度和流動分布效率最大。填充密度分布的控制還可以更有效地在整個組件中安排和分布殼側(cè)流體。
軸向殼側(cè)進料組件的進料流體速度在入口區(qū)域比出口區(qū)域高，因此，在這一區(qū)域低的填充密度(低于50％)是最優(yōu)的。然而從入口區(qū)域到組件段末端逐漸提高填充密度是有利的。在這一方案中，組件是以這樣的方式纏繞的相鄰的平行單纖維之間的距離從組件的進料端到組件的排出端減少。
市場上可以購得的纏繞設(shè)備可以用來纏繞本發(fā)明的中空纖維膜。Salt LaieCity，Utah的CMC提供了一種帶有在纏繞過程中改變組件旋轉(zhuǎn)速度和橫向速度的電子傳動裝置的設(shè)備。
按本發(fā)明技術(shù)構(gòu)成的組件如圖1所示。環(huán)形中空纖維膜組件1是通過將單根纖維2螺旋地纏繞在中心軸3上形成的，中心軸3上有孔9。如環(huán)氧樹脂的封裝材料用來密封組件4的帽蓋端4和組件的封裝端5。纖維組件用阻擋層6包起來，除敞開的區(qū)域7之外，它基本上是不能滲透進料流體的。使用這樣一種不能滲透的阻擋層6在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，如US4781834和US4865736，后者在這里引入作為參考。纖維內(nèi)腔的的敞開是通過在封裝材料上切槽來產(chǎn)生的，用8表示。圖1A顯示了圖1所示組件從封裝端看的視圖。從圖1可以看出，在封裝端的纏繞角度小于在組件未封裝部分的纏繞角度。
在組件管板區(qū)域纏繞角度不同于在組件有效區(qū)域的纏繞角度。小的纏繞角度有利于在切槽的管板上打開纖維，因為截斷打開中空纖維所需最小切口高度隨纏繞角度的下降而下降。在切槽的管板部分的小纏繞角度是有利的，因為組件的封裝高度最小。
纏繞角度的改變導(dǎo)致了組件中不同部分的填充密度不同。因此，在有效區(qū)域和封裝區(qū)域的中空纖維填充密度相互不同。在填充密度高的某些方案中，組件直徑可以從一部分到另一部分不同。在圖1-4和6所示的方案中組件具有恒定的直徑。
在整個組件直徑上，相應(yīng)于有效組件部分和管板部分的中空纖維纏繞角度優(yōu)選在每一纖維層中基本上保持恒定。如圖2所示。內(nèi)層、中層和外層環(huán)形中空纖維分別用10、11和12表示。盡管在封裝和未封裝的界面13上纖維纏繞角度由大至小變化，但是，沿組件長度在任何給定的距離上的纖維與在徑(由中心軸向外)向上的纖維基本上是相互平行的(如纖維10、11和12的角度相同)。
以可變的角度纏繞也可以用在含有兩個管板的纖維束上，即在兩端封裝和切槽的纖維束允許從兩端除去滲透物或向纖維內(nèi)腔中引入進料/清掃流體，如圖3所示。纖維2在封裝端5以小的角度纏繞，但在管板之間的未封裝(有效)區(qū)域以較高的角度纏繞。在這里，封裝部分的小纏繞角度允許以最有效的方式將槽8切入封裝材料內(nèi)來切斷和打開纖維。圖3所示組件可以放置在具有四個開口的外殼內(nèi)一個口用于引入進料流體；第二個口用來除去非滲透流體；第三個口用于引入清掃流體；第四個口用于除去清掃和滲透流體。這樣的設(shè)置公開在US4981498中，其內(nèi)容在這里引入作為參考。
在一種可選的方案中，如圖4所示，纖維2在封裝的管板區(qū)域5以大的角度纏繞，在有效(未封裝)區(qū)域以小的角度纏繞。在這一情況下，封裝端平整地切斷，暴露出敞開的纖維8，正如圖4A所示，該圖是圖4所示組件從封裝端看的視圖。在這里，在封裝端區(qū)域的所有纖維在封裝底面上部暴露出來，而與纏繞角度無關(guān)。在封裝區(qū)域纏繞角度最大是有益的，因為它可以使管板中腔側(cè)壓力降最小。
除沿組件長度改變纏繞角度外，在某些方案中，改變同一層中相鄰中空纖維之間的距離是所希望的。在許多方案中，在所有層中中空纖維相互間的長度的差小于約10％，優(yōu)選小于5％。
本發(fā)明中的另一方案提供了一種軸向流動的中空纖維膜組件，其中填充密度和橫截直徑沿組件的長度改變。這種可變的填充密度的組件如圖5所示。在這一方案中，除改變纖維角度外，相鄰纖維2之間的距離從封裝端5到帽蓋端4減少。這導(dǎo)致了從封裝端5到帽蓋端4的填充密度的升高。除與封裝端5相鄰的窄環(huán)形區(qū)域外，一層不滲透的阻擋層薄膜6圍繞在中空纖維組件上。在上述方案中使用這樣一種阻擋層是特別有利的，因為它允許進料與纖維中的滲透物流形成分批并流或逆流的流動模式。為得到這種流動模式，必需引導(dǎo)每一批進料流與組件的中心軸成一直線。使用不能滲透的阻擋膜達到了這一結(jié)果，并避免了溝流、旁路以及其它低效率流動。變化填充密度的軸向流組件的這樣一種益處至今還未被人們所認識。
在所示的方案中，滲透物僅從組件的一端除去，進料流為軸向的，殘余物從心軸(未示出)上的孔中除去，這與圖1所示的結(jié)構(gòu)相似。優(yōu)選地，在所有層中中空纖維相互之間的長度變化小于約10％，優(yōu)選小于5％。
圖1、4和5所示的本發(fā)明的中空纖維組件，當引入到如圖6所示的流體分離設(shè)備中時，可以成功地用于各種流體分離應(yīng)用，特別是氣體分離。中空纖維分離設(shè)備20(如圖6所示)包括一個位于壓力容器21中的膜元件1。加壓的流體從封蓋23上的進料孔22進入。然后，流體通過壓力容器21內(nèi)表面在與圍繞組件的不透性的阻擋層6之間的通道24，接著進入到組件的環(huán)形未封區(qū)域7。此時，加壓流體以平行于中心軸3的方向通過纖維膜組件。進料物流中易滲透組分穿過中空纖維壁，然后，滲透物流跨過管板5達到封裝側(cè)端蓋27上的滲透物出口26。進料物流的殘液/不滲透物部分經(jīng)開孔9流進中空的心軸3，并通過帽蓋端的封蓋23上的排出口28流出?！癘”形環(huán)29在管板5和壓力容器21的內(nèi)側(cè)之間提供了一個不透流體的密封。另一個“O”形環(huán)30在帽蓋端的封蓋23與中心軸3之間提供了不透流體的密封。纖維2(只示出一根纖維)在組件的有效區(qū)域以大的纏繞角度纏繞(優(yōu)選45°-60°)，而在組件管板封裝區(qū)域以小的纏繞角度纏繞(10°-30°)。封裝區(qū)域的小纏繞角度允許利用管板5上的切槽8切斷組件中的所有纖維。
用在本發(fā)明中空纖維膜組件流體分離裝置中的中空纖維取決于要采用的特定分離方法。其制備和組成對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是已知的。人們可以使用密壁(dense wall)、多孔、非對稱或復(fù)合膜來構(gòu)成本發(fā)明中空纖維膜組件流體分離設(shè)備。
可滲透中空纖維的制造和制造它們的材料是已知的。這些中空纖維易于通過I.Cabasso的“Hollow Fiber Memranes”，Kirk-OthmerEnc.of Chem.Tech.，12，Third Ed.，92-517(1980)以及I.Cabasso的“Membranes”Enc.of Pol.Sc.&Eng，.，9，Second Ed.，509-579(1987)上描述的方法來制造。根據(jù)用途(如氣體分離，基于液體的分離，如微濾、超濾等)，可以選擇具有適當形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、尺寸和孔徑的中空纖維。
有利的是中空纖維具有足夠厚的壁以致于不需特殊的設(shè)備來處理。中空纖維的外徑可從約1mil或更小到約100mil或更大，優(yōu)選約2mil到約80mil。中空纖維的壁厚為約0.1mil到約12mil或更大，優(yōu)選至少約0.2mil到最大約20mil。
在許多實例中，中空纖維是一種復(fù)合膜的形式的，在多孔中空纖維的表面上涂上一層薄的膜形成材料。這些可以通過任何已知的方法來生產(chǎn)，如US4467001中所描述的方法，其中將膜形成材料的溶液涂在多孔中空纖維的外表面上，至沉積的干涂層厚最高約7000埃，優(yōu)選約500-2000埃。
中空纖維流體分離組件和本發(fā)明的滲透器設(shè)備用來從含有至少一種其它組分的的流體混合物中分離和濃縮第一組分。在可以用本發(fā)明組件和設(shè)備分離的多組分氣體混合物中，可以是He/N2、CO2/CH4、He/CH4、O2/N2、H2/CO2/CO/N2、CH4/CO2/H2S、CO/H2、H2/CH4、He/CH4/N2、He/O2/N2、N2/H2、N2/CH4、H2O/O2/N2；還包括許多本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員已知的可以通過膜滲透技術(shù)分離的其它組合物。
本發(fā)明的特定特征方便在顯示在一個或多個附圖中，每一個特征都可以結(jié)合本發(fā)明的其它特征來使用。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以認識到其它可選的方案，它們都包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1)一種環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，包括多層纏繞在圓柱形中心管上的螺旋纏繞的半滲透中空纖維，其中所述組件具有至少一個管板區(qū)域和一個有效區(qū)域，其中在一層或多層中纖維的纏繞角度在組件的軸向長度上變化。
2)根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，其中在所述纏繞組件的所有層中中空纖維的相互間長度差小于10％。
3)根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，其中在跨過組件直徑的相鄰層的相鄰區(qū)域內(nèi)的中空纖維的纏繞角度基本相同。
4)根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，其中中空纖維之間的距離在組件的整個軸向長度上變化。
5)根據(jù)權(quán)利要求4的環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，其中填充密度在組件的整個軸向長度上變化。
6)根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，其中流體包括氣體混合物。
7)根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，其中在組件管板區(qū)域的纏繞角度不同于在組件有效區(qū)域的纏繞角度。
8)根據(jù)權(quán)利要求1的環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，其中在所有層中纖維纏繞角度在組件的軸向長度上變化。
9)一種具有第一端和第二端的環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，包括多層螺旋纏繞的半滲透中空纖維，所述組件包封在封閉的阻擋材料內(nèi)，所述阻擋材料相對于所述流體是不滲透的，除與組件的所述第一端相鄰的未包裹的環(huán)形區(qū)域外，沿整個所述組件延伸，其中在一層或多層中纖維的纏繞角度在組件的軸向長度上變化。
10)一種中空纖維膜設(shè)備，包括a)一個環(huán)形流體分離中空纖維膜組件，該組件包括多層纏繞在圓柱形中心管上的螺旋纏繞的半滲透中空纖維，其中在一層或多層中纖維的纏繞角度在組件的軸向長度上變化；b)一個密封所述組件的流體不滲透外殼；c)一個進料流體入口；d)一個滲透物流體排出口；和e)一個未滲透物流體排出口。
全文摘要
本發(fā)明包括一種環(huán)形流體分離中空纖維膜組件,該組件包括多層的螺旋纏繞的半滲透中空纖維,其中在一層或多層中纖維的纏繞角度在組件的軸向長度上變化,此外還公開了一種制造組件的方法和一種包括上述組件的分離設(shè)備。
文檔編號B01D53/22GK1171290SQ97109569
公開日1998年1月28日 申請日期1997年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月29日
發(fā)明者S·吉格利亞, B·比克遜 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司