CN100361729C - 用于形成气体传递膜的褶式结构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于实现气体通过薄膜从第一流体传递到第二流体的接触器(10)，所述接触器(10)具有位于一个外壳(12)内的圆柱形褶式膜滤芯(24)，所述外壳具有用于第一流体的第一入口和第一出口(20)以及至少一个用于第二流体的第二出口(22)。至少一个挡板(30)位于第一流体的第一流道中。

Description

用于形成气体传递膜的褶式结构
技术领域
本发明涉及一种利用褶式多孔膜实现气体在两种流体之间流动的接触器(contactor)和方法。更具体地说，本发明涉及一种接触器，它包括一种褶式多孔膜和用于实现液流与褶式膜接触的挡板装置。
背景技术
微孔膜应用非常广泛。如果用作分离过滤器，它们从各种溶液中去除颗粒和细菌，如制药业中的缓冲液和药剂溶液、微电子晶片制作过程中的超纯水和有机溶剂溶液，并且用于水净化过程中的预处理。另外，它们还用于医学诊断设备中，其中它们的高度多孔性带来有利的吸收和毛细特性。
中空纤维膜被用作膜接触器，典型情况下用于脱气或气体吸收应用场合。为了将某一成分从一相传递到另一相中，接触器将两相集合到一起，即两个液相、或者一个液相和一个气相。共同的过程是气-液质量传递，如气体吸收，其中气体或气流中的某一成分被吸收在液体中。液体脱气是另一个实例，其中包含溶解气体的液体与空气、真空或某一单独相接触以去除溶解的气体。在传统气体吸收的一个实例中，气泡分散在吸收液中以增加气/液表面积并增加要从气相中吸收的组分的传递速率。相反，液滴可以被喷洒或者液体可以在喷洒塔、填料塔等的对流活动中作为薄膜传输。同样，不可溶合的液滴可以分散在第二液体中以改善传递。填料塔和喷洒塔具有缺陷，由于两相各自的速率不能在很宽的范围内独立变化，而不引起溢流、截留等。但是，如果这些相被薄膜隔开，各相的流速就可以独立变化。此外，即使在相对较低的流速下也可以利用所有面积。因为这些优势，中空纤维膜被越来越多地用于接触器应用中。
疏水微孔膜通常被用于具有不使薄膜变湿的水溶液的接触器应用场合。溶液在薄膜的一侧流动，而处于比溶液更低压力下的气体混合物在另一侧流动。薄膜各侧的压力保持为使得液体压力不会超过薄膜的临界压力，并且气体不会进入液体中。临界压力，即溶液浸入微孔的压力直接决定于用于制造薄膜的材料，相反决定于膜孔尺寸，并且直接决定于与气相接触的液体的表面张力。中空纤维膜因为采用这种装置可以获得很高填充密度的能力而得到首要应用。填充密度关系到装置每单位体积中有效过滤面积的数量。而且，它们可以采用接触内表面或外表面进料的方式进行操作，这决定于在具体应用中哪一种更有利。用于接触膜系统的典型应用是从液体中去除溶解气体(即“脱气”)，或者将气态物质添加到液体中。例如，将臭氧添加到非常纯净的水中用以提供冲洗半导体晶片的溶液。
接触器应用的一个优势在于亲水膜，如热塑性全氟聚合物的低表面张力允许与低表面张力的液体一起使用。例如，用于半导体制造业中的高腐蚀性显影剂可能包含降低表面张力的添加剂，如表面活化剂。这些显影剂不能通过典型的微孔膜脱气，因为液体将在所使用的压力下浸入孔中并且渗透，导致溶液损失和过量蒸发。另外，填充微孔的液体将大大增加气体传输的质量传递阻力。
微孔膜具有延伸穿过整个膜的连续多孔结构。该领域技术人员认为微孔宽度的范围从大约0.05微米至大约10.0微米。这种膜可以为片、管或中空纤维的形式。中空纤维具有能够以很高填充密度结合到分离装置中的优势。但是，中空纤维具有难以形成并因此而昂贵的缺陷。
因此，需要提供一种实现气体从一液相传递到第二液相而不使用中空纤维的接触装置。另外，需要提供一种以与现有接触器相比提高的传递效率在两液相之间实现气体传递的接触器。
发明内容
本发明提供了一种接触器，它包括一个外壳、一个褶式膜滤芯和一个或多个(a)位于外壳内表面和褶式膜滤芯外表面之间、或者(b)位于褶式膜滤芯内径中的挡板。这些挡板使流体流入褶式滤芯各片之间的缝隙，并且沿着流体从接触器中流出的出口的方向流动。
附图说明
图1是本发明的一种接触器的一个断开侧视图，该接触器具有位于褶式膜滤芯外表面的挡板。
图2是是本发明的一种接触器的一个断开侧视图，该接触器具有位于褶式膜滤芯内表面的挡板。
图3是用于本发明中的一种褶式滤芯的局部顶视图。
图4是本发明中一种接触器的局部侧视图，说明了一种流体的流动。
图5是用于本发明中的分段挡板的顶视图。
图6是用于本发明中带齿挡板的局部顶视图。
图7是位于膜滤芯内表面的挡板的顶视图。
图8是本发明的一种可选接触器的横截面视图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于两种流体的接触器，其中气体在这两种流体之间的传递得以实现。由液流构成的第一流体与褶式膜滤芯的内表面或外表面接触，而第二流体与滤芯剩余的内表面或外表面接触。与第一流体接触的滤芯表面设置有一个或多个挡板，它们引导流体流入褶式滤芯的相邻叶片之间的缝隙中。通过一种挡板使液流保持在这些缝隙中，该挡板定位为(a)在滤芯外壳的内表面和滤芯外表面之间的空间中、或(b)在滤芯内表面内部的空间中提供阻挡。
可以沿滤芯的高度使用一个或多个挡板。这些挡板可以由单片形成或者由配对部分，如两个配对部分形成。挡板的表面可以是光滑的或者一个挡板表面可以设置有伸入滤板或滤片之间缝隙的齿。如果包括齿则可以提供滤芯薄膜与要去除气体或者要加入气体的第一流体之间更密切的接触。
如本领域中众所周知，褶式膜由一个膜层和一个多孔支撑网层形成。合适的疏水膜包括聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚的共聚物(polytetrafluoroethylene-co-perfluoromethylvinylether，MFA)、聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚的共聚物(polytetrafluoroethylene-co-perfluoropropylvinylether，PFA)、聚四氟乙烯-六氟丙烯的共聚物(polytetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene，FEP)、聚偏二氟乙稀(PVDF)构成。PFATeflon和FEP Teflon热塑性材料由特拉华州威明顿市的杜邦公司(DUPont)制造。NeoflonPFA是可以从大金工业(DaikinIndustries)获得的聚合物。MFA Haflon是可以从奥希蒙特美国公司(Ausimont USA，Inc.)、新泽西州的塞罗费尔(Thorofare，NJ)获得的聚合物。预成形的MFA Haflon和FEP Teflon管材可以从南卡罗来那州Orangebury的Zeus工业产品公司(Zeus industrialproducts Inc.，orangebury，SC)获得。用于本发明应用中的其它热塑性材料及其混合物包括但是不限于三氟氯乙烯-偏二氟乙烯-的聚合物(poly(chlorotrifluoroethylene vinylidene fluoride))、聚氯乙烯、聚烯烃(如聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯、高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯)、聚酰胺、聚砜、聚醚醚酮、聚碳酸酯。
参考图1，其中显示了本发明接触器10的一个实施方式。接触器10包括一个具有粘接端盖14和16的外壳12。端盖14包括一个液体入口18。端盖16包括一个液体出口20和一个转接到真空源(未示出)的出口22。褶式膜滤芯24由多孔支撑罩26包围，该支撑罩被设置为支撑膜滤芯。第二多孔支撑罩也可以位于滤芯24的中心28内部。挡板30绕滤芯24的外周延伸。挡板30从罩34的外表面延伸到外壳12的内表面。挡板30用于将液体引入位于褶部40之间的缝隙38中，由此提供褶部40的褶式膜之间更密切的接触。在该实施方式中，气泡从通过入口18引入的液体中去除。
在第二实施方式中，加压气体如臭氧可以在一定条件下通过开孔22引入，以实现臭氧通过褶式膜传递到通过入口18引入的液体如水中。如果需要，可以设置第二个用于加压气体的外壳出口(未示出)以从外壳12中去除加压气体。
参考图2，图中提供了一种接触器42，其中挡板44位于褶式滤芯48的中心46内部。滤芯48由多孔支撑罩50包围。要脱气的液体通过入口52和54引入到滤芯48的中心46中。挡板44使引入的液体进入褶部60之间的缝隙中，以实现与褶部60中薄膜更密切的接触。真空源(未示出)与出口62相连以收集通过褶部60的气体。脱气的液体通过出口64收回。
在另一个实施方式中，加压气体可以在一定条件下通过出口62引入外壳66中，以实现气流如臭氧进入通过入口52和54引入的液体中。
参考图3，图1中滤芯24的褶部40位于多孔罩36和多孔罩41之间。罩36与位于外壳12内的挡板30接触。
参考图4，挡板30使液体如箭头65和67所示进入褶部40中以实现液体与膜更密切的接触。
参考图5，挡板70由使用过程中彼此接触的两个挡板部分71和72形成。
参考图6，挡板73包括齿75，这些齿配合到滤芯24的相邻褶部40之间的缝隙中由此实现液体和膜之间更密切的接触。当挡板如图3所示位于滤芯的中心内部时，齿位于挡板44的外表面上。
如图7所示，图2中的挡板44由一个实心片构成。
参考图8，图中显示了本发明接触器10的一个实施方式。接触器10包括一个具有粘接端盖14和16的外壳12。端盖14包括一个液体入口18。端盖16包括一个液体出口20和一个转接到真空源(未示出)的出口22。褶式膜滤芯24由多孔支撑罩26包围，该支撑罩被设置为支撑膜滤芯24。第二多孔支撑罩也可以位于滤芯24的中心28内部。挡板30a绕滤芯24的外周延伸。挡板30a从罩26的外表面34延伸到外壳12的内表面。挡板30a用于将液体引入褶部40之间的缝隙38中，由此提供褶部40的褶式膜之间更密切的接触。在该实施方式中，气泡从通过入口18引入的液体中去除。
在第二实施方式中，加压气体如臭氧可以在一定条件下通过开孔22引入，以实现臭氧通过褶式膜传递到通过入口18引入的液体如水中。如果需要，可以设置第二个用于加压气体的外壳出口(未示出)以从外壳12中去除加压气体。
下面实施例说明了本发明并且不用于限制本发明。
实施例1
图1中的装置具有0.05微米疏水超高分子量聚乙烯膜(3500cm2面积)，采用脱离子水测试从水中去除气体。在装置的出口中没有任何气泡存在的视觉迹象。采用YSI5100溶氧计测量的脱气效率在0.5升/分钟和2.0升/分钟流速下分别为21％和10％去除率。该结果与2.0升/分钟流速下PFA中空纤维膜接触器的8.0％相比具有优势。

Claims (16)

1.一种用于实现气体通过薄膜从第一流体传递到第二流体的接触器装置，包括：
一个位于外壳内的圆柱形褶式膜滤芯，
所述外壳具有用于第一流体的第一入口和第一出口以及至少一个用于第二流体的第二出口，
位于所述第一流体的第一流道中的挡板。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，具有多个挡板。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挡板位于所述滤芯的外表面上。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多个挡板位于所述滤芯的外表面上。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个挡板位于所述滤芯的外表面上。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多个挡板位于所述滤芯的外表面上。
7.一种用于从第一流体中去除气体的方法，包括将所述第一流体引入权利要求1所述装置的所述第一入口中、从所述第一出口中去除所述第一流体，以及对所述第二出口施加真空。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二出口与所述滤芯的中心流体连通，并且所述挡板位于所述滤芯的外表面上。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二出口与所述滤芯的外表面流体连通，并且所述挡板位于所述滤芯的内表面上。
10.一种用于向第一流体中引入气体的方法，包括将所述第一流体引入权利要求1所述装置的所述第一入口中、从所述第一出口中去除所述第一流体，以及将加压气体引入所述第二入口。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二入口与所述滤芯的中心流体连通，并且所述挡板位于所述滤芯的外表面上。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二入口与所述滤芯的外表面流体连通，并且所述挡板位于所述滤芯的内表面上。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加压气体为臭氧。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述加压气体为臭氧。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述加压气体为臭氧。
16.根据权利要求1至6中任一所述的装置，其特征在于，所述挡板包括被定位为伸入所述滤芯的褶部之间缝隙中的齿。
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