CN101115545A - 膜分离组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于分离流体进料的组件(10)。所述组件通常包括具有流体进料流入口(24)、残余物流出口(26)和渗透物流出口(30)的细长壳体(12)。所述壳体包含至少一个膜分离元件(34)以形成至少部分地限定线性渗透物通道管(44)的膜分离元件线性串列(32)。渗透物配接器(54)与线性渗透物通道管(44)的一个端部接合。渗透物配接器(54)包括用于接纳线性渗透物通道管(44)的端部(46)的接纳开口(120)。所述配接器限定贯穿其延伸的渗透物通道(130)并包括多个渗透物排出口(132)，所述渗透物通道设置成使接纳开口(120)与渗透物排出口(132)流体连通。

Description

膜分离组件
技术领域
本发明一般涉及流体分离，更具体地涉及经由一个或多个由膜分离元件组成的组件进行的流体分离。各种商业方法依赖于流体分离技术，以便从混合物中分离出一种或多种流体组分。特别地，各种这类方法可涉及分离液体混合物、从液体中分离蒸汽或气体或分离混合气体。
背景技术
例如，在天然气流中经常见到通常被归为酸性气体的二氧化碳，例如浓度可高达80％。二氧化碳与水结合可极大地腐蚀和快速损害或破坏管道及相关的处理设备。因此，这类处理过程通常要么需要使用特殊的且更贵的结构材料，要么需要从处理流中有效地隔离或去除二氧化碳。
尽管可采用各种酸性气体移除技术，包括吸收处理、低温处理、吸附处理，但对于这类和各种其它的流体分离应用，通过使用选择性地将一些流体化合物或成分与其它成分分离的膜例如薄的半透膜进行的流体分离的应用日益广泛。这种膜分离通常基于流体混合物中各种组分的相对渗透性，而相对渗透性源于驱动力如压力、分压、浓度和温度的梯度。这种选择性渗透导致流体混合物分离成通常被称作“滞留物”的部分——例如通常由慢渗透组分组成，以及“渗透物”的部分——  例如通常由快迁移组分组成。
气体分离膜通常制造成两种形式之一：平板或中空纤维。平板通常合并成螺旋卷绕元件，而中空纤维通常以与管壳式换热器相似的方式捆扎在一起。
在典型的螺旋卷绕结构中，两片中间具有渗透间隔件的平板膜沿着它们的侧边之中的三条被接合例如胶合在一起，从而形成一封套，即“叶片”，该封套的一端敞开。许多这些封套由进料间隔件分开并卷绕，以形成渗透物管，其中封套的开口端面向渗透物管。进料气体沿膜的侧边进入并穿过使封套分开的进料间隔件。随着气体在封套之间行进，二氧化碳和其它高透过性的化合物渗透进入封套中。这些透过的组分仅具有一个可用出口：它们必须在封套内行进到渗透物管。这种传送的驱动力是低的渗透物压力和高的进料压力。渗透物气体例如通过贯穿渗透物管的孔进入渗透物管。然后，渗透物气体行进通过所述管以与来自其它管的渗透物结合。未透过的进料侧气体通过与进料位置相对的元件侧离开。
在中空纤维元件中，非常精细的中空纤维以高度密实的型式卷绕在中心管上。在这种卷绕型式下，纤维的两端都终止于元件一侧的渗透物罐。进料气体在纤维上方和纤维之间流过，并且有一些组分渗透进去。然后，透过的气体在纤维内移动直至到达渗透物罐，并在该处与来自其它纤维的渗透物混合。所有的渗透物通过渗透物导管或管道离开所述元件。未透过的气体最终到达元件的中心管，该中心管通常与螺旋卷绕元件中的渗透物管类似地被打孔。但是，在这种情况下，中心管是用于残余物收集而非用于渗透物收集。
应当认识到，每种元件类型都有特定的优点。例如，螺旋卷绕元件通常可处理较高的压力，更能抵抗污垢并且在天然气脱硫作业中具有较长的使用寿命。相比之下，中空纤维元件通常具有较高的组装密度。因此，基于中空纤维的设备通常比对应的螺旋卷绕设备更小。
在任一种情况下，一旦被制成元件，膜通常形成为模块，例如包含多个膜分离元件的管。模块可单独使用，或者更普遍地互连成串联或并联的结构或阵列。通常，设备可具有从至少两个到高达数百个形成阵列的模块。每个模块具有输入(例如，进料)流、包含未穿过膜分离元件的物质的输出流或残余物流，以及包含穿过例如透过膜分离元件的物质的渗透物流。
许多这种分离应用需要相当高的压力。在许多场合下，这类处理过程的压力在约3447至约20684kPa(500至3000psi)的范围内。在处理这种压力时，除了具有足够的壁厚外，必需具有良好的压力密封件。各种处理流程流(例如，进料、残余物和渗透物流)必须保持被适当地分离。这些流的任何混合都会降低处理过程的效率。
当前的螺旋卷绕膜气体分离压力容器构型是反渗透工业的一种产品，多年来这种构型在反渗透工业中具有自己的标准。这种容器构思被设计成用于可简便地采用供长丝卷绕的塑料管的应用场合，例如，当膜的幅状物卷绕在心轴上时塑料管的内径可容易地制造成具有精确的尺寸。
气体膜工业需要修改标准的反渗透容器构型以应对或满足其独特的工艺需要。例如，它们可采用更大的渗透物管道或导管，以便更好地处理更大(规模)的可能的渗透物流动。此外，为了满足与气体处理工业相关的典型的高压工作要求以及这类处理所必需的严格圆度和直径规格，采用钢管并将钢管的内径珩磨成具有适度高的表面光洁度，例如16RMS或更小。
此外，在气体膜分离应用中也通常采用一种例如用在反渗透处理中的端部汲取(end draw)构型。这种端部汲取构型通常导致渗透物集管从压力管的端部延伸。因此，这种构型通常导致膜机组(membrane skid)比其它情况下所需要的更长，或者导致其中所用的膜管长度减小，从而单元的处理能力相应降低。
制造这种膜机组的困难之一在于需要确保渗透物集管与膜压力管端部处的法兰接头很好地对准。此外，渗透物集管通常必须在膜元件在管中装载和卸载时每次都移走。在使用时，由于周期性的设备维护和日常处理需要都必须关闭设备，这种膜模块组件可能会经受反复的加压和减压循环。但是，模块的密封件可能无法充分地、弹性地响应于模块减压时快速降低的压力以与相关膜一起维持可靠的密封。结果，密封件有可能在减压过程中移位和/或丧失密封接触，这又导致如果随后试图对模块再加压，则会引起流体泄漏。这种流体泄漏将由此导致模块无法再执行其预期的流体分离功能。一旦发生流体泄漏，那么唯一的选择就是使模块停止工作并重建膜密封元件。
此外，使用螺旋卷绕膜的一个普遍问题是每个包含膜的模块通常都需要进行机加工以获得接近的公差，从而确保良好的压力密封。结果，每个模块的成本显著增加。
因此，人们需要和要求获得用于通过多个膜分离元件分离流体进料的改进的组件。
人们还需要和要求获得允许渗透物流体从除管子端部中央以外的位置移除的改进的膜分离组件。特别地，需要和要求获得允许渗透物从膜串列(membrane string)的两端移除的改进的膜分离组件。此外，例如，需要和要求获得允许渗透物从管子端部之间的一个或多个期望位置移除的改进的膜分离组件。
发明内容
本发明的一般目的是提供改进的膜分离组件。
本发明的更具体的目的是克服上述的一个或多个问题。
本发明的目的可至少部分地通过用于经由至少一个膜分离元件分离流体进料的组件来实现。根据本发明的一个优选实施例，这种组件包括具有相对的第一端部和第二端部的细长壳体。该壳体还具有至少一个流体进料流入口、至少一个残余物流出口和至少一个渗透物流出口。该壳体包含至少一个膜分离元件以形成具有相对的第一端部和第二端部的膜分离元件线性串列。膜分离元件线性串列至少部分地限定具有相对的第一端部和第二端部的线性渗透物通道管。所述组件还包括与线性渗透物通道管的第一端部接合的第一渗透物配接器。第一渗透物配接器具有第一面部、相对设置的第一背部以及在所述第一面部和第一背部之间延伸的第一体部。第一面部包括用于接纳线性渗透物通道管的第一端部的第一接纳开口。第一体部限定贯穿其延伸的第一渗透物通道。第一体部包括设置在其中并与第一渗透物流出口流体连通的第一组多个渗透物排出口。第一渗透物通道使第一接纳开口与所述第一组多个渗透物排出口流体连通。
现有技术通常无法提供允许渗透物从除管子端部中央以外的位置移除的膜分离组件。此外，现有技术通常无法提供允许渗透物从膜串列的两个端部移除的膜分离组件。另外，现有技术通常无法提供允许渗透物从管子端部之间的一个或多个期望位置移除的膜分离组件。
本发明还包括用于气体分离的改进的膜组件。这种膜组件包括至少一个细长膜压力管，该细长膜压力管包括至少一个进料流气体入口、至少一个残余物流气体出口以及至少一个渗透物流出口。所述至少一个细长膜压力管包含由多个形成为线性串列的螺旋卷绕膜分离元件组成的螺旋卷绕膜分离元件串列。所述螺旋卷绕膜分离元件串列至少部分地限定具有相对的第一端部和第二端部的线性渗透物通道管。根据本发明一个优选实施例的改进膜组件包括与线性渗透物通道管的第一端部接合的第一渗透物配接器和与线性渗透物通道管的第二端部接合的第二渗透物配接器。
第一渗透物配接器具有第一面部，该第一面部包括用于接纳线性渗透物通道管的第一端部的第一接纳开口。第一渗透物配接器还具有从第一面部背对着线性渗透物通道管延伸的第一体部。第一体部限定贯穿其延伸的第一渗透物通道。第一体部包括设置在其中的第一组多个渗透物排出口。第一渗透物通道使第一接纳开口与所述第一组多个渗透物排出口流体连通。
第二渗透物配接器具有第二面部，该第二面部包括用于接纳线性渗透物通道管的第二端部的第二接纳开口。第二体部限定贯穿其延伸的第二渗透物通道。第二体部包括设置在其中并与第二渗透物流出口流体连通的第二组多个渗透物排出口。第二渗透物通道使第二接纳开口与所述第二组多个渗透物排出口流体连通。
本发明还包括用于通过至少一个膜分离元件分离流体进料的双重渗透物汲取膜组件。根据本发明的一个优选实施例，这种双重渗透物汲取膜组件包括具有相对的第一端部和第二端部的细长壳体。该壳体还具有至少一个流体进料流入口、至少一个残余物流出口以及第一和第二渗透物流出口。该壳体包含至少一个膜分离元件以形成膜分离元件线性串列。膜分离元件线性串列至少部分地限定具有相对的第一端部和第二端部的线性渗透物通道管。
双重渗透物汲取膜组件还包括与线性渗透物通道管的第一端部接合的第一渗透物配接器。第一渗透物配接器具有第一面部、相对设置的第一背部以及在所述第一面部和第一背部之间延伸的第一体部。第一面部包括用于接纳线性渗透物通道管的第一端部的第一接纳开口。第一体部限定贯穿其延伸的第一渗透物通道。第一体部包括设置在其中并与第一渗透物流出口流体连通的第一组多个渗透物排出口。第一渗透物通道使第一接纳开口与所述第一组多个渗透物排出口流体连通。
双重汲取膜组件还包括与线性渗透物通道管的第二端部接合的第二渗透物配接器。第二渗透物配接器具有第二面部、相对设置的第二背部以及在所述第二面部和第二背部之间延伸的第二体部。第二面部包括用于接纳线性渗透物通道管的第二端部的第二接纳开口。第二体部限定贯穿其延伸的第二渗透物通道。第二体部包括设置在其中并与第二渗透物流出口流体连通的第二组多个渗透物排出口。第二渗透物通道使第二接纳开口与所述第二组多个渗透物排出口流体连通。
本领域技术人员从下面结合所附权利要求和附图给出的详细说明可清楚看到本发明的其它目的和优点。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的膜组件的简化剖视图；
图2是根据本发明一个实施例的渗透物配接器的局部剖切俯视图；
图3是图2所示的渗透物配接器的局部剖切侧视图；
图4是图2和3所示的渗透物配接器沿图3中的线4-4看去的端视图；
图5是图3所示的渗透物配接器中用A表示的被圈起部分的放大的局部剖视图；
图6是根据本发明另一个实施例的膜组件的简化剖视图；
图7是根据本发明又一个实施例的膜组件的简化剖视图；
图8是由多个根据本发明一个实施例的膜组件组成的阵列的简化局部透视图；
图9是由多个根据现有技术的膜组件组成的阵列的简化局部透视图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于通过多个膜分离元件来分离流体进料的改进的组件。如下面将更详细所述，本发明提供了允许渗透物从除管子端部中央以外的位置移除的改进的膜分离组件。此外，根据某些优选实施例，本发明提供了允许渗透物从膜串列的两端移除的膜分离组件。而且，根据某些优选实施例，本发明提供了允许渗透物从管子端部之间的一个或多个期望位置移除的膜分离组件。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员应当认识到，本发明能以或能结合具有各种不同结构的膜分离组件的形式加以实践或实施。如图所示，图1示出根据本发明一个实施例的总体用附图标记10表示的简化膜组件。图1的膜组件10被简化以便于图示和理解，并未详细示出膜组件的各种内部件，例如包括各种垫圈、密封件等。应当认识到，膜组件的这类内部件通常是本领域公知的，并且一般不对本发明的更广泛的实践构成限制。
尽管根据本发明的膜组件可具有各种应用，但认为本发明在从天然气中分离二氧化碳或者与从天然气中分离二氧化碳相结合的应用中特别有用。但是，应当理解，本发明的更广泛的实践并非必须限制于从天然气中分离二氧化碳的应用，而是在需要时也可采用根据本发明的膜组件实现其它流体分离，例如包括其它气体分离，例如形成氮气和氧气的空气非低温分离；氢-碳氢化合物的分离；氢气与碳的氧化物如一氧化碳和/或二氧化碳的分离，以及液体分离例如涉及反渗透处理的分离。此外，涉及纳滤或微滤的分离可使用根据本发明的膜组件来实现。
回到图1，膜组件10包括封闭壳12。封闭壳12适于采用具有大致呈圆筒形或管状圆筒形轮廓的细长壳体的形式。因此，下文中有时将封闭壳12称作膜压力管。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，根据本发明的封闭壳可由各种适当的材料制成，例如各种金属、金属合金，或复合材料如纤维增强聚合物，理想的材料对于从其通过的处理流材料至少比较呈惰性。例如，作为一种较轻质的金属，铝是根据本发明一个实施例的构造的优选材料。或者，根据本发明的封闭壳可由非金属材料如长丝卷绕的容器构造而成，例如由碳纤维或玻璃纤维制成。
封闭壳12具有相对的第一端部和第二端部，分别用14和16表示。端部14和16的每一个例如通过各自的法兰盖板20和22与大气隔绝，从而分别在每个端部14和16处形成实心端盖。
封闭壳12包括靠近或接近封闭壳第一端部14的流体进料流入口或进料流端口24，从而在封闭壳12内形成进料储存器25。封闭壳12还包括靠近或接近封闭壳第二端部16的残余物流出口或残余物流端口26，从而在封闭壳12内形成残余物储存器27。封闭壳12还包括靠近或接近封闭壳第一端部14的渗透物流出口或渗透物流端口30。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，渗透物流出口或端口30期望设置在围绕封闭壳12圆周的任意选定位置并从封闭壳12沿径向伸出，例如如图1所示。特别地，图1示出渗透物流出口或端口30靠近封闭壳第一端部14地竖直/垂直伸出。
封闭壳12容纳或有效地包含总体用附图标记34表示的膜分离元件的串列32。在膜组件10中，膜分离元件34被单独地指定为第一、第二、第三和第四膜分离元件，它们分别用附图标记34a、34b、34c和34d表示并通过用附图标记36表示的夹子或其它选定的连接件或接合件依次连接。实际上，膜分离元件串列32通常包括形成为具有相对的第一和第二端部的线性串列的至少一个膜分离元件34，所述第一和第二端部分别用40和42表示。此外，尽管膜分离元件串列32示出为包括四(4)个膜分离元件34，本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员应当理解，根据本发明的膜分离元件串列通常可包括至少一个但优选为两个或多个膜分离元件。例如，根据本发明的特定实施例，如果需要，本发明可通过采用可选地包括6、7、8、9、10、11或12个膜分离元件的膜分离元件串列而得以实施，典型的膜分离元件串列采用6至10个膜分离元件。此外，本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可理解并认识到，在特定组件中所采用的膜分离元件的数量通常取决于具体的应用，另外，特定系统可不均匀地装载膜分离元件，以便于获得期望的分段削减(stage cut)。
膜分离元件串列32至少部分地限定线性渗透物通道管44，该通道管例如大致居中设置并沿纵向延伸通过膜分离元件34。线性渗透物通道管44具有或包括相对的第一端部和第二端部，分别用46和50表示。如图所示，如果需要，线性渗透物通道管44可包括管延长件52，有时也通常已知为“远离管”，该管延长件例如延伸穿过进料储存器25并由此避免或防止进料储存器25内的进料流材料与通过渗透物通道管44的渗透物材料之间发生不希望的直接接触。
膜组件10还包括第一渗透物配接器54，该第一渗透物配接器与线性渗透物通道管44的第一端部46例如管延长件52接合。膜组件10还包括设置在线性渗透物通道管44的第二端部50上的盖或塞子58，以防止或避免不希望的接触通过渗透物和残余物材料发生或者在渗透物和残余物材料之间发生。
图2-5更详细地示出根据本发明一优选实施例的渗透物配接器110，如此处进一步所述，该渗透物配接器有利地容许或允许渗透物材料沿径向从膜压力管——通过该细长组件的侧部而非通过该细长组件的纵向端部——运送离开。渗透物配接器110具有或包括面部112、相对设置的背部114以及在面部112和背部114之间延伸的体部116。面部112包括用于接纳相关联的渗透物通道管例如图1所示的渗透物通道管44的相应端部的接纳开口120。
或许参照图3-5可清楚看到，接纳开口120期望形成或包括背面122和侧壁124，以便于使相关联的渗透物通道管按要求与该接纳开口连接或布置或靠着该接纳开口连接或布置。接纳开口120也期望形成或包括倾斜的导入侧壁125以便于装配。
回到图2-5，渗透物配接器110的体部116包括大致成管状的中央段126，该中央段限定贯穿其延伸的渗透物通道130。体部116包括多个设置在其中的渗透物排出口132，所述排出口与渗透物流出口例如图1所示的渗透物流出口30流体连通。渗透物通道130用于使接纳开口120与所述多个渗透物排出口132流体连通。
渗透物配接器110具有或包括四组渗透物排出口132(图3中仅能看到四组渗透物排出口132中的两组)，各组渗透物排出口与紧邻的那组渗透物排出口之间相隔约90度地布置，其中每组渗物透排出口包括三个独立的渗透物排出口132。但是，应当理解，本发明的更广泛的实践无需受限于这种排出口的特定位置、布置或数量。
渗透物配接器110还期望包含或包括处理用便利结构(processingexpedient)，例如接近或靠近面部112设置的一个或两个密封环140，以及设置在接纳开口120上或附近的密封槽142。本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员将认识到，这种或类似的密封环或密封台肩能以适当的密封件如O形圈密封件的期望布置和定位而被使用，从而更好地保证维持穿过组件的流体流的期望分离，例如使高压流体进料与低压渗透物流材料分离。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员将会理解并认识到，如果需要，可排布并设置这类密封件的适当的替换布置或定位。例如，在上述实施例中，密封槽142示出为位于背面122上，从而可使用大直径元件将现有的法兰靠在背面上。但是，作为替换，密封槽可沿着侧部例如沿开口侧壁124设置，从而密封渗透物管的外径而不是渗透物管的端部法兰。
渗透物配接器110还可包含或包括期望的支承结构，例如支承翼150。在所示实施例中，渗透物配接器110示出为包括四个支承翼150，各个支承翼大致与紧邻的支承翼以约90度等间隔地布置。支承翼150的一些或全部可包含或包括期望的构造或制造用便利结构，例如用附图标记154表示的提升孔、用于减轻重量的缺口或狭槽156、和/或倒角的边缘端部160，以便于进行渗透物配接器的安装和移除中的一项或两项。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，根据本发明的渗透物配接器期望能在本发明的膜组件中执行多项功能。例如，本发明的渗透物配接器可用作结构装置，该结构装置可抵抗由于进料与渗透物的差压而产生或形成的力，包括在接纳开口产生的力以及由渗透物通道管传递到渗透物配接器的力。
本发明的渗透物配接器例如通过设置在其周界上或围绕其周界设置的密封件如密封环140以及位于或靠近接纳开口的密封件如密封槽142还可用于按期望使低压渗透物材料与高压进料流和残余物材料流分离。
本发明的渗透物配接器还可按期望用于至少部分地形成或产生低压渗透物材料的收集区。此外，本发明的渗透物配接器可用于在当膜元件上的压降可正常产生比由进料与渗透物的差压所产生的力大的力时的启动过程中抑制膜分离元件串列。这种抑制可通过各种手段实现，例如，包括通过渗透物管或管道上的螺纹、配接器上的固定夹或位于组件任一端上的弹簧抑制件。
回到图1，与图2-5所示的渗透物配接器110类似的第一渗透物配接器54具有或包括第一面部62、相对设置的第一背部64以及在第一面部62和第一背部64之间延伸的第一体部66。如所示，法兰盖板20通常邻接着第一配接器54的第一背部64设置。
第一面部62包括用于接纳线性渗透物通道管44的第一端部46的第一接纳开口70。如同上面针对渗透物配接器110所述的那样，第一渗透物配接器54的第一体部66限定贯穿其延伸的第一渗透物通道74。第一体部66包括设置在其中并与第一渗透物流出口30流体连通的第一组多个渗透物排出口76。第一渗透物通道74用于使第一接纳开口70与所述第一组多个渗透物排出口76流体连通。
如图1所示，渗透物收集环80围绕第一渗透物配接器54形成，通过排出口76排出的渗透物材料可收集或临时驻留在其中，直至被传送到靠近或接近封闭壳第一端部14的渗透物流出口或端口30。本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，在根据本发明的膜组件中如此存在或包含渗透物收集环可极大地简化和便于例如根据特定应用的要求以不同的特定方位布置和定位渗透物流出口30。
在工作中，例如当存在希望从中分离出一种或多种组分或成分的流体进料时，这种流体进料在升高的压力下通过靠近或接近封闭壳第一端部14的流体进料流入口或端口24被引入膜组件10，从而在封闭壳12内形成进料储存器25。实际上，这类组件的工作压力通常在约690至约13790kPa(100至2000psig)的范围内，这取决于具体应用。例如，在处理天然气时，工作压力一般在约4137至约10342kPa(600至1500psig)的范围内。在处理氢气时，工作压力一般在约8274至约13790kPa(1200至2000psig)的范围内。
膜组件10对进料产生作用从而形成渗透物材料和残余物材料。残余物材料通过膜分离元件34连通至残余物储存器27，随后通过残余物流出口或端口26离开组件10。
渗透物材料通过渗透物通道管44连通至第一渗透物配接器54。渗透物材料通过第一渗透物通道74并向外通过渗透物排出口76连通进入渗透物收集环80，最终通过渗透物流出口30流出。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到由根据本发明的这种膜组件提供或产生的各种显著优点。例如，根据本发明的这种膜组件令人希望地避免了在组件的端部法兰处或从端部法兰处包含或存在管路连接件。通过将膜组件管路安置在侧部而非从组件的端部延伸，连接到膜组件壳体的管路可如愿地进行焊接而非依赖于法兰连接件。特别是当存在高浓度的有害组分例如氢化硫时，优选采用焊接连接。此外，在存在这种膜组件的阵列的情况下，这种侧部管路连接允许形成使阵列中的膜组件相连的渗透物集管，该集管可在外部靠近膜壳体设置，而不用从膜壳体的任一个或两个相对的纵向端部沿轴向延伸。这样，本发明允许或便于包括多个这种膜组件的机组的任一者或两者都制造得更短从而可更方便地达到或满足限制性的输运或布置约束，或者例如结合和使用更长的管组件。这类因素在诸如近海平台的应用中非常重要，在近海平台应用中运输和组件基座面积是关键因素。因此，本发明可显著降低与提供特定的产品流量所需的机组相关的成。
可以认识到，确保膜压力管上的法兰连接件与渗透物集管在现场位置方面正确对准是一项繁琐的工作，要花费大量的成本和大量的时间。通过将膜组件管路布置在侧部而非从组件的端部延伸，本发明允许从壳体进行膜分离元件的维护和更换而无需拆下渗透物集管。这样，本发明不仅可用于缩短装载膜机组和/或更换其中的膜元件所需的时间，而且可用于令人希望地降低与机组制造和生产相关的成本，例如，管路的布局及其制造可明显得到简化。
另外，膜组件10中的渗透物配接器54的布置期望用作该组件的安全校验。例如，通常与膜组件相关的安全隐患是在压力壳内可能捕集高压气体。操作者可能误认为零渗透物压力表明压力壳减压并由此可安全开启。那么，端部法兰的松动可能导致机械部件从压力壳中弹出的潜在危险。但是，在采用根据本发明的组件的情况下当端部法兰松动时，这种被捕集气体的存在通常会引起渗透物配接器的运动，从而允许被捕集气体通过渗透物端口排出，由此安全地平衡配接器上的压力。
此外，由于通过实施本发明能显著降低膜压力管内的临界压力，本发明更容易允许或容许使用较大直径的膜分离元件。
而且，如下面更详细所述，由于本发明不将渗透物连接件的位置或布置限制在细长壳体的端部，本发明允许渗透物材料从沿壳体长度方向上的选定位置处排出，从而为设计者提供了迄今为止尚不易于获得或实现的各种处理选择。
现在转到图6，其中示出根据本发明另一个实施例的总体用附图标记610表示的简化膜组件。与图1所示的膜组件10类似，图6的膜组件610被简化以便于图示和理解，并未详细示出膜组件的各种内部件，例如包括各种垫圈、密封件等。应当认识到，膜组件的这类内部件通常是本领域公知的，并且一般不对本发明的更广泛的实践构成限制。
膜组件610包括封闭壳612。封闭壳612适于采用具有大致呈圆筒形或管状圆筒形轮廓的细长壳体形式，并且在下文中有时被称作膜压力管。封闭壳612具有相对的第一端部和第二端部，分别用614和616表示。每个端部614、616例如通过各自的法兰盖板620和622与大气隔绝，从而分别在每个端部614和616处形成实心端盖。
封闭壳612包括靠近或接近封闭壳第一端部614的第一端部端口624，从而在封闭壳612内形成第一端部储存器625。封闭壳612还包括靠近或接近封闭壳第二端部616的第二端部端口626，从而在封闭壳612内形成第二端部储存器627。
与上述膜组件10类似，膜组件610具有或包括靠近或接近封闭壳第一端部614的第一端部渗透物流出口或端口630。但是，如下面将详细叙述，膜组件610与上述膜组件10的主要区别在于存在或包含靠近或接近封闭壳第二端部616的第二端部渗透物流出口或端口631。因此，例如为膜组件610的膜组件有时被称作“双重渗透物汲取”膜组件。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，在这种双重渗透物汲取膜组件中，第一端部端口624或第二端部端口626中的任一个可用作进料端口，而第一端部端口624和第二端部端口626中的另一个可用作残余物流端口或出口，相应地，第一端部储存器625和第二端部储存器627适当地用作进料储存器或残余物储存器。
与上述膜组件10的封闭壳12类似，封闭壳612容纳或有效地包含总体用附图标记634表示的膜分离元件的串列632。在膜组件610中，膜分离元件634被分别指定为第一、第二、第三和第四膜分离元件，它们分别用附图标记634a、634b、634c和634d表示并通过例如用附图标记636表示的夹子或其它选定连接件或接合件依次连接。实际上，膜分离元件串列632通常包括形成为具有相对的第一和第二端部的线性串列的至少一个膜分离元件634，所述第一和第二端部分别用640和642表示。此外，尽管膜分离元件串列632示出为包括四(4)个膜分离元件634，如同上述的膜分离元件串列32那样，本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员应当理解，根据本发明的膜分离元件串列通常可包括至少一个但优选为至少两个或更多个膜分离元件。
膜分离元件串列632至少部分地限定例如大致居中设置并沿纵向贯穿膜分离元件634延伸的线性渗透物通道管644。线性渗透物通道管644具有或包括相对的第一和第二端部，分别用646和650表示。如果需要，则如所示，线性渗透物通道管644可包括例如延伸穿过第一端部储存器625的第一端部管延长件或远离管652以及例如延伸穿过第二端部储存器627的第二端部管延长件或远离管653，这种管延长件可令人希望地用于避免或防止在相应的储存器625和627中的进料流材料和残余物材料与通过渗透物通道管644的渗透物材料之间发生不希望的直接接触。
膜组件610还包括第一渗透物配接器654，如本发明所期望的，第一渗透物配接器与线性渗透物通道管644的第一端部646如第一端部管延长件652接合或连接。膜组件610还包括第二渗透物配接器655，也如本发明所期望的，第二渗透物配接器与线性渗透物通道管644的第二端部650如第二端部管延长件653接合或连接。
与上述的渗透物配接器54类似，第一渗透物配接器654具有或包括第一面部662、相对设置的第一背部664以及在第一面部662和第一背部664之间延伸的第一体部666。第一面部662包括用于接纳线性渗透物通道管644的第一端部646的第一接纳开口670。如同上面针对渗透物配接器110所述的那样，第一渗透物配接器654的第一体部666限定贯穿其延伸的第一渗透物通道674。第一体部666包括设置在其中并与第一端部渗透物流出口630流体连通的第一组多个渗透物排出口676。第一渗透物通道674用于使第一接纳开口670与所述第一组多个渗透物排出口676流体连通。
渗透物收集环680围绕第一渗透物配接器654形成，通过排出口676排出的渗透物材料可收集或临时驻留在其中，直至被传送到靠近或接近封闭壳第一端部614的渗透物流出口或端口630。本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，在根据本发明的膜组件中如此存在或包含渗透物收集环可极大地简化和便于例如根据特定应用的要求以不同的特定方位布置和定位第一端部渗透物流出口630。
类似地，第二渗透物配接器655也具有或包括第二面部663、相对设置的第二背部665以及在第二面部663和第二背部665之间延伸的第二体部667。第二面部663包括用于接纳线性渗透物通道管644的第二端部650的第二接纳开口671。如同上面针对渗透物配接器110所述的那样，第二渗透物配接器655的第二体部667限定贯穿其延伸的第二渗透物通道675。第二体部667包括设置在其中并与第二端部渗透物流出口631流体连通的第二组多个渗透物排出口677。第二渗透物通道675用于使第二接纳开口671与所述第二组多个渗透物排出口677流体连通。
同样类似地，渗透物收集环681围绕第二渗透物配接器655形成，通过排出口677排出的渗透物材料可收集或临时驻留在其中，直至被传送到靠近或接近封闭壳第二端部616的第二端部渗透物流出口或端口631。本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，在根据本发明的膜组件中如此存在或包含渗透物收集环可极大地简化和便于例如根据特定应用的要求以不同的特定方位布置和定位第二端部渗透物出口631。
另外，本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可进一步认识到，第一和第二端部渗透物出口630和631可根据特定应用的要求相对于封闭壳612设置在相同或不同角度上。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，当膜分离元件串列中的渗透物流量很高时，通过例如上述实施例的应用——其中渗透物流可从膜分离元件串列的两端排出——可显著地降低渗透物压降。鉴于此，可认为本发明的实施对于例如涉及在进料气体中具有高浓度二氧化碳的天然气的分离特别有吸引力。
此外，这种双重渗透物汲取系统使得根据本发明而实施的浮动膜分离元件串列可令人希望地避免或消除例如由于进料与渗透物材料之间的压差而产生大的轴向力。因此，本发明可更方便地使用较大直径的渗透物管。
现在转到图7，其中示出根据本发明另一实施例的总体用附图标记710表示的简化膜组件。图7所示的膜组件710与图6所示的膜组件610大致相似并包括分别具有相对的第一端部714和第二端部716的封闭壳712。每个端部714、716例如通过各自的法兰盖板720和722与大气隔绝，从而分别在每个端部714和716处形成实心端盖。
封闭壳712包括靠近或接近封闭壳第一端部714的第一端部端口724，从而在封闭壳712内形成第一端部储存器725。封闭壳712还包括靠近或接近封闭壳第二端部716的第二端部端口726，从而在封闭壳712内形成第二端部储存器727。
膜组件710具有或包括靠近或接近封闭壳第一端部714的第一端部渗透物流出口或端口730。膜组件710还具有或包括靠近或接近封闭壳第二端部716的第二端部渗透物流出口或端口731。这种膜组件有时被称作包括或包含两种单一的汲取渗透物。
与上述膜组件610的封闭壳612类似，封闭壳712容纳或有效地包含总体用附图标记734表示的膜分离元件的串列732。在膜组件710中，膜分离元件734被分别指定为第一、第二、第三和第四膜分离元件，它们分别用附图标记734a、734b、734c和734d表示并通过用附图标记736表示的夹子或其它选定的连接件或接合件依次连接。
但是，膜组件710与上述膜组件610的主要区别在于存在或包括例如居中设置在形成膜分离元件线性串列732的膜分离元件734的其中两个之间从而形成中央储存器738的中央端口737。在所示实施例中，中央端口734定位在膜分离元件734b和膜分离元件734c之间。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，这种具有中央端口的膜组件允许或者容许采用迄今为止尚不易于实现的各种处理选择。例如，如果需要，膜组件710能以这样的方式工作，即端部端口724和726用作进料端口，而中央端口737用作残余物端口。或者，中央端口737用作进料端口，而端部端口724和726用作残余物端口。
膜分离元件串列732至少部分地限定例如大致居中设置并沿纵向贯穿膜分离元件734延伸的线性渗透物通道管744。线性渗透物通道管744包括第一端部部分744a和第二端部部分744b。线性渗透物通道管744还具有或包括相对的第一和第二端部，分别用746和750表示。如果需要，则如所示，线性渗透物通道管744可包括例如延伸穿过第一端部储存器725的第一端部管延长件或远离管752以及例如延伸穿过第二端部储存器727的第二端部管延长件或远离管753，这种管延长件可令人希望地用于避免或防止在相应的储存器725和727中的进料流材料和残余物材料与通过渗透物通道管744的渗透物材料之间发生不希望的直接接触。
膜组件710还包括第一渗透物配接器754，如本发明所期望的，第一渗透物配接器与线性渗透物通道管744的第一端部746如第一端部管延长件752接合或连接。膜组件710还包括第二渗透物配接器755，也如本发明所期望的，第二渗透物配接器与线性渗透物通道管744的第二端部750如第二端部管延长件753接合或连接。
膜组件710还包括靠近中央储存器738的与线性渗透物通道管744的第一端部746接合或连接的第一盖或塞子758，以及靠近中央储存器738的与线性渗透物通道管744的第二端部750接合或连接的第二盖或塞子759。
与上述的渗透物配接器54类似，第一渗透物配接器754具有或包括第一面部762、相对设置的第一背部764以及在第一面部762和第一背部764之间延伸的第一体部766。第一面部762包括用于接纳线性渗透物通道管744的第一端部746的第一接纳开口770。第一渗透物配接器754的第一体部766限定贯穿其延伸的第一渗透物通道774。第一体部766包括设置在其中并与第一端部渗透物流出口760流体连通的第一组多个渗透物排出口776。第一渗透物通道774用于使第一接纳开口770与所述第一组多个渗透物排出口776流体连通。
渗透物收集环780围绕第一渗透物配接器754形成，通过排出口776排出的渗透物材料可收集或临时驻留在其中，直至被传送到靠近或接近封闭壳第一端部714的渗透物流出口或端口730。本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，在根据本发明的膜组件中如此存在或包含渗透物收集环可极大地简化和便于例如根据特定应用的要求以不同的特定方位布置和定位第一端部渗透物流出口730。
类似地，第二渗透物配接器755也具有或包括第二面部763、相对设置的第二背部765以及在第二面部763和第二背部765之间延伸的第二体部767。第二面部763包括用于接纳线性渗透物通道管744的第二端部750的第二接纳开口771。第二渗透物配接器755的第二体部767限定贯穿其延伸的第二渗透物通道775。第二体部767包括设置在其中并与第二端部渗透物流出口731流体连通的第二组多个渗透物排出口777。第二渗透物通道775用于使第二接纳开口771与所述第二组多个渗透物排出口777流体连通。
同样类似地，渗透物收集环781围绕第二渗透物配接器755形成，通过排出口777排出的渗透物材料可收集或临时驻留在其中，直至被传送到靠近或接近封闭壳第二端部716的第二端部渗透物流出口或端口731。本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，在根据本发明的膜组件中如此存在或包含渗透物收集环可极大地简化和便于例如根据特定应用的要求以不同的特定方位布置和定位第二端部渗透物出口731。
分别如图1、6和7所示的膜组件10、610和710示出了本发明的特定实施例，在使用相同的基本管长和组件连接件的同时提供了不同流动选项。应当认识到，压力壳直径和侧部端口的尺寸或位置一般都不会对本发明的更广泛的实践构成限制。
本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员可认识到，根据本发明的膜组件可设计成容纳标准尺寸的膜分离元件，例如膜分离元件的直径可选地为2、4、6和8英寸，而长度通常为40英寸。此外，如果需要，根据本发明的膜组件可设计成容纳加大的膜分离元件，例如直径为11.5英寸或更大，例如直径为13.5、16乃至40英寸的膜分离元件。
为了进一步更具体地指出本发明的至少一些优点，现在参照图8和图9，图8示出一阵列，具体地是由多个如上所述的根据本发明的膜组件组成的总体用附图标记800表示的阵列的一部分，图9也示出一阵列，具体地是由多个根据现有技术的普通膜组件组成的总体用附图标记900表示的阵列的一部分。
更具体地，膜组件阵列800总体包括多个类似于上述双重渗透物汲取膜组件610且并行连接的组件，这些膜组件分别用附图标记810a、810b、810c和810d表示。尽管图8所示的膜组件阵列部分800示出为包括四个膜组件，但本领域的和受此处给出的教导所指导的技术人员应当认识到，根据本发明的膜组件阵列可制造为具有任意适当选定的数量的本发明的膜组件。
膜组件810a-d的每一个都包括封闭壳细长壳体812a-d，每个壳体分别具有第一端部814a-d和第二端部816a-d。膜组件810a-d的每一个还分别包括或具有进料端口824a-d，这些进料端口共同地接合或连接至进料集管824H。膜组件810a-d也各自包括或具有残余物端口(图8中仅示出膜组件810a的残余物端口826a)，这些残余物端口共同地接合或连接至进料集管826H。膜组件810a-d还各自包括或具有第一端部渗透物流出口或端口(图8中仅示出膜组件810a的第一端部渗透物流端口830a)，这些第一端部渗透物流端口共同地接合或连接至第一端部渗透物集管830H。每个膜组件810a-d还包括或具有第二端部渗透物流出口或端口(分别用附图标记831a、831b、831c和831d表示)，这些第二端部渗透物流端口共同地接合或连接至第二端部渗透物集管831H。如所示，第一端部渗透物集管830H和第二端部渗透物集管831H中的至少一个、优选是两个都设置在外部靠近细长壳体812a-d地分别设置在相对的细长壳体第一端部814a-d和细长壳体第二端部816a-d之间。
这种排布与图9所示的膜组件阵列900形成鲜明对比，在图9中的膜组件阵列中，现有技术的膜组件910a-d并行地接合或连接，但是相对设置的第一端部渗透物集管930H和第二端部渗透物集管931H分别延伸通过相应的端部封闭件920a-d和922a-d，而不是在外部靠近细长壳体912a-d地设置在相对的细长壳体第一端部914a-d和细长壳体第二端部916a-d之间。
如上所述，本发明采用了允许渗透物从细长组件的侧部而非从相对设置的纵向端部之一被传递或传送的渗透物配接器。因此，本发明允许实现多种流动构型，包括单一的和双重的渗透物汲取构型以及端部或中央的进料注入，而无需对系统硬件进行大的改动。另外，通过避免管路位于或延伸通过相应的端部封闭件，本发明的组件能以更低的成本制造和维护。
因此，本发明提供了一种用于通过至少一个膜分离元件分离流体进料的改进的膜分离组件。如本文中详细所述，通过实施本发明可实现的改进和优点包括：提供了更简单的标准化壳体设计，提供了对于固定长度的管或壳体产生或导致增大的组装区域的组件，消除了通过膜元件的细长壳体的端部封闭件的管路或流体连接件；改进了机组水平面上的封装选择并增加了关于流动构型的柔性，而无需对硬件进行大量的替换。
在本文中例述性地适当公开的本发明在缺少本文中未具体公开的任意元件、部件、步骤、组分或成分的情况下也可实施。
尽管在上面的详细说明中针对本发明的某些优选实施例对本发明进行了阐述，并出于例述的目的叙述了很多细节，但本领域技术人员显然明白本发明还具有其它实施形式，并且在不背离本发明基本原理的情况下可对本文中所述的某些细节作相当多的改变。

Claims (11)

1.一种用于通过至少一个膜分离元件(34)分离液态或气态的流体进料的组件(10)，该组件包括：
细长壳体(12)，该细长壳体具有相对的第一端部(14)和第二端部(16)，该壳体还具有至少一个用于流体进料流的入口(24)、至少一个用于残余物流的出口(26)和至少一个用于渗透物流的出口(30)，所述壳体包含至少一个膜分离元件(34)以形成具有相对的第一端部(40)和第二端部(42)的膜分离元件线性串列(32)，该膜分离元件线性串列(32)至少部分地限定具有相对的第一端部(46)和第二端部(50)的线性渗透物通道管(44)；以及
与所述线性渗透物通道管的第一端部(46)接合的第一渗透物配接器(54)，所述第一渗透物配接器(54)具有第一面部(112)、相对设置的第一背部(114)以及在所述第一面部(112)和第一背部(114)之间延伸的第一体部(116)，所述第一面部(112)包括用于接纳所述线性渗透物通道管(44)的第一端部(46)的第一接纳开口(120)，所述第一体部(116)限定贯穿其延伸的第一渗透物通道(130)，所述第一体部(116)包括第一组多个渗透物排出口(132)，所述第一组多个渗透物排出口设置在所述第一体部中并与所述第一渗透物流出口(30)流体连通，所述第一渗透物通道(130)使所述第一接纳开口(120)与所述第一组多个渗透物排出口(132)流体连通。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，第一流体进料流入口(24)靠近所述膜分离元件线性串列(32)的第一端部(40)设置。
3.如权利要求2所述的组件，其特征在于，第一残余物流出口(26)靠近所述膜分离元件线性串列(32)的第二端部(42)设置。
4.如权利要求2和3所述的组件，其特征在于，
所述壳体(12)包含多个膜分离元件(34)，并且所述多个膜分离元件形成所述膜分离元件线性串列(32)；并且
第二流体进料流入口(24)靠近所述膜分离元件线性串列(32)的第二端部(42)设置，第一残余物流出口(26)居中设置在形成所述膜分离元件线性串列(32)的膜分离元件(34)的其中两个之间。
5.如权利要求1至4所述的组件(10)，其特征在于，
所述壳体(12)包含多个膜分离元件(34)，并且所述多个膜分离元件形成所述膜分离元件串列(32)；
第一流体进料流入口(737)居中设置在形成所述膜分离元件线性串列(32)的膜分离元件(34)的其中两个之间；
第一残余物流出口(26)靠近所述膜分离元件线性串列(32)的第一端部(40)设置；并且
第二残余物流出口(631)靠近所述膜分离元件线性串列(32)的第二端部(42)设置。
6.如权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，第一渗透物流出口(30)靠近所述第一渗透物配接器(54)并垂直于所述细长壳体(12)设置。
7.如权利要求1至6所述的组件，其特征在于，包括螺旋卷绕膜分离元件。
8.如权利要求1至7所述的组件，其特征在于，所述气态流体进料选自包含二氧化碳的天然气、空气以及氢气和碳的氧化物的混合物。
9.如权利要求1至8所述的组件，其特征在于，还包括与线性渗透物通道管(644)的第二端部(650)接合的第二渗透物配接器(655)，第二渗透物配接器(654)具有第二面部(663)、相对设置的第二背部(665)以及在所述第二面部(663)和第二背部(665)之间延伸的第二体部(667)，所述第二面部(663)包括用于接纳所述线性渗透物通道管(644)的第二端部(650)的第二接纳开口(671)，所述第二体部(667)限定贯穿其延伸的第二渗透物通道(675)，所述第二体部(667)包括设置在其中并与第二渗透物流出口(631)流体连通的第二组多个渗透物排出口(677)，所述第二渗透物通道(675)使所述第二接纳开口(671)与所述第二组多个渗透物排出口(677)流体连通。
10.如权利要求1至9所述的组件，其特征在于，第二渗透物流出口(631)靠近第二渗透物配接器(655)并垂直于所述细长壳体设置。
11.一种阵列(800)，包括多个并行连接的如权利要求1至10所述的组件(810a-d)，其中每个组件的至少一个渗透物流出口(830a)接合到渗透物集管(830H)中，并且该渗透物集管在外部靠近所述细长壳体(812a-d)地设置在所述细长壳体的相对的第一和第二端部(814a-d)之间。
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