CN103140277B - 管板及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

管板、结合管板的组件并且它们的制造和使用方法。在一种实施方式中，本发明包括管板，所述管板包含：i)多个排列好的半渗透性中空纤维膜，每个中空纤维膜包含围绕内腔并在第一和第二端之间延伸的圆筒形多孔结构、并还包含位于与第一端邻接的第一段和位于与第二端邻接的第二段；和ii)灌封材料块，其包括界面表面。中空纤维膜的第一段埋在灌封材料块内，第二段从所述块的界面表面延伸。所述管板还包含灌封材料在中空纤维膜的第二段的多孔结构内的渗透延伸，所述渗透延伸沿着从所述块的界面表面到远端的长度延伸。

Description

管板及其制造和使用方法
交叉引用声明
本申请要求2010年9月28日提交的美国申请No.12/891,968的权益，所述申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及管板、结合管板的组件、以及它们的制造和使用方法。
背景技术
管板是许多类型的流体过滤组件、包括兼用于气体和液体分离的那些过滤组件的部件。管板包含多个排列好的半渗透性中空纤维膜(即“束”)，所述中空纤维膜包括埋入(即“灌封”)在树脂灌封材料块内的端段。纤维的末端可以终止在灌封材料内或延伸穿过所述灌封材料以暴露所述纤维的开放内腔。当制作成组件时，所述管板提供围绕单根纤维周缘的密封，并阻止流体除通过纤维内腔以外的流体通道。根据组件的构造，管板可以与外壳的内壁(例如US 5192478、JP63111906)或可浸没的联管箱(header)(例如US 2009/0026140、US 2005/0126982、US 6214226、US 6294039和US 7160454)形成密封。管板、管板制造方法和结合管板的组件的例子提供在US 3722695、US 4138460、US 5192478、US 6290756、US 7662333和JP 2009-125642中。具体的灌封技术包括离心灌封(例如US 6974554)和使用具有孔板的模具结构(例如US 2007/0158257、US 5840230和JP 07-32867)。
 管板的纤维在灌封材料的界面处或附近容易受到损伤。这至少部分是由于所述纤维在与灌封材料的界面附近缺少柔性所致。在文 献中描述了改善这种影响的各种技术，包括使用多层灌封层(例如US 3708071、US 6290756、US 6974554和US 2007/0158257)、胶粘层(例如US 6592759)和在灌封界面附近使用纤维涂层(例如US 5192478、US 7344645、US 7704393和JP 2005-52716)。这些技术致力于纤维的外缘，并经常需要使用多种组合物和或加工步骤，例如内层用刚性环氧树脂灌封材料灌封，而外层用更柔性的环氧树脂、聚硅氧烷或聚氨酯材料灌封。
发明内容
在主要的实施方式中，本发明包括管板，所述管板包含：i)多个排列好的半渗透性中空纤维膜，每个中空纤维膜包含围绕内腔并在第一和第二端之间延伸的圆筒形多孔结构、并还包含位于与第一端邻接的第一段和位于与第二端邻接的第二段；和ii)灌封材料块，其包括界面表面。中空纤维膜的第一段埋入灌封材料块内，第二段从所述块的界面表面延伸。所述管板还包含灌封材料在中空纤维膜的第二段的多孔结构内的渗透延伸，所述渗透延伸沿着从所述块的界面表面到远端的长度延伸。在优选实施方式中，所述渗透延伸在灌封材料块的界面表面附近处为纤维提供了应变消除。公开了很多其他实施方式，包括结合管板的组件及它们的制造和使用方法。
附图说明
包含的图举例说明了所述管板的几种实施方式。所述图没有按比例，并包括理想化的视图以便于描述。在可能的情况下，在所有的图和书面描述中使用相似的数字来指示相同或类似的部件。
图1是管板的透视图。
图2是管板的横截面、部分剖视立视图。
图3(a)和3(b)是可浸没型流体过滤组件的横截面立视图，显示了在不同装配阶段的管板。
图4是加压型流体过滤组件的横截面透视图。
发明详述
管板总体显示在图1的10中。管板(10)包含多个半渗透性中空纤维膜(12)，每个中空纤维膜包含围绕内腔(16)并在第一(18)和第二(20)端之间延伸的圆筒形多孔结构(14)、并还包含位于与第一端(18)邻接的第一段(22)和位于与第二端(20)邻接的第二段(24)。虽然所述半渗透性中空纤维膜(即“纤维”)可以是柔性的并按照非线性路径，但它们优选大体沿着共同的路径排列。纤维的这种布置在本技术领域中通常被称为“束”。纤维的尺寸没有具体的限制。优选的尺寸包括：外径约0.5至5mm，内径约0.5至2mm，壁厚度(即内外径之间的多孔结构)约0.1至2mm。纤维的长度没有具体的限制，并通常取决于其中使用纤维的组件的设计。代表性的长度包括约0.2至2m的那些。半渗透性中空纤维膜的类型没有具体的限制。代表性的例子包括从聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚酰胺制备的中空纤维膜，通常通过已知的相转化法制备。其他的例子包括由聚烯烃例如聚丙烯、聚乙烯和相关共聚物通过已知的刻蚀和拉伸方法制成的膜。纤维(12)的圆筒形多孔结构(14)没有具体的限制，并可以包括各向同性或各向异性的结构。在优选实施方式中，纤维(12)适合于微滤和超滤应用，例如孔径约0.001至10μm，但是更优选0.01至1μm。
管板(10)还包含灌封材料块(26)。纤维(12)的第一段(22)埋入在块(26)内，而第二段(24)从所述块(26)延伸。第一和第二段之间的转换出现在块(26)的界面表面(28)处。块(26)的构造没有具体的限制，并通常与在其中形成所述块的模具或组件对应(如图3和4所示)。块(26)的组成没有具体的限制，但是优选包含一种或多种已知的灌封材料，包括环氧树脂、聚氨酯和聚硅氧烷。
图2示出了管板、例如参考图1描述的管板的放大横截面图。如所示，纤维(12)的第一段(22)被埋在灌封材料块(26)内，而第二段(24)从所述块(26)的界面表面(28)延伸。所述界面表面(28)限定了纤维(12)开始延伸的块(26)的外缘。所述管板还包含灌封材料在纤维(12)的第二段(24)的多孔结构(14)内的渗透延伸(30)，所述渗透延伸从所 述块(26)的界面表面(28)沿着纤维(12)的长度(L)延伸到远端(32)。渗透延伸的长度(L)优选比纤维(12)的外径大至少3、更优选至少4并甚至更优选至少5倍。在各种实施方式中，长度(L)等于或大于5、6、7、8、9或10mm。在其他实施方式中，长度(L)是约2至30mm、6至30mm、7至20mm、10至20mm、7至15mm、8至15mm、9至15mm和10至15mm。如所示，灌封材料可以存在于纤维(12)在块(26)内的位置处的多孔结构(14)内，即，沿着纤维(12)的第一段(22)。
渗透延伸(30)优选在界面表面(28)处的厚度大于在远端(32)的厚度，其中“厚度”在纤维(12)的壁内部、即在纤维的内外径之间测量。在一种实施方式中，渗透延伸(30)的厚度在界面表面(28)处大于沿着沿着其长度(L)的中点处。在另一种实施方式中，渗透延伸(30)的厚度沿着从界面表面(28)至远端(32)的长度(L)单调性降低。渗透延伸的厚度可以沿着长度(L)连续地变化，即具有如图2中所示的“锥形”
结构。或者，所述厚度可以采取不连续的方式变化，例如阶梯方式，未显示。在这两种的任一种实施方式中，渗透延伸(30)在界面表面(28)处的厚度优选是所述纤维(12)的壁厚的至少一半(1/2)，但是更优选至少三分之二(2/3)。如图2中所示，在界面表面(28)处，渗透延伸(30)的厚度基本上等于纤维(12)的整个壁厚，并向厚度是零的远端(32)单调性降低。在优选实施方式中，渗透延伸(30)在块(26)的界面表面(28)附近位置处为纤维(12)提供了应变消除。
所述管板可以包括位于在纤维(12)的第二段(24)的圆筒形多孔表面(14)上的灌封材料的涂层(34)，所述涂层沿着块(26)的界面表面(28)到远向端(32’)的长度延伸。涂层(34)的长度不需要与渗透延伸(30)的长度(L)相同。在一种实施方式中，涂层(34)在界面表面(28)处的厚度大于在远向端(32’)的厚度，其中涂层(34)的厚度从纤维(12)的外径向外测量，即，涂层(34)的厚度不包括纤维的多孔壁内的任何灌封材料。如同渗透延伸(30)的厚度一样，涂层(34)的厚度优选沿着它从界面表面(28)到远向端(32’)的长度降低。所述厚度可以沿着长度连续变化，即具有如图2所示的“锥形”结构。或者，所述厚度可以 采取不连续的方式变化，例如阶梯方式(未显示)。如同渗透延伸(30)一样，涂层(34)也可以在块(26)的界面表面(28)附近位置处为纤维(12)提供应变消除。还可以通过使用厚度沿着从界面表面(28)到远端(32’)的长度而降低的涂层(34)来进一步提高应变消除。
图3(a)和(b)示出了可浸没型组件，包括两种不同装配状态的管板。所述组件总体以(36)显示，包括矩形联管箱(38)、渗透物室(40)和渗透物出口(42)。组件(36)包括如前面描述的管板，所述管板包括多个从第一端(18)延伸到第二端(20)的纤维(12)。在示出的实施方式中，纤维(12)的第二端(20)可以密封，但是保持未灌封。第一端(18)延伸穿过灌封材料块(26)并且是开放的。装配期间，纤维(12)插过板(44)中的小孔。所述板的孔(未显示)的大小和形状对应于纤维(12)的外径。板(44)起到对齐和定向纤维(12)的作用，并在灌封过程期间提供液体灌封材料的通道的屏障。板(44)可以是联管箱(38)内的整体结构，或者随后布置在联管箱(38)内的单独部件(在纤维(12)穿过所述板之前或之后)。一旦纤维(12)穿过板(44)定位和所述板布置在联管箱(38)内后，液体灌封材料(46)被分配到联管箱(38)中，到达第一水平(Y)。这个装配阶段在图3(a)中示出。如图3(b)所示，一部分液体灌封材料随后被排出或以其它方式除去，使得剩余的灌封材料停留在第二水平(Z)，在该水平时，它随后硬化，形成固体块(26)。灌封材料块(26)提供对单根纤维(12)边缘周围的密封，并进一步密封联管箱(38)内的渗透物室(40)。初始添加液体灌封材料到第一水平(Y)与除去一部分液体灌封材料到第二水平(Z)之间的时间期限没有具体的限制，但是优选基于纤维(12)的孔径、液体灌封材料的初始粘度和灌封材料的固化速率进行优化，使得产生如前面描述的渗透延伸。在优选实施方式中，纤维暴露于第一水平(Y)下的液体灌封材料的时间期限少于几分钟，优选少于60秒，更优选少于10秒并甚至更优选少于2秒。
在未显示的替代实施方式中，所述管板可以用模具制成，随后从所述模具中取出管板。在又一种实施方式中，纤维束的第一段在 模具或联管箱内的液体灌封材料内被浸没(例如浸渍)到第一深度，然后部分退回到灌封材料硬化形成块的第二深度(即在第一位置到第二位置之间移动)。以这种方式，在所述纤维的第二段的一部分内形成渗透延伸。可以任选在所述纤维的外壁上形成涂层。
在优选的实施方式中，所述块、渗透延伸和任选的涂层(如果存在的话)包含相同组成的灌封材料。另外，所述块、渗透延伸和任选的涂层优选基本上同时被固化或硬化，例如作为其中形成各个部件的连续灌封操作的一部分。
图4示出了总体以(48)显示的加压型流体过滤组件，包括圆筒形外壳(50)、端盖(52，54)，端盖包括渗透物室(56，58)和流体端口(60，62，64)。管板位于外壳(50)内，并包括多个排列好的半渗透性中空纤维膜(12)以及位于每一端的灌封材料块(26，26’)。块(26)的构造与外壳(50)的内缘对应，并与其产生流体密封。在运行中，加压的进料流体通过流体端口60流入所述组件，并任选通过端口(62)离开，例如在错流运行期间。一部分流过组件(48)的进料流体渗透通过纤维(12)并通过纤维内腔流到渗透物室(56，58)。渗透物从流体端口(64)离开所述组件。灌封材料块(26，26’)防止进料流体进入渗透物室(56，58)。
已经描述了本发明的许多实施方式，在有些情况下，某些实施方式、选择、范围、成分或其他特征已经被描述为“优选”。“优选”特征的描述决不能被解读为表明这样的特征是本发明要求的、必需的或关键的。应理解，某些特征和子组合具有效用，并且可以在不考虑其他特征和子组合下加以利用。涉及数值范围则明确包括这种范围的端点。本文中提到的每个US专利文献的全部主题都通过引用并入本文。

Claims (9)

1.管板(10)，所述管板(10)包含：
i)多个排列好的半渗透性中空纤维膜(12)，每个中空纤维膜(12)包含围绕内腔(16)并且限定外径、内径和其间的壁厚并在第一端(18)和第二端(20)之间延伸的圆筒形多孔结构(14)、并还包含位于与第一端(18)邻接的第一段(22)和位于与第二端(20)邻接的第二段(24),和
ii)灌封材料块(26)，其包括界面表面(28)，
其中所述中空纤维膜(12)的第一段(22)埋在灌封材料块(26)内，并且其中第二段从所述灌封材料块(26)的界面表面(28)延伸；以及
其中所述管板(10)特征在于包含灌封材料在所述中空纤维膜(12)的第二段(24)的多孔结构(14)内的渗透延伸(30)，所述渗透延伸(30)沿着从所述灌封材料块(26)的界面表面(28)到远端(32)的长度(L)延伸，并且其中所述渗透延伸(30)具有等于或大于8mm的长度(L)并且在所述界面表面(28)处的厚度大于在所述远端(32)处的厚度且为所述中空纤维膜(12)的壁厚的至少三分之二。
2.权利要求1的管板(10)，其中所述渗透延伸(30)的厚度沿着从所述界面表面(28)到所述远端(32)的长度(L)降低。
3.权利要求1的管板(10)，其中所述渗透延伸(30)的厚度沿着从所述界面表面(28)到所述远端(32)的长度(L)单调性降低。
4.权利要求1的管板(10)，其还包括位于所述中空纤维膜(12)的第二段(24)的圆筒形多孔结构(14)上的灌封材料涂层(34)，所述涂层(34)沿着所述灌封材料块(26)的界面表面(28)到远向端(32’)的长度(L)延伸，并且其中所述涂层(34)在界面表面的厚度大于在所述远向端(32’)的厚度。
5.权利要求1的管板(10)，其中所述灌封材料块(26)和所述渗透延伸(30)包含相同组成的灌封材料。
6.权利要求1的管板(10)，其中所述灌封材料的渗透延伸(30)的长度(L)比所述中空纤维膜(12)的外径大至少5倍。
7.权利要求1的管板(10)，其中所述渗透延伸(30)在界面表面(28)处的厚度大于沿着其长度(L)的中点处的厚度。
8.权利要求1的管板(10)，其中所述圆筒形多孔结构(14)是各向同性的圆筒形多孔结构。
9.权利要求1的管板(10)，其中所述渗透延伸(30)具有等于或大于10mm的长度(L)。
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