CN1054379A

CN1054379A - 带加料和渗透/吹扫流体流动控制的螺旋缠绕的膜分离装置、

Info

Publication number: CN1054379A
Application number: CN91101252A
Authority: CN
Inventors: 达莫达·雷迪; 基思·登斯罗
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1991-01-28
Publication date: 1991-09-11
Also published as: US5096584A; KR927003188A; EP0513207A1; JPH05504298A; WO1991011249A1; CA2074168A1; AU7322191A; BR9105970A; EP0513207A4; MX171957B

Abstract

一螺旋缠绕膜组件，具其中心为高压渗透区的半透膜，相对侧为两低压边缘。边缘促进待处理加料流体的分散和收集，并使通过膜高压区的加料流体的更均匀流动。组件有入、出口流动部件，用于吹扫流体逆流流动通过渗透通道。高压渗透区有高密度多孔隔离部件，其两侧面为低密度多孔隔离部件。高压渗透区和侧面低压降渗透区通过设置具特定尺寸和间隔的粘合剂或胶粘点获得。胶粘点或线相对中心管呈轴向构型。胶粘点或线设置在渗透通道中，以其构型控制逆流、并流、错流吹扫流体的流动

Description

本发明是关于一种螺旋缠绕的膜分离装置的改进设计。这种组件有一选择渗透性的膜封皮和一流体渗透隔离区，该隔离区有一较高密度（较高压力降）（或较低孔隙率）的中心区域，侧面为较高孔隙率（或较低压力降）的边缘部分，它能更均匀地分散和收集与膜封皮相接触的渗透流体。在几个特殊的实施例中，该装置有呈逆流、并流或错流流动的吹扫流体（气体）通过渗透通道。

要求除去少量的水的气体或流体脱水需要极有效的流动分布。虽然空芯纤维有很高的表面积，但是它们缺少所要求的流动分布特性。同样，对水高膨胀的膜，例如，全氟乙烯磺酸（PFSA）、NAFION

等。由于它们低劣的机械性能，空芯纤维不能在高压下使用。螺旋缠绕式的设计大大改进了流动分布，并通过使用密集的渗透隔离部件来支持跨膜的所要求的压差，允许膜在高压下使用。但是，没有一种已知的螺旋缠绕的组件设计允许吹扫流体（气体）以逆流、错流或并流方式通过渗透通道，因此，不能够有效地使用所希望采用的吹扫流体。

在公开的文献和专利文献中，发现了许多类型的膜分离装置（apparati）、设备或组件。例如，如下的美国专利作了一般的和专门的描述：

R.L.Gross，3668837;W.R.Browall等，3874986;L.Luppi，3962095;G.A.Newby，3397790;G.E.Forman等，4033878;M.Kline，4293378;R.Bairinji等，4299702;D.Setti等，4301013;W.F.Gore等，4545862;J.R.Kirwan，Jr.等，4548714;T.E.Cooley，4746430;R.Kohlheb，4765893;B.M.Schneider，4814079;和W.J.Wrasidlo，4814082。

特别是，在美国专利3872014中，W.J.Schell描述了一种螺旋设计的膜组件，这种膜组件使用了适宜从一般类型的流体混合物中分离渗透的一选择渗透性的膜，该膜组件采用通过衬层材料将两个选择渗透性膜相互分开，以在它们之间提供收集膜渗透物的一个通道。这篇专利并没有描述高密度（较高压降，或较低孔隙率）的中心区域侧面有两较低密度（较低压降或较高孔隙率）的边缘区域，它能使渗透流体（或加料流体）更均匀地流过膜表面。这篇专利并没有公开本发明的用于进一步从渗透通道除去透过的气体、蒸气或液体的逆流、错流和并流吹扫或载体流体。

现在，在海上生产的粗天然气常常使用金属管道输送到在陆地上的设备中，以便进一步纯化。粗天然气含许多杂质，例如，水和CO₂。这种气体混合物对金属管有腐蚀，因此，这些管子在短的时间内，例如几年，就需要很大的费用更换，而且，要中断天然气的生产。

人们希望有一种组件设计，该组件有一选择渗透性膜封皮，这膜封皮有组合的隔离部件，该隔离部件有高密度（高压降或低孔隙率）的中心区，该区的相对两侧一般与低密度（较低或较高孔隙率）区相连，该区能使在渗透通道或加料通道中的吹扫流体流动分布更均匀（受控的）。人们也希望有一膜分离装置，它设计成允许附加的吹扫流体以逆流、错流或并流方式流动，以载出渗透流体。在某些组分的分离中，加入了吹扫流体的设计比没有吹扫流体的分离要有效得多。水可高度渗透的或水选择性膜的螺旋缠绕的组件对在海上生产的天然气的纯化，例如脱水是很有用的。

本发明提供了一种改进的膜分离组件。它是一种带有用于从流体加料混合物中分离渗透物的半透膜的螺旋缠绕的膜组件，包括：

在中心设置的空芯管（15），

至少一个未封口的膜封皮（24A，24B）包围部件（26），以在加料通道（70）内提供基本均匀的流动。

至少一个流体加料隔离部件（26），和

至少一个渗透隔离部件（51），用于提供在渗透通道（60）内的渗透流体的基本均匀的流动，其中上述的渗透通道包括，

用来使吹扫流体在渗透通道内能够以错流、逆流或并流流动（20，20A）的流动控制部件（20，20A）。

上述普通的空芯管（15）有一在它的长度中间将其分隔成第一室（16）和第二室（16A）的壁式屏障（17），上述的管有部件（18），它用来从上述管的第一室（16）收集流体渗透物流（20，20A），还有部件（18A），用来从上述管的第二室（16A）收集并除去渗透流体物流，上述的第一和第二管室，各自至少有一个径向孔（18，18A）通过管的圆周，渗透流体物流将通过这里流过。

上述的多孔片式的渗透隔离部件（51）与第一和第二管室（16，16A）的径向孔（18，18A）以流体相通，

上述至少一个膜封皮（24A，24B）包括形成加料通道（70）的片状的膜，该膜有第一表面和与第一表面相对的第二表面，其中，该膜至少折叠一次或被封住，使膜层的第一表面的第一半面向膜封皮的第一表面的另一半，并且，在第一张膜的第一和第二表面之间的插入物就是上述多孔片状流体加料隔离部件（26），

用于流体渗透的上述的渗透通道（70），是通过与第一表面相对的相邻的膜表面来形成，其中，与第一表面相对的相邻的表面彼此密封地粘接，在渗透通道（60）内，在与第一表面相对的相邻的膜、封皮表面之间有隔离部件（51）。

部件（20，20A）用来将渗透流体从渗透物流通道中排出到组件外部，部件（59）用来制止在操作条件下紧密的组件卷的不螺旋性（unspiraling）。

在一个实施例中，至少一个渗透隔离部件包括三个并置的相连的隔离区A-B-C，其中，外面的较低密度（较高孔隙率）区A和外面的较低密度（较高孔隙率）区C，是各自在一边与管的轴向孔以流体相通，而区A的另一轴向边和区C的另一轴向边各自与较高密度（较低孔隙率）区B的相对侧以流体相通，其中，在管的轴向的边处较低压降的区A首先收集进入的流体，并与中等压降的区B以流体相通，区域B与较低压降的区C以流体相通，其中区B不直接与管的第一和第二室的任何轴向孔以流体相通。

在一个实施例中，组件被容纳在一带有用于引入和除去加料流体的部件的密封的壳体中。

在另一个实施例中，组件在它的空芯管内包括用来在该管的一个室中喷射呈逆流（错流或并流）的吹扫流体的辅助部件;和

从该管的另一个室除去逆流吹扫流体的部件。

在另一个较好的实施例中，组件有一低密度区A和低密度区C，它们至少包括一个低密度隔离部件，和

一个高密度区B包括至少一个高密度隔离部件。

在另一个较好的实施例中，组件有隔离区A、B和C，它们一起形成一个整件单元。

在另一个实施例中，在流体加料通道和在流体渗透通道内，例如区D、E和F中，利用该管的总轴向构形上的多个胶粘点以产生差动流体流动，其中胶粘点具有预先确定的尺寸和相互间隔开，以便控制渗透通道内流体的流动。

另一方面，本发明是关于一个膜分离装置，这个装置包括：

（a）一个适合于容纳螺旋缠绕的膜分离组件的壳体，这个壳体与外界基本密封，并有一个内表面。

（b）一个设置在壳体内的螺旋缠绕的膜组件，在螺旋缠绕的组件的外表面的壳体的内壁之间形成一个一般为环形的余隙空间，螺旋缠绕的膜组件设计成用来将流体加料物流分离成渗透物流和浓缩物流。

（c）用以完全密封组件的外表面和外壳的内表面之间的环形余隙空间以产生第一室和第二室的部件。

（d）将加料物流引入在第一室内的螺旋缠绕的膜组件的部件及从所述第二室排出浓缩物流的部件，和

（e）排出渗透物流的部件，其中螺旋缠绕的膜组件包括：

在中心设置的空芯管，

至少一个未封口的膜封皮围包，

至少一个用于提供基本均匀的流体加料流动的流体加料隔离部件，和

至少一个渗透隔离部件，用于提供基本均匀的渗透流体流动，和可选择地控制在渗透通道中的逆流、错流或并流流体的流动，其中，该普通的空芯管在其长度的中间有一壁式屏障，将管分成第一室和第二室，该管有从上述管的第一室移走流体渗透物流的部件和从管的第二室移走渗透流体物流的部件，上述的第一和第二管室各自有至少一个通过管的圆周的轴向的孔，渗透流体将从此处通过。

多孔渗透隔离部件与第一和第二管室的轴向流体孔以流体相通，

至少一个膜封皮包括一片状膜，它形成一个有第一表面和与第一表面相对的第二表面的加料通道，其中将膜折叠一次，使膜层的第一表面的第一半面向膜封皮的第一表面的另一半，膜的第一和第二表面之间的插入物是上述用于控制加料通道内的流体流动的多孔片状流体加料隔离部件，

用于流体渗透的渗透通道，它是由与第一表面相对的相邻的膜表面形成的，在与第一表面相对的相邻的膜封皮表面之间的渗透通道内有一多孔的隔离部件，

从渗透流体通道中将渗透流体排到组件外部的部件，和

用于在操作条件下制止紧密的组件卷松脱螺旋性的部件，

在一个实施例中，渗透通道在收集逆流或并流吹扫流体的膜的边缘处带有一分配容器，其中在渗透通道内吹扫流体的压降是通过颇策略地设置线性屏障来控制的。

图1是用于流体物流或气体分离或气体脱水的在壳体内的本发明的超滤或反渗透组件的一个实施例的透视图。

图2和2A是表示装入在外壳内的组件的正视示意图。

图3是用于图1的组件装配中的膜铺层的部分视图。

图中3A是用于装配图1和2的膜组件中膜铺层的一个阶段部分透视图。

图3B是未成螺旋形的多层膜的前端示意图。

图4是图1的沿4-4线的横断面图，示意地表示出一个较好的实施例中使用一个单片的组件，两个被间隔的膜螺旋缠绕制成一个紧密的组件。

图5示出了使用屏障（胶粘、胶）点（或胶泥或薄片）来使渗透通道内产生受控制的流动的可供选择的实施例。

图6表示一个有两个端盖的圆筒形壳体。当组件放进这种类型的壳体时，常常要经受高的压力。

图7和8是未缠绕的组件的剖示图，此组件常有用于控制在一般都平行于管的加料通道中的流体的流动的屏障隔离部件（胶粘点）和用于控制在渗透隔离部件中错流的吹扫流体的流动的胶粘隔离部件（胶粘点），通常渗透隔离部件处于相对于中心管的径向位置。

图9表示用于计算使通过渗透通道的吹扫流体产生基本均匀的流动速度的构型的一般尺寸和参数。

图10是带有基本上径向的实线（相对于中心管）和大体上平行于管的轴向的带拐弯的和带波纹线的屏障（聚合物）的未缠绕的渗透通道的一个实施例的顶平面剖视图。

图11是有由屏障（聚合物）的直线和曲线部分构成的通道的未缠绕的渗透通道的一个实施例的顶平面剖视图。

图12是在一角处有逆流或并流吹扫流体容器和专门设置的屏障（聚合物）线的未缠绕的渗透通道的一个实施例的顶平面剖视图。

定义：

就象这里所描述的：

“加料隔离部件”涉及任何可渗透的或多孔的材料，只要这种材料在待分离流体的存在下在流体的温度和压力下，能提供结构稳定性和化学稳定性。例如，这些隔离部件材料可以是有机聚合物，如聚碳酸酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚环氧化合物、聚酰胺或聚酯;陶瓷材料，如氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆或三氧化二铝;或金属，如铂、铁、钢、铝、铜、或钴。使用本技术领域内已知方法产生所要求的孔隙率水平。使用组合的方法得到特定的孔隙率。“加料隔离部件”还指专门设置的屏障（例如聚合物的胶粘（胶）点或线），它们能提供加料通道内所要求的流体控制程度。

“渗透隔离部件”指的是设置在渗透通道内的可渗透的或多孔的材料。参见对加料隔离部件的说明。加料隔离部件和渗透隔离部件可以相同，也可以不同，这取决于应用或布置。尤其是，在渗透通道内渗透和吹扫流体的流动，可以通过使用屏障，即颇策略地设置在该通道内的胶粘点和/或聚合物线来控制。至于细节请参看附图。

“选择渗透性”指的是任何选择性地可渗透膜。例如，选择性可以是对水、一种流体，或对天然气几种组分的分离，或从氮中分离氧。

一般性的讨论

本发明的组件设计允许在高的差动压力下使用选择渗透性膜。上述引用的美国专利3872014号在高压下，例如在50-100psi（34.5-690KPa）或以上有严重的局限，在这种高压下，任何粘合封口都会出现泄漏或破裂。本发明通过使用渗透隔离部件独特的组合，还能够以逆流、错流或并流的方式使用吹扫气体。在这种设计中，只有渗透通道被密封到膜和中心管上，而加料通道完全不密封，这样，允许加料流体（液体或气体）通过组件的一个开口端进入，并从另一个开口端排出。设计耐压的壳体或室，以装入承受高压的组件，还允许加料流体只从一端进入组件，并且允许加料流体在保持在加压室内部和在组件的加料通道的内部几乎相同的总压的另一端排出组件。这种新颖的设计排除了由高压加料引起泄漏的可能性。由于所使用的吹扫流体（气体）总是在较低的压力下，因此常常使用粘接剂封住膜和渗透隔离部件的边缘，以保持渗透通道基本不泄漏。

本发明的组件设计常常用来在高达2000psi（13.8MPa）的压力下对天然气脱水。这种组件可以被用于任何需要使用吹扫气或液的膜应用场合。对从天然气中除去CO₂或水，利用一种对CO₂或水的半透膜，也可以使用这种组件设计。这种组件还可以被用于需要吹扫气体的促进迁移膜。

在这种设计中，加料流体从一端进入组件（10），而从另一端排出。渗透隔离部件和膜是完全密封的，管与渗透隔离部件以流体相通。在美国专利3872014号的设计中使用高压加料流体的时候，粘合封口常常泄漏和/或爆裂，除非这些封口特别牢固或是被加固的。另一方面，在本发明中任何粘合封口都是处在受压状态。流体加料隔离部件没有被密封在膜上，因此，当加压的加料流体通过组件前进时，它不会被任何封口截留住，因此就排除了在操作期间封口破裂的问题。

为了在渗透流动通道中实现逆流方式，使用了组合的隔离部件。金属或塑料管在中间和钻孔的地方被封住（被塞住），如图13或24所示。可以使用紧密的和稀疏的隔离部件来实现在渗透通道内的所要求的流体吹扫流动。稀疏的隔离部件（低压降）被夹在如图3B所示的在两端的两个紧密隔离部件之间。在中心（中间）区，不使用稀疏隔离部件，而仅使用紧密隔离部件。在连接于这些组合的渗透隔离部件一端上的管上，钻了一些孔，使它们落在位于紧密隔离部件边缘的夹在紧密隔离部件之间包含稀疏隔离部件的边缘区域。由于在图1、2、3或5，标号“A”、“B”和“C”的三个区中的有关的压降，当吹扫气体通过中间被堵塞的中心管进入时，它一般平均分配地进入低压降区域（标号“C”），然后在区域B里一般沿着与管平行的方向运动，直到它到达低压降区域（标号“A”）为止，从这里它通过孔进入管，并从管的另一端排出组件。区域“B”为活性膜表面区。

本发明的组件设计的一个实施例的重要改进是在加料通道和在渗透吹扫通道中产生了相似的流动。

与现有技术结构比较，本发明的组件的结构组成的布置方面的改变和在操作方式方面的不同，在下面的详细描述中会更清楚。

用于制造组件的材料在下面会详细讨论，并且是与膜隔离部件的粘合剂、屏障、堵塞或管基本相同。

参看图1，这里示出了带壳体（90）的组件（10），它可以结合于适合多种流体分离的体系中，例如含水物流的较低压力（或高压）的反渗透处理。流体物流可以是有低的盐浓度的含盐的水，或是含有溶解了有毒的有机物或无机物的含水物流。加料物流可以是要分离成几个成分和/或净化其中要除去有害的或不希望的物料，例如要除去水CO₂、H₂S等的天然气。组件也可以用于含胶体悬浮物或悬浮固体，例如干酪乳清的水溶液的超滤处理。

当然，为实现在特殊流体或液态物流的处理中所希望的分离，用于组件中的膜是经过选择的。

流体加料物流-在图1-4中，待处理的加料物流（93）在管（11）处（可供选择地用泵（12））引入，从这里通过外部管（13）和在包住组件（10）的壳体（90）上的连接孔（14），在升高压力下输送。如果已经是高压流体（例如天然气），就不需要泵（12）。如图1、2和2A所示，壳体（90）通过位于组件（10）的长度中间的许多点中的任何一个点（注意屏障位置（92A）和（92B）的虚线轮廓线）的固体屏障（92）分成第一室（91）和第二室（91A）。如图1-4所示，加料物流（93）在横向延伸的成薄片结构的加料通道（70）进入组件（10），该薄片结构的未螺旋缠绕的情况在图2、3、3A和3B中说明。

在膜区域（51）中的流体渗透通道（60）被分成高渗透性区域（21）（或A）和并列的相邻的较低渗透性的第二区域（22）（或b），它与第三较高渗透性密度区（23）（或C）相对的边连接。渗透通道（60）由在第二表面之间的至少一个多孔隔离片（51）得到，该第二表面是与由渗透膜（24）（或24A和24B）折叠一次而形成的膜（24A和24B）的第一表面相对的表面。用这种方法，膜（25A）的第一膜表面就面向膜（25B）的第一膜表面。因此，当高压加料物流（93）从组件（10）的边缘表面通过时，它不会被通道（70）的任何封口截留住（参见图3A）。这个特征就排除了在组件的高压操作期间，封口泄漏或破裂的问题。

在一个实施例中，当常常使用处于低压的吹扫气体时（参见空心的箭头），吹扫气体进入在通道（60）内的C区，并均匀地通过B区，然后在A区被收集，最后与渗透流体一起排出管（15）。

去掉渗透物流的加料物流（93）流过流体加料隔离部件（26），而进入第二室（91A）。加料物流（93A）（净化过的并稍微浓缩过的）作为处理过的流出物流通过联接件（14A）和出口管（13A）排出。

出口管（13A）可供选择地含有节流阀（19），用来调节回压和控制加料物流通过的流动速度。在图1的实施例中，渗透物流（20）和（20A）从组件（10）的管（15）的两端排出。

如果要改进性能，可以在膜（24）和渗透吹扫隔离部件（51）之间设置微孔支撑件（41）。产自Michigan，Ann Arbor的格尔曼（3000H），商业上可得的丙烯酸类织物是较好的。

应当指出，当需要进行特殊分离应用时，可以将多个组件（10）串联或并联联接。

组件（10）的更进一步的结构细节在图1-4中公开。图3、3A和3B是用于制造组件（10）的膜铺层的一个阶段的透视图。首先把膜铺层固定到管（15）上（参见图3）。然后将其卷裹或螺旋缠绕在管（15）上，如图4所示，就得到了图1的螺旋缠绕的组件（10）。

首先参看图3、3A和3B，组件（10）的片状结构的几个部分之间的相互关系也许会更清楚。在一个实施例中，膜封皮（24A）和（24B）是由延长的片状膜材料（24）形成的，膜材料（24）在其长度的一个中间点处折叠，以提供对着的选择渗透性膜。这些膜由限定加料流体通过的加料流体通道（70）的加料隔离部件（26）所分开。另外折叠的封皮（24）也可以是单个的膜（24A）和（24B），只在紧靠管子（15）的一边处被封住。加料流体的压力可以是低的，例如15-30psi（103-207KPa），或是高的，从30到2000psi（207-13790KPa）。

在一个实施例中，单个的细长的膜片的制备是将适合的膜溶液浇铸在可渗透的聚合物底布上，然后在本技术领域内众所周知的条件下进行处理，就制成了非对称膜。这个实施例在图3给出了图示的说明。可供选择地，这个膜可以是有相对薄的活性层的组合膜，较厚的多孔膜支撑（41）常常是与聚合物底布互相紧密结合的（intermeshed）。为说明起见，表示为独立的两层，但它们常常实际上是一个整体结构，并且活性层（41）要比示出的薄得多。

选择渗透性膜可以是均质膜（其厚度为10-200微米），有第一和第二表面。选择渗透性膜也可以是有一个活性表面和与之相对的另一个表面的非对称膜。

选择渗透性膜可以是组合膜。加料通道（70）的隔离间隔材料（26）可以采取多种结构，例如组件被用于超滤或可能低的压力下的反渗透分离中，衬层材料可以是带稀疏的经编织物孔的经编隔离布，以便使通过一般平行于管（15）的方向的渗透通道的流体产生高的流速。渗透隔离材料（51）是可渗透的，在某些应用情况下，一般包括可渗透的、柔性的薄的片状（通常为聚合物）材料，该材料在其两面都有用作将渗透流体输送到组件的另一端的细沟槽或孔。组件（10）在气体分离中使用时，衬层材料甚至可以采用更为不同的结构，它包括一较稀疏的格栅片，它还对流体的渗透流动呈现较小的阻力。以SIMPLEX 的商标名销售的稀疏格栅网是一种适宜的材料。其它的材料包括如VEXAR 、聚合的经编织物、金属屏网和陶瓷屏网。这样，显然就象所用的特殊的膜一样，选择衬层材料以使将被完成的特殊流体的分离最优化。铸膜溶液的详细情况和制造膜所采用的浇铸条件是本领域中公知的，在这里不详细叙述。

正如上面所提及的，参照图1-4，有一加料流体通道（70），它用于将正被处理的加料流体提供给选择渗透性膜（24）的外侧的（或活性的）薄层的目的。构成加料流体通道（70）的部件可以采用很稀疏的织物结构，或一种加料流体容易流过的网状隔离部件（26）结构的稀疏的格栅片状材料。为此目的，特别适合的材料是一种商标为VEXAR 的Conwed Corporation的产品，可以得到各种具有不同的厚度和不同的网眼的产品。根据应用，已经发现1-6mm大小的孔是适宜的。稀疏的格栅材料的厚度除了通过选择具有可得到的满意的初始厚度的网状织品外，还可以通过使用多层材料来改变。因此，这些方面可以通过简单地选择或层置工业上可得的隔离材料来广泛地变化。由于将在下面更详细地讨论的原因，由网状织品（26）构成的隔离部件（26）的厚度通常为10-100密耳（0.25-2.5mm）。网状织品材料是可得到的各种各样的塑料，例如聚乙烯、聚丙烯和乙烯树脂。粘合剂线（80）用作确定在区A、B和C中两种相继的流体的渗透流动边界，并限制此处的渗透流体，以及将螺旋缠绕的膜片和隔离片网状织品（26）的相继的结构层一起粘接到管子（15）周围以形成如在图4的横断面图所示的紧密结构。为形成粘合剂线（80），一种特别适合的粘合剂是在商业上可得到的聚合物粘合剂，例如H.P.Fuller聚氨酯或D.E.R.^TM，该粘合剂用二胺固化并用一般大约2-24小时左右的可变的固化时间凝固成柔软的固体。膜表面可以用化学剂或用电离作用加以改进，以提高粘附性能。应当意识到，在螺旋缠绕的组件（10）中，扩散于膜支撑件（41）的间隙中的粘合剂将使隔离片有效地粘接到在隔离部件（51）的任一侧的选择渗透性膜（24A）和（24B）的相对的两边上，以及使在任一侧的选择渗透性膜之间有效地粘接。

还应当想到，可以由整体的柔性的固体的非多孔塑料薄片制成片状隔离部件，来代替带区A-B-C的多孔片状隔离部件（51），并且相互连接的区域A、B和C被割开，或在这里成形，以提供渗透通道（60）。

显然，参照图3、3A和4，并置的高压降区A、中压降区B和高压降区C可以为不同的构型。低压区A和C通常比区B有较多的孔。这可以通过添加另一层隔离部件材料（51A）和（51B）或使用不同的隔离部件材料来实现。

图3所示的膜铺层是说明特别适用于处理气体物流的一种结构的。因此，显然网状织品的隔离部件（51）在其中就没有割开的或形成的稀疏的通道，如在图3和4中所示出的结构那样。而且，如图5所示，流体渗透通道（60）的相继并置的流动区D、E和F全部由一些粘接屏障（胶粘点）或线（111）限定。象图4的结构那样，图6的相继的渗透流体流动区D、E和F沿流体流动的方向随宽度逐渐减小。图5中的渗透吹扫流体流动是在区F逆流进入，通过区E，然后从区D排出。这种气体分离结构的选择渗透性膜在横截面上是对称的，或是不对称的，如上述的图3和4中的结构，所希望的结构是细长的膜片，在其长度方向上中间折叠，以提供在它们中间设置有多孔隔离部件（26）的相对的膜。对气体分离来说，收集渗透流体的第一流体通道（60）的衬层材料和加料流体通道（70）（液态或气态的加料物流通过这里流动），可以采用相同的稀疏的聚合物网状织品（VEXAR

）。

在管（15）中，在区A及区C中的渗透流体的流动沿着流体流动的方向随宽度减慢。因此，进入第二室（16A）的孔（18A）在长度上比第一管室（16）的第一孔（18）按比例地缩短。在渗析中，切口和两个室是等长的，以便适合于使用图3的加料通道（70）。

管（15）可以由金属或塑料材料制成，无论哪种，最好是适合预计的用途，长度一般为18-72英寸（45-180cm），外径一般为1/4-2英寸（1.2-5.1cm）。选择壁的厚度以提供所要求的结构强度。在管上的孔按需要可以调节其大小，数量和形状。

图1-4的组件通常还设置制止部件（59），以阻止组件的不缠绕性。任何塑料、金属或陶瓷材料都可以使用。在一个实施例中，增强的玻璃纤维MYLAR^TM工业包裹带构成各个结构的最外层。在某些应用中，所希望的是用增强的玻璃纤维带缠绕组件几次，以增加组件的强度。

如图1-4所示，使用选择渗透性膜和隔离部件形成具有加料流体通道（70）和渗透流体通道（60）的一种单级装置。可以理解，这是基本的构型。但是，可以设置膜片及隔离部件的多级装置，并螺旋式地缠绕在管（15）的周围。屏障点（胶粘点）组件-如图5所表示本发明的另一方面涉及一种组件，它具有它的构件层的制造为连续过程的优点。其装配是简单的并且使用很少的材料。在这个实施例中，两张选择性渗透膜（112）和（113）被一加料隔离部件（114）隔开。首先将一张膜（113）放在适当的位置上，加料隔离部件（114）被放在第一张膜（112）的上面。屏障（胶，粘合剂）点（111A）至111K）被置于膜（112）的特定位置上（如图所示）。胶粘点间的特定的间隔和它们的位置对渗透和逆流吹扫流体的流动提供适度的控制。

两组粘合剂点不必在互相平行线上或在布置、间隔或构形上基本相同。唯一需要的是它们提供控制吹扫流体以基本上产生均匀的经过选择性渗透膜的活性部分的流动。

在一个实施例中，尺寸约0.25×0.25英寸（0.6×0.6cm）的第一组胶粘点被设在径向地平行于管（15）的线的位置上，并且紧挨着管边距离渗透膜（112）和（113）相对的两个边向内约3英寸（7.6cm）。然后第二组胶粘点（111B）或线被设在径向远离管（15）与前两个胶粘点相距0.5英寸（1.3cm）处。第三组胶粘点（111C）与第二组胶粘点相距0.375英寸（0.9cm）。然后以二条大体平行线的方式继续设置胶粘点组，在（111K）处，相邻的胶粘点间的间距再增加约0.125英寸（0.3cm）。

由这些胶粘点组件所得到的流体的分离可以与前面描述的利用不同密度的隔离部件的情况相比较，在下面参见例2和3。

图5中的逆流流体（空心的箭头）进入F区，在通道（60）中，然后被基本均匀地输送穿过活性区E，经过胶粘点进入D区，与渗透流体一起排出组件。

逆流吹扫流体-前面的讨论主要涉及用于逆流吹扫气的方式。如图7所示，在示出的组件（10）中，在渗透通道（60）中的吹扫流体（161）与在上面的加料通道（70）中的加料流体（93）的流动方向成一直角流经选择性渗透膜。与前面所讨论的设计，如图5，有两个方面被改变。第一，通过沿着边（160）和（160A）除了开口（70A）和（70B）以外，将膜（24A）或（24B）完全密封来形成加料通道（70）。加料流体（93）在孔（70A）处进入组件（10），并且通过在加料通道中的特定设置的胶粘（胶）点（162A）至（162H）来控制加料流体的流动。加料流体流动相对管（15）是轴向的，且在孔（70B）处排出组件。组件（10）这边的孔（70B）不被封住，但可以用一些线、带、多孔材料或类似物来部分缠绕以阻止组件展开。在渗透通道（60）中被设置了胶粘点（111A）至（111M）。这些胶粘点改变了吹扫气（161）的流向（进入区F′到区E′在区D′排出），以使它在基本上密封的渗透通道（60）中的流动与加料流体（93）的流动成一直角的经过膜（24A）和（24B）。

在一种可供选择的具有如图7的孔（70B）附近的轮廓虚线所示的逆流方式中，渗透通道（60）由带有吹扫部件，如一种在圆周上带有径向孔的空芯管的加料通道（70）来封住。胶粘点（111A）至（111M）可以象塞子（17）。吹扫气（161A）进入渗透通道（60），在膜（24A）和（24B）间流经隔离部件（51），并且从管（15）的任一端与渗透流体一起排出。现在，管（15）可以沿着它的长度方向上有许多径向孔以接收吹扫流体和渗透流体。

与图7相似的图8示出了本发明的另一个实施例。膜（24A）和（24B）、隔离部件（51）、管（15）和胶粘点（111A）至（111M）至（162A）至（162H）实际上都相同。其改变为，除了加料流体（93A）流出组件之处的孔（70C）以外，用于加料通道（70）的边（160）被封住，和在加料通道（70）中的膜（24A）和（24B）之间的孔（70B）一端被封住。如前述封住渗透通道。这样在此实施例中加料流体（93）在孔（70A）处进入，并且被胶粘点（162A）和（162H）改向，相对管（15）作轴向流动，然后在孔（70C）处从通道（70）中排出。逆流流体（空心的箭头）（161）进入渗透通道（60）的区F′，并且被胶粘点（111A）至（111M）改向，与管（15）平行地流经区E′，然后进入区D′，并且从管（145）的另一端流出。这就是一种逆流吹扫流体的配置。

一种可供选择的逆流吹扫流体的配置在图8中以虚轮廓线表示。在靠近孔（70D）的一端，渗透通道（60）从加料通道（70）到引入吹扫气体如在圆周上有径向孔的空芯管的部件是封住的。粘合剂点（111A）和（111M）可选择为象塞子（17）那样的。吹扫气（空心的箭头）（161B）进入渗透通道（60），在区F均匀地通过膜（24A）和（24B）间（带有隔离部件（51）的区E），并且从D区在管（15）的任一端处与渗透流体一起排出。现在，管（15）可以沿着管子带有更多的轴向孔，以接收渗透和湿的吹扫流体。这样通过某种修改还可以得到有逆流、错流或并流作用的吹扫气体。

在一较好的实施例中，一种特别设计的壳体（90A）与组件（10）一起使用，如图6中的组合120所示，包括特别设计的与组件（10）一起作用的套管（150）。参照图6，壳体（90A）是一个在两端带有外螺纹部分（121A）和（121B）及一个用于将加料流体（93）引入系统的孔（122）的适当尺寸的空芯管。壳体（90A）的一端有一带螺纹的端盖（90B），它带有一个用于管（15）的孔以便渗透流体排出组件（10），还带有一个O形环（123）以帮助紧紧密封端盖（90B）。在螺纹管的另一端，有一个第二端盖（90C），它有一个用于管（15A）的孔（124）。一根第二管（13A）和孔是用于流出处理过的加料流体。

在壳体（90A）内有特别设计的套管（150）。套管（150）是一个金属、塑料或类似材料的空芯圆筒，它帮助提供加料通道（70）和渗透通道（60）间的紧紧密封。铝用于套筒（150）是较好的。套筒（150）的内表面的尺寸仅稍微大于螺旋式缠绕的组件（10）。利用任意的粘合材料（152）例如包括道的H.P.Fuller聚氨酯或Dupont的环氧粘合剂，组件（10）被粘在套筒（150）的内表面（151）上。套筒（150）的外表面中有一槽（154），它大得足以能插入一紧配合的O形环（153）。套筒（150）的一端有一个外部环形槽（155），它能容纳一第二O形环（156）。O形环（123）、（153）、和（156）有助于端盖（90B）和（90C）与壳体（90A）的无泄漏紧配合。在组件（10）的环形端和端盖（90B）的内表面间有一小的但有限的空间（158）。此空间（158）对均匀输送加料流体（93）到加料通道（70）中的组件（10）极为有用。在组件（10）的环形表面和端盖（90C）的内部间有一小的但有限的空间（157）。此空间对流出组件（10）和然后经管（13A）排出壳体（90A）外的处理过的加料流体（93A）的收集是必需的。O形环可以是任何能经受住分离条件的弹性材料。适合的材料包括聚氯丁橡胶、聚（氟乙烯）VITON 和聚四氟乙烯（PTFE-TEFLON

）。VITON

是较好的。在一较好的实施例中，套筒（150）有一环形突出边（159），它在组件（10）插入室（90A）期间提供给组件（10）一止动点，从而简化了分离设备的装配。

如图5所示，吹扫流体从膜（112）的上表面通过。一部分加料流体（或将被除掉的杂质或组分）透过膜（112）进入渗透隔离部件（未画出）周围的渗透通道（60）。逆流吹扫流体通过被塞住的管（15）和孔（18）进入渗透通道。渗透通道中的逆流流体的分散速度由在渗透隔离空间中的粘合剂点（111）的大小和数目来控制。然后，处理过的渗透和逆流流体排出管（15）。

例如，湿的天然气在100至2000psia（690至13790KPa）下被用作原料，从0.1mmHg高干的低压流体至到加料压力的气体，例如天然气，甲烷或任何其它气体，作为逆流流体。渗透进入渗透通道的水被干的吹扫气体连续地除去。排出的天然气加料气（93A）除去了大部分的水分。一般来说，随着吹扫气的速度增加，从渗透流体中除去的组分的速度也增加。

促进迁移的螺旋式缠绕的膜

另一方面，本发明涉及从气态或液态混合物中除去酸性或碱性气体。已知的促进迁移的膜参见例如J.D.Way等（1989），膜科学杂志，第46卷，309-324页。促进迁移指的是在膜中使用了一种流动配位剂以选择性地增加一种或多种渗透物的通量，渗透物能与配位剂或载体进行可逆反应。当用于本发明中时，这种活性的膜实现了既有高的渗透率又有高的分离系数。离子交换树脂可以被用作配位剂的支撑体。由于这种载体被强烈的静电力保留，因此不易被迫脱离支撑体。

例如，一种NAFION

或全氟磺酸（PFSA）聚合物膜，可以先被转化成钠盐，并与单正离子如单正乙二胺离子（HEDA⁺）相接触，以产生促进迁移的膜。任何带正电的平衡离子包括例如Ag⁺、Li⁺、Ba⁺²和Ca⁺²。HEDA⁺用作二氧化碳和硫化氢的载体。从而，这些物质可以从天然气混合物中除去，此混合物包括除甲烷外还有其它物质。一般来说，促进迁移需要在渗透通道中有吹扫气体。因此本发明的组件是特别有用的。

逆流吹扫流体

图2和2A表示了使用吹扫流体气体的情况，如通过渗透通道的空心箭头所示。本发明使吹扫气体与透过流体有基本上最大接触成为可能。一般，吹扫气体的压力约为在0.01和50psia（0.07至345KPa）之间，较好地是在1和25psi（6.9至172KPa）之间。

在本发明的一个实施例中，这种组件被用于渗析一种液体物流的系统中，例如处理含有害成分的血液，此有害成分一般是在尿中除去。本发明的组件（10）已经被修改，以提供一种用于将第二逆流流动的流体物流（渗析溶液）引入组件的一端的装置，也一起提供除去该现称为渗出液的装置，该溶液从组件的另一端流经该装置后被除去。组件（10）的内部结构可以采取图3所示的形状，其中，第二通道（70）包括薄的相连接的区A、B和C。渗析溶液经管（11）和一个适配器接头（14）引入组件（10）的一个边缘，从此处，渗析溶液沿着组件的纵向流动，经加料流体通道（70）到组件的另一端，在此处它流入第二个适配器接头（14A），在此，它在（13A）中被排除。渗析溶液通过第一通道（70）后和通过膜所得到的溶质一般在技术上被称为渗出液。典型地，在第一通道（60）中的渗析溶液的流径长度为18英寸至40英寸（45至100cm），这是相对于加料物流螺旋地流动通过渗透通道（60）的路径长度为10至20英尺（3至6m）而言的。与膜（24）相接触后的加料流体（如血液）一般被称为渗析液，并且当它从管（15）中排出时，也称之为渗析液，当它离开管子后被称为保留液（retentate）。当将本发明的组件构型用于渗析时，可以得到的引人注意的优点，是组件为加料（渗析液）提供了长的停留时间和由于渗透通道（60）的短的路径长度而得到的渗析溶液的高的流动速度。通过渗透通道60，沿组件的纵长方向的渗析溶液的高的流速，使在膜表面处的溶质的浓差极化变得最小，从而促进了溶质通过膜的高的迁移速度。

图1的组件（10）适用于流体和气体分离的反渗透处理，在这样的操作中，第二通道（70）希望使用一个如图1-4所示全幅宽度的聚合物隔离部件。当升高压力下操作时，常常希望使用带有间隔穿孔的或小径孔（18），以便将流体物流引入片状结构的渗透通道（70）中。用于气体分离时，增强的组件（10）可以被方便地用于一加压系统中，此系统使用一个外部容器或壳体（90）以收集通过壳体管（13A）排出被浓缩的加料流体（93A）。

在一个实施例中，可渗透的膜是一种商业上由Delaware，Wilmington的杜邦公司出产的NAFION

产品。膜还可以是由Michigan，Midland道化学公司制造的全氟磺酸（PFSA）膜。

微孔膜支撑材料是一种商业上的VERSAPOR

3000H，可以从Michigan，Ann Arbor，Gelamn Sciences得到或一种聚砜。

另外的分配隔离部件材料包括商业上的CONWED

隔离部件材料，出自Rashell Fabrics。

用于粘接膜的边缘以产生渗透通道及用于将分离层粘接到管（15）的粘合剂可以是相同的也可以是不同的。一种单一环氧粘合剂，FULLER FE-7621A和B可以从Illinois，Chicago，H.P.Fuller公司得到。

渗透管（15）可以为金属、有机聚合物或复合材料。例如适合的材料包括，商业上可得到的铜、钢、铝、聚（碳酸酯）、聚（酰胺）或聚（氯乙烯）。铜或聚氯乙烯是较好的。

渗透管的直径为任一有效尺寸，例如0.5英寸（1.37cm）外径约至4英寸（10.2cm）。较好地，直径约为0.5英寸（1.3cm）和2英寸（5.1cm）外径之间。

管的长度实际上是不限制的，可以为由几英寸至几英尺（米）。通常长度为6英寸至6英尺（0.1至1.8m）。

选择性渗透膜可以是由可选择性地透过待分离的流体或物质的任何材料制成。例如这些膜可以是三乙酸纤维素、聚全氟磺酸（PFSA）、聚酰胺、聚乙烯醇、聚砜或再生纤维素。例如，膜包括PFSA（见U.S.4846977，关于制备方法），被转让给Dow Chemical Company，Midland，Michigan 48640，或NAFION 膜，出自Delaware威明顿杜邦公司，或三乙酸纤维素KODACELL

TA-404，出自New York，Rochester，Eastman Kodak。其厚度可以为任何实用的厚度，较好为在0.1和100mil（密耳）间（2.5至2540微米），更好地为1至5mil（25.4至127微米）。

适合用于本发明中的膜可以用一种氟-碳型材料或一种碳氢化合物型材料制备。这类膜材料在本领域中是公知的。然而，一般认为由于碳氟化物材料的化学稳定性，这种材料是较好的。由于在下列专利中所述的非离子（热塑性）型的全氟化聚合物可以通过加热容易地软化并成形成有用的膜形状，因此它们特别适用于本发明。

适合的膜如下列专利中所描述的：U.S.3282875;3909378;4025405;4065366;4116888;4123336;4126588;4151052;4176215;4178218;4192725;4209635;4212713;4251333;4270996;4329435;4330654;4337137;4337211;4340680;4357218;4358412;4358545;4417969;4462877;4740889;4478695;以及欧洲专利申请0027009。这些聚合物的当量一般都在500至2000的范围内。膜可以为单层的或是多层的。

用于制膜的特别优选的碳氟化物材料为单体Ⅰ和单体Ⅱ（如下定义）的共聚物。可供选择地，也将第三种单体与单体Ⅰ和Ⅱ一起共聚。

第一种类型的单体由通式表示：

CF₂＝CZZ′

其中，Z和Z′各自单独地选自由-H、-Cl、-F或-CF组成的组中的基。

第二种类型的单体选自由下面通式表示的化合物的一种或多种单体：

Y-（CF₂）_a-（CFRf）_b-（CFRf′）_c-O-[CF（CF₂X）CF₂-O｝_n-CF＝CF₂（Ⅱ）

其中：Y选自由-SO₂Z、-CN、-COZ和C（R₃f）（R₄f）OH组成的组中的基;Z是-I、-Br、-Cl、-F、-OR-NR₁R₂;

R为带支链的或直链的带有1-10个碳原子的烷基或芳基;

R₃f和R₄f各自单独选自由有1-10个碳原子的全氟烷基组成的组中的基;

R₁和R₂各自单独地选自由-H，带支链的或直链的有1-10个碳原子的烷基或芳基组成的组中的基;

a为0-6;

b为0-6;

c为0或1;

假若a+b+c不等于0;

当n＝1，X为-Cl、-Br、-F、或它们的混合物;

n为0-6;和

Rf和Rf′各自单独选自由-F、-Cl、带有1-10个碳原子的全氟烷基和带有1-10个碳原子的氟氯烷基组成的组中的基。

当Y为-SO₂F或-COOCH₃;n为0或1;Rf和Rf′为-F;X为-Cl或-F;及a+b+c为2或3时，是特别好的。

第三种，任选的;适合的单体为选自以通式表示的化合物的一种或多种单体;

Y′-（CF₂）_a′-（CFRf）_b′-（CFRf′）_c′-O-｛CF（CF₂X′）-CF₂-O｝_n′-CF＝CF₂（Ⅲ）

其中：Y′为-F、-Cl或-Br;

a′和b′各自单独为0-3;

O为0或1

假若a′+b′+c′不等于O;

n′为0-6;

Rf和Rf′各自单独选自由-Br、-Cl、-F、带有1-10个碳原子的全氟烷基和带有1-10个碳原子的氯全氟烷基组成的组中的基;和

当n′＝1时，X′为-F、-Cl、-Br或它们的混合物。

Y的转化成离子交换组是本领域里公知的技术，包含和一种碱性溶液反应。在-SOF为侧链基（pendant groups）类型的情况下，通过将膜与25（重量）%的NaOH反应，可以将膜转化成其离子类型，其条件如下：

1.在90℃下，将膜浸在约25（重量）%的NaOH溶液中约16小时;和

2.在加热至约90℃的去离子水中将膜清洗两次，每次清洗30-60分钟。这样，侧链基为-SO₃-Na⁺类型。如果适用，与Na⁺不同的阳离子可以来代替Na⁺（如H⁺）。

加料或渗透隔离部件材料一般为多孔的松散编织的有机材料。例如，这些材料包括，VEXAR ，可从Minnesota，St.Paul，Conwed Corp.购买得到。在压力高至30psig（207KPag）下，VEXAR

是一种适用的渗透格栅隔离部件。在加料压力超过50psig（345KPag）下，多孔膜通常会破裂进入VEXAR

。在这种较高压力下，SIMPLEX

作为渗透隔离部件是特别适用的，它可以从Maryland 21401，Annapolis，AL DeCenSo Fabrics购买得到。

塞形屏障物可单独选自任何能将管子封隔成两个空间的材料。对于铜或铝管，铜的或铝的屏障物可以被钎焊或熔焊在管子中。也可以使用一种聚合材料如一种聚氨酯的胶粘塞。对于有机聚合物管，通常使用一种有机胶粘性密封材料如聚氨酯或环氧化物。D.E.R.^TM410或Fuller 3501是特别适用的。

在加料膜边上的胶粘性密封材料通常为一种有机粘合剂，如商业上可得到的聚氨酯或环氧化物，如Fuller 3501或D.E.R^TM410。

屏障给渗透及逆流流体和活性膜提供了最大的接触。屏障（胶粘线）可以是聚氨酯或一种环氧化物。

组件可以在温度低于0℃下用于气体的分离（如，O₂/N₂，低沸点FREON 等）。唯一的限制是在温度低得引起聚合物降解或变脆的情况。较高的操作温度必须在聚合物和膜的玻璃化温度以下，通常比其低10℃或更多。

对于空气或天然气的脱水，组件通常在0℃和70℃下操作。较好为环境温度。

对于在此所描述的任何组件，都希望为多片布置。至少布置成有一个渗透隔离部件-膜-加料隔离部件-膜。

图7至8等表示了流经渗透通道的吹扫气体的使用。本发明使吹扫气体与渗透流体有最大接触成为可能。通常，吹扫气体压力在0.01和50psia之间（0.07-345KPa），较好在1和25psia之间（6.9-172KPa）。

微孔膜支撑材料是一种商业上的VESAPOR

3000H可以从Michigan，Ann Arbor，Gelman公司购买得到，或用一种商业上可购买得到的聚砜。VEXAR

还可以从Conwed公司购买得到，参见F.B.Mercer，U.K.836555号。其它加料隔离部件材料包括尼龙和聚砜。

渗透吹扫隔离部件材料（51）为带有环氧树脂涂层的SIMPLEX 隔离材料。SIMPLEX

为一种涂有环氧树脂的聚酯辛普勒克斯经编织物。一种较好的隔离材料SIMPLEX

型S46E或型号为7921，9628，9661，9771和1271的涂有环氧树脂（Hornwood Epoxy type HC-80）的聚酯可由A.Maryland 21401，Annapolis，DiCenSo Textiles，Inc.得到。这种隔离材料还可用于反渗透滤筒中。

在渗透（或加料）通道中，使用多层隔离部件材料可以得到差动流动。例如，分布隔离件材料（区A和C，图3B）可以是一层或可选择多层的VEXAR

5321.隔离部件材料，以使该区比用在活性渗透隔离区B中有更多的孔。区A-B-C也可以是一种有基本均匀孔隙率的格栅式隔离部件材料。

在加料或渗透通道中的其它的分布隔离部件材料包括商业上的产自Conwed Corp.的CONWED 隔离部件材料。

用于粘接膜边以形成渗透通道和将分离器层粘接到管（15）上的粘合剂可以是相同的或不同的。一种简单的环氧粘合剂FULLER FE7621A和B可以从Illinois，Chicago，H.P.Fuller Co.，购买得到。

本组件还可以用于从天然气中除去较重的烃（C-2至C-10或更多），可以通过使用一种对于这些重烃或甲烷有选择性的膜来实现。在通常称为烃的露点的分离过程中，聚硅酮膜是适用的。

应当理解，本发明中所用的术语吹扫流体是逆流、错流或并流吹扫流体。通常逆流吹扫流体是较好的。当然本发明中吹扫流体和加料流体的方向都可以单独地改向，而能达到基本相同的良好的分离效果。有屏障（胶）线的渗透通道

由本文的描述显然可以知道，在组件的渗透通道中的吹扫流体的逆流、并流或错流流动的控制可以通过多种方法来实现。

其它的组件构型使用较薄的屏障线（粘合剂、聚合物，胶，陶瓷等），它设置在渗透通道内关键位置处。当然，加料通道也可以使用设置在关键位置处的薄的屏障（聚合物）线来形成。主要的要求是保证通过加料通道的流量对每单位面积而言基本上均匀和使加料流体与半透膜的接触变得最大。相似地，通过渗透/吹扫通道的流动与半透膜的接触也应当变得最大。图9、10、11、12表示了所使用的各种屏障（聚合物）线的构型。

参照图9-12，边缘密封层201或202或屏障301（302ff）可以是相同的或不同的屏障材料。较好的材料包括有机聚合物，如环氧树脂、聚氨酯或硅氧烷。空间401（402ff）是在渗透通道中形成的通道。主要的要求是通过这些形成的通道得到每单位面积的流量基本均匀的活动。

对于在图9中表示的一定数目的屏障线最佳通道直径，可以利用计算压降的数学式来计算。见图25，它没有被按比例画出。

（PD）₁＝K_A（L_A/W_A）₁+K_B（L_B/W_B）₁+K_C（L_C/W_C）₁

（PD）₂＝K_A（L_A/W_A）₂+K_B（L_B/W_B）₂+K_C（L_C/W_C）₂

（PD）_n＝K_A（L_A/W_A）_n+K_B（L_B/W_B）_n+K_C（L_C/W_C）_n

如图9所示：

W_A定义为紧靠角部容器和渗透通道的外边缘的通道的宽度。

L_A被定义为从中心管处径向延伸的第一屏障线的长度。

W_B被定义为离管子最远的一个位置上的通道的宽度，一般在管径向上。

L_B被定义为离管子最远的一个位置上的通道的长度，一般平行于管子。

W_C定义为远离容器的通道（如果存在的话）的宽度，一般平行于管子。

L_C定义为从中心管一般地径向延伸的第一屏障线的长度。

K_A、K_B、K_C等为空间渗透系数，它通过传统的装置经试验测定。

下标1、2、3等表明被测定的特定的通道尺寸。

图12表示屏障线的典型尺寸和布置，它对于所示的2平方尺（0.19m²）的组件来说是重要的，这些尺寸被表示在图中作为一个较好的实施例和例子。

为了叙述所述实施例而包含该限定尺寸，无论如何不能认为是一种限制。

对于其它的通道，使用相似的定义和标号。可以使用计算机帮助计算和模拟通过改变在不同通道内（L_A）、（W_A）、（L_B）、（W_B）、（L_C）和（W_C）等用以均衡（PD）₁＝（PD）₂＝……（PD）_n。

一个L形线形物是最少的通道。较好为3至7个L形线物。

薄膜选自本文所描述的那些，当这些组件用于气体脱水时，PFSA、NAFION 或三乙酸纤维素是较好的。本领域中公知的其它膜可以用于其它的应用场合。

渗透隔离部件选自本文所描述的那些。SIMPLEX

是较好的。

屏障线形物尽可能地薄，以使选择性渗透膜的活性表面积最大。聚合物选自本文所描述的那些。聚合物被固化时应当是稍微挠性的和可压缩的。环氧树脂、聚氨酯或聚硅氧烷是较好的。

在组件制造中，渗透隔离部件，如SIMPLEX

.2sq.ft（0.19m²），通常被放在一平板玻璃上。薄的氨基甲酸酯屏障线被置于SIMPLEX

上，而第二块平板玻璃被置于SIMPLEX 的上面以形成一种夹心结构。氨基甲酸酯固化，然后取出玻璃板。

然后把柔韧的聚合物（屏障）线形隔离部件置于相邻的膜表面之间，以形成渗透通道。

图10和11表示了薄屏障（聚合物）线形物实施例的其它变化。波纹状的线形物对于在渗透通道中引起湍流和/或混合（从而与选择性渗透膜有更有效的接触）是有效的。

在图10-11中，屏障线形物用301表示，所形成的通道用401表示（通常如图14和15所示的那样）。通常，线形物201在渗透通道（膜）的外边缘处形成密封件（粘合剂）。

图9中，在区（505）吹扫流体的最初分布可以利用本文所描述的容器来完成。

在一个实施例中，在渗透隔离部件中的用于形成确定的渗透通道的粘合剂屏障型式是通过单独地和小心地融化特定的较好为有机聚合物的隔离部件线形物来实现的。然后如上所述地将成型的隔离部件插入到选择性渗透膜中。挠性的选择性渗透膜在流体分离过程中自然压力下压在屏障线上形成渗透通道。

下面的实施例只用来描述和说明，它们无论如何不能认为是一种限制。

实施例1-组件的制造

一块12″×12″（0.3m×3m）的三乙酸纤维素（CTA）膜（Eastman Kodak，见前述）用氢氧化钠进行水解，用水彻底地清洗，并且干燥。一个20″（0.51m）长的（外径）O.D.为3/8″（0.95cm）的聚碳酸酯管进行如下法改进。在其中间处钻一个孔并且用聚氨酯粘合剂填充以形成一个塞子。固化一夜后，在管中邻近1英寸（2.54cm）粘合剂的外部带其间隔为6英寸（15.2cm）的2寸（5.08cm）带中钻孔。包括位于中间的塞子（17），管的全长为20英寸（50.8cm）。

为了得到如上所述的隔离部件的组合，所用的紧密的隔离部件是渗透隔离部件（填充有环氧树脂的SIMPLEX

材料），而所用的稀疏的隔离部件为VEXAR ^＃5321。同样的稀疏隔离部件还可用作加料隔离部件。

隔离部件被如下切割：

（1）三个紧密隔离部件6″×5″（15.2cm×12.7cm）：渗透

（2）二个稀疏隔离部件3″×5″（7.6cm×12.7cm）：渗透

（3）一个稀疏隔离部件12″×5″（70.5cm×12.7cm）：加料

在此实施例中，在渗透通道（60）中，只有两个紧密隔离部件占据了图（3A）中标有“B”的区。首先将隔离部件粘附在有氨基甲酸酯粘合剂的管上，然后将CTA膜在膜的中部用氨基甲酸酯粘合剂围绕在管子粘接。粘合剂固化以后，将加料隔离部件插入，并且将组件紧紧地围绕缠绕在在管上。在缠绕过程中，氨基甲酸酯粘合剂被施加在渗透隔离部件和膜的所有的边缘上，以封闭渗透通道。将一薄层氨基甲酸酯粘合剂涂在缠绕的组件上，并使之固化。小心地避免将粘合剂施加在组件的两个开口端。

然后将此组件插入到加压室中，使空芯铝管通过在两端密封的连接器管伸出压力室，然后加压室加压，压力缓慢地增加至1000psi（6.895MPa）。即使在这样高的压力下，也没有气体从包在渗透通道中的铝管泄漏出来。在压力低于10psig（68.9KPa g）下，将经过测量过流速的氮气通过聚碳酸酯管的一端引入组件的渗透通道，测量此渗透通道的压降作为加料压力的函数。就象所预期的那样，在较高的加料压力下，在吹扫通道中有较高的压降。在给定的加料压力下的压降，可以通过改变吹扫通道的尺寸来控制。

实施例-2空气脱水

用4mils（101.6微米）厚的PFSA膜和VEXAR

及SIMPLEX 隔离部件制备一组件，膜产自Dow Chemical。在图3A中可以看到图解的图样。操作温度在23℃。

这种组件在直径约3/4英寸（1.9cm）的空芯铝管的周围制造。见图1。膜为PFSA（Dow Chemical）4密尔（101.6微米）和表面积为2平方尺（0.19m²）。一种纤维增强的丙烯腈微孔膜（GELMAN 3000H），厚为7mil（178微米），其孔为3微米，用作膜和渗透（吹扫）隔离部件之间附加膜支撑件。

在500psi（3.45MPa）下，对组件进行测漏试验，在100psi（0.69MPa）下测试空气脱水，在现场条件下，在490psi（3.38MPa）下测试CH₄/CO₂的脱水。

此组件中所采用的设计是SIMPLEX

和VEXAR 隔离部件的组合，以在膜的吹扫侧产生逆流流动。这种SIMPLEX

隔离部件是由有环氧树脂涂层的聚酯纤维制成的织物。这种隔离部件厚为16mil（406微米），并且在两面都有流动通道。隔离部件的流动通道尺寸在100-600微米间变化。VEXAR 隔离部件是用聚丙烯纤维制成的更稀疏的网状物。在SIMPLEX

隔离部件提供活性逆流接触面积的同时，VEXAR

隔离部件作为吹扫气体的分布器使用。在500psi（3.45MPa）下用干燥的氮气通一小时，测试结果表明，此组件没有出现任何泄漏。在100psi下测得的空气脱水性能被列在下面的表1中。在490psi（3.38MPa）下，测试天然气（50/50CH₄/CO₂）脱水5星期。所得到的脱水性能数据也在表1中给出。在整个现场测试期间，该组件没有出现任何泄漏。然而在此期间它的脱水性能并不好。组件的检查表明，VEXAR 隔离部件在高压下破裂在吹扫通道中，产生了流动的分布问题，此问题导致了组件的低劣的脱水性能。利用板和框装置进行进一步的研究，证实了VEXAR

隔离部件实际上比SIMPLEX

隔离部件的压降高约300psi（2.07MPa）。这种直观的检查清楚地表明了在高压下VEXAR 隔离部件的破裂，并且这种破裂是不可改变的。

修改螺旋式缠绕组件的设计以避免隔离部件分布器破裂的问题。在修改的设计中使用单一的SIMPLEX 隔离部件，以在膜的渗透吹扫侧产生逆流流动。如果用聚酯或其它具有高耐压强度的聚合物、陶瓷或金属的隔离部件代替聚乙烯隔离部件，也可以避免VEXAR

的破裂。

表 1

加料压力加料流量吹扫流量除去水量

psig（MPa）（SLPM）^＊（加料流量的%）（%）

空气（用约90%的水饱和）

1. 100（0.69）25.3 17 91

甲烷/二氧化碳（50/50，V/V）（用水饱和）

2. 490（3.38） 30.6 8.8 76

3. 490（3.38） 29.8 4.5 62

＊SLPM为每分钟标准升。在渗透通道中的逆流吹扫气的流速越高，除去水的百分比就越高。

实施例3-空气脱水

使用3mil（76.2μm）厚，表面积为0.25sp.ft（0.023m²）的PFSA膜（Dow Chemical Company）制备组件，并且在104（0.72MPa）和600Psi（4.14MPa）下，进行空气脱水试验。粘合剂点的间隔见图10。渗透隔离部件为16mil（406μm）厚的SIMPLEX

。加料隔离部件为24mil（610μm）厚的VEXAR

。在104（0.72MPa）和600Psig（4.14MPa）下测得的空气脱水性能列于表2中。组件显示了优良的脱水性能。在高压下，组件的脱水效率没有降低。这就清楚地表明，改进的吹扫隔离部件在600Psig（4.14MPa）下没有破裂，在吹扫通道中，没有产生流动的分布问题。

表 2

实验号加料流量吹扫流量吹扫吹扫压力入口除去水量

（SLPM）（SLPM）（加料的%）（PSIG）湿度（%）

（KPa）（%）

1. 12.0 0.27 2.3 0.7 97 77.5

（4.8）

2. 12.0 0.41 3.4 1.2 97 88.2

（8.3）

3. 12.3 0.51 4.1 1.6 90 92.5

（11.0）

4. 12.3 0.51 3.7 0.6 90 92.5

（2.5）

5. 18.0 0.70 3.9 2.3 93 91.5

（15.9）

6. 28.3 1.18 4.2 3.8 93 90.5

（26.2）

7. 5.0 - 10 - - 75.5

8. 3.8 - 13.2 - - 88.1

9. 3.3 - 23.6 - - 93.8

＊实验号为1-6的加料压力为600psig（4.14MPa g）

实验号7-9的加料压力为104psig（0.72MPa g）

实施例4-甲烷脱水

实施例2的组件用在此组实验中以从甲烷中除去水。结果表示在下面的表3中

表 3

甲烷气脱水^＊25℃

加料加料流量吹扫吹扫流量除去水量

（PSIA）（SLPM）（PSIA）（加料的%）（%）

（KPa）

300 2.8 23 8 94

（158.6）

600 10 22 3.8 93

（151.7）

甲烷加料用水蒸汽饱和约为90%

实施例5-在渗透通道中带聚合物的屏障线的组件的制造

将一20英寸×14英寸（0.51m×0.36m）的具有L形线形物（参照图12）的渗透隔离部件（SIMPLEX

）粘附在空芯管上，使管的入口端的孔处于聚合物的L形线形物的分布器部分。所涉及的管（15）的尺寸包括中心塞子（17）为带有两组相距13英寸（33.8cm）远的孔组，每个孔组在2.5英寸（6.4cm）宽带内，相邻的外边粘合剂带为2英寸（5.1cm）。定位是非常重要的。如果孔设置在L形区里，那么流动分布将不均匀。在空芯管的入口端的孔应当设在空芯管的圆周上一有限的小段里。在空芯管的出口端处，孔为围绕着管的整个圆周设置。

SPMPLEX

隔离部件和空芯管与一张PFSA（3mil）膜一起用于装配以制造一具有2sq.ft（0.19m²）的有活性的膜表面组件。使用一张Gelman（Versapor3000H）支撑膜。所用的粘合剂聚合物为7621环氧树脂，产自H.P.Fuller。

实施例6-湿空气的脱水

将用水饱和的空气（露点+22℃）通入由图14、15、24和25确定的组件21中。

表 4

空气脱水数据

编号加料流量吹扫流量排放露点 H₂O除去

（SLPM）（SLPM）（℃）（%）

1. 21.5 5.6 -32+ 98.8

2. 20 4.2 -32+ 98.8

3. 33 6.2 -17.5 95.2

4. 29 7.5 -19.8 96.0

5. 46 9.0 -10.6 90.7

6. 47 12.2 -15.6 94.1

7. 60 11.8 -6.4 86.5

＊低于-30℃的露点用现有设备测量不是非常可靠的。

所有实验的加料露点都为22℃。

虽然本文仅表示和描述了几个本发明的实施例，但对于本领域的技术人员来说，显然可以对组件做出各种改进和改变使之成为一改进的设计，如可渗透的膜的通道有一中心为低孔隙率的区域，它有一相反的高孔隙率边界区以简化被处理的流体的分散和收集。另外，在一较好的实施例中，组件有引入和排出通过渗透通道的逆流、错流或并流吹扫气体的部件。所有这些改进都不脱离本发明的精神和范围。所有这些改进和修改都落入打算实施的附带的权利要求的范围内。

Claims

1、一种用以在室(90)中从流体加料混合物(93)中分离渗透流体(93A)的具有半渗透膜的螺旋缠绕的膜组件(10)，上述的组件包括：

位于中心的空芯管(15)，

至少一个未封口的膜封皮(24A)、(24B)围包部件(26)，在加料通道(70)内提供基本均匀的流动，

至少一个流体加料隔离部件(26)，和

至少一个渗透流体隔离部件(51)，以便在渗透通道(60)中提供渗透流体的基本均匀的流动，其中上述的渗透流体通道包括：

流动控制部件(20)、(20A)，用于使吹扫流体能够在渗透通道中错流、逆流或并流流动，

上述普通的空芯管(15)在它的长度的中间位置处有一壁式屏障(17)，它将管分成第一室(16)和第二室(16A)，上述管有部件(18)，用于从上述管的第一室(16)收集流体渗透物流(20)、(20A)，上述管还有部件(18A)，用于从该管的第二室(16A)收集并排出渗透流体物流，上述第一和第二管室各自至少有一个穿过管的圆周的径向孔(18)、(18A)，渗透流体从这里通过，

上述的多孔片状渗透隔离部件(51)与第一和第二管室(16)、(16A)的径向流体孔(18)、(18A)以流体相通，

上述的至少一个膜封皮(24A)、(24B)包括构成加料通道(70)的一片状膜(24)，它具有第一表面和与其相对的第二表面，膜至少被折叠一次或被封住，以便膜层的第一表面的一半面向膜封皮的第一表面的另一半，第一张膜的第一和第二表面之间的插入物是上述的多孔的片状的流体加料隔离部件(26)，

用于流体渗透的上述的渗透通道(70)是由与第一表面相对的相邻的膜表面构成的，其中与第一表面相对的相邻的表面彼此密封地粘合，在渗透通道(60)内，在与第一表面相对的相邻的膜封皮表面之间有隔离部件(51)，

用于将渗透流体从渗透流体通道排除到组件外面的部件(20)、(20A)，和用于在操作条件下制止紧密的组件卷松脱螺旋性的部件(59)。

2、按权利要求1的螺旋缠绕的膜组件，其特征在于

上述的渗透隔离部件（51）包括三个并置的且相互连接的区A-B-C，其中外部较高孔隙率区A和外部较高孔隙率区C各自在一边与管的径向孔（18）、（18A）相连，并与之以流体相通，而区A的第二个轴向边和区C的第二轴向边各自与较低孔隙率区B的相对的边相连，其中，在区A相对于管一般为径向的边缘处收集渗透流体，该低压区A与中间压力区B以流体相通，该区B与低压力区C以流体相通，其中区B不直接与管的第一和第二室的任何径向孔以流体相通。

3、按权利要求1的螺旋缠绕的膜组件，其特征在于

上述的渗透通道（60）包括稀疏限定的通道（401），它与位于膜封皮的一个角的紧靠近管的一端的流体收集容器（505）以流体相通，吹扫流体由所说的管的该端进入该管和渗透通道。

4、按权利要求1或2的组件，其特征为上述的空芯管还包括在管的一个室中喷射逆流吹扫流体的部件，在该管所说的室中渗透物流经渗透通道除去。

用以从管的另一个室除去逆流吹扫流体的部件。

5、按权利要求1的组件，其特征为通过两排有间隔的屏障点将高多孔区A与低孔隙率区B以及低孔隙率区B与高孔隙率区C相分开，所说的屏障点在相对于管的径向方向上各自采用预先确定的构型。

6、一种膜分离装置包括：

（a）一适合装入螺旋缠绕的膜分离组件（10）的壳体（90），壳体对环境基本上密封，且有一个内表面，

（b）设置在壳体内的螺旋缠绕的膜组件（10），通常在螺旋缠绕的组件的外表面与壳体的内壁之间形成一环形余隙空间，设计的螺旋缠绕的膜组件将流体加料物流分离成渗透物流和浓缩物流，

（c）密封在组件的外表面和壳体的内表面之间的环形余隙空间以形成第一室（91）和第二室（91A）的部件，

（d）将加料物流引入所述第一室中的螺旋缠绕的膜组件（10）的部件，（14）和从上述的第二室（91A）排出浓缩物流（93A）的部件（14A），和

（e）排出渗透物流的部件（20）、（20A），其特征在于上述的螺旋缠绕的膜组件包括：

设置在中心的空芯管（15），

至少一个未封口的膜封皮（24A）、（24B）围包，

至少一个多孔的流体加料隔离部件（25），以在加料通道（93）内提供基本均匀的流动，和至少一个渗透隔离部件（51），以在渗透通道（60）内提供基本均匀的流动，其中上述的渗透通道（60）包括能够使吹扫流体在渗透通道内错流、逆流或并流流动的装置（80），

上述普通的空芯管在其长度中间，有将它分成第一室（16）和第二室（16A）的壁式屏障（17），上述管有从它的第一室移走流体渗透物流的部件和从它的第二室移走流体渗透物流的部件，上述的第一和第二管室各自至少有一个径向的穿过管的圆周的孔（18）、（18A），渗透流体从这里通过，

上述多孔片状的加料隔离部件与第一和第二管室（16），（16A）的径向流体孔（18）、（18A）以流体相通，

上述至少一个膜封皮（24A）、（24B）包括一构成加料通道（93）的片状的膜（24），它有第一表面和与其相对的第二表面，膜折叠一次使膜层的第一表面的第一半面对膜封皮的第一表面的另一半，膜的第一和第二表面之间的插入物是上述多孔的片状流体加料隔离部件（26），

用于流体渗透的上述渗透通道（60）是通过密封与第一表面相对的相邻膜表面的边缘来形成的，带有在与第一表面相对的相邻膜封皮表面之间的渗透通道内的多孔隔离部件（51），和用于将渗透流体从第二流体通道排到组件外部的部件（20）、（20A）、以及在操作条件下制止紧密的膜组件卷松脱螺旋性的部件（59）。

7、按权利要求6的膜分离装置，其特征在于

上述的渗透通道包括三个并置的相互连接区A-B-C，其中，外面的较高孔隙率区A和外面的较高孔隙率区C各自在一边与管的径向孔以流体相通，而区A的第二轴向侧和区C的第二轴向侧各自与较低孔隙率区B的相对侧相连，其中，区A轴向收集低压渗透流体，低压区A与高压区B以流体相通，而高压区B与低压区C以流体相通，其中区B不直接与管的第一和第二室的任何径向孔以流体相通。

8、按权利要求6的膜分离装置，其特征在于渗透通道（60）中的渗透隔离部件（51）包括一较高孔隙率区D和较低孔隙率区E和较高孔隙率区F，各自在它们的公共边缘上，以两行有间隔的胶粘点（111）来确定，所说胶粘点在相对于管的基本上径向上有预先确定的构型。

9、按权利要求1的螺旋缠绕的膜分离组件，其特征在于

在组件内的所述加料通道中，用于控制加料流体流动的加料隔离部件（26）包括两个并置的区G和H，其中区G和区H彼此以流体相通，且由一系列的有预先确定的构型的胶粘点（162）来分开，所说胶粘点通常在平行于管的弯曲表面的直线上，上述加料通道的入口是一个在管子径向上并紧靠管子进入区域G中的小的开口，组件的加料入口边其余的约80-90%被封住，和

上述加料通道的出口是小的紧靠近膜片的远离所述管的平行边处的径向孔，和

在上述渗透通道中用于控制渗透和错流吹扫流体的流动的上述渗透隔离部件包括三个并置的相连的流体区D-E-F，其中区D和E及区E和F各有一边紧靠上述的管，区D和E及区E和F之间的分界线是一系列预先确定构型的屏障点，该两线通常基本上是直线的，它们基本上处于管的弯曲表面到组件膜的外边缘的径向上。

10、按权利要求1的螺旋缠绕的膜分离组件，其特征为

用于控制渗透和并流或逆流吹扫流体的流动的所述渗透隔离部件包括三个并置的相连的流体区D-E-F，其中，区D和E及区E和F之间的分界线是两排有预先确定的构型的有间隔的屏障点，通常每排屏障点被定位于从管的弯曲表面到组件膜的外边缘的径向的直线上。

11、按权利要求1的螺旋缠绕的膜组件，其特征为使用含有薄的线性屏障能够控制逆流或并流流体在渗透通道内的流动。

12、按权利要求11的螺旋缠绕的膜组件，其特征为线性屏障之间的稀疏空间与小的开口容器以流体相通，而小的开口容器与管的一端的至少一个径向孔以流体相通。

13、按权利要求1或12的螺旋缠绕的膜组件，其特征为选择渗透性膜选自全氟乙烯磺酸聚合物、NAFION

或三乙酸纤维素。

14、按权利要求1或6的螺旋缠绕的膜组件，其特征为渗透隔离部件是有环氧涂层的SIMPLEX

纤维聚酯网状材料。

15、一种用于从含一种有机流体和一种气体或其混合物的一种混合物中除去水、二氧化碳、硫化氢、一种易挥发的有机流体或一种流体的方法包括使用权利要求1或13的组件。