CN107580524B

CN107580524B - 膜组件

Info

Publication number: CN107580524B
Application number: CN201680018322.6A
Authority: CN
Inventors: 海科·诺茨克; 托尔斯滕·布林克曼; 索斯滕·沃尔夫; 赵立; 塞巴斯蒂安·卢赫尔
Original assignee: Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Current assignee: Helmholtz Center Heon Co ltd
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: WO2016150679A1; EP3072575A1; CN107580524A; US10010832B2; EP3227004B1; EP3227004A1; US20180111094A1

Abstract

本发明涉及用于将流体输入流分离成渗透物流和渗余物流的新型膜组件。根据本发明的膜组件的特征在于，所有部件都容纳在20'、40'、45'HC、45'PW或53'HC容器中，由此可以非常容易并且成本有效地运输和处理膜组件，尽管其体积相对较大并且其重量较大。与通常使用的膜组件相比，所述膜组件的特征还在于其膜面积大，由此实际应用中所需的单独的膜组件的数量可以减少很多倍。本发明还涉及使用根据本发明的膜组件将流体输入流分离成渗透物流和渗余物流的方法。

Description

膜组件

技术领域

本发明涉及用于将流体进料流分离成渗透物流(permeate stream)和渗余物流(retentate stream)的膜组件。

背景技术

近几十年来，化石燃料的燃烧产生能量导致地球大气中二氧化碳的比例大幅度上升，地球大气中二氧化碳浓度自工业化开始以来已增加近40％。此外，相信二氧化碳的排放占人类造成的温室效应的约60％。为了阻止进一步的全球变暖，因此当务之急是必须尽可能减少向地球大气排放二氧化碳。由于全球二氧化碳排放量的大部分是由燃煤发电厂的化石燃料燃烧引起的，因此在这里将发现减少全球二氧化碳排放的巨大潜力。

用于减少排放的二氧化碳的各种方法已经用于大规模处理工程。所谓的膜分离方法似乎特别有利，其中待分离的物质混合物，例如发电站的烟道气通过膜分离成渗余物流和渗透物流。穿透膜并因此与进料分离的流被称为渗透物流。不穿透膜并离开分离单元的除去渗透物的流被称为渗余物流。通过使用可再生能源，可将作为渗透物分离的二氧化碳转化成可用的碳基产品，诸如燃料或聚合物，或者可以在地下储存或用作用于藻类的营养。

为了提供从发电站的烟道气中除去二氧化碳所需的膜表面积，目前使用大量的相对小的膜组件。例如，需要大约6000个标准膜组件(每个具有有效的膜表面积为100平方米)用于从容量为1500MW的燃煤发电站的烟道气中除去二氧化碳。然而，各个膜组件必须配备相应的控制阀和管道，这使得该处理非常容易出错，维护密集且昂贵。因此，期望使用少量较大的膜组件。然而，由于体积相对较大和重量较大，目前处理尤其是运输大型膜组件非常费力和昂贵。因此，相对较大的膜组件尚未投入使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以克服上述缺点的膜组件。特别地，提供一种膜组件，该膜组件具有较大的膜表面积，同时可以以简单且节约成本的方式运输和处理。此外，将提供使用根据本发明的膜组件将流体进料流分离成渗透物流和渗余物流的方法。

上述目的通过根据权利要求1的膜组件和根据权利要求8的方法实现。

因此，提供了一种用于将包含渗透物材料和渗余物材料的流体进料流分离成渗透物流和渗余物流的膜组件，所述膜组件具有以下特征。根据本发明的膜组件包括大致盒形的20'、40'、45'HC、45'PW或53'HC容器，所述20'、40'、45'HC、45'PW或53'HC容器的内部空间由底板、二至四个侧壁和顶板限定，并且具有宽度、高度和长度。

此外，膜组件包括在容器的至少一个侧壁中的一个或多个流体入口(进料流入口)，以及在容器的至少一个其它侧壁中的用于排出渗余物流的一个或多个渗余物出口。流体入口和渗余物出口彼此流动连通。

此外，膜组件包括在容器的至少一个底板、侧壁或顶板中的一个或多个渗透物出口(其用于将渗透物流从容器排出)，以及布置在容器内的一个或多个膜袋堆叠(membranepocket stack)。膜袋堆叠包括：膜袋，以堆叠的形式布置，并且与一个或多个流体入口和/或一个或多个渗余物出口相邻；以及膜袋之间的第一间隔物。第一间隔物用于保持膜袋间隔开，以便使流体进料流和/或渗余物流的通流(throughflow)的自由过流断面(flowcross-section)成为可能。每个膜袋包括：两个膜，每个膜存在于一个载体材料上；以及存在于膜之间的一个或多个第二间隔物。第二间隔物保持膜间隔开，从而使穿过膜袋的渗透物流的通流的自由过流断面成为可能。膜袋的膜还在边缘处彼此连接，以防止流体进料流和/或渗余物流渗透到膜袋中。

此外，根据本发明的膜组件包括一个或多个渗透物管。一个或多个渗透物管垂直于流体进料流的流动方向通向一个或多个渗透物出口。一个或多个渗透物管还包括一个或多个径向开口，来自膜袋的渗透物材料通过一个或多个径向开口到达一个或多个渗透物管中。此外，第一密封件在膜袋之间设置在一个或多个渗透物管上，第一密封件防止流体进料流和/或渗余物流与一个或多个渗透物管接触。

一个或多个膜袋堆叠大体上沿容器的内部空间的整体长度和宽度延伸，优选地沿容器的内部空间的整体长度、宽度和高度延伸。

优选地，20'、40'、45'HC、45'PW或53'HC容器的内部空间的未填充有一个或多个渗透物管的部分几乎完全，优选地完全填充有一个或多个膜袋堆叠。特别地，一个或多个膜袋堆叠被布置为使得它们完全填充容器的横向于流体进料流的流动方向的过流断面，其中过流断面通过容器的侧壁以及顶板和底板被限定为横向于流动方向。因此，容器的侧壁以及顶板和底板将流体进料流限定在其从一个或多个流体入口到一个或多个渗余物出口的路径中。一个或多个膜袋堆叠的膜或膜袋优选地大体上平行于容器的底板和顶板延伸。膜袋堆叠的相应布置导致每个膜组件的非常大的膜表面积。

附图说明

以下参照附图详细描述本发明。附图仅示出了优选实施例，而不是限制本发明。

图1示出了根据本发明的膜组件的实施例的俯视图。

图2示出了根据本发明的膜组件的另外的实施例的俯视图。

图3示出了布置在渗透物管上和膜袋之间的密封件的实施例。

图4示出了渗透物管中的开口的实施例。

图5示出了膜袋的实施例。

图6示出了穿过根据本发明的膜组件的截面的俯视图，其中膜袋堆叠基本上在容器的内部空间的整体长度和宽度以及根据本发明的膜组件的实施例的流体进料流/渗余物流和渗透物流的流动方向上延伸。

图7示出了穿过根据本发明的膜组件的截面的俯视图的剖切图，其中多个膜袋堆叠基本上在容器的内部空间的整体长度和宽度以及流体进料流/渗余物流和渗透物管上的渗透物流的流动方向上延伸。

具体实施方式

容器

膜组件10包括20'、40'、45'HC、45'PW或53'HC容器50。容器50包括底板60、二至四个侧壁70以及顶板80，并且基本上是盒形的。底板60、侧壁70以及顶板80包围容器50的内部空间85。容器50优选地为20'或40'容器，特别优选地为20'容器。

使用20'、40'、45'HC、45'PW或53'HC容器50的优点是可以通过常用且全球标准化的设备进行运输和处理。因此，不需要设计、构建和安装用于运输和处理膜组件10的新装置，这导致显著的成本降低。

流体入口/渗余物出口

容器50在侧壁70中具有一个或多个流体入口90，用于将流体进料流20引入膜组件10。

如果膜组件10用于从发电站的烟道气中去除二氧化碳，烟道气代表流体进料流20。烟道气然后经由管道通过一个或多个流体入口90被引导到膜组件10中。然而，也可以想到膜组件10的其它用途；膜组件10的用途绝不限于从发电站的烟道气中去除二氧化碳。

此外，在另一个侧壁70中，容器50具有一个或多个渗余物出口100，用于将渗余物流40从膜组件10中排出。

流体入口90和渗余物出口100彼此流动连通。

根据图1和图2所示的优选实施例，容器50的一个侧壁70完全形成为渗余物出口100。另一个侧壁70优选地完全形成为流体入口90。根据另一个实施例，一个侧壁70完全形成为流体入口90，另一个侧壁70包括一个或多个渗余物出口100。根据另外的实施例，一个侧壁70完全形成为渗余物出口100，另一个侧壁70包括一个或多个流体入口90。

如果侧壁70完全形成为流体入口90或渗余物出口100，则侧壁70完全由流体入口90或渗余物出口100代替。具有完全形成为流体入口90的侧壁70以及完全形成为渗余物出口100的侧壁70的容器50因此包括底板60、两个侧壁70以及顶板80。

根据优选实施例，一个或多个流体入口90和一个或多个渗余物出口100设置在容器的相对的侧壁70中。根据特别优选的实施例，一个侧壁70完全形成为流体入口90，并且相对的侧壁70完全形成为渗余物出口100。根据另一个实施例，一个侧壁70包括1至100个，更优选地1至10个流体入口90并且优选地与第一侧壁相对的另一个侧壁70，同样地包括1至100个，更优选地1至10个渗余物出口100。

渗透物出口

此外，在容器50的至少一个底板60、侧壁70或顶板80中，膜组件10具有用于排出渗透物流30的一个或多个渗透物出口110。这些渗透物出口110连接到容器50内的渗透物管180。

如果膜组件10用于从发电站的烟道气中除去二氧化碳，则从烟道气中除去的二氧化碳代表渗透物流30。为了进一步纯化，可以将一个膜组件10的渗透物流作为流体进料流20引入另外的串联连接的膜组件10中。

根据优选实施例，容器50的底板60和顶板80包括相同数量的一个或多个渗透物出口110。

渗透物出口110优选地彼此相对地布置在底板60和顶板80中。

根据图1所示的实施例，膜组件10包括在容器50的顶板80和底板60中的每一个中的八个渗透物出口110。根据图2所示的实施例，膜组件10包括在容器50的顶板80和底板60中的每一个中的一个渗透物出口110。

根据优选实施例，渗透物出口110形成为凸缘210。

根据特别优选的实施例，膜组件10包括1至100个，更优选地1至10个，更优选地1至8个渗透物出口110。

膜袋堆叠

此外，膜组件10在容器50内部具有一个或多个膜袋堆叠120，用于将流体进料流20分离成渗透物流30和渗余物流40。

从图6可以看出，膜袋堆叠120基本上在容器50的内部空间85的整体尺寸(长度和宽度，优选地长度、宽度和高度)上延伸。膜袋堆叠120仅使渗透物管180延伸的区域保持开放。可选地，还可以将几个膜袋堆叠120布置为一个膜袋堆叠在另一个膜袋堆叠之上，结果是它们一起填充容器50的内部空间85。每个单独的膜袋堆叠120基本上在内部空间85的整体宽度和长度上延伸。

图7示出了本发明的另一实施例，根据该实施例，几个膜袋堆叠120布置为彼此相邻并且基本上一起填充容器50的整个内部空间85。可选地，膜袋堆叠120可以不仅布置为彼此相邻，而且可以另外布置为一个膜袋堆叠在另一个膜袋堆叠之上，从而填充整个内部空间85。

应当理解，由膜袋堆叠120填充的容器50的内部空间85不包括一个或多个渗透物管180延伸的一个或多个区域。

如果膜组件10用于从发电站的烟道气中除去二氧化碳，则从烟道气中分离的二氧化碳代表渗透物流30。然而，还可以想到从流体进料流20分离其它化合物或物质，其中分离出的这些化合物或物质代表渗透物流30。

膜袋堆叠120包括以堆叠形式布置的膜袋130，每个膜袋包括两个膜150。膜150优选地各自固定到一个载体材料160上。

将膜袋130保持彼此间隔开的第一间隔物140优选地设置在膜袋130之间，以便使薄膜袋130之间的流体进料流20和/或渗余物流40的通流的自由过流断面成为可能。第一间隔物140特别优选地设置为与一个或多个流体入口90和/或一个或多个渗余物出口100相邻。

膜袋130在其内部包括膜150之间的一个或多个第二间隔物170，以便使膜150保持彼此间隔开，以便使穿过膜袋130的渗透物流30的通流的自由过流断面成为可能。

第一和/或第二间隔物140、170彼此独立地可以包括塑料织物或完全由塑料织物组成。然而，还可以想到本领域技术人员参考其一般专业知识能够选择的其它材料。

如图5所示，膜袋130的膜150在边缘处彼此连接，以防止流体进料流20和/或渗余物流40渗透到膜袋130中。根据优选实施例，膜150通过彼此热粘合而彼此连接。然而，也可以想到连接膜150的其它方法，例如胶合。

渗透物管

此外，膜组件10包括一个或多个渗透物管180，其通向容器50的底板60和/或顶板80中的一个或多个渗透物出口110，以便将渗透物流30从膜袋130引导到一个或多个渗透物出口110，随后能够从渗透物出口排出渗透物流30。

根据优选实施例，一个或多个渗透物管180布置为在一个或多个膜袋堆叠120中垂直于容器50中的流体进料流20的流动方向。

如图4所示，一个或多个渗透物管180包括开口190，渗透物流30可以通过开口流出膜袋130进入一个或多个渗透物管180。根据优选实施例，一个或多个开口190径向设置在一个或多个渗透物管180中。

此外，第一密封件200在膜袋130之间设置在一个或多个管180上，结果是阻止了流体进料流20和/或渗余物流40与一个或多个渗透物管180之间的接触。存在于膜袋130之间的流体进料流20和渗余物流40因此被防止渗透到一个或多个渗透物管180中。

一个或多个渗透物管180优选地通过第二密封件220朝向外部密封。第二密封件220优选地为O形环。这样的实施例例如在图3和图4中示出。然而，为了将一个或多个渗透物管180朝向外部密封，也可以想到本领域技术人员已知的另外的设计。

用于将流体进料流分离成渗透物流和渗余物流的方法

为了将流体进料流20分离成渗透物流30和渗余物流40，首先将流体进料流20引导通过一个或多个流体入口90进入膜组件10。从那里，流体进料流20在一个或多个渗余物出口100的方向上流动通过膜组件10。

在通过膜组件10的通流期间，包含在流体进料流20中的渗透物材料(例如二氧化碳)流过膜150进入膜袋130的内部。相比之下，膜150对流体进料流20的其它组分的渗透性较差。以这种方式，流体进料流20基本上分离成渗透物流30和渗余物流40。渗透物流30存在于膜袋130中，渗余物流40存在于膜袋130之间。

渗透物流30还通过开口190流出膜袋130进入一个或多个渗透物管180。

在膜袋130之间设置在一个或多个渗透物管180上的第一密封件200防止流体进料流20和/或渗余物流40流入一个或多个渗透物管180。这在例如图3中示出。因此，在膜袋130之间流动的渗余物流40因此在渗余物出口100的方向上在一个或多个渗透物管180周围流动。这例如在图6和图7中示出。

根据优选实施例，在一个或多个渗透物出口110处施加比在一个或多个流体入口90和一个或多个渗余物出口100处低的压力。这可以例如通过真空泵来实现。

由于膜袋130经由一个或多个渗透物管180和一个或多个开口190与一个或多个渗余物出口100流动连接，膜袋130中的压力低于膜袋120之间的压力，其中流体进料流20和渗余物流40在膜袋之间流动。这样做的结果是，渗透物材料被从流体进料流20中抽吸(draw)出穿过膜150进入到膜袋130的内部。从那里，经由一个或多个开口190将渗透物流30抽吸到一个或多个渗透物管180中，最后到渗透物出口110，渗透物流30在渗透物出口110处从膜组件10排出。

以这种方式，可以提高膜组件10的分离能力。当施加负压时，存在于膜袋130中的第二间隔物170还通过防止膜袋130的膜150由于膜袋130中的负压而被抽吸在一起来保证用于渗透物流30的通流的膜袋130中的自由过流断面。

当使用图2和图6所示的膜组件10(其在膜组件10的上游侧具有渗透物管180以及在顶板80和底板60中的每一个中的一个渗透物出口110)时，流体进料流20和渗透物流30根据逆流原理至少部分地流过彼此。这在图6中示出。根据另一个实施例，膜组件10在膜组件10的上游侧包括多个渗透物管180和渗透物出口110。同样根据这样的实施例，流体进料流20和渗透物流30根据逆流原理至少部分地流过彼此。以这种方式，与基于并流和交叉流原理的膜组件相比，膜组件10的效率得到提高。

根据本发明的膜组件的用途

根据本发明的膜组件优选地用于从流体进料流20分离气体。气体和流体进料流20都不限于特定的化合物或物质。

从流体进料流20中除去的气体优选地为二氧化碳。根据本发明的膜组件特别优选地用于从发电站的烟道气中除去二氧化碳。使用20'容器，只需要90个膜组件就可以从容量为1500MW的燃煤发电站的烟道气分离二氧化碳，而不是目前需要的6000个膜组件。如果使用较大的容器，则相应地需要更少的膜组件。

Claims

1.一种用于将包含渗透物材料和渗余物材料的流体进料流(20)分离成渗透物流(30)和渗余物流(40)的膜组件(10)，所述膜组件(10)包括：

a、具有内部空间(85)的盒形的20'、40'、45'HC、45'PW或53'HC容器(50)，所述内部空间由底板(60)、二至四个侧壁(70)和顶板(80)限定，其中，所述内部空间(85)具有宽度、高度和长度；

b、一个所述侧壁(70)中的一个或多个流体入口(90)；

c、一个其它侧壁(70)中的一个或多个渗余物出口(100)，所述一个或多个渗余物出口与所述流体入口(90)流动连接，用于排出所述渗余物流；

d、所述底板(60)和或所述顶板(80)和/或又一个所述侧壁(70)中的一者中的一个或多个渗透物出口(110)，用于排出所述渗透物流(30)；

e、布置在所述容器(50)内部的一个或多个膜袋堆叠(120)，所述一个或多个膜袋堆叠包括以堆叠的形式布置并且与所述一个或多个流体入口(90)和/或所述一个或多个渗余物出口(100)相邻的膜袋(130)，以及所述膜袋(130)之间的第一间隔物(140)，所述第一间隔物保持所述膜袋(130)间隔开，以便使所述流体进料流(20)和/或所述渗余物流(40)的通流的自由过流断面成为可能，

其中，每个所述膜袋(130)包括两个膜(150)以及所述膜(150)之间的一个或多个第二间隔物(170)，所述两个膜(150)各在一个载体材料(160)上，所述第二间隔物保持所述膜(150)彼此间隔开，以便使穿过所述膜袋(130)的所述渗透物流(30)的通流的自由过流断面成为可能，并且

其中，膜袋(130)的所述膜(150)在边缘处彼此连接，以防止所述流体进料流(20)和/或所述渗余物流(40)渗透到所述膜袋(130)中；

f、一个或多个渗透物管(180)，所述一个或多个渗透物管垂直于所述流体进料流(20)的流动方向通向所述一个或多个渗透物出口(110)，

其中，所述一个或多个渗透物管(180)包括一个或多个径向开口(190)，来自所述膜袋(130)的所述渗透物材料通过所述一个或多个径向开口到达所述一个或多个渗透物管(180)中，

并且其中，第一密封件(200)在所述膜袋(130)之间设置在所述一个或多个渗透物管(180)上，所述第一密封件防止所述流体进料流(20)和/或所述渗余物流(40)与所述一个或多个渗透物管(180)接触，

并且

其中，除所述一个或多个渗透物管(180)延伸的一个或多个区域之外，所述一个或多个膜袋堆叠(120)沿所述容器(50)的所述内部空间(85)的整体长度、宽度和高度延伸。

2.根据权利要求1所述的膜组件(10)，其中，所述容器(50)是20'或40'容器，所述20'或40'容器在分离过程中是一体的。

3.根据权利要求1或2所述的膜组件(10)，其中，一个侧壁(70)完全形成为流体入口(90)，并且/或者另一个侧壁(70)完全形成为渗余物出口(100)。

4.根据权利要求1或2所述的膜组件(10)，其中，一个侧壁(70)包括1至100个流体入口(90)，并且另一个侧壁(70)包括1至100个渗余物出口(100)。

5.根据权利要求1或2所述的膜组件(10)，其中，所述一个或多个流体入口(90)和所述一个或多个渗余物出口(100)设置在所述容器(50)的相对的侧壁(70)中。

6.根据权利要求1或2所述的膜组件(10)，所述膜组件包括1至100个渗透物出口(110)。

7.根据权利要求1或2所述的膜组件(10)，其中，所述一个或多个渗透物出口(110)形成为凸缘(210)。

8.根据权利要求4所述的膜组件(10)，其中，一个侧壁(70)包括1至10个流体入口(90)，并且另一个侧壁(70)包括1至10个渗余物出口(100)。

9.根据权利要求6所述的膜组件(10)，所述膜组件包括1至10个渗透物出口(110)。

10.一种用于将包含渗透物材料和渗余物材料的流体进料流(20)分离成渗透物流(30)和渗余物流(40)的方法，其中：

a、设置根据权利要求1至9中任意一项所述的膜组件(10)；

b、流体进料流(20)被引导通过一个或多个流体入口(90)进入所述膜组件(10)中；

c、所述流体进料流(20)在所述一个或多个渗余物出口(100)的方向上流动，其中，在通过所述膜组件(10)的通流期间，所述渗透物材料流过所述膜(150)进入所述膜袋(130)中，结果是所述流体进料材料(20)被分离成所述膜袋(130)中的渗透物流(30)以及所述膜袋(130)之间的渗余物流(40)；

d、所述渗透物流(30)从所述膜袋(130)通过所述一个或多个径向开口(190)流动到所述一个或多个渗透物管(180)中，通过所述一个或多个渗透物管(180)流动到所述一个或多个渗透物出口(110)，并在所述一个或多个渗透物出口处排出；

e、所述渗余物流(40)在所述膜袋(130)之间流动到所述一个或多个渗余物出口(100)，并在所述一个或多个渗余物出口处排出。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述一个或多个渗透物出口(110)处施加压力，所述压力低于所述一个或多个流体入口(90)和所述一个或多个渗余物出口(100)处的压力，结果是所述渗透物流(30)被引导通过所述膜袋(130)和所述一个或多个径向开口(190)进入所述一个或多个渗透物管(180)中，并在所述一个或多个渗透物出口(110)处排出。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述流体进料流(20)和所述渗透物流(30)至少部分地根据逆流原理流过彼此。

13.根据权利要求1至9中任意一项所述的膜组件(10)的用于从流体进料流(20)中分离气体的用途。

14.根据权利要求1至9中任意一项所述的膜组件(10)的用于从流体进料流(20)中去除CO₂的用途。

15.根据权利要求1至9中任意一项所述的膜组件(10)的用于从发电站的烟道气中去除CO₂的用途。