CN108136322B - 用于流体分离的灵活适配的膜滤筒 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于流体混合物分离、尤其是用于气体分离的新型滤筒和模件；涉及其生产工艺和其使用方法。
Description
技术领域
本发明提供用于流体混合物分离、尤其是用于气体分离的新型滤筒(cartridge)和模件(module)、其生产工艺以及其使用方法。
背景技术
膜在工业上用于分离气体混合物、液体混合物和气体/液体混合物的许多领域中，所述混合物在下文中均被称为流体混合物。膜通常用于安装在膜件或滤筒中。模件与滤筒的不同之处在于它们构成包括壳体的完整分离单元。相比之下，滤筒用于分开的壳体中，优选用于以固定方式安装至分离系统中的壳体中。因此，滤筒的优点在于其在更换时所产生的成本低于采用模件时的情况，因为也不需要替换昂贵的耐压壳体。
虽然通常在生物气处理领域中使用小体积的滤筒或模件，但例如在天然气纯化领域中需要大体积的滤筒或模件，以便能够处理大体积的气体。另外，该使用领域需要能够在优选30至100巴的相对较高的进料气体压力下使用的滤筒和模件。
例如，UOP出售用于纯化天然气的SeparexTM气体分离系统。这些是其中扁平片状膜围绕中央渗透物收集管缠绕的滤筒。多个此类滤筒串联连接在以固定方式安装在气体分离系统中的壳体中。所述膜由乙酸纤维素构成。UOP的技术具有以下缺点：滤筒具有相对较短的寿命，根据使用条件，滤筒在几个月的时间之后可能就已经必须更换。此外，单个滤筒的容量不令人满意，需要改进的系统。
除了如上所述已在商业上使用的扁平片状膜模件之外，也已经进行了大量尝试以由中空纤维膜制备滤筒或模件。这些的实例可在US 3422008、US 3455460、US 3475331、US4207192、US 4210536、US 4220489、US 4430219、US 4631128、US 4715953、US 4865736、US4881955、US 5,026,479、US 5084073、US 5160042、US 5299749、US 5411662、US 5702601、US 5837032、US 5837033、US 5897729、US 7410580、US 7998254、US 8747980、US 8778062、EP 1 598 105和CN103691323找到。
EP 0 943 367 A1描述了由膜元件和可逆地固定至其上的密封元件组成的滤筒。该发明的目的是在更换滤筒时能够重复使用密封元件，且仅须更换膜元件。因此密封元件的可逆连接。
然而，在EP 0 943 367 A1中描述的滤筒具有一些缺点。例如，其中所公开的螺旋缠绕的模件中的密封元件同时构成“抗伸缩”板。
在EP 0 943 367 A1中，滤筒是在没有抗伸缩板的情况下被制造、储存并运输至使用场所。因此，所述滤筒，尤其是其端面在这些时候是不受机械保护的。在使用场所安装至压力壳体中时，必须将滤筒连接至密封元件。因此，膜在运输过程中或安装过程中容易在端面上受损坏，因此它们的功能可能受损。
此外，EP 0 943 367 A1的系统意味着需要各种密封件，以便以流体密封的方式将密封元件连接至膜元件。这些密封件是维护强度大的薄弱环节。此外，额外的密封件是导致额外成本的可消耗材料。
US2006/0049093同样公开了具有螺旋缠绕的膜元件和密封元件的滤筒。该密封元件同样由载体元件和密封件组成。与EP 0 943 367 A1类似，US2006/0049093中的膜元件也没有抗伸缩板。这里，也是密封元件替代了抗伸缩板。然而，与EP 0 943 367 A1不同，US2006/0049093中的密封元件不可逆地接合(bond)至膜元件，这意味着密封元件的载体元件接合至流体密封的屏障和渗透物收集管。
来自US2006/0049093的系统具有类似于EP 0 943 367 A1的缺点。此外，密封元件的载体元件必须粘合剂-接合(adhesive-bonded)至流体密封的屏障和渗透物收集管，这是非常昂贵且不方便的。
流体分离系统的操作者特别感兴趣的是能够将来自多个供应商的滤筒安装至他们的系统中。这增加了滤筒供应商之间的竞争并因此降低了其成本，但它另外也增加了操作可靠性，因为可避免可能由于依赖于少量供应商而引起的供应瓶颈。
在这种背景下，滤筒供应商对使其产品能够用于最大数量的流体分离系统具有极大的兴趣。然而，这里出现的问题是，具有不同内径和几何形状的模件壳体可存在于不同的流体分离系统中。因此，滤筒制造商必须为每个流体分离系统在库存中保持特别匹配的滤筒几何形状。这增加了生产工艺以及库存和物流的复杂性。
因此，迫切需要简单且廉价的解决方案，其允许使标准滤筒适配不同的流体分离系统中的各种环境。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供新型滤筒或流体分离系统，其不具有现有技术滤筒的上述缺点或仅具有减小程度的上述缺点。
所述新型滤筒应当尤其适于替代现有系统中的常规滤筒。同时，尤其应当可以简单且廉价的方式使滤筒适配不同流体分离系统中的各种环境。
在又一具体目的中，本发明的滤筒将可以灵活方式配置，使得它们可设置有中空纤维膜以及扁平片状膜。
在又一具体目的中，与现有技术的系统相比，所述新型滤筒或模件应具有至少相当的分离性能。优选地，它们应当能够实现更长的操作时间和/或可以更低的成本生产和/或具有更好的分离性能，尤其是基于每小时的流体体积和/或纯度。
本发明所要解决的问题同样在于提供组成部分从生产直至在使用现场安装都具有高机械稳定性和高机械保护的滤筒。此外，滤筒在使用场所的安装应当可以简单且快速的方式进行。
根据本说明书、实施例、权利要求书和附图的总体上下文，未明确提到的其它目的是显见的。
发明优点
发明人现已发现，通过提供由膜元件(2)和独立并因此可逆地连接的密封元件(3)组成的滤筒(1)，可实现上述目的。膜元件(2)包括滤筒(1)的负责流体分离的所有组件。密封元件(3)是滤筒(1)的独立部件，其具有在安装滤筒(1)至模件壳体(4)中之后以流体密封的方式将滤筒(1)连接至模件壳体(4)的内表面的功能。这对于防止通向滤筒(1)的进料料流与其产物料流(通常为渗余物料流)混合是必要的。本发明的密封元件(3)由密封体(8)和载体元件(9)组成，载体元件(9)的大小和形状是可变的，并且载体元件(9)能够可逆地连接至膜元件(2)。载体元件(9)在其面向模件壳体(4)的内表面的表面(9a)上被周向密封体(8)覆盖，该周向密封体在将滤筒(1)安装至模件壳体(4)中之后与模件壳体(4)建立流体密封性的连接。
本发明的滤筒(1)具有极大的优点，即作为滤筒(1)的成本最高的部件的膜元件(2)可以标准大小生产，并且与模件壳体(4)的各种几何形状的配合仅需要交换和适配密封元件(3)。适配相应的密封元件(3)比适配完整的膜元件(2)省力得多。还可毫无问题地保持各种密封元件(3)作为库存，因此能够以快速且灵活的方式满足不同的客户需求。除了由待清洁的气体体积所导致的模件的大小变化之外，不同客户要求的原因还可能是由操作压力导致的耐压模件壳体(4)的厚度变化。较高的压力需要较厚的模件壳体(4)。然而，较大的厚度通常表现为模件壳体(4)的较小内径。在这样的情况下，本发明的滤筒(1)由于其可变性而具有特别的优点。
本发明的滤筒(1)可通过使用不同的膜元件(2)以简单且灵活的方式适配。因此，可使用中空纤维膜和扁平片状膜两者，以及各种模件构造。下面进一步给出了其细节。
未明确陈述的本发明的其它优点从说明书、实施例、权利要求书和附图的总体上下文将变得明显。
本发明已成功地提供了滤筒(1)，如果期望，它们可彼此相连以形成滤筒串，并且可灵活地用作许多现有分离系统中的替换滤筒，例如来自UOP系统的替换滤筒。
本发明提供根据权利要求1所述的滤筒(1)和根据权利要求13所述的流体分离模件(7)。在从属权利要求中要求保护优选的配置，并且在下面的描述中对其进行详细阐明。
详细描述和定义
下面将详细描述本发明。首先定义了一些重要的术语。
待分离的流体、尤其是单个气体的渗透率的商决定了膜就分离两种流体方面的选择性，并因此表明所述膜如何能够有效地就两种组分而分离流体混合物。术语渗透物适用于在膜、膜模件或膜分离步骤的低压侧上产生的整个料流。
渗透物流体或渗透物气体是指膜、膜模件或膜分离步骤的每种与各自的进入料流相比在渗透物料流中所富集的组分。
渗余物是指在膜、膜模件或膜分离步骤的高压侧上产生且不通过该膜的整个料流。
渗余物流体或渗余物气体是指膜、膜模件或膜分离步骤的每种与各自的进入料流相比在渗余物料流中富集的组分。
待分离的流体混合物、尤其是待分离的气体混合物是指将利用本发明的产品或本发明的装置分离的至少两种流体、优选两种气体的流体混合物，或该流体混合物、优选气体混合物的料流。
如下文描述的根据本发明的产品和装置的优选和特定的实施方案，以及优选和特别适合的设计以及附图和附图说明，现在将用于提供对本发明的仅仅说明性的进一步阐明；也就是说，本发明不限于这些示例性的实施方案和用途，或单个示例性实施方案内的特征的特定组合。
结合特定工作实施例所指示和/或描绘的单个特征并不局限于这些工作实施例或与这些工作实施例的其它特征的组合，而是在技术上可能的情况下可与任何其它形式组合，即使这些形式在本文件中没有单独讨论。
各单个附图和作图的举例说明中相同的附图标记表示相同或相似的组件或以相同或相似方式起作用的组件。附图中的描述还举例示出了没有附图标记的那些特征，而不管此类特征是否随后被描述。另一方面，包含在本说明书中但在附图中不可见或未描绘的特征对于本领域技术人员来说也是可以容易地显现的。
附图说明
图1示出了分别具有膜元件(2)和密封元件(3)的本发明滤筒(1)的分解视图。
图2示出了穿过本发明的滤筒(1)的纵向截面，其中密封元件(3)固定至膜元件(2)。在所示实施方案中，中空纤维膜已安装在本发明的滤筒中。
图3以举例的方式示出了穿过本发明的流体分离模件的纵向截面，其中插入了本发明的两个滤筒(1a)和(1b)。
图4示出了具有缠绕的扁平片状膜的膜元件(2)的构造。
本发明的滤筒(1)的一般性描述
参照图1，本发明的用于流体混合物分离、优选气体混合物分离的滤筒(1)包括膜元件(2)和密封元件(3)。在膜元件(2)中，流体混合物借助中空纤维膜或扁平片状膜被分离。
密封元件(3)的描述
密封元件(3)具有在滤筒(1)被安装至流体分离模件(7)中之后以流体密封方式将本发明的滤筒(1)连接至模件壳体(4)的内壁的功能。这实现了待分离的流体混合物的进料料流不与渗余物或渗透物料流混合的效果。本发明的滤筒(1)的特征在于，密封元件(3)是滤筒(1)的分开的独立元件。
密封元件(3)由至少两个部件组成，其中
一个部件是密封体(8)，其在将滤筒(1)安装至流体分离模件(7)的模件壳体(4)中之后，紧密地邻接模件壳体(4)的内壁，并且
另一部件是载体元件(9)，其承载密封体(8)，并且变得可逆地连接至膜元件(2)的前封闭件V1(5a)或后封闭件V2(5b)。
现有技术的滤筒同样具有将滤筒连接至模件壳体内壁的密封体。在现有技术中通常使用这样的密封体，所述密封体或被搁置在模件壳体中，或者按照惯例搁置在膜元件的前封闭件或后封闭件处。这意味着膜元件的几何形状必须与模件壳体的几何形状精确匹配。因此，在现有技术中，模件壳体的几何形状的每次改变都需要调整膜元件的整个几何形状。
本发明与现有技术的不同之处在于，滤筒(1)以及膜元件(2)具有独立的密封元件(3)。该密封元件(3)进而由载体元件(9)和密封体(8)组成。载体元件(9)可以可逆地连接至膜元件(2)，更具体地可连接至前封闭件V1(5a)或后封闭件V2(5b)。“可逆地”意味着连接可再次分开而不破坏膜元件(2)或载体元件(9)。这优选借助以下方式来实现：载体元件(9)螺纹连接至V1(5a)或V2(5b)，或者其借助螺钉或夹持元件、优选倒钩或锁钩或利用粘合剂连接至V1(5a)或V2(5b)。本领域技术人员可容易地发现所提到的措施的组合或修改同样是可能的。优选地，在载体元件(9)和V1(5a)或V2(5b)之间使用至少少量的粘合剂，以便增加连接的气密性。粘合剂的性质必须使得载体元件(9)和V1(5a)或V2(5b)之间的连接能够无破坏地分离。特别优选有机硅粘合剂。同样特别优选地，载体元件(9)借助螺钉或夹持元件连接至V1(5a)或V2(5b)。该实例示于图2中。图1示出了载体元件(9)中螺钉经由穿过的钻孔(9b)，而图2示出了如何用螺钉(10)将载体元件(9)固定在膜元件(2)的后封闭件V2(5b)中。
载体元件(9)的形状和几何形状可根据需要配置，并且因此可以简单、快速且廉价的方式适配模件壳体(4)的不同几何形状。与现有技术的滤筒相比，在本发明的滤筒(1)的情况下，并非始终需要调整整个滤筒(1)的几何形状，而是只需要调整密封元件(9)的几何形状。本发明的滤筒(1)有效地是积木式系统，其中数个不同的膜元件(2)(细节参见下文)可与不同的密封元件(3)组合。因此，可以快速且简单的方式满足不同的客户需求。
载体元件(9)可具有不同的配置。它们优选地与将它们安装在其上的膜元件(2)的封闭件V1(5a)或V2(5b)匹配。这涉及固定方法，例如用于螺钉的钻孔(参见图1中的(9b))。然而，它还涉及用于流体料流的开口(orifices)，根据载体元件(9)已被固定至V1(5a)还是V2(5b)，所述流体料流通过所述载体元件(9)被导入和导出滤筒(1)。本领域技术人员可容易地发现载体元件(9)的相应配置。优选配置的非穷举性的目录包括：
-呈板形式的载体元件(9)，根据它们是连接至膜元件(2)的V1(5a)还是V2(5b)，所述载体元件(9)具有流体入口开口或出口开口，
-呈环形式的载体元件(9)(参见图1和2)，其中所述环的中间开口的直径为与载体元件(9)连接的各封闭件V1(5a)或V2(5b)外径的优选35％至80％、更优选40％至80％且最优选50％至75％，
-呈筛子形式的载体元件(9)(参见图4)。
载体元件(9)原则上可由承受流体分离系统的操作条件、尤其是温度和压力的任何材料制成。优选地，载体元件(9)由金属或塑料制成。载体元件(9)更优选由高性能塑料制成，最优选由纤维增强的高性能塑料(例如PA(6、6,6、12等)、PEEK、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚/聚苯乙烯混合物(PPE/PS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA))制成，或由金属制成，更优选由不锈钢或铝制成。纤维增强件可更优选地借助玻璃纤维或碳纤维或无机纤维来实现。最优选的是玻璃纤维。
如已经提到的那样，密封元件(3)还包括密封体(8)(参见图1和2)。该密封件优选地围绕载体元件(9)周向布置。所用的密封体(8)优选对称开槽的环或O形环或擦拭器(wiper)，更优选由H-NBR(氢化丙烯腈-丁二烯橡胶)制成的对称开槽的环。
为了将密封体(8)固定至载体元件(9)，载体元件(9)优选具有凹槽(参见图2)。
膜元件(2)的一般性描述
所述膜元件(2)具有：
-中空纤维膜或扁平片状膜(11)(图1中未示出)，其具有将待分离的流体混合物供应至所述膜的一侧上的前端部ME1(11a)和相对侧上的后端部ME2(11b)，
-ME1(11a)处的前封闭件V1(5a)
-ME2(11b)处的后封闭件V2(5b)
-屏障体(6)，其对于所述待分离的流体混合物是不可渗透的，并且围绕所述膜(11)布置在V1(5a)和V2(5b)之间的区域中。
在特别优选的实施方案(例如参见图2)中，膜元件(2)另外地具有渗透物收集管PSR(13)，所述收集管PSR(13)由一个或多个分段组成，并具有前端部PSRE1(13a)和后端部PSRE2(13b)。如果PSR(13)由数个分段(例如图2中的(20)和(21))组成，则这些分段在膜元件(2)内优选通过螺钉连接或法兰连接或插入连接或利用卡口封闭件或通过粘合剂接合而彼此相连。
如果使用PSR(13)，则中空纤维膜或扁平片状膜(11)围绕PSR(13)布置，其前端部ME1(11a)在PSRE1(13a)侧上，其后端部ME2(11b)在PSRE2(13b)侧上。类似地，在这种情况下，对于待分离的流体混合物不可渗透的屏障体(6)围绕由PSR(13)和中空纤维膜(11)构成的装置布置在V1(5a)和V2(5b)之间的区域中。具有中央PSR(13)的滤筒(1)的优点在于，如图3中所示，可将数个滤筒作为滤筒串布置在模件壳体(4)中。PSR(13)优选由在滤筒(1)的操作条件下，即在操作压力和操作温度下机械稳定且耐腐蚀的材料组成。其可优选由金属或塑料制造。特别优选钢、铝或塑料，且非常特别优选不锈钢。
对于本发明的膜元件(2)，原则上可通过对前封闭件或后封闭件进行配置，使密封元件(3)可固定在其上而将已知的现有技术的滤筒转换成本发明的膜元件(2)，现有技术的滤筒中密封环被直接安装在前封闭件或后封闭件上而不是作为密封元件(3)。
对于膜元件(2)的生产，可使用由各种材料制成的中空纤维膜或扁平片状膜，所述材料优选聚醚砜、聚砜、聚醚酰亚胺、聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚、乙酸纤维素、聚芳基醚酮或聚醚醚酮。膜的选择取决于分离问题。本发明的滤筒(1)和模件(7)可用于分离液体混合物、气体混合物以及液体和气体的混合物。它们优选用于分离气体。取决于分离问题，可利用各种商业膜。
对于气体的分离，特别优选由聚酰亚胺制成的中空纤维膜，因为这些可在高温下使用，并且还具有非常好的选择性和渗透性。特别优选已通过以下物质的反应而获得的聚酰亚胺：
选自以下组中的至少一种二酐：3,4,3',4'-二苯甲酮四甲酸二酐、1,2,4,5-苯四甲酸二酐、3,4,3',4'-联苯四甲酸二酐、氧基二邻苯二甲酸二酐、磺酰二邻苯二甲酸二酐、1,1,1,3,3,3-六氟-2,2-亚丙基二邻苯二甲酸二酐
和
选自以下组中的至少一种二异氰酸酯：甲苯2,4-二异氰酸酯、甲苯2,6-二异氰酸酯、4,4’-亚甲基二苯基二异氰酸酯、2,4,6-三甲基-1,3-亚苯基二异氰酸酯、2,3,4,5-四甲基-1,4-亚苯基二异氰酸酯。
这些优选的聚酰亚胺具有高的耐增塑性。非常特别优选包含单体单元A和B的聚酰亚胺，其具有：
其中0≤x≤0.5且1≥y≥0.5，并且R是选自由L1、L2、L3和L4组成的组的一个或多个相同或不同的基团，其具有
最优选的是x＝0、y＝1且R由64mol％的L2、16mol％的L3和20mol％的L4组成的聚合物。该聚合物可以P84或P84型70名称从Evonik Fibers GmbH商购，以CAS号9046-51-9注册。又一特别优选的聚合物由x＝0.4、y＝0.6且R＝80mol％的L2和20mol％的L3组成。该聚合物可以P84HT或P84 HT 325从Evonik Fibers GmbH商购，并以CAS号134119-41-8注册。
根据本发明优选使用的中空纤维膜具有150至500μm的直径和/或150至300cm的长度。
如果在膜元件(2)中使用中空纤维膜，则具有或不具有PSR(13)的数种配置是可以的。通常，在使用中空纤维膜的情况下，本发明的滤筒(1)具有在ME1(11a)处的浇注区段VA1(14a)和在ME2(11b)处的VA2(14b)。这些是通过已知方法由树脂生产的。
如果PSR(13)与中空纤维膜一起用于膜元件(2)中，则中空纤维膜优选布置为围绕PSR(13)的束(11)或多个束，或者平行于PSR(13)的纵向轴线，或优选围绕PSR(13)缠绕，更优选螺旋缠绕，最优选以使得每个绕组(winding)层的螺旋线交叉的方式缠绕，这意味着一个层从VA1(14a)至VA2(14b)的方向螺旋缠绕，然后下一层从VA2(14b)至VA1(14a)的方向螺旋缠绕，然后交替以这种方式继续。
利用该技术，还可生产大体积的滤筒(1)，在这种情况下，优选的是，中空纤维膜(11)的束具有基本圆形的横截面，其直径为150-200mm、优选170-195mm、更优选180-190mm。
在不同膜元件(2)的情况下，封闭件V1(5a)或V2(5b)以及不可渗透的屏障体(6)可各自不同地配置，或者可存在它们的不同组合。
在一个优选的实施方案中，不可渗透的屏障体(6)被设计成使得在V1(5a)和V2(5b)之间的整个区域中是不可渗透的。更优选地，在这种情况下，屏障体(6)以固定方式连接至封闭件V1(5a)或V2(5b)。“以固定方式”意指在封闭件V1(5a)或V2(5b)或屏障体(6)没有机械破坏的情况下，不能分离所述连接。其一个实例示于图4中。
在另一优选的实施方案中，屏障体(6)在V1(5a)和V2(5b)之间的区域中具有至少一个流体入口或出口。在这些滤筒的情况下，进料料流被导向(route)通过流体入口，或者渗透物料流通过随后用作流体出口的开口被抽出。其实例是根据图2的滤筒，尽管仅在图3中示出了不可渗透的屏障体(6)和流体入口或出口。
不可渗透的屏障体(6)优选由薄膜或软管(hose)或管(tube)或胶带(tape)组成，或由与环氧树脂“共混”的玻璃织物组成。特别优选紧密配合膜束或膜绕组的材料，尤其是可收缩材料，如聚烯烃、PVC或聚酰亚胺。这使屏障体(6)和膜束或绕组的外表面之间的中间空间最小化并提高效率。
出于处理的原因，可能适当的是，在连接屏障体(6)之前，可用适合的介质(图中未示出)如针织尼龙管围绕纤维束或膜绕组，以便能够以更简单的方式施加屏障体(6)，并保持膜束或膜绕组呈一定形状。
为了确保不可渗透的屏障体(6)与膜元件(2)的良好连接，将屏障体(6)浇注至VA1(14a)和/或VA2(14b)中将可以是有利的。或者或另外，屏障体(6)还可通过外部固定辅助件如线或夹具或通过焊接或粘合剂接合或收缩固定至膜元件(2)。所提到的措施的组合以及对于本领域技术人员来说容易发现的替代技术解决方案是可能的。
与包含其组分的密封元件相比，封闭件V1和/或V2是膜元件的一部分，并且优选不可逆地接合至膜元件。封闭件优选接合至不可渗透的屏障体和/或膜束和/或膜绕组和/或浇注区段和/或渗透物收集管。连接可通过本领域技术人员已知的方法进行。
封闭件首先具有机械保护膜束的端部或膜绕组或浇注区段的端面的功能。然而，它们也稳定膜元件的几何形状，并形成用于密封元件的连接部位。
或者，封闭件可实现额外的功能，例如当它们呈端帽的形式时，所述端帽在渗透物收集管和中空纤维膜的芯部之间建立流体连通。下文进一步描述此类特殊功能的更详细实例。
封闭件V1(5a)和V2(5b)可呈端帽或盖的形式。例如，与盖相反，“帽”意指各个端帽的部分在膜的一端ME1(11a)或ME2(11b)上或在通常在中空纤维膜的情况下存在的浇注区段VA1(14a)或VA2(14b)上滑动。此一个实例可在图2中发现。在下面根据图2的实施方案的详细描述中，其中所用的端帽EK1和EK2分别被称为(5a)和(5b)，因为端帽确实构成各自的封闭件V1和V2。
封闭件V1(5a)和V2(5b)或者可呈盖的形式，例如具有流体入口开口或出口开口或筛子的盘，其布置在膜束或绕组的各自端部ME1(11a)和ME2(11b)处。此一个实例可在图4中发现。
本发明的膜元件(2)的封闭件V1(5a)和V2(5b)优选由高性能塑料组成，更优选由纤维增强的高性能塑料如PA(6、6,6、12等)、PEEK、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚/聚苯乙烯混合物(PPE/PS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA))组成，或由金属组成，优选由不锈钢或铝组成。对于纤维增强件，优选使用玻璃纤维或碳纤维或无机纤维，更优选玻璃纤维。
在特定情况下，封闭件V1(5a)和V2(5b)也可由浇注区段VA1(14a)和VA2(14b)自身形成。
下文描述膜元件(2)的各种优选配置。
无PSR(13)的膜元件(2)
在第一特别优选的实施方案中，滤筒(1)不具有PSR(13)。可在WO 2014/198501中找到没有PSR(13)的滤筒的实例。为了避免单纯的重复，在此将该申请的公开内容全部并入本申请主题中。当在WO 2014/198501中以端帽的形式实施(execute)的封闭件V1(5a)和V2(5b)设有用于密封元件(3)的适当固定手段，如用于螺钉(10)的钻孔时，根据WO 2014/198501的滤筒(1)可用作本发明中的膜元件(2)。本领域技术人员可以简单的方式进行相应的调整。
具有中空纤维膜和多孔PSR(13)的膜元件(2)
在第二特别优选的实施方案中，除了上文已一般性描述的特征之外，膜元件(2)还包括：
-渗透物收集管PSR(13)，其由一个或多个分段组成，并且具有前端部PSRE1(13a)和后端部PSRE2(13b)，
-至少一束中空纤维膜(11)，其具有前端部ME1(11a)和后端部ME2(11b)，并且围绕PSR(13)布置，所述PSR(13)或PSR(13)的所有分段在ME1(11a)和ME2(11b)之间具有一个或多个开口或孔(pores)，这确保PSR(13)与所述膜(11)、PSR(13)和不可渗透的屏障体(6)之间的空隙(interspace)流体连通，
-在ME1(11a)和PSRE1(13a)处的第一浇注区段VA1(14a)以及在ME2(11b)和PSRE2(13b)处的第二浇注区段VA2(14b)，所述中空纤维膜的芯部至少在ME1(11a)、优选在ME1(11a)和ME2(11b)处是敞开的，
-前封闭件V1(5a)，其具有至少一个进入膜元件(2)的流体进入开口或离开膜元件(2)的排出开口，优选进入膜元件(2)的用于待分离的流体混合物的流体进入开口，
-后封闭件V2(5b)，其具有至少一个进入膜元件(2)的流体进入开口或离开膜元件(2)的排出开口，优选用于来自膜元件(2)的渗余物的流体排出开口。
这些滤筒(1)工作的方式基于待分离的流体混合物在V1(5a)处进入中空纤维膜的芯部中。在VA1(14a)和VA2(14b)之间，流体混合物中更容易渗透的组分然后渗透通过所述膜至不可渗透屏障和中空纤维膜之间的空腔中。从那里，该渗透物通过PSR(13)中的孔被导向进入PSR(13)的内部，并通过后者被移出。渗余物在ME2(11b)或V2(5b)处排出膜元件(2)。VA1(14a)和VA2(14b)防止渗透物与进料料流或渗余物料流返混。在这种情况下，不可渗透的屏障体(6)被设计成在VA1(14a)和VA2(14b)之间始终不可渗透。
在这种情况下，密封元件(3)优选被固定在前封闭件V1(5a)处，但或者还被固定在后封闭件V2(5b)处，以防止部分的进料料流，即待分离的气体混合物在不可渗透的屏障体(6)的外表面和模件壳体(4)的内表面之间流过，以及防止与渗余物料流混合。
具有中空纤维膜和在VA1(14a)和VA2(14b)之间的流体密封的PSR(13)的膜元件
(2)
在第三非常特别优选的实施方案中，除了上文已概括描述的特征之外，膜元件(2)还包括：
-渗透物收集管PSR(13)，其由一个或多个分段组成，并且具有前端部PSRE1(13a)和后端部PSRE2(13b)，
-至少一束的中空纤维膜(11)，其具有前端部ME1(11a)和后端部ME2(11b)，并且围绕PSR(13)布置，所述PSR(13)或PSR(13)的所有分段被配置在ME1(11a)和ME2(11b)之间的区域中，以便对于所述待分离的流体混合物是不可渗透的，
-在ME1(11a)和PSRE1(13a)处的第一浇注区段VA1(14a)，以及在ME2(11b)和PSRE2(13b)处的第二浇注区段VA2(14b)，在VA1(14a)中ME1(11a)处的中空纤维被包封成使得所述中空纤维膜的芯部是敞开的，在VA2(14b)中ME2(11b)处的中空纤维被包封成使得成它们是封闭的，
-屏障体(6)，其对于所述待分离的流体混合物是不可渗透的，并且在VA1(14a)和VA2(14b)之间的区域中围绕由PSR(13)和中空纤维膜(11)构成的装置，所述不可渗透的屏障体(6)基于所述滤筒的纵向轴线，在VA1(14a)和VA2(14b)之间的距离的前三分之一中，优选前四分之一中，更优选在VA1(14ai)的内端面之后0至10cm的距离处，最优选在VA1(14ai)的内端面之后2至4cm的距离处被配置成使得存在通向所述不可渗透的屏障体(6)、所述中空纤维膜和PSR(13)之间的空隙中的一个或多个流体进入开口或间隙(12)，
-作为前封闭件V1(5a)的前端帽EK1，其被放置至VA1(14a)上；和任选存在的后端帽EK2，如果存在，其被放置至VA2(14b)上，其中VA2(14b)或如果存在的EK2形成所述后封闭件V2(5b)，
并且其特征特别地在于
-EK1被配置并放置至VA1(14a)上，使得在其中所述渗透物从中空纤维的芯部流出的VA1(14aa)的外端面和所述端帽EK1的内表面之间形成EK1空腔(15)，
-渗透物排出开口(16)，其存在于所述EK1空腔(15)的区域中的PSR(13)中或PSR(13)的分段中，使得在所述EK1空腔(15)中的流体与PSR(13)的内部之间存在流体连通，
-至少一个用于渗余物的排出开口(17)存在于VA1(14a)和VA2(14b)之间的最后四分之一的距离中，或嵌入VA2(14b)中，其中EK2如果存在则同样具有至少一个用于所述渗余物的排出开口(18)。
包括膜元件(2)和密封元件(3)的此类滤筒(1)的实例可在图2中发现。其中描述的实施方案是特别优选的，因为这种布置使得能够制备可在高压下操作的特别有效的大容量滤筒(1)。
在欧洲专利申请EP 15171206中公开了如图2中所示的但没有密封元件(3)、即直接邻接滤筒的密封体(8)的滤筒。为了避免简单的重复，在此将该申请的内容全部并入本申请的说明书中。
在上述实施方案中，单件式PSR(13)可用于每个膜元件(2)。然而，如图2中所示，分成数个分段可具有与生产有关的优点。
如果滤筒(1)的PSR(13)由至少两个分段(20)和(21)组成，则优选的是，第一分段(20)始于PSRE1(13a)且至少延伸至VA1(14a)中，并且在那里连接至第二分段(21)，所述第二分段(21)单独地或与另外的分段结合形成PSR(13)的剩余部分，远至PSRE2(13b)，并且特别优选的是，第一分段(20)包括进入所述PSR(13)中的渗透物排出开口(16)。其实例示于图2中。该布置具有生产的优点，因为如将在下面的实施例1中进一步阐明的，VA1(14a)在其产生之后必须被切开，以便敞开中空纤维膜的芯部。如果使用分开的PSR(13)，则VA1(14a)可以简单的方式切割，例如用锯切割。在该步骤之后，然后可组装分段(20)和(21)。如果使用单件式PSR(13)，则这在根据图2的实施例中具有如下缺点：必须为VA1(14a)选择更复杂的切割方法，该切割方法在该操作中也不切割PSR(13)。此外，根据图2的PSR(13)的分开的形式具有如下优点：可首先将端帽EK1(5a)置于其上，然后可引入分段(20)，分段(20)借助其与分段(21)的牢固连接而将EK1(5a)固定在膜元件(2)中。
下面结合本发明的流体分离模件(7)的描述来进一步描述该实施方案的其它细节和优选配置，其中通过实例使用此类滤筒(1)。
具有扁平片状膜的膜元件(2)
如果使用扁平片状膜，则膜元件(2)优选具有：
-渗透物收集管PSR(13)，其由一个或多个分段组成，并且具有前端部PSRE1(13a)和后端部PSRE2(13b)，
-前封闭件V1(5a)，其具有至少一个流体进入开口或排出开口，优选用于待分离的流体混合物的流体进入开口，
-后封闭件V2(5b)，其具有至少一个流体进入开口或排出开口，优选用于渗余物的排出开口(18)，
-膜绕组，其包括：
ο一个或多个扁平片状膜(11)，
ο一个或多个多孔进料通道间隔片(22)，其具有在优选供应待分离的流体混合物的V1(5a)侧上的前边缘ME1(11a)，和在优选排出渗余物的V2(5b)侧上的后边缘ME2(11b)，
ο一个或多个渗透物通道间隔片(23)，所述渗透物优选通过所述间隔片被引导至布置在绕组芯部中央的PSR(13)，
其中
ο在进料通道间隔片(22)和渗透物通道间隔片(23)之间始终存在至少一个膜片(11)，且PSR(13)具有一个或多个用于渗透物的开口或孔。
相应的膜元件(2)的实例可在图4中发现。此类缠绕元件的生产是常识。这些的实例可在EP 0 492 250 A1和WO2012122207A1中发现。为了避免单纯的重复，这些出版物的内容在此明确地并入本申请的说明书的主题中。
流体分离模件
除了上述滤筒(1)之外，本发明还涵盖包括一个或多个所述滤筒(1)的流体分离模件(7)。
本发明的流体分离模件(7)的优选配置
包括
-耐压模件壳体(4)，其具有流体入口(24)、渗透物出口(25)和渗余物出口(26)，
-本发明的一个滤筒(1)或连接以形成滤筒串的多个滤筒(1)布置在耐压壳体(4)中，
-所述模件壳体(4)的渗透物出口(25)与最靠近所述壳体(4)的渗透物出口的滤筒(图3中的(1a))的PSRE1(13a)连接，
其中
-所述模件壳体中的渗余物出口(26)被布置在所述壳体(4)中最后部滤筒(图3中的(1b))的渗余物出口开口(17)和/或(18)的下游，
-流体屏障体(27)，即所述PSR(13)的流体密封的封闭件，其布置在滤筒的PSRE2(13b)的区域中，或者当多个滤筒连接以形成滤筒串时，布置在所述滤筒串的最后部滤筒的PSRE2(13b)的区域中。
图3中示出了本发明的流体分离模件(7)的优选实例，所述模件具有根据图2的本发明的两个滤筒(1a)和(1b)的串。参照图3，本发明的流体分离模件(7)包括壳体(4)，在壳体(4)中存在例如本发明的两个滤筒(1a)和(1b)。待分离的流体混合物通过模件(24)的流体入口进入壳体(4)的内部。随后，所述流体混合物通过第一滤筒(1a)的端帽EK1(5a)和模件壳体(4)的内壁之间的间隙(28)被导向至滤筒(1a)的流体进入开口(12)。滤筒(1a)对应于图2，并且由沿纵向轴线布置的渗透物收集管PSR(13)组成，围绕该渗透物收集管PSR布置有中空纤维膜(11)的束(为了了清楚起见在图3中未示出)。中空纤维具有前端部ME1(11a)和后端部ME2(11b)。前端部ME1(11a)在第一浇注区段VA1(14a)中被浇注，使得中空纤维的芯部是敞开的，这意味着渗透物可在VA1(10a)的外端面处离开中空纤维(参见图2)。中空纤维的后端部ME2(11b)被浇注在第二浇注区段VA2(14b)中，使得中空纤维芯部是被封闭的，这意味着没有渗透物能够在该侧上从中空纤维排出(参见图2)。由PSR(13)和中空纤维膜(11)的束构成的装置被除流体进入开口(12)之外的不可渗透的屏障体(6)在VA1(14a)和VA2(14b)之间完全包封。因此，待分离的流体混合物被迫通过流体进入开口(12)进入PSR(13)、中空纤维膜(11)和不可渗透的屏障体(13)之间的空隙中。它在那里与中空纤维膜(11)的外壳接触。
由于所述空隙(高压区)中的流体和中空纤维膜的芯部(低压区)的压差，因此待分离的流体混合物中相对大量的较易渗透的流体可能与较小部分的较不易渗透的流体一起渗透通过中空纤维膜，并在中空纤维膜的芯部中形成渗透物。因此，与待分离的流体混合物相比，较易渗透的流体富集在渗透物中。
所述渗透物然后通过中空纤维膜的芯部，通过VA1(14a)被导向至空腔(EK1空腔(15))中，所述空腔在EK1(5a)的内表面和VA1(14aa)的外端面之间形成。EK1空腔(15)另外与PSR(13)流体连通，这意味着渗透物可通过开口(16)从EK1空腔(15)进入PSR(13)的内部(参见图2)。从那里，第一滤筒(1a)的渗透物与同一壳体(3)中的其它滤筒的渗透物一起依次通过模件(6)的渗透物出口(图中未示出)从模件(7)被排出。
在EK1空腔(15)中，优选具有至少一个支撑元件(15a)。借助支撑元件(15a)，可优化渗透气体在渗透物收集管(13)的开口(16)方向上的分布。利用适合的设计，支撑元件(15a)可另外有助于改进滤筒的机械稳定性，尤其是在待分离的流体混合物的高压下。另外，使用适合的支撑元件(15a)可另外调节由于渗透流体从中空纤维膜的芯部膨胀至EK1空腔(15)中而产生的压降。为了将渗透物从中空纤维膜的芯部中在开口(16)的方向上导出，在最简单的情况下，支撑元件(15a)可配置成使得其填充EK1空腔(15)的主要部分，并且在支撑元件(15a)面向VA1(14a)的一侧和VA1(14a)之间形成间隙，渗透物气体被导向通过该间隙。然而，优选支撑元件(15a)由多孔材料制成和/或具有内部和/或外部通道，在这种情况下，孔或通道优选配置成使得渗透物气体在正确方向上被引导。为了使渗透物气体在开口(16)方向上的分布具有特别积极的作用，支撑元件(15a)更优选具有适于将渗透物从中空纤维膜的排出开口导向开口(16)的外部形状。其说明性实施方案可见于图2中。图2中的EK1空腔(15)填充有支撑元件(15a)。支撑元件(15a)在面向VA1(14a)的一侧上具有轮廓(profile)(15b)，或者更具体地是通道(15b)，渗透物通过所述轮廓从中空纤维膜的芯部导向至开口(16)。同样优选地，可在具有或不具有轮廓(15b)的支撑元件(15a)和VA1(14a)之间安装过滤器元件(图2中未示出)，例如织造或非织造材料或烧结的金属板，其额外地促进渗透物至开口(16)的引导。本领域技术人员可容易地发现具有相同功能的类似技术配置，例如将支撑元件(15)设计成以固定方式整合至前端帽(5a)中的部件，而不是个孤立的部件。
优选地，支撑元件(15a)由耐腐蚀材料组成，更优选由不锈钢组成。最优选地，支撑元件(15a)由与端帽(5a)相同的材料组成。同样更优选地，如上所述，支撑元件(15a)是EK1(5a)的整体组成部分。
特别优选的过滤器元件由耐腐蚀材料如不锈钢组成，或由青铜、黄铜或铝组成。
最优选地，过滤器元件具有直径比中空纤维膜的内径小至少5至10倍的孔或通道，使得渗透物可自由流动而不被堵塞。
由于上述较易渗透的流体渗透至中空纤维膜的芯部中，因此较缓慢渗透的流体变得富集在PSR(13)和不可渗透的屏障体(6)之间的空隙中。渗余物在其中从待分离的流体混合物形成，并在VA2(14b)的方向上在所述空隙中被导向，并在此期间变得越来越富集较不易渗透的流体。VA2(14b)优选被第二端帽EK2(5b)围绕(参见图2)。
本发明的滤筒(1)通过固定至EK2(5b)的密封元件(3)以流体密封的方式连接至模件壳体(4)的内壁，以便将待分离的流体混合物(进料料流)与在EK2(5b)之后排出滤筒(1)的渗余物料流分离。
如已指出的，密封元件(3)防止待分离的流体混合物与第一滤筒(1a)的渗余物混合。这是因为渗余物流过存在于VA2(14b)和EK2(5b)中的渗余物出口(17)和(18)(参见图2)，流过载体元件(9)，流出第一滤筒(1a)并进入存在于滤筒(1a)和滤筒(1b)之间的壳体(4)的内部(29)中。
第一滤筒(1a)的渗余物进一步在第二滤筒(1b)中被浓缩，第二滤筒与第一滤筒(1a)类似地工作并构造，即在其中提供待分离的流体混合物。
第二滤筒(1b)的PSR(13)在连接部位(30)处连接至第一滤筒(1a)的PSR(13)，以得到共用的PSR(13)，所述共用PSR(13)从滤筒(1a)的渗透物收集管前端部PSRE1(13a)延伸远至滤筒(1b)的PSR(13)的后端部PSRE2(13b)。
在由此组装的PSR(13)的端部是流体屏障体(27)，其优选布置在滤筒串中最后部滤筒的VA2(14b)的区域中，并且可由任何期望的流体密封的、尤其是气密性且足够耐压的材料制成。“足够耐压”意指渗透物屏障体(27)必须承受PSR(13)中的渗透物压力和端部空腔(31)中的渗余物压力之间的压差。另外，流体屏障体必须能够承受相应的操作温度。因此，流体屏障体(31)优选由金属或塑料组成，并且优选通过螺纹连接或通过法兰或通过倒钩或通过粘合剂接合固定至PSR(13)。本领域技术人员可容易地找到相应的技术解决方案。在组装的渗透物收集管(13)中，来自两个滤筒(1a)和(1b)的全部渗透物料流一起被去除。
各自滤筒(1)的渗透物收集管(13)之间的连接(30)可以不同的方式制得。例如，渗透物收集管PSRE1(13a)的后端部与PSRE2(13b)的前端部可以法兰连接或以插入连接或螺纹连接来实施。本领域技术人员可容易地发现替代的连接选项，例如倒钩系统。
与滤筒(1a)类似，滤筒(1b)在其后端部具有第二VA2(14b)，且优选具有EK2(5b)。通过VA2(14b)中的渗余物出口开口(17)，并且如果存在EK2(5b)，则通过EK2(5b)中的(18)，来自第二滤筒(1b)的渗余物进入模件壳体(4)的端部空腔(11)中。该端部空腔(31)由VA2(14bi)的外端面形成，如果存在的话，或由第二滤筒(1b)的EK2(5b)和第二滤筒(1b)后面的模件壳体(4)的内壁形成。还通过密封元件(3)(图3中未示出)以流体密封的方式连接至模件壳体(4)的内壁的第二滤筒(1b)以及另外具有渗透物屏障体(27)的PSR(13)的作用在于，在端部空腔(31)中仅存在数个分离步骤后所获得的渗余物，所述渗余物是通过渗余物出口(26)从模件壳体(4)排出的。
因此，根据图3的本发明的模件(7)的特征在于，最初待分离的流体混合物是在两个连续的分离步骤中被分离的，首先是在滤筒(1a)中，然后在第二滤筒(1b)中。所有渗透物料流均通过PSR(13)合并且被引导至存在于壳体的前盖体(32)处的模件(7)的渗透物出口(25)(图3中未示出(25)和(32))，并通过其从模件(7)排出。前盖体(32)在模件已经被填充滤筒之后被放置于壳体(4)上，并借助图3中可见的螺孔拧至壳体(4)上。对于渗余物，也仅需要模件壳体(4)中的一个出口(26)。由于优选所有滤筒均具有相同的结构，因此在考虑足够长的模件壳体(4)时，可根据需要延伸滤筒的串，本发明的其它滤筒(1)可以插入在滤筒(1a)和滤筒(1b)之间。
包括本发明的滤筒(1)的流体分离模件(7)的优点在于，模件壳体(4)可永久地保持在分离系统中，仅需要更换用过的滤筒(1)。滤筒更换进而非常简单且快速，因为连串的滤筒可作为整体从壳体中移出。因此，在具有数百个或数千个模件壳体的大型系统的情况下，保证了非常短的停机时间，并且使维护成本最小化。
本发明的滤筒(1)的具体构造另外使得即使各膜元件(2)本身不具有适当的直径，也可容易地使用不同的膜元件(2)。这可通过本发明的密封元件(3)来补偿。
如已提到的，在根据图2的优选配置中，本发明的滤筒(1)包括渗透物收集管PSR(13)，所述渗透物收集管PSR(13)已被配置在各自滤筒(1)的VA1(14a)和VA2(14b)之间的空隙中，以便其对于待分离的流体混合物是不可渗透的。否则如上所述，存在于PSR(13)和不可渗透的屏障体(6)之间的空隙中的待分离流体混合物将再次与PSR(13)中的渗透物混合。
然而，在该实施方案中，PSR(13)必须在EK1空腔(15)的区域中与EK1空腔(15)中的流体流体连通，以使得渗透物能够在该点处进入PSR(13)。因此，优选地，PSR(13)在该区域中具有开口(16)(参见图2)。对于开口的大小、形状和数目没有特别限制，只要确保足够的流体连通即可。
在该优选的实施方案中，如所述的，流体进入开口(12)存在于不可渗透的屏障体(6)中，或者不可渗透的屏障体(6)不在VA1(14a)和VA2(14b)之间的整个距离上延伸，以导致作为流体进入开口的间隙。基于滤筒(1)的纵向轴线，流体进入开口(14)布置在VA1(14a)和VA2(14b)之间距离的前三分之一中，优选前四分之一中，更优选在VA1(14a)的内端面(14ai)之后0至10cm的距离处，最优选在VA1(14a)的内端面(14ai)之后2至4cm的距离处。这样会防止死体积，并最大限度地利用膜的分离区域。
在根据图2的实施方案中的膜束的后端部ME2(11b)处是第二浇注区段VA2。在这一侧，在该实施方案中并不意在使渗透物排出中空纤维的芯部。因此，这里的中空纤维被浇注至浇注树脂中，使得所有中空纤维的芯部均在中空纤维束的后端部ME2(11b)处被密封。
在VA2(14b)侧之上，渗余物必须能够排出滤筒。因此，优选的是提供浇注在VA2(14b)中的渗余物出口开口(17)，渗余物可通过该开口排出。
类似于EK1(5a)，EK2(5b)以固定方式连接至PSR(13)或PSR(13)的分段(20)或(21)，或者在其端面具有可借以引入PSR(13)或PSR分段(20)或(21)的开口。
模件壳体(4)须设计成耐压的，并且通常由金属组成，优选由钢组成，更优选由碳钢组成。
本发明的模件(7)和滤筒(1)可以任何期望的尺寸构造并使用。滤筒(1)的直径优选在7至9英寸、优选7.5至8.5英寸、更优选7.75至8.5英寸且最优选8.0至8.25英寸的范围内。从PSRE1(13a)至PSRE2(13b)的滤筒的长度优选0.5至2m，更优选1至2m，甚至更优选1.1至1.5m且最优选1.3至1.4m。
本发明的模件(7)和滤筒(1)可在1至150巴、优选30至120巴且更优选40至100巴范围内的压力下使用。操作温度优选-10至100℃，且更优选30至95℃。
本发明的模件(7)和滤筒(1)优选用于分离CO2/CH4(例如生物气、天然气或页岩气处理)、H2流，例如合成气比率调整，回收H2或从来源气体回收He。
具体实施方式
以下实施例用于提供对本发明的更具体的阐明和更好的理解，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：
首先，根据WO 2011/009919 A1的实施例18，由P84HT制得中空纤维膜。将所述中空纤维绕内径43mm、外径51mm和长度1750mm的管缠绕，随后形成渗透物收集管(13)的第二即后分段(21)。
将第一层从管的前端部螺旋缠绕至后端部。此时，以与纵向管轴线成90°的角度将膜缠绕数次，然后将第二层从管的后端部螺旋缠绕至前端部。这里也存在与纵向管轴线成90°角的一些绕组，接着是第三层，该第三层现在再次从管的前端部螺旋缠绕至后端部。以所述方式逐层持续缠绕，直至在管的中间已形成直径190mm的纤维束为止。
然后将该中空纤维束在N2气氛中在315℃热处理60min。在冷却之后，在具有成90°角的绕组的部位正前方的绕组两端用胶带将管束固定，并且在每种情况下在固定之后将其切断。
将由此获得的由管和中空纤维束构成的装置推入针织尼龙管中，然后推入PVC可收缩管(不可渗透的屏障体(6))中，该可收缩管的长度对应于缩短的纤维束的长度，并且在其长度的前三分之一中具有8个流体进入开口(12)。该管在10分钟内在100℃下收缩至纤维束(11)上。
将由此获得的装置在离心机中固定，并在两端安装浇注模具，每个浇注模具均设有用于浇注树脂的入口。在膜束的后端部(ME2(11b))、即在收缩管(不可渗透的屏障体(6))的流体入口的相对端的浇注模具具有长钉，所述长钉插入纤维束中，并且在随后的浇注操作中在浇注区段VA2(14b)中形成渗余物排出开口(17)。浇注模具提供有脱模剂，以便能够在浇注之后以更简单的方式将它们从各自的浇注部分释放开。
在用于VA1(14a)的渗透物侧浇注模具被放置之前，即被放置在渗透物将在稍后阶段排出中空纤维芯部的一侧(ME1(11a))上之前，用高温蜡处理纤维端部，以防止浇注树脂的过深向内抽吸。
计算浇注树脂的量，使得在两侧完全填充浇注模具的每个。
借助于离心，现在在室温(<25℃)下形成两个浇注区段VA1(14a)和VA2(14b)。然后将所述浇注区段在100℃下进一步热处理4小时，并且在浇注区段已冷却之后，移出浇注模具。在与滤筒的中心轴线成直角且距PSR(13)的各端部5mm处用圆锯切穿浇注部分VA1(14a)，由此使中空纤维的芯部在渗透物一侧上是敞开的。因此，在EK1(5a)已放置之后产生的EK1空腔(15)中产生随后的渗透物出口。
通过装入测试气体，对有缺陷的膜测试由此获得的在VA1(14a)处具有敞开的中空纤维的膜元件(2)，用环氧树脂密封有缺陷或断裂的纤维。
此后，将两个端帽EK1(5a)和EK2(5b)置于其上，后端帽EK2(5b)具有渗余物出口(18)和用于螺钉(10)的固定点。此后，如图2中所示，用数个螺钉(10)将由载体环(9)和O形环(8)组成的密封元件(3)固定至端帽VA2(14b)。为了清楚起见，图2仅示出了一个螺钉(10)。
前端帽EK1(5a)被设计并制备成使得在它被拉至VA1(14a)上方之后，EK1空腔((15)，参见图2)填充有作为支撑元件(15a)的金属板以及布置在所述支撑元件和面向它的VA1(14a)的表面之间的烧结的金属织物。支撑元件(15a)进而在面向烧结金属织物的一侧上形成轮廓，使得渗透物从中空纤维膜(11)的芯部通过轮廓(15b)中的通道被导向至渗透物收集管(13)的前分段(20)中的渗透物排出开口(16)。
此后，渗透物收集管(13)的前分段(20)通过前端帽EK1(5a)的端面中的开口处插入，并且在连接部位(19)处螺纹连接至已存在于VA1(14a)内的滤筒内的后分段(21)(参见图2)。所述前分段(20)在EK空腔(15)的区域中具有渗透物排出开口(16)，在稍后的阶段，渗透物可通过所述排出开口从EK1空腔(15)流入渗透物收集管(13)中(参见图2)。
实施例2：
将根据实施例1制得的滤筒(1)在适当的测试模件壳体(4)中进行分离和应力测试。
为此目的，在根据实施例1制得的滤筒中，将渗透物收集管(13b)的后端部用拧入塞或无螺纹塞(blank plug)封闭，因此建立流体屏障体(27)。此后，将滤筒插入模件壳体中，并封闭壳体，将渗透物收集管(13a)的前端部连接至测试模件壳体(4)的渗透物出口(25)。
然后将由20.9％O2和79.1％N2构成的气体混合物在6.7巴和24℃下泵送通过模件壳体(24)的流体入口，并测试气体混合物的分离。
此后，在将渗透物侧保持在大气压的情况下，在滤筒(1)的进料侧施加100巴的压力三次。此后，在相同条件下再一次重复分离测试。
在100巴的应力测试之前和之后的分离测试结果相同，这证明本发明的滤筒可在高压力和高气体体积下使用，这意味着膜元件(2)和密封元件(3)的组合满足所有要求。
附图标记列表
1 滤筒
1a 滤筒1
1b 滤筒2
2 膜元件
3 密封元件
4 分离模件的壳体
5 膜元件(2)的一般性的封闭件
5a 膜元件(2)的前封闭件V1；当其被实现为作为封闭件V1的特定配置的端帽EK1时，也使用该术语，
5b 膜元件(2)的后封闭件V2；当其被实现为作为封闭件V2的特定配置的端帽EK2时，也使用该术语，
6 不可渗透的屏障体
7 流体分离模件
8 密封件
9 载体元件
9a 载体元件(9)的面向模件壳体(4)的内表面的表面
9b 载体元件(9)中的钻孔
10 螺钉
11 膜或膜束或绕组
11a 膜前端部ME1
11b 膜后端部ME2
12 膜元件(2)的流体进入开口或间隙
13 渗透物收集管
13a 渗透物收集管(13)的前端部PSRE1
13b 渗透物收集管(13)的后端部PSRE2
14a 前浇注区段VA1
14aa VA1的外端面
14ai VA1的内端面
14b 后浇注区段VA2
14ba VA2的外端面
14bi VA2的内端面
15 VA1(14aa)的外端面和端帽EK1(5a)的内表面之间的EK1空腔
15a 支撑元件
15b 支撑元件(15a)的轮廓
16 渗透物排出开口，PSR(13)通过其与EK1空腔(15)流体连通
17 VA2(14b)中的渗余物出口开口
18 EK2(5b)中的渗余物出口
19 (20)和(21)之间的连接点
20 滤筒(渗透物适配物)的渗透物收集管(13)的前子分段
21 滤筒的渗透物收集管(13)的后子分段
22 进料通道间隔片
23 渗透物通道间隔片
24 分离模件进入模件壳体(4)中的流体入口
25 分离模件在模件壳体(4)的封闭件盖体(32)处的渗透物出口(两者均未在图3中示出)
26 模件壳体的渗余物出口
27 位于PSR(13)的后端部的流体屏障体
28 端帽EK1(5a)和模件壳体(4)的内表面之间的间隙
29 模件壳体(4)中的滤筒(1a)和(1b)之间居间空腔
30 滤筒(1a)和滤筒(1b)的PSR(13)的连接
31 模件壳体(4)中的端部空腔
32 模件壳体(4)的封闭盖(图3中未示出)
Claims (32)
1.用于流体混合物的分离的滤筒(1)，
其包括
膜元件(2)，其具有：
-中空纤维膜或扁平片状膜(11)，其在相对侧上具有前端部ME1(11a)和后端部ME2(11b)，
-位于ME1(11a)处的前封闭件V1(5a)
-位于ME2(11b)处的后封闭件V2(5b)
-屏障体(6)，其对于待分离的流体混合物是不可渗透的，并且围绕所述膜(11)布置在V1(5a)和V2(5b)之间的区域中，
和
-密封元件(3)，
其特征在于
-所述密封元件(3)是所述滤筒(1)的分开的独立元件，在安装滤筒(1)至模件壳体(4)中之后以流体密封的方式将滤筒(1)连接至模件壳体(4)的内表面，并且由至少两个部件组成，其中
·一个部件是密封体(8)，其在将所述滤筒(1)安装至流体分离模件(7)的模件壳体(4)中之后，紧密地邻接所述模件壳体(4)的内壁，并且
·另一部件是载体元件(9)，其承载密封体(8)，并且可逆地连接至所述膜元件(2)的前封闭件V1(5a)或后封闭件V2(5b)。
2.根据权利要求1所述的滤筒，其中所述流体混合物是气体混合物。
3.根据权利要求1所述的滤筒，其中所述密封体(8)是密封环或擦拭器。
4.根据权利要求1所述的滤筒，
其特征在于
所述膜元件(2)具有：
-渗透物收集管PSR(13)，其由一个或多个分段组成，并且具有前端部PSRE1(13a)和后端部PSRE2(13b)，
-至少一束中空纤维膜(11)，其具有前端部ME1(11a)和后端部ME2(11b)，并且围绕PSR(13)布置，PSR(13)或PSR(13)的所有分段在ME1(11a)和ME2(11b)之间具有一个或多个开口或孔，
-在ME1(11a)和PSRE1(13a)处的第一浇注区段VA1(14a)以及在ME2(11b)和PSRE2(13b)处的第二浇注区段VA2(14b)，所述中空纤维膜的芯部至少在ME1(11a)处是敞开的，
-前封闭件V1(5a)，其具有至少一个进入所述膜元件(2)的流体进入开口或离开所述膜元件(2)的排出开口，
-后封闭件V2(5b)，其具有至少一个进入所述膜元件(2)的流体进入开口或离开所述膜元件(2)的排出开口。
5.根据权利要求4所述的滤筒，所述中空纤维膜的芯部在ME1(11a)和ME2(11b)处是敞开的。
6.根据权利要求1所述的滤筒，
其特征在于
所述膜元件(2)具有：
-渗透物收集管PSR(13)，其由一个或多个分段组成，并且具有前端部PSRE1(13a)和后端部PSRE2(13b)，
-至少一束中空纤维膜(11)，其具有前端部ME1(11a)和后端部ME2(11b)，并且围绕PSR(13)布置，所述PSR(13)或PSR(13)的所有分段被配置在ME1(11a)和ME2(11b)之间的区域中，以便对于所述待分离的流体混合物是不可渗透的，
-在ME1(11a)和PSRE1(13a)处的第一浇注区段VA1(14a)以及在ME2(11b)和PSRE2(13b)处的第二浇注区段VA2(14b)，在VA1(14a)中ME1(11a)处的中空纤维被包封成使得所述中空纤维膜的芯部是敞开的，并且在VA2(14b)中ME2(11b)处的中空纤维被包封成使得成它们是封闭的，
-屏障体(6)，其对于待分离的流体混合物是不可渗透的，并且在VA1(14a)和VA2(14b)之间的区域中围绕由PSR(13)和中空纤维膜(11)构成的装置，基于所述滤筒(1)的纵向轴线，所述不可渗透的屏障体(6)在VA1(14a)和VA2(14b)之间距离的前三分之一中被配置，使得存在通向所述不可渗透的屏障体(6)和PSR(13)之间的空隙的一个或多个流体进入开口或间隙(12)，
-作为前封闭件V1(5a)的前端帽EK1(5a)，其被放置至VA1(14a)上；和任选存在的后端帽EK2，如果存在，其被放置至VA2(14b)上，EK2或VA2(14b)形成所述后封闭件V2(5b)，
其中
-EK1(5a)被配置并放置至VA1(14a)上，使得在其中所述渗透物从所述中空纤维芯部流出的VA1(14aa)的外端面和所述前端帽EK1(5a)的内表面之间形成EK1空腔(15)，
-渗透物排出开口(16)存在于所述EK1空腔(15)的区域中的PSR(13)中或所述PSR(13)的分段中，使得在所述EK1空腔(15)中的流体与所述PSR(13)的内部之间存在流体连通，
-至少一个用于渗余物的排出开口(17)存在于VA1(14a)和VA2(14b)之间的后四分之一处的距离中，或嵌入在VA2(14b)中，其中
-如果存在EK2(5b)，则其同样具有用于所述渗余物的至少一个排出开口(18)。
7.根据权利要求6所述的滤筒，其中基于所述滤筒(1)的纵向轴线，所述不可渗透的屏障体(6)在VA1(14a)和VA2(14b)之间距离的前四分之一中被配置。
8.根据权利要求6所述的滤筒，其中所述不可渗透的屏障体(6)在VA1(14ai)的内端面之后0至10cm的距离处被配置。
9.根据权利要求6所述的滤筒，其中所述不可渗透的屏障体(6)在VA1(14ai)的内端面之后2至4cm的距离处被配置。
10.根据权利要求1所述的滤筒，
其特征在于
所述膜元件(2)具有：
-渗透物收集管PSR(13)，其由一个或多个分段组成，并且具有前端部PSRE1(13a)和后端部PSRE2(13b)，
-前封闭件V1(5a)，其具有至少一个进入所述膜元件(2)的流体进入开口或排出开口，
-后封闭件V2(5b)，其具有至少一个离开所述膜元件(2)的流体进入开口或排出开口，
-膜绕组，其包括：
·一个或多个扁平片状膜(11)，
·一个或多个多孔进料通道间隔片(22)，其具有在所述V1(5a)侧上的前边缘ME1(11a)和在所述V2(5b)侧上的后边缘ME2(11b)，
·一个或多个渗透物通道间隔片(23)，
其中
在进料通道间隔片(22)和渗透物通道间隔片(23)之间始终存在至少一个膜片(11)，并且PSR(13)具有一个或多个开口或孔。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的滤筒，
其特征在于
所述不可渗透的屏障体(6)由薄膜或管或胶带组成，或由与环氧树脂“共混”的玻璃织物组成。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的滤筒，所述不可渗透的屏障体(6)由软管组成。
13.根据权利要求11所述的滤筒，所述不可渗透的屏障体(6)通过收缩和/或通过浇注至VA1(14a)和/或VA2(14b)中和/或通过外部固定辅助件和/或通过焊接和/或通过粘合剂接合固定至所述膜元件(2)。
14.根据权利要求4至10中任一项所述的滤筒，
其特征在于
所述PSR(13)由数个分段组成，所述分段在膜元件(2)内通过螺纹连接或法兰连接或插入连接或借助卡口封闭件或通过粘合剂接合而彼此相连。
15.根据权利要求6所述的滤筒，
其特征在于
滤筒的所述PSR(13)由至少两个分段组成，第一分段(20)始于PSRE1(13a)处且至少延伸至VA1(14a)中，并且在那里连接至第二分段(21)，所述第二分段(21)单独地或与另外的分段结合形成所述PSR(13)的剩余部分，远至PSRE2(13b)。
16.根据权利要求15所述的滤筒，其中所述第一分段(20)包括进入所述PSR(13)的所述渗透物排出开口(16)。
17.根据权利要求4至9中任一项所述的滤筒，
其特征在于
所述中空纤维膜(11)以一束或多束布置，或者平行于所述PSR(13)的纵向轴线，或者围绕PSR(13)缠绕，这意味着一个层从VA1(14a)至VA2(14b)的方向螺旋缠绕，然后下一层从VA2(14b)至VA1(14a)的方向螺旋缠绕，再然后交替以这种方式继续，
和/或
所述中空纤维膜的束具有直径为150-200mm的圆形的横截面。
18.根据权利要求17所述的滤筒，其中中空纤维膜(11)围绕PSR(13)螺旋缠绕。
19.根据权利要求18所述的滤筒，其中中空纤维膜(11)围绕PSR(13)螺旋缠绕，使每个缠绕层的螺旋线以交叉的方式缠绕。
20.根据权利要求17所述的滤筒，其中所述中空纤维膜的束具有直径为170-195mm的圆形的横截面。
21.根据权利要求17所述的滤筒，其中所述中空纤维膜的束具有直径为180-190mm的圆形的横截面。
22.根据权利要求1-10中任一项所述的滤筒，
其特征在于
所述中空纤维膜由聚酰亚胺组成。
23.根据权利要求22所述的滤筒，其中所述中空纤维膜由可通过以下物质的反应获得的聚酰亚胺组成：
选自以下组中的至少一种二酐：3,4,3’,4’-二苯甲酮四甲酸二酐、1,2,4,5-苯四甲酸二酐、3,4,3’,4’-联苯基四甲酸二酐、氧基二邻苯二甲酸二酐、磺酰基二邻苯二甲酸二酐、1,1,1,3,3,3-六氟-2,2-亚丙基二邻苯二甲酸二酐
和
选自以下组中的至少一种二异氰酸酯：甲苯2,4-二异氰酸酯、甲苯2,6-二异氰酸酯、4,4’-亚甲基二苯基二异氰酸酯、2,4,6-三甲基-1,3-亚苯基二异氰酸酯、2,3,4,5-四甲基-1,4-亚苯基二异氰酸酯。
24.根据权利要求1至10中任一项所述的滤筒，
其特征在于
载体元件(9)呈板的形式，根据其是连接至所述膜元件(2)的V1(5a)还是连接至V2(5b)，所述板具有流体入口或出口，
或
所述载体元件(9)呈环的形式，
或
所述载体元件(9)呈筛的形式。
25.根据权利要求24所述的滤筒，其中所述环的中间的开口的直径为所述载体元件(9)连接至的封闭件V1(5a)或V2(5b)外径的35％至80％。
26.根据权利要求24所述的滤筒，其中所述环的中间的开口的直径为所述载体元件(9)连接至的封闭件V1(5a)或V2(5b)外径的40％至80％。
27.根据权利要求24所述的滤筒，其中所述环的中间的开口的直径为所述载体元件(9)连接至的封闭件V1(5a)或V2(5b)外径的50％至75％。
28.根据权利要求1至10中任一项所述的滤筒，
其特征在于
所述载体元件(9)由金属或塑料组成
和/或
所述前封闭件V1(5a)或后封闭件V2(5b)由金属或塑料组成
和/或
所述载体元件(9)螺纹连接至V1(5a)或V2(5b)或借助螺钉或夹持元件、或利用粘合剂或其组合连接至V1(5a)或V2(5b)。
29.根据权利要求28所述的滤筒，其中所述夹持元件是倒钩或锁钩。
30.流体分离模件(7)，其包括一个或多个根据权利要求1至29中任一项所述的滤筒(1)。
31.根据权利要求30所述的流体分离模件(7)，其为气体分离模件。
32.根据权利要求30或31所述的流体分离模件(7)，
其包括
-模件壳体(4)，其分别具有流体入口(24)以及渗透物出口(25)和渗余物出口(26)，
-根据权利要求1至11中任一项所述的一个滤筒(1)或连接以形成滤筒串的多个滤筒(1)，其布置在所述模件壳体(4)中，
-所述模件壳体(4)的渗透物出口(25)与最靠近壳体的渗透物出口的所述滤筒(1)的渗透物收集管(13)的前端部PSRE1(13a)的连接，
其中
-所述模件壳体(4)中的渗余物出口(26)布置在所述壳体(4)中最后部滤筒(1)的渗余物出口开口(17)和/或(18)的下游，
-流体屏障体(27)，即PSR(13)的流体密封的封闭件，其布置在滤筒(1)的PSRE2(13b)的区域中，或者当多个滤筒(1)连接以形成滤筒串时，其布置在所述滤筒串的最后部滤筒(1)的PSRE2(13b)的区域中。
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