CN115003349B - 横流膜模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种横流膜模块，配置为将进料流体分离成穿过一个或多个膜片的渗透流体和残留流体。横流模块包括沿着第一方向与第一端偏离的第二端，其中入口设置在第一端处，并且出口设置在第二端处。一个或多个膜片各自具有第一部分和第二部分。导管邻近每个膜片的第一侧，并且配置为接收和输出与进料流体分离的渗透流体。膜片的第二部分具有比第一部分更大的对主要组分的渗透性，使得由穿过膜片的第二部分分离而产生的渗透流体的第二部分具有比由穿过第一部分分离而产生的渗透流体的第一部分更高浓度的主要组分。第二部分沿着第二方向与膜片的第一侧间隔开，从而导致渗透气体的第二部分朝向膜片的第一侧流动，使得渗透气体的第二部分与渗透气体的第一部分混合，从而减小渗透气体的第一部分中的次要组分的浓度。

Description

横流膜模块
背景技术
本发明涉及一种横流膜模块及其制造方法。横流膜模块特别适用于渗透蒸发和气体分离应用。
在下文中，除非另有说明，否则所用组分的浓度是摩尔浓度。术语“主要组分”是指在进料流体中具有最高浓度的组分，而术语“次要组分”是指在进料流体中具有比主要组分低的浓度的组分。“次要组分”通过膜分离过程富集在渗透流体中，并且是分离过程的目标组分。术语“流体”可以指气体和/或液体。
在分离模块中，包含主要组分和次要组分的进料流体穿过膜分离成渗透流和残留流，其中主要组分具有比次要组分高的浓度。残留流体具有比进料流体更低浓度的次要组分，并且渗透流体具有比进料流体更高浓度的次要组分。在横流模块中，渗透流主要是横向的，优选地垂直于进料流。在逆流模块中，渗透流主要处于与进料流相反的方向上。
图1示出了一种已知的横流分离装置。在横流分离装置中，进料流处于第一方向上(图1中从左向右)，并且渗透流处于横向于第一方向的第二方向上(图1中向下)。当进料在第一方向上(即，从左向右)沿着膜表面流动时，进料中最具渗透性的组分的浓度降低。因此，渗透中最具渗透性的组分的浓度也沿着第一方向降低。在横流模块中，渗透气体流具有与进入的渗透相同的浓度，并且混合不会影响膜分离。
已知使用外部吹扫来增加穿过膜的驱动力，并且因此改进横流模块的效率。在模块的出口端处引入的吹扫气体稀释了朝向入口的所有点处的大部分可渗透组分。这种稀释增加了最具渗透性的组分穿过膜的浓度差，因此增加了穿过膜分离的驱动力。这种效应被称为吹扫(sweep)。驱动力的这种增加改进了效率，使得可使用更小的膜面积。
外部吹扫使用在模块外部产生的气流，将该气流注入到邻近出口的渗透流中以产生吹扫效应。这种系统在图3中示出，并且在本申请的后面更详细地描述。如图3(b)所示，残留流体在被引入到出口端处的渗透流之前，可以穿过阀320膨胀。例如，已知使一部分处理过的残留流体通过阀并且将其引入到模块的渗透侧。然而，这种系统需要额外的管道和阀来控制吹扫流速以便可靠地操作，这导致成本增加。此外，这种模块将在工业设施中大量使用，从而需要许多控制单元，其中任何一个的故障导致气体从残留到渗透流的大量不受控制的泄漏，影响整个设施的操作。
图4和图5所示的装置试图解决与模块有关的问题，其中吹扫气体在外部产生，而不是在内部产生吹扫气流。图4所示的装置是逆流中空纤维模块装置，其中除了裸露端部部分403之外，纤维涂覆有选择性层401。裸露端部部分具有比纤维的主要部分高得多的渗透性，但是没有选择性。因此，进料流体将渗透穿过裸露端部并且用作内部产生的吹扫气体409的流。图5所示的装置也是逆流中空纤维模块。进料流体502在中空纤维505之间的空间中从左向右流动。残留管延伸穿过模块并且在模块509的右手端之前终止。一部分进料流体渗透纤维膜并且在纤维内在与进料流相反的方向上行进。未渗透膜的进料流体通过残留收集管中的孔被移除。残留收集管的端部用由孔口511穿孔的塞子密封。一部分处理过的残留流体通过此孔口泄漏，并且然后可用作吹扫气体进入纤维514的开口端。
已经将内部吹扫的使用限制于逆流中空纤维分离模块。由于构造和操作困难，内部吹扫还没有应用于包括膜片的横流分离模块，例如板框模块或螺旋卷绕模块。本发明试图将内部产生的吹扫的优点应用于包括平膜片的横流模块。
概述
根据本发明，提供了如权利要求限定的一种横流膜模块和一种用于制造该模块的方法。
如权利要求1所述，提供了一种横流膜模块，配置为将包含次要组分和主要组分的进料流体分离成渗透流体和残留流体。残留流体具有比进料流体更低浓度的次要组分，并且渗透流体具有比进料流体更高浓度的次要组分。模块包括具有第一端和第二端的壳体，其中，第二端沿着第一方向与第一端间隔开。模块还包括介于壳体的第一端和第二端之间的一个或多个膜片，其中，一个或多个膜片包括第一端和第二端，其中，第二端沿着第一方向与第一端间隔开。每个膜片包括介于第一端和第二端之间的第一侧和第二侧。第一侧沿着第二方向与第二侧间隔开，其中，第二方向横向于第一方向。每个膜片包括第一主表面和第二主表面，其中，第二主表面与第一主表面相对，其中，每个膜片配置为将进料流体分离成残留流体和渗透流体。膜模块配置为使得进料流体和残留流体在第一方向上沿着每个膜片的第一主表面流动，但是不沿着每个膜片的第二主表面流动，并且渗透流体沿着每个膜片的第二主表面流动，但是不沿着每个膜片的第一主表面流动。膜模块还包括在壳体的第一端处的入口，其中，入口与每个膜片的第一主表面的第一端流体连通，并且配置为输送进料流体，使得其沿着每个膜片的第一主表面流动。膜模块还包括位于壳体的第二端处的出口，其中，出口与每个膜片的第一主表面的第二端流体连通，并且配置为接收和输出与进料流体分离的残留流体。膜模块还包括与膜片的第二主表面的第一侧流体连通的导管，其中，导管配置为接收和输出与进料流体分离的渗透流体。一个或多个膜片中的至少一个包括第一部分和第二部分，使得进料流体穿过第一部分的分离产生渗透流体的第一部分，并且进料流体穿过第二部分的分离产生渗透流体的第二部分。膜片的第二部分具有比第一部分大的对主要组分的渗透性，使得渗透流体的第二部分具有比渗透流体的第一部分更高浓度的主要组分。第二部分沿着第二方向与膜片的第一侧间隔开，从而导致渗透流体的第二部分朝向膜片的第一侧流动，使得渗透流体的第二部分与渗透流体的第一部分混合，从而降低渗透流体的第一部分中的次要组分的浓度。
因此，在本发明中，渗透流体的第二部分用作吹扫流体，稀释了更靠近第一侧的渗透流体中的次要组分的浓度。通过稀释渗透流体中的次要组分的浓度，增加了次要组分的穿过膜的浓度梯度。浓度梯度的增加导致用于将进料流体穿过膜分离成渗透流体和残留流体的驱动力的增加。渗透流体的第二部分在说明书中也被称为吹扫气体/吹扫流/吹扫流体。因此，本发明不需要阀或管道来控制进料流体的流动和供应，因为这在内部产生。
一个或多个膜片是平的，即平面的。
进料流体在第一方向上沿着膜的主表面流动。进料流体被分离成渗透流体和残留流体。残留流体也在第一方向上沿着膜的主表面流动。渗透流体包括进料流体的一部分，该部分穿过膜并通常沿着膜的与进料流体和残留流体相对的主表面流动。在本申请中，膜的残留流体和进料流体沿着其流动的主表面被称为第一主表面，并且膜的渗透流体沿着其流动的主表面被称为第二主表面。第一主表面也可以被认为是膜的进料侧，并且第二主表面可以被认为是膜的渗透侧。第二主表面与第一主表面相对。换句话说，第二主表面与第一主表面以膜片的厚度间隔开。在本发明中，渗透流体的至少一部分在从第二侧朝向第一侧的方向上(即，在横向于、特别是垂直于第一方向的方向上)流动。
对于每个膜片，在入口和出口之间沿着第一主表面的流体路径与沿着第二主表面到导管的流体路径流体密封，使得流体仅可从第一主表面通过膜片到达第二主表面。该密封防止了可能导致膜片的第一主表面上的进料/残留流体与膜片的第二主表面上的渗透流体混合的泄漏。该密封还用于将进入和离开模块的流体与外部环境分离。该密封可以通过使用粘合剂(例如环氧胶或等效的密封材料)、胶带或热密封来实现。
一个或多个膜片在壳体的第一端和第二端之间延伸，使得一个或多个膜片的第一端邻近壳体的第一端，并且一个或多个膜片的第二端邻近壳体的第二端。优选地，壳体的形状可以是圆柱形，其中第一方向限定壳体的直径，并且第一端和第二端沿直径相对。
一个或多个膜片的第一端和第二端以及第一侧和第二侧形成一个或多个膜片的外边缘。一个或多个膜片的第一端和第二端形成一个或多个膜片的沿着第一方向间隔开的外边缘。一个或多个膜片的第一侧和第二侧形成一个或多个膜片的沿着第二方向间隔开的外边缘。
如上所述，导管配置为接收和输出渗透流体。导管流体地连接到一个或多个膜片的第二主表面的第一侧，其中第二主表面与第一主表面相对。优选地，所有膜片经由其第二主表面的第一侧流体地连接到导管。导管可以是多个导管中的第一导管。导管可以是敞开的以在轴向方向上沿着其长度的至少50％从第二主表面接收渗透流体。导管通常包括开口/孔以接收渗透流体。导管中在第一方向上的开口/孔的轴向范围与渗透段的轴向范围重叠并且优选地大致相同。导管中的开口/孔可以具有与膜片在第一方向上的长度相同的轴向范围。导管可以在第一方向上沿着第一侧的长度的至少50％，优选地至少70％，更优选地至少80％。导管可以在第一方向上沿着第一侧的整个长度延伸。导管中的开口/孔的轴向范围可以在第一方向上沿着第一侧的长度的至少50％，优选地至少70％，更优选地至少80％，最优选地至少100％延伸。导管通常与每个膜片的第一侧对准。更特别地，导管中的孔/开口通常与每个膜片的第一侧对准。
模块还可以包括流体联接到膜的第二侧的第二导管。第二导管通常也流体地连接到一个或多个膜片的第二主表面，其中第二主表面与第一主表面相对。
在包括第一导管和第二导管两者的构造中，渗透流体可在第一侧和第二侧上流动到第一导管和第二导管两者，在那里渗透流体将被接收并从模块输出。
一个或多个膜片中的至少一个包括第一部分和第二部分。膜的第二部分具有比第一部分高的对主要组分的渗透性。优选地，第二部分对主要组分的渗透性是第一部分对主要组分的渗透性的至少两倍。更优选地，第二部分对主要组分的渗透性是第一部分对主要组分的渗透性的至少十倍。膜片的第一部分具有选择性，使得其对于次要组分比对于主要组分更有选择性。第二部分可以是未涂覆膜片的一部分，其对进料流体的组分没有选择性，但是仍能够调节未分离的进料流体从第一主表面(进料侧)到第二主表面(渗透侧)的流动。然而，膜片的第二部分可以具有选择性，使得其也对于次要组分比对于主要组分更有选择性。如果第二部分也对于正在执行的分离具有选择性，则这是有益的，但不是必需的。如果第二部分也对于正在进行的分离具有选择性，则膜的第二部分具有比第一部分低的选择性。
第二部分可以形成膜片的第二主表面的一部分，但是不形成第一主表面。或者，第二部分可以形成膜片的第一主表面的一部分，但是不形成第二主表面。作为进一步的替代方式，第二部分可以形成膜片的第一主表面和第二主表面两者的一部分。第一部分可以形成膜片的第二主表面的一部分，但是不形成第一主表面。或者，第一部分可以形成膜片的第一主表面的一部分，但是不形成第二主表面。作为进一步的替代方式，第一部分可以形成膜片的第一主表面和第二主表面两者的一部分。在优选的布置中，第一部分形成第一主表面的一部分，并且第二部分也形成第一主表面的一部分。如果第一部分和第二部分形成相同主表面的一部分，则第一部分可以形成主表面的不形成第二部分的其余部分。如果第一部分和第二部分形成相对主表面的一部分，则第一部分不与第二部分重叠。
第一部分和第二部分可以通过分别用第一涂层和第二涂层涂覆膜片而形成。更具体地，第一部分可以通过用第一涂层涂覆膜片的相关段而形成，并且第二部分可以通过用第二涂层涂覆薄膜的相关段而形成。第二涂层可以比第一涂层薄，或者可由不同的、更可渗透的涂层材料制成。目的是制造这样的第二部分，该第二部分具有比第一部分更高的对进料流体的主要组分的渗透性。第二涂层可以具有不同于第一涂层的组成。
第一涂层和/或第二涂层可以施加到一个或多个膜片的第二主表面，但是不施加到一个或多个膜片的第一主表面。或者，第一涂层和/或第二涂层可以施加到一个或多个膜片的第一主表面，但是不施加到第二主表面。在一些实施方式中，第一涂层和/或第二涂层可以施加到一个或多个膜片的第一主表面和第二主表面两者。在一些布置中，第一涂层可以施加到第一主表面，并且第二涂层可以施加到第二主表面(即，使得第二部分沿着第二主表面的一部分延伸/形成第二主表面的一部分，并且第一部分沿着第一主表面的一部分延伸/形成第一主表面的一部分)。在另外的替代布置中，第一涂层可以施加到第二主表面，并且第二涂层可以施加到第一主表面(即，使得第二部分沿着第一主表面的一部分延伸/形成第一主表面的一部分，并且第一部分沿着第二主表面的一部分延伸/形成第二主表面的一部分)。如果第一涂层施加到与第二涂层相对的主表面，则被第一涂层涂覆的区域不与被第二涂层涂覆的区域重叠。在一些布置中，第一部分可以通过用第一涂层涂覆膜片的相关段而形成，并且第二部分可以是未涂覆膜片的段，其对进料流体的组分不具有选择性，但是仍能够调节未分离的进料流体从第一主表面(进料侧)到第二主表面(渗透侧)的流动。
或者，第一部分可以通过从第一膜材料切割第一部分而形成，并且第二部分可以通过从第二膜材料切割第二部分而形成。第二膜材料具有比第一膜材料更高的对主要组分的渗透性。第一膜材料可以具有比第二膜材料高的选择性。第一部分和第二部分可以密封在一起。例如使用粘合剂。在此布置中，第二部分延伸形成膜片的第一主表面和第二主表面两者的一部分，并且第一部分形成膜片的第一主表面和第二主表面两者的一部分。
第二部分沿着第二方向与膜片的第一侧间隔开。膜片的第二部分可以沿着一个或多个膜片的外边缘延伸，第二部分可以沿着第二侧的至少一部分延伸。第二部分可以沿着由第二侧形成的整个边缘延伸。第二部分可以形成为其长度沿着第一方向延伸的条带。第二部分的面积小于膜片的总面积的50％，通常小于膜片的总面积的20％，优选地小于膜片的总面积的15％，更优选地小于膜片的总面积的10％，最优选地小于膜片的总面积的6％。优选地，第二部分的面积是膜片总面积的1％至14％。膜片的剩余区域形成第一部分。因此，第二部分与第一部分相邻。
膜的第二部分(吹扫产生区域)的面积可在宽范围内变化。通过改变所使用的材料和膜的厚度，也可改变吹扫产生区域的渗透性。因此，通过调节膜制造过程，可容易地控制吹扫效应的大小。一旦制成膜模块，吹扫效应的产生就可以是完全自动的，不需要控制阀等。
在如上所述采用第一导管和第二导管的实施方式中，第二部分可以与第一侧和第二侧两者间隔开。第二部分可以形成为其长度沿着第一方向延伸的条带。第二部分可以与第一侧和第二侧两者等距。
膜模块还可以包括一个或多个进料隔片，该进料隔片配置为将一个或多个膜片间隔开，其中，每个进料隔片用于限定用于进料流体和残留流体流向出口的流体路径。膜模块还可以包括一个或多个渗透隔片，该渗透隔片配置为将一个或多个膜片间隔开，其中，每个渗透隔片用于限定用于渗透流体流向导管的流体路径。
渗透隔片和进料隔片可以具有分别对应于膜片的第一端和第二端以及第一侧和第二侧的第一端和第二端以及第一侧和第二侧。换句话说，每个隔片的第二端沿着第一方向与第一端间隔开。每个隔片的第一侧沿着第二方向与第二侧间隔开，其中，第二方向横向于第一方向。
渗透隔片和进料隔片是可渗透的。用于进料流体和残留流体沿着膜片的第一主表面流动的流体路径穿过进料隔片。用于渗透流体沿着膜片的第二主表面流动的流体路径穿过渗透隔片。
一个或多个膜片中的第一膜片可以布置成使得进料隔片与第一膜片的第一主表面相邻，并且渗透隔片与第一膜片的第二主表面相邻。进料隔片通常与第一膜片的第一主表面直接接触，并且渗透隔片通常与第二膜片的第二主表面直接接触。
膜片、一个或多个进料隔片以及一个或多个渗透隔片可以以堆叠构造布置，其中，相邻膜片之间的每个空间由进料隔片或渗透隔片限定，其中，膜片以交替取向布置，使得每个膜片的第一主表面与进料隔片接触，并且每个膜片的第二主表面与渗透隔片接触。
由进料隔片间隔开的相邻膜片可以沿着其第一主表面(进料侧)的第一侧和第二侧密封，以流体密封用于进料流体和残留流体沿着第一主表面流动的流体路径。由渗透隔片间隔开的相邻膜片沿着其第二主表面(渗透侧)的第一端和第二端以及第二侧密封，以流体密封渗透流体沿着第二主表面的流体路径。该密封可以通过例如使用O形环、粘合剂或热密封来实现。进料隔片也可以沿着其第一侧和第二侧密封，该第一侧和第二侧对应于膜片的第一侧和第二侧。类似地，渗透隔片也可以沿着其第一端和第二端以及第二侧密封，该第一端和第二端以及第二侧对应于膜片的第一端和第二端以及第二侧。在一个可选布置中，相邻膜片的第一主表面可以沿着其第一侧和第二侧密封在一起。类似地，相邻膜片的第二主表面可以沿着其第一端和第二端以及第二侧密封在一起。
膜片可以围绕进料隔片折叠，从而形成一对膜片，其中每个膜片的第一主表面邻近进料隔片。换句话说，每个膜片的第一主表面彼此面对并且通过其间的进料隔片间隔开。在这种布置中，通过这对膜片中的每个的第一侧之间的折叠来提供密封。
每个进料隔片可以配置为引导流体沿着第一方向流动，并且和每个渗透隔片可以配置为引导流体沿着第二方向流动。进料隔片和渗透隔片可以具有凹槽以引导流体流动。例如，凹槽可以形成在进料隔片和渗透隔片的表面中。进料隔片和渗透隔片可以定向成使得进料隔片中的凹槽沿着第一方向延伸，并且渗透隔片中的凹槽沿着第二方向延伸。或者，进料隔片和渗透隔片可以是波纹状的以引导流体流动。波纹状的进料隔片和渗透隔片可以具有脊部以引导流体流动。波纹状的进料隔片可以定向成使得脊部的纵向方向平行于第一方向。波纹状的渗透隔片可以定向成使得脊部的纵向方向平行于第二方向。作为进一步的替代方式，为了引导流体流动，进料隔片和渗透隔片可以由在不同方向上具有不同渗透性的材料形成。这种渗透性的差异可以通过在用于形成隔片的材料中编织纤维来实现。进料隔片可以定向成使得高渗透性方向(即低流阻)平行于第一方向。渗透隔片可以定向成使得高渗透性区域(即低流阻)平行于第二方向。
隔片可以具有大约0.03至0.06英寸的厚度。隔片可以由编织材料形成，该编织材料可以浸渍有树脂，并且然后被压延以使表面平滑或开槽。
进料隔片和渗透隔片通常在与膜片相同的区域上方延伸。横流膜模块可以是螺旋卷绕的。在这种实施方式中，导管是沿着第一方向延伸的中心管。一个或多个膜片围绕中心管卷绕，以便限定垂直于第一方向的螺旋，使得一个或多个膜片的第一侧比第二侧更靠近中心管。中心管包括圆柱形表面以及在其间限定内腔的第一终端和第二终端。中心管包括在圆柱形表面中的一个或多个开口，其中，一个或多个开口配置为接收与进料流体分离的渗透流体。一个或多个开口与膜片的第一侧流体连通。中心管还包括出口，该出口配置为输出由一个或多个开口接收的渗透流体，其中，出口位于中心管的第一终端或第二终端中。
一个或多个开口可以彼此间隔开。优选地，一个或多个开口沿着第一方向间隔开。第二部分通常在第一方向上与一个或多个开口相同的轴向范围上延伸。第二部分在第一方向上与一个或多个开口重叠并且通常直接对准。
中心管提供用于由一个或多个开口接收的渗透流体的流动路径，使得然后在中心管的内腔内沿着管的纵向方向朝向第一终端或第二终端中的出口流动并且从该出口流出。
横流膜模块也可以是板框模块。板框模块包括膜片的堆叠。膜片通常通过进料隔片和渗透隔片而彼此分离。由进料隔片和渗透隔片分离的膜片的堆叠可以在由框架连接在一起的两个端板之间被压缩。O形环密封件或粘合剂密封层可以用于将流体包含在模块内，并且将每个膜片的第一主表面(进料侧)上的流体与每个膜片的第二主表面(渗透侧)上的流体分离。可以在模块的边缘周围提供管道，以从每个膜片的第一主表面和第二主表面引入和移除流体。
本发明还涉及一种制造上述膜模块的膜片的方法。该方法包括提供前体片卷、用第一涂覆溶液涂覆前体片卷的第一区域、以及用第二涂覆溶液涂覆前体片卷的第二区域以形成膜片卷。该方法还包括将一个或多个膜片卷分离成单独的膜片，其中每个膜片的第一部分由膜片卷的第一区域形成，并且每个膜片的第二部分由膜片卷的第二区域形成，其中，每个膜片的第二部分具有比第一部分更高的对主要组分的渗透性。
第一涂覆溶液可以具有与第二涂覆溶液相同的组成。在此实施方式中，第二区域可以具有比第一区域薄的涂覆溶液涂层，使得第二部分具有比第一部分高的渗透性。
第一涂覆溶液可以具有与第二涂覆溶液不同的组成。第一涂覆溶液可以具有比第一部分更低的对主要组分的渗透性。
用第一涂覆溶液涂覆前体片卷的第一区域和用第二涂覆溶液涂覆前体片卷的第二区域的步骤可以对于第一主表面和第二主表面两者执行。或者，用第一涂覆溶液涂覆前体片卷的第一区域和用第二涂覆溶液涂覆前体片卷的第二区域的步骤可以对于第一主表面和第二主表面两者执行，可以仅对于第一主表面执行。
第一区域和第二区域可以彼此相邻。优选地，第二区域定位在两个第一区域之间，使得在每个膜片中，第二部分形成为条带，并且第一部分设置在第二部分的任一侧上。
该方法还可以包括围绕进料隔片折叠每个膜片，使得每个膜片形成一对膜片(即，一个膜片在隔片的上侧上，并且一个膜片在隔片的下侧上)。每个膜片的第一主表面与进料隔片相邻。换句话说，每个膜片的第一主表面彼此面对并且通过其间的进料隔片间隔开。
该方法还可以包括将两个膜片沿着其第一侧密封在一起，并且将进料隔片定位在其间。膜片的与进料隔片相邻的表面是第一主表面。
涂覆第一区域的步骤和涂覆第二区域的步骤可以同时执行。
涂覆步骤可以通过使膜片卷与涂覆容器中的第一溶液和第二溶液接触来执行，其中，涂覆容器具有通过分离器而彼此流体分离的第一段和第二段，第一段包含第一涂覆溶液，并且第二段包含第二涂覆溶液。该方法还可以包括移动分离器的位置以调节第二部分的位置和大小。优选地，涂覆容器的第二段定位在涂覆容器的两个第一段之间。
涂覆第一区域的步骤和涂覆第二区域的步骤可以在分开的步骤中执行。
本发明的另一方面涉及一种使用上述横流膜模块从包括主要组分和次要组分的进料流分离次要组分的方法。该方法可以包括使包括主要组分和次要组分的进料流体通过入口并且沿着每个膜片的第一主表面流动。该方法还可以包括将进料流体穿过膜片分离成渗透流体和残留流体，其中，残留流体具有比进料流体更低浓度的次要组分，并且渗透流体具有比进料流体更高浓度的次要组分。使进料流体穿过膜片分离的步骤可以包括使进料流体穿过膜片的第一部分分离以产生渗透流体的第一部分，以及使进料流体穿过膜片的第二部分分离以产生渗透流体的第二部分。该方法还可以包括经由导管从横流膜模块输出渗透流体，以及经由出口从横流膜模块输出残留流体。进料流体可以包括甲烷和二氧化碳，其中甲烷是主要组分，并且二氧化碳是次要组分，使得该方法是从甲烷分离二氧化碳的方法。相反，进料流体可以包括氮气和二氧化碳，其中氮气是主要组分，并且二氧化碳是次要组分，使得该方法是从氮气分离二氧化碳的方法。
为了更好地理解本发明并示出可以如何实现本发明，现在将仅通过实例的方式参考附图，其中：
图1是逆流膜模块、横流膜模块和同流(co-flow)膜模块的已知构造的示意图。
图2是包括实例计算的示意图，该实例计算表明已知膜模块的分离效率，其中可实现的分离是压力比受控的。
图3(a)至图3(d)是在外部产生吹扫气流的已知逆流膜模块构造的示意图。
图4(a)和图4(b)是来自美国专利4687578的示意图，并且描绘了采用在内部产生的吹扫流的已知中空纤维膜模块。
图5是来自美国专利6740140的示意图，并且描绘了采用在内部产生的吹扫流的已知中空纤维膜模块。
图6(a)至图6(c)是包括实例计算的示意图，该实例计算表明模块流动构造对在压力比受限区域内的分离的效果。图6(a)示出了横流膜模块，图6(b)示出了逆流膜模块，并且图6(c)示出了采用在外部产生的吹扫流的逆流膜模块。
图7(a)至图7(c)是包括实例计算的示意图，该实例计算表明模块流动构造对部分地在压力比受限区域之外的分离的效果。
图8是可用于形成根据本发明的膜片的涂覆过程的示意图，其中每个膜片具有第一部分和第二部分。
图9是用于形成根据本发明的膜片的膜涂覆过程的示意图，其中每个膜片具有第一部分和第二部分。
图10是用于形成本发明的横流膜模块的过程的一部分的示意图。
图11是用于形成本发明的横流膜模块的过程的一部分的示意图。
图12是用于理解本发明的多层复合膜的图示。
图13(a)和图13(b)是根据本发明的第一实施方式的膜片的示意图。
图14(a)和图14(b)是根据本发明的第二实施方式的膜片的示意图。
图15(a)是本发明的横流模块的透视图的示意图，其中该模块配置为板框模块。
图15(b)是图15(a)所示的板框模块的剖视图。
图16(a)、图16(b)和图16(c)是本发明的横流模块的透视图的示意图，其中该模块配置为板框模块。
图16(a)(i)、图16(b)(i)和图16(c)(i)分别是图16(a)、图16(b)和图16(c)所示的板框模块的剖视图。
图17(a)和图17(b)是本发明的横流模块的分解图，其中该模块配置为螺旋卷绕模块并且包括膜片和中心管。
图17(c)是图17(a)和图17(b)的模块的透视图，其中膜片部分地围绕中心管卷绕。
图17(d)是来自中心管的终端的图17(a)、图17(b)和图17(c)的模块的剖视图，其中膜片完全围绕中心管卷绕。
图18(b)是渗透流体中的CO2浓度与作为膜片的总面积的一部分的段部分的膜面积的曲线图，其中膜片如图18(a)所示构造。
本发明的详述
在本发明之前，采用吹扫流体的模块已经应用于逆流中空纤维模块，其具有与图3、图4、图5和图7中的形式类似的形式，其中吹扫流体在模块的残留端处被引入以增强逆流模块的性能。本发明的模块构造使用在内部产生的吹扫流体进入横流模块。在膜或专利文献中描述的吹扫设计已经限于逆流设计。本发明人已经发现，应用于横流模块的吹扫构造在分离性能方面出乎意料地产生显著的改进，并且配备有内部吹扫的横流模块是特别优选的。在本发明中，通过使一部分进料流体渗透到渗透流体中来控制吹扫流体流。因此，在内部产生吹扫流体。在具有膜片的横流膜模块中使用在内部产生的吹扫导致令人惊讶的技术效果。本发明特别适合于使用平片膜形成的膜模块，特别是螺旋卷绕模块或板框模块。
膜片形成
本发明集中于使用包括平片膜的模块。平片膜可以形成为螺旋卷绕模块或板框模块。用于制造模块的膜通常被制成连续的卷，通常为40至60英寸宽和几百米长。用于执行分离的选择性层通常是薄的且脆弱的，因此几乎所有的膜都是通过涂覆或铸造/沉淀方法来制造的，其中将膜形成在提供机械强度的坚固的非织造支撑纸卷上。使用一系列的涂覆和铸造方法来制备这些膜，例如在“膜技术和应用”(Richard Baker，John Wiley编辑，(2012))中描述的。本发明不限于任何特定类型的膜，并且本领域技术人员将能够修改已知的膜生产技术以制造本发明所需的膜片。
作为实例，图8示出了如何采用常规的涂覆工艺来制造本发明中使用的具有第一部分和第二部分的膜片。在图8中，支撑膜的作用取自进料辊801，并且被拉到涂覆容器806的下方和涂覆辊809的上方。用于分配涂覆溶液的涂覆容器806具有位于第二段804的任一侧的第一段805，其中段804、805通过分离器(挡板)810和811彼此分离。分离器810、811是薄的。第一段805包含第一涂覆溶液，并且第二段804包含第二涂覆溶液。当纸膜在涂覆容器下方通过时，在纸膜上产生两个涂覆区域。第一区域807用涂覆溶液805涂覆，并且形成膜片的第一部分。第二区域808用涂覆溶液804涂覆，并且形成第二部分。第二涂覆溶液具有比第一涂覆溶液更高的对主要组分的渗透性。因此，第二部分具有比第一部分更高的渗透性，特别是对主要组分。第一部分具有比第二部分更高的选择性。
第一区域807和第二区域808的涂覆可以仅在每个膜片的第一主表面上执行。或者，第一区域807和第二区域808的涂覆可以在每个膜片的第一主表面和第二主表面两者上执行。
通过移动分离器/挡板810、811的位置，第二部分(高渗透性膜)的条带的位置和尺寸可从膜的一侧到另一侧变化。通过调节涂覆溶液的组成和条带的面积，容易控制通过膜的此部分/面积的渗透的通量。
在图8所示的实例设备中，膜的两个部分在相同的涂覆操作中形成。然而，可以更容易地首先形成膜的一个部分，并且然后在第二操作中形成第二部分。两种选择都涵盖在本发明内。
图9中示出了代表可以用于制造本发明的膜片的第二种类型的膜涂覆设备。这种类型的设备用于制造作为多层复合膜片的膜片，如图12所示。复合膜片是多层结构，其由提供机械强度的微孔支撑件1201和构成选择性膜的多个涂层组成。第一层是沟槽层1202，其由非常高渗透性但是非选择性的材料制成。沟槽层1202用于将渗透传导到支撑膜的孔，并且其还提供了选择性层1203可涂覆在其上的平滑表面。然后用高渗透性聚合物的最终保护层1204涂覆选择性层1203，该最终保护层用于保护选择性层在模块制备或使用期间免受损坏。
图9中示出了可以用于制造这种膜片的设备。支撑纸卷901首先通过沟槽层施加器906，之后在烘箱907中干燥膜。然后，膜通过选择性层施加器，在该选择性层施加器处施加选择性层，之后在烘箱903中再次干燥膜。最后，在烘箱905中干燥之前，用施加器904对膜涂覆保护层。
如图10(b)所示，可对此设备中使用的一个或多个涂覆容器进行修改，以产生膜的具有所需的不同渗透性质的区域。两个特氟隆板914和915成形为围绕钢轧棒紧密配合，并且用于将涂覆容器分成两个段，允许将不同的膜涂覆到移动支撑件上。
由图8和图9所示的工艺生产的膜片的第二部分(高渗透性区域)形成为沿着膜片的连续条带。根据所构造的膜模块的构造，如果期望的话，可以通过用胶带或其他装置覆盖来封闭条带的段。
膜模块的结构
在图8和图9的描述中，描述了制造膜卷的方法，该膜卷具有沿着卷的一个边缘形成为一条膜的第二部分(即，高渗透性区域)。这种膜卷可被切割并制成膜片，该膜片可以以如图10所示的几种方式组装在一起。
在图10(a)中，从由具有沿着一个边缘的一条高渗透性膜(即，第二部分)1006的高选择性膜构成的对象切割膜片。膜片的不是第二部分1006的其余部分(即，高选择性区域)形成第一部分1005。图10(b)和图10(c)示出了两个膜片可以如何沿着侧边缘密封在一起。在图10(b)中，这通过使用胶带1020来完成，但是可附加地或替代地使用环氧树脂或聚氨酯胶。在图10(b)中，第二部分(高渗透性条带)1006横向于膜片结合的边缘延伸。在图10(c)中，膜片在与第二部分(高渗透性条带)相对的边缘处结合。在美国专利8,661,648中描述了将膜片层压在一起以用于膜模块的示例性方法。最后，也可能切割膜片并且将其沿着纵向轴线1010折叠，如图10(d)所示。第二部分(高渗透性区域)1006沿着横向于纵向轴线的方向与折叠部1021间隔开。特别地，第二部分1006与折叠部1021相对。在由该折叠部限定的空间内或在密封膜片之间的空间内设置进料隔片1040，以便提供沿着膜片1000的主表面的流体路径。膜片可以围绕进料隔片1040折叠，使得膜片1000设置在进料隔片1040的任一侧上。
图11示出了多个膜片1100可通过沿着其纵向轴线1120切割矩形膜片且然后沿着横向方向1130折叠膜片而组装在一起。折叠部1121然后优选地垂直于第二部分(膜的高渗透性区域)1106。进料隔片1140设置在由折叠部限定的空间内，以便提供沿着膜片1100的主表面的流体路径。
当膜片1000、1100围绕进料隔片1040、1140折叠时，这可以被认为形成一对膜片，其中每个膜片的第一主表面与进料隔片相邻。换句话说，每个膜片的第一主表面彼此面对，并且由其间的进料隔片1040、1140间隔开。这对膜片可以被认为是膜封套(envelope)。
膜片1000、1100被组装成模块，通常是如图16和图17所示的螺旋卷绕模块或板框模块。这些模块在气体分离和渗透蒸发应用中广泛使用。螺旋卷绕模块通常包含在圆柱形压力容器中。在已知的模块中，包围用于渗透流体的流体路径的整个膜片1000、1100将由相同的选择性膜制成。在我们的发明中，膜片1000、1100的一部分(第二部分1006、1106)具有比膜片的其余部分高得多的平均渗透性。第二部分1006、1106还将具有更低的选择性。由于其更高的渗透性和更低的选择性，通过流体渗透膜片的第二部分1006、1106，在渗透流体的流动路径中产生吹扫效应。
膜模块的构造
在图13(a)和图13(b)中示出了根据第一实施方式的膜片1300的构造、以及用于进料流体和残留流体的流动路径和用于渗透流体的流动路径。在图14(a)和图14(b)中示出了根据第二实施方式的膜片1400的构造、以及用于进料流体和残留流体的流动路径和用于渗透流体的流动路径。具有图13所示构造的膜片可结合到横流螺旋卷绕模块或板框模块中。具有图14所示构造的膜片可结合到板框模块中。对于每个膜片1300、1400，膜片1300、1400的第二端1302、1402沿着第一方向1350、1450与第一端1301、1401间隔开。膜片1300、1400的第二侧1304、1404沿着第二方向与第一侧1303、1403间隔开，第二方向横向于第一方向1350、1450。用于渗透流体的第二部分的流动路径由用附图标记1307、1407标记的箭头表示。进料和残留流的流动路径由用附图标记1380、1480标记的箭头指示。在图13和图14所示的示例性构造中，沿着膜片1300、1400的第一主表面流动的进料流体沿着第一方向1350、1450遵循大致笔直的路径，第一方向在图中为从下至上。图13和图14中的构造中的渗透流是在横向于(更具体地垂直于)进料流体和残留流体的流动的方向上(即，在图中从右至左和/或从左至右)。渗透流体沿着与进料流体和残留流体相对的主表面流动。在图13和图14中，进料流体和残留流体沿着上主表面流动，并且渗透流体沿着下残留表面流动。
第二部分1306、1406具有比膜的其余部分(第一部分1305、1405)显著更高的对进料流体的主要组分的渗透性，并且优选地具有更低的选择性。图13(b)和图14(b)中的侧视图示出了由于存在高渗透性部分(第二部分1306、1406)而产生的渗透流体的流动模式。
在图13(a)所示的构造中，第二部分1306(膜片的高渗透性区域)沿着第二侧1304的外边缘延伸，并且形成为条带。特别地，第二部分1306沿着由第二侧1304形成的整个外边缘延伸，使得其在第一方向1350上的轴向范围与膜片1300在第一方向1350上的长度相同。
渗透流体的第二部分(其是由通过第二部分1306渗透的进料流体产生的渗透流体的一部分)根据箭头1307朝向第一侧流动。渗透流体1307的第二部分具有比穿过膜片1300的第一部分1305的分离产生的渗透流体的相邻部分更低浓度的渗透次要组分。渗透流体1307的第二部分与渗透流体的用箭头1360标记的相邻部分混合，导致稀释了用箭头1360标记的渗透流体中的次要组分的浓度，并且因此增加了用于渗透的驱动力。所产生的混合流体对渗透流体1361和1362的更靠近第一侧的部分具有相同的稀释效果，因此也导致在膜的此区域中用于渗透的驱动力的增加。驱动力的这种增加的总体结果是，总渗透1363显著大于没有吹扫效应的渗透。在以下实例中，我们将示出，这种吹扫效应影响可以使通过膜片1300的流体渗透增加多达2倍或更多。我们还将非常令人惊讶地示出，吹扫效应可增加渗透纯度。
在图14所示的第二实施方式中，第二部分形成为沿着第一方向延伸并且位于第一侧和第二侧之间的条带。第二部分具有沿着第一方向在第一端和第二端之间延伸的长度。在这种布置中，第二部分可选地在第一侧和第二侧之间等距。
渗透流体的第二部分(其是由通过第二部分1406渗透的进料流体产生的渗透流体的一部分)根据箭头1407朝向第一侧1403和第二侧1404流动(即，渗透流体1407的第二部分的一部分朝向第一侧1403流动，并且渗透流体1407的第二部分的第二部分朝向第二侧1404流动)。通常大约一半的渗透流体流向左侧，并且另一半流向右侧。渗透流体1407的第二部分具有比通过穿过膜片1400的第一部分1405分离而产生的渗透流体的相邻部分更低浓度的渗透次要组分。渗透流体的第二部分1407与用箭头1462标记的渗透流体的相邻部分混合，导致用箭头1462标记的渗透流体中的次要组分的浓度的稀释，并且因此增加了用于渗透的驱动力。所产生的混合流体对渗透流体1462的远离第二部分1406的部分具有相同的稀释效果，因此也导致在膜的此区域中用于渗透的驱动力的增加。如上文关于图13所讨论的，驱动力的这种增加的总体结果是总渗透比没有吹扫效应的情况大得多。
导管(图中未示出)将与膜片的第一侧1303、1403相邻并且流体连通。导管1409包括配置为接收渗透流体的开口/孔。导管中的开口/孔的轴向范围与第二部分1306、1406在第一方向1350、1450上的轴向范围相同。导管将沿着第二方向与第二部分1306间隔开/相对。
图15(a)是形成为板框模块的本发明的横流膜模块1的透视图。图15(b)是模块1的膜片1500的平面图。模块1包括壳体10。壳体10包括沿着第一方向与第二端12间隔开的第一端11。壳体10包括沿着横向于第一方向1550的第二方向与第二侧14间隔开的第一侧13。模块1包括以堆叠构造布置的多个膜片1500、进料隔片1540和渗透隔片1560。相邻膜片1500之间的每个空间由进料隔片1540或渗透隔片1560限定。膜片1500以交替取向布置，使得每个膜片1500的第一主表面与进料隔片1540接触，并且每个膜片1500的第二主表面与渗透隔片1560接触。进料隔片1540和渗透隔片1560限定了用于流体在每个膜片1500之间流动的路径。膜片1500可以是本申请中讨论的那些膜片中的任何膜片，特别是图14(b)至图14(e)所示的构造。膜片1500可以围绕进料隔片1540折叠以形成多对膜片，其中，对于每对膜片，第一主表面由其间的进料隔片1540分开。进料隔片1540的任一侧的第一主表面可以沿着其第二侧1504密封，以便限定沿着第一主表面通过进料隔片1540的流体路径。
渗透隔片1560邻近每个膜片1500的第二主表面设置。渗透隔片1560将围绕进料隔片1540折叠的每对膜片1500与随后的一对膜片1500分开。每个膜片1500的第二主表面(渗透侧)可以沿着其第二侧1504、第一端1501和第二端1502密封，以便限定沿着第二主表面穿过渗透隔片1560到导管1509的流体路径。该密封可以用例如胶带、密封流体、热密封、O形环或密封层来实现。第二主表面的第一侧1503是敞开的(即，未密封的)以与导管1509流体连接。
在图15(a)所示的布置中，进料隔片1540和渗透隔片1560是波纹状的。波纹状进料隔片1540布置成使得脊部的纵向方向平行于第一方向延伸。脊部限定流动路径，从而沿着第一方向引导流动。波纹状渗透隔片1560布置成使得脊部的纵向方向平行于第二方向延伸。脊部限定流动路径，从而沿着第二方向引导流动。
膜片1500围绕进料隔片1540折叠的布置可以被认为是膜封套(envelope)。可以产生一系列的膜封套，并且然后一个层叠在另一个的顶部上，与渗透隔片1560交错。多达50至100个膜封套可以包含在壳体10内。
壳体10的第一端11处设置有入口15，并且壳体10的第二端12处设置有出口16。入口15与每个膜片1500的第一主表面(进料侧)的第一端1501流体连通。出口16与每个膜片1600的第一主表面(进料侧)的第二端1602流体连通。可以使用管道来实现入口15和出口16与每个膜片1500的第一主表面之间的流体连通。在此图中没有示出管道以允许看到由进料隔片1540和渗透隔片1560限定的流体路径的内部构造。
整个布置具有大书的一般形式。在图15(a)所示的实施方式中，导管1509、入口15和出口16定位在壳体的外表面上，其中入口15位于第一端11近侧，出口位于第二端12近侧，并且导管位于第一侧近侧。导管在第一端11和第二端12之间等距地间隔开。这通常被认为是三端口模块。
在使用中，进料流体沿着第一方向1550经由由相邻膜片1500之间的进料隔片1540限定的流体路径(即，通过进料隔片1540)沿着膜片1500的一个主表面从入口15朝向出口16通过。进料流体的一部分渗透通过相应的膜片1500，并且被称为渗透流体。渗透流体沿着与进料流体相对的主表面(即，第二主表面)移动。渗透流体的第一部分由通过膜片1500的第一部分1505的进料流体产生，并且渗透流体的第二部分由通过膜片1500的第二部分1506的进料流体产生。第二部分1506具有比第一部分1505更大的对主要组分的渗透性，并且因此渗透流体的第二部分具有更高浓度的主要组分。第二部分朝向第一端11移动。因此第二部分稀释了渗透流体的第一部分内的次要组分的浓度(即，吹扫效应)，从而增加了用于穿过膜片1500分离的驱动力。导管1509与膜的第一侧1503相邻。每个膜片1500的第二主表面的第一侧1503是膜片1500的邻近导管1509的敞开边缘。换句话说，每个膜片的第二主表面的第一侧1503不密封。每个膜片的第二主表面的第一端和第二端可以密封，例如用胶带或密封流体密封。导管1509经由孔/开口接收渗透流体并且从模块1输出渗透流体。
如图15(b)所示，膜片1500可以配置为使得第二部分1506沿着由第二侧形成的外边缘延伸。第二部分1506沿着第二方向与第一侧间隔开。第二部分1506在第二侧的整个长度上延伸。第二部分1506形成为其长度沿着第一方向延伸的条带。
图16(a)和图16(b)是根据本发明形成的板框模块2的简化透视图。图16(a)(i)和图16(b)(i)是图16(a)和图16(b)的模块的一段的平面图，以示出其中的一个膜片1600的构造。在图16(a)和图16(b)所示的模块中，多个膜片1600堆叠在彼此的顶部上，其间具有进料隔片1640和渗透隔片1660。特别地，进料隔片1640可以放置在膜的折叠部内，使得膜片1600在折叠部的任一侧上，如关于图12和图13讨论的。壳体20内可以包含多达50至100对其间具有进料隔片1640的膜片1600。进料隔片1640和渗透隔片1660的构造如图15所述。
在图16(a)和图16(b)中，壳体20形成为圆柱体。壳体具有沿着第一方向1650与其第一端21间隔开的其第二端22和沿着横向于第一方向的第二方向与其第一侧23间隔开的其第二侧24。壳体20的第一端21设置有入口25，并且壳体20的第二端22设置有出口26。入口25与每个膜片1600的第一端1601流体连通。出口26与每个膜片1500的第二端1602流体连通。
在图16(a)所示的实施方式中，如图16(a)(i)所示，其中的膜片如图13所示构造，这已经在上面讨论过。如上所述，膜片1600各自具有沿着由膜片1600的第二侧1604形成的外边缘延伸的第二部分1606。壳体20的第一侧23处设置有导管1609。导管1609与每个膜片600的第一侧1603相邻。导管1609具有用于接收渗透流体的开口/孔。
在图16(a)所示的实施方式中，每个膜片1600的第一主表面将沿着其第一侧1603和第二侧1604密封，以限定从入口25沿着第一主表面通过进料隔片(未示出)到出口26的流体路径。每个膜片1600的第二主表面将沿着其第一端1601、第二端1602和第二侧1604密封，以限定沿着第二主表面通过渗透隔片(未示出)到导管1609的流体路径。第二主表面的第一侧1603是敞开的(即，未密封的)以与导管1509流体地连接。
在图16(b)所示的实施方式中，如图16(a)(i)所示，其中的膜片如图13所示构造，这已经在上面讨论过。如上所述，膜片1600各自具有与第一侧1603和第二侧1604两者间隔开的第二部分1606。第二部分1606形成为在膜片的第一端1601和第二端1602之间沿着第一方向延伸的条带。第二部分1606在第一侧1603和第二侧1604之间大约等距地间隔开。
在此实施方式中，具有两个导管。第一导管1609设置在壳体20的第一侧1603上，并且第二导管1609'设置在壳体24的第二侧上，使得第一导管1609和第二导管1609'沿着第二方向间隔开。第一导管1609与膜片1600的第一侧1603相邻并且流体连通，第二导管1609'与膜片1600的第二侧1604相邻并且流体连通。第一导管1609和第二导管1609'两者具有用于接收渗透流体的开口/孔。
在图16(b)所示的实施方式中，每个膜片1600的第一主表面将沿着其第一侧1603和第二侧1604密封，以限定从入口25沿着第一主表面通过进料隔片(未示出)到出口26的流体路径。每个膜片1600的第二主表面将沿着其第一端1601和第二端1602密封，以限定沿着第二主表面通过渗透隔片(未示出)到第一导管1609和第二导管1609'的流体路径。第二主表面的第一侧1603和第二侧1604是敞开的(即，未密封的)，以分别与第一导管1609和第二导管1609'流体连接。
对于图16(b)所示的实施方式，在使用中，进料流体沿着膜片1600的第一主表面从入口25经由由相邻膜片1600之间的进料隔片(未示出)限定的流体路径沿着第一方向1650朝向出口26通过。每个膜片1600的第一主表面的第一侧1603和第二侧1604被密封，以流体地密封用于进料流体和残留流体沿着第一主表面的流体路径。进料流体的一部分渗透通过相应的膜片1600，并且被称为渗透流体。渗透流体沿着膜片1600的第二主表面(即，膜片1600的与进料流体和残留流体沿着其流动的主表面相对的主表面)移动。渗透流体的第一部分由通过膜片的第一部分1605的进料流体产生，并且渗透流体的第二部分由通过膜片1600的第二部分1606的进料流体产生。第二部分1606具有比第一部分1605更大的对主要组分的渗透性，因此渗透流体的第二部分具有更高浓度的主要组分。渗透流体的第二部分的大约一半朝向第一侧23移动，并且渗透流体的第二部分的另一半如箭头1607所示地朝向第二侧24移动。因此，渗透流体的第二部分稀释了渗透流体的第一部分内的次要组分的浓度(即，吹扫效应)，从而增加了用于穿过膜片1600分离的驱动力。如上所述，每个膜片1600的第二主表面的第一侧1603和第二侧1604是敞开的，使得膜片1600的第二主表面的第一侧1603和第二侧1604与导管1609流体连通。每个膜片1600的第二主表面的第一端1601和第二端1602可以用胶带或粘合剂密封以密封到由渗透隔片(未示出)限定的用于渗透流体的流体路径。导管1609、1609'接收渗透流体并且从模块2输出渗透流体。
图17(a)至图17(d)描绘了形成为螺旋卷绕模块的本发明的横流膜模块。图17(a)和图17(b)是模块3的分解图。这种模块对于气体分离和渗透蒸发应用是非常有用的。在这种布置中，虽然由于分解图而未示出，但是膜片1700将围绕导管1709卷绕以限定垂直于第一方向的螺旋。然而，在此分解图中，示出了处于展开状态的膜片1700。由于在每个膜片1700之间存在进料隔片1740和渗透隔片1760，所以在其间存在用于流体流动的空间。膜片1700可以在进料隔片1740上方折叠以形成一对膜片，其中每个膜片的第一主表面邻近进料隔片1740。换句话说，每个膜片的第一主表面彼此面对并且由其间的进料隔片1740间隔开。这对膜片可以通过渗透隔片1760与相邻的成对膜片分开，其中每个渗透隔片1760与膜片1700的第二主表面相邻。每个膜片的第一主表面可以沿着其第一侧1703和第二侧1704密封，以限定用于进料流体和残留流体沿着第一主表面的流体路径。在这种布置中，沿着第一侧1703的密封由这对膜片1700中的每个的第一侧1703之间的折叠部提供。每个膜片1700的第二主表面可以沿着其第一端1701、第二端1702和第二侧1704密封，以限定沿着第二主表面的渗透流体的流体路径。图17(b)与图17(a)的不同之处在于存在更多的膜片1700、进料隔片1740和渗透隔片1760。进料隔片1740配置为在第一方向上引导流体流。渗透隔片1760配置为在第二方向上引导流体流。通过形成在不同方向上具有不同渗透性的材料的隔片，实现了隔片的流体流动方向。这种渗透性的差异是通过在用于形成隔片的材料中编织纤维来实现的。进料隔片定向成使得高渗透性方向(即，低流阻)平行于第一方向。渗透隔片定向成使得高渗透性区域(即，低流阻)平行于第二方向。
导管1709是沿着第一方向1750延伸的中心管。中心管1709包括圆柱形表面1770以及在其间限定内腔的第一终端1771和第二终端1772。中心管包括在圆柱形表面中的开口1773。开口配置为接收与进料流体分离的渗透流体。开口与膜片1700的第一侧1703流体连通。开口1773与膜片的第二部分1706对准。
导管1709还包括配置为输出由一个或多个开口接收的渗透流体的出口1774，其中，出口位于中心管1771、1772的第一终端或第二终端中。出口可选地在图17中示出为在中心管1771的第一终端处。
导管1709中的开口/孔1773沿着第一方向1750间隔开。导管1709中的开口/孔1773的轴向范围与膜片1700的第二部分1706的轴向范围重叠。特别地，导管中的开口/孔1773的轴向范围与膜片1700的第二部分1706的轴向范围相同。开口/孔1773的轴向范围和第二部分1706的轴向范围可以与膜片1700在第一方向1750上的长度相同。通常，导管1709在导管1709的整个轴向范围上具有开口，其在第一方向1750上延伸膜片1700的长度。
第二部分1706形成为条带。第二部分1706与第一侧1703间隔开。第二部分1706沿着由膜片的第二侧1704形成的整个外边缘延伸。换句话说，第二部分1706沿着第二方向与导管1709相对。
图17(c)示出了配置为螺旋卷绕模块的本发明的横流膜模块3的部分卷绕形式。图17(d)示出了配置为螺旋卷绕模块的本发明的横流膜模块3的卷绕形式的横截面。壳体未示出。导管1709是沿着第一方向1750延伸的中心管。膜片1700围绕中心管1709卷绕以便限定垂直于第一方向1750的螺旋，使得一个或多个膜片的第一侧1703比第二侧1704更靠近中心管1709。
在使用中(即，其中膜片1700围绕导管/中心管1709卷绕以形成螺旋)，进料流体在第一端1701处进入模块3，并且沿着第一主表面(即，在由膜片1700之间的进料隔片1740限定的空间内)从第一端1701到达第二端1702，如虚线箭头200所示。进料流体穿过每个膜片1700分离，并且通过膜片1700的部分是渗透流体。渗透流体沿着每个膜片1700的第二主表面(即，在由渗透隔片1760限定的空间内)移动，该第二主表面与膜片1700的第一主表面相对。渗透流体的运动方向在图17(c)中由箭头220示出。残留流体沿着每个膜片1700的第一主表面通过，因此遵循与箭头200相同的路径。换句话说，残留流体沿着与进料流体相同的主表面通过，并且渗透流体沿着相对的主表面通过。如箭头220所示，渗透流体的第二部分的流动是从第二侧1704上的第二部分到第一侧1703上的导管1709中的开口/孔1773，因此是在从第二侧1702到第一侧1703的方向上(即，渗透流体的流动横向于进料流体和残留流体的流动)(即，横向于第一方向1750)。因此，渗透流体的第二部分稀释了渗透流体的第一部分。此稀释增加了用于穿过膜片1700分离的驱动力。在图17(c)中，膜片的一部分已经被隐藏而看不到，以指示下面的进料隔片1740。如此图所示，进料隔片1740和渗透隔片1760具有与膜片1700大约相同的长度和宽度。
在图17(d)中示出了从第一端1701观察的螺旋卷绕横流模块的剖视图。如可从此图中看到的，进料隔片1740提供了限定用于进料流体和残留流体沿着膜片1700的第一主表面移动的流体路径的空间。渗透隔片1760提供了限定用于渗透流体沿着膜片1700的第二主表面移动的流体路径的空间。换句话说，进料流体和残留流体流过进料隔片1740，并且渗透流体流过渗透隔片1760。箭头指示渗透流体沿着膜片并螺旋地向内朝向和进入中心管/导管1709移动。
图17(a)示出了围绕进料隔片1740包裹的膜片1700。围绕隔片1740包裹的膜片1700可以被认为是膜封套。在工业螺旋卷绕模块中，如图17(b)所示，使用许多膜封套。在生产过程中，使导管1709旋转以围绕导管1709卷绕膜片1700，并且当其旋转时，密封剂(例如环氧胶)沿着膜片1700的第二主表面的第一端1701和第二端1702施加。一旦膜片1700已经围绕导管1709卷绕，密封剂就也沿着膜片1700的第一主表面和第二主表面的第二侧1704施加。密封剂形成密封，该密封将用于进料流体的流动路径与用于渗透流体的流动路径沿着膜片1700的表面分开。密封剂也可以施加到渗透隔片1760的第一端和第二端以及进料隔片1740和渗透隔片1760的第二侧。如图17(b)中最佳示出的，形成螺旋卷绕模块的外层(在图17(b)中的叠层的底层中示出)的渗透隔片1760在第一方向上比其他渗透隔片1760和进料隔片1740长，并且附接到导管1709。当导管1709旋转时，膜片1700、渗透隔片1740和1760围绕导管1709卷绕。形成螺旋卷绕模块的内层(在图17(b)中的叠层的顶部上示出)的渗透隔片1760被密封到形成外层的渗透隔片1760。
用于说明本发明的实例
下面给出了许多实例，以说明本发明在各种工艺中的应用。这些计算是通过使用微分元素计算机程序来进行的。
实例1.渗透横流吹扫流对膜性能的影响
图18(b)示出了用如图18(a)所示构造的1m2的膜片1800所获得的计算性能，该膜片与上述图13所示的相同。膜片1800具有沿着第一方向1850间隔开的第一端1801和第二端1802以及沿着横向于第一方向1850的第二方向间隔开的第一侧1803和第二侧1804。第二部分1806由选择性膜形成，但是具有比第一部分1805更高的对主要组分的渗透性。第二部分1806沿着由第二侧1804形成的外边缘延伸。第二部分1806是其长度在第一方向1850上延伸的条带。膜片1800的其余部分是由选择性膜形成的第一部分1805，该选择性膜具有比第二部分1806更低的对主要组分的渗透性。进料流体的流动是沿着第一方向1850从第一端1801到第二端1802。渗透流体的流动是沿着第二方向(即，横向于、具体地垂直于进料流体的流动)。进料流体和残留流体沿着第一主表面流动。渗透流体沿着与第一主表面相对的第二主表面流动。
第二部分是由硅橡胶(PDMS)制成的薄膜，其中CO2渗透性为4800gpu，并且N2渗透性为600gpu，CO2/N2选择性为8。第一部分是由迈特尔膜技术有限公司(Membrane Technologyand Research，Inc.)(MTR)制造的Polaris CO2/N2选择性膜，其中CO2渗透性为1800gpu，并且N2渗透性为60gpu(CO2/N2选择性为30)。在此实例中，第二部分1806(高渗透性条带)的N2渗透性比第一部分1805(膜片的其余部分)的N2渗透性大10倍。
这些计算使用该工艺的微分元素计算机模拟来执行。
在这组实例中，膜片1800的第二部分1806的面积从0变化到30％。计算性能在下表1中示出。当第二部分的面积设定为零时，膜表现为具有1.0m2面积的简单的Polaris横流模块。如果此横流模块的进料流速设定在0.76scfm，则膜将产生包含6.0％CO2的处理过的残留气体，并且渗透气体包含38.8％CO2。
表1.高渗透性吹扫膜的膜面积的变化
上表1所示实例的数据在图18中示出。具有菱形点的上部线指示渗透CO2浓度随这第二部分1806的面积的变化。具有正方形点的下部线指示进料流速随着第二部分1806的面积的变化。预期当第二部分的面积从0％增加时，渗透CO2浓度将减小。然而，当第二部分1806的面积在膜片1800的总面积的1％至14％之间时，渗透CO2浓度令人惊讶地实际上大于没有第二部分1806(即没有吹扫效应)的情况。因此，通过提供面积在膜片1800的总面积的1％至14％之间的第二部分1806，膜片的性能令人惊讶地改进。当第二部分1806大约为膜片1800的总面积的4％时，实现了由于吹扫效应而导致的膜性能的最大改进。
当第二部分1806为膜片1800的总面积的4％时，进料气体的流速可增加几乎50％至1.13scfm，并且渗透CO2浓度也从38.8％CO2增加到40.9％。膜片在处理过的残留气体中仍然产生6％CO2。
当第二部分1806的面积是膜片1800的总面积的14％时，进料气体的流速可增加到大约1.7scfm，其大于没有第二部分1806(即，没有吹扫效应)的膜片的进料气体的流速的两倍，并且渗透CO2浓度仍然保持在38.8％。膜片在处理过的气体中仍然产生6％CO2。
当第二部分1806的面积增加到膜片1800的总面积的30％时，进料气体的流速可增加到大约2.24scfm，其几乎是没有第二部分1806(即，没有吹扫效应)的膜片的进料气体的流速的三倍，并且渗透CO2浓度在34.53％时仍然足够。膜片在处理过的气体中仍然产生6％CO2。
因此，通过提供产生吹扫效应的第二部分1806，具有相同渗透浓度的工艺可在大于两倍的流速下运行。这意味着膜片的总面积可减小到小于一半。因此，增加流速是期望的，因为这提供了更有效的膜模块，其进而允许使用更小的膜片，同时实现相同/相似的分离。
因此，图18示出了本发明的横流吹扫模块的特性特征，其不同于逆流吹扫模块。在逆流吹扫模块中，通过改变用于渗透的驱动力，吹扫的使用可使膜通量显著增加，但是最终渗透中的渗透组分的浓度总是减小。工艺开发者通过平衡膜通量的改进与渗透浓度的减小来选择所需的吹扫的量。相反，在我们的发明中，当使用吹扫时，存在渗透浓度的初始增加，以及渗透通量的增加。实际上，在此横流模块中，当第二部分的面积在总面积的1％至14％之间时，渗透组分的浓度增加。如果吹扫的流量增加，则通量继续增加，并且渗透浓度增加，然后达到平稳，最后开始下降。在第二部分的面积为总面积的0％的点和第二部分的面积为总面积的14％的点(即，吹扫为零(100％横流的情况)的点和吹扫足够大以使渗透浓度回到100％横流渗透CO2浓度值的点)之间的区域，是吹扫流的优选操作区域。在所有点处，在此区域中，吹扫效应将次要组分的通量和渗透浓度两者提高到高于没有吹扫效应的简单横流模块的通量和渗透浓度。在此操作区域中，在逆流吹扫操作的情况下发生的膜通量和渗透浓度之间的折衷不发生。
如果第二部分的面积增加到总面积的12％，则流速可增加到甚至更大到1.58scfm，大于初始气体流量的两倍，同时膜仍然在处理过的气体中产生6％CO2，并且渗透CO2浓度仍然超过没有进行吹扫而获得的值。这些结果示出了通过使用内部渗透吹扫带来的分离性能的非常显著的改进。
实例2
上述实例1中的内部渗透吹扫效应是由第二部分产生的，该第二部分由CO2/N2渗透为大约8的PDMS膜形成。本发明不限于用于第二部分的膜类型。膜片的第二部分所需的关键性质是，其具有比膜片的第一部分(主要部分)更低的选择性和更高的对进料气体混合物的渗透性，以便从相对小的吹扫膜区域(吹扫膜区域是第二部分的区域)产生高通量的气体。如果第二部分也是选择性地用于正在执行的分离，则这是有益的，但不是必需的。
表2示出了与实例1相同的膜构造的计算性能，但是不同之处在于第二部分1806的面积固定为总膜面积的12％。第二部分1806(吹扫区域)的N2渗透性再次固定为实例1的值中的第一部分1805(主要区域)的10倍，但是改变第二部分1806的CO2渗透性以改变第二部分1806的膜选择性。表2中的第一行计算示出了当膜片1800的第二部分1806具有PDMS性质、4800gpu的CO2渗透性和8的CO2/N2选择性时的膜性能。其他行示出了将第二部分的CO2/N2选择性从8减小至选择性为1的完全非选择性膜的影响。减小第二部分的选择性确实减小了渗透气体中的CO2浓度并且减小了吹扫对模块可分离的气体体积的影响，但是所获得的总体结果仍然非常好。
表2.高渗透性吹扫膜的选择性的变化
在图19中示出了上表2所示实例的CO2浓度对膜模块通量相对于无吹扫效应的100％横流模块的图，轴线上的标记点示出了无第二部分(即无吹扫区域)的100％横流模块的性能。此模块产生具有38.8％CO2浓度的渗透。对于CO2/N2选择性为8、4、2和1的膜，绘制膜通量和CO2渗透浓度的变化。以浓度选择性8标记的情况与表2所示的浓度曲线相同。其他曲线示出了不同选择性下的渗透浓度。图中所示的四个点是表2所示计算的数据点，其中第二部分的面积固定在总面积的12％。
如图18所示，图19示出了渗透浓度最初随着增加的吹扫流量而增加，并且然后下降。这种意想不到的结果是由横流模块中的吹扫产生的，因此，图19中标记为A的区域代表最优选的性能区域。在该此域中，膜通量比100％横流数据高多达两倍，但是CO2浓度高于横流无吹扫模块的浓度。
实例3
可改变的另一性能变量是膜片1800上的压力比。在实例1和2中，压力比设定为5.5(1.1巴/0.2巴)，并且所使用的膜是MTR的Polaris膜，其选择性为30。在这些计算的条件下，Polaris膜在整个模块中处于压力比受限的受控区域中。在没有吹扫效应的情况下，在模块的进料端处的最大渗透浓度由方程5给出为66％CO2(12％CO2×1.1巴/0.2巴)和在渗透端处33％CO2(6％CO2×1.1巴/0.2巴)。当渗透压力减小至0.1巴时，模块的第一端1801在压力比区域之外，并且当CO2进料气体流过模块并且CO2被去除且气体中CO2的浓度下降时，模块从压力比区域的外部过渡到内部。在模块的第二端处，气体处于压力比受控区域中(6％CO2×1.1巴/0.1巴)。
当渗透压力减小至0.05巴时，压力比为22，并且膜模块在整个模块中处于压力比区域之外。表3示出了这些压力比的变化对所有具有相同第二部分的膜性能的影响，第二部分的面积是膜片总面积的12％。随着压力比增加，模块进一步远离压力比受控区域，并且由吹扫产生的通量的增加变得更小。然而，即使在22的压力比下，当整个模块在压力比受控区域之外时，也获得通过膜片的通量的有用增加。
表3.进料/渗透压力比的变化
实例4
在上述实例1至3中，已经使用对CO2/N2具有选择性的膜对本发明进行了说明，但是本发明可应用于各种气体分离和渗透蒸发问题。例如，表4示出了对膜工艺执行的一些计算，以从天然气中分离氦气。许多天然气物流包含少量的氦气。分离气体是值得的，因为氦气供应不足并且相当有价值。通常使用低温冷凝和分馏。如果氦气浓度可增加，并且因此膜分离单元用作氦气预浓缩器，则这些工艺的成本可显著降低。
表4示出了典型的分离问题。天然气(主要是甲烷)处于高压并且包含1％的氦气。已知许多膜具有在100范围内的高氦气/甲烷选择性。分离的目的是将90％的氦气去除到压力比为25的低压(4巴)渗透流中。整个模块舒适地处于压力比受限区域内。膜具有氦气渗透性为1000gpu且甲烷渗透性为100gpu的第二部分(吹扫区域)。在此实例中，第二部分的CH4渗透性是第一部分的渗透性的20倍。
表4中的第一行示出了没有第二部分(即，没有吹扫区域)的简单横流模块的性能。渗透包含7.95％氦气，并且1m2模块可处理7.3scfm的进料气体。使用渗透吹扫的效果是显著的。渗透氦气浓度增加20％，从8.0％氦气增加至9.7％，并且更重要的是，该相同的1m2膜模块可处理多得多的气体。
表4.从天然气中去除氦气
实例5
本发明提供有用结果的另一实例是在天然气加工厂中将轻质烃与甲烷分离，或者在石油化工厂中将轻质烃与氮气分离。表5说明了典型的应用，在此情况下是在聚烯烃厂中将丁烷与氮气分离。进料气体是在20巴下氮气中的5％丁烷。渗透气体是在3巴下。在此实验的条件下，整个膜模块处于压力比受限区域中。通常用于这种分离的橡胶膜通常具有大约15的丁烷/氮气选择性，所使用的膜片的第二部分(吹扫区域)具有8的丁烷/氮气选择性和125gpu的氮气渗透性，因此第二部分对氮气的渗透性仅比第一部分的渗透性大2倍。这些类型的设备的设计者将根据其工艺要求来选择最佳的吹扫区域。
表5.从丁烷中去除氮气
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实例6
本发明产生有用结果的另一实例是渗透蒸发以使乙醇脱水，这是一种广泛用于生物乙醇生产的方法。模块的性能在表6中示出。进料是90wt％乙醇和10wt％H2O。第一部分具有2500gpu的水渗透性和500的选择性。第二部分具有50的选择性和5000gpu的H2O渗透性。第二部分的面积从0％(简单横流模块)增加到膜片总面积的10％。当吹扫面积低于大约5％至6％时，膜产生与简单横流情况(无吹扫)相同或更好的渗透，但是膜具有高达简单横流模块(即，无吹扫效应)的通量的两倍的通量。
表6.从湿生物乙醇中去除H2O
/>
虽然上述数据是关于图18(a)所示的构造，但是将理解，由此数据证明的优点同样适用于本文所述的本发明的膜片的其他构造。
从以上内容将显而易见的，该工艺可应用于许多渗透蒸发和气体分离应用。作为实例，在下面的表7中列出了这些中的一些。
表7
用于理解本发明的信息
在图1中示出了目前已知的三种一般的膜模块构造。在所示的设计中，进料流体沿着膜表面从左向右流动。进料流体的一部分渗透通过膜，形成渗透流体。当流体移动到出口时，该构造在渗透流体相对于进料流体的流动方向上不同。在逆流模块中，渗透流体与膜的另一侧上的进料流体的流动相反地从右向左流动。在横流模块中，渗透流体与进料流体流成直角地流动。在同流模块中，渗透流体在与进料流体相同的方向上流动。
通常，当使用相同的膜时，对于以下顺序的三种构造，获得的分离和执行分离所需的膜面积是不同的；逆流优于横流优于同流。在许多应用中，对于三种不同的模块设计，用相同的膜获得的分离性能小，但是在其他应用中，特别是当膜分离是压力比受限时，如下所述，差异是显著的。此结果表明逆流模块是优选的模块构造。然而，逆流模块在机械上比横流模块更难制造。针对此问题的各种工作已经描述了，但是没有广泛采用，因此横流模块在许多(可能是大多数)气体分离和渗透蒸发应用中使用。很少使用同流模块。在许多膜教科书中讨论了这些问题，例如Baker，R.W.，膜技术和应用，第3版，(2012)，John Wiley父子的第3章，第4章，第8章和第9章。
在以下讨论中，为了简单起见，我们将通过使用气体渗透实例在很大程度上说明本发明。然而，本发明的改进模块同样可应用于渗透蒸发，如我们将在后面示出的。
图1所示的三个模块构造的分离性能的差异是驱动力问题。在膜的进料侧上的组分向膜的渗透侧的流动与每个组分穿过膜的分压驱动力的差异成比例。膜的进料侧上的分压是(摩尔浓度/>压力po)，并且膜的渗透侧上的分压是/>(摩尔浓度/>压力pl)。因此，分压驱动力由下式给出：
在没有所有其他效果的情况下，膜的渗透侧上的任何点处的摩尔浓度由渗透膜的气体的浓度确定。但是，取决于渗透通道中的气流构造，渗透气体浓度可通过与来自渗透通道的其他部分的气体混合而改变。
在图1所示的模块构造中，当气体从左向右通过模块时，最具渗透性组分的浓度降低。这意味着渗透膜的气体的最具渗透性组分的浓度也沿着膜从左向右降低。在逆流模块中，渗透气体从右向左的流动对渗透具有有益效果，因为与渗透气体混合的气体稀释了进入的渗透，减小了最具渗透性组分的浓度，因此增加了穿过膜的驱动力。在同流模块中，渗透气流具有相反的效果，并且当与进入的渗透混合时增加了渗透浓度。这降低了穿过膜渗透的驱动力，并且通量下降。在横流模块中，渗透气流具有与进入的渗透相同的浓度，并且混合不影响膜分离。
不同模块构造之间的差异的大小是几个因素的函数，包括膜选择性(αi/j)，即，组分i和j的渗透性的比率；
以及穿过膜的压力比写为：
以及膜的进料侧上的更具渗透性组分的摩尔浓度，
作为举例说明这些效果的实例，考虑图2所示的分离。在此实例中，当进料沿着膜从左向右移动时，仅有非常少量的可渗透气体CO2从进料移除。这意味着膜的渗透侧上的CO2的浓度在各处大约相同，并且逆流、横流和同流之间的差异非常小。如前所述，膜渗透仅在膜的渗透侧的分压小于进料时发生，即
/>
此不等式可重新排列为：
这示出了渗透组分(CO2)的富集总是小于压力比(进料压力/渗透压力)。还得出渗透组分(CO2)的浓度永远不会大于表达式：
对于图2中的实例，这意味着无论膜的选择性如何，都不能大于50％CO2(CO2并且/>)。此结果具有若干含义，首先至少一半的渗透必须是慢组分(N2)，并且正是慢组分的渗透决定了处理特定量的进料流体所需的膜面积。而且，随着膜的选择性增加，渗透相同量的CO2所需的膜面积的量增加。在无限选择性的极限内，没有慢组分渗透，因此需要无限的膜面积。
如果由方程5给出的最大渗透浓度小于100％，则认为膜工艺完全在压力比受限区域内。在此区域中，模块构造的影响通常是明显的。另外，如果膜选择性大于压力比，则该差异甚至更显著，并且如果膜选择性比压力比大两倍或三倍，则该差异将甚至更显著。当是这种情况时，在逆流膜模块、横流膜模块和同流膜模块之间产生显著差异。Huang等人在膜科学期刊(Journal of Membrane Science)，463，33(2014)中详细讨论了压力比及其对膜分离的影响的一些问题。
减轻上述压力比受限的一种方式是使用膜吹扫。在许多标准教科书和专利中描述了这些装置。图3示出了应用于逆流膜模块以改进模块性能的各种外部吹扫分离工艺的设计。首先考虑图3a所示的工艺。可以是气体或液体的进料流体(301)穿过选择性膜(306)的表面通过，而通常为进料流的2％至10％的吹扫流体(304)穿过膜的渗透侧通过。用于渗透的驱动力部分地由穿过膜的压力差产生，但也是由于由吹扫产生的浓度(分压)差。为了使此工艺有效，必须仔细控制吹扫流体(304)的流速。例如，在美国专利4,824,443；6,515,725；7,153,343和8,246,718中描述了采用这种类型的外部吹扫流体的工艺。
在图3b和图3c中示出了一种替代类型的被称为残留吹扫工艺的外部吹扫工艺。在图3b所示的气体分离模块的情况下，处理过的残留流体(318)的一部分穿过阀(320)膨胀，并且在残留端处被引入到模块(325)的渗透侧。分离的变化取决于有多少残留流体321用作吹扫。通常使用大约2％至10％的残留流体。吹扫流稀释了渗透流体并且增加了进料的渗透组分穿过膜的流动。虽然渗透浓度下降，但是通过膜的通量增加。图3c所示的渗透蒸发吹扫是类似的，除了在残留流(309)可用作吹扫之前必须通过蒸发器(313)蒸发该残留流之外。例如，在美国专利5,444,540和5,205,842中描述了采用这种类型的外部吹扫的工艺。
在图3d中示出了最后一种类型的偶尔使用的外部吹扫流体生成方法。例如，在美国专利5,383,956中已经描述了这种装置。在此装置中，图3b所示的控制阀(320)或图3c所示的控制阀(311)至蒸发器(313)被第二膜单元(320)代替。然后，将来自单元(322)的渗透流体运送到主分离模块(318)，以在模块的渗透侧上产生逆流吹扫效应。
图3所示的所有工艺设计都使用在模块外部生成的吹扫流体流。然后将流体输送到模块的残留端处的膜的渗透侧，以产生逆流吹扫效应。这种类型的布置的一个问题是需要管道和阀来将受控的流体流引入到模块中。
已经进行了许多尝试来克服外部吹扫装置的缺点。在图4和图5中，示出了在Stookey的美国专利4,687,578和Giglia等的美国专利6,740,140中进行的两种这样的尝试。图4所示的'578装置是逆流中空纤维模块装置，其中纤维的一端没有涂覆选择性膜层。在图4a中示出了一条纤维的放大图。大部分纤维涂覆有选择性层(401)，但是纤维(403)的端部部分没有被涂覆。纤维的此部分没有选择性，但是将比纤维的主要部分具有高得多的渗透性，因此在这里渗透的进料流体(409)可用作残留吹扫流体(409)的流。这样，产生残留吹扫流体的在内部生成的逆流。
在图5中示出了取自Giglia等人的美国专利6,740,140的类似装置，如同'578专利装置一样，基本模块是具有壳侧进料的逆流中空纤维模块。进料流体(502)在模块的一端进入，并且在中空纤维(505)之间的空间中从左向右流动。残留管延伸穿过模块，差一点到达模块(509)的右手端时终止。当进料流体在中空纤维之间流动时，一部分渗透纤维膜并且在纤维内部从左向右(与进料逆流)行进，通过渗透端口(503)离开。未渗透中空纤维膜的大部分进料流体通过残留收集管(512)中的孔被移除。残留收集管的端部用通过小孔口(511)穿孔的塞子密封。处理过的残留流体的一部分通过此孔口泄漏，然后可进入纤维(514)的开口端，从而产生期望的残留流体逆流吹扫效应。内部吹扫装置的使用限于'140和'578专利中所述类型的非逆流中空纤维装置。内部吹扫还没有应用于本申请中描述的类型的平板螺旋卷绕模块或板框模块。我们将表明，通过使用本申请中描述的设计，也可能在这些装置中获得在内部生成吹扫的优点。
在图6和图7中示出了两组具体实例，其示出了具有逆流模块的受控吹扫的有益效果。在图6的实例中，用横流模块、逆流模块和同流模块以及10％外部吹扫处理1000std m3/h的5巴下包含10％CO2的进料流体。压力比是5，因此整个膜模块处于压力比受限区域中。而且，膜具有30的CO2/N2选择性。这比压力比大6倍，因此逆流和吹扫预期具有显著的效果，并且情况正是如此。逆流模块需要小36％的膜面积来实现相同的CO2移除，并且产生比横流动模块显著更高浓度的渗透。使用具有从残留流体流的额外10％吹扫的逆流模块降低了渗透浓度，但是比横流模块产生了进行分离所需的面积的进一步18％的减小。
在图7的实例中，示出了多组相同的实例，不同之处在于进料压力设定为20巴，因此压力比是20。因此，虽然逆流和吹扫实例比横流模块结果更好，但是效果不太显著。这是因为在压力比为20且进料浓度为10％的情况下，进料端处的膜模块的一部分位于压力比受限区域之外。在压力比为20的模块的进料端处，方程5示出了渗透的最大理论值CO2为200％，因此模块的进料端完全在压力比受限区域之外。在模块的残留端处，进料流体浓度仅为1％CO2，因此由方程5给出的渗透的最大浓度为20％，并且因此模块的此部分处于压力比受限区域中。在模块中进料流体浓度为5％CO2时的点处，模块过渡到压力比受控区域中。因为模块仅部分地处于压力比受限区域中，所以逆流模块现在仅使用小11％的膜面积，并且渗透浓度仅稍微大于横流动结果。逆流吹扫模块也使用较小的面积，但是现在渗透CO2浓度低于横流结果。这是因为在此测试条件下，10％吹扫太大。将吹扫减小到5％产生更好的结果。进行分离所需的面积则是60m2，与简单逆流相比面积减小16％，并且渗透浓度为40.8％CO2，小于逆流实例，但是仍然比横流情况好。
可受益于吹扫操作的气体分离和渗透蒸发工艺通常使用横流模块，其在机械上更容易构建和操作，特别是对于形成为螺旋卷绕模块几何形状和板框模块几何形状的平片膜。
用螺旋卷绕模块或板框模块产生外部吹扫效应是可能的，但是需要对模块的结构进行重大的修改。如我们的发明中描述的内部吹扫工艺更容易应用并产生更好的结果。而且，使用外部吹扫方案的所有模块都需要良好控制吹扫流速以便可靠操作。用外部吹扫装置可实现这种精度水平的控制件不便宜，并且必须装配在将使用吹扫的每个模块上。在工业设施中，这可能是数十至数百个控制单元，并且即使一个单元的故障也可能导致流体从残留到渗透流的较大的不受控制的泄漏，从而影响整个设施的操作。
迄今为止描述的许多吹扫工艺的另一问题是，吹扫是通过使残留气体或液体从模块通过图3a和图3b所示的阀膨胀而产生的。此工艺基本上抛弃了额外的潜在分离步骤。如我们将示出的，更好的方法是将部分分离结合到吹扫生成工艺中。这是我们方法的创新之一。
第一组条款
本发明还可以通过以下第一组条款来描述：
条款1.一种横流膜模块，配置为将包括次要组分和主要组分的进料流体分离成渗透流体和残留流体，其中，残留流体具有比进料流体更低浓度的次要组分，并且渗透流体具有比进料流体更高浓度的次要组分，该模块包括：
壳体，具有第一端和第二端，其中，第二端沿着第一方向与第一端间隔开；
一个或多个膜片，在壳体的第一端和第二端之间延伸，其中，每个膜片包括第一端和第二端，其中，第二端沿着第一方向与第一端间隔开，其中，每个膜片包括在第一端和第二端之间延伸的第一侧和第二侧，其中，第一侧沿着第二方向与第二侧间隔开，其中，第二方向横向于第一方向，其中，每个膜片包括第一主表面和第二主表面，其中，第二主表面与第一主表面相对，其中，每个膜片配置为将进料流体分离成残留流体和渗透流体，
其中，膜模块配置为使得进料流体和残留流体在第一方向上沿着每个膜片的第一主表面流动，但是不沿着每个膜片的第二主表面流动，并且渗透流体沿着每个膜片的第二主表面流动，但是不沿着每个膜片的第一主表面流动；
膜模块还包括：
入口，位于壳体的第一端处，其中，入口与每个膜片的第一主表面的第一端流体连通，并且配置为输送进料流体，使得其沿着每个膜片的第一主表面流动；
出口，位于壳体的第二端处，其中，出口与每个膜片的第一主表面的第二端流体连通，并且配置为接收和输出与进料流体分离的残留流体；以及
导管，与膜片的第二主表面的第一侧相邻，其中，导管配置为接收和输出与进料流体分离的渗透流体；
其中，一个或多个膜片中的至少一个包括第一部分和第二部分，使得进料流体穿过第一部分的分离产生渗透流体的第一部分，并且穿过第二部分的分离产生渗透流体的第二部分，
其中，膜片的第二部分具有比第一部分更大的对主要组分的渗透性，使得渗透流体的第二部分具有比渗透流体的第一部分更高浓度的主要组分；
其中，第二部分沿着第二方向与膜片的第一侧间隔开，从而导致渗透气体的第二部分朝向膜片的第一侧流动，使得渗透气体的第二部分与渗透气体的第一部分混合，从而减小渗透流体的第一部分中的次要组分的浓度。
条款2.根据条款1所述的膜模块，其中，导管在第一方向上沿着第一侧的长度的至少50％、优选地至少70％、更优选地至少80％延伸。
条款3.根据条款1或条款2所述的膜模块，其中，导管与每个膜片的第一侧对准。
条款4.根据条款1所述的膜模块，其中，模块还包括第二导管，其中，第二导管与第二侧流体连通，其中，第二导管配置为接收和输出与进料流体分离的渗透流体，其中，第二部分沿着第一方向与第一侧和第二侧两者间隔开。
条款5.根据条款1至4中任一项所述的膜模块，其中，第二部分沿着第一方向在第一端和第二端之间延伸，优选地其中，第二部分形成为条带，更优选地其中，第二部分在第一侧和第二侧之间是等距的。
条款6.根据条款1至4中任一项所述的膜模块，其中，横流膜模块是螺旋卷绕的，
其中，导管是沿着第一方向延伸的中心管，
其中，一个或多个膜片围绕中心管卷绕，以便限定垂直于第一方向的螺旋，使得一个或多个膜片的第一侧比第二侧更靠近中心管，
其中，中心管包括圆柱形表面以及在其间限定内腔的第一终端和第二终端，
其中，中心管包括在圆柱形表面中的一个或多个开口，其中，一个或多个开口配置为接收与进料流体分离的渗透流体，其中，一个或多个开口与膜的第一侧流体连通，
其中，中心管还包括出口，该出口配置为输出由一个或多个开口接收的渗透流体，其中，出口位于中心管的第一终端或第二终端中。
条款7.根据条款6所述的膜模块，其中，一个或多个开口沿着第一方向彼此间隔开，优选地其中，一个或多个开口的轴向范围与第二部分在第一方向上的轴向范围重叠，更优选地其中，一个或多个开口与第一侧对准。
条款8.根据前述条款中任一项所述的膜模块，其中，一个或多个膜片的第二部分沿着一个或多个膜片的外边缘延伸。
条款9.根据条款8所述的膜模块，其中，第二部分沿着第二侧的至少一部分延伸，优选地其中，第二部分沿着由第二侧形成的整个边缘延伸。
条款10.根据前述条款中任一项所述的膜模块，其中，模块还包括：
一个或多个进料隔片，配置为将一个或多个膜片间隔开，其中，每个进料隔片用于限定用于进料流体和残留流体流到出口的流体路径；以及
一个或多个渗透隔片，配置为将一个或多个膜片间隔开，其中，每个渗透隔片用于限定渗透流体流到导管的流体路径。
条款11.根据条款10所述的膜模块，其中，一个或多个膜片中的第一膜片布置成使得进料隔片与第一膜片的第一主表面相邻，并且渗透隔片与第一膜片的第二主表面相邻。
条款12.根据条款10或条款11所述的膜模块，其中，膜片、一个或多个进料隔片以及一个或多个渗透隔片以堆叠构造布置，其中，相邻膜片之间的每个空间由进料隔片或渗透隔片限定，其中，膜片处于交替取向，使得每个膜片的第一主表面与进料隔片接触，并且每个膜片的第二主表面与渗透隔片接触。
条款13.根据条款10、条款11或条款12所述的膜模块，其中，由进料隔片间隔开的相邻膜片沿着其第一主表面的第一侧和第二侧密封以流体地密封用于进料流体和残留流体沿着第一主表面流动的流体路径，其中，由渗透隔片间隔开的相邻膜片沿着其第二主表面的第一端和第二端密封以流体地密封用于渗透流体沿着第二主表面的流体路径，优选地其中，由渗透隔片间隔开的相邻膜片也沿着其第二主表面的第二侧密封。
条款14.根据条款10至13中任一项所述的膜模块，其中，每个进料隔片配置为引导流体沿着第一方向流动，并且每个渗透隔片配置为引导流体沿着第二方向流动。
条款15.根据前述条款中任一项所述的膜模块，其中，第二部分的面积小于膜片的总面积的20％、优选地小于膜片的总面积的15％、更优选地小于膜片的总面积的10％、最优选地小于膜片的总面积的6％。
条款16.根据前述条款中任一项所述的膜模块，其中，第二部分对主要组分的渗透性是第一部分对主要组分的渗透性的两倍以上、优选地至少十倍。
条款17.根据前述条款中任一项所述的膜模块，其中，第二部分形成第二主表面的一部分。
条款18.根据前述条款中任一项所述的膜模块，其中，第二部分形成第一主表面的一部分。
条款19.一种制造根据条款1至18中任一项所述的膜模块的膜片的方法，该方法包括：
提供前体片卷；
用第一涂覆溶液涂覆前体片卷的第一区域，并且用第二涂覆溶液涂覆前体片卷的第二区域，以形成膜片卷，
将一个或多个膜片卷分离成单独的膜片，其中，每个膜片的第一部分由膜片卷的第一区域形成，并且每个膜片的第二部分由膜片卷的第二区域形成，其中，每个膜片的第二部分具有比第一部分更高的对主要组分的渗透性。
条款20.根据条款19所述的方法，其中，第一区域和第二区域彼此相邻，优选地其中，第二区域定位在两个第一区域之间，使得在每个膜片中，第二部分形成为条带，并且第一部分设置在第二部分的任一侧上。
条款21.根据条款18或条款19所述的方法，其中，该方法还包括围绕进料隔片折叠每个膜片，使得每个膜片形成一对膜片。
条款22.根据条款18或条款19所述的方法，还包括将两个膜片沿着其第一主表面的第一侧密封在一起并且将进料隔片定位在其间。
条款23.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，涂覆第一区域的步骤和涂覆第二区域的步骤同时执行。
条款24.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，通过使膜片卷与涂覆容器中的第一溶液和第二溶液接触来执行涂覆的步骤，其中，涂覆容器具有通过分离器彼此流体地分离的第一段和第二段，第一段包含第一涂覆溶液并且第二段包含第二涂覆溶液。
条款25.根据条款24所述的方法，其中，涂覆容器的第二段定位在涂覆容器的两个第一段之间。
条款26.根据条款24或条款25所述的方法，还包括移动分离器的位置以调节第二部分的位置和大小。
条款27.一种使用横流膜模块从包括主要组分和次要组分的进料流中分离次要组分的方法，其中，残留流体具有比进料流体更低浓度的次要组分，并且渗透流体具有比进料流体更高浓度的次要组分，优选地其中，次要组分是二氧化碳并且主要组分是甲烷或氮气，其中，该模块包括：
壳体，具有第一端和第二端，其中，第二端沿着第一方向与第一端间隔开，
一个或多个膜片，位于壳体的第一端和第二端之间，其中，每个膜片包括第一端和第二端，其中，第二端沿着第一方向与第一端间隔开，其中，每个膜片包括在第一端和第二端之间延伸的第一侧和第二侧，其中，第一侧沿着第二方向与第二侧间隔开，其中，第二方向横向于第一方向，其中，每个膜片包括第一主表面和第二主表面，其中，第二主表面与第一主表面相对；
入口，位于壳体的第一端处，其中，入口与每个膜片的第一主表面的第一端流体连通；
出口，位于壳体的第二端处，其中，出口与每个膜片的第一主表面的第二端流体连通；以及
导管，与膜片的第二主表面的第一侧相邻；
其中，一个或多个膜片中的至少一个包括第一部分和第二部分；
该方法包括：
将包括主要组分和次要组分的进料流体经由入口输送到每个膜片的第一主表面，使得其在第一方向上沿着每个膜片的第一主表面流动；
将进料流体穿过每个膜片分离成渗透流体和残留流体，使得残留流体在第一方向上沿着第一主表面流到出口，并且渗透流体在第二方向上沿着第二主表面流到导管；
其中，膜模块配置为使得进料流体和残留流体在第一方向上沿着每个膜片的第一主表面流动，但是不沿着每个膜片的第二主表面流动，并且渗透流体沿着每个膜片的第二主表面流动，但是不沿着每个膜片的第一主表面流动；
其中，分离的步骤包括使进料流体穿过膜片的第一部分分离以产生渗透流体的第一部分，并且使进料流体穿过膜片的第二部分分离以产生渗透流体的第二部分，其中，膜片的第二部分具有比第一部分更大的对主要组分的渗透性，使得渗透流体的第二部分具有比渗透流体的第一部分更高浓度的主要组分；
其中，第二部分沿着第二方向与膜片的第一侧间隔开，从而导致渗透气体的第二部分朝向膜片的第一侧流动，使得渗透气体的第二部分与渗透气体的第一部分混合，从而减小渗透流体的第一部分中的次要组分的浓度；
其中，该方法还包括经由出口从模块输出残留流体，并且经由导管从模块输出渗透流体。
本发明还可以通过以下第二组条款来描述：
条款1.一种用于处理气体或液体进料混合物的膜工艺，所述混合物包括次要组分和主要组分，该工艺包括以下步骤；
(a)提供平片膜，其具有进料侧和进料通道、以及渗透侧和渗透通道；
(b)将膜形成为横流膜模块，该横流膜模块具有进料歧管、残留歧管和至少一个渗透歧管；
(c)(b)的进料歧管、残留歧管和膜渗透歧管布置成使得渗透通道中的渗透流主要在与模块的进料通道中的进料流成直角的方向上；
(d)(a)的所述膜具有可渗透进料混合物的组分的两个膜区域，第一膜区域对进料混合物的次要组分的选择性优于主要组分，并且第二膜区域具有比第一膜区域更高的对进料混合物的主要组分的渗透性；膜的第一膜区域和第二膜区域间隔开，使得来自第二区域的渗透通过第一膜区域的渗透通道空间，并且因此在第一膜区域上产生吹扫效应；
(e)使进料混合物从进料歧管穿过(a)的膜，并且从残留歧管去除处理过的进料混合物，同时从渗透歧管去除膜渗透。
条款2.根据条款1所述的工艺，其中，该工艺是气体分离工艺。
条款3.根据条款1所述的工艺，其中，该工艺是渗透蒸发工艺。
条款4.根据条款1所述的工艺，其中，(b)中的膜模块是螺旋卷绕模块。
条款5.根据条款1所述的工艺，其中，(b)中的膜模块是板框模块。
条款6.根据条款1所述的工艺，其中，分离工艺是CO2与氮气的分离。
条款7.根据条款1所述的工艺，其中，分离工艺是将轻质烃C3至C5与氮气或甲烷分离。
条款8.根据条款1所述的工艺，其中，分离工艺是CO2与氢气的分离。
条款9.根据条款1所述的工艺，其中，分离工艺是氢气与甲烷的分离。
条款10.根据条款1所述的工艺，其中，分离工艺是CO2与甲烷的分离。
条款11.根据条款1所述的工艺，其中，分离工艺是通过渗透蒸发将水与乙醇分离。
条款12.根据条款1所述的工艺，其中，分离工艺是通过渗透蒸发将芳族化合物与脂肪烃分离。
条款13.根据条款1所述的工艺，其中，在分离工艺中使用的(b)中的膜模块至少部分地在压力比受限区域内操作。
条款14.根据条款1所述的工艺，其中，(d)的第二膜区域的渗透区域使得(e)中的膜渗透中的次要组分的浓度等于或高于由相同膜区域的模块产生并且未配置第二膜区域的渗透的浓度。
条款15.根据条款1所述的工艺，其中，(d)的第二膜区域对进料混合物的主要组分的渗透性是(d)的第一膜区域对进料混合物的主要组分的渗透性的至少两倍。
条款16.根据条款1所述的工艺，其中，(d)的第二膜区域对进料混合物的主要组分的渗透性是(d)的第一膜区域对进料混合物的主要组分的渗透性的至少十倍。
条款17.根据条款1所述的工艺，其中，(d)的第二膜区域是非选择性的。
条款18.根据条款1所述的工艺，其中，(d)的第二膜区域具有细长条带的形式，其平行于进料流的大致方向定向并且定位成在平膜片的与渗透歧管相对的边缘上。
条款19.根据条款1所述的工艺，其中，(b)的横流模块具有两个渗透歧管，并且(d)的第二膜区域具有细长条带的形式，其平行于进料流的大致方向定向并且定位在第一膜区域的中间部分中，使得来自第二膜区域的渗透通过第一膜区域的渗透通道空间到两个渗透歧管中的每个。
条款20.一种制造用于分离次要组分和主要组分的气体或液体混合物的平片膜模块的方法，该方法包括；
(a)形成膜卷，膜具有第一膜区域和第二膜区域，第一膜区域对进料的次要组分的选择性高于对进料的主要组分的选择性，并且第二膜区域具有比第一膜区域高的对进料的主要组分的渗透性；
(b)将(a)的膜卷形成为具有限定几何形状的膜片，并且将膜片包装成具有连接到进料歧管和残留歧管的进料通道空间、以及连接到至少一个渗透歧管的渗透通道空间的平片膜模块；
(c)进料歧管和残留歧管布置成产生从进料歧管通过进料通道到残留歧管的大致笔直的流动路径；
(d)渗透歧管和第二膜区域定位成使得通过第二膜区域的渗透流在膜的第一区域上产生横流吹扫效应或部分逆流吹扫效应。
条款21.根据条款20所述的方法，其中，(b)中的膜模块是螺旋卷绕模块。
条款22.根据条款20所述的方法，其中，(b)中的膜模块是板框模块。
条款23.根据条款20所述的方法，其中，(d)的第二膜面积的渗透性和面积使得(e)中的膜渗透中的次要组分的浓度高于由不具有第二膜区域的相同膜面积和构造的模块产生的渗透的浓度。
条款24.根据条款20所述的方法，其中，(d)的第二膜区域对进料混合物的主要组分的渗透性是(d)的第一高选择性膜对进料混合物的主要组分的渗透性的至少两倍。
条款25.根据条款20所述的方法，其中，(d)的第二膜区域对进料混合物的主要组分的渗透性是(d)的第一高选择性膜对进料混合物的主要组分的渗透性的至少十倍。
条款26.根据条款20所述的方法，其中，(d)的第二膜具有细长条带的形式，该条带平行于进料流的总体方向定向并且定位成位于平膜片的与渗透歧管相对的边缘处。
条款27.根据条款20所述的方法，其中，(b)的横流模块具有两个渗透歧管，并且(d)的第二膜区域具有细长条带的形式，该条带平行于进料流的总体方向定向并且定位在第一膜区域的中间部分中，使得来自第二膜区域的渗透穿过第一膜区域的渗透通道空间到两个渗透歧管中的每一个。
条款28.根据条款20所述的方法，其中，(d)的第二膜区域具有细长条带的形式，该条带与进料流的总体方向成直角定向并且定位成在与进料通道残留歧管相邻的平膜片的边缘处。
条款29.根据条款20所述的方法，其中，将导流挡板结合在渗透通道空间中，该导流挡板布置成增强(d)中的渗透与(c)中的通过进料通道的流动相反的吹扫流。

Claims (41)

1.一种横流膜模块，配置为将包括次要组分和主要组分的进料流体分离成渗透流体和残留流体，其中，所述残留流体具有比所述进料流体更低浓度的所述次要组分，并且所述渗透流体具有比所述进料流体更高浓度的所述次要组分，所述模块包括：
壳体，具有第一端和第二端，其中，所述第二端沿着第一方向与所述第一端间隔开，
一个或多个膜片，在所述壳体的所述第一端和所述第二端之间延伸，其中，每个膜片包括第一端和第二端，其中，所述第二端沿着所述第一方向与所述第一端间隔开，其中，每个膜片包括在所述第一端和所述第二端之间延伸的第一侧和第二侧，其中，所述第一侧沿着第二方向与所述第二侧间隔开，其中，所述第二方向横向于所述第一方向，其中，每个膜片包括第一主表面和第二主表面，其中，所述第二主表面与所述第一主表面相对，其中，每个膜片配置为将所述进料流体分离成所述残留流体和所述渗透流体，
其中，所述横流膜模块配置为使得所述进料流体和所述残留流体在所述第一方向上沿着每个膜片的所述第一主表面流动，但是不沿着每个膜片的所述第二主表面流动，并且所述渗透流体沿着每个膜片的所述第二主表面流动，但是不沿着每个膜片的所述第一主表面流动；
所述横流膜模块还包括：
入口，位于所述壳体的所述第一端处，其中，所述入口与每个膜片的所述第一主表面的所述第一端流体连通，并且所述入口配置为输送所述进料流体，使得所述进料流体沿着每个膜片的所述第一主表面流动；
出口，位于所述壳体的所述第二端处，其中，所述出口与每个膜片的所述第一主表面的所述第二端流体连通，并且所述出口配置为接收和输出与所述进料流体分离的所述残留流体；以及
导管，与所述膜片的所述第二主表面的所述第一侧相邻，其中，所述导管配置为接收和输出与所述进料流体分离的所述渗透流体；
其中，所述一个或多个膜片中的至少一个膜片包括第一部分和第二部分，使得所述进料流体穿过所述第一部分的分离产生所述渗透流体的第一部分，并且所述进料流体穿过所述第二部分的分离产生所述渗透流体的第二部分，
其中，所述膜片的所述第二部分具有比所述第一部分更大的对所述主要组分的渗透性，使得所述渗透流体的所述第二部分具有比所述渗透流体的所述第一部分更高浓度的所述主要组分；
其中，所述第二部分沿着所述第二方向与所述膜片的所述第一侧间隔开，从而导致所述渗透流体的所述第二部分朝向所述膜片的所述第一侧流动，使得所述渗透流体的所述第二部分与所述渗透流体的所述第一部分混合，从而减小所述渗透流体的所述第一部分中的所述次要组分的浓度。
2.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述导管在所述第一方向上沿着所述第一侧的长度的至少50％延伸。
3.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述导管与每个膜片的所述第一侧对准。
4.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述模块还包括第二导管，其中，所述第二导管与所述第二侧流体连通，其中，所述第二导管配置为接收和输出与所述进料流体分离的所述渗透流体，其中，所述第二部分沿着所述第一方向与所述第一侧和所述第二侧两者间隔开。
5.根据权利要求1项所述的横流膜模块，其中，所述第二部分沿着所述第一方向在所述第一端和所述第二端之间延伸。
6.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述横流膜模块是螺旋卷绕的，
其中，所述导管是沿着所述第一方向延伸的中心管，
其中，所述一个或多个膜片围绕所述中心管卷绕，以便限定垂直于所述第一方向的螺旋，使得所述一个或多个膜片的所述第一侧比所述第二侧更靠近所述中心管，
其中，所述中心管包括圆柱形表面以及第一终端和第二终端，在所述第一终端和所述第二终端之间限定内腔，
其中，所述中心管包括位于所述圆柱形表面中的一个或多个开口，其中，所述一个或多个开口配置为接收与所述进料流体分离的所述渗透流体，其中，所述一个或多个开口与所述膜片的所述第一侧流体连通，
其中，所述中心管还包括出口，所述出口配置为输出由所述一个或多个开口接收的所述渗透流体，其中，所述出口位于所述中心管的所述第一终端或所述第二终端中。
7.根据权利要求6所述的横流膜模块，其中，所述一个或多个开口沿着所述第一方向彼此间隔开。
8.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述一个或多个膜片的所述第二部分沿着所述一个或多个膜片的外边缘延伸。
9.根据权利要求8所述的横流膜模块，其中，所述第二部分沿着所述第二侧的至少一部分延伸。
10.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述模块还包括：
一个或多个进料隔片，配置为将所述一个或多个膜片间隔开，其中，每个进料隔片用于限定用于进料流体和残留流体流到所述出口的流体路径；以及
一个或多个渗透隔片，配置为将所述一个或多个膜片间隔开，其中，每个渗透隔片用于限定渗透流体流到所述导管的流体路径。
11.根据权利要求10所述的横流膜模块，其中，所述一个或多个膜片中的第一膜片布置成使得进料隔片与所述第一膜片的所述第一主表面相邻，并且渗透隔片与所述第一膜片的所述第二主表面相邻。
12.根据权利要求10所述的横流膜模块，其中，所述膜片、所述一个或多个进料隔片以及所述一个或多个渗透隔片以堆叠构造布置，其中，相邻膜片之间的每个空间由进料隔片或渗透隔片限定，其中，所述膜片处于交替取向，使得每个膜片的所述第一主表面与进料隔片接触，并且每个膜片的所述第二主表面与渗透隔片接触。
13.根据权利要求10所述的横流膜模块，其中，由进料隔片间隔开的相邻膜片沿着所述膜片的第一主表面的所述第一侧和所述第二侧密封以流体地密封用于进料流体和残留流体沿着所述第一主表面流动的流体路径，其中，由渗透隔片间隔开的相邻膜片沿着所述膜片的第二主表面的第一端和第二端密封以流体地密封用于所述渗透流体沿着所述第二主表面流动的流体路径。
14.根据权利要求10所述的横流膜模块，其中，每个进料隔片配置为引导流体沿着所述第一方向流动，并且每个渗透隔片配置为引导流体沿着所述第二方向流动。
15.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述第二部分的面积小于所述膜片的总面积的20％。
16.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述第二部分对所述主要组分的渗透性是所述第一部分对所述主要组分的渗透性的两倍以上。
17.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述第二部分形成所述第二主表面的一部分。
18.根据权利要求1所述的横流膜模块，其中，所述第二部分形成所述第一主表面的一部分。
19.根据权利要求2所述的横流膜模块，其中，所述导管在所述第一方向上沿着所述第一侧的长度的至少70％延伸。
20.根据权利要求19所述的横流膜模块，其中，所述导管在所述第一方向上沿着所述第一侧的长度的至少80％延伸。
21.根据权利要求5所述的横流膜模块，其中，所述第二部分形成为条带。
22.根据权利要求21所述的横流膜模块，其中，所述第二部分在所述第一侧和所述第二侧之间是等距的。
23.根据权利要求7所述的横流膜模块，其中，所述一个或多个开口的轴向范围与所述第二部分在所述第一方向上的轴向范围重叠。
24.根据权利要求23所述的横流膜模块，其中，所述一个或多个开口与所述第一侧对准。
25.根据权利要求9所述的横流膜模块，其中，所述第二部分沿着由所述第二侧形成的整个边缘延伸。
26.根据权利要求13所述的横流膜模块，其中，由渗透隔片间隔开的相邻膜片也沿着所述膜片的第二主表面的所述第二侧密封。
27.根据权利要求15所述的横流膜模块，其中，所述第二部分的面积小于所述膜片的总面积的15％。
28.根据权利要求27所述的横流膜模块，其中，所述第二部分的面积小于所述膜片的总面积的10％。
29.根据权利要求28所述的横流膜模块，其中，所述第二部分的面积小于所述膜片的总面积的6％。
30.根据权利要求16所述的横流膜模块，其中，所述第二部分对所述主要组分的渗透性是所述第一部分对所述主要组分的渗透性的至少十倍。
31.一种制造根据权利要求1所述的横流膜模块的所述膜片的方法，所述方法包括：
提供前体片卷；
用第一涂覆溶液涂覆所述前体片卷的第一区域，并且用第二涂覆溶液涂覆所述前体片卷的第二区域，以形成膜片卷，
将一个或多个所述膜片卷分离成单独的膜片，其中，每个膜片的所述第一部分由所述膜片卷的所述第一区域形成，并且每个膜片的所述第二部分由所述膜片卷的所述第二区域形成，其中，每个膜片的所述第二部分具有比所述第一部分更高的对所述主要组分的渗透性。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述第一区域和所述第二区域彼此相邻。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，所述方法还包括围绕进料隔片折叠每个膜片，使得每个膜片形成一对膜片。
34.根据权利要求31所述的方法，还包括将两个膜片沿着所述两个膜片的第一主表面的所述第一侧密封在一起并且将进料隔片定位在所述两个膜片之间。
35.根据权利要求31所述的方法，其中，涂覆所述第一区域的步骤和涂覆所述第二区域的步骤同时执行。
36.根据权利要求31所述的方法，其中，通过使所述膜片卷与涂覆容器中的第一溶液和第二溶液接触来执行涂覆的步骤，其中，所述涂覆容器具有通过分离器彼此流体地分离的第一段和第二段，所述第一段包含所述第一涂覆溶液并且所述第二段包含所述第二涂覆溶液。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述涂覆容器的所述第二段定位在所述涂覆容器的两个第一段之间。
38.根据权利要求36所述的方法，还包括移动所述分离器的位置以调节所述第二部分的位置和大小。
39.根据权利要求32所述的方法，所述第二区域定位在两个第一区域之间，使得在每个膜片中，所述第二部分形成为条带，并且所述第一部分设置在所述第二部分的任一侧上。
40.一种使用横流膜模块从包括主要组分和次要组分的进料流体中分离次要组分的方法，其中，残留流体具有比所述进料流体更低浓度的所述次要组分，并且渗透流体具有比所述进料流体更高浓度的所述次要组分，其中，所述模块包括：
壳体，具有第一端和第二端，其中，所述第二端沿着第一方向与所述第一端间隔开，
一个或多个膜片，在所述壳体的所述第一端和所述第二端之间延伸，其中，每个膜片包括第一端和第二端，其中，所述第二端沿着所述第一方向与所述第一端间隔开，其中，每个膜片包括在所述第一端和所述第二端之间延伸的第一侧和第二侧，其中，所述第一侧沿着第二方向与所述第二侧间隔开，其中，所述第二方向横向于所述第一方向，其中，每个膜片包括第一主表面和第二主表面，其中，所述第二主表面与所述第一主表面相对；
入口，位于所述壳体的所述第一端处，其中，所述入口与每个膜片的所述第一主表面的所述第一端流体连通；
出口，位于所述壳体的所述第二端处，其中，所述出口与每个膜片的所述第一主表面的所述第二端流体连通；以及
导管，与所述膜片的所述第二主表面的所述第一侧相邻；
其中，所述一个或多个膜片中的至少一个膜片包括第一部分和第二部分；
所述方法包括：
将包括所述主要组分和所述次要组分的进料流体经由所述入口输送到每个膜片的所述第一主表面，使得所述进料流体在所述第一方向上沿着每个膜片的所述第一主表面流动；
将所述进料流体穿过每个膜片分离成所述渗透流体和所述残留流体，使得所述残留流体在所述第一方向上沿着所述第一主表面流到所述出口，并且所述渗透流体在所述第二方向上沿着所述第二主表面流到所述导管；
其中，所述横流膜模块配置为使得所述进料流体和所述残留流体在所述第一方向上沿着每个膜片的所述第一主表面流动，但是不沿着每个膜片的所述第二主表面流动，并且所述渗透流体沿着每个膜片的所述第二主表面流动，但是不沿着每个膜片的所述第一主表面流动；
其中，将所述进料流体穿过每个膜片分离成所述渗透流体和所述残留流体的步骤包括使所述进料流体穿过所述膜片的所述第一部分分离以产生所述渗透流体的第一部分，并且使所述进料流体穿过所述膜片的所述第二部分分离以产生所述渗透流体的第二部分，其中，所述膜片的所述第二部分具有比所述第一部分更大的对所述主要组分的渗透性，使得所述渗透流体的所述第二部分具有比所述渗透流体的所述第一部分更高浓度的所述主要组分；
其中，所述第二部分沿着所述第二方向与所述膜片的所述第一侧间隔开，从而导致所述渗透流体的所述第二部分朝向所述膜片的所述第一侧流动，使得所述渗透流体的所述第二部分与所述渗透流体的所述第一部分混合，从而减小所述渗透流体的所述第一部分中的所述次要组分的浓度；
其中，所述方法还包括经由所述出口从所述模块输出所述残留流体，并且经由所述导管从所述模块输出所述渗透流体。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述次要组分是二氧化碳并且所述主要组分是甲烷或氮气。
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