CN1171290A - 中空纤维膜分离设备 - Google Patents
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Abstract
本发明包括一种环形流体分离中空纤维膜组件,该组件包括多层的螺旋缠绕的半渗透中空纤维,其中在一层或多层中纤维的缠绕角度在组件的轴向长度上变化,此外还公开了一种制造组件的方法和一种包括上述组件的分离设备。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于从包含流体混合物的进料中分离流体组分的中空纤维膜束。所述流体混合物是液体混合物和/或气体混合物。这种用途包括气体的分离、返渗透和超滤。尽管本发明可以是具有两块管板的组件，但通常是具有单一的管板的组件。
本发明还涉及一种包括改进组件的中空纤维膜分离设备。
本发明还涉及一种沿组件长度改变填充密度和横截面直径的方法。
技术背景
用螺旋缠绕中空纤维制备的中空纤维膜流体分离装置的优点在现有技术中是已知的。这样缠绕的中空纤维膜装置的制备描述在美国专利US3794468；4631128；4865736；4881955和5299749中。
US3794468描述了一种传质装置，其中中空纤维绕芯缠绕。同一层中相邻的缠线通常相互平行，而相邻层中相邻的缠组间通常有一角度。在US4631128中公开了一种中空纤维膜组件装置，其中螺旋状的路线(path)是这样设置的，使得所有纤维段在长度上差不多是相等的。在US4865736中利用一种类似的结构，但是缠绕的中空纤维是以这样的方式组装：流体平行于环形纤维组件的轴流动，沿纤维组件/压力壳界面不发生流动的旁路。US4881955揭示了一种中空纤维渗透器，其中进料气引入到螺旋缠绕的膜元件的腔内。这样设置具有良好的分离效率。最后，US5229749涉及一种中空纤维组件，其中一层中的纤维(filament)段都具有同样的螺旋角和方向。
影响组件性能的的一个重要参数是纤维的缠绕角度。术语“缠绕角度”是这样定义的：使组件处于水平位置，缠绕角度X是纤维相对于垂直轴跨过组件的角度。例如，以90°的缠绕角缠绕的纤维是平行的，从组件的一端到另一端是直的。在组件中以相同缠绕角缠绕的纤维具有相同的纤维长度。
由于几个理由，小缠绕角度通常是优选的，在这里是指小于45°。这些理由包括增加了组件的结构整体性，因为降低了沟流和旁路(channeling andbypassing)的机会不太可能出现流动颁分布不良。“沟流和旁路”是指膜表面的特别部分流体的旁路，即流体以非均匀流动的形式通过渗透器组件，产生高或低的线速度这样的情况，由于降低了分离效率从而引起组件性能的下降。
小缠绕角的另一优点是由于壳侧流体与纤维之间有更有利的接触角度(减少了边界层效应)从而提高了分离效率。使用小角度缠绕还允许使用切槽方法以在管板上打开中空纤维的孔。切槽管板在高压力负荷下是特别有利的，其制备描述在US4207192中。
小缠绕角度的主要缺点是加长了纤维的长度。因为腔侧的压力损失，所以较长的纤维会降低分离效率。
Haworth等人在US5462619中提出了一种中空纤维组件，其中填充组分随径向变化。这是在缠绕过程中改变每一层纤维的缠绕角度来实现的。
在所引证的每一篇专利中，纤维缠绕角度是通过调节横移(纤维下落)速度与心轴(组件)旋转速度的比率来控制的。在每一个行程(stroke)中缠绕比率都保持不变。行程是指在组件从一端横向移动到另一端的过程中的组件长度。以前的发明者都未考虑过在同一行程中沿组件的长度改变缠绕角度。因此，在大缠绕角度和小缠绕角度的优点和缺点之间不得不提出一种折衷方案。
发明概述
本发明包括一个环形中空纤维膜组件，该组件包括多层缠绕在圆柱形中心管上的螺旋缠绕的半渗透中空纤维，其中在一层或多层中纤维的缠绕角度在组件的轴向长度上变化。
在一个优选方案中，组件具有至少一个管板区域和一个有效区域，在组件管板区域的缠绕角度不同于组件的有效区域的缠绕角度。
在再一优选方案中，在组件径向上的相邻层的相邻区域内的纤维缠绕角度基本相同。
在另一优选方案中，不仅在组件的轴向长度上改变纤维的缠绕角度，而且改变纤维间的距离，以致于在所述轴向长度上的填充密度也改变。
在另一优选方案中，中空纤维膜组件包括a)一个环形流体分离中空纤维膜组件，该组件包括多层缠绕在圆柱形中心管上的螺旋缠绕的半渗透中空纤维，其中在一层或多层中纤维的缠绕角度在组件的轴向长度上变化；b)一个密封所述组件的流体不渗透外壳；c)一个进料流体入口；d)一个渗透物流体排出口；和e)一个未渗透物流体排出口。
附图简述
从以下优选方案和附图的描述中，本领域的技术人员可认识到本发明的其它特征和优点。其中：
图1是本发明一个方案的组件的示意图，其中封装端部分(potted end section)比有效区域(active region)的缠绕角度小，封装端以一定角度切割。
图1A是图1所示组件从封装端看的视图。
图2是说明在跨过组件直径的每一层中怎样保持纤维缠绕角度不变的示意图。
图3是本发明的第二方案的示意图，在该方案中组件包括两个管板。
图4是本发明的第三方案的示意图，其中封装端部分(potted end section)比有效区域(active region)的缠绕角度小，封装端平切。
图4A是图4所示组件从封装端看的视图。
图5是本发明的第四方案的示意图，其中填充密度和横截面直径随组件长度而改变。
图6是包括中空纤维膜组件的流体分离设备的示意图，其中组件封装端的纤维缠绕角度小于有效区域的纤维缠绕角度。
本发明的详细描述
本发明提供了一种使用中空纤维膜束的渗透器，在中空纤维组件的一端或两端具有开孔。在本发明渗透器的使用中，可以在进料和渗透物之间维持逆流、错流或并流。对于气体分离应用来说，逆流通常是更希望的流动方式。
在逆流方式中，引入进料并沿膜表面流动，残液从膜组件的一端排出，而富集了至少一种更易渗透的气体组分的渗透物与进料/残液流逆向流动。实现这一方式的方法是已知的，被描述在US4881955和4865736中。
本发明的膜组件包括一个中心管，中空纤维绕中心管缠成圆柱形。一般一次绕多根中空纤维，通常使用6-20根纤维。中心管是一根有开口或孔的圆柱形中空管，允许流体在中空纤维的外表面和中心管的的内芯之间流动。开口的大小、位置和数量取决于所应用的流型、元件的大小和在壳侧的气体流动速度。开口可以是钻孔、开槽或其它穿孔形式。由孔占据的横截面积主要由所需的压力降来确定，优选保持可接受的最小横截面积。中心管可以由任何非渗透材料制成，如金属、玻璃、木材、塑料、复合层压板等。
中空纤维绕圆柱形中心管心轴缠绕的方法在现有技术中已确立了，用于形成管板的方法和材料以及切割管板暴露出中空纤维腔的方法也是这样的。在一种方法中，中空纤维是通过在管板上切缝或切槽来切割的。在另一种方法中，可以使用现有技术中已知的方法切割管板产生一平面，然后用多孔板或其它元件来支撑。
本发明的重要特征是在从组件的一端到另一端的一个行程中改变纤维缠绕角度以得到最优的缠绕角度条件。一般说来，超过45°则认为缠绕角度大，低于45°则认为缠绕角度小。
例如，为使分离效率最优，在高跨膜高压差的分离应用中，在膜组件的有效区域内使用高缠绕角度是有利的。这样的分离包括从天然气中分离CO2，或在炼油厂或合成氨过程中从含氢气流中分离H2，在这种分离中跨过膜的压差为400-2000 psig。有效区域是指能发生有效流体分离的区域。
与此相反，为了利用能高压切槽或钻孔的管板设计结构，如US4207192和US4061574所描述的，则要求小缠绕角度。在这种情况下，在纤维-管板的界面区域纤维的缠绕角度(由缠绕比来控制)由大变小。
在某些分离应用中，流体分离条件在组件的有效区域要求小的缠绕角度，而在管板区域则要求大的缠绕角度。在这些应用中，利用平切的管板结构是有利的，平整地切割底面以暴露和打开所有封闭的纤维。如果跨过管板的压差低(通常小于400psig)，则这种平切管板是有利的。在这种情况下，通过提高封装区的缠绕角度，能显著地降低跨过管板的腔侧压力损失。与第一个例子相反，在纤维-管板界面区域缠绕角度由大变小。
在高回收率的轴向流方案以及高级分割比条件下(回收率至少60-95％)改变缠绕角度更为有利，在这种场合中流动速度沿组件长度改变很快。改变填充密度对高回收率，即高分离比，流体分离基本上是有利的。术语“分离比”是指渗透气体与流体进料混合物中的此气体的摩尔比。腔以及壳侧流体的流速和组成改变时，与纤维的最优接触角度(例如，最好的传质角度)也可以改变。在这种情况下，从组件的一端到另一端逐渐改变纤维的缠绕角度也是有益的。
中空纤维组件的另一重要特征是纤维的填充密度。高填充密度(大于50％)具有面积填充效率高和通过组件流动分布改进的优点。然而，提高填充密度会使壳侧流体压力降升高。从工艺的观点来看，高压力降是不希望的，还会导致组件的损害。
通过对纤维的布置(即缠绕比率)，本发明提供了在沿组件长度上的填充密度的控制，因此在轴向流动构型中控制最优流动动力学。“轴向流动构型”是指进料流体平行于纤维方向流动，渗透物气体的流动平行于沿进料气体入口和残液出口而行的轴。
具有可变填充密度的组件可以允许组件的高流速区域内压力降低，同时能使在组件的低流速区域的填充密度和流动分布效率最大。填充密度分布的控制还可以更有效地在整个组件中安排和分布壳侧流体。
轴向壳侧进料组件的进料流体速度在入口区域比出口区域高，因此，在这一区域低的填充密度(低于50％)是最优的。然而从入口区域到组件段末端逐渐提高填充密度是有利的。在这一方案中，组件是以这样的方式缠绕的：相邻的平行单纤维之间的距离从组件的进料端到组件的排出端减少。
市场上可以购得的缠绕设备可以用来缠绕本发明的中空纤维膜。Salt LaieCity，Utah的CMC提供了一种带有在缠绕过程中改变组件旋转速度和横向速度的电子传动装置的设备。
按本发明技术构成的组件如图1所示。环形中空纤维膜组件1是通过将单根纤维2螺旋地缠绕在中心轴3上形成的，中心轴3上有孔9。如环氧树脂的封装材料用来密封组件4的帽盖端4和组件的封装端5。纤维组件用阻挡层6包起来，除敞开的区域7之外，它基本上是不能渗透进料流体的。使用这样一种不能渗透的阻挡层6在现有技术中是已知的，如US4781834和US4865736，后者在这里引入作为参考。纤维内腔的的敞开是通过在封装材料上切槽来产生的，用8表示。图1A显示了图1所示组件从封装端看的视图。从图1可以看出，在封装端的缠绕角度小于在组件未封装部分的缠绕角度。
在组件管板区域缠绕角度不同于在组件有效区域的缠绕角度。小的缠绕角度有利于在切槽的管板上打开纤维，因为截断打开中空纤维所需最小切口高度随缠绕角度的下降而下降。在切槽的管板部分的小缠绕角度是有利的，因为组件的封装高度最小。
缠绕角度的改变导致了组件中不同部分的填充密度不同。因此，在有效区域和封装区域的中空纤维填充密度相互不同。在填充密度高的某些方案中，组件直径可以从一部分到另一部分不同。在图1-4和6所示的方案中组件具有恒定的直径。
在整个组件直径上，相应于有效组件部分和管板部分的中空纤维缠绕角度优选在每一纤维层中基本上保持恒定。如图2所示。内层、中层和外层环形中空纤维分别用10、11和12表示。尽管在封装和未封装的界面13上纤维缠绕角度由大至小变化，但是，沿组件长度在任何给定的距离上的纤维与在径(由中心轴向外)向上的纤维基本上是相互平行的(如纤维10、11和12的角度相同)。
以可变的角度缠绕也可以用在含有两个管板的纤维束上，即在两端封装和切槽的纤维束允许从两端除去渗透物或向纤维内腔中引入进料/清扫流体，如图3所示。纤维2在封装端5以小的角度缠绕，但在管板之间的未封装(有效)区域以较高的角度缠绕。在这里，封装部分的小缠绕角度允许以最有效的方式将槽8切入封装材料内来切断和打开纤维。图3所示组件可以放置在具有四个开口的外壳内：一个口用于引入进料流体；第二个口用来除去非渗透流体；第三个口用于引入清扫流体；第四个口用于除去清扫和渗透流体。这样的设置公开在US4981498中，其内容在这里引入作为参考。
在一种可选的方案中，如图4所示，纤维2在封装的管板区域5以大的角度缠绕，在有效(未封装)区域以小的角度缠绕。在这一情况下，封装端平整地切断，暴露出敞开的纤维8，正如图4A所示，该图是图4所示组件从封装端看的视图。在这里，在封装端区域的所有纤维在封装底面上部暴露出来，而与缠绕角度无关。在封装区域缠绕角度最大是有益的，因为它可以使管板中腔侧压力降最小。
除沿组件长度改变缠绕角度外，在某些方案中，改变同一层中相邻中空纤维之间的距离是所希望的。在许多方案中，在所有层中中空纤维相互间的长度的差小于约10％，优选小于5％。
本发明中的另一方案提供了一种轴向流动的中空纤维膜组件，其中填充密度和横截直径沿组件的长度改变。这种可变的填充密度的组件如图5所示。在这一方案中，除改变纤维角度外，相邻纤维2之间的距离从封装端5到帽盖端4减少。这导致了从封装端5到帽盖端4的填充密度的升高。除与封装端5相邻的窄环形区域外，一层不渗透的阻挡层薄膜6围绕在中空纤维组件上。在上述方案中使用这样一种阻挡层是特别有利的，因为它允许进料与纤维中的渗透物流形成分批并流或逆流的流动模式。为得到这种流动模式，必需引导每一批进料流与组件的中心轴成一直线。使用不能渗透的阻挡膜达到了这一结果，并避免了沟流、旁路以及其它低效率流动。变化填充密度的轴向流组件的这样一种益处至今还未被人们所认识。
在所示的方案中，渗透物仅从组件的一端除去，进料流为轴向的，残余物从心轴(未示出)上的孔中除去，这与图1所示的结构相似。优选地，在所有层中中空纤维相互之间的长度变化小于约10％，优选小于5％。
图1、4和5所示的本发明的中空纤维组件，当引入到如图6所示的流体分离设备中时，可以成功地用于各种流体分离应用，特别是气体分离。中空纤维分离设备20(如图6所示)包括一个位于压力容器21中的膜元件1。加压的流体从封盖23上的进料孔22进入。然后，流体通过压力容器21内表面在与围绕组件的不透性的阻挡层6之间的通道24，接着进入到组件的环形未封区域7。此时，加压流体以平行于中心轴3的方向通过纤维膜组件。进料物流中易渗透组分穿过中空纤维壁，然后，渗透物流跨过管板5达到封装侧端盖27上的渗透物出口26。进料物流的残液/不渗透物部分经开孔9流进中空的心轴3，并通过帽盖端的封盖23上的排出口28流出。“O”形环29在管板5和压力容器21的内侧之间提供了一个不透流体的密封。另一个“O”形环30在帽盖端的封盖23与中心轴3之间提供了不透流体的密封。纤维2(只示出一根纤维)在组件的有效区域以大的缠绕角度缠绕(优选45°-60°)，而在组件管板封装区域以小的缠绕角度缠绕(10°-30°)。封装区域的小缠绕角度允许利用管板5上的切槽8切断组件中的所有纤维。
用在本发明中空纤维膜组件流体分离装置中的中空纤维取决于要采用的特定分离方法。其制备和组成对本领域的普通技术人员是已知的。人们可以使用密壁(dense wall)、多孔、非对称或复合膜来构成本发明中空纤维膜组件流体分离设备。
可渗透中空纤维的制造和制造它们的材料是已知的。这些中空纤维易于通过I.Cabasso的“Hollow Fiber Memranes”，Kirk-Othmer：Enc.of Chem.Tech.，12，Third Ed.，92-517(1980)以及I.Cabasso的“Membranes”Enc.of Pol.Sc.&Eng，.，9，Second Ed.，509-579(1987)上描述的方法来制造。根据用途(如气体分离，基于液体的分离，如微滤、超滤等)，可以选择具有适当形态、化学结构、尺寸和孔径的中空纤维。
有利的是中空纤维具有足够厚的壁以致于不需特殊的设备来处理。中空纤维的外径可从约1mil或更小到约100mil或更大，优选约2mil到约80mil。中空纤维的壁厚为约0.1mil到约12mil或更大，优选至少约0.2mil到最大约20mil。
在许多实例中，中空纤维是一种复合膜的形式的，在多孔中空纤维的表面上涂上一层薄的膜形成材料。这些可以通过任何已知的方法来生产，如US4467001中所描述的方法，其中将膜形成材料的溶液涂在多孔中空纤维的外表面上，至沉积的干涂层厚最高约7000埃，优选约500-2000埃。
中空纤维流体分离组件和本发明的渗透器设备用来从含有至少一种其它组分的的流体混合物中分离和浓缩第一组分。在可以用本发明组件和设备分离的多组分气体混合物中，可以是He/N2、CO2/CH4、He/CH4、O2/N2、H2/CO2/CO/N2、CH4/CO2/H2S、CO/H2、H2/CH4、He/CH4/N2、He/O2/N2、N2/H2、N2/CH4、H2O/O2/N2；还包括许多本领域内的技术人员已知的可以通过膜渗透技术分离的其它组合物。
本发明的特定特征方便在显示在一个或多个附图中，每一个特征都可以结合本发明的其它特征来使用。本领域内技术人员可以认识到其它可选的方案，它们都包括在权利要求的范围内。
Claims (10)
1)一种环形流体分离中空纤维膜组件，包括多层缠绕在圆柱形中心管上的螺旋缠绕的半渗透中空纤维，其中所述组件具有至少一个管板区域和一个有效区域，其中在一层或多层中纤维的缠绕角度在组件的轴向长度上变化。
2)根据权利要求1的环形流体分离中空纤维膜组件，其中在所述缠绕组件的所有层中中空纤维的相互间长度差小于10％。
3)根据权利要求1的环形流体分离中空纤维膜组件，其中在跨过组件直径的相邻层的相邻区域内的中空纤维的缠绕角度基本相同。
4)根据权利要求1的环形流体分离中空纤维膜组件，其中中空纤维之间的距离在组件的整个轴向长度上变化。
5)根据权利要求4的环形流体分离中空纤维膜组件，其中填充密度在组件的整个轴向长度上变化。
6)根据权利要求1的环形流体分离中空纤维膜组件，其中流体包括气体混合物。
7)根据权利要求1的环形流体分离中空纤维膜组件，其中在组件管板区域的缠绕角度不同于在组件有效区域的缠绕角度。
8)根据权利要求1的环形流体分离中空纤维膜组件，其中在所有层中纤维缠绕角度在组件的轴向长度上变化。
9)一种具有第一端和第二端的环形流体分离中空纤维膜组件，包括多层螺旋缠绕的半渗透中空纤维，所述组件包封在封闭的阻挡材料内，所述阻挡材料相对于所述流体是不渗透的，除与组件的所述第一端相邻的未包裹的环形区域外，沿整个所述组件延伸，其中在一层或多层中纤维的缠绕角度在组件的轴向长度上变化。
10)一种中空纤维膜设备，包括
a)一个环形流体分离中空纤维膜组件，该组件包括多层缠绕在圆柱形中心管上的螺旋缠绕的半渗透中空纤维，其中在一层或多层中纤维的缠绕角度在组件的轴向长度上变化；
b)一个密封所述组件的流体不渗透外壳；
c)一个进料流体入口；
d)一个渗透物流体排出口；和
e)一个未渗透物流体排出口。
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