TW201039905A - Membrane filter element with multiple fiber types - Google Patents

Description

201039905 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係大體上關於-種用於處理天然氣的設備。更 特別地，本發明係關於分離天然氣過程中所使用的半渗透 性溥膜’肖以從天然:氣氣流中移除酸性氣體及其他成分， 致使該天然氣可用作為燃料。 Ο 【先前技術】 目前大部分世界上所生產的天然氣均含有無法令人接 受的高濃度酸性氣體（主要是c〇2與邮）^些酸性氣體在 天然氣作為燃料之前必須先移除掉才行。利用半渗透性薄 膜乂刀離一氧化碳與天然氣早為已知，而且早已使用螺旋 纏繞型且中空的纖維薄膜結構。 常用的薄膜結構包括有機聚合物與共聚物所製成的纖 維材料以及混合基質型薄膜’這些有機聚合物與共聚物包 括聚颯'聚碳酸醋、醋酸纖維素、三乙酸纖維素、聚酿胺 或聚醯亞胺。不管所使用的纖維材料如何，這些薄膜元件 完全都是由相同類型的纖維材料製成。因&，即使氣體特 性及體積隨著發生滲透而在整個薄膜上有所改變，這些薄 膜仍偈限於單—且敎範圍的效能特性而已。除此之外， 現有技術可能會要求複數薄膜元件以多階段的方式進行操 作’致使氣體通過串聯配置的多組薄膜，以局部補償各個 薄膜階段的效能不足。如此一來，必定造成額外的設備需 求，且無法達到最佳的薄膜分離效能。 3 201039905 對於“移除大量二氧化碳的 能可能會受到這些均勾效能特性所限制件的效 氧化碳濃度較高的條件下表現 彳來说，在二 化碳濃度較低的條件下表現較差， 了此在一軋 的設計通常基於受限於薄膜纖 ’…、。因此’系統 /専膜纖維的效能特性的折衷方案。 因為低於最佳的薄臈分離效能，所以需要額外的設備虚額 外多個階段的薄膜元件，才能夠移除高百分比的二氧化 ㈣型所能達到的薄膜分離效能整 體來說效果較差，而導致更多的碳氫化合物渗透過去。 在許多應用情形中，進人氣體（inlet㈣具有高百分比 (一般為10至95%)的二氧化碳，且薄膜元件被用來大批地 移除二氧化碳。如前所述’對於高濃度二氧化碳的應用來 說’薄膜元件通常被建構成以串聯方式進行操作，而具有 多個薄膜操作階段。如此一來，對於整體設備來說，造成 結構效率不佳的缺點，因此需要在各個階段之間設置相互 連接的反而造成更大的設備佔地面積與較高的設備 成本。具有多個薄膜階段可能會造成對每個薄膜階段中流 速與二氧化碳移除工作之間欲取得平衡時的困難度，因為 必須個別調整每個薄膜階段中所安裝的薄膜表面積，以便 獲得想要的分離效能特性。 近年來’薄膜製造技術的進步已經顯著地增加單一薄 膜元件中的薄膜纖維表面積。舉例來說，圖1顯示較舊型 之先前技術的直徑5英吋與12英吋之cynara®型薄膜元 件10(德州休士頓市Cameron薄膜纖維公司製造販售），其 201039905 .分別具有50…500平方英叹的有效薄膜面積。相較之 下，已經發展出新式較大的直徑16英对與3〇英对的薄膜， 其分別具有9000到40000平方英呎之η的亡 、 十万央呎之間的有效纖維區域。 2別於本發明所製成的薄膜，先前技術中具有較大直徑的 ^為單—纖維類型的薄膜。當相較於使用較小直徑的 相所需要的處理階段數量來說，這些較大直徑的薄膜之 剪切表面積會提供更大的容量，且處理的階段數更少。然 ❹ 較於較小直徑的薄膜來說，這些較大的薄膜在薄膜 =口側與出π側之間會呈現出較大的梯度（例如：二氧化 反農度）’此較大的梯度會降低這些較大直徑、單一纖維 型的溥膜元件之效率。 對於薄膜氣體分離應用來說，氣體的相對組成隨著 體行經Μ描土 〜 八/、膜束而改變，且可滲透的成分會與無法滲透的成 彼此相離。此時，隨著氣體通過薄膜束且發生滲透，進 未滲透的氣體體積之入口會縮小’而首先進入薄膜的進 〇 入氣體其體積及可滲透成分比起離開薄膜束的未滲透氣體 還要大βΑ . 換句話說’隨著氣體通過薄膜，氣體通常會產生 ’ 均勻的成分變化。因此，確實需要一種薄膜元件，

即"ί更 1¾ > HA 考氣體行經此薄膜元件而產生氣體體積與成分變 此4膜元件仍然具有增進氣體分離所必需的效能特性。 【發明内容】 依據本發明的薄膜過濾元件在單一薄膜元件中包括至 同的中空纖維類型，這些中空纖維類型纏繞在位於 5 201039905 此過滤、兀件的中心處之一穿孔非滲透性管子周圍，而產生 至夕一個j衣周區域。第一環周區域包括第一中空纖雉類型 且位於朝向此元件的入口氣體流（或進給）側上，第二周圍 (或任何後續）區域包括第二（或後續）中空纖維類型且位於第 裏周區域與穿孔非渗透性管子之間。因為這些中空纖維 類里彼此不同’所以在第-環周區域内的效能特徵不同於 第二環周區域内的效能特徵。不同的效能特徵可能是多個 中二’截，准類型之間的孔洞尺寸、壁體厚度 '材料、製造過 程或其組合的差異之函數。舉例來說，在較佳態樣中， =二中工纖維類型在滲透性（容量或通量）以及選擇性（分離 或α )係不同的。或者，這些中空纖維類型可能在二氧化 碳與硫化氫的移除能力或碳氫化合物的移除能力上有所不 同γ此外，這些中空纖維類型可以在結露點 或碳氫化合物結露效能上有所不同。 本發月之目的疋要提供單一薄膜過濾元件，其能夠 有效率地達成從高濃度二氧化碳到低濃度二氧化碳(反之亦 、）的fc圍内之》離。本發明另—目的是要提供—種過據元 其可以被最佳化而具有兩個或更多的不同分離功能， 适些功能包括但不侷限於分離c〇2與邮、或⑶2與碳氣 化合物的結露。本發明$ s α ^ n 發月之另一目的是要增進薄膜效率且產 生較佳的整體分離效果虚合, 政果與月匕力。本發明另一目的是要簡化 控制，其係藉由減少需要監控的過據階段數量，且免 t工薇操作人M在薄膜過遽元件的多個階段之間重新平衡 -速或改變這些階段之間的相對負載之要求。本發明另一 201039905 ' 目的是要增加彈性，以適應進入氣體的成分隨時間之變 化。本發明另一目的是要提供一種薄膜過濾元件，其對氣 體繞道（bypass)或氣體溝流（gas channeHng)能夠產生更大的 阻力.，因此不需要設置内部擋板或其他氣體分佈機構。 【實施方式] 〇 ❹ 以下，將參考附圖說明依據本發明具有多種中空纖維 類型的薄膜元件之較佳實施例。 二 現在參考圖i，其顯示二個習知之單一纖維類型的薄膜 元件10。由於直徑大於12英吋的薄膜元件較適用於製造本 發明具有多種纖維類型的薄膜元件’所以圖1中較大直护 的薄膜被標示為薄膜元件2〇。薄膜元件2〇利用改良的製： 方式的優點，使其能製造出具有更大直徑的半渗透性薄膜 過濾元件，以用於分離二氧化碳/天然氣。單纖維類型的薄 、、元件10其所能獲得的尺寸係類似於薄膜元件2〇的尺 寸，但薄膜元件20卻不是習知的薄膜元件。—般來說，圓 =狀的薄膜元件1〇、20係放置於一壓力容器内，此壓力容 盗藉由「管路而連接到一進入氣體的氣流(未顯示)，且可以建 構成「從外到内」㈣動或「從内到外」的流動。不管流 =方向為何，隨著進入氣體的氣流行經薄膜元件1〇、2〇, ^性乳體及其他不想要的成分就會被移除而無法渗透過 為了與具有多種纖維類型的薄膜元件20進〜 w 纖維類型的薄膜元件10其直徑一般小於15英二^，且其= 7 201039905 度從大約24英〇寸到48英吋。盔域时 H』央"為薄膜元件10並未具有將 虱體.堯道縮減至最小的足夠深度， ^ 且因為潯膜7C件1 〇僅使 用單一纖維類型’所以隨著氣體流行經薄膜元# 1()，它益 法應付氣體體積與成分的變化，戶斤以必須串聯配置二個或 更多的薄膜元件1〇(如圖6所示），而丨、；5 i y r/r不j，而以至少二個階段來實 施分離。-般來說’在每個階段中薄膜元件iq所選用的纖 維類型必須在渗透性（「流量」$「通量」）及選擇性（稱之 為滲透率」或α，’）之間取得權衡（trade_〇ff)。舉例來說， 倘若聚合體製成的薄膜纖維之渗透性增加的話，則其選擇 性便會漸少（且反之亦然）。 所以有一些薄膜纖 一些薄膜纖維則適 因為滲透性與選擇性之間的權衡， 維適用於較高濃度的可滲透成分，而有 用於在較低濃度的可滲透成分下實施較高等級的分離作 用。展現出碳氫化合物的較佳分離屬性（較高選擇性）及較低 滲透性的薄膜纖維，可選擇作為第一處理階段時所用的薄 膜元件10。一般來說，在此階段的條件其特徵在於較大的 氣體流速及較高的二氧化碳濃度。對於分離碳氫化合物/二 氧化石厌的應用來說’大部分的二氧化碳在此第一階段中滲 透過去，而大部分的碳氫化合物則在此階段，，損失”。雖然所 選用的較高α纖維具有稍微較少的通量，但是由於二氧化 碳濃度报高的緣故’這些纖維仍舊能夠有效運作。然而， 在第二階段中，可以使用展現出較高滲透性及較低選擇性 的薄膜纖維。一般來說，在此階段的條件其特徵在於較低 的氣體流速及較低的二氧化碳濃度。因此，為了使薄膜面 201039905 -積及所需的設備數量達到最小，在此階段中薄媒元件10能 展現出較高滲透性是报重要的。 *現在參考圖5及@ 7’依據本發明具有多種纖維類型的 薄臈元件20能取代單纖維類型的薄膜元件1〇以及多個分 離處理階段。薄膜元件2G所產生的處理效能增進，其部分 原因是在㈣膜元件2Q的不同區域31、33中使用不同類 =的中空纖維’且薄膜元件2G具有增加的表面積與纖維束 度29。舉例來說’在較佳態樣中，薄膜元件μ其直徑大 勺為30英吋且局度為72英吋。相較於直徑η英吋的單纖 維式薄膜元件1〇來說，具有多種纖維類型的薄膜元件 *專膜元件1〇具有十倍的表面積及三倍的纖維束深度Μ。 現在參考圖2至圖5，薄膜元件20包括幾十萬條具有 二或更多不同類型的中空纖維21。這些纖維21纏繞於—穿 孔非滲透性官子35周圍，此管子乃與薄膜元件共用一 二縱軸線3 7。替代地，這些纖維2丨可以成束排列且纏繞於 Ο S子35周圍。纖維21也可以配置成能夠穿透壁體23且進 入中空纖維21的孔洞25 ’且可以通過薄膜元件2〇的頂部 與底部離開。薄膜元件20被製造成使得位在薄膜元件2〇 的第一環周區域31中的纖維21具有與第二環周區域33内 的纖維21不同類型（或多種類型）的中空纖維21，由於每個 區域31、33中所使用的中空纖維21或中空纖維21的組合 彼此不同’所以每個31、33的效能特性也有所不同。 較佳地’選擇每個區域31、33内的中空纖維21，以便 使乳體通過薄膜元件20時的整體容量與分離效能能夠達到 9 201039905 最大藉此減少或免除多個處理步驟或分離階段（如圖7所 示)。舉例來說’具有較高分離性、較低滲透性的中空纖維 21可以最接近第-環周區域31中的薄膜元件20之入口或 進給側41 ’在該處產生出最大的滲透流量，以減少碳氫化 合物渗透時的損耗。具有較高渗透性但較低分離性的中空 纖、准2 1可以位於第二環周區域33中的薄膜元件之出口 或非；> 透御J 43 ’以增加在二氧化碳濃度較低的時候之處理 能力。或者，對其中一成分（例如：H2S)具有較高渗透性的 第一中空纖維21可能與對另—成分（例如：二氧化碳或碳氯 化合物結露）具有較大的滲透性第二中空纖維21綁成— 束’或者反之亦然。 以多種類型的中空纖維21構成薄膜元件2〇可以使其 效能達到最佳化，因為這樣可運用每一區域31、33中不同 類型的中空纖維2i相對於氣體成分的效能特徵’且可以配 置一個以上的區域3 1、3 3。舉例來說： 1 ·將最接近薄膜元件20的氣體進給側41之高二氧化碳 區域上較大孔洞的中空纖維2卜及最接近薄膜元件2〇的非 滲透側43之低二氧化碳區域上較小孔洞的中空纖維2丨組 合在一起，以在低二氧化碳條件下增加更多相對表面積。 2_將最接近氣體供應側41的區域中具有較大二氧化碳 分壓阻力的中空纖維2卜及最接近非滲透側43的區域中具 有較大流量的中空纖維21組合在一起。 3 ·將展現出不同分離性的中空纖維21組合在一起，例 如，將用於脫水的中空纖維21與用於分離二氧化碳/碳氫化 201039905 合物的纖維21組合在一起，或者將用於移除二氧化碳的纖 維2 1與用於移除硫化氫或碳氫化合物結露的纖維21組合 在一起。 薄膜元件20導致較少階段的薄膜元件，因為薄膜元件 20比起單纖維類型的習知薄膜元件1〇來說能夠執行更大量 的二氧化碳移除任務。可以在薄膜元件20中移除掉更大量 的二氧化碳’這是因為二氧化碳的滲透量更大，如此一來， 薄膜元件20内部介於進入的二氧化碳及離開的未滲透二氧 〇 化碳之間產生更大的差異。結果，通過薄膜元件20的氣體 現在在薄膜元件20的進給側4 1上具有比中間或者離開非 滲透側43更高的二氧化碳百分比。 舉例來說，考量一種進入薄膜元件20内之含有大約 50%二氧化碳的進入氣體流。隨著氣體通過薄膜元件2〇且 朝向内孔或中心縱軸線37前進時’二氧化碳便會滲透過 去。結果，較接近薄膜元件2〇的中心縱轴35(亦即··非滲 0 透側43)的中空纖維21存在有越來越少量的二氧化碳之氣 體。例如’根據所選用的中空纖維21之類型而定，未滲透 氣體可能離開薄膜元件20時帶有大約10%的二氧化碳。在 此實施例下’雖然透過薄臈元件2〇移除二氧化碳是一個連 續過程’但為求簡化，區域3 1可以標示為高二氧化碳區域， 在此區域内二氧化碳從大約50%移除成25%。較遠離供應 側41且朝向非滲透側43的中空纖維21係位於區域33或 低二氧化碳區域内，在此區域内二氧化碳從大約25%移除 成10°/。。再次強調，這些數值僅作為範例說明用途。 11 201039905 依據本發明所製作的薄膜元件20能產生很多優點。由 於增加纖維束深度29的緣故’較大的薄膜元件20可以取 代兩個階段的習知較小薄旗元件1 〇。由於在薄膜的各層之 間氣流路徑的限制，因此無法以螺旋纏繞的薄膜進行等比 例放大。隨著混合有二氧化碳/碳氫化合物的流動氣體開始 接觸纖維21，二氧化碳就在薄膜元件2〇内被選擇性地分 離。二氧化碳會優先地通過每個纖維21的壁體23而進入 母個纖維21的孔洞25内，接著通過薄膜元件2〇的末端而 離開成為滲透氣體。當氣體行經薄膜元件20時，進入氣體 中的二氧化碳會減少，如此一來，導致離開的未渗透氣體 八有比進入氣體更低的二氧化碳濃度。 眚从/豸過薄膜％件2G時’依序的每批纖維2 1會確 實地處理氣體，而佶-备" H 3 虱化碳的含量越來越少。個別的中 工纖維21所暴露的二訇 ^ 4 軋化杈真正含量取決於纖維21在薄 膜兀件20内相對於供 纖維2丨會比位於體側41的位置，較接近入口的 45)的纖維21處理更高亦^即，較接近氣體出口或非滲透側 束深度29能夠在單一的一氧化碳氣體。因此，較大的纖維 且提供類似於先前利溥祺7°件20内使用多個纖維類型， 1 0所達到的分離效^用通過串聯配置的二或更多薄膜元件 前較小的薄膜元侔 ’在薄膜元件20内，由於比先 干1 〇渗透p交 分會有更大的蠻各 足多的緣故，所以氣體體積與成 又冗。因此，， 的氣體，而且澴+ 薄膜元件20不僅能夠處理更多 心此在氡體 生更大的氣體成分差 運、·s側41與非滲透側43之間產 、而能夠運用多種纖維類型。藉由 12 201039905 現有的單纖維式薄膜元件10，在薄膜元件10中所存在的氣 體條件範圍下，其所達成的薄膜效能可能是次優的 (sub-optimal)。 雖然已經描述了本發明具有多種纖維類型的薄膜過濾 元件及其使用方法，但是在不背離本發明的精神與範圍之 刖下，仍可以在結構及成分和步驟的配置上產生許多變 化。因此’本發明的過濾元件及方法應該由以下的申請專 利範圍界定才是，其中包含所有要件的等效置換。 【圖式簡單說明】 圊1比較多個薄膜過濾元件之間的尺寸，其範圍從大 約5英吋到30英吋。在說明書中，兩個較小直徑的薄膜過 濾το件10係作為先前技術中單一纖維類型的過濾元件之實 施例。在許多應用中，必須以串聯方式或多階段方式配置 多個單纖維類型的薄膜元件，以便處理進入的天然氣氣 流。較佳地’具有直徑大於12英吋的薄膜元件係用於製造 本發明具有多種纖維類型的薄膜過濾元件。然而，因為大 型薄膜元件所提供的纖維束深度較大之緣故，所以能夠在 單一過渡元件中有效地使用多個纖維類型’藉此不需要使 用多個單一纖維類型的過濾元件或多個處理階段。因此， 在說明書中，二個較大直徑的薄膜過濾元件20係作為本發 月的多種纖維類型的過滤元件之實施例。 圖2是構成本發明圖1所示具有多種纖維類型的薄膜 過濾元件20之多個中空纖維的示意圖，這些中空纖維係配 13 201039905 置於一穿孔非滲透性的管子周圍。選擇性地，這些纖維可 以成束配置且纏繞於該管子周圍。 圖3是圖2其中一纖維束之多個中空纖維的示意圖 這些纖維被隔開以表示個別纖維的尺寸。 圖4是圖3的其中一中空纖維之放大端視圖。此具有 多種纖維類型的薄膜過渡元件包括好幾十萬條中空纖維。 圖5是圖1所示具有多種纖維類型的薄膜過濾元件2〇 之々而視圖，其正在經歷從外到内的氣體流動。這些纖維類 ^大體上配置於二個環周區域内。位於第一環周區域内的 纖維束^括纖維類型的中空纖維，而位於第二環周區域 内的纖維束則包括另一纖維類型的中空纖維。因為這些中 空纖維類型不同，戶斤以第一環周區域所展現的效能亦；同 於第二環周區域所展現的效能。作為另— 流動可能是從“内到外地，，發生，首先流經第2丄 域，然後才流經第一環周區域。 疋顯示習知處理過程的示意圖’其利用 •一…叫、心卿 六捫用¥聯配】 的早-纖維過渡元件’或者利用具有在第一階段使 ^纖維類型的薄膜及在第二階段使用之第 種不同單一纖維類型的薄膜。 員i的- 圖7是顯示利用本發0月、典、奋_ ^ m甘+ 用不毛明過濾兀件之處理過程的示售 圖，其中本發明J ^ ^ 夕種纖維類型的過濾元件僅須輩 段的處理即可。 丨卞彳皇肩早一^ 【主要元件符號說明】 14 201039905 ^ 10單一纖維類型的薄膜元件 20多種纖維類型的薄膜元件 21中空纖維 23中空纖維的壁體 25中空纖維的孔洞 27纖維束 29纖維束深度 31纖維的第一環周區域 ◎ 33纖維的第二環周區域 35穿孔非滲透性管子 3 7 中心縱軸 4 1 氣體入口或進給側 43氣體出口或非滲透側 〇 15

Claims (1)

1. 201039905 七、申請專利範圍： 1 種薄膜元件，用於處理天然氣氣流 包含： 軸； -穿孔非滲透性管子’其共用該薄膜元件的一中心 縱 複數個中空纖維，所述中空纖維係配置在所述穿孔非 滲透性管子周圍； 所述中空纖維包括第—及第一中空纖維類型；及 所述第-及第二纖維類型展現出至少二個彼此不同的 效能特性。 2、 如申請專利範圍第丨項之薄膜元件，其中至少—不 同的效能特性是所述第—與第二中空纖維類型的孔洞尺 寸、壁體厚度、製造過程及材料的至少其中之—的函數。 3、 如申請專利範圍第丨項之薄膜元件，直中至少一不 同的效能特性是所述第一與第二中空纖維類型的滲透性與 選擇性的至少其中之一。 4、 如申請專利範圍第丨項之薄臈元件，立中至少一不 同的效能特性是二氧化碳移除能力與硫化氫移除能力的至 少其中之一。 5、 如申請專利範圍第丨項之薄臈元件，其中至少—效 能特性是所述第一與第二中空纖維類型的碳氫化合物移除 能力。 6、 如申請專利範圍第丨項之薄膜元件，其中至少一效 能特性是水結露及碳氫化合物結露的至少其中之一。 7、 如申請專利範圍第丨項之薄膜元件，另外包含： 201039905 一第〆區域’位於朝向所述舊胺分 第 潯膜兀件的一進入氣體流 進給側； 一第>處域’位於所述第—區域及所述薄膜元件的非 渗透出口树之間； 每一所述£域包括選自第一中空纖維類型及第二中空 纖維類型所構成的群組之至少一中空纖維類型。 8、如申請專利範圍第1項之薄膜元件，另外包含所述 中二纖維係以複數纖維束之方式排列。 八、圖式： (如次頁）

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