[发明专利]改进的膜片组件

说明书

技术领域

本发明通常涉及适用于气体分离或气体传送中的中空纤维膜片 组件，更具体地涉及用于将水蒸汽从气流中去除或用于将水蒸汽从一 个气流传送到另一气流的改进的组件设计。

背景技术

在商业上已经利用水可透过的中空纤维膜片组件以便对气流进 行脱水或以便于将湿气从一个气流传送到另一气流。美国专利 US6,585,808以及6,616,735公开了适用于气体脱水的膜片组件，并且 结合于此作为参考。美国专利US6,779,522公开以用于对气体进行干 燥或增湿的膜片。为了描述本发明重要特征的目的，将仅考虑中心孔 侧进料的气体脱水组件，但是膜片组件设计理念可应用于前述的气体 分离和气体传送应用。在这些膜片组件中，包含待去除湿气的进料气 体流动通过中空纤维膜片的空腔。当进料气体流动通过膜片组件时， 湿气通过水可透过的膜片扩散到组件的壳体侧。为维持该过程，在组 件的壳体侧上注入干燥气体以吹扫清除已经透过的水蒸汽。通过该干 燥的吹扫气体得自于由膜片组件制备的干燥气体，但是可以使用其它 气源。

在理想的组件中，不但每一纤维的空腔接收相同量的气流，而且 吹扫气体围绕纤维外侧均匀分布，并且每一纤维与相同量的吹扫气体 接触。但是，在实践过程中发生某种程度的吹扫气体分布不均的情况， 并且这导致性能下降。为了克服该问题，要么必须使用附加的膜片和 要么必须使用附加的吹扫气流，这两者都增加处理成本。因此，膜片 组件的设计者不断地改进膜片组件设计，以便使得吹扫气流分布不均 最小化，并且使得组件性能最大化。

授予Bikson的美国专利US4,881,955公开了一种膜片组件设计， 利用围绕芯部螺旋缠绕的中空纤维使得壳体侧流动得到改善。但是他 教导对于该提议的限制是纤维必须具有基本均一长度，将基本均一长 度限定为“渗透器单元中空纤维的活性长度将彼此变化小于约20％” (第6栏第41-44行)。

除了关于薄片组件设计的性能方面，膜片组件必须具有适用的所 需结构整体性。在气体干燥应用中，气体处于高压下并且压力可超过 几百帕。该压力施加到管板的表面，因此管板必须在上述压力和高温 下保持其结构整体性。在制备膜片组件的过程中，中空纤维嵌入在管 板内。在管板内存在纤维使得管板的结构整体性降低，原因在于中空 纤维自身不会增加低抗上述压力的材料强度。除了在管板中存在中空 纤维之外，在管板中还可存在其它组件，这趋于降低管板的强度。例 如授予Bikson的美国专利US5,026,479示出了嵌入在管板材料中的不 可渗透层。不可渗透材料和管板的交叉导致管板材料的不连续，从而 使得管板弱化。因此在不断寻求提高膜片组件的结构整体性。

例如在授予Giglai等人的美国专利US5,837,033中示出了中空纤 维膜片组件，其包括缠绕在圆柱形芯管上的半渗透中空纤维的若干螺 旋形缠绕层，其中在一层或多层中空纤维缠绕角度横向于组件的轴向 长度变化。在一个实施例中，管板中的纤维缠绕角度(其较小)与组 件活性区域中的缠绕角度不同。但是，在Giglia的任意实施例中，管 板处的组件直径基本与管板直径相同。因此，管板中的多数封闭区域 由纤维端部占据。因此，由该构造使得管板的整体性下降。此外，在 该情况下由于非活性纤维的较长长度导致进料气体的压降较高。

发明内容

本发明的一方面是为了提供克服上述缺陷或克服现有技术中一 些限制的改进的组件设计。在该情况下，中空纤维围绕芯部缠绕。但 是我们已经出乎意料地发现授予Bikson的美国US4,881,955以及授予 Giglia的美国专利US5837033教导需要基本相同长度的纤维，而本发 明并不需要上述。例如，制备两个组件，一个具有13％变化的纤维 活性长度，而一个具有70％变化的纤维活性长度。两个组件都具有 大约1875平方厘米的活性表面面积。利用每一组件在不同压力下干 燥气体，并且我们发现甚至在两者的长度变化在约为6的系数下，这 些组件的性能基本相同。膜片组件设计的本领域现状教导需要避免进 料气体和吹扫气体两者的气流分布不均，因此具有70％纤维长度变 化的组件预期具有比具有13％纤维长度变化的组件更差的性能。同 样，在本发明中，我们出乎意料地发现纤维长度的较大变化不会降低 组件性能。