[发明专利]膜分离组件

说明书

要求在先申请的优先权

本申请要求提交日为2012年2月13日的美国专利申请No.13/372,283的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及用于流体分离的膜分离组件，更具体地涉及具有以直接联接布置结构组装的多个膜管道的膜分离组件。

背景技术

多种商业方法依赖于使用流体分离技术以便从混合物中分离一种或多种需要的流体组分。特别是，多种这样的方法涉及分离液体混合物、从液体分离蒸气或气体或分离混合气体。例如，在天然气的生产中，生产者通常必须从天然气中去除二氧化碳、硫化氢、氦、水和氮以满足政府和工业规范两者的要求。在许多化学过程中还典型地需要从气体处理流中去除和回收氢气。

与其他已知的分离技术相比，在流体分离工艺中膜的使用已实现日益普及。这样的膜分离通常基于流体混合物的各个组分的由例如压力、局部压力、浓度和/或温度的驱动力的梯度导致的相对渗透率。这种选择性渗透造成流体混合物分离成：例如通常由渗透较慢的成分组成的、通常称为“剩余物”或“截留物”的部分；和例如通常由渗透较快的成分组成的“渗透物”。

分离膜通常制造成多种形式，其中包括平片式布置结构和中空纤维布置结构。在平片式布置结构中，所述片材通常组合成螺旋卷绕的元件。如图1所示的示例性的平片的、螺旋卷绕的膜元件100包括两个或更多个平片的膜101，所述膜之间具有连结的渗透物分隔件102，例如，沿着它们的三个侧面胶粘以形成包封件103，即一端开放的“扇叶”。该包封件可通过进料分隔件105分开，绕芯轴卷绕或以其它方式绕渗透物管道110卷绕，使得包封件的开放端面向该渗透物管道。进料气体120沿着膜元件的一侧进入，并经过分离包封件103的进料间隔件105。由于气体在包封件103之间行进，高渗透性组合物渗透或迁移到包封件103内，由箭头125指示。这些渗透的组合物只有一个可用的出口：它们必须在包封件内行进到渗透物管道110，如箭头130所示。这种行进的驱动力是低渗透压力与高进料压力之间的局部压力差。渗透的组合物例如经过贯穿渗透物管道110的孔111进入渗透物管道110，如箭头140所示。渗透的组合物然后经渗透物管道110行进(如箭头150所示)以结合来自可以在多元件组件中连接在一起的其它膜元件的渗透的组合物。进料气体120的未渗透或未迁移到包封件内的成分、即剩余物通过与进料侧相对的侧部离开所述元件，如箭头160所示。

如图2所示，单个膜元件100通常被组装成元件布置结构并通常被插入到模块或壳体200、例如容纳多个膜元件100的管道201内。每个模块200具有通过进料端口211进入的输入(例如，进料)流210、包含未渗透通过膜分离元件并通过剩余物端口221排出的物质的输出或剩余物流220、以及包含渗透通过膜分离元件并通过在渗透物管道110的一端或两端处的渗透物端口231排出的物质的渗透物流230。管道201的直径范围为15cm(6英寸)到61cm(24英寸)之间，并且通常是20cm(8英寸)或30cm(12英寸)。端口211、221和231的直径范围可以是从3cm(1英寸)到10cm(4英寸)，并且通常是5cm(2英寸)或8cm(3英寸)。膜模块或壳体可以构造有单个进料、单个剩余物和单个渗透物连接部。替代的布置结构可以具有两个进料连接部、两个剩余物连接部或两个渗透物连接部的多种组合形式。在其他组合中，进料和剩余物连接部也可以位于管道的中央。管道201和端口元件211、221和231常规地由钢——相对重的金属——制成，以承受工作过程中遇到的通常从2068kPa(300psig)到10342kPa(1500psig)或更高的压力。

由于对产品气体例如脱硫天然气和纯化气体例如氢气、二氧化碳和氢-一氧化碳混合物的需求量增加，气体分离膜系统的当前市场已向较大设备发展。一种满足这种需求增加的方法是结合具有增大的直径的膜模块以适应较高的流体流动速率。替代地，这种较大的设备可以结合更多膜模块以满足工艺要求。例如，如图3所示，可以在称为“阵列”300的相互连接的并行模块组中采用模块200。设备在阵列300中可以具有从至少两个直到多于一百个模块200。