[发明专利]使用螺旋状缠绕的空心纤维渗透膜元件来分离气体的方法

说明书

本发明涉及一种改进的空心纤维膜元件（Cartridge）及用它来改进渗透法分离气体的方法。本发明还涉及螺旋状缠绕空心纤维渗透元件的用途，在该元件结构中，整个渗透元件中所用的空心纤维的有效长度基本上是相等的。在气体分离工艺中，作为原料的混合气从空心纤维的空腔进入，在进行气体分离的时候，最好是使渗出气流的流动方向与离开空心纤维空腔的残余气流的流动方向处于相互逆流的状态。在气体分离过程中，在空心纤维渗透膜装置渗出侧的渗出气流以及在进料侧的进料气流，实际上存在着良好的径向混合，而不管是在渗出侧还是在进料侧，基本上都不发生轴向混合。

能够选择性地让某一种组分渗透的渗透膜在本技术领域中是已知的并且对某些流体的分离应用来说被认为是一种很好的分离手段，而空心纤维膜这一种几何结构常常被认为是一种最好的结构。螺旋状缠绕空心纤维渗透膜元件及包含有这种元件的装置，它们的结构及使用方法在本技术领域中是已知的，除了螺旋状缠绕的结构以外，平行地缠绕（包括弯曲的和不弯曲的）空心纤维的那些元件也是已知的，正如在下文所讨论的先有技术中说明的那样。本发明的产品和方法涉及螺旋状缠绕的空心纤维渗透膜元件。

实际上，空心纤维渗透膜元件通常可以制成从纤维空腔内进料和从纤维管壁外进料两种结构。本发明只涉及从空腔内进料的一种渗透元件，在此元件中，进料混合物首先与空心纤维的内表面（或说是内空腔）接触，渗出气流从空心纤维的外表面回收以及残余气流从空心纤维空腔的另一端回收，所用的具体工艺条件将在下文说明。另外，本发明主要是涉及在气体分离方面的应用，在此分离工艺中，混合气体通过空心纤维膜进行渗透，借此把一种或一种以上的可渗组分从混合气中分离出来。

在渗透膜分离这一应用领域中，达到最佳流体动力学条件的重要性在本技术领域中是被公认的，因此，要达到这些最佳流体动力学条件，空心纤维渗透元件的设计和制造的重要性也是被确认的。例如，C·R·Antonson等，“空心纤维渗透法分离气体的研空，”Ind·Eng·Chem·Proc·Dev.，16，No.4，463-469页（1977），对使用空心纤维渗透法来分离气体这一课题进行了相当详细的研究。该论文表明，使用平行排列的空心纤维的研究工作已进行得很充分，但该论文没有提到螺旋状缠绕的空心纤维元件的应用。在他所研究过的一些条件中，有一项是流动模式的影响，共研究了六种流动模式。作者在上述期刊的466-467页的图6及其讨论中，报告了他们在其研究工作的这一方面的发现。总的说来，作者发现了空腔进料的流动模式要优于管壁外进料的流动模式，而以空腔进料与逆流模式的结合可获得最高的富集比和快速气体的最高回收率。该论文指出，为了达到最佳的分离条件，不管是在渗透膜的进料侧或是在渗出侧都不应在轴线方向上发生气体的混合作用。

1969年5月6授予J.E.Geary，Jr，等人的美国专利U.S.3，442，002公开了一种流体分离设备，该设备采用一种空心纤维束，而在每一个纤维束中，所有纤维基本上都是平行排列的。该专利公开了两种分离方法，一种方法是把原料混合物引入空心纤维的内腔，另一种方法是把原料混合物引入空心纤维管壁外侧的空间，但是该专利主要是涉及液体的分离并且也没有提到逆向流动这种对气体分离最有利的条件。

1983年4月19日授予Otstot等人的美国专利U.S.4，380，460公开了一种渗透元件，在该元件中，空心纤维沿着设备壳体的纵向相互平行地排列。该专利主要提出，在把空心纤维插入设备的壳体时，用一根细长的管子来保护这些空心纤维。该专利没有提到过螺旋状的缠绕方法，也没有提到控制渗出流体和残余流体内的径向混合和轴向混合的重要性。

1984年2月7日授予Kuzumoto等人的美国专利U.S.4，430，219公开了一种元件，其中的空心纤维束是按基本上相互平行的方式进行螺旋状缠绕，然后把该元件应用于液体分离工艺。然而该专利并没有意图使该元件中的所有空心纤维的长度基本上彼此相等;该专利没有叙述或认识到用螺旋状缠绕的装置以逆流模式进行气体分离的方法具有实用意义。另外，该专利没有提出下列措施的重要性，即在这种螺旋状缠绕的渗透元件中要使得在渗出侧的渗出气流中，基本上是完全的径向的混合，而且，不管是在渗出侧，还是在残气侧，实际上不发生轴向的混合。