專利名稱：具有橫向流道的空心纖維流體分離器的制作方法
包括一束空心纖維膜的分離器單元在理想逆流流動(dòng)下[假定在所述膜的每個(gè)殼側(cè)(shell side)和中心孔側(cè)(bore side)上的流體均勻速度分布(或“塞狀流”)]，產(chǎn)生近可能好的效能。期待就具有大小和長(zhǎng)度均勻的纖維孔而言，其中心孔側(cè)的流動(dòng)接近塞狀流動(dòng)。然而，在殼側(cè)上一般存在軸向流速不均勻的分布，即偏離塞狀流。
在殼側(cè)上的偏離塞狀流是由下列因素之一引起的，例如在該束中空心纖維的不均勻孔隙(這是由于成束方法所造成的)或纖維外徑的差異或纖維中的絞纏或卷曲或纖維不平行的取向或在纏繞束中纖維滑動(dòng)等。
在縱向空心纖維束中，在徑向上的流體阻力一般大于軸向上的流體阻力很多。殼側(cè)流體一般在所述纖維束之外或中心進(jìn)出該纖維束。在徑向上較高的流體阻力阻止該殼側(cè)流體均勻分布在該空心纖維束的橫截面上，因而引起偏離塞狀流。
上述有關(guān)在氣體分離過(guò)程中所述單元性能的現(xiàn)象的最終結(jié)果為隨著非滲透流的流速或快速氣體含量的降低，在快速氣體(fast gas)的有效滲透系數(shù)方面的降低和氣體分離有效選擇性方面的降低。它導(dǎo)致每單位膜面積降低的產(chǎn)物(非滲透物)流和在一定產(chǎn)物純度下的降低的產(chǎn)物的回收。這種有害的作用在中心孔側(cè)進(jìn)料和殼側(cè)進(jìn)料的氣體分離中均可觀察到。以下給出其作用的一些實(shí)例。
在由壓縮空氣生產(chǎn)高純度的氮?dú)獾倪^(guò)程中，隨著進(jìn)料速度的降低，有效氧滲透系數(shù)降低，以便獲得高純度的氮?dú)猱a(chǎn)品。這使得有可能引起在特定純度下的氮?dú)饬魉俚慕档图暗獨(dú)饣厥樟康慕档汀Ｍ瑯忧闆r也發(fā)生在由包含氫及其它氣體例如甲烷、乙烷、二氧化碳等的流體中制備高純度氫氣的過(guò)程中。在干燥壓縮空氣的過(guò)程中，水的有效滲透系數(shù)隨著進(jìn)料速度降低而下降，以便獲得較低露點(diǎn)的產(chǎn)物。這引起在特定露點(diǎn)下所述產(chǎn)物流速的降低及滲透損失部分的增加。同樣作用存在于干燥高壓天然氣的過(guò)程中，導(dǎo)致高的甲烷損失。
所述氣體分離過(guò)程可以以中心孔側(cè)進(jìn)料(bore-side feed)或殼側(cè)進(jìn)料(shell-side feed)的方式進(jìn)行。如果通過(guò)增加所述滲透面上尾氣(sweepgas)的流速，使所述非滲透物的快速氣體含量降低的話，也可以出現(xiàn)上述有害的作用。所述尾氣可以是外部氣流或者也可以是非滲透或進(jìn)料氣流的一部分。
當(dāng)分離器中纖維長(zhǎng)度增加時(shí)，所述殼側(cè)氣流一般接近均勻的塞狀流。然而，當(dāng)使所述分離器長(zhǎng)度增加時(shí)，所述進(jìn)料和滲透氣流經(jīng)受增加的壓降。它對(duì)其性能具有不利的作用。此外，增加分離器長(zhǎng)度也可能還增加分離器的成本及增加所述分離器單元組件的復(fù)雜性。
在某些情況下，將分離器單元并聯(lián)連接以加工某一氣流可能更好。它降低所述壓降并使得由總滲透物以逆流方式清除整個(gè)膜表面，它可以產(chǎn)生近可能高的性能。然后，該并聯(lián)的結(jié)構(gòu)降低了進(jìn)料速度；在殼側(cè)上形成的從塞狀流偏離可以引起不能接受的性能。一般而言，如果所述并聯(lián)結(jié)構(gòu)引起不能接受的性能的話，可以將分離器單元組串聯(lián)連接。然而，所述串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有某些問(wèn)題，例如增加了進(jìn)料和滲透氣流的壓降。此外，需要額外的料口和連接串聯(lián)滲透氣流的“導(dǎo)管”；另一方面，如果不將滲透氣流串聯(lián)連接，則潛在的性能增加被損失。
為了改善上述膜氣體分離過(guò)程的性能，需要具有尤其在殼側(cè)上改善流動(dòng)分布的分離單元。
一般而言，所述殼側(cè)邊界層的傳質(zhì)系數(shù)遠(yuǎn)大于所述纖維的固有滲透系數(shù)，因此對(duì)有效滲透系數(shù)的影響很小。然而，如果所述空心纖維中的快速氣體的固有滲透系數(shù)在大小上可以與外部傳質(zhì)系數(shù)相比或比其大的話，則所述有效滲透系數(shù)受到外部傳質(zhì)系數(shù)值的限制；因而，當(dāng)增加外部傳質(zhì)系數(shù)時(shí)，將得到改善的性能。在制備空心纖維過(guò)程中，使用高氣體滲透性物質(zhì)時(shí)，可以出現(xiàn)此種情況。
盡管上述討論限于氣體的分離，包括一束空心纖維膜的分離器單元也用于下列操作中氣/液接觸、全蒸發(fā)過(guò)程、反滲透、滲析、超濾及微量過(guò)濾，在其每一種情況下，所述外部傳質(zhì)系數(shù)在其性能中起著重要作用。因而，外部傳質(zhì)系數(shù)方面的改善將產(chǎn)生改善的性能及或許容許使用較小的單元，從而導(dǎo)致在總體系和操作成本上的降低。
流體需要分布到所述纖維的殼側(cè)和/或由該纖維的殼側(cè)轉(zhuǎn)移。一般進(jìn)料分布到靠近管板之一的空心纖維束的外部。其產(chǎn)物，即非滲透物離開(kāi)所述纖維束的外部并被導(dǎo)入噴嘴或所述殼狀容器中的其它部件中。在某些設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以安裝罐或?qū)Ч芤员阈纬捎糜趯⒘黧w分布到所述纖維束的外部或由纖維束外部向外分布的環(huán)形導(dǎo)管。所述流體必須在所述纖維束的外部和內(nèi)部之間通常以徑向流動(dòng)。因此，流體沿著該纖維束長(zhǎng)度通過(guò)的流路在其長(zhǎng)度上變化。例如，如果所述流體由所述纖維束的外部進(jìn)出，則在所述纖維束的內(nèi)部與外部區(qū)域相比下，它將經(jīng)歷較長(zhǎng)的流路，即L+2R(中心)比L(沿著其外部)，其中L是所述纖維束的長(zhǎng)度，R是半徑。
因?yàn)榱黧w流動(dòng)速度取決于流路的長(zhǎng)度和施加的壓差，可以很快地顯示出沿著內(nèi)部的較長(zhǎng)的流路預(yù)計(jì)產(chǎn)生較低的局部速度。因?yàn)檫w移過(guò)程取決于每單位遷移面積的相對(duì)流量，預(yù)計(jì)在所述纖維束內(nèi)部的纖維與其外部的纖維按不同方式進(jìn)行。因此，在所述空心纖維性能上將產(chǎn)生徑向不均勻。
在徑向與軸向流動(dòng)阻力上的差異進(jìn)一步加重了上述現(xiàn)象。一般徑向阻力(即橫向阻力)顯著高于軸向阻力。當(dāng)在所述纖維束中心測(cè)定的流量與在所述纖維束外部測(cè)定的流量相比較，它導(dǎo)致軸向流量的不均勻性。如果殼進(jìn)入氣流或任何流出氣流經(jīng)中心管或?qū)Ч苓M(jìn)入或轉(zhuǎn)移出去的話，預(yù)計(jì)出現(xiàn)類似的不均勻性。
盡管上述討論限于氣體的分離，包括一束空心纖維膜的分離器單元也用于下列操作中氣/液接觸、全蒸發(fā)過(guò)程、反滲透、滲析、超濾及微量過(guò)濾，在其每一種情況下，在所述殼側(cè)上流體流動(dòng)分布的均勻性在其性能中起著重要作用。因而，在殼側(cè)流動(dòng)分布的均勻性方面的改善將產(chǎn)生改善的性能及或許容許使用較小的單元，從而導(dǎo)致在總體系和操作成本上的降低。
當(dāng)需要分離器設(shè)計(jì)具有低的L/D(L/2R)縱橫比時(shí)，使在流道長(zhǎng)度和流徑阻力(path resistance)方面的差異增強(qiáng)。在此情況下，L+2R顯著大于L，導(dǎo)致固有流動(dòng)分布方面的困難。當(dāng)在所述中心孔和/或殼側(cè)上的壓降是決定性因素時(shí)，這尤其是個(gè)問(wèn)題。在這種應(yīng)用中，需要降低L。
已經(jīng)做出許多努力，以便改善所述流動(dòng)分布或有效的傳質(zhì)系數(shù)。例如，美國(guó)專利第3339341號(hào)中，Maxwell等人介紹了一種滲透裝置，其中環(huán)繞所述空心纖維束放置一個(gè)軟套筒，以便壓實(shí)該纖維束及從表面上獲得高的壓實(shí)密度。然而，由于以上所述因素，在該裝置中整個(gè)所述纖維束截面仍然存在流量的不均勻分布。
美國(guó)專利第3503515號(hào)中，Tomsic公開(kāi)一種滲透裝置，其中將所述空心纖維間的孔隙基本上用惰性粉碎固體粒子填充。表面上，該惰性粉碎固體粒子降低了孔隙量，因而使得所述流體進(jìn)料與空心纖維的總的外表面接觸。然而，預(yù)料該裝置將具有在徑向上增加的很大的流體阻力，從而阻止所述流體滲透空心纖維束中，引起經(jīng)過(guò)所述纖維束截面非常不均勻的軸向流動(dòng)。此外，該裝置難于制造及在操作過(guò)程中，經(jīng)過(guò)殼側(cè)的流體引起粒子運(yùn)動(dòng)并導(dǎo)致纖維外表面的磨損。此外也存在因粒子遷移和其由分離器的損失造成的下游設(shè)備的污染。
美國(guó)專利第3989626號(hào)中，Bentley等人介紹了一種空心纖維裝置，其中在沿著纖維長(zhǎng)度的孔隙間隔上以垂直于該纖維方向編織惰性絲，以使該纖維變形，從而產(chǎn)生湍流和降低擴(kuò)散阻力。盡管可以影響徑向的流動(dòng)阻力，所述纖維的變形使得纖維孔縮小，因此增加纖維孔中的壓降。該壓降對(duì)于氣體分離方法的效率不利。
美國(guó)專利第4066553號(hào)中，Bardonnet等人介紹了一種空心纖維束，其中使空心纖維留有間隔并通過(guò)螺旋狀纏繞所述纖維的像絲樣的元件使其彼此不接觸。其目的是防止“死區(qū)”和提供具有更高的接觸效率和低壓降的小型設(shè)備。然而，預(yù)計(jì)該裝置具有單位體積下較低的活性面積，這是由于間隔所用絲的存在，只能將較少的纖維裝入分離器中所造成的。
美國(guó)專利第4276249號(hào)中，Holladay介紹了改善分離器中軸向流動(dòng)的方法，其中使纖維束末端熱封，使所述纖維彼此粘合在一起。為分開(kāi)該纖維束末端的纖維，將插入物質(zhì)置于來(lái)自該纖維束末端的纖維束中，以便在該纖維束的末端提供一個(gè)流體通道。該流體通道為軸向的并且只提供到插入物質(zhì)所置于纖維束中之處。
美國(guó)專利第4293812號(hào)中，F(xiàn)ujii等人介紹了一種包括一束空心纖維的單元，其中將由花色紗組成的隔離紗螺旋狀纏繞在一根或兩根纖維上。所述隔離紗的表觀厚度為所述空心纖維外徑(其外徑為50-600微米)的0.5-3倍。其繞組是有規(guī)則的，環(huán)繞每根空心纖維的隔離紗的繞組數(shù)目按每10毫米長(zhǎng)度的空心纖維為0.5-20。在所述分離器中空心纖維的填集比率為30-78％。其目的基本上與上述Bardonnet等人的專利目的相同，其問(wèn)題及建議解決的方法也相同。此外，如欲獲得高達(dá)60％或以上的空心纖維填集比率，則必須塞入一定束的空心纖維，以便在加入流體分離器的管形套以前，獲得減小的直徑。該塞入過(guò)程可能伴隨著對(duì)該空心纖維的損傷，因此伴隨很差的組合收率。
世界專利申請(qǐng)WO 95/34373中，Reinhart等人介紹了一種包含空心纖維膜的滲析器，其中每一個(gè)膜具有在所述纖維的外表面上形成的螺旋狀的單絲隔離物。所述隔離物為空心纖維直徑的9-18％。該隔離物防止一根纖維與沿著該纖維長(zhǎng)度的另一根纖維接觸，并劃定界限和保持在相鄰膜的外表面之間所述相隔距離的一致。
美國(guó)專利第5236665號(hào)中，Mathewson等人介紹了一種空心纖維裝置，其中在相鄰空心纖維之間用惰性纖維隔開(kāi)構(gòu)成經(jīng)紗，然后另加的惰性纖維構(gòu)成緯紗橫向于經(jīng)紗延伸，以另一種交錯(cuò)方式在經(jīng)紗上下，形成一塊空心纖維織物。所述目的為降低所述空心纖維裝置的孔隙體積及產(chǎn)生經(jīng)過(guò)所述截面的均勻流動(dòng)。所提供的空心纖維編織形式引起纖維填充密度上的大大的降低，因而減小了所述單元的活性面積和分離容量。
本發(fā)明提供包含一束空心纖維膜的分離器單元，其中改善了殼側(cè)流動(dòng)分布的均勻性及增加有效傳質(zhì)系數(shù)，導(dǎo)致該單元性能上的改善。
本發(fā)明提供一種流體分離單元，它包括含有縱向置于所述單元中的一束空心纖維膜的殼或套管，所述纖維束的至少一端延伸入和貫穿管板。一個(gè)間隔物(spacer)基本垂直插入所述纖維膜中，以使所述間隔物附近的孔隙容積重新定向及提供所述間隔物周圍的孔隙或流道，以使流體按照所述纖維束軸的橫向流動(dòng)。將所述間隔物以至少為纖維束半徑的25％的長(zhǎng)度插入接近管板或料口的纖維束中。由該間隔物提供的橫向流道使流體流入和/或流出所述纖維束的中心，因而改善所述纖維束中纖維外部上的軸向流動(dòng)分布的均勻性。所述間隔物的取向可以為相對(duì)所述纖維束直徑平面的+/-60°。
通過(guò)用一根棒或間隔物仔細(xì)分隔所述纖維束，當(dāng)所述間隔物橫向通過(guò)所述纖維束時(shí)，沿著該間隔物占據(jù)的通道產(chǎn)生一個(gè)孔隙。最好是沿著接近管板或料口纖維束的直徑或弦長(zhǎng)的纖維的橫向產(chǎn)生所述孔隙。該孔隙提供比所述纖維束較低流動(dòng)阻力的橫向或徑向流道。因?yàn)樵跈M向流道中，存在很小的微不足道的流動(dòng)阻力，所以徑向壓力率被大大地降低。因而，在所述纖維束的殼側(cè)的進(jìn)出口之間軸向流動(dòng)通道的長(zhǎng)度變得基本相等。其結(jié)果改善了殼側(cè)上流動(dòng)分布的均勻性。
通過(guò)在在所述纖維束中插入多個(gè)間隔物，可以產(chǎn)生多個(gè)流道。該間隔物可能有不同的幾何取向，例如以相同間隔角使所述間隔物徑向貫穿其直徑或作為弦提供與所述纖維束軸成橫向的直角、三角或其它直角坐標(biāo)系幾何形狀的流道。
可以在所述管板形成以后或最好在所述管板鑄塑以前插入所述間隔物?？梢栽谒隼w維束形成期間插入所述間隔物并產(chǎn)生流道。在這種情況下，可以用固定物將所述間隔物固定在纖維束的外部或?qū)⒃撻g隔物的一部分嵌入所述管板的環(huán)氧樹(shù)脂中。
在已將所述間隔物插入纖維束中后的某些情況下，可以將該間隔物除去，留下包括從新取向的孔隙容積的流道。在一種情況下，在除去所述間隔物后，通過(guò)填充所述管板鑄塑模到某一程度即與所述間隔物產(chǎn)生的流道的至少一部分交叉可以使所述流道保存或保留。
所述間隔物的總尺寸和所述纖維的剛性決定該孔隙體積和通道寬度和高度。該間隔物的數(shù)量、取向和總長(zhǎng)度決定在所述纖維束中流動(dòng)分布的均勻性。通過(guò)以相互平行和間隔一定距離插入多個(gè)間隔物，也可以調(diào)節(jié)流道的高度。
迄今為止，已經(jīng)介紹的間隔物均為棒狀物。其它形狀和材料也可以提供滿意的間隔物。例如，可以將網(wǎng)狀的間隔物嵌入所述纖維束中和/或固定在所述管板上。另外，所述間隔物可以是I-形條、半圓截面的棒、多孔管、圓柱形隔網(wǎng)等。最好所述間隔物的形狀可以使其容易插入所述纖維束中，而不引起對(duì)纖維的任何損害。
可以產(chǎn)生不同寬度或尺寸的通道，例如最好選用與殼側(cè)料口匹配的大的通道，以提供直接進(jìn)出所述纖維束的流體流動(dòng)，從而不需要環(huán)繞該纖維束的環(huán)形孔隙。產(chǎn)生大的通道的插入具有一定角度的間隔物最為有利。
本發(fā)明也能用于中心孔側(cè)進(jìn)料和殼側(cè)進(jìn)料的方法。典型的在氣體分離上的用途包括由空氣中制備氮?dú)?，由煉油廠氣流中回收氫氣或從清洗流出物中回收氨氣，氣體例如空氣和天然氣的脫水等。本發(fā)明也應(yīng)用于全蒸發(fā)、氣/液接觸法和液體分離例如反滲透、滲析和超濾。
適合于本發(fā)明的用途包括流體分離，例如固體、液體、氣體或它們混合物的分離。氣體分離包括例如由壓縮空氣制備高純度氮?dú)獾姆蛛x，由煉油廠流出物中分離氫氣和清洗氣中分離氨氣，調(diào)節(jié)合成氣中氫氣/一氧化碳的比例，從天然氣中除去二氧化碳和硫化氫的酸性氣體，由天然氣中除去氮?dú)?，由空氣中制備高濃度的氧，烯烴的分離(例如乙烯與丙烷的分離)，由天然氣中除去水，由壓縮氣體中除去水等?？梢员环蛛x的其它合適的氣體混合物為含有氫、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氦、氮、水蒸氣或烴類中至少一種的氣體混合物。
本發(fā)明也適用于氣/液接觸操作，例如溶解或除去水或其它液體中的二氧化碳或氧或氮。例如，可以將一種氣體溶解在一種液體中或由一種液體中除去，達(dá)到預(yù)定的濃度，其做法為將所述液體置于預(yù)定壓力下；將該加壓的液體轉(zhuǎn)移到氣/液接觸器單元的空心纖維膜的一側(cè)，所述接觸器單元包括一束內(nèi)外徑基本一致的空心纖維膜，該纖維束具有基本垂直插入所述纖維的間隔物以使該間隔物周圍的空隙容積重新取向并為與所述纖維束軸成橫向的流體提供流道，該間隔物以至少為所述纖維束半徑的25％的長(zhǎng)度被插入接近管板或料口的纖維束中；在與所述液體側(cè)相反的空心纖維膜一側(cè)，具有負(fù)壓氣體；通過(guò)以適當(dāng)份量增加或降低在所述氣化部分中溶解氣體的分壓，以便增加或降低在所述液體中溶解氣體的量，得到預(yù)定濃度的溶解氣體。此外，本發(fā)明的分離單元也適合流體的全蒸發(fā)、反滲透、滲析、超濾、微濾等，無(wú)論該流體為固體、液體、氣體還是它們的混合物。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的部分?jǐn)嗔蚜⒚鎴D；圖2為沿圖1的2-2線所取分解透視圖；圖3為沿圖2的3-3線所取截面的側(cè)視立面圖；圖4為描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例結(jié)果的曲線；和圖5為描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例結(jié)果的曲線。
圖1介紹本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。氣體分離單元10具有一個(gè)殼側(cè)進(jìn)料口14和一個(gè)中心孔側(cè)進(jìn)料口12以及一個(gè)殼面出料口18和一個(gè)中心孔側(cè)出料口。所述空心纖維26被包括在單元10內(nèi)的纖維束中。將束狀纖維26的每一端裝入樹(shù)脂狀物中，該空心纖維26貫穿該樹(shù)脂(管板)20。在所述單元10的每一端接近管板20處，將水平間隔物28和垂直間隔物30插入所述纖維束中，每一個(gè)間隔物基本垂直于在該纖維束中的軸向流動(dòng)。
在圖2中描述了間隔物28和30及它們插入該纖維束中的位置。圖2為顯示插入間隔物28和30與總的纖維束26之間關(guān)系的纖維束的分解透視圖，產(chǎn)生與所述纖維26殼側(cè)上軸向氣體流動(dòng)成橫向的孔隙通道。
圖3為沿圖2的3-3線所取截面的側(cè)視立面圖，其中間隔物28和30清晰可見(jiàn)，由該間隔物產(chǎn)生的孔隙通道也清晰可見(jiàn)。
實(shí)施例1所形成的包括一束空心纖維和兩個(gè)管板的一個(gè)分離器單元，其中所述纖維具有的OD(外徑)為325微米。該單元約3英尺長(zhǎng)，具有的直徑約為4英寸。在表1所示條件下，采用殼側(cè)進(jìn)料為所示單元進(jìn)行空氣干燥試驗(yàn)。在所述組成和預(yù)試驗(yàn)的纖維束中，將三個(gè)隔離物以相隔約120°插入所述纖維束的每一端接近進(jìn)料口和非滲透管板處。采用殼側(cè)進(jìn)料進(jìn)行兩個(gè)試驗(yàn)。采用間隔物的第一個(gè)試驗(yàn)顯示通過(guò)加入該間隔物，在相同的非滲透流速下，非滲透露點(diǎn)降低由34.7℃提高到40.6℃。在保持相同的露點(diǎn)降低，而將非滲透流速增加約25％下進(jìn)行下一個(gè)試驗(yàn)，因而得到在有間隔物存在比沒(méi)有間隔物存在下更高的產(chǎn)率。
在加入間隔物前和加入間隔物后，進(jìn)行橫過(guò)該纖維束的滲透露點(diǎn)的測(cè)定。在加入所述間隔物前，滲透露點(diǎn)變化由在纖維束外部的10℃到接近中心的-13℃。在加入所述間隔物后，其露點(diǎn)變化降低為在纖維束外部的約7℃到在中心的約0.5℃。
給定氣體的滲透系數(shù)為在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，就單位部分壓降而言，每秒通過(guò)每平方厘米表面積的膜的氣體體積，表示為K0＝標(biāo)準(zhǔn)cc/cm2.sec.cmHg，其中標(biāo)準(zhǔn)cc在0℃，760cmHg下測(cè)定。K0以單位1×10-6cc/cm2.sec.cmHg代表水的總傳質(zhì)系數(shù)。
在沒(méi)有間隔物的試驗(yàn)A中，其露點(diǎn)由19.7℃降低到-15℃，純的露點(diǎn)降低為34.7℃。在有間隔物的試驗(yàn)B中，其露點(diǎn)由18.1℃降低到-22.5℃，純的露點(diǎn)降低為40.6℃。在有間隔物的試驗(yàn)C中，進(jìn)料速度較大及非滲透產(chǎn)物的流速要高約27％，同時(shí)保持露點(diǎn)降低與試驗(yàn)A相同的值。應(yīng)注意的是，就采用間隔物的單元而言，在與試驗(yàn)A(無(wú)間隔物)同樣產(chǎn)物流速下，試驗(yàn)B顯示明顯更大的露點(diǎn)降低(約19％)。在試驗(yàn)C中，其產(chǎn)物流速增加27％，而其露點(diǎn)降低與試驗(yàn)A(無(wú)間隔物)相同。因而，在同時(shí)完成所需要的空氣干燥下，顯然所述間隔物提供在露點(diǎn)降低和/或高的產(chǎn)物流速方面的改善。
實(shí)施例2形成具有包括一束OD為326微米的空心纖維的一個(gè)管板的分離器單元。插入的間隔物為具有OD為3/32”(2381微米)的一段尼龍編織物線段。將所述間隔物以矩形網(wǎng)格間隙插入接近所述纖維束的殼側(cè)進(jìn)料和出料截面處。在插入所述間隔物前后作為采用殼側(cè)進(jìn)料的空氣干燥器，進(jìn)行對(duì)該單元的試驗(yàn)。其結(jié)果列于下表2中。
應(yīng)該注意的是，當(dāng)在所述分離單元中存在間隔物時(shí)，與不存在間隔物相比，其露點(diǎn)降低增加約31％。此外，水的滲透系數(shù)K0幾乎為原值的兩倍。
表1
A＝無(wú)間隔物Pres＝壓力 Dep＝降低B＝有間隔物DP＝露點(diǎn) Perm＝滲透C＝有間隔物slpm＝標(biāo)準(zhǔn)升數(shù)/分鐘 Vel＝速度表2
D＝無(wú)間隔物E＝有間隔物實(shí)施例3通過(guò)以纖維填充密度為45.9％，將一束聚酰亞胺空心纖維置于所述單元?dú)?nèi)，組成一個(gè)內(nèi)徑為3.9”和空心纖維的活性長(zhǎng)度約39”的分離器單元。將所述纖維束的兩端封裝，使所述管板的端部開(kāi)口，以暴露出纖維中心孔。該纖維的活性面積為479平方英尺。該單元?dú)ぴ谠搯卧拿恳欢丝拷龉馨逄幱?個(gè)進(jìn)出口，以使氣體在該纖維的殼側(cè)上流動(dòng)。在無(wú)任何間隔物的情況下，試驗(yàn)該單元干燥空氣的性能。然后，在該單元上安裝兩個(gè)間隔物，它們以基本垂直于空心纖維的軸向插入每端殼料口中。所述間隔物彼此間隔90度。所述單元在其兩端也安裝有料口，以便氣體在所述纖維的中心孔側(cè)流動(dòng)。然后，將該單元置于帶有法蘭端帽的外層鋼殼中。提供一個(gè)密封件以便防止在進(jìn)料和非滲透物間的泄漏。
所進(jìn)行的該單元的空氣干燥試驗(yàn)如下將濕空氣由入口提供給所述纖維的殼側(cè)。該濕空氣具有的露點(diǎn)為15-25℃及在室溫下約100磅/平方英寸(表壓)的壓力。將非滲透的干燥產(chǎn)物由該單元相反一端的殼出口排出。使該干燥的非滲透物的一部分經(jīng)減壓處理，并作為清除氣(sweep)提供到與進(jìn)料成逆流的所述纖維的中心孔側(cè)，以便增加水滲透的推動(dòng)力。記錄流速、氧的百分含量、壓力、溫度和非滲透物的露點(diǎn)、清除和滲透。在幾種不同的進(jìn)料和清除流速下進(jìn)行試驗(yàn)，以便改變出水量。該數(shù)據(jù)被用來(lái)計(jì)算來(lái)自理想逆流流動(dòng)模式下水的滲透系數(shù)。
由所述纖維的代表性樣品組成的試驗(yàn)回路被用來(lái)測(cè)定水的固有K0。該值只取決于纖維結(jié)構(gòu)，與單元設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)。流動(dòng)的分布不良狀況和其它因素使得所述單元的K0小于固有K0，所述單元的K0與固有K0的比值代表效率因子。在兩種情況(1)無(wú)間隔物，和(2)在每端有兩個(gè)間隔物下的結(jié)果在圖4中用曲線表示，效率因子作為縱坐標(biāo)，進(jìn)料水/非滲透水的比值作為橫坐標(biāo)。其結(jié)果表明就進(jìn)料水/非滲透水比值在約10～50范圍內(nèi)而言，在所述每端具有兩個(gè)間隔物的試驗(yàn)的效率因子一般比無(wú)間隔物試驗(yàn)高1-4％。
通過(guò)管板的滲透氣體的水濃度的變化是所述單元?dú)?cè)上流動(dòng)分布均勻性的可靠的顯示器。通過(guò)經(jīng)滲透?jìng)?cè)管板的表面移動(dòng)取樣頭，在間隔60°的三個(gè)徑向軸上進(jìn)行測(cè)定并記錄下露點(diǎn)作為位置的函數(shù)。其結(jié)果為平均值，滲透水ppm與距所述管板中心距離關(guān)系的曲線示于圖5中。根據(jù)由水物料平衡確定的平均滲透水濃度使?jié)B透水ppm標(biāo)準(zhǔn)化。在所述空心纖維束的每一端有兩個(gè)間隔物試驗(yàn)顯示比無(wú)間隔物試驗(yàn)更平坦?jié)B透水的外觀。這表明當(dāng)存在間隔物時(shí)，流動(dòng)分布的均勻性得以改善，從而證實(shí)存在間隔物獲得的改善的性能。
權(quán)利要求
1.一種流體分離裝置，它包括(a)具有基本為圓筒形和至少三個(gè)料口(port)的單元；(b)一束空心纖維膜縱向置于該單元內(nèi)，所述纖維束的至少一端延伸及貫穿管板；和(c)至少一個(gè)間隔物基本垂直插入所述纖維膜中，以使所述間隔物附近的孔隙容積重新定向，以便為與所述纖維膜束的軸橫向流體提供流道，以改善所述纖維膜束中的纖維外側(cè)軸向流動(dòng)分布的均勻性，所述間隔物在接近至少一個(gè)管板或料口位置上被插入該纖維束中。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中所述間隔物具有的長(zhǎng)度至少約為所述纖維束直徑的約25％，多至約為該單元的內(nèi)徑。
3.權(quán)利要求1的裝置，其中所述間隔物為一根棍。
4.權(quán)利要求1的裝置，其中所述膜選自下列物質(zhì)(a)聚合物、連皮、不對(duì)稱空心纖維；(b)密壁、聚合物空心纖維；(c)薄壁、復(fù)合聚合物空心纖維；(d)通過(guò)反應(yīng)活性物質(zhì)表面改性的聚合物空心纖維；(e)含有活性轉(zhuǎn)移劑的聚合物空心纖維；(f)具有選擇層的多孔、陶瓷材料的空心管；(g)離子轉(zhuǎn)移、陶瓷材料的空心管；(h)玻璃纖維；和(i)碳纖維。
5.權(quán)利要求1的裝置，其中所述空心纖維膜由選自下列成分的聚合物制備而成取代或未取代的聚砜、聚苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-乙烯基芐基鹵共聚物、聚碳酸酯、乙酸纖維素、丙酸纖維素、乙基纖維素、甲基纖維素、硝基纖維素、聚酰胺、聚酰亞胺、芳基聚酰胺、芳基聚酰亞胺、聚醚、聚醚酰亞胺、聚芳醚、聚苯醚、聚對(duì)二甲苯醚、聚酯酰胺-二異氰酸酯、聚亞胺酯、聚酯、多芳基化合物、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚丙烯酸烷基酯、聚對(duì)苯二甲酸亞苯酯、多硫化物、聚硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯-1、聚-4-甲基戊烯-1、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚丙酸乙烯酯、聚乙烯吡啶、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚、聚乙烯酮、聚乙烯醛、聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯胺、聚磷酸乙烯酯、聚硫酸乙烯酯、聚縮醛、polyallyl、聚苯并苯并咪唑、聚酰肼、聚噁二唑、聚三唑、聚苯并咪唑、聚碳二亞胺、聚膦嗪、聚環(huán)氧丙烷和上述化合物的共聚合物、嵌段共合聚物、共聚物、嵌段共聚物、接枝聚合物和共混物。
6.權(quán)利要求1的單元，其中所述空心纖維膜的壓實(shí)密度為約10-約75％。
7.用于流體在分離裝置中的內(nèi)部分布的方式包括(a)一個(gè)分離單元包括縱向布置在該單元中的一束空心纖維膜，至少所述纖維束中纖維的一端貫穿和延伸經(jīng)過(guò)管板，在所述纖維束中的空心纖維膜之間存在空隙容積；和(b)一個(gè)間隔物插入所述纖維束中，通過(guò)使所述間隔物附近的孔隙容積重新定向，以便為流體提供流道，所述流道對(duì)所述纖維束軸成橫向，使流體流向所述纖維束的內(nèi)部，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)所述纖維束軸向流動(dòng)方面的改善。
8.通過(guò)使至少一種流體選擇性滲透通過(guò)一束空心纖維膜(其內(nèi)徑和外徑基本上是均勻的)，將流體混合物中的至少一種流體與所述流體混合物中的至少另一種流體分離的方法，所述纖維束具有至少一個(gè)基本垂直插入所述纖維膜中的間隔物，以使所述間隔物附近的孔隙容積重新定向，以便為對(duì)于所述纖維膜束軸成橫向的流體提供流道，以改善在所述纖維膜束中纖維外部上軸向流動(dòng)分布的均勻性，所述方法包括(a)使所述流體混合物與空心纖維膜的一個(gè)面接觸，就該流體混合物的至少一對(duì)流體而言，所述空心纖維膜顯示對(duì)該對(duì)流體中一種流體的選擇滲透性大于對(duì)其中另一種流體的選擇滲透性；(b)使至少一種滲透流體滲入并通過(guò)所述空心纖維膜；和(c)由所述空心纖維膜的相反面轉(zhuǎn)移經(jīng)滲透過(guò)的產(chǎn)物，它具有的所述流體混合物中至少一種流體的比例不同于該流體混合物中的至少一種流體與至少另一種流體的比例。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述流體混合物為氣體混合物。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所述氣體混合物為空氣，并使水蒸氣和二氧化碳透過(guò)所述空心纖維膜并從剩下的氣體混合物中除去，產(chǎn)生出降低了二氧化碳含量的基本上干燥的空氣。
11.權(quán)利要求8的方法，其中所述流體混合物為氣體和液體的混合物。
12.權(quán)利要求8的方法，其中所述流體混合物為液體的混合物。
13.用于控制液體中溶解氣體量到預(yù)定水平的方法，它包括(a)將所述液體置于預(yù)定壓力下；(b)將所述加壓的液體轉(zhuǎn)移到包含一束其內(nèi)外徑基本一致的空心纖維膜的氣/液接觸器單元的殼側(cè)或中心孔側(cè)，所述纖維束具有至少一個(gè)基本垂直插入所述纖維膜中的間隔物，以使所述間隔物附近的孔隙容積重新定向，以便為對(duì)所述纖維膜束軸成橫向的流體提供流道，以改善在所述纖維膜束中纖維外部上軸向流動(dòng)分布的均勻性，所述間隔物被插入所述纖維束中；(c)在所述空心纖維膜與所述液體相反一側(cè)有氣體；和(d)通過(guò)在一定壓力下，增加或降低所述氣體中溶解氣體的分壓到適當(dāng)量，來(lái)增加或降低在該液體中溶解氣體的量，以便得到預(yù)定水平的在所述液體中的溶解氣體。
全文摘要
本發(fā)明涉及特別適用于氣體分離的分離器單元,其中所述單元包括一束基本平行取向的空心纖維。為了改善通向所述纖維束中心的氣體的徑向流動(dòng),將至少一個(gè)間隔物以垂直于所述纖維的方向,在接近一個(gè)料口或管板處置于該纖維束中,以便產(chǎn)生供氣體以徑向向該纖維束中心流動(dòng)的通道。
文檔編號(hào)B01D71/00GK1191767SQ9710879
公開(kāi)日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1997年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月18日
發(fā)明者D·J·斯圖克, D·G·卡爾特霍德, T·J·布羅克曼 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司