專利名稱：具有內(nèi)掃氣的空心纖維隔膜干燥器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使氣體脫水的設(shè)備和方法，其中該設(shè)備是由具有脫水能力的空心纖維隔膜構(gòu)成的。更具體地說，本發(fā)明涉及一種隔膜氣體分離模件，該模件提供內(nèi)逆流掃氣和使用該模件的方法。
使用一個(gè)對流體混合物中的一種流體要較該混合物中的其他流體更具滲透性的隔膜來從該混合物中分離出該種流體是眾所周知的。使流體混合物與兩側(cè)保持有壓差的隔膜的一側(cè)接觸，則可滲透的流體將會(huì)滲透過隔膜流到其另一側(cè)，借此，就將該流體從流體混合物中分離出來。
在目前的例子中，水份或其他迅速擴(kuò)散的氣體是從其他較慢擴(kuò)散的氣體中分離出來的。例如，在空氣或天然氣的干燥中，水份滲過隔膜的速率是隔膜的相反兩側(cè)水份局部壓力差的函數(shù)。如果這些局部壓力是一樣大小，則沒有水份會(huì)滲過隔膜。這就會(huì)在希望對含有較少量水份的氣體混合物進(jìn)行干燥時(shí)存在一個(gè)問題。
由于水的高的滲透選擇性，在隔膜滲透側(cè)的水蒸氣的局部壓力可以達(dá)到供給側(cè)的壓力，因此，水的滲透速率非常低。解決此問題的一個(gè)方法是在滲透側(cè)使用掃氣。該掃氣沖淡了被滲透的水的濃度，并降低了在滲透側(cè)的水蒸氣局部壓力，借此產(chǎn)生水的較高滲透速率。
曾經(jīng)作過若干次努力為隔膜的滲透側(cè)提供掃氣，以便使更多的水滲過該隔膜。例如在美國專利353611中，公開了一種隔膜裝置，該膜裝置使用掃氣流以便從流體穿過其滲透的空心隔膜束掃去被滲透的流體。掃氣流從纖維束的相反端被引入，顯然可見，為了將掃氣流引入該裝置內(nèi)需設(shè)置外部管道和閥等。這種管道和閥增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
在美國專利4687578中，纖維長度的大部分被包覆起來以減小含有水份的氣體的滲透速率，而在組件非滲透端處的余下的纖維長度則不加以涂覆或只是部分地涂覆，其中含有水份的氣體滲透得很快，借此在與供給氣體逆流的滲透側(cè)提供了掃氣。但是，只在纖維的一部分上涂覆選定的涂料，例如在美國專利4230463中定義的缺陷修復(fù)材料，而留下纖維其余部分不加涂覆是困難的。
在美國專利4783201中，隔膜未加以涂覆，在試圖在滲透側(cè)提供掃氣流時(shí)，隔膜的受控的孔隙率沿纖維的長度實(shí)現(xiàn)。這里又需要一個(gè)特殊的程序來對空心纖維隔膜的材料加以處理，以改變隔膜的孔隙率。在組件的潮濕供料端要求較低的孔隙率，而在成品端則需要較高的孔隙率，以使含有水份的氣體有較高的滲透速率，借此在滲透側(cè)提供逆流掃氣。
而且，如果用一種會(huì)導(dǎo)致載流氣體具有較低滲透性的方法生產(chǎn)用于組件中的纖維，則如上述專利，即美國專利4687378和4783201，中所描述的那樣，經(jīng)穿過纖維的滲透提供掃氣可能不是一個(gè)可行的選擇?？梢詫?dǎo)致載流具有較低滲透性的纖維生產(chǎn)方法的實(shí)例尤其包括濕紡相位轉(zhuǎn)化法(wet Spinning phase inversion)，溶液涂漬法、界面聚合法。本發(fā)明在采用對載流具有較低滲透性的纖維時(shí)為組件提供了滲透側(cè)內(nèi)掃氣。
在用于氣體分離組件的空心纖維隔膜的一般生產(chǎn)中，纖維一般要用涂覆材料加以后處理以修復(fù)隔膜中的缺陷，借此增加其用于氣體分離的選擇性。迄今，作過缺陷修復(fù)處理的隔膜已發(fā)現(xiàn)不適用于脫水方法中，因?yàn)檫€沒有研制出能令人滿意地提供掃氣流的方法。前面的方法因上述原因而不適合。
本發(fā)明提供一種空心纖維隔膜組件，該組件可以以一種經(jīng)濟(jì)的和易生產(chǎn)的方法在纖維滲透側(cè)提供足夠的內(nèi)掃氣。
本發(fā)明提供一種隔膜氣體分離組件，其在組件內(nèi)側(cè)設(shè)置的纖維的滲透側(cè)具有一股帶有未滲透氣體一部分的逆流掃氣。該組件是由一個(gè)細(xì)長的殼體組成的，該殼體有一個(gè)供氣進(jìn)口和在其相當(dāng)遠(yuǎn)的相對端處的一個(gè)產(chǎn)品出口和一個(gè)適當(dāng)定位的滲流出口。該殼體含有空心纖維隔膜，這些隔膜設(shè)置成從一個(gè)靠近供氣入口的第一管隔板延伸到一個(gè)靠近產(chǎn)品出口第二管隔板，空心纖維的每一端截止于一個(gè)管隔板并穿過該管隔板。該組件在第二管隔板上設(shè)置有至少一個(gè)小孔以使非滲透氣體回流到纖維的滲透側(cè)，從而提供逆流掃氣。
本發(fā)明還提供一種通過使氣體與空心纖維隔膜接觸的方式對含有水蒸氣的供給氣體進(jìn)行脫水的方法，該些空心纖維隔膜裝在設(shè)計(jì)得可承受工作壓力的組件殼體內(nèi)。供給氣體中含有的大部分水蒸氣滲透過隔膜。留下的非滲透的經(jīng)脫水的氣體的一部分在組件的內(nèi)側(cè)用來給空心纖維隔膜的滲透側(cè)提供基本上與供給氣體流逆向流動(dòng)的掃氣。余下的非滲透氣體回收為經(jīng)脫水的氣體產(chǎn)品。掃氣流量一般是非滲透的脫水氣體的凈流量的約1％至約80％，最好是約2％至約30％。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的局部截去的立視圖；圖2是圖1實(shí)施例的一小部分的放大截?cái)鄨D；圖3是圖1實(shí)施例的另一個(gè)小部分的截?cái)嘁晥D；圖4是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的局部截?cái)嗟牧⒁晥D。
參見圖1，提供了一種氣體分離組件10，其中，含有水蒸氣的供給氣體12在第一管隔板14的表面處在壓力作用下進(jìn)入空心纖維22的腔孔內(nèi)。水蒸氣滲透過纖維22并從一個(gè)出口20處流出組件10。經(jīng)脫水的氣體留在纖維22的腔孔內(nèi)并在壓力仍在作用的同時(shí)穿過第二管隔板16。短纖維24允許脫水的氣體的一部分通過短纖維腔孔回流到纖維22的滲透側(cè)，借此在纖維的滲透側(cè)提供了一股逆流掃氣，其中掃氣通過滲透口20流出。脫水氣體從口18流出。設(shè)置穿過管隔板16的短纖維24可允許經(jīng)脫水的氣體的預(yù)定部分通過管隔板16和短纖維24回流，以便在滲透壓力下提供作為纖維22的滲透側(cè)的逆流掃氣的脫水氣體。圖2更清楚地示出了該方法，其中，通過使經(jīng)脫水的氣體的一部分通過短纖維24回流的方式向纖維22的外側(cè)提供一股逆流掃氣，所有的纖維都穿過管隔板16。
在圖1中，纖維實(shí)際占據(jù)了組件內(nèi)的所有空間而沒有留下所示的開口通道。所呈現(xiàn)的該開口通道只是用來讓讀者看清楚纖維24并理解流過短纖維24以便提供逆流掃氣的的非滲透氣體的大致流動(dòng)方向。圖4的視圖更加準(zhǔn)確地圖示出纖維充滿組件的方式。
圖3圖示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中管隔板16上允許脫水的氣體的預(yù)定部分回流到纖維122的外側(cè)的微孔124是管隔板上的孔道。根據(jù)在滲透側(cè)上的纖維122的掃氣所需的脫水的氣體的量設(shè)置一個(gè)或一個(gè)以上的孔道124。
在另一個(gè)實(shí)施例中，供給氣體通過殼體上一個(gè)靠近第一管隔板的口進(jìn)入組件內(nèi)，并且干燥的產(chǎn)品流通過殼體上一個(gè)靠近第二管隔板的口流出。第二管隔板配置有與圖2和3中的纖維或孔道的類似的纖維或孔道，以便讓干燥的非滲透氣體的一部分作為一股逆流掃氣流過滲透側(cè)，即纖維腔孔。滲透的氣體通過第一管隔板流出。
圖4圖示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。一個(gè)氣體分離組件200配置有一個(gè)口212以便讓含有水蒸氣的受壓供給氣體進(jìn)入。氣體進(jìn)入空心纖維隔膜的腔孔，而水蒸氣滲透過纖維并作為滲透氣體從一個(gè)出口220流出組件200。為了提高供給氣體的脫水程度，借助一個(gè)多孔管224提供穿過一個(gè)管隔板216的脫水氣體逆流氣體流，多孔管在其一端223是開啟的以便接納從室217來的脫水氣體。而室217則形成于組件200最靠近非滲透氣體出口218的端部處。非滲透的脫水氣體流的預(yù)定部分從室217通過多孔管的端部223流入該管內(nèi)并且流過該管的圓筒形側(cè)面上的孔眼，在與供給氣體大致逆流的方向上流動(dòng)以便提供一股掃氣。逆流掃氣在空心纖維的外側(cè)上向著出口220進(jìn)發(fā)，并且?guī)е性仍诠┙o氣體中的水蒸氣的大部分的滲透氣體排出。逆流掃氣為水滲透提供了相當(dāng)高的驅(qū)動(dòng)力，從而增加了通過給定的氣體分離組件可以加以處理的氣體的量。可以加以處理的氣體的量的增加更多的抵消了用作掃氣的脫水氣體的量，這樣就增加了從組件來的干燥的非滲透氣體的總的流量。
估計(jì)噴射產(chǎn)品氣體以便吹掃隔膜的滲透側(cè)所需要的短空心纖維的數(shù)目和尺寸或該孔道或若干孔道的尺寸可以根據(jù)壓縮流在音速條件下流過一個(gè)管或微孔的理論，和所需的掃氣流量進(jìn)行計(jì)算。
掃氣流的的噴射速率取決于隔膜的選擇性滲透的特性和所選取的操作狀態(tài)。掃氣流的流率要加以調(diào)節(jié)以便獲得每單位隔膜表面較高的產(chǎn)品流的流率，并且同時(shí)滿足所需的產(chǎn)品回收，即產(chǎn)品與供料所希望的比率。為空氣的干燥，一般來說，比率S/R＝0.01-0.8，最好是0.02～0.3，其中S＝掃氣流的流速，R＝流出氣體分離組件的干燥產(chǎn)品氣體的凈流速。
通過應(yīng)用可應(yīng)用于在音速條件下流過管或微孔的壓縮流的理論對于S的給定值可以計(jì)算掃氣流噴射所需的短空心纖維或孔道的數(shù)目。
但是，計(jì)算掃氣流噴射所需的短空心纖維或孔道的數(shù)目的較佳方法是通過實(shí)驗(yàn)確定在操作條件下流過一個(gè)短空心纖維或所希望幾何形狀的孔道的流率，然后使用此信息與所希望有的掃氣流流率一起計(jì)算所需的短纖維或孔道的數(shù)目。希望短空心纖維的長度小于空心纖維長度的約25％，最好是小于約10％。
實(shí)例1一個(gè)膛孔供氣氣體分離組件是用一束聚砜空心纖維組裝成的。如圖4所示，一個(gè)管，如管224，包含有五個(gè)內(nèi)徑為470微米，長度為五厘米的空心尼龍纖維，該管在非滲透端的中心穿過管隔板。插入空心纖維束的管端是閉合的。管的另一端則是開通的以便接納非滲透氣體。該管具有若干繞管的圓周等距分布的徑向孔眼，以便允許掃氣有均勻的徑向流分布。該組件在相反的兩端設(shè)有用于供料和非滲透氣體通過的口并且在供料端設(shè)有一個(gè)殼體口讓滲透的氣體流流出?？招睦w維使用硅溶液浸涂以便修復(fù)隔膜缺陷。
氣體供料流的露點(diǎn)為100°F，并在100磅/每平方英寸的壓力和120°F的溫度下供給組件。在尼龍纖維沒有一個(gè)開啟的條件下試驗(yàn)該組件，然后是三個(gè)開啟，最后是五個(gè)開啟纖維。其結(jié)果示于下面的表1中表1
試驗(yàn)結(jié)果清楚地表示出，在基本上恒定的產(chǎn)品流率的條件下，使用非滲透氣體掃氣流時(shí)產(chǎn)品的露點(diǎn)明顯地減小。滲透流達(dá)到兩倍以上以便使供給氣體有效地干燥。實(shí)際上，最大可允許的提純比率(滲透量/供給量)可用來確定用于掃氣的噴射的短開通纖維或孔道的數(shù)目。
已認(rèn)識(shí)到，使載流滲透性低的纖維并不能滿意地用在氣體脫水方法中，因?yàn)樗母呶龀鲂詴?huì)導(dǎo)致水蒸氣在滲透側(cè)上的局部壓力接近供料側(cè)上的壓力，從而導(dǎo)致較低的水滲透率。一直以來都知道，提供掃氣流的可行方法將會(huì)有助于克服這個(gè)問題。雖然在上面提供的背景技術(shù)中描述的一些方法一直得到商業(yè)應(yīng)用，但如果載流流過纖維的滲透性低，則從操作的觀點(diǎn)來看，沒有那個(gè)方法被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)的或?qū)嵱玫?。?shí)例1證實(shí)了，使用低載流滲透性的缺陷得到修復(fù)的隔膜，本發(fā)明可以在同樣的產(chǎn)品流流率下提供較低的產(chǎn)品露點(diǎn)。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于使掃氣流位于中心或靠近中心以便有效地利用掃氣流的能力。本發(fā)明還適用于天然氣的脫水。
實(shí)例2將在實(shí)例1中處理過的空心纖維集成一束，從而制成一個(gè)氣體分離組件，其中束纖維的直徑是八英寸，纖維的實(shí)際長度是10英尺；實(shí)際的面積是6511平方英尺。在750英磅/每平方英寸和104°F溫度下將含有百萬分之600水份的天然氣供給隔膜分離器的殼體外側(cè)。將干燥的產(chǎn)品氣體的一部分通過一個(gè)微孔或短中空纖維噴射入滲透側(cè)以便提供一股逆流掃氣流。這種情況的性能模擬結(jié)果記錄于表2中。產(chǎn)品氣體在所有情況中都含有百萬分之43的水份。
表2
要指出的是，凈產(chǎn)品流率隨掃氣流流率的增加而平穩(wěn)地增加；但是，天然氣的損失(滲透量與供料量之比值)也會(huì)增大。欲使用的穿透氣流率由經(jīng)濟(jì)性和用作掃氣流的非滲透物(產(chǎn)品)的最大可接受的損失所限定。
權(quán)利要求
1.一種氣體脫水方法，其包括(a)使含有水蒸氣的供給氣體與裝在一個(gè)壓力組件內(nèi)的空心纖維隔膜接觸；(b)使供給氣體中所含的水蒸氣的大部分滲透過隔膜；(c)利用組件內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的非滲透脫水氣體的一部分給空心纖維隔膜的滲透側(cè)提供一股基本上與供給氣體流逆流的掃氣；(d)回收留下的非滲透脫水氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體脫水方法，其特征在于掃氣流量是非滲透脫水氣體的凈流量的約1％～約80％。
3.如權(quán)利要求2所述的氣體脫水方法，其特征在于掃氣流量是非滲透脫水氣體的凈流量的約2％～約30％。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體脫水方法，其特征在于供給氣體是處在至少一個(gè)大氣的壓力下。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體脫水方法，其特征在于供給氣體是由環(huán)境空氣所組成的。
6.如權(quán)利要求1所述的氣體脫水方法，其特征在于供給氣體是由烴氣組成的。
7.如權(quán)利要求1所述的氣體脫水方法，其特征在于供給氣體至少是由環(huán)境空氣、烴氣、和酸性氣體之一組成的。
8.如權(quán)利要求7所述的氣體脫水方法，其特征在于供給氣體含有二氧化碳。
9.如權(quán)利要求7所述的氣體脫水方法，其特征在于供給氣體是由每個(gè)分子具有一至三個(gè)碳原子的烴氣組成的。
10.如權(quán)利要求1所述的氣體脫水方法，其特征在于供給氣體被引入空心纖維孔的第一端并且脫水的供給氣體從空心纖維孔的第二端排除。
11.如權(quán)利要求1所述的氣體脫水方法，其特征在于供給氣體被引到空心纖維隔膜的第一外側(cè)端，脫水的供給氣體從空心纖維隔膜的第二外端排出。
12.一種特別適用于氣體脫水的隔膜氣體分離組件，其具有由組件內(nèi)側(cè)的非滲透氣體提供的逆流掃氣，該組件包括(a)一個(gè)細(xì)長的殼體，其在一端具有通到空心纖維隔膜上的供給氣體入口，而在其相當(dāng)遠(yuǎn)的相反端具有一個(gè)非滲透產(chǎn)品出口，和一個(gè)適當(dāng)放置的滲透物出口，該殼體包含(b)設(shè)置在殼體內(nèi)從靠近供給氣體進(jìn)口的第一管隔板延伸到靠近非滲透產(chǎn)品出口的第二管隔板的空心纖維隔膜，空心纖維隔膜的每一端截止于并穿過管隔板；和(c)第二管隔板上的至少一個(gè)微孔，以便讓非滲透產(chǎn)品的一部分回流到空心纖維隔膜的滲透側(cè)，從而提供一股逆流掃氣。
13.如權(quán)利要求12所述的組件，其特征在于微孔的尺寸定得能在操作條件下提供是非滲透脫水氣體的凈流量的約1％～約80％的掃氣流量。
14.如權(quán)利要求12所述的組件，其特征在于掃氣流量是非滲透脫水氣體的凈流量的約2％～約30％。
15.如權(quán)利要求12所述的組件，其特征在于微孔是第二管隔板上的孔道。
16.如權(quán)利要求12所述的組件，其特征在于微孔是第二管隔板上的多個(gè)孔眼。
17.如權(quán)利要求12所述的組件，其特征在于微孔是一個(gè)穿透第二管隔板的短空心纖維隔膜，該空心纖維隔膜的長度小于組件內(nèi)的空心纖維隔膜的平均長度的約25％。
18.如權(quán)利要求12所述的組件，其特征在于微孔是多個(gè)穿透第二管隔板的短空心纖維隔膜，其平均長度小于組件內(nèi)的空心纖維隔膜的平均長度的約25％。
19.如權(quán)利要求12所述的組件，其特征在于微孔是由一個(gè)圓筒形空心管組成的，該管穿透第二管隔板并且延伸不多于兩個(gè)管隔板之間距離的10％。該管在其延伸端是閉合的，并且具有繞該管基本上等距分布的徑向孔眼。
20.如權(quán)利要求19所述的組件，其特征在于微孔是穿透第二管隔板并延伸入空心管內(nèi)側(cè)的多個(gè)空心纖維隔膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用空心纖維隔膜使氣體脫水的方法和設(shè)備。本發(fā)明利用在組件產(chǎn)品端處的管隔板上的微孔提供隔膜的滲透側(cè)的內(nèi)掃氣流，借此，利用產(chǎn)品氣體沖掃隔膜的滲透側(cè)。
文檔編號(hào)B01D53/26GK1132658SQ9511810
公開日1996年10月9日 申請日期1995年10月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月17日
發(fā)明者W·H·摩根, L·K·布萊坎普, D·G·卡霍 申請人:珀美阿有限公司