并行供给气体分离膜元件设备制造技术

一种气体分离膜元件设备。所述组装件包括多组歧管，在所述多组歧管之间安装有膜组件的阵列，所述歧管和所述膜组件在压力容器或壳体内形成堆叠。这种堆叠式的歧管布置使得能够用待处理的气体并行地供给许多膜元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本技术涉及气体分离膜和过程。具体而言，本技术涉及一种多个膜组件包含在单壳体或压力容器中的设备，以及其用于气体分离的用途。
技术介绍
气体分离膜已用在工业领域30年左右。可获得各种类型的膜，但是几乎所有商业成功的膜都是形成为平板或中空纤维的高分子膜。对于使用而言，需要将大的膜面积装填到小的体积中。因为膜易碎，容易损坏，并且可具有有限的使用寿命，所以它们通常都是在工厂时便内置到组件或元件中。已经出现了两种主要类型的膜组件。如果膜是中空纤维的形式，则多捆或多束的纤维通常被装入圆筒形的压力壳体或管中。供给气体可以在纤维的外壳上或孔侧上流动。渗透物或残余气体可以被路由到单收集管道，它通过所述收集管道离开组件。平板膜通常被封装到螺旋缠绕组件中。螺旋缠绕组件具有中心渗透物收集管道，围绕所述中心渗透物收集管道的是缠绕的多个膜包，这些膜包与间隔件交错，以限定供给通道和渗透物通道。供给穿过膜包轴向向下通过组件；渗透物向内螺旋至收集管道。组件或元件通常被构建成标准大小。对于使用而言，元件被包含在压力壳体中。每个元件可以被包含在其自己的壳体内。这样的布置被用于中空纤维组件，例如，如果执行分离所需的组件的数量适度。被分离的气体混合物常常包括易燃或危险组分，所以壳体必须由能够安全地包含这样的组分的材料制成。另外，每个壳体需要其自己的管道系统、阀和连接结构。作为结果，壳体的成本可能远超它被设计成保持的膜元件的成本，从而使得每个元件使用一个壳体非常不具吸引力。正在使用中的是试图通过将多个组件收容在一个压力容器内来控制成本并且降低管道系统和连接结构的复杂性的布置。例如，常常将单独的螺旋缠绕组件或元件通常在多达大约六个组件的一条线上端对端地收容在单压力编码的不锈钢或碳钢管内。然而，还可能需要许多壳体。例如，在天然气处理中，被处理的原料气的体积能够大得需要使用数百或数千个压力管。膜系统的性能受到膜元件的大小和几何构型影响。对于螺旋缠绕组件和中空纤维组件二者，组件越长，对供给或渗透流体而言沿膜表面的流动路径就越长。结果能够是，从组件的一端到渗透侧、供给侧或二者上的另一端的大幅压降。例如，在较长的外壳侧供给中空纤维组件中，渗透侧上沿纤维孔的压降可以多达50psi或更多。这样的寄生压降导致供给到渗透的压力比下降和压差，并且能够对组件的通量和分离能力二者产生负面影响。相似的影响沿螺旋缠绕组件的叶片（leaves）发生。沿供给通道和渗透物通道维持可接受地低的压降意味着组件内的流体流动路径长度应当优选地较短。膜系统的性能也受到元件在壳体中的布置影响。当元件在管中端对端地连接时，按顺序在每个组件中处理待分离的气体。来自第一组件的残余作为供给流动到第二组件，以此类推。因此，该系列中的每个组件经历不同的供给流量和组成，这是因为每个后续的组件处理来自相邻的上游组件的残余气体。如果能够对元件并行地供给，则每个元件将暴露于相同的供给组成并且将以相同的阶段分割（stagecut）操作。鉴于上述问题，长期以来一直希望设计如下配置，即：能够将多个短元件收容在单壳体内，并且以能够对所有的元件并行供给的方式来收容。多年以来，已经提出了用于将多个膜组件或元件布置在单压力壳体内的各种布置，其中许多专用于反向渗透，但其中一些适用于气体分离。美国专利号3,774,771描述了一种平行安装在单壳体内的组件的组装件。所述组件被包含在供给流量管内，其连接成使得供给能够被并行地引入到若干个管，然后通过另一组管沿壳体传递回来。美国专利号4,083,780描述了一种包含平行布置的多个管的组装件，其中，多个螺旋缠绕组件按顺序安装在每个管内。美国专利4,451,369描述了一种具有多对带有歧管的渗透物收集系统的中空纤维组件的组装件。美国专利4,632,756描述了一种组装件，其中，六个中空纤维元件被安装在壳体内，并且能够并行地供给。所述组装件包括用于从每个元件单独收回渗透物的六个渗透物管。美国专利5,071,552描述了一种用于将并行供给提供给单壳体内的多个膜元件的组装件。所述元件按照端对端的顺序布置安装在壳体内。美国专利号5,238,563描述了一种其中并行收容多个膜组件或元件的组装件。供给通过壳体的纵向外壳中的嘴部引入，并且占据组件的外表面与壳体的内表面之间的空间。全部都与本申请共有的美国专利7,404,843；7,510,594；7,758,670和7,918,921公开了用于将以管的阵列保持的气体分离元件包含在单压力壳体内的各种配置。尽管有上述创新，但仍未令人满意地满足并行地向许多元件供给的需要。随着更好、更具渗透性的膜被开发出来，这种需要正变得更加紧迫。仍然需要使得许多气体分离膜组件能够被一起收容在单压力壳体中，并且优选地能够为所有的元件提供并行操作的组装件/设备。
技术实现思路
本技术具有两个方面：一种气体分离膜设备（在下文中称为“组装件”）以及一种使用所述组装件的气体分离过程。所述组装件包括压力壳体或容器，其方便地包括具有两端的圆筒形外壳，这两端中的至少一端是可移除的。通常但非必要，所述端部可以采取中凹（dished）头部的形式。所述壳体包含通过气体收集器连接的歧管的分层或成堆叠的布置，这些歧管优选地成形为在它们的轴线与所述外壳的轴线对准的情况下安装的浅鼓（shallowdrum）。所述气体收集器是基本上平行于外壳的轴线延伸的管道（pipe）或管（tube）。一种收集器是渗透物收集器，另一种是残余收集器。这些收集器穿过歧管，并且沿它们的长度间隔地穿孔，以使气体能够在歧管与收集器之间传递。所述歧管具有两种类型或两组。第一种接收来自膜元件的渗透气体并且将该气体排出到渗透物收集器。在这组中的歧管被指定为渗透物歧管。第二种类型被用于接收来自膜元件的残余气体并且将该气体排出到残余收集器。在这组中的歧管被指定为残余歧管。残余歧管和渗透物歧管在堆叠内交替。所述堆叠通常包含至少两个残余歧管和至少两个渗透物歧管，但可包含任何数量的歧管。这些歧管彼此隔开，使得膜元件的阵列或层可以被安装在它们之间。包含在一个阵列或层内的元件的数量将取决于壳体的直径，但一般将是至少五个元件并且可以是更多。在交替的歧管之间，膜元件在它们的渗透物端朝向渗透物歧管并且它们的残余端朝向残余歧管的情况下对准。在每个端部处，所述组件邻接歧管中的开口或装配到所述开口中，使得在组件与相应的歧管之间形成气密连接。因为歧管的类型交替，所以每层元件的定向与相邻层（或多层）的元件相比是相反的，如通过下面对附图的论述将变得更清楚的。所述组件可以具有可用于气体分离的任何类型，但优选地将是采用高分子膜的中空纤维或螺旋缠绕组件。所述壳体配有供给嘴，待处理的气体通过其被引入到容器的内部中。所述容器还配有残余嘴和渗透物嘴。所述残余嘴适于连接至残余收集器或允许残余收集器从所述容器中向外通过。同样，渗透物嘴适于连接至渗透物收集器或允许渗透物收集器从所述容器中向外通过。便利地，所述残余嘴和所述渗透物嘴被定位在可移除的头部上。在本技术的最一般的实施例中，上述组装件包括以下元件：（a）壳体，其包括第一端部和第二端部以及连接所述端部的圆筒形外壳，所述端部中的至少一个是可移除的头部；（b）一组至少10个气体分离膜元件，每个元件配备成接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体分离设备，其特征在于，所述气体分离设备包括：（a）壳体，其包括第一端部和第二端部以及连接所述端部的圆筒形外壳，所述端部中的至少一个是可移除的头部；（b）一组至少10个气体分离膜元件，每个元件配备成接受来自所述壳体内的供给气体，并且在渗透物端处排出渗透气体并在残余端处排出残余气体；（c）交替的渗透气体收集歧管和残余气体收集歧管的堆叠，所述堆叠在所述外壳内纵向对准，所述歧管利用安装在顺序的歧管之间的所述膜元件的子集隔开，所述子集内的每个膜元件（i）在其渗透物端与渗透物歧管相邻并且其残余端与残余歧管相邻的情况下对准，以及（ii）以气体输送关系连接至所述歧管，使得所述渗透气体可以仅进入所述渗透物歧管，并且所述残余气体可以仅进入所述残余歧管；（d）在所述外壳内纵向对准的渗透物收集器元件，其穿过所述残余歧管和所述渗透物歧管，并且以气体输送关系连接至所述歧管，使得来自所述渗透气体收集歧管的渗透气体可以进入所述渗透物收集器元件，但来自所述残余气体收集歧管的残余气体不可以进入所述渗透物收集器元件；（e）在所述外壳内纵向对准的残余收集器元件，其穿过所述残余歧管和所述渗透物歧管，并且以气体输送关系连接至所述歧管，使得来自所述残余气体收集歧管的残余气体可以进入所述残余收集器元件，但来自所述渗透气体收集歧管的渗透气体不可以进入所述残余收集器元件；（f）所述壳体中的供给入口，其适于将供给气流引入到所述壳体中；（g）所述壳体中的渗透物出口，其适于使得来自所述渗透物收集器元件的渗透气体能够从所述壳体收回；（h）所述壳体中的残余出口，其适于使得来自所述残余收集器元件的残余气体能够从所述壳体收回。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.07 US 13/9126101.一种气体分离设备，其特征在于，所述气体分离设备包括：（a）壳体，其包括第一端部和第二端部以及连接所述端部的圆筒形外壳，所述端部中的至少一个是可移除的头部；（b）一组至少10个气体分离膜元件，每个元件配备成接受来自所述壳体内的供给气体，并且在渗透物端处排出渗透气体并在残余端处排出残余气体；（c）交替的渗透气体收集歧管和残余气体收集歧管的堆叠，所述堆叠在所述外壳内纵向对准，所述歧管利用安装在顺序的歧管之间的所述膜元件的子集隔开，所述子集内的每个膜元件（i）在其渗透物端与渗透物歧管相邻并且其残余端与残余歧管相邻的情况下对准，以及（ii）以气体输送关系连接至所述歧管，使得所述渗透气体可以仅进入所述渗透物歧管，并且所述残余气体可以仅进入所述残余歧管；（d）在所述外壳内纵向对准的渗透物收集器元件，其穿过所述残余歧管和所述渗透物歧管，并且以气体输送关系连接至所述歧管，使得来自所述渗透气体收集歧管的渗透气体可以进入所述渗透物收集器元件，但来自所述残余气体收集歧管的残余气体不可以进入所述渗透物收集器元件；（e）在所述外壳内纵向对准的残余收集器元件，其穿过所述残余歧管和所述渗透物歧管，并且以气体输送关系连接至所述歧管，使得来自所述残余气体收集歧管的残余气体可以进入所述残余收集器元件，但来自所述渗透气体收集歧管的渗透气体不可以进入所述残余收集器元件；（f）所述壳体中的供给入口，其适于将供给气流引入到所述壳体中；（g）所述壳体中的渗透物出口，其适于使得来自所述渗透物收集器元件的渗透气体能够从所述壳体收回；（h）所述壳体中的残余出口，其适于使得来自所述残余收集器元件的残余气体能够从所述壳体收回。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述堆叠包括至少两个渗透物歧管和至少两个残余歧管。3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述膜元件是螺旋缠绕组件。4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述膜元件是中空纤维组件。5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述壳体具有长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·P·维恩，
申请(专利权)人：膜技术研究股份有限公司，
类型：新型
国别省市：美国;US