本发明专利技术提供一种流体分离组件和所述组件的应用方法，所述组件含有中空纤维膜束，所述纤维束中无规地散布着长丝，所述长丝的外径为约６０至约３０００微米。所述中空纤维的外径为约１００至约１０００微米。所述长丝的存在量为每根中空纤维约０．５至５根长丝。优选地，在制造纤维和／或纤维束的过程中将长丝放在纤维中间。长丝的存在提高了流体分离组件的性能。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
含有中空纤维膜束的分离器组件在理想的逆流流动下产生最可能的性能，理想的逆流流动是假设在膜的壳侧和腔侧流体的速度分布均匀(或“活塞流”)。预计对于均匀尺寸和长度的纤维腔，腔侧流动接近活塞流。然而，在壳侧通常存在非均匀的轴向速度分布，即背离活塞流。壳侧背离活塞流是由若干因素之一引起的，例如可能由于束的形成方法而出现的束中中空纤维的间隙不均匀，或纤维外径不同，或纤维弯折或呈波浪状或纤维不平行取向，或绕束内纤维滑动等。在纵向中空纤维束中，径向的水力阻力通常远大于轴向的水力阻力。壳侧流体通常在纤维束的外侧或中心进入和离开纤维束。径向较高的水力阻力阻止壳侧流体在中空纤维束横截面上的均匀分布，从而导致背离活塞流。上述现象在气体分离工艺中对组件性能的净结果是随着非渗透物流的流速或快速气体含量降低，快速气体的有效渗透系数和气体分离的有效选择性降低。这导致单位膜面积的产物(非渗透物)流量下降和在给定产物纯度下产物回收率下降。在腔侧进料和壳侧进料的气体分离中均观察到这些有害影响。下面给出这些影响的一些实例。在从压缩空气生产高纯氮气中，由于为得到高纯度的氮气产品而降低进料速率，所以氧气的有效渗透系数下降。这导致在特殊纯度下氮气流速可能降低以及氮气的回收量下降。从含有氢气和其它物质如甲烷、乙烷、二氧化碳等的物流中生产高纯氢气时也是如此。在压缩空气的干燥中，由于为得到露点较低的产品而降低进料速率，所以水的有效渗透系数下降。在高压天然气的干燥中也发生相同的影响，导致甲烷的损失增加。这些气体分离工艺可以腔侧进料或壳侧进料的方式操作。如果因渗透侧吹扫气流速增加而降低非渗透物的快速气体含量，则也发生上述有害影响。吹扫气可以是外来物流或者可以是非渗透物或进料物流的一部分。随着分离器中纤维长度增加，壳侧气流典型地接近均匀的活塞流。然而，随着分离器长度增加进料和渗透物流的压降均增加。这对性能有不利影响。此外，增加分离器长度也可增加分离器成本及增加分离器组件装配的复杂性。在某些情况下，要处理给定的气流可能优选并联连接分离器组件。这降低压降并允许用总渗透物以逆流方式吹扫整个膜表面；此构型可产生最大可能的性能。然而，此并联构型降低进料速率，因而在壳侧背离活塞流可能导致不可接受的性能。一般地，如果并联构型导致不可接受的性能，则分离器组件管束可串联连接。然而，串联构型有某些问题，如进料和渗透物流的压降增加。此外，需要另外的口和“管道阀门系统”以串联连接渗透物流；另一方面，如果渗透物流不串联连接，则损失潜在的性能增加。为改善上述气体膜分离方法的性能，需要有改善的流动分布的分离器组件，特别是壳侧流动分布改善的分离器组件。通常壳侧边界层内的传质系数比纤维的固有渗透系数大得多，因而对有效渗透系数影响很小。然而，如果中空纤维中快速气体的固有渗透系数与外部传质系数数量相当，或大于外部传质系数，则有效渗透系数受外部传质系数值的限制；因此，增加外部传质系数时将获得改善的性能。用高气体渗透率的材料制造中空纤维时，可出现此情况。尽管以上讨论限于气体分离，但含有中空纤维束膜的分离器组件也适用于包括气/液接触、渗透汽化、反渗透、渗析、超滤和微滤的操作，每种操作中外部传质系数都对性能起重要作用。因此，改善外部传质系数将产生改善的性能，或许可使用较小的组件而导致总系统和操作成本降低。已做了很多努力试图改善壳侧流动分布的均匀性和增加外部传质系数。例如，US3,339,341(Maxwell等)描述了一种渗透装置，其中在中空纤维束周围放置一挠性套筒，试图压实纤维束，表面上获得高填充密度。然而，由于上述因素，在这种装置中仍存在整个纤维束横截面上流动的不均匀分布。US3,503,515(Tomsic)描述了一种渗透组件，其中在中空纤维之间的空隙基本上充满惰性颗粒状固体。表面上，该隋性颗粒状固体减少了空隙的量，从而使流体进料接触中空纤维的总外表面积。然而，预计这种装置径向的水力阻力将明显增加，从而妨碍流体渗入中空纤维束，导致中空纤维束横截面上的轴向流动非常不均匀。此外，这种装置难以制造，操作期间流体经过壳侧将引起颗粒移动，而导致纤维外表面磨损。而且，分离器中颗粒的移动及其损耗可能造成下游设备的污染。US4,066,553(Bardonnet等)描述了一种中空纤维束，其中通过将线状元件螺线形地缠绕在纤维周围，使中空纤维间隔开，保持相互不接触。目的是防止“死区”和提供接触效率较高和低压降的致密装置。然而，由于存在用于间隔的纱线，分离器组件中可装填的纤维较少，所以预计这种装置每单位体积的有效面积较少。此外，使用为获得高中空纤维填充密度而选择的小直径间隔纱线导致间隔纱线缠绕在中空纤维周围极难进行，因而导致常规的大量生产是不切实际的。US4,293,812(Fujii等)描述了一种含有中空纤维束的组件，其中由膨松纱组成的间隔纱线螺线形地缠绕在一或两个中空纤维周围。该间隔纱的表观厚度为中空纤维外径的0.5至3倍，所述中空纤维外径为50至600微米。该缠绕是规则的，每根中空纤维周围间隔纱的缠绕量为0.5至20/10mm中空纤维长度。分离器内中空纤维的填充率为30至78％。其目的与上述Bardonnet等的专利基本相同，也存在同样的问题。此外，要获得高达60％或更高的中空纤维填充率时，在装入流体分离器的管状外壳中之前必须挤压中空纤维束以使其直径减小。此挤压可能伴随着损坏中空纤维，从而装配率较低。US4,559,884(Stoldt等)和US4,869,059(Austin)描述了通过在中空纤维周围缝制一包裹或在一组中空纤维周围螺旋缠绕纱线将中空纤维压实成束。目的都是提供可在减少纤维断裂和损坏的情况下处理的纤维束。US4,950,391(Weickhardt)描述了向适用作血液透析器的中空纤维组件中加入非常少量的丝线(典型地为中空纤维数量的4-10％)。该丝线优选为膨松纱，以便不阻塞透析液的流动。该丝线均匀地分布在纤维束的横截面中，以致横截面中充满弹性的丝线。该系统特别设计用于处理液体如血液。US5,236,665(Mathewson等)描述了一种中空纤维装置，其中在相邻的中空纤维之间间隔有惰性纤维，中空纤维构成经纱而附加的惰性纤维构成纬纱，所述纬纱在经纱上下交错地横切于经纱延伸，形成中空纤维织物。所述目的是要降低中空纤维装置的空隙体积，在横截面上产生均匀流动。中空纤维织物形式的提出显著降低了纤维的填充密度，从而降低了装置的有效面积和分离能力。此外，在纺织惰性纤维的过程中可能损坏中空纤维。WO95/34373(Reinhart等)描述了包含有中空纤维膜的透析器，在每根纤维的外表面螺旋状地设置或形成单丝间隔物。所述间隔物为中空纤维直径的9-18％。所述间隔物防止沿纤维长度方向上纤维间相互接触，并限定和保持相邻膜外表面之间一致的规定间隔距离。本专利技术提供一种含有中空纤维膜束的分离器组件，其中壳侧流体流动分布的均匀性得到改善，易渗透物质的有效传质系数增加，导致组件的性能改善。专利技术概述本专利技术提供一种含有中空纤维膜束的流体分离组件，所述中空纤维膜有基本上均匀的内外径和长度。每根中空纤维的外径(OD)为约100至约3000微米。所述纤维束中无规地散布着长丝，所述长丝的OD不大于中空纤维的OD的约三倍，但长本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种流体分离组件，包括： （ａ）中空纤维膜束，所述中空纤维膜有基本上均匀的内径和外径，所述纤维束中无规地散布着长丝，所述长丝的外径不大于中空纤维外径的三倍，但长度与中空纤维基本相同，所述中空纤维的外径为约１００至约３０００微米，而所述长丝的外径为约６０至约３０００微米，所述长丝的存在量为中空纤维量的约０．５至５倍；和 （ｂ）至少一个管板，其中所述中空纤维和长丝埋在其中，至少所述中空纤维贯穿所述管板。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DG卡尔托德，DJ斯吐基，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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