结构增强的中空纤维组件制造技术

本发明专利技术涉及一种环形中空纤维膜组件，包括多个螺旋缠绕的半透中空纤维层，以及至少一根与中空纤维同向螺旋缠绕到中空纤维膜组件中的增强纤维。在优选方案中，在束的整个直径和／或在束的整个轴向长度上增强纤维均匀地分布。而在另一优选方案中，在束的整个直径和／或在束的整个轴向长度上增强纤维的分布是不均匀的。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用来从含有流体混合物的进料中分离流体组分的改进中空纤维膜组件。所述混合物是指液体混合物、液体和气体的混合物，以及气体混合物。这些用途包括气体分离、反渗透和超滤等。本专利技术组件由螺旋缠绕的中空纤维膜构成，具有一个管板，然而，也可以考虑具有两个管板的组件。本专利技术涉及在中空纤维膜组件中的改进流动分布。本专利技术还涉及提高螺旋缠绕的中空纤维膜组件，特别是纤维以大(例如大于45°)缠绕角度缠绕的组件，的结构稳定性和组件中的流动均匀性。
技术介绍
用于流体分离的中空纤维装置在现有技术中是已知的。这种分离装置经常用在气体分离应用中，包括从精炼气流中分离氢气、从天然气中分离酸性气体、从空气中分离氮气，以及各种液体操作，如反渗透脱盐或渗析过程等。中空纤维膜化学、形态学、组件设计和构造方法根据特定的膜分离应用来优化。在设计和构造中空纤维膜装置时，改进流动分布经常是是人们所最关心的。没有沟流和旁路的均匀流动分布通常是由中空纤维填充密度的控制和均匀分布来实现的。这种中空纤维的构造方法可以从，例如，US 3690465，3755034，4631128，4881955 4865736和5284584中找到。构造具有控制的和/或均匀分布的填充密度的中空纤维装置的一种特别有利的方法是缠绕方法。这种方法的描述可以在，例如，US3794468，4207192，4336138，4631128和4881955中找到。US4336138和4430219提出，可以把单丝(thread)或带(tape)缠绕到组的端部附近，以将中空纤维固定到芯的端部。这些参考文献中没有提及使用线或将线延伸至组件的其它部分。在某些分离应用中，用以大缠绕角度θ缠绕的纤维来构成中空纤维装置是特别有用的。术语“缠绕角度”是这样定义的使组件处于水平位置，缠绕角度θ定义为纤维相对于垂直轴跨过组件的角度。例如，以90°的缠绕角度缠绕的纤维平行于组件的纵向轴，是从组件的一端到另一端的直线。以相同缠绕角度缠绕在组件上的纤维具有相同的纤维长度。大缠绕角度是指θ大于45°。当束是通过以大缠绕角度缠绕中空纤维所构成时，与小缠绕角度相比，在相等长度的束内腔侧压力降减少。然而，当中空纤维膜的壳侧在高流体线速度条件(under high fluid linear velocity conditions)下操作时，特别是当处理的流体是粘稠的时，以大缠绕角度缠绕的中空纤维束可能在结构上是不稳定的。中空纤维的再分布和移动可能会导致沟流和旁路。尽管缠绕的中空纤维装置表现出改进的和更均匀的流动分布特征，但是，仍然发生某些不良分布，如入口和出口流动的不均匀。因此还需要提高结构稳定性和进一步改进缠绕中空纤维膜装置中的流动分布。本专利技术目的本专利技术的一个目的是提高结构稳定性和缠绕中空纤维半渗透膜装置中的流动均匀性，特别是当纤维以大缠绕角度缠绕时。这一目的是通过将辅助结构增强纤维共同缠绕到缠绕的中空纤维膜结构中来实现的。这一结构增强纤维是与中空纤维半渗透膜同向缠绕的，并在缠绕柱体的整个直径上均匀分布。本专利技术的另一目的是改进轴向流动中空纤维膜装置中的流动均匀性，特别是使入口和出口处的流动非均匀性最小化。这一目的是通过将结构增强纤维共同缠绕到缠绕的中空半渗透纤维膜结构中，其中增强纤维部分地或完全排除在指定为入口或出口的柱体区域之外。本专利技术的再一目的是通过将增强纤维共同缠绕到束的管板部分，来改进螺旋缠绕的中空纤维膜组件的结构强度。本专利技术还有一个目的是改进结构稳定性，并降低中空纤维对损伤管板相邻区域的灵敏度。这一目的是通过将增强纤维，特别是涂了一层软树脂材料的增强纤维，共同缠绕到与组件管板相邻的区域来实现的。专利技术概述在本专利技术的一个优选方案中，包括一个具有流体分离区和至少一块管板的环形中空纤维膜组件。该组件是用多层螺旋缠绕的半渗透中空纤维和至少一根增强纤维构成的，增强纤维与所述中空纤维共同缠绕到中空纤维膜组件中，其中至少一部分所述增强纤维是在所述流体分离区。在优选的方案中，在组件的整个直径上和/或在组件的整个轴向长度上，增强纤维是均匀分布的。然而在一些方案中，在组件的整个直径上和/或在组件的整个轴向长度上，增强纤维是非均匀分布的。在另一优选方案中，提供了一种具有壳侧流动轴向构型的螺旋缠绕中空纤维组件，其中共同缠绕的增强纤维是部分地或完全排除在流体的入口和出口区之外。在另一方案中，增强纤维的缠绕角度不同于中空纤维膜纤维的缠绕角度。另一方案包括涂有润滑剂或粘结剂层的增强纤维。此外，本专利技术提供了一种流体分离设备，其中引入了用增强纤维加强的本专利技术组件。另一方案是将增强纤维缠绕到管板区域以进行机械加强，并缠绕到组件的整个轴向长度上。本的另一方案是将增强纤维缠绕到与管板或帽盖区域相邻的一个窄的区域。优选地，增强纤维上涂有柔软的树脂材料以使中空纤维在这一交界区域内的损伤最小，并改进在管板中的纤维密封。本专利技术还包括使用前述束的流体分离设备，以及形成束的方法。附图简述通过对下面的优选方案和附图的描述，对本领域的技术人员来说，本专利技术的其它目的、特征和优点将变得更加明显。附图说明图1示出了本专利技术的一个方案中缠绕装置的一个实例。图2是本专利技术的一个方案中增强纤维和中空纤维交织(interlacing)的示意图。图3示出了本专利技术中中空纤维组件的另一方案，其中增强纤维被排除在进料物流出口和入口区域。图4是本专利技术中一方案的中空纤维组件的剖面图，其中增强纤维排除在流体的入口和出口区域之外。图5是中空纤维膜分离设备的剖面图，其中使用了本专利技术方案的中空纤维组件。图6是中空纤维膜分离设备的另一方案的剖面图，其中使用了吹扫流体和本专利技术中空纤维组件。图7示出了本专利技术中空纤维组件的另一方案，其中增强纤维包封在与管板和帽盖相邻区域内。本专利技术的详细描述通过将结构增强纤维共同缠绕到螺旋缠绕的中空纤维膜组件结构中，其结构整体性和半透中空纤维组件中的流体分布得以改进。本专利技术中空纤维膜可以按现有技术中的已知方法来缠绕，如描述在US3794468；4631128；4336138和5299759中的方法。圆柱形半透中空纤维束通常是通过依次铺设多纤维层来缠绕的，每一层以与组件纵向轴相同的角度平行排列。组件优选以这样的方式缠绕相邻中空纤维层的长度基本相等，以使壳侧和腔侧的不良流动最小。在优选方案中，增强纤维从单独的第二纤维导向器而不是从缠绕中空纤维膜的导向器上缠绕的。这一单独的导向器从选择的第一点到选择的第二点横移中空纤维组件，然后，以相反的方向移动。这一缠绕是与中空纤维缠绕同向进行的。第二导向器在预选点间横移组件的速度是优化的，以提供最大的组件增强稳定性。增强纤维通常以比中空纤维膜较小的缠绕角度铺设。限定纤维导向器横移的点可以在组件的第一端到第二端，或限制在组件的预定区域内。在后者的一个实例中，导向器的横移被限定在指定为壳侧流体入口和出口区的组件区域之间的组件中心“有效”区域内(发生流体分离的地方)。这种设置在组件的出口和入口提供了低的填充密度，改进了轴向流动装置的壳侧流动分布。优选的方案提供了一种螺旋缠绕的具有壳侧轴向流型的中空纤维组件，其中共同缠绕的纤维是部分地或完全排除在流体入口和出口区之外。这一方案包括具有轴向流动设置的壳侧进料构型的束，渗透物在中空纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形流体分离中空纤维膜组件，具有第一端和第二端以及它们之间的流体分离区域，和流体入口和出口区域，所述组件包括多个螺旋缠绕的半透中空纤维层，以及至少一根与中空纤维同向螺旋缠绕到中空纤维膜组件中的增强纤维，其中至少一部分所述增强纤维位于第一端和第二之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B比克逊，S吉格里亚，小PS尼古拉斯，CA福特，
申请(专利权)人：普拉塞尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]