使用螺旋状缠绕的空心纤维渗透膜元件来分离气体的方法技术

使用空心纤维渗透膜装置进行气体分离的方法，该装置内装有一个螺旋状缠绕空心纤维渗透膜元件，渗出气的流动方向与进料气入口至残余气出口这一气流方向呈逆流模式，而渗出气回收时的流动方向可以与空心纤维渗透元件中某一点的空心纤维膜表面形成一个角度。在渗透分离过程中，在渗出区的渗出气流内存在基本上完全的径向混合，而不管是在空心纤维渗透膜元件的渗出侧还是在其残气侧，皆基本上不发生轴向混合。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种改进的空心纤维膜元件(cartridge)及用它来改进渗透法分离气体的方法。本专利技术还涉及螺旋状缠绕空心纤维渗透元件的用途，在该元件结构中，整个渗透元件中所用的空心纤维的有效长度基本上是相等的。在气体分离工艺中，作为原料的混合气从空心纤维的空腔进入，在进行气体分离的时候，最好是使渗出气流的流动方向与离开空心纤维空腔的残余气流的流动方向处于相互逆流的状态。在气体分离过程中，在空心纤维渗透膜装置渗出侧的渗出气流以及在进料侧的进料气流，实际上存在着良好的径向混合，而不管是在渗出侧还是在进料侧，基本上都不发生轴向混合。能够选择性地让某一种组分渗透的渗透膜在本
中是已知的并且对某些流体的分离应用来说被认为是一种很好的分离手段，而空心纤维膜这一种几何结构常常被认为是一种最好的结构。螺旋状缠绕空心纤维渗透膜元件及包含有这种元件的装置，它们的结构及使用方法在本
中是已知的，除了螺旋状缠绕的结构以外，平行地缠绕(包括弯曲的和不弯曲的)空心纤维的那些元件也是已知的，正如在下文所讨论的先有技术中说明的那样。本专利技术的产品和方法涉及螺旋状缠绕的空心纤维渗透膜元件。实际上，空心纤维渗透膜元件通常可以制成从纤维空腔内进料和从纤维管壁外进料两种结构。本专利技术只涉及从空腔内进料的一种渗透元件，在此元件中，进料混合物首先与空心纤维的内表面(或说是内空腔)接触，渗出气流从空心纤维的外表面回收以及残余气流从空心纤维空腔的另一端回收，所用的具体工艺条件将在下文说明。另外，本专利技术主要是涉及在气体分离方面的应用，在此分离工艺中，混合气体通过空心纤维膜进行渗透，借此把一种或一种以上的可渗组分从混合气中分离出来。在渗透膜分离这一应用领域中，达到最佳流体动力学条件的重要性在本
中是被公认的，因此，要达到这些最佳流体动力学条件，空心纤维渗透元件的设计和制造的重要性也是被确认的。例如，C·R·Antonson等，“空心纤维渗透法分离气体的研究，”Ind·Eng·Chem·，Proc·Dev·，16，No·4，463-469页(1977)，对使用空心纤维渗透法来分离气体这一课题进行了相当详细的研究。该论文表明，使用平行排列的空心纤维的研究工作已进行得很充分，但该论文没有提到螺旋状缠绕的空心纤维元件的应用。在他所研究过的一些条件中，有一项是流动模式的影响，共研究了六种流动模式。作者在上述期刊的466-467页的图6及其讨论中，报告了他们在其研究工作的这一方面的发现。总的说来，作者发现了空腔进料的流动模式要优于管壁外进料的流动模式，而以空腔进料与逆流模式的结合可获得最高的富集比和快速气体的最高回收率。该论文指出，为了达到最佳的分离条件，不管是在渗透膜的进料侧或是在渗出侧都不应在轴线方向上发生气体的混合作用。1969年5月6日授予J.E.Geary，Jr.等人的美国专利U.S.3，442，002公开了一种流体分离设备，该设备采用一种空心纤维束，而在每一个纤维束中，所有纤维基本上都是平行排列的。该专利公开了两种分离方法，一种方法是把原料混合物引入空心纤维的内腔，另一种方法是把原料混合物引入空心纤维管壁外侧的空间，但是该专利主要是涉及液体的分离并且也没有提到逆向流动这种对气体分离最有利的条件。1983年4月19日授予Otstot等人的美国专利U.S.4，380，460公开了一种渗透元件，在该元件中，空心纤维沿着设备壳体的纵向相互平行地排列。该专利主要提出，在把空心纤维插入设备的壳体时，用一根细长的管子来保护这些空心纤维。该专利没有提到过螺旋状的缠绕方法，也没有提到控制渗出流体和残余流体内的径向混合和轴向混合的重要性。1984年2月7日授予Kuzumoto等人的美国专利U.S.4，430，219公开了一种元件，其中的空心纤维束是按基本上相互平行的方式进行螺旋状缠绕，然后把该元件应用于液体分离工艺。然而该专利并没有意图使该元件中的所有空心纤维的长度基本上彼此相等;该专利没有叙述或认识到用螺旋状缠绕的装置以逆流模式进行气体分离的方法具有实用意义。另外，该专利没有提出下列措施的重要性，即在这种螺旋状缠绕的渗透元件中要使得在渗出侧的渗出气流中，基本上是完全的径向的混合，而且，不管是在渗出侧，还是在残气侧，实际上不发生轴向的混合。在1986年11月18日授予Kuzumoto等人的美国专利U.S.4，623，460公开了一种流体分离装置，其中的空心纤维是平行排列的;所用的空心纤维束呈U字形，其两端封装起来并且整个纤维束安装在一个壳体中。虽然其中所用的空心纤维具有基本上相同的长度，但是该文献并没有使用螺旋状缠绕的元件。另外，该专利权人是把待处理的流体通入空心纤维的管壁外侧而不是通入其空腔中。1969年1月14日授予E.A.McLain的美国专利U.S.3，422，008公开了一种通常用于液体分离的渗透元件，该元件的制造方法是把空心纤维按螺旋状缠绕到一根心轴上，所用的缠绕角度至少为10°，而较佳为30°。但该专利的专利技术目的不是要制造一种所有空心纤维的长度都相等的元件。该专利主要是涉及液体分离方面的应用，并且它没有公开把原料通入空心纤维的空腔或者是通到空心纤维管壁外部的方法。专利权人还指出，通常较佳的方法是从空心纤维的管壁外侧进料而从空心纤维的内腔回收渗出液(见13栏，14～19行)。该专利既没有公开以逆流模式来分离气体的方法，也没有提出在该工艺中控制流体的径向混合和轴向混合的重要性。1974年2月26日授予R.J.Leonard的美国专利U.S.3，794，468公开了一种物质迁移装置，该物质迁移装置的结构为螺旋形。然而，在使用该装置的方法中，第一种流体通过空心纤维的内腔，而第二种流体则通过纤维外表面周围的空间。这样，在两种流体之间就发生了物质迁移，这种物质迁移方式类似于在血液氧合过程中或者是在肾脏渗析过程中的物质迁移方式。所说的这些方法既没有明确提出空心纤维要有一致的长度，也没有认识到最好采用逆流模式的条件来进行气体分离，同时没有提出在渗透分离过程中控制径向混合和轴向混合的重要性。1986年12月23日授予Coplan等人的美国专利U.S.4，631，128公开了一种制造渗透元件的方法，在所述元件中，空心纤维基本上有一致的长度。然而，该文献没有提出，在该专利技术的某些特定条件下，有可能产生不希望的和无法预料的结果。Coplan等人的专利没有提出或公开甚至没有认识到这样一种技术措施的重要性，即采用空腔内进料的方式，并在该条件下保证不管是在渗出侧还是在进料侧都只存在基本上完全的径向混合并且基本上不发生轴向混合。授予A.Golan的美国专利U.S.4，734，106，以及英国专利申请GB2，122，103A和GB2，022，457A描述了一种用空心纤维装置以逆流模式进行气体分离的方法，在所述装置中所用的空心纤维是非对称的，或者是复合的，即在空心纤维的外表面上覆盖着分离层，这些空心纤维平行而紧密接触地组成一个圆柱形的线束，原料气从空心纤维的空腔进入而渗出气流则沿着纤维的切线方向流动。在这些文献中，没有提到采用螺旋缠绕法来制造分离装置的可能性，也没有提到渗出气流按逆流模式流动这种条件的出乎意料的一面，这是与那种渗出气流沿渗透膜表面切线方向流动的特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种按照气体分离操作从气体混合物中分离出至少一种快速气体组分的方法，其特征在于，该方法使用这样一种渗透装置，该装置内装有一个螺旋状缠绕空心纤维渗透膜元件，在所说空心纤维渗透膜元件中的所有空心纤维基本上是等长的，以空腔进料方式将一种含有所说快速气体组分和至少一种其他气体组分的气体混合物通入所说螺旋状缠绕空心纤维元件的空腔入口端，按照与进料气流动方向逆流的方向从所说渗透装置中回收快速气体组分的渗出气流，按照与进料气流动方向顺流的方向在与所说螺旋状缠绕空心纤维渗透元件空腔入口端相对的一端上的空腔出口处从所说的渗透装置中回收残余气流，以维持（１）在空心纤维渗透膜元件渗出侧的渗出气流中存在明显的径向混合和（１１）不管是在所说空心纤维渗透膜元件的（ａ）渗出侧还是在（ｂ）其残气侧基本上都不发生轴向混合。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：本杰文比克森，萨尔瓦托雷吉利亚，
申请(专利权)人：联合碳化公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]