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改进的膜片组件
技术领域
本发明通常涉及适用于气体分离或气体传送中的中空纤维膜片组件，更具体地涉及用于将水蒸汽从气流中去除或用于将水蒸汽从一个气流传送到另一气流的改进的组件设计。
背景技术
在商业上已经利用水可透过的中空纤维膜片组件以便对气流进行脱水或以便于将湿气从一个气流传送到另一气流。美国专利US6,585,808以及6,616,735公开了适用于气体脱水的膜片组件，并且结合于此作为参考。美国专利US6,779,522公开以用于对气体进行干燥或增湿的膜片。为了描述本发明重要特征的目的，将仅考虑中心孔侧进料的气体脱水组件，但是膜片组件设计理念可应用于前述的气体分离和气体传送应用。在这些膜片组件中，包含待去除湿气的进料气体流动通过中空纤维膜片的空腔。当进料气体流动通过膜片组件时，湿气通过水可透过的膜片扩散到组件的壳体侧。为维持该过程，在组件的壳体侧上注入干燥气体以吹扫清除已经透过的水蒸汽。通过该干燥的吹扫气体得自于由膜片组件制备的干燥气体，但是可以使用其它气源。
在理想的组件中，不但每一纤维的空腔接收相同量的气流，而且吹扫气体围绕纤维外侧均匀分布，并且每一纤维与相同量的吹扫气体接触。但是，在实践过程中发生某种程度的吹扫气体分布不均的情况，并且这导致性能下降。为了克服该问题，要么必须使用附加的膜片和要么必须使用附加的吹扫气流，这两者都增加处理成本。因此，膜片组件的设计者不断地改进膜片组件设计，以便使得吹扫气流分布不均最小化，并且使得组件性能最大化。
授予Bikson的美国专利US4,881,955公开了一种膜片组件设计，利用围绕芯部螺旋缠绕的中空纤维使得壳体侧流动得到改善。但是他教导对于该提议的限制是纤维必须具有基本均一长度，将基本均一长度限定为“渗透器单元中空纤维的活性长度将彼此变化小于约20％”(第6栏第41-44行)。
除了关于薄片组件设计的性能方面，膜片组件必须具有适用的所需结构整体性。在气体干燥应用中，气体处于高压下并且压力可超过几百帕。该压力施加到管板的表面，因此管板必须在上述压力和高温下保持其结构整体性。在制备膜片组件的过程中，中空纤维嵌入在管板内。在管板内存在纤维使得管板的结构整体性降低，原因在于中空纤维自身不会增加低抗上述压力的材料强度。除了在管板中存在中空纤维之外，在管板中还可存在其它组件，这趋于降低管板的强度。例如授予Bikson的美国专利US5,026,479示出了嵌入在管板材料中的不可渗透层。不可渗透材料和管板的交叉导致管板材料的不连续，从而使得管板弱化。因此在不断寻求提高膜片组件的结构整体性。
例如在授予Giglai等人的美国专利US5,837,033中示出了中空纤维膜片组件，其包括缠绕在圆柱形芯管上的半渗透中空纤维的若干螺旋形缠绕层，其中在一层或多层中空纤维缠绕角度横向于组件的轴向长度变化。在一个实施例中，管板中的纤维缠绕角度(其较小)与组件活性区域中的缠绕角度不同。但是，在Giglia的任意实施例中，管板处的组件直径基本与管板直径相同。因此，管板中的多数封闭区域由纤维端部占据。因此，由该构造使得管板的整体性下降。此外，在该情况下由于非活性纤维的较长长度导致进料气体的压降较高。
发明内容
本发明的一方面是为了提供克服上述缺陷或克服现有技术中一些限制的改进的组件设计。在该情况下，中空纤维围绕芯部缠绕。但是我们已经出乎意料地发现授予Bikson的美国US4,881,955以及授予Giglia的美国专利US5837033教导需要基本相同长度的纤维，而本发明并不需要上述。例如，制备两个组件，一个具有13％变化的纤维活性长度，而一个具有70％变化的纤维活性长度。两个组件都具有大约1875平方厘米的活性表面面积。利用每一组件在不同压力下干燥气体，并且我们发现甚至在两者的长度变化在约为6的系数下，这些组件的性能基本相同.膜片组件设计的本领域现状教导需要避免进料气体和吹扫气体两者的气流分布不均，因此具有70％纤维长度变化的组件预期具有比具有13％纤维长度变化的组件更差的性能。同样，在本发明中，我们出乎意料地发现纤维长度的较大变化不会降低组件性能。
在层流中，流过纤维的气流相对量关于其相对长度成反比。这是因为每一纤维的压降是相同的，并且压降与体积流量和长度的乘积成比例。例如，如果组件包括两纤维，一种为一英尺长的，第二种为十英尺长的，在十英尺长的纤维中的流量将为一英尺长度纤维流量的10％。在湍流中，压降与速度的大约1.75次幂乘以长度的乘积成比例。在该湍流情况下，十英尺长纤维中的体积流量将为一英尺长度纤维中流量的约27％。当然在本发明的具有长度变化为6的组件中，每一纤维不接收相同量的进料流量，因此两个组件的性能差异明显。
此外，在本发明的组件设计中，并不像由授予Bikson的美国专利US4,881,995在第8栏第53-60行指出的那样受到缠绕角度的限制。在关于螺旋缠绕组件的所有现有技术中，活性面积区域中的缠绕角度在从一个纤维束端部到另一纤维束端部的纤维层中是恒定的。在管板区域中保持低的缠绕角度的情况下，这将导致管板中的非活性纤维量增大，上述使得适用的膜片量增加，并且使得空腔和壳体侧压降增加，以及增加组件的操作成本。此外，这使得管板强度降低，并且还需要较大的管板尺寸，从而进一步增加膜片的需求和成本。
实例1
根据表1中的参数制备螺旋缠绕的中心孔侧进料内部吹扫膜片式空气干燥器组件。利用干湿相转化过程制备所使用的中空纤维。为凝结剂的水用作中心孔流体，并且将包含溶剂和非溶剂的聚合物溶液泵送到中空纤维喷丝头的环面内。根据本领域内公知的过程处理纤维，然后用于制备组件。然后将得到的不对称多孔中空纤维用亲水性聚合物在其内径上涂覆。

  长度变化  平均有效长  度  长度上的标  准偏差(cm)  活性表面面  积(cm2)  组件A  13％  172.2  6.05  1874  组件B  70％  171.8  29.4  1878
表1组件设计参数
在该缠绕过程中，使用圆柱形芯部，并且在组件每一端部上的管板区域附近增加铺设纤维的角度，这样在管板区域中的纤维束直径降低。对于每一组件，管板附近的纤维束直径为约1.1英寸，组件中线附近的纤维束直径为1.4英寸，以及使用直径为0.9英寸的芯部。因此在管板附近的组件敛集率比组件中线附近的组件敛集率低很多。
根据表2中的数据测试两个组件从压缩气流中去除水蒸汽的能力。使用冷冻的镜像露点湿度计测量压缩气流的湿气含量。
  进料压力  (帕)  进料流速  (scfm)  吹扫流速  (scfm)  产品流速  (scfm)  去除的湿  气百分数 组件A  60  1.27  0.27  1.00  94.1％ 组件A  80  1.35  0.35  1.00  98.6％ 组件A  103.2  1.44  0.44  1.00  99.3％ 组件B  60.1  1.26  0.26  1.00  93.7％ 组件B  80  1.35  0.35  1.00  98.7％ 组件B  100  1.43  0.43  1.00  99.4％
表2膜片式空气干燥器性能
如从表2中数据看到的那样，具有较大长度变化的两个组件的性能没有区别。
在本发明中，我们增加管板区域附近的缠绕角度(而不是诸如在授予Giglia的美国专利US5,837,033中那样减小该角度)，这样纤维更平行于芯部进入管板，并且在管板附近较大程度地降低组件直径和敛集率。该特征使得管板中的纤维量降低，降低压降，并且作为存在纤维的结果使得管板中的寄生损失最小化。
提供缠绕角度增加的另外改进之处在于使得壳体侧的气体进入纤维束中的渗透性提高。对于给定数目的纤维而言，在该增加缠绕角度附近处的敛集率和床深明显低于相邻区域中的敛集率和床深。这使得壳体侧气体围绕所有纤维进行更有效的渗透，并且渗透入纤维束中。
在本发明的一个实施例中，提供包括芯部的螺旋形缠绕的中空纤维膜片组件，其中半渗透性中空纤维的若干螺旋形缠绕层缠绕在芯部上，其中空纤维缠绕角度在一层或多层中沿着组件的轴向长度基本恒定，除了在一个端部或两个端部或管板区域中除外，在上述区域中缠绕角度至少在某些层中相对于基本恒定的缠绕角度有所增加，以便形成直径和敛集率减小的区域。
在需要最大程度的管板整体性的内部吹扫组件中，将不渗透的包裹物嵌入在板管内在管板材料中形成不连续性，并且可在管板材料中形成破坏表面。为了提供必要强度，组件制造商将必须增加进入到纤维束中的管板深度。虽然可完成上述，但是这也将增加非活性纤维区域的量，这会增加组件成本。在本发明中，我们不将不渗透包裹物嵌入在管板中。取而代之，我们将在管板端部和不渗透包裹物之间留有空隙，并且在不渗透包裹物和组件壳体之间提供密封。例如通过用膨胀的聚氨酯泡沫填充该空隙、将闭孔泡沫填塞物围绕纤维束包裹、或利用可填充环形空隙并且防止壳体侧吹扫空气通过纤维的任意其它材料来实现上述。
壳体侧吹扫空气可仅通过壳体中的孔离开组件，或者可利用与注入壳体侧吹扫空气相同的方式进入芯部内部的通道收集在与壳体侧吹扫空气注入区域相对的芯部中。
本发明的另一方面是为了提供克服上述缺陷或克服现有技术中一些限制的改进的外部吹扫组件设计。由于具有内部吹扫组件，发现对于外部吹扫组件而言不需要纤维具有基本相同的长度。考虑到授予Bikson的美国专利US4881955，上述具有预料不到的效果。
此外还发现，如在上述的内部吹扫组件中的那样，在外部吹扫组件中，缠绕角度的增加使得吹扫气体进入纤维束的渗透性提高。对于给定数目的纤维而言，在该增加缠绕角度附近处的敛集率和床深明显低于相邻区域中的敛集率和床深。这使得吹扫气体围绕所有的纤维进行更有效的渗透，并且渗透入纤维束中。对于不渗透包裹物而言，我们不将其嵌入到任一管板中，而是利用上述方法在包裹物和壳体之间形成密封。
因此，本发明的目的是为了提供中空纤维膜片组件，膜片组件具有适于所有的气体干燥和气体传送应用所需的结构整体性，并且上述是通过提供螺旋形缠绕纤维组件而实现的，该螺旋形缠绕组件在管板区域中具有降低的纤维束直径，在需要之处可在纤维长度上具有较大变化。
从以下的说明和所附的权利要求将明了本发明的另外目的和优势，最附图所作的参考形成说明书的一部分，其中在几幅附图中相同的附图标记示出相应的部分。
附图说明
图1是体现本发明构造的正视剖面图；
图2是图1中所示构造的端视图；
图3是类似于图1中所示构造的构造，并且具有示出的管板；
图3A是图3中所示构造的端视图；
图4是体现本发明的内部吹扫、中心孔侧进料、中空纤维的膜片组件的示意图，在芯部中具有吹扫收集部；
图5是体现本发明构造的内部吹扫、中心孔侧进料、中空纤维的膜片组件的示意图；
图6是体现本发明构造的外部吹扫、中心孔侧进料、中空纤维的膜片组件的示意图；
图7是图4中所示的构造安装于组件外壳内的透视图；
图8是图7中所示构造的分解透视图；
图9是安装于壳体中并且将脱水气体的一部分用作吹扫气体的逆流中空纤维膜片组件的正视剖面图。
具体实施方式
术语“缠绕角度”关于处于水平位置中的组件进行限定。根据该参照，缠绕角度X限定为一个角度，纤维以该角度相对于垂直轴跨过组件铺设。例如，以90度的缠绕角度缠绕的纤维是平行的，并且从组件的一端到另一端是直的，诸如在前述美国专利US6,585,808和US6,616,735中所示的那样。
“纤维层”限定为在螺旋缠绕纤维的操作中从组件的一端到达组件另一端铺设的那些纤维。那么纤维返回到第一端构成单独的纤维层。
“芯部”限定为具有希望横断面的实心或中空的轴向延伸体。虽然在此将芯部示出为具有圆形横断面的中空圆柱体，但是其它横断面，诸如正方形、椭圆形、三角形等也恰好落入本发明的范围内。
通过其围绕芯部缠绕中空纤维的方法在本领域内是众所周知的，上述方法是用于形成管板所拥的方法和材料，以及切断管板以便暴露中空纤维孔的方法。
可得到商购的用于包绕本发明中空纤维膜片的缠绕设备，诸如由犹他州盐湖城的CMC制备的那些。但是，可使用任意商购的缠绕设备，只要可控制横向(纤维铺设)速度与锭子(组件)转动速度之比即可。优选用计算机控制这些参数，但是上述不是必需的。
在本发明中适用的中空纤维的直径优选为约500微米，但是取决于应用需要可以使用任意的纤维直径。取决于预期用途，可以选择具有合适化学结构、尺寸和孔径尺寸的中空纤维。对于本领域的技术人员而言上述中空纤维的制备是众所周知的，并且在构造本发明的中空纤维膜片式气体干燥器设备的过程中可使用任意致密壁、多孔的、非对称的或复合膜片。制成中空纤维的材料将取决于特定应用。
参照图1-2，示出体现本发明构造的中空纤维膜片组件。膜片20包括具有中空膜片纤维22的芯部21，中空膜片纤维22螺旋缠绕在芯部21上，直到达到组件所需直径D，除了在第一端部区域中的直径RD1之外，第一端部区域的直径RD1将从直径D下降到小于D的直径。如果需要降低直径RD2的第二区域，可如图1中所示那样在组件20的另一端部处设置。应该理解上述两个实施例，以及具有减小直径的另外区域的任意其它实施例都恰好落入本发明的范围内。
为了形成这种构造，中空膜片纤维22铺设到芯部21上。纤维22的横向速度将依赖于铺设纤维的区域变化。在端部区域ER1或ER2中，横向速度大约为每秒六(6)英寸。在中央或活性区域中，上述速度大约为每秒一(1)英寸，这样在端部区域中的铺设速度比中央区域中的铺设速度大很多。两者之比为6比1。
可以理解铺设速度可依赖于应用变化较大，并且只要在端部区域中铺设速度增加的足够大以致于在端部区域中的直径减小到比中央或活性区域C的直径D小，那么就是可以接受的。依赖于应用，减小的直径RD可仅仅稍微小于直径D，或者可基本为芯部直径。具有邻接减小直径RD区域的恒定面积的中央或活性区域C的任意构造将恰好落入本发明范围内。虽然优选为直径从邻近中央区域C的第一端部到减小直径RD的端部区域均匀减小，但是其它构造也是可能的。
应该理解对于中空膜片纤维22的所有层而言缠绕角度没有必要相同，而且在端部区域R1，R2中的横向速度没有必要在所有层中变化。
参照图3和图3A，在将芯部缠绕到所需尺寸时，铸封管板24。在制备本发明的过程中可以使用本领域内公知的铸封管板的任意方法和任意铸封材料。铸封材料可依赖于应用而变化。在管板24固化后，对其进行切割，以便暴露纤维空腔。由于纤维22以一定的角度缠绕，并且对管板24进行水平切断，空腔23稍微为椭圆形，但是上述难于在图3A中看到。
为了改进流动，管板24优选不覆盖整个减小直径的区域。未由管板RDAA覆盖的任何区域为活性区域，并且将用于计算纤维长度的目的。
现在参照图4-6，如此制备的组件可用于制备内部吹扫中心孔侧进料的组件(具有在芯部中吹扫收集部的组件(27)或在芯部中不具有吹扫收集部的组件(28))或者外部吹扫、中心孔侧进料的组件29。在任一情况下，为了此后所述的目的，有必要将纤维束包裹在不渗透包裹物31中。对于内部吹扫中心孔侧进料的组件27，28而言重要的是除了与组件中吹扫入口相对的一个端部之外可由该包裹物覆盖在管板24之间的整个组件。可选的，为了增加的管板长度，在除了邻近管板的活性区域中之外不渗透包裹物可覆盖整个纤维束。在该情况下，将在不渗透包裹物和壳体之间设置密封32。
对于本发明而言重要的是不渗透包裹物不嵌入到管板24中，而是取而代之可密封到壳体，上述可通过本领域内公知的任意方法完成，诸如通过将包裹物嵌入到管板和壳体之间，或在管板和壳体之间设置填塞物或其它密封件。
在内部吹扫组件28中，可任选在包裹物和壳体之间设置密封32。芯部21设有邻近管板24的若干吹扫孔40，以便使得吹扫气体通过吹扫通气口33进入。
由于不渗透包裹物31以及任选由于密封32，通过吹扫通气口33进入的吹扫气体将行进通过螺旋形缠绕的纤维24，直到其达到不渗透包裹物的远端31A，之后依赖于应用其将离开吹扫孔到达大气压或其它压力。由于组件密封在壳体内，限制吹扫气体在吹扫孔40处离开。
由于组件的逆流配置，进入到空腔23(嵌入在第一管板24A中)的潮湿进料气体将行进通过螺旋缠绕纤维的空腔并且在与吹扫气体入口相对的端部处离开。应该理解也可使用直流构造，在该情况下干燥气体将在与吹扫气体入口相同的组件端部处进入。
参照图6，示出利用本发明制备外部吹扫、中心孔侧进料、中空纤维膜片组件。在本发明的该实施例中，可与图3中所示的组件相同的那样缠绕组建20，但是不渗透包裹物(为了清楚起见现在用数字39标记)在组件的每一端部处开放预定的距离。
不渗透包裹物优选终止于吹扫孔40的区域中，但是上述不是必需的。如果需要，通气口可设于吹扫入口回路中，以便限制吹扫气体流动通过外部吹扫组件29。潮湿气体将进入第一气室46，经过纤维22的空腔23并且离开第二气室44，并且干燥气体将离开第二气室44。
参照图7，组件20，29通常安装于通常由数字50标记的组件外壳中。壳体25可作为外壳50的管状部分51，或者包括壳体25的组件20可在外壳50的管状部分51内滑动。在任一构造下，一对端帽53将密封地连接到外壳50的管状部分51，以便形成外壳组件55。将存在入口57和出口59，通过入口57待脱水的潮湿气体进入膜片组件55，并且脱水气体将通过出口59离开。在每一端帽53内将为气室44(未示出)。管状部分51和端帽53的构造将依赖于使用的组件27-29的类型而变化。
在图8中示出外壳组件55的分解视图。外壳组件55包括具有吹扫开孔和吹扫出口。端帽53旋到组件外壳50的端部上以便密封中空膜片组件20，该组件20具有在外壳中的管板24。端帽53没有必要旋到管状部分上，而是可以通过粘合剂、超声焊接或本领域内公知的其它手段固定。
不渗透包裹物31(在该视图中未示出)通过填塞物32密封到外壳。在端帽53内部提供增加空间44以便允许待脱水的潮湿气体通过入口57。潮湿气体进入入口增加空间44A，经过纤维22的空腔23，并且离开中空纤维膜片组件20的另一端部进入到出口增加空间44B中，并且通过其达到出口59。
现在参照图9，示出螺旋缠绕的纤维束，其放置于外壳内，这样入口和出口压缩气体端口在诸如通常的内嵌式纤维外壳内对齐，例如用于浮质聚结过程。为了解释说明的目的，未示出管板24，并且示出具有90读缠绕角度的直纤维。具有中空纤维22和管板24(未示出)的中空膜片组件20放置于壳体25内部。不渗透包裹物31通过密封32密封到壳体25。如果需要，可通过开孔(未示出)引入自膨胀的泡沫36，以便进一步将不渗透包裹物31密封到壳体25。
中空纤维膜片组件20具有一对用数字62和63标记的改型的端帽，上述使其可安装到具有外壳入口64和外壳出口65的过滤器外壳60内。待脱水的潮湿气体进入外壳入口64并且经过第一端帽62中的开孔62A，经过纤维22的空腔23，并且通过邻近端帽63的空腔23离开，端帽63具体构造成将大部分气体偏转和返回通过次内部21并且从第一端帽62离开进入外壳出口65内。但是，可允许一部分干燥气体经过特定的吹扫入口68，在吹扫入口68处其围绕处于不渗透包裹物31之下的纤维经过，并且离开特定的吹扫出口孔69并且离开外壳吹扫出口70。
通过认真考虑本领域内的问题，提供改进的中空纤维膜片组件。