[发明专利]中空纤维膜组件

说明书

一种中空纤维膜组件，包括壳体和纤维束，所述纤维束容纳在壳体中并沿壳体的长度布置。纤维束包括中空纤维膜和细长间隔件，所述细长间隔件被定位在中空纤维膜之间并与所述中空纤维膜直接接触。沿着每个细长间隔件的长度的外表面限定开口、或突起、或弯曲不连续或非线性部分。每个中空纤维膜是圆筒形的并且沿其长度限定开口。所述壳体限定：用于包括气体、蒸气或气体和蒸汽两者的进料混合物的入口；用于中空纤维膜的渗透物的第一出口；以及用于中空纤维膜的渗余物的第二出口。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2017年7月18日提交的美国专利申请No.15/652,966的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种中空纤维膜组件，该中空纤维膜组件包括用于增强所述组件中的气体和蒸气的传质速率的间隔件。

背景技术

用于分离进料混合物中的气体和/或蒸气(即，气体、蒸气或气体和蒸气的组合)的膜处理利用膜与进料混合物中的组分之间的化学和物理相互作用(或亲和力)。在典型的膜处理中，进料混合物接触膜的进料侧，并且至少部分地基于气体和/或蒸气组分到聚合物中的不同溶解度和气体和/或蒸气组分通过膜的扩散率差异而选择性地渗透膜。渗透物或进料混合物的通过膜的组分从膜的渗透侧被移除。

对于工业应用，通过将膜包装到组件中实现了大的膜面积。中空纤维膜组件是工业应用中最广泛使用的膜组件类型之一。在中空纤维膜组件中，可以将进料引入纤维内部(称为“由内向外”)或纤维外部(称为“由外向内”)。图1是具有壳体102的“由内向外”式中空纤维膜组件100的一个示例的剖视图。包括中空纤维104的纤维束被容纳在壳体102中并固定到管板106。通过端口108将进料混合物提供给中空纤维膜组件100。渗透物通过端口110离开中空纤维膜组件100，而渗余物通过端口112离开中空纤维膜组件100。图2是具有壳体202的“由外向内”式中空纤维膜组件200的一个示例的剖视图。包括中空纤维204的纤维束容纳在壳体202中并固定到管板206。通过端口208将进料混合物提供给中空纤维膜组件200。渗透物通过端口210离开中空纤维膜组件200，而渗余物通过端口212离开中空纤维膜组件200。

用于中空纤维膜组件中的工艺性能的基线可以通过假定纤维是均匀的(相同的内半径和外半径以及渗透率)并且被均匀地间隔开来确定。另外，基线性能预测假设流体分布是均匀的，即，纤维束中的每根纤维内部和外部的流速是相同的。这种“理想”器件的性能可以通过分析单根纤维的性能来确定。然而，就通量和恢复而言，实际组件性能远低于理想性能。例如，“由外向内”式构造的一个缺点是可能发生“沟道效应”。这意味着进料具有沿固定路径流动的趋势，从而减小了有效的膜表面积。当将进料混合物被引入到中空纤维内部时，渗透物在纤维外部的浓度增加(浓差极化)可能会导致不良的组件性能。

发明内容

在第一总体方面，中空纤维膜组件包括壳体和容纳在壳体中并沿壳体的长度布置的纤维束。纤维束包括多个中空纤维膜和位于中空纤维膜之间并与所述中空纤维膜直接接触的细长间隔件。沿着每个细长间隔件的长度的外表面限定开口、或者突起、或弯曲不连续或非线性部分。每个中空纤维膜是圆筒形的并且沿其长度限定开口。所述壳体限定：用于包括气体、蒸气或气体和蒸汽的进料混合物的入口；用于中空纤维膜的渗透物的第一出口；以及用于中空纤维膜的渗余物的第二出口。

第一总体方面的实施方式可以包括下列特征中的一个或多个。

细长间隔件的外径为所述中空纤维膜的外径的20％至200％。中空纤维膜和细长间隔件占据壳体的内部体积的40％至60％，以及细长间隔件占据中空纤维膜所占据的总体积的5％至50％。

一些细长间隔件为集总纤维或集总丝线的形式。

一些细长间隔件沿该间隔件的长度限定开口。一些细长间隔件具有实心芯部。