专利名称：具有三个端口的高性能小型空心纤维膜接触器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有三个端口的高性能小型空心纤维膜接触器。
背景技术：
在一些工业上所用的液体要求是超纯液体。这些超纯液体应当没有矿物质、离子和气体，或者基本上没有这些杂质。通常采用逆渗透工艺除去矿物质和离子。但是这种逆渗透工艺不能除去溶解或者夹带的气体。最普通的溶解或者夹带气体的是空气。空气的主要成份主要为氮气、氧气和二氧化碳。
在过去已经采用膜接触器例如空心纤维膜接触器来除去液体中溶解的或者夹带的气体，或者增加该液体中溶解的或者夹带的气体。空心纤维膜接触器是众所周知的。例如可以参考美国专利No.3288877；3755034；4220535；4664681；4940617；5186832；5264171；5284584；5352361；5449457。空心纤维膜接触器在市场上可以从美国北卡罗来纳州Charlotte市的Celgard Inc.公司的Membrana分公司买到，其商品名称为LIQUI-CEL，也可以从日本东京的Dainippon Ink andChemicals公司买到，其商品名为SEPAREL。一些接触器用若干片膜纤维膜组装。这些纤维膜用许多O形环密封，然后再将它们在机械上固定在一起(例如夹在一起)。这种接触膜具有许多用途，一种用途是除去液体中的气体。
为了方便制造这些接触器，空心纤维膜通常形成为织物(例如织造织物或者针织织物)。将织物绕在一个心轴(例如多孔的中心管)上，然后用热固性材料或者热塑性材料封装该织物边缘，由此使织物固定就位，从而形成单一的结构。例如参考美国专利No.4940617和5284584。然后将这种单元插入到一个壳体(盒子)中，进行密封，即用O形环或者不用O形环密封，由此形成膜接触器。例如参考美国专利No.6207053。
大多数直径小的空心纤维膜接触器其制造方法是将这种单元整体封装在盒子中。这样便不需要在该单元和盒子之间，通过另外的装置即O形环或者衬垫提供或者保持任何额外的密封。然而接触器的部件(例如壳体、端盖、中心管、微孔膜和封装件)采用很不相同的材料制造，这造成连接的困难问题。另外，对这些接触器的需求还要求对其进行改进。
因此需要一种改进的高性能小型空心纤维膜接触器。
发明概要本发明是一种具有三个端口的高性能小型空心纤维膜接触器。该空心纤维膜接触器包括滤芯、壳体、第一端盖和第二端盖。该壳体包围该滤芯并具有两个端部和一个开口。该滤芯还包括多孔的中心管、空心纤维织物，第一管隔件、第二管隔件和塞子。该多孔中心管具有第一端和第二端，该空心纤维织物包围中心管。该空心纤维织物包括空心纤维膜，各个空心纤维膜具有管腔。第一管隔件和第二管隔件将上述织物固定在上述中心管的各个端部上，该塞子位于第一管隔件上。在第一管隔件上，该空心纤维的管腔是开着的，而在第二管隔件上，该空心纤维的管腔是封闭的。第一端盖和第一管片之间形成第一集流空间。该第一端盖具有贯穿通孔，该通孔通过上述第一集流空间与空心纤维的管腔相通。该第二端盖具有开口，该开口与中心管相通。
附图的简要说明为了用图说明本发明，在附图中示出现时优选的实施例，然而应当明白，本发明不限于所示出实施例的具体装置和部件。
图1是示意图，示出本发明的空心纤维膜接触器；图2壳体的纵向横截面图；图3是滤芯的纵向横截面图；图4是滤芯壳体组件的纵向横截面图。
本发明的详细说明参考附图，附图中相同的编号表示相同的部件，图1示出本发明空心纤维膜接触器10的优选实施例。该接触器10包括壳体22、滤芯24、第一端盖26和第二端盖28。该滤芯24包括多孔中心管12、空心纤维织物16、第一管隔件18、第二管隔件20和塞子15。壳体22包围滤芯24，第一端盖26和第二端盖28分别固定于壳体22的第一壳体端部21和第二壳体端部23上，如图2所示。
在优选操作中，液体例如包含夹带气体的液体经端口34引入到空心纤维膜接触器10，该入口通过第二集流空间32与中心管12流体相通。液体经孔14流出中心管12，然后在空心纤维织物16空心纤维膜的外表面上流过，并经端口36流出接触器10。通过第一集流空间30与织物16空心纤维管腔流体相通的出口，连接于真空源。因此，当包含气体的液体流过织物16空心纤维的外表面时，在织物16空心纤维管腔内形成的真空构成一种驱动力，使液体中的气体扩散到纤维16空心纤维的管腔内，并从该管腔经端口38抽出。
在另一种优选操作中，例如包含夹带气体的液体通过加压经端口34引入到空心纤维接触器10，该入口通过第二集流空间32与中心管12流体连通。增压的液体通过孔14流出中心管12，流过空心纤维织物16的空心纤维膜的外表面，并经端口36流出接触器10。端口38通过第一集流空间30与织物16空心纤维的管腔侧流体连通，该出口保持在大气压下。因此，当包含气体的加压的流体流过织物空心纤维的外表面时，在织物16空心纤维管腔一侧的大气压和作用在织物16空心纤维外表面上的带压便形成一种驱动力，使液体中的气体扩散到织物16空心纤维的管腔一侧，气体从该管腔经端口38排出。
在另一种优选操作中，液体通过端口34输入到空心纤维接触器10，该入口通过第二集流空间32与中心管12流体连通。该流体经孔14流出中心管12，流过织物16空心纤维膜的外表面，并经端口36流出接触器10。在引入液体的同时将增压气体经端口38引入到织物16空心纤维的管腔内。因此当液体流过织物16空心纤维的外表面时，在织物16空心纤维的膜管腔一侧的增压的气体压力将形成一种驱动力，使气体从织物16空心纤维的管腔内扩散到经端口36流出接触器10的流体中。
参考图2，壳体22具有下面详细说明的端口36、第一壳体端部21和第二壳体端部23。该壳体可以用任何一种材料制造，该壳体22最好用聚乙烯制造。该壳体22可以为任何形状。这种形状可以从一组形状中选出，这组形状由圆柱形、长方体形和这些形状的混合形状组成。壳体22在两个侧面可以具有或者不具有突出的端部。壳体22可以为任何直径。壳体22的直径最好为4英寸或者更小。壳体22可以具有任何长度，但是壳体22的长度最好为24英寸和更短。
参考图3，滤芯24包括多孔中心管12、空心纤维织物16、第一管隔件18、第二管隔件20和塞子15。
中心管12可以用具有足够机械强度的任何材料制造，从而提供对空心纤维织物16、第一管隔件18和第二管隔件20所需要的支承。该中心管12最好用聚乙烯制造。该中心管12包括许多孔14和使流体改变方向的挡板。该中心管12具有沟槽，该中心管12最好具有第一管端部11和第二管端部13，该第一管端部11最好是封闭的。该第一管端部11包括内部沟槽17。
可以用众所周知的工艺制造空心纤维织物16。一般说来，在制造空心纤维织物时，将空心纤维膜形成为具有适当形状的一束膜。优选的束装置包括平行铺设的纤维或者倾斜缠绕铺设的纤维。该空心纤维织物16的空心纤维是任何适合用于扩散操作的膜。可参考文献Kesting，R.E.，Synthetic Polymeric Membranes，2nded.，John Wiley&Sons，New York，N.Y.，(1985)，该文献已作为参考包含在本文中。
该空心纤维膜可以用合成聚合物、纤维素或者合成的改性纤维素制造。合成的聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯、聚甲基戊烯、聚砜、聚醚砜、聚酯、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙烯乙醇和氟化聚烯烃，但并不限于这些材料。空心纤维膜最好用聚烯烃类聚合物制造，其例子包括微孔的聚烯烃膜，这种膜可以从美国北卡罗纳州的夏洛特市的Celgard Inc.公司买到，其商品名为CELGARD空心纤维，或者使用日本东京Dainippon Ink and chemicals公司的膜，可参考美国专利No.4664681，此专利已作为参考包含在本文中。
可以用间隔件，使缠绕的空心纤维织物16的层之间保持一个空穴，使得流体可以均匀地分布到所有空心纤维的整个表面上。要得到最大的接触器除气效率，这种分布是很重要的。可参看美国专利No.4940617。该间隔件可以用任何材料制造，最好用聚乙烯制造。
第一管隔件18配置在空心纤维织物16靠近第一管端11的一端，第二管隔件20配置在空心织物16靠近第二管端13的另一端。第一管隔件18和第二管隔件20其纵向横截面最好是圆柱形的，并具有相当的厚度，从而提供对空心纤维织物16的支承，并承受操作期间作用在这些织物上的压力。第一管隔件18和第二管隔件20的作用是使空心纤维织物16固定就位，并使接触器10分成壳体侧的通道和管腔侧的通道。第一管隔件18和第二管隔件20由整体封装材料组成。该整体封装材料可以是任何材料。该整体封装材料最好是聚乙烯。
塞子15的作用是密封第一管端11。该塞子15是密封第一端管11，该塞子可以任何材料制造，该塞子15最好用聚乙烯制造。该塞子15可以为任何形状，该塞子15的纵向横截面最好为圆柱形，并具有足够厚度，以便能够承受操作期间作用在它上面的压力。该塞子15可以具有沟槽，该沟槽与沟槽17互补，从而可以将塞子15固定在中心管12上。按照另一种方式，塞子15可以是中心管12的整体部分，或者可以是第一管隔件18的整体部分。
参考图1、2、3和4，在组装时，将空心纤维织物16裹在中心管12的外面，同时，在织物16的横向边缘上铺上足够量的外部封装材料，即聚乙烯，由此将织物16固定于中心管12，因而形成织物-管组件。然后将这种织物-管组件放在壳体22中，并在织物管的两个横向端部加上整体封装材料，由此形成第一管隔件18和第二管隔件20，因而形成滤芯24，并且同时在滤芯24和壳体22之间形成密封，由此形成滤芯-壳体组件25。
外部封装材料可以是热固性材料或者热塑性材料。热固性材料包括环氧树脂和聚氨酯，但不限于这些材料，环氧树脂是最好的。按照本文的用法，热塑性材料是指高聚合物，这种聚合物在受热时变软，而在冷却到室温时，恢复到其原来的状态，这一名称通常适用于合成材料，例如聚氯乙烯、尼龙、氟碳聚合物、聚乙烯、聚氨酯预聚合物、聚苯乙烯、聚丙烯、纤维素树脂和丙烯酸树脂。例示性的热塑性材料包括聚烯烃，例如聚丙烯和聚乙烯，外部封装材料最好是聚乙烯。
可以采用不同的封装方法来完成外部封装步骤。该外部封装步骤最好用熔珠封装方法完成。
在熔珠封装中，如美国专利申请公告2003/0009942A1(已作为参考文献包含在本文中)所述，在将空心纤维织物16裹在中心管12上的同时，将充分量的外部封装材料铺在空心纤维织物16的两个横向边缘上，将空心纤维织物16固定于中心管12，由此形成织物-管组件。
如前所述，整体封装材料可以是热固性材料或者热塑性材料。整体封装材料可以与上述第一封装材料相同。该整体封装材料最好是聚乙烯。可以用不同的封装方法来完成整体封装步骤。如下面说明的，不同的封装方法包括离心封装法、成型封装法和重力封装法，但不限于这些方法。
在离心封装法中，将织物-管组件插入到壳体22中，然后使该组件绕其中点旋转，从而在织物-管组件的两个端部上形成离心力，并将整体的封装材料引入到靠近织物-管组件两个端部的壳体侧空间，然后使整体的封装材料凝固。
在重力封装法中，将整体的封装材料引入到垂直安装的织物管组件的各个端部，一次引入一个端部，使得该封装材料沉积到织物-管组件的端部并凝固。
在成型封装中，将织物-管组件放在模具中，模具中充满整体封装材料，充到要求的深度，然后使织物-管组件保持在充满的模具中，直到整体的封装材料硬化。
然后将端盖26和28结合于与滤芯-壳体组件25形成接触器10。端盖26和28可以用任何材料制造，该端盖26和28最好用聚乙烯制造。可以用各种方法例如高温焊接法、加热熔化法、溶剂焊接法、超声焊接法和红外焊接法，将端盖26和28固定于滤芯21。
膜接触器10可以具有任何数目的端口。该接触器最好具有三个口即端口34、端口36和端口38。如普通技术人员容易看出的，端口的配置可以变化，只要保持本发明壳体侧通道和管腔侧通道的整体性。
端口34是供料入口装置，一般它是一个入口、喷口、套筒或者其他开口，这种开口可以将要分离的流体混合物引入到空心纤维膜接触器。
端口36是一个非渗透的出口的装置，该口适合于排出流体，该流体不渗透空心纤维膜。口36一般是一个口、喷口、套筒或者另外的开口，这种口可以排出空心纤维膜接触器中的非渗透流体。
端口38是渗透流体的出口装置，用于排出渗透过空心纤维膜的流体，或者该口可以是一种将带压流体引入到空心纤维织物16管腔一侧的装置。该口38一般是端口、喷口、套筒或者其他的适合于将渗透流体抽出或者引入流体的其他开口。
本发明可以以其他方式实施而不超出本发明的精神和实质，因此本发明主要依据确定本发明范围的所附权利要求书，而不是上述说明。
权利要求
1.一种空心纤维膜接触器，包括滤芯；壳体，具有两个端部和一个开口，适合于包围上述滤芯；第一端盖；第二端盖；上述滤芯还包括多孔中心管，具有第一端和第二端；空心纤维织物，包括空心纤维膜，各个上述空心纤维膜具有管腔，上述空心纤维织物围绕上述中心管；第一管隔件和第二管隔件，用于将上述织物固定在上述中心管的各个端部上；塞子，配置在上述第一管隔件上；上述纤维的空心管腔在第一管隔件上是开放的，而在第二管隔件上，上述空心纤维的管腔是封闭的；上述第一端盖和上述第一管隔件之间形成第一集流空间；上述第一端盖具有穿过该盖的开口，其中上述第一端盖开口通过第一集流空间与空心纤维的管腔连通；上述第二端盖具有开口，上述第二端盖开口与上述中心管相通；其中，通过第二端盖开口将流体引入到上述接触器中，使上述流体流过上述空心纤维织物，上述流体然后经上述壳体开口排出上述接触器，并通过上述第一端盖开口加上真空。
2.如权利要求1所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述壳体、上述第一端盖、上述第二端盖、上述中心管、上述第一管隔件、上述第二管隔件和上述塞子均用相同材料制造。
3.如权利要求2所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述相同材料是聚乙烯。
4.如权利要求1所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述壳体的直径为4英寸(10cm)或者更小。
5.如权利要求1所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述壳体的长度为24英寸(60cm)或者更短。
6.如权利要求1所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述接触器还包括挡板。
7.一种除气系统，包括带压液体；空心纤维膜接触器，包括滤芯；壳体，具有两个端部和一个开口，适合于封闭上述滤芯；第一端盖；第二端盖；上述滤芯还包括多孔中心管，具有第一端和第二端；空心纤维织物，包括空心纤维膜，各个上述空心纤维膜具有管腔，上述空心纤维膜包围上述中心管；第一管隔件和第二管隔件，用于将上述织物固定于上述中心管端部的各个端部上；塞子，配置在上述第一管隔件上；上述纤维的管腔在第一管隔件上是开放的，而在上述第二管隔件上，上述空心纤维的管腔是封闭的；上述第一端盖和第二端盖之间形成第一集流空间；上述第一端盖具有穿过它的开口，其中上述第一端盖开口通过第一集流空间与空心纤维的空心管腔连通；上述第二端盖具有开口，上述第二端盖开口与上述中心管连通；其中，上述带压流体通过上述第二端盖开口引入上述接触器中，上述带压流体流过上述空心纤维织物，然后上述流体经上述壳体开口流出上述接触器。
8.一种空心纤维膜接触器，包括滤芯；壳体，具有两个端部和一个开口，适合于包围上述滤芯；端盖，焊接于各个上述壳体端部；上述滤芯包括多孔中心管，具有两端；空心纤维织物，包围上述管，上述空心纤维织物包括空心纤维膜，上述空心纤维膜具有管腔；管隔件，用于将上述织物固定于上述管的各个上述管端；塞子，配置在上述管的一个端部；其中，在邻接上述塞子的管隔件上，该空心纤维的管腔是开放的，而在另一管隔件上，该空心纤维的管腔是封闭的；其中，上述端盖和上述具有开放管腔的上述管隔件之间形成集流空间，上述端盖具有穿过它的开口，上述开口与上述集流空间相通；上述集流空间与邻接上述塞子的管隔件上的上述空心纤维的管腔相通；其中，上述另一端盖具有穿过它的开口，上述开口与上述中心管连通；其中，流体通过与上述中心管连通的上述开口引入到上述接触器，该流体流过上述空心纤维织物，并经穿过上述壳体的上述开口流出上述接触器，并通过与上述集流空间连通的开口加上真空。
9.如权利要求8所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述壳体、上述端盖、上述中心管、上述管隔件和上述塞子均用相同材料制造。
10.如权利要求9所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述相同材料是聚乙烯。
11.如权利要求8所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述壳体的直径为4英寸(10cm)或者更小。
12.如权利要求8所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述壳体的长度为24英寸(60cm)或者更短。
13.如权利要求8所述的空心纤维膜接触器，其特征在于，上述接触器还包括挡板。
14.一种将气体引入到流体中的系统，包括液体；带压气体；空心纤维膜接触器，包括滤芯；壳体，具有两个端部和一个开口，适合于包围上述滤芯；第一端盖；第二端盖；上述滤芯还包括多孔中心管，具有第一端和第二端；空心纤维织物，包括空心纤维膜，各个上述空心纤维膜具有管腔，上述空心纤维织物包围上述中心管。第一管隔件和第二管隔件，用于将上述织物固定在上述中心管的上述中心管端部中的各个端部上；塞子，配置在上述第一管隔件上；上述纤维管腔在第一管隔件上是开着的，而在上述第二管隔件上，上述空心纤维的管腔是封闭的；上述第一端盖和上述第一管隔件之间形成第一集流空间；上述第一端盖具有开口，其中上述第一端盖开口通过第一集流空间与空心纤维的管腔连通；上述第二端盖具有开口，上述第二端盖开口与上述中心管连通；其中，上述带压气体通过上述第一端盖开口引入到上述空心纤维膜的管腔中，并同时将上述流体经上述第二端盖开口引入到上述接触器中，上述流体流过上述空心纤维织物，上述流体然后再经上述壳体开口流出上述接触器。
全文摘要
本发明是一种空心纤维膜接触器。该空心纤维膜接触器包括滤芯、壳体、第一端盖和第二端盖。适合于包围滤芯的壳体具有两端和开口。该滤芯还包括多孔中心管。空心纤维织物、第一管隔件、第二管隔件和塞子。该多孔中心管具有第一端和第二端，该空心纤维织物包围中心管。该空心纤维织物包括空心纤维膜，各个空心纤维膜具有管腔。第一管隔件和第二管隔件将上述织物固定于上述中心管的各个端部，而塞子配置在第一管隔件上。空心纤维的管腔在第一管隔件上是开着的，而在第二管隔件上该空心纤维的管腔是封闭的。第一端盖和第二管隔件之间形成第一集流空间。该第一端盖具有开口，该开口经上述第一集流空间与空心纤维的管腔连通。该第二端盖具有开口，该开口与中心管连通。
文档编号B01F3/04GK1689690SQ20051006256
公开日2005年11月2日 申请日期2005年3月29日 优先权日2004年3月30日
发明者阿米塔瓦·森古普塔, 莱纳斯·I·霍尔斯坦, 小E·韦恩·布尔丁 申请人:思凯德公司