一种中空纤维气体分离膜组件的制作方法

1.本实用新型涉及膜分离技术领域，尤其涉及一种中空纤维气体分离膜组件。


背景技术：

2.在化工生产中，膜分离技术是实现混合气体分离的一项重要技术，而膜组件是实现膜分离的核心部件。其中，中空纤维气体分离膜组件，因其装填的中空纤维膜是一种极细的空心膜管，相比平板膜具有更高的比表面积，可承受更高的压力，因此在氢气、氦气回收；氧气、氮气分离富集；二氧化碳分离等领域应用最为广泛。
3.实际应用过程中，原料气从中空纤维膜组件的进气侧进入，沿中空纤维膜丝的外侧流动，渗透速率较快的气体(即渗透气)透过膜进入膜丝内侧得到富集，由膜组件的渗透侧排出；渗透速率较慢的气体(即尾气)滞留在膜丝外侧，经由膜丝间通道汇集于中心管，从组件的尾气侧排出。
4.通常采用的中空纤维膜组件多为平直式，即中空纤维丝沿组件轴向平行排列。由于尾气是经由膜丝之间的平行通道排出，原料气流经膜表面时停留时间短、流速快，进气侧与尾气侧之间容易形成“短路”(即原料气不经过膜，而直接从膜表面流过，从尾气侧排出)，导致气体分离效率降低。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种中空纤维气体分离膜组件，以解决现有膜组件使用过程容易发生“短路”，导致分离效率低的问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
7.一种中空纤维气体分离膜组件，包括：中空纤维膜丝束、中心管、尾气侧封头、渗透侧封头、中空纤维膜丝、保护壳及透气网，所述中心管设置在所述中空纤维膜丝束的中心，且所述中心管与所述中空纤维膜丝束同轴心；所述中空纤维膜丝束的一端设有尾气侧封头，另一端设有渗透侧封头；所述保护壳设置在靠近尾气侧封头的中空纤维膜丝束的外侧，所述透气网设置在靠近渗透侧封头的中空纤维膜丝束的外侧；所述中空纤维膜丝束为若干个中空纤维膜丝交叉缠绕所述中心管形成的。
8.进一步地，所述中空纤维膜丝与所述中心管的缠绕角度为15
°
～45
°
。
9.进一步地，所述中心管靠近所述尾气侧封头的一端还设有开孔。
10.进一步地，所述中空纤维膜丝束的一端嵌入所述尾气侧封头，另一端贯穿所述渗透侧封头，与所述渗透侧封头的外端面形成多个贯穿孔，构成渗透气通道。
11.进一步地，所述中心管的一端嵌入所述渗透侧封头，另一端贯穿所述尾气侧封头，与所述尾气侧封头的外端面形成贯穿孔，构成尾气通道。
12.进一步地，所述保护壳与所述渗透侧封头之间构成原料气进气通道。
13.进一步地，所述渗透侧封头设置为圆形台阶形状，其外端面的直径大于所述中空纤维膜丝束的直径。
14.本实用新型公开了一种中空纤维气体分离膜组件，通过采用交叉缠绕的膜丝排列方式，对膜丝间的气流起到激湍作用，强化传质，避免出现“短路”、“死区”现象，提高了膜组件的分离效率；还通过改善中心管开孔位置、保护壳位置，进一步提高了膜组件的分离效果。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本实用新型中空纤维气体分离膜组件结构示意图；
17.图2为本实用新型中空纤维膜丝与中心管缠绕的结构示意图。
18.图中，1、中空纤维膜丝束，2、中心管，21、开孔，3、尾气侧封头，4、渗透侧封头；5、中空纤维膜丝，6、保护壳，7、透气网。
具体实施方式
19.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
20.如图1-2所示为一种中空纤维气体分离膜组件，包括：中空纤维膜丝束1、中心管2、尾气侧封头3、渗透侧封头4、中空纤维膜丝5、保护壳6及透气网7，所述中心管2设置在所述中空纤维膜丝束1的中心，且所述中心管2与所述中空纤维膜丝束1同轴心；所述中空纤维膜丝束1的一端设有尾气侧封头3，另一端设有渗透侧封头4；所述保护壳6设置在靠近尾气侧封头3的中空纤维膜丝束1的外侧，所述透气网7设置在靠近渗透侧封头4的中空纤维膜丝束1的外侧；所述中空纤维膜丝束1为若干个中空纤维膜丝5交叉缠绕所述中心管2形成的。进一步地，所述中空纤维膜丝5与所述中心管2的缠绕角度为15
°
～45
°
。
21.如图2所示，在本实施例中，中空纤维膜丝5交叉缠绕所述中心管2形成的交叉缠绕结构，中空纤维膜丝5间相互交叉，并与中心管2呈一定缠绕角度。当气体流经中空纤维膜丝束1时，一方面，中空纤维膜丝5内气体总体呈螺旋型流动，流动的不稳定性破坏了边界层，增强了质点混合，可提高传质效果；另一方面，对中空纤维膜丝5之间流动的原料气形成类似错流，起到激湍的作用，促进原料气的径向混合，不仅可以减少“短路”和“死区”，还有助于膜表面更新传质，从而提高组件的分离效率。另外，通过改变缠绕角度，能够调节中空纤维膜丝5的长度与膜组件的直径之比(即组件长径比)。增大中空纤维膜丝5与所述中心管2的缠绕角度，相同体积膜分离器内可装填的组件膜面积增加，可提高膜组件的分离效能。优选的，缠绕角度为15
°
～45
°
。
22.进一步地，所述中心管2靠近所述尾气侧封头3的一端还设有开孔21。在本实施例中，开孔21均匀分布于中心管2靠近尾气侧封头3的一端。由于尾气与原料气是沿轴同向流
经中空纤维膜丝5的表面，其中，尾气由中空纤维膜丝5之间的空隙穿过，从开孔21处进入中心管2汇合排出。因此，开孔21位置设于气路的下游，更有利于原料气与中空纤维膜丝5充分接触，减少“短路”现象发生。
23.进一步地，所述中空纤维膜丝束1的一端嵌入所述尾气侧封头3，另一端贯穿所述渗透侧封头4，与所述渗透侧封头4的外端面形成多个贯穿孔，构成渗透气通道。
24.进一步地，所述中心管2的一端嵌入所述渗透侧封头4，另一端贯穿所述尾气侧封头3，与所述尾气侧封头3的外端面形成贯穿孔，构成尾气通道。
25.进一步地，所述保护壳6与所述渗透侧封头4之间构成原料气进气通道。在本实施例中，保护壳6采用不透气的圆筒形材料，包裹固定住一部分中空纤维膜丝束1，其一端与尾气侧封头3粘接固定，另一端与渗透侧封头4之间区域构成原料气进气通道。保护壳6不仅对中空纤维膜丝束1可以起到固定保护的作用，也可以迫使原料气由原料气进气通道进入膜组件，并在膜组件内沿轴向流经膜表面，与反向流动的渗透气形成“逆流”。与前述的中心管开孔21位置相配合，可以在更宽的范围内获得“逆流”状态，从而进一步提高膜组件的分离效率。
26.如图1所示，在本实施例中，保护壳6的另一端距离渗透侧封头4内端面的长度l值的设定，对进气流速产生直接影响。l值越小，进气流速越快，会加剧“短路”现象发生，同时也会对进气通道内中空纤维膜丝造成较大的冲击。优选的，l设置为膜组件总长度的5％～10％。透气网7包裹固定住位于原料气进气通道的一部分中空纤维膜丝束1，其一端与渗透侧封头4粘接固定，另一端与保护壳6固定连接。通过设置透气网7，可避免膜丝在较大压力和流速冲击下发生变形或断裂。
27.进一步地，所述渗透侧封头4设置为圆形台阶形状，其外端面的直径大于所述中空纤维膜丝束1的直径。在本实施例中，渗透侧封头4设置为圆形台阶状，因渗透侧封头4贴近原料气进气通道，承受较大压力冲击，设置成圆形台阶形状，便于固定密封圈，可提高组件的耐压密封性。
28.本实用新型的气体分离流程为：原料气经由原料气进气通道口a进入中空纤维气体分离膜组件，沿轴向流经中空纤维膜丝束1的中空纤维膜丝5的表面。其中，氢气等渗透速率较快的气体优先透过膜，在中空纤维膜丝5内富集，并呈螺旋型，沿着与原料气相反的方向流动，从渗透气通道口c排出；未透过膜的尾气被截留在膜表面，穿过中空纤维膜丝间的空隙，经中心管2的开孔21汇入中心管2，由尾气通道口b排出。
29.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。