逆流气体分离模块和方法
【技术领域】
[0001]本文中的装置和方法涉及气体分离模块，包括飞行器油箱可燃性还原系统(aircraft fuel tank flammability reduct1n system)中的模块。
【背景技术】
[0002]已知的空气分离模块(ASM)被发现于飞行器油箱可燃性还原系统中。ASM将一些氧气从空气中去除，以生成富氮空气(NEA)，富氮空气然后流入油箱空容积，即油箱中常常包含蒸发的燃料(诸如，燃料蒸汽)的区域。NEA可减少油箱空容积的可燃性。美国联邦航空管理局(FAA)规章要求，新型的和服役的运输飞行器应包括用于增强飞行器油箱的安全性的系统。可惜，ASM给飞行器增加了重量。因此，空气分离模块的减重是期望的。
【发明内容】
[0003]—种气体分离方法包括:使用气体分离模块，所述气体分离模块包括壳体和位于所述壳体内的气体分离膜。所述气体分离膜具有馈送端和产出端，在所述馈送端和所述产出端之间具有滞留内侧和渗透外侧。所述方法包括:把气体进料供给到所述壳体中，所述气体进料包含第一气体和不同的第二气体。使所述气体进料沿着馈送流路流动，所述馈送流路位于所述壳体内并且从所述气体分离膜的所述产出端向所述馈送端取向，所述气体进料被隔离成不与所述渗透外侧接触。
[0004]在所述馈送流路之后，使所述气体进料沿着膜流路流动，所述膜流路由所述气体分离膜限定并且从所述气体分离膜的所述馈送端延伸到所述产出端。所述馈送流路与所述膜流路相逆。所述方法还包括:使所述滞留内侧与所述膜流路中的所述气体进料接触；使来自所述气体进料的所述第一气体中的至少一些气体渗透过所述气体分离膜而到达所述渗透外侧；以及产生滞留物，由于去除了来自所述气体进料的所述第一气体中的至少一些气体，所述滞留物富集在所述第二气体中。
[0005]以举例的方式，所述方法可包括:通过使所述馈送流路与所述膜流路相逆而使得能够在所述馈送流路和所述膜流路之间进行热交换，结果，提高了所述气体分离模块的分离效率。所述方法可进一步包括:提供用于所述气体分离模块的构造，选择一个或多个工艺条件，结果，补偿由于气体分离的热焓所造成的所述气体分离膜中的温度下降的至少一部分。所述气体分离膜的所述产出端的温度可建立在所述气体分离膜的所述馈送端的温度的10° F之内。
[0006]一种气体分离模块包括壳体，所述壳体具有使气体进料能够进入的馈送端口、使渗透物能够排出的渗透端口、以及使滞留物能够排出的滞留端口。所述模块包括位于所述壳体内的气体分离膜，所述气体分离膜具有馈送端和产出端，在所述馈送端和所述产出端之间具有滞留内侧和渗透外侧。馈送流路位于所述壳体内，并且在从所述气体分离膜的所述产出端到所述馈送端的方向上延伸并被隔离成不与所述渗透外侧接触。所述馈送流路与膜流路相逆，所述膜流路由所述气体分离膜限定并且从所述气体分离膜的所述馈送端延伸到所述产出端，使得能够与所述滞留内侧接触。
[0007]已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现或者可在其它实施方式中进行组合，可以参考以下描述和附图来查看其进一步细节。
【附图说明】
[0008]下面参考以下附图来描述一些装置和方法。
[0009]图1A至图4C是根据若干构造的逆馈送气体分离模块的横截面图。
[0010]图5和图6分别是现有技术气体分离模块的等距和近距离视图。
[0011]图7示出了油箱可燃性还原系统。
【具体实施方式】
[0012]一些已知的气体分离模块使用中空纤维膜(HFM)。HFM可包括:可渗透的纤维壁；多孔材料，所述多孔材料支撑薄膜或外皮，由在气体分离过程中提供选择性的不同材料构成。这样的HFM被称为复合膜，由所包括的不同材料给定。并非复合材料的HFM可包括使用与多孔支撑件相同的材料的外皮，并且可称为非对称膜，横跨HFM厚度给定了变化的传输特性。虽然气体分离工艺聚焦于中空纤维膜，但其它类型的气体分离膜可以用在本文的装置和方法中。
[0013]在操作气体分离模块期间，气体进料进入纤维的馈送端，并且所选择的气体扩散穿过纤维壁而产生渗透物。所保留的气体继续沿中空纤维下行至产出端，并且作为滞留物离开。中空纤维膜的两端可用树脂灌封，以使纤维固定。在使气体进料和滞留物与渗透物隔离的每一端，固定纤维端的被灌封的树脂形成了管板(tubesheet)。纤维和管板的组合形成了可插入壳中以形成模块的元件。有些可将该元件称为“筒”，并且将壳称为“罐(canister)”。然而，在本文件中，“元件”和“壳”的意义并不限于各自“筒”和“罐”的普通意义。一般而言，灌封的树脂形成了插头，该插头具有围绕安装在管形壳内的各自纤维端的圆形周界。即便如此，针对管板和壳，本文中的构造也包括另外的几何形状。
[0014]对于使用气体分离模块的一些应用，诸如油箱可燃性还原系统，可在升高的温度下供给气体进料。对于氧气与空气的分离，以及其它气体对，随着气体进料的温度的提高，分离效率可提高。有利的是，容易获得的气体源可以供给作为未涉及工艺副产品的受热气体。在飞行器中，发动机引气是进入空气分离模块的气体进料的已知源，并且常常以160° F至300° F到达空气分离模块。
[0015]图5和图6示出了已知的气体分离模块500，其包括壳502，元件520安装在壳502中。馈送端口 506允许气体进料508进入以接触管板522，并且进入围绕支撑件524组装的纤维518。围绕管板522的板缘504被设置为将管板522密封在壳502内。因此，气体进料508流入单根纤维518(图6中示出)，以产生渗透物516，渗透物516穿过单根纤维518的壁。滞留物512在另一管板(图5中未示出)处离开单根纤维518并且流过滞留端口 510。来自每根纤维518的渗透物516收集于管板522和另一管板之间并且流过渗透端口 514。
[0016]随着气体进料508从管板522到另一管板(未示出)流向下游，沿着图5和图6示出的已知流式设计中的纤维518的温度降低。温度分布可取决于气体进料508从管板522到另一管板的流量，并且可降至50° F，或者甚至70° F。冷却可能部分是由于与一种气体关联的气体分离的热焓，这一种气体优先渗透过纤维518的膜，以产生渗透物516和滞留物512。另外，冷却可能部分是由于随着气体进料508从纤维518的长度流下的压降。因为穿过膜的气体分离的效率随着温度降低而降低，沿着纤维518降低的温度分布同样沿着纤维518减少了分离效率，使分离效率产生相关的降低分布。
[0017]期望的分离效率代表了为气体分离模块定大小的一个因素。随着分离效率的降低，模块大小以及由此的模块重量可提高，以提供适量的滞留物流动，而不管降低的效率。因此，降低气体分离模块重量的机会存在于提高分离效率方面。通过建立没有如上述显著下降的沿着纤维518的温度分布，可提高由气体分离模块产生的滞留物的量。当温度下降减少时，也就是说，如果另一管板(未示出)下游的温度提高至更接近管板522处的温度，则可提高气体分离模块的整体分离效率。
[0018]一种提高气体分离效率的可能性包括:在气体进料和气体分离膜之间进行热交换。气体分离方法包括:使用气体分离模块，所述气体分离模块包括壳体和位于所述壳体内的气体分离膜。所述气体分离膜具有馈送端和产出端，在所述馈送端和所述产出端之间具有滞留内侧和渗透外侧。所述方法包括:把气体进料供给到所述壳体中，所述气体进料包含第一气体和不同的第二气体。使所述气体进料沿着所述壳体内的馈送流路在从所述气体分离膜的所述产出端向所述馈送端的方向上流动。将所述气体进料隔离成不与所述渗透外侧接触。
[0019]在所述馈送流路之后，使所述气体进料沿着由所述气体分离膜限定的膜流路从所述气体分离膜的所述馈送端流动到所述产出端。所述馈送流路与所述膜流路相逆。所述方法还包括:使所述滞留内侧与所述膜流路中的所述气体进料接触，使来自所述气体进料的所述第一气体中的至少一些气体渗透过所述气体分离膜而到达所述渗透外侧，并且产生滞留物，由于去除了来自所述气体进料的所述第一气体中的至少一些气体，所述滞留物富集在所述第二气体中。
[0020]以举例的方式，所述气体分离模块可以是飞行器油箱可燃性还原系统包括的空气分离模块。所述气体进料则是空气进料，所述第一气体是氧气，并且所述第二气体是氮气。因此，所述方法可进一步包括:把包含富氮空气的所述滞留物供给到飞行器机载的油箱中。
[0021]所述方法可进一步包括:通过使所述馈送