用于薄膜蒸馏或氨除去的薄膜接触器和系统及相关方法
【专利说明】
[0001]进￡相关申请的夺Y僉考
[0002]本申请要求对于共同待决美国临时专利申请No. 61/791，034的优先权和其利益， 该临时专利申请在2013年3月15日提交，该临时专利申请通过引用全部包括在这里。
技术领域
[°003]本公开或发明一般涉及用于薄膜蒸馏和/或氨除去的新的、改进的、或修改的薄 膜接触器〔模块、系统、及/或方法，并且/或者涉及制造、使用等的方法。按照至少选中实 施例，本发明涉及用于薄膜蒸馏和/或氨除去的特别可能优选薄膜接触器、模块、系统、及 /或方法，并且/或者涉及用于薄膜蒸馏和/或氨除去的特别可能优选薄膜接触器、筒、模 f、系统、及/或方法，包括适用于薄膜蒸馏、适用于氨除去、或既适用于薄膜蒸馏又适用于 氨除去的薄膜接触器、以及其它薄膜接触器系统、方法或过程，这样的过程如脱气、气化、分 离、过滤等。
【背景技术】
[0004]薄膜接触器可以用于多种目的，这些目的包括、但不限于：从液体中除去夹杂气 体、将液体去泡、过滤液体、及将气体添加到液体中。薄膜接触器已知用在多种不同用途中； 例如，薄膜接触器可以用在薄膜蒸馏和/或氨除去中。薄膜接触器也可以提供完成气体/ 液体、和液体/液体（它可包括液体/溶解固体）分离的装置。薄膜接触器典型地用来将 两种不互溶流体相（例如，第一液体和第二液体、或气体和液体）带到彼此接触，以实现一 种或多种成分从一种流体到另一种的分离和/或转移。
[0005]空心纤维薄膜接触器典型地包括一束微孔空心纤维、和刚性壳体或外壳，该刚性 壳体或外壳包围纤维束。壳体可以设有四个流体端口 ：用来引入第一流体的进口、用来排出 第一流体的出口、用来引入第二流体的进口、及用来排出第二流体的出口。空心纤维可以在 外壳内在两个端部上都封装，例如在环氧树脂或某种类似材料中封装，以形成聚合物管隔 板，这些聚合物管隔板具有纤维孔，这些纤维孔在每个端部上通到壳体的公共第一和第二 端盖部分中1在"管侧"或"孔腔侧，，接触器中，第一端盖可以包含用于第一流体的进口，该 第一流体指示为"管侧"或"孔腔侧"流体，因为它是穿过纤维的内部孔腔的流体。第二端 盖包含用来排出孔腔侧流体的出口。第二流体-指示为"壳体侧"流体，典型地通过进口和 出口端口进入和离开外壳，该进口和出口端口布置在管隔板之间，借此，壳体侧流体接触纤 维的外表面。壳体侧流体流过在纤维束的纤维之间的空隙，并且可以定向成，与纤维长度平 行或垂直地流动。作为例子，授予Prasad等的美国专利No. 5, 352, 361可能有助于在壳体 内跨过空心纤维薄膜的流体接触的背景理解，该专利全部包括在这里以供参考。
[0006]在"壳体侧"接触器中，接触器可以包括中心芯部，该中心芯部穿过端盖，并且具有 第一端部，该第一端部用作用于第一流体的进口，该第一流体指示为"壳体侧"流体，因为它 是越过空心纤维的外部或壳体的流体。第一端盖可以包含用于第二流体的进口，该第二流 体指示为"管侧"或"孔腔侧"流体，因为它是穿过纤维的内部孔腔的流体。第二端盖包含用 来排出孔腔侧流体的出口。第一流体-指示为"壳体侧"流体，典型地通过开孔芯部的进口 和出口端口（敞开端部）进入和离开外壳，并且典型地离开和重新进入在管隔板之间的芯 部中的开孔，借此，壳体侧流体接触纤维的外表面。壳体侧流体流过在纤维束的纤维之间的 空隙，并且可以定向成，与纤维长度平行或垂直地流动。因为管隔板将孔腔侧流体与壳体侧 流体分离，所以孔腔侧流体不与壳体侧流体混合，并且只有在孔腔侧流体与壳体侧流体之 间的转移通过空心纤维的壁发生。在纤维壁中的细孔通常填充有两种流体之一的静止层， 由于表面张力和/或压力差效应，阻止其它流体进入孔中。质量转移和分离通常由扩散引 起，这种扩散典型地由在两相之间的转移物质的浓度差驱动。典型地，跨过薄膜不发生对流 或体积流动。在气体/液体分离的情况下，薄膜接触器典型地用疏水空心纤维微孔薄膜构 造。由于薄膜是疏水的并且具有非常小的孔，所以液体将不容易穿过孔。这样，薄膜可以起 惰性支架的作用，该惰性支架将液体和气体相带到直接接触，而没有分散。在两相之间的质 量转移由气体物质的分压差支配，这些气体物质被转移。对于液体系统，在每个孔处的液体 /液体界面典型地通过薄膜和液相压力的适当选择而不动。在这种情况下，薄膜也可以起惰 性支架的作用，以促进两个不互溶相的直接接触，而没有混合。
[0007] 在美国专利文献此.2012-0247337-八1(申请号如.13/247,213，现在是美国专利 No. 8, 449, 659)中，公开了新的或改进的液体脱气薄膜接触器或模块，该专利文献通过引用 全部包括在这里，该液体脱气薄膜接触器或模块允许比较小、模块式脱气模块。在专利文献 2012-0247337中公开的模块可以例如用在工业过程中、用在发电厂处、用在海上油井设备 或钻井平台上，以替换或增强真空塔，以提供模块性和可替换筒的好处，以降低成本，以减 小复杂性，以消除螺栓或v形带状夹具等。
[0008] 薄膜蒸馏、或渗透蒸馏是一种分离过程，在这种分离过程中，使包含挥发性成分的 液体混合物与微孔、非液体可湿润薄膜相接触，该微孔、非液体可湿润薄膜的相对表面暴露 于第二液体相，该第二液体相能够吸收该挥发性成分。薄膜蒸馏可以用于多种目的，这些目 的包括、但不限于脱盐、饮料和其它液体食品的浓缩、热不稳定药物产品和生物制品的水溶 液的浓缩、等。薄膜蒸馏的主要优点可能在于如下能力：在很低温度和压力下将溶质浓缩 到非常高水平，具有对于这些溶质的最小热或机械损害或损失。薄膜蒸馏过程也可以实现 单种挥发性溶质从水溶液的选择性除去（比如，乙醇从果酒和其它酿造物中的除去），将水 用作萃取溶剂。低酒精含量饮料可按这种方式生产，具有挥发性香料和香味成分的最小损 失。渗透蒸馏（0D)可能是对于其它非热或低温分离技术的有吸引力补充或可选择技术，这 样的非热或低温分离技术如超滤（UF)、反渗透（R0)、全蒸发、及/或真空冷冻干燥。
[0009] 氨在多种工业的废水中是普遍问题。因为氨在多种过程中广泛用作清洁剂（仅作 为例子，半导体或元件的生产，这些半导体或元件要用在电子工业中），所以它可能在生产 废水中结束，并且在将水排回到环境中之前必须处理或从水中除去。在全球的各种呈现市 场中，新的环境控制和/或规则可能出现，这增加对于有效和有力系统的需要，这些有效和 有力系统用于从流体中的氨除去，这些流体用在工业过程中。薄膜接触器可以供给一种希 望的可选择技术，这种希望的可选择技术用来在多种工业中从废水中除去氨，并且一些薄 膜接触器可除去进来氨的高达90 %、甚至95 %、或更多。另外，薄膜接触器可以从废水中提 取氨，并且将它转化成无害铵盐，该无害铵盐作为化肥可能具有一些商业价值。氨除去系 统可以基于过程参数而变化，并且给定氨除去系统可以基于希望用途的参数而定尺寸。用 薄膜接触器用于氨除去的希望过程参数可以包括，但不限于：NH3进口浓度>约500PPm;滤 除材料的预过滤（在氨除去过程开始之前滤除材料）直径大于约10Um，或大于约5um，约 40-55°C的温度；进给蒸汽pH>约10;酸性流pH<约2 ;及硫酸作为汽提介质（按重量约 96% )、以及其它类似参数、及其组合。
[0010] 因此，存在开发新的、改进的、或修改的接触器、模块、系统及/或方法的需要，这 些接触器、模块、系统及/或方法用于薄膜蒸馏和/或氨除去。
【发明内容】
[0011] 按照至少某些实施例、方面或目的，本发明满足以上需要，并且提供用于薄膜蒸馏 和/或氨除去的这样的新的、改进的、或修改的接触器、模块、系统及/或方法。
[0012] 本发明指向各种薄膜接触器、模块、及/或系统、及它们的制造和使用方法。在至 少选中实施例中，本发明指向一种或多种薄膜接触器、和/或薄膜接触器的系统、模块或阵 列，这些薄膜接触器在从流体中除去氨的方面和/或在流体的薄膜蒸馏或渗透蒸馏方面是 有用的。按照至少选中实施例、例子或方面，本发明指向薄膜蒸馏或渗透蒸馏，该薄膜蒸馏 或渗透蒸馏借助于特别可能优选薄膜接触器或薄膜接触器阵列的使用。按照至少选中实施 例、例子或方面，本发明指向氨除去，该氨除去借助于特别可能优选薄膜接触器或薄膜接触 器阵列的使用。
[0013]按照至少某些实施例，本公开或发明指向用于薄膜蒸馏和/或氨除去的新的、改 进的、或修改的薄膜接触器、模块、系统及/或方法、及/或制造、使用及/或等的方法。按 照至少选中实施例，本发明涉及用于薄膜蒸馏和/或氨除去的特别可能优选薄膜接触器、 模块、系统及/或方法，并且/或者涉及用于薄膜蒸馏和/或氨除去的特别可能优选薄膜接 触器、筒、模块、系统及/或方法，包括适用于薄膜蒸馏、适用于氨除去、或既适用于薄膜蒸 馏又适用于氨除去的薄膜接触器，以及涉及其它薄膜接触器系统、方法或过程，这样的过程 如脱气、气化、分离、过滤等。按照至少一个具体实施例，同一特别薄膜接触器可以用于薄膜 蒸馏和用于氨除去，并且适于在薄膜蒸馏和氨除去阵列、系统、方法或过程中都操作。
【附图说明】
[0014]为了说明本发明的实施例、例子或方面起见，在附图中表示有目前可能优选的形 式；然而要理解，本发明不限于表示的准确实施例、方面、布置、及/或工具。
[0015]图1是本发明至少一个实施例的示范模块或接触器的示意纵向横截面说明；
[0016]图2是图1的模块或接触器的放大部分示意纵向横截面说明；
[0017]图3是图1的模块或接触器的立体图说明；
[0018] 图4是图1和图3的模块或接触器的侧视图说明；
[0019]图5是图1和图3的模块或接触器的端视图；
[0020]图6是按照本发明至少一个实施例的示范生产过程在第一生产阶段期间示范封 装前体或中间体的示意纵向横截面说明；
[0021]图7是按照图6的示范生产过程在第二生产阶段期间示范加工前体或中间体的示 意纵向横截面说明；
[0022]图8是按照本发明至少一个实施例的图1和3的示范模块式外壳或壳体的示意纵 向横截面说明；
[0023]图9是图8的外壳的端视图；
[0024]图10是按照本发明至少一个实施例的图1和3的示范喷嘴或液体端口元件的示 意立体图说明；
[0025] 图11、12及13是图10的喷嘴的相应侧视图、横截面图及端视图，并且图12是沿 在图13中的线A-A取得的图13的喷嘴的横截面；
[0026]图14和15是图6的封装前体的相应横截面图和端视图，并且图14是沿在图15 中的线B-B取得的图15的封装前体的横截面；
[0027] 图16、17及18是图7的加工前体的相应立体图、横截面图及部分放大图，并且图 18是由在图17中的线C指示的外壳的部分的放大图；
[0028]图19和20是按照本发明至少一个实施例的图1和3的示范端盖或板的相应横截 面图和端视图说明，并且图19是沿在图20中的线D-D取得的图20的端盖的横截面； [0029]图21和22是图1和6的示范两件中心管的至少一个实施例的一半的相应侧视图 和端视图；
[0030] 图23和24是图1和6的示范组装两件中心管的至少一个实施例的相应侧视图和 端视图；
[0031] 图25和26是示范实心中心管连接器的相应侧视图和端视图，该示范实心中心管 连接器适于接合如图1和23所示的两个中心管段；
[0032]图27A至27D是示范过程和设备的相应示意横截面图说明，该示范过程和设备用 来将端盖卡环插入在本发明至少一个实施例的外壳中；
[0033] 图28A至28D是示范过程和设备的相应示意横截面图说明，该示范过程和设备用 来将保持夹放置在本发明至少一个实施例的喷嘴上；
[0034]图29是穿过空心纤维薄膜一部分的气体转移的示意放大横截面说明；
[0035]图 30、31 及 32 是在相应不范SweepGasMode、VacuumMode、及ComboMode中模 块使用的示意说明；
[0036] 图33和34是相应示范并联和串联接触器构造的示意说明；
[0037] 图35和36是按照本发明的相应示范侧部和端部气体（或液体）端口实施例的选 中示范液体和气体（或液体）端口构造的相应示意部分立体图说明；
[0038]图37是空心纤维薄膜阵列的例子的示意高度放大表面视图；
[0039] 图38是空心纤维薄膜的示意立体端视图，该空心纤维薄膜像来自图37的空心纤 维薄膜；