专利名称:从混合流体中分离个别流体的装置和方法
本发明涉及一种用于从含渗透性和非渗透性流体混合物中分离个别流体的装置。流体是通过空心纤维构件加以分离，其中渗透性流体透过空心纤维壁，输送到一收集点。非渗透性流体迂回于纤维间，收集到另一收集点。非渗透性流体迂回于纤维间，收集到另一收集点。
目前已有若干种设计用于从流体混合物中使流体彼此分离的通用装置。在这些装置中，有一种称之为Generon的空气分离体系(道化学公司)，是专门为从空气流中分离氧气和氮气而设计的。基本体系是由一束并行放置的空心聚烯烃纤维构成。在纤维束的每一末端，各根纤维由一个环氧树脂制的管板把它们连起来，纤维束中包有一根多孔分配管，该管子沿纤维束的长度方向伸展。纤维束构件安装在一金属圆筒(壳体)的内部分，纤维束的外周边和壳体之间留有空间，管板的前表面和封闭壳体的每一端的平板之间也留有空间。
这种装置的典型操作是高压空气由分配管的开口端通入(另一端封闭)。当空气通过分配管时，它从分配管的多孔中流出，进入纤维束中。氧气组分很容易渗透过纤维壁，并沿着纤维的孔腔流往筒体两端的出口放出，而氮气组分却不容易透过纤维壁。因此，作为非渗透性流体的氮气就迂回于纤维间并由筒体顶部出口排出。
从设计的观点看，上述的空气分离方案并不完全令人满意。当压缩空气通入纤维束中时，作用于每一块管板背面的力会使得管板前后弯曲(即，扰曲)，因为每一块管板的前面不存在平衡力。扰曲作用使联接分配管的管板处承受着相当大的应力。因为联接处只占每一块管板的很小面积，所以管板常常在这个接合处开裂，或者在一些其它地方开裂。
本发明则克服上述这个问题。在图示的本发明具体实施例中，由作用于管板背面压力造成的每块管板的扰曲可通过在管板的圆周提供一种机械支撑得以减小。减小扰曲即等于减小应力，因此也就减少开裂。在纤维束一端，机械支撑体是固定的;支撑体的另一端可调节，以适应纤维束的长度变化。
本发明涉及从含渗透性流体和非渗透性流体的混合流体中分离出个别流体的装置，一个细长形壳体;
一束空心纤维构件，它包含一个细长形、开有许多孔的分配管;
分配管一端开口，另一端封闭，该分配管被一束相互间隔的空心纤维包周在中央，并且该管适于输送流体进入纤维束;
在纤维一端，各空心纤维固定在第一块管板中，在纤维束的另一端，各空心纤维则固定在第二块管板上，每一块管板由树脂材料制备，每一块管板各具有一内表面和外表面;
空心纤维束安装在细长形壳体的内部，使纤维束的外表面和壳体的内表面之间留有一空间;
至少有一个第一种流体出口位于细长形壳体上，该出口与纤维束和壳体间的相连通;
至少还有一个第二流体出口;
至少还有一个第三流体出口;
其中，含渗透性和非渗透性流体的气流以10～1000psia(68千帕(Kpa)～6895千帕(Kpa))的压力输入分配管开口端;
从分配管流出的渗透性流体透过每一空心纤维管壁通过第二和第三流体出口从分离装置排出;
从分配管流出的非渗透性体穿过束状空心纤维间的空间经第一流体出口从分离装置排出;特征在于在壳体一端内部安装有一可移动式法兰，并且在壳体内部可前后移动，可移动式法兰具有一内表面和一外表面，内表面上有一个与第一块管相接触的凸棱结构，因此可移动式法兰的内表面和第一块管板的外表面之间留有一定的空间;
有一具有外螺纹的调节环，它与紧挨在可移动法兰的壳体内壁上的内螺纹相啮合，该调节环的内表面与可移动法兰外表面相接触，并且能在壳体内部前后移动，因此，可以调节可移动式法兰的位置。
安装在与可移动式法兰相反一端壳体内面的静止法兰，具有一内表面和一外表面，内表面上有一凸棱结构与第二块管板相接触，因此静止法兰的内表面和第二块管板外表面之间留有一空间。
第二流体的出口穿经可移动法兰，并与可移动法兰的内表面和第一块管板的外表面之间的空相连通;
第三种流体的出口穿经静止法兰，并与静止法兰内表面和第二块管板的外表面之间的空间相连通。
在另一具体实施例中，本发明涉及从含渗透性流体和非渗透性流体混合流体中分离个别流体的方法，由若干步骤组成在一细长形壳体的内部放置一束相互间隔的空心纤维，形成一分离装置;
在空心纤维束的中心，安装一细长形、多孔的分配管;
在空心纤维束的一端，将每一空心纤维固定在第一块管板中，在纤维束的另一端将其固定在第二块管板中;
在壳体上，安装有第一流体出口，该出口与纤维束和壳体间的空间相通;其特征在于在壳体内部一端，加工出一段内螺纹;
在壳体内部与内螺纹段相邻近的地方安装一法兰，该法兰在壳体内可前后移动;
配备一具有外螺纹的调节环，该调节环可与内螺纹段相啮合;
将调节环旋入壳体内，一直到它与可移动法兰相接触的位置，此后前后移动调节环，借此调节可移动法兰的位置;
在与可移动法兰相反一端的壳体内部安装一静止法兰，使该法兰与第二块管板相接触;
在可移动法兰上安装第二流体出口，该出口与可移动法兰和第一块管板的空间相通;
在静止法兰上安装第三流体出口，该出口与第二块管板和静止法兰之间的空间相通;
将含渗透性和非渗性流体的气流以10～1000psia(68Kpa～6895Kpa)的压力送入分配管;
从分配管流出的渗透性流体在穿透过每根空心纤维管壁后，通过第二和第三流体出口离开分离装置。
非渗透性流体从纤维束空心纤维间的管间流出，并从第一流体出口排出分离装置。
在本发明的描述中，渗透性流体定义为，以比非渗透性流体较快的速率渗透过本文所述空心纤维的流体。非渗透性流体定义为，以比渗透性流体较低的速率渗透纤维管壁的流体。分离装置的基本结构包括，细长形壳体和安装在壳体内部的空心纤维构件。构件由一细长形、带有许多孔、并且被一束相互间隔空心纤维包周的分配管构成。分配管一端开口，另一端封闭。纤维束的每一端固定在由树脂材料制备的管板中。
在壳体的一端是一可移动法兰，它可以在壳体内前后移动。该法兰有一带凸棱的内表面，它与壳体那一端上的管板相接触。法兰面上未被凸棱占据的部分和管板之间形成一空间。在紧挨可移动法兰的壳体内旋入一个调节环，这个环可在壳体内部前后移动，因此它可调节可移动法兰的位置。在壳体的另一端有一安装在壳体内部的静止法兰。这个法兰也有一带有凸棱的内表面，与另一管板相接触。法兰面上未被凸棱占据的部分与壳体末端的管板之间也留有一空间。
纤维束的外表面与壳体之间留有一定的空间，壳体上的流体出口就与该空间相连通。第二个流体出口伸展穿过静止法兰，并与该法兰和紧挨的管板间的空间相连通。第三流体出口伸展穿过可移动法兰，并与可移动法兰及紧挨管板的空间相连通。
在分离装置操作过程中，含渗透性和非渗透性流体的气流带压送入分配管的开口端。从分配管流出的渗透性流体渗透过纤维束中的纤维管壁，然后从第二和第三流体出口排出分离装置。但是，非渗透性流体却穿过纤维间的空间，然后第一流体出口排出分离装置。可移动法兰的操作位置是通过向内旋转调节环，一直旋转到静止法兰和可移动法兰上的凸棱与此管板相接触为止。注意调节环的旋转度，环的位置可允许有间隙、无间隙或相互接触(预加载)。
图1为本发明流体分离装置的具体实例的大部分纵剖面图。
图2为图1中线2-2的截面图。
图3为图1中圆线标出的分离装置一部分详细图。
图4为分离装置的空心纤维组件的局部示意图。该图图示了本发明操作中空心纤维如何将渗透性流体与非渗透性流体分离开。
在图中，尤其是在图1中，本发明的流体分离装置通常由字母S标准出。装置包括该空心纤维构件，它安装在细长形壳体10的内部。构件自身由一束并排放置的空心纤维构成。各纤维间具有空隙。纤维束中的各根纤维由数字11标出。分配管12伸展穿过纤维束中心，它为一根细长形、带有许多孔13的管子。分配管12的一端开口，由数字14标出，另一端由塞子15封闭。
在纤维束的每一端，各纤维11被封装在固体树脂中，该树脂块称为管板。管板其中之一，由数字标出，如图1所示，位于纤维束的左手端。数字17指的是管板的外表面，内表面由数字18标出。在纤维束的另一端是管板19，它具有外表面20和内表面21。分离装置S包括有称之有可移动法兰22的组件，它安装在壳体的内部，并且它可在其中前后移动。法兰22的一个表面是平面，称为内表面23，它有一凸棱结构24。在这个法兰的相反一面是一平面，称为外表面25。
如图1中所示，凸棱24与管板16的外表面17接触(紧靠)。同时，管板平面17与未被凸棱占据的法兰平面部分23之间留有一空间26a。紧靠法兰22，壳体10内部有一内螺纹段26。有一具有外螺纹的调节环27，它与螺纹26相啮合。调节环有一内表面27a，与法兰22外表面25接触。这样调节环27可前后移动以调节法兰相对于管板16的位置。分离装置S的另一端的是静止法兰28，它被一锁环28a定位在壳体中。法兰28与管板19的外表面20相邻的表面是其内表面29;相反的一面是外表面30。平面29的周边为一圈完整的凸棱29a，它与管板外表面20接触。管板平面20和法兰平面未被凸棱29a占据的部分29之间留有一空间31。
由空心纤维11组成的纤维束安装在壳体10中，使在纤维束的外表面和壳体内表面之间留有空间非渗透性流体是通过一个或一个以上的流体出口带出分离装置S。用于此种目的的出口实际数目取决于非渗透流体的流速以及其它条件。如图1所示，安装在壳体10上的单个出口33就是用于将非渗透性流体带出分离装置。
渗透性流体是通过分离柱中的每一末端的流体出口排出分离装置S。这些出口之一，如数字34所标出的，伸展穿过可移动法兰22，并与该法兰和管板之间的空间26a相连通。另一出口，数字35所标出的，伸展穿过静止法兰28，并与管板19和该法兰的平面29之间的空间相连通。如图1所示，在管板16和法兰22中间有一个0形密封环。在分离装置S的另一端，管板19与法兰28也有一0形密封环。这些密封环(不标有数字)防止流体漏出管板和法兰流到分离装置的外侧。
为了说明本发明实际应用，流体分离装置的典型操作描述如下。在这一种操作中，压缩空气流入分离装置S，以将氧(O2)和氮(N2)分开以取得分开的富氧和富氮气流。为了进行操作，要分离成氧气和氮气组分的空气流要在高压下通入分配管12的开口端14。为了实施本发明，空气流的绝对压力约为10～1000磅/平方英寸(Psia)(68Kpa～6895Kpa)更为适宜的范围是70～175Psia(483Kpa～1207Kpa)。
空气通过分配管12上的多孔进入13纤维束中。随着空气通入纤维束，氧(O2)很容易渗透纤维束11的壁，然后经过纤维腔11a(如图3、4中所示)流向分离装置两端。
在一端，氧(O2)穿过管板16和空间26a，然后经出口34排出分离装置。在另一端，氧(O2)穿过管板19和空间31，然后经出口35排出分离装置。当富氧空气排出分离装置时，利用已知的常规技术方法将其收集，或送到使用地点。
空心纤维11具有压缩空气中的氮(N2)不容易渗透纤维壁的结构，因而只能在纤维间迂回，穿过纤维间的空隙11b进入空间32，然后经过流体出口33排出分离装置。氮气组分也能象富氧空气那样加以收集或送到使用地点。
如前所述，调节环27可沿螺纹段26前后移动。因此，该环可使可移动法兰紧靠在管板16的外表面17上，这样可使施加在管板16内表面18上的压力得到平衡。法兰22能移动到不同位置还有个益处，就是它适用于不同长度的空心纤维。作用于管板19上的压力载荷由静止法兰28承受，静止法兰上的凸棱29a是紧靠在管板外表面20。
在本发明的实施例中，聚烯烃空心纤维材料可包括纤维素的乙酸酯、三乙酸酯、丙酸酯、硝酸酯和其它纤维素酯，其中包括单酯、双酯和三酯和这类纤维素酯的混合物;纤维素醚类诸如甲基、乙基羟烷基，等等;再生纤维素;聚乙烯醇;多糖类，等等。
本文中所描述的分离装置可用于若干种流体混合物中的任何一种流体，这取决于空心纤维的特性。
本发明的实施还包括这样的情况，即可以颠倒流体混合物(待分离出各个组分者)进入分离装置的顺序。例如，参见图1，如果流体是空气，空气则可经出口33通入分离装置S，非渗透性流体(N2)经分配管12的开口14排出分离器。渗透性流体(O2)渗透过纤束11中纤维管壁，然后经出口34和35排出分离装置。这个具体实施例还应包括可移动法兰22和静28，用来平衡施加在管板16和19上的压力载荷。
如图1中图示的那样，可移动法兰位于分离装置S的左手端，这样它可以接触管板16并支撑它。如把法兰22放在装置的另一端(右手端)，以便它支撑管板19，分离装置同样也能有效地运转。在这样的具体实施例中，位于分离装置的左手端以支撑管板16。
权利要求
1.一种用于从含有渗透性流体和非渗透性流体的混合，流体中分离个别流体的装置，该装置的结构为一个细长形壳体；一个空心纤维构件，它包有一个细长形、开有许多孔的分配管；分配管具有一开口端和一封闭端，该分配管由一束相互间隔的空心纤维包围在中央，该管适用于流体进入纤维束；在纤维束一端，各空心纤维固定在第一块管板中，在纤维束另一端，各空心纤维固定在第二块管板中，每一块管板由树脂材料制备，并且每一块管板各具有一内表面和一外表面；空心纤维束安装在细长形壳体的内部，使纤维束的外表面和壳体内表面之间留有空间。至少有一个第一流体出口位于细长形壳体上，该出口与纤维束和壳体之间的空间相连通；至少还有一个第二流体出口；至少还有一个第三流体出口；在那里，含渗透性和非渗透性流体的气流在10～1000psia(68千帕)(Kpa)～6895千帕(Kpa)的压力下直接送入分配管的开口端；从分配管流出的渗透性流体穿透过每根空心纤维的管壁，然后经第二和第三流体出口从分离装置排出；从分配管流出的非渗透性流体穿过束状空心纤维间的空间，然后经第一流体出口排出分离装置；其特征在于在壳体一端内部安装有一可移动法兰并且在壳体内部可前后移动，可移动法兰具有一内表面和一外表面，内表面上带有一圈与第一块管板相同接触的凸棱结构，可移动法兰内表面和第一块管板的外表面之间留有空间；有一具有外螺纹的调节环，它与紧挨在可移动法兰的壳体内壁上的内螺纹相啮合，该调节环的内表面与可移动法兰的外表面相接触，并且能在壳体中前后移动，以调节可移动法兰的位置；安装在与可移动法兰相反一端壳体内部的静止法兰具有一内表面和外表面，内表面上有一个凸棱结构，与第二块管板相接触，因此静止法兰内表面和第二块管板外表面之间留有一空间；第二流体出口经可移动法兰，并与可移动法兰的内表面和第一块管板的外表面之间的空间相连通；第三流体出口穿经静止法兰，并与静止法兰内表面和第二块管板的外表面之间的空间相连通。
2.一种从含渗透性和非渗透性流体的混合流体中分离个别流体的方法，由若干步骤构成在一细长形壳体内部放置一束相互间隔的空心纤维，形成一分离装置;在空心纤维束的中心安装一细长形、多孔的分配管;在纤维束一端将每空心纤维固定在第一块管板中，在纤维束另一端将其固定在第二块管板中;在壳体上安装有第一流体出口，该出口与纤维束和壳体间的空间相通;其特征在于在壳体一端加工出一内螺纹段;在壳体内部与螺纹段相邻近的地方放置一法兰，该法兰在壳体中可前后移动;配备一具有外螺纹的调节环，它可与内螺纹相啮合;将调节环入旋壳体中，一直旋到它与可移动法兰相接触的位置，此后前后移动调节环借此可调节可移动法兰的位置;在与可移动法兰相反一端的壳体内部安装一静止法兰，使该法兰与第二块管板相接触;在可移动法兰上安装第二流体出口，该出口与可移动法兰和第一块管板之间的空间相连通;在静止法兰上安装第三流体出口，该出口与第二块管板和静止法兰之间的空间相连通;将含渗透性和非渗透性流体的气流以10～1000psia(68千帕(Kpa)～6895千帕压力送入分配管中;从分配管流出的渗透性流体在穿过每一空心纤维管壁后经第二和第三流体出口排出分离装置;非渗透性流体从束状空心纤维管间流出后经第一流体出口排出分离装置。
3.权利要求
2中的方法，是在其分配管中导入空气流，空气中的氧作为渗透流体，氮作为非渗透流体。
专利摘要
本文披露了用于含一种以上流体的流体中分离个别流体(尤其是气体)的装置和方法。分离装置由束一空心纤维构成，空心纤维的每一端固定在树脂管板中。纤维束封装在壳体中，在它的中心有一多孔分配管。管板上的压力载荷由与管板接触的可移动法兰所承受。在分离器的另一端，压力载荷由紧靠在管板上的静止法兰所承受。加压的流体送入分配管流入管流入纤维束。渗透性流体穿过纤维管壁，经每一端的出口流出分离装置，非渗透性流体迂回于空心纤维间经壳体上的一个或一个以上的出口流出分离装置。
文档编号B01D53/22GK87106594SQ87106594
公开日1988年8月3日 申请日期1987年9月26日
发明者霍默·K·约翰森 申请人:陶氏化学公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan