中空纤维气体分离膜组件的制作方法

本实用新型涉及膜技术，具体涉及气体分离膜技术，尤其涉及一种用于气体分离的中空纤维气体分离膜组件。

背景技术：

气体分离膜组件主要应用于两种或两种以上不同气体组分的分离，采用膜法进行气体分离具有工艺流程简单、易于自动化控制、运行稳定、低能耗、占地面积小等优点，因此膜分离过程在诸多领域得到普及。

用于气体分离的膜主要有中空纤维分离膜和平板分离膜。平板膜主要有卷式膜和叠片式膜两种，是将具有规定过滤面积的膜片，每两张膜片通过粘结剂或热熔的方式密封形成一个膜袋，将一定数量的膜袋卷制或叠放在中心管上，装填到膜外壳中形成膜组件，平板膜制造工艺简单，抗污染性较好，主要应用于中低压的分离过程。中空纤维膜组件是将一定数量的中空纤维复合膜捆扎在一起，两端以环氧树脂浇铸成具有一定结构的封头，装填到膜外壳中形成膜组件，中空纤维分离膜具有高装填面积，其装填率可以达到平板膜的10倍以上，适用于高中低压的分离过程。

目前中空纤维膜组件没有流道设计，气体在组件内得不到合理的分配，降低了膜的分离效率，同时气体流道的长度受膜组件外壳长度的限制。

技术实现要素：

为了解决现有的中空纤维膜组件流道设计不合理，膜分离效率低下的问题，本实用新型旨在提供一种具有流道分配的中空纤维分离膜组件，以提高膜的分离效率，同时本实用新型还可以在有限长度的膜组件外壳内提供较长的气体流道。

本实用新型提供了一种中空纤维气体分离膜组件，包括壳体、膜芯和分流组件；

所述的壳体由筒体和端盖组成，筒体与两侧端盖可拆卸连接；端盖上设有进气口和排气口；

所述的膜芯由中心管和膜丝束组成；膜芯设置于筒体内，中空纤维膜丝的内腔与两侧端盖内腔相通；中心管与两侧端盖相交，并开口于其中之一的端盖表面形成渗透气连接口；

所述分流组件设置于中心管的两端，端盖内侧；其包括与中心管外径相匹配的内毂，套于中心管上，还包括与内毂同轴设置的外毂，在内毂外壁与外毂内壁之间轴向设置n个隔板，将二者之间的腔体分割为n个扇区，两侧端盖内的对应扇区Li和Ri经膜丝束Si的内腔连通，构成膜组件的n_i流道，流道一端隔板上设置通孔，使相邻流道首尾串行连通形成折返流道；i和n都是整数且i≤n；

膜芯两端端头分别设有一个用于膜丝束分区的分流组件，其与中心管两端的分流组件具有相匹配的径向截面。在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，所述的膜丝束是由由预设数量的中空纤维膜丝捆扎并经灌胶封装切割而成，使膜丝束两端的膜丝内腔与外界相通；其在分流组件的作用下被分为n个扇区，被分离气体由进气口进入膜组件，在扇区内折流，中心管管壁与膜丝束重合的部分具孔，而延长于端盖的部分不具孔，渗透气通过中心管管壁上的孔进入中心管并由渗透气连接口收集，未透过气在流道末端由端盖上的排气口排出，进气口和出气口设置于同侧端盖或对侧端盖决定于流道的折流次数。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，所述膜芯两端端头的分流组件，在膜丝封头时便嵌入膜丝中，并与另一套分流组件分别通过相应形状的密封垫密封连接，这样不仅在两端进气部分分区，更进一步地使膜丝束分区，有利于分离。因气体并不在此处设置的分流组件处折流，因此，此套分流组件的隔板上可不设置通孔。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，作为进一步的优选，所述端盖以螺栓或快装卡箍方式可拆卸地连接于筒体上。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，作为进一步的优选，所述膜组件中还设置有必要的密封装置，如“O”型密封圈、密封垫等，为了防止气体泄漏或串混，此为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，作为进一步的优选，所述的n是2～10的整数；n优选2～6的整数。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，作为进一步的优选，所述的与进气口对应的扇区为第1扇区，角度为β₁；沿同一方向第i个扇区角度设置为β_i，β₁+β₂+……+β_i＝360°，β_i/β_i+1＝1.0～1.5；优选β_i/β_i+1＝1.1-1.3。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，作为进一步的优选，所述的膜芯的长度为500～4000mm，优选500～2000mm；外径为50～300mm，优选100～200mm。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，作为进一步的优选，所述的膜芯由中空纤维复合膜膜丝装填而成，所述膜丝包括中空纤维支撑层和复合分离层。所述的复合分离层在中空纤维复合膜膜丝的外表面或内表面。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，所述的中空纤维支撑层的制备原料选自：醋酸纤维素(cellulose acetates)，纤维素衍生物(cellulosic derivatives)，硝酸纤维素(cellulose nitrates)，乙基纤维素(ethyl cellulose)，聚酰胺(polyamides)，聚酰亚胺(polyimides)，聚酯(polyester)，聚碳酸酯(polycarbonates)，共聚碳酸酯(copolycarbonate ester)，聚(多)醚(polyether)，聚醚酮(polyetherketones)，聚醚酰亚胺(polyetherimides)，聚醚砜(polyethersulfones)，聚砜(polysulfones)，聚苯并咪唑(polybenzimidazoles)，聚丙烯腈(polyacrylonitrile)，聚乙烯醇(polyvinylalcohol)，聚氯乙烯(polyvinylchloride)，聚偶氮芳烃(polyazoaromatics)，聚苯醚/聚亚苯基氧/聚2,6-二甲基-1,4-苯醚(polyphenylene oxide)/poly(2,6-dimethylphenylene oxide)，聚脲(polyureas)，聚氨基甲酸乙酯(polyurethanes)，聚酰肼(polyhydrazides)，聚偶氮甲碱/聚甲亚胺(polyazomethines)，聚(缩)醛(树脂)(polyacetals)，苯乙烯－丙稀腈共聚物(styrene-acrylonitrile copolymers)，溴代聚二甲苯醚(brominated poly(xylene oxide))，磺化聚二甲苯醚(sulfonated poly(xylene oxide))，四卤代聚碳酸酯(tetrahalogen-substituted polycarbonates)，四卤代聚酯(tetrahalogen-substituted polyesters)，聚酰胺亚胺(polyamideimides)，聚酰亚胺酯(polyimide esters)，聚醚砜酮(PPESK)/二氮杂萘联苯型聚芳醚砜酮(poly(phthalazine ether sulfone ketone))，磺化聚醚砜酮(PPESK)/磺化二氮杂萘联苯型聚芳醚砜酮(sulfonated poly(phthalazine ether sulfone ketone))等以及材料之间的共混与改性。

在上述本实用新型的中空纤维气体分离膜组件中，所述的复合分离层的制备原料选自：聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)，聚硅氧烷(polysiloxanes)，硅橡胶(silicone rubbers)，天然橡胶(nature rubbers)，乙烷－丙稀(二烯)橡胶(ethane-propene(diene)rubbers),丁二烯腈橡胶(nitrile butadiene rubbers),聚乙烯醇(polyvinylalcohol),聚氧化二甲苯(polyphenylene oxide)，聚氧乙烯(polyethylene oxide)，多炔(polyacetylenes)，聚4－甲基戊烯(poly(4-methylpentene))，聚三甲基硅丙炔poly(trimethylsilylpropyne),聚乙烯基三甲基硅烷poly(vinyltrimethylsilane)，聚亚胺酯(polyurethanes)，聚醚氨酯(polyetherurethanes)PEU，聚醚嵌段酰胺(Polyether block amide)和全氟聚合物(perfluorinated polymer)等。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的中空纤维气体分离膜组件将流道分为n个扇区，使得每个扇区成为一个膜分离单元，通过分流组件实现气体在各膜单元之间的折流，膜分离单元的数量及分配比例可以根据需要进行调整。本发明的膜组件设计突破了传统的膜组件气体流道受膜组件外壳长度的限制问题，延长了气体流道，提高了膜分离效率。

附图说明

图1.二次折流中空纤维气体分离膜组件的剖面示意图；

图2.图1中整个膜组件的左视图；

图3.图1中整个膜组件的右视图；

图4.(a)是图1中的分流组件在A-A’位置的截面示意图；(b)是(a)中沿C-C’的截面示意图；

图5.(a)是图1中的分流组件在B-B’位置的截面示意图；(b)是(a)中沿D-D’的截面示意图；

图6.五次折流中空纤维气体分离膜组件的剖面示意图；

图7.图6的左视图；

图8.图6中的分流组件在E-E’位置的截面示意图；

图9.图6中的分流组件在F-F’位置的截面示意图；

其中，100.膜芯，101.中心管，102.膜丝束，200.壳体，201.筒体，202.端盖，203.端盖，204.进气口，205.排气口，206.渗透气连接口，300.分流组件，310.内毂，320.隔板，330.外毂，340.通孔。

具体实施方式

下述非限制性实施例用于对本发明作进一步说明，但不应当理解为对发明内容任意形式的限定。

实施例1

二次折流中空纤维气体分离膜组件，其具有3个流道，膜组件的剖面示意图如图1所示，所述膜组件包括壳体200、模芯100和分流组件300；所述的壳体200由筒体201和端盖202，203组成，筒体201与两侧端盖202，203以快装卡箍方式可拆卸连接；端盖202上设有进气口204，端盖203上设有排气口205；如图2和图3 所示；膜芯100设置于筒体201内，模芯100由中心管101和膜丝束102组成；膜丝束102由中空纤维膜丝捆扎并经灌胶封装后切割而成，膜丝束两端的膜丝内腔与外界相通；中心管101与两侧端盖202，203相交，并开口于端盖202表面形成渗透气连接口206；中心管101的中段与膜丝束重合部分的管壁上具孔，其两端延伸至端盖的部分不具孔。

在中心管的两端，端盖内侧分别设置有分流组件300，其包括与中心管101外径相匹配的内毂310，套于中心管101上，其还设置与内毂310同轴的外毂330，在内毂310外壁与外毂330内壁之间轴向设置3个隔板320，将二者之间的腔体分割为3个扇区，两侧端盖内的对应扇区Li和Ri经膜丝束Si的内腔连通，构成膜组件的n_i流道，即左侧端盖内的空腔被分为3个扇区，分别为L1、L2和L3，右侧端盖内的空腔被分为3个扇区，分别为R1、R2和R3，如图4和图5所示，图4为即左侧的分流组件300的横切面示意图，图5为右侧的分流组件300的横切面示意图；扇区L1经过丝束S1与R1联通成为n₁流道，n₂和n₃流道也以同样的方式分别与两端对应的扇区连通，隔板320上设置通孔340，使相邻流道首尾串行连通形成折返流道。

在上述膜组件中，各扇区的角度β_i/β_i+1＝1.15，膜芯100的长度为960mm，外径为190mm。膜组件中还包括必要的密封装置，如在模芯100与筒体201、分流组件300与筒体201及端盖202，203之间均设置密封圈或密封垫，以避免气体串混和泄露，使其更好地分离。

采用本发明的中空纤维气体分离膜组件进行气体分离时，被分离气体由进气口204进入n₁流道，流至非进气侧，非进气侧的分流组件上(图5)由R1到R2扇区的隔板上设置通孔340，气体由此进入n₂流道并折回流至进气侧，进气侧的分流组件上(图4)由R2到R3的流道隔板上也设置通孔340，气体进入n₃流道折回至非进气侧，由端盖203上的排气口205排出，此过程中的渗透气通过中心管壁上的孔进入中心管内部，并由渗透气连接口206收集。

实施例2

五次折流中空纤维气体分离膜组件，其具有6个流道，膜组件的剖面示意图如图6所示，所述膜组件包括壳体200、模芯100和分流组件300；所述的壳体200由筒体201和端盖202，203组成，筒体201与两侧端盖202，203以快装卡箍方式可拆卸连接；端盖202上设有进气口204和排气口205；膜芯100设置于筒体201内，模芯100由中心管101和膜丝束102组成；膜丝束102由中空纤维膜丝捆扎并经灌胶封装后切割而成，膜丝束两端的膜丝内腔与外界相通；中心管101与两侧端盖202，203相交，并开口于端盖202表面形成渗透气连接口206，如图7所示；中心管101的中段与膜丝束重合部分的管壁上具孔，其两端延伸至端盖的部分不具孔。

在中心管的两端，端盖内侧分别设置有分流组件300，其包括与中心管101外径相匹配的内毂310，套于中心管101上，其还设置与内毂310同轴的外毂330，在内毂310外壁与外毂330内壁之间轴向设置6个隔板320，将二者之间的腔体分割为6个扇区，两侧端盖内的对应扇区Li和Ri经膜丝束Si的内腔连通，构成膜组件的n_i流道，即左侧端盖内的空腔被分为6个扇区，分别为L1、L2、L3、L4、L5和L6，右侧端盖内的空腔被分为6个扇区，分别为R1、R2、R3、R4、R5和R6，如图8和图9所示，图8为即左侧的分流组件300的横切面示意图，图9为右侧的分流组件300的横切面示意图；扇区L1经过丝束S1与R1联通成为n₁流道，n₂、n₃、n₄、n₅和n₆流道也以同样的方式分别与两端对应的扇区连通，隔板320上设置通孔340，使相邻流道首尾串行连通形成折返流道。

上述膜组件中，在模芯100的两端端头上还分别设置一个用于膜丝束分区的分流组件，其与另外两个分流组件300具有相匹配的径向截面，在膜丝封头时便嵌入膜丝中，并与另一套分流组件分别通过相应形状的密封垫密封连接，这样不仅在两端进气部分分区，更进一步地使膜丝束分区，有利于分离。此套分流组件的隔板上不设置通孔。

在上述膜组件中，各扇区的角度β_i/β_i+1＝1.15；膜芯100的长度为960mm，外径为190mm。膜组件中还包括必要的密封装置，如在模芯100与筒体201、分流组件300与筒体201及端盖202，203之间均设置密封圈或密封垫，以避免气体串混和泄露，使其更好地分离。

采用此中空纤维气体分离膜组件进行气体分离时，被分离气体由进气口204进入n₁流道，流至非进气侧，非进气侧的分流组件上(图9)由R1到R2扇区的隔板上设置通孔340，气体由此进入n₂流道并折回流至进气侧，进气侧的分流组件上(图8)由R2到R3扇区的隔板上也设置通孔340，气体进入n₃流道又折回至非进气侧，如此反复，最后由端盖203上的排气口205排出，此过程中的渗透气通过中心管壁上的孔进入中心管内部，并由渗透气连接口206收集。

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施的几种方式，但本发明的保护范围并不局限于此。