专利名称：具有内扫气的空心纤维隔膜干燥器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使气体脱水的设备和方法，其中该设备是由具有脱水能力的空心纤维隔膜构成的。更具体地说，本发明涉及一种隔膜气体分离模件，该模件提供内逆流扫气和使用该模件的方法。
使用一个对流体混合物中的一种流体要较该混合物中的其他流体更具渗透性的隔膜来从该混合物中分离出该种流体是众所周知的。使流体混合物与两侧保持有压差的隔膜的一侧接触，则可渗透的流体将会渗透过隔膜流到其另一侧，借此，就将该流体从流体混合物中分离出来。
在目前的例子中，水份或其他迅速扩散的气体是从其他较慢扩散的气体中分离出来的。例如，在空气或天然气的干燥中，水份渗过隔膜的速率是隔膜的相反两侧水份局部压力差的函数。如果这些局部压力是一样大小，则没有水份会渗过隔膜。这就会在希望对含有较少量水份的气体混合物进行干燥时存在一个问题。
由于水的高的渗透选择性，在隔膜渗透侧的水蒸气的局部压力可以达到供给侧的压力，因此，水的渗透速率非常低。解决此问题的一个方法是在渗透侧使用扫气。该扫气冲淡了被渗透的水的浓度，并降低了在渗透侧的水蒸气局部压力，借此产生水的较高渗透速率。
曾经作过若干次努力为隔膜的渗透侧提供扫气，以便使更多的水渗过该隔膜。例如在美国专利353611中，公开了一种隔膜装置，该膜装置使用扫气流以便从流体穿过其渗透的空心隔膜束扫去被渗透的流体。扫气流从纤维束的相反端被引入，显然可见，为了将扫气流引入该装置内需设置外部管道和阀等。这种管道和阀增加了系统的成本和复杂性。
在美国专利4687578中，纤维长度的大部分被包覆起来以减小含有水份的气体的渗透速率，而在组件非渗透端处的余下的纤维长度则不加以涂覆或只是部分地涂覆，其中含有水份的气体渗透得很快，借此在与供给气体逆流的渗透侧提供了扫气。但是，只在纤维的一部分上涂覆选定的涂料，例如在美国专利4230463中定义的缺陷修复材料，而留下纤维其余部分不加涂覆是困难的。
在美国专利4783201中，隔膜未加以涂覆，在试图在渗透侧提供扫气流时，隔膜的受控的孔隙率沿纤维的长度实现。这里又需要一个特殊的程序来对空心纤维隔膜的材料加以处理，以改变隔膜的孔隙率。在组件的潮湿供料端要求较低的孔隙率，而在成品端则需要较高的孔隙率，以使含有水份的气体有较高的渗透速率，借此在渗透侧提供逆流扫气。
而且，如果用一种会导致载流气体具有较低渗透性的方法生产用于组件中的纤维，则如上述专利，即美国专利4687378和4783201，中所描述的那样，经穿过纤维的渗透提供扫气可能不是一个可行的选择。可以导致载流具有较低渗透性的纤维生产方法的实例尤其包括湿纺相位转化法(wet Spinning phase inversion)，溶液涂渍法、界面聚合法。本发明在采用对载流具有较低渗透性的纤维时为组件提供了渗透侧内扫气。
在用于气体分离组件的空心纤维隔膜的一般生产中，纤维一般要用涂覆材料加以后处理以修复隔膜中的缺陷，借此增加其用于气体分离的选择性。迄今，作过缺陷修复处理的隔膜已发现不适用于脱水方法中，因为还没有研制出能令人满意地提供扫气流的方法。前面的方法因上述原因而不适合。
本发明提供一种空心纤维隔膜组件，该组件可以以一种经济的和易生产的方法在纤维渗透侧提供足够的内扫气。
本发明提供一种隔膜气体分离组件，其在组件内侧设置的纤维的渗透侧具有一股带有未渗透气体一部分的逆流扫气。该组件是由一个细长的壳体组成的，该壳体有一个供气进口和在其相当远的相对端处的一个产品出口和一个适当定位的渗流出口。该壳体含有空心纤维隔膜，这些隔膜设置成从一个靠近供气入口的第一管隔板延伸到一个靠近产品出口第二管隔板，空心纤维的每一端截止于一个管隔板并穿过该管隔板。该组件在第二管隔板上设置有至少一个小孔以使非渗透气体回流到纤维的渗透侧，从而提供逆流扫气。
本发明还提供一种通过使气体与空心纤维隔膜接触的方式对含有水蒸气的供给气体进行脱水的方法，该些空心纤维隔膜装在设计得可承受工作压力的组件壳体内。供给气体中含有的大部分水蒸气渗透过隔膜。留下的非渗透的经脱水的气体的一部分在组件的内侧用来给空心纤维隔膜的渗透侧提供基本上与供给气体流逆向流动的扫气。余下的非渗透气体回收为经脱水的气体产品。扫气流量一般是非渗透的脱水气体的净流量的约1％至约80％，最好是约2％至约30％。
图1是本发明的一个实施例的局部截去的立视图；图2是图1实施例的一小部分的放大截断图；图3是图1实施例的另一个小部分的截断视图；图4是本发明另一个实施例的局部截断的立视图。
参见图1，提供了一种气体分离组件10，其中，含有水蒸气的供给气体12在第一管隔板14的表面处在压力作用下进入空心纤维22的腔孔内。水蒸气渗透过纤维22并从一个出口20处流出组件10。经脱水的气体留在纤维22的腔孔内并在压力仍在作用的同时穿过第二管隔板16。短纤维24允许脱水的气体的一部分通过短纤维腔孔回流到纤维22的渗透侧，借此在纤维的渗透侧提供了一股逆流扫气，其中扫气通过渗透口20流出。脱水气体从口18流出。设置穿过管隔板16的短纤维24可允许经脱水的气体的预定部分通过管隔板16和短纤维24回流，以便在渗透压力下提供作为纤维22的渗透侧的逆流扫气的脱水气体。图2更清楚地示出了该方法，其中，通过使经脱水的气体的一部分通过短纤维24回流的方式向纤维22的外侧提供一股逆流扫气，所有的纤维都穿过管隔板16。
在图1中，纤维实际占据了组件内的所有空间而没有留下所示的开口通道。所呈现的该开口通道只是用来让读者看清楚纤维24并理解流过短纤维24以便提供逆流扫气的的非渗透气体的大致流动方向。图4的视图更加准确地图示出纤维充满组件的方式。
图3图示出本发明的另一个实施例，其中管隔板16上允许脱水的气体的预定部分回流到纤维122的外侧的微孔124是管隔板上的孔道。根据在渗透侧上的纤维122的扫气所需的脱水的气体的量设置一个或一个以上的孔道124。
在另一个实施例中，供给气体通过壳体上一个靠近第一管隔板的口进入组件内，并且干燥的产品流通过壳体上一个靠近第二管隔板的口流出。第二管隔板配置有与图2和3中的纤维或孔道的类似的纤维或孔道，以便让干燥的非渗透气体的一部分作为一股逆流扫气流过渗透侧，即纤维腔孔。渗透的气体通过第一管隔板流出。
图4图示了本发明的另一个实施例。一个气体分离组件200配置有一个口212以便让含有水蒸气的受压供给气体进入。气体进入空心纤维隔膜的腔孔，而水蒸气渗透过纤维并作为渗透气体从一个出口220流出组件200。为了提高供给气体的脱水程度，借助一个多孔管224提供穿过一个管隔板216的脱水气体逆流气体流，多孔管在其一端223是开启的以便接纳从室217来的脱水气体。而室217则形成于组件200最靠近非渗透气体出口218的端部处。非渗透的脱水气体流的预定部分从室217通过多孔管的端部223流入该管内并且流过该管的圆筒形侧面上的孔眼，在与供给气体大致逆流的方向上流动以便提供一股扫气。逆流扫气在空心纤维的外侧上向着出口220进发，并且带着含有原先在供给气体中的水蒸气的大部分的渗透气体排出。逆流扫气为水渗透提供了相当高的驱动力，从而增加了通过给定的气体分离组件可以加以处理的气体的量。可以加以处理的气体的量的增加更多的抵消了用作扫气的脱水气体的量，这样就增加了从组件来的干燥的非渗透气体的总的流量。
估计喷射产品气体以便吹扫隔膜的渗透侧所需要的短空心纤维的数目和尺寸或该孔道或若干孔道的尺寸可以根据压缩流在音速条件下流过一个管或微孔的理论，和所需的扫气流量进行计算。
扫气流的的喷射速率取决于隔膜的选择性渗透的特性和所选取的操作状态。扫气流的流率要加以调节以便获得每单位隔膜表面较高的产品流的流率，并且同时满足所需的产品回收，即产品与供料所希望的比率。为空气的干燥，一般来说，比率S/R＝0.01-0.8，最好是0.02～0.3，其中S＝扫气流的流速，R＝流出气体分离组件的干燥产品气体的净流速。
通过应用可应用于在音速条件下流过管或微孔的压缩流的理论对于S的给定值可以计算扫气流喷射所需的短空心纤维或孔道的数目。
但是，计算扫气流喷射所需的短空心纤维或孔道的数目的较佳方法是通过实验确定在操作条件下流过一个短空心纤维或所希望几何形状的孔道的流率，然后使用此信息与所希望有的扫气流流率一起计算所需的短纤维或孔道的数目。希望短空心纤维的长度小于空心纤维长度的约25％，最好是小于约10％。
实例1一个膛孔供气气体分离组件是用一束聚砜空心纤维组装成的。如图4所示，一个管，如管224，包含有五个内径为470微米，长度为五厘米的空心尼龙纤维，该管在非渗透端的中心穿过管隔板。插入空心纤维束的管端是闭合的。管的另一端则是开通的以便接纳非渗透气体。该管具有若干绕管的圆周等距分布的径向孔眼，以便允许扫气有均匀的径向流分布。该组件在相反的两端设有用于供料和非渗透气体通过的口并且在供料端设有一个壳体口让渗透的气体流流出。空心纤维使用硅溶液浸涂以便修复隔膜缺陷。
气体供料流的露点为100°F，并在100磅/每平方英寸的压力和120°F的温度下供给组件。在尼龙纤维没有一个开启的条件下试验该组件，然后是三个开启，最后是五个开启纤维。其结果示于下面的表1中表1
试验结果清楚地表示出，在基本上恒定的产品流率的条件下，使用非渗透气体扫气流时产品的露点明显地减小。渗透流达到两倍以上以便使供给气体有效地干燥。实际上，最大可允许的提纯比率(渗透量/供给量)可用来确定用于扫气的喷射的短开通纤维或孔道的数目。
已认识到，使载流渗透性低的纤维并不能满意地用在气体脱水方法中，因为水的高析出性会导致水蒸气在渗透侧上的局部压力接近供料侧上的压力，从而导致较低的水渗透率。一直以来都知道，提供扫气流的可行方法将会有助于克服这个问题。虽然在上面提供的背景技术中描述的一些方法一直得到商业应用，但如果载流流过纤维的渗透性低，则从操作的观点来看，没有那个方法被认为是经济的或实用的。实例1证实了，使用低载流渗透性的缺陷得到修复的隔膜，本发明可以在同样的产品流流率下提供较低的产品露点。本发明的另一个优点是易于使扫气流位于中心或靠近中心以便有效地利用扫气流的能力。本发明还适用于天然气的脱水。
实例2将在实例1中处理过的空心纤维集成一束，从而制成一个气体分离组件，其中束纤维的直径是八英寸，纤维的实际长度是10英尺；实际的面积是6511平方英尺。在750英磅/每平方英寸和104°F温度下将含有百万分之600水份的天然气供给隔膜分离器的壳体外侧。将干燥的产品气体的一部分通过一个微孔或短中空纤维喷射入渗透侧以便提供一股逆流扫气流。这种情况的性能模拟结果记录于表2中。产品气体在所有情况中都含有百万分之43的水份。
表2
要指出的是，净产品流率随扫气流流率的增加而平稳地增加；但是，天然气的损失(渗透量与供料量之比值)也会增大。欲使用的穿透气流率由经济性和用作扫气流的非渗透物(产品)的最大可接受的损失所限定。
权利要求
1.一种气体脱水方法，其包括(a)使含有水蒸气的供给气体与装在一个压力组件内的空心纤维隔膜接触；(b)使供给气体中所含的水蒸气的大部分渗透过隔膜；(c)利用组件内侧产生的非渗透脱水气体的一部分给空心纤维隔膜的渗透侧提供一股基本上与供给气体流逆流的扫气；(d)回收留下的非渗透脱水气体。
2.如权利要求1所述的气体脱水方法，其特征在于扫气流量是非渗透脱水气体的净流量的约1％～约80％。
3.如权利要求2所述的气体脱水方法，其特征在于扫气流量是非渗透脱水气体的净流量的约2％～约30％。
4.如权利要求1所述的气体脱水方法，其特征在于供给气体是处在至少一个大气的压力下。
5.如权利要求1所述的气体脱水方法，其特征在于供给气体是由环境空气所组成的。
6.如权利要求1所述的气体脱水方法，其特征在于供给气体是由烃气组成的。
7.如权利要求1所述的气体脱水方法，其特征在于供给气体至少是由环境空气、烃气、和酸性气体之一组成的。
8.如权利要求7所述的气体脱水方法，其特征在于供给气体含有二氧化碳。
9.如权利要求7所述的气体脱水方法，其特征在于供给气体是由每个分子具有一至三个碳原子的烃气组成的。
10.如权利要求1所述的气体脱水方法，其特征在于供给气体被引入空心纤维孔的第一端并且脱水的供给气体从空心纤维孔的第二端排除。
11.如权利要求1所述的气体脱水方法，其特征在于供给气体被引到空心纤维隔膜的第一外侧端，脱水的供给气体从空心纤维隔膜的第二外端排出。
12.一种特别适用于气体脱水的隔膜气体分离组件，其具有由组件内侧的非渗透气体提供的逆流扫气，该组件包括(a)一个细长的壳体，其在一端具有通到空心纤维隔膜上的供给气体入口，而在其相当远的相反端具有一个非渗透产品出口，和一个适当放置的渗透物出口，该壳体包含(b)设置在壳体内从靠近供给气体进口的第一管隔板延伸到靠近非渗透产品出口的第二管隔板的空心纤维隔膜，空心纤维隔膜的每一端截止于并穿过管隔板；和(c)第二管隔板上的至少一个微孔，以便让非渗透产品的一部分回流到空心纤维隔膜的渗透侧，从而提供一股逆流扫气。
13.如权利要求12所述的组件，其特征在于微孔的尺寸定得能在操作条件下提供是非渗透脱水气体的净流量的约1％～约80％的扫气流量。
14.如权利要求12所述的组件，其特征在于扫气流量是非渗透脱水气体的净流量的约2％～约30％。
15.如权利要求12所述的组件，其特征在于微孔是第二管隔板上的孔道。
16.如权利要求12所述的组件，其特征在于微孔是第二管隔板上的多个孔眼。
17.如权利要求12所述的组件，其特征在于微孔是一个穿透第二管隔板的短空心纤维隔膜，该空心纤维隔膜的长度小于组件内的空心纤维隔膜的平均长度的约25％。
18.如权利要求12所述的组件，其特征在于微孔是多个穿透第二管隔板的短空心纤维隔膜，其平均长度小于组件内的空心纤维隔膜的平均长度的约25％。
19.如权利要求12所述的组件，其特征在于微孔是由一个圆筒形空心管组成的，该管穿透第二管隔板并且延伸不多于两个管隔板之间距离的10％。该管在其延伸端是闭合的，并且具有绕该管基本上等距分布的径向孔眼。
20.如权利要求19所述的组件，其特征在于微孔是穿透第二管隔板并延伸入空心管内侧的多个空心纤维隔膜。
全文摘要
本发明提供一种利用空心纤维隔膜使气体脱水的方法和设备。本发明利用在组件产品端处的管隔板上的微孔提供隔膜的渗透侧的内扫气流，借此，利用产品气体冲扫隔膜的渗透侧。
文档编号B01D53/26GK1132658SQ9511810
公开日1996年10月9日 申请日期1995年10月17日 优先权日1994年10月17日
发明者W·H·摩根, L·K·布莱坎普, D·G·卡霍 申请人:珀美阿有限公司