氣體分離膜組件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用中空纖維膜實現氣體分離的氣體分離膜組件，更具體涉及在其中可以在氣體分離中防止管板的變形如膨脹和收縮的氣體分離膜組件。
【背景技術】
[0002]通常，已知使用具有選擇滲透性的分離膜實現氣體分離(例如，氧分離、氮分離、氫分離、水蒸氣分離、二氧化碳分離和有機蒸氣分離)的分離膜組件如板型和框型、管型、中空纖維膜型等。其中，不僅歸因于每單位體積的最大膜面積的優點而且還歸因于高耐壓性和優異的自支持，中空纖維膜型的氣體分離膜組件是工業上有益的并且廣泛使用。
[0003]中空纖維膜型的氣體分離膜組件通常包括由多個具有選擇滲透性的中空纖維膜組成的中空纖維束和用于收容纖維束的管狀容器，并且被配置成使得中空纖維束固定在由樹脂制成的硬化板(管板)的一端或兩端。
[0004]專利文獻I描述了使用氣體分離膜組件的用于有機蒸氣分離的方法，所述方法包括加熱并蒸發含有有機化合物的水溶液以提供含有有機化合物的蒸氣(有機蒸氣)和水蒸氣的有機蒸氣混合物，之后使有機蒸氣混合物在例如70°C以上的溫度下通過分離膜，并且使水蒸氣選擇性地滲透并分離，從而得到具有高純度的有機化合物。
[0005]現有技術參考文獻
[0006]專利文獻1:JP-A-S63 (1988)-267415

【發明內容】

[0007]本發明要解決的問題
[0008]在如上所述的有機蒸氣分離中，管板可能會以膨脹或收縮的方式明顯變形，以損害氣體分離膜組件的密封，從而阻止有利的氣體分離繼續進行。這個問題不僅會在有機蒸氣分離中出現，而且還會在涉及管板的變形的其他類型的氣體分離中出現。例如，當管板吸收烴、二氧化碳或水時，管板可能會由于塑化或膨脹而變形。
[0009]已經考慮此類問題做出了本發明，并且其目的是提供在其中可以在氣體分離中防止管板的變形如膨脹和收縮的氣體分離膜組件。
[0010]解決問題的手段
[0011]為了達到該目的，根據一個方面，本發明提供:
[0012]1.一種氣體分離膜組件，所述氣體分離膜組件包括:
[0013]通過捆扎多個具有選擇滲透性的中空纖維膜提供的中空纖維束；
[0014]在其中放置所述中空纖維束的組件容器；以及
[0015]將所述多個中空纖維膜固定在所述中空纖維束的端部的管板，
[0016]其中所述管板的橫截面(指的是沿著與管板的厚度方向垂直的方向的橫截面)包括在其中嵌入所述中空纖維膜的中空纖維膜嵌入部和在其中未嵌入中空纖維膜的實心部，所述實心部位于所述中空纖維膜嵌入部的外部，并且
[0017]至少在所述中空纖維膜嵌入部內用增強纖維布卷繞所述多個中空纖維膜中的至少一些。
[0018]2.根據I所述的氣體分離膜組件，其中所述增強纖維布是無機纖維紡織布。
[0019]3.根據2所述的氣體分離膜組件，其中所述增強纖維布是玻璃纖維布。
[0020]4.根據I至3中任一項所述的氣體分離膜組件，其中所述增強纖維布以螺旋形放置(當在沿著與管板的厚度方向垂直的方向的橫截面上觀察時)。
[0021]5.根據I至3中任一項所述的氣體分離膜組件，其中所述增強纖維布以(一個或多個)圓形放置。
[0022]6.根據I至5中任一項所述的氣體分離膜組件，其中所述管板設置在所述中空纖維束的兩個端部，并且在每個所述管板內用所述增強纖維布卷繞所述多個中空纖維膜中的至少一些。
[0023]7.根據I至6中任一項所述的氣體分離膜組件，其中所述中空纖維膜是用于有機蒸氣分離的氣體分離膜。
[0024]8.根據I至7中任一項所述的氣體分離膜組件，所述氣體分離膜組件還包括芯管，所述芯管是用于將吹掃氣體供給至所述組件中的中空構件并且基本上位于所述中空纖維束的中心。
[0025]本發明的益處
[0026]根據本發明，可以提供在其中可以在氣體分離中防止管板的變形如膨脹和收縮的氣體分離膜組件。
[0027]附圖簡述
[0028]圖1是示意性地示出根據第I部分中本發明的實施方案的氣體分離膜組件的構造的截面圖。
[0029]圖2是示出管板內的增強纖維布的示例性排布的截面圖，其中圖2 (a)示出了以螺旋形卷繞的增強纖維布并且圖2(b)示出了以圓形卷繞的增強纖維布。
[0030]圖3是示意性地示出在厚度方向上的管板的截面圖。
[0031]圖4是示出管板內增強纖維布的另一種示例性排布的截面圖。
[0032]圖5是示出管板內增強纖維布的另外其他示例性排布的截面圖。
[0033]圖6是說明增強纖維布的一些卷繞方法的截面圖。
[0034]圖7是示出以螺旋形卷繞的增強纖維布的另一個實例的截面圖。
[0035]圖8是根據第II部分中本發明的實施方案的氣體分離膜組件的截面圖(以側視圖代替截面圖示出內部中空纖維元件)。
[0036]圖9是用于解釋圖8中所示的組件的構造的示意性截面圖。
[0037]圖10是示出第II部分中的中空纖維元件(尤其是元件外殼)的構造的外視圖。
[0038]圖11是第II部分中元件外殼的截面圖。
[0039]圖12是示出第II部分中半對開管(half-split pipe)的圖。
[0040]圖13是示出制造第II部分中的中空纖維元件的示例性方法的圖。
[0041]本發明的實施方案
[0042]下文將在第I和第II部分中描述根據本發明的氣體分離膜組件的優選實施方案。稍后在第II部分中描述與第II部分中公開的本發明相關的【背景技術】、問題等。根據需要，可以適當地將在一個部分中的一些技術內容與另一個部分中描述的一些技術內容組合。
[0043][第I部分:在其中可以防止管板變形的氣體分離膜組件]
[0044]在下文中將參照附圖描述本發明的實施方案。盡管由在其中使吹掃氣體流動的類型的組件做出以下描述，本發明不限于此。此外，盡管以下描述關注于有機蒸氣分離的實例，不言而喻，本發明適用于用于其他氣體分離類型的氣體分離膜組件。
[0045][氣體分離膜組件的構造]
[0046]圖1中所示的氣體分離膜組件(在下文中簡稱為組件)100包括由多個中空纖維膜114組成的中空纖維束115、收容中空纖維束115的組件容器110、以及設置在中空纖維束115兩個端部的管板120-1和120-2(在下文中，在一些情況下統稱為管板120)。通過舉例，氣體分離膜組件100是在其中將混合氣體供給至中空纖維膜114中的孔供給類型。
[0047]可以通過使用常規上已知的具有選擇滲透性的膜來提供中空纖維膜114。中空纖維膜可以具有均勻的結構或不均勻的結構，如復合膜和非對稱膜。對于氣體分離來說，例如，歸因于高選擇性和高氣體滲透性，由芳族聚酰亞胺制成的非對稱膜是適合的。可以優選使用具有20至200 μ m的厚度和50至1000 μ m的外徑的膜。中空纖維膜114的材料的實例可以是聚合物材料，并且尤其是聚酰亞胺、聚砜、聚醚酰亞胺、聚苯醚或聚碳酸酯。
[0048]在本文中使用的術語“有機蒸氣分離”意指這樣的方法，其包括:用通過加熱含有在室溫下液態的有機化合物的液體混合物提供的處于蒸氣狀態的混合氣體(有機蒸氣混合物)供給氣體分離膜組件；在有機蒸氣混合物流與中空纖維膜接觸期間將有機蒸氣混合物分離為已經滲透中空纖維膜的滲透蒸氣和未滲透中空纖維膜的非滲透蒸氣；以及通過滲透氣體排出口收集滲透蒸氣并且通過非滲透氣體排出口收集非滲透蒸氣。因為中空纖維膜具有選擇滲透性，滲透蒸氣富含以高速率滲透中空纖維膜的組分(在下文中，在一些情況下被稱為高滲透組分)，然而非滲透蒸氣較少富含高滲透組分。因此，將有機蒸氣混合物分離為富含高滲透組分的滲透蒸氣和較少富含高滲透組分的非滲透蒸氣。
[0049]有機蒸氣分離的實例是通過使用由聚酰亞胺制成的中空纖維膜的含水乙醇的脫水。因為水蒸氣以較高的速率滲透由聚酰亞胺制成的中空纖維膜，水蒸氣充當高滲透組分。乙醇被分離為主要含有水蒸氣的滲透蒸氣和主要含有乙醇蒸氣的非滲透蒸氣，并且之后將它們收集。作為結果，得到脫水乙醇。
[0050]例如，可以通過捆扎大約100至1,000，000個中空纖維膜114提供中空纖維束115。對中空纖維束115的形狀沒有特別地限定，但是，通過舉例，在組件容器的制造的容易程度和耐壓性方面，圓柱形是優選的。盡管圖1示出了在其中中空纖維膜基本平行對齊的排布，可以使用在其中中空纖維膜交叉的另一種排布。
[0051]中空纖維束115被用于調節吹掃氣體的流動(稍后詳細描述)，從而吹掃氣體以與混合氣體的供給方向相反的方向流動的膜構件131部分地覆蓋。膜構件131由不具有透氣性的材料制成。在滲透氣體出口 IlOc附近，中空纖維束115未被膜構件131覆蓋，因此中空纖維膜114打開。
[0052]組件容器110具有大體上的管形，并且在該實例中，具有在一個端面處形成的混合氣體入口 IlOa和在另一個端面處形成的用于引入吹掃氣體的吹掃氣體入口 110d。要指出的是，在本文中使用的術語“管形”不限于圓柱形，而是指代橫截面上為矩形、多邊形、橢圓形等的中空構件。例如，組件容器110可以包括管狀構件和安裝在其兩個端部的蓋構件。
[0053]組件容器110的內部空間被兩個管板120-1和120-2分為三個空間111、112和113。空間111形成于管板120-1的上游，并且混合氣體通過混合氣體入口 IlOa流入空間111。空間112形成于管板120-1和120-2之間，并且已經滲透中空纖維膜114等的滲透氣體流入空間112。空間113形成于管板120-2的下游，并且非滲透氣體流入空間113。
[0054]為了使已經流入空間112中的滲透氣體流出，在組件容器110的外周壁部上形成滲透氣體出口 110c。為了使已經供給至空間113中的非滲透氣體流出，還在組件容器110外周壁部上形成非滲透氣體出口 110b。
[0055]芯管171沿著中空纖維束115的中心設置。芯管171是一端關閉另一端打開的構件，并且以開口部位于下游(較接近管板120-2)的方式定向。芯