中空纖維氣體分離膜組件的製作方法

2023-07-25 07:56:27

本實用新型涉及膜技術，具體涉及氣體分離膜技術，尤其涉及一種用於氣體分離的中空纖維氣體分離膜組件。

背景技術：

氣體分離膜組件主要應用於兩種或兩種以上不同氣體組分的分離，採用膜法進行氣體分離具有工藝流程簡單、易於自動化控制、運行穩定、低能耗、佔地面積小等優點，因此膜分離過程在諸多領域得到普及。

用於氣體分離的膜主要有中空纖維分離膜和平板分離膜。平板膜主要有卷式膜和疊片式膜兩種，是將具有規定過濾面積的膜片，每兩張膜片通過粘結劑或熱熔的方式密封形成一個膜袋，將一定數量的膜袋卷制或疊放在中心管上，裝填到膜外殼中形成膜組件，平板膜製造工藝簡單，抗汙染性較好，主要應用於中低壓的分離過程。中空纖維膜組件是將一定數量的中空纖維複合膜綑紮在一起，兩端以環氧樹脂澆鑄成具有一定結構的封頭，裝填到膜外殼中形成膜組件，中空纖維分離膜具有高裝填面積，其裝填率可以達到平板膜的10倍以上，適用於高中低壓的分離過程。

目前中空纖維膜組件沒有流道設計，氣體在組件內得不到合理的分配，降低了膜的分離效率，同時氣體流道的長度受膜組件外殼長度的限制。

技術實現要素：

為了解決現有的中空纖維膜組件流道設計不合理，膜分離效率低下的問題，本實用新型旨在提供一種具有流道分配的中空纖維分離膜組件，以提高膜的分離效率，同時本實用新型還可以在有限長度的膜組件外殼內提供較長的氣體流道。

本實用新型提供了一種中空纖維氣體分離膜組件，包括殼體、膜芯和分流組件；

所述的殼體由筒體和端蓋組成，筒體與兩側端蓋可拆卸連接；端蓋上設有進氣口和排氣口；

所述的膜芯由中心管和膜絲束組成；膜芯設置於筒體內，中空纖維膜絲的內腔與兩側端蓋內腔相通；中心管與兩側端蓋相交，並開口於其中之一的端蓋表面形成滲透氣連接口；

所述分流組件設置於中心管的兩端，端蓋內側；其包括與中心管外徑相匹配的內轂，套於中心管上，還包括與內轂同軸設置的外轂，在內轂外壁與外轂內壁之間軸向設置n個隔板，將二者之間的腔體分割為n個扇區，兩側端蓋內的對應扇區Li和Ri經膜絲束Si的內腔連通，構成膜組件的ni流道，流道一端隔板上設置通孔，使相鄰流道首尾串行連通形成折返流道；i和n都是整數且i≤n；

膜芯兩端端頭分別設有一個用於膜絲束分區的分流組件，其與中心管兩端的分流組件具有相匹配的徑向截面。在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，所述的膜絲束是由由預設數量的中空纖維膜絲綑紮並經灌膠封裝切割而成，使膜絲束兩端的膜絲內腔與外界相通；其在分流組件的作用下被分為n個扇區，被分離氣體由進氣口進入膜組件，在扇區內折流，中心管管壁與膜絲束重合的部分具孔，而延長於端蓋的部分不具孔，滲透氣通過中心管管壁上的孔進入中心管並由滲透氣連接口收集，未透過氣在流道末端由端蓋上的排氣口排出，進氣口和出氣口設置於同側端蓋或對側端蓋決定於流道的折流次數。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，所述膜芯兩端端頭的分流組件，在膜絲封頭時便嵌入膜絲中，並與另一套分流組件分別通過相應形狀的密封墊密封連接，這樣不僅在兩端進氣部分分區，更進一步地使膜絲束分區，有利於分離。因氣體並不在此處設置的分流組件處折流，因此，此套分流組件的隔板上可不設置通孔。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，作為進一步的優選，所述端蓋以螺栓或快裝卡箍方式可拆卸地連接於筒體上。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，作為進一步的優選，所述膜組件中還設置有必要的密封裝置，如「O」型密封圈、密封墊等，為了防止氣體洩漏或串混，此為本領域技術人員所熟知的技術，在此不再贅述。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，作為進一步的優選，所述的n是2～10的整數；n優選2～6的整數。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，作為進一步的優選，所述的與進氣口對應的扇區為第1扇區，角度為β1；沿同一方向第i個扇區角度設置為βi，β1+β2+……+βi＝360°，βi/βi+1＝1.0～1.5；優選βi/βi+1＝1.1-1.3。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，作為進一步的優選，所述的膜芯的長度為500～4000mm，優選500～2000mm；外徑為50～300mm，優選100～200mm。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，作為進一步的優選，所述的膜芯由中空纖維複合膜膜絲裝填而成，所述膜絲包括中空纖維支撐層和複合分離層。所述的複合分離層在中空纖維複合膜膜絲的外表面或內表面。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，所述的中空纖維支撐層的製備原料選自：醋酸纖維素(cellulose acetates)，纖維素衍生物(cellulosic derivatives)，硝酸纖維素(cellulose nitrates)，乙基纖維素(ethyl cellulose)，聚醯胺(polyamides)，聚醯亞胺(polyimides)，聚酯(polyester)，聚碳酸酯(polycarbonates)，共聚碳酸酯(copolycarbonate ester)，聚(多)醚(polyether)，聚醚酮(polyetherketones)，聚醚醯亞胺(polyetherimides)，聚醚碸(polyethersulfones)，聚碸(polysulfones)，聚苯並咪唑(polybenzimidazoles)，聚丙烯腈(polyacrylonitrile)，聚乙烯醇(polyvinylalcohol)，聚氯乙烯(polyvinylchloride)，聚偶氮芳烴(polyazoaromatics)，聚苯醚/聚亞苯基氧/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)，聚醯肼(polyhydrazides)，聚偶氮甲鹼/聚甲亞胺(polyazomethines)，聚(縮)醛(樹脂)(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))，四滷代聚碳酸酯(tetrahalogen-substituted polycarbonates)，四滷代聚酯(tetrahalogen-substituted polyesters)，聚醯胺亞胺(polyamideimides)，聚醯亞胺酯(polyimide esters)，聚醚碸酮(PPESK)/二氮雜萘聯苯型聚芳醚碸酮(poly(phthalazine ether sulfone ketone))，磺化聚醚碸酮(PPESK)/磺化二氮雜萘聯苯型聚芳醚碸酮(sulfonated poly(phthalazine ether sulfone ketone))等以及材料之間的共混與改性。

在上述本實用新型的中空纖維氣體分離膜組件中，所述的複合分離層的製備原料選自：聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane)，聚矽氧烷(polysiloxanes)，矽橡膠(silicone rubbers)，天然橡膠(nature rubbers)，乙烷－丙稀(二烯)橡膠(ethane-propene(diene)rubbers),丁二烯腈橡膠(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))，聚三甲基矽丙炔poly(trimethylsilylpropyne),聚乙烯基三甲基矽烷poly(vinyltrimethylsilane)，聚亞胺酯(polyurethanes)，聚醚氨酯(polyetherurethanes)PEU，聚醚嵌段醯胺(Polyether block amide)和全氟聚合物(perfluorinated polymer)等。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

本發明的中空纖維氣體分離膜組件將流道分為n個扇區，使得每個扇區成為一個膜分離單元，通過分流組件實現氣體在各膜單元之間的折流，膜分離單元的數量及分配比例可以根據需要進行調整。本發明的膜組件設計突破了傳統的膜組件氣體流道受膜組件外殼長度的限制問題，延長了氣體流道，提高了膜分離效率。

附圖說明

圖1.二次折流中空纖維氣體分離膜組件的剖面示意圖；

圖2.圖1中整個膜組件的左視圖；

圖3.圖1中整個膜組件的右視圖；

圖4.(a)是圖1中的分流組件在A-A』位置的截面示意圖；(b)是(a)中沿C-C』的截面示意圖；

圖5.(a)是圖1中的分流組件在B-B』位置的截面示意圖；(b)是(a)中沿D-D』的截面示意圖；

圖6.五次折流中空纖維氣體分離膜組件的剖面示意圖；

圖7.圖6的左視圖；

圖8.圖6中的分流組件在E-E』位置的截面示意圖；

圖9.圖6中的分流組件在F-F』位置的截面示意圖；

其中，100.膜芯，101.中心管，102.膜絲束，200.殼體，201.筒體，202.端蓋，203.端蓋，204.進氣口，205.排氣口，206.滲透氣連接口，300.分流組件，310.內轂，320.隔板，330.外轂，340.通孔。

具體實施方式

下述非限制性實施例用於對本發明作進一步說明，但不應當理解為對發明內容任意形式的限定。

實施例1

二次折流中空纖維氣體分離膜組件，其具有3個流道，膜組件的剖面示意圖如圖1所示，所述膜組件包括殼體200、模芯100和分流組件300；所述的殼體200由筒體201和端蓋202，203組成，筒體201與兩側端蓋202，203以快裝卡箍方式可拆卸連接；端蓋202上設有進氣口204，端蓋203上設有排氣口205；如圖2和圖3 所示；膜芯100設置於筒體201內，模芯100由中心管101和膜絲束102組成；膜絲束102由中空纖維膜絲綑紮並經灌膠封裝後切割而成，膜絲束兩端的膜絲內腔與外界相通；中心管101與兩側端蓋202，203相交，並開口於端蓋202表面形成滲透氣連接口206；中心管101的中段與膜絲束重合部分的管壁上具孔，其兩端延伸至端蓋的部分不具孔。

在中心管的兩端，端蓋內側分別設置有分流組件300，其包括與中心管101外徑相匹配的內轂310，套於中心管101上，其還設置與內轂310同軸的外轂330，在內轂310外壁與外轂330內壁之間軸向設置3個隔板320，將二者之間的腔體分割為3個扇區，兩側端蓋內的對應扇區Li和Ri經膜絲束Si的內腔連通，構成膜組件的ni流道，即左側端蓋內的空腔被分為3個扇區，分別為L1、L2和L3，右側端蓋內的空腔被分為3個扇區，分別為R1、R2和R3，如圖4和圖5所示，圖4為即左側的分流組件300的橫切面示意圖，圖5為右側的分流組件300的橫切面示意圖；扇區L1經過絲束S1與R1聯通成為n1流道，n2和n3流道也以同樣的方式分別與兩端對應的扇區連通，隔板320上設置通孔340，使相鄰流道首尾串行連通形成折返流道。

在上述膜組件中，各扇區的角度βi/βi+1＝1.15，膜芯100的長度為960mm，外徑為190mm。膜組件中還包括必要的密封裝置，如在模芯100與筒體201、分流組件300與筒體201及端蓋202，203之間均設置密封圈或密封墊，以避免氣體串混和洩露，使其更好地分離。

採用本發明的中空纖維氣體分離膜組件進行氣體分離時，被分離氣體由進氣口204進入n1流道，流至非進氣側，非進氣側的分流組件上(圖5)由R1到R2扇區的隔板上設置通孔340，氣體由此進入n2流道並折回流至進氣側，進氣側的分流組件上(圖4)由R2到R3的流道隔板上也設置通孔340，氣體進入n3流道折回至非進氣側，由端蓋203上的排氣口205排出，此過程中的滲透氣通過中心管壁上的孔進入中心管內部，並由滲透氣連接口206收集。

實施例2

五次折流中空纖維氣體分離膜組件，其具有6個流道，膜組件的剖面示意圖如圖6所示，所述膜組件包括殼體200、模芯100和分流組件300；所述的殼體200由筒體201和端蓋202，203組成，筒體201與兩側端蓋202，203以快裝卡箍方式可拆卸連接；端蓋202上設有進氣口204和排氣口205；膜芯100設置於筒體201內，模芯100由中心管101和膜絲束102組成；膜絲束102由中空纖維膜絲綑紮並經灌膠封裝後切割而成，膜絲束兩端的膜絲內腔與外界相通；中心管101與兩側端蓋202，203相交，並開口於端蓋202表面形成滲透氣連接口206，如圖7所示；中心管101的中段與膜絲束重合部分的管壁上具孔，其兩端延伸至端蓋的部分不具孔。

在中心管的兩端，端蓋內側分別設置有分流組件300，其包括與中心管101外徑相匹配的內轂310，套於中心管101上，其還設置與內轂310同軸的外轂330，在內轂310外壁與外轂330內壁之間軸向設置6個隔板320，將二者之間的腔體分割為6個扇區，兩側端蓋內的對應扇區Li和Ri經膜絲束Si的內腔連通，構成膜組件的ni流道，即左側端蓋內的空腔被分為6個扇區，分別為L1、L2、L3、L4、L5和L6，右側端蓋內的空腔被分為6個扇區，分別為R1、R2、R3、R4、R5和R6，如圖8和圖9所示，圖8為即左側的分流組件300的橫切面示意圖，圖9為右側的分流組件300的橫切面示意圖；扇區L1經過絲束S1與R1聯通成為n1流道，n2、n3、n4、n5和n6流道也以同樣的方式分別與兩端對應的扇區連通，隔板320上設置通孔340，使相鄰流道首尾串行連通形成折返流道。

上述膜組件中，在模芯100的兩端端頭上還分別設置一個用於膜絲束分區的分流組件，其與另外兩個分流組件300具有相匹配的徑向截面，在膜絲封頭時便嵌入膜絲中，並與另一套分流組件分別通過相應形狀的密封墊密封連接，這樣不僅在兩端進氣部分分區，更進一步地使膜絲束分區，有利於分離。此套分流組件的隔板上不設置通孔。

在上述膜組件中，各扇區的角度βi/βi+1＝1.15；膜芯100的長度為960mm，外徑為190mm。膜組件中還包括必要的密封裝置，如在模芯100與筒體201、分流組件300與筒體201及端蓋202，203之間均設置密封圈或密封墊，以避免氣體串混和洩露，使其更好地分離。

採用此中空纖維氣體分離膜組件進行氣體分離時，被分離氣體由進氣口204進入n1流道，流至非進氣側，非進氣側的分流組件上(圖9)由R1到R2扇區的隔板上設置通孔340，氣體由此進入n2流道並折回流至進氣側，進氣側的分流組件上(圖8)由R2到R3扇區的隔板上也設置通孔340，氣體進入n3流道又折回至非進氣側，如此反覆，最後由端蓋203上的排氣口205排出，此過程中的滲透氣通過中心管壁上的孔進入中心管內部，並由滲透氣連接口206收集。

以上所述實施例，僅為本發明的具體實施的幾種方式，但本發明的保護範圍並不局限於此。