中空纖維過濾器芯的製作方法
2023-12-08 14:17:51 2
專利名稱：中空纖維過濾器芯的製作方法
技術領域：
本發明涉及流體淨化裝置的改進，尤其涉及反滲透或超濾型的流體淨化裝置的改進。具體地說，本發明涉及流體分離過濾器芯，尤其涉及使用對流體特別是水具有選擇滲透性的中空纖維膜的流體分離過濾器芯。更確切地說，本發明涉及小型的單個的中空纖維膜過濾器芯，這種過濾器芯可容易地被裝入壓力容器中，且多個這種過濾器芯容易地被裝入一個壓力容器中，該壓力容器包括以前利用螺旋纏繞膜的壓力容器。這種過濾器芯適用於簡化安裝和所需的定期更換，尤其用於海水、半鹹水和廢水的淨化和淡化。
背景技術：
本說明書中，術語「中空纖維」指的是一般的管狀纖維，其具有連續的基本上沿纖維中心軸線的通道(或腔)。術語「膜」指的是多孔或微孔材料，常用的是聚合物材料，其可呈中空纖維或薄膜的形狀。
術語「螺旋」或「螺旋纏繞」指的是呈非對稱薄膜形狀或在中心支撐體上密實地纏繞的薄膜複合材料形式的膜或膜分離裝置。
中空纖維束包括許多中空的多孔纖維，可將這些纖維排布在殼體或容器中。中空纖維膜具有與進料水接觸的大量的總表面面積。
流體分離裝置包括容納一束或多束膜的壓力容器。流體分離裝置使用具有選擇滲透性的膜分離流體，並可應用於多種技術，如氣體滲透、液體滲透、滲析、軟化、超濾、反滲透或諸如此類的技術。近年來，尤其注重反滲透，反滲透對淡化和淨化海水或半鹹水、對從廢水中回收有用或有害成分、或水的重複使用特別有效。
通常將液化分離裝置按所用的半透膜的形狀和形式分為平板膜類、管狀類、螺旋類和中空纖維類。其中，在現有技術中主要公知的是中空纖維類和螺旋類的膜，它們尤其被用於反滲透分離，如海水或半鹹水的淡化和廢水的淨化，在使用螺旋纏繞膜的流體分離裝置中，在膜之間具有不利的大間隙，常常比所用類似的中空纖維膜的間隙大十到二十倍。而且，利用螺旋纏繞膜要使用很長的壓力容器，以便在所要求的高進料流速、高轉化作用下操作，防止有害的集聚極化現象發生。公知的用於螺旋纏繞膜的壓力容器有二十多英尺長。因此，在膜的廢料側流動並流經壓力容器的流體流道也很長，在膜之間需要有大的間隙，以便在壓力容器的全長上得到適當的壓力降。
中空纖維流體分離裝置能解決螺旋纏繞流體分離裝置所具有的大部分問題。例如，在膜的廢料側的流體的流道較短，徑向流道短，橫跨膜束和沿裝置長度的環狀空間的壓力降不是很大。另外，中空纖維膜之間的間隙特別小(通常為25微米，而螺旋纏繞膜為25密耳)。因此，中空纖維膜類的裝置每單位體積具有很高的膜分離效率。中空纖維膜特別適用於反滲透分離。
利用反滲透膜本身要求合適的膜殼和連帶的垂直接頭，以便輸送三種分離的水流。具體地說，膜殼和垂直接頭必須使進料流及被淨化的(滲透的)液流和離開膜的廢料(廢物)流與膜的連接相適應。在過去，螺旋反滲透膜以過濾器芯的形式存在，目的是便於定期更換過濾器芯，但以前的反滲透裝置沒有最好的、簡單的過濾器芯，特別是中空纖維過濾器芯，不能以基本上可靠無誤差的方式快速方便地安裝和拆卸過濾器芯。
反滲透通常是高於流體滲透壓的條件下對流體進行處理而實現的，利用具有選擇滲透性的膜通過反滲透使流體的多組分相分離。進料壓力可隨要被處理的流體的種類、有選擇地滲透的膜的性質或諸如此類的變化而變化，但對螺旋纏繞膜，進料壓力通常在10至1000表壓範圍內，對中空纖維膜，則在40至2000表壓範圍內。
已有技術描述過中空纖維膜類的流體分離裝置，其中，在容器內裝有至少一對中空纖維束。然而，在實踐中沒有公知的裝有多個中空纖維束，具體地說是裝有兩個以上纖維束的流體分離裝置。這些裝置需要複雜的設備，要被處理的流體通過串聯的纖維束分離，從而不利地降低了裝置的容積效率。該設備一般包括裝在中空纖維膜束兩端的至少兩個O形環。這些O形環在纖維束的外部和壓力容器的內表面之間形成密封。O形環將纖維束保持在容器內的一定位置上，並在裝置操作過程中使不同的流體彼此密封隔離。O形環密封和複雜的設備使得在壓力容器內安裝或拆卸中空纖維束難於進行。
中空纖維膜損壞可能需要立即更換纖維束。例如，纖維是易損的，在流體分離裝置運輸、搬運、裝配和操作過程中可能容易損壞。纖維一旦斷裂或出現損壞，就可能需要更換中空纖維束。而且，修復損壞的纖維不經濟。因此，中空纖維束易於在壓力容器內安裝或拆卸是十分有益的。然而，如上面所指出的，一般中空纖維束在容器內徑處使用O形環將低壓滲透流體與高壓進料流體密封隔開。這是通過在纖維束的兩端使用一系列的O形環實現的。然後必需用很大的機械力將O形環/纖維束組件裝入壓力容器內，因此，檢查和更換纖維束是困難的。
現有的結構具有許多其它缺點。例如，在許多應用中(如在船上使用或可攜帶式使用)，在儘可能小的體積內必需具有儘可能大的膜面積。並要求裝置的每單位體積具有較大的流量。只裝有一束中空纖維膜的壓力容器需要過多的外部管路，安裝外部管路費用大且佔據空間。
對於汽車或軍用使用還需要小型可運輸的裝置。在運輸過程中還需要將這種裝置至少進行部分組裝，並且為了在戰場上立即使用需要其容易地組裝。
而且，為適合不同應用而製造的中空纖維束需要具有一尺寸大小範圍。所要處理的不同原料含有不同量的雜質，為經濟起見，雜質量少的原料應以高流量通過膜進行處理。具有細中空纖維的長過濾芯所排出的滲透流體的速度不高，這是因為在纖維的細腔內存在的流體壓力降，因而要求較短的過濾器芯。反之，某些進料要求過濾器芯長，因為在此處膜的流量低，不存在腔的壓力降的問題。
因為不同類和批次的纖維具有不同的質量，現有技術的結構存在每單位纖維表面積的固有缺陷或使用缺陷方面的問題。還有結構損壞的危險。因此，要求定期檢驗或檢查膜，這需要裝入和從壓力容器內拆除許多纖維束。
檢驗纖維束是否有缺陷也存在問題。一般通過沸騰壓力試驗檢驗纖維束，尤其是螺旋纏繞纖維束的缺陷。為了進行這種試驗，必需將現有中空纖維束裝入壓力容器中。在試驗過程中，當水充滿膜中的所有微孔時，必需超過稱為膜的始沸點的一定壓力，以便克服微孔中的水的表面張力。在沸騰壓力試驗中，空氣被返回到溼潤了的纖維的腔內。有損傷的纖維在低於膜的始沸點的壓力下允許空氣穿過纖維壁。現有技術的壓力容器是不透明的，看不到損傷的纖維。這個問題進一步提高了對中空纖維束過濾器芯和中空纖維過濾器芯的要求，中空纖維束過濾器芯可容易地裝入和從壓力容器中拆卸出，可在不將中空纖維過濾器芯裝入壓力容器的情況下對中空纖維過濾器芯進行檢驗。
還要求具有可容易地裝入以前裝過中空纖維束或螺旋纏繞件的壓力容器中的中空纖維膜過濾器芯。遺憾的是，在一般的螺旋纏繞裝置中，滲透流體從一中心管排出。在一般的中空纖維裝置中，進料流體通過一中心管進入，且滲透的流體通過壓力容器中的另一開口排出。因此，為了用現有技術的中空纖維束改型現有的螺旋纏繞束，需要使用複雜的管路或連接件，以便使來自相應口的進料流體和滲透流體的流動反向。
本發明提供一種保持現有技術的優點的中空纖維膜過濾器芯，可容易地將多個過濾器芯裝入壓力容器中和從壓力容器中拆出。這種過濾器芯特別適於在以前曾裝過螺旋纏繞件的壓力容器中使用。本發明的過濾器芯是一種簡單、經濟的裝置。流道結構可使滲透流體通過一中心管排出，易於使本發明的過濾器芯裝入以前曾裝過螺旋纏繞件的壓力容器中。每個過濾器芯都有配有單獨的壓力端蓋的管板，可將這些單獨的壓力端蓋與合適的口或配件連接，以便輸送滲透流體或廢料流體和/或使外部流體與其它過濾器芯連接。可以這樣製造這些過濾器芯，即通過改變每個過濾器芯的纖維數，可使經濟、方便和實用性達到優化。本發明的這些目的以及其它目的、特徵和優點通過下面的描述，對普通技術人員將會變得很明顯。
發明概述本發明的簡單、有效、低成本的過濾器芯具有許多中空纖維膜。多個過濾器芯可容易地裝入一個壓力容器，且在組裝過程中可將這些過濾器芯容易地裝入壓力容器或從壓力容器中拆出。使過濾器芯形成一個單元，適於簡便地裝入具有開口端的壓力容器。術語過濾器芯指的是具有至少一個管板、端蓋和內部管路的中空纖維膜束，這些將在此處更全面地描述。每個過濾器芯的中心具有一基本上從一端延伸到另一端的進料管。一滲透流體排出管裝入、優選地是同心地裝入進料管內。在每個中空纖維束的至少一端設置一管板，中空纖維的腔的開口進入該管板。每個管板都具有一密封在其上的壓力端蓋。該端蓋和鄰近的管板限定了一個集聚滲透流體的空間。該空間與裝入的滲透流體排出管相連通。端蓋與管板可靠地結合，以便限制過濾器的低壓滲透流體。端蓋配有輸送滲透流體或廢料流體的連接件和/或口。這些連接件和/或口使一個過濾器芯與其它過濾器芯串聯或並聯。這些過濾器芯最好具有附在其上的密封件，如裝在纖維束進料端的唇形密封件，以易於將過濾器芯裝在壓力容器中。在一個壓力容器中可裝入一個或多個過濾器芯。壓力容器通常是圓筒形的，具有密封的端蓋，以形成一個容器。
本發明的另一個實施例是，可容易地將每個都具有許多纖維束的多個流體分離裝置進行串聯，以便在一定的進料流量的情況下提高轉化作用。通過使各毗鄰的過濾器芯的同心裝入的滲透流體排出管相連接，可將多個過濾器芯可拆出地、縱向頭尾相連地串聯在一起，以使從每個連續的纖維束集聚的滲透流體排入到同心裝入進料管內的管中。此外，每個中空纖維束的環形空間優選地與下一個緊接的過濾器芯中的中心進料管相連通。最好使一些進料流體走旁路流過過濾器芯，例如，流過端蓋上的一個孔，這使一些進料流體走旁路流過每個過濾器芯。如果流過過濾器芯的壓力降太大，則可以調節該孔，以控制壓力降，使在纖維束中的流動特性和可轉化作用得到優化。當在大壓力容器中重疊安裝多個中空纖維束時，使進料流體走旁路特別有用。從最後一個過濾器芯出來的廢料流體最後集聚在一起並通過共用口排出。
流體流過該裝置的流動一般是所謂的「內-外」流動(不過「外-內」流動同樣是可以的)。進料流體通過中心進料管流入裝有一個或多個過濾器芯的流體分離裝置。進料流體通過進料管上的分液孔或孔眼分散流入第一過濾器芯。中空纖維膜對一種或多種流體有選擇性，因此這些流體比其它流體更快地進入可滲透的纖維。滲透流體通過中空纖維的孔流到管板併集聚在纖維束的一端或兩端，然後流入裝在進料管內的管中，在這裡與來自其它纖維束的滲透流體混合，被進一步處理或從一端排出該裝置。總之，進料流體按同樣方式流過所有纖維束，即徑向地從進料管向外流入中空纖維束，有選擇性地滲入中空纖維。然後，滲透流體從開口端離開中空纖維。然後，來自裝在壓力容器內的所有過濾器芯的滲透流體從一端或兩端流出流體分離裝置。流出的滲透流體的量是中空纖維的性質、進料溫度、進料流體成分、進料流體與滲透流體的壓差和進料流體流速的函數。
同時，廢料流體通過徑向向外流經纖維束並從所有纖維束排出。廢料流體不容易滲入中空纖維膜。然後廢料流體集聚在中空纖維束和壓力容器之間的環形空間內。此時，廢料流體可與上遊的過濾器芯流來的旁路流體進行流體混合。然後，這種混合流體可成為下一個過濾器芯的進料流體。在各個過濾器芯周圍的環形空間相互連通。最後，廢料流體從流體分離裝置排出。
內-外流動型式的過濾器芯使中空纖維膜緊靠的可能減小。當將進料流體引入中空纖維束的外部時，這些流體向內流向中心，使中空纖維靠緊。這種作用導致纖維束壓力降增加，隨之滲透流量減少。隨著纖維較近地靠緊，產生阻力的可能性亦增加。
過濾器芯適宜快速和輕便地落入或滑入壓力容器。特別是可容易地將這些過濾器芯裝入以前曾裝過螺旋纏繞件或中空纖維束的壓力容器內。例如，可採用下面的方法更換螺旋纏繞件或中空纖維束1.打開壓力容器的一端或兩端的端板。
2.拆出螺旋纏繞件。這可利用現有技術所公知的任何方法實現。實際上，通過將更換的一個過濾器芯或幾個過濾器芯推到另一端，便可將螺旋纏繞件或中空纖維束從壓力容器中推出。因為現有技術的中空纖維束與壓力容器的內壁形成壓緊密封，拆出這些纖維束可能不太容易。
3.然後，將一個或多個中空纖維膜過濾器芯裝入壓力容器。這些過濾器芯的形狀特別適於裝入壓力容器。另一方面，可加裝所謂的調整墊，以保證這些過濾器芯在壓力容器的長度範圍內在縱向上安裝可靠、和/或在壓力容器的內圓周範圍內在圓周方向上安裝可靠。
4.用合適的連接件連接這些過濾器芯。進料流體與中心進料管流體連通。滲透流體通過一個口排出，典型地從位於壓力容器的一端或兩端的端板的中心的口排出，該口與同心地裝入的排出管相連通。最後一個過濾器芯的第二端是這樣安裝的，即要使廢料流體口與環繞過濾器芯的環形空間相連通。不需要使用專門的管路或連接件使進料流體和廢料液體的流動「反向」。
本發明的過濾器芯易於實現本發明的目的。流體分離裝置可使用任何數目的串聯或並聯排列在一個壓力容器內的過濾器芯。這些過濾器芯可容易地裝入普通壓力容器內或從普通壓力容器內拆出。將多個過濾器芯組裝在壓力容器內所需的管路和連接件是最少的。圍繞該裝置的外部管路和口是最少的，因為所佔用的空間少，壽命較長，對最終的用戶來說安裝成本低。更重要的是，用本發明的過濾器芯可對一般的螺旋纏繞滲透器用的現有的壓力容器進行改進，從而降低用中空纖維束代替螺旋纏繞束的費用。而且，本發明的過濾器芯保留了現有技術的優點。
附圖的簡要說明下面將參照附圖更詳細地描述本發明的中空纖維膜過濾器芯
圖1是裝在壓力容器內的、在一端具有管板的一個中空纖維過濾器芯的截面圖；圖2是裝在壓力容器內的、在纖維束的兩端都具有管板的一個中空纖維過濾器芯的截面圖；圖3是本發明的第二個實施例的示意截面圖，其中，三個中空纖維過濾器芯裝在壓力容器內。
發明的詳細描述圖1表示裝在一壓力容器內的本發明的中空纖維過濾器芯。在這些圖中，「F」表示進料流體，「P」表示滲透流體和「R」表示廢料或廢料流體。將過濾器芯裝入一壓力容器中，優選地是裝入一長圓筒形壓力容器中，可用兩個端蓋(未示出)封閉該壓力容器。容器的內壁用10表示。在中空纖維束20的一端有一管板30，在管板處用環氧樹脂34粘連或封固這些中空纖維，並將這些中空纖維截短，以露出這些中空纖維的孔，使纖維束的流體相連通。管板的截面形狀(即位於與中空纖維膜縱向垂直的平面內的形狀)通常是圓形的。顯然，其截面形狀可以是任何其它形狀，如三角形、正方形、長方形、不規則四邊形、五邊形、六邊形、任意形狀或諸如此類。管板的最大截面尺寸也可有顯著變化。管板的表面可以具有任何合適的形狀，通常基本上與管板截面的形狀相同。管板的表面可以基本上是平的或是曲面的或表面輪廓是不規則的。管板可裝一個或多個中空纖維膜束，優選的是裝一個纖維束。
纖維束的另一端用環氧樹脂32封固，以便形成流體密封。
過濾器芯的中心裝一基本上從纖維束的一端延伸到另一端的進料管36。在進料管36的壁上開有孔或孔洞，以使進料流體徑向地流進中空纖維膜束。對孔的大小、位置和形狀沒有苛求，然而，這些孔應有助於較好地使進料流體向纖維束進行均勻地徑向流動。優選地採用圓孔，其直徑為0.1cm至2.0cm。
一端蓋28與管板30處於活動接合狀態。可採用任何現有技術裝置將端蓋28可靠地密封到鄰近的管板30上。實際上，用環氧樹脂將端蓋封固到管板和/或纖維束上。可用任何合適的材料製造端蓋，但優選用塑料製造，這樣可模塑成所需要的形狀。在將端蓋固定到管板和/或纖維束上以前或以後，可在端蓋上加工出所需的開口或孔。也可以用螺紋連接或其它合適的連接使管板和端蓋相接合，代替圖中所示的活動接合。此外，可用環氧樹脂或任何合適的裝置將端蓋封固到管板的圓周面上，以界定在操作過程中處於較低壓力的滲透流體集聚空間38。滲透流體集聚空間38與裝入進料管36內的滲透流體排出管40相連通。然後，滲透流體排出管40可通過合適的連接件41和42與鄰近的過濾器芯或排出口相連通。將過濾器芯安裝在壓力容器10內，以形成空間60。壓力容器不是本發明的一部分，但對其進行簡單的描述，以表示在操作過程中過濾器芯與有關的液體流動的關係。廢物或廢料流體集聚在通常為環形的空間60內。
滲透流體集聚空間38與進料流體的壓力相比處於低壓。端蓋和在端蓋與鄰接的管板和/或纖維束間的封固必需足夠堅固，以承受過濾器芯內的壓差。例如，進料流體的壓力可約為1200表壓。在環繞纖維束的環形空間60內的廢料流體的壓力可約為1180表壓。在滲透流體集聚空間38內的滲透流體的壓力可約為20表壓。
因為，本發明的具有端蓋/滲透流體集聚空間/裝入內部的滲透流體排出管結構的過濾器芯不需要密封壓力容器的內壁，並將高壓廢料流體與低壓滲透流體隔絕開的管板O形環或其它類似件。
也可使端蓋具有在環形空間，即纖維束的外徑和纖維束的內徑之間保持適當的間隔的結構。在圖1中的端蓋28有一可以具有任何合適的構造和形狀的調整墊53。調整墊53將過濾器芯牢固地，較好地是同心地保持在壓力容器在內，但可讓來自環形空間60的廢料流體流入下一個過濾器芯和/或從流體分離裝置內排出。
進料管36和滲透流體排出管40以及連接件41和42都可用塑性材料如尼龍、玻璃增強塑料聚氯乙烯、纖維增強環氧樹脂或金屬如不鏽鋼、碳鋼或鈦製造。它的尺寸如厚度、直徑和長度不是特定的，可以變化，以達到所需要的功能。選擇組分方面的靈活性允許選擇耐腐蝕材料製造，以用於特殊應用的過濾器芯。例如，可選擇耐高溫的組分材料。
作為一種可選擇的方案，端蓋28的形狀應有助於將一個過濾器芯放在另一個過濾器芯上。在纖維束進料端的端蓋也可具有一能使過濾器芯之間的流體通道進行節流的孔48或流量控制閥。當這些過濾器芯進行串聯操作時，可用這樣的孔或閥節制從一個過濾器芯流出的流體，並因此使流體旁路流到鄰接的過濾器芯的纖維孔洞。這便能夠調整流過多個纖維束滲透器組件中的各個纖維束的流體，從而能使組件中的各個纖維束的淨化相互間得到均衡。
靠近管板的外表面最好安裝一個支承墊。用密封件47將流體隔離開來防止滲透器的不同部分之間的洩漏。因為O形環使過濾器芯很難裝入壓力容器內，因此諸如O形環的密封件不是優選的。當將過濾器芯裝入壓力容器時，優選使用唇形密封，唇形密封利用上遊流體的壓力迫使其壓在容器壁上。因此當解除壓力時，唇式密封松馳地壓在容器壁上，從而很容易拆出過濾器芯。用密封件47密封環形室60，這樣高壓進料流體不會洩漏與廢料流體混合。當隨不同操作條件纖維束膨脹和收縮或輕微移動時，密封件47可在保持密封性的同時沿軸向滑動。唇形密封允許過濾器芯簡便地滑入壓力容器內。在本發明中，在過濾器芯的進料端使用唇形密封。
原來因為螺旋纏繞件內的流體壓差較小，將唇形密封用於螺旋纏繞件是已知的。唇形密封一般能承受高至50表壓的壓差，這對大部分螺旋纏繞件來說是令人滿意的，但對大部分中空纖維過濾器芯來說並不令人滿意。本中空纖維過濾器芯的結構不需要必需承受大壓差的密封。
在本實施例中，滲透流體排出管40同心地裝入進料管內，然而，只要能適應滲透流體的流動，排出管40的尺寸、結構和位置是不重要的。通過簡便地將連接件41裝入其它的過濾器芯的面對端之間，實現第一個過濾器芯的滲透流體排出管和第二個過濾器芯進料管之間的連通，就可簡便地將多個過濾器芯組裝起來。
口51給進料流體提供外部流體連通裝置。連接件41和42給滲透流體或產品流體提供外部流體連通裝置。優選的是連接件41和42是可拆下的，這樣，可用在尺寸、形狀和構造上對要將過濾器芯裝入其中的特定壓力容器都合適的替代連接件快速更換原來的連接件41和42。
過濾器芯最好具有可使進料流體旁路到空間60的通道或孔48或流量控制裝置，優選採用可控制的旁路。孔48可在端蓋內或任何其它合適的地方，以使一些進料流體和廢料流體間進行流體連通。例如，如圖2所示，孔或通道48A延伸穿過端蓋，以使進料流體和端蓋外部的廢料流體之間連通。當多個過濾器芯進行串聯操作時，旁路一些進料流體特別有用。使進料流體旁路能防止進料流體和廢料流體間的壓差過大，這對多個過濾器芯系統的前幾個過濾器芯來說是特別重要的。因此，利用旁路進料流體的孔便於使用唇形密封。而且，使進料流體旁路有助於使流動特性和後面的過濾器芯的轉化作用優化。
圖1所示的本發明的實施例特別適合於淨化海水、半鹹水或廢水。通過下面對淨化鹽水的描述，能夠容易地說明流經流體分離裝置的各種流體的流動狀況。仍參見圖1，向口51供給鹽水，鹽水進入中心進料管36。進入進料管36的鹽水同時通過進料管上的孔徑向地分散流進中空纖維束的膜20。中空纖維膜對一種或多種流體具有選擇性，所以這種流體會比其它流體更快地滲入可滲透的纖維。在這種情況下，中空纖維膜有選擇性地滲透淡水。成品水即滲透流體流過中空纖維的中心，並在中空纖維束的管板30一端集聚在由端蓋28和管板30的表面限定的滲透流體集聚空間38內。總之，進料流體總是以同樣的方式流過中空纖維膜的全部纖維束，即從進料管徑向地流向中空纖維，有選擇性地滲入中空纖維。然後，滲透流體從鄰接兩端板的兩開口端從中空纖維排出。然後，滲透流體進入鄰接的中空纖維束。流出的滲透流體的量和純度是中空纖維的性質、進料流體的溫度、進料流體的成分、進料流體與滲透流體間的壓差和進料流體的流速的函數。
廢料鹽水徑向向外流動通過中空纖維膜束。然後廢料鹽水集聚在鄰接壓力容器10的壁的環形空間60內，隨後沿縱向流到纖維束的管板端併集聚在端蓋周圍。廢料流體可與從前一個過濾器芯來的旁路流體混合然後流入下一個過濾器芯或從壓力容器內排出。
本發明有助於被處理流體的內-外流動，不過這種過濾器芯也可用於所謂的「外-內」流動。「內-外」流動具有一定優點。特別是流體分離通常可在10至2000表壓的高壓下進行操作時。當流體在高壓下從纖維束的外部向內部流動時，纖維會緊靠在一起，引起進料流體徑向流過纖維束的流動不均勻，並增加徑向流過纖維束的壓力降，以及滲透流體隨之減少。除壓力降增加外，進料流體不能均勻接觸每根中空纖維的外表面，從而降低纖維束的整體效果並增加堵塞的可能性。被處理流體的內-外流動明顯地減少了纖維緊靠的可能性。
圖2是具有所謂的雙端纖維束的過濾器芯的截面圖，這種過濾器在中空纖維束的兩端都有管板。
這個實施例在中空纖維束20的兩端具有管板30和31，在管板30和31處，用環氧樹脂34粘連或封固這些中空纖維，並將這些中空纖維截短，以露出這些中空纖維的孔，使液體流通纖維束。
過濾器芯的中心裝一基本上從纖維束的一端延伸到另一端的進料管36。在進料管36的壁上開有孔或孔洞，以使進料流體徑向地流進中空纖維膜束。
端蓋28和29與管板處於活動接合狀態。實際上，用環氧樹脂將端蓋封固到管板或纖維束上。可用環氧樹脂和任何合適的裝置將端蓋封固到管板的圓周面上，以限定低壓滲透流體的集聚空間38和39。滲透流體集聚空間38和39與裝入進料管36內的滲透流體排出管40相連通。然後，滲透流體排出管40可通過合適的連接件41和42與鄰接的過濾器芯或排出口相連通。將過濾器芯安裝在壓力容器(未示出)內，以形成空間60。廢物或廢料流體集聚在通常為環形的空間60內。
口51給進料流體提供外部流體連通裝置。連接件41和42給滲透流體或成品流體提供外部流體連通裝置。
如圖3所示，一流體分離裝置適合於容納多個本發明的過濾器芯。在考慮壓力容器的尺寸、在組件內的液體的總壓力損失和組件內流體高速流動條件下的中空纖維的性能的基礎上，要裝入流體分離裝置內的中空纖維過濾器芯的數目是可變的。中空纖維過濾器芯的數目一般為2至10個，優選為2至4個。
圖3表示使用三個中空纖維過濾器芯的一種流體分離裝置。該流體分離裝置在一個壓力容器內裝有三個中空纖維過濾器芯。該流體分離裝置在一個壓力容器62內裝有三個中空纖維過濾器芯。標號為60、60′和60″。三個過濾器芯可以是相同的或不同的。將要處理的流體通過口64送入與中心進料管66相連通的空腔65。進料流體經進料管66上的孔分散流進第一中空纖維束60。滲入中空纖維膜的流體集聚在與滲透流體排出管70相連通的標號為68的空間內。廢料流體不容易滲入中空纖維膜，流到每個中空纖維束和壓力容器62之間的環形空間80、80′和80″內。廢物或廢料流體集聚在環形空間80內，環形空間80與在鄰接的過濾器芯的面對端蓋之間的空間85相連通。然後，廢料流體流進第二個過濾器芯60′，在這裡，它成為進料流體。滲透流體按照同樣的路徑流過第二個和第三個過濾器芯60′和60″，經口81從壓力容器排出。之後，來自所有過濾器芯的廢料流體經口82從壓力容器排出。這些過濾器芯最好都有一個孔，該孔優選地開在端蓋上，它可使每個纖維束的進料流體和該纖維束的廢料流體之間實現連通。該孔在圖3中用87和87′表示。使進料流體旁路有助於使過濾器芯的進料流體中的廢料濃度得到平衡。實際上，這多個過濾器芯進行部分並聯和部分串聯操作。
為了組裝該裝置，首先單獨組裝這些纖維過濾器芯，然後可將這些過濾器芯一個接一個地裝入。在將每個過濾器芯裝入壓力容器時，用合適的管路使其與下一個過濾器芯連接。或者，可選用合適的管路將各過濾器芯相互連接。在組裝和連接所有過濾器芯時，將端連接件41連接到壓力容器殼體的遠端上的口81上。連接件41和/或42的長度和結構是可以調整的，以保證這些過濾器芯可靠地安裝在壓力容器殼體內，為了更換纖維過濾器芯或進行修理，可用與組裝相反的步驟將纖維過濾器芯拆出。
也可容易地用過濾器芯替換壓力容器內的螺旋纏繞束。在操作中，螺旋纏繞束通常使用被處理流體的直通塞流。特別是被處理流體進入壓力容器。進料流體通過每個過濾器芯海水通道直接流過螺旋纏繞束。螺旋纏繞膜可對滲入膜的一種或多種流體具有選擇性，最後集聚在平板膜的兩側間的產品通道內。滲透流體螺旋地向內流動並流進中心產品管。廢料流體不滲入螺旋纏繞膜，流過寬的廢料流體通道並從滲透器的另一端流出。
如上所述，對於許多應用來說中空纖維膜優於螺旋纏繞膜。可採用下面的步驟用中空纖維過濾器芯替換螺旋纏繞件或現有的中空纖維束1.打開壓力容器的一端或兩端的端板。
2.拆出螺旋纏繞件。這可利用現有技術的任何方法實現。實際上，通過將更換的一個過濾器芯或幾個過濾器芯推入另一端，便可將螺旋纏繞件或中空纖維束從壓力容器中推出。因為現有技術的中空纖維束與壓力容器的內壁形成壓緊密封，拆出這些纖維束可能不太容易。經常需要使用液壓設備迫使中空纖維束離開壓力容器。
3.然後，將一個或多個中空纖維膜過濾器芯裝入壓力容器。這些過濾器芯的形狀特別適於裝入壓力容器。另一方面，可加裝所謂的調整墊，以保證這些過濾器芯在壓力容器的長度範圍內在縱向上安裝可靠、和/或在壓力容器的內圓周範圍內在圓周方向上安裝可靠。
4.用合適的連接件連接這些過濾器芯。進料流體與中心進料管流體連通。滲透流體通過一個口排出，典型地從位於壓力容器的一端或兩端的端板的中心的口排出，該口與同心地裝入的排出管相連通。壓力容器的廢料流體口與環繞最後一個過濾器芯的環形空間相連通。
中空纖維膜的截面形狀可以是任何通常的形狀，如圓形、六邊形或諸如此類的形狀，中空纖維膜可具有從中空纖維膜的壁向內或向外延伸的稜、槽或諸如此類的。中空纖維膜用於流體分離，即它們可作為提供選擇性分離的表面層的承載體或作為影響分離的介質。用於本發明的中空纖維包括滿足下列要求的所有中空纖維，即內徑約為20微米至200微米，優選約為40微米，孔隙率(即纖維的孔面積除以纖維的截面面積)約為10％至50％，優選為20％。纖維的尺寸和孔隙率以及壓力容器的尺寸部分地取決於操作壓力。一般來說，用於較高的操作壓力，中空纖維的壁必須較厚，因為孔隙率較低。可以用各種聚合物製造該膜，如纖維素、纖維素酯、纖維素醚、聚醯胺、矽酮樹脂，聚氨酯樹脂，不飽合聚酯樹脂或諸如此類的或陶瓷。
形成管板的封裝材料包括任何合適的材料。優選的是製造管板時封裝材料能呈液體形式，並在後來通過冷卻、固化或諸如此類的處理能夠固化。固化了的封裝材料應具有足夠的結構強度，以便形成一管板，並成為在流體分離操作過程中對與它接觸的流體具有相對穩定性。封裝材料可以是有機材料優選為環氧樹脂，或無機材料，或包含無機材料的有機材料，且封裝材料可以是天然的或合成的。典型的無機材料包括玻璃、陶瓷、金屬陶瓷、金屬和類似物。
用於本發明的壓力容器優選為圓筒形容器，其內徑為5cm至50cm，最好約為25cm，但壓力容器的形狀不需要限制。壓力容器的壁厚必須適於具體的操作條件，尤其是為了在操作壓力下安全地操作。
過濾器芯的結構要堅固，使其能被運輸通過凹凸不平地帶或用直升飛機運到困難的陣地。在壓力容器的兩端只需要配置管道。過濾器芯重量輕，並具有形狀、尺寸和結構的通用性。不相同和尺寸不同的過濾器芯易於被替換。因此，為了適應不同的餵料特點或為了適應不同的壓力容器而調整過濾器芯是可能的。因為過濾器芯具有密封裝置，優選簡單的唇形密封，易於將過濾器芯裝入壓力容器內。
將多個過濾器芯裝入一個壓力容器內是有利的。而且，一個基準過濾器芯尺寸可在簡單組裝中與其它過濾器芯連接，以提供任何尺寸的流體分離裝置。每個過濾器芯組件只需要一個壓力容器，因此降低了組件的成本、多個壓力容器的成本、外部管路的成本以及固定多個流體分離裝置的支架的成本，從而最終降低了單位體積滲透流體的成本。在組裝時利用具有成形的端蓋的過濾器芯，對於在組件中的任何數目的過濾器芯，都可進一步簡化管路。
本發明的過濾器芯便於進行洩漏檢驗。該過濾器芯可在不裝入壓力容器內的情況下進行洩漏檢驗。特別是始沸點試驗可在過濾器芯上進行，將空氣充入滲透流體排出管並堵住端部。然後將中空纖維浸入水中，中空纖維的孔暴露於很小的空氣壓。有缺陷的纖維在低於膜的始沸點的壓力下讓空氣穿過纖維壁。監視過濾器芯，確定水中有無氣泡出現。可從氣泡的位置斷定洩漏是來自管板還是中空纖維。為了定期進行沸騰檢驗，同樣可容易地從壓力容器內拆出過濾器芯。
本發明的流體分離裝置可用於海水的淡化，半鹹水的淡化，淨化各類廢水，製備超純水，超濾如從電澱積塗漆(electrodeposition painting)的廢水中回收油漆，液體滲透如從二甲苯混合液中分離對二甲苯，氣體滲透如回收氦和提純氧，及類似應用。在任何情況下，利用本發明的裝置可以有效地進行大規模處理。
權利要求
1.一種中空纖維分離裝置，該裝置包括一壓力容器，在該壓力容器內裝有一個或多個滑入的、可更換的、縱向地配置的中空纖維膜過濾器芯，其中，(A)每個所述的過濾器芯都包括縱向上與所述過濾器芯對中的一束中空纖維，所述的纖維束的至少一端固定在一管板上，所述中空纖維對流體的滲透性是有選擇的；一細長進料件，被處理的流體通過該件能夠容易地流進並流過中空纖維束；一個細長排料件同心地裝在所述細長進料件內；端蓋裝在所述纖維束端部，管板(5)和鄰近的端蓋的面對端限定與(i)中空纖維的開口端和(ii)細長的排料件相連通的滲透流體集聚空間；所述的端蓋中的一個或多個具有一進料流體孔；在所述端蓋上具有一唇形密封；用環氧樹脂將端蓋固定在纖維束端部上面；和(B)將過濾器芯配置在壓力容器中，以便在每個纖維束的外面和壓力容器的內壁之間形成一第一空間；在壓力容器一端上的偏離壓力容器中心的第一開口與用於供給待處理流體的細長進料件相連通；在壓力容器一端上的與壓力容器同心的一第二開口或多個第二開口與用於排出滲透流體的中空纖維的開口端相連通；第三開口在壓力容器的一端上，這一端與用於供給待處理液體的所述端相對，第三開口偏離中心，廢料流體通過該第三開口排出。
2.一種按照權利要求1所述的分離裝置，其特徵在於，對於任何一個過濾器芯，所述的中空纖維的內徑為約20微米至約200微米，孔隙率為約10％至約50％。
3.一種按照權利要求2所述的分離裝置，其特徵在於，對於任何一個過濾器芯，所述中空纖維的內徑為約40微米，孔隙率為約20％。
4.一種按照權利要求1所述的分離裝置，其特徵在於，其具有2至10個過濾器芯，它們串聯對中。
5.一種按照權利要求4所述的分離裝置，其特徵在於，過濾器芯的尺寸和結構基本相同。
6.一種按照權利要求4所述的分離裝置，其特徵在於，每個所述的過濾器芯還具有一進料旁路部分，以便將所要處理的所述流體直接供給在該裝置內處於下遊的一個或多個過濾器芯。
7.一種按照權利要求1所述的分離裝置，其特徵在於，第一開口與纖維束外面和壓力容器的內壁之間的所述第一空間和細長進料件相連通，通過一個閥或一個孔調節進料流體流入所述第一空間和所述細長進料件的相對流量。
全文摘要
本發明公開一種具有許多中空纖維膜的過濾器芯。該過濾器芯具有許多排列成一束的中空纖維(20)，纖維束的至少一端封固在一管板(30)內。管板(30)與端蓋(28)安裝在一起，以提供一供滲透流體用的腔。一進料管(36)縱向延伸穿過纖維束，滲透流體排出管(40)裝入、優選為同心地裝入進料管(36)內。該過濾器芯不需要對著壓力容器(10)內壁的高壓密封，如O形環密封。該過濾器芯構成一獨立的單元，適於簡便地裝入壓力容器(10)內。可容易地將多個過濾器芯裝入壓力容器(10)，並將這些過濾器芯排布成可進行串聯或並聯操作的形式。該中空纖維膜過濾器芯具有高體積效率和高溶質阻止性能，適於工業應用。
文檔編號B01D65/00GK1157580SQ95195060
公開日1997年8月20日 申請日期1995年9月11日 優先權日1994年9月16日
發明者T·J·埃克曼 申請人:納幕爾杜邦公司