專利名稱:從混合流體中分離個別流體的裝置和方法
本發(fā)明涉及一種用于從含滲透性和非滲透性流體混合物中分離個別流體的裝置。流體是通過空心纖維構(gòu)件加以分離，其中滲透性流體透過空心纖維壁，輸送到一收集點。非滲透性流體迂回于纖維間，收集到另一收集點。非滲透性流體迂回于纖維間，收集到另一收集點。
目前已有若干種設(shè)計用于從流體混合物中使流體彼此分離的通用裝置。在這些裝置中，有一種稱之為Generon的空氣分離體系(道化學(xué)公司)，是專門為從空氣流中分離氧氣和氮氣而設(shè)計的?；倔w系是由一束并行放置的空心聚烯烴纖維構(gòu)成。在纖維束的每一末端，各根纖維由一個環(huán)氧樹脂制的管板把它們連起來，纖維束中包有一根多孔分配管，該管子沿纖維束的長度方向伸展。纖維束構(gòu)件安裝在一金屬圓筒(殼體)的內(nèi)部分，纖維束的外周邊和殼體之間留有空間，管板的前表面和封閉殼體的每一端的平板之間也留有空間。
這種裝置的典型操作是高壓空氣由分配管的開口端通入(另一端封閉)。當(dāng)空氣通過分配管時，它從分配管的多孔中流出，進(jìn)入纖維束中。氧氣組分很容易滲透過纖維壁，并沿著纖維的孔腔流往筒體兩端的出口放出，而氮氣組分卻不容易透過纖維壁。因此，作為非滲透性流體的氮氣就迂回于纖維間并由筒體頂部出口排出。
從設(shè)計的觀點看，上述的空氣分離方案并不完全令人滿意。當(dāng)壓縮空氣通入纖維束中時，作用于每一塊管板背面的力會使得管板前后彎曲(即，擾曲)，因為每一塊管板的前面不存在平衡力。擾曲作用使聯(lián)接分配管的管板處承受著相當(dāng)大的應(yīng)力。因為聯(lián)接處只占每一塊管板的很小面積，所以管板常常在這個接合處開裂，或者在一些其它地方開裂。
本發(fā)明則克服上述這個問題。在圖示的本發(fā)明具體實施例中，由作用于管板背面壓力造成的每塊管板的擾曲可通過在管板的圓周提供一種機(jī)械支撐得以減小。減小擾曲即等于減小應(yīng)力，因此也就減少開裂。在纖維束一端，機(jī)械支撐體是固定的;支撐體的另一端可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)纖維束的長度變化。
本發(fā)明涉及從含滲透性流體和非滲透性流體的混合流體中分離出個別流體的裝置，一個細(xì)長形殼體;
一束空心纖維構(gòu)件，它包含一個細(xì)長形、開有許多孔的分配管;
分配管一端開口，另一端封閉，該分配管被一束相互間隔的空心纖維包周在中央，并且該管適于輸送流體進(jìn)入纖維束;
在纖維一端，各空心纖維固定在第一塊管板中，在纖維束的另一端，各空心纖維則固定在第二塊管板上，每一塊管板由樹脂材料制備，每一塊管板各具有一內(nèi)表面和外表面;
空心纖維束安裝在細(xì)長形殼體的內(nèi)部，使纖維束的外表面和殼體的內(nèi)表面之間留有一空間;
至少有一個第一種流體出口位于細(xì)長形殼體上，該出口與纖維束和殼體間的相連通;
至少還有一個第二流體出口;
至少還有一個第三流體出口;
其中，含滲透性和非滲透性流體的氣流以10～1000psia(68千帕(Kpa)～6895千帕(Kpa))的壓力輸入分配管開口端;
從分配管流出的滲透性流體透過每一空心纖維管壁通過第二和第三流體出口從分離裝置排出;
從分配管流出的非滲透性體穿過束狀空心纖維間的空間經(jīng)第一流體出口從分離裝置排出;特征在于在殼體一端內(nèi)部安裝有一可移動式法蘭，并且在殼體內(nèi)部可前后移動，可移動式法蘭具有一內(nèi)表面和一外表面，內(nèi)表面上有一個與第一塊管相接觸的凸棱結(jié)構(gòu)，因此可移動式法蘭的內(nèi)表面和第一塊管板的外表面之間留有一定的空間;
有一具有外螺紋的調(diào)節(jié)環(huán)，它與緊挨在可移動法蘭的殼體內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相嚙合，該調(diào)節(jié)環(huán)的內(nèi)表面與可移動法蘭外表面相接觸，并且能在殼體內(nèi)部前后移動，因此，可以調(diào)節(jié)可移動式法蘭的位置。
安裝在與可移動式法蘭相反一端殼體內(nèi)面的靜止法蘭，具有一內(nèi)表面和一外表面，內(nèi)表面上有一凸棱結(jié)構(gòu)與第二塊管板相接觸，因此靜止法蘭的內(nèi)表面和第二塊管板外表面之間留有一空間。
第二流體的出口穿經(jīng)可移動法蘭，并與可移動法蘭的內(nèi)表面和第一塊管板的外表面之間的空相連通;
第三種流體的出口穿經(jīng)靜止法蘭，并與靜止法蘭內(nèi)表面和第二塊管板的外表面之間的空間相連通。
在另一具體實施例中，本發(fā)明涉及從含滲透性流體和非滲透性流體混合流體中分離個別流體的方法，由若干步驟組成在一細(xì)長形殼體的內(nèi)部放置一束相互間隔的空心纖維，形成一分離裝置;
在空心纖維束的中心，安裝一細(xì)長形、多孔的分配管;
在空心纖維束的一端，將每一空心纖維固定在第一塊管板中，在纖維束的另一端將其固定在第二塊管板中;
在殼體上，安裝有第一流體出口，該出口與纖維束和殼體間的空間相通;其特征在于在殼體內(nèi)部一端，加工出一段內(nèi)螺紋;
在殼體內(nèi)部與內(nèi)螺紋段相鄰近的地方安裝一法蘭，該法蘭在殼體內(nèi)可前后移動;
配備一具有外螺紋的調(diào)節(jié)環(huán)，該調(diào)節(jié)環(huán)可與內(nèi)螺紋段相嚙合;
將調(diào)節(jié)環(huán)旋入殼體內(nèi)，一直到它與可移動法蘭相接觸的位置，此后前后移動調(diào)節(jié)環(huán)，借此調(diào)節(jié)可移動法蘭的位置;
在與可移動法蘭相反一端的殼體內(nèi)部安裝一靜止法蘭，使該法蘭與第二塊管板相接觸;
在可移動法蘭上安裝第二流體出口，該出口與可移動法蘭和第一塊管板的空間相通;
在靜止法蘭上安裝第三流體出口，該出口與第二塊管板和靜止法蘭之間的空間相通;
將含滲透性和非滲性流體的氣流以10～1000psia(68Kpa～6895Kpa)的壓力送入分配管;
從分配管流出的滲透性流體在穿透過每根空心纖維管壁后，通過第二和第三流體出口離開分離裝置。
非滲透性流體從纖維束空心纖維間的管間流出，并從第一流體出口排出分離裝置。
在本發(fā)明的描述中，滲透性流體定義為，以比非滲透性流體較快的速率滲透過本文所述空心纖維的流體。非滲透性流體定義為，以比滲透性流體較低的速率滲透纖維管壁的流體。分離裝置的基本結(jié)構(gòu)包括，細(xì)長形殼體和安裝在殼體內(nèi)部的空心纖維構(gòu)件。構(gòu)件由一細(xì)長形、帶有許多孔、并且被一束相互間隔空心纖維包周的分配管構(gòu)成。分配管一端開口，另一端封閉。纖維束的每一端固定在由樹脂材料制備的管板中。
在殼體的一端是一可移動法蘭，它可以在殼體內(nèi)前后移動。該法蘭有一帶凸棱的內(nèi)表面，它與殼體那一端上的管板相接觸。法蘭面上未被凸棱占據(jù)的部分和管板之間形成一空間。在緊挨可移動法蘭的殼體內(nèi)旋入一個調(diào)節(jié)環(huán)，這個環(huán)可在殼體內(nèi)部前后移動，因此它可調(diào)節(jié)可移動法蘭的位置。在殼體的另一端有一安裝在殼體內(nèi)部的靜止法蘭。這個法蘭也有一帶有凸棱的內(nèi)表面，與另一管板相接觸。法蘭面上未被凸棱占據(jù)的部分與殼體末端的管板之間也留有一空間。
纖維束的外表面與殼體之間留有一定的空間，殼體上的流體出口就與該空間相連通。第二個流體出口伸展穿過靜止法蘭，并與該法蘭和緊挨的管板間的空間相連通。第三流體出口伸展穿過可移動法蘭，并與可移動法蘭及緊挨管板的空間相連通。
在分離裝置操作過程中，含滲透性和非滲透性流體的氣流帶壓送入分配管的開口端。從分配管流出的滲透性流體滲透過纖維束中的纖維管壁，然后從第二和第三流體出口排出分離裝置。但是，非滲透性流體卻穿過纖維間的空間，然后第一流體出口排出分離裝置?？梢苿臃ㄌm的操作位置是通過向內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)環(huán)，一直旋轉(zhuǎn)到靜止法蘭和可移動法蘭上的凸棱與此管板相接觸為止。注意調(diào)節(jié)環(huán)的旋轉(zhuǎn)度，環(huán)的位置可允許有間隙、無間隙或相互接觸(預(yù)加載)。
圖1為本發(fā)明流體分離裝置的具體實例的大部分縱剖面圖。
圖2為圖1中線2-2的截面圖。
圖3為圖1中圓線標(biāo)出的分離裝置一部分詳細(xì)圖。
圖4為分離裝置的空心纖維組件的局部示意圖。該圖圖示了本發(fā)明操作中空心纖維如何將滲透性流體與非滲透性流體分離開。
在圖中，尤其是在圖1中，本發(fā)明的流體分離裝置通常由字母S標(biāo)準(zhǔn)出。裝置包括該空心纖維構(gòu)件，它安裝在細(xì)長形殼體10的內(nèi)部。構(gòu)件自身由一束并排放置的空心纖維構(gòu)成。各纖維間具有空隙。纖維束中的各根纖維由數(shù)字11標(biāo)出。分配管12伸展穿過纖維束中心，它為一根細(xì)長形、帶有許多孔13的管子。分配管12的一端開口，由數(shù)字14標(biāo)出，另一端由塞子15封閉。
在纖維束的每一端，各纖維11被封裝在固體樹脂中，該樹脂塊稱為管板。管板其中之一，由數(shù)字標(biāo)出，如圖1所示，位于纖維束的左手端。數(shù)字17指的是管板的外表面，內(nèi)表面由數(shù)字18標(biāo)出。在纖維束的另一端是管板19，它具有外表面20和內(nèi)表面21。分離裝置S包括有稱之有可移動法蘭22的組件，它安裝在殼體的內(nèi)部，并且它可在其中前后移動。法蘭22的一個表面是平面，稱為內(nèi)表面23，它有一凸棱結(jié)構(gòu)24。在這個法蘭的相反一面是一平面，稱為外表面25。
如圖1中所示，凸棱24與管板16的外表面17接觸(緊靠)。同時，管板平面17與未被凸棱占據(jù)的法蘭平面部分23之間留有一空間26a。緊靠法蘭22，殼體10內(nèi)部有一內(nèi)螺紋段26。有一具有外螺紋的調(diào)節(jié)環(huán)27，它與螺紋26相嚙合。調(diào)節(jié)環(huán)有一內(nèi)表面27a，與法蘭22外表面25接觸。這樣調(diào)節(jié)環(huán)27可前后移動以調(diào)節(jié)法蘭相對于管板16的位置。分離裝置S的另一端的是靜止法蘭28，它被一鎖環(huán)28a定位在殼體中。法蘭28與管板19的外表面20相鄰的表面是其內(nèi)表面29;相反的一面是外表面30。平面29的周邊為一圈完整的凸棱29a，它與管板外表面20接觸。管板平面20和法蘭平面未被凸棱29a占據(jù)的部分29之間留有一空間31。
由空心纖維11組成的纖維束安裝在殼體10中，使在纖維束的外表面和殼體內(nèi)表面之間留有空間非滲透性流體是通過一個或一個以上的流體出口帶出分離裝置S。用于此種目的的出口實際數(shù)目取決于非滲透流體的流速以及其它條件。如圖1所示，安裝在殼體10上的單個出口33就是用于將非滲透性流體帶出分離裝置。
滲透性流體是通過分離柱中的每一末端的流體出口排出分離裝置S。這些出口之一，如數(shù)字34所標(biāo)出的，伸展穿過可移動法蘭22，并與該法蘭和管板之間的空間26a相連通。另一出口，數(shù)字35所標(biāo)出的，伸展穿過靜止法蘭28，并與管板19和該法蘭的平面29之間的空間相連通。如圖1所示，在管板16和法蘭22中間有一個0形密封環(huán)。在分離裝置S的另一端，管板19與法蘭28也有一0形密封環(huán)。這些密封環(huán)(不標(biāo)有數(shù)字)防止流體漏出管板和法蘭流到分離裝置的外側(cè)。
為了說明本發(fā)明實際應(yīng)用，流體分離裝置的典型操作描述如下。在這一種操作中，壓縮空氣流入分離裝置S，以將氧(O2)和氮(N2)分開以取得分開的富氧和富氮氣流。為了進(jìn)行操作，要分離成氧氣和氮氣組分的空氣流要在高壓下通入分配管12的開口端14。為了實施本發(fā)明，空氣流的絕對壓力約為10～1000磅/平方英寸(Psia)(68Kpa～6895Kpa)更為適宜的范圍是70～175Psia(483Kpa～1207Kpa)。
空氣通過分配管12上的多孔進(jìn)入13纖維束中。隨著空氣通入纖維束，氧(O2)很容易滲透纖維束11的壁，然后經(jīng)過纖維腔11a(如圖3、4中所示)流向分離裝置兩端。
在一端，氧(O2)穿過管板16和空間26a，然后經(jīng)出口34排出分離裝置。在另一端，氧(O2)穿過管板19和空間31，然后經(jīng)出口35排出分離裝置。當(dāng)富氧空氣排出分離裝置時，利用已知的常規(guī)技術(shù)方法將其收集，或送到使用地點。
空心纖維11具有壓縮空氣中的氮(N2)不容易滲透纖維壁的結(jié)構(gòu)，因而只能在纖維間迂回，穿過纖維間的空隙11b進(jìn)入空間32，然后經(jīng)過流體出口33排出分離裝置。氮氣組分也能象富氧空氣那樣加以收集或送到使用地點。
如前所述，調(diào)節(jié)環(huán)27可沿螺紋段26前后移動。因此，該環(huán)可使可移動法蘭緊靠在管板16的外表面17上，這樣可使施加在管板16內(nèi)表面18上的壓力得到平衡。法蘭22能移動到不同位置還有個益處，就是它適用于不同長度的空心纖維。作用于管板19上的壓力載荷由靜止法蘭28承受，靜止法蘭上的凸棱29a是緊靠在管板外表面20。
在本發(fā)明的實施例中，聚烯烴空心纖維材料可包括纖維素的乙酸酯、三乙酸酯、丙酸酯、硝酸酯和其它纖維素酯，其中包括單酯、雙酯和三酯和這類纖維素酯的混合物;纖維素醚類諸如甲基、乙基羥烷基，等等;再生纖維素;聚乙烯醇;多糖類，等等。
本文中所描述的分離裝置可用于若干種流體混合物中的任何一種流體，這取決于空心纖維的特性。
本發(fā)明的實施還包括這樣的情況，即可以顛倒流體混合物(待分離出各個組分者)進(jìn)入分離裝置的順序。例如，參見圖1，如果流體是空氣，空氣則可經(jīng)出口33通入分離裝置S，非滲透性流體(N2)經(jīng)分配管12的開口14排出分離器。滲透性流體(O2)滲透過纖束11中纖維管壁，然后經(jīng)出口34和35排出分離裝置。這個具體實施例還應(yīng)包括可移動法蘭22和靜28，用來平衡施加在管板16和19上的壓力載荷。
如圖1中圖示的那樣，可移動法蘭位于分離裝置S的左手端，這樣它可以接觸管板16并支撐它。如把法蘭22放在裝置的另一端(右手端)，以便它支撐管板19，分離裝置同樣也能有效地運轉(zhuǎn)。在這樣的具體實施例中，位于分離裝置的左手端以支撐管板16。
權(quán)利要求
1.一種用于從含有滲透性流體和非滲透性流體的混合，流體中分離個別流體的裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)為一個細(xì)長形殼體；一個空心纖維構(gòu)件，它包有一個細(xì)長形、開有許多孔的分配管；分配管具有一開口端和一封閉端，該分配管由一束相互間隔的空心纖維包圍在中央，該管適用于流體進(jìn)入纖維束；在纖維束一端，各空心纖維固定在第一塊管板中，在纖維束另一端，各空心纖維固定在第二塊管板中，每一塊管板由樹脂材料制備，并且每一塊管板各具有一內(nèi)表面和一外表面；空心纖維束安裝在細(xì)長形殼體的內(nèi)部，使纖維束的外表面和殼體內(nèi)表面之間留有空間。至少有一個第一流體出口位于細(xì)長形殼體上，該出口與纖維束和殼體之間的空間相連通；至少還有一個第二流體出口；至少還有一個第三流體出口；在那里，含滲透性和非滲透性流體的氣流在10～1000psia(68千帕)(Kpa)～6895千帕(Kpa)的壓力下直接送入分配管的開口端；從分配管流出的滲透性流體穿透過每根空心纖維的管壁，然后經(jīng)第二和第三流體出口從分離裝置排出；從分配管流出的非滲透性流體穿過束狀空心纖維間的空間，然后經(jīng)第一流體出口排出分離裝置；其特征在于在殼體一端內(nèi)部安裝有一可移動法蘭并且在殼體內(nèi)部可前后移動，可移動法蘭具有一內(nèi)表面和一外表面，內(nèi)表面上帶有一圈與第一塊管板相同接觸的凸棱結(jié)構(gòu)，可移動法蘭內(nèi)表面和第一塊管板的外表面之間留有空間；有一具有外螺紋的調(diào)節(jié)環(huán)，它與緊挨在可移動法蘭的殼體內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相嚙合，該調(diào)節(jié)環(huán)的內(nèi)表面與可移動法蘭的外表面相接觸，并且能在殼體中前后移動，以調(diào)節(jié)可移動法蘭的位置；安裝在與可移動法蘭相反一端殼體內(nèi)部的靜止法蘭具有一內(nèi)表面和外表面，內(nèi)表面上有一個凸棱結(jié)構(gòu)，與第二塊管板相接觸，因此靜止法蘭內(nèi)表面和第二塊管板外表面之間留有一空間；第二流體出口經(jīng)可移動法蘭，并與可移動法蘭的內(nèi)表面和第一塊管板的外表面之間的空間相連通；第三流體出口穿經(jīng)靜止法蘭，并與靜止法蘭內(nèi)表面和第二塊管板的外表面之間的空間相連通。
2.一種從含滲透性和非滲透性流體的混合流體中分離個別流體的方法，由若干步驟構(gòu)成在一細(xì)長形殼體內(nèi)部放置一束相互間隔的空心纖維，形成一分離裝置;在空心纖維束的中心安裝一細(xì)長形、多孔的分配管;在纖維束一端將每空心纖維固定在第一塊管板中，在纖維束另一端將其固定在第二塊管板中;在殼體上安裝有第一流體出口，該出口與纖維束和殼體間的空間相通;其特征在于在殼體一端加工出一內(nèi)螺紋段;在殼體內(nèi)部與螺紋段相鄰近的地方放置一法蘭，該法蘭在殼體中可前后移動;配備一具有外螺紋的調(diào)節(jié)環(huán)，它可與內(nèi)螺紋相嚙合;將調(diào)節(jié)環(huán)入旋殼體中，一直旋到它與可移動法蘭相接觸的位置，此后前后移動調(diào)節(jié)環(huán)借此可調(diào)節(jié)可移動法蘭的位置;在與可移動法蘭相反一端的殼體內(nèi)部安裝一靜止法蘭，使該法蘭與第二塊管板相接觸;在可移動法蘭上安裝第二流體出口，該出口與可移動法蘭和第一塊管板之間的空間相連通;在靜止法蘭上安裝第三流體出口，該出口與第二塊管板和靜止法蘭之間的空間相連通;將含滲透性和非滲透性流體的氣流以10～1000psia(68千帕(Kpa)～6895千帕壓力送入分配管中;從分配管流出的滲透性流體在穿過每一空心纖維管壁后經(jīng)第二和第三流體出口排出分離裝置;非滲透性流體從束狀空心纖維管間流出后經(jīng)第一流體出口排出分離裝置。
3.權(quán)利要求
2中的方法，是在其分配管中導(dǎo)入空氣流，空氣中的氧作為滲透流體，氮作為非滲透流體。
專利摘要
本文披露了用于含一種以上流體的流體中分離個別流體(尤其是氣體)的裝置和方法。分離裝置由束一空心纖維構(gòu)成，空心纖維的每一端固定在樹脂管板中。纖維束封裝在殼體中，在它的中心有一多孔分配管。管板上的壓力載荷由與管板接觸的可移動法蘭所承受。在分離器的另一端，壓力載荷由緊靠在管板上的靜止法蘭所承受。加壓的流體送入分配管流入管流入纖維束。滲透性流體穿過纖維管壁，經(jīng)每一端的出口流出分離裝置，非滲透性流體迂回于空心纖維間經(jīng)殼體上的一個或一個以上的出口流出分離裝置。
文檔編號B01D53/22GK87106594SQ87106594
公開日1988年8月3日 申請日期1987年9月26日
發(fā)明者霍默·K·約翰森 申請人:陶氏化學(xué)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan