[发明专利]中空纤维膜装置的制备方法及其用途

说明书

本发明涉及中空纤维膜装置的制备，所述装置在空气分离操作如在飞行器上产生富氮空气中展现出改善的耐久性和机械强度。特别地，本发明提供了中空纤维膜模块的制备，所述模块的末端管板在空气分离操作中具有优异的机械特性和改善的长期耐久性。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月18日提交的美国临时申请号62/607,049的权益。

背景技术

技术领域

本发明涉及中空纤维膜装置的制备，所述装置在空气分离操作如在飞行器上产生富氮空气中展现出改善的耐久性和机械强度。

相关技术

用于流体分离的中空纤维装置在本领域中是众所周知的。针对特定的分离应用优化了中空纤维膜的化学、形态、装置设计和构造方法。中空纤维装置广泛用于气体分离应用，包括从空气中产生富氧或富氮气流。为了产生富氮空气，在中空纤维的壳侧与孔侧之间存在压差的条件下，将空气流引导至中空纤维膜装置中，从而使氧气能够选择性地渗透到低压侧并在高压侧收集富氮空气。膜空气分离应用的一个实例是在飞行器上产生富氮空气用于燃料箱惰化。由中空纤维膜构成的空气分离模块(ASM)通常用于产生富氮空气。在飞行器燃料箱惰化过程中，将高压空气引导至ASM的第一端的中空纤维孔中，在中空纤维的壳侧收集富氧空气，并且在第二末端模块端的中空纤维的孔侧收集富氮空气作为非渗透气体。

利用中空纤维膜的分离装置典型地具有管状构型，并且通常被分类为孔侧或壳侧进料装置。所述装置在圆柱形构造的一端或两端包括管板，并且由嵌入树脂基体中的一束中空纤维制成。中空纤维模块设计的实例可以在US 3,422,008；US 3,690,465；US 3,755,034；US 4,061,574；US 4,080,296；US 5,013,437；US 5,837,033；US 6,740,140和US 6,814,780中找到。

中空纤维装置的组成部分是末端管板。中空纤维模块由环形中空纤维束组成，其末端被树脂材料包封以形成管板。管板将中空纤维膜的高压侧与低压侧分开。管板被设计成在装置中的中空纤维的壳侧与孔侧之间提供流体密封。管板完整性的破坏将损害装置的操作。

膜模块内的中空纤维束典型地是均匀构造的，以改善流动动力学并有助于分离效率。例如，经常地通过中空纤维填充密度的受控和均匀分布来实现均匀的流体流量分布。结构化的中空纤维装置构造方法的实例可以在US 3,690,465；US 3,755,034；US 4,800,019；US 4,881,955；US 4,865,736、US 5,284,584和US 5,897,729中找到。构造具有受控且均匀分布的纤维填充密度的中空纤维装置的一种特别有利的方法是通过纤维螺旋缠绕法。此类方法的描述可以在例如US 3,794,468；US 4,207,192；US 4,336,138；US 4,430,219；US 4,631,128和US 4,881,995中找到。

末端管板是每个中空纤维装置的关键部件。通常，管板由可固化的树脂材料如环氧树脂，或聚氨酯树脂，或热塑性材料如聚乙烯或聚丙烯形成。在中空纤维ASM装置的运行期间，在中空纤维的孔侧与中空纤维的壳侧之间存在压差。压差在管板上产生负荷，所述负荷可能导致断裂或由于蠕变产生的变形，并且因此导致装置过早失效。管板暴露于进料气体中存在的侵蚀性化学品或氧化剂(如臭氧)也可能降低管板的机械特性。由于高操作温度通常降低材料的拉伸强度，从而导致管板失效，因此在高操作温度下所述问题进一步恶化。由于上述条件，中空纤维装置的使用寿命，中空纤维装置的最大操作压力能力和最大操作温度能力可能受到限制。

在气体分离应用中使用的中空纤维可以具有不对称或复合结构。中空纤维的壁是多孔的，其中外部薄表面层基本上是无孔的。该外部薄表面层展现出必要的气体分离特性。

所有管板构造的普遍特征是中空纤维的表面与包封中空纤维以形成复合结构的树脂材料直接接触。最常见的包封管板构造材料是环氧树脂，其中在纤维表面和环氧树脂处形成界面。