CN101784316A - 用于薄膜分离装置的能量管理*** - Google Patents
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Abstract
一种用于薄膜分离装置的能量管理***，包括：薄膜，其具有渗透部和非渗透部；薄膜外壳，其包住所述薄膜；供给流体入口管；清洗入口管；非渗透产出流体出口管；以及，清洗出口管，其被配置为将清洗流体运送出薄膜干燥器；至少一个清洗入口流量控制阀，其连接到所述清洗入口管，传感器，其被配置为测量从清洗出口管排出的流体的污染物水平；以及控制器，其接收来自于传感器的输出信号并将阀控制信号发送到至少一个清洗入口流量控制阀。
Description
技术领域
本发明通常涉及一种用于薄膜分离装置的能量管理***。例如，本发明尤其涉及调节清洗流量以减少过量的清洗流体的消耗。
背景技术
在本领域中已知的是，可对具有包括在食品包装、制药实验室以及集成电路制造中的多种用途的压缩空气进行处理以去除污染物和水汽。压缩空气在用于制造***之前被处理以去除空气中的水汽和污染物，这些水汽和污染物可能损坏终端产品或者至少通过消耗***的功率和效率而增加生产成本。当未经处理的压缩空气运动通过***时，温度可能下降，这依次可能使得水汽凝结。水分的引入可能使得空气管道生锈或泄露。对于传统的压缩空气处理设备，可通过从压缩空气中去除水汽来保持***功率、降低运行费用并且提高生产质量。
在本领域中已知的是，利用薄膜干燥器清洗压缩空气去除了污染物和水汽，并且也降低了其用于水汽成分凝结成水的露点，所述露点为在恒定大气压下空气一定会被冷却的温度。可使压缩空气运动通过一束由特别设计为吸收水汽的薄膜组成的中空纤维。因此，当压缩空气通过薄膜的一侧时，水汽被吸收进薄膜中，水汽迅速地穿过薄膜并在薄膜的相反侧上被解吸成清洗气流。干燥器由穿过薄膜的水汽压差来驱动。传统的薄膜干燥器利用一部分经干燥的压缩空气作为清洗气流。使该经干燥的空气膨胀到低压以进一步降低水汽分压，从而增大用于处理的驱动力。清洗气流冲洗来自中空纤维的渗透侧的水汽并因此连续地清洗薄膜的水汽。
相似地，其他流体混合物的分离可以通过使流体混合物穿过半渗透薄膜的一侧来实现，只要存在一个以上高渗透成分和其它的较低渗透成分即可。之后，薄膜可以通过利用已经脱去了高渗透成分的气流冲扫***而被清洗。之后，清洗气流将更多的可渗透成分运送出***。
在传统的薄膜气体分离装置中，可以使用连续冲扫或清洗以增加驱动***的分压差、提高产出气体纯度并且增大薄膜的生产率。然而，薄膜的连续清洗是非常昂贵的。在薄膜空气干燥器的情况下，利用来自于干燥器出口的恒流对薄膜干燥器的连续清洗浪费了资源，因为每当以小于设计容量使用干燥器时，可能会使用更低的清洗率以保持产出的纯度。
许多薄膜气体分离***需要使用清洗气流以带走渗透薄膜壁的气体成分。大多数传统的薄膜分离***以恒定的流量连续地清洗。已经尝试过降低用于冲扫薄膜的气体的量，但是这些之前的***通过监控出口气体纯度来控制清洗，因为能够在出口处监控轻微污染物的仪器通常很贵，因此这会非常昂贵。因为该清洗气流包括与操作薄膜分离***相关的主要运行费用，因此存在最小化清洗流量而不会给***增加昂贵仪器的优点。因此，需要提供一种选择性地清洗薄膜同时避免过量清洗的***。
发明内容
为了通过本发明最大程度地满足上述需要，其中能量管理特征的方案可以增加到薄膜分离***以允许选择性清洗薄膜。本发明使得气体分离***能够通过监控由清洗出口气流带走的渗透量而选择性地清洗薄膜。本发明的示范性实施例提供了一种能量管理***，其基于清洗出口气流的相对湿度(RH)调节清洗流量。
依照本发明的实施例，用于薄膜分离装置的能量管理***可包括薄膜分离装置，所述薄膜分离装置具有：薄膜，其具有渗透部和非渗透部；薄膜外壳，其包住所述薄膜；供给流体入口管；清洗入口管；非渗透产出流体出口管；以及，清洗出口管，其被配置为将清洗流体运送出薄膜分离装置。在一些实施例中，薄膜分离装置包括整体清洗控制特征。在另一些实施例中，薄膜分离装置可包括中空纤维薄膜。薄膜分离装置还可包括薄膜干燥器。
能量管理***还可包括：至少一个清洗入口流量控制阀，其连接到所述清洗入口管；排出传感器，其被配置为测量从清洗出口管排出的流体的排出渗透流体浓度；以及，控制器，其接收来自于排出传感器的输出信号并将阀控制信号发送到至少一个清洗入口流量控制阀。在一些实施例中，排出传感器可包括相对湿度发送器(transmitter)，所述相对湿度发送器被配置为测量从清洗出口管排出的流体的排出相对湿度。在示范性实施例中，至少一个清洗入口流量控制阀被配置为提供可连续变更的流量。在一些实施例中，至少一个清洗入口流量控制阀包括多个开关阀，每个开关阀连接到控制器上，所述控制器例如可包括两个电磁阀。
能量管理***可包括入口传感器，所述入口传感器被配置为测量进入到供给流体入口管中的流体的入口渗透流体浓度。能量管理***还可包括孔，所述孔用于计量进入安装到薄膜外壳上的清洗入口管和/或歧管的流量。在这样的实施例中，至少一个清洗入口流量控制阀可安装到歧管上。
依照本发明，一种利用结合有薄膜分离装置的能量管理***的方法，包括：将流体引导到薄膜分离装置中，其中薄膜分离装置包括：薄膜，其具有渗透部和非渗透部；薄膜外壳，其包住所述薄膜；供给流体入口管；清洗入口管；非渗透产出流体出口管；以及，清洗出口管，其被配置为将排出流体运送出薄膜分离装置。
利用结合有薄膜分离装置的能量管理***的方法还可包括：利用排出传感器测量从清洗出口管排出的流体的出口渗透流体浓度；将来自排出传感器的第一输出信号发送到控制器；将来自控制器的阀控制信号发送到至少一个清洗入口流量控制阀；以及，基于测量到的出口渗透流体浓度并利用连接在所述清洗入口管和所述控制器之间的至少一个清洗入口流量控制阀来引导进入到清洗入口管中的流量。
利用能量管理***的方法还可包括：利用入口传感器测量进入到供给流体入口管的供给流体的入口渗透流体浓度并将来自于入口排出传感器的第二输出信号发送到控制器。在本发明的一些实施例中，利用连接在所述清洗入口管和所述控制器之间的至少一个清洗入口流量控制阀来引导进入到清洗入口管中的流量的步骤可包括：配置至少一个清洗入口流量控制阀以提供可连续变更的流量。在一些实施例中，将来自于控制器的阀控制信号发送到至少一个清洗入口流量控制阀包括将阀控制信号发送到多个开关阀。所述方法还可包括利用孔计量进入到清洗入口管的流量。
在本发明的示范性实施例中，能量管理***可包括：薄膜分离器件，其用于分离渗透流体与非渗透流体，其可包括：薄膜外壳器件，其用于包住所述薄膜分离器件；供给入口器件，其用于使供给流体流入到薄膜分离器件中；清洗入口器件，其用于使清洗流体流入到薄膜分离器件中；产出出口器件，其用于使产出流体流出薄膜分离器件；以及，清洗出口器件，其用于使排出流体流出薄膜分离器件。能量管理***还可包括：清洗入口流量控制器件，其用于控制进入到清洗入口器件的清洗流体的流量，排出传感器器件，其用于测量从清洗出口器件排出的排出流体的排出渗透流体浓度；以及控制器器件，其用于接收来自于排出传感器器件的输出信号并将阀控制信号发送到清洗入口流量控制器件。能量管理***可进一步包括入口传感器器件，其连接到控制器，用于测量进入到供给入口器件的供给流体的入口渗透流体浓度。在一些实施例中，能量管理***还包括孔器件，用于计量进入到清洗入口器件中的流量。
为了更好地理解本发明的详细说明，并且为了更好地理解对现有技术作出的贡献，已经相当广泛地概述了本发明的特定实施例。当然，存在将在下文进行描述并形成所随附的权利要求的主题的本发明的附加的实施例。
在这一点上，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应该理解的是本发明在其应用中不局限于下列描述中所阐述的或附图中所图示的结构细节以及元件排列。除了能够实例化为所描述那些实施例之外，本发明还能够以各种方式实践和实现。同样，应该理解的是，在此使用的措词、术语以及摘要都是出于说明的目的，而不应该被认为是限制。
同样，本领域的技术人员应该理解的是，本公开所基于的构思可容易地用作设计用于执行本发明的几个目的的其他结构、方法和***的基础。因此，重要的是，权利要求被认为在不背离本发明的宗旨和范围的范围内包括所述等同结构。
附图说明
图1为示出了根据本发明的实施例的能量管理***的示意图。
图2为示出了根据本发明的又一实施例的能量管理***的示意图。
图3为示出了根据本发明的又一实施例的能量管理***的示意图。
具体实施方式
本发明的各种实施例提供了一种例如和薄膜分离装置一起使用的能量管理***。在一些配置中，本发明可用作能量守恒特征，用于通过结合一测量从薄膜中排出的清洗气体中的污染物水平的装置来调制压缩空气薄膜干燥器的清洗气体消耗量。然而，应该理解的是，本发明不局限于应用到压缩空气薄膜干燥器***中，而是例如用在使用产出流体冲扫(product fluid sweep)的其它气体分离***中。现在将结合附图进一步描述本发明的实施例，其中相似的附图标记始终表示相似的部分。
图1为示出了根据本发明的实施例的能量管理***100的示意图。如图1所示，***100可结合诸如薄膜干燥器105的薄膜分离装置使用。薄膜干燥器105可连接到可由控制器115控制的清洗流量控制阀110上。控制器115可接收来自测量特定流体流的浓度水平的诸如RH发送器120的传感器的模拟输出信号117。在本发明的示范性实施例中，阀控制信号125可以为气动、电气或其他适合的形式，该阀控制信号125使得在控制器115和清洗流量控制阀110之间进行通信。
在本发明的示范性实施例中，来自压缩机的湿压缩空气W可在湿空气入口I处进入薄膜干燥器105。压缩空气穿过容纳在薄膜干燥器壳或筒体(bowl)135中的薄膜纤维束130。薄膜纤维束130可以为螺旋形或其它的形状并具体设计为吸收水汽，并且在本发明的一个实施例中，薄膜纤维束130可由一束中空纤维组成。随着空气穿过薄膜纤维束130的中空薄膜纤维，从流W中吸收水汽。
在本发明的示范性实施例中，水汽的分压差存在于薄膜纤维束130的内部和外部之间使得水汽会迁移到纤维束130的壳的外部。因此，随着压缩空气入口流W穿过薄膜纤维的内部，水汽在涂敷纤维的薄膜材料上被吸收并迅速地穿过纤维壁到达薄膜的外层。如下面进一步讨论的，为了连续地操作，必须清洗光纤束130的外层的水汽。
大量的干燥空气行经薄膜干燥器105并通过干燥空气出口D从***100排出。产出干燥空气接着被用来执行工作或相反用在工业处理和制造中。少部分产出干燥空气被转移到清洗流量控制阀110。在示范性实施例中，诸如用于和比例电磁阀一起使用，控制阀可利用连续可变节流阀，例如1-5伏以上的直流(VDC)，以使得流量能够连续变化。
在本发明的示范性实施例中，清洗空气流P可使反向流运行至入口流W并且以低压产生用于干燥处理的驱动力。穿过开口阀110的清洗空气扫过薄膜纤维束130的外部并产生湿气梯度。这样，一旦水汽到达薄膜纤维束130的外部，水汽就由清洗空气入口流P清扫出表面。该低压湿清洗空气然后通过清洗排气流E从***100排出。
在本发明的示范性实施例中，RH发送器120测量存在于空气和在清洗排气流E中从***100排出的水分的气体混合物中的水汽的量。在该示范性实施例中，RH可被定义为在空气和流P中的水分的气体混合物中的水汽的分压与在给定的温度处的水分的饱和蒸汽压的比率。
在本发明的示范性实施例中，湿空气入口流W可以充满水汽。由于充分的薄膜表面积以及入口流的低清洗率，清洗空气的饱和水平将在到达清洗排气口之前接近入口空气的饱和水平。在所述实施例中，清洗空气的每个单位体积将运送最大可能体积的水汽，从而有效地使用清洗空气。然而，之后可用的薄膜区域将得到不充分的利用，因为一旦清洗空气饱和水平与湿空气入口流W的饱和水平达到平衡，则用于水汽扩散的驱动力转到零。为了充分利用可用的薄膜表面，因此需要清洗空气的饱和水平在清洗空气到达清洗排气口之前不会接近入口空气的饱和水平。
对于如上所述设定的清洗气流P，由于存在少量的可用湿空气穿过薄膜130扩散到清洗空气P的恒流中，因此在工艺流程(process flow)中的任意降低都会使得清洗排气流E的饱和水平下降。如由RH发送器120检测到的清洗排气流E的饱和水平的综合降低表示清洗流P的过量。RH信号125可用来调制清洗流量控制阀110，这依次最小化清洗空气消耗量。例如，当排气流E的RH降低时，控制器115可被配置为连通到清洗流控制阀110并使得清洗流控制阀110能够降低清洗入口空气流P。
本发明的示范性实施例由于清洗控制器部件而可以用作节能***，这允许在基于清洗排气E的饱和水平按照需要选择性地清洗薄膜纤维束130的***中对压缩空气进行处理。在本发明的示范性实施例中，空气不会通过连续或过量的清洗而损失。
图2为示出了根据本发明的又一实施例的能量管理***的示意图。在本发明的另一些实施例中，如图2所示，在干燥器的湿压缩空气入口I处可安装第二RH发送器240以检测入口饱和水平。控制器115将分别接收来自RH发送器120和240的模拟输出信号117和247。因此，当排气流E的饱和水平下降到入口流W的饱和水平以下时，之后可以基于节流清洗流P建立控制。
在本发明的示范性实施例中，如图2所示，可以使用并串联的两个以上开关阀250来代替单个控制阀110。例如包括多重电磁阀的开关阀250之后将以不连续的步骤调制清洗流P。在示范性实施例中，可以提供相同尺寸或不同尺寸的阀250以适应流量需要。这样，清洗空气入口P可以由开关阀250控制，开关阀250可以基于清洗空气的要求电动地、例如数字地断断续续地循环冲扫。
在本发明的示范性实施例中，开关阀250将从控制器115分别接收单独的阀控制信号125。开关阀250可以被配置为单独地打开和关闭以增加或减小清洗入口流P，以随着如由RH发送器240测量的入口污染水平变化而与清洗需要相匹配。使用电磁阀而不是单个连续可变节流阀大大降低了***200的成本同时还减少了薄膜纤维束130的清洗消耗量。
图3为根据本发明的又一实施例的结合能量管理***300使用的具有整体清洗控制特征的薄膜干燥器307的截面图。在本发明的示范性实施例中，薄膜干燥器307可具有整体清洗控制特征，如图3所示。示范性实施例包括清洗控制孔355，用于计量适当量的清洗空气；以及清洗流量控制阀110，其安装到位于薄膜干燥器307的底部的清洗歧管357上。
在***300的示范性实施例中，清洗流量控制阀110可以为比例电磁阀或连续可变流量阀或节流流体流量的任意其它适合的阀。同时，清洗排气从清洗出口E排出的速度也可以由计量出冲扫空气的清洗控制孔355的直径大小来控制。清洗控制孔355的直径大小可以基于用户的需要而变化。因此，清洗流量控制阀110提供具有反馈回路的用于冲扫的电子控制。
在***300的示范性实施例中，薄膜干燥器307与***100和***200的干燥器105相似地操作。包含水汽的压缩空气通过湿空气入口I进入干燥器307。压缩空气穿过薄膜纤维束130。随着压缩空气穿过薄膜纤维的内部，水汽被吸收到薄膜中并且迅速地穿过纤维的壁到达薄膜纤维束130的外层。大量干燥空气行经输送管360并通过干燥空气出口D离开干燥器307。
在***300的示范性实施例中，少部分产出干燥空气被转移通过薄膜束中央接头(fitting)365，薄膜束中央接头365也用作在其外壳135内为薄膜纤维束130定中心。清洗空气接着通过冲扫歧管357被冲扫并且进入清洗流控制阀110。与***200和300相似，清洗排气流E的RH由RH发送器120测量。控制器115将从RH发送器120接收信号117。阀110之后由控制器115连续地调制，控制器115从RH发送器120接收其阀控制信号125。例如，当排气流E的RH降低时，控制器可以被配置为连通到清洗流控制阀110并使得其保持流P的经调制的清洗流。因此，***300保持通过薄膜干燥器307的最小的清洗流P。
在特定的设计条件下，当湿空气入口流W完全饱和时，清洗排气可具有接近90％的RH。例如，如果湿空气入口流W的流量降低大约50％，之后水汽被传送到干燥器105的流量将减少大约50％，并且清洗流P与干燥流D的比率通常会倍增。该增加的P/D比率使得清洗排气流E的RH下降并且表示出过量清洗。在利用本发明的示范性实施例中，当RH发送器120感知到排气流E的RH的该减小时，控制器115将向清洗控制阀110或阀250发信号以减小流量直到清洗排气再次上升到大约90％RH。因此，清洗流P可以降低接近50％以达到排气流E的大约90％的饱和水平，因为大约50％少量的湿气被传送到薄膜纤维束130。该能量管理***100、200或300之后将产生50％的清洗节约(purge savings)。同样的分析也可应用于入口流W的流量的任意特定的减少。
因此，清洗节约百分比与入口流W减少的百分比直接成比例。在本发明的另一些实施例中，因为RH发送器120将检测排气E的RH产生的变化，因此如果在入口流W的RH或压力中存在使水汽被输送到薄膜纤维束130的流量改变的变化，则控制器115将能够作出类似的调整。之后，控制器115将从RH发送器120接收信号117并将阀控制信号125传送到阀110以调节清洗入口流P的流量。
从详细的说明中，本发明的许多特征和优点是明显的，并因此意图通过随附的权利要求覆盖在本发明的实际宗旨和范围内的本发明的所有这些特征和优点。此外，由于许多修改和变化是本领域技术人员容易想到的，因此不希望将本发明局限于所图示和描述的准确结构和操作，并且相应地，所有适当的改进和等同替换可以被认为是落入本发明的范围内。
Claims (22)
1.一种能量管理***，包括：
薄膜分离装置，其中所述薄膜分离装置包括：
薄膜，其具有渗透部和非渗透部；
薄膜外壳，其包住所述薄膜；
供给流体入口管；
清洗入口管；
非渗透产出流体出口管；以及，
清洗出口管，其被配置为将清洗流体运送出所述薄膜分离装置；
至少一个清洗入口流量控制阀，其连接到所述清洗入口管，
排出传感器，其被配置为测量从所述清洗出口管排出的流体的排出渗透流体浓度；以及，
控制器，其接收来自于所述排出传感器的输出信号并将阀控制信号发送到所述至少一个清洗入口流量控制阀。
2.根据权利要求1所述的能量管理***，其中所述排出传感器包括相对湿度发送器。
3.根据权利要求1所述的能量管理***，其中所述薄膜分离装置包括整体清洗控制特征。
4.根据权利要求1所述的能量管理***，其中所述薄膜分离装置包括中空纤维薄膜。
5.根据权利要求1所述的能量管理***，其中所述薄膜分离装置包括薄膜干燥器。
6.根据权利要求1所述的能量管理***，其中所述至少一个清洗入口流量控制阀被配置为提供可连续变更的流量。
7.根据权利要求1所述的能量管理***，其中所述至少一个清洗入口流量控制阀包括多个开关阀，每个开关阀连接到所述控制器。
8.根据权利要求7所述的能量管理***，其中所述多个开关阀包括至少两个电磁阀。
9.根据权利要求7所述的能量管理***，还包括入口传感器，所述入口传感器被配置为测量进入所述供给流体入口管的流体的入口渗透流体浓度。
10.根据权利要求1所述的能量管理***，还包括入口传感器，所述入口传感器被配置为测量进入连接到所述控制器的所述供给流体入口管的流体的入口渗透流体浓度。
11.根据权利要求1所述的能量管理***，还包括孔，所述孔用于计量进入所述清洗入口管的流量。
12.根据权利要求1所述的能量管理***，还包括歧管，所述歧管安装到所述薄膜外壳。
13.根据权利要求12所述的能量管理***，其中所述至少一个清洗入口流量控制阀安装到所述歧管。
14.一种利用结合有薄膜分离装置的能量管理***的方法，包括：
将流体引导到所述薄膜分离装置中，其中所述薄膜分离装置包括：
薄膜，其具有渗透部和非渗透部；
薄膜外壳，其包住所述薄膜；
供给流体入口管；
清洗入口管；
非渗透产出流体出口管；以及，
清洗出口管，其被配置为将排出流体运送出所述薄膜分离装置；
利用排出传感器测量从所述清洗出口管排出的流体的出口渗透流体浓度；
将来自所述排出传感器的第一输出信号发送到控制器；
将来自所述控制器的阀控制信号发送到至少一个清洗入口流量控制阀；以及
基于所述测量到的出口渗透流体浓度并利用连接在所述清洗入口管和所述控制器之间的所述至少一个清洗入口流量控制阀来引导进入到所述清洗入口管的流体。
15.根据权利要求14所述的利用所述能量管理***的方法，其中所述排出传感器为相对湿度发送器。
16.根据权利要求14所述的利用所述能量管理***的方法，还包括：
利用入口传感器测量进入所述供给流体入口管的供给流体的入口渗透流体浓度；
将来自于所述入口排出传感器的第二输出信号发送到所述控制器。
17.根据权利要求14所述的利用所述能量管理***的方法，其中利用连接在所述清洗入口管和所述控制器之间的至少一个清洗入口流量控制阀来引导流体进入到清洗入口管中的步骤还包括：配置至少一个清洗入口流量控制阀以提供可连续变更的流量。
18.根据权利要求14所述的利用所述能量管理***的方法，其中将来自于所述控制器的所述阀控制信号发送到所述至少一个清洗入口流量控制阀的步骤包括将所述阀控制信号发送到多个开关阀。
19.根据权利要求14所述的利用所述能量管理***的方法，还包括利用孔来计量进入到所述清洗入口管的流量。
20.一种能量管理***，包括：
薄膜分离器件，其用于分离渗透流体与非渗透流体，包括：
薄膜外壳器件，其用于包住所述薄膜分离器件；
供给入口器件，其用于使供给流体流入到所述薄膜分离器件；
清洗入口器件，其用于使清洗流体流入到所述薄膜分离器件；
产出出口器件，其用于使产出流体流出所述薄膜分离器件；以及，
清洗出口器件，其用于使排出流体流出所述薄膜分离器件；
清洗入口流量控制器件，其用于控制进入到所述清洗入口器件的清洗流体的流量，
排出传感器器件，其用于测量从所述清洗出口器件排出的排出流体的排出渗透流体浓度；
控制器器件，其用于接收来自于所述排出传感器器件的输出信号并将阀控制信号发送到所述清洗入口流量控制器件。
21.根据权利要求20所述的能量管理***，还包括入口传感器器件，所述入口传感器器件连接到所述控制器用于测量进入所述供给入口器件的所述供给流体的入口渗透流体浓度。
22.根据权利要求20所述的能量管理***，还包括用于计量进入所述清洗入口器件的流量的孔器件。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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