SK153496A3 - Process for preparing hollow fibre sections for hollow fibre modules and said hollow fibre section for a hollow fibre module - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Tento vynález za týka spôsobu výroby sekcií dutého vlákna pre moduly dutého vlákna a uvedenej sekcie dutého vlákna pre modul dutého vlákna.

Doterajší stav techniky

Moduly dutého vlákna sú použité v spojení s výmennými procesmi, oddeľovacími procesmi a miešacími procesmi. Vo výmenných procesoch je otázkou rovnako tepelná ako hmotnostná výmena. Pri tepelnej výmene je teplo vymenené medzi dvoma fluidmi (kvapalinami alebo plynmi) rôznej teploty, čím fluid s nižšou teplotou získa vyššiu teplotu než bola jeho počiatočná teplota. Pri hmotnostnej výmene sa myslí najmä membránový proces, ako dialýza (napríklad umelá oblička), priama osmóza, výmena plyn-plyn, výmena plynkvapalina (napríklad oxygenátor). Pri oddeľovacích procesoch ide najmä o ultrafiltráciu, obrátenú osmózu a prestup plynov. Pri miešacích procesoch sa napríklad myslí zvlhčovanie a/alebo úprava vzduchu primiešaním vodnej pary.

V tomto opise a nárokoch sa pod výrazom „sekcia dutého vlákna myslí časť modulu dutého vlákna, ktorý obsahuje duté vlákna; uvedené duté vlákna sú napríklad na koncoch opatrené uzáverom tak, že fluid pretekajúci okolo vlákien ostane vnútri modulu.

Výrazom „fluid“ sa myslí každý tekutý alebo plynný materiál s takými dostatočnými tokovými vlastnosťami, aby mohol prejsť cez modul dutého vlákna. Pod výrazom „fluid“ sa taktiež myslia roztoky a suspenzie pevných látok.

GB-A-2 091125 opisuje spôsob výroby sekcií dutých vlákien, v ktorom sú individuálne duté vlákna usporiadané do dopredu určeného vzoru pomocou aspoň dvoch perforovaných platní, cez otvory, ktorých sú duté vlákna vedené.

Perforované platne ostanú v module, no duté vlákna nie sú spojené s perforovanými platňami a žiadne odliatie sa neuskutočňuje okolo dutých

- 2vlákien pred ich urezaním.

Japonská publikovaná prihláška No. 62-160.108 sa týka uloženia zväzku dutých vlákien do živice a nasledovného urezania upnutej časti zväzku. Publikácia sa nezaoberá vedením vzájomných usporiadaní dutých vlákien, čím je vzájomné usporiadanie vlákien náhodné a vlákna sa budú navzájom fyzicky dotýkať.

Švédska publikovaná prihláška č. 397,638 opisuje spôsob výroby zariadenia na lámanie, v ktorom sú upravované vlákna usporiadané v jednom alebo viacerých kanáloch v jadre takým spôsobom že kanál alebo kanály sú vyplnené; vlákna sú prilepené ku koncom jadra, stvrdnuté lepidlo tvorí koniec steny na všetkých koncoch jadra; vlákna sú urezané na koncoch jadra a pred alebo po urezaní sa opatria plášťom obkolesujúcim aspoň kanál alebo kanály. Táto publikácia sa nezaoberá vedením vzájomnej polohy dutých vlákien a duté vlákna budú vo vzájomnom fyzickom kontakte.

Nevýhody doterajšieho stavu techniky dutých vlákien sú spomedzi ostatných aj tie, že sa ťažko vyrábajú vo veľkej mierke jednoduchým spôsobom, napríklad s najmenším možným počtom spôsobových krokov, kde každý individuálny krok je uskutočnený jednoduchým spôsobom, a že vzájomné usporiadanie vlákien nie je kontrolované.

Cieľom tohto vynálezu je poskytnúť spôsob výroby sekcie dutého vlákna pre modul dutého vlákna, pričom proces by mohol byť zautomatizovaný jednoduchým spôsobom, aby bola výroba sekcie dutého vlákna kontinuálnym procesom. Ďalej je cieľom poskytnúť proces, v ktorom vzájomná poloha vlákien môže byť kontrolovaná tak, aby individuálne duté vlákno malo predurčenú polohu vzhľadom k najbližším susediacim dutým vláknam.

Podstata vynálezu

Prekvapujúco sa zistilo, že tieto ciele sú realizovateľné spôsobom výroby modulov dutých vlákien, ktorých podstatou je, že odlievacia matrica zahrňujúca horizontálnu perforovanú platňu, v ktorej vytvorená množina otvorov je usporiadaná v dopredu určenom vzore a spojité duté vlákna sú vedené cez tieto otvory,

- 3a) tvrdnuteľný odlievací materiál je odliaty, aby sa vytvorila tuhá rúrkovnica

b) rúrkovnica s uloženými spojitými dutými vláknami je zdvihnutá vo vertikálnom smere na želanú vzdialenosť od perforovanej platne

c) rúrkovnica je rozrezaná v horizontálnej rovine, aby konce dutých vlákien boli otvorené

d) kroky a, b, c sa zopakujú čím sa vytvorí sekcia dutého vlákna

Vynález sa ďalej zaoberá sekciou pre moduly dutých vlákien; uvedená sekcia zahŕňa paralelne orientované duté vlákna, ktoré sú na koncoch vsadené do rúrkovnice tak, že konce dutého vlákna sú otvorené; podstatou sekcie je, že duté vlákna sú usporiadané v dopredu stanovenom vzore.

Perforovaná platňa použitá v spôsobe podľa vynálezu je perforovaná tak, že otvory sú usporiadané v dopredu stanovenom vzore. Tento vzor môže závisieť od zamýšľaného využitia a konštrukcie modulu dutého vlákna. Otvory sú výhodne vo vzore rozmiestnené tak, že sú rozostúpené konštantné vzhľadom na najbližšie susedné otvory. Vzdialenosť medzi otvormi môže byť, meraná od kraja ku kraju otvorov, a je 0,1 až 100 násobkom polomeru otvorov, výhodne 1/2 až 2 násobkom polomeru otvorov.

Cez každý otvor sa vedie malý počet vlákien, napríklad menej než 10 vlákien na otvor, ale výhodne je prítomné 1 duté vlákno na otvor.

Duté vlákna môžu byť vyrobené s akéhokoľvek materiálu vhodného pre zámer použitia konečného modulu dutého vlákna. Na výmenu tepla (v tepelných výmenníkoch) môže byť materiálom napríklad kov, sklo alebo iný materiál s dobrými tepeľno-vodivými vlastnosťami. Na dialýzu, ultrafiltráciu, reverznú osmózu a oddeľovanie plynov môžu vlákna pozostávať z polymérnych materiálov (napríklad acetátu celulózy, polysulfónu, polyamidu, atď.) a keramických materiálov. Materiály použité na duté vlákna môžu mať poréznu alebo neporéznu štruktúru, avšak podmienkou pre hmotnostnú výmenu je, aby mal materiál poréznu štruktúru.

Použitá odlievaca matrica pozostáva okrem horizontálnej perforovanej platne z obruby prispôsobenej na pevné prichytenie okolo perforovanej platne.

Účelom obruby je zabrániť vytekaniu odlievacej hmoty v odlievacej matrici von z matrice; výška obruby je preto aspoň tak veľká ako hrúbka vytvorenej

- 4rúrkovnice.

Odlievacia matrica môže byť akéhokoľvek tvaru vhodného pre zamýšľané využitie sekcie dutého vlákna a tvar môže napríklad opisovať kružnicu, ovál alebo polygón alebo iný vhodný geometrický útvar.

Použitá tvrdnuteľná odlievacia hmota môže byť privádzaná k odlievacej matrici akýmkoľvek vhodným spôsobom, no výhodne sa privádza k odlievacej matrici cez vtoky v perforovanej platni. Pre uľahčenie oddelenia odlievacej hmoty od odlievacej matrice, ak je to potrebné, možno použiť separačné činidlo, napríklad vhodné prostriedky podobne usporiadané ako v perforovanej platni.

Odlievacia hmota na toto použitie môže byť akéhokoľvek vhodného typu, ktorý je tvrdnuteľný. Odlievací materiál môže byť napríklad tavenina kovu alebo tvrdnuteľný polymérny materiál.

Je dôležité, aby sa počas ukladania do rúrkovnice vlákna nepoškodili, preto by sa mal dávať počas tohto procesu zvýšený pozor, aby sa zabránilo deštrukcii vlákien použitou odlievacou hmotou, napríklad ich roztaveniu alebo ich rozpusteniu.

Vytvorená pevná rúrkovnica je horizontálne rozrezaná, zväčša tak, že hrúbka rúrkovnice sa zredukuje na polovicu. Rozrezanie sa môže vykonať akýmkoľvek spôsobom, napríklad pomocou pílky alebo horúceho drôtu, alebo rúrkovnica môže byť uťatá s nástrojom podobným sekere. Dôležité je rozrezať pomocnú platňu tak, aby v podstate všetky duté vlákna ostali otvorené a aby tak umožnili voľný a bezprekážkový prechod fluidu cez vlákna.

Keď sú duté vlákná z pružného materiálu, môže byť výhodou poskytnúť počas výrobného procesu sekcii dutého vlákna podporné prostriedky pre zvýšenie mechanickej pevnosti sekcie dutého vlákna. Takýmto podporným prostriedkom môže byť napríklad prechodový pevný drôt spojený s rúrkovnicami.

Pri výrobe sekcie dutého vlákna podľa vynálezu je zámerom udržať počas odlievacieho procesu vlákna rovné, tak, že každé vlákno bude mať rovnakú dĺžku, pričom sa vyhne blízkemu fyzickému kontaktu medzi vláknami. Toto je výhoda, keďže v miestach kde sú vlákna vo fyzickom kontakte nebude žiaden výrazný hmotnostný alebo teplotný transport medzi fluidom tečúcim

- 5okolo vlákien a fluidom tečúcim vo vnútri vlákien. Podľa vynálezu je cieľom zabrániť vláknam v sekcii dutého vlákna vzájomnému fyzickému kontaktu takým spôsobom, aby bol pri použití konečného modulu obsahujúceho sekciu dutého vlákna dosiahnutý bezprekážkový tok v predurčenom smere vzhľadom na vlákna. Bezprekážkový tok v predurčenom smere znamená, že sa môže získať optimálne využitie použitej membránovej plochy v module hmotnostnej výmeny.

Takto je výhodou spôsobu podľa tohoto vynálezu, že duté vlákna môžu byť vyrobené tak, aby vzdialenosť medzi daným vláknom a najbližším susedným vláknom bola v podstate konštantná, čím je možné dosiahnuť v podstate jednotný tok v predurčenom smere vzhľadom ku všetkým vláknam a nasledovne jednotné spracovanie toku fluidu cez rôzne vlákna a optimálne využitie celej membránovej plochy použitej pre modul hmotnostnej výmeny. Rovnaký prístup sa aplikuje pre tepelnú výmenu, keď celá kontaktná plocha medzi fluidom, ktorý má byť ohrievaný a fluidom, ktorý má byť ochladený, jednotlivo, je využitá optimálne.

Treba si všimnúť, že odlievanie sa môže v prípade potreby vykonávať simultánne so zrezávaním dopredu vytvorenej rúrkovnice alebo že odlievanie novej rúrkovnice sa môže uskutočňovať pred zrezávaním dopredu vytvorenej rúrkovnice.

Sekcia dutého vlákna vytvorená procesom podľa vynálezu obsahuje plášť pevne sa upínajúci k periférii rozrezaných vytvorených rúrkovníc; uvedený plášť obsahuje prostriedky pre vtok a výtok fluidu. Konce obsahujú koncové prvky s prostriedkami, samostatne pre vtok a výtok fluidu. Aby plášť tesne priliehal k rúrkovniciam môže byť potrebné použiť spájkovanie, zváranie alebo lepidlo pre pripevnenie plášťa k rúrkovniciam.

V prípade potreby môže byť plášť pripevnený k rúrkovniciam ako časť kontinuálneho procesu vo výrobe modulov dutého vlákna. Po rozrezaní rúrkovnice môže byť sekcia dutého vlákna vložená do valca so svetlosťou zodpovedajúcou rúrkovnici a dĺžkou zodpovedajúcou dĺžke dutých vlákien; následvne môžu byť rúrkovnice pripevneé k valcu spájkovaním, zváraním alebo lepením.

- 6Výhodné môže byť ak sa modulu dutého vlákna vybaví vnútorným meničom toku pre reguláciu fluidu prúdiaceho okolo vlákien, aby sa dosiahol želaný prúdnicový vzor.

Meniče toku môžu byť vyrobené ľubovoľkým spôsobom, napríklad

a) rozdelením perforovanej platne na sekcie, ktoré sú vertikálne presúvateľné relatívne k ostatným tak, že odliata platňa nadobudne želaný tvar a tak, že rúrkovnica a meniče toku môžu byť odliate okolo vlákien. Keď sa odlievanie uskutoční len v časti odlievacej matrice a je oddelená len časť obruby, v ktorej je sekcia alebo sekcie perforovaných platní znížené vzhľadom na ostávajúce sekcie, vertikálnou delimitáciou neznížených perforovaných platní proti zníženým perforovaným platniam a dutými vláknami. Po stvrdnutí odlievacej hmoty sú meniče toku zdvihnuté do predurčenej vzdialenosti, po čom je následne možné zmeniť vzor sekcií perforovaných platní a vytvoriť novú odlievaciu matricu, v ktorej sa uskutoční nové odliatie. Po odliatí želaného počtu meničov toku sa vykoná odliatie kompletnej rúrkovnice.

b) vybavením perforovanej platne presúvateľnými a zasúvateľnými obrubami pre vytvorenie zakázaných plôch, v ktorých môžu byť uskutočnené individuálne odliatia. Keď je takto vyrobené odliatie zdvihnuté do vzdialenosti zodpovedajúcej aspoň výške odliatia a presúvateľné obruby sú znížené, zatiaľ čo ostatné obruby sú zdvihnuté a uskutoční sa nové odliatie, meniče toku sa vybavia rozšírením zodpovedajúcim časti rúrkovnice.

c) vstavaním pevných platní do rúrkovnice, pokiaľ ešte nie je stuhnutá.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude detailne vysvetlený s odkazmi na obrázky, kde Obrázok 1 je pohľad rezom odlievacej matrice, v ktorej je rúrkovnica odliata, obrázok 2 znázorňuje rúrkovnicu zdvihnutú do želanej vzdialenosti od perforovanej platne. Obrázok 3 znázorňuje rúrkovnicu rozrezanú na dve časti, obrázok 4 je bočný pohľad v reze na finálnu sekciu dutého vlákna a obrázok 5

- 7znázorňuje vyššie uvedenú finálnu sekciu dutého vlákna.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obrázku 1 sú znázornené nekonečné duté vlákna (1) vedené cez množstvo otvorov (2) v horizontálnej perforovanej platni (3). Obruba (6) je inštalovaná okolo perforovanej platne; uvedená obruba má hrany čnejúce smerom nahor od perforovanej platne. Perforovaná platňa (3) a obruba (6) tvoria odlievaciu matricu. Tvrdnuteľná odlievacia hmota je zavedená do odlievacej matrice. Stvrdnutá odlievacia hmota tvorí rúrkovnicu (4) obkolesujúcu vlákna. Odlievacia zmes bola zavedená do odlievacej matrice (prostriedkami pre vtok, ktoré nie sú znázornené).

Na obrázku. 2 bola rúrkovnica so vsadenými nekonečnými dutými vláknami zdvihnutá vertikálne do želanej vzdialenosti od matrice pomocou zariadenia, ktoré nie je znázornené a ktoré vykonáva potrebné zdvihnutie ťahaním buď vlákien alebo rúrkovnice.

Na obrázku 3 je rúrkovnica horizontálne rozrezaná, aby sa vytvorili dve pretnuté rúrkovnice (4a), čím sa odkryjú konce vlákien. Opakovaným odlievaním znázorneným na obr. 1, zdvihnutím znázorneným na obr. 2 a rozrezaním znázorneným na obr. 3 sa vytvorí sekcia vlákna (5) znázornená na obr. 4 a 5. Obrázok 4 je bočný pohľad na sekciu a na obr. 5 je sekcia znázornená z pohľadu zhora.

Sekcia dutého vlákna znázornená na obr. 5 má sedem vlákien umiestnených tak, že každé individuálne vlákno má v podstate konštantnú vzdialenosť k najbližším susediacim vláknam. Je zrejmé, že vynález môže byť použitý s ľubovoľným počtom vlákien a s ľubovoľnými vzájomnými polohami vlákien.

V prípade potreby môže byť daných dokopy viacero sekcií dutého vlákna a obklopiť ich bežným plášťom, čím sa vytvorí finálny modul obsahujúci viacero sekcií dutých vlákien.

Spôsob podľa vynálezu môže byť zautomatizovaný jednoduchým spôsobom a výroba sekcií dutého vlákna môže byť uskutočnená rýchlo a efektívne v niekoľkých málo jednoduchých krokoch bez nejakých časovo

- 8náročných pracovných operácií.

Claims (7)

1. Spôsob výroby sekcií dutého vlákna pre moduly dutého vlákna vyznačujúci sa tým, že cez odlievaciu matricu zahrňujúcu obrubu (6) a horizontálnu perforovanú platňu (3), v ktorej množina otvorov (2) je usporiadaná do dopredu určeného vzoru sa vedú spojité duté vlákna (1) cez perforácie,

a) tvrdnuteľný odlievací materiál sa odleje do odlievacej matrice aby sa vytvorila tuhá rúrkovnica (4),

b) rúrkovnica so vsadenými spojitými dutými vláknami sa zdvihne vo vertikálnom smere na príslušnú vzdialenosť od perforovanej platne,

c) rúrkovnica sa rozreže v horizontálnej rovine, aby konce dutých vlákien ostali otvorené,

d) kroky a, b, c sa zopakujú pre tvorbu sekcie dutého vlákna (5).

2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že každý otvor je vytvorený vo vzore tak, že je umiestnený v podstate v konštantnej vzdialenosti od najbližších susediacich otvorov.

3. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že vzdialenosť medzi otvormi meraná od ich okrajov, je od 0,1 až 100 násobok polomeru otvorov, výhodne 1/2 až 2 násobok polomeru otvorov.

4. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že odlievacia matrica je tvorená horizontálnou perforovanou platňou a obrubou (6) okolo uvedenej perforovanej platne; pričom obruba má hrany čnejúce smerom nahor od perforovanej platne.

5. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že perforovaná platňa je vybavená prostriedkami pre oddelenie odliateho materiálu od perforovanej platne.

- 106. Spôsob podľa nároku 1, vy z n a č u j ú c i sa t ý m , že meniče toku sú obsiahnuté v rúrkovnici.

7. Sekcia dutého vlákna pre modul dutého vlákna vyrobená spôsobom podľa nároku 1, ktorá obsahuje paralelne orientované duté vlákna (1), ktoré sú na koncoch vsadené do rúrkovnice (4) tak, že konce dutého vlákna sú otvorené, pričom duté vlákna sú usporiadané do dopredu určeného vzoru, vyznačujúca sa tým, že je vybavená podpornými prostriedkami spojenými s rúrkovnicami (4a), aby sa zvýšila mechanická pevnosť sekcie dutého vlákna.

8. Sekcia dutého vlákna pre modul dutého vlákna podľa nároku 7, vyznačujúca sa tým, že kde podporným prostriedkom je prechodový pevný drôt.