(57)【要約】  多チャンネルモジュール装置（１０）は異なる組成物の２つの流体流れを処理する。装置（１０)は、本体（１５０）に配置される第１の複数の供給流れの経路（１１０）を持つ多孔質の本体（１５０）を包含し、第１の流れ（１８０）を輸送する。経路壁（１１４）は、第１の複数の供給流れの経路（１１０）を取り囲み、第１の流れ（１８０）を第１組成物（１８５２）および第２組成物（１８０２）へと処理する。少なくとも１つの供給流れの注入口（１１０１）が本体（１５０）に配置され、第１の流れ（１８０）を第１の複数の供給流れの経路（１１０）へと導入する。少なくとも１つの供給流れの排出口（１１０２）が本体（１５０）に配置され、第２組成物を含む残りの第１の流れ（１８０）を排出する。少なくとも１つの第２経路（２１０）が本体（１５０）に配置され、第２の注入口（２１０１）および第２の排出口（２１０２）を持つ第２の流れ（２８０）を輸送する。多孔質の本体（１５０）に形成される網目状に接続された複数の流体流れ（１５２）は、第２の流れ（２８０）のための流れ流路を提供し、第１の複数の供給流れの経路（１１０）のそれぞれから第２排出口（２１０２）へと第１組成物（１８５２）を掃引する。容器（３００）に注入口（１１０１および２１０１）と排出口（１１０２および２１０２）を取り付け、第２の流れのアクセスを提供し、また、容器（３００）の内側であって内側表面から離れて本体を配置することによりスペースをあけ、アクセス用の空隙を提供する。仕切り（３５０）は本体と容器の間の空隙に配置され、空隙（３１０）の内側に流れを引き込む。
2008521595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる組成物の２つの流体流れ相互間の処理のための多チャンネルモジュール装置であって、該装置が多孔質の無機本体を備え、該本体が、
第１の流れを輸送するための前記本体に配置された第１の複数の供給流れ経路と、
前記第１の流れを第１組成物および第２組成物に処理するための第１の複数の供給流れ経路のそれぞれを取り囲む経路壁と、
前記第１の流れを前記第１の複数の供給流れ経路に導入するために前記本体に配置された少なくとも１つの注入口と、
前記第２組成物を含む残りの第１流れを排出するために前記本体に配置された少なくともひとつの排出口と、
第２の注入口および排出口を持つ第２の流れを輸送するために前記本体に配置された少なくとも１つの第２経路と、
前記第１組成物を前記第１の複数の供給流れ経路から前記第２の排出口へと掃引するために前記多孔質の本体に形成された網目状の複数の流体流路と、
前記注入口および排出口を設置することにより前記第２の流れのアクセスを提供するための容器であって、該容器の内側であって該容器の内側表面から離れて前記本体を配置することにより、アクセスのための空間を提供するための容器と、
前記本体と前記容器の間の前記空間に配置された、該空間内の流れを迂回させるための仕切りと、
を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記仕切りが、前記供給流れを前記第２の流れと分離するために、前記本体と前記容器の間の前記空間に配置された流れの仕切りを包含することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記仕切りが、前記流れ相互間の相関的な方向を選択するために、前記本体と前記容器の間の前記空間に配置される流れの仕切りを包含し、該流れの仕切りは、前記第２の流れの入口部分を該第２の流れの排出部分と分離し、前記供給流れと逆方向もしくは同一方向に流れるように前記第２の流れを導くことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記多孔質の本体が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３‐２ＳｉＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、コージエライト（２ＭｇＯ‐２Ａｌ２Ｏ３‐５ＳｉＯ２）、ガラス、およびアルミナ-シリカ混合物からなる無機耐火性物質および延性のある金属酸化物の群から選択される安定なセラミック材料から押出し成型されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記供給流れを透過物である前記第１組成物および未透過流れである前記第２組成物へと処理するために、前記第１の複数の供給流れ経路の各経路壁の内表面に配置された膜フィルムをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記膜フィルムが有機、無機、もしくは有機／無機材料の混合物から作製されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記膜フィルムが、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム合金、Ｐｄ‐Ａｇ、Ｐｄ‐Ｃｕ、ゼオライト、アルミナ、ジルコニア、シリカ、ＳｉＣ、ガラスおよび高分子からなる群より選択される材料から作製されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項８】
前記多孔質の本体が、細孔の容積全体の２０％よりも多くが、約０.５〜２５μｍの細孔サイズを持つように細孔を接続した空隙を伴う、内部接続された細孔を有するセラミックのモノリス構造的担体基体を持つことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記第１の複数の供給流れ経路それぞれを取り囲む前記経路壁が、約０．２〜５ｍｍのチャンネル水力直径で規定されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の複数の供給流れ経路の各々が約０．２〜５ｍｍのチャンネル水力直径を持ち、該供給流れ経路が約１．５５〜１５５セル/ｃｍ２のチャンネル密度で分配され、約２０〜８０％の開放前面面積（ＯＦＡ）を持つことを特徴とする請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、異なる組成物の２つの流体流れ相互間の処理に関し、具体的には、分離、精製、大量輸送、交換、もしくは、パージ、掃引、または、第２の流体流れの利用を含む処理流れに関する他の種類の処理用途のための膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
クロスフローろ過では、透過流れの流路が、供給流れの流路に対して垂直または直角に配置されることが知られている。透過流れ流路を掃引するためのパージ流れもまた、ディスク状、単一チューブ状もしくは中空糸などの束状の管膜として知られている。しかしながら、単一または束状のセラミックの中空糸は、実用には脆すぎることが知られている。したがって、パージ・アクセスを伴ったクロスフローろ過装置は知られているが、それらは典型的には高分子中空糸に基づいている。高分子系中空糸膜モジュールは、分離、ろ過、および抽出処理に適した２つの流体流れ相互間の大量輸送もしくは交換のための単位容積あたりの所望の分離表面積および透過性に優れていることで知られている。１つの流体流れが中空糸の内側を流れる一方、別の流体流れは中空糸の周囲を流れる。
【０００３】
それぞれ小さい中空糸の管がたくさん集まって、束を形成する。束になった個々の中空糸の間の空きスペースは、流体が動き回りパージ流れのアクセスを提供するのに十分なスペースを提供する。束状の中空糸上に形成されるパージ流れもまた、クロスフロー型に配置された束状の中空糸の膜性能を向上させることが知られている。
【０００４】
しかしながら、高分子材料の主要問題は、有機溶剤による攻撃に敏感なことであり、また、高温(例えば＞２５０℃)および他の苛酷な処理環境での不安定さである。多孔質の高分子の担体は、無機の膜材料の担持には適していない。
【０００５】
ゼオライトなど、本技術分野において既知の多くの吸収材は、選択的な吸着機能を提供する。ゼオライト膜は、様々な用途での可能性が大いにあることから、最近の１０年間における活発な技術分野となっている。ゼオライト膜の顕著な特徴は、真の分子ふるい効果を実現させる、明確な細孔構造である。例えば、ゼオライト結晶中の直鎖状分子の拡散速度は、分岐鎖状の対応する異性体と比較して、桁違いに大きいであろう。しかしながら、無機ゼオライトは、相性の悪い有機高分子素材には適用することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
理論上は、中空糸管のそれぞれ、それらの膜、もしくはその両方を、高分子材料の代わりに、セラミック酸化物から作製することにより、同じく広い表面積を持つという利点を提供しつつ、高分子の束状の繊維に関する問題を除外することができる。その上、セラミック膜は、高選択性および単位分離面積に基づいた大きい流束を提供するであろう。さらには、セラミック膜は再生可能であろう。
【０００７】
しかしながら、セラミック中空糸は、経済的な方法では、所望の機械的強度および可堯性を生み出すことができない。中空糸セラミック管は大きな表面積を持つが、非常に壊れやすい。無機質の膜は、機械的な可堯性が不足しており、単位モジュール容積あたりの膜表面積が小さく、膜処理およびモジュールの組立てが難しく、また、資本コストが高い。
【０００８】
強靭な多孔質体にクロスフロー・チャンネルを埋め込むことにより、クロスフローモジュールに中空糸に匹敵する分離面積を与え、しかも、機械的強度が非常に増強され、また、コスト効率を向上可能なことが知られている。しかしながら、重要な問題は、埋め込まれた管同士の間に存在するオープンスペースもしくは自由空間がない場合、埋め込まれた膜チャンネルもしくは管の内外の流れをいかに実現するかである。周知の通り、中空糸の束もしくは単一チャンネルは、多孔質だが中実である基体(matrix)に埋め込まれている多チャンネルに比べて、個々の中空糸の間に、流れが動き回るためのもっと大きなオープンスペースを提供する。
【０００９】
平面ディスクもしくは単一チャンネル管などの簡単な構造の膜モジュールでは、吸収およびパージ処理は、存在する空間で容易に行うことができる。
【００１０】
ディスクまたは単一チャンネル膜モジュールは、通常は、研究所および工業プロセスで利用されている。しかしながら、ディスク型もしくは単一チャンネル管状の無機膜モジュールは、単位容積あたりの分離表面積が小さい。表面積を大きくする１つの方法は、１つの無機膜体に、多数の小さい供給チャンネルを持たせることである。このようなモノリス構造的(monolithic)設計においては、吸収または透過した種(species)を効率的に移動させるための掃引流れをいかに導入するか、という点に課題がある。多チャンネル型のモノリス構造的膜モジュールでは、透過物(permeate)は、圧力差によって、内側のチャンネルから外側の膜モジュールへと流れる。パージ流れが膜モジュールの外側に導かれる場合、パージ流れは、逆向きの圧力抵抗のせいで、内側のチャンネルに入ることができない。結果として、膜表面の外側のみが「パージ」され、一方、内側のチャンネル透過物はパージされない。
【００１１】
したがって、一般概念として、膜分離のために掃引流れを用いることが知られている。モノリス構造的担体の利用も知られてはいるが、外側の掃引流れがモノリスにパージ・アクセスする組合せは知られていない。課題は、中実だが多孔質である基体に埋め込まれた多数の流れチャンネルを有する膜モジュールのパージ方法である。モノリス構造的な膜モジュールにとって、従来のパージ方法では、モノリス構造的モジュールの外表面だけしか掃引できず、基体の内側の最深部の膜チャンネルをパージすることができない。モノリス構造的な膜担体の各膜チャンネルをパージする方法は、課題である。
【００１２】
したがって、低コストでのパージ流れのアクセス、および、２つの流体相互間の接触面積が大きく、膜分離装置を通る透過性が高く、高温で長期安定性であり、過酷な環境下での処理に対する耐久性があり、溶剤の攻撃に対して不活性であり、また、大きな圧力低下に対する抵抗性を有する、強靭な無機クロスフローろ過装置を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、異なる組成物の２つの流れ相互間を処理するための多チャンネル型のモジュール装置である。装置には、本体に配置された第１の複数の供給流れの経路を持つ多孔質体が含まれ、第１または供給流れを輸送する。経路壁は、第１の複数の供給流れの経路のそれぞれを取り囲み、供給流れを第１組成物および第２組成物へと処理する。少なくとも１つの供給流れの注入口が本体に連結され、供給流れを第１の複数の供給流れの経路へと導く。少なくとも１つの供給流れの排出口が本体に配置され、第２組成物を含む残りの供給流れを排出する。少なくとも１つの第２経路が本体に配置され、第２注入口と第２排出口を持つ第２の流れを輸送する。多孔質体に形成される網目状に広がる複数の流れの流路は、第２の流れのための流れを提供し、第１組成物を、第１の複数の供給流れ経路のそれぞれから第２排出口へと掃引する。容器に注入口と排出口を設置し、第２の流れのアクセスを提供し、また、容器の内側であって内側表面から離れて本体を配置することによりスペースをあけ、アクセスのための空隙を提供する。仕切りは本体と容器の間の空隙に配置され、空隙の内側に流れを引き込む。
【００１４】
別の態様では、本発明は、第２の流れとして、パージ流れを含む。
【００１５】
本発明のさらなる特性ならびに利点は、後に、詳細な説明において記されるであろうし、部分的には、その記述から当業者にとっては容易に理解され、もしくは、詳細な説明およびそれに続いて示される添付の図面および特許請求の範囲を含め、本明細書中で述べる発明を実行することによって認識されるであろう。
【００１６】
前述の一般的な説明および以後の詳細な説明は、本発明にかかる実施の態様を提示し、また、ここに主張するように、本発明の性質および特性を理解する目的で概要もしくは構成を提供する趣旨であることが、理解されるべきである。添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するためのものであり、本明細書に組み込まれ、また、本明細書の一部分を成すものである。図面は、本発明にかかる様々な実施の態様を示し、本記述とともに、本発明の原理および手順についての説明を補助している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態に関し、実施例を添付の図面に示しつつ、詳細に述べる。可能な場合はいつでも、図面中の同一もしくは同様の数字は、同一または同様の部分を参照するために用いられる。図面中には数字が記載されていないが明細書中に記載がある場合でも、同一または同様の部分または寸法は、常に、図１または図１Ａに示されている。しかしながら、図面が必ずしも規模を示すものではなく、簡素化のため、すべての流れを表す矢印が示されているわけではないことに留意されたい。本発明にかかる異なる組成物の２つの流体流れ相互間の処理のための多チャンネルモジュール装置１０の１つの実施の態様が、図１に示されており、通常、全体に亘って参照番号１０が割り当てられている。処理は、２つの流体の流れを大量輸送もしくは交換可能であり、ここで、２つの流体の流れとは、未処理の供給流れおよび掃引流れ、もしくは他の２つの異なる流体の流れのことである。一般に、第１流体または供給流れは、気相もしくは液相、液-液相、気／液相、または液-固相であってよく、パージもしくは掃引流れは、液相または気相のいずれかであろう。したがって、本発明の掃引アクセス装置は、本発明によって教示されるように、研究所規模もしくは工業規模で、混合物から有用な成分を抽出、もしくは混合物から不純物を除去するための、液相および気相の分離に利用可能である。
【００１８】
図１および図１Ａを参照すると、装置またはモジュール１０には、第１の複数の供給流れ経路１１０を持つ多孔質の無機質の本体１５０が含まれ、第１または供給流れ１８０を輸送するために本体１５０に配置される。経路壁１１４が第１の複数の供給流れ経路１１０のそれぞれを取り囲み、供給流れ１８０を第１組成物１８５２および第２組成物１８０２へと処理する。少なくとも１つの供給流れの注入口１１０１が本体１５０に配置され、供給流れ１８０を第１の複数の供給流れ経路１１０に導入する。少なくとも１つの供給流れの排出口１１０２が本体１５０に配置され、第２組成物１８０２を含む残りの供給流れを排出する。少なくとも１つの第２またはパージ流れ経路２１０が本体１５０に配置され、第２またはパージ注入口２１０１および第２またはパージ排出口２１０２を持つ第２または掃引流れ２８０を輸送する。多孔質の本体１５０に形成される網目状に広がる複数の流体流れの流路１５２は、第２または掃引流れ２８０のための流れの流路を提供し、第１組成物１８５２を、第１の複数の供給流れの経路１１０それぞれから、第２またはパージ排出口２１０２へと掃引する。例えばスウィープガス(sweep gas)などの第２の流れ２８０の効果は、曲がりくねった経路または相互に接続された細孔１５２を通じて、膜１４０および多孔質の担体または本体１５０から滲出してくる透過物１８５２を除去(vacuum out)することである。容器３００には、注入口１１０１と２１０１、および、排出口１１０２と２１０２が取り付けられ、第２の流れまたはパージ流れのアクセスを提供し、容器の内側であって内側表面から離れて本体を配置することによりスペースをあけ、アクセスのための空隙を提供する。仕切り３５０は、本体と容器の間の空隙に配置され、空隙の内側に流れを引き込む。
【００１９】
本体１５０は、金属もしくは他の無機材料など、適切な多孔質材料で作製される。本体１５０は、約９〜１００ｍｍのモジュール水力直径１０２を有し、モジュール水力直径１０２のモジュール長１０４に対するアスペクト比は１よりも大きい、セラミックのモノリス構造的な多チャンネル基体担体であることが好ましい。第１の複数の供給流れの経路またはチャンネル１１０は、モジュールの横断面に平行に分散し、ここで、複数の供給流れチャンネル１１０の大きさおよび形状は、モジュールの前面面積におけるチャンネル密度が７.８〜１２４チャンネル/ｃｍ２ (５０〜８００ チャンネル/ｉｎ２)、および、チャンネル水力直径１１２が約０.５〜３ｍｍと規定され、周縁距離１２０が、厚さ１.０ｍｍ(０.０４in)よりも大きく、供給面積で標準化された開放前面面積(open frontal area)（ＯＦＡ）の百分率が約２０〜８０％である。
【００２０】
定義上は、標準水力直径（Ｄｈ）は、次の式で定義される：
Ｄｈ ＝ ４（断面積／ぬれ縁）
したがって、二次元の形状では、水力直径は、周辺によって分割される表面積の４倍である。例えば、円の直径をｄとすると、水力直径Ｄｈ＝４[(πｄ２/４)]/(πｄ)＝ｄである。しかしながら、正方形の長さＬでは、水力直径Ｄｈ=４×Ｌ２/(４Ｌ)＝Ｌとなる。一般には、水力直径は、表面積の容積に対する比と反比例の関係にある。
【００２１】
モジュール前面面積は、中実基体の多孔質材料とチャンネルを含むモジュール本体の断面積である。例えば、円筒型モジュールの直径ｄでは、面積はπｄ２/４である。よって、開放前面面積の比は、モジュール面積に対する全開放チャンネルの面積の比である。例えば、１０ｃｍ２のモジュール断面積では、チャンネル全体の面積が５ｃｍ２であれば、開放チャンネル面積は全チャンネルの断面積の合計であるから、開放前面面積比は、５/１０＝０.５である。
【００２２】
モジュールの水力直径１０２は、約１０〜５０ｍｍであることが好ましい。モジュール水力直径１０２のモジュール長１０４に対するアスペクト比は、約５〜１０よりも大きいことが好ましい。
【００２３】
図１２を参照すると、本発明にかかる膜モジュール本体１５０の可能な形態が示されている。図１では、本体もしくはモジュール１５０は、円形の横断面と共に、円筒型で示されているが、モジュール１５０は、直方体を楕円形または他のアーチ型の形に切断した容積１５０Ｂ、もしくは正方形、六角形１５０Ａもしくは長方形１５０Ｃの横断面を持つ他の形状のモノリス状の構造など、いずれの形でも構わない。本体１５０が高いアスペクト比(長さ／直径)を持つ限り、いずれの形状も可能である。一貫性および単純化の目的で、後に続く議論では、モジュール本体１５０には、優先的に円筒型を用いる。しかしながら、技術上の知識および方法(ノウハウ)を、膜モジュール本体の他の形態に適用可能である。
【００２４】
図１および図１Ａを再度参照すると、複数の供給流れチャンネル１１０は、モジュール前面供給流れの面積で標準化されたチャンネル密度が約７.８〜９４チャンネル/ｃｍ２(５０〜６００チャンネル／ｉｎ２)、チャンネル水力直径１１２が約０.５〜２ｍｍ、周縁距離１２０よりも小さいチャンネル壁間の網目状部分の厚さが約０.２〜５ｍｍ（０.０１〜０.２ｉｎ）、および開放前面面積の百分率が約３０〜６０％、具体的には約４０％であることが好ましい。よって、最適化されたモジュール設計は、小さい流れチャンネル１１０および薄い網目状部分の厚さ１３０を用いることにより、高い分離表面積を提供する。
【００２５】
少なくとも１つのパージ流れ２１０は、最大限の効率を得るために、水力直径２１２が約１〜１０ｍｍの単一のパージチャンネルであることが好ましい。パージ経路またはチャンネル２１０は本体１５０の中央に配置され、掃引流れ２８０を、パージ注入口２１０１から、本体１５０上にある相互に接続された細孔１５２で構成され、第１の複数の供給流れの経路１１０それぞれから本体１５０の外表面１５２２へとパージ排出口２１０２を通じて排出される第１組成物１８５２を掃引する、網目状に広がる複数の流体の流路もしくは曲がりくねった通路へと導入する。本体上の相互に接続された細孔１５２は、孔隙率が約２０〜８０％あり、細孔の容積の２０％以上は、細孔の大きさが約０.５〜２５μｍであることが好ましい。しかしながら、細孔の大きさは約０.５ｎｍ〜２５μｍよりもさらに大きいサイズのいずれでもよい。
【００２６】
供給流れの経路または供給チャンネル１１０は、中央のパージ経路２１０の周りに対称的に、モジュール断面上に分布している。周縁１２０では、網目状部分の厚さ１３０よりも厚い、適切な外膜としての厚さ(例えば、＞１ｍｍまたは０.０４ｉｎ)が好ましい。外膜もしくは周縁の厚さ１２０は、網目状部分の厚さ１３０から独立したパラメーターである。網目状部分の厚さ１３０は、基本的に、チャンネル１１０が互いに隣接する距離を決定する一方、外膜または周縁の厚さ１２０は、全体的なモジュール長および透過性に影響を与える。
【００２７】
したがって、本発明は、単独、もしくは、水素の分離および／または精製などの気体または液体の処理利用可能な膜の担体として用いられる多孔質の本体部分を持つ、表面積が大きく、モノリス的構造をした、無機質の管状もしくは他の形状をしたモジュールについて教示する。
【００２８】
一例では、モノリス構造をした膜モジュールは、好ましくは約１０〜３０ｍｍのモジュール水力直径１０２を持つモジュール管の形状をしている。このモジュール水力直径１０２と共に、モジュール長１０４は、複数の供給流れチャンネル１１０それぞれの長さと実質的に等しく、高いアスペクト比のために約１００〜３０００ｍｍの範囲にある。
【００２９】
本体部分１５０では、セラミックのモノリス構造的な基体は、約１〜３０μｍの細孔サイズと約２０〜８０％の孔隙率を持ち、複数の曲がりくねった流れの経路または細孔の空隙を通じて互いに接続された細孔１５２を持つ、大きな細孔(macro-porous)のセラミック基体を提供する。細孔の大きさは、細孔の容積全体の２０％よりも多くが、約０.５〜２５μｍの細孔サイズを持つことが好ましい。このような方法で、孔隙率は細孔の大きさとは別に規定される。したがって、担体、本体あるいは基体１５０は、それら細孔の特定の比が、好ましい透過性を与えるのに十分である限りにおいて、すべての種類の細孔サイズであってよい。
【００３０】
このようにして特定の細孔サイズを規定することにより、基体の内側の細孔は互いに接続し、透過物などの第１組成物１８５２のための経路１５２を形成する。互いに接続している細孔構造は、モジュールに機械的強度をも提供する。網目状に広がる細孔構造もしくは互いに接続した細孔とは、細孔が互いに接続した曲がりくねった経路１５２を形成することを意味する。担体基体の内側に細孔が多数存在するがそれらが互いに接続されていない場合は、流体は通り抜けることができず、担体は単独での利用、または、膜の用途としては、適していない。細孔の接続性に関しては、良い規定方法がない。しかしながら、細孔の接続性は、電子顕微鏡検査法を利用することにより、定性的に分析することが可能である。一般に、細孔の大きさおよび孔隙率が十分に大きい場合、網目状に広がる細孔構造を形成可能である。
【００３１】
細孔の大きさおよび孔隙率は、許容可能な測定方法で定量化することができる数字である。細孔の大きさおよび孔隙率は、一般的に、水銀ポロシメータおよび窒素吸着などの標準化された技術で測定される。細孔の大きさは、よく適用される方程式で算出する。しかしながら、細孔の長さを特定する良い方法はない。
【００３２】
これら細孔の「接続性」は重要ではあるが、定量化するのは難しい。しかしながら、同一の細孔サイズおよび孔隙率の材料では、接続性は、大部分が膜担体の形成工程で決定される。基体または本体部分１５０は、骨格または基体材料として無機材料を用いた、既知の一体成形法または押出し法によって作製して構わない。黒鉛粒子、CeraMem Corporation社（アメリカ合衆国、ニューヨーク州）の反応性アルミナ・モノリス形成工程、単一チャンネルのアルミナ管などを導入するなどにより、コーニング社（アメリカ合衆国、ニューヨーク州）のディーゼル微粒子フィルタの形成と同一の処理方法など、既知の形成工程によって接続性が得られる。
【００３３】
セラミックモノリスの材料は、ムライト (３Ａｌ２Ｏ３-２ＳｉＯ２)、アルミナ (Ａｌ２Ｏ３)、シリカ (ＳｉＯ２)、コージエライト (２ＭｇＯ-２Ａｌ２Ｏ３-５ＳｉＯ２)、炭化ケイ素(ＳｉＣ)、アルミナ-シリカ混合物、ガラス、無機耐火性物質および可塑性の金属酸化物からなる群より選択される物質から作製される。ムライトは、材料化学の分野で知られているように、異なる比率の可能性のある、数種類の他の可能な組成物と共に、Ａｌ２Ｏ３ ＋ ＳｉＯ２から生じる金属酸化物の化合物である。ムライトの結晶の形状は、膜の担体本体における他の材料と同様、高いアスペクト比(＞５)を持つ中空糸、管または針状の形状、もしくは、低いアスペクト比(０.５〜５)を持つ従来からの結晶形、またはアスペクト比の高いムライトと低いムライトの混合物であってよい。アルミナ化合物Ａｌ２Ｏ３の通常の結晶相は、ガンマ(γ-アルミナ)、シータ、およびアルファ(α)であり、アルファ-アルミナ(α-アルミナ)が、一般に、他の相と比較して安定している。ＳｉＣは、化学的および物理的安定性の良い、耐火性の非酸化セラミック材料である、炭化ケイ素化合物である。コーニング社製のバイコール(登録商標)（Vycor）ガラスもまた、本体１５０の材料に利用可能である。
【００３４】
モジュールの本体１５０は、複数の細長い開口部を持ち、所定の数の小さい流れチャンネル１１０を形成するための通路、流れ、経路またはチャンネルを含む、チャンネル化された部分を形成する。ある実施例では、チャンネルの大きさまたはチャンネルの水力直径１１２は約０.５〜３ｍｍであり、一方、チャンネルの密度は約７.７５〜６２．０チャンネル/ｃｍ２(約５０〜４００チャンネル/ｉｎ２)である。
【００３５】
チャンネルの形状は、図のように円形もしくは丸みを帯びているのが好ましい。しかしながら、担体のチャンネルの形状は、六角形などの鋭角を持たない他の形状でもよい。たとえチャンネルが正方形の形状であっても、チャンネルの形状は、その後のコーティング処理で修正して構わない。表面特性（粗さ、付着性等）と同様に、チャンネル壁１１４の細孔の大きさおよび孔隙率は、１種類以上の中間コーティング層によって修正可能である。
【００３６】
マイクロろ過、抽出、流体混合などの用途における異なる成分の処理には、多孔性の担体もしくは本体１５０自身を単独で利用可能である。しかしながら、気体分離およびナノろ過などの他の処理の用途には、膜コーティングが必要である。
【００３７】
必要に応じて、基体よりも小さいサイズの細孔を有する多孔性材料の層１６０を、担体もしくは基体本体部分１５０のチャンネル壁１１４にコーティングをする必要があるかもしれず、また、単独でもしくは膜フィルム１４０と共に利用することもできる。コーティング層１６０は、以下の３つの機能を持つ。すなわち、(１)細孔サイズ、表面の滑らかさなど、チャンネル１１０の形状および壁の質感の修正、(２) 担体１５０の補強、および(３)膜の沈着効率および粘着性の向上である。コーティング層１６０は、厚さ約１０〜２００μｍであり、細孔サイズは２ｎｍ〜約５００ｎｍである。したがって、１種類以上の中間層１６０は、随意的に複数の供給流れのチャンネル１１０の内表面または壁１１４に配置され、ナノまたはメソポーラス（細孔）層（細孔サイズ２〜５０ｎｍ）を形成する。厚さは０.５〜５０μｍである。よって、２〜５０ｎｍのナノまたはメソポーラス層は、中間層として利用可能であり、もしくはナノ層と共に、中間層１６０の厚さが２〜２５０μｍで、細孔サイズが２ｎｍ〜５００ｎｍの複合中間層として、外層に利用することも可能である。
【００３８】
中間層１６０は、アルミナ、シリカ、ムライト、ガラス、ジルコニア、およびそれらの混合物からなる群より選択されることが好ましく、特にアルミナとシリカが好ましい。コーティング層１６０には、ゾル・ゲル法などの湿式化学法を適用しても差し支えない。
【００３９】
随意的に、分離機能を提供する膜フィルム１４０を、さらに、随意的な中間コーティング層１６０に、もしくは、直接、セラミック担体の本体１５０の複数の供給流れのチャンネル１１０の内側の表面または壁１１４に、適用する。層１６０は別の層の存在なしに、単独で利用可能であるため、「膜」という語句は、一般に、層１６０のみ、層１４０のみ、または、層１４０と１６０の両方、を包含する。好ましくは無機質であるフィルム１４０は、パラジウム（Ｐｄ）、Ｐｄ‐ＡｇまたはＰｄ‐Ｃｕなどのパラジウム合金、もしくはＳｉＣまたはガラスなどの混合物中のある分子を透過させる、非金属の緻密フィルムなどの緻密層であって構わない。特定の適用のため、フィルム１４０は、ゼオライト、ジルコニア、アルミナ、シリカ、またはガラスなどの微細細孔(micro-porous）層(<５ｎｍ)であってよい。好ましい微細細孔の膜は、分子サイズレベルの分離機能を提供する。しかしながら、本発明にかかるセラミックの膜本体の担体１５０は、フィルム１４０のような高分子膜フィルムの担体としてもまた利用可能である。
【００４０】
一般に、本発明の教示は、膜単独に関するものではなく、膜担体１５０および膜担体もしくは担体自身の収納に関し、ゆえに、適する膜のいずれの種類にも利用可能である。さらには、本体担体１５０は、観念的に分離に適しており、小さいサイズの分子を大きなサイズの分子から分離し、担体基体１５０を透過させる。
【００４１】
一般には、先に述べた膜フィルムおよび担体の間に、ある中間層が必要とされる。小さいサイズの流れチャンネル（＜３ｍｍ）１１０の本発明にかかる利用は、同型の薄膜層１４０の積層を促進し、また、内側の表面または壁１１４における有機層／セラミック担体接触面のおかげで、熱応力が低減される。例えば、約０.５〜２ｍｍのチャンネルの水力直径１１２を有する小さいサイズのチャンネル１１０に適用することにより、それぞれメソ- （２〜５０ｎｍ）および微細細孔（＜２ｎｍ）膜コーティング層１６０および１４０の厚さを減じることが可能であり、修正コーティング層１６０の圧力低下を、同じ流束速度で低減させることができ、また、電力消費を節約し、さらに生産的で効果的な膜モジュール担体本体１５０を提供することができるであろう。
【００４２】
したがって、高い表面積を得るための１つの典型的なモノリス膜担体本体１５０としては、膜コーティング１４０を補助するため、チャンネルの水力直径が約１ｍｍ以下の小さな円形のチャンネル１１０を有するセル密度が１５．５セル／ｃｍ２（１００ｃｐｓｉ）よりも大きいものが目標とされている。モジュールの寸法は、モジュールの水力直径１０２が約１０〜５０ｍｍ、モジュール長１０４が約１００〜１０００ｍｍが目標とされる。典型的にはディーゼル微粒子フィルタ用のモノリスに用いられる、コージエライト、ムライト、α−アルミナ、ＳｉＣなどの異なる押出し成型用の材料は、細孔サイズ、孔隙率、および細孔の接続性を最適化し、高い透過性および高い強度を担体基体１５０に同時に与える。しかしながら、膜担体に用いられるチャンネルの形態は、排ガス規制の用途におけるモノリスディーゼル微粒子フィルタとは異なる。膜分離の圧力差（ΔＰ）は、実質的に、ディーゼル微粒子フィルタ用の膜よりも大きい。本発明は、例えば、気体の精製／分離のための圧力スウィング吸着（ＰＳＡ）処理の代替のように、特に、高いΔＰが要求される分離に有用である。
【００４３】
一般に、圧力の低下は基体本体１５０の直径の縮小、細孔の増加もしくは本体１５０の孔隙率の増加によって低減させることが可能である。すでに述べた、ろ液の回収およびパージ機能を提供する本発明の教示から、本体基体の設計書またはモジュール設計は、実際に、所望の圧力差を実現し、各埋め込まれた供給流れのチャンネルにアクセスする外部のパージ流れを提供する。しかしながら、供給チャンネルおよび透過チャンネルの配置、特有のチャンネルの幾何学、特有の材料設計（細孔および孔隙率）などに見られるような、本体基体または本体設計における明確な差異の多様な組合せにより、処理装置１０に用いるための様々な本体担体１５０が提供される。本発明は、用いられる膜モジュールの種類、および、パージ流れを導入して、各埋め込まれた供給流れチャンネル１１０の透過側を掃引することにより、各埋め込まれた供給経路またはチャンネル１１０の掃引を首尾よく行うための膜装置の配置方法について教示する。パージ性能は、処理時の透過速度を向上するのに重要であり、場合によっては、膜の再生もしくは持続のための掃除方法も与える。膜モジュール装置１０に適した設計は、各膜チャンネル１１０の透過物側に直接アクセスするパージ流れを提供し、総合的な膜モジュール本体に各膜チャンネルを透過するためのパージ流れを導入し、結果として、以前よりもずっと改善された機械的完全性と、より安価な組立てコストを提供する。
【００４４】
各供給チャンネルにパージ流れを導入する方法の１つとして、モジュールまたは本体基体１５０の中心チャンネル２１０は、パージ流れ２８０を導入し、透過物１８５２を、多孔質のモジュール基体１５０から出し、互いに接続された細孔１５２を通じて、個々の膜チャンネル１１０にパージのアクセスを可能にするため、モジュール本体１５２２の外表面にパージする。ゆえに、パージ流れ２８０は、中心線に沿って導入され、放射線状にモジュールまたは本体１５０の外側へ押し出される。パージ流れ２８０は、担体基体本体１５０の互いに接続された細孔または曲がりくねった経路１５２を通じて流れるため、供給流れ１１０のすべてが透過物の側に掃引される。これは、単純化のために図１および図１Ａに示したような、２層のチャンネルに限定されるわけではなく、多くの層であって構わない。一般に、供給チャンネル１１０が外表面に近づくほど、透過流れの抵抗性が弱くなり、パージ流れの必要は少なくなる。
【００４５】
この放射線状の掃引流れの設計を効果的に行うため、モジュール直径１０２は、モジュール本体１５０の細孔および孔隙率に比例(相応)することが好ましい。放射線状の掃引の設計のためには、モジュール基体１５０の担体基体を全体に渡って均一にする必要があり、供給チャンネル１１０を対称的に分散させる必要がある。
【００４６】
放射線状の掃引流れのモジュール設計のためには、モジュール直径またはモジュール水力直径１０２は重要であり、また、約９〜１００ｍｍであることが好ましい。直径１０２が大きすぎる場合、パージ流れの抵抗は大きくなる。直径が小さすぎる場合は、モジュールは、操作や取り付けを行うのに十分な強度ではないであろう。よって、モジュール直径は、１０〜１００ｍｍが、さらに好ましい。モジュールまたは本体１５０は、直径に対する長さ、もしくはアスペクト比が１以上である円筒状の形態が好ましい。第１の複数の供給流れの経路１１０は、平行に並んだ多数の流れのチャンネルであり、両端が供給流れ１８０の輸送のために開放されており、チャンネルの大きさは０．２〜５ｍｍ、チャンネル密度は１．５５〜１５５セル/ｃｍ２ (１０〜１０００セル/ｉｎ２)、開放前面面積が０．２〜０．８である。パージ流れの経路またはチャンネル２１０は、掃引流れを導入するため、本体１５０の中央線に沿って配置され、本体１５０の長さ１０４と同じかそれ以上の長さで、直径は約１〜１０ｍｍであり、掃引流れのポートを提供する。多孔質の本体基体１５０は、掃引流れ２８０のための曲がりくねった経路１５２を形成し、細孔の大きさは約０．２〜２０μｍ、孔隙率は約０．２５〜０．７５である。膜処理の用途のため、分離膜フィルム１４０を供給流れ１１０の壁面１１４に積層し、第２または掃引流れチャンネル２１０の壁面には積層しない。しかしながら、第２の流れのための流路またはパージ流路または経路２１０は、複合性の触媒反応(combined-catalytic reaction)のための触媒層でコーティングすることが可能である。
【００４７】
いずれにせよ、膜モジュールの本体１５０は、成形、もしくはセラミック・モノリスと共に用いられるのと同一の押出し工程により作製することが可能である。パージチャンネルまたは経路２１０は、第１の複数の供給流れ経路１１０として、同時に押し出し成形できる。あるいは、パージチャンネルまたは経路２１０は、モノリス本体１５０の中心線にドリルで穴を開けることによって作製することも可能である。
【００４８】
図２、図２Ａおよび図３を参照すると、図１に概略的に示される容器３００に関し、多くの収納可能な構造の中から、２つの代替可能な実施の態様が、側面図で示されている。図２、図２Ａおよび図３は、図１に図示した本体またはモジュール１５０を用いた膜装置１０を図示したものである。装置１０の基本的な構成には、図１に示す膜モジュールまたは本体１５０、および、空洞を提供し、その中へ取り込む、容器または収納３００が含まれる。ポートを提供するため、容器３００は、適切な流体もしくは気体のダクト、供給流れ１８０を排出するための滞留物(retenate)連結管(manifold)３３４、掃引流れ２８０を導入するための掃引注入ポート３３５、ならびに、掃引流れ２８０および透過物１８５２の混合物を排出するための第２または透過物排出ポート３３６を通じて、供給流れ１８０を導入するための、供給連結管またはプレナム(plenum)３３３を含み、中央のパージ経路２１０の一端は、随意的に、図１に示すセメントもしくは他の栓材料で作製された栓２８８によって塞がれる。
【００４９】
本発明において示されるすべてのポートと同様、各ポートの位置は、単なる例示であり、示された正確な位置である必要はない。流束および処理状態が満たされている限り、ポートの位置は他の場所でも構わない。例えば、第２排出ポート３３６が図１および図２の片側にだけ示されているが、第２排出ポート３３６は、随意的に、代替として、もう一方の端に取り付けても良いであろうし、図３に示されるように、２つ以上の端に取り付けても良いであろう。放射線状の掃引流れの収納設計には、掃引流れの管理についての２つの選択肢がある。図２の最初の選択肢は、互いに接続された細孔もしくは曲がりくねった経路１５２を通じて、掃引流れ２８０のすべてが、本体１５０のモジュール基体内を通るようにし、透過物１８５２と一緒に排出される。
【００５０】
図３を参照すると、第２の選択肢として、掃引流れ２８０の一部が、モジュール基体本体１５０の曲がりくねった経路１５２を通じて押し進むように強いられ、残りは、図１の栓２８８で塞ぐ代わりに、掃引排出ポート３３８から排出される。残りの掃引流れ２８８は、流入するまたは内側の掃引流れ２８０として、圧力、方向、量、および異なる流体の流れおよび連結管における他の流れの状態を調節可能なプロセス制御器４００を通じて、再循環または連続して循環させることが可能である。
【００５１】
ポートまたは連結管３３３、３３６および３３４は、ポート相互間の流れの識別および分離のため、片側に、水平方向に図示されているが、流れ１８０および１８０２の出入りを軸方向または水平に調節するバルブまたはプロセス制御器４００などの外部調節を用いる代わりに、片側もしくはもう一方の側で、異なる流れが互いに分離され、混合が抑制されている限りにおいて、すべてまたは大部分のポートおよび連結管が垂直に配置され、重力によって自動的に流れ処理を調節できることは、好ましいことである。様々なポートおよび連結管の配置は、所望の流れが要望通りに、内側または外側に分離することができている限りは、自由裁量である。この構成では、生じる掃引流れはモジュール基体を通って押し出され、透過物をパージし、一方、残りの掃引流れは膜モジュールの外へ排出される。排出される掃引流れを、循環制御系４００を通じて掃引注入口へと循環して差し支えない。制御系４００には、循環ポンプ、流量調整器、圧力調整器などが含まれる。新しく投入される掃引流体２８８’は、循環流体と混ざり、膜モジュールに入る。
【００５２】
様々な構成および実施の形態がすでに知られており、供給およびパージ流れの注入口および排出口として利用可能である。これら注入口および排出口の異なる形態は、すでに、混合タンク、抽出容器、単一チャンネル膜管、ディスク状膜モジュールなどのように、多孔質のセラミックモジュール１５０を含まない、従来型の分離／混合／ろ過装置によって実現されている。本発明は、供給注入口から各供給チャンネルへの供給、および、供給チャンネルすべてから排出口への残りの成分の排出方法と同時に、注入口から掃引流れを導入し、多数のパージ流路に掃引流れを分散させ、掃引流れおよびパージ流路からの供給チャンネル由来の成分の混合物を回収し、多チャンネルが埋め込まれた本体１５０の排出口へと排出する方法を教示する。一般に、本発明の教示にしたがい、注入ポート３３３および３３５は、供給流れ１８０および掃引流れ２８０が、均一に、個々の第１または供給流れ１１０および掃引経路２１０および１５２にそれぞれ分散される方法で設計される。同同様に、排出ポート３３４および３３６は、個々のチャンネルから来る流体がすべて効率的に回収される方法で設計される。
【００５３】
図２もしくは３のいずれか、および図２Ａを参照すると、分離または精製工程において、供給流れ１８０は、供給流れの注入口１１０１の各々と連結している供給連結管またはプレナム３３３を通じて、図１の供給流れチャンネル１１０に導入される。直接連結する供給流れの経路１１０が１０００以上存在するなど、チャンネルが多すぎると仮定した場合、中央パージ流路２１０の周りの空間３１０は、供給流れ１８０が多数の供給経路１１０のそれぞれに流れるように提供される。モジュールまたは本体１５０の２つの端において、流れまたは掃引仕切り３５０として機能する目的で、対向するエンドキャップ３７０の内側、またはそれに結合して、あるいはその近くにシーリング剤が存在し、供給流れ２８０が、空洞または空隙３１０に入らないよう分離することが好ましい。エンドキャップ３７０は、例えば、流体の密封を形成するためのＯリングなどの仕切り３５０によって、複数の供給経路１１０を封止する。
【００５４】
供給流れ１８０は、供給チャンネル１１０のそれぞれを通過し、網目状の連結管３３４を通じて、図１の膜モジュールまたは本体１５０から排出される。その一方で、掃引流れ２８０は、掃引注入ポート３３５によって導入され、掃引注入口３３５が図１のパージ注入口２１０１と連結することにより、掃引流れチャンネル２１０へと流れ、曲がりくねった経路１５２を経由して膜本体基体１５０から外へ透過物１８５２を掃引する。透過物１８５２は、膜モジュールまたは本体１５０および容器または収納３００の壁面または外表面の間にある空隙、空間または空洞３１０を介して回収され、透過物排出ポート３３６を介して排出される。
【００５５】
図４を参照すると、図１〜３と同じく一般的な教示が、放射線状の掃引流れに水平に配置された図１の装置１０の別の実施の態様に適用されて構わない。多孔質の本体１５０は、細孔の容積全体の２０％よりも多くが約１０ｎｍ〜２０μｍの細孔サイズを有するような細孔と接続した空隙を伴って、互いに接続した細孔１５２を持つセラミックのモノリス担体基体を持つ。セラミックのモノリス担体基体本体１５０の孔隙率は、約２０〜８０％が好ましい。第１の複数の供給流れの経路１１０のそれぞれを取り囲む経路の壁面１１４は、約０．２〜５ｍｍのチャンネル水力直径１１２を規定する。供給流れの経路１１０は、約１．５５〜７７．５セル／ｃｍ２（約１０〜５００セル/ｉｎ２）のチャンネル密度で分散され、開放前面面積（ＯＦＡ）の百分率は約１０〜５０％である。一般に、供給流れの経路１１０のチャンネル密度は、第２の掃引チャンネルが現存するのだから、供給流れの経路自身および図１のＯＦＡの元々の密度の半分になるべきである。したがって、新しい第１の複数の供給チャンネル密度は、約０．７７５〜７７．５セル／ｃｍ２（約５〜５００セル/ｉｎ２）であることが好ましく、開放前面面積（ＯＦＡ）の百分率は約１０〜４０％であることが好ましい。
【００５６】
図１の単一パージ経路の代わりに、図４では、第２の複数または多数のパージ流路２１０が示されている。パージ流路またはパージ経路２１０では、供給経路またはチャンネル１１０の供給流れとは大きく異なるパージ流れの形状、大きさ、および孔隙率であってよい。すでに教示されたとおり、供給チャンネル１１０は、円形で、尖った角がないことが好ましく、随意的に膜フィルム１４０でコーティングされていても構わない。それに対して、パージ流路または経路２１０は、コーティングされていないか、もしくは複合性の触媒反応のための触媒層でコーティングされている。さらには、図４では、単純化のため円形で示してあるが、パージ流路２１０は、供給チャンネル１１０と似たチャンネル形態であって構わない。ただし、細長い長方形の形状でなくではならない。他の可能なパージまたは第２の流れの流路の形状には、正方形、六角形、または他の水理幾何が含まれる。
【００５７】
第２の複数のパージ流路２１０は、チャンネル流路の水力直径２１２が約０．２〜１０ｍｍであることが好ましい。第２の複数のパージ流路２１０は、約１．５５〜７７．５セル／ｃｍ２（約１０〜５００セル/ｉｎ２）のチャンネルまたは流路密度で分散され、開放前面面積（ＯＦＡ）の百分率は約１０〜５０％である。
【００５８】
第１の複数の供給流れ経路１１０は、第２の複数のパージ流路２１０と少なくとも１箇所で重なり、重なり角は０°〜９０°である。２つの複数または多数の供給経路１１０およびパージ流路２１０は、代替案として、転心において、互いの上に位置することが想定可能であり、掃引流路２１０の軸方向の配置にとって、０°〜９０°で旋回させることができる。０°〜９０°の間の重なり角での重なりとともに、第１の複数の供給流れ経路１１０と第２の複数のパージ流路２１０の間の経路壁は、仕切りの壁厚４３０が０．２〜５ｍｍであり、０．５ｍｍよりも厚いことが好ましい。
【００５９】
図面の枚数を最小限にするため、すべての重なり角が示されているわけではない。しかしながら、図４では、重なり角は９０°であり、第２の複数のパージ流路２１０は、垂直に配置されている。第１の複数の供給流れ経路１１０は、開放されている対向した供給部分１１０１および１１０２、ならびに、開放された対向した掃引部分を通じて、パージ注入口２１０１およびパージ排出口２１０２を有する軸方向に掃引流れ２８０を輸送するため、開放されている対向した供給端に対して垂直に、反対側にある本体１５０上の第２の複数のパージ流路２１０を提供するための開放された対向した掃引部分を有する。
【００６０】
図５を参照すると、図４のセラミック膜モジュールまたは本体１５０のみが示されている。本体または膜モジュール１５０の一部には、次のものが含まれる：細孔の大きさが１０ｎｍ〜２０μｍ、孔隙率が０．２５〜０．７５の多孔質の基体；供給流れ１８０のために両端が開放されている、チャンネルサイズ１１２が約０．５〜５ｍｍ、チャンネル密度が約１．５５〜６２．０セル／ｃｍ２（約１０〜４００セル/ｉｎ２）、開放前面面積が０．３〜０．７の、多数の並列に配置された供給流れチャンネル１１０；供給流れチャンネル１１０に隣接し、供給チャンネル１１０に対して垂直方向に位置する、掃引流れのために両端が開放されている、チャンネルサイズ２１２が約０．５〜５ｍｍ、チャンネル密度が約１．５５〜６２．０セル／ｃｍ２（約１０〜４００セル/ｉｎ２）、開放前面面積が０．３〜０．７の、多数のパージ流れチャンネルまたは流路２１０； および、仕切りの壁厚４３０が０．５〜３ｍｍの、掃引流れおよび供給流れチャンネル／流路の間の分離壁。チャンネルの大きさおよび形状は、供給およびパージチャンネル／流路１１０および２１０のチャンネル密度と同様、同一である必要はない。担体または本体１５０が、水素などの気体を分離するための約１００〜１０００ｍ２／ｍ３の広い表面積を提供し、その上、良好な機械的強度も提供するように、供給流れチャンネル１１０の大きさは小さく、約１ｍｍであることが好ましい。
【００６１】
担体モジュールまたは本体１５０は、横断面の面積が１０ｍｍ〜５０ｍｍ、長さが５０ｍｍ〜３０００ｍｍとなるように建設されているとしても、この種類のモジュール設計にとって、寸法の制限はない。断面は、円形または図１２に示すように必要とされるパッケージに基づいて正方形の形状であって構わない。供給側のチャンネル密度および大きさは、それぞれ約１．５５〜６２．０セル／ｃｍ２（約１０〜４００セル/ｉｎ２）および０．５〜５ｍｍである。掃引側のチャンネル密度および大きさは、それぞれ約１．５５〜６２．０セル／ｃｍ２（約１０〜４００セル/ｉｎ２）および０．５〜５ｍｍである。供給チャンネル層１１０および第２または掃引チャンネル層２１０は、代替として、積み重ねられ、流れの方向は交差している。供給チャンネル１１０の小さいチャンネルサイズ（１〜２ｍｍ）および、供給１１０および第２の流れ、透過物、掃引もしくはパージチャンネル２１０の代替物の積み重ねは、特定の分離面積を増進し、モジュールまたは本体１５０の機械的完全性を強化し、担体基体本体１５０の内側の、相互に接続した細孔または曲がりくねった経路１５２に通じる拡散経路を短くする。供給チャンネルの形状は、円形が好ましい。供給側と掃引側を隔てる壁は、細孔の大きさが約５ｎｍ〜５０００ｎｍ、孔隙率が約０．１〜０．８の多孔質材料で作製される。細孔は、細孔の網目状組織１５２が担体基体に存在するように、相互に接続されていることが好ましい。
【００６２】
ゼオライト膜１４０および担体本体１５０の両方が、安価な材料前駆体から作製されることが好ましい。原材料コスト自体は、パラジウムを基礎とした材料よりも格段に安価であろう。主要なコストは、押出し成形の工程、担体のコーティング、およびゼオライト膜の合成に起因する。担体材料の候補としては、アルミナ、ムライト、チタン酸アルミナ、コージエライト、ＳｉＣおよび「バイコール」ガラス、もしくは他のセラミック材料が挙げられる。アルミナ材料は、むき出しの担体の上にコーティングされ、界面化学および微細構造を修正する。下記の表は、膜担体本体１５０の典型的な寸法の例を示すものである。実際の寸法は必要とされる適用の特定の種類に基づいて変更されるであろう。
【表１】
2008521595.tif 000003
【００６３】
膜モジュールまたは本体１５０は、いくつかの方法によって作製可能である。ある方法では、１つのシートにおける供給チャンネル幾何学１１０および別のシートにおけるパージ流路幾何学で押出し成型される個々のシートは、素地の形態に、代わりに積み重ねられてもよい。次に、組立て品を高温で焼成し、まとまった単一の本体を形成する。別の方法では、供給チャンネル１１０は、モノリスの形状に押出し成型される。パージ流路２１０は、ドリルで穴を開けるか、第２の成型工程によって、押出し成型された素地で作られる。次に、本体を高温で焼成し、機械的強度を得る。モジュールの大きさに理論上の限界はない。しかしながら、効果的な膜分離の実施にとって、膜モジュールまたは本体１５０は、アスペクト比（長さ／直径）が１より大きい、すなわち、完全な立方体のような形状ではないことが好ましい。
【００６４】
メソポーラス材料である随意的な中間層１６０は、担体の供給チャンネル壁１１２にコーティングをすることが必要であろう。中間コーティング層１６０は、厚さが約０〜１００μｍ、細孔の大きさが１ｎｍ〜約１００ｎｍである。中間コーティング材料１６０の例には、アルミナ、シリカなどが含まれる。中間コーティング材料１６０は、ゾル・ゲル法などの湿式化学法によって適用可能である。
【００６５】
ゼオライト膜層１４０は、随意的な中間層１６０より上の、供給チャンネル壁１１２上に積層される。ゼオライト合成工程の間、掃引側もしくは掃引または第２の流路２１０上のチャンネルもしくはチャンネル壁２１０は、一般に、ゼオライトのコーティングからの隔離、被覆、もしくは他の保護を必要とする。ゼオライト材料の選択は、必要とされる特定の分離工程によって決定される。疎水性には、シリカライトまたは多結晶のＭＦＴ型ゼオライトが必要とされる。親水性にとっては、Ａ型ゼオライトが好ましい。大きな細孔サイズには、ＸまたはＹ型のゼオライトが好ましい。高いイオン交換容量には、アルミナ／シリカの比が低いゼオライトが必要とされる。成長を促進させるためには、ゼオライト結晶の種を、まず担体または本体１５０に積層することが必要であろう。
【００６６】
ゼオライトが成長する以前にゼオライト結晶間およびゼオライトと担体の間に形成された間隙または小さい穴を、ゼオライトが封止するために、ゼオライトを複数回成長させることが必要であろう。担体または本体１５０が適切な寸法で作製されない場合、小さく長い流れチャンネル１１０の内側に欠陥のないゼオライト膜１４０を調製することは、材料加工の難しい課題である。
【００６７】
ゼオライト結晶は、担体または本体１５０と結合し、必要な密着強度を有することが必要である。担体１５０の化学組成物および微細構造は、しばしば、ゼオライト膜１４０の調製に影響を与える。個々のゼオライト結晶中の間隙は、結晶の群生(inter-growth)によって塞がれなければならない。ゼオライト膜１４０にゼオライトの分離機能を発揮させるためには、ゼオライトチャンネル１１０が分離流れのための流れ経路のみで構成されるように、欠陥もしくはゼオライトチャンネルよりも大きいピンホールは封止する必要がある。よって、ゼオライト膜１４０の性質は、適切に管理された方法を用いて適切な合成条件下で調製される。
【００６８】
ゼオライト膜の生成および基本的理解については、著しく進歩している。用いるゼオライト材料としては、Ａ型、Ｙ型、ＭＦＩ型のゼオライトおよびシリカライトが挙げられ、一方、ゼオライト膜を補助するのに用いられる担体材料には、γ‐アルミナ、α‐アルミナ、ＳｉＣ、コージエライト、および「バイコール」ガラスが挙げられる。本発明にかかる水素パージ作用もしくは適用の改良にとって好ましい、ケイ酸含有量の高いＭＦＩ型のゼオライトは、広範囲にわたって文字どおり研究されている。ゼオライト膜の合成技術は、大まかに（１）その場水熱合成法、および（２）二次成長および気相輸送法、に分類される。その場水熱合成法の基本的な手順は、担体または本体１５０を合成液またはゲルと直接接触させ、次に、熱水条件下で担体１５０の表面にゼオライトフィルムを成長させる。多くの事例では、ゼオライト膜のその場合成はゼオライト粉末合成と似た条件下で行われる。二次成長方法は、２つの工程から成る。最初の工程は、ゼオライト結晶の種で担体をコーティングすることであり、二番目の工程は、熱水合成によって、種層を途切れのないゼオライトフィルムに成長させることである。典型的には、安定した液相中で生成する小さいゼオライト結晶は、機械的洗浄または浸漬コーティング技術のいずれかによってゼオライトの種を植え付けるのに用いられる。二次成長法における第２の工程の目的は、種を、結晶の間に隙間を生じさせずに、連続した膜へと成長させることである。第２工程は、その場合成の手順とまったく同じように行う。その場合成と比較して、二次成長法は、大量の希釈合成液、より低い合成温度、および、より短い合成時間を必要とする。
【００６９】
ゼオライトの分離機能を発揮する膜に関しては、文献で報告されており、そこにはゼオライト膜生成の基本的な実現可能性が示されている。しかしながら、小さいディスクや単一の管に基づいた合成法を、多チャンネルおよび／または長い管にスケールアップすることは、別の難しい課題であることがわかる。所望のモノリス構造は、供給チャンネルの大きさが約１ｍｍ、長さが＞３０ｃｍであり、以前に用いられていたものと比較して、非常に狭く、長い。こういった小さく長いチャンネル１１０の内側にゼオライト膜１４０を積層することは、未だに大きな技術的課題ではあるが、本発明にかかる教示によってすでに示されたとおり、モノリス担体本体１５０の孔隙率を増大させることによって、流束を改善することについては大きな可能性がある。
【００７０】
図６、図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、図５のモジュールまたは本体１５０の利用による膜装置の処理の概略図が、装置１０に含まれた本体１５０を示す図４の単純化された斜視図と同じように示されている。装置１０のための基本的な構成部品には、膜モジュールまたは本体１５０を包含するための空洞、隙間または空間３１０を提供するための
容器または収納３００が含まれる。
【００７１】
注入および排出パージポート３３５および３３６が、一体化していない場合、あるいは、物理的にパージ流路の流れ注入口２１０１および排出口２１０２の開口部に、材料に適合したプレナム、フェルール、もしくはコネクタを通じて接続され、物質が直接ポートされてしまい、適切な調節および適切な材料の適合が必要とされる場合、非常に多くの供給経路１１０へのポートにとっては、配置のアンバランスおよび材料の不適合は、もはや障害ではないであろうことから、間接的または自由流れのポート組立体がより容易でより経済的であろう。容器３００の壁とモジュール本体１５０の間の空間または空隙３１０は、注入ポート３３５から多数または１つのパージ流れ流路２１０のプレナムにパージ流れ２８０を分散させ、多数または１つのパージ流れ流路２１０から排出ポート３３６へとパージ流れを回収することが必要であろう。したがって、パージ注入口３３５をパージ排出口３３６から分離するには、スペーサまたは掃引仕切り６５０が必要である。そこには１つの掃引流れのみが存在しなくてはならず、単一の掃引流れは、膜モジュール１５０内をワンススルー(once-through)やジグザグなどの異なるパターンで自由に移動し、掃引流れ２８０と一緒に透過物１８５２を掃引することが可能である。そのことは、掃引の主目的である。しかしながら、透過物１８５２が掃引されない場所に入り込んでしまった場合、「デッドスペース」〜利用されない空間〜が生じるであろう。したがって、空間３１０は、掃引流れ２８０のための余分のパージ流路を提供し、本体１５０の外表面からの透過物を掃引する。掃引流れが本体１５０の必要とされる表面すべてに滑らかにアクセスできるようするためには、収納または容器の形状は、「デッドスペース」を最小限にするため、図に示すように、円または丸みを帯びていることが好ましい。しかしながら、容器の形状は、尖った角がない他の形状でも差し支えない。
【００７２】
供給連結管３３３は、プレナムまたは他のダクト装置を通じて供給流れ１８０を導入する。網目状の連結管３３４は、排出口１８０２として、供給流れ１８０を排出する。パージ注入ポート３３５は掃引流れ２８０を導入し、パージ排出ポート３３６は排出口２１０２として掃引流れを排出する。
【００７３】
図６および図６Ａを参照すると、流れの仕切り３５０は、供給流れ１８０を掃引流れ２８０と分離する目的で、本体１５０および容器３００の間の空間３１０に配置される。この流れの仕切り３５０は、弾力性のある材料で作製される分離第１密封パッケージではあるが、特定の処理の適用に耐久性があるであろう。例えば、流れの仕切り３５０は、弾力性のあるディスク、もしくは、本体１５０の周縁を取り囲む適切な大きさのＯ−リングであって構わない。あるいは、流れの仕切りは、特徴または収納における他の突き出た特性(protruding features)を止める(detent)ことができる。この流れの仕切り３５０は、注入供給流れ１８０が最初に導入され、または最後に統合される場所に近いモジュールまたは本体１５０の両端で、供給流れ１８０を掃引流れ２１０から分離する。
【００７４】
収納または容器３００の材料は、用途によって決まる。高温および／または高圧の適用には、容器３００は鋼鉄、典型的にはステンレス鋼から作製される必要がある。モジュールまたは本体１５０は取り外し可能でなくてはならないため、仕切りは収納または容器３００の一部でないことが好ましい。しかしながら、仕切りの設置／取り外しが簡単で、漏れが生じない方法で、収納または容器３００に何らかの機能を内蔵しても構わない。
【００７５】
容器３００の形状は、カラムまたは管などの円筒型であることが好ましい。いずれの形状の容器３００においてもデッドスペースは存在するが、優れた収納設計によって最小限にできるであろう。図６および図６Ｂを参照すると、掃引仕切り６５０として機能する第２の密封パッケージは、掃引流れ２１０の注入口２１０１および排出口２１０２を分割する。一例として、弾力性のある細長い形状をした２つの掃引仕切り６５０は、直径の対向する両端に沿って配置され、直径を二分し、注入および排出掃引ポート３３５および３３６を提供して差し支えない。容器３００は円筒型であり、本体１５０もまた、図４に示すとおり、円筒型の形状であり、残りの空間３１０とともに容器３００内に収まるのに十分小さいサイズであることから、掃引仕切りまたは第２密封パッケージ６５０は、似たようなアーチ型の形状をしたシリコンまたは他の種類の耐久性のある弾力性のある細長い形状であってよく、パージ流れ２８０の排出口から注入口を分離するために、注入および排出掃引流れ２８０に垂直に、隣接して、リング状の部分３１０を二等分する対向したアーチ状の空間に配置されて差し支えない。本体またはモジュール１５０は円形の断面と共に円筒型として図に示されているが、すでに図１２に関連して論じたとおり、モジュールまたは本体１５０は、直方体、もしくは正方形、六角形、または長方形の断面を有する、他の形状をしたモノリスなど、いずれの形状であってもよい。
【００７６】
図１４を参照すると、容器３００が円筒型で、本体１５０Ｃが正方形の形状で、円筒側の横断面を４つに分割されたアーチ型の空間または間隙３１０になるように分割するのにちょうど十分な大きさであった場合、掃引仕切りまたは第２密封パッケージ６５０Ｃは、似たようなアーチ型の形状のシリコンまたは他の種類の耐久性のある弾力性のあるガスケットであってよく、パージ流れ２８０の注入口と排出口を分離するために、注入および排出掃引流れのアーチ型の空間部分３１０に垂直に、隣接して、対向したアーチ型の空間に配置され、提供される空間にうまく適合する形状であって差し支えない。
【００７７】
あるいは、容器３００が長方形である場合は、掃引仕切りまたは第２密封パッケージ６５０は、似たような形状をした薄いシリコン層または他の種類の耐久性のある弾力性のあるガスケットであってよく、パージ流れ２８０の注入口と排出口を分離するために、注入および排出掃引流れのアーチ型の空間部分３１０に垂直に、隣接して、対向した長方形の空間部分に配置され、提供される上部および底部の空間にうまく適合する形状であって差し支えない。２層の代わりに、掃引仕切りまたは第２の密封パッケージ６５０は、２つの分割された空間、もしくは、本体１５０から上または下方向に伸びる、よう壁(retaining wall)であり、本体１５０と容器３００の間にある、本体１５０の上下の空隙もしくは空間３１０を通じてパージ流れ２８０の迂回路を遮断して構わない。
【００７８】
また図６および図６Ｂを参照すると、分離工程には、典型的に、供給流れ１８０と掃引流れ２８０の間に大きな勾配圧力またはΔＰ（２×１０５〜３５×１０５Ｐａ）１７０が存在する。したがって、流れの仕切り３５０は、分離膜を通じて流れることなしに、供給流れ１８０が掃引流れ２８０に入ることを妨げるのに十分な強度が必要とされる。対照的に、パージ流れ注入口２１０１と排出側２１０２の間には、それほど大きな勾配圧力は存在しない（＜０．５×１０５Ｐａ）。掃引仕切り６５０は、流入する掃引流れ２８０を、膜本体１５０の外側にある開放された開口部もしくは穴２１０１を通じて、膜本体１５０の内側のパージ流れチャンネル２１０に入るように強いる。したがって、図１〜６に示す膜装置では、単純で単一な一の掃引工程のみを行うことが可能である。
【００７９】
再度、図６および図６Ｂを参照すると、供給流れ１８０と掃引流れ２８０を分割する流れの仕切り３５０のための仕切りの材料は、軟ステンレス鋼、グラファイト、高密度セラミックス、炭素複合繊維などから、Ｏ−リングもしくはフェルールの形状で作製することができる。この種の密封パッケージ材は、一般に、高価ではあるが、市販されている。供給流れ１８０と掃引流れ２８０の間に、大きな圧力勾配を適用することから、この高価な材料は、機械力下で空間を密封するのに用いられる。
【００８０】
しかしながら、掃引流れ２８０のための仕切り材６５０は、高い圧力差に耐える必要はないことから、多くの材料が利用可能である。グラファイト、高温耐性の「テフロン」(登録商標)、石英ウール、ガラス繊維、ファイバーフレックスなどで作製されたＯ−リングなどの可撓性材料であることが好ましい。他の多くの別の種類の作動条件下で安定な材料が市販されている。
【００８１】
図７、７Ａおよび７Ｂを参照すると、図５に示す同様の単一の膜装置１５０を用いて、多段式の掃引を可能にしている。例に示すような半円の仕切りリング、各パージ流路の開口部に挿入された２つの円形の栓、もしくは、パージ流路の２つの開口部を覆う収納の、上下の表面に接するための単に長方形のストリップ(strip)、として用いられる付加的な既知の仕切り３５８および３５８’は、パージ流れ２８０が流路２１０を通じて頻繁に滲出することから、パージ流れ流路の注入口と排出口を分離するため、角の掃引の仕切り３５０の同一の側に配置される。リングまたはストリップは、容器３００およびモジュール本体１５０の形状に応じて、掃引流れの分離に利用可能である。したがって、仕切りは、容器が３００である場合、アーチ型の部分もしくは半円の仕切りリングであってよい。図７に示す付加的な掃引もしくは既知の仕切り３５８は、ジグザグの掃引流れを作り出し、膜の性能を向上させる。例えば、パージ流れは右側から開始し、パージ流路２１０を通じて左側へ移動し、パージ流路２１０を通じて右側に戻り、左側へ移動する、といった具合である。
【００８２】
したがって、図７に示すとおり、膜モジュール本体１５０に沿ったジグザグの掃引流れの経路は、付加的な掃引仕切り３５８および３５８’を、膜本体１５０に沿って、あるパターンで分散させることによって作り出すことができる。図７に示すパターンのジグザグによって、掃引流れ８１０は、入り口における掃引流れの流入２１０に逆らって流れている。したがって、全体的な逆行する掃引処理は、全体的な流れの方向が供給流れの方向と反対であるところにもたらされる。
【００８３】
図８を参照すると、パージ流路２１０と供給経路１１０の間の重なり角は、図４の９０°に代えて、今度は０°であり、他はすべて同様になっている。したがって、第２の複数のパージ流路２１０は、第１の複数の供給流れ経路１１０と平行に配置される。しかしながら、パージ流路２１０は、両端が塞がれている。よって、少なくとも２つのパージ注入口および排出口は、掃引流れ２８０をパージ注入開口部２１０１から、本体にある第２の複数のパージ流路２１０へと輸送し、またパージ流れ混合物１８５２を本体にある第２の複数のパージ流路２１０からパージ排出開口部２１０２へと排出するため、栓をした開口部と垂直になるように、対向する側の本体に連結した少なくとも１つの開口部を包含する。
【００８４】
したがって、多数の流れチャンネル１１０は、平行に配置され、供給流れ１８０のために両端１１０１および１１０２が開かれ、チャンネルの大きさ１１２は約０．２〜５ｍｍ、チャンネル密度（約１．５５〜１５５セル／ｃｍ２（約１０〜１０００セル/ｉｎ２））、および開放前面面積は０．２〜０．８である。掃引流れ流路２１０の多数もしくは１つの層は、供給流れチャンネル１１０の他の層に隣接し、平行に重なるように配置される。掃引流路２１０は、ずらされ(offset）または供給チャンネル１１０と一緒に直線的に配置せず、機械的完全性を最大限にすることが好ましい。しかしながら、最大の掃引効果を確保するため、掃引流路２１０があたかも、供給チャンネル１１０によって定義される正方形の４つの角の中心に位置するかのように、各掃引流路が４つの流れチャンネル１１０の内側に集中することが好ましい。掃引流路２１０は、掃引流れ２１０が、流路もしくはチャンネルの大きさ２１２が約０．２〜５ｍｍ、チャンネル密度が約１．５５〜１５５セル／ｃｍ２（約１０〜１０００セル/ｉｎ２）、および開放前面面積が０．２〜０．８で通るように、両端が閉じられている。開口部(aperture)２１０１および出口２１０２は、一直線になるようには接続されていないが、オフセットで、掃引流れが掃引流路２１０に注がれるようにし、隣接した供給チャンネル壁１１４を最大限にきれいに掃除する。排出経路(egress)の断面においてパージ排出開口部２１０２と直線的に直接接続された各パージ注入開口部２１０１を持たないことによって期間的完全性を最大限にするため、膜本体１５０の外側の表面にある同じ開口部の一部として、供給チャンネル１１０の両端の近くにおいて、多数の排出経路９２１は、穴または開口部２１０１および２１０２と接続している。排出経路９２１は、本体１５０の内側の各掃引流れチャンネルまたは流路２１０を切断し、等分し、妨害し、あるいは反対に、外側の開口部２１０１または２１０２に接続される。排出経路９２１の幅または注入または排出開口部２１０１または２１０２は掃引チャンネルの大きさ２１２と同じかまたは小さい。排出経路９２１の長さ、もしくは、注入または排出開口部２１０１または２１０２は掃引チャンネルの大きさ２１２と同じかまたは大きい。開口部の深さまたは排出経路９２１の長さは、すべての掃引流路２１０よりも長く、掃引チャンネルの大きさ２１２と同じかまたは大きくなるようにし、注入口または排出口２１０１または２１０２における本体１５０の外表面から最後の掃引チャンネルまでの開口部の深さが連続するようにする。供給およびパージ流れチャンネル１１０および２１０の間の仕切りの壁厚４３０は、約０．５〜３ｍｍである。本体１５０は細孔の大きさが約１０ｎｍ〜２０μｍ、孔隙率は約０．２５〜０．７５の多孔質基体であることが好ましい。
【００８５】
図９を参照すると、図９の円筒型本体１５０が示されている。他の形状のモノリス本体１５０も、図１２で論じたとおり、本発明にかかる教示にしたがって利用可能であることは好ましいことである。
【００８６】
図１０、１０Ａおよび１１を参照すると、図９に示したものと同様の本体１５０は、容器３００によって封入され、また、設置されて空隙３１０を提供する。パージもしくは掃引注入ポート３３５または排出ポート３３６は、モジュールまたは本体１５０の外側から、本体１５０の内側の個々のパージ流れチャンネルまたは流路２１０にパージ流れ２８０を導入するため、もしくは、本体１５０の内側の個々のパージチャンネル２１０から膜本体１５０の外側に流れを引き込むための連結管の機能を果たす。ポート３３５または３３６のそれぞれのための排出経路９２１の各開口部、穴、または開口は、１列のパージ流れチャンネル２１０に関連する。必要に応じて、３箇所以上のパージポート３３５および３３６のための開口部を、掃引流速に基づいて作製することが可能である。供給流れの容積率に対する掃引流れの容積率の比は、１０よりも小さいことが好ましい。
【００８７】
本体１５０の膜モジュールは、セラミック・モノリス用などの押出し成型法によって作製可能であり、さらに、経済的な鋳造法もまた利用可能である。連結管のスリットとしての役割をする開口のための注入または排出開口部２１０１および２１０２を含む排出経路９２１は、焼成前に、モノリス素地に設けられる。多数の穴あけ機を用いて、本体の外側から内側の方向に向かって穴をあけることができる。両端のパージ流れチャンネルまたは流路２１０は、焼成後に、セメントなどの栓材料９５８を用いて塞ぐことができる。栓材料９５８は、押出し成型本体１５０と同一または同様の熱膨張係数を有することが好ましい。さらには、栓材料９５８は、パージおよび供給流れ相互間に、流れの交換を避けるため、機密性、および、流れの仕切りとしての役割も必要とされる。モジュールの大きさに制限はない。しかしながら、モジュールまたは本体１５０は、＞１または＞５などの高いアスペクト比（直径に対する長さ）であることが好ましい。モジュール横断面は、図１２を参照して論じたとおり、正方形、長方形、六角形または円形の形状で作製されることが好ましい。
【００８８】
他の実施の態様の場合、装置１０のための基本的な構成部品には、図９の膜モジュール１５０、容器または収納３００、供給流れ１８０を導入するための供給連結管３３３、供給流れ１８０を排出するための網目状の連結管３３４、掃引流れ２８０を導入するためのパージ注入ポート３３５、および掃引流れ２８０を排出するためのパージ排出ポート３３６が含まれる。
【００８９】
図６に見られるように、パージ流れ２８０と掃引流れ１８０を分離するため、モジュールまたは本体１５０の両端で流れの仕切りとして機能するための対向したエンドキャップ３７０の内側の流れの仕切り３５０には、シーリング材があることが好ましい。エンドキャップ３７０は、例えば流体を密封するための、Ｏ−リングなどの流れの仕切り３５０によって、複数の供給経路１１０に対して封止される。
【００９０】
再度、図１０、１０Ａおよび１１を参照すると、Ｏ−リングもしくは他の種類の密閉リングなどの掃引仕切り６５０は、掃引流れ２８０の注入口２１０１と排出口２１０２を分割する。空間または空隙３１０は、膜本体１５０および容器３００の壁の間に存在する。空隙３１０は、掃引供給３３５をモジュールまたは本体の内側のパージ流路２１０に分布させるためにある。
【００９１】
掃引仕切り６５０は、その空隙３１０の部分を満たし、掃引流れ２８０が空隙３１０を通じて流れること、および、パージ流れチャンネル２１０を迂回することを防ぐ。したがって、掃引仕切り６５０は、入ってくる掃引流れが、膜本体１５０の外側開口部または穴２１０１を通じて、膜本体１５０の内側のパージ流れチャンネルまたは流路２１０に入るように強いる。容器３００が円筒型であり、本体１５０が円筒型の形状で、残る空隙３１０とともに容器３００に収まるのに十分小さい大きさである場合、掃引仕切りまたは第２の密封パッケージ６５０は、注入口をパージ流れ２８０の排出口と分割するための空隙の環状部分３１０に配置された、同様の形状をしたアーチ型のケイ素、または、他の種類の二等分可能な弾力性のリングであって構わない。
【００９２】
図１３を参照すると、容器３００が円筒型で、本体１５０Ｃが正方形の形状で、円筒側の横断面を４つに分割されたアーチ型の空間または空隙３１０になるように分割するのにちょうど十分な大きさであった場合は、第１の密封パッケージまたは流れの仕切り３５０、および、掃引仕切りまたは第２の密封パッケージ６５０は、それぞれが、似たようなアーチ型の形状をしたケイ素または他の種類の丈夫な弾力性のあるガスケットの４片のセットであってよく、パージ流れ２８０の注入口と排出口を区分するために、注入および排出掃引流れのアーチ型の空間部分３１０に垂直に、隣接して、対向したアーチ型の空間に配置され、提供される空間にうまく適合する形状であって差し支えない。容器３００が長方形である場合、および、空隙３１０が十分に細い場合、長方形の本体１５０の周りのＯ−リング６５０および３５０もまた、充足するであろう。
【００９３】
再び図１０を参照すると、分離または精製工程では、供給流れ１８０は供給連結管３３３を通じて供給チャンネル１１０に導入され、供給チャンネル１１０を通じて移動し、網目状の連結管３３４を通じて膜モジュール本体１５０から排出される。一方、同時に、連続した第２の流体工程に見られるように、掃引流れ２８０は、パージ注入ポート３３５によって導入され、パージ流れチャンネルまたは流路２１０に入り、パージ排出ポート３３６から排出される。実線の矢印で示されるように、掃引流れの方向２８０は、逆流または、供給流れの方向１８０に対して反対の、平行方向であることが好ましい。しかしながら、単純に、反対端３３４で供給流れを導入し、もう一方の端３３３で供給流れを排出することにより、掃引流れの方向は供給流れの方向に対して同方向になる。あるいは、供給流れ１８０の元の実線の矢印の方向を保つので、掃引仕切り６５０は、パージ注入口２１０１として用いられるであろうパージ排出口３３６のさらに近くで作動させることによって、流れの方向を定める仕切りとしても機能させることが可能であり、パージ流れ２８０は、排出口３３５を通じて、元々示されたように反対方向において、排出されるであろう。したがって、流れの方向を定める仕切り６５０は、流れ１８０と２８０の間の相関的な方向を選択するため、本体１５０と容器３００の間の空隙３１０に配置され、ここで、流れの方向を定める仕切り６５０は、掃引流れ２８０の入り口部分と掃引流れの排出部分を分割し、パージ性能を最大限発揮させる目的で、掃引流れを、供給流れ１８０の方向と逆方向または同方向に流すようにすることが好ましい。
【００９４】
供給流れ１８０の一部またはほんの少しを、膜壁の互いに接続した細孔を通じて、掃引流れ２８０へと輸送し、透過物の経路１８５２を提供する。掃引流れ２６０は、それに関係する全パージ流路、注入口、排出口、および連結管と一緒に、本発明において、しばしば、掃引またはパージ流れとして参照されてはいるが、掃引流れ２８０は、供給流れ１８０である第１の流れとは別の、いかなる第２の流れであっても構わないということは、好ましいことである。
【００９５】
操作上、本発明にかかる膜パージ工程は、示された実施の態様のいずれかを利用することが可能である。２つの異なる種類の流体の流れ相互間の大量輸送または交換を包含する、吸着工程、抽出工程、および他の混合および反応工程として、膜モジュール装置１０は、高生産力および低コストが実現されるように、これらの工程を連続的な方法で行うことを可能にする。本体１５０の膜モジュール設計は、所望の性能を達成させる鍵である。膜モジュールは、２つの流れ相互間に大きな接触面積を有すること、および、担体基体１５０に対する高透過性を有することもまた必要とされる。
【００９６】
本発明にかかる装置１０は、２つの異なる流体の流れ１８０および２８０の混合に利用することもできる。掃引側から導入される１つの流体流れ２８０に、圧力勾配の下、多孔質の膜壁１４０を通じて、供給チャンネル１１０から導入される別の流体１８０を加える。これにより、２つの流体１８０および２８０を、さらに制御された方法で混合することができる。さらには、チャンネル壁にある互いに接続された細孔または曲がりくねった経路１５２の小さいサイズの細孔は、混合される流体を高度に分散させることができる。言い換えれば、ナノサイズまたはマイクロサイズの粒子の形成のための、小さい水滴またはドメイン・サイズの生成を可能にする。１つの事例は、ペリレンのナノ分子生成への利用である。ペリレンは、生物学および医療の分野で多く用いられる、蛍光性およびエレクトロルミネセンス性の色素である。細孔サイズが約１０〜１００ｎｍである膜モジュール本体１５０は、水性の溶液中でナノサイズのペリレン粒子を生成するのに利用可能である。ペリレンのエタノール溶液（１×１０−５〜１×１０−３Ｍ）を掃引側から膜モジュール装置１０に導入する一方、供給チャンネル１１０に水を満たし、流す。約０．１×１０５〜２．０×１０５Ｐａの圧力勾配１７０を、掃引２８０および供給流体１８０の間に適用し、ペリレン溶液が膜１４０を透過し水相へ入るようにする。膜の細孔の大きさは、水相に入るペリレンの大きさを限定する。結果として、１０〜１００ｎｍの大きさの、分散したペリレン粒子が水相に形成される。したがって、掃引および供給流路／チャンネル２１０／１１０の注入および排出を、以下に示す:
掃引側
入           高濃度のペリレンのエタノ−ル溶液
出           非流体、もしくは低濃度のエタノール溶液
供給側
入           ペリレン粒子を含まない、または低濃度のペリレン粒子の水溶液
出           高濃度のペリレン粒子の水溶液
したがって、ペリレンの粒度および粒度分布は、膜の細孔サイズおよびサイズ分布によって調節可能である。混合率は、圧力勾配および膜厚を調整することにより調節可能である。無機の膜１４０は、特に、有機材料を包含し、および／または高温が要求される、混合の工程に効果的である。
【００９７】
本体または膜１５０自身のちょうど良い細孔の大きさおよび細孔の大きさの配分（約１０〜１００ｎｍなど）は、膜層１４０を追加して配置することなく、混合工程に利用可能である。しかしながら、モジュールまたは本体１５０において、細孔サイズ（０．２〜２０μｍなど）が特定の適用に適さない場合、および／または適切な表面特性（滑らかさ、疎水性、親水性など）、その結果、膜フィルム１４０、または、単独あるいは膜フィルム１４０と一緒に用いられる（１０〜１００ｎｍの細孔の大きさで、など）、好ましくは無機材料で作製された改質層１６０は、担体の細孔の大きさおよび表面特性の改質に利用して構わない。
【００９８】
抽出工程は、本発明にかかる膜モジュール装置１０に利用可能な分離または精製技術の類のひとつである。吸着は、液相または気相であってよく、一方、抽出は、液相で行う。抽出の工程では、目標とする種は、２つの異なる液相の流体で異なる溶解度を有し、溶解性の低い流体中の種を、より溶解性のある流体の方へ抽出する。典型的な抽出工程では、２つの液相の流体を混合し、分配平衡に達するように接触させ、次に、２つの流体に分離する。２つの流体間の効果的な接触あるいは良好な抽出効果のため、２つの流体はよく混合する必要がある。しかしながら、２つの流体が従来の工程で良く混合される場合、それらを分割するのは困難である。それゆえ、従来の溶液抽出工程が、実績のある単位処理工程であるとしても、まだなお技術的限界がある。例えば、充填カラムまたはミキサー・セトラーなどの溶液抽出装置は、狭い流量範囲でのみ処理可能である。さらには、二相間の密度差を必要とする。
【００９９】
膜の装置１０は、抽出工程を連続的方法で行うことを可能にする。操作上、図１〜１３を含むいずれかの実施の態様を参照し、供給流れチャンネルまたは経路１１０の内表面または壁に配置された膜フィルム１４０が、吸着剤のフィルム層として利用するためのゼオライト材などの吸着剤である場合、装置１０の用途としては、供給および掃引流れ相互間の圧力差約０〜約２×１０５Ｐａ、温度０℃〜１００℃で連続的抽出工程に利用可能である。２つの流体は、膜層１４０に界面接触し、透過される第１の組成物１８５２の中の目標とする種が第１流体Ｉまたは供給流れ１８０から第２流体ＩＩ、掃引、パージ、または他のいずれかの第２の流れ２８０へ抽出される。このようにして、２つの大量の流体が最初の場所では互いに混ざり合わず、それゆえ、分離する必要もない。明らかに、抽出効果を大きくするには、界面積を（膜面積と同じく）可能な限り大きくする必要があり、多数の、小さいサイズの供給チャンネル１１０を利用する本発明によって、大きくできる。膜装置１０は、さらに、他の混合または反応工程にも利用可能であり、それには、１つの流体流れから他の経路への大量輸送が含まれ、また、大量輸送速度は界面積または膜表面積に比例する。したがって、膜厚は、膜１４０を通じて高い大量輸送速度を有するため、薄いことが必要とされる。ゆえに、膜装置１０は、連続的抽出工程を行うことに利用可能であり、ここで、供給液相流れの一成分または一部は、膜壁の界面接触を通じて、第２または掃引液体流体２８０の中へ輸送される。
【０１００】
したがって、本発明にかかる膜モジュール装置１０は、連続的抽出工程を行うこと利用可能である。膜抽出工程は、各相、粒子状物質を含む流体流れ１８５２の抽出、および同一または似た密度の２つの流体流れの利用のための流速の独立制御を可能にする。膜抽出工程では、溶質の種はラフィネート(raffinate)相１８０から抽出相２８０の中に、互いに接続された細孔または曲がりくねった経路１５２の膜細孔を通じて分散することによって移動する。ラフィネート相１８０は、抽出すべき溶質種を含む流体であり、一方で、抽出相２８０は、ラフィネートよりも溶質種に対する溶解性または親和性が高い流体である。ゆえに、膜を通じて拡散する溶質の原動力は、２つの異なる流体１８０および２８０における溶質の化学ポテンシャルの違いである。
【０１０１】
周知のように、溶媒系にとっての化学ポテンシャルは、溶媒に対する溶質の親和性に関係する。気相にとって、化学ポテンシャルは分圧に関連する。したがって、膜工程にとって、溶質をラフィネートから抽出物へと溶質を移動させる原動力は、化学ポテンシャルの差である。圧力勾配は、ラフィネートと抽出物を混合する結果となり、膜抽出工程を妨げるであろうことから、膜全体にわたって圧力差が存在しないことを適用すべきである。しかしながら、気体の膜混合工程では、圧力勾配をかけて、１つの流体を別の流体の中へと膜層を通じて適用しなければならない。
【０１０２】
１つの例では、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）溶媒による水溶液からの酢酸の抽出である。細孔サイズが約０．２〜２０μｍの膜モジュールを利用する。酢酸水溶液は供給チャンネル１１０から膜モジュールへ導入され、一方で、ＭＩＢＫ溶媒は掃引側からパージ流れ流路２１０へ導入される。供給流体１８０は、掃引流体２８０と同じ圧力で管理される。すなわち、１つの流体が他の流体に混じらないようにするため、圧力勾配は作らない。接触面は、多孔質膜層１４０にある２つの流体の流れ１８０および２８０の間に形成される。酢酸は、２０℃で、接触面において水溶液からＭＩＢＫ溶媒へ拡散する。したがって、以下に、供給および掃引チャンネル／流路１１０／２１０それぞれの注入および排出を例証する：
掃引側
入           酢酸を含まない、または、低濃度の酢酸のMIBK溶媒
出           高濃度の酢酸のＭＩＢＫ溶媒
供給側
入           高濃度の酢酸の水溶液
出           低濃度の酢酸の水溶液
したがって、膜抽出工程では、原理上は、供給および掃引側はラフィネートまたは抽出物のいずれに利用しても構わない。しかしながら、詰まりや付着の原因となりうる「汚れた」材料を含む流体流れは、容易に清掃できるチャンネルに導入するのが好ましい。例えば、微粒子を含むラフィネートは、直線の流れ経路を伴う供給チャンネル１１０に導入することが好ましい。膜抽出工程では、抽出速度は、概して、膜層１４０を通る溶質の拡散速度の影響を受ける。圧力勾配がない、または小さいので、膜厚は、薄い方が好ましく、例えば、＜１ｍｍである。よって、抽出は、多種多様な産業工程、精製、石油化学製品、食品、生物製剤、医薬品などに利用可能である。膜層１４０が、抽出剤に入ろうとする微粒子をブロックするため、膜１４０は微粒子を含んだラフィネートから直接抽出を可能にする。無機膜モジュール装置１０は、長期耐久性の提供が期待されている。さらには、こういった無機膜１４０は、高温で取り行う抽出を可能にし、それによって抽出速度が上昇し、また、抽出効率も向上するであろう。
【０１０３】
しかしながら、モジュール本体１５０自身の適正な細孔サイズおよび細孔サイズ分布（約０．２〜２０μｍなど）は、膜層１４０の追加の配置をすることなく、膜工程に利用可能である。しかしながら、膜モジュールの細孔サイズが特定の抽出工程に適さない場合、および／または適切な表面特性（滑らかさ、疎水性、親水性など）を持たない場合、単独あるいは膜フィルム１４０と一緒に用いられる、好ましくは無機材料で作製された改質層１６０を、担体の細孔の大きさおよび表面特性の改質に利用して構わない。供給チャンネル壁およびパージ流路の間の厚さ４３０は、可能な限り小さく、＜２ｍｍが好ましい。また、モジュール基体の孔隙率は、０．３５〜０．８５と、高いことが好ましい。
【０１０４】
装置１０は、分離および精製目的にも利用可能であり、流体混合物から所望の生成物の回収、もしくは、流体の流れからの不要な不純物の除去が可能となる。こういった膜の装置１０の利用は、従来の吸着、抽出、蒸留および結晶化技術と比較して、さらにエネルギー効率の良い工程を可能にする。吸着および抽出技術は、プロセスの流れの中の精製または分離のため、装置産業界で幅広く利用されている。従来の工程は、典型的に、バッチ式で作業し、また、複雑な工程段階、高エネルギーおよび資本コストと関係する。連続的掃引を行うことにより、本発明にかかる膜モジュール装置１０は、これらの工程を連続てｋな手法で行うことを可能にし、その結果、高生産性およびコストの低減を実現する。
【０１０５】
従来式の吸着工程では、供給原料の一成分または一部が選択的に固体吸着剤に吸着される。吸着される種は、未処理の供給流れから回収すべき所望の生成物、もしくは、未処理の供給流れの精製にとって望ましくない不純物のいずれかである。吸着剤が飽和または吸着される種が満載となった後、吸着剤は、吸着した種を開放することによって再生する必要がある。吸着された種が所望の生成物である場合、それらを回収しなければならない。再生には、しばしば、掃引またはパージする流体流れの利用が含まれる。吸着される種が不純物である場合は、それらを処理しなければならない。ゆえに、従来的な吸着分離工程には、２つの独立した基本的段階（１）吸着、および、（２）再生が含まれる。気相の吸着工程では、吸着は、しばしば、高圧力の下で行われ、再生(または脱着)は、低い圧力で逆方向に行われ、これは、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法として周知である。液相の吸着工程では、再生は、しばしば、供給流体とは別の溶媒を用いて行われる。
【０１０６】
従来的な吸着を基本とした分離工程には、２つの根本的な問題がある。第１に、吸着処理の間のある時期に機能するのは、吸着床のほんの一部である。典型的には、吸着処理の間に、吸着前面が形成される。前面が形成される以前は、吸着剤は飽和しており、前面が形成された後は、吸着剤は利用できない。吸着が進行すると、前面は吸着床の深さに沿って下降する。結果として、吸着剤のほんの一部しかその時期には機能しない。第２に、再生または脱着は、吸着工程と逆行して行う必要がある。それゆえ、多数の吸着床が必要となり、結果として資本コストが大きくかかってしまう。さらには、吸着容器にたいする一定の加圧および減圧により、エネルギー消費が大きくなる。従来的な吸着工程は工業および研究所において流体流れの分離・精製に幅広く利用されているが、上述のように基本的な欠点がある。
【０１０７】
一方、装置１０によって可能となる膜を基本とした吸着工程は、資本および作業コストを格段に低減するための溶液を提供する。装置１０を使用した膜分離装置では、目標とする種は供給側の膜１４０に吸着され、膜１４０を通じて透過し、パージ側の膜１４０の外へ連続的に除去される。このようにして、膜面積のすべてが、常時、積極的に機能し、定常状態の作業が実現する。
【０１０８】
装置１０によって扱われる処理流れは、工業、環境、精錬、ガソリン、石油化学、生物学、医薬化学、バイオ化学、または他の処理用途において、ゼオライト材などの吸着剤上に、望まない不純物または所望の成分を含んだ処理流れを吸着することにより精製可能である。典型的な用途には、天然ガス処理などで気体の流れからの水除去、および、特に治水に利用するＰＥＭ燃料電池を用いた燃料電池の処理が挙げられる。
【０１０９】
する
ゼオライト吸着フィルムは、連続的な吸着工程に利用可能であり、供給および掃引流体流れ相互間の圧力差約１×１０５〜５０×１０５Ｐａ、および約０℃〜７００℃の温度で処理される。連続的吸着の間に、膜モジュールまたは本体１５０の供給チャンネル壁１１４は選択的吸着フィルム１４０でコーティングされ、吸着剤１４０上に吸着される吸着種は、チャンネル壁の曲がりくねった経路１５２を通じて拡散し、パージ流路２１０に入り、気掃引流れ２８０によって掃引される。
【０１１０】
気体の混合物の分離は、気体混合物中の成分がゼオライトの細孔に選択的に吸着されることにより起こる。これらの吸着された分子は、別のまたは第２の多数の流れチャンネル２１０に、ゼオライトの細孔の外側に、連続的に引き出され、装置１０の膜モジュールまたは本体１５０の外側へ掃引される。分離は、ゼオライト層が気体混合物中のある成分を高選択的に吸着するような条件下で行われる。よって、分離温度は２００℃より低く、１００℃より低いことが好ましい。低温は、一般に、吸着にとって好ましい。供給気体流れ１８０は、一定の圧力、例えば２×１０５Ｐａである。高圧は、一般に、吸着にとって好ましい。
【０１１１】
ゼオライト膜１４０の好ましい低温での処理は、低エネルギー消費、高耐久性、低モジュール取り付け費用など、多くの利点を提供する。しかしながら、３００〜６００℃でゼオライト膜を処理しても、基本的に問題はない。そのような温度では、吸着の代わりに、ゼオライトの細孔の内側の気相の拡散が、有力な分離装置となるであろう。
【０１１２】
原理的には、本発明は、特定の気体混合物にとって適切なゼオライト膜材を選択することにより、いずれの分離系にも適用可能である。例えば、同一の大きさだが異なる吸着特性を有する分子の分離は、装置１０によって達成しうる。直鎖分子を分岐鎖分子から分離する工程では、気体混合物供給流れ１８０は、４００℃未満の温度、および５×１０５Ｐａより大きい圧力１７０で、直鎖分子に対する高い吸着親和性を持つゼオライト膜１４０を通過する。ゼオライト膜１４０は、触媒反応を最小限にするため、酸性部位を持たないか、または酸性部位が少ない。膜フィルム１４０としての利用には、シリカライトもしくはイオン交換された、高シリカ／アルミナ比のＺＳＭ−５型ゼオライトが好ましい。
【０１１３】
乾燥工程では、膜フィルム１４０には、Ｈ２Ｏに対する高い吸着親和性を持つゼオライト材が用いられる。湿性気体供給流れ１８０として水蒸気を含む気体混合物を用いるこういった分離工程では、気体混合物１８０に、１００℃未満の温度、および１×１０５Ｐａより大きい圧力１７０を適用し、水蒸気に対する高い吸着親和性を持つゼオライト膜１４０を通過させて、水蒸気を湿性気体流れ１８０から選択的に排除し、未透過流れ(retentate)としての乾燥気体を生成する。膜１４０にはＡ型ゼオライトが用いられる。水蒸気は第２流路２１０を通じて真空吸引することによって膜の外へ引き出して差し支えない。
【０１１４】
装置１０は、制御された供給付加および／または生成物の回収、もしくは、単一容器内で反応と分離を組み合わせて行うことが要求される、反応チャンバの新たな分野にも利用可能である。細胞培養用の生体膜反応装置は、装置１０の最初の実例である。
【０１１５】
水素および炭化水素分子を含む気体混合物１８０の分離には、シリカライトなどの炭化水素分子に対する高い吸着親和性を持つゼオライト材が、膜フィルム１４０として用いられる。水素／炭化水素気体混合物の分離工程では、気体混合物１８０は、１００℃未満の温度、および５×１０５Ｐａより大きい圧力で、炭化水素分子に対する高い吸着親和性を持つゼオライト膜１４０を通過させる。排除される非水素分子である不純物の気体を排除および透過排出し、水素の未透過流れの気体から除去するには、シリカライトなどのＭＦＩ型のゼオライトの利用が好ましい。炭化水素分子は拡散性もしくは輸送速度が低いことから、透過物質側を気体の流れと共に掃引することは、透過速度を非常に向上させるであろう。供給気体流れに対する掃引気体の比は、約０〜１である。１００℃未満の温度では、非水素分子は優先的にＭＦＩ型ゼオライトの細孔に吸着され、膜１４０を透過する一方、水素のゼオライト膜１４０の透過は、このような低い温度では、ほぼ、完全に遮断される。
【０１１６】
ゼオライト１４０および基体１５０の材料は、２５〜１２０℃の温度で処理している間、すべて安定した金属酸化物であることから、および、ほとんど他の故障モードがないことから、装置１０は、１００，０００時間に到達する動作耐久性が期待されている。さらには、不要の気体成分１５２２は、膜１４０を通じて排除され（この場合、一般には、透過物は最終生成物として回収されうるとしても）、また、未透過流れとしての精製された水素ガスは、膜１４０を透過せず、同等の水素の流束は、水素を透過物とする方法に比べて、１桁大きい規模となりうる。活性炭膜と比較して、ゼオライト膜は、約２桁も大きな、高い透過流束および高い選択性の両方を示す。所望の水素生成物の流れが膜１４０を通過しないことから、依存するエネルギー消費もまた大幅に低減される。
【０１１７】
従来的な水素分離膜処理（Ｐｄベース、高分子系、微多孔膜）では、水素ガスは膜を通過しなければならない。適用に応じて、５×１０５〜３０×１０５Ｐａの相当な大きさの圧力勾配を、水素ガスが所望の気体流れである、膜に適用する必要がある。よって、気体の圧縮がエネルギーを大量に消費する。
【０１１８】
それに対し、水素ガスが直線の供給チャンネル１１０を流れるため、本発明にかかる膜１４０を通過する水素生成物流れの圧力低下は最小限になる。膜１４０を透過する非水素ガス１８５２は、不用な気体流れにすぎず、燃焼させることができる。結果として、本発明にかかる膜分離の依存するエネルギー消費はかなり低く、約０.１ＫＷ/２８．３２ｍ３/時(１０００scfh)Ｈ２であると推測される。
【０１１９】
水素と炭化水素の気体混合物は、通常、精錬、石油化学、化学など様々な処理産業における触媒の変換処理を包含する。本発明にかかる膜モジュールは、そうした気体混合物から水素ガスを濃縮または回収するための資本コストを低減し、また、処理コストも低減する、ゼオライト膜分離を可能にする。
【０１２０】
本発明の取り組みは、また、接触改質装置（リフォーマー）(catalytic reformer)の気体流れから水素を精製するのに非常に適している。流れおよび／または酸素を伴う炭化水素の接触改質は水素製造の主要な製造技術である。結果として得られる反応混合物は、典型的には、大きな割合の水素、および、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、少量の改質されない炭化水素、および他の不純物を含む、少ない割合の他の望まない不純物で構成される。ある用途では、高純度の水素ガス(例えば、９９．９９％)が必要とされる。この場合、Ｐｄ膜が、高純度の水素ガスの製造には良い選択である。他の事例では、高純度のＨ２ガスは必要ではなく、Ｈ２ガス混合物から望まない成分を除去することのみが必要となる。例えば、ＰＥＭ燃料電池の適用では、ＣＯは＜１．０×１０−４重量％（１０ｐｐｍ）未満となるように除去する必要がある一方で、Ｎ２、Ｈ２、およびＣＯ２などの他の不純物は燃料電池の性能にはあまり影響を与えない。気体流れ１８０としてのＣＯ含有気体混合物から不純物を取り除いた気体を製造するための分離工程では、気体混合物１８０を、温度３００℃未満、および圧力約２×１０５Ｐａで、ＣＯ分子に対して高い吸着親和性を有するゼオライト膜１４０に通す。イオン交換されたゼオライト膜１４０（ゼオライトの吸着選択性は、イオン交換によって改質する）は、ＣＯを透過させる膜１４０の利用が好ましい。ＣＯ透過の原動力を向上させるため、透過側は酸素含有パージ気体２８０で掃引する。透過したＣＯは、Ｏ２と反応し掃引される、ＣＯ２を形成する。ＣＯの酸化促進のため、触媒コーティングをパージ流路２１０に適用しても良い。よって、ＣＯ含有気体流れ１８０からＣＯの選択的除去のための膜処理によって、ゼオライト膜１４０の化学ポテンシャルである圧力勾配１７１の促進のため、ＣＯ酸化触媒層が掃引側に配置される。水素およびＣＯを含む、このような気体混合物１８０の分離では、ＣＯに対する高い吸着親和性を有するゼオライト膜１４０が用いられる。燃料電池の適用にとって、透過物１８５２としてＣＯ不純物のみを除去することは、膜に非常に高い処理能力を与える。
【０１２１】
したがって、吸着性の拡散分離機構が本発明によって教示される。また、パージおよび掃引能力が、この分離機構で膜を効果的に作用させるのに重要である。水素の精製は非水素分子の選択的除去によって行われる。この分離機構はゼオライト材料の選択的吸着機能を十分に活用するものである。接触改質装置による工程からの気体混合物流れ１８０では、水素は、典型的には、主成分である。微量成分の除去は、主成分を引き入れるよりも費用効率が良い。例えば、天然ガスの改質処理は、乾燥時において７９％Ｈ２、１９％ＣＯ２、１％ＣＯ、および１％改質されていないＣＨ４を含む典型的な気体混合物を生成する。数パーセントの水蒸気も存在する。このような気体流れ１８０は、ＣＯ２、ＣＯ、およびＣＨ４ ガス、もしくは選択的に除去されるＣＯガスのみの選択的除去によって精製可能である。ＰＥＭ燃料電池の用途のためには、水分は害にはならず、除去する必要はない。ゆえに、高シリカ／アルミナ比を持つＭＦＩ型ゼオライトなどの疎水性のゼオライト材料を利用して構わない。ＣＯの吸着を促進させるため、ゼオライトは、さらに、金属イオンでイオン交換することにより改質しても差し支えない。ゼオライト材料は、イオン交換によって改質することにより、ＣＯ吸着のための高吸着体となる。
【０１２２】
ゼオライト膜に対する吸着性の拡散機構に基づく接触改質(リフォーマー)のガス流れによる分離の結果については、まだ開示されているものはない。しかしながら、本発明の分離機構の基本的な実現可能性を示す確かな証拠がある。例えば、シリカライトゼオライト膜を用いるＣＯ２/Ｎ２分離では、ＣＯ２は、常にＮ２よりも高い透過性を示す。ＣＯ２/Ｈ２系では、低温で、水素から選択的にＣＯ２を分離することは、もっと高くなることが期待される。吸着性の拡散機構では、高い分離選択性は、ゼオライト材料の高い吸着選択性と相関がある。ゼオライト膜の高選択性に関する別の例は、Ａ型ゼオライト膜を用いた水／アルコール混合物のパーベーパレーション(pervaporization)分離である。５，０００〜１０，０００の高い分離係数が報告されている。
【０１２３】
以来、ゼオライトは高選択的な吸着体として作製可能である。高分離選択性は、ゼオライト膜によって達成可能であると考えられている。ゼオライト膜は、接触改質の気体混合物からＣＯ不純物を選択的に除去する可能性を持つ。本発明の分離機構に基づいて、透過物は、水素よりも分子が大きい。よって、担体を通過する時の拡散抵抗は、重要な要素ではないはずである。可溶性の有機成分(sof)の交互に重なる層の供給およびパージチャンネルを包含する図５および９のモジュール設計では、担体基体を通過して拡散する距離が短くなるのが好ましい。
【０１２４】
したがって、水素の精製のみならず、本発明にかかる膜担体は、膜の部分１５２１および膜ではない多孔質の本体部分１５２２を有する、多孔質の本体部分１５０の基体を通る複数の曲がりくねった経路１５２を通じて、多種多様な気相および液相の混合物のための分離、精製、ろ過、もしくは他の処理機能に利用可能である。一般に、曲がりくねりの概念は、流れ経路の長さの差であると考えられ、ここで、混合物（ガス状もしくは流体）の特定の成分は、チャンネルの方向の変更、および／または、方向または断面積を変更せずに、言い換えれば、直線流れの不変の断面積において、チャンネルの同一の長さ全体における混合物の同様の成分が進む経路の長さに対するチャンネルの断面積の比の変更の結果として、チャンネルによって形成される通路を通過するであろう。直線または真っ直ぐな経路から外れる場合は、もちろん、結果として長く、さらに曲がりくねった経路となり、直線経路からの逸脱が大きくなればなるほど通過する経路の長さは長くなるであろう。
【０１２５】
装置１０に利用する本発明にかかる膜モジュール１５０は、図４に示すように、垂直に配置可能であり、また、水平に横たえることもでき、図４〜１３に示すように、斜め、もしくは他のいずれの配置も可能な単純な構造を持つ。供給流れチャンネル１１０のそれぞれが供給端１１０１および排出端１１０２を持つ。膜フィルム１４０は、可能な圧力勾配１７０の下、複数の供給流れチャンネル１１０の供給端１１０１から供給される、不純物が混じった供給流れ１８０を受け入れるように担持され、適合される。膜フィルム１４０は、不純物が混じった供給流れ１８０が、膜フィルム１４０の外表面を通じ、および、本体部分１５０の基体の複数の曲がりくねった経路１５２へと通過する不純物が混じった供給流れ１８０の一部から形成される、膜の部分１５２１に入り、膜ではない多孔質の本体部分１５２２から、少なくとも１つのパージ流路２１０からの掃引またはパージ流れ２８０の力を借りて排出される、精製された透過物１８５２へと処理されるように適合される。
【０１２６】
副生成物の流れ１８０２は、複数の供給流れチャンネル１１０の排出端１１０２を通じて排出されるように、膜フィルム１４０を通過せず、不純物が混じった供給流れ１８０の一部から取り残される。
【０１２７】
特定の分離工程では、供給および透過側の流路間の全範囲にわたる圧力差または圧力勾配１７０は、以下の方程式にしたがって、膜フィルム１４０およびコーティング層１６０の第１圧力低下ΔＰｆ,ｉ１７１、および担体基体１５０を通じて第２圧力低下ΔＰｍ，ｉ１７２で構成される：
ΔＰoverall＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ＝ΔＰｆ,ｉ＋ΔＰｍ，ｉ
膜の流束は、膜フィルム１４０の圧力勾配１７０および追加のコーティング層１６０とともに増加する：
Ｊｉ＝ｋ・ΔＰｆ,ｉ
特定の分離工程では、ΔＰoverallは固定値であるが、担体基体１５０を通過する圧力低下ΔＰｍ，ｉ１７２は可能な限り小さい値にする必要がある：
ΔＰｆ,ｉ＞＞ ΔＰｍ，ｉ
基体を通過する圧力低下１７２、ΔＰｍ，ｉが全体的な圧力低下１７０と比較して十分に小さい場合のみ、膜のチャンネル１１０が十分に活用される。
【０１２８】
膜単体の有用性に関する１つの重大問題は、基体１５０を通過する気体または液体の透過の性能であり、多チャンネル膜モジュールでは特に重大である。すべてのチャンネルのチャンネル壁１１４上のまく表面積を十分に活用するため、本体最深部１５０を有する、本体内部１５０から装置１０の外側へ透過するための水素ガスなどの分子に対する抵抗性は、分離膜１４０を通過する抵抗性と比較して、ごくわずかに違いない。そうでなければ、このような膜モジュールの有効性は引き下げられてしまうであろう。
【数１】
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【０１２９】
基体の均一な細孔構造にとって、圧力低下は、直接的に、流体の運搬距離Ｌおよび流束／表面的な直線の速度Ｖに比例する。圧力低下は、細孔の大きさｄｐの増加および孔隙率εの増加にしたがって低下する。ゆえに、細孔の大きさおよび孔隙率は、基盤を通過する圧力低下に影響を与える重要なパラメーターである。
【０１３０】
本発明にかかる方法における高い分離表面積は、小さいサイズの流れチャンネルの利用および薄膜の厚さの結果である。従来的な多チャンネルモジュールにおけるチャンネルの大きさは、約６〜１２ｍｍであり、本発明の設計よりもかなり大きい。よって、本発明は、大量運搬または２つの流体流れ相互間の交換のための無機またはセラミック膜モジュールを含む膜装置について教示する。１つの流体流れは原料の供給流れである一方、別の流れは掃引、パージまたは他の種類の第２の流体流れである。セラミック膜モジュールは、供給流れのための１つの配列の流れチャンネルおよび、掃引または第２の流体流れのための別の配列の流路または経路を包含する。供給流れチャンネルは多孔質の中実の基体によってパージ流れの流路に結合し、また接続されている。中実の基体は、供給流れから掃引流れへと運搬する種のための運搬媒体を提供し、また、モジュールにとっての機械的強度をも提供する。基体材料の細孔の大きさおよび孔隙率は、それぞれ、１０ｎｍ〜２０μｍ、および０．２〜０．８である。供給流れチャンネルおよび第２または掃引流路は各供給流れチャンネルが掃引流れまたは第２の流れによってアクセス可能な方法で配置される。
【０１３１】
当業者にとっては、本発明の精神および範囲から離れることなくして、センサーなどの処理の適用を含む様々な修正および変更が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲に入る、本発明によって提供される修正および変更をも包含することを意図する。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１−１】図１は、本発明にかかる放射線状の第２の流れの態様の斜視図である。
【図１−２】図１Ａは、本発明に従った、図１の本体１５０の切断面１Ａにおける断面図である。
【図２−１】図２は、本発明に従った、図１の本体１５０に収納される図１の容器３００の側面図である。
【図２−２】図２Ａは、本発明に従った、図１の仕切り板３５０の切断面２Ａにおける断面図である。
【図３】図３は、本発明に従った、図１の容器３００に取り付けられる代替物の側面図である。
【図４】図４は、本発明にかかる正接の第２の流れの態様の斜視図である。
【図５】図５は、本発明にかかる図４の正接の第２の流れの本体１５０の斜視図である。
【図６−１】図６は、本発明に従った、図５の本体１５０に収納される図４の容器３００の上面図である。
【図６−２】図６Ａは、本発明に従った、図６の仕切り板３５０の切断面６Ａにおける断面図である。
【図６−３】図６Ａは、本発明に従った、図６の仕切り板６５０の切断面６Ｂにおける断面図である。
【図７−１】図７は、本発明に従った、複数のジグザグ形へと第２の流れ２１０の流れを方向転換させるための仕切り板３５８および３５８’を含む図６の装置１０の上面図である。
【図７−２】図７Ａは、本発明に従った、図７の仕切り板３５８の切断面７Ａにおける断面図である。
【図７−３】図７Ｂは、本発明に従った、図７の仕切り板３５８’の切断面７Ｂにおける断面図である。
【図８】図８は、本発明にかかる平行な第２の流れの態様の斜視図である。
【図９】図９は、本発明に従った、図８の平行な第２の流れの本体１５０の斜視図である。
【図１０−１】図１０は、本発明に従った、図９と同様の本体１５０を含む、図９の排出ポート９２１を横断する装置１０の上面図である。
【図１０−２】図１０Ａは、本発明に従った、図１０の仕切り板６５０の切断面１０Ａにおける断面図である。
【図１１】図１１は、本発明に従った、図１０と同様の本体１５０を含む、装置１０の背面図である。
【図１２】図１２は、本発明に従った、前述の態様のいずれかの本体１５０のための異なる本体の形である。
【図１３】図１３は、図１０Ａの均等物であり、ここで、図１３は、本体が円形の代わりに正方形１５０Ｃである場合の、本発明に従った、仕切り板３５０または６５０の断面図である。
【図１４】図１４は、図６Ｂの均等物であり、ここで、図１４は、本体が円形の代わりに正方形１５０Ｃである場合の、本発明に従った、仕切り板６５０の断面図である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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