(57)【要約】      （修正有）【課題】繊維膜パーミエーターの透過側をスウィープするためのデバイスを提供し、このようなデバイスのスウィープ制御を提供する。【解決手段】シール１４を有する繊維膜モジュール１２、透過物チャンバ１６，透過物口１８、残余物口２０、スウィープチャンバ２２，スウィープ導管２４およびスウィープ流体源２６により、繊維膜の孔の透過側スウィープを行う繊維膜パーミエーター１０を構成する。透過物チャンバ１６はシール１４と密封状態で結合し、繊維膜の孔と流体連絡し、またチャンバキャップ３２はシール１４と密封状態で結合して、繊維膜と流体連絡している密封した空間を作り出している。スウィープ流体はスウィープ制御デバイス４６によって制御可能とされ、調節することができる。【選択図】図１
2005279645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔を含む繊維膜と、
前記孔に部分的に流体連絡している供給流体と、
前記孔に流体連絡しているスウィープチャンバと、
前記スウィープチャンバに流体連絡しているスウィープ流体源と
を含む、流体混合物から成分を選択的に分離するデバイス。
【請求項２】
前記スウィープ流体源と前記スウィープチャンバとの流体連絡は制御可能である請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記スウィープ流体源は残余物口を含む請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
前記スウィープ流体源に流体連絡している調節システムをさらに含む請求項１記載のデバイス。
【請求項５】
複数のパーミエーターを含む、流体混合物から成分を選択的に分離するマルチモジュールパーミエーターデバイスであって、
前記パーミエーターの各々は：
孔を含む繊維膜と、
前記孔と部分的に流体連絡している供給流体と、
前記孔と流体連絡しているスウィープチャンバと、
前記スウィープチャンバと流体連絡しているスウィープ流体源と
を含むデバイス。
【請求項６】
少なくとも１つの前記スウィープ流体源は残余物口を含む請求項５記載のデバイス。
【請求項７】
少なくとも１つの前記スウィープ流体源と流体連絡している調節システムをさらに含む請求項５記載のデバイス。
【請求項８】
少なくとも１つの前記スウィープ流体源とそのそれぞれのスウィープチャンバとの間の流体連絡は制御可能である請求項５記載のデバイス。
【請求項９】
前記スウィープ流体源と前記スウィープチャンバとの間の流体連絡は同時に制御可能である請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記パーミエーターの各々にある前記スウィープ流体源と前記スウィープチャンバとの間の流体連絡は個別に制御可能である請求項８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
米国特許４，６７０，１４５号および５，０１３，３３１号に記載されている流体分離繊維膜パーミエーターは流体混合物の成分の工業的な分離のために使用される。これらのパーミエーターは流体混合物の特定の成分を選択的に膜を透過させる繊維膜を含む。これらの繊維膜は内側の孔（bore）および外側の表面を含み、それにより膜で分離される流体混合物フローに二つの領域を提供する。初めの流体混合物（これが分離される）は「供給流体」である。流体の繊維膜を透過する成分を「透過物」と呼び、一方残留する混合物を「残余」流体と呼ぶ。膜の供給混合物が通る側を「供給側」と呼ぶ。膜の透過物が存在する側を「透過側」と呼ぶ。「繊維膜モジュール」は１つまたは複数の繊維膜を含む。
【０００２】
用途によっては、供給側と透過側の圧力は実質的に異ならないことがある。これらの用途において、米国特許５，３１４，５２８号に記載されているような透過側スウィープを有する繊維膜は、繊維膜モジュールにより回収される透過物の量を著しく増大することができる。透過側スウィープは透過側の比較的透過物の含有量が低い流体を「押し流し」、透過側の透過物の分圧を低下させ、より著しい量の所望の透過物を繊維膜に通過させるが、透過側スウィープなしに生ずるであろう純度よりも純度が低くなる。繊維膜の孔と連絡する供給流体を用いる透過側スウィープ、および中空繊維の外部表面の透過側スウィープを利用するデバイスが米国特許５，５２５，１４３に開示されている。
【０００３】
以前に開示された透過側スウィープデバイスは、供給物が膜の孔に供給され（供給側が膜の孔）、透過側が膜の外側の表面である、複数膜の繊維膜モジュールを含む。加えて、以前に開示されたこのようなデバイスは１回の透過側スウィープ段階を提供するのみであり、高流速で操作することによって（これは非実用的であろう）、または、繊維膜モジュールの体積、つまりその相対的な大きさを増加させることによって（これも非実用的であろう）のみ、より高い透過流体収率を可能にする。
【特許文献１】米国特許４，６７０，１４５号
【特許文献２】米国特許５，０１３，３３１号
【特許文献３】米国特許５，３１４，５２８号
【特許文献４】米国特許５，５２５，１４３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、膜の孔は膜の外側の表面の周りの体積よりも小さい相対体積からなるので、膜の孔を透過側として透過側スウィープを提供することが望ましい。このような応用はスウィープ流体の必要な体積を削減できる。さらに、このような小さい体積はスウィープ流体および透過物の分圧の高い制御を提供できる。さらに、複数段階の透過側スウィープを有するデバイスを提供することは現存のデバイスを越えるますます高い透過流体収率を提供することができる。
【０００５】
従って、本発明の目的は膜の孔を透過側として使用できる透過側スウィープデバイスを提供すること、およびこのようなデバイスへのスウィープ流体の制御を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、透過側スウィープを含む複数段階を有するデバイスを提供し、透過流体の収率または流速を増大させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、スウィープ流体を繊維膜の孔に供給し、スウィープ流体供給を制御し、スウィープ流体を複数の繊維膜モジュールに供給するという要求を満たすデバイスに向けられる。本発明の特徴を有するパーミエーターデバイスは１つまたは複数の繊維膜を含み、その各々は孔と、その孔に部分的に流体連絡している供給流体と、その孔と流体連絡しているスウィープチャンバと、そのスウィープチャンバに流体連絡しているスウィープ流体源とを含む。
【０００８】
スウィープ流体を繊維膜パーミエーターの孔に供給することはパーミエーターデバイスから出ていく透過物の量を増加させる。この出願において、繊維膜パーミエーターとは孔を含む少なくとも１つの繊維膜を含むパーミエーターデバイスのことをいう。好ましい実施形態において、繊維膜パーミエーターはシールと、透過物チャンバと、透過物口と、残余物口とをさらに含む。典型的に、必ずしもそうである必要はないが、繊維膜モジュールは、外側の表面および孔を含む、この技術においてよく知られているタイプの複数の透過性繊維膜を含む。シール、例えばチューブシートは、繊維膜の外側の表面と連絡する流体が繊維膜の孔に流入するのを防ぐ。当業者であれば米国特許４，６７０，１４５号および４，０８０，２９６号に示されているように、上述の構成部材を有する繊維膜パーミエーターまたは繊維膜モジュールの様々な配置をどのように構成すればよいかがわかる。
【０００９】
本発明は、繊維膜モジュールと、この繊維膜の孔に部分的に流体連絡している供給流体と、この繊維膜の孔に流体連絡しているスウィープチャンバと、このスウィープチャンバに流体連絡しているスウィープ流体源とを含む。供給流体は複数成分の供給原料であり、所望の透過物と残余物に分離される。繊維膜の孔との供給流体の部分的な流体連絡は透過物を分離し、この透過物は繊維膜の壁を通り繊維膜の孔へ入る。
【００１０】
この装置を使用して、比較的低い透過物含有量を持つスウィープ流体を繊維膜の透過側（すなわち、孔）に通ずることで供給流体から分離される透過物の量を増加させる。繊維膜は透過物を孔に選択的に入れる。しかし、透過物が孔に達することができる速度は繊維膜の両側の相対的な透過物の分圧により決定される。透過物は膜を通って孔に入るので、相対的な透過物の分圧は定常状態に達するまで増加する。孔内の透過物の分圧が高いならば、すなわち孔内の透過物が高純度である場合、繊維膜を横切って孔へ入る透過物のフローは制限される。残余流体のようなスウィープ流体を孔へ導くことは孔での透過物の分圧を下げ、繊維膜を横切って孔へ入る透過物フローのより高い流速を可能にする。
【００１１】
透過物およびスウィープの流体を透過物口を通じて回収する。好ましい実施形態においては、スウィープ流体源は制御可能であり、孔を通るスウィープ流体の量または流速を調節することができる。さらに、スウィープチャンバに供給する前にスウィープ流体を調節システムで調節してもよい。調節は、フィルター、セパレータまたは他のデバイスのような、スウィープ導管に流体連絡する様々なデバイスを配置することによって、スウィープ流体の組成物をろ過すること、処理すること、変化させること、あるいはスウィープ流体を改変することを含んでいてもよい。
【００１２】
繊維膜パーミエーターは多くの場合、１つのデバイスに多くの繊維膜モジュールを含むので、本発明の様々な実施形態は、用途の要求に応じて、個別に各々の繊維膜モジュールに対して、共同で全ての繊維膜モジュールに対して、または個別および共同のスウィープ流体供給の任意の組み合わせに対して、スウィープ流体源、スウィープ流体を調節すること、または、スウィープ流体を制御することの様々な組み合わせを含んでいてもよい。
【００１３】
この装置は、繊維膜パーミエーターの透過側スウィープを実行するための簡便で経済的な装置を提供するという長所を有し、ここで透過物は繊維膜の孔と流体連絡しており、かつ供給流体は繊維膜の外側の表面と流体連絡している。好ましい実施形態はこのスウィープフローを調節、または制御するという長所を有し、それにより繊維膜パーミエーターから出ていく透過流体の量および純度を制御する。スウィープ流体の量を増加させることにより（スウィープ流体の流速または圧力を増加させることによって）繊維膜パーミエーターは典型的に大量の透過物を製造するが、その場合純度水準は低い。
【００１４】
あるいは、スウィープ流体の量の削減は典型的に繊維膜パーミエーターに少量の透過物を高純度で製造させる。
【００１５】
このデバイスの１つの実施形態はスウィープ流体を各々の繊維膜モジュールに個別に供給する能力を含む。繊維膜モジュール個々への供給は実務者に、繊維膜パーミエーターから回収される透過物の量および純度を最適化するための最大限の柔軟性を与える。実務者は、個別の繊維膜モジュールへのスウィープフローを変化させるか、別々の繊維膜モジュールに別々のスウィープ流体源を備えつけるか、または別々の繊維膜モジュールへのスウィープ流体を別々に調節することが可能である。
【００１６】
上で示したように、この装置のその他の長所は別々のスウィープ流体源に流体連絡しているスウィープチャンバを配置する能力である。好ましいスウィープ流体源はパーミエーターから出ていく残余物である。しかし、より高い透過物製造量、システム全体のより高い効率、またはより低い作動コストをもたらすスウィープ流体源に適した、実務者にとって入手可能な他の流体流れを使用して顕著な長所を得ることができる。例えば、実務者は、スウィープ流体源として使用できる低い透過物含有量の流れが過剰にある別のまたは関連したプロセスを行ってもよい。さらに、各々の繊維膜モジュールに個別に供給することは、いくつかの繊維膜モジュールには残余流体を供給し、一方他の繊維膜モジュールには他のソースからのスウィープ流体を供給することによって実務者に透過処理をさらに最適化させることを可能にすることによって長所を与える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１および図１Ａを参照すると、繊維膜の孔の透過側スウィープを用いる繊維膜パーミエーター１０の１つの実施形態は、シール１４を有する繊維膜モジュール１２、透過物チャンバ１６、透過物口１８、残余物口２０、スウィープチャンバ２２、スウィープ導管２４、およびスウィープ流体源２６を含む。透過物チャンバ１６はシール１４と密封状態で結合していて、繊維膜３０の孔２８と流体連絡している。スウィープチャンバ２２はチャンバキャップ３２を含み、これは繊維膜モジュール１２のシール１４と密封状態で結合して、繊維膜３０の孔２８と流体連絡している密封した体積を作り出している。スウィープ導管２４はスウィープ流体源２６およびスウィープチャンバ２２と流体連絡している。
【００１８】
当業者であれば、供給流体３４を繊維膜パーミエーター１０に供給する様々な配置があることを認識するであろう。例えば、図２の好ましい実施形態において、繊維膜モジュール１２ａ、ｂ、ｃはハウジング内にあり、供給流体３４はハウジング３６の供給口３８と流体連絡している。繊維膜パーミエーター１０を供給流体のリザーバー（図示しない）に直接配置し、繊維膜３０の外側の表面４０を供給流体３４に直接曝すことも可能である。本発明は、供給流体３４が繊維膜３０の外側の表面４０に流体連絡しているどの配置にも応用可能である。
【００１９】
再び図１を参照すると、透過物口１８は透過物チャンバ１６と流体連絡し、かつ透過導管４２と流体連絡しており、透過物を繊維膜パーミエーター１０から回収することを可能にする。残余物口２０は供給流体３４に部分的に流体連絡している。図１に示すように、残余物口２０は繊維膜３０の円形の束の輪の中にある。しかし、本発明の意図から逸れることなしに他の配置を使用してもよい。残余物口２０は残余物導管４４と流体連絡している。残余物導管４４は繊維膜パーミエーター１０から残余物を回収することを可能にする。
【００２０】
さらに図１を参照すると、スウィープチャンバ２２とスウィープ流体源２６の間の流体連絡はスウィープ導管２４を介する。スウィープ流体源２６は流体の任意の適切なソースである。好ましいスウィープ流体源２６は繊維膜パーミエーター１０から出ていく透過物の含有量より低い透過成分の含有量を持つ。図２の好ましい実施形態において、スウィープ流体源２６は残余物口２０ａ、ｂ、ｃである。スウィープチャンバ２２は、残余物導管４４と流体連絡しているスウィープ導管２４を介して、残余物口２０ａ、ｂ、ｃと流体連絡している。
【００２１】
図１の好ましい実施形態を再び参照すると、スウィープ流体源２６とスウィープチャンバ２２との間の流体連絡はスウィープ制御デバイス４６により制御可能である。スウィープ制御デバイス４６は当業者に知られている任意のデバイスまたは方法でありうる。スウィープ制御デバイス４６は、スウィープ流体源２６およびスウィープチャンバ２２と流体連絡している、スウィープ導管２４と流体連絡している。その他の実施形態（図示しない）では、スウィープチャンバ２２へのスウィープ流体のフローを制御するためのスウィープ導管２４の大きさを、スウィープ導管２４内の流体の圧力の低下によって見積もる方法を使用することもある。
【００２２】
図２の好ましい実施形態は、マルチモジュール繊維膜パーミエーター４８を形成するようにスタックされた複数の繊維膜モジュール１２ａ、ｂ、ｃを示す。当業者であれば複数の繊維膜モジュール１２ａ、ｂ、ｃを含むマルチモジュール繊維膜パーミエーター４８を構成することができる。典型的に、必ずしもそうである必要はないが、繊維膜モジュール１２ａ、ｂ、ｃの透過側は、透過導管４２と流体連絡している、複数の透過物口１８ａ、ｂ、ｃと流体連絡している。繊維膜モジュール１２ａ、ｂ、ｃの残余物側はそれらの対応する残余物口２０ａ、ｂ、ｃを通して共通の導管４４と流体連絡している。
【００２３】
さらに図２を参照すると、複数のスウィープチャンバ２２ａ、ｂ、ｃが共通のスウィープ導管２４およびスウィープ流体源２６と流体連絡している。共通のスウィープ導管２４は残余物導管４４に流体連絡している。従って、残余物導管４４はスウィープ流体源２６である。スウィープ導管２４と流体連絡している共通のスウィープ制御デバイス４６は全てのスウィープチャンバ２２ａ、ｂ、ｃへのスウィープ流体を制御する。
【００２４】
図３の好ましい実施形態では、複数のスウィープチャンバ２２ａ、ｂ、ｃが複数のスウィープ流体源２６ａ、ｂ、ｃと流体連絡している。独立したスウィープ制御デバイス４６ａ、ｂ、ｃが各々のスウィープ導管２４ａ、ｂ、ｃにある。スウィープ制御デバイス４６ａ、ｂ、ｃはスウィープチャンバ２２ａ、ｂ、ｃとスウィープ流体源２６ａ、ｂ、ｃとの間の流体連絡を個別に制御する。当業者であれば、スウィープチャンバ２２ａ、ｂ、ｃのいくつかは図３に示すように個別のスウィープ流体源２６ａ、ｂ、ｃと流体連絡し、スウィープチャンバ２２ａ、ｂ、ｃのいくつかは図２に示すように共通のスウィープ流体源２６と流体連絡するという、多くの組み合わせを認識するであろう。
【００２５】
図４の好ましい実施形態は、繊維膜３０の孔２８と流体連絡している透過物チャンバ（図示しない）を有する、繊維膜モジュール１２を含む。この実施形態はさらに透過物口（図示しない）、残余物口２０、およびスウィープチャンバ２２を含む。スウィープチャンバ２２はチャンバキャップ３２を含み、このキャップは繊維膜モジュール１２のシール１４と密封状態で結合し、繊維膜３０の孔２８と流体連絡した密閉した体積を作り出している。オリフィス５０がスウィープ流体源２６とスウィープチャンバ２２との間の流体連絡を提供する。従って、スウィープ流体源２６は残余物口２０と流体連絡している。
【００２６】
本発明をそれらのある好ましい形態を参照して相当詳細に説明してきたが、他の形態も可能である。例えば、パーミエーターは、示してきた配置以外の配置で、１つまたは複数の繊維膜を含んでよい。同様に、デバイスはスウィープ導管を含んでいてもいなくてもよい。さらに、備えつける場合には、スウィープ導管は管、チューブ、パーミエーターハウジングに一体化した導管のような構成に変えてもよい。パーミエーターハウジングに一体化したフロー導管に取り付けられている、内蔵レギュレータ、圧力制御バルブ、フローオリフィス、フロー制御バルブ、またはフローバルブのような、スウィープ流体のフローまたは圧力を制御するための本技術で知られている様々なデバイスもある。それゆえに、添付の請求項の意図および範囲は本明細書に含まれる好ましい形態の説明に限定されるべきでない。
【００２７】
本明細書（任意の添付の請求項、要約書、および図面を含む）において開示された全ての特徴は、そうではないように特別に述べていない限り、同じ、等価な、または類似した目的にかなう代わりの特徴と置き換えてもよい。従って、そうではないように特別に述べていない限り、開示された各々の特徴は同等または類似の特徴の一般的な系列の１つの例に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の繊維膜パーミエーターの１つの実施形態の断面図。
【図１ａ−１ｂ】繊維膜モジュールの詳細を示す、図１の線分Ａ−Ａ´の側面図。
【図２】本発明のマルチモジュールの実施形態の断面図。
【図３】図２のマルチモジュールの代わりの実施形態の断面図。
【図４】本発明のスウィープ流体源の１つの実施形態の断面詳細図。
【図１】
2005279645.tif 000003
【図１ａ−１ｂ】
2005279645.tif 000004
【図２】
2005279645.tif 000005
【図３】
2005279645.tif 000006
【図４】
2005279645.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月21日(2005.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
【図１】本発明の繊維膜パーミエーターの１つの実施形態の断面図。
【図１ａ】繊維膜モジュールの詳細を示す、図１の線分Ａ−Ａ´の側面図。
【図１ｂ】記載なし。
【図２】本発明のマルチモジュールの実施形態の断面図。
【図３】図２のマルチモジュールの代わりの実施形態の断面図。
【図４】本発明のスウィープ流体源の１つの実施形態の断面詳細図。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１ａ】
2005279645.tif 000008
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１ｂ】
2005279645.tif 000009
【外国語明細書】
2005279645000001.pdf