(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体処理用アセンブリであって；
（ａ）シェル側流体（Ｅ）とルーメン側流体（Ｉ）との間で流体成分を移動させるための拡散に適用される、互いに平行に接合された少なくとも２つのシェルレス流体接触器（１１０）から成る第１ステージ（１１２）であって、
前記第１ステージ（１１２）の各シェルレス流体接触器（１１０）は、
（ｉ）前記シェル側流体（Ｅ）を受け入れるための第１端部（２６）にある少なくとも１つの入口と、前記シェル側流体（Ｅ）を排出するための少なくとも２つの出口を有する流体分配チューブ（２０）と、
（ｉｉ）微細多孔質壁から成る少なくとも１つの中空糸膜（１４）であって、前記微細多孔質壁はルーメンを規定する内側表面とシェル側流体（Ｅ）と接触するように露出されている外側表面を有しており、さらに前記ルーメン側流体（Ｉ）を受け入れるための前記ルーメンと流体連通している第１端部（４４）にある第１ポートを有する前記各中空糸膜（１４）と、
（ｉｉｉ）シェル側流体（Ｅ）から前記少なくとも１つの各中空糸膜（１４）の第１ポートを分離するための障壁（１６）と、
から成る、第１ステージと；
（ｂ）拡散に適用される、互いに平行に接合された少なくとも２つのシェルレス流体接触器（１１０）から成る第２ステージ（１１４）であって、
前記第２ステージ（１１４）の各シェルレス流体接触器（１１０）は、
（ｉ）前記シェル側流体（Ｅ）を受け入れるための第１端部（２６）にある少なくとも１つの入口と、前記シェル側流体（Ｅ）を排出するための少なくとも２つの出口を有する流体分配チューブ（２０）と、
（ｉｉ）微細多孔質壁から成る少なくとも１つの中空糸膜（１４）であって、前記微細多孔質壁はルーメンを規定する内側表面とシェル側流体（Ｅ）と接触するように露出されている外側表面を有しており、さらに前記ルーメン側流体（Ｉ）を受け入れるための前記ルーメンと流体連通している第１端部（４４）にある第１ポートを有する前記各中空糸膜（１４）と、
（ｉｉｉ）シェル側流体（Ｅ）から前記少なくとも１つの各中空糸膜（１４）の第１ポートを分離するための障壁（１６）と、
から成る、第２ステージ（１１４）と；
（ｃ）前記第１ステージ（１１２）ないしは前記第２ステージ（１１４）のうちの１つのステージから排出されるシェル側流体（Ｅ）を、他方の第２ステージ（１１４）ないしは第１ステージ流体（１１２）に移送するための支持ベース（１１８）と；
から成る流体処理用アセンブリ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの各中空糸膜（１４）の外側表面の少なくとも一部が、前記流体分配チューブ（２０）の少なくとも１つの部分の近傍に伸張していることを特徴とする、請求項１に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項３】
前記流体分配チューブ（２０）は、少なくとも２つの出口を形成する穿孔壁セクション（３２）を有し、前記穿孔壁セクション（３２）は、前記流体分配チューブ（２０）の中空内部から放射線状に外側に向かう複数の開口部（３４）から成ることを特徴とする、請求項１に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項４】
前記流体分配チューブ（２０）は実質的に固定式であることを特徴とする、請求項３に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項５】
前記第１ステージ（１１２）および前記第２ステージ（１１４）の各シェルレス流体接触器（１１０）が、糸束を形成する複数の前記中空糸膜（１４）から成り、前記糸束は前記穿孔壁セクション（３２）の少なくとも一部を取り囲んでいることを特徴とする、請求項３に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項６】
前記障壁（１６）が、各中空糸膜（１４）の第１端部（４４）の外側表面と密封接触している第１チューブシートから成ることを特徴とする、請求項５に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項７】
前記第１チューブシートが、流体分配チューブ（２０）の第１端部（２６）と穿孔壁セクション（３２）の間にある流体分配チューブ（２０）と密封係合して装着されることを特徴とし、また各中空糸膜（１４）の第１端部（４４）が密封係合している第１チューブシートを通って伸張することを特徴とする、請求項６に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項８】
各中空糸膜（１４）の第１ポートとの流体連通に対して開いている第１チェンバー（７２）を形成するために、第１チューブシートと密封係合している第１端部キャップ（７０）からさらに成る、請求項７に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項９】
前記第１ステージ（１１２）および前記第２ステージ（１１４）の各シェルレス流体接触器（１１０）が、各中空糸膜（１４）の第２端部（５０）の外側表面と密封接触している流体分配チューブ（２０）の第２端部（２８）の近傍に装着される第２チューブシート（５６）を含み、ルーメン側流体（Ｉ）を受け入れるための各中空糸膜（１４）の第２ポートとの流体連通に対して開かれている第２チェンバー（８２）を形成するために、第２チューブシート（５６）と密封係合している第２端部キャップ（８０）からさらに成る、請求項８に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項１０】
各中空糸膜（１４）の第２端部（５０）外側表面と密封接触している第２チューブシート（５６）からさらに成る、請求項６に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項１１】
第１端部（４４）の反対側にある各中空糸膜（１４）の第２端部（５０）が閉鎖されていることを特徴とする、請求項６に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項１２】
前記第１ステージ（１１２）および前記第２ステージ（１１４）の各シェルレス流体接触器（１１０）が、流体分配チューブ（２０）の第２端部（２８）の近傍に装着される閉鎖ブロック（５４）からさらに成り、前記閉鎖ブロック（５４）は各中空糸膜（１４）の第２端部（５０）に係合し、また閉鎖することを特徴とする、請求項１１に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項１３】
流体分配チューブ（２０）内にあるバッグフィルター（１００）からさらに成る、請求項３に記載の流体処理用アセンブリ。
【請求項１４】
前記支持ベース（１１８）が開口部を有するプレートであり、前記プレートは、前記シェルレス接触器（１１０）によってのみ、１つのステージから次のステージに前記シェル側流体（Ｅ）が流れるようにすることを特徴とする、請求項１に記載の流体処理用アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には、流体分離と流体処理のための膜接触器に関する。さらに詳細には本発明は、シェルレス中空糸膜接触器およびシェルレス中空膜接触器を使用する流体処理の方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膜接触器は、ガス／液体、液体／液体（液体／溶存固形分の場合も成し遂げることができる）分離を達成する手段を提供する。膜接触器は典型的には、２つの不混和性流体相、例えば、第１液体と第２液体あるいはガスと液体を、１つないしはそれ以上の成分の分離および／または１つの液体からもう１つの液体への移送を行うため順番に接触器の中に運び入れるのに使用される。
【０００３】
膜接触器は通常、微小中空糸束を含むモジュール組み立て装置である。膜接触器には典型的には糸束を封じ込める固定式のシェルないしはハウジングが含まれる。そのシェルは典型的には４つの流体ポートを備える。すなわち、第１流体を導入するための入口、第１流体を排出するための出口、第２流体を導入するための入口、第２流体を排出するための出口、である。中空糸は、ハウジング内の両端に詰められ、そのシェルの第１および第２通常端部キャップ部分の中に各端部で開口している糸孔により高分子チューブを形成する。第１流体が糸の内部ルーメンを通過する流体なので、第１端部キャップには、「チューブ側」ないしは「ルーメン側」流体が企図される第１液体用入口が含まれるが、第２端部キャップには、ルーメン側流体の排出用出口が含まれる。「シェル側」流体が企図される第２流体は、典型的にはチューブシートの間に配置されている入口と出口ポートを通じてハウジングに入ったり出たりしており、それによりシェル側流体は糸の外側表面に接触する。シェル側流体は糸束の糸間の間隙を通って流れ、またその糸の長手方向に平行にあるいは垂直に流れるように方向付けることができる。Ｐｒａｓａｄらに与えられた米国特許第５，３５２，３６１号は、全体として本明細書の中で参照されているが、シェル内にある中空糸膜全体にわたる流体接触器の背景の理解を助けることであろう。
【０００４】
チューブシートはルーメン側流体をシェル側流体から分離し、ルーメン側流体はシェル側流体とは混合せず、またルーメン側とシェル側流体の間での移送のみが糸壁を通して起こる。糸壁にある微細孔は正常であれば、２つの流体のうち、１つの流体の静止層で充填されており、もう１つの流体は表面張力および／または圧力差動効果によりその孔から排出される。物質移送および分離は、２相間の移送種濃度の差異によって駆動される拡散により引き起こされる。典型的には、膜を越える対流あるいはバルクフローは起こらない。
【０００５】
ガス／液体分離の場合は、膜接触器は典型的には疎水性中空糸微細多孔質膜により組み立てられる。膜は疎水性であり、非常に小さな穿孔を有しているので、液体はその穿孔を容易には通過することはない。膜は拡散せずに液体とガスの相を直接的に接触器に運び入れる不活性支持体として作用する。２相間の物質移送は、移送させられたガス種の部分圧における差異により制御されている。
【０００６】
液体システムに関しては、各穿孔における液体／液体インターフェースは典型的には、膜と液体相圧を適当に選択することによって固定化される。この場合、膜はまた、混合することなく２つの流体の不混和性相の直接的な接触を促進する不活性支持体として作用する。
【０００７】
膜接触器は、１つの流体からの１つの成分の分離あるいは１つの流体の１つ成分をもう１つの流体に移送することを含めて、さまざまな適用のために利用することができる。例えば、膜接触器は排出流から汚染物を除去するのに使用することができる。多くの工業的なプロセスにおいては、汚染された排出流が副産物として生成される。環境的な関与および／またはプロセス効率を改善する努力を考慮すると、その汚染物質が環境を汚染しないように、あるいはそれをリサイクルすることができるように、排出流から１つないしはそれ以上の汚染物質を除去することが望ましい場合が多い。現行の工業的なプロセスは環境への放出を減少および／または効率を増加させるようにそのレベルを上げなければならない。したがって、放出を減少するために、現存する工場には経済的に改装することができるプロセスやシステムに対する必要がよく生起する。
【０００８】
分離特性、価格、圧力損失、重量、効率を含むいくつかの要素が、膜接触器の設計においては重要である。さらに価格の高い高圧装置の必要性が減少するよう、接触器にまたがる圧力損失は軽減すべきである。低圧力損失は、この点におけるプロセスの圧力は典型的には大気圧かないしは大気圧に近いものであるので、膜接触器が排出プロセス流の排出点で付け加えられることになっている改装プロジェクトではとくに重要である。物質移送の効率が高いことは、接触器のサイズを小さくするためには望ましいことである。低重量であることは、設置および維持費用を軽減するためには望ましいことであるし、また海外適用ではとくに重要である。今ある膜接触器は、これらの目的を満たすには完全に満足できるものではないことが分かっている。例えば、典型的な膜接触器のシェル部分は、重量と経費にかなりのものを付け加えてしまう。シェル型の接触器はまた典型的には圧力を上昇させて操作しなければならない。したがって、公知の膜接触器を越える、改善された特性を有する膜接触器に対する需要が存在する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は微細多孔質中空糸膜装置を提供するためのものであり、また本発明が第一義的に目指しているそうした需要や他の需要に見合う方法を提供するためのものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外側シェルないしはハウジングを有しない、簡素で、低価格で、効率の良い膜接触器を提供する。シェルが無いことにより、本発明の接触器であれば、汚染物質を取り除く、あるいはその流れを膜補助拡散により処理するために、排出流の排出点、ないしはその近傍で容易に付け加えられるようにすることができる。本発明の膜接触器は、操作の際にはほとんどあるいはまったく背圧はなく、それによってはいかなる関連圧力損失も最小限度にし、付加的なポンプ、ファンあるいは他の原動力となる手段の必要性を減少させる。シェルが無いことはまた、重量と材料の費用を軽減する。
【００１１】
本発明の好適な形態では、外部源からのシェル側流体は、少なくとも１つまた好適には中空糸膜の束がその周囲に集合している流体分配エレメントを通って接触器に入る。シェル側流体は、中空糸膜の外側表面に接している流体分配エレメントから中空糸膜の外側表面に排出される。好適には中空糸壁を越える流体の対流はない。プロセス流体のごく一部分のみが拡散により中空糸壁を越えて移送するが、その拡散はシェル側流体とルーメン側流体間の移送種の化学的ポテンシャルにおいて典型的には差異となっている物質移送駆動力により引き起こされる。中空糸は一方の端部では開口可能であり、単一の通常端部キャップの中に入る；あるいは代替的には、両方の端部が開口していて２つの別々の端部キャップの中に入り、１つの端部が糸の各端部に備えられる。代替的な実地態様では、中空糸は一般的には、Ｕ字形配列で入口は出口に隣接している状態で配置することができる。チューブシートないしは他の障壁は、中空糸膜のルーメンの内に運ばれるルーメン側流体からシェル側流体を分離する流体液密シールになる。チューブシートは好適には、そのチューブシートを固定的にその位置に支持するのに役立つ流体分配エレメントに恒久的に装着される。１つないしはそれ以上の端部キャップは恒常的に流体分配エレメントおよび／またはチューブシートに装着することができ、それにより膜接触器の一部を形成する。代替的には、膜接触器は取替え型カートリッジの形態をとることができ、例えば、ガスケットないしはＯ−リング、および釈放自在なクランプないしはコネクターなどの釈放自在な液密シール手段により流体デリバリーシステムの外側端部キャップ（単数／複数）ないしは他の外側構造物に釈放自在に接続可能である。
【００１２】
本発明の膜接触器は、範囲の限定付けされないものを含めて、さまざまな以下の使用法に適用可能である。すなわち、流体からの１つないしはそれ以上の成分の分離、１つの流体からもう１つの流体への移送、汚染プロセス水、廃棄ガスないしは他の流体からの不純物あるいは毒素の分離、真空あるいは掃引流体によるガス抜き、水溶性流体からの有機物質の選択的抽出、有機溶剤からの溶存無機塩類の抽出である。
【００１３】
手短に説明すると、好適な形態においては、本発明の１つの態様は、シェル側流体を受け入れるための少なくとも１つの入口およびシェル側流体を排出するための少なくとも１つの出口を有する流体分配エレメントを含むシェルレス流体接触器を提供する。接触器には好適にはさらに、微細多孔質壁を有する少なくとも１つの中空糸膜が含まれ、その微細多孔質壁はルーメンを規定する内側表面とシェル側流体と接触するために露出している外側表面を有し、各中空糸膜はさらにルーメンと流体連通している第１ポートから成る。接触器には好適にはさらに、各中空糸膜の第１ポートをシェル側流体から分離するための障壁が含まれる。
【００１４】
もう１つの態様では、本発明は、シェル側流体の少なくとも１つの成分をルーメン側流体に移送するための流体接触器を提供する。流体接触器には好適には、外側表面と内側通路を規定する壁および内側通路、内側通路と連通する流体の開口第１端部を有し、またシェル側液体を受け入れるための入口と第１端部とは反対側にある閉口第２端部を形成する実質的に固定式の流体分配チューブが含まれる。流体分配チューブの壁には好適には、内側通路からシェル側流体を排出するための複数の排出開口部を有する穿孔壁セクションが含まれる。流体接触器には好適にはまた、流体分配チューブの第１端部と穿孔壁セクションとの間の流体分配チューブの外側表面に密封係合に装着されるチューブシートおよび第２端部に隣接する流体分配チューブに装着される支持部材が含まれる。流体接触器には好適にはまた、流体分配チューブを取り囲む複数の中空糸膜、第１端部、第２端部を有する各中空糸膜、ルーメン側流体を送るための内側ルーメン、外側表面が含まれる。各中空糸膜の第１端部は好適には、チューブシートを通って液密に伸張され、各中空糸膜の第２端部は上記支持部材に装着され、各中空糸膜の外側表面の少なくとも一部はその周囲に対して露出される。１つの実施態様では、その支持部材はルーメン側流体の通路に対して中空糸膜の第２端部を閉鎖するための１つの閉鎖ブロックから成る。１つの代替的な実施態様では、その支持部材は中空糸膜の第２端部にあるポートを通るルーメン側流体の通路を提供する第２チューブシートの１つから成る。
【００１５】
さらにもう１つの態様では、本発明は流体処理用の複数ステージのアセンブリを提供する。好適な形態においては、そのアセンブリには、シェル側流体を受け入れるための少なくとも１つの入口とシェル側流体を排出するための少なくとも１つの出口を伴う流体分配エレメントを有する第１シェルレス流体接触器から成る１つの第１ステージが含まれる。第１シェルレス流体接触器にはまた、ルーメンを規定する内側表面およびシェル側流体と接触するために露出されている外側表面を伴う微細多孔質壁を有する少なくとも１つの中空糸膜が含まれる。各中空糸膜はルーメンと流体連通している第１ポートを有する。第１シェルレス流体接触器にはまた、各上記少なくとも１つの中空糸膜をシェル側流体から分離するための障壁が含まれる。そのアセンブリは好適にはまた、第２流体接触器から成る第２ステージが含まれる。第２流体接触器には、シェル側流体を受入れるための少なくとも１つの入口とシェル側流体を排出するための少なくとも１つの出口を有する流体分配エレメントが含まれる。第２流体接触器にはまた、微細多孔質壁を伴う少なくとも１つの中空糸膜が含まれており、その微細多孔質壁はルーメンを規定する内側表面とシェル側流体と接触するために露出されている外側表面を有する。各中空糸膜はまた、ルーメンと流体連通している第１ポートを有する。第２流体接触器にはまた、各中空糸膜の第１ポートをシェル側流体から分離するための障壁が含まれる。そのアセンブリには好適にはまた、第１流体接触器の少なくとも１つの出口から排出されるシェル側流体を捕集する捕集手段並びに第２流体接触器の少なくとも１つの入口に集められたシェル側流体を移送する移送手段が含まれる。所望される適用法により、三つないしはそれ以上のステージを提供することができる。
【００１６】
さらにもう１つの態様では、本発明はシェル側流体とルーメン側流体の間にある流体成分を移送するためのプロセスを提供する。そのプロセスには、シェル側流体をシェルレス流体接触器の流体分配エレメントの中に導入する以下のステップが含まれる。すなわち、流体分配エレメントの外側にある少なくとも１つの中空糸膜のルーメンの中にルーメン側流体を導入するステップと、シェル側流体とルーメン側流体との間にある流体成分の移送を行うために、少なくとも１つの中空糸膜に接している流体分配エレメントからシェル側流体をその少なくとも１つの中空膜に排出するステップ。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な形態に関するこれらの特徴また他の特徴並びに長所は、図面を参照してここに説明される。
【００１８】
同じ参照数字が全体を通して同じ部分品を表している図面を参照して、本発明の好適な形態がここに説明される。図１〜４には、本発明の好適な形態によりシェルレス膜接触器１０の実例実施態様が示されている。膜接触器１０は一般的には、流体分配エレメント１２、少なくとも１つの中空糸膜１４、障壁１６から成る。さまざまな好適な実施態様の中で任意に提供されているこれらの構成要素のそれぞれと、数多くの付加的なエレメントは以下にさらに詳細に説明される。
【００１９】
図１〜４を一般的に参照して、好適な形態においては、本発明の流体分配エレメントは外側表面２２と内側通路２４を規定する壁を有する実質的には固定されている流体分配チューブから成る。流体分配チューブ２０は一般的に好適には、流体本流の中の物質あるいは処理されることが企図されている汚染物質に対して不活性あるいは反応しないプラスチック、ポリオレフィン、ポリプロピレン、金属ないしは他の物質（単数／複数）から組み立てられた円筒形のエレメントである。代替的には、流体分配チューブ２０は、一般的には四角い、あるいは別様形態の断面の一本のチューブから成る。流体分配チューブ２０の第１端部２６は外部源からシェル側流体Ｅを受け入れるための１つの入口を形成し、また内側通路２４にシェル側流体Ｅを連通させるために開口してある。第１端部２６は、外部源に関連するパイピングないしはチュービングに装着するためのねじないしは他の継ぎ手を供給することができる。第１端部２６の反対側にある流体分配チューブ２０の第２端部２８は一般的に好適には、シェル側流体Ｅのフローに対して閉鎖される。図で説明されている好適な実施態様により、第２端部２８は第２端部２８上ないしはその近傍で支持部材３０を装着することにより閉鎖される。代替的には、第２端部２８は閉鎖されたシリンダーとして流体分配チューブ２０を形成することにより、流体分配チューブ２０を変形することにより、プラグという手段により、あるいは他の閉鎖手段により閉鎖することができる。流体分配チューブ２０には好適には、内側通路２４からシェル側流体Ｅを排出するための１つないしはそれ以上の排出開口部あるいは出口３４から成る、穿孔壁セクション３２が含まれる。好適には、複数の排出開口部３４は穿孔壁セクション３２の上に一般的には均等に分布させて供給される。排出開口部３４は一般的に好適には、放射線状に外側に向かって内側通路２４から外側表面２２に伸張する。
【００２０】
１つないしはそれ以上の中空糸膜１４もまた供給される。好適な形態においては、複数の中空糸膜１４が供給され、糸束４０を形成する。糸束４０は一般的に好適には、少なくとも穿孔壁セクション３２の一部分を取り囲む。中空糸膜１４は、所望される適用法により、数多くの形態のうちのいずれかをとることができる。例えば、中空糸膜１４は、気孔形態学の用語で言うと、均等あるいは非対称的であることが可能で、無孔性緻密外側スキンないしは複合構造を有するあるいは有しないことが可能であり、プロセス流体成分のいずれかに対して透過選択性（もう１つのものよりも１つの種ないしは成分に対してより高い透過性を有する）があるあるいはないことが可能である。本発明に関して適用性を見出すことができる中空糸膜の実施例には、Ｃｅｌｇａｒｄ中空糸膜という名称でノースカロライナ州シャーロット市のＣｅｌｇａｒｄ ＬＬＣから市販されていて入手可能な透過選択性糸膜、日本の大日本インキ化学株式会社から市販されている製品、オランダのＡｋｚｏ−Ｎｏｂｅｌから市販されている製品、が含まれる。各中空糸膜１４は好適には、その全体に非常に多数の微細孔、内側ルーメンを規定する内側表面、外側表面を有する微細多孔質壁から成る。
【００２１】
各中空糸膜１４は、障壁１６に密封接触しているその外側表面を介して伸張し、またその外側表面を有する第一の端部４４を有し、それにより障壁はチューブシートとして機能する。第１端部４４は好適には、チューブシート１６の外側表面４６、チューブシートとは反対側にある外側表面４６とほぼ同一平面で流体分配チューブ２０の穿孔壁セクション３２から遮断されるかあるいは成端される。開口第１端部４４は、中空糸膜１４のルーメンに、および／または、そこからルーメン側流体Ｉに連通するポートを形成する。チューブシート１６は好適には、高分子埋込用樹脂から形成される（本明細書で使用するとき、「高分子」埋込用樹脂とは何らかの熱可塑性ないしは熱硬化性埋込用樹脂のことをいう）。チューブシート１６は好適には、第１端部２６と穿孔壁セクション３２の間で、流体分配チューブ２０の外側表面２２の周囲で形成される、あるいは密封係合で装着される。本明細書の中では特に説明されてはいない本発明のさまざまな構成要素に関する構築の実施例の材料と方法は当業者には容易に明らかとなるであろう。読者はまた、Ｌｅｏｎａｒｄに与えられた米国特許第４，２２０，５３５号、Ｈｕａｎｇらに与えられた米国特許第５，２８４，５８４号、Ｐｒａｓａｄらに与えられた米国特許第５，３５２，３６１号に導かれるわけだが、これらはすべて本発明に適用可能な材料と構築の方法に関する背景となる付加的な情報として、全体として本明細書の中で参照される。
【００２２】
中空糸膜１４の第２端部５０は好適には、流体分配チューブ２０の第２端部２８近傍に装着される支持部材３０により支持される。このように、チューブシート１６により密封に係合されるそれら第１端部と、支持部材３０により密封に係合されている第２端部により、また、流体分配チューブ２０の穿孔壁セクション３２から排出されるシェル側流体Ｅと接触するために露出されるチューブシート１６と支持部材３０の間のそれらの外側表面の少なくとも一部分により、中空糸膜１４は伸張された形態において維持される。とくに図１に参照し、支持部材３０は、シェル側流体Ｅの通路に対して流体分配チューブ２０の第２端部２８を閉鎖するのに役立っており、またルーメン流体Ｉの通路を阻止するために中空糸膜１４の第２端部５０を内部に封じ込めるあるいは閉鎖する閉鎖ブロック５４の形態をとることができる。閉鎖ブロックは好適には、チューブシート１６の材料に類似の高分子埋込用樹脂から形成される。
【００２３】
代替的な実施態様においては、例えば、図２〜４において説明されている実施様態の中では、支持部材３０は第２チューブシート５６から構成することが可能である。第２チューブシート５６は中空糸膜１４の第２端部５０の外側表面に密封に係合する。第２端部５０は第２チューブシート５６を通って伸張し、また好適には、第２チューブシート５６の外側表面５８、第２チューブシート５６とは反対側にある外側表面５８とほぼ同一平面で流体分配チューブ２０の穿孔壁セクション３２から遮断されるかあるいは成端される。開口第２端部５０は中空糸膜１４のルーメンに、および／またはそこからルーメン側流体Ｉに連通する第２ポートを形成する。このように、ルーメン側流体Ｉは、中空糸膜１４のルーメンを通って接触器１０を横切ることができ、第１ないしは第２ポートに入り、またもう１つから流出する。第１および第２チューブシート１６、５６はルーメン側流体Ｉをシェル側流体Ｅから分離する。第２チューブシート５６は好適には、第１チューブシート１６と実質的には同じ方法で高分子埋込用樹脂から形成される。第２チューブシート５６は好適には、その第２端部２８近傍にある、流体分配チューブ２０の外側表面２２の周囲に形成される、あるいは、外側表面２２と密封係合に装着される。
【００２４】
本発明の流体接触器は任意にまた、１つないしはそれ以上の端部キャップから構成することができる。例えば、また図１を参照して一番良く分かるように、第１端部キャップ７０は、第１チェンバー７２を形成するために、中空糸膜１４の第１ポートとの流体連通に対しては開いている第１チューブシート１６と密封係合して供給することができる。第１端部キャップ７０は一般的には、第１チューブシート１６の外側表面４６の外側周辺部に関連するリム表面を有する半球形あるいは他の中空ケーシングとすることができる。第１端部キャップ７０は好適には、ルーメン側流体Ｉのフローを受け入れる、および／または排出するための第１ルーメン側流体ポート７４から構成される。第１ルーメン側流体ポート７４には外部流体システムに装着するためにねじないしは他の継ぎ手ないしは管継ぎ手を供給することができる。流体分配チューブ２０の第１端部２６は、第１端部キャップ７０の外側にあるシェル側流体ポートを供給するために、第１チェンバー７２を通って伸張する。流体分配チューブ２０の第１端部２６には、外側流体システムに装着するためのねじないしは他の継ぎ手ないしは管継ぎ手を供給することができる。第１端部キャップ７０は、単体エレメントないしは２つのエレメントは別個のエレメントとして形成することができ、また流体の通過をその間で阻止するために装着させるかあるいは密封することができるように、流体分配チューブ２０と一体に形成することができる。
【００２５】
図２を参照すると、本発明の流体接触器１０はさらに任意に第２端部８０キャップから構成することができる。第２端部キャップ８０は好適には、第２チェンバー８２を形成するために、中空糸膜１４の第２ポートと流体連通して開かれている第２チューブシート５６と密封係合して供給される。第２端部キャップ８０は一般的には、第２チューブシート５６の外側表面５８の外側周辺部と液密に連接しているリム表面を有する半球形ないしは他の中空ケーシングから構成される第１端部キャップ７０と実質的にほぼ同じかあるいは同一であると考えられる。第２端部８０は好適には、ルーメン側流体Ｉのフローを受け入れるおよび／または排出するための第２ルーメン側流体ポート８４から構成される。第２ルーメン側流体ポート８４には、外部流体システムに装着するためのねじないしは他の継ぎ手ないしは管継ぎ手を供給することができる。閉鎖ブロックを組み込んでいる本発明の実施態様では典型的には、図１に説明されている実施態様などの支持部材３０のように、中空糸膜１４が閉鎖ブロックを通って伸張して、第２チェンバー８２の中へのルーメン側流体の連通を可能にするポートとなることはないように、第２端部キャップ８０の供給は必要としないようになることが理解されるであろう。
【００２６】
本発明の流体接触器１０はまた、流体接触器１０への流体デリバリーのための端部キャップないしは他の構成要素を組み込んでいる外部流体デリバリーシステムに挿入するための、除去可能で取替え可能な接触器カートリッジから構成することができる。図３を参照すると分かるように、本発明の本実施態様による流体接触器１０には第１ないしは第２端部キャップ７０、８０は含まれていない。その代わりに、Ｏ−リングないしはガスケットなどの密封エレメント９０は、チューブシート１６、５６と外側ハウジングの共働構成要素との間、また流体分配チューブ２０の第１端部２６と外側ハウジングの共働構成要素との間に供給することができる。密封エレメントは流体接触器１０と外側ハウジングとの間にある係合点からルーメン側流体Ｉとシェル側流体Ｅが喪失することを阻止し、シェル側流体Ｅからルーメン側流体Ｉを分離することを維持する。クランプないしは他の装着手段９２には、流体接触器１０を外側ハウジングに装着するために供給することができる。
【００２７】
本発明の流体接触器１０にはまた、流体分配チューブ２０の内側通路２４内に装着されるバッグフィルター１００ないしは他のフィルター手段が含まれる。バッグフィルター１００は好適には、企図される使用の間に遭遇すると思われる特定の流体ないしは汚染物質とは反応しない不活性物質から組み立てられる。バッグフィルター１００は、修理ないしは取り替えるために除去可能であるもの、ないしは除去可能ではないものがある。フィルター１００には、それがなければ糸束４０を閉塞し、また接触器１０の効率を減少させるシェル側流体Ｅから特定物質を除去するのを助力することができるものがある。フィルター１００の特定寸法定格は好適には、糸束４０の中空糸膜１４のパッキングの密接度により、選択される。フィルター１００は除去可能ではなく（つまり、流体分配チューブ２０の内側通路２４内に恒常的に装着される）、フィルターは、補足した粒子を払い落とし、また除去するために、流体分配チューブ２０内でフローの方向を逆にすることにより定期的に「バック−フラッシュ」することができる。フィルター１００は除去可能である場合には、洗浄のために定期的に取り替えないしは除去することができる。
【００２８】
本発明の流体接触器１０は、周囲にあるシェルに対する必要性を利便的に除去し、そのため、「シェルレス」流体接触器と称される。周囲にあるシェルを取り除くことにより重量と経費を軽減し、また接触器にわたる圧力損失を最小限度にするという結果となっている。接触器１０に対する構造的支持は第一義的に、それらの企図される形態において障壁ないしは第１チューブシート１６および支持部材３０を維持する流体分配チューブ２０により供給される。より直径が大きな流体接触器の場合は、障壁ないしは第１チューブシート１６および支持部材３０の間に伸張している１つないしはそれ以上の支持ロッド（図示せず）をしつらえることにより供給することができる、付加的な支持を必要とすることがある。中空糸膜１４は一般的には、障壁ないしは第１チューブシート１６および支持部材３０の間にある周囲のものに対して露出される。
【００２９】
本発明にはまた、流体処理用の複数ステージ接触器アセンブリの装置が含まれる。とくに図５を参照すると、アセンブリ１０５には好適には、少なくとも２つのステージが含まれるが、各ステージは１つないしはそれ以上の流体接触器１１０から構成されている。アセンブリは、第一のステージ１１２と第２ステージ１１４から成る、図示されている２つのステージ接触器を参照して説明される。付加ステージは、所望されるシステムの特性により、実質的には同じような方法でそのシステムに付加できることが理解されることであろう。アセンブリ１０５の中に含まれる接触器１１０の少なくとも１つ、また好適にはすべては、上述のように実質的にはシェルレス流体接触器から成る。各ステージ１１２、１１４は好適には、その上にそれぞれのステージの接触器１１０が装着される支持ベース１１６、１１８から構成される。各支持ベース１１６、１１８は、例えば、不活性物質から形成される実質的に固定式のシートないしはプレートから構成することができる。各支持ベース１１６、１１８はルーメン側流体および／またはシェル側流体を接触器１１０に連通させる流体導管の通路を受け入れる１つないしはそれ以上の開口部を供給することができる。支持ベース１１６、１１８はまた、アセンブリ１０５の隣接するステージの間にある流体通路への障壁としての役割を果たし、接触器１１０によってのみ１つのステージから次のステージに流体が流れるようにすることができる。アセンブリ１０５は好適にはさらに、１つのステージから排出されるシェル側流体Ｅを捕集し、また第２ステージへと捕集されたシェル側流体Ｅを移送させるための捕集および移送手段から構成される。例えば、図示説明されている実施態様においては、捕集および移送手段は、スタックの一部分の壁（単数／複数）１２０、排出プロセス本流用の排出パイプないしは他の導管から成る。代替的な実施態様においては、捕集および移送手段は、アセンブリの１つないしはそれ以上のステージを取り囲む何らかの液密囲い壁から構成することができる。ルーメン側流体Ｉのための入口マニホルド１２２と出口マニホルド１２４は供給することができる。好適には、入口マニホルド１２２は各接触器１１０の外部源から第１のルーメン側流体ポート７４の中に流体を連通させ、出口マニホルド１２２は各接触器１１０の第２ルーメン側流体ポート８４から１つの出口へ流体を連通させる。
【００３０】
使用時には本発明の流体接触器１０は、シェル側流体Ｅとルーメン側流体Ｉの間にある１つないしはそれ以上の流体構成要素を移送するためのプロセスを実行可能にする。シェル側流体Ｅは外部源からシェルレス流体接触器の流体分配エレメントの中に導入される。例えば、上述の特定の実施態様において、シェル側流体Ｅは流体分配チューブ２０の第１端部２６に入り、内側通路２４の中へと通過していく。ルーメン側流体Ｉは流体分配エレメントの外側にある少なくとも１つの中空糸膜の１つのルーメンの中に導入される。例えば、上述の特定の実施態様において、ルーメン側流体Ｉは第１および／または第２ルーメン側流体ポート７４、８４を通って入る。ルーメン側流体Ｉはルーメン側流体ポート７４、８４を通ってそれぞれの端部キャップ７０、８０内にある第１および／または第２チェンバー７２、８２の中に連通され、また中空糸膜の第１および／または第２ポートを通って中空糸膜のルーメンの中に導入される。図５に図示説明されているように、シェル側流体Ｅとルーメン側流体Ｉは一般的には反対の方向に（向流）に流すことができる。代替的には、シェル側流体Ｅとルーメン側流体Ｉは一般的には同じ方向（並流）に流すことができる。
【００３１】
シェル側流体Ｅは、シェル側流体とルーメン側流体との間にある流体構成要素の移送を行うために、少なくとも１つの中空糸膜の外側表面（単数／複数）と接触して流体分配エレメントからその外側表面に排出される。例えば、上述の特定の実施態様において、シェル側流体Ｅは穿孔壁セクション３２の開口部ないしは出口３４から少なくとも１つの中空糸膜の外側表面（単数／複数）と接触してその外側表面に排出される。１つないしはそれ以上の流体構成要素（単数／複数）の拡散が中空糸膜の微細多孔質壁を越えて起こり、それによりシェル側流体Ｅとルーメン側流体Ｉの間にある構成要素の移送が行われる。中空糸膜１４は中空糸壁を越える流体フローを阻止するため、特定の適用法のために選択され、それにより中空糸壁を越える拡散への移送を制限し、移送構成要素（単数／複数）の選択的なコントロールを可能にする。中空糸壁を越える拡散に対する駆動力は好適には、シェル側流体Ｅとルーメン側流体Ｉとの間にある移送構成要素（単数／複数）の濃度、部分圧、ないしは、さらに一般的には、化学的ポテンシャルにおける差異によって供給される。移送は、シェル側流体Ｅ、ルーメン側流体Ｉ、中空糸膜の材料および厚さ、および／またはその流体の圧力ないしは他の条件ないしは特性の適当な選択により選択的にコントロールすることができる。好適な形態においては、流体構成要素はシェル側流体Ｅからルーメン側流体Ｉへと移送する。代替的には、流体構成要素はルーメン側流体Ｉからシェル側流体Ｅへと移送することができる。
【００３２】
シェル側流体Ｅは好適には、流体分配チューブ２０の壁を通って内側通路２４から伸張している複数の一般的には放射状開口部３４から一般的には放射状に外側にある流体分配チューブ２０から排出される。少なくとも１つの中空糸膜は好適には、一般的には複数の放射状開口部３４を取り囲んでいる糸束を形成する複数の中空糸膜１４から成る。シェル側流体Ｅは好適には、複数の中空糸膜１４の間にある隙間を通って一般的には放射状に外側に分配される。シェル側流体Ｅは、シェル側流体Ｅとルーメン側流体Ｉの間にある構成要素（単数／複数）の移送を行うために、少なくとも１つの中空糸膜の外側表面（単数／複数）と接触させた後、シェルレス流体接触器から捕集することができる。図５を参照して上で論じたように、捕集されたシェル側流体Ｅはその後、所望されたように、さらなる処理のための流体接触器の第２ステージ、また可能であればさらに付加されるステージに移送することができる。
【００３３】
本発明の流体接触器のいくつかの実施例の適用法とプロセスがここに提供される。本発明のより良い理解をもたらすために実施例の適用法が説明されるが、特許請求の範囲を制限することが意図されているわけではない。
【００３４】
【実施例】
実施例１：真空補助液体ガス抜き例本発明の実施態様の適用法の１つは、部分真空（すなわち、負圧差異）の適用により中空糸膜のルーメンに水あるいは他の液体のガス抜きを行うために提供される。本適用法は、図１に示されているように閉鎖ブロックによるなどして、単一ルーメン側流体ポートに真空を適用することにより、その第１端部で開き、第２端部で閉じる中空糸膜を有する流体接触器を使用して実施することができる。代替的には、本適用法は図２〜４に示されているように、両方のルーメン側流体ポートに真空を適用することにより、あるいは１つのルーメン側流体ポートを遮断し、また他方に真空を適用することにより、両方の端部で開く中空糸膜を有する流体接触器を使用して実施することができる。
【００３５】
ガス抜きをされる水あるいは他の液体は、流体分配チューブの第１端部を通るシェル側流体として接触器に入り、糸床に接触して穿孔壁セクションから外側に排出される。接触器は、そこから水が継続的に排出される圧力チェンバーに潜没させることができ、あるいは複数の接触器を単一のコンテナーの中に設置することができる。中空糸は好適には疎水性であって、あるいはそれらの外側表面の上にガス透過性緻密層を有しており、それによって中空糸壁を越える水の移送を阻止する。外部真空源は中空糸のルーメンに真空を適用する。分解されたガスがその液体から剥ぎ取られ、糸壁を越えて拡散し、また中空糸のルーメンの中に入る。ガスはルーメンからルーメン側流体ポートを通されて除去され、また大気中に排出する、あるいは捕集することができる。ガス抜きされた液体は糸束を通って接触器を出て、捕集することができ、任意に、さらなる処理のために付加されるステージに移送することができる。
【００３６】
実施例２：スイープガス移送例本発明のもう１つの実施例の適用法は、シェル側流体からルーメン側スイープガスに流体構成要素の移送をもたらす。本適用法は好適には、図２〜４に示されているように、１つのルーメン側流体ポートの中にルーメン側スイープガスを導入し、また他のルーメン側流体ポートからルーメン側スイープガスを排出することによって、両方の端部で開口している中空糸膜を有する流体接触器を使用して実施される。任意に、真空は排出ポートに同時に適用することができる。端部キャップは、所望されるように、接触器のいずれかの端部あるいは両方の端部に供給することができる。移送構成要素はシェル側流体から中空糸膜壁を通ってルーメン側スイープガスの中に拡散する。スイープガスは、それによって移送構成要素により豊富化され、またシェル流体は移送構成要素が欠乏する。本適用法は上述の実施例１の方法と結合させることができる。例えば、酸素を含む分解ガスの実質的な部分を除去するために、実施例１により真空によってまず最初水のガス抜きを行うことができる。実施例１の真空接触器から排出される真空ガス抜き水はその後集められ、またスイープガス接触器に移送される。水中の分解酸素の値は、スイープガス接触器の中で窒素などのスイープガスの中に拡散することによりさら減少する。
【００３７】
実施例３：ガス構成要素を剥ぎ取り液体吸収剤の中に入れる例さらなる１つの変型においては、本発明の流体接触器は、ガス流から適当な液体吸収剤の中に毒素ないしは害悪のある構成要素を除去しまた移送させることにより、大気中に排出する前に、ガスないしは廃棄空気流を処理するのに使用することができる。本適用法は好適には、図２〜４に示されているように、両方の端部で開口している中空糸膜を有する流体接触器を使用して実施される。処理されるガス流は流体分配チューブを通されシェル側流体として導入され、大気中に直接排出される前に糸床越しに外側にまた横断して放射状に流れる。適当な液体吸収剤がルーメン側流体として供給される。液体吸収剤は、微細穿孔の表面排除特性によるか、糸壁の内側表面上にある高度なガス透過性の、薄い、緻密スキンの存在によって中空糸壁の穿孔に入るのを阻止される。ガス流からの毒素ないしは害毒のある構成要素は、中空糸膜壁により、ガス流から液体吸収剤の中に拡散される。
【００３８】
実施例４：水溶性流から有機構成要素を抽出する例さらなる１つの変型においては、本発明の流体接触器は、環境に排出するあるいはリサイクル使用する前に、廃棄流などの水溶性流から有機汚染物ないしは汚染物質を抽出するのに使用することができる。本適用法は好適には、図２〜４に示されているように、両方の端部で開口している中空糸膜を有する流体接触器を使用して実施される。ルーメン側流体は、水ないしは水溶性流体からの標的となる有機汚染物を選択的な除去するために、抽出剤として使用される何らかの適当な非毒性有機溶剤である。水溶性流はシェル側流体である。有機汚染物ないしは汚染物質は、水ないしは水溶性流体から中空糸膜壁を通って有機抽出剤の中に拡散する。
【００３９】
実施例５：有機溶剤から非有機溶質を抽出する例もう１つの変型においては、本発明の流体接触器は有機溶剤から分解非有機塩不純物を抽出するのに使用することができる。これは、溶剤から塩を選択的に溶脱させる水あるいは他の水溶性物質と有機溶剤を中空糸膜壁を介して接触させることによって達成することができる。本適用法は好適には、図２〜４に示されるように、両方の端部で開口している中空糸膜を有する流体接触器を使用して実施される。処理される有機液体はシェル側流体として使用され、また洗浄水ないしは他の水溶性物質はルーメン側流体として使用される。非有機塩不純物は、有機液体から洗浄水ないしは他の水溶性物質の中に中空糸膜壁を通って拡散する。
【００４０】
本発明はその好適な形態において説明されているが、本発明に対する数多くの追加、修正、削除は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく行うことができることは当業者には容易に明らかになることであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る膜接触器の１つの好適な形態を示す部分断面図である。
【図２】本発明に係る膜接触器のもう１つの好適な形態を示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る膜接触器のさらにもう１つの好適な形態を示す部分断面図である。
【図４】本発明のもう１つの好適な形態であるフィルターエレメントを含む膜接触器を示す部分断面図である。
【図５】本発明の１つの好適な形態である複数ステージアセンブリを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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