(57)【要約】  本発明は、流体混合物を分離するための、ことにガス分離のための新規カートリッジおよびモジュール、その製造方法、ならびにその使用方法に関する。
2018524168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と、その反対側の後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを備えた中空糸膜または平膜（１１）と、
−  ＭＥ１（１１ａ）側の前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）と、
−  ＭＥ２（１１ｂ）側の後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）と、
−  Ｖ１（５ａ）とＶ２（５ｂ）との間の領域内で前記膜（１１）の周囲に配置されている、分離されるべき流体混合物に対して不透過性のバリア（６）と、
−  封止エレメント（３）とを有する膜エレメント（２）を含む、流体混合物、好ましくはガス混合物を分離するためのカートリッジ（１）において、
−  前記封止エレメント（３）は、前記カートリッジ（１）の自立した独立した構成要素であり、かつ少なくとも２つの部材からなり、
□  一方の部材は、前記カートリッジ（１）を流体分離モジュール（７）のモジュールハウジング（４）内に取り付けた後に前記モジュールハウジング（４）の内壁に密に接続するシール（８）、好ましくはシールリングまたはワイパーであり、かつ
□  もう一方の部材は、前記シール（８）を支持し、かつ前記膜エレメント（２）の前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）または後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）と可逆的に結合しているキャリアエレメント（９）であることを特徴とする、カートリッジ（１）。
【請求項２】
前記膜エレメント（２）は、
−  前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）と後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）とを備えた、１つ以上のセグメントからなる透過物捕集管ＰＳＲ（１３）と、
−  ＰＳＲ（１３）の周囲に配置されている、前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを備えた中空糸膜（１１）からなる少なくとも１つの束と、
−  ＭＥ１（１１ａ）およびＰＳＲＥ１（１３ａ）側の第１の注型部分ＶＡ１（１４ａ）ならびにＭＥ２（１１ｂ）およびＰＳＲＥ２（１３ｂ）側の第２の注型部分ＶＡ２（１４ｂ）と、
−  少なくとも１つの、前記膜エレメント（２）への流体入口開口部または前記膜エレメント（２）からの流体出口開口部を備えた前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）と、
−  少なくとも１つの、前記膜エレメント（２）への流体入口開口部または前記膜エレメント（２）からの流体出口開口部を備えた後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）と
を有し、
前記ＰＳＲ（１３）または前記ＰＳＲ（１３）の全てのセグメントは、ＭＥ１（１１ａ）とＭＥ２（１１ｂ）との間に、１つ以上の開口部または孔を有し、
前記中空糸膜の心部は少なくともＭＥ１（１１ａ）側に、好ましくはＭＥ１（１１ａ）およびＭＥ２（１１ｂ）の側に開口していることを特徴とする、請求項１記載のカートリッジ。
【請求項３】
前記膜エレメント（２）は、
−  前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）と後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）とを備えた、１つ以上のセグメントからなる透過物捕集管ＰＳＲ（１３）と、
−  ＰＳＲ（１３）の周囲に配置されている、前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを備えた中空糸膜（１１）からなる少なくとも１つの束と、
−  ＭＥ１（１１ａ）およびＰＳＲＥ１（１３ａ）側の第１の注型部分ＶＡ１（１４ａ）ならびにＭＥ２（１１ｂ）およびＰＳＲＥ２（１３ｂ）側の第２の注型部分ＶＡ２（１４ｂ）と、
−  ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間の領域内でＰＳＲ（１３）と中空糸膜（１１）とからなる構成を取り囲む、前記分離されるべき流体混合物に対して不透過性のバリア（６）と、
−  ＶＡ１（１４ａ）を覆うように配置されている前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）としての前方のエンドキャップＥＫ１、および任意に、存在する限りにおいて、ＶＡ２（１４ｂ）を覆うように配置されている後方のエンドキャップＥＫ２とを有し、
ここで、前記ＰＳＲ（１３）または前記ＰＳＲ（１３）の全てのセグメントは、ＭＥ１（１１ａ）とＭＥ２（１１ｂ）との間の領域内で、分離されるべき流体混合物に対して不透過性に構成されていて、
ＭＥ１（１１ａ）側の中空糸はＶＡ１（１４ａ）内で、前記中空糸膜の心部が開放されているように取り囲まれていて、かつＭＥ２（１１ｂ）側の中空糸はＶＡ２（１４ｂ）内で、前記中空糸膜が閉鎖されているように取り囲まれていて、
前記不透過性のバリア（６）は、前記カートリッジ（１）の縦軸を基準として、ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間の距離の最初の三分の一、好ましくは最初の四分の一で、特に好ましくはＶＡ１の内側端面（１４ａｉ）の後方の０〜１０ｃｍの間隔で、全く特に好ましくはＶＡ１の内側端面（１４ａｉ）の後方の２〜４ｃｍの間隔で、１つ以上の流体入口開口部または流体入口隙間（１２）が前記不透過性のバリア（６）と前記ＰＳＲ（１３）との間の間隙内に存在するように構成されていて、
ＥＫ２またはＶＡ２（１４ｂ）は後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）を構成し、
−  ＥＫ１（５ａ）は、前記透過物が前記中空糸心部から流出するＶＡ１の外側端面（１４ａａ）と、前記エンドキャップＥＫ１（５ａ）の内側表面との間に、ＥＫ１−空間（１５）が形成されるように構成されかつＶＡ１（１４ａ）を覆うように配置されていて、
−  前記ＥＫ１−空間（１５）の領域内で、透過物出口開口部（１６）が前記ＰＳＲ（１３）もしくは前記ＰＳＲ（１３）の１つのセグメント内に存在することで、前記ＥＫ１−空間（１５）内の流体と、ＰＳＲ（１３）の内側との間で流体連通が形成され、
−  ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間の距離の最後の四分の一で、またはＶＡ２（１４ｂ）内に埋め込まれて、前記濃縮物用の少なくとも１つの出口開口部（１７）が存在し、
−  ＥＫ２（５ｂ）は、存在する限りにおいて、同様に前記濃縮物用の少なくとも１つの出口開口部（１８）を有することを特徴とする、請求項１記載のカートリッジ。
【請求項４】
前記膜エレメント（２）は、
−  前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）と後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）とを備えた、１つ以上のセグメントからなる透過物捕集管ＰＳＲ（１３）と、
−  少なくとも１つの、前記膜エレメント（２）内への流体入口開口部または流体出口開口部を備えた前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）と、
−  少なくとも１つの、前記膜エレメント（２）からの流体入口開口部または流体出口開口部を備えた後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）と、
−  次の
○  １つ以上の平膜（１１）、
○  Ｖ１（５ａ）の側の前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と、Ｖ２（５ｂ）の側の後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを備えた１つ以上の多孔質供給物通路−スペーサー層（２２）、
○  １つ以上の透過物通路−スペーサー層（２３）、
を有する膜の巻物とを有し、
供給物通路−スペーサー層（２２）と透過物通路−スペーサー層（２３）との間に、常に少なくとも１つの膜層（１１）が存在し、かつ前記ＰＳＲ（１３）は、１つ以上の開口部または孔を有することを特徴とする、請求項１記載のカートリッジ。
【請求項５】
前記不透過性のバリア（６）は、シートまたはホースまたは管またはテープまたはエポキシ樹脂と混合したガラス織物からなり、前記不透過性のバリア（６）は、好ましくは収縮ばめおよび／または注入によりＶＡ１（１４ａ）および／またはＶＡ２（１４ｂ）内で、および／または外部固定手段によりおよび／または溶接によりおよび／または接着により前記膜エレメント（２）と固定されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のカートリッジ。
【請求項６】
前記ＰＳＲ（１３）は、複数のセグメントからなり、前記複数のセグメントは膜エレメント（２）内で、ねじ込みまたはフランジ結合または差込結合またはバヨネットロックまたは接着により相互に結合されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のカートリッジ。
【請求項７】
カートリッジのＰＳＲ（１３）は少なくとも２つのセグメントからなり、第１のセグメント（２０）はＰＳＲＥ１（１３ａ）から始まり、少なくともＶＡ１（１４ａ）内にまで達し、かつそこで第２のセグメント（２１）と結合されていて、単独でまたは他のセグメントと結合して、ＰＳＲ（１３）のＰＳＲＥ２（１３ｂ）までの残りを形成し、好ましくは前記第１のセグメント（２０）は、前記ＰＳＲ（１３）内への前記透過物入口開口部（１６）を含むことを特徴とする、請求項３記載のカートリッジ。
【請求項８】
前記中空糸膜（１１）は、１つ以上の束として前記ＰＳＲ（１３）の周囲に、前記ＰＳＲ（１３）の縦軸に対して平行に配置されるか、または前記ＰＳＲ（１３）に巻き付けられ、好ましくは螺旋形状に、特に好ましくは１つの巻き層ごとに螺旋が交差するように、つまり１つの層が螺旋形状にＶＡ１（１４ａ）からＶＡ２（１４ｂ）に向かう方向で巻き付けられ、次にＶＡ２（１４ｂ）からＶＡ１（１４ａ）に向かう方向で巻き付けられ、かつ次いで常に交互に続けられ、かつ／または中空糸膜からなる前記束は、１５０〜２００ｍｍ、好ましくは１７０〜１９５ｍｍ、特に好ましくは１８０〜１９０ｍｍの直径を有する十分に円形の横断面を有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のカートリッジ。
【請求項９】
前記中空糸膜は、ポリイミド、好ましくは３，４，３′，４′−ベンゾフェノン−テトラカルボン酸二無水物、１，２，４，５−ベンゼン−テトラカルボン酸二無水物、３，４，３′，４′−ビフェニル−テトラカルボン酸二無水物、オキシジフタル酸二無水物、スルホニルジフタル酸二無水物、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２，２−プロピリデン−ジフタル酸二無水物からなる群から選択される少なくとも１つの二無水物と、
トルエン−２，４−ジイソシアナート、トルエン−２，６−ジイソシアナート、４，４′−メチレンジフェニルジイソシアナート、２，４，６−トリメチル−１，３−フェニレンジイソシアナート、２，３，４，５−テトラメチル−１，４−フェニレンジイソシアナートからなる群から選択される少なくとも１つのジイソシアナートとの反応により得られるポリイミドからなることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載のカートリッジ。
【請求項１０】
前記キャリアエレメント（９）はプレートとして構成されていて、前記プレートは、前記膜エレメント（２）のＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）に取り付けられるかどうかに応じて、流体入口または流体出口を有するか、
または
前記キャリアエレメント（９）は、リングとして構成されていて、好ましくはリングの中央の開口部の直径は、前記キャリアエレメント（９）が結合する閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）の外径の３５〜８０％、特に好ましくは４０〜８０％、全く特に好ましくは５０〜７５％であるか、
または
前記キャリアエレメント（９）は篩として構成されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載のカートリッジ。
【請求項１１】
前記キャリアエレメント（９）は金属またはプラスチックからなり、
および／または
前記前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）または後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）はそれぞれ金属またはプラスチックからなり、
および／または
前記キャリアエレメント（９）はＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）にねじ止めされるか、またはＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）とねじまたはクランプエレメント、好ましくはフックまたはスナップインフックを用いて、または接着剤またはこれらの組み合わせによって結合されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載のカートリッジ。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか１項記載の１つ以上のカートリッジ（１）を含む、流体分離モジュール（７）、好ましくはガス分離モジュール。
【請求項１３】
−  流体入口（２４）ならびに透過物出口（２５）および濃縮物出口（２６）を備えた耐圧ハウジング（４）と、
−  前記耐圧ハウジング（４）内に配置された、請求項１から１１までのいずれか１項記載の１つのカートリッジ（１）または１つのカートリッジチェーンにまとめられた複数のカートリッジ（１）と、
−  前記モジュールハウジング（４）の前記透過物出口（２５）と、前記ハウジングの透過物出口の後に続くカートリッジ（１）の前記透過物捕集管（１３）の前記前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）との結合と、
−  前記カートリッジ（１）の前記ＰＳＲＥ２（１３ｂ）の領域内に、もしくは複数のカートリッジ（１）が１つのカートリッジチェーンにまとめられている場合には、前記カートリッジチェーンの最も後方のカートリッジ（１）のＰＳＲＥ２（１３ｂ）の領域内に配置されている流体バリア（２７）、つまりＰＳＲ（１３）の流体密の閉鎖部とを含み、
−  前記モジュールハウジング（４）の前記濃縮物出口（２６）は、前記ハウジング（４）内の最も後方のカートリッジ（１）の前記濃縮物出口開口部（１７）および／または（１８）の下流側に配置されている、請求項１２記載の流体分離モジュール（７）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、流体混合物を分離するため、ことにガス分離のための新規カートリッジおよびモジュール、その製造方法、ならびにその使用方法である。
【０００２】
先行技術
膜は、ガス混合物、液体混合物、ガス／液体混合物（以後、その都度、流体混合物という）を分離するために工業的に多くの分野で使用される。この場合、膜は、一般にモジュールまたはカートリッジ内に取り付けて使用される。モジュールは、ハウジングを含めた完全な分離ユニットを意味することによりカートリッジとは異なる。それに対して、カートリッジは、別々のハウジング内で、好ましくは分離プラント内に強固に取り付けられたハウジング内で使用される。したがって、カートリッジは、その交換の際に、モジュールの場合よりも低いコストが生じるという利点を有する、というのも、高コストの耐圧性ハウジングを一緒に交換する必要がないためである。
【０００３】
バイオガス処理の分野では一般に少容量のカートリッジまたはモジュールが使用されるが、例えば天然ガスの精製の分野では、大きなガス量を処理するために大容量のカートリッジまたはモジュールが必要とされる。さらに、この使用分野では、比較的高い、好ましくは３０〜１００ｂａｒの供給ガス圧力で使用することができるカートリッジおよびモジュールが必要とされる。
【０００４】
例えば、UOP社から、天然ガスを精製するためのSeparex（商標）ガス分離システムが販売されている。これは、平膜が中央に配置された透過物捕集管の周囲に巻き付けられたカートリッジである。このようなカートリッジのいくつかは、ガス分離プラントにおいて強固に設置されたハウジング内に直列接続される。この膜は、酢酸セルロースからなる。このUOP技術は、カートリッジが比較的短い寿命を有し、かつ使用条件に応じて既に数ヶ月後に交換しなければならないという欠点を有する。さらに、個々のカートリッジの容量は不十分であり、かつ改善されたシステムについての需要がある。
【０００５】
上述のように、既に商業的に使用されている平膜モジュールの他に、カートリッジまたはモジュールを中空糸膜から製造する多くの試みが存在する。これについての例は、米国特許第３４２２００８号明細書、米国特許第３４５５４６０号明細書、米国特許第３４７５３３１号明細書、米国特許第４２０７１９２号明細書、米国特許第４２１０５３６号明細書、米国特許第４２２０４８９号明細書、米国特許第４４３０２１９号明細書、米国特許第４６３１１２８号明細書、米国特許第４７１５９５３号明細書、米国特許第４８６５７３６号明細書、米国特許第４８８１９５５号明細書、米国特許第５，０２６，４７９号明細書、米国特許第５０８４０７３号明細書、米国特許第５１６００４２号明細書、米国特許第５２９９７４９号明細書、米国特許第５４１１６６２号明細書、米国特許第５４７０４６９号明細書、米国特許第５７０２６０１号明細書、米国特許第５８３７０３２号明細書、米国特許第５８３７０３３号明細書、米国特許第５８９７７２９号明細書、米国特許第７４１０５８０号明細書、米国特許第７９９８２５４号明細書、米国特許第８７４７９８０号明細書、米国特許第８７７８０６２号明細書、欧州特許第１５９８１０５号明細書および中国特許第１０３６９１３２３号明細書に存在する。
【０００６】
欧州特許出願公開第０９４３３６７号明細書（EP 0 943 367 A1）では、膜エレメントと、その膜エレメントに可逆的に固定された封止エレメントとからなるカートリッジが記載されている。この発明の目的は、カートリッジの交換の際に封止エレメントを再使用することができ、かつ膜エレメントだけを交換するだけで済むことであった。したがって、封止エレメントの可逆的な取り付け。
【０００７】
しかしながら、欧州特許出願公開第０９４３３６７号明細書（EP 0 943 367 A1）に記載されたカートリッジは、いくつかの欠点を有する。例えば、封止エレメントは、そこに開示された螺旋巻モジュール内で同時に「テレスコープ防止」板である。
【０００８】
欧州特許出願公開第０９４３３６７号明細書（EP 0 943 367 A1）では、テレスコープ防止板なしのカートリッジが製造され、貯蔵され、かつ使用場所に輸送される。そのため、このカートリッジ、特にカートリッジの端面は、この時点では機械的に保護されていない。使用場所での耐圧ハウジング内での取付の際に、このカートリッジは封止エレメントと結合しなければならない。したがって、この膜は、輸送または取付の際に端面を容易に損傷しかねず、したがってその機能は損なわれかねない。
【０００９】
さらに、欧州特許出願公開第０９４３３６７号明細書（EP 0 943 367 A1）のシステムは、封止エレメントを膜エレメントと流体密に結合するためにいくつかのシールを必要とすることを前提としている。このシールは、メンテナンスを必要とする弱点である。さらに、この付加的なシールは、付加的なコストの要因となる消耗品である。
【００１０】
米国特許出願公開第２００６／００４９０９３号明細書（US2006/0049093）には、同様に、螺旋巻膜エレメントと封止エレメントとを有するカートリッジが開示されている。この封止エレメントは、同様に、キャリアエレメントとシールとからなる。欧州特許出願公開第０９４３３６７号明細書（EP 0 943 367 A1）と同様に、米国特許出願公開第２００６／００４９０９３号明細書（US2006/0049093）での膜エレメントは、テレスコープ防止板を有していない。ここでも、封止エレメントが、テレスコープ防止板の代わりをする。欧州特許出願公開第０９４３３６７号明細書（EP 0 943 367 A1）とは異なり、米国特許出願公開第２００６／００４９０９３号明細書（US2006/0049093）の封止エレメントは、膜エレメントと不可逆的に結合している、つまり封止エレメントのキャリアエレメントは、流体密バリアおよび透過物捕集管と結合している。
【００１１】
米国特許出願公開第２００６／００４９０９３号明細書（US2006/0049093）からのシステムは、欧州特許出願公開第０９４３３６７号明細書（EP 0 943 367 A1）のシステムと同様の欠点を有する。さらに、封止エレメントのキャリアエレメントは、流体密バリアおよび透過物捕集管と接着されなければならず、これは極めて手間がかかる。
【００１２】
ことに、流体分離プラントのオペレーターは、複数のサプライヤーのカートリッジを自身のプラント内に取り付けることに関心がある。これは、カートリッジのサプライヤーの間の競争を高め、それによりカートリッジの価格は低下し、さらに運転安全性も高まる、それというのも少ない供給元に依存することにより生じる供給のボトルネックを回避することができるためである。
【００１３】
カートリッジの供給元は、この背景を考慮して、供給元の製品をできる限り多くの流体分離プラントに使用することができることに大きな関心がある。しかしながら、ここでは、異なる流体分離プラントの場合に異なる内径または幾何学形状を有するモジュールハウジングが存在することがあるという問題が生じる。したがって、カートリッジ製造元は、各々の流体分離プラントのために特別に調整したカートリッジ幾何学形状を用意しなければならない。これは、製造方法、ならびに在庫管理および物流の複雑さを高める。
【００１４】
したがって、標準カートリッジを多様な流体分離プラント中の異なる現状に適合することを可能にする簡単でかつ低コストの解決策についての大きな需要が生じる。
【００１５】
発明の課題
したがって、本発明の課題は、先行技術のカートリッジの先に説明された欠点を有しないか、または僅かな程度でしか有しない新規カートリッジまたは流体分離プラントを提供することであった。
【００１６】
この新規カートリッジは、ことに、既存のプラント中の従来のカートリッジを交換するために適しているべきである。この場合、ことに簡単にかつ低コストに、カートリッジを多様な流体分離プラント中での異なる現状に適合することが可能であるべきである。
【００１７】
別の特別な課題において、本発明によるカートリッジは、中空糸膜も、平膜も装備することができるほど柔軟に構成可能であるべきである。
【００１８】
別の特別な課題において、新規カートリッジまたはモジュールは、先行技術のシステムと比べて少なくとも同等の分離性能を有するべきである。好ましくは、より長い運転時間を可能にし、かつ／またはより低いコストで製造可能であり、かつ／またはことに１時間当たりの流体体積に関しておよび／または純度に関してより良好な分離効率を有するべきである。
【００１９】
同様に、本発明の課題は、カートリッジの構成要素が生産から適用場所での取付までで高い機械的安定性および高い機械的保護を有するカートリッジを提供することであった。さらに、使用場所でのカートリッジの取付は複雑ではなくかつ迅速に可能であるべきである。
【００２０】
別の明示的に挙げられていない課題は、本明細書、例、特許請求の範囲および図面の全体文脈から明らかになる。
【００２１】
発明の利点
発明者はここで、膜エレメント（２）と、この膜エレメントとは独立してかつそれと可逆的に結合可能な封止エレメント（３）とからなるカートリッジ（１）を準備することにより、上述の課題を解決することが可能であることを見出した。この膜エレメント（２）は、流体分離を担うカートリッジ（１）の全ての構成要素を含む。この封止エレメント（３）は、カートリッジ（１）の独立した部材であり、カートリッジ（１）は、モジュールハウジング（４）内への取り付けの後に、モジュールハウジング（４）の内側表面と流体密に結合するという課題を有する。これは、カートリッジ（１）の供給流と、カートリッジ（１）の生成物流、一般に濃縮物流との混合を回避するために必要である。本発明による封止エレメント（３）は、シール（８）とキャリアエレメント（９）とからなり、このキャリアエレメント（９）は、そのサイズおよび形状が可変に構成可能であり、かつ膜エレメント（２）と可逆的に結合することができる。このキャリアエレメント（９）は、モジュールハウジング（４）の内側表面に向かう表面（９ａ）が、シール（８）により取り囲むように覆われ、このシール（８）が、モジュールハウジング（４）内へカートリッジ（１）を取り付けた後に、モジュールハウジング（４）に対して流体密の結合を作り出す。本発明によるカートリッジ（１）は、カートリッジ（１）のコストのかかる部材である膜エレメント（２）を規格寸法で製造することができ、かつモジュールハウジング（４）の異なる幾何学形状に適合させる場合には封止エレメント（３）を交換しかつ適合させるだけで済むという大きな利点を有する。対応する封止エレメント（３）を適合させることは、完全な膜エレメント（２）を適合させることよりも遙かに低い手間である。また、異なる封止エレメント（３）を倉庫に貯蔵し、かつしたがって迅速かつ柔軟に多様な顧客の要求に対応することも問題なく可能である。異なる顧客の要求についての原因は、精製されるべきガス量に基づくモジュールの大きさのバリエーションの他に、運転圧力に基づく、耐圧性のモジュールハウジング（４）の厚みにおけるバリエーションであることもある。比較的高い圧力は、比較的厚いモジュールハウジング（４）を必要とする。しかしながら、比較的大きな厚みは、一般にモジュールハウジング（４）の比較的小さな内径に現れる。このような場合に、本発明によるカートリッジ（１）は、その可変性により特に利点を有する。
【００２２】
本発明によるカートリッジ（１）は、多様な膜エレメント（２）の使用により簡単にかつ柔軟に適合させることができる。例えば、中空糸膜も平膜も、ならびに多様なモジュール構造体も使用することが可能である。これについての詳細はさらに後に説明する。
【００２３】
本発明の別の明示的に挙げられていない利点は、明細書、例、特許請求の範囲および図面の全体文脈から明らかになる。
【００２４】
本発明を用いて、所望の場合に、互いに１つのカートリッジチェーンに結合することができ、かつ例えばUOPシステムの多くの既存の分離プラント中で交換カートリッジとして柔軟に使用することができるカートリッジ（１）を準備することが達成される。
【００２５】
本発明の主題は、請求項１記載のカートリッジ（１）、ならびに請求項１３記載の流体分離モジュール（７）である。好ましい実施形態は、従属請求項に請求されるか、または次の記載において詳細に説明される。
【００２６】
詳細な記載および定義
本発明を、次に詳細に説明する。予めいくつかの重要な概念を定義する。
【００２７】
分離されるべき個々の流体、ことに個別のガスのパーミアンスの商は、２つの流体に関する分離のための膜の選択率であり、かつしたがって膜が流体混合物を両方の成分に関してどの程度良好に分離することができるかを示す。透過物とは、膜、膜モジュールまたは膜分離工程の低圧側に生じる全体の流れをいう。
【００２８】
透過物流体または透過ガスとは、それぞれ膜で、膜モジュールで、または膜分離工程において、それぞれの流入流と比べて透過物流中に濃縮される１つ以上の成分をいう。
【００２９】
濃縮物とは、膜、膜モジュールまたは膜分離工程の高圧側に生じる、膜を通り抜けていない全体の流れをいう。
【００３０】
濃縮物流体または濃縮ガスとは、それぞれ膜で、膜モジュールで、または膜分離工程において、それぞれの流入流と比べて濃縮物流中に濃縮される１つ以上の成分をいう。
【００３１】
分離されるべき流体混合物、ことに分離されるべきガス混合物は、本発明による成果物または本発明による装置を用いて分離されるべき流体混合物、好ましくは少なくとも２つの流体、好ましくは２つのガスからなるガス混合物、または流体混合物、好ましくはガス混合物の流をいう。
【００３２】
本発明による成果物および装置の次に説明する好ましいおよび特別な実施形態、ならびに好ましいおよび特に適切な実施態様、ならびに図面および図面の説明に基づいて、本発明を例示的にだけ詳細に説明する、つまり本発明は、これらの例および適用例または個別の例中のそれぞれの特徴の組み合わせに限定されるものではない。
【００３３】
具体的な例との関連で述べられているおよび／または表されている個別の特徴は、これらの例またはこれらの例の通常の特徴との組み合わせに限定されるものではなく、技術的可能性の範囲内で、これらの個別の特徴が本明細書中で別々に取り扱われていない場合であっても、各々の他のバリエーションと組合せることができる。
【００３４】
図面のいくつかの図および図中で同じ符号は、同じもしくは類似の構成要素または同じまたは類似に作用する構成要素を示す。図面中の表現に基づいて、符号が記されていない特徴も、このような特徴が以後に説明されているかまたは説明されていないかどうかとは無関係に明らかになる。他方で、本明細書中に含まれるが、図面中で明白ではないかまたは示されていない特徴も、当業者にとって容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】膜エレメント（２）および封止エレメント（３）を有する本発明によるカートリッジ（１）の展開図を示す。
【００３６】
【図２】封止エレメント（３）が膜エレメント（２）に固定されている本発明によるカートリッジ（１）の縦断面図を示す。図示された実施形態の場合には、本発明によるカートリッジ内に中空糸膜が取り付けられた。
【００３７】
【図３】２つの使用された本発明によるカートリッジ（１ａ）および（１ｂ）を備えた本発明による流体分離モジュールの縦断面図を例示的に示す。
【００３８】
【図４】巻き付けられた平膜を備えた膜エレメント（２）の構造を示す。
【００３９】
本発明によるカートリッジ（１）の一般的説明
図１を参照すると、流体混合物、好ましくはガス混合物を分離するための本発明によるカートリッジ（１）は、膜エレメント（２）および封止エレメント（３）を含む。膜エレメント（２）内で中空糸膜または平膜を用いて流体混合物の分離が行われる。
【００４０】
封止エレメント（３）の説明
封止エレメント（３）は、本発明によるカートリッジ（１）を、流体分離モジュール（７）内に取り付けた後に、モジュールハウジング（４）の内壁と流体密に結合するという課題を有する。これにより、分離されるべき流体混合物の供給流が、濃縮物または透過物と混合不能であることが達成される。本発明のカートリッジ（１）は、封止エレメント（３）がカートリッジ（１）の自立した独立した構成要素であることにより特徴付けられる。
【００４１】
この場合、封止エレメント（３）は、少なくとも２つの部材からなり、
−  一方の部材は、カートリッジ（１）を流体分離モジュール（７）のモジュールハウジング（４）内に取り付けた後にモジュールハウジング（４）の内壁と密に接続するシール（８）であり、かつ
−  他方の部材は、シール（８）を支持し、かつ膜エレメント（２）の前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）または後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）と可逆的に結合するキャリアエレメント（９）である。
【００４２】
先行技術のカートリッジは、同様に、カートリッジをモジュールハウジングの内壁と結合するシールを有する。先行技術の場合には、大抵は、モジュールハウジング内に設置されたか、または一般的には、膜エレメントの前方の閉鎖部または後方の閉鎖部に設置されたシールが使用される。これは、膜エレメントの幾何学形状が、モジュールハウジングの幾何学形状に正確に適合していなければならないことを意味する。したがって、先行技術の場合には、モジュールハウジングの幾何学形状の変更の際に、その都度、膜エレメントの完全な幾何学形状を適合させなければならない。
【００４３】
本発明は、カートリッジ（１）が膜エレメント（２）の他に、膜エレメント（２）から独立した封止エレメント（３）を有することにより先行技術とは異なっている。この封止エレメント（３）はまた、キャリアエレメント（９）とシール（８）とからなる。キャリアエレメント（９）は、膜エレメント（２）と、正確にいうと前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）または後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）と可逆的に結合することができる。可逆的とは、膜エレメント（２）またはキャリアエレメント（９）を破壊することなく、この結合を再び解除すことができることを意味する。これは、好ましくは、キャリアエレメント（９）をＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）にねじ止めするか、またはねじまたはクランプエレメント、好ましくはフックまたはスナップインフックを用いて、または接着剤によってキャリアエレメント（９）と結合することにより達成される。上述の手段の組み合わせまたは当業者にとって容易に見出すことができる変形態様も同様に可能である。好ましくは、この結合の気密性を高めるために、キャリアエレメント（９）とＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）との間に少量の接着剤を使用する。接着剤は、キャリアエレメント（９）とＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）との間の結合の破壊のない引き離しが可能であるような性質を有していなければならない。シリコーン接着剤が特に好ましい。同様に、特に好ましくは、キャリアエレメント（９）をＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）とねじまたはクランプエレメントを用いて結合する。これについての例は、図２に示される。図１では、ねじを案内する穿孔（９ｂ）がキャリアエレメント（９）内に示されていて、図２は、キャリアエレメント（９）がねじ（１０）を用いて膜エレメント（２）の後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）にどのように固定されているかを示す。
【００４４】
キャリアエレメント（９）は、その形状および幾何学形状について任意に構成することができ、したがって、簡単に、迅速かつ低コストでモジュールハウジング（４）の多様な幾何学形状に適合させることができる。先行技術のカートリッジとは反対に、本発明によるカートリッジ（１）の場合、全体のカートリッジ（１）の幾何学形状を常には適合させる必要はなく、キャリアエレメント（９）の幾何学形状を適合させるだけで済む。本発明によるカートリッジ（１）は、いわば、いくつかの異なる膜エレメント（２）（詳細は後述する）を異なる封止エレメント（３）と組合せることができる組み立てキットシステムである。したがって、多様な顧客の要望に迅速かつ簡単に対応することができる。キャリアエレメント（９）は、多様に構成することができる。好ましくは、このキャリアエレメント（９）は、キャリアエレメント（９）が取り付けられる膜エレメント（２）の閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）に適合されている。これは、固定方法、例えばねじ用の穿孔に該当する（図１の（９ｂ）参照）。しかしながら、これは、キャリアエレメントがＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）に固定されているかどうかに応じて、キャリアエレメント（９）を通ってカートリッジ（１）内へ導入または搬出される流体流についての開口部にも該当する。キャリアエレメント（９）について相応する実施形態は、当業者にとって容易に見出すことができる。好ましい実施形態の網羅的でないリストは次のものを含む：
−  膜エレメント（２）のＶ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）に取り付けられているかどうかに応じて、流体入口開口部または流体出口開口部を有するプレートとして構成されているキャリアエレメント（９）、
−  リングとして構成されていて、好ましくはリングの中央の開口部の直径が、キャリアエレメント（９）が結合されるそれぞれの閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）の外径の３５〜８０％、特に好ましくは４０〜８０％、全く特に好ましくは５０〜７５％であるキャリアエレメント（９）（図１および２参照）、
−  篩として構成されているキャリアエレメント（９）（図４参照）。
【００４５】
キャリアエレメント（９）は、原則として、流体分離プラントの運転条件、ことに温度および圧力に耐える任意の材料から製造することができる。好ましくは、キャリアエレメント（９）は、金属またはプラスチックから製造される。キャリアエレメント（９）は、特に好ましくは高性能プラスチック、全く特に好ましくは繊維強化された高性能プラスチック、例えばＰＡ（６、６／６、１２など）、ＰＥＥＫ、ポリフェニレンスルフィット（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル／ポリスチレン混合物（ＰＰＥ／ＰＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）または金属、特に好ましくは特殊鋼もしくはアルミニウムから製造される。繊維強化は、特に好ましくはガラス繊維または炭素繊維または鉱物繊維を用いて行うことができる。ガラス繊維が全く特に好ましい。
【００４６】
既に述べたように、封止エレメント（３）はシール（８）も含む（図１および２参照）。このシールは、好ましくはキャリアエレメント（９）を取り囲むように配置されている。シール（８）として、好ましくは、対称型のノッチ付きリングまたはＯリングまたはワイパー、特に好ましくはＨ−ＮＢＲ（水素化アクリルニトリルブタジエンゴム）からなる対称型ノッチ付きリングが使用される。
【００４７】
シール（８）をキャリアエレメント（９）に固定するために、キャリアエレメント（９）は好ましくは溝を有する（図２参照）。
【００４８】
膜エレメント（２）の一般的説明
膜エレメント（２）は次のものを有する：
−  分離されるべき流体混合物を膜に供給する側の前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と、反対側の後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを備えた中空糸膜または平膜（１１）（図１には示されていない）、
−  ＭＥ１（１１ａ）側の前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）、
−  ＭＥ２（１１ｂ）側の後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）、
−  Ｖ１（５ａ）とＶ２（５ｂ）との間の領域内で膜（１１）の周囲に配置されている、分離されるべき流体混合物に対して不透過性のバリア（６）。
【００４９】
特に好ましい実施形態（例えば図２参照）の場合に、膜エレメント（２）は、さらに１つ以上のセグメントからなり、前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）および後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）を備えた透過物捕集管ＰＳＲ（１３）を有する。ＰＳＲ（１３）がいくつかのセグメント、例えば図２中で（２０）および（２１）からなる場合、これらのセグメントは、膜エレメント（２）内で、好ましくはねじ止めまたはフランジ接続またはコネクタ接続によって、またはバヨネットロックまたは接着剤により相互に結合されている。
【００５０】
ＰＳＲ（１３）を使用する場合に、中空糸膜または平膜（１１）はＰＳＲ（１３）の周囲に配置されていて、この前方の端部ＭＥ１（１１ａ）は、ＰＳＲＥ１（１３ａ）の側にあり、かつこの後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）は、ＰＳＲＥ２（１３ｂ）の側にある。同様に、この場合、分離されるべき流体混合物用の不透過性のバリア（６）が、Ｖ１（５ａ）とＶ２（５ｂ）との間の領域内でＰＳＲ（１３）および中空糸膜（１１）からなる装置の周囲に配置されている。中央のＰＳＲ（１３）を備えたカートリッジ（１）は、図３が示すように、それらのいくつかをモジュールハウジング（４）内でカートリッジチェーンとして配置することができるという利点を有する。ＰＳＲ（１３）は、好ましくは、カートリッジ（１）の運転条件で、つまり運転圧力および運転温度で機械的に安定でありかつ耐腐食性である材料からなる。これは、好ましくは金属またはプラスチックから作製されていてよい。鋼、アルミニウムまたはプラスチックが特に好ましく、特殊鋼が全く特に好ましい。
【００５１】
原則として、本発明による膜エレメント（２）用に、シールリングが前方の閉鎖部または後方の閉鎖部に直接取り付けられていて、かつ封止エレメント（３）として取り付けられていない先行技術の公知のカートリッジを、本発明による膜エレメント（２）のために、封止エレメント（３）をそこに固定することができるように前方の閉鎖部または後方の閉鎖部を構成することにより改造することができる。
【００５２】
膜エレメント（２）の製造のために、多様な材料からなる、好ましくはポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリアラミド、ポリイミド、ポリカルボナート、ポリフェニレンオキシド、酢酸セルロース、ポリアリールエーテルケトンまたはポリエーテルエーテルケトンからなる中空糸膜または平膜を使用することができる。膜の選択は、分離の課題に依存する。本発明によるカートリッジ（１）およびモジュール（７）は、液体の分離のためにも、ガスの分離のためにも、液体とガスとからなる混合物の分離のためにも使用することができる。好ましくは、本発明によるカートリッジ（１）およびモジュール（７）はガスの分離のために使用される。分離の課題に応じて多様な市販の膜が利用される。
【００５３】
ガスの分離のために、ポリイミドからなる中空糸膜が特に好ましい、というのもこの膜は高温で使用することができ、かつさらに極めて良好な選択率およびパーミアンスを有するためである。特に、３，４，３′，４′−ベンゾフェノン−テトラカルボン酸二無水物、１，２，４，５−ベンゼン−テトラカルボン酸二無水物、３，４，３′，４′−ビフェニル−テトラカルボン酸二無水物、オキシジフタル酸二無水物、スルホニルジフタル酸二無水物、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２，２−プロピリデン−ジフタル酸二無水物からなる群から選択される少なくとも１つの二無水物と、トルエン−２，４−ジイソシアナート、トルエン−２，６−ジイソシアナート、４，４′−メチレンジフェニルジイソシアナート、２，４，６−トリメチル−１，３−フェニレンジイソシアナート、２，３，４，５−テトラメチル−１，４−フェニレンジイソシアナートからなる群から選択される少なくとも１つのジイソシアナートとの反応により得られるポリイミドが好ましい。
【００５４】
これらの好ましいポリイミドは、高い可塑化耐久性を有する。モノマー単位ＡおよびＢを含むポリイミドが全く特に好ましく、
【化１】
2018524168.tif 000003
式中、０≦ｘ≦０．５および１≧ｙ≧０．５であり、Ｒは、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４からなる群から選択される１つ以上の同じまたは異なる基
【化２】
2018524168.tif 000004
を表す。
【００５５】
ｘ＝０、ｙ＝１およびＲはＬ２  ６４ｍｏｌ％、Ｌ３  １６ｍｏｌ％およびＬ４  ２０ｍｏｌ％からなるポリマーが最も好ましい。このポリマーは、Evonik Fibres GmbHからＰ８４またはＰ８４タイプ７０の名称で市販されていて、かつＣＡＳ番号：９０４６−５１−９で登録されている。他の特に好ましいポリマーは、ｘ＝０．４、ｙ＝０．６およびＲ＝Ｌ２  ８０ｍｏｌ％およびＬ３  ２０ｍｏｌ％からなる。このポリマーは、Evonik Fibers GmbHからＰ８４ＨＴまたはＰ８４ＨＴ３２５として市販されていて、かつＣＡＳ番号：１３４１１９−４１−８で登録されている。
【００５６】
本発明により有利に使用される中空糸膜は、１５０〜５００μｍの直径および／または１５０〜３００ｃｍの長さを有する。
【００５７】
膜エレメント（２）内に中空糸を使用する場合、ＰＳＲ（１３）ありまたはなしのいくつかの実施形態が可能である。一般に、本発明によるカートリッジ（１）は、中空糸膜の使用の際に、ＭＥ１（１１ａ）側に注型部分ＶＡ１（１４ａ）を、およびＭＥ２（１１ｂ）側に注型部分ＶＡ２（１４ｂ）を有する。これらの注型部分は、公知の方法により樹脂から製造される。
【００５８】
ＰＳＲ（１３）を膜エレメント（２）内で中空糸膜と一緒に使用する場合、中空糸膜は好ましくは１つの束（１１）として、もしくは複数の束としてＰＳＲ（１３）の周囲に、ＰＳＲ（１３）の縦軸に対して平行に配置されるか、または好ましくはＰＳＲ（１３）に巻き付けられ、特に好ましくは螺旋形状に巻き付けられ、全く特に好ましくは巻き層ごとに螺旋が交差するように、つまり１つの層が螺旋形状にＶＡ１（１４ａ）からＶＡ２（１４ｂ）に向かう方向で巻き付けられ、次にＶＡ２（１４ｂ）からＶＡ１（１４ａ）に向かう方向で巻き付けられ、かつ次いで常に交互に続けられる。
【００５９】
この技術によって、大容量のカートリッジ（１）を製造することもでき、この場合、好ましくは中空糸膜からなる束（１１）は、１５０〜２００ｍｍ、好ましくは１７０〜１９５ｍｍ、特に好ましくは１８０〜１９０ｍｍの直径を有するほぼ円形の横断面を有する。
【００６０】
異なる膜モジュール（２）の場合、閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）、および不透過性のバリア（６）はそれぞれ多様に構成されていてよいか、またはそれらの異なる組み合わせが存在してもよい。
【００６１】
好ましい実施形態の場合に、不透過性のバリア（６）は、Ｖ１（５ａ）とＶ２（５ｂ）との間の全体の領域内で不透過性に構成されている。特に好ましくは、バリア（６）は、この場合に、閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）と強固に結合されている。強固にとは、閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）またはバリア（６）の機械的破壊なしに結合を解除することができないことを意味する。これについての例は、図４に示される。
【００６２】
他の好ましい実施形態の場合には、バリア（６）は、Ｖ１（５ａ）およびＶ２（５ｂ）との間の領域内で少なくとも１つの流体入口または流体出口を有する。これらのカートリッジの場合に、供給流は流体入口を通して導かれるか、または透過物流は、流体出口として機能する開口部を通して取り出される。これについての例は、図２によるカートリッジであるが、ここで、不透過性のバリア（６）および流体入口または流体出口は、図３にだけ示されている。
【００６３】
不透過性のバリア（６）は、好ましくはシートまたはホースまたは管またはテープまたはエポキシ樹脂と「混合した」ガラス織物からなる。特に好ましくは、膜の束または膜の巻物に緊密に当接する材料が、ことに例えばポリオレフィン、ＰＶＣまたはポリイミドのような収縮可能な材料である。それにより、バリア（６）と膜の束または巻物の外側の表面との間の隙間が最小化され、かつ効率が高められる。
【００６４】
処理上の理由から、中空糸束または膜の巻物を、バリア（６）の取付の前に、バリア（６）を簡単に取り付けるため、および膜の束または巻物の形を保持するために、適切な手段（図中には示されていない）、例えばナイロンニットチューブによって取り囲むように取り付けられてよい。
【００６５】
不透過性のバリア（６）の膜エレメント（２）への良好な結合を保証するために、バリア（６）をＶＡ１（１４ａ）および／またはＶＡ２（１４ｂ）内に一緒に注型して組み込むことが好ましいことがある。これとは別にまたは補足的に、バリア（６）を、例えばワイヤ、クランプによるか、または溶接、あるいは接着あるいは収縮ばめのような外部固定補助手段により、膜エレメント（２）に固定してもよい。上述の手段の組み合わせも、当業者に容易に見出される代替の技術的解決手段と同様に可能である。
【００６６】
閉鎖部Ｖ１および／またはＶ２は、封止エレメントの全ての構成要素を含めた封止エレメントとは反対に、膜エレメントの部材であり、かつ膜エレメントと、好ましくは不可逆的に結合している。これらの閉鎖部は、好ましくは不透過性のバリアおよび／または膜の束および／または膜の巻物および／または注型部分および／または透過物捕集管と結合している。この結合は、当業者に公知の方法により実施することができる。
【００６７】
これらの閉鎖部は、一方で、膜の束の端部または膜の巻物の端面または注型部分を機械的に保護する機能を有する。しかしながら、これらの閉鎖部は、膜エレメントの幾何学形状も安定化し、かつ封止エレメント用の結合箇所を形成する。
【００６８】
しかしながら、これらの閉鎖部は、さらに、例えばこれらの閉鎖部が、透過物捕集管と中空糸膜の心部との間の流体連通を作り出すエンドキャップの形で存在する場合に、付加的な機能を満たすこともできる。このような特別な機能の詳細な例を、さらに以下に説明する。
【００６９】
閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）は、エンドキャップまたはカバーとして構成されていてよい。「キャップ」とは、例えばカバーとは異なり、それぞれのエンドキャップの部材が膜の端部ＭＥ１（１１ａ）またはＭＥ２（１１ｂ）を、または一般に中空糸膜の場合に存在する注型部分ＶＡ１（１４ａ）またはＶＡ２（１４ｂ）を覆うことを意味する。これについての例は、図２に見られる。図２による実施形態の次の詳細な説明の場合に、そこに使用されたエンドキャップＥＫ１およびＥＫ２は、それぞれ（５ａ）および（５ｂ）で表される、というのもこれらのエンドキャップはそれぞれ閉鎖部Ｖ１またはＶ２を示すためである。
【００７０】
しかしながら、これらの閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）は、カバー、例えば流体入口開口部または流体出口開口部を備えたプレート、または膜の束または膜の巻物のそれぞれの端部ＭＥ１（１１ａ）またはＭＥ２（１１ｂ）に配置されている篩として構成されていてもよい。これについての例は、図４に見られる。
【００７１】
本発明による膜エレメント（２）の閉鎖部Ｖ１（５ａ）またはＶ２（５ｂ）は、好ましくは高性能プラスチック、特に好ましくは繊維強化された高性能プラスチック、例えばＰＡ（６、６／６、１２など）、ＰＥＥＫ、ポリフェニレンスルフィット（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル／ポリスチレン混合物（ＰＰＥ／ＰＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）または金属、好ましくは特殊鋼もしくはアルミニウムからなる。繊維強化のために、好ましくはガラス繊維または炭素繊維または鉱物繊維、特に好ましくはガラス繊維が使用される。
【００７２】
特別な場合に、閉鎖部Ｖ１（５ａ）およびＶ２（５ｂ）を、それぞれ注型部分ＶＡ１（１４ａ）およびＶＡ２（１４ｂ）自体によって形成してもよい。
【００７３】
以下に、膜エレメント（２）についての多様な好ましい実施形態を説明する。
【００７４】
ＰＳＲ（１３）なしの膜エレメント（２）
第１の特に好ましい実施形態の場合に、カートリッジ（１）はＰＳＲ（１３）を有しない。ＰＳＲ（１３）なしのカートリッジについての例は、国際公開第２０１４／１９８５０１号（WO2014/198501）に見られる。単なる繰り返しを避けるために、この出願の開示の全範囲は、これにより本願の主題に組み込まれる。国際公開第２０１４／１９８５０１号（WO2014/198501）によるカートリッジ（１）は、国際公開第２０１４／１９８５０１号（WO2014/198501）においてエンドキャップとして構成された閉鎖部Ｖ１（５ａ）およびＶ２（５ｂ）が、封止エレメント（３）のための相応する固定手段、例えばねじ（１０）用の穿孔を備えている場合に、本発明における膜エレメント（２）として使用することができる。相応する適合は、当業者に容易に実施可能である。
【００７５】
中空糸膜と多孔質ＰＳＲ（１３）とを備えた膜エレメント（２）
第２の特に好ましい実施形態の場合に、膜エレメント（２）は、先に既に一般的に説明した特徴の他に次の特徴を有する：
−  前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）と後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）とを備えた１つ以上のセグメントからなる透過物捕集管ＰＳＲ（１３）、
−  ＰＳＲ（１３）の周囲に配置されている、前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを備えた中空糸膜（１１）からなる少なくとも１つの束、この場合、ＰＳＲ（１３）またはＰＳＲ（１３）の全てのセグメントは、ＭＥ１（１１ａ）とＭＥ２（１１ｂ）との間に、１つ以上の開口部または孔を有し、この開口部または孔は、ＰＳＲ（１３）が、膜（１１）と、ＰＳＲ（１３）と、不透過性のバリア（６）との間の間隙と流体連通するようにしている、
−  ＭＥ１（１１ａ）およびＰＳＲＥ１（１３ａ）側の第１の注型部分ＶＡ１（１４ａ）ならびにＭＥ２（１１ｂ）およびＰＳＲＥ２（１３ｂ）側の第２の注型部分ＶＡ２（１４ｂ）、この場合、中空糸膜の心部は少なくともＭＥ１（１１ａ）に、好ましくはＭＥ１（１１ａ）とＭＥ２（１１ｂ）とに開口している、
−  少なくとも１つの、膜エレメント（２）への流体入口開口部または膜エレメント（２）からの流体出口開口部を備えた、好ましくは分離されるべき流体混合物用の膜エレメント（２）への流体入口開口部を備えた前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）、
−  少なくとも１つの、膜エレメント（２）への流体入口開口部または膜エレメント（２）からの流体出口開口部を備えた、好ましくは濃縮物用の膜エレメント（２）からの流体出口開口部を備えた後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）。
【００７６】
このカートリッジ（１）の機能原理は、分離されるべき流体混合物がＶ１（５ａ）で中空糸膜の心部に入り込むことに基づく。次いで、ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間で、流体混合物の比較的容易に透過する成分は、膜を通過して、不透過性のバリアと中空糸膜との間の空間内へ透過する。そこから、この透過物は、ＰＳＲ（１３）内の孔を通してＰＳＲ（１３）の内部内へ導かれ、このＰＳＲ（１３）を通して搬出される。濃縮物は、ＭＥ２（１１ｂ）またはＶ２（５ｂ）で膜エレメント（２）から流出する。ＶＡ１（１４ａ）およびＶＡ２（１４ｂ）は、透過物と供給流または濃縮物流との逆混合を避ける。不透過性のバリア（６）は、この場合、ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間で十分に不透過性に構成されている。
【００７７】
この封止エレメント（３）は、この場合、供給流、つまり分離されるべきガス混合物の一部が、不透過性のバリア（６）の外側表面と、モジュールハウジング（４）の内側表面との間に流れ込みかつ濃縮物流と混合されることを避けるために、好ましくは前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）に、あるいはまた後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）に固定されている。
【００７８】
中空糸膜と、ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間の流体密のＰＳＲ（１３）とを備えた膜エレメント（２）
第３の、全く特に好ましい実施形態の場合に、膜エレメント（２）は、先に既に一般的に説明した特徴の他に、次の特徴を有する：
−  前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）と後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）とを備えた１つ以上のセグメントからなる透過物捕集管ＰＳＲ（１３）、
−  ＰＳＲ（１３）の周囲に配置されている、前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを備えた中空糸膜（１１）からなる少なくとも１つの束、この場合、ＰＳＲ（１３）またはＰＳＲ（１３）の全てのセグメントは、ＭＥ１（１１ａ）とＭＥ２（１１ｂ）との間の領域内で、分離されるべき流体混合物に対して不透過性に構成されている、
−  ＭＥ１（１１ａ）およびＰＳＲＥ１（１３ａ）側の第１の注型部分ＶＡ１（１４ａ）ならびにＭＥ２（１１ｂ）およびＰＳＲＥ２（１３ｂ）側の第２の注型部分ＶＡ２（１４ｂ）、この場合、ＭＥ１（１１ａ）側の中空糸はＶＡ１（１４ａ）内で、中空糸膜の心部が開放されているように取り囲まれていて、かつＭＥ２（１１ｂ）側の中空糸はＶＡ２（１４ｂ）内で、中空糸膜の心部が閉鎖されているように取り囲まれている、
−  ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間の領域内でＰＳＲ（１３）と中空糸膜（１１）とからなる装置を取り囲む、分離されるべき流体混合物に対して不透過性のバリア（６）、この場合、不透過性のバリア（６）は、カートリッジの縦軸を基準として、ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間の距離の最初の三分の一、好ましくは最初の四分の一で、特に好ましくはＶＡ１の内側端面（１４ａｉ）の後方の０〜１０ｃｍの間隔で、全く特に好ましくはＶＡ１の内側端面（１４ａｉ）の後方の２〜４ｃｍの間隔で、１つ以上の流体入口開口部または流体入口隙間（１２）が不透過性のバリア（６）と、中空糸膜と、ＰＳＲ（１３）との間の間隙内に存在するように構成されている、
−  ＶＡ１（１４ａ）を覆うように配置されている前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）としての前方のエンドキャップＥＫ１と、任意に、存在する限りにおいて、ＶＡ２（１４ｂ）を覆うように配置されている後方のエンドキャップＥＫ２、この場合、ＶＡ２（１４ｂ）または存在する場合にＥＫ２は後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）を構成する、
かつ、特に次のことを特徴とする、
−  ＥＫ１は、透過物が中空糸心部から流出するＶＡ１の外側端面（１４ａａ）と、エンドキャップＥＫ１の内側表面との間に、ＥＫ１−空間（１５）が形成されるように構成されかつＶＡ１（１４ａ）を覆うように配置されている、
−  ＥＫ１−空間（１５）の領域内で、透過物出口開口部（１６）はＰＳＲ（１３）もしくはＰＳＲ（１３）の１つのセグメント内に存在するので、ＥＫ１−空間（１５）内の流体と、ＰＳＲ（１３）の内側との間に流体連通が形成され、
−  ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）の間の距離の最後の四分の一内に、またはＶＡ２（１４ｂ）内に埋め込まれて、濃縮物用の少なくとも１つの出口開口部（１７）が存在し、この場合、ＥＫ２が存在する限りにおいて、同様に濃縮物用の少なくとも１つの出口開口部（１８）を有する。
【００７９】
膜エレメント（２）と封止エレメント（３）とを含めたこのようなカートリッジ（１）の例は、図２に見られる。ここに図示された実施形態は特に好ましい、それというのも、この構成によって、高圧で運転することができる特に効率的な大容量カートリッジ（１）を製造することができるためである。
【００８０】
しかしながら、図２に示されているように、封止エレメント（３）なしの、つまりカートリッジに直接取り付けられたシール（８）を備えたカートリッジは、欧州特許第１５１７１２０６号明細書（EP 15171206）に開示されている。この出願の内容は、単なる繰り返しを避けるために、これにより、全範囲が本出願の明細書に組み込まれる。
【００８１】
上述の実施形態の場合に、膜エレメント（２）１つ当たり１つの部分から作製されたＰＳＲ（１３）を使用することができる。しかしながら、図２に示されているように、複数のセグメントへの分割は、生産技術的な利点を有することがある。
【００８２】
カートリッジ（１）のＰＳＲ（１３）が少なくとも２つのセグメント（２０）および（２１）からなる場合には、第１のセグメント（２０）はＰＳＲＥ１（１３ａ）に始まり、少なくともＶＡ１（１４ａ）内にまで達し、かつそこで第２のセグメント（２１）と結合されていて、単独でまたは他のセグメントと結合して、ＰＳＲ（１３）のＰＳＲＥ２（１３ｂ）までの残りを形成し、かつ特に好ましくは、第１のセグメント（２０）は、ＰＳＲ（１３）内への透過物入口開口部（１６）を含む。これについての例は、図２に示される。この構造は、生産技術的利点を有する、というのも、下記の例１に説明されているように、ＶＡ１（１４ａ）は、中空糸膜の心部を開放するためにこの製造の後に切断しなければならないためである。分割されたＰＳＲ（１３）を使用する場合、ＶＡ１（１４ａ）は、簡単に、例えばのこぎりを用いて切断することができる。この工程の後に、セグメント（２０）および（２１）を組み立てることができる。一体式のＰＳＲ（１３）を使用する場合には、これは、図２による実施形態の場合に、ＶＡ１（１４ａ）のために、ＰＳＲ（１３）をこの作業工程で一緒に切断しないという手間のかかる切断方法を選択しなければならないという欠点を有する。さらに、図２によるＰＳＲ（１３）の分割された態様は、まずエンドキャップＥＫ１（５ａ）を載置し、その後にセグメント（２０）を挿入することができ、かつセグメント（２０）は、セグメント（２１）とのこの強固な結合により膜エレメント（２）内にＥＫ１（５ａ）を固定する。
【００８３】
この実施形態のさらなる詳細および好ましい実施形態を、さらに下記に、このようなカートリッジ（１）が例示的に使用された本発明による流体分離モジュール（７）の説明との関連で記載する。
【００８４】
平膜を備えた膜エレメント（２）
平膜を使用する場合、膜エレメント（２）は好ましくは次の特徴を有する：
−  前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）と後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）とを備えた１つ以上のセグメントからなる透過物捕集管ＰＳＲ（１３）、
−  少なくとも１つの流体入口開口部または流体出口開口部を備えた、好ましくは分離されるべき流体混合物用の流体入口開口部を備えた前方の閉鎖部Ｖ１（５ａ）、
−  少なくとも１つの流体入口開口部または流体出口開口部を備えた、好ましくは濃縮物用の出口開口部（１８）を備えた後方の閉鎖部Ｖ２（５ｂ）、
−  次の
○  １つ以上の平膜（１１）、
○  好ましくは分離されるべき流体混合物を供給するＶ１（５ａ）の側の前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と、好ましくは濃縮物を搬出するＶ２（５ｂ）の側の後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを備えた１つ以上の多孔質供給物通路−スペーサー層（２２）、
○  好ましくは濃縮物を、巻物の心部の中心に配置されたＰＳＲ（１３）に案内する１つ以上の透過物通路−スペーサー層（２３）
を含み、
この場合、
○  供給物通路−スペーサー層（２２）と透過物通路−スペーサー層（２３）との間に、常に少なくとも１つの膜層（１１）が存在し、かつＰＳＲ（１３）は、透過物用に１つ以上の開口部または孔を有する
膜の巻物。
【００８５】
相応する膜エレメント（２）の例は、図４に見られる。このような巻物エレメントの製造は一般に公知である。これについての例は、欧州特許出願公開第０４９２２５０号明細書（EP 0 492 250 A1）および国際公開第２０１２１２２２０７号（WO 2012122207 A1）に見られる。単なる繰り返しを避けるために、この刊行物の内容は、これにより、本願の明細書の主題に明確に組み込まれる。
【００８６】
流体分離モジュール
本発明は、上述のカートリッジ（１）の他に、前述のカートリッジ（１）を１つ以上を含む流体分離モジュール（７）も含む。
【００８７】
本発明による流体分離モジュール（７）の好ましい実施態様は、
−  流体入口（２４）ならびに透過物出口（２５）および濃縮物出口（２６）を備えた耐圧モジュールハウジング（４）と、
−  耐圧ハウジング（４）内に配置された、１つのカートリッジ（１）またはカートリッジチェーンにつなぎ合わされたいくつかの本発明によるカートリッジ（１）と、
−  モジュールハウジング（４）の透過物出口（２５）と、ハウジング（４）の透過物出口の後に続いて置かれたカートリッジ（図３では（１ａ））のＰＳＲＥ１（１３ａ）との結合と、
−  流体バリア（２７）、つまりカートリッジのＰＳＲＥ２（１３ｂ）の領域内で、または複数のカートリッジが１つのカートリッジチェーンに連結されている場合には、カートリッジチェーンの最も後方のカートリッジのＰＳＲＥ２（１３ｂ）の領域内に配置されているＰＳＲ（１３）の流体密の閉鎖部とを含み、
この場合、
−  モジュールハウジングの濃縮物出口（２６）は、ハウジング（４）内で、最も後方のカートリッジ（図３では（１ｂ））の濃縮物出口開口部（１７）および／または（１８）の下流側に配置されている。
【００８８】
図２による２つの本発明によるカートリッジ（１ａ）および（１ｂ）からなるカートリッジチェーンを備えた本発明による流体分離モジュール（７）の好ましい例は、図３に示されている。図３を参照すると、本発明による流体分離モジュール（７）はハウジング（４）を含み、このハウジング（４）内に、例えば２つの本発明によるカートリッジ（１ａ）および（１ｂ）が存在する。分離されるべき流体混合物は、モジュールの流体入口（２４）を通してハウジング（４）の内部に進入する。引き続き、流体混合物は、第１のカートリッジ（１ａ）のエンドキャップＥＫ１（５ａ）とモジュールハウジング（４）の内壁との間に存在する隙間（２８）を通して、カートリッジ（１ａ）の流体入口開口部（１２）に案内される。カートリッジ（１ａ）は図２に対応し、周囲に中空糸膜（１１）の束（図３では見やすさのために示されていない）が配置されている縦軸方向に配置された透過物捕集管ＰＳＲ（１３）からなる。中空糸は、前方の端部ＭＥ１（１１ａ）と後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）とを有する。前方の端部ＭＥ１（１１ａ）は、第１の注型部分ＶＡ１（１４ａ）内に、中空糸の心部が開放されるように、つまり透過物がＶＡ１の外側端面（１４ａａ）で中空糸から流出できるように注型される（図２参照）。中空糸の後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）は、第２の注型部分ＶＡ２（１４ｂ）内に注型され、かつ中空糸心部が閉鎖されるように、つまり透過物がこの側で中空糸から流出できないように注型される（図２参照）。ＰＳＲ（１３）と中空糸膜の束（１１）とからなる構成は、ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間で、不透過性のバリア（６）により、流体入口開口部（１２）を除いて完全に取り囲まれる。分離されるべき流体混合物は、つまり、流体入口開口部（１２）を通して、ＰＳＲ（１３）と、中空糸膜（１１）と、不透過性のバリア（６）との間の間隙に圧入される。そこで、この分離されるべき流体混合物は、中空糸膜（１１）の外皮と接触する。
【００８９】
上述の間隙（高圧領域）内の流体と中空糸膜の心部（低圧領域）内の流体との圧力差により、分離されるべき流体混合物の透過しやすい流体の大部分は、場合により、透過しにくい流体の僅かな部分と一緒に中空糸膜を透過し、かつ中空糸膜の心部内で透過物を形成する。したがって、透過しやすい流体は、分離されるべき流体混合物と比べて、透過物中に濃縮されている。
【００９０】
透過物は、中空糸膜の心部を通じて、ＶＡ１（１４ａ）を通過して、ＥＫ１の内側表面（５ａ）とＶＡ１の外側端面（１４ａａ）との間に形成される空間（ＥＫ１−空間（１５））内へ案内される。ＥＫ１−空間（１５）は、さらに、ＰＳＲ（１３）と流体連通していて、つまりＥＫ１−空間（１５）から透過物は開口部（１６）を通してＰＳＲ（１３）の内側内に達することができる（図２参照）。そこからまた、第１のカートリッジ（１ａ）の透過物は、同じハウジング（３）内で他のカートリッジの透過物と一緒に、モジュールの透過物出口（これらの図面には図示されていない）を通してモジュール（７）から搬出される。
【００９１】
ＥＫ１−空間（１５）内に、好ましくは少なくとも１つのサポートエレメント（１５ａ）が存在する。このサポートエレメント（１５ａ）を用いて、透過物捕集管（１３）の開口部（１６）の方向に向かう透過ガスの分配を最適化することができる。適切な実施の場合に、サポートエレメント（１５ａ）は、さらに、ことに分離されるべき流体混合物の高い圧力の場合でもカートリッジの機械的安定性が改善されることに寄与する。さらに、適切なサポートエレメント（１５ａ）の使用により、圧力損失は、ＥＫ１−空間（１５）内での中空糸膜の心部からの透過物流体の膨張により付加的に調節することができる。中空糸膜の心部から開口部（１６）の方向へ透過物を案内するために、サポートエレメント（１５ａ）は、最も簡単な場合に、透過物がＥＫ１−空間（１５）の大部分を満たし、かつサポートエレメント（１５ａ）のＶＡ１（１４ａ）に向いた側とＶＡ１（１４）との間に隙間が生じ、この隙間を通過するように透過ガスが案内されるように構成することができる。しかしながら、好ましくは、サポートエレメント（１５ａ）は、多孔質材料から製造されるか、および／または内部通路および／または外部通路を有し、ここで、この孔もしくは通路は好ましくは、透過ガスが正しい方向へ向かうように構成される。透過ガスの開口部（１６）の方向への分配に特に好ましい影響を及ぼすために、サポートエレメント（１５ａ）は特に好ましくは、透過物が中空糸膜の出口開口部から開口部（１６）に導かれるような外形を有する。このための例示的な実施形態は、図２に見られる。ＥＫ１−空間（１５）は、図２中でサポートエレメント（１５ａ）で満たされている。サポートエレメント（１５ａ）は、ＶＡ１（１４ａ）に向いた側にプロフィール（１５ｂ）、正確に言うと通路（１５ｂ）を有し、この通路（１５ｂ）を通して、透過物が中空糸膜の心部から開口部（１６）に導かれる。同様に、プロフィール（１５ｂ）ありまたはなしのサポートエレメント（１５ａ）とＶＡ１（１４ａ）との間に、フィルターエレメント（図２に示されていない）、例えば織物、不織布または焼結金属プレートが組み込まれていてよく、このフィルターエレメントは、さらにこの場合、透過物を開口部（１６）に導くことを支援する。同様な技術的構成形態、例えばサポートエレメント（１５ａ）が前方のエンドキャップ（５ａ）内に強固に組み込まれた部材として構成され、かつ同じ機能を有する孤立した部材として構成されていないことは、当業者に容易に見出すことができる。
【００９２】
好ましくは、サポートエレメント（１５ａ）は、耐腐食性材料、特に好ましくは特殊鋼からなる。全く特に好ましくは、サポートエレメント（１５ａ）は、エンドキャップ（５ａ）と同じ材料からなる。同様に特に好ましくは、サポートエレメント（１５ａ）は、先に示唆されたように、ＥＫ１（５ａ）の組み込まれた構成部材である。
【００９３】
特に好ましいフィルターエレメントは、特殊鋼のような耐食性材料からなるが、青銅、真鍮またはアルミニウムからもなる。
【００９４】
全く特に好ましくは、フィルターエレメントは、少なくとも中空糸膜の内径の１／５〜１／１０の孔または通路を有するので、透過物は自由に流動でき、かつ遮断されない。
【００９５】
容易に透過される流体の中空糸膜の心部への上述のような透過により、緩慢に透過する流体は、ＰＳＲ（１３）と不透過性のバリア（６）との間の間隙内に濃縮される。分離されるべき流体混合物から、そこで濃縮物が生じ、この濃縮物は上述の間隙内でＶＡ２（１４ｂ）の方向へ導かれ、かつこのときに常にさらに透過しにくい流体が濃縮される。ＶＡ２（１４ｂ）は、好ましくは第２のエンドキャップＥＫ２（５ｂ）（図２参照）により取り囲まれている。
【００９６】
本発明によるカートリッジ（１）は、分離されるべき流体混合物（供給流）を、ＥＫ２（５ｂ）の後方でカートリッジ（１）から流出する濃縮物流と分離するために、ＥＫ２（５ｂ）に固定されている封止エレメント（３）によりモジュールハウジング（４）の内壁と流体密に結合される。
【００９７】
封止エレメント（３）により、既に示唆されたように、分離されるべき流体混合物が第１のカートリッジ（１ａ）の濃縮物と混合することが避けられる。つまり、濃縮物は、ＶＡ２（１４ｂ）内およびＥＫ２（５ｂ）内に存在する濃縮物出口（１７）および（１８）（図２参照）を通過し、キャリアエレメント（９）を通して第１のカートリッジ（１ａ）から、カートリッジ（１ａ）とカートリッジ（１ｂ）との間に存在するハウジング（４）の内部空間（２９）内へ流れる。
【００９８】
第１のカートリッジ（１ａ）の濃縮物は、第１のカートリッジ（１ａ）と同様に機能しかつ構成されている第２のカートリッジ（１ｂ）内でさらに濃縮される、つまりそこで分離されるべき流体混合物を形成する。
【００９９】
第２のカートリッジ（１ｂ）のＰＳＲ（１３）は、第１のカートリッジ（１ａ）のＰＳＲ（１３）と結合箇所（３０）で結合されるので、カートリッジ（１ａ）の透過物捕集管の前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）からカートリッジ（１ｂ）のＰＳＲ（１３）の後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）まで拡がる１つの共通のＰＳＲ（１３）が生じる。
【０１００】
このようにつなぎ合わされたＰＳＲ（１３）の端部には、流体バリア（２７）が存在し、この流体バリア（２７）は、好ましくはカートリッジチェーンの最も後方のカートリッジのＶＡ２（１４ｂ）の領域内に配置されていて、かつ各々の任意の流体密の、ことに気密でかつ十分に耐圧性の材料から製造することができる。十分に耐圧性とは、この透過物バリア（２７）がＰＳＲ（１３）内での透過物圧力と末端空間（３１）内での濃縮物圧力との間の差圧に耐えなければならないことを意味する。さらに、流体バリアは相応する運転温度に耐えることができなければならない。したがって、この流体バリア（２７）は、好ましくは金属またはプラスチックからなり、かつ好ましくはねじ込みによるかまたはフランジによるかまたはフックによるかまたは接着によりＰＳＲ（１３）に固定されている。相応する技術的解決策は当業者にとって容易に見出すことができる。つなぎ合わされた透過物捕集管（１３）内に、両方のカートリッジ（１ａ）および（１ｂ）の全体の透過物流が一緒に連行される。
【０１０１】
それぞれのカートリッジ（１）の透過物捕集管（１３）の間の結合（３０）は、多様な方式で行うことができる。例えば、透過物捕集管の前方の端部ＰＳＲＥ１（１３ａ）と後方の端部ＰＳＲＥ２（１３ｂ）とは、フランジ結合、または差込結合、またはねじ込み結合として構成されていてよい。これとは別の結合手段、例えばフックシステムは、当業者にとって容易に見出すことができる。
【０１０２】
カートリッジ（１ａ）と同様に、カートリッジ（１ｂ）はその後方の端部に第２のＶＡ２（１４ｂ）および好ましくはＥＫ２（５ｂ）を有する。ＶＡ２（１４ｂ）内の濃縮物出口開口部（１７）を通して、かつＥＫ２（５ｂ）が存在する限りでは、ＥＫ２（５ｂ）内の出口開口部（１８）を通して、第２のカートリッジ（１ｂ）の濃縮物は、モジュールハウジング（４）の末端空間（３１）内に達する。末端空間（３１）は、ＶＡ２の外側端面（１４ｂａ）または存在する限り第２のカートリッジ（１ｂ）のＥＫ２（５ｂ）の外側端面と、第２のカートリッジ（１ｂ）の後方に存在するモジュールハウジング（４）の内壁とのより形成される。第２のカートリッジ（１ｂ）も封止エレメント（３）（図３には示されていない）によりモジュールハウジング（４）の内壁と流体密に結合されていて、かつさらにＰＳＲ（１３）は透過物バリア（２７）を有することにより、末端空間（３１）内にいくつかの分離工程により得られた濃縮物だけが存在することが達成され、この濃縮物はモジュールハウジング（４）から濃縮物出口（２６）を通して搬出される。
【０１０３】
したがって、図３による本発明によるモジュール（７）は、当初の分離されるべき流体混合物が２つの直列接続された分離工程で、始めにカートリッジ（１ａ）内で、次いで第２のカートリッジ（１ｂ）内で分離されることにより特徴付けられる。全ての透過物流は組み合わされ、かつＰＳＲ（１３）を介して、ハウジングの前方のカバー（３２）の側に存在するモジュール（７）の透過物出口（２５）に案内され（図３には（２５）および（３２）は示されていない）、かつこの透過物出口（２５）を介してモジュール（７）から排出される。前方のカバー（３２）は、モジュール（７）にカートリッジを装填した後に装着され、図３に見ることができるねじ穴を介してハウジング（４）にねじ止めされる。濃縮物についても、モジュールハウジング（４）に１つの出口（２６）だけが必要である。好ましくは、全てのカートリッジは同じに構成されているため、十分に長いモジュールハウジング（４）の場合に、カートリッジ（１ａ）とカートリッジ（１ｂ）との間に別の本発明によるカートリッジ（１）を介在させることにより、カートリッジチェーンを任意に延長することができる。
【０１０４】
本発明によるカートリッジ（１）を含む流体分離モジュール（７）は、モジュールハウジング（４）を持続的に分離プラント内に留めることができ、かつ消費されたカートリッジ（１）を交換するだけで済むという利点を有する。カートリッジ交換はまた、極めて簡単でかつ迅速である、というのもカートリッジチェーンを全体としてハウジングから取り出すことができるためである。数百または数千のモジュールハウジングを有する大きなプラントの場合に、極めて僅かな停止時間が保証され、かつ整備コストは最小化される。
【０１０５】
本発明によるカートリッジ（１）の特別な構造により、さらに、それぞれの膜エレメント（２）自体が適合する直径を有しない場合であっても、多様な膜エレメント（２）を使用することが容易に可能である。このことを、本発明による封止エレメント（３）により達成することができる。
【０１０６】
既に述べたように、本発明によるカートリッジ（１）は、図２による好ましい実施形態の場合に、透過物捕集管ＰＳＲ（１３）を含み、この透過物捕集管ＰＳＲ（１３）は、それぞれのカートリッジ（１）のＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）の間の間隙内で、分離されるべき流体混合物に対して不透過性に構成されている。さもなければ、上述のように、ＰＳＲ（１３）と不透過性のバリア（６）との間の間隙内に存在する分離されるべき流体混合物は、またＰＳＲ（１３）中で透過物と混合されてしまう。
【０１０７】
それに対して、ＥＫ１−空間（１５）の領域内で、ＰＳＲ（１３）は、この実施形態の場合に、ＥＫ１−空間（１５）内の流体と流体連通していなければならないので、この透過物はそこでＰＳＲ（１３）内に入り込むことができる。したがって、好ましくはＰＳＲ（１３）は、この領域内に開口部（１６）を有する（図２参照）。この開口部の大きさ、形状および数に関しては、十分な流体連通が補償される限り、特別な要求は存在しない。
【０１０８】
不透過性のバリア（６）内に、この好ましい実施形態の場合に、既に述べたように流体入口開口部（１２）が存在するか、または不透過性のバリア（６）は、ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間の全長にわたって延びていないため、流体入口開口部として隙間が生じる。流体入口開口部（１２）は、カートリッジ（１）の縦軸を基準として、ＶＡ１（１４ａ）とＶＡ２（１４ｂ）との間の距離の最初の１／３、好ましくは最初の１／４に、特に好ましくはＶＡ１（１４ａ）の内側端面（１４ａｉ）の後方から０〜１０ｃｍの距離に、全く特に好ましくはＶＡ１（１４ａ）の内側端面（１４ａｉ）の後方から２〜４ｃｍの距離に配置されている。それにより、デッドスペースは避けられ、かつ膜の分離面積は最大で利用される。
【０１０９】
図２による実施形態の場合の膜の束の後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）には、第２の注型部分ＶＡ２（１４ｂ）が存在する。この側に、この実施形態の場合に、透過物が中空糸心部から流出することは意図されていない。したがって、中空糸は、ここでは注型樹脂中に、全ての中空糸心部が中空糸束の後方の端部ＭＥ２（１１ｂ）で閉鎖されるように注型して埋め込まれる。
【０１１０】
ＶＡ２（１４ｂ）の側では、濃縮物はカートリッジから流出できなければならない。したがって、好ましくは、ＶＡ２（１４ｂ）中に設けられた濃縮物開口部（１７）は、この濃縮物開口部（１７）を通して濃縮物が流出できるように予定されている。
【０１１１】
ＥＫ１（５ａ）と同様に、ＥＫ２（５ｂ）はＰＳＲ（１３）と強固に、またはＰＳＲ（１３）のセグメント（２０）または（２１）と強固に結合されているか、またはその端面に開口部を有し、この開口部を通してＰＳＲ（１３）またはＰＳＲセグメント（２０）もしくは（２１）を導入することができる。
【０１１２】
モジュールハウジング（４）は耐圧性に構成されていなければならず、かつ一般に、金属、好ましくは鋼、特に好ましくはＣ鋼からなる。
【０１１３】
本発明によるモジュール（７）およびカートリッジ（１）は、任意の寸法で形成されかつ使用することができる。カートリッジ（１）の直径は、好ましくは７〜９インチ、好ましくは７．５〜８．５インチ、特に好ましくは７．７５〜８．５インチ、全く特に好ましくは８．０〜８．２５インチの範囲にある。ＰＳＲＥ１（１３ａ）からＰＳＲＥ２（１３ｂ）までのカートリッジの長さは、好ましくは０．５〜２ｍ、特に好ましくは１〜２ｍ、全く特に好ましくは１．１〜１．５ｍ、最も好ましくは１．３〜１．４ｍである。
【０１１４】
本発明によるモジュール（７）およびカートリッジ（１）は、１〜１５０ｂａｒ、好ましくは３０〜１２０ｂａｒ、特に好ましくは４０〜１００ｂａｒの範囲内の圧力で使用することができる。運転温度は、好ましくは−１０〜１００℃、特に好ましくは３０〜９５℃である。
【０１１５】
本発明によるモジュール（７）およびカートリッジ（１）は、ＣＯ2／ＣＨ4分離（例えば、バイオガス、天然ガス、またはシェールガス精製）のため、Ｈ2流の分離のため、例えば合成ガス比調節、原料ガスからのＨ2回収またはＨｅの回収のために使用される。
【０１１６】
次の例は、本発明を詳細に説明しかつより良好に理解するために用いられるが、本発明を限定するものではない。
【０１１７】
例１：
まず、国際公開第２０１１／００９９１９号（WO 2011/009919 A1）の例１８によるＰ８４ＨＴから中空糸膜を製造した。この中空糸を、４３ｍｍの内径および５１ｍｍの外径および１７５０ｍｍの長さを有する管に巻き付け、これは後に、透過物捕集管（１３）の第２の、つまり後方のセグメント（２１）を形成した。
【０１１８】
第１の層の巻き付けは、管の前方の端部から後方の端部にまで螺旋形状に行う。そこで膜を数回、管の縦軸に対して９０°の角度に巻き付け、その後で第２の層を後方の管の端部から前方の管の端部にまで螺旋形状に巻き付ける。ここでも、管の縦軸に対して９０°の角度で数回の巻き付けを行い、第３の層が続き、この第３の層を、ここでもまた、管の前方の端部から管の後方の端部まで螺旋形状に巻き付けた。記載された方法様式の場合には、管の中央で１９０ｍｍの直径を有する中空糸束が生じるまで１層ずつ巻き付けた。
【０１１９】
その後、この中空糸束を、Ｎ2雰囲気中で３１５℃で６０分間アニールした。冷却後に、この巻物の両端で、束を９０°の角度で巻き付けた箇所の直前にテープを巻き付け、固定し、かつ固定部の後方でそれぞれ切断した。
【０１２０】
こうしてられた管および中空糸束の構造を、ナイロンニットチューブ内に押し入れ、その後で、長さが短縮された中空糸束の長さに相当し、かつその長さの最初の三分の一に８つの流体入口開口部１２を有するＰＶＣからなる収縮チューブ（不透過性のバリア（６））内に押し入れた。このチューブを、１００℃で１０分間中空糸束（１１）上に収縮させた。
【０１２１】
こうして得られた構造を遠心機中に固定し、かつ両端部に、注型樹脂用の入口がそれぞれ設けられた成形型を取り付けた。膜の束の後方の端部（ＭＥ２（１１ｂ））側の、つまり収縮チューブ（不透過性のバリア（６））の流体入口とは反対側の端部側の成形型は、複数のピンを有し、これらのピンを中空糸束中に差し込み、かつ後の注型の際に、注型部分ＶＡ２（１４ｂ）中に濃縮物出口開口部（１７）を形成した。注型後に成形型を簡単にそれぞれの注型部分から分離するために、成形型は離型剤を備えていた。
【０１２２】
ＶＡ１（１４ａ）用の透過物側の成形型を、つまり後に透過物が中空糸心部から流出するべき側（ＭＥ１（１１ａ））に装着する前に、注型樹脂の深い吸い込みを避けるために、中空糸端部を高温ワックスで処理した。
【０１２３】
注型樹脂の量は、両側の成形型がそれぞれ完全に充填されるように計算した。
【０１２４】
遠心しながら、室温（＜２５℃）で両方の注型部分ＶＡ１（１４ａ）およびＶＡ２（１４ｂ）を形成した。その後、注型部分を１００℃で４時間後アニールし、かつ成形型を冷却後に注型部分から取り外した。この注型部分ＶＡ１（１４ａ）を、カートリッジの中心軸に対して垂直方向の位置でかつＰＳＲ（１３）のこの側の端部の上５ｍｍを丸鋸で切断し、それにより透過物側の中空糸心部を開口させた。それにより、後の透過物出口が、ＥＫ１（５ａ）を装着した後に生じるＥＫ１−空間（１５）内に製造された。
【０１２５】
こうして得られた、ＶＡ１（１４ａ）側が開口した中空糸を備えた膜エレメント（２）を、試験ガスを流すことにより欠陥膜について試験し、欠陥のまたは破損した中空糸をエポキシ樹脂で閉鎖した。
【０１２６】
その後に、両方のエンドキャップＥＫ１（５ａ）およびＥＫ２（５ｂ）を装着し、その際、後方のエンドキャップＥＫ２（５ｂ）は、濃縮物出口（１８）およびねじ（１０）用の固定箇所を有していた。エンドキャップＶＡ２（１４ｂ）には、図２で示されたように、サポートリング（９）とＯリング（８）とからなる封止エレメント（３）が複数のねじ（１０）によって固定された。図２では、解りやすくするために１つのねじ（１０）だけが示されている。
【０１２７】
前方のエンドキャップＥＫ１（５ａ）は、ＶＡ１（１４ａ）に被せた後に、ＥＫ１−空間（（１５）、図２参照）がキャリアエレメント（１５ａ）としての金属プレートおよびサポートエレメントとそのサポートエレメントに向いたＶＡ１（１４ａ）の表面の間に配置された焼結金属織物で満たされているように形成かつ準備されていた。このサポートエレメント（１５ａ）はまた、焼結金属織物に向いた側に溝付けされていたため、このプロフィール（１５ｂ）内での通路を通して、透過物は中空糸膜（１１）の心部から、透過物捕集管（１３）の前方のセグメント（２０）内の透過物出口開口部（１６）に向かって導かれる。
【０１２８】
その後、前方のエンドキャップＥＫ１（５ａ）の端面内の開口部に、透過物捕集管（１３）の前方のセグメント（２０）を差し込み、かつ既にカートリッジ内に存在する後方のセグメント（２１）と、ＶＡ１（１４ａ）内で、結合箇所（１９）にねじ込んだ（図２参照）。前述の前方のセグメント（２０）は、ＥＫ１−空間（１５）の領域内に透過物出口開口部（１６）を有し、この透過物出口開口部（１６）を通して透過物はＥＫ１−空間（１５）から透過物捕集管（１３）内に流れ込むことができる（図２参照）。
【０１２９】
例２：
例１により製造されたカートリッジ（１）を、適合する試験モジュールハウジング（４）内で分離およびストレステストに供した。
【０１３０】
このために、例１により製造されたカートリッジの場合、透過物捕集管の後方の端部（１３ｂ）は、ねじ込み式プラグおよび盲栓で閉鎖され、かつそれにより流体バリア（２７）を作製した。その後で、カートリッジをモジュールハウジング内に装填し、かつこのハウジングを閉鎖し、その際、透過物捕集管の前方の端部（１３ａ）を、試験モジュールハウジング（４）の透過物出口（２５）と結合した。
【０１３１】
モジュールハウジング（２４）の流体入口を通して、Ｏ2  ２０．９％とＮ2  ７９．１％とからなるガス混合物を６．７ｂａｒａでかつ２４℃で圧入し、ガス混合物の分離を試験した。
【０１３２】
その後、カートリッジ（１）の供給側に、１００ｂａｒの圧力を３回印加し、その際、透過物側は大気圧のままであった。その後で、分離試験を同じ条件でもう１回繰り返した。
【０１３３】
１００ｂａｒでのストレス試験前および後の分離試験の結果は同一であり、これは、本発明によるカートリッジが高圧でかつ高いガス体積で使用することができ、つまり膜エレメント（２）と封止エレメント（３）との組み合わせが全ての要件を満たすことを証明する。
【符号の説明】
【０１３４】
１  カートリッジ
１ａ  カートリッジ１
１ｂ  カートリッジ２
２  膜エレメント
３  封止エレメント
４  分離モジュールのハウジング
５  膜エレメント（２）の閉鎖部についての全般、
５ａ  膜エレメント（２）の前方の閉鎖部Ｖ１；この名称は、閉鎖部Ｖ１の特別な実施形態としてこれをエンドキャップＥＫ１として説明した場合にも使用される
５ｂ  膜エレメント（２）の後方の閉鎖部Ｖ２；この名称は、閉鎖部Ｖ２の特別な実施形態としてこれをエンドキャップＥＫ２として説明した場合にも使用される
６  不透過性のバリア
７  流体分離モジュール
８  シール
９  キャリアエレメント
９ａ  モジュールハウジング（４）の内側表面に向かう、キャリアエレメント（９）の表面
９ｂ  キャリアエレメント（９）内の穿孔
１０  ねじ
１１  膜もしくは膜の束または膜の巻物
１１ａ  前方の膜端部ＭＥ１
１１ｂ  後方の膜端部ＭＥ２
１２  膜エレメント（２）の流体入口開口部または流体入口隙間
１３  透過物捕集管
１３ａ  透過物捕集管（１３）の前方の端部ＰＳＲＥ１
１３ｂ  透過物捕集管（１３）の後方の端部ＰＳＲＥ２
１４ａ  前方の注型部分ＶＡ１
１４ａａ  ＶＡ１の外側端面
１４ａｉ  ＶＡ１の内側端面
１４ｂ  後方の注型部分ＶＡ２
１４ｂａ  ＶＡ２の外側端面
１４ｂｉ  ＶＡ２の内側端面
１５  ＶＡ１の外側端面（１４ａａ）とエンドキャップＥＫ１（５ａ）の内側表面との間のＥＫ１−空間
１５ａ  サポートエレメント
１５ｂ  サポートエレメント（１５ａ）のプロフィール
１６  ＰＳＲ（１３）がＥＫ１−空間（１５）と流体連通する透過物出口開口部
１７  ＶＡ２（１４ｂ）中の濃縮物出口開口部
１８  ＥＫ２（５ｂ）中の濃縮物出口
１９  （２０）と（２１）との間の結合箇所
２０  カートリッジの透過物捕集管（１３）の前方の部分セグメント（透過物アダプター）
２１  カートリッジの透過物捕集管（１３）の後方の部分セグメント
２２  供給物通路−スペーサー層
２３  透過物通路−スペーサー層
２４  モジュールハウジング（４）内への分離モジュールの流体入口
２５  モジュールハウジング（４）の閉鎖カバー（３２）の分離モジュールの透過物出口（両方とも図３には図示されていない）
２６  モジュールハウジングの濃縮物出口
２７  ＰＳＲ（１３）の後方の端部での流体バリア
２８  エンドキャップＥＫ１（５ａ）とモジュールハウジング（４）の内側表面との間の隙間
２９  モジュールハウジング（４）内のカートリッジ（１ａ）と（１ｂ）との間の間隙
３０  カートリッジ（１ａ）とカートリッジ（１ｂ）とのＰＳＲ（１３）の結合部
３１  モジュールハウジング（４）内の末端空間
３２  モジュールハウジング（４）の閉鎖カバー（図３には図示されていない）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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