(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス分離装置であって、
（ｉ）シールされ且つ着脱自在の様式下に、相当する軸方向端部において蓋に結合される本来円筒状のボウルにより画定される外側ハウジング胴部にして、前記蓋を貫いて送給物ガス入口ポート及び非透過ガス出口ポートが形成され、外側ハウジング胴部と同中心に透過ガス出口ポートが形成された外側ハウジング胴部と、（ｉｉ）該外側ハウジング胴部内で外側ハウジング胴部と同中心に配置され、第１軸方向端部が、前記蓋の送給物ガス入口ポートあるいは非透過ガス出口ポートにシールされ且つ着脱自在の様式下に結合され、第２軸方向端部が前記ボウルの前記透過ガス出口ポートに結合された実質的に円筒状の中空糸膜ガス分離カートリッジと、を含み、
該中空糸膜ガス分離カートリッジが、
（ａ）前記送給物ガス入口あるいは非透過ガス出口ポートと連通する細長管状の内側コア部材と、
（ｂ）該内側コア部材の周囲に同中心に且つ該周囲を少なくとも部分的に包囲する状態で位置決めされ、透過物側及び非透過物側を有する中空糸膜から構成された実質的に円筒状の中空糸膜束にして、前記透過物側のガス流れと非透過物側のガス流れとの間に実質的に向流流れ配列を有する中空糸膜束と、
（ｃ）第１管板及び第２管板にして、該第１管板及び第２管板の一方の外側に前記内側コア部材の一端部を開口させて該内側コア部材の内外へのガス流れを許容する状態で液密配列下に前記中空糸膜束の各端部を封入し、ガスが中空糸膜の内腔の内外に妨害を受けずに流れるように分断された第１管板及び第２管板と、
（ｄ）第１管板及び第２管板に液密配列下に取り付けた第１端部蓋及び第２端部蓋にして、第１端部蓋が透過ガス出口ポートと流体連通され、第２端部蓋が、非透過ガスの一部分を中空糸膜束の透過物側における掃引ガスとして使用できるようにする流れ制御オリフィスを備えた第１端部蓋及び第２端部蓋と、
を含むガス分離装置。
【請求項２】
中空糸膜が内側コア部材の周囲に巻き付けられる請求項１のガス分離装置。
【請求項３】
多重成分のガス混合物を、第１側及び第２側を有し、請求項１のガス分離装置に組み込んだ中空糸ガス分離膜の第１側と接触させることにより、該多重成分のガス混合物中の少なくとも１つのガス成分を該多重成分のガス混合物中のその他の少なくとも１つのガス成分から分離するための方法であって、
前記少なくとも１つのガス成分の一部分を前記中空糸ガス分離膜の第２側に透過させること、
前記少なくとも１つのガス成分からの非透過ガスを前記中空糸ガス分離膜の第１側から回収すること、
前記非透過ガスの留分を中空糸ガス分離膜の透過物側における掃引ガスとして使用すること、
を含む前記方法。
【請求項４】
多重成分のガス混合物が圧縮空気流れあるいは高圧の天然ガス流れであり、少なくとも１つのガス成分が水蒸気であるようにした請求項３の方法。
【請求項５】
同中心の多数の帯域を有しシェル側送給用に適合された中空糸膜カートリッジであって、
（ａ）シェルの送給物ガス入口ポートあるいは非透過ガス出口ポートと連通する細長管状の内側コア部材と、
（ｂ）該内側コア部材の周囲に同中心に且つ該周囲を少なくとも部分的に包囲する状態で位置決めされ、透過物側及び非透過物側を有する中空糸膜から構成された実質的に円筒状の中空糸膜束にして、前記透過物側のガス流れと非透過物側のガス流れとの間に実質的に向流流れ配列を有する中空糸膜束と、
（ｃ）第１管板及び第２管板にして、該第１管板及び第２管板の一方の外側に前記内側コア部材の一端部を開口させて該内側コア部材の内外へのガス流れを許容する状態で液密配列下に前記中空糸膜束の各端部を封入し、ガスが中空糸膜の内腔の内外に妨害を受けずに流れるように分断された第１管板及び第２管板と、
（ｄ）前記中空糸膜束を長手方向に貫いて伸延し、該中空糸膜束を少なくとも第１セクション及び第２セクションに仕切って中空糸膜を該第１セクション及び第２セクションに仕切り、前記第１管板及び第２管板の一方に接近する通路を収納する少なくとも１つの不透性の壁部材と、
（ｅ）第１管板及び第２管板に液密態様下に取り付けた第１端部蓋及び第２端部蓋にして、第１端部蓋が前記透過ガス出口ポートと流体連通する第１端部蓋及び第２端部蓋と、
よりなる、同中心の多数の帯域を有しシェル側送給用に適合された中空糸膜カートリッジ。
【請求項６】
中空糸膜ガス分離装置であって、
（ｉ）シールされ且つ着脱自在の様式下に、相当する軸方向端部において蓋に結合される本来円筒状のボウルにより画定される外側ハウジング胴部にして、前記蓋を貫いて送給物ガス入口ポート及び非透過ガス出口ポートが形成され、外側ハウジング胴部と同中心に透過ガス出口ポートが配置された外側ハウジング胴部と、（ｉｉ）該外側ハウジング胴部と同中心に配置され、同中心の多数の帯域を有し、シェル側送給に適合された実質的に円筒状の中空糸膜ガス分離カートリッジにして、第１軸方向端部が、前記蓋の送給物ガス入口ポートあるいは非透過ガス出口ポートにシールされ且つ着脱自在様式下に結合され、第２軸方向端部が前記ボウルの前記透過ガス出口ポートに結合された中空糸膜ガス分離カートリッジと、を含み、
該中空糸膜ガス分離カートリッジが、
（ａ）前記送給物ガス入口ポートあるいは非透過ガス出口ポートと流通する細長管状の内側コア部材と、
（ｂ）該内側コア部材の周囲に同中心に且つ該周囲を少なくとも部分的に包囲する状態で位置決めされ、透過物側及び非透過物側を有する中空糸膜から構成された実質的に円筒状の中空糸膜束にして、前記透過物側のガス流れと非透過物側のガス流れとの間に実質的に向流流れ配列を有する中空糸膜束と、
（ｃ）第１管板及び第２管板にして、該第１管板及び第２管板の一方の外側に前記内側コア部材の一端部を開口させて該内側コア部材の内外へのガス流れを許容する状態で液密配列下に前記中空糸膜束の各端部を封入し、ガスが中空糸膜の内腔の内外に妨害を受けずに流れるように分断された第１管板及び第２管板と、
（ｄ）前記中空糸膜束を長手方向に貫いて伸延し、該中空糸膜束を少なくとも第１セクション及び第２セクションに仕切って該中空糸膜束を該第１セクション及び第２セクションに仕切り、前記第１管板及び第２管板の一方に接近する通路を収納する少なくとも１つの不透性の壁部材と、
（ｅ）第１管板及び第２管板に液密態様下に取り付けた第１端部蓋及び第２端部蓋にして、第１端部蓋が前記透過ガス出口ポートと流体連通する第１端部蓋及び第２端部蓋と、
よりなる、同中心の多数の帯域を有しシェル側送給用に適合された中空糸膜ガス分離装置。
【請求項７】
中空糸膜のガス分離特性が第１セクション及び第２セクションにおいて異なる請求項６の中空糸膜ガス分離装置。
【請求項８】
中空糸膜ガス分離カートリッジが、中空糸膜を収納する少なくとも３つの同中心のセクションを収納する請求項６の中空糸膜ガス分離装置。
【請求項９】
中空糸膜ガス分離カートリッジが、中空糸膜を収納する４つの同中心のセクションを収納する請求項６の中空糸膜ガス分離装置。
【請求項１０】
中空糸膜ガス分離装置であって、
（ｉ）シールされ且つ着脱自在の様式下に、相当する軸方向端部において蓋に結合される本来円筒状のボウルにより画定される外側ハウジング胴部にして、前記蓋を貫いて送給物ガス入口ポート及び非透過ガス出口ポートが形成され、外側ハウジング胴部と同中心に透過ガス出口ポートが形成された外側ハウジング胴部と、（ｉｉ）該外側ハウジング胴部内で外側ハウジング胴部と同中心に配置され、第１軸方向端部が、前記蓋の送給物ガス入口ポートあるいは非透過ガス出口ポートにシールされ且つ着脱自在の様式下に結合され、第２軸方向端部が前記ボウルの前記透過ガス出口ポートに結合された実質的に円筒状の中空糸膜ガス分離カートリッジと、を含み、
該中空糸膜ガス分離カートリッジが、
（ａ）前記送給物ガス入口あるいは非透過ガス出口ポートと連通する細長管状の内側コア部材と、
（ｂ）該内側コア部材の周囲に同中心に且つ該周囲を少なくとも部分的に包囲する状態で位置決めされ、透過物側及び非透過物側を有する中空糸膜から構成された実質的に円筒状の中空糸膜束にして、前記透過物側のガス流れと非透過物側のガス流れとの間に実質的に向流流れ配列を有する中空糸膜束と、
（ｃ）第１管板及び第２管板にして、該第１管板及び第２管板の一方の外側に前記内側コア部材の一端部を開口させて該内側コア部材の内外へのガス流れを許容する状態で液密配列下に前記中空糸膜束の各端部を封入し、第１管板が、ガスが中空糸膜の内腔の内外に妨害を受けずに流れるように分断された第１管板及び第２管板と、
（ｄ）液密配列下に第１管板に取り付けた端部蓋にして、透過ガス出口ポートと流体連通され、前記中空糸膜束の中空糸が第２管板に隣り合う狭小部分を除きコーティングされ、前記中空糸膜束の中空糸の未コーティング部分が、非透過ガスの留分をして中空糸膜の透過物側における掃引ガスとしての使用を可能ならしめる端部蓋と、
を含む中空糸膜ガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス分離装置に関し、詳しくは、ガスの選択透過性を有する中空糸膜を使用するガス分離装置に関する。本発明のガス分離装置は、コンパクトな外側ハウジングと、この外側ハウジング内に位置決めした着脱自在の中空糸膜カートリッジとにおいて特徴を有する。本装置は圧縮空気を除湿して窒素富化空気を発生させるために特に有益である。
【０００２】
【従来の技術】
選択透過性を有する中空糸膜を用いて流体混合物の成分を分離する流体分離装置が、分離、透析、限外ろ過、逆浸透、その他を含む多くの工業的分離処理に於いて使用されている。この種の流体分離用途での中空糸流体分離装置は、米国特許第３，７２２，６９４号、同第４，４５１，３６９号、同第４，６２２，１４３号、同第４，６２３，４６０号、同第４，６７０，１４５号、同第４，７０７，２６７号、同第４，７８１，８３４号、同第４，８６５，７３６号、同第４，８７１，３７９号、同第４，８８１，９５５号、同第４，９２９，２５９号、同第５，１３７，６３１号、同第５，２１１，７２８号、同第５，４７０，４６９号に記載がある。
【０００３】
一般に、中空糸膜流体分離装置はケースに収納した中空糸束から成り、この中空糸束が終端部位置で樹脂封入剤を使用して封入され、送給物側と透過物側との間を液密シールする管板を構成する。管板としての中空糸束は、管板がケース容量を送給物セクションと透過物セクションとに分割する状態でケース内に着脱自在にあるいは恒久的に固定される。
【０００４】
斯界では、ガス混合物の、窒素からの酸素分離のような分離、水素含有ガス流れからの水素回収、天然ガスのスイートニング、圧縮ガスの除湿、を実施するために使用する様々な中空糸膜分離装置がよく知られている。これらの分離装置は通常、ガス混合物を差分圧下に装置内の中空糸膜との接触状態に持ち来し、透過性の高い１つ以上の成分をもっと透過性の低い成分から膜を通して分離させるような設計形状とされる。中空糸膜を使用すると、流体混合物の透過性成分が中空糸膜の透過物側に透過し、透過性のもっと低い成分の実質部分が中空糸膜の非透過物側に保持される。透過成分及び非透過成分は夫々少なくとも１つの透過物出口及び少なくとも１つの非透過物出口を通して除去あるいは回収される。
【０００５】
膜ガス分離装置（アセンブリ）のあるものは、膜の透過物側をパージするあるいは掃引するガスを提供する設計形状のものとされる。膜の透過物側での掃引ガスの使用は、ガス除湿プロセスのようなある種のガス分離プロセスでは有益である。なぜなら、掃引ガスが透過物側での透過性の高い成分の分圧を低下させることで、ガス混合物から透過しやすい成分がずっと完全にストリップされるようになるからである。掃引ガスの流れ方向は、代表的には、送給物／非透過物流れの流れ方向に関し向流である。乾燥した掃引ガスを使用することで、生成物ガスの乾燥度のみならず膜装置の生産性も改善され得る。乾燥生成物ガスの一部分は内部還流系を生じさせる掃引ガスとしてしばしば用いられる。
【０００６】
掃引ガスあるいはパージガスの導入を提供するガス分離アセンブリは、一般に、流体送給物入口と、非透過物出口と、透過物出口と、掃引ガスあるいはパージガス入口とを有するエンクロージャあるいは外側シェルアセンブリ内に環状の中空糸膜束を含んでいる。そうした膜式のアセンブリの例は、米国特許第３，４９９，０６２号、同第３，７３５，５５８号、同第４，７１８，９２１号、同第５，１０８，４６４号、同第５，０２６，４７９号に記載がある。しかしながら、これらの流体分離装置は掃引ガス入口に供給する掃引ガス流れを調節する外部配管や弁を使用する必要がある。乾燥した掃引ガスをガス分離装置の外部で多岐管収集する必要上、装置のサイズや複雑性が増大する。内部掃引ガス配列構成及び内部掃引ガス流れ制御を提供する幾つかの試みが為された。米国特許第５，４１１，６６２号及び同第５，５２５，１４３号にはそうした一体型の中空糸膜装置が記載される。
【０００７】
多重内側セクション及び多重ステージからなる中空糸膜モジュールを使用することが斯界に既知である。そうした配列構成は、単一の膜装置から多数の純粋成分を提供させるため、モジュール性能を改善するため、そして、掃引／リサイクル配列構成を導入するために用いられる。それらのモジュール配列構成は米国特許第４，２２０，５３５号、同第４，６７６，８０８号、同第５，１６０，０４２号、同第６，１５３，０９７号に記載がある。米国特許第５，０１３，４３７号には、同中心のセクションを多数含む、中空糸膜の内腔側供給に適合する中空糸膜流体分離装置が記載される。この装置は純度が向上された非透過生成物流れを創出することができる。またこの装置では、外側ハウジング側の透過物は中空糸に沿った濃度勾配が最大化されるように制御されるので外側ハウジング側での透過物流れが多くなり、装置効率はずっと高くなる。
【０００８】
米国特許第４，９２９，２５９号、同第４，６７６，８０８号、及び同第５，１６９，５３０号には、同中心あるいは半径方向形態に配置され、流体と中空糸膜との接触を改善するバッフルにより形成した個別セクションを含む中空糸膜分離モジュールが記載される。米国特許第５，１５８，５８１号には、分離された作用表面領域を有する中空糸膜モジュールが記載され、米国特許第５，２８８，３０８号には外側ハウジング側送給を用いるマルチステージ型の向流中空糸膜モジュールが記載される。このモジュールは多重分離ステージと、２つの透過物流れを抜き出す手段とを収納する。この装置には更に、透過物流れの１つである留分を、掃引物として中空糸モジュールの外部の導管を通して第２透過物セクションに再配向するための部分も収納される。
【０００９】
ガス分離装置の中空糸膜の設計形状は、通常、特定のガス分離プロセスに合致するようなものとされる。例えば、非透過ガスの留分を中空糸膜の透過物側での掃引物として使用する必要のあるプロセスでは、掃引物を使用する必要のないプロセスで使用する装置とは実質的に異なる膜カートリッジ、外側ハウジングエンクロージャが使用される。更に、膜カートリッジ及び外側ハウジングは、多くの異なるガス分離用途に対し、あるいはある場合では例えば、単に要求生成物純度水準が異なるだけの同じガスの分離用途に対してさえもしばしば互換使用することができない。これではガス分離の分野に於いて現在使用される特別な且つしばしばユニークな中空糸膜装置の一般化を招くことになる。
【００１０】
膜ガス分離装置はしばしば、油滴や水滴を取り除く合体フィルタ、及び、膜操作上有害であり得る炭化水素蒸気を取り除くために使用するカーボントラップのような前ろ過装置と組み合わせて用いられる。普及型の膜ガス分離アセンブリの設計形状では、膜装置を前ろ過装置と一体化して単一のコンパクトなガス分離ユニットとすることがしばしば困難である。従って、生成物ガスの留分を掃引物として使用する必要のあるプロセスを含む数多くの異なるガス分離プロセスで互換使用することができ、また、標準的なガス分離装置と一体化してコンパクトで機能的なガス分離システムとすることのできる、設計形状の単純な中空糸膜ガス分離装置に対する需要が斯界には尚ある。
【００１１】
モジュールの長さ対直径比を大きくすること（高アスペクト比）により、中空糸膜モジュールの性能、特に、高純度の非透過生成物を生成する性能を改善できることが斯界によく知られている。しかしながら、長いモジュールではコンパクトなシステムを構成することは困難である。
【００１２】
【特許文献１】
米国特許第３，７２２，６９４号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，４５１，３６９号明細書
【特許文献３】
米国特許第４，６２２，１４３号明細書
【特許文献４】
米国特許第４，６２３，４６０号明細書
【特許文献５】
米国特許第４，６７０，１４５号明細書
【特許文献６】
米国特許第４，７０７，２６７号明細書
【特許文献７】
米国特許第４，７８１，８３４号明細書
【特許文献８】
米国特許第４，８６５，７３６号明細書
【特許文献９】
米国特許第４，８７１，３７９号明細書
【特許文献１０】
米国特許第４，８８１，９５５号明細書
【特許文献１１】
米国特許第４，９２９，２５９号明細書
【特許文献１２】
米国特許第５，１３７，６３１号明細書
【特許文献１３】
米国特許第５，２１１，７２８号明細書
【特許文献１４】
米国特許第５，４７０，４６９号明細書
【特許文献１５】
米国特許第３，４９９，０６２号明細書
【特許文献１６】
米国特許第３，７３５，５５８号明細書
【特許文献１７】
米国特許第４，７１８，９２１号明細書
【特許文献１８】
米国特許第５，１０８，４６４号明細書
【特許文献１９】
米国特許第５，０２６，４７９号明細書
【特許文献２０】
米国特許第５，４１１，６６２号明細書
【特許文献２１】
米国特許第５，５２５，１４３号明細書
【特許文献２２】
米国特許第４，２２０，５３５号明細書
【特許文献２３】
米国特許第４，６７６，８０８号明細書
【特許文献２４】
米国特許第５，１６０，０４２号明細書
【特許文献２５】
米国特許第６，１５３，０９７号明細書
【特許文献２６】
米国特許第５，０１３，４３７号明細書
【特許文献２７】
米国特許第４，９２９，２５９号明細書
【特許文献２８】
米国特許第４，６７６，８０８号明細書
【特許文献２９】
米国特許第５，１６９，５３０号明細書
【特許文献３０】
米国特許第５，１５８，５８１号明細書
【特許文献３１】
米国特許第５，２８８，３０８号明細書
【特許文献３２】
米国特許第４，６８７，５７８号明細書
【特許文献３３】
米国特許第６，１８０，１６８号明細書
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする課題は、高純度の非透過生成物生成のために性能の改善された、長さ対直径比の小さいコンパクトな中空糸ガス分離モジュールを提供することである。
解決しようとする他の課題は、標準的なガスろ過外側ハウジング内に互換組み込み可能であり、機能上、標準的なガスろ過装置のそれと類似する様式下に用いることのできる中空糸膜カートリッジを提供することである。
【００１４】
解決しようとする他の課題は、非透過のガスの留分を装置内部の掃引物として使用し、外側ハウジングを何ら改変することなく膜カートリッジを外部から調節するのみで純度の異なる最終生成物を生成することのできるプロセス、を含む数多くの異なるガス分離用途で使用することのできる中空糸膜ガス分離装置を提供することである。
【００１５】
解決しようとする他の課題は、送給物ガス入口インターフェース及び生成ガス出口インターフェースを有し、ガス前ろ過装置及び後浄化装置と容易に一体化してコンパクトなガス分離／浄化システムとすることのできるモジュール形式の中空糸膜ガス分離／浄化装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１実施例によれば、ガス分離装置であって、
（ｉ）シールされ且つ着脱自在の様式下に、相当する軸方向端部において蓋に結合される本来円筒状のボウルにより画定される外側ハウジング胴部にして、前記蓋を貫いて送給物ガス入口ポート及び非透過ガス出口ポートが形成され、外側ハウジング胴部と同中心に透過ガス出口ポートが形成された外側ハウジング胴部と、（ｉｉ）該外側ハウジング胴部内で外側ハウジング胴部と同中心に配置され、第１軸方向端部が、前記蓋の送給物ガス入口ポートあるいは非透過ガス出口ポートにシールされ且つ着脱自在の様式下に結合され、第２軸方向端部が前記ボウルの前記透過ガス出口ポートに結合された実質的に円筒状の中空糸膜ガス分離カートリッジと、を含み、
該中空糸膜ガス分離カートリッジが、
【００１７】
（ａ）細長管状の内側コア部材と、
（ｂ）該内側コア部材を包囲し、透過物側及び非透過物側を有する実質的に円筒状の中空糸膜束にして、透過物側のガス流れと非透過物側のガス流れとの間に実質的に向流流れ配列を有する事を特徴とする中空糸膜束と、
（ｃ）管状の２枚の管板にして、内側コア部材の一端を前記管板の一方の外側に開口させて内側コア部材の内外へのガス流れを許容させる状態下に前記中空糸膜束の両端部を液密配列構成に封入し、前記管板の少なくとも一方が、中空糸膜束の内外への妨害されないガス流れが許容されるよう分断される管状の２枚の管板と、
【００１８】
（ｄ）液密配列下に各管板に取り付けた第１端部蓋及び第２端部蓋にして、第１端部蓋が透過ガス出口ポートと流体連通され、第２端部蓋が、非透過ガスの一部分を中空糸膜束の透過物側における掃引ガスとして使用できるようにする流れ制御オリフィスを備えた第１端部蓋及び第２端部蓋と、
を含むガス分離装置が提供される。
【００１９】
本発明の他の実施例によれば、ガス分離装置であって、
（ｉ）シールされ且つ着脱自在の様式下に、相当する軸方向端部において蓋に結合される本来円筒状のボウルにより画定される外側ハウジング胴部にして、前記蓋を貫いて送給物ガス入口ポート及び非透過ガス出口ポートが形成され、外側ハウジング胴部と同中心に透過ガス出口ポートが形成された外側ハウジング胴部と、（ｉｉ）該外側ハウジング胴部と同中心に配置され、同中心の多数の帯域を有し、シェル側送給に適合された実質的に円筒状の中空糸膜ガス分離カートリッジにして、第１軸方向端部が、前記蓋の送給物ガス入口ポートあるいは非透過ガス出口ポートにシールされ且つ着脱自在様式下に結合され、第２軸方向端部が前記ボウルの前記透過ガス出口ポートに結合された中空糸膜ガス分離カートリッジと、を含み、該中空糸膜ガス分離カートリッジが、
【００２０】
（ａ）送給物ガス入口ポートあるいは非透過ガス出口ポートと連通した細長い管状の内側コア部材と、
（ｂ）該内側コア部材と同中心に且つ少なくとも部分的に該内側コア部材を包囲して位置決めした実質的に円筒状の中空糸膜束にして、透過物側及び非透過物側を有する中空糸膜にして、透過物側のガス流れと非透過物側のガス流れとの間において実質的に向流流れ配列を有する事を特徴とする中空糸膜束と、
（ｃ）第１管板及び第２管板にして、前記内側コア部材の一端を前記管板の一方の外側に開口させて前記内側コア部材の内外への流れを許容する状態下に前記中空糸膜束の各端部を液密配列構成において封入し、各前記管板が、中空糸膜束の内外への妨害されないガス流れが許容されるよう分断された第１管板及び第２管板と、
【００２１】
（ｄ）前記中空糸膜束を長手方向に貫いて伸延する少なくとも１つの不透性の壁部材にして、前記中空糸膜束を、該中空糸膜を前記透過物側及び非透過物側間に仕切る状態下に少なくとも第１セクション及び第２セクションに仕切り、管板の一方に近接する通路を収納する不透性の壁部材と、
（ｅ）液密態様下に管板に取り付けた第１蓋部材及び第２蓋部材にして、第１蓋部材が透過ガス出口ポートと流体連通され、第２蓋部材が、非透過ガスの一部分を中空糸の透過物側における掃引ガスとして使用できるようにする流れ制御オリフィスを備えている第１蓋部材及び第２蓋部材と、
を含むガス分離装置が提供される。或る実施例では流れ制御オリフィスは省略される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。
図１には本発明の１実施例に従う中空糸膜ガス浄化／分離装置（以下、単にガス浄化装置とも称する）の断面図が示される。本実施例のガス浄化装置は、ボウルあるいはボウル状胴部１０１及び頭部蓋、即ち蓋１０２により画定される外側ハウジング胴部或は外側シェルアセンブリと、この外側ハウジング胴部内に位置決めした中空糸膜カートリッジ１０３とから成り、ボウル状胴部１０１は本来円筒状であり、シールされ且つ着脱自在の様式下に蓋１０２に結合される。蓋１０２はネジ溝、バヨネットコネクタ、あるいは図１に示すようなフランジ付き配列構成、あるいは任意のその他の液密シール配列構成により、ボウル状胴部１０１の軸方向端部に結合される。蓋１０２は送給物ガス入口ポート１０４と、浄化ガス出口ポート１０５とを有する。これらの各ポートは図１に示すように蓋１０２の平坦部分に形成され得、あるいは図２、図３、及び図４に示すように蓋１０２の、相互に直線的に離間した第１端部及び第２端部の形態で形成することができる。ボウル状胴部１０１は廃棄ガス出口ポート１０６を含む。
【００２３】
外側ハウジング胴部（以下、単に外側ハウジングとも称する）は金属材料あるいはプラスチック材料から作製され、この外側ハウジングの外側に形成したチャンバ内に配置した中空糸膜ガス浄化カートリッジ（以下、単に中空糸膜カートリッジあるいはカートリッジとも称する）１０３を収受する設計形状とされる。本発明のガス浄化装置は、送給物から非透過生成物にかけての圧力降下を小さくする状態下に、高い送給圧力で作動する設計形状を有する。送給物ガスは１００ａｔｍあるいはそれ以上の高い圧力下にプロセス処理され得、しばしば約８〜１０ａｔｍの送給圧力下にプロセス処理され得る。
【００２４】
本発明の中空糸膜ガス浄化カートリッジは、外側ハウジングにより形成されるチャンバ内に位置決めされる。円筒状の中空糸膜カートリッジが、キャップ１０７により形成される第１軸方向終端部で蓋１０２にシールされ且つ着脱自在の様式下に結合され、キャップ１０８により形成される第２軸方向終端部でボウル状胴部１０１の廃棄ガス出口ポート１０６に結合される。カートリッジはネジ溝結合によりボウル状胴部あるいは蓋に取り付けることができる。カートリッジと蓋との間及びカートリッジとボウル状胴部との間は、送給物、非透過物、透過物の各流れ間を液密シールするＯ−リングを使用してシールされる。
【００２５】
中空糸膜カートリッジ１０３は、外側シェルアセンブリ１１１（随意）と、軸方向端部蓋、即ちキャップ１０７及び１０８とにより包囲された中空コア管部材１１０の周囲に配列した環状の中空糸膜束１０９を含む。外側シェルアセンブリ１１１は、中空糸膜カートリッジを取扱中に保護するため及びあるいは構造上の支持を提供するために設けられ、幾つかの実施例では省略することができる。中空糸膜束１０９は、中空コア管部材１１０の周囲に一様に配列した多数の中空糸膜により形成される。中空コア管部材１１０は図では中空糸膜カートリッジの長手方向全体を貫いて伸延する状態で示されるが、幾つかの実施例では中空糸膜束を部分的にのみ貫いて伸延させることができる。中空コア管部材１１０は、中空糸膜束に流体を出入りさせる導管を提供することを主な機能とするものであるが、構造上の支持体としても作用し得るものである。構造的に一様な中空糸膜束を形成する好ましい１方法は、中空糸を中空コア管部材１１０の周囲に巻き付けることである。
【００２６】
中空糸膜束１０９の両端部は、内側の中空コア管部材１１０の一端を管板１１３の外側に開口させた状態で、管板１１２及び１１３の内部に液密配列構成で封入される。管板の各端部は、ガスが中空糸膜の内腔の内外に妨害を受けずに流れ得るように分断される。中空糸膜束の、管板１１２及び１１３の間部分に露出された部分は、図１に示すように、管板１１３に隣り合う間隙１１５を除き、本来非透過性のフィルムバリヤあるいはラップ１１４により包装される。ラップ１１４は中空糸膜束をガスがバイパスしない、また、中空糸膜束を通るガス流れの一様性を改善するような設計形状のものとされる。中空糸膜カートリッジ１０３内を通るガス流路は、中空糸膜の外側ハウジング側と中空糸膜の内腔側との間に、熱力学的に有効な、ガスの向流流れを提供するように配列される。
【００２７】
送給物ガスは中空コア管部材１１０の開口１１６を通して中空糸膜束１０９に導入され、非透過の生成物ガスは外部の外側シェルアセンブリ１１１の間隙１１５及び開口１１７を通して除去される。開口１１６及び１１７は管板１１２及び１１３に夫々隣り合って位置決めされる。透過性のガスは中空糸膜束の、管板１１２の軸方向表面上の開放端部を通して抜き出される。この流れ配列構成により、透過性のガスに関し送給物ガスが実質的に向流を取ることが保証される。中空糸膜カートリッジ１０３には、非透過の生成物ガスの留分を掃引ガスとして導入するための流れ制御オリフィス１１８が更に設けられる。流れ制御オリフィス１１８は、ネジ溝あるいは類似の着脱自在の配列構成を使用してキャップ１０７に取り付けた交換自在のオリフィスであることが好ましい。流れ制御オリフィス１１８は、中空糸膜カートリッジ１０３内で掃引ガスを使用する必要のない実施例では省略することができる。更に、図１に示す中空糸膜カートリッジ１０３は、掃引ガスを用いる中空糸膜カートリッジの流れ制御オリフィス１１８のガス通路をシールしたものを転用することもできる。
【００２８】
透過物を除去する端部からは遠い側の管板に隣り合う、コーティングしない中空糸部分を通して中空糸膜の内腔内に掃引ガスを導入できることが斯界によく知られている。内部に掃引ガスを使用するそうした形態を持つ中空糸膜カートリッジの調製が米国特許第４，６８７，５７８及び同第６，１８０，１６８号に記載される。掃引ガスを導入するための未コーティング部分を含む、コーティングした中空糸膜を使用することも本発明の範囲に含まれる。そうした実施例では流れ制御オリフィスを省略することができる。更に、そうした実施例では管板を通して掃引ガスを導入する必要がないことから管板１１３を分断する必要が無く、また、コア管部材１１０の流れチャンネルを蓋１０２のガス流れポートに随意的に直結することでキャップ１０７をも不要化することができる。
【００２９】
本発明のガス浄化／分離のプロセスでは、送給物ガスは中空コア管部材１１０に結合した送給物ガス入口ポート１０４を通して装置内に導入され、中空コア管部材１１０はガス流れ導管として作用する。送給物ガスは次いで開口１１６を通して中空糸膜束１０９の外側シェルアセンブリ側の内部に送られ、中空糸膜の外側との接触状態に持ち来たされる。望ましからざる不純物を中空糸の内腔内に透過させることで除去した、ストリップされた送給物ガスは、次いで外部の外側シェルアセンブリの間隙１１５及び開口１１７を通して移動し、浄化ガス出口ポート１０５を通して非透過生成物ガスとして収集される。この非透過生成物ガスの留分が、流れ制御オリフィス１１８を通して中空糸膜の内腔内に送られ、この中空糸の透過物側における掃引ガスとして使用される。
【００３０】
透過ガス／掃引ガスの合流流れは廃棄ガス出口ポート１０６を通して廃棄ガスとして装置から除去される。流れ制御オリフィス１１８は、所定量の非透過ガスを掃引ガスとして使用することのできる寸法を有する相互結合自在の流れ制御オリフィスである。掃引ガスの量は、結局、生成物の純度水準を決定する。生成物ガスの留分としての掃引ガス量は０．０１〜０．８の間、代表的には０．１〜０．４の間で変化する。本発明の中空糸膜カートリッジは、流れ制御オリフィスの寸法を変更するのみで、純度の異なる生成物を生じさせるために使用することができる有益な特徴を有する。本発明の中空糸膜カートリッジは、流れ制御オリフィス１１８を単に閉塞するあるいは除去するのみで、掃引ガスを必要としないガス分離用途で使用することが可能である。
【００３１】
図１に示す装置では中空糸膜カートリッジの内部に送給物ガスが導入され、非透過ガスがこの中空糸膜カートリッジから外部に抜き出される。しかしながらこの設計形状を、各ガスの流れを逆にした形態のものとすることができる。
【００３２】
図２、図３、図４には、本発明のガス分離装置の断面図が示され、同中心の流れセクションにセグメント化された中空糸膜カートリッジが使用されている。この中空糸膜カートリッジは、透過ガスを中空糸膜の内腔を通して除去する状態下に外側ハウジング側送給する形態を有することを特徴としている。図２、図３の中空糸膜カートリッジでは、装置内部で生成物ガスの留分が膜の透過物側における掃引ガスとして使用され、外側ハウジング側と中空糸膜の内腔側との夫々の間部分のガス流れは向流流れ形態を取る。セグメント化された中空糸膜カートリッジの同中心の流れ帯域における外側ハウジング側の送給物ガスの流れと、中空糸膜の内腔側の透過物／掃引ガスの流れとは、逆混合を最小化して物質移動を増長させ且つ装置効率をもっと高めるべく、中空糸に沿った濃度勾配が最小となるように制御される。
【００３３】
図２には本発明の別態様での実施例に従う、中空糸膜ガス浄化／分離装置の断面図が示される。図２に示す装置では、数多くの同中心セクションに分割した中空糸膜カートリッジが使用され、送給物ガスがこの中空糸膜カートリッジ内に導入され、非透過ガスが中空糸膜カートリッジ外に抜き出されるようになっている。本実施例の装置は、外側ハウジングあるいは外側シェルアセンブリと、この外側シェルアセンブリ内に位置決めした中空糸膜カートリッジ２０３とを含んでいる。外側ハウジングは、シールされ且つ除去し得る様式下に頭部蓋部材、即ち蓋２０２に結合した，本来円筒状を有するボウル状胴部２０１により画定される。蓋２０２はバヨネットコネクタあるいはその他の液密シール配列構成により着脱自在の様式下にボウル状胴部２０１の軸方向端部に結合される。
【００３４】
蓋２０２は、送給物ガス入口ポート２０４と、浄化ガス出口ポート２０５と、ガス流れ導管２０６とを有し、送給物ガス入口ポート２０４と、浄化ガス出口ポート２０５とは各々蓋２０２の第１端部及び第２端部に形成され、相互に直線的に離間される。外側ハウジングと同中心にガス流れ導管２０６が位置決めされ、送給物ガス入口ポート２０４と流体連通される。ボウル状胴部２０１は廃棄ガス出口ポート２０７を収納する。
中空糸膜カートリッジ２０３は、キャップ２１１により画定される第１軸方向端部が、蓋２０２のガス流れ導管２０６にシールされ且つ着脱自在の様式下に結合され、キャップ２１２により画定される第２軸方向端部が、ボウル状胴部２０１の廃棄ガス出口ポート２０７に結合される。
【００３５】
中空糸膜カートリッジ２０３は、中空コア管部材２０９の周囲に配列され、外側シェルアセンブリ２１０と、キャップ２１１及び２１２とにより包囲された、セグメント化された環状の中空糸膜束２０８を含む。外側シェルアセンブリ２１０は、中空糸膜カートリッジを取扱中に保護するため及びあるいは、構造上の支持を提供するために主に提供されるものであり、幾つかの実施例では省略することができる。中空糸膜束２０８は、流れチャンネル２１５により分離された２つの同中心のセクション２１３及び２１４内で中空コア管部材２０９の周囲に一様に配列した多数の中空糸膜から成り立つ。一様な構造の中空糸膜束を形成する好ましい１方法は、中空コア管部材２０９の周囲に中空糸を巻き付けることである。中空糸膜束２０８の両端部は、管板２１６の外側に中空コア管部材２０９の一端部を開放させた状態で管板２１６及び２１７内に液密配列構成下に封入される。管板の各端部は、中空糸の内腔の内外にガスが妨害を受けずに流れ得るように分断される。
【００３６】
管板２１６と２１７との間部分で露出された中空糸膜側部分は、図２に示されるように、各管板に隣り合う間隙２１９、２２０を除き、本来非透過性のフィルムバリヤあるいはラップ２１８により包入される。ラップ２１８は、中空糸膜カートリッジを、同中心の３つのセクション／流れチャンネル、即ち、第１中空糸膜セクション２１３及び第２中空糸膜セクション２１４と、その間部分の流れチャンネル２１５とに分割する。第１中空糸膜セクション２１３及び第２中空糸膜セクション２１４内の膜は同じかあるいは異なるものとすることができる。２つのセクションの膜が同じである場合、ラップ２１８の配置位置はこれら２つのセクション間で膜面積を等分割するようにしばしば選択される。流れチャンネル２１５は、第１中空糸膜セクション２１３及び第２中空糸膜セクション２１４間に流れスぺーサあるいはネットを配置することにより形成する。
【００３７】
中空糸膜カートリッジ２０３のガス流れ通路は、外側ハウジング側の送給物／非透過物流れと、中空糸膜の内腔側の透過物／掃引ガス流れとの夫々の間に、熱力学的に有効な向流流れ配列を提供するように配列される。送給物ガスが中空コア管部材２０９の開口２２２を通して中空糸膜カートリッジ２０３に導入され、非透過の生成物ガスが外側シェルアセンブリ２１０の開口２２３を通して除去される。開口２２２及び２２３は管板２１７及び２１６に隣り合って夫々位置決めされる。透過ガスは管板２１７の軸方向表面の中空糸内腔の開放端を通して抜き出される。この流れ配列構成により、透過性のガスに関し送給物ガスが実質的に向流で流れることが保証される。中空糸膜カートリッジ２０３には更に、非透過の生成物ガスの留分を掃引ガスとして導入するための流れ制御オリフィス２２４が設けられる。この流れ制御オリフィス２２４はキャップ２１１内に位置決めされ、ネジ溝あるいは類似の脱着自在の配列構成によりキャップに取り付けた交換自在のオリフィスであることが好ましい。
【００３８】
本発明のガス浄化／分離のプロセスでは、図２に示すように、ガス流れ導管２０６に結合した送給物ガス入口ポート２０４を通して送給物ガスが装置内に導入される。次いで送給物ガスは中空コア管部材２０９内に移送され、開口２２２を通して第１中空糸膜セクション２１３の外側ハウジング側内に送られ、かくして中空糸膜の外側との接触状態に持ち来たされる。ガスは間隙２１９を通して第１中空糸膜セクション２１３を出、チャンネル２１５を通して中空糸膜カートリッジの反対側の端部に送られる。ガスは間隙２２０を通して第２中空糸膜セクション２１４に流入して再び逆方向に流れ、間隙２２１を通して第２中空糸膜セクション２１４を出る。望ましからざる不純物を第１中空糸膜セクション２１３及び第２中空糸膜セクション２１４の中空糸の内腔内に透過させることで除去した、ストリップされた送給物ガスは、次いで外部の外側シェルアセンブリ２１０の開口２２３を通して中空糸を出、浄化ガス出口ポート２０５を通して非透過生成物ガスとして収集される。この非透過生成物ガスの留分が、流れ制御オリフィス２２４を通して中空糸膜の内腔内に送られ、第１中空糸膜セクション２１３及び第２中空糸膜セクション２１４の中空糸の透過物側における掃引ガスとして使用される。
透過ガス流れ／掃引ガス流れは、廃棄ガス出口ポート２０７を通して廃棄ガスとして装置から除去される。流れ制御オリフィス２２４は、所定量の非透過ガスを掃引ガスとして使用することのできる寸法を有する相互結合自在の流れ制御オリフィスである。掃引ガスの量は、結局、生成物の純度水準を決定する。
【００３９】
図３には、本発明の別態様の実施例に従う中空糸膜ガス浄化／分離装置の断面図が示される。図３の実施例では装置はセグメント化した中空糸膜カートリッジを使用し、送給物ガスが中空糸膜カートリッジの内部に導入され、非透過の生成物ガスが中空糸膜カートリッジの外部に収集される。本実施例の装置は外側シェルアセンブリあるいは外側ハウジングと、この外側ハウジング内に位置決めした中空糸膜カートリッジ３０３を含む。
【００４０】
外側ハウジングは、シールされ且つ除去し得る様式下に頭部蓋部材、即ち蓋３０２に結合した、本来円筒状のボウル状胴部３０１により画定される。蓋３０２はバヨネットコネクタあるいはその他の液密シール配列構成により着脱自在の様式下にボウル状胴部３０１の軸方向端部に結合される。蓋３０２は、送給物ガス入口ポート３０４と、浄化ガス出口ポート３０５と、ガス流れ導管３０６とを有し、送給物ガス入口ポート３０４と、浄化ガス出口ポート３０５とは各々蓋３０２の第１端部及び第２端部に形成され、相互に直線的に離間される。外側ハウジングと同中心にガス流れ導管３０６が位置決めされ、送給物ガス入口ポート３０４と流体連通される。ボウル状胴部３０１は廃棄ガス出口ポート３０７を収納する。
【００４１】
中空糸膜カートリッジ３０３は、第１軸方向端部が蓋３０２のガス流れ導管３０６にシールされ且つ着脱自在の様式下に結合され、第２軸方向端部がボウル状胴部３０１の廃棄ガス出口ポート３０７に結合される。
中空糸膜カートリッジ３０３は、中空コア管部材３０９の周囲に配列され、外側シェルアセンブリ３１０と、キャップ３１１及び３１２とにより包囲された、セグメント化された環状の中空糸膜束３０８を含む。キャップ３１２は管板３１６にシール状態で押し付けた内部仕切りを含む。中空糸膜束３０８は、中空コア管部材３０９の周囲に一様に配列した多数の中空糸膜により構成される。一様な構成の中空糸膜束を形成する好ましい１方法は中空コア管部材３０９の周囲に中空糸を巻き付けることである。中空糸膜束３０８は同中心の２つのセクション、即ちセクション３１３及び３１４に分割される。セクション３１３及び３１４の中空糸膜は同じあるいは異なるものとすることができる。
【００４２】
２つのセクションの中空糸が同じものである場合、セクション３１３及び３１４は本来等しい膜面積を収納することが好ましい。中空糸膜束３０８の両端部は、中空コア管部材３０９の一端部を管板３１５の外側に開口する状態で液密配列構成下に管板３１５及び３１６内に封入される。管板の各端部は、中空糸の内腔の内外にガスが妨害を受けずに流れ得るように分断される。管板３１５と３１６との間部分で露出された中空糸膜側部分は、各管板に夫々隣り合う間隙３１９、３２０を除き、本来非透過性のフィルムバリヤあるいはラップ３１８により包装される。ラップ３１８は、中空糸膜カートリッジを同中心の２つのセクション／流れチャンネルに分割し、また、中空糸膜カートリッジ３０３の性能を最適化するように配置される。中空糸膜カートリッジ３０３のガス流れ通路は、中空糸膜の外側ハウジング側の送給物流れ／非透過物流れと、中空糸膜の内腔側の透過物流れ／掃引ガス流れとの間に熱力学的に有効な向流流れ配列を提供するように配列される。中空糸膜カートリッジ３０３には、非透過ガスの留分を掃引ガスとして導入するための流れ制御オリフィス３２１も設けられる。
【００４３】
流れ制御オリフィス３２１は、掃引ガスが中空糸膜カートリッジのセクション３１４にのみ導入されるようにキャップ３１２内で位置決めされる。流れ制御オリフィス３２１のこうした配置は、掃引ガスを必要としない実施例では省略することができる。掃引ガスは中空コア管部材３０９の開口３２２を通して中空糸の外側ハウジング側内に導入され、非透過の生成物ガスは外側シェルアセンブリ３１０の開口３２３を通して除去される。中空糸膜の内腔側を出た透過ガスは廃棄ガス出口ポート３０７を通して抜き出される。
【００４４】
本発明のガス浄化／分離プロセスでは、送給物ガスは中空コア管部材３０９に結合した送給物ガス入口ポート３０４を通して図３の装置の内部に導入される。次いで、送給物ガスは中空糸膜カートリッジの第１中空糸セクション及び第２中空糸セクションに順次導入され、中空糸膜の外側ハウジング側との接触状態に持ち来たされる。望ましからざる不純物を第１中空糸膜セクション及び第２中空糸膜セクションの中空糸の内腔内に透過させることで除去した、ストリップされた送給物ガスは、次いで外部の外側シェルアセンブリ３１０の開口３２３を通して中空糸を出、浄化ガス出口ポート３０５を通して非透過の生成物ガスとして収集される。この非透過生成物ガスの留分が流れ制御オリフィス３２１を通して中空糸膜カートリッジの外部のセクション３１４における中空糸の内腔内に送られる。
【００４５】
透過ガス流れ／掃引ガス流れの合流流れはセクション３１４を出、中空糸膜カートリッジの内側のセクション３１３の中空糸の内腔内に掃引ガスとして再配向され、このセクションに位置決めした中空糸膜の透過物側で掃引ガスとして使用される。セクション３１５を出た透過物流れ／掃引ガス流れの合流流れは廃棄ガス出口ポート３０７を通して中空糸膜カートリッジから除去される。流れ制御オリフィス３２１は、所定量の非透過ガスを掃引ガスとして使用できるようにする寸法を有する。掃引ガスの量が、結局生成物の純度水準を決定する。中空糸膜カートリッジ３０３は、流れ制御オリフィス３２１を単に閉塞するあるいは除去するのみで、掃引ガスを必要としないガス分離用途で使用することが可能である。
【００４６】
図４には、本発明の他の実施例に従う中空糸膜ガス浄化／分離装置の断面図が示される。本実施例では送給物ガスが中空糸膜の外側に導入され、中空糸膜を透過した廃棄ガスが中空糸膜の内腔を通して抜き出される。本実施例の装置は、外側ハウジングあるいは外側シェルアセンブリと、この外側ハウジング内に位置決めした中空糸膜カートリッジ４０３とを含み、外側ハウジングが、頭部蓋部材あるいは蓋４０２にシールされ且つ着脱自在の様式下に結合した、本来円筒状のボウル状胴部４０１により画定される。蓋４０２は、バヨネットコネクタあるいはその他の液密シール配列構成により着脱自在の様式下にボウル状胴部４０１の軸方向端部に結合される。外側ハウジングは、本発明のガス浄化用の中空糸膜カートリッジを格納するように適合した、斯界に広く用いられる標準的なガスろ過シェルであることが好ましい。
【００４７】
蓋４０２は、送給物ガス入口ポート４０４と、浄化ガス出口ポート４０５と、ガス流れ導管４０６とを有し、送給物ガス入口ポート４０４と、浄化ガス出口ポート４０５とは蓋４０２の第１端部及び第２端部に於いて相互に直線的に離間して形成される。ガス流れ導管４０６は外側ハウジングと同中心に位置決めされ且つ送給物ガス入口ポート４０４と流体連通される。ボウル状胴部４０１は透過ガス出口ポート４０７を収納する。
【００４８】
中空糸膜カートリッジ４０３は、第１軸方向端部が蓋４０２のガス流れ導管４０６にシールされ且つ着脱自在の様式下に結合され、第２軸方向端部がボウル状胴部４０１の廃棄ガス出口ポート４０７に結合される。
中空糸膜カートリッジ４０３は、外側ハウジング４１０と、キャップ４１１及び４１２とにより包囲された中空コア管部材４０９の周囲に配列した、セグメント化した環状の中空糸膜束４０８を含む。中空糸膜束４０８は、中空コア管部材４０９の周囲に一様に配列した多数の中空糸膜により構成される。中空糸膜束４０８の両端部は、中空コア管部材４０９の一端部を管板４１３の外側に開口する状態で液密配列構成下に管板４１３及び４１４内に封入される。管板４１３の端部は、セクション４１５内の中空糸膜の内腔からセクション４１６の中空糸膜の内腔内にガスが妨害されずに流入できるように分断される。
【００４９】
セクション４１６の中空糸膜の内腔からのガス流れを許容するべく、管板４１のセクション４１６に相当する部分のみが分断される。管板４１３及び４１４の間の、図４に示されるように露出された中空糸膜側部分は、管板４１４及び４１３に隣り合う封入されない間隙４１７及び４１８を除き、フィルムバリヤあるいはラップ４２１及び４２２を使用して包装される。中空糸膜カートリッジ４０３のガス流れ通路は、中空糸膜の外側ハウジング側の送給物流れ／非透過物流れと、中空糸膜の内腔側の透過物流れとの夫々の間に熱力学的に有効な向流流れ配列を提供するように配列される。
【００５０】
送給物ガスは中空コア管部材４０９の開口４１９を通して中空糸膜束４０８内に導入され、非透過の生成物ガスは外側ハウジング４１０の開口４２０を通して除去される。開口４１９及び４２０は管板４１３に隣り合って位置決めされる。透過ガスは管板４１４の軸方向表面の中空糸膜のセクション４１６の開放端を通して抜き出される。こうした流れ配列構成により、透過ガスに関する送給物ガスの実質的な向流流れが保証される。本発明のガス浄化／分離プロセスでは、送給物ガスはガス流れ導管４０６を中空コア管部材４０９に結合する送給物ガス入口ポート４０４を通して図４の装置内に導入される。送給物ガスは開口４１９を介して中空糸膜のセクション４１５のシェル側に流入し、中空糸膜の外側との接触状態に持ち来たされる。
【００５１】
次いで、透過成分の一部分をストリップした送給物ガスは間隙４１７を通して中空糸膜のセクション４１６内のシェル側に移動し、透過成分の追加留分が除去される。中空糸膜のセクション４１５及び４１６における中空糸膜の内腔内に透過させることにより透過成分をストリップした送給物ガスは、次いで、外側ハウジング４１０の開口４２０を通して移動し、浄化ガス出口ポート４０５を通して非透過の生成物ガスとして収集される。
【００５２】
中空糸膜のセクション４１６の中空糸膜の内腔から収集された透過ガスは掃引ガスとしてセクション４１５の中空糸膜の内腔内に送られる。次いでセクション４１５及び４１６からの透過ガス流れが合流され、廃棄ガス出口ポート４０７から除去される。長さ対直径比が極めて小さい中空糸膜カートリッジにおける流れの力学は、外側ハウジング側と中空糸膜の内腔側との間に全体的に向流での流れ形態を維持しつつ、セクション数を増やす事により更に改善することが可能である。図５には同中心の４つのセクションを具備するそうした中空糸膜カートリッジの１例が示される。
【００５３】
本実施例では中空糸膜カートリッジは同中心の４つのセクションに分割され、送給物ガスが中空糸膜カートリッジの内部に導入され、各セクションの外側ハウジング側を漸次通過しつつ分流される。残余のガスは中空糸膜カートリッジの外側に抜き出される。送給物ガスの流れ方向は、連続する各セクションへの流入に際して逆転される。
【００５４】
制御量の非透過性のガスが、上部蓋に位置決めした固定オリフィスを通して中空糸膜カートリッジの最も外側のセクションの内部に掃引ガスとして導入される。この掃引ガスが透過ガスと合流し、次いで前記最も外側のセクションから次のセクションへと漸次分流され、最終的に上部蓋の出口ポートを通して中空糸膜カートリッジから除去される。上部蓋及び底部蓋の量法に配置され、管板にシール上対で押し付けた仕切りが、各セクションの中空糸膜の内腔を出る、合流した掃引ガス流れ及び透過物流れを次ぎの同中心のセクションに向かわせる。各セクション内では送給物流れ及び透過物流れの配列は向流形態に維持される。
【００５５】
本発明の膜ガス分離装置は、油滴や水滴を取り除く合体フィルタ、及び、膜操作上有害であり得る炭化水素蒸気を取り除くために使用するカーボントラップのような前ろ過装置と組み合わせて用いられる。或る実施例では、膜分離装置は膜分離装置の後方に配置したガス後浄化装置と組み合わせて使用される。本発明の中空糸膜ガス分離装置は、送給物ポート及び生成物ポートが、前ろ過装置及びあるいは後浄化装置とのコンパクトな一体化を可能とするべく位置決めされる点を有益な特徴の１つとするものである。本発明の中空糸膜カートリッジを収納する外側ハウジングは、ガスろ過分野に於いて広く使用される設計形状のものである。
【００５６】
外側ハウジングの送給物入口ポートは、外側ハウジングの送給物入口ポートと生成物出口ポートとが短い全体距離に於いて本来直線的に離間する類似の設計形状のろ過外側ハウジングの出口ポートに結合することができる。送給物入口ポートと生成物出口ポートとが、システムパッケージング上好ましいできるだけ短い距離に於いて直線的に結合される事を条件として、中空糸膜ガス分離装置と後浄化装置とを同じように結合することができる。
【００５７】
本発明の装置を、多くのガス分離及びガス状化用途に使用することができる。非透過ガスの留分を透過物側の掃引ガスとして使用することを含むアセンブリは、圧縮空気及び天然ガスの除湿のような、加圧ガス流れから水蒸気を除去する用途において特に有益である。水蒸気は、除湿操作の、特に、水蒸気飽和した送給物ガスを流入ガスの温度以下に維持した装置内に導入する際に膜装置内で凝縮する恐れがある。本発明の膜ガス除湿装置には、外側ハウジング胴部の下方セクション内に好ましく位置決めした液体ドレンアセンブリを更に装備することができる。本発明の装置は、ガス分離操作を周囲温度以上の温度下に実施することが好ましい場合には加熱用ジャケット／加熱用マントルを更に装備することができる。
【００５８】
別の実施例では本発明の装置は、窒素から酸素を分離させることによる窒素富化空気の発生、空気からの有機性の炭化水素の除去、また、二酸化炭素の優先透過による天然ガスのスイートニング及び同様のガス分離用途のために使用することができる。こうしたガス分離プロセスでは非透過ガスが生成物として高圧下に回収される。本発明の装置は更に、膜透過により生成物ガスを発生するガス分離プロセス、例えば、水素含有ガス流れからの水素回収プロセスのためにも使用することができる。これらの場合、透過した生成物ガスは低い圧力下に透過ガスポートを通して収集され、非透過ガスは高い圧力下にガス出口ポートを通して回収される。
【００５９】
ここで、“含む”とは“含むがそれに限定しない”、つまり、請求の範囲で参照するような言及された特徴、整数値、段階、あるいは構成部品を説明するが、１つ以上のその他の特徴、整数値、段階、構成部品あるいはそれらの群の存在あるいは追加を排除するものではない。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【００６０】
【発明の効果】
長さ対直径比が小さく高純度の非透過生成物生成のための性能の改善されたコンパクトな中空糸ガス分離モジュールが提供される。
標準的なガスろ過外側ハウジング内に互換組み込み可能であり、機能上、標準的なガスろ過装置のそれと類似する様式下に用いることのできる中空糸膜カートリッジが提供される。
非透過のガスの留分を装置内部の掃引物として使用し、外側ハウジングを何ら改変せずに、膜カートリッジを外部から調節するのみで純度の異なる最終生成物を生成することのできるプロセスを含む数多くの異なるガス分離用途で使用することのできる中空糸膜ガス分離装置が提供される。
送給物ガス入口と生成物ガス出口インターフェースを有し、ガス前ろ過設備及び後浄化設備と容易に一体化してコンパクトなガス分離／浄化システムとすることのできるモジュール形式の中空糸膜ガス分離／浄化装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に従う中空糸膜ガス浄化／分離装置の断面図であり、送給物ガスが中空糸膜カートリッジ内に導入され、精製物ガスが中空糸膜カートリッジから取り出され、浄化された非透過精製物ガスの一部が透過物側の掃引ガスとして使用され、精製物ガスの留分が、互換性の流れ制御オリフィスにより制御される掃引ガスとして使用される状況が示される。
【図２】本発明の別態様における中空糸膜ガス浄化／分離装置の断面図であり、送給物ガスが中空糸膜カートリッジ内に導入され、精製物ガスが中空糸膜カートリッジから取り出され、浄化された精製物ガスが透過物側の掃引ガスとして使用され、精製物ガスの留分が、流れ制御オリフィスにより制御される掃引ガスとして使用される状況が示される。本図では外側ハウジング側送給膜カートリッジがセグメント化され、単一の送給物流れと、２つに分離した掃引ガス流れとが向流流れ形態を取ることが特徴となっている。
【図３】本発明の別態様における中空糸膜ガス浄化／分離装置の断面図であり、送給物ガスが中空糸膜カートリッジ内に導入され、非透過の精製物ガスが中空糸膜カートリッジの外部に収集され、浄化された精製物ガスの一部が透過物側の掃引ガスとして使用され、生成物ガスの留分が、流れ制御オリフィスにより制御される掃引ガスとして使用される状況が示される。本図では外側ハウジング側送給膜カートリッジがセグメント化され、単一の送給物流れと、単一の掃引ガス流れとが向流流れ形態を取ることが特徴となっている。
【図４】本発明の別態様における中空糸膜ガス浄化／分離装置の断面図であり、送給物ガスが中空糸膜の外側に導入され、透過ガスが中空糸膜束を通して取り出される状況が示される。本図では膜カートリッジがセグメント化され、送給物流れと、透過物流れとが向流流れ形態を取ることが特徴となっている。
【図５】本発明の別態様における中空糸膜ガス分離カートリッジの断面図である。本図では膜カートリッジが４つの帯域にセグメント化され、送給物流れと透過物流れとが向流流れ形態を取ることが特徴となっている。
【符号の説明】
１０１  ボウル状胴部
１０２  蓋
１０３  中空糸膜カートリッジ
１０４  送給物ガス入口ポート
１０５  浄化ガス出口ポート
１０６  廃棄ガス出口ポート
１０７、１０８  キャップ
１０９  中空糸膜束
１１０  中空コア管部材
１１１  外側シェルアセンブリ
１１２、１１３  管板
１１４  ラップ
１１５  間隙
１１６、１１７  開口
１１８  流れ制御オリフィス
２０１  ボウル状胴部
２０２  蓋
２０３  中空糸膜カートリッジ
２０４  送給物ガス入口ポート
２０５  浄化ガス出口ポート
２０６  ガス流れ導管
２０９  中空コア管部材
２１１、２１２  キャップ
２１３、２１４  セクション
２１５  流れチャンネル
２１６、２１７  管板
２１８  ラップ
２１９、２２０、２２１  間隙
２２２、２２３  開口
２２４  流れ制御オリフィス
３０１  ボウル状胴部
３０２  蓋
３０３  中空糸膜カートリッジ
３０４  送給物ガス入口ポート
３０５  浄化ガス出口ポート
３０６  ガス流れ導管
３０７  廃棄ガス出口ポート
３０８  中空糸膜束
３０９  中空コア管部材
３１０  外側シェルアセンブリ
３１１、３１２  キャップ
３１３、３１４  セクション
３１５、３１６  管板
３１８  ラップ
３１９、３２０  間隙
３２１  流れ制御オリフィス
３２２、３２３  開口
４０１  ボウル状胴部
４０２  蓋
４０３  中空糸膜カートリッジ
４０４  送給物ガス入口ポート
４０５  浄化ガス出口ポート
４０６  ガス流れ導管
４０７  廃棄ガス出口ポート
４０９  中空コア管部材
４１０  外側ハウジング
４１１、４１２  キャップ
４１３  管板
４１５、４１６  セクション
４１７、４１８  間隙
４１９  開口
４２０  開口
４２１、４２２  ラップ
【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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