JP2003340229A - 中空糸膜ガス分離カートリッジ及びガス浄化アセンブリ - Google Patents

中空糸膜ガス分離カートリッジ及びガス浄化アセンブリ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 中空糸膜ガス浄化カートリッジが外側ハ
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。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が、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、両端部が、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。

Description

【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３，７２２，６９
４号、同第４，４５１，３６９号、同第４，６２２，１
４３号、同第４，６２３，４６０号、同第４，６７０，
１４５号、同第４，７０７，２６７号、同第４，７８
１，８３４号、同第４，８６５，７３６号、同第４，８
７１，３７９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３，４９
９，０６２号、同第３，７３５，５５８号、同第４，７
１８，９２１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１１
２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２
０６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２
０９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２
２２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２
１３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２
０５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３
０２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３
０９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３
０９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３
１６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４
１０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４
１４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４１
４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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スコット・アンドルー・バーソロミュー アメリカ合衆国マサチューセッツ州ウスタ ー、プランテーション・ストリート53、ナ ンバー２ (72)発明者 サルバトール・ジーリア アメリカ合衆国マサチューセッツ州ノーウ ッド、ネポンセット・ストリート379ビー (72)発明者 ブラッドリー・クウィン・ジョンソン アメリカ合衆国マサチューセッツ州レイク ビル、カントリー・ストリート175 Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA19 JA12A JA13A JA22A JA25A JA25C JA27A JA70A JB04 KA52 KA53 KA55 KA56 KA57 KE03Q KE30Q MA01 MB04 PA01 PB17 PB62 PB65 PC72 4D052 AA01 AA02 EA02

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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。
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