JP2018518359A - 流体の分離のための新規なカートリッジおよびモジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、流体混合物の分離、特にガス分離のための新規なカートリッジおよびモジュール、その作製のための方法、ならびにそれを使用する方法に関する。

Description

本発明は、流体混合物の分離、特にガス分離のための新規なカートリッジおよびモジュール、その作製のための方法、ならびにそれを使用する方法を提供する。

膜は、以下においてそれぞれ流体混合物と呼ばれる、ガス、液体およびガス／液体混合物を分離するために、多くのセクターにおいて工業的に使用されている。膜は、一般に、モジュールまたはカートリッジ内に設置されて使用される。モジュールは、筐体を含む完全分離ユニットを構成するという点でカートリッジと異なる。一方、カートリッジは、別個の筐体内で、好ましくは、固定様式で分離システム内に設置された筐体内で使用される。したがって、カートリッジは、高価な耐圧性筐体も同様に交換する必要がないため、モジュールの場合よりもその交換に関して生じる費用が低いという利点を有する。

一般に、バイオガス処理のセクターにおいては小容積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、天然ガス精製のセクターにおいては、大量のガスに対処できるように、大容積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、この使用分野は、好ましくは３０から１００ｂａｒの比較的高い供給ガス圧で使用可能なカートリッジおよびモジュールを必要とする。

例えば、ＵＯＰは、天然ガス精製用のＳｅｐａｒｅｘ（商標）ガス分離システムを販売している。これらは、中央の透過物収集管の周囲に平膜が巻回されたカートリッジである。複数のそのようなカートリッジは、ガス分離システム内に固定様式で設置された筐体内に、直列で接続される。膜は、酢酸セルロースからなる。ＵＯＰ技術は、カートリッジの寿命が比較的短いという欠点を有し、使用条件によっては、数カ月の期間後にすでに交換を必要とし得る。さらに、個々のカートリッジの容量は不十分であり、改善されたシステムが必要とされている。

上述のようにすでに商業的に使用されている平膜モジュールと同様に、中空繊維膜からカートリッジまたはモジュールを作製する試みもいくつかなされている。これらの例は、ＵＳ３４２２００８、ＵＳ３４５５４６０、ＵＳ３４７５３３１、ＵＳ４２０７１９２、ＵＳ４２１０５３６、ＵＳ４２２０４８９、ＵＳ４４３０２１９、ＵＳ４６３１１２８、ＵＳ４７１５９５３、ＵＳ４８６５７３６、ＵＳ４８８１９５５、ＵＳ５，０２６，４７９、ＵＳ５０８４０７３、ＵＳ５１６００４２、ＵＳ５２９９７４９、ＵＳ５，４０７，４６９、ＵＳ５４１１６６２、ＵＳ５７０２６０１、ＵＳ５８３７０３２、ＵＳ５８３７０３３、ＵＳ５８９７７２９、ＵＳ７４１０５８０、ＵＳ７９９８２５４、ＵＳ２００２／０１６２４５１、ＵＳ８７４７９８０、ＵＳ８７７８０６２、ＵＳ２００３／０１５４８５６、ＥＰ０６２７２５４およびＣＮ１０３６９１３２３に見出すことができる。しかしながら、高圧下で大量の流体体積に対処する中空繊維膜から作られ、また、例えばＵＯＰシステムにおける平膜カートリッジの代替として好適となるように、１つの筐体内でその２つ以上が互いに接続され得るカートリッジまたはモジュールを開発することはまだ不可能である。

したがって、大量の分離を効率的に行うことができ、また新たなシステムを構築する必要がないように、既存のシステムにおいて現在まで使用されているカートリッジの代替となり得る、流体混合物の分離、特にガス分離のための新たなカートリッジまたはモジュールが依然として必要とされている。

したがって、本出願は、先行技術のシステムの欠点があったとしてもせいぜい低減された程度にすぎない、流体混合物の分離、特にガス分離のための新規なカートリッジおよびモジュール、ならびにその作製のための方法およびその使用のための方法を提供する。

新規なカートリッジは、既存のシステムにおける従来のカートリッジの代替となるのに特に好適となるべきである。

さらなる特定の目的において、新規なカートリッジまたはモジュールは、より長い操作時間を有する、ならびに／またはより低い費用で作製可能である、ならびに／または好ましくは１時間当たりの流体体積および／もしくは純度に基づくより良好な分離性能を有するという点で、先行技術のシステムと比較して利点を有するものである。

明示的に言及されていないさらなる目的は、本説明、実施例、特許請求の範囲および図面の全体的文脈から明らかである。

本発明者はこのたび、カートリッジまたはモジュールにおいて、中央の透過物収集管の周囲にいくつかの中空繊維膜を配設し、分離される流体混合物が外側から中空繊維に向かって流動するようにカートリッジまたはモジュールを構成することにより、上述の目的を達成することが可能であることを見出した。この場合、流体混合物中の高い割合のより急速に透過する流体、およびおそらくは低い割合のよりゆっくり透過する流体が、中空繊維膜を透過し、その中空コア内に透過物または透過物ストリームを形成する。請求項１またはその従属請求項の１つに記載のカートリッジの好適な構成により、透過物または透過物ストリームは次に、透過物収集管に供給され、そこで分離プラントから排出される。本発明のカートリッジは、分離される流体混合物がカートリッジの長手方向において中空繊維膜を通過して誘導され、その過程においてよりゆっくりと透過する流体が上述のように濃縮され、残留物を形成するように構成される。請求項１またはその従属請求項に記載の本発明のカートリッジは、残留物がカートリッジから除去され、さらなるカートリッジに供給されるか、またはモジュールの筐体から除去され得るように構成される。

本発明は、中空繊維膜から、透過物収集管を介して互いに接続されるカートリッジを作製することに初めて成功し、また、その複数が、残留物の誘導により、ＵＯＰシステムにおける代替カートリッジとして使用され得るようにモジュール内で直列接続され得る。

中空繊維膜の外側への分離される流体混合物の供給により、極めて高い操作圧力に耐えるカートリッジを提供することがさらに可能である。これは、ガス混合物の分離の場合に特に顕著である。さらに、本発明のカートリッジは、大容積で、すなわち長い長さおよび大きな直径で作製され得、対応する要件を満足し得るという利点を有する。

商業的に使用されているシステムに勝る本発明のカートリッジのさらなる利点は、中空繊維膜の使用によって、同じカートリッジ容積でより広い膜面積に対応することが可能なことであると考えられる。したがって、本発明のカートリッジは、先行技術のシステムよりも良好な分離性能を有することができる。

本発明のシステムは、さらに、異なる中空繊維膜のために、異なる直径で得ることができ、および／または異なる材料から作られ、したがって柔軟に使用可能であるという利点を有する。さらに、カートリッジは、直径および幾何形状に関して可変であり、したがって、既存の分離プラントの様々な要件に適合し得る。

明示的に示されていない本発明のさらなる利点は、説明、実施例、特許請求の範囲および図面から明らかとなる。

したがって、本発明は、請求項１に記載のカートリッジ、請求項９に記載のモジュール、請求項１１に記載の本発明のカートリッジを作製するための方法、および請求項１４に記載の、本発明のカートリッジを使用した、流体を分離するため、特にガス分離のための方法を提供する。好ましい構成の形態は、従属請求項に記載され、以下の説明において詳細に解説されている。

ここで、本発明を詳細に説明する。最初に、いくつかの重要な用語を定義する。

分離される流体、特に個々のガスの透過率は、２種の流体の分離に関する膜の選択性を決定付け、したがって、２つの成分に関して膜がどれほど効率的に流体混合物を分離することができるかを示す。

透過物という用語は、膜、膜モジュールまたは膜分離ステップの低圧側で生成されたストリーム全体に適用される。

透過流体または透過ガスは、各流入ストリームと比較して、膜、膜モジュールまたは膜分離ステップのそれぞれにより透過物ストリーム中で濃縮された１種または複数の成分を指す。

残留物は、膜、膜モジュールまたは膜分離ステップの高圧側で生成され、膜を通過しないストリーム全体を指す。

残留流体または残留ガスは、各流入ストリームと比較して、膜、膜モジュールまたは膜分離ステップのそれぞれにより残留物ストリーム中で濃縮された１種または複数の成分を指す。

分離される流体混合物、特に分離されるガス混合物は、本発明の方法または本発明のデバイスを用いて分離される、少なくとも２種の流体、好ましくは２種のガスの、流体混合物、好ましくはガス混合物、またはこの流体混合物、好ましくはガス混合物のストリームを指す。

以下で説明される、本発明による方法の好ましい実施形態および具体的な実施形態、ならびにまた好ましい設計および特に好適な設計、ならびにまた図面および図面の説明は、本発明の単に実例的なさらなる解説を提供するために使用されるものであり、すなわち、本発明は、これらの例示的実施形態および使用、または個々の例示的実施形態内の特徴の具体的な組合せに限定されない。

例として、本発明の２つのカートリッジが挿入された本発明の流体分離モジュールの長手方向の断面を示す図である。 本発明のカートリッジの外観を示す図である。 本発明のカートリッジの長手方向の断面を示す図である。

具体的な例示的実施形態に関連して示された、および／または描写された個々の特徴は、これらの例示的実施形態、またはこれらの例示的実施形態の他の特徴との組合せに限定されず、技術的に可能な場合は、本文書において別個に議論されていないとしても、任意の他のバージョンと組み合わされてもよい。

図面の個々の図および実例における同一の参照記号は、同一もしくは類似の構成要素、または同一もしくは類似の様式で作用する構成要素を指す。図面における描写はまた、参照記号を有さない特徴を、その後そのような特徴が説明されているか否かに関わらず示している。一方、本説明に含まれているが図面に表示または描写されていない特徴もまた、当業者に容易に明らかとなる。

本発明の本デバイスの好ましい実施形態を図１から３に示す。図１は、本発明の分離モジュール（１）の長手方向の断面を示す。図２は、本発明のカートリッジ（２）の外観を示し、一方図３は、本発明のカートリッジ（２）の長手方向の断面を示す。

図１を参照すると、本発明の分離モジュール（１）は、筐体（３）を備え、その中に、例えば本発明の２つのカートリッジ（２ａ）および（２ｂ）が存在する。分離される流体混合物は、モジュール（４）の流体入口を通過して筐体（３）の内部に入る。その後、流体混合物は、第１のカートリッジ（２ａ）の端部キャップＥＫ１（２３）とモジュール筐体（３）の内壁との間のギャップ（１７）を通って、カートリッジ（２ａ）の流体流入オリフィス（１４）に送出される。カートリッジ（２ａ）は、長手方向軸に配設された透過物収集管ＰＳＲ（８）からなり、収集管の周りに中空繊維膜（２８）のバンドルが配設される（図３を参照されたい；明確性のために図１には示されていない）。中空繊維は、前端部ＨＦＥ１および後端部ＨＦＥ２を有する。前端部ＨＦＥ１は、中空繊維のコアが開いているように第１の管シートＶＡ１（１０）に埋設されており、すなわち、透過物は、ＶＡ１（１０ａ）の外側端面において中空繊維から流出することができる（図３を参照されたい）。中空繊維ＨＦＥ２の後端部は、中空繊維コアが閉じられるように第２の管シートＶＡ２（１１）に埋設されており、すなわち、この側では透過物は中空繊維から流出することができない（図３を参照されたい）。ＰＳＲ（８）および中空繊維膜バンドル（２８）で構成される配置は、流体流入オリフィス（１４）以外、ＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間で不透過性バリア（１３）により完全に包囲される（図１および２を参照されたい）。したがって、分離される流体混合物は、流体流入オリフィス（１４）を通して、ＰＳＲ（８）と不透過性バリア（１３）との間の空間内に押し込まれる。流体混合物は、そこで中空繊維膜の外側シェルと接触する。

空間（９）（高圧領域）と中空繊維膜のコア（低圧領域）との間の圧力差の結果、おそらくはより低い割合のより透過しにくい流体と共に、分離される流体混合物中の比較的大量のより透過しやすい流体が、中空繊維膜を通って透過し、中空繊維膜のコア内に透過物を形成する。したがって、より透過しやすい流体は、分離される流体混合物と比較して、透過物に富む。次いで、透過物は、中空繊維膜のコアを通して、ＶＡ１（１０）を介し、ＥＫ１（２３）の内側表面とＶＡ１（１０ａ）の外側端面との間に形成された空隙（ＥＫ１空隙（１５））内に送出される。ＥＫ１空隙（１５）は、さらに、ＰＳＲ（８）と流体連通しており、すなわち、透過物は、ＥＫ１空隙（１５）からオリフィス（１６）を通ってＰＳＲ（８）の内部に通過することができる（図３を参照されたい）。一方、第１のカートリッジの透過物は、同じ筐体（３）内のさらなるカートリッジの透過物と共に、そこでモジュール（６）（図には示されていない）の透過物出口を通してモジュールから排出される。

ＥＫ１空隙（１５）において、好ましくは、少なくとも１つの支持要素（１５ａ）が存在する。支持要素（１５ａ）の補助により、透過物収集管（８）のオリフィス（１６）の方向の透過物ガスの分配を最適化することが可能である。好適な設計の場合、支持要素（１５ａ）は、特に分離される流体混合物の高い圧力における、カートリッジの機械的安定性の改善にさらに寄与することができる。さらに、好適な支持要素（１５ａ）の使用により、中空繊維膜のコアからＥＫ１空洞（１５）内への透過流体の拡張の結果生じる圧力降下がさらに調整される。中空繊維膜のコアからオリフィス（１６）の方向に透過物を送出するために、最も単純な場合における支持要素（１５ａ）は、支持要素がＥＫ１空洞（１５）の大部分を満たし、ＶＡ１（１０）に面する支持要素（１５ａ）の側面とＶＡ１（１０）との間に、透過ガスがそれを通して送出されるギャップを形成するように構成され得る。しかしながら、好ましくは、支持要素（１５ａ）は、多孔質材料から製造され、ならびに／または内部および／もしくは外部チャネルを有し、この場合、細孔またはチャネルは、好ましくは、透過ガスが正しい方向に向けられるように構成される。オリフィス（１６）の方向への透過ガスの分配に特に好ましい効果を有するためには、支持要素（１５ａ）は、より好ましくは、中空繊維膜の流出オリフィスからオリフィス（１６）に向かって透過物を送出するのに好適な外部形状を有する。これに関する実例的な実施形態は、図３に見ることができる。図３におけるＥＫ１空隙（１５）には、支持要素（１５ａ）が充填されている。支持要素（１５ａ）は、ＶＡ１（１０）に面する側面に、中空繊維膜のコアからの透過物がそれを通してオリフィス（１６）に送出される断面形状（１５ｂ）、またはより具体的にはチャネル（１５ｂ）を有する。同様に好ましくは、断面形状（１５ｂ）を有する、または有さない支持要素（１５ａ）とＶＡ１（１０）との間に、フィルタ要素（図３には示されていない）、例えば織材料もしくは不織材料または焼結金属板を設置することが可能であり、これは、透過物のオリフィス（１６）への送出をさらに促進する。同じ機能性を有する類似の技術的な構成の形態、例えば、孤立した部品としてではなく固定様式で前端部キャップ（２３）に統合された部品として支持要素（１５）を設計することは、当業者によって容易に発見される。

好ましくは、支持要素（１５ａ）は、耐腐食性材料、より好ましくはステンレス鋼からなる。より好ましくは、支持要素（１５ａ）は、端部キャップ（２３）と同じ材料からなる。同様により好ましくは、支持要素（１５ａ）は、上で示されたように、透過物キャップ（２３）の一体構成材料である。

特に好ましいフィルタ要素は、ステンレス鋼等の耐腐食性材料、または青銅、黄銅もしくはアルミニウムからなる。

より好ましくは、透過物が自由に流動することができ、妨害されないように、フィルタ要素は、中空繊維膜の内径よりも少なくとも５から１０分の１小さい直径を有する細孔またはチャネルを有する。

中空繊維膜のコア内へのより透過しやすい流体の上述の透過の結果、よりゆっくりと透過する流体は、空間（９）内で濃縮される。そこで、分離される流体混合物から残留物が形成し、ＶＡ２（１１）の方向に空間（９）内に送出され、この期間中、より透過しにくい流体がさらにより濃縮される。ＶＡ２（１１）は、第２の端部キャップＥＫ２（２４）により包囲される（図２および３を参照されたく、図１には示されていない）。本発明のカートリッジは、分離される流体混合物（供給物ストリーム）をカートリッジから流出する残留物ストリームから分離するために、流体流入オリフィス（１４）と残留物出口オリフィス（１２）との間の領域において、少なくとも１つの部位で流体密閉様式でモジュール筐体（３）の内壁に接続される。流体密閉接続は、例えば、モジュール筐体（３）の内壁と不透過性バリア（１３）との間、またはモジュール筐体の内壁（３）とＥＫ２（２４）との間、またはモジュール筐体（３）の内壁とＶＡ２（１１）との間に配設されたシールを用いて達成され得る。好ましくは、ＥＫ２（２４）は、シール（２５）を介してモジュール筐体（３）の内壁と接続される。シールは、すでに示されたように、分離される流体混合物が、第１のカートリッジ（２ａ）の残留物と混合するのを防止する。これは、残留物が、ＶＡ２（１１）およびＥＫ２（２４）に存在する残留物出口（１２）および（２２）（図１および３を参照されたい）を通って、第１のカートリッジ（２ａ）から、カートリッジ（２ａ）とカートリッジ（２ｂ）との間に存在する筐体（３）の内部（２０）に流動するためである。

第１のカートリッジ（２ａ）の残留物は、第１のカートリッジ（２ａ）と同様に機能し構築された第２のカートリッジ（２ｂ）内でさらに濃縮され、つまり残留物は、その中で、分離される流体混合物を形成する。

第２のカートリッジ（２ｂ）のＰＳＲ（８）は、透過物収集管（２ａ）の前端部ＰＳＲＥ１（２６）からカートリッジ（２ｂ）のＰＳＲの後端部ＰＳＲＥ２（２７）のところまで延在する共通のＰＳＲを形成するように、接続部位（１８）において第１のカートリッジのＰＳＲ（８）に接続される。ＰＳＲ（８）の端部には、流体バリア（１９）が存在し、これは、好ましくは、カートリッジのチェーンにおける最後部カートリッジのＶＡ２（１１）の領域内に配設され、任意の所望の流体密閉性、特に気密性の、また十分に耐圧性の材料から作製され得る。「十分に耐圧性」とは、透過物バリア（１９）が、ＰＳＲ（８）内の透過物圧力と端部空隙（２１）内の残留物圧力との間の圧力差に耐えなければならないことを意味する。さらに、透過物バリアは、対応する操作温度に耐えることができなければならない。したがって、透過物バリア（１９）は、好ましくは、金属またはプラスチックからなり、好ましくは、ねじ接続により、またはフランジにより、または返しを用いて、または接着結合によりＰＳＲ（８）に固定される。対応する技術的解決策は、当業者によって容易に発見される。組み立てられた透過物収集管（８）において、２つのカートリッジからの全体的透過物ストリームは、一緒に除去される。

各カートリッジの透過物収集管の間の接続（１８）は、異なる様式で行われてもよい。例えば、透過物収集管ＰＳＲＥ１（２６）およびＰＳＲＥ２（２７）の後端部および前端部は、フランジ接続部として、または差込み式接続部として、またはねじ接続部として実現され得る。代替の接続部の選択肢、例えば返しシステムは、当業者によって容易に発見される。

カートリッジ（２ａ）と同様に、カートリッジ（２ｂ）は、その後端部において、第２のＶＡ２（１１）、および好ましくはＥＫ２（２４）を有する。ＶＡ２（１１）における残留物出口オリフィス（１２）を通って、第２のカートリッジ（２ｂ）からの残留物は、モジュール筐体（３）の端部空隙（２１）内に到達する。端部空隙（２１）は、ＶＡ２（１１）の外側端面、または第２のカートリッジ（２ｂ）のＥＫ２（２４）、および第２のカートリッジを超えたモジュール筐体（３）の内壁により形成される。第２のカートリッジ（２ｂ）はまた、その流体入口オリフィス（１４）とその残留物出口オリフィス（１２）との間で、カートリッジの長手方向軸に対して直角に、シール（図１には示されていない）によってモジュール筐体（３）の内壁に流体密閉様式で接続されているため、またさらに、ＰＳＲ（８）は透過物バリア（１９）を有しているため、いくつかの分離ステップ後に得られた残留物のみが末端空隙（２１）内に存在し、これが残留物出口（７）を通してモジュール筐体（３）から排出されることが達成される。

したがって、図１による本発明のモジュールの特徴は、元々分離される流体混合物が、まずカートリッジ（２ａ）内での、次いで第２のカートリッジ（２ｂ）内での２つの連続的な分離ステップにおいて分離されることである。全ての透過物ストリームは組み合わされ、ＰＳＲを通して、筐体の前部キャップ（５）に存在するモジュールの透過物出口（６）に導かれ（（５）および（６）は図１には示されていない）、それを通してモジュール（１）から排出される。前部キャップ（５）は、モジュールにカートリッジが充填された後に設置され、図１に示されるねじ穴を用いて筐体（３）にねじ止めされる。残留物に対しても、モジュール筐体（３）における１つの出口（７）のみが必要である。好ましくは、全てのカートリッジが同じ構造を有し、十分に長いモジュール筐体（３）を所与として、本発明のさらなるカートリッジがカートリッジ（２ａ）とカートリッジ（２ｂ）との間に挿入されるため、カートリッジのチェーンは所望通りに延長され得る。本発明のシステムのさらなる利点は、モジュール筐体（３）が分離システム内に永久的に維持され得、消費されたカートリッジの交換のみが必要となることであると考えられる。一方、カートリッジ交換は、全体としてのカートリッジのチェーンが筐体から取り外され得るため、非常に単純で迅速である。したがって、数百または数千のモジュール筐体を有する大規模システムの場合、極めて短い運転停止時間が確保され、メンテナンス費が最小限となる。

すでに言及されたように、本発明のカートリッジは、透過物収集管ＰＳＲ（８）を備える。このＰＳＲは、特定のカートリッジ内のＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間の空間内で、分離される流体混合物に対して不浸透性であるように構成される必要がある。さもなくば、上述のように、空間（９）内に存在する分離される流体混合物は、ＰＳＲ（８）内で透過物と再び混合する。ＰＳＲ（８）は、好ましくは、カートリッジの操作条件下、すなわち操作圧力および操作温度下で機械的に安定および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製造され得る。特に好ましいのは、鋼、アルミニウムまたはプラスチックであり、極めて具体的にはステンレス鋼である。

一方、ＥＫ１空隙（１５）の領域において、ＰＳＲ（８）は、透過物がその点でＰＳＲ（８）に流入し得るように、ＥＫ１空隙（１５）内の流体と流体連通していなければならない。したがって、好ましくは、ＰＳＲ（８）は、この領域にオリフィス（１６）を有する（図３を参照されたい）。オリフィスのサイズ、形状および数に関して、十分な流体連通が確保される限り、特に制限はない。

ＰＳＲ（８）の周囲には、中空繊維バンドル（２８）を形成するように、いくつかの中空繊維膜が配設される（図３を参照されたい）。中空繊維を配置するための種々の選択肢がある。中空繊維は、例えば、ＰＳＲ（８）の長手方向軸に平行に配置されてもよいが、ＰＳＲ（８）の周囲に巻回されてもよい。巻回に関しても、様々な選択肢がある。好ましくは、中空繊維は、個々に、または複数が同時に、ＰＳＲ（８）の周囲に巻回される。より好ましくは、中空繊維は、ＰＳＲの周囲に螺旋状に巻回され、最も好ましくはクロスオーバーし、この場合、後続の巻回層の螺旋ラインがクロスオーバーする、すなわち１つの層がＶＡ１（１０）からＶＡ２（１１）の方向に、次にＶＡ２（１１）からＶＡ１（１０）の方向に螺旋状に巻回され、次いでこれが交互に継続される。好ましい、および特に好ましい巻回法は、膜がバンドル（２８）内で均一に充填され得、したがってＰＳＲに平行な膜配向と比較して、より均一な流量分布が達成されるという利点を有する。

中空繊維膜のバンドルは、好ましくは、実質的に円形の断面を有し、より好ましくは１５０〜２００ｍｍ、さらにより好ましくは１７０〜１９５ｍｍ、最も好ましくは１８０〜１９０ｍｍの直径を有する。

膜バンドル（２８）の作製のために、様々な材料、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、ポリイミドもしくはポリカーボネート、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作られた中空繊維膜を使用することが可能である。中空繊維膜の選択は、分離の問題に依存する。本発明のカートリッジおよびモジュールは、液体およびガス、ならびに液体およびガスの混合物の分離の両方に使用することができる。それらは、好ましくはガスの分離に使用される。分離の問題に応じて、様々な市販の膜が利用可能である。

ガスの分離には、ポリイミドから作られた中空繊維膜が特に好ましいが、これは、この膜が高温で使用可能であり、また非常に良好な選択性および透過性を有するためである。特に好ましいのは、
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種の二無水物、
および
トルエン２，４−ジイソシアネート、トルエン２，６−ジイソシアネート、４，４’−メチレンジフェニルジイソシアネート、２，４，６−トリメチル−１，３−フェニレンジイソシアネート、２，３，４，５−テトラメチル−１，４−フェニレンジイソシアネートからなる群から選択される少なくとも１種のジイソシアネートの反応により得られたポリイミドである。

これらの好ましいポリイミドは、高い可塑化抵抗性を有する。極めて特に好ましいのは、

（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つまたは複数の同一または異なるラジカルである）
を含むポリイミドである。

最も好ましいのは、ｘ＝０、ｙ＝１、ならびにＲが６４モル％のＬ２、１６モル％のＬ３、および２０モル％のＬ４からなるポリマーである。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おり、ＣＡＳ番号：９０４６−５１−９で登録されている。さらに特に好ましいポリマーは、ｘ＝０．４、ｙ＝０．６、ならびにＲ＝８０モル％のＬ２および２０モル％のＬ３からなる。このポリマーは、Ｅｖｏｎｉｋ Ｆｉｂｒｅｓ ＧｍｂＨからＰ８４ＨＴまたはＰ８４ＨＴ３２５として市販されており、ＣＡＳ番号：１３４１１９−４１−８で登録されている。

本発明に従って使用される中空繊維膜は、好ましくは、１５０から５００μｍの直径、および１５０から３００ｃｍの長さを有する。

ＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間の膜バンドル（２８）は、外側が不透過性バリア（１３）により包囲されている（図２を参照されたい）。このバリア（１３）は、好ましくは、エポキシ樹脂と「ブレンド」されたフィルム、またはホース、または管、またはテープ、またはガラス布からなる。特に好ましいのは、膜バンドルに密接に嵌合する材料、特に収縮性材料、例えばポリオレフィン、ＰＶＣまたはポリイミドである。これは、バリア（１３）と膜バンドル（２８）の外側表面との間の空間を最小化する。このようにして、一方で、分離される流体混合物が膜で分離されることなく膜バンドル（２８）を越えて残留物に入るバイパス流を防止または少なくとも最小限にすることが可能である。

処理上の理由から、バリア（１３）をより単純な様式で適用することができるように、および膜バンドルの形状を維持するために、バリア（１３）を取り付ける前に繊維バンドルを好適な媒体、例えば編ナイロン管で包囲することが適切となり得る。

不透過性バリア（１３）には、流体流入オリフィス（１４）が存在し、または、不透過性バリア（１３）は、流体流入オリフィスとしてのギャップをもたらすように、ＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間の距離全体に延在しない。流体流入オリフィス（１４）は、カートリッジの長手方向軸に基づき、ＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間の距離の最初の３分の１、好ましくは最初の４分の１、より好ましくはＶＡ１（１０）の内側端面（１０ｂ）を０から１０ｃｍ超えた距離、最も好ましくはＶＡ１（１０）の内側端面（１０ｂ）を２から４ｃｍ超えた距離に配設される。これは死容積を防止し、膜の分離面積を最大限まで利用する。

流体流入オリフィス（１４）のこの配置、および残留物出口（１２）のＶＡ２（１１）の近くまたはＶＡ２（１１）内への配置の効果は、分離される流体混合物が、カートリッジの長手方向軸に沿って中空繊維膜の外壁を越えて空間（９）内に移動し、その過程において残留物中でよりゆっくりと透過する流体が濃縮されることである。一方、不透過性バリア（１３）は、濃縮された残留物が、分離される新鮮な流体混合物と再び混合されるのを防止するために重要である。

流体流入オリフィス（１４）は、例えば、穴またはボアの形態で構成されてもよい。代替として、ＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間の全長にわたり不透過性バリアを実現しないことが可能である。このため、中空繊維バンドル（２８）の外側表面の一部が、その全領域にわたり不透過性バリア（１３）により包囲されない。この結果、「穴」（１４）ではなく、バンドル全体を包囲する「流入ギャップ」（１４）が形成される。このギャップは、当然ながら、ＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間の上述の領域内になければならない。

流体流入オリフィスおよびギャップ（１４）の数、形状およびサイズに関して、特に制限はない。しかしながら、オリフィス（１４）は、十分な流体流量を確保するのに十分大きくすべきであるが、濃縮された残留物の分離される流体混合物との上述の逆混合を回避するために、過度に大きくすべきではない。

不透過性バリア（１３）のカートリッジへの良好な結合を確保するために、バリア（１３）が形成される材料を、ＶＡ１（１０）および／またはＶＡ２（１１）に埋設することが有利となり得る。代替として、または追加的に、前記材料はまた、外部固定補助具、例えばワイヤもしくはクランプを用いて、または溶接により、または接着結合により、または収縮によりカートリッジ（２）に固定されてもよい。上述の方策の組合せも、当業者が容易に見出すことができる代替の技術的解決策と同じく可能である。

中空繊維は、上述のように、その前端部ＨＦＥ１において管シートＶＡ１（１０）に埋設されている。管シート（１０）は、当業者に知られている慣習的方法により作製することができ、好ましくはエポキシ樹脂混合物からなる。中空繊維は、そのコアが開いているようにＶＡ１（１０）に埋設されており、すなわち、透過物は中空繊維のコアから流出してＥＫ１空隙（１５）に流入することができる。

管シートＶＡ１（１０）は、様々な方法により、例えば静置注封または遠心注封により作製され得る。遠心注封の場合、ＶＡ１（１０）は、遠心分離機内で注型用樹脂から作製される。膜バンドルの両端部で鋳型内に液体樹脂が導入される。遠心分離の効果により、樹脂は繊維バンドルの端部に留まり、さらに、極めて均一で高品質の管シートが得られる。しかしながら、毛管力の結果ある割合の液体樹脂が中空繊維膜のコア内に吸引され、したがってコアが封止されることを防止するのは一般に不可能である。この問題は、好ましくは、注封の前に繊維を高融点ワックスで封止することにより解決される。好ましくは、このワックスは、エポキシ系が反応する間固さを維持するように、約１６０℃まで溶融しない。ＶＡ１（１０）の作製後に再び中空繊維コアを開くために、硬化された管シートＶＡ１（１０）の一部が切り取られる。

本発明のカートリッジ（１）のＶＡ１（１０）の作製にこの方法が使用される場合、１つの選択肢は、透過物収集管（８）を少なくとも２つの別個のセグメント（２９）および（３０）（図３を参照されたい）の形態で実現することであり、さもなくば、ＰＳＲ（８）は、ＶＡ１（１０）の「閉塞した」部分が切り取られる際に切り開かれ、または、ＶＡ１（１０）に対して、ＰＳＲ（８）が同様に切り開かれない複雑な切断法を採用する必要がある。したがって、本発明のカートリッジ（１）のＰＳＲ（８）が少なくとも２つのセグメント（２９）および（３０）からなる場合が好ましく、この場合、第１のセグメント（２９）は透過物収集管（８）の前端部ＰＳＲＥ１（２６）から少なくともＶＡ１（１０）内に延在し、そこでＰＳＲ（３０）の第２のセグメントに接続される。接続部位（３１）は、差込み式接続もしくはねじ接続の形態で、またはバヨネット接続を用いて、または接着結合により、またはいくつかの他の手法で実現され得る。

後部セグメント（３０）は、接続部位（３１）からＰＳＲＥ２（２７）のところまで延在し、連続セグメントとして実現されてもよく、または同様に再びいくつかのセグメントに分割されてもよい。

ＰＳＲ（８）がカートリッジ内で２つ以上のセグメントに分割される場合、第１の前部セグメント（２９）は、好ましくは、上で詳細に説明されたオリフィス（１６）を含み、これを通って透過物はＥＫ１空隙（１５）の領域内でＰＳＲ（８）の内部に通過し得る。この場合、ＰＳＲの前部セグメント（２９）は、透過物アダプタとも呼ばれる。

本発明のカートリッジの前端部キャップＥＫ１（２３）は、好ましくは、高性能プラスチック、例えばＰＡ（６、６，６、１２等）、ＰＥＥＫ、亜硫酸ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル／ポリスチレン混合物（ＰＰＥ／ＰＳ）、または金属、好ましくはステンレス鋼からなり、好ましくは、ＶＡ１（１０）の硬化および中空繊維のコアの開放後にＶＡ１（１０）上に被せられる。ＥＫ１（２３）は、好ましくは、透過物アダプタ（２９）によりＶＡ１（１０）上に保持される。ＥＫ１（２３）は、ＶＡ１（１０）上に装着された後、ＥＫ１空隙（１５）がその内壁とそれに面するＶＡ１（１０）の外側端面（１０ａ）との間に形成されるように構成される（図３を参照されたい）。ＥＫ１（２３）は、ＥＫ１（２３）が装着された際にＰＳＲセグメント（２９）もまた同様にカートリッジ（１）内に同時に導入されるように、ＰＳＲ（８）のセグメント（２９）に固定様式で結合されてもよい。しかしながら、ＥＫ１（２３）は、ＰＳＲ（８）が管として実現される場合、ＰＳＲＥ１（２６）の前端部がそれを通して誘導される陥凹部をその端面の中央に有することが好ましく、または、セグメントに分割されたＰＳＲ（８）の場合、ＰＳＲセグメント（２９）がカートリッジ内に導入され得る。

膜バンドル（２８）の後端部には、第２の管シートＶＡ２（１１）が存在する。この側には、透過物が中空繊維コアから流出する意図はない。したがって、ここでは、全ての中空繊維コアが中空繊維バンドルＨＦＥ２の後端部で封止されるように、中空繊維は注型用樹脂に埋設される。

ＶＡ２（１１）側では、残留物がカートリッジから流出することができなければならない。したがって、残留物がそれを通って流出することができる、ＶＡ２（１１）に埋設された残留物出口オリフィス（１２）を提供することが好ましい。これらのオリフィスまたはチャネル（１２）は、好ましくは、ＶＡ２（１１）の作製において適切な成形用の鋳型を使用することにより作製される。残留物出口（１２）のＶＡ２（１１）への埋設の代わりに、ＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間の距離の最後の４分の１、好ましくはＶＡ２（１１）の内側端面（１１ａ）の極めて近くに、残留物出口（１２）、例えば不透過性バリアにおけるオリフィスを作製することも可能である（図１から３には示されていない）。前記方策の組合せもまた可能である。ＶＡ２（１１）に埋設された残留物出口オリフィス（１２）が好ましい。

いずれの場合も、カートリッジ（２）を、その流体入口オリフィス（１４）とその残留物出口オリフィス（１２）との間で、例えばこの領域に装着されたシールを用いて流体密閉様式でモジュール筐体（３）の内壁に接続することが重要である。

端部キャップＥＫ２（２４）は、好ましくはＶＡ２（１１）上に装着され、または、端部キャップ（２４）は、ＶＡ２（１１）の作製のための鋳型としてすでに使用され、カートリッジに留まっている。しかしながら、原則として、端部キャップＥＫ２（２４）を有さないカートリッジ（２）を作製することも可能である。この場合、ＶＡ２（１１）および／または不透過性バリア（１３）の外側表面と、モジュール筐体（３）の内側表面との間にシールを装着することが必要となる。

ＥＫ２（１１）を有する実施形態は、一般により安定であり、したがって好ましい。端部キャップＥＫ２（１１）は、ＥＫ１と同じ材料からなってもよい。これは、費用上の理由から、好ましくは高性能プラスチック、例えばＰＡ（６、６，６または１２）、亜硫酸ポリフェニレン（ＰＰＳ）またはＰＥＥＫからなる。中空繊維コアを開くためにＶＡ２（１１）を切り開く必要はないため、ＥＫ２（２４）がＶＡ２（１１）の作製のための鋳型として直接利用される場合が有利となり得る。ＥＫ２（２４）は、図３に示されるように、残留物出口（１２）に適合する残留物出口（２２）を有さなければならない。対応する技術的解決策は、当業者によって容易に見出される。

ＥＫ１（２３）と同様に、ＥＫ２（２４）は、ＰＳＲ（８）もしくはＰＳＲのセグメント（３０）に固定様式で結合されるか、または、その端面において、ＰＳＲ（８）もしくはＰＳＲセグメント（３０）が導入され得るオリフィスを有する。

ＥＫ２（２４）は、その外側が、カートリッジの軸に対して直角に、筐体（３）の内側表面に流体密閉様式で終端する、または結合され得るように構成される。これは、好ましくは、ＥＫ２（２４）の外側表面と筐体（３）の内側表面との間に、シール（２５）、好ましくはゴムリング、平面シール等が装着されるように達成され得る。シールを正しい位置に固定することができるように、ＥＫ２（２４）または筐体（３）は、好適な空隙、溝、スタッド等を有してもよい。

すでに言及されたように、本発明の２つのカートリッジの端部ＰＳＲＥ１（２６）およびＰＳＲＥ２（２７）は、任意の所望の接続手段、例えばフランジ、ねじ接続、差込み式接続、バヨネット接続、接着結合、返しシステム等、またはこれらの組合せにより互いに接続され得る。したがって、これらの端部は、システムに従って可変の様式で構成され得る。

カートリッジのチェーンの先頭のカートリッジのＰＳＲＥ１（２６）は、モジュール筐体（３）の透過物出口（６）に接続されるか、または透過物出口を形成する。流体バリア（１９）は、カートリッジのチェーンの最後部のカートリッジＰＳＲＥ２（２７）内に設置されるか、または前記ＰＳＲＥ２（２７）が閉鎖キャップにより閉じられる。

モジュール筐体（３）は、耐圧性となるように実現される必要があり、また一般に、金属、好ましくは鋼、より好ましくは炭素鋼からなる。

本発明のモジュールおよびカートリッジは、任意の所望のサイズで構築および使用され得る。カートリッジの直径は、好ましくは、７から９インチ、好ましくは７．５から８．５インチ、より好ましくは７．７５から８．５インチ、および最も好ましくは８．０から８．２５インチである。カートリッジのＰＳＲＥ１（２６）からＰＳＲＥ２（２７）の長さは、好ましくは、０．５から２ｍ、より好ましくは１から２ｍ、さらにより好ましくは１．１から１．５ｍ、最も好ましくは１．３から１．４ｍである。

本発明のモジュールおよびカートリッジは、１から１５０ｂａｒ、好ましくは３０から１２０ｂａｒ、より好ましくは４０から１００ｂａｒの範囲内の圧力で使用され得る。操作温度は、好ましくは−１０から１００℃、より好ましくは３０から９５℃である。

本発明のカートリッジは、好ましくは、以下のステップを含むプロセスにより作製され得る。

ステップａ：いくつかの中空繊維膜が、管（８）の周囲に配設され、バンドル（２８）を形成する。

ステップｂ：上述の材料で構成される不透過性バリアが、ステップａ）からの配置の周囲に作製される。

ステップｃ：
中空繊維を注封用樹脂と接触させ、次いで好ましくは遠心分離機内で樹脂を硬化させることにより、管シートＶＡ１（１０）およびＶＡ２（１１）が、中空繊維バンドル（２８）の前端部ＨＦＥ１および後端部ＨＦＥ２に作製される。

ＶＡ１（１０）の作製において、ＶＡ１（１０）の硬化後に取り外される、端部キャップＥＫ１（２３）と異なる鋳型を使用することが好ましい。そのような鋳型は、当業者に知られている。

管シートＶＡ１（１０）が作製された後、中空繊維膜のコアがその前端部で閉じられている作製プロセスが使用される場合、ＨＦＥ１における中空繊維のコアを開くために、前端部は、好ましくは、ステップｄ）において、丸のこ、鋭い刃または別の好適な切断デバイスを用いてカートリッジの中心軸に対して直角に切り開かれる。ステップｄ）は、ＶＡ１（１０）の作製において中空繊維のコアがＨＦＥ１で開いたままであることが他の方策により確保されない場合にはいつでも行われるべきである。

ＶＡ２（１１）の作製には、樹脂が注封される際に透過物出口（１２）がＶＡ２（１１）内に作製されるように構成された鋳型を使用することが好ましい。使用される鋳型は、一般に、端部キャップＥＫ２（２４）とは異なる。しかしながら、ＶＡ２（１１）は切断される必要がないため、好適なＥＫ２（２４）を直接鋳型として使用することも可能であり、これによって作業ステップが省略される。

遠心分離器内での管シートの作製およびこの目的に使用可能な樹脂は、先行技術において知られている。

上述のようにステップｃ）において端部キャップがまだ鋳型として使用されていない場合、ステップｅ）において、端部キャップＥＫ１（２３）、および、上述のように任意選択でＥＫ２（２４）もまた、管シート上に設置される。上述の支持要素（１５ａ）および／またはフィルタ要素が使用される場合、これらもまたこのプロセスステップにおいて取り付けられる。さらに、端部キャップと各管シートとの間に、追加的なシール、例えばＯリング（図３中の（３２）を参照されたい）を取り付けることが得策である場合もある。これもまた、好ましくはこのステップにおいて達成される。

様々なセグメントからなる透過物収集管（８）が使用される場合、ステップｅ）の後に、ステップｆ）において、ＥＫ１（２３）を通してＰＳＲの前部セグメント（２９）を導入し、それを第２のセグメント（３０）に結合することが好ましい。代替として、前部セグメント（２９）はまた、ＥＫ１（２３）の一部であってもよく、それと一緒に設置されてもよい。

不透過性バリア（１３）が管シートＶＡ１（１０）およびＶＡ２（１１）の一方または両方に埋設されるかどうかによって、ステップｂ）は、ステップｃ）の前または後に実行され得る。好ましくは、ステップｂ）は、ステップｃ）の前に実行される。

ステップｂ）における不透過性バリア（１３）は、不透過性バリア（１３）の作製前に、分離される流体混合物用の１つまたは複数の流体流入オリフィス（１４）をすでに有している材料、好ましくはフィルムまたはホースまたは管を用いて作製され得る。代替として、好ましくは対応する穴の穿孔、打抜きもしくは切抜きにより、または、ＶＡ１（１０）とＶＡ２（１１）との間の中空繊維バンドル（２８）の外側表面のセクションが被覆されないように中空繊維バンドル（２８）の周囲に配設され、したがってバンドル（２８）の周囲に環状の流体流入オリフィス（１４）を形成する不透過性バリア（１３）の作製のための材料により、不透過性バリア（１３）の作製後に前記流体流入オリフィス（１４）を作製することが可能である。

不透過性バリア（１３）の作製にフィルムが使用される場合、これは、好ましくは、バンドル（２８）の周囲に巻回され、次いでカートリッジの長手方向軸に沿って結合または溶接される。

しかしながら、好ましくは、ＰＳＲ（８）および中空繊維膜で構成された配置は、より好ましくはすでに流体流入オリフィス（１４）を有するホースまたは管内に導入される。次いで、ホースまたは管は、好適な保持デバイスを用いて、例えばその周囲にワイヤを巻回することにより、またはグリップを用いて、または結合により、または収縮により、またはＶＡ１（１０）および／もしくはＶＡ２（１１）に埋設することにより、カートリッジに据え付けられる。ホースまたはフィルムが使用される場合、それらを加熱により膜バンドル（２８）上で収縮させることが特に好ましい。

中空繊維に使用される材料によって、カートリッジの作製操作においてさらなるステップを行うことが得策である場合がある。これが膜バンドルの作製の前にすでに行われていない場合、膜の性能および／または安定性を改善するために、いくつかのポリマーは、熱処理に供されるべきである。そのようなステップは、作製操作の異なる点で達成され得るが、好ましくは、膜バンドルの作製に続いて行われる。

さらに、膜バンドルの作製の過程で、個々の膜に破砕または他の損傷が生じ得る。そのような場合、カートリッジの高い性能を確保するために、カートリッジを修復することが好ましい。そのような膜バンドルを修復するための方法は、それ自体知られている。例えば、カートリッジは、流体流入オリフィス（１４）を通して低圧ガスストリームにより加圧され得る。低圧の結果、ガスは、損傷した中空繊維膜を通してのみ抜けることができる。これらは、中空繊維膜の開放端部（ＨＦＥ１）において液体で可視化され得、損傷した膜は樹脂で封止され得る。

本発明のカートリッジは、好ましくは、少なくとも２種の流体の流体混合物の分離のための方法において使用される。この分離法の特徴は、分離される流体混合物、より好ましくはガス混合物が、繊維のコア内よりも中空繊維膜の外側により高い圧力が存在するように、加圧下で、少なくとも１つの流体流入オリフィス（１４）を通して本発明のカートリッジ（２）内に導入されることである。透過物は、中空繊維のコア内をＶＡ１（１０）と端部キャップＥＫ１（２３）との間の空隙（１５）まで送出され、その時点以降は透過物収集管（８）内に送出され、それを通って透過物は最終的にカートリッジから排出される。不透過性バリア（１３）と中空繊維の外側シェルとの間に残留する残留物は、ＶＡ２（１１）の方向に送出され、残留物の流出オリフィス（１２）を通してカートリッジ（２）から排出される。

本発明のカートリッジは、好ましくは、ＣＯ_２／ＣＨ_４の分離（例えば、バイオガス、天然ガスもしくはシェールガス処理）、Ｈ_２ストリーム、例えば合成ガス比調節、原料ガスからのＨ_２の回収またはＨｅ回収に使用される。

以下の実施例は、本発明のより具体的な解説およびより良い理解を提供するのに役立つが、決して本発明を限定しない。

まず、ＷＯ２０１１／００９９１９Ａ１の実施例１８に従い、Ｐ８４ＨＴから中空繊維膜を作製した。

後に透過物収集管の第２の、すなわち後部セグメントを形成する、４３ｍｍの内径および５１ｍｍの外径、ならびに１７５０ｍｍの長さを有する管の周囲に、中空繊維を巻回した。

第１の層を管の前端部から後端部まで螺旋状に巻回した。その点で、管の長手方向軸に対して９０°の角度で膜を数回巻回し、次いで第２の層を管の後端部から前端部まで螺旋状に作製した。ここでも管の長手方向軸に対して９０°の角度で幾度か巻回し、続いて再び管の前端部から後端部まで螺旋状に第３の層を巻回した。管の中央において１９０ｍｍの直径を有する繊維バンドルが形成するまで、上述の様式で１層ずつ巻回を続けた。

次いで、中空繊維バンドルをＮ_２雰囲気中で３１５℃で６０分間熱処理した。冷却後、巻回の両端部において、バンドルを巻回部位のすぐ前で９０°の角度でテープで固定し、それぞれの場合において据付け部を越えたところを切り取った。

このようにして得られた管および中空繊維バンドルで構成された配置を、編ナイロンホースに、次いでＰＶＣ収縮ホースに押し込んだが、この長さは、短縮された繊維バンドルの長さに対応し、またこれは、その長さ８の最初の３分の１において流体流入オリフィスを有していた。ホースは、１００℃で１０分以内に繊維バンドル上に収縮した。

このようにして得られた配置を遠心分離機内に設置し、鋳型を両端部に装着し、一方そのそれぞれは、注型用樹脂の入口を備えていた。膜バンドル（ＶＡ２）の後端部、すなわち収縮ホースにおける流体入口の反対端部の鋳型は、繊維バンドル内に挿入されてその後の注封操作において管シートＶＡ２における残留物流出オリフィスを形成するスパイクを有していた。鋳型は、注封後に、より単純な様式で鋳型を各管シートから分けることができるように、分離手段を備えていた。

ＶＡ１の透過物側の鋳型が設置される、すなわち後の段階で透過物が中空繊維コアから流出する側に設置される前に、注型用樹脂の過度に深い内部への吸引を防止するために、繊維端部を高融点ワックスで処理した。

注型用樹脂の量は、鋳型のそれぞれが両側で完全に充填されるように計算した。

遠心分離により、これで２つの管シートが室温（＜２５℃）で形成された。次いで、管シートを１００℃で４時間のさらなる熱処理に供し、管シートが冷却された後、次いで鋳型を取り外した。管シートＶＡ１を、管の各端部を５ｍｍ超えた点でカートリッジの中心軸に対し直角に丸のこで切り開き、その結果、中空繊維コアは透過物側で開放された。これにより、ＥＫ１端部キャップ空隙に後の透過物出口が作製された。

このようにして得られた、ＶＡ１で開いた中空繊維を有するカートリッジを、概説において説明されたように欠陥を有する膜に対して試験し、欠陥を有する、または破損した繊維をエポキシ樹脂で封止した。

その後、２つの端部キャップＥＫ１およびＥＫ２を装着したが、後端部キャップＥＫ２は、ＶＡ２において残留物流出オリフィスに適合する残留物出口を有していた。前端部キャップＥＫ１は、ＶＡ１上に装着された後に、ＥＫ１空隙（図３を参照されたい）に支持要素（１５ａ）としての金属板が充填され、焼結金属布が支持要素とそれに面するＶＡ１の表面との間に配設されるように設計および形成した。一方、支持要素は、透過物が、中空繊維膜のコアから透過物収集管の前部セグメントにおける透過物流出オリフィスまで、断面形状におけるチャネルを通って送出されるように、焼結金属布に面する側で断面図が示された。

前端部キャップＥＫ１の端面におけるオリフィスを通して、その後、透過物収集管の前部セグメントを、カートリッジ内のＶＡ１内にすでに存在する管に挿入およびねじ接続した（図３を参照されたい）。前記前部セグメントは、ＥＫ空隙の領域においてボア（透過物流出オリフィス）を有していたが、これを通って、透過物は、後の段階においてＥＫ１空隙から透過物収集管内に流れ込むことができる（図３を参照されたい）。

実施例１に従って作製したカートリッジを、適切な試験モジュール筐体内で分離および負荷試験に供した。

この目的のために、実施例１に従って作製したカートリッジにおいて、ＶＡ２の下の透過物収集管の後端部を、ねじ込み栓または盲栓で閉じ、したがって流体バリアが確立された。

その点でモジュール筐体の内壁との気密性接続を形成するように、Ｕ字型断面形状を有するシールをカートリッジの後端部キャップＥＫ２の上に被せた。その後、カートリッジをモジュール筐体内に挿入し、透過物収集管の前端部を筐体の透過物出口に接続して筐体を閉じた。

次いで、２０．９％のＯ_２および７９．１％のＮ_２で構成されるガス混合物を、６．７ｂａｒａおよび２４℃でモジュール筐体の流体入口を通してポンピングした。

３５．４％のＯ_２および６４．６％のＮ_２の組成を有する透過物、ならびに１２．５％のＯ_２および８７．５％のＮ_２の組成を有する残留物が得られた。

分離試験の後、カートリッジの供給側において、１００ｂａｒの圧力を３回印加し、透過物側を大気圧に維持した。その後、同じ条件下で分離試験をもう一度繰り返した。

３５．３％のＯ_２および６４．７％のＮ_２の組成を有する透過物、ならびに１２．５％のＯ_２および８７．５％のＮ_２の組成を有する残留物が得られた。

１００ｂａｒでの負荷試験の前および後の分離試験の結果は、本発明のカートリッジが高い圧力および大量のガス体積で使用可能であることを証明している。

実施例１に従って作製した３つのカートリッジを、１つのモジュール筐体内で図３と同様に接続した。モジュールを使用して、以下の表１に示されるような組成を有する天然ガスを分離した。供給圧力は６２．２ＢａｒＡであった。透過物圧力は１．１４ＢａｒＡであった。供給流量は８２６Ｎｍ^３／時間であった。表１は、試験結果を示す。

表１中の「％」は、「体積％」を意味する。モジュールの観察されるＣＯ_２／ＣＨ_４選択性は１７．６であり、観察されるＣＯ_２透過能は、４．０Ｎｍ^３／時間／ｂａｒ／モジュールであった。

表１において確認され得るように、生成物ストリーム中のＣＯ_２含量は、供給物ストリームと比較して約５５％低減され得、一方生成物ストリーム中のＣＨ_４濃度は増加され得、生成物ストリーム中のＣ_２Ｈ_６含量は一定に維持された。本実施例では１つのみのモジュールが使用されたことを考慮して、５５％のＣＯ_２低減は極めて良好な結果である。例えば、ＵＳ８，９９９，０３８において開示されるもの等の２段階または３段階分離プロセスにおけるモジュールの使用によって、さらにより高い生成ガス純度がもたらされる。

本実施例は、１つのモジュール内でいくつかのカートリッジを一列に成功裏に接続することができること、および、モジュールを使用して複数成分ガス混合物を分離することができることをさらに示している。

本実施例のモジュールは、その性能を低下させることなく５カ月間試験された。

１ 分離モジュール
２ カートリッジ
２ａ カートリッジ１
２ｂ カートリッジ２
３ 分離モジュールの筐体
４ 分離モジュールの流体入口
５ モジュールのキャップ（図１には示されていない）
６ 分離モジュールの透過物出口（図１には示されていない）
７ 分離モジュールの残留物出口
８ 透過物収集管
９ ＰＳＲ（８）と、不透過性バリア（１３）と、ＶＡ１（１０）およびＶＡ２（１１）の内部端面（１０ｂ）および（１１ｂ）（それぞれ図３を参照されたい）との間の空間であり、中空繊維膜のバンドル（２８）（図３を参照されたく、図１には示されていない）、および操作中には残留物が存在する
１０ 前部管シートＶＡ１
１０ａ ＶＡ１の外側端面
１０ｂ ＶＡ１の内側端面
１１ 後部管シートＶＡ２
１１ａ ＶＡ２の外側端面
１１ｂ ＶＡ２の内側端面
１２ ＶＡ２における残留物出口オリフィス
１３ 不透過性バリア
１４ カートリッジの流体流入オリフィスまたはギャップ
１５ ＶＡ１の外側端面（１０ａ）と端部キャップＥＫ１（２３）の内側表面との間のＥＫ１空隙
１５ａ 支持要素
１５ｂ 支持要素の断面形状
１６ ＰＳＲ（８）がそれを通ってＥＫ１空隙（１５）と流体連通する透過物流出オリフィス
１７ 端部キャップＥＫ１（２３）と筐体（３）の内側表面との間のギャップ
１８ カートリッジ（２ａ）およびカートリッジ（２ｂ）のＰＳＲの接続部
１９ ＰＳＲ（８）の後端部における流体バリア
２０ 筐体（３）内のカートリッジ（２ａ）と（２ｂ）との間に介在する空隙
２１ 筐体（３）内の端部空隙
２２ ＥＫ２における残留物出口
２３ 前端部キャップＥＫ１
２４ 後端部キャップＥＫ２
２５ Ｏリングシール
２６ 透過物収集管の前端部ＰＳＲＥ１
２７ 透過物収集管の後端部ＰＳＲＥ２
２８ 中空繊維膜のバンドル
２９ カートリッジの透過物収集管（８）の前部分セグメント（透過物アダプタ）
３０ カートリッジの透過物収集管（８）の後部分セグメント
３１ （２９）と（３０）との間の接続点
３２ Ｏリングシール

Claims (15)

1. 流体混合物、好ましくはガス混合物の分離のためのカートリッジであって、
   − １つまたは複数のセグメントからなり、前端部ＰＳＲＥ１および後端部ＰＳＲＥ２を有する、透過物収集管ＰＳＲと、
   − ＰＳＲの周囲に配置され、ＰＳＲＥ１側の前端部ＨＦＥ１、およびＰＳＲＥ２側の後端部ＨＦＥ２を有する、いくつかの中空繊維膜と、
   − ＨＦＥ１およびＰＳＲＥ１における第１の管シートＶＡ１、ならびにＨＦＥ２およびＰＳＲＥ２における第２の管シートＶＡ２と、
   − 分離される流体混合物に対して不透過性であり、ＶＡ１とＶＡ２との間の領域におけるＰＳＲおよび中空繊維膜で構成される配置を包囲する、バリアと、
   − ＶＡ１の上に配設された前端部キャップＥＫ１、および任意選択で、存在する場合にはＶＡ２の上に配設された後端部キャップＥＫ２と
   を備え、
   − ＰＳＲ、またはＶＡ１とＶＡ２との間の領域における全てのＰＳＲのセグメントは、分離される流体混合物に対して不透過性であるように構成され、
   − 不透過性バリアは、カートリッジの長手方向軸に基づき、ＶＡ１とＶＡ２との間の距離の最初の３分の１、好ましくは最初の４分の１、より好ましくはＶＡ１の内側端面を０から１０ｃｍ超えた距離、最も好ましくはＶＡ１の内側端面を２から４ｃｍ超えた距離において、不透過性バリアとＰＳＲとの間の空間への１つもしくは複数の流体流入オリフィスまたは１つもしくは複数のギャップが存在するように構成され、
   − ＨＦＥ２は、ＶＡ２内に埋設され、中空繊維のコアはＨＦＥ２で閉じられ、
   − ＨＦＥ１は、ＶＡ１内に埋設され、中空繊維のコアは、ＨＦＥ１で開き、
   − ＥＫ１は、透過物が中空繊維コアから流れ出るＶＡ１の外側端面と、端部キャップＥＫ１の内側表面との間にＥＫ１空隙が形成されるように、ＶＡ１の上に構成および配設され、
   − ＥＫ１空隙の領域において、ＥＫ１空隙内およびＰＳＲの内部の流体間の流体連通が存在するように、透過物流出オリフィスがＰＳＲ内またはＰＳＲのセグメント内に存在し、
   − 残留物用の少なくとも１つの流出オリフィスが、不透過性バリア内のＶＡ１とＶＡ２との間の距離の最後の４分の１に存在する、またはＶＡ２に埋設されている
   ことを特徴とするカートリッジ。
2. 不透過性バリアが、好ましくは、収縮により、ならびに／またはＶＡ１および／もしくはＶＡ２への埋設により、ならびに／または外部固定補助具を用いて、ならびに／または溶接により、ならびに／または接着結合によりカートリッジに固定された、エポキシ樹脂と「ブレンド」されたフィルム、またはホース、または管、またはテープ、またはガラス繊維からなる
   ことを特徴とする、請求項１に記載のカートリッジ。
3. カートリッジのＰＳＲが、ねじ接続により、またはフランジ接続により、または差込み式接続により、またはバヨネット接続を用いて、または接着結合によりカートリッジ内で互いに接続されたいくつかのセグメントからなる
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載のカートリッジ。
4. カートリッジのＰＳＲが、少なくとも２つのセグメントからなり、第１のセグメントは、ＰＳＲＥ１から始まって少なくともＶＡ１内に延在し、そこで第２のセグメントに接続され、第２のセグメントは、単独またはさらなるセグメントと併せて、ＰＳＲＥ２のところまでＰＳＲの残りを形成し、第１のセグメントは、透過物流出オリフィスを備える
   ことを特徴とする、請求項３に記載のカートリッジ。
5. 中空繊維膜が、ＰＳＲの長手方向軸に平行な、もしくは、好ましくは螺旋状に、より好ましくは各巻回層の螺旋ラインがクロスオーバーする、すなわち１つの層がＶＡ１からＶＡ２の方向に、次にＶＡ２からＶＡ１の方向に螺旋状に巻回され、次いでこれが交互に継続されるようにＰＳＲの周囲に巻回された、ＰＳＲの周囲のバンドルの形態で配設され、
   および／または
   中空繊維膜のバンドルが、１５０〜２００ｍｍ、好ましくは１７０〜１９５ｍｍ、より好ましくは１８０〜１９０ｍｍの直径を有する実質的に円形の断面を有する
   ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のカートリッジ。
6. 中空繊維膜が、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種の二無水物、
   および
   トルエン２，４−ジイソシアネート、トルエン２，６−ジイソシアネート、４，４’−メチレンジフェニルジイソシアネート、２，４，６−トリメチル−１，３−フェニレンジイソシアネート、２，３，４，５−テトラメチル−１，４−フェニレンジイソシアネートからなる群から選択される少なくとも１種のジイソシアネート
   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５のいずれか一項に記載のカートリッジ。
7. ＥＫ１空隙内に、少なくとも１つの支持要素が存在し、この支持要素は、好ましくは、多孔質材料から製造される、または流体を透過物流出オリフィスに送出する断面形状、特にＶＡ１に面する側に存在し、最も好ましくはチャネルを備える断面形状を有する
   ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のカートリッジ。
8. 少なくとも１つのフィルタ要素、好ましくは織布もしくは不織布または焼結金属板が、ＥＫ１空隙内に、より好ましくは支持要素とＶＡ１との間に存在する
   ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のカートリッジ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の１つまたは複数のカートリッジを備える、流体分離モジュール、好ましくはガス分離モジュール。
10. − 流体入口ならびに透過物出口および残留物出口を有する耐圧性筐体と、
    − 請求項１から８のいずれか一項に記載の、耐圧性筐体内に配設された１つのカートリッジ、またはカートリッジのチェーンを形成するように接続された複数のカートリッジと、
    − 筐体の透過物出口に最も近いカートリッジの透過物収集管の前端部ＰＳＲＥ１への、モジュール筐体の透過物出口の接続部と
    を備え、
    − カートリッジ内への流体流入オリフィスと、特定のカートリッジからの残留物出口オリフィスとの間の領域において、各カートリッジは、不浸透性の様式で、好ましくは封止材、より好ましくは封止リングを用いて、モジュール筐体の内壁に接続され、
    − モジュール筐体内の残留物出口は、カートリッジチェーンの最後部カートリッジの残留物出口オリフィスの下流側に配設され、
    − カートリッジのＰＳＲＥ２の領域内に、または、カートリッジのチェーンを形成するように複数のカートリッジが接続される場合、カートリッジのチェーンの最後部カートリッジのＰＳＲＥ２の領域内に、流体バリア、すなわちＰＳＲの流体密閉部が配設される、請求項９に記載の流体分離モジュール。
11. 請求項１から８のいずれか一項に記載のカートリッジを作製するための方法であって、
    方法は、
    − 透過物収集管ＰＳＲの周囲にいくつかの中空繊維膜を配置するステップａ）と、
    − ステップａ）からの配置の周囲に不透過性バリアを作製するステップｂ）と、
    − 中空繊維を注封用樹脂と接触させ、次いで樹脂を硬化させることにより、中空繊維膜の端部ＨＦＥ１およびＨＦＥ２において管シートＶＡ１およびＶＡ２を作製するステップｃ）と、
    − 任意選択で、ＨＦＥ１における中空繊維膜のコアがＶＡ１の作製過程で封止されている場合、ＨＦＥ１において中空繊維コアを開くために、管シートＶＡ１をカートリッジの長手方向軸に対して直角に切り開くステップｄ）と、
    − 任意選択で、端部キャップＥＫ１および／もしくはＥＫ２がステップｃ）において鋳型として使用されていない場合、ならびに／または、仮に端部キャップが存在するとしても全てＥＫ２の場合である場合、それらを装着するステップｅ）と
    を含み、
    − ステップｂ）は、ステップｃ）の前または後に実行されてもよく、
    − １つまたは複数の残留物出口がＶＡ２に埋設される場合、ＶＡ２の作製のための注封用型は、ＶＡ２における残留物出口オリフィスの作製に好適なスペーサーを有し、
    − ステップｂ）における不透過性バリアは、
    不透過性バリアの作製前に、１つもしくは複数の流体流入オリフィスをすでに有する、または
    不透過性バリアが取り付けられた後に、好ましくは対応する穴の穿孔、打抜きもしくは切抜きにより、流体流入オリフィスが作製される、または
    中空繊維バンドルのセクションが包囲されないように中空繊維バンドルの周囲に配置され、したがって、好ましくは流体流入ギャップの形態で流体流入オリフィスを形成する
    材料、好ましくはフィルム、またはホース、または管を用いて作製される
    ことを特徴とする方法。
12. 不透過性バリアが、ＰＳＲおよび中空繊維膜で構成される配置の周囲に好適な材料を巻回することにより、
    または
    ＰＳＲおよび中空繊維膜で構成される配置をホースもしくは管内に導入することにより
    もたらされることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 不透過性バリア用の材料、好ましくはフィルムまたはホースが、収縮により、または接着結合により、またはＶＡ１および／もしくはＶＡ２への埋設により、またはその外側に取り付けられた固定デバイスを用いて、またはそれらの組合せにより、カートリッジ上に固定される
    ことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 少なくとも２種の流体、好ましくは少なくとも２種のガスで構成される混合物を分離するための方法であって、
    − 分離される流体混合物、好ましくは分離されるガス混合物は、中空繊維のコア内よりも中空繊維膜の外側により高い圧力が存在するように、圧力下で、少なくとも１つの流体流入オリフィスを通して、請求項１から８のいずれか一項に記載のカートリッジ内の不透過性バリアとＰＳＲとの間のスペース内に導入され、
    − 中空繊維のコア内の透過物は、それ以降端部キャップＥＫ１に向かって、およびそこからＥＫ１空隙を通って透過物収集管内に送出され、それを通してカートリッジから排出され、
    − 不透過性バリアと中空繊維の外側シェルとの間に残留する残留物は、ＶＡ２の方向に送出され、残留物出口オリフィスを通してカートリッジから排出される
    ことを特徴とする方法。
15. 分離される流体混合物が、１〜１５０ｂａｒ、好ましくは３０〜１２０ｂａｒ、より好ましくは４０〜１００ｂａｒの圧力でカートリッジの流体流入オリフィス内に押し込まれる
    ことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。