JP2020527457A

JP2020527457A - 中空繊維膜モジュール

Info

Publication number: JP2020527457A
Application number: JP2020502701A
Authority: JP
Inventors: チョイ，スン−ハク
Original assignee: Saudi Arabian Oil Co
Current assignee: Saudi Arabian Oil Co
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-09-10
Also published as: EP3655140A1; SA520411057B1; CN110944735A; KR20200030575A; US20190022592A1; CA3070160A1; WO2019018179A1

Abstract

中空繊維膜モジュールは、ハウジングと、ハウジングに収容されると共にハウジングの長さに沿って配置された繊維束とを含む。繊維束は、中空繊維膜と、中空繊維膜の間において中空繊維膜に直接接触して位置決めされた細長いスペーサとを含む。各細長いスペーサの長さに沿った外面は、開口部若しくは突起部、又は湾曲した、不連続な、若しくは非線形の部分を画定する。各中空繊維膜は、円筒形であって、その長さに沿って開口部を画定する。ハウジングは、ガス、蒸気、又はその両方を含む供給混合物のための入口；中空繊維膜の透過のための第１出口；及び、中空繊維膜の残余分のための第２出口を画定する。

Description

優先権の主張
本出願は、２０１７年７月１８日に出願された米国特許出願第１５／６５２，９６６号の優先権を主張し、その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。

技術分野
本願は、中空繊維膜（中空糸膜）モジュールに関しており、該中空繊維膜モジュールは、該モジュール内の気体及び蒸気の物質移動速度を高めるためのスペーサを含む。

供給混合物（ｆｅｅｄｍｉｘｔｕｒｅ）におけるガス及び／又は蒸気（つまり、ガス、蒸気、又はガス及び蒸気の組み合わせ）を分離するための膜プロセス（膜処理）は、該供給混合物内の成分と膜との間の化学的及び物理的な相互作用（又は親和性）を利用する。典型的な膜プロセスにおいては、供給混合物は、膜の供給側に接触し、ポリマーへのガス及び／又は蒸気の成分の異なる溶解度、並びに膜を介するガス及び／又は蒸気の成分の拡散係数の違いに、少なくとも一部分において、基づいて、選択的に浸透する。透過液、つまり膜を通過する供給混合物の成分は、膜の透過側から除去される。

産業用途では、大きな膜面積が、膜をモジュールに詰め込むことによって達成される。中空繊維膜モジュールというものは、産業用途において最も広く使用されている膜モジュールタイプのうちにある。中空繊維膜モジュールでは、供給物は、ファイバの内側（「内側から外側」と呼ばれる）又はファイバの外側（「外側から内側」と呼ばれる）に導入されることができる。図１は、ハウジング１０２を持つ「内側から外側」の中空繊維膜モジュール１００の一例の断面図である。中空ファイバ（中空糸）１０４を含む繊維束（ファイバ束）が、ハウジング１０２に含まれ、チューブシート１０６にしっかりと固定される。供給混合物が、ポート１０８を介して中空繊維膜モジュール１００に供給される。透過液は、ポート１１０を介して中空繊維膜モジュール１００を出て行き、残余分は、ポート１１２を介して中空繊維膜モジュール１００を出て行く。図２は、ハウジング２０２を持つ「外側から内側」の中空繊維膜モジュール２００の例の断面図である。中空ファイバ２０４を含む繊維束は、ハウジング２０２に含まれ、チューブシート２０６にしっかりと固定される。供給混合物が、ポート２０８を介して中空繊維膜モジュール２００に供給される。透過液は、ポート２１０を介して中空繊維膜モジュール２００を出て、保持液はポート２１２を介して中空繊維膜モジュール２００を出る。

モジュールのプロセス性能のための基準値は、ファイバが均一（同一の内側及び外側半径並びに同一の浸透）でありまた均一に隔置されることを仮定することによって特定されることができる。加えて、基準値性能の予測は、流体分布が均一であること、つまり、繊維束内の各ファイバの内側及び外側の流量が同一であることを仮定する。この「理想的な」デバイスの性能は、単一のファイバの性能を分析することによって特定されることができる。しかしながら、流束及び回収の見地からの実際のモジュールの性能は、理想的な性能よりはるかに低い。例えば、「外側から内側」構成の１つの不利益は、「チャネリング」が生じる可能性があることである。これは、供給物が、固定された経路に沿って流れる傾向を持つことを意味し、それによって有効膜表面積を減少させる。供給混合物が中空ファイバの内側に導入される場合、ファイバの外側における透過液の濃度蓄積（濃度分極）により、劣ったモジュール性能という結果になる可能性がある。

第１の一般形態では、中空繊維膜モジュールは、ハウジングと、ハウジング内に含まれると共にハウジングの長さに沿って配置された繊維束とを含む。繊維束は、中空繊維膜と、中空繊維膜に囲まれ中空繊維膜に直接に接触して位置決めされた細長いスペーサとを含む。各細長いスペーサの長さに沿った外面は、開口部若しくは突起部、又は湾曲し、不連続な、若しくは非線形の部分を規定する。各中空繊維膜は、円筒形であって、その長さに沿って開口部を規定する。ハウジングは、ガス、蒸気、又はその両方を含む供給混合物のための入口；中空繊維膜の透過のための第１出口；及び、中空繊維膜の残余分のための第２出口を規定する。

第１の一般形態の実施は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含んでいてもよい。

細長いスペーサの外径は、中空繊維膜の外径の２０％から２００％である。中空繊維膜及び細長いスペーサは、ハウジングの内部容積の４０％から６０％を占め、細長いスペーサは、中空繊維膜によって占められた総容積の５％から５０％を占める。

いくつかの細長いスペーサは、集中（塊になった、ｌｕｍｐｅｄ）ファイバ又はスレッド（ｔｈｒｅａｄｓ）の形状である。

いくつかの細長いスペーサは、スペーサの長さに沿って開口部を規定する。いくつかの細長いスペーサは、中実のコアを有する。

いくつかの細長いスペーサは、開口部を規定するメッシュで形成された編組（ｂｒａｉｄｅｄ）の外郭構造を含む。編組の外郭構造は、中空であってもよい。細長いスペーサは、編組の外郭構造内に位置決めされたコアを更に含んでもよい。コアは、中実又は中空（チューブ状）であってもよい。

いくつかの細長いスペーサは、連結された多数の幾何学的形状を含む。

いくつかの細長いスペーサは、中空の波状ファイバ又は中実の波状スレッドを含む。いくつかの細長いスペーサは、コアと、コアの第１端部からコアの第２端部までコアの周りに巻かれた巻線とを含む。コアは、中実コア又は中空（チューブ状）コアであってもよい。巻線は、金属、セラミック、ガラス、ポリマー、又はそれらの組み合わせで形成されてもよい。細長いスペーサは、金属、セラミック、ガラス、ポリマー、又はそれらの組み合わせで形成されてもよい。

本明細書に説明された実施の利点は、中空繊維膜モジュールにおいて透過物及び供給物の混合物の物質移動速度を高めるスペーサの使用を含み、混合物は、ガス、蒸気、又はその両方を含む。スペーサは、チャネリング及び濃度分極を防止し又は抑制し、それにより分離性能を改善する。さらに、スペーサは、中空繊維膜モジュール全体の深刻な圧力低下を回避しながら、供給混合物の均一な流れを促進する。

図１は、「内側から外側」の中空繊維膜モジュールの断面図である。

図２は、「外側から内側」の中空繊維膜モジュールの断面図である。

図３は、スペーサを持つ中空繊維膜モジュールの断面図である。

図４Ａは、集中スペーサを示す。図４Ｂは、図４Ａの集中スペーサの断面図であって、コア有りである。図４Ｃは、図４Ａの集中スペーサの断面図であって、コア無しである。

図５Ａは、コアを持つ網組スペーサを示す。図５Ｂは、図５Ａの網組スペーサの断面図である。図５Ｃは、コア無しの網組スペーサを示す。

図６Ａは、ビーズ状（珠々状の、ｂｅａｄｅｄ）スペーサを示す。図６Ｂは、図６Ａのビーズ状スペーサの断面図である。図６Ｃは、図６Ａのビーズ状スペーサの断面図である。

図７Ａは、波状のファイバ又はスレッドの形状におけるスペーサを示す。図７Ｂは、波状中空糸スペーサの断面図を示す。図７Ｃは、波状のスレッドスペーサの断面図を示す。

図８Ａは、真っ直ぐなコアを持つコイル状のファイバ又はスレッドの形状におけるスペーサを示す。図８Ｂは、コイル状のスレッド及びコイル状の中空ファイバを持ち図８Ａのスペーサの断面図である。図８Ｃは、コイル状のスレッド及びコイル状の中空ファイバを持ち図８Ａのスペーサの断面図である。

図９Ａは、中空繊維膜及び波状中空ファイバスペーサを示す。図９Ｂは、モジュールハウジングに挿入するための図９Ａの中空繊維膜及びスペーサで形成された繊維束を示す。図９Ｃは、図９Ｂの繊維束を持つ中空繊維膜モジュールを示す。図９Ｄは、図９Ｃの中空繊維膜モジュールの端面図を示す。

中空繊維膜モジュールの性能は、モジュール内のチャネリング及び濃度分極を低減することによって改善される可能性がある。「内側から外側へ」のモジュール設計では、より多くの空間を中空膜ファイバ間に提供することによって濃度分極を低減でき、これにより浸透拡散（ｐｅｒｍｅａｔｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を増やす。速い浸透拡散の場合、中空繊維膜モジュールを全体を通して濃度勾配（分離の駆動力）が維持されることができる。「外側から内側へ」のモジュール設計の場合、供給物チャネリング及びデッドゾーンが、モジュール内において混合を増やすことによって削減されることができ、それによって浸透流束を増やす。

本明細書に記載されるように、気体及び／又は蒸気の混合物のための中空繊維膜モジュールは、有利なことには、中空繊維膜モジュールにおける濃度分極及びチャネリングを低減することによって、供給物及び透過物の混合を促進するために設計されたスペーサを含む。スペーサは、透過及び分離の性能を増加させる。図３は、ハウジング３０２及びポート３０６、３０８を持つ中空繊維膜モジュール３００を示す。中空繊維膜モジュール３００は、「内側から外側へ」又は「外側から内側へ」のモジュールとして構成されていてもよい。中空繊維膜３１０は、ハウジング３０２に収容されている。中空繊維膜３１０は、細長くチューブ状であり、実質的に真っ直ぐで平行な側面と、円形の断面とを有する。つまり、各中空繊維膜３１０は、円筒形であり、その長さに沿って開口部を画定する。中空繊維膜３１０の内径（ＩＤ）及び外径（ＯＤ）は、中空繊維膜の長さに沿って実質的に一定である。ガス分離のための中空繊維膜３１０のＯＤは、典型的には１００マイクロメートルから１５００マイクロメートルの範囲にあり、またＩＤへのＯＤの比は、典型的には、１．２から３．５の範囲にある。ガス及び／又は蒸気の分離のための中空繊維膜３１０の長さは、典型的には３０センチメートルから２メートルの範囲にある。中空繊維膜３１０は、様々な材料で作られていてもよく、該材料は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、及びポリジメチルシロキサンを含む。

多数の細長いスペーサ３１２が、ハウジング３０２に収容され、またハウジング３０２の長さに沿って配置され、中空繊維膜３１０の間において中空繊維膜３１０に接触して位置決めされる。スペーサ３１２の外径は、典型的には、中空の外径の２０％から２００％である。一定の外径を有するスペーサ３１２の場合、外径は、中空繊維膜３１０の外径の少なくとも２０％である。中空繊維膜３１０及びスペーサ３１２は、典型的には、ハウジング３０２の内部容積の約４０％から約６０％（例えば、約５０％）を占め、またスペーサ３１２は、典型的には、中空繊維膜によって占められる総容積の５％から５０％を占める。スペーサ３１２は、中空であってよく又は充填されていてもよい。充填されたスペーサは、スペーサの外側部分（外郭構造、殻）と同じ材料、又は異なる材料から成るコアを含んでもよい。いくつかの実施では、各スペーサ３１２の外面は、湾曲しており、又は凸領域、凹領域、若しくはその両方を含む。スペーサの長さに沿った各スペーサ３１２の外面は、開口部若しくは突出部、又は湾曲した、不連続の、若しくは非線形の部分を画定する。スペーサ３１２のための適切な構成の例は、集中スペーサ、編組スペーサ、ビーズ状スペーサ、波状スペーサ、及び巻きスペーサを含む。いくつかの実施では、中空繊維膜モジュール３００は、編組スペーサのみ、及びビーズ状スペーサのみといった、同じ構成を有する多数のスペーサを含む。いくつかの実施では、中空繊維膜モジュール３００は、編組スペーサ及びビーズ状スペーサといった、２つ又はより多くの異なる構成を有する多数のスペーサを含む。

適切なスペーサの例は、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、及び図８Ａに描かれており、またこれらのスペーサの断面図が、それぞれ、図４Ｂから図４Ｃ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂから図７Ｃ、及び図８Ｂから図８Ｃに示される。本明細書で使用されるように、「ファイバスペーサ」は、一般には、スペーサの長さに沿った開口部を画定するスペーサを指し、これ故に「中空」である。「スレッドスペーサ」は、一般には、スペーサの長さに沿った何らの開口を持たないスペーサを指し、これ故に「中実」である。スペーサに適した材料は、ポリプロピレン及びポリエチレンといったポリマー、ガラス、金属、セラミック、又はそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施では、スペーサは、該スペーサによって分離された中空繊維膜と同じ材料で製造される。

図４Ａは、集中ファイバ又は集中スレッドから成るスペーサ４００を示す。スペーサ４００は、くぼみ又はくびれ４０４を持つ外郭構造４０２を有しており、この結果、スペーサの長さに沿ったスペーサ外面が、湾曲され又は非線形であるようになる。いくつかの実施では、スペーサ４００は、くぼみ又はくびれ４０４によって分離された多数の開口部を有する。図４Ｂ及び図４Ｃは、スペーサ４００の異なる実施の断面図である。図４Ｂは、第１外面４１２及び第２外面４１４を持つスペーサ４１０の断面図であり、断面図は、スペーサの長さに沿った外径の変化を示す。図４Ｃは、外郭構造４２２を持つスペーサ４２０の断面図である。外郭構造は、スペーサ４２０の長さに沿って開口部４２４を画定する。

図５Ａは、編組の外殻構造５０２及びコア５０４を有する編組スペーサ５００を示す。コア５０４は、編組の外殻構造５０２と同じ材料又は異なる材料で形成されてもよい。編組の外殻構造５０２は、開口部５０６を画定するメッシュから形成される。場合によっては、編組スペーサ５００は中空である。つまり、編組スペーサ５００は、スペーサの長さに沿って開口部を画定してもよい。いくつかの実施では、編組スペーサ５００は、外郭構造５０２のみを含む。つまり、コア５０４は存在しなくてもよい。いくつかの実施では、編組スペーサは、外殻構造５０２及びコア５０４を含む。コア５０４は、中実又は中空であってもよい。図５Ｂ及び図５Ｃは、スペーサ５００の異なる実施の図面である。図５Ｂは、編組の外殻構造５１２及び中実コア５１４を描くスペーサ５１０の断面図である。図５Ｃは、コア無しで外殻構造５２２を持つスペーサ５２０の端部の斜視図である。外殻構造５２２は、スペーサ５２０の長さに沿って開口部５２４を画定する。

図６Ａは、ビーズ状スペーサ６００を示す。スペーサ６００は、互いに結合された多数の幾何学的形状６０２から形成されており、その結果、スペーサの長さに沿ったスペーサ外面が不連続である。いくつかの実施において、幾何学的形状６０２は、細長い形状を形成するために一緒に成形される。いくつかの実施では、幾何学的形状６０２は、中実コアに沿って一緒に結合される。一例では、幾何学的形状６０２は、ワイヤ又はフィラメントに結ばれている（ｓｔｒｕｎｇｏｎ）。スペーサ６００は、単一の中実幾何学的形状、又は２つ若しくはそれより多い幾何学的形状を含むことができる。幾何学的形状の適切な例は、図６Ａに描かれるように、球体、立方体、三角形の立体、及びダブルピラミッドを含む。図６Ｂ及び図６Ｃは、スペーサ６００の異なる実施の図面である。図６Ｂは、中実コア６１８上に一緒に結合された立方体６１２、球体６１４、及び三角形の固体６１６を持つスペーサ６１０の断面図である。中実コア６１８は、幾何学的固体と同じ材料又は異なる材料から形成されていてもよい。図６Ｃは、中実コア６１８上にランダムに詰められ一緒に結合された五角形の固体６２２、立方体６１２、及び三角形の固体６１６を持つスペーサ６２０の断面図である。中実コア６１８は、幾何学的固体と同じ材料又は異なる材料から形成されてもよい。

図７Ａは、波形のファイバ又はスレッドのスペーサ７００を示す。スペーサの長さに沿ったスペーサ７００の外面は、湾曲し、又は非線形である。図７Ｂ及び図７Ｃは、スペーサ７００の異なる実施の断面図である。図７Ｂは、開口部７１６を画定する外殻構造７１４を含む中空ファイバ７１２を持つ波状繊維スペーサ７１０の断面図である。図７Ｃは、中実スレッド７２２を持つ波状スレッドスペーサ７２０の断面図である。

図８Ａは、コア８０４の周りに巻線８０２を有する巻線スペーサ８００を描いており、この結果、巻線８０２は、スペーサの長さに沿ってスペーサ８００の外側表面から突出部を形作る。コア８０４は、典型的には、ファイバ又はスレッドである。巻線８０２は、コア８０４と同じ材料又は異なる材料で形成されてもよい。いくつかの実施では、巻線８０２は金属で形成され、またコア８０４はポリマーで形成される。図８Ｂ及び図８Ｃは、スペーサ８００の異なる実施の断面図である。図８Ｂは、スレッド８１４の周りに巻線８１２を持つスペーサ８１０の断面図である。図示されるように、スレッド８１４は、内側コア８１６及び外側コア８１８を有する。内側コア８１６及び外側コア８１８は、同じ材料又は異なる材料で形成されてもよい。いくつかの実施では、中実コア８１４は、スペーサ５１０のコア５１４といった、図５に示された単一の中実材料である。図８Ｃは、中空ファイバ８２４の周りに巻線８２２を持つスペーサ８２０の断面図である。ファイバ８２４は、スペーサ８２０の長さに沿って開口部８２８を画定するが外殻構造８２６を含む。

中空繊維膜モジュールは、中空繊維膜を整列させ、中空繊維膜の繊維束を形成し、及び該繊維束を中空繊維膜モジュールハウジングに挿入することによって製造され得る。図９Ａは、繊維束の形成に先だって整列された細長いスペーサ９０２及び中空繊維膜９００を示す。スペーサ９０２は、スペーサ７００といった波状のファイバ又はスレッドである。中空繊維膜９００及びスペーサ９０２は、一緒に束ねられて繊維束を形成する。図９Ｂは、中空繊維膜モジュールハウジングへの繊維束の挿入に先立つ繊維束９１０を示す。図９Ｃは、ハウジング９２２において密封された繊維束９１０を持つ中空繊維膜モジュール９２０の側面図を示す。図９Ｄは、代表的な中空繊維膜９００及びスペーサ９０２を持つ中空繊維膜モジュール９２０の端面図を示す。

３００…中空繊維膜モジュール、３０２…ハウジング、３０６、３０８…ポート、３１０…中空繊維膜、３１２…スペーサ、４００…スペーサ、４０４…くぼみ又はくびれ、４１２…第１外面、４１４…第２外面、４２０…スペーサ、５００…編組スペーサ、５０２…外殻構造、５０４…コア、５０６…開口部、５１２…外殻構造、５１４…中実コア、５２２…外殻構造、５２０…スペーサ、６００…ビーズ状スペーサ、６０２…幾何学的形状、６１０…スペーサ、６１２…立方体、６１４…球体、６１６…固体、６１８…中実コア、６２０…スペーサ、７００…スペーサ、７１０…スペーサ、７１２…中空ファイバ、７１６…開口部、７１４…外殻構造、７２２…中実スレッド、７２０…スレッドスペーサ、８００…巻線スペーサ、８０２…巻線、８０４…コア、８１０…スペーサ、８１２…巻線、８１４…スレッド、８１６…内側コア、８１８…外側コア、８２０…スペーサ、８２２…巻線、８２４…中空ファイバ、８２６…外殻構造、８２８…開口部、９００…中空繊維膜、９０２…細長いスペーサ、９１０…繊維束、９２２…ハウジング、９２０…中空繊維膜モジュール。

Claims

中空繊維膜モジュールであって：
ハウジングと；
前記ハウジングの長さに沿って配置されると共に前記ハウジングに収容された繊維束と；
を備え、
前記繊維束は、
中空繊維膜であって、各中空繊維膜は円筒形である共に該中空繊維膜の長さに沿った開口を規定する中空繊維膜；及び
前記中空繊維膜の間において前記中空繊維膜に直接に接触して位置決めされた細長いスペーサ、
を含み、
前記ハウジングは、
ガス、蒸気、又はその両方を含む供給混合物のための入口；
前記中空繊維膜の透過物のための第１出口；及び
前記中空繊維膜の保持物のための第２出口；
を含み、
各細長いスペーサの長さに沿った外面は、開口部若しくは突出部、又は湾曲した、不連続な、若しくは非線形の部分を規定する、
中空繊維膜モジュール。
前記細長いスペーサの外径は、前記中空繊維膜の前記外径の２０％から２００％である、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
前記中空繊維膜及び前記細長いスペーサは、前記ハウジングの内部容積の４０％から６０％を占め、前記細長いスペーサは、前記中空繊維膜によって占められる全容積の５％から５０％を占める、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
前記細長いスペーサは、集中ファイバの形状にある、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
前記細長いスペーサは、集中スレッドの形状にある、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
各細長いスペーサは、該スペーサの長さに沿って開口部を画定する、
請求項５に記載の中空繊維膜モジュール。
各細長いスペーサが中実コアを有する、
請求項５に記載の中空繊維膜モジュール。
各細長いスペーサは、開口部を画定するメッシュを含む編組の外殻構造を含む、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
前記編組の外殻構造は中空である、
請求項８に記載の中空繊維膜モジュール。
各細長いスペーサは、前記編組の外殻構造内に位置決めされたコアを更に含む、
請求項８に記載の中空繊維膜モジュール。
前記コアは中実コアである、
請求項１０に記載の中空繊維膜モジュール。
前記コアはチューブ状である、
請求項１０に記載の中空繊維膜モジュール。
各細長いスペーサは、互いに結合された複数の幾何学的形状を含む、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
各細長いスペーサは、巻きファイバ又は波形ファイバを含む、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
各細長いスペーサは、巻きチューブ又は波形チューブを含む、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
各細長いスペーサは、コアと、前記コアの第１端部から前記コアの第２端部まで前記コアの周りに巻かれた巻線とを含む、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
前記コアは中実コアである、
請求項１に記載の中空糸繊維モジュール。
前記コアはチューブ状である、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
前記巻線が、金属、セラミック、ガラス、ポリマー、又はこれらの組み合わせで形成される、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。
前記細長いスペーサは、金属、セラミック、ガラス、ポリマー、又はそれらの組み合わせで形成される、
請求項１に記載の中空繊維膜モジュール。