JP7348692B2 - 直交流膜モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
(項目1)
微量成分および主要成分を備えている給送物流体を透過物流体と残留物流体とに分離するように構成された直交流膜モジュールであって、前記残留物流体は、前記給送物流体より低い濃度の前記微量成分を有し、前記透過物流体は、前記給送物流体より高い濃度の前記微量成分を有し、前記モジュールは、
第1の端部および第2の端部を有する筐体であって、前記第2の端部は、第1の方向に沿って前記第1の端部から間隔を置かれている、筐体と、
前記筐体の前記第1の端部と第2の端部との間に延びている1つ以上の膜シートと
を備え、
各膜シートは、第1の端部および第2の端部を備え、前記第2の端部は、前記第1の方向に沿って前記第1の端部から間隔を置かれ、各膜シートは、前記第1の端部と第2の端部との間に延びている第1および第2の側を備え、前記第1の側は、第2の方向に沿って前記第2の側から間隔を置かれ、前記第2の方向は、前記第1の方向に対して横方向であり、各膜シートは、第1の主要表面および第2の主要表面を備え、前記第2の主要表面は、前記第1の主要表面と反対側にあり、各膜シートは、前記給送物流体を前記残留物流体と前記透過物流体とに分離するように構成され、
前記膜モジュールは、前記給送物流体および前記残留物流体が前記第1の方向に各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動せず、前記透過物流体が各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動しないように構成され、
前記膜モジュールは、
前記筐体の前記第1の端部における入口であって、前記入口は、各膜シートの前記第1の主要表面の前記第1の端部と流体連通し、前記給送物流体が各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動するように、前記給送物流体を送達するように構成されている、入口と、
前記筐体の前記第2の端部における出口であって、前記出口は、各膜シートの前記第1の主要表面の前記第2の端部と流体連通し、前記給送物流体から分離された前記残留物流体を受け取り、出力するように構成されている、出口と、
前記膜シートの前記第2の主要表面の前記第1の側に隣接している導管であって、前記導管は、前記給送物流体から分離された前記透過物流体を受け取り、出力するように構成されている、導管と
をさらに備え、
前記1つ以上の膜シートのうちの少なくとも1つは、第1の部分および第2の部分を備え、それによって、前記第1の部分を横断した前記給送物流体の分離が、前記透過物流体の第1の部分を発生させ、前記第2の部分を横断した分離が、前記透過物流体の第2の部分を発生させ、
前記膜シートの前記第2の部分は、前記透過物流体の前記第2の部分が前記透過物流体の前記第1の部分より前記主要成分の高い濃度を有するように、前記第1の部分より高い前記主要成分のための透過率を有し、
前記第2の部分は、前記第2の方向に沿って前記膜シートの前記第1の側から間隔を置かれ、それによって、前記透過ガスの前記第2の部分に前記膜シートの前記第1の側に向かって流動させ、それによって、前記透過ガスの前記第2の部分が、前記透過ガスの前記第1の部分と混合し、それによって、前記透過物流体の前記第1の部分中の前記微量成分の濃度を低減させる、膜モジュール。
(項目2)
前記導管は、前記第1の方向に前記第1の側の長さの少なくとも50%、好ましくは、少なくとも70%、より好ましくは、少なくとも80%に沿って延びている、項目1に記載の膜モジュール。
(項目3)
前記導管は、各膜シートの前記第1の側と整列させられている、項目1に記載の膜モジュール。
(項目4)
前記モジュールは、第2の導管をさらに備え、前記第2の導管は、前記第2の側と流体連通し、前記第2の導管は、前記給送物流体から分離された前記透過物流体を受け取り、出力するように構成され、前記第2の部分は、前記第1の方向に沿って前記第1の側および前記第2の側の両方から間隔を置かれている、項目1に記載の膜モジュール。
(項目5)
前記第2の部分は、前記第1の端部と前記第2の端部との間で前記第1の方向に沿って延び、好ましくは、前記第2の部分は、細片として形成され、より好ましくは、前記第2の部分は、前記第1の側と前記第2の側との間でそれらから等距離にある、項目1に記載の膜モジュール。
(項目6)
前記直交流膜モジュールは、渦巻状に巻きつけられ、
前記導管は、前記第1の方向に沿って延びている中心管であり、
前記1つ以上の膜シートは、前記第1の方向と垂直な渦巻を画定するように前記中心管の周りに巻きつけられ、それによって、前記1つ以上の膜シートの前記第1の側が、前記第2の側より前記中心管に近く、
前記中心管は、円筒形表面と第1および第2の終端端部とを備え、前記第1および第2の終端端部は、管腔をそれらの間に画定し、
前記中心管は、1つ以上の開口部を前記円筒形表面内に備え、前記1つ以上の開口部は、前記給送物流体から分離された前記透過物流体を受け取るように構成され、前記1つ以上の開口部は、前記膜シートの前記第1の側と流体連通し、
前記中心管は、前記1つ以上の開口部によって受け取られる前記透過物流体を出力するように構成された出口をさらに備え、前記出口は、前記中心管の前記第1または第2の終端端部にある、項目1に記載の直交流膜モジュール。
(項目7)
前記1つ以上の開口部は、前記第1の方向に沿って互いに間隔を置かれ、好ましくは、前記1つ以上の開口部の軸方向範囲は、前記第1の方向に前記第2の部分の軸方向範囲と重複し、より好ましくは、前記1つ以上の開口部は、前記第1の側と整列させられている、項目6に記載の膜モジュール。
(項目8)
前記1つ以上の膜シートの前記第2の部分は、前記1つ以上の膜シートの外縁に沿って延びている、項目1に記載の膜モジュール。
(項目9)
前記第2の部分は、前記第2の側の少なくとも一部に沿って延び、好ましくは、前記第2の部分は、前記第2の側によって形成される縁全体に沿って延びている、項目8に記載の膜モジュール。
(項目10)
前記モジュールは、
前記1つ以上の膜シートに間隔を保たせるように構成された1つ以上の給送スペーサであって、各給送スペーサは、前記出口までの前記給送物流体および残留物流体の流動のための流体路を画定するためである、1つ以上の給送スペーサと、
前記1つ以上の膜シートに間隔を保たせるように構成された1つ以上の透過スペーサであって、各透過スペーサは、前記導管までの前記透過物流体の流動のための流体路を画定するためである、1つ以上の透過スペーサと
をさらに備えている、項目1に記載の膜モジュール。
(項目11)
前記1つ以上の膜シートのうちの第1の膜シートは、給送スペーサが前記第1の膜シートの前記第1の主要表面に隣接し、透過スペーサが、前記第1の膜シートの前記第2の主要表面に隣接するように配置されている、項目10に記載の膜モジュール。
(項目12)
前記膜シート、前記1つ以上の給送スペーサ、および前記1つ以上の透過スペーサは、積み重ねられた構成で配置され、隣接する膜シート間の各空間は、給送スペーサまたは透過スペーサのいずれかによって画定され、前記膜シートは、各膜シートの前記第1の主要表面が給送スペーサと接触し、各膜シートの前記第2の主要表面が透過スペーサと接触するように、交互する向きである、項目10に記載の膜モジュール。
(項目13)
給送スペーサによって間隔を置かれた隣接する膜シートは、それらの第1の主要表面の前記第1および第2の側に沿ってシールされることによって、前記第1の主要表面に沿った前記給送物流体および残留物流体の流動のための流体路を流動的にシールし、透過スペーサによって間隔を置かれた隣接する膜シートは、それらの第2の主要表面のそれらの第1および第2の端部に沿ってシールされることによって、前記第2の主要表面に沿った前記透過物流体のための流体路を流動的にシールし、好ましくは、前記透過スペーサによって間隔を置かれた前記隣接する膜シートも、それらの第2の主要表面の前記第2の側に沿ってシールされている、項目10に記載の膜モジュール。
(項目14)
各給送スペーサは、前記第1の方向に沿って流体の流動を方向付けるように構成され、各透過スペーサは、前記第2の方向に沿って流体の流動を方向付けるように構成されている、項目10に記載の膜モジュール。
(項目15)
前記第2の部分の面積は、前記膜シートの総面積の20%未満、好ましくは、15%未満、より好ましくは、10%未満、最も好ましくは、6%未満である、項目1に記載の膜モジュール。
(項目16)
前記主要成分のための前記第2の部分の透過率は、前記主要成分のための前記第1の部分の透過率の2倍、好ましくは、少なくとも10倍を上回る、項目1に記載の膜モジュール。
(項目17)
前記第2の部分は、前記第2の主要表面の一部を形成する、項目1に記載の膜モジュール。
(項目18)
前記第2の部分は、前記第1の主要表面の一部を形成する、項目1に記載の膜モジュール。
(項目19)
項目1に記載の膜モジュールの膜シートを製造する方法であって、前記方法は、
前駆体シートのロールを提供することと、
前記前駆体シートの前記ロールの第1のエリアを第1のコーティング溶液でコーティングし、前記前駆体シートの前記ロールの第2のエリアを第2のコーティング溶液でコーティングし、前記膜シートの前記ロールを形成することと、
前記膜シートの1つ以上のロールを別個の膜シートに分離することと
を含み、
各膜シートの前記第1の部分は、前記膜シートの前記ロールの前記第1のエリアによって形成され、各膜シートの前記第2の部分は、前記膜シートの前記ロールの前記第2のエリアによって形成され、各膜シートの前記第2の部分は、前記第1の部分より高い前記主要成分のための透過率を有する、方法。
(項目20)
前記第1のエリアおよび前記第2のエリアは、互いに隣接し、好ましくは、前記第2のエリアは、2つの第1のエリア間に位置付けられ、それによって、各膜シートにおいて、前記第2の部分は、細片として形成され、前記第1の部分は、前記第2の部分の両側に提供される、項目19に記載の方法。
(項目21)
前記方法は、各膜シートが一対の膜シートを形成するように、各膜シートを給送スペーサの周りで折り畳むことをさらに含む、項目19に記載の方法。
(項目22)
それらの第1の主要表面の第1の側に沿って2つの膜シートを一緒にシールし、給送スペーサをそれらの間に位置付けることをさらに含む、項目19に記載の方法。
(項目23)
前記第1のエリアをコーティングするステップおよび前記第2のエリアをコーティングするステップは、同時に実施される、項目19に記載の方法。
(項目24)
前記コーティングするステップは、前記膜シートの前記ロールをコーティングコンテナ内の第1および第2の溶液と接触させることによって実施され、前記コーティングコンテナは、セパレータによって互いに流動的に分離された第1および第2の区分を有し、前記第1の区分は、前記第1のコーティング溶液を含み、前記第2の区分は、前記第2のコーティング溶液を含む、項目19に記載の方法。
(項目25)
前記コーティングコンテナの前記第2の区分は、前記コーティングコンテナの2つの第1の区分間に位置付けられている、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記セパレータの位置を移動させ、前記第2の部分の位置およびサイズを調節することをさらに含む、項目24に記載の方法。
(項目27)
直交流膜モジュールを使用して、主要成分および微量成分を備えている給送物流から微量成分を分離する方法であって、残留物流体が、前記給送物流体より低い濃度の前記微量成分を有し、透過物流体が、前記給送物流体より高い濃度の前記微量成分を有し、好ましくは、前記微量成分は、二酸化炭素であり、前記主要成分は、メタンまたは窒素であり、
前記モジュールは、
第1の端部および第2の端部を有する筐体であって、前記第2の端部は、第1の方向に沿って前記第1の端部から間隔を置かれている、筐体と、
前記筐体の前記第1の端部と第2の端部との間に延びている1つ以上の膜シートであって、各膜シートは、第1の端部および第2の端部を備え、前記第2の端部は、前記第1の方向に沿って前記第1の端部から間隔を置かれ、各膜シートは、前記第1の端部と第2の端部との間に延びている第1および第2の側を備え、前記第1の側は、第2の方向に沿って前記第2の側から間隔を置かれ、前記第2の方向は、前記第1の方向に対して横方向であり、各膜シートは、第1の主要表面および第2の主要表面を備え、前記第2の主要表面は、前記第1の主要表面と反対側にある1つ以上の膜シートと、
前記筐体の前記第1の端部における入口であって、前記入口は、各膜シートの前記第1の主要表面の前記第1の端部と流体連通している、入口と、
前記筐体の前記第2の端部における出口であって、前記出口は、各膜シートの前記第1の主要表面の前記第2の端部と流体連通している、出口と、
前記膜シートの前記第2の主要表面の前記第1の側に隣接した導管と
を備え、
前記1つ以上の膜シートのうちの少なくとも1つは、第1の部分および第2の部分を備え、
前記方法は、
前記第1の方向に各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動するように、前記主要成分および前記微量成分を備えている給送物流体を前記入口を介して各膜シートの前記第1の主要表面に送達することと、
前記残留物流体が前記第1の主要表面に沿って前記第1の方向に前記出口まで流動し、前記透過物流体が前記第2の主要表面に沿って前記第2の方向に前記導管まで流動するように、各膜シートを横断する前記給送物流体を前記透過物流体と前記残留物流体とに分離することと
を含み、
前記膜モジュールは、前記給送物流体および前記残留物流体が前記第1の方向に各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動せず、前記透過物流体が各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動しないように構成され、
前記分離するステップは、前記膜シートの前記第1の部分を横断して前記給送物流体を分離することによって、前記透過物流体の第1の部分を発生させ、前記膜シートの前記第2の部分を横断して前記給送物流体を分離することによって、前記透過物流体の第2の部分を発生させることを含み、前記膜シートの前記第2の部分は、前記透過物流体の前記第2の部分が前記透過物流体の前記第1の部分より前記主要成分の高い濃度を有するように、前記第1の部分より高い前記主要成分のための透過率を有し、
前記第2の部分は、前記第2の方向に沿って前記膜シートの前記第1の側から間隔を置かれ、それによって、前記透過ガスの前記第2の部分に前記膜シートの前記第1の側に向かって流動させ、それによって、前記透過ガスの前記第2の部分は、前記透過ガスの前記第1の部分と混合し、それによって、前記透過物流体の前記第1の部分中の前記微量成分の濃度を低減させ、
前記方法は、前記残留物流体を前記モジュールから前記出口を介して出力することと、前記透過物流体を前記モジュールから前記導管を介して出力することとをさらに含む、方法。
本発明は、平坦なシート膜を備えている、モジュールの使用に焦点を当てる。平坦なシート膜は、渦巻状に巻きつけられたモジュールまたはプレートおよびフレームモジュールの中に形成され得る。モジュールを作製するために使用される膜は、通常、典型的に、40~60インチ幅および数百メートル長の持続ロールとして作製される。分離を実施するために使用される選択的層は、通常、薄く、かつ繊細であり、したがって、ほぼ全ての膜は、コーティングまたは鋳造/析出プロセスによって作製され、プロセスにおいて、膜は、機械的強度を提供する丈夫な不織支持紙のロール上に形成される。ある範囲のコーティングおよび鋳造手順が、例えば、“Membrane Technology and Applications”,Richard Baker,John Wileyed.,(2012)に説明されるように、これらの膜を調製するために使用される。本発明は、任意の特定のタイプの膜に限定されず、当業者は、公知の膜生成技法を修正し、本発明のために必要とされる膜シートを作製することが可能であろう。
図8および9の説明では、第2の部分(すなわち、高透過エリア)が膜のロールの一方の縁に沿って細片として形成される膜ロールを作製する方法が、説明された。そのような膜ロールは、図10が示すように、いくつかの方法において一緒に組み立てられ得る膜シートに切断され、製作され得る。
第1の実施形態による膜シート1300のための構成が、給送および残留物流体のための流動経路と、透過物のための流動経路と一緒に、図13(a)および(b)に示される。第2の実施形態による膜シート1400のための構成が、給送および残留物流体のための流動経路と、透過物のための流動経路と一緒に、図14(a)および(b)に示される。図13に示される構成を有する膜シートは、直交流の渦巻状に巻きつけられたモジュールまたはプレートおよびフレームモジュールの中に組み込まれることができる。図14に示される構成を有する膜シートは、プレートおよびフレームモジュールの中に組み込まれることができる。各膜シート1300、1400に関して、膜シート1300、1400の第2の端部1302、1402は、第1の方向1350、1450に沿って、第1の端部1301、1401から間隔を置かれる。膜シート1300、1400の第2の側1304、1404は、第1の方向1350、1450に対して横方向である第2の方向に沿って第1の側1303、1403から間隔を置かれる。透過物流体の第2の部分のための流動経路は、参照番号1307、1407で標識された矢印によって示される。給送および残留物流のための流動経路は、参照番号1380、1480で標識された矢印によって示される。図13および14に示される例示的構成では、膜シート1300、1400の第1の主要表面に沿って流動する給送物流体は、図中の下から上である第1の方向1350、1450に沿って、略直線経路を辿る。図13および14における構成内の透過物流は、給送物流体および残留物流体の流動に対して横方向(より具体的に、垂直)(すなわち、図中の右から左および/または左から右)の方向である。透過物流体は、給送物流体および残留物流体と反対の主要表面に沿って流動する。図13および14では、給送および残留物流体は、上側主要表面に沿って流動し、透過物は、下側残留物表面に沿って流動する。
いくつかの実施例が、種々のプロセスに対する本発明の用途を例証するために、下記に与えられる。これらの計算は、微分要素コンピュータプログラムを使用することによって行われる。
図18(b)は、図18(a)に示されるように構成された1m2の膜シート1800を用いて取得される計算された性能を示し、膜シート1800は、上で説明された図13に示されるそれと同じである。膜シート1800は、第1の方向1850に沿って間隔を置かれた第1および第2の端部1801、1802と、第1の方向1850に対して横方向である第2の方向に沿って間隔を置かれた第1および第2の側1803、1804とを有する。第2の部分1806は、選択的膜から形成されるが、第1の部分1805より高い主要成分のための透過率を有する。第2の部分1806は、第2の側1804によって形成される外縁に沿って延びている。第2の部分1806は、第1の方向1850に延びているその長さを有する細片である。膜シート1800の残りは、第2の部分1806より低い主要成分のための透過率を有する選択的膜から形成される第1の部分1805である。給送物流体の流動は、第1の方向1850に沿って、第1の端部1801から第2の端部1802へである。透過物流体の流動は、第2の方向に沿っている(すなわち、横方向、具体的に、給送物流体の流動と垂直である)。給送物流体および残留物流体は、第1の主要表面に沿って流動する。透過物流体は、第1の主要表面と反対側にある第2の主要表面に沿って流動する。
上記の例1における内部透過掃引効果は、約8のCO2/N2透過率を有するPDMS膜から形成される第2の部分によってもたらされた。我々の発明は、第2の部分に関する膜タイプに限定されない。膜シートの第2の部分の要求される重要な特性は、ガスの高流束を比較的に小掃引膜面積(掃引膜面積は、第2の部分の面積)から生成するように、膜シートの第1の部分(主要部分)より低い選択率と、給送ガス混合物のためのより高い透過率とを有することである。第2の部分が、実施されている分離のために選択的でもある場合、それは、有益であるが、要求されない。
変化し得る別の性能変数は、膜シート1800を横断する圧力比である。例1および2では、圧力比は、5.5(1.1バール/0.2バール)に設定され、使用される膜は、30の選択率を伴うMTRのPolaris膜である。これらの計算の条件下、Polaris膜は、モジュール全体を通して圧力比限定制御領域内にある。掃引効果を伴わない場合、モジュールの給送端における最大透過物濃度は、式5によって、66%CO2(12%CO2×1.1バール/0.2バール)として、透過端では、33%CO2(6%CO2×1.1バール/0.2バール)として与えられる。透過圧力が、0.1バールまで低減させられると、モジュールの第1の端部1801は、圧力比領域の外側にあり、モジュールは、CO2給送ガスがモジュールを通して流動すると、圧力比領域の外側から内側に遷移し、CO2は、除去され、ガス中のCO2の濃度は、落ちる。モジュールの第2の端部で、ガスは、圧力比制御領域(6%CO2×1.1バール/0.1バール)内にある。
上で説明される例1-3では、本発明は、CO2/N2に関して選択的膜を使用して例証されているが、我々の発明は、様々なガス分離および透過気化法問題に適用されることができる。表4は、例えば、ヘリウムを天然ガスから分離するための膜プロセスのために実施されるいくつかの計算を示す。いくつかの天然ガス流は、小量のヘリウムを含む。ガスを分離することは、ヘリウムが、供給不足であり、非常に貴重であるので、価値がある。極低温凝縮および分留が、通常、使用される。これらのプロセスのコストは、ヘリウム濃度が、増加させられ得、したがって、膜分離ユニットが、ヘリウム前置凝縮器として使用される場合、大きく低減させられることができる。
本発明が有用な結果を提供する別の例は、天然ガス処理工場におけるメタンからの軽炭化水素の分離、または石油化学工場における窒素からの軽炭化水素の分離である。表5は、典型的用途、この場合、ポリオレフィン工場における窒素からのブタンの分離を図示する。給送ガスは、20バールにおける窒素中5%ブタンである。透過ガスは、3バールにある。この実験の条件下では、膜モジュール全体が、圧力比限定領域内にある。この分離のために通常使用されるゴム膜は、典型的に、約15のブタン/窒素のための選択率を有する。使用される膜シートの第2の部分(掃引エリア)は、8のブタン/窒素のための選択率と、125gpuの窒素透過率とを有し、したがって、窒素に対する第2の部分の透過率は、第1の部分の透過率の2倍をわずかにのみ上回る。これらのタイプの機器の設計者は、そのプロセスの要件に応じて、最適掃引エリアを選定するであろう。
本発明が有用な結果を生成する別の例は、バイオエタノールの生成において広く使用されるプロセスであるエタノールを脱水するための透過気化法である。モジュールの性能は、表6に示される。給送物は、100℃における、90重量%エタノールと、10重量%H2Oとである。第1の部分は、2,500gpuの水透過率と、500の選択率とを有する。第2の部分は、50の選択率と、5,000gpuのH2O透過率とを有する。第2の部分の面積は、膜シートの総面積の0%(単純直交流モジュール)から10%まで増加させられる。掃引エリアが、約5~6%を下回ると、膜は、単純直交流ケース(掃引なし)と同じまたはより優れた透過を生成するが、膜は、単純直交流モジュール(すなわち、掃引効果を伴わない)の流束の最大2倍を有する。
現在公知の3つの一般的膜モジュール構成が、図1に示される。示される設計では、給送物流体は、膜表面に沿って、左から右に流動する。給送物流体の一部は、膜を通して透過し、透過物流体を形成する。構成は、流体が出口に移動するにつれて、給送物流体に対する透過物流体の流動方向において異なる。対向流モジュールでは、透過物流体は、膜の他の側では、給送物流体の流動と反対の右から左に流動する。直交流モジュールでは、透過物流体は、給送物流体流動に対して直角に流動する。並行流モジュールでは、透過物流体は、給送物流体と同じ方向に流動する。
本発明は、以下の第1の組の付記によっても説明され得る。
モジュールは、
第1の端部および第2の端部を有する筐体であって、第2の端部は、第1の方向に沿って第1の端部から間隔を置かれている、筐体と、
筐体の第1の端部と第2の端部との間に延びている1つ以上の膜シートであって、各膜シートは、第1の端部および第2の端部を備え、第2の端部は、第1の方向に沿って第1の端部から間隔を置かれ、各膜シートは、第1の端部と第2の端部との間に延びている第1および第2の側を備え、第1の側は、第2の方向に沿って第2の側から間隔を置かれ、第2の方向は、第1の方向に対して横方向であり、各膜シートは、第1の主要表面および第2の主要表面を備え、第2の主要表面は、第1の主要表面と反対側にあり、各膜シートは、給送物流体を残留物流体および透過物流体に分離するように構成されている、1つ以上の膜シートと
を備え、
膜モジュールは、給送物流体および残留物流体が、第1の方向に各膜シートの第1の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動せず、透過物流体が各膜シートの第2の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの第1の主要表面に沿って流動しないように構成され、
膜モジュールは、
筐体の第1の端部における入口であって、入口は、各膜シートの第1の主要表面の第1の端部と流体連通し、各膜シートの第1の主要表面に沿って流動するように、給送物流体を送達するように構成されている、入口と、
筐体の第2の端部における出口であって、出口は、各膜シートの第1の主要表面の第2の端部と流体連通し、給送物流体から分離された残留物流体を受け取り、出力するように構成されている、出口と、
膜シートの第2の主要表面の第1の側に隣接する導管であって、導管は、給送物流体から分離された透過物流体を受け取り、出力するように構成されている、導管と
をさらに備え、
1つ以上の膜シートのうちの少なくとも1つは、第1の部分を横断した給送物流体の分離が、透過物流体の第1の部分を発生させ、第2の部分を横断した分離が、透過物流体の第2の部分を発生させるように、第1の部分および第2の部分を備え、
膜シートの第2の部分は、透過物流体の第2の部分が透過物流体の第1の部分より高い濃度の主要成分を有するように、第1の部分より高い主要成分のための透過率を有し、
第2の部分は、透過ガスの第2の部分が透過ガスの第1の部分と混合し、それによって、透過物流体の第1の部分中の微量成分の濃度を低減させるように、第2の方向に沿って膜シートの第1の側から間隔を置かれ、それによって、透過ガスの第2の部分を膜シートの第1の側に向かって流動させる、膜モジュール。
導管は、第1の方向に沿って延びている中心管であり、
1つ以上の膜シートは、1つ以上の膜シートの第1の側が第2の側より中心管に近くなるように、第1の方向と垂直な渦巻を画定するように、中心管の周りに巻きつけられ、
中心管は、円筒形表面と、管腔をそれらの間に画定する第1および第2の終端端部とを備え、
中心管は、1つ以上の開口部を円筒形表面内に備え、1つ以上の開口部は、給送物流体から分離された透過物流体を受け取るように構成され、1つ以上の開口部は、膜シートの第1の側と流体連通し、
中心管は、1つ以上の開口部によって受け取られる透過物流体を出力するように構成された出口をさらに備え、出口は、中心管の第1または第2の終端端部にある、付記1-4のいずれか1項に記載の直交流膜モジュール。
1つ以上の膜シートに間隔を保たせるように構成された1つ以上の給送スペーサであって、各給送スペーサは、出口までの給送物流体および残留物流体の流動のための流体路を画定するためである、1つ以上の給送スペーサと、
1つ以上の膜シートに間隔を保たせるように構成された1つ以上の透過スペーサであって、各透過スペーサは、導管までの透過物流体の流動のための流体路を画定するためである、1つ以上の透過スペーサと、
をさらに備えている、先行付記のいずれかに記載の膜モジュール。
前駆体シートのロールを提供することと、
前駆体シートのロールの第1のエリアを第1のコーティング溶液でコーティングし、前駆体シートのロールの第2のエリアを第2のコーティング溶液でコーティングし、膜シートのロールを形成することと、
膜シートの1つ以上のロールを別個の膜シートに分離することであって、各膜シートの第1の部分は、膜シートのロールの第1のエリアによって形成され、各膜シートの第2の部分は、膜シートのロールの第2のエリアによって形成され、各膜シートの第2の部分は、第1の部分より高い主要成分のための透過率を有する、ことと
を含む、方法。
第1の端部および第2の端部を有する筐体であって、第2の端部は、第1の方向に沿って第1の端部から間隔を置かれる、筐体と、
筐体の第1の端部と第2の端部との間に延びている1つ以上の膜シートであって、各膜シートは、第1の端部および第2の端部を備え、第2の端部は、第1の方向に沿って第1の端部から間隔を置かれ、各膜シートは、第1の端部と第2の端部との間に延びている第1および第2の側を備え、第1の側は、第2の方向に沿って第2の側から間隔を置かれ、第2の方向は、第1の方向に対して横方向であり、各膜シートは、第1の主要表面および第2の主要表面を備え、第2の主要表面は、第1の主要表面と反対側にある、1つ以上の膜シートと、
筐体の第1の端部における入口であって、入口は、各膜シートの第1の主要表面の第1の端部と流体連通する、入口と、
筐体の第2の端部における出口であって、出口は、各膜シートの第1の主要表面の第2の端部と流体連通する、出口と、
膜シートの第2の主要表面の第1の側に隣接する導管と、
を備え、
1つ以上の膜シートのうちの少なくとも1つは、第1の部分および第2の部分を備え、
方法は、
第1の方向に各膜シートの第1の主要表面に沿って流動するように、主要成分および微量成分を備えている給送物流体を入口を介して、各膜シートの第1の主要表面に送達することと、
残留物流体が第1の主要表面に沿って、第1の方向に出口まで流動し、透過物流体が第2の主要表面に沿って、第2の方向に導管まで流動するように、各膜シートを横断する給送物流体を透過物流体と残留物流体とに分離することと、
を含み、
膜モジュールは、給送物流体および残留物流体が、第1の方向に各膜シートの第1の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動せず、透過物流体が各膜シートの第2の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの第1の主要表面に沿って流動しないように構成され、
分離するステップは、膜シートの第1の部分を横断して給送物流体を分離し、透過物流体の第1の部分を発生させ、膜シートの第2の部分を横断して給送物流体を分離し、透過物流体の第2の部分を発生させることを含み、膜シートの第2の部分は、透過物流体の第2の部分が、透過物流体の第1の部分より高い濃度の主要成分を有するように、第1の部分より高い主要成分のための透過率を有し、
第2の部分は、透過ガスの第2の部分が、透過ガスの第1の部分と混合し、それによって、透過物流体の第1の部分中の微量成分の濃度を低減させるように、第2の方向に沿って膜シートの第1の側から間隔を置かれ、それによって、透過ガスの第2の部分を膜シートの第1の側に向かって流動させ、
方法は、残留物流体をモジュールから出口を介して出力し、透過物流体をモジュールから導管を介して出力することをさらに含む、方法。
(a)給送物側および給送物チャネルおよび透過物側および透過物チャネルを有する平坦なシート膜を提供するステップと、
(b)膜を給送物マニホールド、残留物マニホールド、および少なくとも1つの透過物マニホールドを有する直交流膜モジュールの中に形成するステップと、
(c)(b)の給送物、残留物、および膜透過物マニホールドが、透過物チャネル内の透過物の流動が、主として、モジュールの給送物チャネル内の給送物の流動に対して直角方向にあるように配置されるステップと、
(d)(a)の該膜が、給送混合物の成分に対して透過性である、2つの膜エリアを有するステップであって、第1の膜エリアは、給送混合物の主要成分より微量成分のために選択的であり、第2の膜エリアは、第1の膜エリアより高い給送混合物の主要成分のための透過率を有し、膜の第1および第2の膜エリアは、第2のエリアからの透過物が、第1の膜エリアの透過物チャネル空間を通過し、したがって、掃引効果を第1の膜エリア上に生成するように間隔を置かれる、ステップと、
(e)給送物マニホールドからの給送混合物を(a)の膜を横断して通過させ、処理された給送混合物を残留物マニホールドから除去し、並行して、膜透過物を透過物マニホールドから除去するステップと
を含む、プロセス。
(a)膜のロールを形成することであって、膜は、給送物の主要成分より給送物の微量成分に対して選択的である第1の膜エリアと、第1の膜エリアより高い給送物の主要成分のための透過率を有する第2の膜エリアとを有する、ことと、
(b)(a)の膜ロールを画定された幾何学形状の膜シートに形成し、シートを給送物マニホールドおよび残留物マニホールドに接続される給送物チャネル空間と、少なくとも1つの透過物マニホールドに接続される透過物チャネル空間とを有する平坦なシート膜モジュールの中にパッケージングすることと、
(c)給送および残留物マニホールドマニホールドが、給送物チャネルを通して、給送物マニホールドから残留物マニホールドまでの略直線流動経路を生成するように配置されることと、
(d)透過物マニホールドおよび第2の膜エリアが、第2の膜エリアを通して流動する透過物が、直交流または部分的対向流掃引効果を膜の第1のエリア上に生成するように位置付けられることと、
を含む、方法。
Claims (41)
- 微量成分および主要成分を備えている給送物流体を透過物流体と残留物流体とに分離するように構成された直交流膜モジュールであって、前記残留物流体は、前記給送物流体より低い濃度の前記微量成分を有し、前記透過物流体は、前記給送物流体より高い濃度の前記微量成分を有し、前記直交流膜モジュールは、
第1の端部および第2の端部を有する筐体であって、前記第2の端部は、第1の方向に沿って前記第1の端部から間隔を置かれている、筐体と、
前記筐体の前記第1の端部と第2の端部との間に延びている1つ以上の膜シートと
を備え、
各膜シートは、第1の端部および第2の端部を備え、前記第2の端部は、前記第1の方向に沿って前記第1の端部から間隔を置かれ、各膜シートは、前記第1の端部と第2の端部との間に延びている第1および第2の側を備え、前記第1の側は、第2の方向に沿って前記第2の側から間隔を置かれ、前記第2の方向は、前記第1の方向に対して横方向であり、各膜シートは、第1の主要表面および第2の主要表面を備え、前記第2の主要表面は、前記第1の主要表面と反対側にあり、各膜シートは、前記給送物流体を前記残留物流体と前記透過物流体とに分離するように構成され、
前記直交流膜モジュールは、前記給送物流体および前記残留物流体が前記第1の方向に各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動せず、前記透過物流体が各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動しないように構成され、
前記直交流膜モジュールは、
前記筐体の前記第1の端部における入口であって、前記入口は、各膜シートの前記第1の主要表面の前記第1の端部と流体連通し、前記給送物流体が各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動するように、前記給送物流体を送達するように構成されている、入口と、
前記筐体の前記第2の端部における出口であって、前記出口は、各膜シートの前記第1の主要表面の前記第2の端部と流体連通し、前記給送物流体から分離された前記残留物流体を受け取り、出力するように構成されている、出口と、
前記膜シートの前記第2の主要表面の前記第1の側に隣接している導管であって、前記導管は、前記給送物流体から分離された前記透過物流体を受け取り、出力するように構成されている、導管と
をさらに備え、
前記1つ以上の膜シートのうちの少なくとも1つは、第1の部分および第2の部分を備え、それによって、前記第1の部分を横断した前記給送物流体の分離が、前記透過物流体の第1の部分を発生させ、前記第2の部分を横断した分離が、前記透過物流体の第2の部分を発生させ、
前記膜シートの前記第2の部分は、前記透過物流体の前記第2の部分が前記透過物流体の前記第1の部分より高い濃度の前記主要成分を有するように、前記第1の部分より高い前記主要成分のための透過率を有し、
前記第2の部分は、前記第2の方向に沿って前記膜シートの前記第1の側から間隔を置かれ、それによって、前記透過物流体の前記第2の部分に前記膜シートの前記第1の側に向かって流動させ、それによって、前記透過物流体の前記第2の部分が、前記透過物流体の前記第1の部分と混合し、それによって、前記透過物流体の前記第1の部分中の前記微量成分の濃度を低減させる、直交流膜モジュール。 - 前記導管は、前記第1の方向に前記第1の側の長さの少なくとも50%に沿って延びている、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記導管は、各膜シートの前記第1の側と整列させられている、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記直交流膜モジュールは、第2の導管をさらに備え、前記第2の導管は、前記第2の側と流体連通し、前記第2の導管は、前記給送物流体から分離された前記透過物流体を受け取り、出力するように構成され、前記第2の部分は、前記第1の方向に沿って前記第1の側および前記第2の側の両方から間隔を置かれている、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分は、前記第1の端部と前記第2の端部との間で前記第1の方向に沿って延びている、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記直交流膜モジュールは、渦巻状に巻きつけられ、
前記導管は、前記第1の方向に沿って延びている中心管であり、
前記1つ以上の膜シートは、前記第1の方向と垂直な渦巻を画定するように前記中心管の周りに巻きつけられ、それによって、前記1つ以上の膜シートの前記第1の側が、前記第2の側より前記中心管に近く、
前記中心管は、円筒形表面と第1および第2の終端端部とを備え、前記第1および第2の終端端部は、管腔をそれらの間に画定し、
前記中心管は、1つ以上の開口部を前記円筒形表面内に備え、前記1つ以上の開口部は、前記給送物流体から分離された前記透過物流体を受け取るように構成され、前記1つ以上の開口部は、前記膜シートの前記第1の側と流体連通し、
前記中心管は、前記1つ以上の開口部によって受け取られる前記透過物流体を出力するように構成された出口をさらに備え、前記出口は、前記中心管の前記第1または第2の終端端部にある、請求項1に記載の直交流膜モジュール。 - 前記1つ以上の開口部は、前記第1の方向に沿って互いに間隔を置かれている、請求項6に記載の直交流膜モジュール。
- 前記1つ以上の膜シートの前記第2の部分は、前記1つ以上の膜シートの外縁に沿って延びている、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分は、前記第2の側の少なくとも一部に沿って延びている、請求項8に記載の直交流膜モジュール。
- 前記直交流膜モジュールは、
前記1つ以上の膜シートに間隔を保たせるように構成された1つ以上の給送スペーサであって、各給送スペーサは、前記出口までの前記給送物流体および残留物流体の流動のための流体路を画定するためのものである、1つ以上の給送スペーサと、
前記1つ以上の膜シートに間隔を保たせるように構成された1つ以上の透過スペーサであって、各透過スペーサは、前記導管までの前記透過物流体の流動のための流体路を画定するためのものである、1つ以上の透過スペーサと
をさらに備えている、請求項1に記載の直交流膜モジュール。 - 前記1つ以上の膜シートのうちの第1の膜シートは、給送スペーサが前記第1の膜シートの前記第1の主要表面に隣接し、透過スペーサが、前記第1の膜シートの前記第2の主要表面に隣接するように配置されている、請求項10に記載の直交流膜モジュール。
- 前記膜シート、前記1つ以上の給送スペーサ、および前記1つ以上の透過スペーサは、積み重ねられた構成で配置され、隣接する膜シート間の各空間は、給送スペーサまたは透過スペーサのいずれかによって画定され、前記膜シートは、各膜シートの前記第1の主要表面が給送スペーサと接触し、各膜シートの前記第2の主要表面が透過スペーサと接触するように、交互する向きである、請求項10に記載の直交流膜モジュール。
- 給送スペーサによって間隔を置かれた隣接する膜シートは、それらの第1の主要表面の前記第1および第2の側に沿ってシールされることによって、前記第1の主要表面に沿った前記給送物流体および残留物流体の流動のための前記流体路を流動的にシールし、透過スペーサによって間隔を置かれた隣接する膜シートは、それらの第2の主要表面のそれらの第1および第2の端部に沿ってシールされることによって、前記第2の主要表面に沿った前記透過物流体のための前記流体路を流動的にシールしている、請求項10に記載の直交流膜モジュール。
- 各給送スペーサは、前記第1の方向に沿って流体の流動を方向付けるように構成され、各透過スペーサは、前記第2の方向に沿って流体の流動を方向付けるように構成されている、請求項10に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分の面積は、前記膜シートの総面積の20%未満である、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記主要成分のための前記第2の部分の透過率は、前記主要成分のための前記第1の部分の透過率の2倍を上回る、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分は、前記第2の主要表面の一部を形成する、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分は、前記第1の主要表面の一部を形成する、請求項1に記載の直交流膜モジュール。
- 前記導管は、前記第1の方向に前記第1の側の長さの少なくとも70%に沿って延びている、請求項2に記載の直交流膜モジュール。
- 前記導管は、前記第1の方向に前記第1の側の長さの少なくとも80%に沿って延びている、請求項19に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分は、細片として形成されている、請求項5に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分は、前記第1の側と前記第2の側との間でそれらから等距離にある、請求項21に記載の直交流膜モジュール。
- 前記1つ以上の開口部の軸方向範囲は、前記第1の方向に前記第2の部分の軸方向範囲と重複している、請求項7に記載の直交流膜モジュール。
- 前記1つ以上の開口部は、前記第1の側と整列させられている、請求項23に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分は、前記第2の側によって形成される縁全体に沿って延びている、請求項9に記載の直交流膜モジュール。
- 透過スペーサによって間隔を置かれた前記隣接する膜シートも、それらの第2の主要表面の前記第2の側に沿ってシールされている、請求項13に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分の面積は、前記膜シートの総面積の15%未満である、請求項15に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分の面積は、前記膜シートの総面積の10%未満である、請求項27に記載の直交流膜モジュール。
- 前記第2の部分の面積は、前記膜シートの総面積の6%未満である、請求項28に記載の直交流膜モジュール。
- 前記主要成分のための前記第2の部分の透過率は、前記主要成分のための前記第1の部分の透過率の少なくとも10倍である、請求項16に記載の直交流膜モジュール。
- 請求項1に記載の直交流膜モジュールの膜シートを製造する方法であって、前記方法は、
前駆体シートのロールを提供することと、
前記前駆体シートの前記ロールの第1のエリアを第1のコーティング溶液でコーティングし、前記前駆体シートの前記ロールの第2のエリアを第2のコーティング溶液でコーティングし、膜シートのロールを形成することと、
前記膜シートの1つ以上のロールを別個の膜シートに分離することと
を含み、
各膜シートの前記第1の部分は、前記膜シートの前記ロールの前記第1のエリアによって形成され、各膜シートの前記第2の部分は、前記膜シートの前記ロールの前記第2のエリアによって形成され、各膜シートの前記第2の部分は、前記第1の部分より高い前記主要成分のための透過率を有する、方法。 - 前記第1のエリアおよび前記第2のエリアは、互いに隣接している、請求項31に記載の方法。
- 前記方法は、各膜シートが一対の膜シートを形成するように、各膜シートを給送スペーサの周りで折り畳むことをさらに含む、請求項31に記載の方法。
- それらの第1の主要表面の第1の側に沿って2つの膜シートを一緒にシールし、給送スペーサをそれらの間に位置付けることをさらに含む、請求項31に記載の方法。
- 前記第1のエリアをコーティングするステップおよび前記第2のエリアをコーティングするステップは、同時に実施される、請求項31に記載の方法。
- 前記コーティングするステップは、前記膜シートの前記ロールをコーティングコンテナ内の第1および第2の溶液と接触させることによって実施され、前記コーティングコンテナは、セパレータによって互いに流動的に分離された第1および第2の区分を有し、前記第1の区分は、前記第1のコーティング溶液を含み、前記第2の区分は、前記第2のコーティング溶液を含む、請求項31に記載の方法。
- 前記コーティングコンテナの前記第2の区分は、前記コーティングコンテナの2つの第1の区分間に位置付けられている、請求項36に記載の方法。
- 前記セパレータの位置を移動させ、前記第2の部分の位置およびサイズを調節することをさらに含む、請求項36に記載の方法。
- 前記第2のエリアは、2つの第1のエリア間に位置付けられ、それによって、各膜シートにおいて、前記第2の部分は、細片として形成され、前記第1の部分は、前記第2の部分の両側に提供される、請求項32に記載の方法。
- 直交流膜モジュールを使用して、主要成分および微量成分を備えている給送物流から微量成分を分離する方法であって、残留物流体が、前記給送物流体より低い濃度の前記微量成分を有し、透過物流体が、前記給送物流体より高い濃度の前記微量成分を有し、
前記直交流膜モジュールは、
第1の端部および第2の端部を有する筐体であって、前記第2の端部は、第1の方向に沿って前記第1の端部から間隔を置かれている、筐体と、
前記筐体の前記第1の端部と第2の端部との間に延びている1つ以上の膜シートであって、各膜シートは、第1の端部および第2の端部を備え、前記第2の端部は、前記第1の方向に沿って前記第1の端部から間隔を置かれ、各膜シートは、前記第1の端部と第2の端部との間に延びている第1および第2の側を備え、前記第1の側は、第2の方向に沿って前記第2の側から間隔を置かれ、前記第2の方向は、前記第1の方向に対して横方向であり、各膜シートは、第1の主要表面および第2の主要表面を備え、前記第2の主要表面は、前記第1の主要表面と反対側にある、1つ以上の膜シートと、
前記筐体の前記第1の端部における入口であって、前記入口は、各膜シートの前記第1の主要表面の前記第1の端部と流体連通している、入口と、
前記筐体の前記第2の端部における出口であって、前記出口は、各膜シートの前記第1の主要表面の前記第2の端部と流体連通している、出口と、
前記膜シートの前記第2の主要表面の前記第1の側に隣接した導管と
を備え、
前記1つ以上の膜シートのうちの少なくとも1つは、第1の部分および第2の部分を備え、
前記方法は、
前記第1の方向に各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動するように、前記主要成分および前記微量成分を備えている給送物流体を前記入口を介して各膜シートの前記第1の主要表面に送達することと、
前記残留物流体が前記第1の主要表面に沿って前記第1の方向に前記出口まで流動し、前記透過物流体が前記第2の主要表面に沿って前記第2の方向に前記導管まで流動するように、各膜シートを横断する前記給送物流体を前記透過物流体と前記残留物流体とに分離することと
を含み、
前記直交流膜モジュールは、前記給送物流体および前記残留物流体が前記第1の方向に各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動せず、前記透過物流体が各膜シートの前記第2の主要表面に沿って流動するが、各膜シートの前記第1の主要表面に沿って流動しないように構成され、
前記各膜シートを横断する前記給送物流体を前記透過物流体と前記残留物流体とに分離するステップは、前記膜シートの前記第1の部分を横断して前記給送物流体を分離することによって、前記透過物流体の第1の部分を発生させ、前記膜シートの前記第2の部分を横断して前記給送物流体を分離することによって、前記透過物流体の第2の部分を発生させることを含み、前記膜シートの前記第2の部分は、前記透過物流体の前記第2の部分が前記透過物流体の前記第1の部分より高い濃度の前記主要成分を有するように、前記第1の部分より高い前記主要成分のための透過率を有し、
前記第2の部分は、前記第2の方向に沿って前記膜シートの前記第1の側から間隔を置かれ、それによって、前記透過物流体の前記第2の部分に前記膜シートの前記第1の側に向かって流動させ、それによって、前記透過物流体の前記第2の部分は、前記透過物流体の前記第1の部分と混合し、それによって、前記透過物流体の前記第1の部分中の前記微量成分の濃度を低減させ、
前記方法は、前記残留物流体を前記直交流膜モジュールから前記出口を介して出力することと、前記透過物流体を前記直交流膜モジュールから前記導管を介して出力することとをさらに含む、方法。 - 前記微量成分は、二酸化炭素であり、前記主要成分は、メタンまたは窒素である、請求項40に記載の方法。
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