KR100356114B1 - 혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리방법 - Google Patents

혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리방법 Download PDF

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Abstract

다음을 포함하는 높은 분리효능을 갖는 혼합가스 분리용 막 모듈: 혼합가스 공급섹션, 비투과가스 운송섹션 및 중간섹션을 갖는 원통형 용기; 다수의 중공섬유 묶음, 여기서 상기 중공섬유의 각각은 중간섹션을 통해 연장되어 있으며, 각각 혼합가스 공급섹션으로 열려있는 말단 부분과 비투과가스 운송섹션으로 열려있는 반대쪽 말단 부분을 갖는다; 한쌍의 제1의 중공섬유를 지지하는 디스크와 제2의 중공섬유를 지지하는 디스크, 여기서 상기 제1의 중공섬유를 지지하는 디스크는 혼합가스 공급섹션으로 열려있는 중공섬유의 말단 부분을 지지하며, 혼합가스 공급섹션으로부터 중간섹션을 구획하고, 상기 제2의 중공섬유를 지지하는 디스크는 비투과가스 운송섹션으로 열려있는 중공섬유의 반대쪽 말단 부분을 지지하며, 비투과가스 운송섹션으로부터 중간섹션을 구획하고, 상기 제1과 제2의 중공섬유를 지지하는 디스크는 중공섬유들이 실질적으로 서로 독립적이 되어 중공섬유들 사이에 연속공간이 남아있도록 한다; 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간이 중간섹션의 투과가스 운송출구에 연결되도록 중공섬유 묶음을 둘러싸고 있는 원통형 필름 부재, 여기서, 중간섹션에서 투과가스 운송출구는 제1의 디스크에 근접하게 위치하며, 운반가스 공급입구는 제2의 디스크에 근접하게 또는 제2의 디스크내에 위치하므로써, 중간섹션내로 공급된 운반가스는 연속공간을 통하여 중공섬유들을 통한 혼합가스의 흐름에 역류하는 방향으로 흐르게 된다.

Description

혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리방법{MIXED GAS SEPARATING MEMBRANE MODULE AND PROCESS}
본 발명은 혼합가스로부터 높은 막 투과성(permeability)을 갖는 가스 분획(fraction)을 분리하기 위한 혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 혼합가스에 포함된 특정 가스 분획을 중공섬유(hollow fiber)를 통하여 투과시켜, 이를 혼합가스로부터 제거하고, 혼합가스중 비투과(non-permeated) 가스 분획을 수집하는, 다수의 중공섬유들을 갖는 혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스로부터 특정 가스분획을 분리하기 위한 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하는 방법에 관한 것이다.
더욱 더 상세하게는, 본 발명은 혼합가스에 포함된 유기물질 증기(organic substance vapor)로부터 수증기를 분리하기에 적합한 혼합가스 분리용 막 모듈 및 상기 막 모듈을 사용하며, 혼합가스에 포함된 유기물질 증기로부터 수증기를 분리하기에 적합한 혼합가스 분리방법에 관한 것이다.
유기물질의 수용액에 대해 물을 제거하는 방법으로, 일본공개특허공보 소63-267415호에는 유기물질을 포함하는 수용액을 증발(evaporating)시켜 유기물질 증기 및 수증기를 포함하는 혼합가스를 제조하고; 70℃ 이상의 온도에서, 방향족 폴리이미드(polyimide)로 제조된 혼합가스 분리용 막의 제1의 측표면(side surface)에 상기 혼합가스를 접촉시키고, 혼합가스 분리용 막을 통하여 수증기를 선택적으로 투과시켜, 막의 제2의 측표면에서 투과된 가스 분획으로서 수증기를 수집하고; 비투과 가스 분획으로서 제1의 측표면에서 물의 함량이 감소된 증기를 포함하는 유기물질을 수집하는 단계들을 포함하는, 유기물질 수용액에 대한 탈수 및 농축 방법이 개시되어 있다.
상기 일본공개공보에는 상기에서 언급한 방법의 실시예가 개시되어 있는데, 이 실시예에서는 막을 통해 투과된 가스 분획(수증기)이 수집되는 제2의 측면(side)은 낮은 감압이 유지되어 선택적으로 수증기가 막을 투과하여, 유기물질 증기가 포함된 가스 분획으로부터 분리될 수 있게 한다. 상기에서 언급한 방법의 다른 실시예에서, 비록 혼합가스 분리용 막의 제2의 측면은 감압하에서 유지되지는 않지만, 막을 통한 수증기의 선택적 투과 및 유기물질 증기로부터 수증기의 분리를 촉진하기 위해 막의 제2의 측표면을 따라 운반 가스(carrier gas)로서 건조(dry) 가스가 유입된다.
상기에서 언급한 혼합가스의 탈수방법들에서 수증기의 제거는 혼합가스 분리용 막의 제2의 측면을 감압으로 유지하거나, 막의 제2의 측표면을 따라 건조가스로 구성된 운반 가스를 통과시켜 행해지지만, 하기와 같은 문제점들을 수반한다.
막의 단위 면적당 혼합가스 분리용 막을 통한 수증기의 투과속도가 항상 만족할 만한 수준이 아니며, 이로 인해 혼합가스 분리용 막 모듈의 규모가 확대된다.
또한 막의 제1의 측면에 남겨진 비투과 가스 분획의 건조도(탈수 정도)를 쉽게 원하는 고 수준에 도달하게 할 수 없다.
더구나, 상기 탈수 방법은 감압하에서 실시되므로, 높은 수준의 진공을 만들 수 있는 진공(vaccum) 펌프가 필요하며, 이 진공 펌프를 운행하는 데에 많은 에너지가 소비되어야 한다.
게다가, 운반 가스를 주위의(ambient) 대기 압력하에서 사용하여 혼합가스의 높은 정도의 탈수를 얻기 위해서는 매우 고가인 건조 가스가 운반가스로서 많은 양사용되어야 한다.
상기에서 언급한 문제점들을 해소하기 위해서, 일본특허 제2,743,346호는 물과 유기물질을 포함하는 용액을 탈수하기 위한 방법을 개시하고 있으며, 여기에서는 수증기 및 유기물질 증기를 포함하는 혼합가스를 제조하기 위해 물 및 유기물질을 포함하는 용액을 증발시키고; 이 혼합가스를 70℃ 이상의 온도에서, 각각 (a) 1×10-5㎤/㎠·sec·㎝Hg 또는 그 이상의 수증기 투과율(P'H2O) 및, (b) 유기물질 증기 투과율(P'org)에 비하여 수증기 투과율(P'H2O)의 비율(P'H2O/P'org)이 100 이상인 특성을 갖는 방향족 폴리이미드 혼합가스 분리용 막들을 포함하는 혼합가스 분리용 막 모듈에 주입하여, 혼합가스를 상기 막들의 제1의 (주입) 측표면들에 접촉시키고; 막들의 제2의 (투과) 측면들을 50∼500mmHg의 감압에 노출시키며; 운반가스로서 불활성 가스 또는 막 모듈로부터 운반된 비투과 가스의 일부(portion)를 막들의 제2의 측면들을 통해 통과시키고, 제1의 (주입) 측면으로부터 제2의 (투과) 측면으로 막을 통해 수증기를 선택적으로 투과시켜, 비투과 유기물질 증기를 포함하는 가스로부터 수증기를 선택적으로 분리시키고; 물의 함량이 감소된 유기물질증기를 포함하는 가스를 수집한다.
상기에서 언급된 방법 및 막 모듈은 물/유기물질이 혼합된 가스의 탈수를 가능하게 한다. 그러나 증가된 효율을 갖는 혼합가스를 위한 탈수방법 및 장치가 절실히 필요하다. 또한 수증기에 제한되지 않고 혼합가스로부터 높은 막 투과성질을 갖는 가스 분획을 고 효율로 분리가능하게 하는 혼합가스 분리 방법 및 장치가 절실히 필요하다.
통상의 가스 분리용 막 모듈의 구성으로서, 일본특허공고공보 평6-91932호에는 다양한 혼합가스들 중에서 특정 가스 분획(예컨대, 수소 가스 분획)을 선택적으로 중공섬유를 통해 투과시킬 수 있는 기능을 갖는 중공섬유들의 묶음(bundle)으로부터 형성된 특정의 섬유 묶음 집합을 갖는 가스 분리용 모듈이, 물질 가스-주입 입구(material gas-introduction inlet), 투과 가스 출구(outlet), 비투과 가스 출구를 갖는 원통형 용기내에 적절히 배열되어 포함되어 있으며, 상기 섬유 묶음의 외주(periphery)는 필름막으로 덮여있는 구성이 개시되어 있다. 그러나, 상기에서 언급한 문헌에서 개시된 모듈은 수소의 회수(recovery)에 적용되기 위한 것이고, 이와 같은 분리용 막의 투과 측면(side)은 투과된 가스의 운송만을 위해 사용가능한 구조를 갖고 있다. 그러므로, 이와 같은 모듈은 분리용 막의 투과 측면을 감압조건으로 만들고, 운반가스를 분리용 막의 투과 측면을 통해 통과시키는 것에 의해, 유기물질 가스 및 수증기를 포함하는 혼합가스로부터 수증기를 분리하는 경우에는 사용할 수 없다.
또한 일본특허공고공보 평7-79954호에는 다수의 가스 분리용 중공섬유들의묶음을 갖는 가스 분리용 막 모듈이 개시되어 있다. 이 모듈은 중공섬유 묶음의 실질적인 중심 부분에 위치하며 비투과 가스 출구로 연결된 구멍들(apertures)을 가지는 코아(core) 파이프를 가지고, 중공섬유들을 따라 중공섬유 묶음이 배열된 원통형 분획 판을 갖는다. 상기 문헌에서 개시된 발명의 목적은 가스의 유동로(flow path)를 확대시키고, 중공섬유 형태의 분리용 막들의 길이를 일정하게 유지하면서 물질가스의 주입선(feed line)의 속도를 증가시키는 것이다. 그러나 중공섬유 묶음의 외부와 모듈 용기(container) 사이에 빈 공간(empty space)이 형성되기 때문에, 가스는 상기 빈 공간을 통하여 통과하며, 중공섬유들 사이의 연속공간(continuous space)을 통해 효율적으로 통과될 수 없다. 또한 모듈의 어떤 부분들에서, 중공섬유들의 외부의 가스는 중공섬유들내의 가스의 흐름과 같은 방향으로 흐르기 때문에, 이 모듈의 가스분리 효율은 역류방향(countercurrent) 형태의 모듈에 비하여 충분히 높지 못하다.
본 발명의 목적은 고 효율로 혼합가스로부터 높은 분리용 막 투과성을 갖는 가스의 분획을 분리하기 위한 혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 일본특허 제2,743,346호에 개시된 탈수방법을 위해 가장 적합한 혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리방법의 제공으로, 높은 건조 수준(매우 낮은 물 함량)을 갖는 건조 유기물질 증기를 상대적으로 작은 막 면적을 갖는 작은 규모의 가스 분리용 막 모듈에서 사용하여 쉽게 높은 분리 효율(가스 분리용 막 단위면적당 많은 양의 투과 수증기)을 얻는 것이다.
도 1은 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈의 일실시예의 단면도를 나타낸 것이며,
도 2는 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈의 다른 실시예의 단면도를 나타낸 것이며,
도 3은 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈의 또 다른 실시예의 단면도를 나타낸 것이며,
도 4는 본 발명에서 사용하는 원통형 용기의 세로축에 경사방향으로 배열된혼합가스 분리용 중공섬유의 묶음의 일실시예의 개략도를 나타낸 것이며,
도 5는 경사 방향에서 각각의 중공섬유들의 배열 방법을 나타낸 것이며,
도 6A는 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에서 사용하는 중공섬유 묶음, 제1 및 제2의 중공섬유를 지지하는 디스크들, 원통형 필름 부재 및 선택적 덮개 부재를 포함하는 대체가능한 카트리지의 일실시예의 단면도를 나타낸 것이며,
도 6B는 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈을 위한 도 6A에서 나타나는 대체가능한 카트리지를 수용하기에 적합한 원통형 용기의 일실시예의 단면도를 나타낸 것이며,
도 7은 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하여 혼합가스를 분리하는 본 발명의 방법의 일실시예의 흐름도이다.
상기에 언급된 목적들은 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈은 다음을 포함한다.
(1) 혼합가스 공급 입구를 갖는 혼합가스 공급섹션과, 비투과 가스 운송 출구를 갖는 비투과 가스 운송섹션 및 상기 혼합가스 공급섹션과 비투과 가스 운송섹션의 사이에 위치하며 운반가스 공급입구와 투과가스 운송출구를 갖는 중간섹션을 갖는 원통형 용기;
(2) 다수의 혼합가스 분리용 중공섬유 묶음, 여기서 상기 중공섬유의 각각은 쉘 부분과 상기 쉘부분에 의해 둘러싸여 있는 중공 부분을 포함하고, 상기 원통형 용기의 중간섹션을 통해 연장되어 있으며, 각각 혼합가스 공급섹션으로 열려있는 말단 부분과 비투과가스 운송섹션으로 열려있는 반대쪽 말단 부분을 갖는다;
(3) 한쌍의 제1의 중공섬유-지지 디스크와 제2의 중공섬유-지지 디스크, 여기서 상기 제1의 중공섬유-지지 디스크는 혼합가스 공급섹션으로 열려있는 중공섬유의 말단 부분을 지지하며, 혼합가스 공급섹션으로부터 중간섹션을 구획하고, 상기 제2의 중공섬유-지지 디스크는 비투과가스 운송섹션으로 열려있는 중공섬유의 반대쪽 말단 부분을 지지하며, 비투과가스 운송섹션으로부터 중간섹션을 구획하고,
상기 제1과 제2의 중공섬유-지지 디스크는 중공섬유들이 실질적으로 서로 독립적이 되어 중공섬유들 사이에 연속공간이 남아있게 하는 방식으로 중공섬유들을지지한다;
(4) 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간이 중간섹션의 투과가스 운송출구에 연결되도록 중공섬유 묶음을 둘러싸고 있는 원통형 필름 부재, 여기서, 중간섹션에서 투과가스 운송출구는 제1의 중공섬유-지지 디스크에 근접하게 위치하며, 운반가스 공급출구는 제2의 중공섬유-지지 디스크에 근접하게 또는 제2의 중공섬유-지지 디스크내에 위치하므로써, 운반가스 공급출구를 통하여 중간섹션내로 공급된 운반가스는 원통형 필름부재에 의해 둘러싸인 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통하여 중공섬유들의 중공 부분을 통한 혼합가스의 흐름에 역류하는 방향으로 흐르게 된다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 상기 원통형 필름부재는 중공섬유 묶음의 외주면의 총면적중 적어도 70%를 덮고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 선택적으로 상기 혼합가스 분리용 중공섬유들은 원통형 용기의 세로축을 둘러싸는 다수의 원통형 층들을 형성하도록 배열되어 있으며,
상기 각각의 원통형 층에 있어서 중공섬유들 또는 중공섬유 그룹들은 개별적으로 또는 2이상의 중공섬유들로 구성된 그룹의 형태로 서로 실질적으로 평행되게 연장되어 있고, 제1의 중공섬유-지지디스크와 제2의 중공섬유-지지디스크 사이에서 그리고 원통형 층내에서 실질적으로 서로 독립적이어서, 제1의 중공섬유-지지디스크 또는 제2의 중공섬유-지지디스크에서 서로 인접하게 배열된 각 쌍의 개별적인 중공섬유들 또는 중공섬유 그룹들에 있어서 개별적인 중공섬유들 또는 중공섬유 그룹들의 쌍중의 하나는 원통형 용기의 세로축에 대한 방향으로 경사져 있고, 다른 하나는 원통형 용기의 세로축에 대해 상기한 중공섬유들의 쌍중의 하나와 반대되는 방향으로 경사져 있으며,
각각의 개별적인 중공섬유들 또는 중공섬유 그룹들의 경사 각도는 원통형 용기의 세로축에 평행되게 그어진 직선으로부터 원통형 층의 외주에 대해 5∼30도이다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈은, 선택적으로, 운반가스 주입파이프를 더 포함하며, 상기 운반가스 주입파이프를 통하여 운반가스 공급원은 제2의 중공섬유-지지디스크를 통하는 중공섬유 묶음의 실질적으로 중앙부분에 연결되며, 이에 의해 운반가스는 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통해 상기 중앙부분으로부터 투과가스 운송출구을 향해 흐르게 된다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 혼합가스 분리용 중공섬유들의 묶음의 단면적에 대한 상기 묶음내의 개개의 혼합가스 분리용 중공섬유들의 총단면적의 %비율로 표시되는 팩킹지수는 30% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈의 일실시예에 있어서, 상기 운반가스 주입파이프는 중공섬유 묶음의 중앙부분으로 삽입되며, 상기 파이프의 삽입된 부분은 폐쇄말단과 파이프중 제2의 중공섬유-지지디스크에 근접한 부분에 형성된 다수의 구멍들을 가지므로써, 상기 파이프의 구멍들을 통하여 원통형 용기의 중간섹션내로 운반가스가 주입되어, 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통해 흐르게 된다.
중공섬유 묶음의 중앙부분으로 삽입된 상기 운반가스 주입파이프를 포함하는본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 중공섬유 묶음의 중앙부분으로 삽입된 운반가스 주입파이프의 단면적을 제외한 혼합가스 분리용 중공섬유들의 묶음의 단면적에 대한 상기 묶음내의 개개의 혼합가스 분리용 중공섬유들의 총단면적의 %비율로 표시되는 팩킹지수는 30% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 혼합가스 분리용 중공섬유들은 방향족 폴리이미드 중공섬유들로부터 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈의 다른 실시예에 있어서, 상기 혼합가스 공급입구는 수증기와 유기물질 증기를 포함하는 혼합가스의 공급원에 연결되고, 상기 중공섬유들은 방향족 폴리이미드 중공섬유들로부터 선택되며; 운반가스 공급입구는 건조 불활성 가스 또는 비투과가스 운송출구를 통하여 운송된 비투과가스 분획의 일부를 포함하는 운반가스 공급원에 연결되며; 투과가스 운송출구는 압력감소 수단에 연결되므로써, 상기 수증기는 방향족 폴리이미드 중공섬유들을 통하여 유기물질 증기로부터 분리되어, 투과가스로서 운반가스와 함께 운송되며, 수증기의 함량이 감소된 유기물질 증기는 비투과가스로서 수집된다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 원통형 용기는 적어도 하나의 제거가능한 말단 부분을 가지며, 상기 중공섬유 묶음과 제1의 중공섬유-지지디스크와 제2의 중공섬유-지지디스크 및 원통형 필름 부재는 대체가능한 카트리지를 형성하기 위하여 결합된다.
상기 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하여 혼합가스를 분리하는 본 발명의 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
제1의 가스 분획과 제2의 가스 분획을 포함하는 혼합가스를 혼합가스 공급입구를 통하여 원통형 용기의 혼합가스 공급섹션내로 공급하므로써, 혼합가스가 중공섬유들의 중공부분을 통하여 흐르게 하고, 중공섬유들의 쉘 부분을 통과하는 제1의 가스 분획의 투과율이 중공섬유들의 쉘 부분을 통과하는 제2의 가스 분획의 투과율에 대한 비율로서 100 이상의 투과율을 가지게 하여, 제1의 가스 분획을 중공섬유들의 쉘 부분을 통하여 투과시키는 단계;
동시에, 원통형 용기의 중간섹션의 압력을 감소시키면서 운반가스 공급입구를 통하여 운반가스를 원통형 용기의 중간섹션내로 공급하므로써, 공급된 운반가스가 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통하여 투과가스 운송출구를 향하여 흐르게 하여, 투과된 제1의 가스 분획을 상기 운반가스로 희석시키는 단계;
운반가스로 희석된 투과된 제1의 가스 분획을 투과가스 운송출구를 통하여 운송하는 단계;
중공섬유들의 중공 부분을 통과하여 비투과가스 운송출구를 통하여 비투과가스 운송 섹션으로 수용되는 비투과된 제2의 가스 분획을 수집하는 단계.
본 발명의 혼합가스 분리 방법의 일실시예에 있어서, 상기 혼합가스는 제1의 가스분획으로서 수증기와, 제2의 가스분획으로서 주위압력하에서 0∼200℃의 비등점을 갖는 적어도 하나의 유기물질 증기를 포함한다.
상기 언급한 본 발명의 혼합가스 분리 방법의 실시예에 있어서, 제2의 가스 분획으로서의 상기 유기물질은 이소프로필알코올을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 혼합가스 분리 방법에 있어서, 수집된 비투과된 제2의 가스분획은선택적으로 운반가스 공급입구로 재순환되어 운반가스로서 사용된다.
본 발명의 혼합가스 분리 방법에 있어서, 상기 운반가스는 질소가스를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 혼합가스 분리 방법의 다른 실시예에 있어서, 상기 혼합가스는 제1의 가스 분획으로서 수증기를 포함하고, 제2의 가스 분획으로서 이소프로필알코올 증기를 포함하며; 상기 중공섬유들은 방향족 폴리이미드 중공섬유들로부터 선택되며; 상기 운반가스는 건조 불활성가스를 포함하므로써, 상기 수증기는 방향족 폴리이미드 중공섬유들의 쉘부분을 통하여 이소프로필알코올 증기로부터 분리되어, 투과가스로서 운반가스와 함께 운송되며, 수증기의 함량이 감소된 이소프로필알코올 증기는 비투과가스로서 수집된다.
본 발명의 혼합가스 분리 방법은, 혼합가스를 상응하는 혼합액체로부터 제조하기 전에, 상기 혼합액체에 대해 이온교환수지처리, 증류처리 및 여과처리로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 정제처리를 하는 것을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 혼합가스 분리 방법은, 상기 수집된 비투과된 가스 분획을 액화공정으로 처리한 다음, 이온교환수지처리, 증류처리 및 여과처리로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 정제처리를 하는 것을 선택적으로 더 포함한다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리방법을 첨부 도면들을 참고하여 설명한다.
도 1에서는 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈의 일실시예의 단면도를 나타내며, 원통형 용기(cylindrical container, 1)는 혼합가스 공급섹션(mixed gas-feed section, 2), 비투과 가스 운송섹션(non-permeated gas-delivery section, 3) 및 상기 혼합가스 공급센션(2)과 비투과 가스 운송섹션(3)의 사이에 위치하는 중간섹션(middle section, 4)을 갖는다. 혼합가스 공급센션(2)은 혼합가스 공급입구(2a)를 가지며, 비투과 가스 운송섹션(3)은 비투과가스 운송출구(3a)를 갖는다. 중간섹션(4)은 투과가스 운송출구(permeated gas-delivery outlet, 5)를 가지며, 운반가스 공급입구(10)와 연결된다.
도 1은 다수의 혼합가스 분리용 중공섬유들(6)의 묶음을 또한 나타내고 있으며, 상기 중공섬유들의 각각은 쉘 부분과 상기 쉘부분에 의해 둘러싸여 있는 중공 부분을 포함하고, 상기 원통형 용기(1)의 중간부분(4)을 통해 연장(extending)되어 있다. 각각의 중공섬유(6)는 혼합가스 공급섹션(2)으로 열려있는 말단 부분과 비투과가스 운송섹션(3)으로 열려있는 반대쪽 말단 부분을 갖는다. 혼합가스 공급섹션(2), 비투과 가스 운송섹션(3) 및 중간섹션(4)은 한쌍의 제1의 중공섬유-지지 디스크(supporting disk, 8) 및 제2의 중공섬유-지지 디스크(7)에 의해 가스가 통하지 않게(gas-tightly) 각각 구획된다. 상기 제1의 디스크(8)는 혼합가스 공급섹션(2)으로 열려있는 중공섬유(6)의 말단 부분을 가스가 통하지 않게 지지하고, 혼합가스 공급섹션(2)과 중간섹션(4)을 가스가 통하지 않게 구획하며, 상기 제2의 디스크(7)는 비투과가스 운송섹션(3)으로 열려있는 중공섬유의 반대쪽 말단 부분을 가스가 통하지 않게 지지하며, 비투과가스 운송섹션(3)과 중간섹션(4)을 가스가 통하지 않게 구획한다.
상기 제1과 제2의 중공섬유-지지 디스크(8, 7)는 중공섬유들(6)이 각각 일정한 간격으로 배치하여 중공섬유들 사이에 연속공간(continuous space, 6a)이 남아있게 하는 방식으로 중공섬유들(6)의 말단부분들을 고정한다. 묶음안의 중공섬유들은 직선 또는 곡선의 형태일 수 있고, 각각에 대해 평행하게 또는 평행하지 않게 배열될 수 있다.
도 1에서, 운반가스 주입파이프(carrier gas-introduction pipe, 9)는 비투과 가스 운송섹션(3) 및 제2의 중공섬유-지지 디스크(7)를 통하여 중공섬유 묶음의 중앙부분에 삽입된다. 원통형 용기(1)의 외부로 연장된 상기 파이프(9)의 말단부분은 운반가스의 공급원(도 1에 도시되지 않음)과 연결되어 있고, 상기 파이프(9)의 반대쪽 말단은 제1의 중공섬유-지지 디스크(8)내로 삽입되어, 제1의 중공섬유-지지 디스크(8)에 의해 지지된다. 상기 파이프(9)의 반대쪽 말단은 막혀있다. 중공섬유 묶음의 중앙부분내에 삽입된 운반가스 주입파이프(9)는 상기 중간섹션(4)으로 향한 제2의 중공섬유-지지디스크(7)면에 근접하여 위치하는 상기 파이프(9)의 삽입부분내에 형성되어 균일하게 분포된 다수의 구멍들(apertures, 10)을 가진다. 상기 구멍들(10)은 운반가스 공급입구로서 작용한다. 상기 파이프(9)를 통해 공급된 운반가스는 상기 구멍들(10)을 통해 상기 중간섹션(4)내로 균일하게 주입되어, 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통해 흐르게 된다.
도 1에서, 혼합가스 분리용 막 모듈은 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간이 제1의 중공섬유-지지 디스크(8)에 근접하게 위치한 상기 중간섹션(4)의 투과가스 운송출구(5)에 연결되도록 중공섬유 묶음을 둘러싸고 있는 원통형 필름부재(cylindrical film member, 11)를 가진다.
도 1의 막 모듈의 중간섹션(4)에서, 투과가스 운송출구(5)는 제1의 중공섬유-지지 디스크(8)에 근접하게 위치하며, 운반가스 공급입구(구멍들, 10)는 제2의 중공섬유-지지 디스크(7)에 근접하게 위치하고, 운반가스 공급입구(구멍들, 10)를 통하여 중간섹션(4)내로 공급된 운반가스는, 중공섬유들(6) 사이에 형성되고 원통형 필름부재(11)에 의해 둘러싸인 연속공간(6a)을 통해 흐르게 된다. 상기 연속공간(6a)에서, 운반가스는 중공섬유들의 중공 부분들을 통한 혼합가스의 흐름에 역류하는 방향으로 흐른다.
도 1에서, 제2의 디스크(7)를 통해 연장되는 운반가스 주입파이프(9)는 막 모듈을 사용하는 조건하에서 상기 파이프(9)와 제1의 디스크(8)가 가스가 통하지 않게 결합되어 있는 한, 제1의 디스크(8)에 단단히 고정될 필요는 없다.
또한 도 1에서, 중간섹션(4)내에 도입된 운반가스가, 중공섬유들(6) 사이에 형성되고 원통형 막 부재(11)에 의해 둘러싸인 연속공간(6a)내에 균일하게 확산될 수 있는 한, 운반가스 주입파이프(9)가 삽입되어 있는 중공섬유 묶음의 중앙 빈공간(6a)은 실질적으로 중공섬유 묶음의 중앙부분내에 형성되며, 중공섬유 묶음의 정중앙 부분에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참고할 때, 혼합가스는 혼합가스 공급 입구(2a)를 통해 원통형 용기(1)의 혼합가스 공급섹션(2)내로 공급되며, 중공섬유들(6)의 중공 공간내에 균일하게 분포된다. 혼합가스가 중공 섬유들(6)의 중공부분을 통해 통과할 동안에, 중공섬유들(6)의 쉘(shell) 부분들에 대해 잔류 가스 분획의 투과성보다 더 높은투과성을 갖는 혼합가스의 가스 분획은 상기 쉘 부분들을 통하여 투과된다. 투과가스 분획은 상기 연속공간(6a)을 통하여 투과가스 운송출구(5)를 향해 흐른다.
동시에, 운반가스는 운반가스 주입파이프(9)와 다수의 구멍들(10)을 통하여 상기 중간섹션(4)내로 주입된다. 주입된 운반가스는, 투과가스 분획을 운반 가스로 희석하면서, 실질적으로 중공섬유들(6)을 따라 연속공간(6a)을 통해 흐르며, 이로써 중공섬유들의 투과면(연속 공간)내에 투과가스 분획의 농도가 감소되어, 중공섬유들(6)의 쉘부분들을 통한 투과 가스 분획의 투과율이 상승한다.
운반가스에 의해 희석된 투과가스 분획은 투과가스 운송출구(5)를 통해 상기 모듈의 외부로 운송된다.
중공섬유들의 중공 부분들을 통해 통과된 비투과 가스 분획은 비투과 가스 운송섹션(3)내에 수집되고, 비투과 가스 운송 출구(3a)를 통해 모듈의 외부로 운송된다.
도 1에 도시된 혼합가스 분리용 막 모듈의 실시예에 있어서, 운반가스 주입 파이프(9)는 제2의 디스크(7)를 통해 중간섹션(4)내로 삽입되며, 운반가스 공급 구멍들(10)은 중간섹션(4)내의 상기 파이프(9)의 삽입부분내에 형성된다. 그러나 운반가스 공급입구(10)의 위치는 도 1에서 도시된 것에 제한되지는 않는다. 바람직하게는 운반가스 공급입구(10)는 제2의 디스크(7)에 근접하여 위치한다.
도 2에서, 운반가스 주입파이프(9)는 비투과 가스 운송섹션(3)을 통해 제2의 디스크(7)내로 삽입된다. 상기 파이프(9)의 말단은 운반가스의 공급원(도 2에 도시되지 않음)과 연결되어 있고, 상기 파이프(9)의 반대쪽 말단은 제2의 디스크의 내부면에서 중공섬유 묶음의 중앙부분으로 열려있어 운반가스 공급입구를 형성한다. 즉, 이 경우에 운반가스 공급입구는 제2의 디스크(7)내에 형성된다. 운반가스가 운반가스 공급입구(10a)를 통해 중간섹션의 중앙부분내로 도입될 때, 도입된 운반가스는, 중공섬유들(6)사이에 형성되고 원통형 필름 부재(11)로 둘러싸인 연속공간(6a)내로 확산되어, 중공섬유들(6)의 중공 부분들을 통하여 흐르는 혼합가스의 흐름에 역류하는 방향으로 연속공간(6a)을 통해 흐른다.
도 3에서, 중공섬유 묶음은 중앙 빈공간을 가지고 있지 않으며, 따라서 중공섬유들(6)은 묶음내에서 균등하게 분포된다. 운반가스 공급 입구(10b)는 중간섹션(4)의 외주에 형성되며, 제2의 디스크(7)에 근접하여 위치한다. 원통형 필름 부재(11)는 그것의 말단이 원통형 용기의 중간섹션의 내주면으로부터 내부로 돌출된 고정부재(fixing member, 12)상에 고정되어 있다. 원통형 필름 부재(11)의 반대쪽 말단은 지지되지 않을 수 있다. 고정부재(12)는 운반가스 공급 입구(10b)와 투과가스 운송출구(5) 사이에서 운반가스 공급 입구(10b)에 근접하여 위치하며, 이로써 운반가스 공급 입구(10b)을 통해 중간섹션(4)내로 공급된 운반가스는, 중공섬유들(6) 사이에 형성되고 원통형 막 부재(11)에 의해 둘러싸여진 연속공간(6a)내로 균일하게 확산된다. 고정부재(12)는 중간섹션내로 공급된 운반가스가 투과가스 운송출구로 직접 통과하는 것을 방지하며, 바람직하게는 환(고리)의 형태이다.
도 4에 도시된 혼합가스 분리용 중공섬유들의 묶음의 다른 실시예에서, 다수의 중공섬유들(15, 16)은 원통형 용기의 세로축(17)을 둘러싸는 다수의 원통형 층들(도 4에 도시되지 않음)을 형성하도록 배열된다. 상기 중공섬유들의 원통형 층들은 원통형 용기의 세로축 주위를 바람직하게는 각각 동심적으로(concentrically) 배열되며, 실질적으로 각각 독립(분리)된 상태이다.
도 4에서, 다수의 중공섬유들(15, 16)의 묶음은 원통형 용기의 세로축(17)과 일치하는 세로 중심선(17)을 갖는 운반가스 주입 파이프(9) 주위에 형성된다. 이 경우에, 중공섬유들의 다수의 원통형 층들은 운반가스 주입 파이프(9)에 대해 동심적이다.
각각의 중공섬유들(15, 16)에서, 그것의 말단부분은 제1의 중공섬유-지지디스크(8)에 의해 지지되며, 이 말단은 원통형 용기의 혼합가스 공급섹션(도 4에는 도시되지 않음)으로 열려져 있으며, 각각의 중공섬유의 다른 말단 부분은 제2의 중공섬유-지지디스크(7)에 의해 지지되며, 도 4에서 도시된 것과 같이, 이 다른 말단은 원통형 용기의 비투과 가스 운송섹션(도 4에는 도시되지 않음)으로 열려져 있다.
중공섬유들의 원통형 층들의 각각에서, 중공섬유들은 제1과 제2의 중공섬유-지지디스크들 사이에서, 제1의 또는 제2의 중공섬유-지지디스크(8 또는 7)에서 서로 인접하여 배열된 각 쌍의 중공섬유들(15, 16)에 있어서, 중공섬유들의 쌍의 하나는 원통형 용기의 세로축에 대한 방향으로 경사져 있고, 중공섬유들의 쌍의 다른 하나는 원통형 용기의 세로축에 대해 상기에 언급된 중공섬유들의 쌍의 하나에 반대되는 방향으로 경사진 방식으로 연장된다. 또한 원통형 용기의 세로축에 평행되게 그어진 직선으로부터 중공섬유들의 원통형 층의 외주에 대한 중공섬유들의 경사 각도는 5∼30도, 바람직하게는 10∼25도이다.
중공섬유들의 각각의 원통형 층은 미국특허공보 제4,336,138호(티. 타니야마(T. Taniyama) 등)에 개시된 정렬방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 언급된 것 같이, 원통형 코아(18)는 세로축(18a) 부근에서 일정한 회전 속도로 화살표(18b)로 나타낸 방향으로 회전하며, 중공섬유(19)는 상기 코아(18)의 세로축(18a)과 평행하게 가로지르는 가이드부재(guide member, 19a)를 통하여 상기 코아(18)로 공급된다.
중공섬유(19)는 그 말단에서 상기 코아(18)의 좌측 말단 부분의 지점(18c)에고정되어 있으며; 원통형 코아(18)의 외주를 따라 상기 코아(18)의 우측 말단을 향하여 도 5에서 좌측에서 우측으로 연장되며; 상기 코아(18)의 말단 지점(18d)에 고정된다. 그 다음에 원통형 코아(18)가 고정된 회전속도로 회전하는 동안, 중공섬유(19)는 고정된 속도로 우측 말단 지점(18d)으로부터 좌측 말단 지점(18f)으로 향하며, 좌측 말단 지점(18f)에 고정된다.
직선(18e)이 상기 코아(18)의 세로축(18a)에 평행되게 상기 코아(18)의 외주에 그어질 때, 우측 말단 지점(18d)을 통하여, 좌측 말단 지점(18c)과 우측 말단 지점(18d) 사이에 위치한 상기 중공섬유(19)의 부분(19b)은 α1의 경사 각도로 상기 직선(18e)으로부터 위쪽으로 경사져 있으며, 좌측 말단 지점(18f)과 우측 말단 지점(18d) 사이에 위치한 상기 중공섬유(19)의 부분(19c)은 α2의 경사 각도로 상기 직선(18e)으로부터 아래쪽으로 경사져 있다.
코아(18)가 고정된 회전 속도로 회전하고, 중공섬유(19)는 고정된 속도로 가이드 부재(19a)의 가이드에 의해서 전진하므로, 코아(18)의 우측 말단 부분에서 서로 근접하게 위치하여 있는 중공섬유(19)의 (19b)와 (19c) 부분의 경사각 α1과 α2는 서로 동일하다. 경사각은 바람직하게는 5∼30도의 범위, 좀더 바람직하게는 10∼25도이다.
중공섬유의 원통형 층은 원통형 코아로부터 분리될 수 있고, 또한 원통형 코아는 운반가스 주입 파이프로서 사용될 수 있다.
중공섬유의 말단 부분은 중공섬유-지지 디스크에 의해서 지지되고, 열경화성 수지, 예를 들면 에폭시 수지로 지지 디스크에 결합된다. 지지 디스크의 외부로 연장된 결합된 말단 부분의 터미널 부분은 절단되어, 그 절단 말단은 도 4에 나타난 바와 같이 혼합가스 공급섹션(도시되지 않음) 또는 비투과가스 운송섹션(도시되지 않음)을 향해 열린 상태가 된다.
상기 기술된 구체예에 있어서, 제1의 중공섬유-지지 디스크와 제2의 중공섬유-지지 디스크의 사이에 배열된 각각의 개별적인 중공섬유는 두개 이상의 중공섬유들, 바람직하게는 2∼100개의 중공섬유들, 좀 더 바람직하게는 2∼50개의 중공섬유들, 훨씬 더 바람직하게는 2∼30개의 중공섬유들로 이루어진 그룹에 의해서 대체될 수 있고, 이 그룹에서 개개의 중공섬유들은 실질적으로 서로 나란히 배열되어 있고 중공섬유들 사이에 연속공간을 남기도록 실질적으로 서로 분리되어 있다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 개개의 중공섬유들은 실질적으로 서로 독립하여 배열되어 있다. 즉, 배열된 중공섬유들은 실질적으로 서로 분리되어 중공섬유들 사이에 연속공간을 남긴다. 본 발명의 모듈에 있어서, 운반가스가 중공섬유들 사이에서 공간을 통하여 실질적으로 균일하게 흐를 수 있는 한, 중공섬유들은 서로 접촉될 수 있다. 그러므로, 서로 접촉된 중공섬유들의 면적과 분포는 조절되어야만 한다. 도 4 및 도 5에 나타난 개별적인 중공섬유들의 경사진 배열은 접촉 면적을 줄이고, 접촉 분포를 균일하게 만들고, 그리고 중공섬유들 사이에 형성된 공간을 통하여 운반가스가 균일하게 흐르도록 하고, 모듈의 효과적인 혼합가스 분리용 막 면적을 넓고 일정하게 유지시키는데 도움이 된다. 경사각이 5도 미만일 경우, 서로 접촉하는 중공섬유들의 분포가 불균일함으로 인해 중공섬유들 사이의 공간을 통한 운반가스의 흐름이 불균일하게 될 수 있고, 경사각이 30도를 초과할 경우, 중공섬유들의 서로간의 접촉이 너무 많이 일어나므로써 혼합가스에 대한 운반가스의 역류방향 효과가 감소될 수 있다.
중공섬유 묶음이 큰 규모로 형성될 경우, 중공섬유는 원통형 용기의 세로축으로부터 경사진 방향으로 두개 이상의 중공섬유들로 이루어진 그룹으로 배열되는 것이 바람직하다. 이러한 경우에 있어서, 각각의 그룹에서 개별적인 중공섬유들은 서로 실질적으로 평행으로 배열되고 서로 실질적으로 분리된다. 또한, 중공섬유 그룹은 원통형 용기의 세로축 방향으로부터 경사진 방향으로 배열된다. 따라서 중공섬유 그룹의 경사진 배열은 개별적인 중공섬유들이 서로 접촉하는 영역을 감소시키고, 개별적인 중공섬유들이 서로 접촉하는 분포를 균일하게 만드는데 도움이 된다.
도 6A에서, 대체가능한 카트리지(20)는 도 1에 나타난 바와 같은 동일한 방식으로 서로 결합된 다수의 가스 분리용 중공섬유의 묶음(6), 제1의 중공섬유-지지디스크(8)와 제2의 중공섬유-지지 디스크(7) 및 원통형 필름 부재(11)로 형성된다.
카트리지(20)는 또한 양 말단이 제1의 디스크(8)와 제2의 디스크(7)에 가스가 통하지 않게 연결되어 있으며, 원통형 필름 부재(11)와 중공섬유 묶음을 둘러싸고 있는 원통형 덮개 부재(21)를 갖고 있다. 원통형 덮개 부재(21)는 개구(22)를 가지며, 이 개구를 통해 카트리지(20)의 내부가 투과가스 운송출구(5)에 연결된다.
하나의 구체예에 있어서, 카트리지(20)는 또한 중공섬유 묶음의 중앙 부분으로 삽입된 운반가스 주입 파이프 부재(9a)를 포함한다. 파이프 부재(9a)의 말단 부분은 제1의 디스크(8)내로 삽입되며, 폐쇄 말단을 갖고 있다. 파이프 부재(9a)의 반대쪽 말단 부분은 외부로 열려 있다. 파이프 부재(9a)의 반대쪽 말단 부분에 있어서, 다수의 구멍들(10)은 파이프 부재(9a)의 상기 반대쪽 말단에 근접하여 위치한다. 구멍들(10)은 운반가스 공급 입구로서의 역할을 한다.
도 6B에 따르면, 원통형 용기(1)는 서로 분리될 수 있는 혼합가스공급섹션-형성 부재(2b), 비투과가스 운송섹션-형성 부재(3b) 및 중간섹션-형성 원통형 부재(4a)로 형성된다. 혼합가스 공급섹션-형성 부재(2b)와 비투과가스 운송섹션-형성 부재(3b)중의 적어도 하나가 중간섹션-형성 원통형 부재(4a)로부터 분리될때, 카트리지는 중간섹션(4)내로 삽입될 수 있다.
하나의 구체예에 있어서, 비투과가스-운송섹션 형성 부재(3b)는 부재(3b)내로 삽입된 운반가스 주입 파이프 부재(9b)를 갖고 있고, 운반가스의 공급원(도 6B에 도시되지 않음)에 연결된 말단과 중간섹션(4)으로 열려 있는 반대쪽 말단을 갖고 있다. 도 6A에 나타난 카트리지가 원통형 용기(1)의 중간섹션(4)내에 세트될때, 파이프 부재(9b)의 열린 반대쪽 말단은 카트리지(20)의 파이프 부재(9a)의 열린 말단으로 가스가 통하지 않게 연결되어, 도 1에 나타난 바와 같이 운반가스 주입 파이프(9)를 형성한다.
대체가능한 카트리지는 모듈내의 가스 분리용 중공섬유의 성능이 저하되었을 때, 성능이 저하된 중공섬유를 쉽게 제거하고 사용된 카트리지를 새로운 카트리지로 대체하므로써 새로운 중공섬유로 대체할 수 있다는 이점이 있다. 또한 중공섬유 묶음은 쉽게 저장되고 운반될 수 있다. 그러므로 카트리지의 사용은 경제적인 이점을 가져온다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 혼합가스 분리용 중공섬유들의 묶음의 단면적에 대한 묶음내의 개개의 혼합가스 분리용 중공섬유들의 총단면적의 %비율로 표시되는 팩킹 지수는 30% 이상이 바람직하고, 35∼50%가 더 바람직하다.
운반가스 주입 파이프가 중공섬유 묶음의 중앙 부분에 삽입되는 경우, 중공섬유 묶음의 단면적은 묶음의 중앙 부분에 삽입된 운반가스 주입 파이프의 단면적을 제외한 것이다. 팩킹 지수가 30% 미만일 경우, 생성된 모듈의 혼합가스 분리 효능이 불충분할 수 있다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 중공섬유는 높은 가스 분리 특성 및 유기 용매에 대해 우수한 저항성을 나타내는, 일본 공개특허 공보 평 2-222,717호에 개시된 바와 같은 방향족 폴리이미드로 형성되는 것이 바람직하다.
혼합가스가 잔류 가스 분획의 투과도보다 가스 분리용 막에 대해 훨씬 더 높은 투과도를 갖는 가스 분획을 포함하는 한 혼합가스의 조성물에 제한은 없다. 혼합가스 분리용 막을 통과하는 가스 분획의 가스 투과도는 잔류 가스 분획의 투과도의 100배 이상으로 더 높은 것이 바람직하다.
바람직한 구체예에 있어서, 혼합가스는 수증기 및 유기물질 증기 또는 공기를 포함한다. 이러한 구체예에 있어서, 수증기는 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하여 혼합가스로부터 제거될 수 있다. 즉, 유기물질 가스 또는 공기는 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하여 탈수될 수 있다.
혼합가스 분리용 중공섬유와 유기 물질을 생성하는데 필요한 장치의 열저항성을 고려하여, 혼합가스는 주변 대기 압력하에서 0∼200℃의 비등점을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈 및 혼합가스 분리 방법은 에틸 알코올 또는 이소프로필 알코올의 탈수에 유리하게 적용되는데, 그 이유는 본 발명의 모듈과 방법의 탈수 효능은 종래의 증류-탈수 또는 다른 기구 및 방법의 효능보다 더 높기 때문이다. 이소프로필 알코올은 반도체 공업 및 화학 공업에서 널리 사용된다. 본 발명의 탈수 모듈 및 방법은 물을 포함하는 이소프로필 알코올을 사용하는 탈수-정제 방법에 유리하게 사용된다. 본 발명의 모듈과 방법에 사용되는 혼합가스에 있어서, 잔류 가스 분획에 대한 혼합가스로부터 제거되는 가스 분획의 혼합가스 분리용 막을 통한 투과도가 크면 클수록, 가스 분획을 각각 분리하는 효능은 높아진다. 투과율이 100 미만일 경우, 혼합가스는 만족스럽게 분리될 수 없다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈과 혼합가스 분리 방법에 있어서, 운반가스가 혼합가스로부터 투과에 의해서 제거되어야만 하는 가스를 포함하지 않거나 또는 혼합가스 분리용 막 모듈의 투과측에서의 투과가스-운반가스 혼합물에 함유된 제거되어질 가스의 분압이 혼합가스 분리용 막 모듈의 비투과측에서보다 낮게 되도록, 운반가스중에 제거되어질 가스가 저농도로 함유되어 있는 한, 운반가스는 특정 타입의 가스에 제한되지 않는다. 예를 들어, 질소 가스 또는 공기는 운반가스로서 사용될 수 있고, 질소 가스는 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈과 혼합가스 분리 방법에 유용한데, 그 이유는 질소 가스는 혼합가스가 유기 가스 또는 유기 증기를 포함할때 불연성 가스로서 유용하고, 혼합가스 분리용 막을 통하여 투과측으로부터 비투과측으로의 역투과가 어렵기 때문이다. 유기물질 증기가 탈수될 경우에, 가스 분리용 막을 사용하여 제조된 불활성 건조 가스, 건조 공기 또는 질소가 풍부한 공기는 운반가스로서 바람직하게 사용된다. 불활성 건조 가스는 질소 가스가 바람직하다. 또한, 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈 또는 혼합가스 분리 방법에 의해서 제거되어질 가스를 제거하므로써 얻어진 비투과가스의 일부는 운반가스 공급입구로 재순환되어 운반가스로서 사용될 수 있다.
본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈에 있어서, 원통형 용기와 운반가스 주입 파이프를 형성하는 재질은 필요한 가스-밀봉 특성 및 내압성을 갖는 한, 특정한 물질로 제한되지 않는다. 일반적으로 원통형 용기와 운반가스 주입 파이프(비투과가스-운송 섹션에 삽입된 파이프 부재와 중공섬유 묶음 카트리지에 배열된 다른 파이프 부재로 분리될 수 있는)는 금속 물질, 플라스틱 수지 또는 세라믹 물질로 만들어진다. 혼합가스를 분리시키기 위해서, 중공섬유들은 중공 섬유의 쉘부분을 투과하지 못하는 잔류 가스 분획에 대한 쉘부분을 투과하는 가스 분획의 가스 투과율이100 이상, 좀더 바람직하게는 200 이상, 가장 바람직하게는 500 이상을 나타내는 섬유-형성 중합체 물질로 만들어지는 것이 바람직하다. 혼합가스가 투과가스 분획으로서 수증기를 포함하고, 비투과가스 분획으로서 유기물질 증기를 포함할 경우, 중공섬유는 혼합가스에 대해 1×10-5㎤/㎠ㆍsecㆍcmHg 또는 그 이상, 좀 더 바람직하게는 약 5×10-1∼1×10-4㎤/㎠ㆍsecㆍcmHg, 훨씬 더 바람직하게는 약 0.5∼5.0×10-3㎤/㎠ㆍsecㆍcmHg의 수증기-투과율(P'H2O) 및 100 이상의 유기물질 증기 투과율(P'org)에 대한 수증기 투과율(P'H2O)의 투과율비(P'H2O)/(P'org)를 나타내는 것이 바람직하다. 중공섬유는 상기 기술된 가스 투과 특성을 갖는 방향족 폴리이미드 중공섬유로부터 선택되는 것이 바람직하다. 중공섬유들은 내부의 다공성 층과 외부의 조밀한 층으로 이루어진 비대칭 중공섬유일 수 있다.
투과율비가 100 미만일때, 중공섬유들은 혼합가스에 대한 가스 분리 특성에 있어서 만족스럽지 못하다.
중공섬유들은 외경이 300∼800㎛이고 50∼20㎛의 쉘두께를 갖는 것이 바람직하다.
제1의 중공섬유-지지 디스크와 제2의 중공섬유-지지 디스크는 높은 열 저항성 및 유기 용매에 대한 높은 저항성을 갖는 열경화성 수지, 예를 들어 폴리우레탄 수지, 페놀-포름알데히드 수지 및 에폭시 수지로 형성되는 것이 바람직하다.
원통형 필름 부재는 모듈내로 공급된 혼합가스가 실질적으로 투과하지 못하게 하거나, 또는 가스 투과성에 대해 높은 저항성을 갖는 필름 또는 포일 형성 물질, 예를 들어 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리아미드 필름, 폴리에스테르 필름 및 폴리이미드 필름과 같은 플라스틱 필름 및 스테인레스 스틸 포일과 같은 금속성 포일로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 기술된 필름과 포일들 중에서, 높은 열 저항성, 유기 용매 저항성 및 가공성을 갖는 폴리이미드 필름이 본 발명에 유리하게 사용된다. 본 발명의 원통형 필름 부재의 두께에는 어떠한 제한도 없다. 일반적으로 원통형 필름 부재는 20㎛∼0.5㎜, 좀더 바람직하게는 50㎛∼0.1㎜의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
원통형 필름 부재는 중공섬유의 묶음의 외주면의 총면적의 적어도 70%, 좀더 바람직하게는 85∼95%를 덮는 것이 바람직하다.
본 발명의 모듈의 구체예에 있어서, 원통형 필름 부재는 그 말단이 제2의 중공섬유-지지 디스크에 고정된다. 다른 구체예에 있어서, 원통형 필름 부재의 말단은 원통형 용기의 중간섹션의 내주면으로부터 내부로 돌출된 고정부재상에 고정되고, 운반가스 공급입구에 근접하여 위치하는 것이 바람직하다.
원통형 필름 부재는 투과가스가 혼합된 운반가스가 중공섬유의 중공 부분을 통한 혼합가스의 흐름에 대해 역류방향으로 흐르도록 촉진하고, 중간섹션으로 공급된 운반가스가 투과가스 운송출구로 짧게 이동하는 것을 방지한다. 제1의 중공섬유-지지 디스크와 제2의 중공섬유-지지 디스크를 포함한 중공섬유 묶음 및 원통형 필름 부재의 어셈블리는 다음의 방법에 의하여 제조될 수 있다.
다수의 중공섬유들의 묶음은 필름, 예를 들어 폴리에스테르 필름으로 싸여지고, 서로 마주하고 있는 싸여진 필름의 양 끝부분이 서로 연결되어 원통형 필름 부재를 형성한다. 중공섬유 묶음과 원통형 필름 부재가 결합된 말단 부분들을 결합 수지, 예를 들어 에폭시 수지로, 결합 수지가 중공섬유의 말단 부분들 사이로 침투하여 중공섬유들을 서로 분리시키도록 부착하여, 디스크 형태로 형성한다. 제1의 중공섬유-지지 디스크와 제2의 중공섬유-지지 디스크가 형성된다. 원통형 필름 부재의 말단 부분은 제2의 디스크에 고정된다. 중공섬유 묶음의 반대쪽 말단 부분은 상기와 같은 동일한 방법으로 결합 수지로 결합되어 제1의 중공섬유-지지 디스크를 형성한다. 원통형 필름 부재의 반대쪽 말단은 제1의 디스크로부터 간격을 유지하고, 제1의 디스크에 고정되지 않는다. 그리고 나서 제1의 디스크와 제2의 디스크의 바깥면 부분을 절단하여, 중공섬유의 말단이 외부로 열리게 한다.
제조된 어셈블리에 있어서, 중공섬유들 사이에 연속공간이 형성되고, 이 연속공간은 원통형 필름 부재의 반대쪽 프리 말단과 제1의 중공섬유-지지 디스크 사이에 있는 갭을 통하여 외부로 연결된다.
운반가스 주입 파이프가 모듈 내에 포함된 경우, 중공섬유의 묶음이 바람직한 두께로 상기 운반가스 주입 파이프 주위에 형성되어, 필름으로 싸여진다.
제2의 중공섬유-지지 디스크는 결합 수지로 형성되어, 운반가스 주입 파이프의 열린 말단 부분이 제2의 디스크를 통하여 삽입되어 외부로 열려지며, 파이프의 폐쇄 말단 부분은 제1의 디스크로 삽입되어 이것에 의해서 지지된다.
도 6A에 나타난 중공섬유 묶음 카트리지가 사용될 경우, 카트리지의 외주는 플라스틱 수지, 예를 들어 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드,폴리에스테르 또는 폴리이미드 수지, 또는 금속, 예를 들어 스테인레스 스틸로 만들어진 원통형 덮개 부재에 의해서 덮여진다.
도 7에 따르면, 혼합 가스로부터 수증기를 제거하고, 유기물질 증기를 수집하기 위하여 운반가스 주입 파이프를 포함하는 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈내로 수증기와 유기물질 증기를 포함하는 혼합가스가 공급될 경우, 물과 휘발성 유기물질을 포함하는 혼합 액체(30)가 혼합 액체-저장 탱크(31)로부터 액체 펌프(33)를 통하여 히터(32a)를 갖춘 증발기(32)로 공급된다. 증발기(32)에서 혼합 액체(30)는 히터(32a)에 의하여 가열되고, 수증기와 유기물질 증기를 포함하는 혼합가스로 증발된다. 혼합가스는 슈퍼히터(35)를 통하여 증발기(32)로부터 혼합가스 분리용 막 모듈(34)로 선택적으로 공급되고, 여기에서 혼합가스는 수증기와 유기물질 증기가 응축되지 않는 온도까지 과열된다. 과열된 혼합가스는 혼합가스 공급입구(2a)를 통하여 혼합가스 공급섹션(2)으로 공급되고, 중공섬유(6)의 중공 부분내로 균일하게 분포되어, 중공섬유의 중공 부분을 통과하며, 이 과정에서 혼합가스에 있는 수증기 분획이 중공섬유의 쉘부분을 통하여 투과되어, 중공섬유들(6) 사이에 있는 연속공간(6a)으로 확산된다. 동시에, 수증기가 없는 건조 운반가스는 바람직한 온도까지 히터(36)로 가열되어, 혼합가스 분리용 막 모듈(34)의 운반가스 주입 파이프(9)로 공급되고, 그 다음에 운반가스 공급입구로서의 역할을 하는 다수의 구멍들(10)을 통하여 중공섬유들 사이에 있는 연속공간(6a)으로 도입된다. 운반가스는 연속공간(6a)을 통하여 중공섬유들의 중공 부분내에서의 혼합가스의 흐름 방향에 대해 역류방향으로 흘러서 중공섬유들 사이에 있는 연속공간으로 확산된 투과수증기를 희석시켜, 막의 투과측에서 수증기의 분압을 감소시키고, 중공섬유의 쉘부분을 통과하는 수증기의 투과를 촉진하게 된다. 운반가스로 희석된 수증기는 원통형 필름 부재(11)에 의해 둘러싸여진 연속공간을 통하여 흘러, 투과가스 운송출구를 통하여 운송된다.
비투과 유기물질 증기는 비투과가스 섹션(3)에 의하여 중공섬유들(6)의 중공 부분으로부터 수집되어, 비투과가스 운송 출구(3a)를 통하여 운송된다.
모듈(34)로부터 운송된 수증기-운반가스 혼합물은 냉각기(37)에서 냉각되어 수증기가 응축되고, 응축수로부터 운반가스가 분리된다. 응축수는 물탱크(38)에서 저장되고, 응축수로부터 분리된 운반가스는 탱크, 밸브(39) 및 진공 펌프(40)을 통하여 회수된다. 진공 펌프(40)은 모듈(34)의 투과측의 압력을 감소시키기 위하여 사용된다. 탱크(38)에 있는 물은 밸브(41)를 통하여 방출될 수 있다.
모듈(34)로부터 운송된 비투과 유기물질 증기는 냉각기(42)로 공급되어, 거기서 비투과 유기물질 증기가 응축된다. 응축된 유기물질은 탱크(43)에 저장되고 밸브(44)를 통하여 탱크(43)로부터 운송된다.
혼합가스는 70℃ 이상의 온도에서 혼합가스 분리용 막 모듈로 공급되는 것이 바람직하다. 중공섬유는 1×10-5㎤/㎠ㆍsecㆍcmHg 또는 그 이상의 수증기-투과율(P'H2O), 그리고 100 또는 그 이상의 투과율비(P'H20/P'org)를 나타내는 것이 바람직하다.
혼합가스를 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하여 탈수시키는 본발명의 방법에 있어서, 수증기를 포함하는 혼합가스는 모듈에 공급되어 중공섬유들의 중공 부분들을 통하여 흐르게 되며, 그 동안 모듈의 투과측의 압력은 중공섬유들의 쉘부분을 통한 수증기의 투과를 촉진시키기 위하여 진공 펌프를 사용하여 감소되는 동시에, 임의로 히터에 의해서 예열된 운반가스로 투과 수증기를 희석하고 중공섬유들의 쉘부분을 통한 수증기의 투과를 촉진시키기 위하여 불활성 건조 운반가스(예를 들어, 질소 가스)가 모듈의 투과측으로 공급된다.
유기 물질 증기를 포함하는 비투과가스는 중공섬유들의 중공 부분들로부터 수집되어 모듈로부터 운송된다. 비투과가스는 상당히 감소된 물 함량을 갖는다. 그러므로, 비투과가스의 일부는 모듈에서 재순환되어, 운반가스로서 사용될 수 있다.
도 7에 나타낸 방법에 있어서, 모듈(34)로부터 비투과가스로서 운송된 유기물질 증기는 냉각기(42)에 의해서 냉각-응축되고, 응축된 유기물질 액체는 액체 탱크(43)에서 수집되는 것이 바람직하다. 또한, 중공섬유들의 쉘부분을 통과하여 투과된 수증기는 운반가스로 희석되고, 수증기/운반가스 혼합물은 모듈(34)로부터 운송되고, 냉각기(37)에 의해서 냉각되어 수증기를 응축시키고 응축수로부터 운반가스를 분리시킨다. 응축수는 수집되어 탱크(38)에서 저장되며, 탱크(38)로부터 혼합가스 분리용 시스템의 외부로 방출된다.
혼합가스의 혼합 액체는, 혼합액체로부터 혼합가스를 생성시키기 전에, 혼합액체로부터 고체 입자, 높은 비등점 물질 및 용해된 금속을 제거하기 위하여, 예를 들어, 이온교환수지처리, 증류정제처리 및 여과처리에서 선택된 적어도 하나의 정제처리에 의해서 정제될 수 있다. 또한 비투과가스가 모듈(34)로부터 수집되어, 냉각기(42)에 의하여 응축(액화)된 후에, 응축물로부터 고체 물질, 높은 비등점의 불순물 및 용해된 금속을 제거하기 위하여, 응축물은 선택적으로 예를 들어 이온교환수지처리, 증류처리 및 여과처리로부터 선택된 정제처리를 거치게 된다.
이온교환수지 처리에 있어서, 불순물이 음이온일때 음이온 교환수지가 사용되고, 불순물이 양이온일때 양이온 교환수지가 사용된다. 또한, 불순물이 음이온 물질과 양이온 물질을 포함할 경우, 일정한 혼합비의 음이온 수지와 양이온 수지의 혼합물이 사용된 혼합이온 교환 컬럼이 사용되는 것이 바람직하다.
증류처리에 있어서, 증류 컬럼에는 증류 컬럼의 상단에 근접하게 배열된 환류 응축기가 장착되는 것이 바람직하다. 환류 응축기는 증류-정제 공정의 정제 효율을 증가시키는데 도움이 된다.
여과처리에 있어서, 입자-제거 필터가 사용되는 것이 바람직하다.
실시예
본 발명은 다음의 실시예에 의해서 더 설명될 것이다.
실시예 1
혼합가스 분리용 시스템을 나타내는 도 5에 따르면, 혼합가스는 저장탱크(31)로부터 액체 펌프(33)을 통하여 95.13중량%의 이소프로필 알코올과 4.87중량%의 물을 포함하는 혼합 액체를 증발기(32)로 공급하므로써 제조되었다. 증발기(32)에서, 혼합액체는 히터(32a)에 의해서 가열-증발되고; 생성된 혼합 가스는 슈퍼히터(35)에 의해서 120℃의 온도까지 과열되었으며; 과열된 혼합가스는 혼합가스 분리용 막 모듈(34)로 공급되었다. 막 모듈(34)은 10중량%의 수증기와 90중량%의 이소프로필 알코올 증기를 포함하는 혼합가스를 130℃의 온도에서 2kg/㎠G의 압력으로 모듈에 공급하고, 모듈의 투과측 압력을 4mmHg까지 감소시키는 조건하에서, 1.9㎡의 가스 투과 총표면적을 지니고 1.0×10-3㎤/㎠ㆍsecㆍcmHg의 수증기-투과율(P'H2O) 및 3.3×10-7㎤/㎠ㆍsecㆍcmHg의 이소프로필 알코올 증기-투과율(P'org)을 나타내는 한묶음의 방향족 폴리이미드 중공섬유를 포함한다. 중공섬유들은 내부 다공층과 외부 조밀층으로 이루어지는 비대칭 구조를 갖는다.
모듈(34)에서, 과열된 혼합가스는 혼합가스 공급입구(2a)를 통하여 혼합가스 공급섹션(2)으로 공급되어 혼합가스가 중공섬유들의 중공 부분들을 통하여 비투과가스 운송섹션(3)으로 흐르도록 하는 동시에, 혼합가스중의 수증기 분획이 중공섬유들(6)의 쉘부분을 통하여 선택적으로 투과되도록 하였다. 동시에, 건조 질소 가스는 히터(36)에서 120℃의 온도까지 가열되어, 운반가스 주입 파이프(9)로 공급되었다. 운반가스는 파이프(9)에 형성된 다수의 구멍들을 통하여, 중공섬유들(6) 사이에 형성되고 원통형 폴리이미드 필름 부재(11)에 의하여 둘러싸인 연속공간(6a)내로 주입되었다. 주입된 운반가스는 연속공간(6a)을 통하여 실질적으로 비대칭 중공섬유를 따라서 흐르면서, 모듈(34)의 투과측에 있는 연속공간(6a)내로 확산하는 투과 수증기를 희석시킨다. 모듈(34)의 투과측의 압력은 주입 타입 진공 장치(40)에 의해서 100mmHg까지 감소되었다.
운반가스/투과 수증기 혼합물은 모듈(34)로부터 투과가스 운송출구(5)를 통하여 운송되었고, 냉각기(37)에 의하여 20℃의 온도까지 냉각되어 수증기를 응축시키고, 응축수로부터 운반 (질소) 가스를 분리하였다. 응축수는 탱크(38)에 저장되었고, 분리된 운반 (질소) 가스는 탱크(38)로부터 진공 펌프(40)를 통하여 시스템의 외부로 운송되었다. 또한, 비투과가스(물 함량이 감소된 이소프로필 알코올 증기)는 모듈(34)로부터 비투과가스-운송출구(3a)를 통하여 운송되었고, 냉각기(42)에 의하여 냉각되었다. 응축된 이소프로필 알코올은 생산물 탱크(43)에 저장되었다.
탈수 조건과 상기 기술된 방법의 결과들을 표 1에 나타내었다.
비교예 1
원통형 용기에 운반가스 공급입구가 없고, 따라서 운반가스가 모듈로 공급되지 않으며, 원통형 필름 부재가 중공섬유 묶음 주위에 배열되지 않고, 혼합가스 분리 조건들이 표 1에 나타난 것과 같은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 혼합가스 분리용 시스템을 사용하여 실시예 1에서와 동일한 탈수 방법들이 수행되었다.
탈수 결과는 표 1에 나타내었다.
비교예 2
원통형 용기에 운반가스 공급입구가 없고, 따라서 운반가스가 모듈에 공급되지 않으며, 혼합가스 분리 조건들이 표 1에 나타난 것과 같은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 혼합가스 분리용 시스템을 사용하여 실시예 1에서와 동일한 탈수 방법들이 수행되었다.
탈수 결과는 표 1에 나타내었다.
비교예 3
원통형 필름 부재가 혼합가스 분리용 부재 모듈에 배열되지 않고, 혼합가스 분리 조건들이 표 1에 나타난 것과 같은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 혼합가스 분리용 시스템을 사용하여 실시예 1에서와 동일한 탈수 방법들이 수행되었다.
탈수 결과는 표 1에 나타내었다.
표 1은 운반가스가 적용되지 않을 경우에는, 중공섬유 묶음을 둘러싸는 원통형 필름 부재의 배열이 실질적으로 탈수 효율의 증가에 있어서 효과가 없다는 것을 나타낸다. 본 발명의 혼합가스 분리용 막 모듈과 혼합가스 분리 방법에 있어서, 원통형 필름 부재는 중공섬유 묶음의 주위에 배열되어 있고, 운반가스는 원통형 필름 부재에 의해서 둘러싸여 있는 연속공간으로 공급되므로써, 혼합가스에 대한 탈수 효과가 매우 높고, 따라서 실시예 1에 있어서, 생성된 비투과가스는 기대하지 않은 낮은 수분 함량을 갖고 있다.
특정의 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하는 본 발명에 있어서, 혼합가스는 높은 효율로 성분 가스 분획들로 분리될 수 있다. 특히 상대적으로 낮은 막 표면적을 갖는 소규모의 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하여, 높은 효율, 즉 혼합가스 분리용 막의 투과 표면적 단위당 높은 수증기 투과율로 매우 높은 건조도, 즉 상당히 낮은 수증기 함량을 갖고 있는 건조 유기물질 증기를 쉽게 얻을 수 있다.

Claims (20)

  1. 다음의 (1), (2), (3) 및 (4)를 포함하는 혼합가스 분리용 막 모듈:
    (1) 혼합가스 공급 입구를 갖는 혼합가스 공급섹션과, 비투과 가스 운송 출구를 갖는 비투과 가스 운송섹션 및 상기 혼합가스 공급섹션과 비투과 가스 운송섹션의 사이에 위치하며 운반가스 공급입구와 투과가스 운송출구를 갖는 중간섹션을 갖는 원통형 용기;
    (2) 다수의 혼합가스 분리용 중공 섬유 묶음, 여기서 상기 중공 섬유의 각각은 쉘 부분과 상기 쉘부분에 의해 둘러싸여 있는 중공 부분을 포함하고, 상기 원통형 용기의 중간섹션을 통해 연장되어 있으며, 각각 혼합가스 공급섹션으로 열려있는 말단 부분과 비투과가스 운송섹션으로 열려있는 반대쪽 말단 부분을 갖는다;
    (3) 한쌍의 제1의 중공 섬유-지지 디스크와 제2의 중공섬유-지지 디스크, 여기서 상기 제1의 중공섬유-지지 디스크는 혼합가스 공급섹션으로 열려있는 중공섬유의 말단 부분을 지지하며, 혼합가스 공급섹션으로부터 중간섹션을 구획하고, 상기 제2의 중공섬유-지지 디스크는 비투과가스 운송섹션으로 열려있는 중공섬유의 반대쪽 말단 부분을 지지하며, 비투과가스 운송섹션으로부터 중간섹션을 구획하고,
    상기 제1과 제2의 중공섬유-지지 디스크는 중공섬유들이 실질적으로 서로 독립적이되어 중공섬유들 사이에 연속공간이 남아있게 하는 방식으로 중공섬유들을 지지한다;
    (4) 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간이 중간섹션의 투과가스 운송출구에 연결되도록 중공섬유 묶음을 둘러싸고 있는 원통형 필름 부재, 여기서, 중간섹션에서 투과가스 운송출구는 제1의 중공섬유-지지 디스크에 근접하게 위치하며, 운반가스 공급출구는 제2의 중공섬유-지지 디스크에 근접하게 또는 제2의 중공섬유-지지 디스크내에 위치하므로써, 운반가스 공급출구를 통하여 중간섹션내로 공급된 운반가스는 원통형 필름부재에 의해 둘러싸인 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통하여 중공섬유들의 중공 부분을 통한 혼합가스의 흐름에 역류하는 방향으로 흐르게 된다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원통형 필름부재는 중공섬유 묶음의 외주면의 총면적중 적어도 70%를 덮고있는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 원통형 필름부재의 말단은 제2의 중공섬유-지지 디스크에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 원통형 필름부재의 말단은 원통형 용기의 중간섹션의 내주면으로부터 내부로 돌출된 고정부재상에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 혼합가스 분리용 중공섬유들은 원통형 용기의 세로축을 둘러싸는 다수의 원통형 층들을 형성하도록 배열되어 있으며,
    상기 각각의 원통형 층에 있어서 중공섬유들 또는 중공섬유 그룹들은 개별적으로 또는 2이상의 중공섬유들로 구성된 그룹의 형태로 서로 실질적으로 평행되게 연장되어 있고, 제1의 중공섬유-지지디스크와 제2의 중공섬유-지지디스크 사이에서 그리고 원통형 층내에서 실질적으로 서로 독립적이어서, 제1의 중공섬유-지지디스크 또는 제2의 중공섬유-지지디스크에서 서로 인접하게 배열된 각 쌍의 개별적인 중공섬유들 또는 중공섬유 그룹들에 있어서 개별적인 중공섬유들 또는 중공섬유 그룹들의 쌍중의 하나는 원통형 용기의 세로축에 대한 방향으로 경사져 있고, 다른 하나는 원통형 용기의 세로축에 대해 상기한 중공섬유들의 쌍중의 하나와 반대되는 방향으로 경사져 있으며,
    각각의 개별적인 중공섬유들 또는 중공섬유 그룹들의 경사 각도는 원통형 용기의 세로축에 평행되게 그어진 직선으로부터 원통형 층의 외주에 대해 5∼30도인 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 운반가스 주입파이프를 더 포함하며, 상기 운반가스 주입파이프를 통하여 운반가스 공급원은 제2의 중공섬유-지지디스크를 통하는 중공섬유 묶음의 실질적으로 중앙부분에 연결되며, 이에 의해 운반가스는 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통해 상기 중앙부분으로부터 투과가스 운송출구을 향해 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 혼합가스 분리용 중공섬유들의 묶음의 단면적에 대한 상기 묶음내의 개개의 혼합가스 분리용 중공섬유들의 총단면적의 %비율로 표시되는 팩킹지수는 30% 이상인 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  8. 제6항에 있어서, 상기 운반가스 주입파이프는 중공섬유 묶음의 중앙부분으로 삽입되며, 상기 파이프의 삽입된 부분은 폐쇄말단과 파이프중 제2의 중공섬유-지지디스크에 근접한 부분에 형성된 다수의 구멍들을 가지며, 상기 파이프의 구멍들을 통하여 원통형 용기의 중간섹션내로 운반가스가 주입되어, 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통해 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 중공섬유 묶음의 중앙부분으로 삽입된 운반가스 주입파이프의 단면적을 제외한 혼합가스 분리용 중공섬유들의 묶음의 단면적에 대한 상기 묶음내의 개개의 혼합가스 분리용 중공섬유들의 총단면적의 %비율로 표시되는 팩킹지수는 30% 이상인 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 혼합가스 분리용 중공섬유들은 방향족 폴리이미드 중공섬유들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 혼합가스 공급입구는 수증기와 유기물질 증기를 포함하는 혼합가스의 공급원에 연결되고, 상기 중공섬유들은 방향족 폴리이미드 중공섬유들로부터 선택되며; 운반가스 공급입구는 건조 불활성 가스 또는 비투과가스 운송출구를 통하여 운송된 비투과가스 분획의 일부를 포함하는 운반가스 공급원에 연결되며; 투과가스 운송출구는 압력감소 수단에 연결되므로써, 상기 수증기는 방향족 폴리이미드 중공섬유들을 통하여 유기물질 증기로부터 분리되어, 투과가스로서 운반가스와 함께 운송되며, 수증기의 함량이 감소된 유기물질 증기는 비투과가스로서 수집되는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  12. 제1항에 있어서, 상기 원통형 용기는 적어도 하나의 제거가능한 말단 부분을 가지며, 상기 중공섬유 묶음과 제1의 중공섬유-지지디스크와 제2의 중공섬유-지지디스크 및 원통형 필름 부재는 대체가능한 카트리지를 형성하기 위하여 결합되는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리용 막 모듈.
  13. 다음의 (1), (2), (3) 및 (4)의 단계들을 포함하는, 제1항 내지 제12항중 어느 한항에 따른 혼합가스 분리용 막 모듈을 사용하여 혼합가스를 분리하는 방법:
    (1) 제1의 가스 분획과 제2의 가스 분획을 포함하는 혼합가스를 혼합가스 공급입구를 통하여 원통형 용기의 혼합가스 공급섹션내로 공급하며, 혼합가스가 중공섬유들의 중공부분을 통하여 흐르게 하고, 중공섬유들의 쉘 부분을 통과하는 제1의 가스 분획의 투과율이 중공섬유들의 쉘 부분을 통과하는 제2의 가스 분획의 투과율에 대한 비율로서 100 이상의 투과율을 가지게 하여, 제1의 가스 분획을 중공섬유들의 쉘 부분을 통하여 투과시키는 단계;
    (2) 동시에, 원통형 용기의 중간섹션의 압력을 감소시키면서 운반가스 공급입구를 통하여 운반가스를 원통형 용기의 중간섹션내로 공급하며, 공급된 운반가스가 중공섬유들 사이에 형성된 연속공간을 통하여 투과가스 운송출구를 향하여 흐르게 하여, 투과된 제1의 가스 분획을 상기 운반가스로 희석시키는 단계;
    (3) 운반가스로 희석된 투과된 제1의 가스 분획을 투과가스 운송출구를 통하여 운송하는 단계;
    (4) 중공섬유들의 중공 부분을 통과하여 비투과가스 운송출구를 통하여 비투과가스 운송 섹션으로 수용되는 비투과된 제2의 가스 분획을 수집하는 단계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 혼합가스는 제1의 가스분획으로서 수증기와, 제2의 가스분획으로서 주위압력하에서 0∼200℃의 비등점을 갖는 적어도 하나의 유기물질 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리방법.
  15. 제14항에 있어서, 제2의 가스 분획으로서의 상기 유기물질은 이소프로필알코올을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리방법.
  16. 제13항에 있어서, 수집된 비투과된 제2의 가스분획은 운반가스 공급입구로 재순환되어 운반가스로서 사용되는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 운반가스는 질소가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 혼합가스는 제1의 가스 분획으로서 수증기를 포함하고, 제2의 가스 분획으로서 이소프로필알코올 증기를 포함하며; 상기 중공섬유들은 방향족 폴리이미드 중공섬유들로부터 선택되며; 상기 운반가스는 건조 불활성가스를 포함하며, 상기 수증기는 방향족 폴리이미드 중공섬유들의 쉘부분을 통하여 이소프로필알코올 증기로부터 분리되어, 투과가스로서 운반가스와 함께 운송되며, 수증기의 함량이 감소된 이소프로필알코올 증기는 비투과가스로서 수집되는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리방법.
  19. 제13항에 있어서, 혼합가스를 상응하는 혼합액체로부터 제조하기 전에, 상기 혼합액체에 대해 이온교환수지처리, 증류처리 및 여과처리로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 정제처리를 하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 수집된 비투과된 가스 분획을 액화공정으로 처리한 다음, 이온교환수지처리, 증류처리 및 여과처리로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 정제처리를 하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리방법.
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