KR100864674B1

KR100864674B1 - Oil dehydrator

Info

Publication number: KR100864674B1
Application number: KR1020047002974A
Authority: KR
Inventors: 마이클 알. 스피어맨; 존 에이치. 벌반; 매튜스 썬딜; 마지드 지아
Original assignee: 포러스메디아코오퍼레이션
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2008-10-23
Also published as: MXPA04001895A; JP2005501168A; EP1442100A1; EA200400347A1; BR0117116A; HK1072068A1; EA006273B1; AU2001286733B2; EP1442100A4; UA77436C2; KR20040039312A; CN1318545C; NO20041278L; CN1558941A; CA2458957A1

Abstract

본 발명은 오일과 같은 저비점의 액체로부터 유리, 유화 또는 용해된 물을 제거하는 방법 및 그 장치를 제공한다. 저비점 액체는 액체 스트림을 반투과 맴브레인과 접촉시킴으로서 제거된다. 맴브레인은 분리 챔버를 유체 스트림이 공급되는 공급면과 물이 제거되는 투과면으로 나눈다. 챔버의 투과면은 진공 상태를 통해서 또는 스위프 가스를 사용하여 물의 저분압에서 유지된다. The present invention provides a method and apparatus for removing glass, emulsified or dissolved water from a low boiling liquid such as oil. Low boiling liquids are removed by contacting the liquid stream with the semipermeable membrane. The membrane divides the separation chamber into a supply surface through which a fluid stream is supplied and a transmission surface through which water is removed. The permeate side of the chamber is maintained at low partial pressures of water through vacuum or using sweep gas.

Description

Oil Dehydrator {OIL DEHYDRATOR}

본 발명은 일반적으로 윤활 및 유압 산업에 관한 것으로, 특히 오일로부터, 더 일반적으로는 저휘발성의 액체로부터 유리, 유화 또는 용해된 물을 제거에 사용되는 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates generally to the lubrication and hydraulic industry, and more particularly to apparatus and methods used for removing glass, emulsified or dissolved water from oils, more generally from low volatility liquids.

오일은 윤활 및 유압 시스템에서 사용된다. 오일 중에 물이 존재하면, 이는 이러한 시스템, 이러한 시스템 및 이러한 시스템의 작동에 악영향을 부여한다. 물이 윤활 또는 유압 시스템에 혼입되어 들어가면, 부식; 오일 산화, 화학적 소모, 피로 수명의 저하가 일어나는 것이 알려져 있다. 이들 악영향은 직접적으로 유리수, 에멀젼수 또는 용해된 형태로 존재하는 물에 기인한다. Oil is used in lubrication and hydraulic systems. If water is present in the oil, this adversely affects such a system, such a system and its operation. Corrosion if water enters the lubrication or hydraulic system; Oil oxidation, chemical consumption and fatigue life are known to occur. These adverse effects are directly attributable to free water, emulsion water or water present in dissolved form.

따라서, 윤활 및 유압 시스템의 최적 수행성을 제공하기 위하여 오일로부터 물을 제거하기 위한 수많은 연구가 행하여져 왔다. 혼입된 물을 제거하기 위해 사용되는 장치 및 시스템으로서는 침전 탱크 또는 침전지, 원심분리기, 흡수 필터 및 진공 탈수 오일 정화기를 들 수 있다. 그러나, 이들은 논의되는 바와 같이, 수분 제거능, 작동의 용이성, 자본 비용 또는 작동 비용의 어느 하나에 심각한 문제가 있다. Thus, numerous studies have been conducted to remove water from oil to provide optimum performance of lubrication and hydraulic systems. Devices and systems used to remove entrained water include settling tanks or settling basins, centrifuges, absorption filters, and vacuum dewatering oil clarifiers. However, as discussed, they have serious problems with either moisture removal ability, ease of operation, capital cost or operating cost.

침전 탱크는 그들의 밀도 및 중력 침전 차이에 기초로 하여 오일로부터 “유리수”의 대부분을 제거한다. “유리수”를 효과적으로 제거하기 위하여, 침전 탱크는 오랜 저류 시간 및 유효량의 바닥 공간이 요구된다. 그러나, 이들은 오일-물의 에멀젼의 분리에는 효과적이지 못하고, 용해된 물을 제거하는 데에는 가능하지 않다. Sedimentation tanks remove most of the “free water” from the oil based on their density and gravity sedimentation differences. In order to effectively remove “free water”, settling tanks require long storage times and an effective amount of floor space. However, they are not effective for separation of oil-water emulsions and are not possible to remove dissolved water.

원심분리기는 유체에 원심력을 부여하여 효과적으로 중력을 상승시킴으로서 오일로부터 물의 중력 침전을 가속시킨다. 원심분리는 오일로부터 유리수를 제거하는데 효과적이다. 그러나, 이들 원심분리기는 일반적으로 고가이며, 오일-물 에멀젼을 분리하는 것의 한계를 가진다. 이들은 용해된 물을 오일로부터 제거할 수는 없다. Centrifuges accelerate the gravity precipitation of water from oil by applying centrifugal force to the fluid to effectively increase gravity. Centrifugation is effective to remove free water from oil. However, these centrifuges are generally expensive and have the limitations of separating oil-water emulsions. They cannot remove the dissolved water from the oil.

흡수 필터는 오일로부터 물을 흡수하는 특수 필터 메이어를 사용한다. 물이 흡수됨에 따라, 메이어는 팽창하여 유속이 제한되고, 필터를 통한 압력저하가 일어난다. 압력저하가 예정된 수준에 도달하면, 흡수필터는 제거되어 폐기되고, 새로운 필터로 교체되어야 한다. 이들 흡수 필터는 물을 제거하는 데 효과적이나, 유화되거나 용해된 물을 오일로부터 제거하는 데에는 그의 효과가 한계가 있다. 또한, 흡수필터는 물에 제한된 능력이 있을 뿐이다. 따라서 이들은 일단 물로 포화되면 교체되어야 한다. 따라서, 이들은 극미량의 물이 존재하는 경우에만 전형적으로 사용될 수 있다. 이들 흡수필터를 적용할 때, 물 농도가 높으면, 흡수필터의 연속 교체비용이 매우 높게 된다. Absorption filters use special filter mayers that absorb water from oil. As the water is absorbed, the mayer expands to limit the flow rate, causing a pressure drop through the filter. Once the pressure drop reaches a predetermined level, the absorbent filter must be removed, discarded and replaced with a new filter. These absorption filters are effective in removing water, but their effects are limited in removing emulsified or dissolved water from oil. In addition, the absorption filter has only limited capacity for water. Therefore, they must be replaced once saturated with water. Thus, they can typically be used only when trace amounts of water are present. When applying these absorption filters, when the water concentration is high, the continuous replacement cost of the absorption filter becomes very high.

각종 진공 탈수 오일 정화기가 오일 탈수에 사용되어 왔다. 이들은 일반적으로 진공 증류, 오일에서 다량의 수분을 건조 공기로 이송, 또는 이들 2종의 조합의 원리로 작동된다. Various vacuum dewatering oil purifiers have been used for oil dewatering. They generally operate on the principle of vacuum distillation, transfer of large amounts of moisture from oil to dry air, or a combination of the two.

진공 증류에 있어서, 진공은 물의 비점을 저하시키는 것에 적용된다. 예를 들면, 물의 비점은 1013 mmH2O (29.92“ Hg) 기압(표준 대기압)에서 100℃(212℉)이나, 100 mmH2O) (약 26“ Hg 진공)에서는 단지 50℃(122℉)일 뿐이다. 오일의 온도에 대한 유의한 진공을 걸어줌으로써, 오일중 물은 오일로부터 저기압(진공)으로 증발하여 들어가 오일을 탈수시킨다. In vacuum distillation, vacuum is applied to lower the boiling point of water. For example, the boiling point of water is only 100 ° C. (212 ° F.) at 1013 mmH 2 O (29.92 ”Hg) pressure (standard atmospheric pressure), but only 50 ° C. (122 ° F.) at 100 mmH 2 O (about 26“ Hg vacuum). By applying a significant vacuum to the temperature of the oil, water in the oil evaporates from the oil to low pressure (vacuum) and dewaters the oil.

진공 펌프로 이에 적용되는 진공을 갖는 접촉 용기에 오일을 유동시키는 것이 이러한 수분 제거가 달성되는 전형적인 수단이다. 주어진 용기 내에서 수분의 기화비를 최소화하기 위하여 용량에 대한 오일의 큰 표면적비가 바람직하다. 이러한 것은 오일을 구조 패킹(structured packing), 랜덤 패킹, 캐스케이드 플레이트, 스핀 디스크 또는 기타 진공 증류 및 접촉 분야에서 잘 알려진 방법에 의해 유동시킴으로서 이루어질 수 있다. 통상 오일은 접촉기 상부에서 들어가, 패킹 상에 중력으로 하류하여 상당히 얇은 필름 속으로 분산된다. 오일펌프로 퍼내는 용기의 저부에서 수집된다. 이들의 예는 코슬로(Koslow)의 미국특허 제 4,604,109호 및 란드퀴스트(Lundquist) 등의 미국특허 제 5,133,880호를 들 수 있다. 필요로 되는 오일의 양을 저하시키기 위하여 오일에 열을 가하여도 좋다. Flowing oil into a contacting vessel having a vacuum applied thereto with a vacuum pump is a typical means by which such water removal is achieved. A large surface area ratio of oil to volume is desirable to minimize the vaporization ratio of moisture in a given vessel. This can be done by flowing the oil by methods well known in the art of structured packing, random packing, cascade plates, spin disks or other vacuum distillation and contacting. Typically the oil enters the top of the contactor, gravity down on the packing and disperses into a fairly thin film. Collected at the bottom of the vessel pumped to the oil pump. Examples of these include US Patent No. 4,604,109 to Koslow and US Patent No. 5,133,880 to Landquist et al. In order to reduce the amount of oil required, the oil may be heated.

물의 비점을 낮추기 위해, 그리고 물의 제거 속도를 증대하기 위해 진공이 적용된다. 또한, 물의 제거 속도를 높이기 위해 열이 가하여져도 좋다. 그러나, 과도한 열 및/또는 진공이 가해지지 않도록 세심하게 주의하여야 한다. 왜냐하면, 온도 및/또는 진공도가 오일중의 저분자량의 탄화수소의 비점을 하회하는 수준으로 증대되고, 이들의 탄화수소도 동일하게 차례로 기화해버리기 때문이다. 마찬가지로 물보다 낮은 비점을 갖는 어떠한 액체도 또한 제거됨을 이해하여야 한다. 그의 적용이 바람직하기도 하고, 바람직하지 않기도 한다. Vacuum is applied to lower the boiling point of water and to speed up the removal of water. In addition, heat may be added to speed up the removal of water. However, care must be taken to avoid applying excessive heat and / or vacuum. This is because the temperature and / or the degree of vacuum increase to a level lower than the boiling point of the low molecular weight hydrocarbons in the oil, and these hydrocarbons also vaporize in the same order. It is to be understood that any liquid having a boiling point likewise lower than water is also removed. Its application is both preferred and undesirable.

다량의 이동 시스템은 유사한 접촉 용기를 사용한다. 그러나, 물의 제거에 증류에 의존하기보다는 건조 공기 또는 가스가 하류하는 오일을 가로질러 상방으로 연속적으로 역류하여 통과한다. 오일중의 물분자는 농도 구배를 통해 상응하는 건조 공기로 이동할 것이다. 습윤 공기는 진공 펌프나 드라이어에 의해 접촉기로부터 인출되어 대기로 배출된다. 물을 기화하기 위하여 물의 비점이상으로 오일을 가열할 필요는 없다. 따라서, 대량 이동 시스템으로 물을 제거하기 위하여 진공 증류 시스템보다 낮은 열 및/또는 진공으로 수행할 수 있다. High volume transfer systems use similar contact vessels. However, rather than relying on distillation for the removal of water, dry air or gas passes continuously upwards back across the downstream oil. Water molecules in the oil will migrate to the corresponding dry air through a concentration gradient. The wet air is withdrawn from the contactor by a vacuum pump or dryer and discharged to the atmosphere. It is not necessary to heat the oil above its boiling point in order to vaporize it. Thus, it may be carried out with lower heat and / or vacuum than vacuum distillation systems to remove water with mass transfer systems.

진공 증류 및 대량 이동 시스템은 유리수, 에멀젼수 및 용해된 물을 제거하는 반면, 이들은 범용 사용을 멤브레인은 결점을 갖고 있다. 양자의 시스템에서, 오일 레벨이 낮게 되지 않아 오일펌프가 마르지 않도록 하기 위하여 액체 레벨 제어가 용기중에서 사용된다. 또한, 액체 레벨 제어는 오일 레벨이 높게 되지 않아 진공 용기가 오일로 채워지도록 하여야 한다. 이것은 용기중의 물 제어 효율을 저하시키거나 제거하여 오일을 용기에 완전히 채우도록 하고, 넘쳐서 진공 펌프로 들어가게 한다. Vacuum distillation and mass transfer systems remove free water, emulsion water, and dissolved water, while they have a general purpose membrane drawback. In both systems, liquid level control is used in the vessel to ensure that the oil level does not go low and the oil pump does not dry out. In addition, the liquid level control must ensure that the oil level does not become high so that the vacuum vessel is filled with oil. This lowers or eliminates the water control efficiency in the vessel, allowing the oil to fill the vessel completely and overflowing into the vacuum pump.

또한, 진공 정화기는 물이 오일 내에서 기화하므로 용기 중에서 거품을 일으키게 한다. 이 거품은 오일보다 낮은 비중을 가지며, 액체 레벨 제거의 역기능의 원인으로 되고, 또한 정화기 수행성을 저하시키는 원인이 된다. In addition, the vacuum purifier causes bubbles in the container as the water vaporizes in the oil. This foam has a specific gravity lower than that of oil, causes dysfunction of liquid level removal, and causes deterioration of purifier performance.

히터, 제어기, 펌프의 사용 속성 때문에, 정화기는 대단히 복잡한 부품으로 구성된다. 또한, 사용되는 패킹의 타입, 오일의 점도 및 기류 속도는 접촉기 용기를 통한 유속을 제한한다. 이는 통상, 유속 양에 대해 사용되는 매우 큰 용기를 사용하여야 한다. 필요 오일펌프, 진공 펌프, 히터, 제어기, 전기 패널 및 연접으로 완성될 때, 이 시스템은 너무 크고, 비싸게 된다. 수많은 부품 및 이들 시스템의 복잡성 때문에 유지 및 작동 비용이 통상 매우 많이 들게 된다. Due to the use properties of heaters, controllers and pumps, purifiers are composed of very complex parts. In addition, the type of packing used, the viscosity of the oil and the air flow rate limit the flow rate through the contactor vessel. This usually requires the use of very large vessels used for flow rate amounts. When completed with the required oil pumps, vacuum pumps, heaters, controllers, electrical panels and junctions, the system becomes too large and expensive. The maintenance and operation costs are usually very high due to the large number of components and the complexity of these systems.

유리수, 에멀젼수 또는 용해수를 오일로부터 제거하는 이들의 능력으로 인하여, 진공 탈수 오일 정화기는 오일로부터 물을 제거하는 바람직한 방법으로 되었다. 그러나, 진공 오일 정화기에 관련한 결점은 이들 정화기를 윤활 또는 유압 시스템의 대부분에서 범용으로 및/또는 실용화하는 것을 막고 있다. 이들의 상대적으로 큰 사이드 및 코스트 때문에, 이들은 비이동의 정치 적용에 제한되므로, 이동 장치에 사용하기 위하여는 실용적이지 못하다. Due to their ability to remove free water, emulsion water or dissolved water from oil, vacuum dehydration oil purifiers have become the preferred method of removing water from oil. However, drawbacks with vacuum oil purifiers have prevented these purifiers from being universal and / or practical in most of the lubrication or hydraulic systems. Because of their relatively large side and cost, they are not practical for use in mobile devices because they are limited to non-moving stationary applications.

이들의 높은 자본 코스트 때문에, 이들은 시스템이 상당히 크고, 값비싼 윤활 또는 유압 시스템이 아닌 한, 시스템 내에 영구적으로 설치될 수 없다. 그 대신, 이들은 하나의 기계 또는 저장소에서 잠깐 동안 오일을 정제하기 위하여 여러 개의 시스템으로 나누어 하나를 사용하고, 다시 이를 다른 기계 등으로 이동한다. 그러나, 정화기가 이러한 방법으로 사용될 때, 정화기에 연결되지 않는 기계중의 오일은 물로 오염된다. 이 오일은 정화기기 다시 결합되어 다시 탈수될 때까지 오염된 채로 남는다. 그리하여 이 분야에 통상의 지식을 가진 자는 물로부터 오일을 제거하기 위한 개선된 방법을 계속하여 연구하였다. 본 출원인은 맴브레인 기초 시스템에 대해 노력했다. Because of their high capital cost, they cannot be permanently installed in the system unless the system is quite large and expensive lubrication or hydraulic system. Instead, they divide one into several systems and use one to refine the oil for a short time in one machine or reservoir, and then move it back to another machine or the like. However, when a purifier is used in this way, the oil in the machine that is not connected to the purifier is contaminated with water. This oil remains contaminated until the purifier is recombined and dehydrated again. Thus, one of ordinary skill in the art continued to study improved methods for removing oil from water. Applicants have worked on membrane based systems.

맴브레인 기초 시스템은 유기 시스템에서 물을 제거하는 데 사용되고 있다. 그러나, 이 목적에 사용되는 맴브레인중의 공극이나 결함의 존재는 오일의 유압 투과가 투과측에서 일어나는 것을 인식하여야 한다. 이러한 상황은 오일의 손실을 가져온다. 또한, 비휘발성 오일이 맴브레인의 투과측을 피복하여 맴브레인을 더럽혀서 투과하는 수중 효율을 저하시킨다. Membrane foundation systems are being used to remove water from organic systems. However, the presence of voids or defects in the membrane used for this purpose should be recognized that the hydraulic permeation of oil occurs on the permeate side. This situation leads to loss of oil. In addition, the non-volatile oil covers the permeate side of the membrane to contaminate the membrane to reduce the underwater efficiency of permeation.

테일러(Taylor)의 미국특허 제 4,857,081호에는 탄화수소 또는 할로겐화 탄화수소가스 또는 액체의 탈수방법이 개시되어 있다. 이 방법은 동암모늄(cuproammonium) 재생 셀루로오즈 맴브레인에 기초를 두고 있다. 동암모늄 재생 맴브레인은 통로 또는 공극이 서로 연결된 구조를 갖는 것이 당분야에 알려져 있다(Isuge 등의 미국특허 제 3,888,771호). 이들 맴브레인은 또한 평균 30Å을 갖는 10∼90Å의 공극 분포를 갖는다고 한다(Isuge 등의 미국특허 제 3,888,771호, Sengbusch의 미국특허 제 5,192,440호). 이 동암모늄 재생 셀루로오즈를 통해 액체 유기상으로부터 물을 분리하는 메커니즘은 투석 메커니즘이다. 투과 물질은 액체로서 맴브레인을 투과한다. 맴브레인은 공극을 갖기 때문에, 그를 통해 유압 투과를 허용한다. 수용성 물질은 그를 통해 잘 투과된다. 오일이 수중에서 한정한 용해도를 가지므로, 이것은 오일의 탈수에 사용할 수 없다. Taylor, US Pat. No. 4,857,081, discloses a method of dehydrating a hydrocarbon or halogenated hydrocarbon gas or liquid. This method is based on cuproammonium regenerated cellulose membranes. It is known in the art that a copper ammonium regeneration membrane has a structure in which passages or pores are connected to each other (US Patent No. 3,888,771 to Isuge et al.). These membranes are also said to have a pore distribution of 10 to 90 ms with an average of 30 ms (US Patent No. 3,888,771 to Isuge et al., US Patent No. 5,192,440 to Sengbusch). The mechanism for separating water from the liquid organic phase via this copper ammonium regenerated cellulose is a dialysis mechanism. The permeable material permeates the membrane as a liquid. Since the membrane has voids, it allows hydraulic transmission through it. The water soluble material is permeable through it. Since the oil has a limited solubility in water, it cannot be used for oil dehydration.

설사 테일러가 오일의 탈수에 만족한다 할지라도, 테일러의 구조는 그 자체 결점을 갖고 있다. 재생 셀루로오즈 맴브레인의 분자 구조는 습기 존재하에서 유지된다. 친수성 맴브레인으로부터 습기를 제거하면, 공극은 수축되어 맴브레인에 크랙을 형성하는 큰 모세관 스트레스를 받는다. 맴브레인이 각종 사이즈의 공극을 갖기 때문에, 건조시에 형성되는 모세관 스트레스는 맴브레인 미세구조를 통해 차등 스트레스를 받게 된다. 이 차등 스트레스는 맴브레인중 크랙이나 “결함(defect)"의 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 만일 이와 같은 맴브레인이 폐쇄 시스템을 탈수하는 데 사용된다면, 맴브레인중의 습기는 필시 없어질 것이다. 이는 전술한 바와 같이, 크랙이나 “결함”이 생긴다. 이들 “결함”은 맴브레인을 통해 오일의 유압 이동의 원인이 될 것이다. Even if Taylor is satisfied with the oil dehydration, Taylor's structure has its own drawbacks. The molecular structure of the regenerated cellulose membrane is maintained in the presence of moisture. When moisture is removed from the hydrophilic membrane, the pores are subjected to large capillary stresses that shrink and form cracks in the membrane. Since the membrane has pores of various sizes, capillary stresses formed during drying are subjected to differential stress through the membrane microstructure. This differential stress is known to cause cracks in the membrane or “defects.” If such a membrane is used to dewater the closed system, the moisture in the membrane will be eliminated. Likewise, cracks or “defects” occur, which will cause hydraulic movement of oil through the membrane.

파스테르낙(Pasternak) 등의 미국특허 제 5,182,022호에는 에틸렌글리콜의 탈수를 위한 증발 방법을 개시하고 있다. 에틸렌글리콜은 물과 완전히 혼화되며, 분리되는 혼합물이 완전히 혼화되는 증발적용의 특징을 갖는다. 사용된 술폰화 폴리에틸렌 수지 맴브레인은 에틸렌글리콜의 실질적 양이 투과되는 것을 허용한다. 이와 같은 양의 에틸렌글리콜의 투과는 결함(후술하는 정의 참조)을 통해 유압 투과에 기인한 것이며, 이는 식별 층에 존재하는 것이 당분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 이 발명은 비수상(non-aqueous phase)의 손실이 용인되기 때문에 결함이 없는 식별층을 요하는 것은 아니다. 이것은 윤활 및 유압 시스템중 오일의 탈수의 경우는 아니다. US Pat. No. 5,182,022 to Pasternak et al. Discloses an evaporation method for dehydration of ethylene glycol. Ethylene glycol is completely miscible with water and has the characteristic of evaporation application in which the mixture to be separated is completely miscible. The sulfonated polyethylene resin membrane used allows a substantial amount of ethylene glycol to be permeated. This permeation of ethylene glycol is due to hydraulic permeation through defects (see definitions below), which is apparent to those of ordinary skill in the art that it exists in the identification layer. This invention does not require a defect-free identification layer because the loss of a non-aqueous phase is tolerated. This is not the case of oil dehydration in lubrication and hydraulic systems.

프리이젠(Friesen) 등의 미국특허 제 5,464,540호는 침투기화방법을 통해 액체 공급 혼합물로부터 1성분을 제거하는 방법을 개시하고 있다. 프리이젠 등의 특허중 스위프 스트림은 제거되어서는 않되며, 기상으로 모듈에 도입되는 공급 스트림의 성분으로 이루어져 있다. 프리이젠 등의 특허의 5란 8∼13행에 이 방법은 참기름과 옥수수유와 같은 오일을 탈수하는 데 사용할 수 있음을 가정하였다. 그러나, 특허의 실시예에서, 프리이젠 등은 고비점의 유기 화합물, 다량의 참기름 및 옥수수의 탈수에 관한 수행 데이터를 제공하고 있을 뿐이다. 특히 프리이젠은 아세톤, 톨루엔 및 에탄올의 탈수의 예를 제공하고 있다. 따라서, 프리이젠은 이러한 종류의 오일의 탈수에 결함이 없는(후술) 비-공극 맴브레인의 필요성을 인식하거나 시사하지 못하였음은 명백하다. 또한, 당분야에 통상의 지식을 가진 자는 옥수수유 또는 참기름 증기의 스위프 스트림을 제공의 가능성에 의심을 갖는다. U.S. Patent No. 5,464,540 to Friesen et al. Discloses a method of removing one component from a liquid feed mixture via a permeation vaporization process. The sweep stream in the Prizen et al. Patent should not be removed, but consists of components of the feed stream introduced into the module in the gas phase. In lines 5 to 8 of the Prizen et al. Patent, it is assumed that this method can be used to dehydrate oils such as sesame oil and corn oil. However, in the examples of the patent, Prizene et al. Only provide performance data regarding the dehydration of high boiling organic compounds, large amounts of sesame oil and corn. Prizene in particular provides examples of dehydration of acetone, toluene and ethanol. Thus, it is evident that Prizene did not recognize or suggest the need for a non-porous membrane that is free of dehydration of this kind of oil (described below). In addition, one of ordinary skill in the art is suspicious of the possibility of providing a swept stream of corn oil or sesame oil vapors.

쏘우(Zhou)의 미국특허 제 5,552,023호는 에틸렌글리콜의 탈수에 대한 맴브레인 증류 기술을 개시하고 있다. 이 방법은 다공성 맴브레인을 사용한다. 이것은 다공성 지지체가 젖어버려 유체를 수압으로 투과하기 때문에 오일의 탈수에 매력적이지 못하다. Zhou, US Pat. No. 5,552,023, discloses a membrane distillation technique for dehydration of ethylene glycol. This method uses a porous membrane. This is not attractive for oil dehydration because the porous support wets and permeates the fluid hydraulically.

브라톤(Bratton) 등의 미국특허 제 6,001,257호는 각종 액체의 탈수 목적을 위하여 실질적으로 결함이 없는 제올라이트 맴브레인을 개시하고 있다. 브라톤의 특허 4란 12∼15행에 기재된 바와 같이, 제올라이트 맴브레인을 통해 1개의 액체만 통과하는 2종 액체를 분리하는 데 사용될 수 있으므로 제올라이트 맴브레인의 사용은 장치의 기능에 비판적이다. 제올라이트 맴브레인은 분자 시이브로서 알려진 제올라이트 타입의 물질을 사용하며, 산소원자를 통해 연결된 실리콘/산소 테트라헤드론으로 형성된 채널의 네트워크를 함유한다. 2란, 46∼49행에 이 물질은 “실질적으로” 라는 범위를 한정하지 않고, 또한 “결함”이라는 내포된 의미 없이, “실질적으로 결함”이 없어야 한다고 지시한다. 이와 같은 맴브레인은 후술하는 결함의 존재는 오일의 유압 투과가 투과측에 일어나기 때문에 오일의 탈수에 사용될 수 없다. US Pat. No. 6,001,257 to Braton et al. Discloses a zeolite membrane that is substantially free of defects for the purpose of dehydration of various liquids. The use of zeolite membranes is critical to the function of the device, as described in Braton Patent 4, lines 12-15, which can be used to separate two liquids passing through only one liquid through the zeolite membrane. Zeolite membranes use a zeolite type of material known as molecular sieves and contain a network of channels formed of silicon / oxygen tetrahedrons connected via oxygen atoms. Line 2, lines 46 to 49, states that this substance does not limit the scope of "substantially" and that there should be no "substantially defective" without the implied meaning of "defect". Such a membrane cannot be used for dehydration of oil because the presence of defects described below occurs because hydraulic permeation of oil occurs on the permeate side.

본 발명에 관련하여, 본원 명세서를 통해 사용되는 용어는 하기 정의되는 의미를 전하는 것을 기도하고 있다: In the context of the present invention, the terms used throughout this specification are intended to convey the meanings defined below:

정의: Justice:

여기서 사용되는 “결함”이란 맴브레인을 통해 저휘발성 액체가 맴브레인을 통해 액압 투과가 가능한 충분한 사이즈의 한 구멍을 지시하는 데 사용된다. As used herein, the term "defect" is used to indicate a hole of sufficient size through which the low volatility liquid can permeate through the membrane.

따라서, “결함이 없음”은 맴브레인을 통한 물질이 통과하여 용액으로 확산되는 것을 제한하는 것이 아닌, 맴브레인을 통해 액체의 유압 투과를 허용하는 충분한 크기의 구멍이 없는 맴브레인을 가르킨다. 오일의 분자 사이즈보다 크거나 같은 연속 구멍이 맴브레인 내에 존재할 때, 오일의 유압 투과는 일어나기 쉽다. 오일 분자의 분자 사이즈가 5∼10Å보다 큰 것으로 예상된다. 그러나, 오일이 상이한 분자 사이즈의 획분으로 구성되기 때문에 정확한 값은 탈수되는 특정 오일의 화학적 조성에 의존할 것이다. 그리하여 결함이 없는 맴브레인은 오일 분자의 분자 사이즈보다 작은 직경의 구멍을 갖는 것에 한정된다. Thus, "no defect" refers to a membrane without a hole of sufficient size to allow hydraulic penetration of the liquid through the membrane, rather than limiting the passage of material through the membrane into the solution. Hydraulic permeation of the oil is likely to occur when there are continuous holes in the membrane that are greater than or equal to the molecular size of the oil. It is expected that the molecular size of the oil molecules is greater than 5-10 kPa. However, since the oil consists of fractions of different molecular sizes, the exact value will depend on the chemical composition of the particular oil being dehydrated. Thus, a defect-free membrane is limited to having pores of diameter smaller than the molecular size of the oil molecules.

“비다공성”이란 일반적으로 언급되는, 적어도 오일 분자의 분자 사이즈의 구멍인 공극을 함유하지 않는 맴브레인을 의미하며, 이는 전술한 바와 같이, 5∼10Å보다 큰 것으로 예상되나, 탈수되는 오일의 특정 종류에 따라 절대적으로 다르다. “Non-porous” means a membrane that does not contain pores, which are generally referred to as at least the molecular size pores of an oil molecule, which is expected to be greater than 5-10 kPa, as described above, but is a particular kind of oil that is dehydrated. Depends absolutely on.

여기서 사용되는 결함이 없는 맴브레인이 필연적으로 비공극성인 반면에, 여기서 사용되는 비공극성 맴브레인은 반드시 결함이 없는 것일 필요는 없다. 이론적으로, 비공극성 맴브레인은 결함이 없는 것, 즉, 전술한 결함이 없는 것일 것이다. 그러나, 실질적으로 이는 경우가 아니다. 예를 들면, 피나우 및 코로스(Pinau, I. And Koros, W., "Gas-Permeation Properties of Asymmetric Polycarbonate, Polyestercarbonate, and Fluorinated Polyimide Membranes Prepared by the Generalized Dry-Wet Phase Inversion Process", J. Applied Polymer Science Vol., 46, 1195-1204 (1992)) 및 페섹(Pesek, S, "Aqueous Quenched Asymmetric Polysulfone Flat Sheet and Hollow Fiber Membranes Prepared by Dry/Wet Phase Separation", Dissertation submitted to The University of Texas at Austin (1993))은 결함이 없는 가스 분리 맴브레인을 고밀도 필름의 75% 내지 85%의 선택도를 갖는 맴브레인으로 정의하였다. 85%의 선택도를 갖는 맴브레인은 오일의 유압투과를 허용하는 유의한 수의 결함을 함유할 수 있음을 나타낼 수 있다. While the defect free membrane used herein is necessarily nonporous, the nonporous membrane used herein need not necessarily be defect free. In theory, the non-porous membrane would be free of defects, that is, without the above-mentioned defects. However, in practice this is not the case. For example, Pinau, I. And Koros, W., "Gas-Permeation Properties of Asymmetric Polycarbonate, Polyestercarbonate, and Fluorinated Polyimide Membranes Prepared by the Generalized Dry-Wet Phase Inversion Process", J. Applied Polymer Science Vol., 46, 1195-1204 (1992)) and Pesek, S, "Aqueous Quenched Asymmetric Polysulfone Flat Sheet and Hollow Fiber Membranes Prepared by Dry / Wet Phase Separation", Dissertation submitted to The University of Texas at Austin ( 1993) defined a flawless gas separation membrane as a membrane having a selectivity of 75% to 85% of a high density film. Membranes with a selectivity of 85% may indicate that they may contain a significant number of defects that allow hydraulic penetration of the oil.

무시해도 좋은 저항의 하부구조에 의해 지지되는 폴리술폰 선택층으로 구성된 맴브레인을 고려하자. 35℃에서 폴리술폰은 1.5 배러(barrer,, Membrane Handbook)의 산소투과도가 5.6의 O₂/N₂ 선택도를 갖는다. 700Å의 폴리술폰 선택층의 두께를 고려하자. 이 두께는 전형적인 시판 맴브레인이다. 따라서, 산소의 선택 층 투과는 20 GPU이고, 질소의 투과는 3.57 GPU이다. 피나우와 코로스(1992)에 따라서, 이 폴리술폰 맴브레인은 만일 O₂/N₂선택도가 고밀도 필름의 85%, 또는 이 경우 4.76이었으면, 결함이 없는 것으로 고려될 것이다. 본 발명의 정의에 따라, 이 맴브레인은 결함을 함유하지 않는다. 만일 결함이 충분히 작다면, 결함을 통한 유동은 크루센(Knudsen) 확산에 의해 제어될 것이다. 만일 결함이 크면, 결함을 통한 유동은 환류(또는 점성)하고, 하겐-포아쥬르 법(Hagen-Poiseuille law)에 따를 것이다. Consider a membrane consisting of a polysulfone selective layer supported by a negligible resistance infrastructure. At 35 ° C. polysulfone has an O ₂ / N ₂ selectivity of 1.5 barrer (Membrane Handbook) with an oxygen permeability of 5.6. Consider the thickness of the polysulfone selective layer of 700 mm 3. This thickness is typical of commercial membranes. Thus, the selective layer permeation of oxygen is 20 GPU and the permeation of nitrogen is 3.57 GPU. According to Pinau and Koros (1992), this polysulfone membrane would be considered free of defects if the O ₂ / N ₂ selectivity was 85% of the high density film, or 4.76 in this case. According to the definition of the present invention, this membrane contains no defects. If the defect is small enough, the flow through the defect will be controlled by Knudsen diffusion. If the defect is large, the flow through the defect will be refluxed (or viscous) and will follow the Hagen-Poiseuille law.

하기 표는 1 평방미터 폴리술폰 모듈에 대해 4.76의 O₂/N₂ 선택도를 일으키는 상이한 사이즈의 결함의 수를 나타낸다. The table below shows the number of defects of different sizes resulting in an O ₂ / N ₂ selectivity of 4.76 for the 1 m 2 polysulfone module.

선택 중의 결함을 통한 크누센 확산 Knudsen spread through deficiencies in choice 결함 입경(Å) Fault particle size 25 25 50 50 100 100 결함 수 Defect Number 1.22E＋11 1.22E + 11 1.53E＋10 1.53E + 10 1.91E＋9 1.91E + 9 표면 다공성(결함 면적/총면적) Surface porosity (defect area / total area) 6.1E7 6.1E7 3.0E7 3.0E7 1.5E7 1.5E7

선택 층 중의 결함을 통한 환류, 1psig 가한 압력 Reflux through defects in selected bed, 1 psig 결함 입경(·m) Defect particle size (m) 0.5 0.5 1 One 2 2 결함 수 Defect Number 39700 39700 247 247 15 15 표면 다공성(결함 면적/총면적) Surface porosity (defect area / total area) 7.8E10 7.8E10 1.9E10 1.9E10 4.9E11 4.9E11

상기 표에 기재된 결함의 평균 사이즈는 결함을 통해 오일의 유압 투과를 허용하기에 충분히 커서 시판 오일 탈수 모듈에 제공된다. 그러나, 가스 분리와 같은 적용을 위하여는 결함의 존재는 분리의 효율을 저하시킬 뿐이어서 시판 모듈로 제공할 수 없다. The average size of the defects listed in the table above is large enough to allow hydraulic penetration of oil through the defects and is provided to commercial oil dewatering modules. However, for applications such as gas separation, the presence of defects only degrades the efficiency of separation and cannot be provided with commercial modules.

이론적으로, 비다공성 맴브레인은 무결함, 즉 전술한 바와 같이 결함이 없는 것일 것이다. 그러나, 실제로, 이러한 경우는 없다. 당분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 실행되고 인식되는 바와 같이, 비다공성으로 간주되는 맴브레인은 그의 가스 선택성을 고밀도 맴브레인의 고유의 선택성으로부터 85%까지 감소시기에 충분한, 소정의 값에 달하는 액압투과를 가능하게 하는 것이나, 그것도 비다공성 맴브레인으로 간주한다. 그리하여 이와 같은 맴브레인은 실질적으로 상당히 작으나, 유의한 수의 공극을 여전히 갖는다. “비다공성” 맴브레인중에서 허용되는 실질적 수의 공극은 공극의 사이즈 및 맴브레인에 의해 분리되는 물질의 성질에 관련된다. 여기서, 사용되는 바와 같이, 무결함 맴브레인은 당분야에서 일반적으로 사용되는 용어의 비다공성 맴브레인을 지칭하는 것은 아니고, 상기에서 규정하고 있는 바와 같이 비다공성인 비다공성 맴브레인을 언급하는 것이다. 본 발명의 성공적 실시를 위하여, 용어는 여기서 정의된 바와 같이, 맴브레인은 반드시 “비다공성”이어야 하고, “무결함”이어야 한다. In theory, the nonporous membrane would be flawless, ie without defects as described above. In practice, however, this is not the case. As practiced and recognized by one of ordinary skill in the art, a membrane that is considered nonporous has a predetermined hydraulic pressure sufficient to reduce its gas selectivity from the inherent selectivity of the high density membrane by 85%. Permeation is possible, but it is also regarded as a nonporous membrane. Thus such a membrane is substantially quite small, but still has a significant number of voids. The actual number of voids allowed in a “non-porous” membrane is related to the size of the pores and the nature of the material separated by the membrane. As used herein, a defect-free membrane does not refer to a nonporous membrane of terms generally used in the art, but refers to a nonporous membrane that is nonporous as defined above. For the successful implementation of the invention, the term must be “nonporous” and “defective” as defined herein.

“오일”은 저비점 화합물을 지칭하는 것으로 사용된다. 통상, 오일은 각종 분자량 및 분자구조로 이루어진 다수의 성분을 혼합하여 이루어진 것이다. "Oil" is used to refer to a low boiling point compound. In general, the oil is made by mixing a plurality of components composed of various molecular weights and molecular structures.

“반투과(semi-permeable)"란 어떤 물질의 투과는 허용되나, 다른 물질의 이동에 저항하는 맴브레인을 지칭한다. 또한, 이와 같은 맴브레인은 분별 맴브레인으로 일컫기도 한다. “Semi-permeable” refers to a membrane that allows permeation of certain substances but resists the movement of other substances. Such membranes are also referred to as fractional membranes.

“습윤(wetting)"이란 표면상에 액체의 퍼짐을 지칭한다. "Wetting" refers to the spread of a liquid on a surface.

“오염(fouling)"이란 맴브레인의 다공성 하부구조를 오일로 채워지거나, 또는 맴브레인의 스위프 면을 오일로 피복하는 것과 같은 원치 않는 작용을 통해 대량 이송에 저항을 가하는 것이다. "Fouling" is the resistance to mass transfer through unwanted action, such as filling the membrane's porous infrastructure with oil or covering the membrane's sweep surface with oil.

본 발명은 오일 또는 저비점의 액체로부터 유리수, 에멀젼수 또는 용해된 물을 제거하기 위한 방법에 기초로 하는 맴브레인을 제공하는 것이다. 이 방법은 고정장치 상에서 고정식 방법과 마찬가지로 이동장치 상에서 장치의 동작중 및 이동 중에 사용하는 것이 가능하다. 이 방법의 작동은 간단하나, 문제의 장치가 작고 콤팩트하여 모든 사이즈의 시스템으로 저렴하게 실용화할 수 있다.
또한, 본 발명은 분별층을 통해 액체의 유압 투과를 금지하는 무결함의 분별층 또는 맴브레인을 제공하고, 이것에 의해 분별층을 통과한 수송을 행하는 투과를 제한한다.
또한, 본 발명은 분별층을 통해 투과되는 증기를 제거를 제공하는 것이다. 그리하여, 본 발명은 오일로부터 유리수, 에멀젼수 및 용해된 물을 더욱 효과적으로 분리하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명은 오일로부터 물을 선택적으로 제거하기 위하여 비다공성, 결함이 없는 맴브레인을 사용하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 방법은 반투과 맴브레인의 한쪽 측(“공급측”)으로 오일을 접촉시켜 관련하는 오일 스트림으로부터 물을 제거하는 스텝으로 구성된다. 맴브레인은 분리 챔버를 오일이 공급되는 공급측과 물이 제거되는 투과측으로 분할된다. 투과측은 진공 존재를 통해 또는 스위프 가스를 사용함으로서 물의 낮은 분압으로 유지된다. 오일중의 물은 용해된 형태이거나, 또는 에멀젼수, 분산 또는 유리수형태이다. 이 맴브레인 물질은 오일과 적당히 화학적으로 양립할 수 있는 반면, 물의 이송을 선택적으로 허용하는 것이다. 이 맴브레인은 그것이 오일과 반응하지 않고, 또한 사이즈, 강도, 투과도 및 선택도가 오일과 접촉에 의해 악영향을 부여하지 않는 한, 오일과 화학적으로 양립한다.
그리하여 본 발명의 목적은 종래의 오일 탈수 기술의 단점을 극복하고, 이들 한계를 극복하는 오일의 탈수장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 오일로부터 유리수, 에멀젼수 또는 용해된 물을 제거하는 오일 탈수기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작동하기에 간편한 오일 탈수기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상당히 작고 콤팩트한 오일 탈수기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 경제적인 오일 탈수기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작거나 큰 시스템에 실제로 사용할 수 있는 오일 탈수기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작동 및 이동하면서 이동 장치에 사용할 수 있는 오일 탈수기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 후술하는 설명 및 첨부된 청구범위에 의해 명백해질 것이며, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 참고이며, 여기서, 참조 번호는 다른 도면에서 상응하는 부품을 지칭한다.
The present invention provides a membrane based on a method for removing free water, emulsion water or dissolved water from an oil or low boiling liquid. This method can be used during operation and movement of the device on a mobile device as well as the stationary method on a fixed device. The operation of this method is simple, but the device in question is small and compact, making it affordable and practical for systems of all sizes.
The present invention also provides a flawless fractionation layer or membrane which inhibits hydraulic permeation of liquid through the fractionation layer, thereby limiting the transmission through which the transport through the fractionation layer is carried out.
The present invention also provides for the removal of vapor that is permeated through the fractionation bed. Thus, the present invention provides an apparatus and method for more effectively separating free water, emulsion water and dissolved water from oil.
In particular, the present invention relates to a method of using a nonporous, defect free membrane to selectively remove water from an oil. More specifically, the method consists in contacting oil to one side (“feed side”) of the semipermeable membrane to remove water from the associated oil stream. The membrane divides the separation chamber into a supply side through which oil is supplied and a permeate side through which water is removed. The permeate side is maintained at a low partial pressure of water through the presence of a vacuum or by using a sweep gas. The water in the oil may be in dissolved form or in emulsion, dispersed or free water. The membrane material is suitably chemically compatible with the oil, while selectively allowing the transfer of water. This membrane is chemically compatible with oil as long as it does not react with the oil and also does not adversely affect size, strength, permeability and selectivity by contact with the oil.
It is therefore an object of the present invention to overcome the shortcomings of conventional oil dehydration techniques and to provide an apparatus and method for oil dehydration that overcomes these limitations.
Another object of the present invention is to provide an oil dehydrator which removes free water, emulsion water or dissolved water from oil.
Another object of the present invention is to provide an oil dehydrator that is easy to operate.
Another object of the present invention is to provide a fairly compact and compact oil dehydrator.
Another object of the present invention is to provide an economic oil dehydrator.
It is yet another object of the present invention to provide an oil dehydrator that can actually be used in small or large systems.
Another object of the present invention is to provide an oil dehydrator that can be used in a moving device while operating and moving.
Other objects and advantages of the invention will be apparent from the following description and the appended claims, in which the accompanying drawings, which form a part hereof, are incorporated by reference, wherein reference numerals refer to corresponding parts in other drawings. .

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도 1은 본 발명에서 사용되는 맴브레인 구조의 사시도이다.
도 2는 본 발명에서 유용한 맴브레인 변형예의 사시도이다.
도 3은 본 발명에서 유용한 맴브레인 또 다른 변형예의 사시도이다.
도 4A는 도 3에 나타낸 바와 같은, 직포 매트의 복수의 중공 섬유 맴브레인의 평면도이다.
도 4B는 도 4A의 선 B-B를 따라, 화살표 방향으로 취한 단면도이다.
도 4C는 도 4B에 나타낸 매트의 나선형으로 감은 후에 개략도이다.
도 4D는 도 3에 나타낸 바와 같이, 2개의 중공 섬유 반투과 맴브레인 구조의 나선형으로 감은 후의 사시도이다.
도 5는 도 1에서 나타낸 구조의 나선형으로 감은 후의 개략도이다.
도 6은 물이 진공 펌프 수단에 의해 제거되는 본 발명을 구체화하는 예시적 맴브레인 분리방법의 개략도이다.
도 7은 물이 스위프 가스 스트림 수단에 의해 제거되는 도 6에 나타낸 분리방법의 변형예의 개략도이다.
도 8은 맴브레인이 상류 필터 수단에 의해 공급 스트림중 오염물로부터 보호되는 도 6에 나타낸 분리방법의 변형예의 개략도이다.
도 9는 공급이 섬유의 내경내로 유동되는 본 발명의 구성을 구현하는 중공 섬유의 정면도이다.
도 10은 공급이 섬유의 외측으로 유동되는 본 발명의 구성을 구현하는 중공 섬유의 정면도이다.
11은 공급이 섬유의 외측으로 유동되고, 물은 배출 오일로 역류로 제거되는 본 발명의 구성을 구현하는 중공 섬유의 정면도이다. 오일은 천공 코어에 의해 인출된다.
도 12는 물이 스위프 가스에 의해 제거되는 본 발명의 구성을 구현하는 중공 섬유의 정면도이다.
도 13은 맴브레인이 일체식으로 형성된 스킨인 도 1에 나타낸 구성의 변형예의 사시도이다.
도 14는 도 13에 나타낸 구성의 부분 단면 입면도이다.
도 15는 맴브레인이 일체식으로 형성된 스킨인 도 3에 나타낸 구성의 변형예의 사시도이다.
도 16은 도 13에 나타낸 구성의 부분 단면 입면도이다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
첨부된 도면과 하기에 설명된 특이적 장치 및 방법은 첨부된 청구범위에 제한된 발명 개념의 대표적인 실시예이다. 따라서, 여기에 공지된 실시예와 관련된 특정 면적 및 기타 물리적 성질은 청구범위에 명백히 서술되어 있지 않으면, 이 범위로 한정된 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 전에 1992년에 Van Nostrand Reinhold에 의해 출판된 Membrane Handbook의 3-15페이지와 1995년의 Handbook of Industrial Membranes 제 1판의 56-61페이지가 완전히 개정된 것처럼 여기에 삽입되어 있다.
본 발명은 광범위한 종류의 저휘발성의 액체류로부터 물 또는 기타 고휘발성의 용매를 차별적으로 제거하는데 유용한 장치 및 방법에 관한 것이다. 저휘발성 액체란 물의 표준 비점(100℃)보다 높은 표준 비점을 가지는 액체로 정의된다. 따라서, 물은 고휘발성 액체에 속할 것이다. 순수한 상태에서 저휘발성을 나타내는 성분은 혼합물에서 이상적으로 반응을 나타내지 않는다는 것을 인지할 필요가 있다. 이는 순수한 성분 휘발성의 기대치보다 혼합물에 있는 성분이 확연히 더 높은 증발율을 초래할 수 있다. 바람직하게는 본 발명은 오일에서 물을 분리하는 것에 관한 것이다.
더욱 구체적으로, 오일을 탈수하는 방법은 다음 단계로 구성되어 있다: 비다공성 무결함의 반투과성 멤브레인을 적어도 오일과 물을 함유한 액체 스트림과 접촉시키는 단계로서, 멤브레인에 의해 분리 챔버가, 그 중에 공급 액체 혼합물이 흘러들어가는 공급측과, 그곳에서 물이 빠져나가는 투과측으로 분할되는 단계; 물이 우선적으로 멤브레인을 통해 공급측에서 투과측으로 투과하도록 물에 대한 부분적인 화학 포텐셜 구배(partial chemical potential gradient)를 유지하는 단계; 및 투과측으로부터 투과한 물을 제거하는 단계; 멤브레인의 공급측으로부터 탈수된 오일을 제거하는 단계로 구성된다. “화학 포텐셜 구배”를 “활성 구배” 또는 “분압 구배”라고도 한다. “분압 구배”란 투과측의 수증기압과 오일 중의 물 농도에 대응하는 평형 수증기압의 차를 의미한다.
오일을 탈수하는 장치는, 적어도 하나의 비다공성, 반투과, 무결함의 멤브레인을 함유한 용기로서, 용기 내부를 적어도 하나의 공급측 스페이스와 하나의 투과측 스페이스로 분할하도록 상기 용기 내에 삽입되어 있는 용기와; 상기 공급 스페이스 쪽으로의 적어도 하나의 유입구와; 상기 공급 스페이스로부터 적어도 하나의 유출구와; 전기 투과 스페이스로부터의 적어도 하나의 유출구로 구성되어 있다. 이러한 장치에 의해 오일과 물의 혼합물이 상기 유입구를 통해 유동하여 반투과성 멤브레인의 적어도 한쪽 측에 접촉하게 하고; 물이 상기 멤브레인을 통해 공급측에서 투과측으로 차별적으로 투과하도록 물에 대한 화학 포텐셜 구배를 유지하고; 투과한 물을 유출구를 통해 상기 투과측으로부터 제거하고; 상기 멤브레인의 공급측으로부터 탈수된 오일을 상기 유출구를 통해 제거하는 것이 가능하다.
분리에 적합한 면이 주어진다면, 상기 멤브레인은 어떠한 형태나 모양으로 존재할 수 있다. 이에 대한 통례는 자립 필름, 중공(hollow)섬유, 합성 시트, 합성 중공섬유를 포함한다. 중공섬유멤브레인은 섬유가 서로 대략 평행하도록 구성되던가, 별도의 방업으로 배치된다. 복합 중공섬유 멤브레인 또는 중공섬유 멤브레인의 섬유는 나선상으로 감겨 있거나 꼬여있어도 좋다. 또한, 섬유는 매트로 짜여질 수 있다. 평평한 시트 또는 섬유의 매트로 구성된 멤브레인의 경우에는, 시트나 매트가 나선형으로 감겨 있어도 좋다. 또한 스페이서에 의해 시트나 매트를 분리되어 있어도 좋다.
사용된 멤브레인은 적어도 부분적으로는 얇고, 결함이 없고, 고밀도인 비다공성 분별층(discriminating layer)(“분별층”은 또한 “스킨”이라고도 칭함)과 지지체로 구성되어 있다. 다른 실시예에서, 분별층은 또한 자립되어 있으나, 이는 발명 수행에 필수적인 것은 아니다. 당분야의 통상의 지식을 가진 자에게 고밀도의 비다공성 분별층이 분별층상에 결함을 가지고 있다는 것은 자명하다. 이러한 분별층을 기체 또는 액체 혼합물을 분리하는데 이용하면, 상기 결함으로 무차별적 수송이 일어난다. 기체 혼합물을 분리하기 위해 사용하는 상기 분별층의 경우에, 분별층을 통한 수송이 “용액-확산”으로 일어나는 반면에 상기 결함을 통한 수송은 Knudsen 확산으로 발생한다. 이는 1998년 Austin 소재의 텍사스 대학에 제출된 Clausi Clausi, N.의 논문 “기체 분리용 비대칭 폴리이미드 중공섬유멤브레인의 형성과 특징”에 증거자료가 제공되어있다. 상기 결함을 함유한 분별층을 액체 혼합물을 분리하기 위해 사용할 때, 상기 결함을 통해 무차별적인 유압 수송이 일어날 것이다. 상기 결함을 통한 유압 수송으로 액체가 멤브레인의 투과측으로 투과될 것이다. 상기 무분별적 수송은 일부 적용에서는 만족스럽지만, 그 외의 이용에는 바람직하지 못하다.
무결함, 고밀도의 비다공성 분별층의 일례는 용액 침지(cast) 고밀도멤브레인의 경우이다. 위의 멤브레인은 당분야의 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있다. 상업상 실용적인 탈수율을 가진 결함이 있는 고밀도의 비다공성 분별층은 소정의 탈수율을 허용할 정도의 유의하게 얇은 두께를 가진 필름을 용액 침지법(solution casting)으로 만든 것이다. 포텐셜 결함은 중간체 교차 결합 단계로 용액 침지 폴리머를 여러 겹 피복하여 제거할 수 있다.
오일 탈수의 특정 사례에서, 오일의 투과측으로의 투과는 시스템으로부터 오일의 손실을 초래하여 탈수기를 상업상 이용가능성이 없게 하고, 멤브레인의 투과측을 봉쇄할 것이다. 분별층이 투과측상에서 지지되면, 유압 투과 오일이 다공성 지지체를 채우고 물 전송을 저지하여 멤브레인을 봉쇄할 것이다. 또한, 오일이 증발할 가능성이 없거나 증발이 일어나지 않는다면, 오일은 결함을 통한 유압 투과율보다 더 빨리 증발하지 않고, 결함이 있으면 불가역적으로 멤브레인을 봉쇄하고 탈수율을 감소시킬 것이다. 또한 멤브레인이 전혀 결함이 없는 것이 아니라면, 습기를 제거하기 위해 투과측에 사용하는 스위프(sweep)는 멤브레인을 통과하여 깨끗한 오일에서는 제거될 것이다. 이는 오일에 거품을 형성하여 바람직하지 않게 된다.
상기의 무결함, 고밀도의 비다공성 분별층을 통한 수송 기작은 “용액 확산”을 통해서 이루어진다. 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게, “용액-확산”은 분별층으로 투과한 물질의 용해 후 분별층을 통한 확산 후 분별층의 투과측상의 탈흡착을 의미하는 것으로 이해된다. 오일과 물은 멤브레인의 공급측 쪽에 액체상으로 존재하는 반면에, 투과된 물질은 증기상 또는 가스상으로 분별층의 투과측으로부터 제거된다. 분별층이 결함을 포함하고 있다면 분별층을 통한 유압 투과가 일어나 투과측으로 액체를 수송할 것이다. 상기 논의된 바와 같이, 이러한 상황은 멤브레인을 봉쇄하고 시스템의 오일 손실을 초래하여 상업상 이용 불가능한 제품을 만들게 된다.
당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게, 증발과다는 고밀도의 비다공성 분별층을 통해 완전히 혼화할 수 있는 액체 혼합물의 분리를 의미하는 것으로 이해된다. 또한, 증발과다는 상기 성분들이 제한된 비율로 분별층을 통해 투과하여 증기로 투과측에서 제거된다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 게다가 증발과다 탈수의 경우에는, 결함이 있는 분별층에서의 투과측으로의 비수상 수송이 비관적이진 않다. 이는 비수상의 증기압이 높아 쉽게 증발되지 않기 때문이다. 이는 물과 혼합했을 경우에 순수 성분과 비교하여 기대하지 않은 유의한 반응을 보일 수 있는 에틸렌글리콜 등의 저휘발성 성분에서 조차도 그러하다.
미세여과, 초미세여과 및 투석용등의 다공성멤브레인은 저휘발성 액이 구멍을 투과하여 멤브레인을 봉쇄하기 때문에 적합하지 못하다.
바람직한 멤브레인으로는 지지구조체 표면 한쪽 또는 양쪽에 상대적으로 밀도가 높은 분별층 또는 스킨을 가지고 있는 고밀도, 비다공성 폴리머 필름 또는 비대칭 멤브레인을 포함한다. 고밀도의 비다공성 멤브레인은 “상 전환(phase conversion)” 이나 “용액 침지”의 하나로 만들어진다. 상 전도의 경우에, 폴리머-용매-비용매계는 용매 증발, 용매 추출 또는 시스템에 비용매 유입으로 침전하게 된다. 상 전도는 대칭이거나 아닌, 고밀도의 비다공성 폴리머를 가지고 있거나 가지고 있지 않은 비동질성 다공성 폴리머를 초래한다. 고밀도의 비다공성 분별층은 용매-비용매계의 적절한 선택에 의한 상 분리로 형성된다. 용액 침지법의 경우에, 바람직한 폴리머 용매계는 겔화된 후 건조된다. 용액 침지 폴리머는 통상적으로 다공성이 아니며, 균질의 필름이다. 상기 두 경우에, 고밀도의 비다공성 필름이 또 다른 지지 구조체상에 형성될 것이다. 두 가지 방법으로 생성된 고밀도 비다공성 분별층은 결함을 가질 것이다(미국 특허 제 4,230,463). 이러한 분별층의 결함을 실질적으로 줄이기 위한 후 처리 방법 또한 Henis와 Tripodi(Henis, J. and Tripodi, M., "기체 분리용 합성 중공섬유멤브레인: 저항력 모델 접근법, ”J. Membr. Sci.(8) 233-245(1981))에 의해 보고된 바 있다. 상기 결함을 줄이기 위한 방법은 모든 결함을 제거할 때까지 결함이 있는 멤브레인을 반복적으로 피복하는 것을 포함한다. 이차 피복은 최초의 층과 동일한 폴리머를 기초로 하거나, 상이한 폴리머를 기초로 할 것이다. 결함이 없는 고밀도의 비다공성 분별층은 유의하게 두꺼운 동질의 폴리머 필름의 용액 침지에 의해 생성될 것이다. 또한 초 경박, 무결함의 고밀도 비다공성 분별층이 생성된다는 것이 Pfromm에 의해 증명된 바 있다(1994년 Austin 소재의 텍사스 대학에 제출된 Pfromm, P.H.의 논문 “무정형의 유리 폴리머로 제조한 얇고 두꺼운 필름의 가스 수송성 및 노화”).
당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게, 결함이 없는 고밀도의 비다공성 동질 폴리머 필름을 통한 가스 수송 특징은 통상적으로 폴리머의 “고유” 속성으로 사료된다(Clausi, 1998). 예를 들자면, 폴리머의 고유 투과성은 분별층의 두께와는 무관하다. 상기 분별층을 가스 혼합물을 분리하는데 이용하고, 상기 층이 상기 분별층에 비하여 매우 적은 수송 저항력을 가진 지지체위의 유리 기립 필름(free standing film) 또는 합성물이면, 특정 혼합물의 투과성률 또한 특정 조건에서 폴리머의 고유 특성이다. 이러한 비율을 특정 가스 성분에 대한 폴리머의 고유 선택도라 칭한다.
고밀도의 비다공성 분별층이 가스의 특정 조합에 대한 “고유” 선택도를 나타내지 않으면, 이러한 분별층은 결함을 포함하고 있을 것이다. 이는 결함이 분리될 성분의 무분별적 수송을 허용하기 때문이다. 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게, 상기 기법은 다공성 지지체가 유동을 거의 저지하지 않을 때, 분별층의 결함 존재여부를 결정하기 위해 흔히 사용된다(Clausi, 1998; 미국 특허 제 4,902,422). 상기 기법은 분별층의 생성 기작과 관계없이 결함의 존재여부를 결정하는데 이용될 것이다. 분별층에 결함이 없다는 것이 확인되면, 기체 또는 액체의 무분별적 수송을 허용하지 않을 것이다. 그리고 액체 투과의 경우, 투과 물질은 증기로 멤브레인으로부터 제거될 것이다.
얇은 고밀도의 비다공성 분별층은 분리층이 될 것이고, 또한 동시에 그리고 전적으로 지지구조체와 함께 생성될 것이다. 상기 층은 지지구조체와 동일한 재료 또는 합성물 형태의 상이한 물질로 구성되어 있다. 합성 멤브레인은 지지구조체에 접착하는 고밀도의 층을 가진다. 고밀도의 비다공성 분별층은 나중에 분리 과정으로 생성된다. 이러한 합성 필름, 섬유 또는 시트는 다공성이거나 비다공성이다. 시트가 평평한 것이 바람직하지만, 발명 수행에 필요하진 않다. 상기 섬유, 필름 또는 시트는 투과측으로부터 공급을 분리하기 위해서 하나 이상의 면에 담겨질 것이다. 이러한 멤브레인에 있는 분별층은 다공성 유기 및 무기 폴리머, 세라믹 또는 유리로 구성된 지지구조체와 동일하거나 상이할 것이다. 바람직한 실시예는 지지체의 한 면 또는 양면위에 폴리머의 얇은 고밀도의 비다공성 분별층을 가진 합성 시트 또는 합성 중공섬유이다. 대칭 또는 비대칭 멤브레인의 경우에, 바람직한 실시예는 공급측위의 경계층을 최소화하는 것이지만, 액체는 둘 중 하나의 면 상의 멤브레인과 접촉할 것이다.
고밀도의 비다공성 층 또는 스킨은 또한 멤브레인의 필수 구성요소가 되고, 지지구조체와 동시에 형성된다. 그러나 본 발명은 지지구조체와 동시에 고밀도의 비다공성 층 형성에 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 또한 멤브레인의 구성요소(복합재의 일부라고도 한다)로서 고밀도의 비다공성 층을 형성함으로써 수행될 것이다. 고밀도의 비다공성 층은 지지구조체와는 별도로 각각으로 형성될 것이다. 이러한 경우에, 고밀도의 비다공성 층은 그 후에 지지구조체에 접착한다.
지지구조체는 다공성이거나 비다공성이다. 고밀도의 비다공성 스킨 또는 지지구조체는 천연 폴리머이고 무기 또는 유기 폴리머이다. 폴리머는 선형 폴리머, 분지형 폴리머, 가교 폴리머, 고리화 선형 폴리머, 사다리형 폴리머, 고리화 매트릭스 폴리머, 공중합체, 삼량체, 그래프트 폴리머(graft polymer) 또는 그의 혼합물이 될 것이다.
저휘발성 액체가 지지구조체를 습윤시킬 수 있다. 이에 대한 대안으로, 저휘발성 액체가 구조를 습윤되지 않도록 다공성 지지구조체를 처리할 것이다. 그러나, 본 발명 실시를 위해 필수적인 것은 아니다. 본 발명은 다공성지지 구조체가 저휘발성 액체로 습윤되지 않은 경우에도 실시 가능하다. 또한, 본 발명은 다공성 지지구조체가 저휘발성 액체에 의해 습윤되지 않도록 처리된 경우에도 실시 가능하게 될 것이다. 바람직하게는, 다공성 지지구조체는 저휘발성 액체에 의해 구조가 습윤되지 않는 종류의 것이다.
이러한 상황에서 멤브레인이 하나의 면 위에만 고밀도의 비다공성 층 또는 스킨으로 구성된다면 비다공성 층은 상기 논의된 바와 같이 오일 통과를 초래할 것이다. 오일이 멤브레인을 통해 유압으로 투과하면, 오일은 물보다 느린 속도로 증발하거나 전혀 증발하지 않아 멤브레인을 봉쇄하고 탈수율을 감소시킬 것이다. 따라서, 바람직한 실시예는 다공성지지 구조체의 한 면 또는 양면위에 결함이 없는 고밀도의 비다공성 분별층을 갖는 것이다. 오일이 분별층의 결함을 통해 유압으로 투과하지 못하도록 결함이 없는 고밀도의 비다공성 분별층을 갖는 것이 필요하다. 다공성 구조 양면에 결함이 없는 고밀도의 비다공성 분별층을 갖는 이점은 오일의 유압 수송 포텐셜이 더욱 감소한다는 것이다.
중공섬유의 경우에는 공급은 섬유의 외측, 또는 섬유 중공부내의 멤브레인에 접촉할 수 있다. 바람직한 실시예는 낮은 동작압 강하를 제공하도록 액체가 외측으로부터 공급되는 것이다.
분별층 또는 스킨은 고밀도에서 비다공성의 이 층에 의해 대량으로 오일의 수송이 불가능하게 되는 것이라면, 공급과 화학적으로 적합한 임의의 계통의 폴리머로 구성되어도 좋다. 분별층 또는 스킨이 오일과 화학적으로 반응하지 않는 경우, 또는 오일과 접촉에 의해 크기, 강도, 투과성, 그리고 선택성 등의 물리적인 특성이 악영향을 미치지 않는 경우이다. 고밀도이며, 비다공성의 층은 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레아, 폴리(에테르-아미드), 무정형 테프론, 폴리유기실란, 알킬셀룰로오즈, 및 폴리올레핀 등을 함유하는 폴리머로 구성되어도 좋다.
액체는 멤브레인과 역류(countercurrent), 병류(co-current), 교차류(crossflow) 또는 방사상 교차류(radical crossflow)의 구성으로 접촉하도록 되어도 좋다. 이 흐름은 흐름의 어느 하나 또는 양방(즉, 공급과 투과)이 잘 혼합되어도 좋고, 또는 혼합되지 않아도 좋다. 공급 흐름은, 바람직하기로는 잘 혼합되어 있다.
저휘발성 액체(예를 들면, 오일)와 물을 함유하는 액체의 흐름은 무결함, 고밀도의 비다공성 층과 접촉하도록 용기 중에 공급될 수 있다. 그러나 본 발명의 동작은 이 액체를 용기 중에 공급하여, 고밀도로 비다공성 층과 접촉시키는 것만으로 제한되는 것은 아니다. 또한 발명은 액체를 용기 중에 공급하여, 고밀도로 비다공성 층 또는 스킨이 없는 쪽의 멤브레인과 접촉시킴으로서 실시된다.
투과측의 물의 분압은 진공을 적용함으로서, 또는 이산화탄소, 아르곤, 수소, 헬륨, 질소, 메탄 또는 바람직하게는 공기와 같이 낮은 수증기 분압의 스위프 가스(sweep gas)를 사용함으로서 감소시키는 것이 가능하다. 스위프(sweep) 과정을 포함한 투과의 흐름은, 바람직하기로는 역류, 교차흐름, 또는 방사상 교차흐름 형태이다. 투과압력은 공급압력보다 같아도 좋고, 그보다 적어도 좋다.
대체적으로 투과압력은 공급압력보다 더 커도 좋다. 투과압력이 공급압력보다 더 큰 경우의 예로서는, 스위프 가스에 의해 투과가 제거되는 경우를 들 수 있다. 스위프 가스는 용기의 투과측 압력이 용기의 공급측의 압력보다도 크게 되도록 탈수된 압축공기 또는 질소로 이루어져도 좋다. 이러한 시나리오에서는 일반적으로 공급에서 제거되는 고휘발성의 활성은 투과측보다도 공급측에서 국소적으로 크게 된다.
오일 탈수에 기초한 멤브레인은 유입 액체를 여과하는 데 바람직하다. 여과는 흐름 중에 혼입되는 입자물질이나 자유수를 제거하는 데 사용될 수 있다. 이 분야에서 알려진 유체를 여과하는 어떤 기술도 적절하다. 멤브레인은 여과 흐름 중에 혼입되는 입자물질에 의한 분리층의 파괴를 방지하는 것이 가능하다.
바람직한 실시예에서는 멤브레인은 다공성의 지지 구조체의 한쪽 또는 양쪽에 고밀도, 무결함(defect-free), 비다공성의 분리층을 갖춘 중공섬유로 구성되어 있다. 바람직한 실시예에서는 공급측을 횡단하는 압력강하가 최소화 되어 있다. 투과된 물은, 진공 또는 스위프에 의해 투과측에서 인출된다. 이러한 물은 증기 또는 기체상으로 되어있다. 스위프는 기체 또는 액체의 형태로 취할 수 있다. 게다가 스위프는 저휘발성 액체보다도 물에 대해 낮은 활성을 가질 수 있다.
본 장치는 진공 정화기 및 기타 종래 탈수기가 사용되고 있는 상황에서 적용될 수 있다. 본 방법과 장치는 오일탈수기가 1대의 장치의 일부의 저류조에 접속되어 있는 신장 고리 시스템(“kidney-loop" system)에서 오일이 처리되는 데 사용될 수 있다. 오일은 프로세스 저류조에서 인출되어 탈수기를 통해서 처리되고 나서 저류조로 되돌아간다. 오일탈수기는 주된 시스템이 운전 중이나 정지 중에 연속적으로 또는 간헐적으로 작동될 수 있다. 본 장치는 또한 오프라인(off-line)에서 저류조의 유체를 처리하는 데 사용될 수도 있다. 이러한 저류조는 운전 장비와 연결되지 않고 유체를 조절하는 컨테이너(container)로 사용할 수 있다.
게다가 종래 식에 적용하여, 본 장치는 인라인(in-line)으로 사용될 수 있다. 공급 스페이스와 투과 스페이스가 고밀도에서 비다공성의 장벽(barrier)으로 분리되어 있기 때문에, 이 장치는 공급과 투과가 다른 압력으로 되도록 운전하는 것이 가능하다. 따라서 본 장치는 오일이 사용되었던 시스템의 압력 상태에서 운전될 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예인 인라인(in-line) 방법과 장치로 사용되는 가능성이 있다.
전통적인 오프라인(off-line) 또는 신장 고리 시스템(kidney-loop systems)의 필요성은 감소 또는 제거될 수 있다. 본 발명의 인라인(in-line)과 시스템압력에서 사용 가능하므로, 그의 소형화 및 경량화가 가능하며, 또한, 거의 모든 액압 또는 급유 장치에 대하여 유용하다. 본 장치는 부가적인 전원, 펌프 및 제거가 요구되지 않으므로 고정식 또는 이동식 장치 상에서 사용하는 것이 가능하다.
다음에, 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 반투과성 멤브레인 18의 평판 실시예이다. 멤브레인 18은 비다공성의 무결함의 분별층 또는 스킨 22와 지지구조체 24를 포함한다. 분별층 22는 지지 구조체 24의 어느 한쪽, 또는 양쪽 측면 위에 존재한다.
도 13 내지 도 14는 반투과성 멤브레인 18의 변형 실시예를 나타내며, 여기서 분별층 22는, 멤브레인 분야에서 알려진 방법에 의해 지지구조체 24와 함께 일체식으로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이, 분별층 또는 스킨은 22는 지지 구조체 24의 어느 한쪽, 또는 양쪽 측면 위에 존재하여도 좋다.
도 2에서 2개의 평판상 반투과성 멤브레인 18은 다수의 공급관 스페이서 34 에 의해 분리된다. 이 스페이서 34는 충전용 화합물(potting compounds)을 포함하는 당분야에서 공지된 각종 재료로 이루어지거나 형성되어 있다. 각 멤브레인 18은 스킨 22 및 지지 구조체 24를 가지고 있다. 공급 및 투과 흐름의 혼합을 방지하도록 구성된 투과 수집 스페이서 25가 멤브레인 18과 스페이서 34사이에 삽입되어 있다. 멤브레인 18은 공급관 스페이서 34에 의해 분리된다.
도 3은 반투과성 멤브레인 20의 중공섬유의 실시예이다. 이 실시예에서 중공섬유 멤브레인 20은 분별층 22와 지지구조체 24를 포함하고 있다. 분별층은 섬유의 내측 또는 외측의 한쪽에 있어도 좋으며, 또한, 양쪽에 있어도 좋다.
도 15 내지 도 16은 중공섬유 멤브레인 20의 변형 실시예를 나타내는 도이다. 중공섬유 멤브레인 20은 분별층 또는 스킨 22가 당분야의 공지된 수법에 의해 지지구조체 24와 일체식으로 형성되어 있다. 상기한 바와 같이, 분별층 또는 스킨 22는 지지 구조체 24의 어느 한쪽이나 양쪽에 설치되어도 좋다.
도 4A는 다수의 중공섬유 반투과성(semi-permeable) 멤브레인 20으로 직조된 매트 20이다. 제직 기술 또는 섬유 기술의 관점에서 말하면, 이 중공섬유 멤브레인 20은 종래와 같이 매트 30의 횡사(weft)를 구성하고 있다. 다수의 충전재(fillers) 28이 중공섬유 멤브레인 20을 매트에 직조되는 데 사용되고 있다. 이 충전재 28은 매트나 섬유를 직조하는 데 종래의 방식으로 사용되었다.
도 4B는 도 4A의 선 B-B를 따라, 화살표 방향으로 취한 단면도이다. 도 4B에서 사용된 번호는 전과 이전에 식별된 것과 동일 요소를 나타낸다. 섬유가 손상되지 않는다면, 중공섬유 매트를 생성하는 데 임의의 종류의 제직 처리가 이용되어도 좋다.
도 4C는 매트 30이 나선형으로 감겨져 있는 것을 보여주는 것이다. 다음에 상술하는 바와 같이, 통상 충진 화합물 35 등의 공급관 스페이서 34가, 매트 30의 단부에 근접하여 적용되며, 중공섬유 20 사이의 공간이 충진된다.
도 4D에서 2개의 중공 섬유 반투과성 멤브레인 20이 나선형으로 감겨 로프(rope) 32를 형성하고 있다.
도 5에서는 평판상 반투과성 멤브레인 18이 공지의 나선상 권취 구성 및 기법을 사용하여 나선형으로 권취되어 있으며, 이에 의해 나선상으로 감긴 구성부재 내에 공급 스페이스 및 투과 스페이스가 설치되어 있다. 하나 이상의 평판상 반투과성 멤브레인 20이 동시에 나선형으로 감겨질 수 있다. 통상 복수의 평판상 반투과성 멤브레인 18은 각각 수평적으로 배치된다. 멤브레인 18은 스페이서 34에 의해 분리 되어도 좋고, 분리되지 않아도 좋다. 수평 방향으로 배치된 다수의 평판상 반투과성 멤브레인 20의 조립은 코어 60(사용하는 경우)에 대하여 나선형으로 권취된다. 통상, 나선형은 단단하게 짜여져야 하며, 공급관 스페이서 34는 투과 수집 스페이서 25와 접촉된다.
도 6은 진공 투과형의 본 발명이 도시되어 있다. 오일이 멤브레인 18과 효과적으로 접촉하도록 물을 함유하는 공급 40이 멤브레인 분리장치의 용기 42의 공급측으로 도입된다. 멤브레인 20과 접촉하기 전에 소망에 따라, 공급 40이 가열되어도 좋다. 탈수된 저휘발성 액체는 용기 42로부터 배출 44에서 제거된다. 투과 46은 진공펌프 48에 의해 인출된다. 이 공급 40은 소망에 따라, 멤브레인 20과 평행방향 또는 수직방향 또는 이들을 임의로 조합한 방향으로 흘러도 좋다. 투과 46도 동일하게, 멤브레인 20에 대하여 평행방향 또는 수직방향 또는 이들을 임의로 조합한 방향으로 흘러도 좋다. 소망에 따라, 용기 42는 가열되어도 좋다.
명확하게 용기 42는 공급 40의 유속, 소망하는 운전 압력 강하, 그리고 제거되는 물의 양에 대하여 적절한 크기로 조절할 필요가 있다. 투과 46은 교차류의 구성에서 도시되어 있으나, 공급 40과 투과 46은 상호 역방향, 병류, 방사상 교차류로 흘러도 좋다.
스위프 가스 형은 멤브레인 20의 투과측에 스위프 유체 50을 위한 유입구가 설치되어 있는 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 이 공급흐름은 필터 52를 사용하여 도 8에 도시한 바와 같이, 여과되어도 좋다.
도 9, 10, 11 및 도 12에서는 중공섬유 20의 중공부 측의 유체가 충진 화합물(potting compound) 34에 의해 외측의 유체로부터 분리되어 있다. 도 11에서는 천공된 코어 60에 의해 오일이 퇴출되고 있다. 천공된 코어 60은 천공부 64와 유출구 68을 가진 하우징 62를 갖춘 종래의 천공 코어이다. 천공부는 다수의 천공 66을 갖는다. 배출구 68은 용기 42의 배출 44와 연결되어 있다. 천공은 임의의 적당한 크기와 배열을 가질 수 있다. 저휘발성 액체는 하우징 62와 천공부 64 위를 흘러, 천공 66을 통해서 하우징 62로 진입하고, 다시 유출구 68을 통해 천공된 코어 60을 퇴출한다.
본 장치와 방법은 급유의 오일뿐 아니라 식물유나 식용유, 실리콘, 또는 다른 저휘발성의 유체와 같이 다른 유체의 탈수에 이용하는 것이 가능하다.
상기 명세서에서 사용된 용어나 표현은 제한되는 것이 아니고, 설명을 위한 것이며, 이와 같은 용어 및 표현을 사용함으로서 도시 및 설명되어 있는 각종 특성 또는 그들 특성의 일부를 제외하는 것을 기도한 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 규정 및 제한되는 것이다. 1 is a perspective view of a membrane structure used in the present invention.
2 is a perspective view of a membrane variant useful in the present invention.
3 is a perspective view of another modified membrane useful in the present invention.
4A is a plan view of a plurality of hollow fiber membranes of a woven mat, as shown in FIG.
4B is a cross-sectional view taken in the direction of the arrow, along line BB of FIG. 4A.
Fig. 4C is a schematic diagram after the spiral winding of the mat shown in Fig. 4B.
FIG. 4D is a perspective view after the spiral winding of two hollow fiber semi-permeable membrane structures, as shown in FIG. 3.
5 is a schematic view after winding in a spiral of the structure shown in FIG.
6 is a schematic of an exemplary membrane separation method embodying the present invention wherein water is removed by a vacuum pump means.
7 is a schematic view of a variant of the separation method shown in FIG. 6 in which water is removed by means of a swept gas stream.
8 is a schematic representation of a variant of the separation method shown in FIG. 6 in which the membrane is protected from contaminants in the feed stream by upstream filter means.
9 is a front view of a hollow fiber embodying the configuration of the present invention in which the feed flows into the inner diameter of the fiber.
10 is a front view of a hollow fiber embodying the configuration of the present invention in which the feed flows out of the fiber.
11 is a front view of a hollow fiber embodying the configuration of the present invention in which the feed flows out of the fiber and water is removed in countercurrent to the discharge oil. The oil is withdrawn by the puncture core.
12 is a front view of a hollow fiber embodying the configuration of the present invention wherein water is removed by the sweep gas.
It is a perspective view of the modification of the structure shown in FIG. 1 which is a skin in which the membrane was integrally formed.
14 is a partial cross-sectional elevation view of the configuration shown in FIG. 13.
FIG. 15 is a perspective view of a modification of the configuration shown in FIG. 3, wherein the membrane is a skin formed integrally. FIG.
FIG. 16 is a partial cross-sectional elevation view of the configuration shown in FIG. 13. FIG.
Best Mode for Carrying Out the Invention
The specific drawings and the specific apparatus and methods described below are representative examples of the inventive concepts defined in the appended claims. Accordingly, specific areas and other physical properties related to the embodiments known herein are not limited to this range unless explicitly stated in the claims.
Prior to describing preferred embodiments of the invention, published in 1992 by Van Nostrand Reinhold Membrane Handbook Pages 3-15 and 1995 Handbook of Industrial Membranes Pages 56-61 of the first edition are inserted here as if they were fully revised.
The present invention relates to apparatus and methods useful for differentially removing water or other highly volatile solvents from a wide variety of low volatile liquids. Low volatility liquid is defined as a liquid having a standard boiling point higher than the standard boiling point of water (100 ° C.). Thus, water will belong to a high volatility liquid. It should be noted that components that exhibit low volatility in the pure state do not ideally react in the mixture. This can lead to significantly higher evaporation rates of the components in the mixture than expected of pure component volatility. Preferably the present invention relates to the separation of water from oil.
More specifically, the method of dehydrating oil consists of the following steps: contacting a nonporous, impermeable, semipermeable membrane with a liquid stream containing at least oil and water, by means of which the separation chamber comprises a feed liquid therein. Dividing the mixture into a feed side into which the mixture flows and a permeate side through which water exits; Maintaining a partial chemical potential gradient for water such that water preferentially permeates through the membrane from the feed side to the permeate side; And removing the water permeated from the permeate side; Removing dehydrated oil from the supply side of the membrane. The “chemical potential gradient” is also called the “active gradient” or “partial pressure gradient”. "Partial pressure gradient" means the difference between the water vapor pressure on the permeate side and the equilibrium water vapor pressure corresponding to the water concentration in the oil.
An apparatus for dehydrating oil is a container containing at least one non-porous, semi-permeable, intact membrane, the container being inserted into the container to divide the interior of the container into at least one supply side space and one permeate side space; ; At least one inlet toward the supply space; At least one outlet from said supply space; At least one outlet from the electrical transmission space. Such a device causes a mixture of oil and water to flow through the inlet to contact at least one side of the semipermeable membrane; Maintaining a chemical potential gradient with respect to water such that water permeates differentially from the supply side to the permeate side through the membrane; Removing the permeated water from the permeate side through the outlet; It is possible to remove the oil dehydrated from the supply side of the membrane through the outlet.
Given the face suitable for separation, the membrane can be in any form or shape. Conventional examples include freestanding films, hollow fibers, synthetic sheets, synthetic hollow fibers. The hollow fiber membranes are constructed such that the fibers are approximately parallel to each other, or are arranged in a separate manner. The fibers of the composite hollow fiber membrane or hollow fiber membrane may be spirally wound or twisted. In addition, the fibers may be woven into a mat. In the case of membranes composed of flat sheets or mats of fibers, the sheets or mats may be spirally wound. In addition, the sheet or the mat may be separated by a spacer.
The membrane used consists of a support, which is at least partially thin, flawless, and dense, a non-porous discriminating layer (also called a "skin") and a support. In another embodiment, the fractionation layer is also free standing, but this is not essential to the practice of the invention. It is apparent to one of ordinary skill in the art that a dense, nonporous fractionation layer has defects on the fractionation layer. If such a fractionation layer is used to separate a gas or liquid mixture, indiscriminate transport occurs with this defect. In the case of the fractionation bed used to separate the gas mixture, the transport through the fractionation bed takes place as "solution-diffusion" while the transport through the defect occurs with Knudsen diffusion. Evidence is provided in Clausi Clausi, N.'s paper “Formation and Characterization of Asymmetric Polyimide Hollow Fiber Membranes for Gas Separation”, presented to the University of Texas, Austin, 1998. When the fractionation layer containing the defect is used to separate the liquid mixture, indiscriminate hydraulic transportation will occur through the defect. Hydraulic transport through the defect will permeate the liquid to the permeate side of the membrane. Such indiscriminate transportation is satisfactory in some applications, but is undesirable for other uses.
One example of a flawless, high density nonporous fractionation layer is the case of a solution dense membrane. The membranes above are known to those of ordinary skill in the art. Defective, high density, nonporous fractionation layers with commercially viable dehydration rates are obtained by solution casting of films with a significantly thin thickness to allow for a desired dehydration rate. Potential defects can be removed by coating several layers of solution immersion polymer in an intermediate crosslinking step.
In certain instances of oil dehydration, permeation of oil to the permeate side will result in loss of oil from the system, making the dehydrator commercially unavailable and will block the permeate side of the membrane. If the fractionation layer is supported on the permeate side, the hydraulic permeate oil will fill the porous support and block water transfer to block the membrane. In addition, if the oil is unlikely to evaporate or no evaporation occurs, the oil will not evaporate faster than the hydraulic permeability through the defect, and if there is a defect, it will irreversibly close the membrane and reduce the dehydration rate. Also, if the membrane is not at all defective, the sweep used on the permeate side to remove moisture will pass through the membrane and be removed from the clean oil. This bubbles up the oil and becomes undesirable.
Said flawless, dense, non-porous fractionation transport mechanism is via "solution diffusion". For those of ordinary skill in the art, “solution-diffusion” is understood to mean the desorption on the permeate side of the fractionation layer after dissolution of the material that has permeated into the fractionation layer and after diffusion through the fractionation layer. Oil and water are in the liquid phase on the feed side of the membrane, while the permeated material is removed from the permeate side of the fractionation layer in vapor or gas phase. If the fractionation layer contains a defect, hydraulic permeation through the fractionation layer will occur to transport the liquid to the permeate side. As discussed above, this situation can block the membrane and lead to oil loss of the system, making the product not commercially available.
To those of ordinary skill in the art, it is understood that excess evaporation refers to the separation of a liquid mixture that can be fully miscible through a dense, nonporous fractional bed. In addition, excess evaporation is understood to mean that the components are permeated through the fractionation layer in a limited proportion and removed on the permeate side with vapor. Moreover, in case of excessive evaporation of dehydration, non-aqueous transport to the permeate side in the defective fractionation layer is not pessimistic. This is because the vapor pressure of the non-aqueous phase is high and does not evaporate easily. This is true even for low volatility components such as ethylene glycol, which, when mixed with water, may exhibit unexpectedly significant reactions compared to pure components.
Porous membranes, such as microfiltration, ultrafiltration, and dialysis, are not suitable because low-volatile liquids penetrate the pores and seal off the membrane.
Preferred membranes include high density, nonporous polymer films or asymmetric membranes having a relatively dense fractionation layer or skin on one or both surfaces of the support structure. High density, nonporous membranes are made either as "phase conversion" or "solution immersion". In the case of phase inversion, the polymer-solvent-nonsolvent system will be precipitated by solvent evaporation, solvent extraction or nonsolvent entry into the system. Phase conduction results in an inhomogeneous porous polymer with or without a symmetric, non-porous polymer of high density. The high density, nonporous fractionation layer is formed by phase separation by appropriate selection of solvent-nonsolvent systems. In the case of solution dipping, the preferred polymer solvent system is gelled and then dried. Solution immersion polymers are typically not porous and are homogeneous films. In both cases, a high density nonporous film will be formed on another support structure. The high density nonporous fractionation layer produced in two ways will have defects (US Pat. No. 4,230,463). Post-treatment methods to substantially reduce these fractional defects are also described in Henis and Tripodi (Henis, J. and Tripodi, M., "Synthetic Hollow Fiber Membrane for Gas Separation: a Resistance Model Approach," J. Membr. Sci. (8). 233-245 (1981).) The method for reducing the defects involves repeatedly covering the defective membrane until all the defects are removed. Polymer based, or different polymer based, defect-free, high density, nonporous fractionation layer will be produced by solution immersion of significantly thick homogeneous polymer film, and ultra thin, flawless, high density nonporous fractionation The formation of layers has been demonstrated by Pfromm (Pfromm, Ph., Ph.D., presented to the University of Texas, Austin, 1994, “thin, thick films made of amorphous glass polymers. Gas transportability and aging ”).
For those of ordinary skill in the art, gas transport characteristics through defect-free, high density, non-porous homopolymer films are typically considered to be the "inherent" properties of the polymer (Clausi, 1998). For example, the inherent permeability of the polymer is independent of the thickness of the fractionation layer. If the fractionation layer is used to separate the gas mixture and the layer is a free standing film or composite on a support having a very low transport resistance compared to the fractionation layer, the permeability of the particular mixture is also determined under certain conditions. Inherent properties of the polymer. This ratio is called the intrinsic selectivity of the polymer for the particular gas component.
If the high density, nonporous fractionation layer does not exhibit "native" selectivity for a particular combination of gases, then this fractionation layer will contain defects. This is because the defects allow indiscriminate transportation of the components to be separated. For those of ordinary skill in the art, this technique is commonly used to determine the presence of defects in the fractionation layer when the porous support hardly blocks flow (Clausi, 1998; US Pat. No. 4,902,422). The technique will be used to determine the presence of defects regardless of the mechanism of formation of the fractionation layer. If it is confirmed that the fractionation layer is free of defects, it will not allow indiscriminate transport of gas or liquid. And in the case of liquid permeation, the permeate will be removed from the membrane by vapor.
A thin, high density, nonporous fractionation layer will be a separating layer and will also be produced simultaneously and entirely with the support structure. The layer consists of different materials in the same material or composite form as the support structure. The synthetic membrane has a high density layer that adheres to the support structure. The dense, nonporous fractional layer is produced later in the separation process. Such synthetic films, fibers or sheets are porous or nonporous. It is preferred that the sheet is flat, but not necessary to carry out the invention. The fiber, film or sheet will be immersed in one or more sides to separate the feed from the permeate side. The fractionation layer in this membrane will be the same or different from the support structure consisting of porous organic and inorganic polymers, ceramics or glass. Preferred embodiments are synthetic sheets or synthetic hollow fibers having a thin, high density, nonporous fractional layer of polymer on one or both sides of the support. In the case of symmetrical or asymmetrical membranes, the preferred embodiment is to minimize the boundary layer on the feed side, but the liquid will contact the membrane on either side.
High density nonporous layers or skins also become an integral component of the membrane and are formed simultaneously with the support structure. However, the present invention is not limited to the formation of a high density nonporous layer simultaneously with the support structure. The invention will also be practiced by forming a high density, nonporous layer as a component of a membrane (also referred to as part of a composite). The dense, nonporous layer will be formed separately from each other in the support structure. In this case, the dense, nonporous layer then adheres to the support structure.
The support structure is porous or nonporous. High density nonporous skins or support structures are natural polymers and inorganic or organic polymers. The polymers may be linear polymers, branched polymers, crosslinked polymers, cyclized linear polymers, ladder polymers, cyclized matrix polymers, copolymers, trimers, graft polymers or mixtures thereof.
Low volatility liquids can wet the support structure. Alternatively, the porous support structure will be treated such that the low volatility liquid does not wet the structure. However, it is not essential for the practice of the present invention. The present invention can be practiced even when the porous support structure is not wetted with a low volatility liquid. In addition, the present invention will be practiced even when the porous support structure is treated to be not wetted by the low volatility liquid. Preferably, the porous support structure is one of a kind such that the structure is not wetted by the low volatility liquid.
In this situation, if the membrane consists of a dense, nonporous layer or skin only on one side, the nonporous layer will result in oil passage as discussed above. If oil is hydraulically permeated through the membrane, the oil will evaporate at a slower rate than water, or not at all, to seal off the membrane and reduce the dehydration rate. Thus, a preferred embodiment is to have a high density, nonporous fractionation layer free of defects on one or both sides of the porous support structure. It is necessary to have a dense, nonporous fractionation layer that is free of defects such that oil does not penetrate hydraulically through the defects of the fractionation layer. An advantage of having a high density, nonporous fractionation layer that is free from defects on both sides of the porous structure is that the hydraulic transport potential of the oil is further reduced.
In the case of hollow fibers, the feed may contact the membrane outside the fiber or in the fiber hollow. A preferred embodiment is that liquid is supplied from the outside to provide a low operating pressure drop.
The fractionation layer or skin may be composed of any type of polymer that is chemically compatible with the feed, provided that it is impossible to transport oil in large quantities by this layer of high density and non-porosity. The fractionation layer or skin does not chemically react with the oil, or the physical properties such as size, strength, permeability, and selectivity do not adversely affect the oil by contact with the oil. The high density, nonporous layer is a polymer containing polyimide, polysulfone, polycarbonate, polyester, polyamide, polyurea, poly (ether-amide), amorphous teflon, polyorganosilane, alkylcellulose, polyolefin, and the like. It may consist of.
The liquid may be brought into contact with the membrane in a configuration of countercurrent, co-current, crossflow or radial crossflow. This stream may or may not be mixed well with either or both of the flows (ie feed and permeate). The feed stream is preferably well mixed.
The flow of liquid containing low volatility liquid (eg oil) and water may be supplied in the vessel to contact a flawless, dense, nonporous layer. However, the operation of the present invention is not limited to simply supplying this liquid in a container and contacting the nonporous layer at a high density. The invention is also practiced by supplying a liquid in a container and contacting the membrane on the non-porous layer or skinless side at a high density.
The partial pressure of water on the permeate side can be reduced by applying a vacuum or by using a low pressure partial pressure of sweep gas such as carbon dioxide, argon, hydrogen, helium, nitrogen, methane or preferably air. The flow of permeation, including the sweep process, is preferably in the form of countercurrent, crossflow, or radial crossflow. The permeation pressure may be equal to or greater than the supply pressure.
In general, the permeation pressure may be greater than the supply pressure. As an example of the case where the permeation pressure is larger than the supply pressure, there is a case where permeation is removed by the sweep gas. The sweep gas may be made of dehydrated compressed air or nitrogen such that the pressure on the permeate side of the vessel is greater than the pressure on the supply side of the vessel. In such a scenario, the activity of the high volatility that is generally removed from the supply is locally greater on the supply side than on the permeate side.
Membranes based on oil dehydration are preferred for filtering the incoming liquid. Filtration can be used to remove particulate matter or free water that is incorporated in the flow. Any technique for filtering fluids known in the art is suitable. The membrane is capable of preventing breakage of the separation layer by particulate matter incorporated in the filtration flow.
In a preferred embodiment, the membrane consists of hollow fibers having a high density, defect-free, nonporous separating layer on one or both sides of the porous support structure. In a preferred embodiment, the pressure drop across the supply side is minimized. The permeated water is withdrawn from the permeate side by vacuum or sweep. This water is in the vapor or gas phase. The sweep can take the form of a gas or a liquid. In addition, the sweep may have lower activity on water than on low volatility liquids.
The apparatus can be applied in situations where vacuum cleaners and other conventional dehydrators are used. The method and apparatus may be used to process oil in an “kidney-loop” system in which an oil dehydrator is connected to the reservoir of some of one unit, which is withdrawn from the process reservoir and passed through the dehydrator. The oil dehydrator can be operated continuously or intermittently while the main system is in operation or stopped, and the apparatus can also be used to treat the fluid in the reservoir off-line. Such a reservoir can be used as a container for controlling a fluid without being connected to driving equipment.
In addition to the conventional formula, the apparatus can be used in-line. Since the supply space and the permeate space are separated by a nonporous barrier at high density, the device can be operated so that the supply and permeation are at different pressures. Thus, the device can be operated under pressure in a system in which oil has been used, with the potential for use as an in-line method and apparatus which is a preferred embodiment of the present invention.
The need for traditional off-line or kidney-loop systems can be reduced or eliminated. Since it can be used in the in-line and system pressure of the present invention, its size and weight can be reduced, and it is also useful for almost all hydraulic or oil supply devices. The device can be used on stationary or mobile devices as no additional power source, pump and removal are required.
Next, a description will be given with reference to the drawings. 1 is a planar embodiment of semipermeable membrane 18. Membrane 18 comprises a nonporous, flawless fractionation layer or skin 22 and support structure 24. The fractionation layer 22 is on either or both sides of the support structure 24.
13-14 show a variant of semipermeable membrane 18, wherein fractionation layer 22 is integrally formed with support structure 24 by methods known in the membrane art. As noted above, the fractionation layer or skin 22 may be present on either or both sides of the support structure 24.
In FIG. 2 two flat semipermeable membranes 18 are separated by a plurality of feed tube spacers 34. The spacer 34 is made or formed of various materials known in the art, including potting compounds. Each membrane 18 has a skin 22 and a support structure 24. A permeate collection spacer 25 is inserted between membrane 18 and spacer 34 that is configured to prevent mixing of feed and permeate flows. Membrane 18 is separated by feed tube spacer 34.
3 is an example of a hollow fiber of semipermeable membrane 20. In this embodiment, the hollow fiber membrane 20 comprises the fractionation layer 22 and the support structure 24. The separation layer may be on one side of the inside or the outside of the fiber and may be on both sides.
15 to 16 are diagrams showing a modified embodiment of the hollow fiber membrane 20. The hollow fiber membrane 20 has the fractionation layer or skin 22 formed integrally with the support structure 24 by techniques known in the art. As described above, the separation layer or the skin 22 may be provided on either or both of the support structures 24.
4A is a mat 20 woven from a plurality of hollow fiber semi-permeable membranes 20. In terms of weaving technology or fiber technology, this hollow fiber membrane 20 constitutes a weft of the mat 30 as in the prior art. A number of fillers 28 are used to weave the hollow fiber membrane 20 to the mat. This filler 28 was used in a conventional manner to weave mats or fibers.
4B is a cross-sectional view taken in the direction of the arrow, along line BB of FIG. 4A. The numbers used in FIG. 4B represent the same elements as identified before and before. If the fibers are not damaged, any kind of weaving treatment may be used to produce the hollow fiber mats.
4C shows that the mat 30 is wound spirally. Next, as described above, a supply pipe spacer 34 such as a filling compound 35 is normally applied close to the end of the mat 30, and the space between the hollow fibers 20 is filled.
In FIG. 4D two hollow fiber semipermeable membranes 20 are spirally wound to form rope 32.
In FIG. 5, flat semi-permeable membrane 18 is spirally wound using known spiral winding configurations and techniques, whereby a supply space and a permeate space are provided in a spiral wound component. One or more flat semi-permeable membranes 20 can be wound in a spiral at the same time. Usually a plurality of flat semipermeable membranes 18 are arranged horizontally, respectively. The membrane 18 may or may not be separated by the spacer 34. The assembly of a plurality of flat semipermeable membranes 20 arranged in the horizontal direction is spirally wound about the core 60 (if used). Typically, the spiral should be tightly woven and the feed tube spacer 34 is in contact with the permeate collection spacer 25.
6 shows the present invention of a vacuum transmission type. Feed 40 containing water is introduced to the feed side of vessel 42 of the membrane separator so that the oil is in effective contact with the membrane 18. Feed 40 may be heated as desired prior to contact with membrane 20. The dehydrated low volatility liquid is removed at discharge 44 from vessel 42. Permeation 46 is withdrawn by vacuum pump 48. This supply 40 may flow in the direction parallel or perpendicular | vertical to the membrane 20, or the combination which arbitrarily combined as needed. Similarly, the permeation 46 may flow in the parallel or vertical direction with respect to the membrane 20 or in a direction in which these are combined. If desired, the container 42 may be heated.
Clearly, vessel 42 needs to be sized appropriately for the flow rate of feed 40, the desired operating pressure drop, and the amount of water removed. Permeation 46 is shown in the configuration of crossflow, but feed 40 and permeation 46 may flow in reverse, cocurrent, radial crossflow flows.
The sweep gas type is shown in FIGS. 7 and 8 with inlets for the sweep fluid 50 installed on the permeate side of the membrane 20. This supply flow may be filtered using the filter 52, as shown in FIG.
9, 10, 11 and 12, the fluid on the hollow side of the hollow fiber 20 is separated from the outer fluid by the potting compound 34. In FIG. In FIG. 11, oil is withdrawn by the perforated core 60. Perforated core 60 is a conventional perforated core with a perforation 64 and a housing 62 with outlet 68. The perforation has a plurality of perforations 66. The outlet 68 is connected to the outlet 44 of the vessel 42. The perforation may have any suitable size and arrangement. The low volatility liquid flows over the housing 62 and the perforation 64, enters the housing 62 through the perforation 66, and exits the perforated core 60 through the outlet 68 again.
The apparatus and method can be used for dewatering oil as well as other fluids, such as vegetable oils, edible oils, silicones, or other low volatility fluids.
The terms and expressions used in the above specification are not intended to be limiting and are intended to be illustrative, and the use of such terms and expressions is not intended to exclude the various features shown or described, or some of them. It is intended that the scope of the invention only be limited and limited by the appended claims.

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본 발명에 따른 오일 또는 저비점의 액체로부터 유리수, 에멀젼수 또는 용해된 물을 제거하는 맴브레인-기초- 방법 및 그 장치는 작동 및 이동 중에는 이동 장치에서 사용될 수 있고, 또한 정치 장치 및 공정에 사용할 수도 있으며, 본 발명 방법의 작동은 간단하나, 문제의 장치가 작고 콤팩트하여 모든 사이즈의 시스템으로 저렴하게 실용화할 수 있을 뿐만 아니라, 오일과 물 또는 수분을 확실하고도 간단하게 제거하여 기계, 장치 등에서 물이 혼입되지 않은 오일을 제공할 수 있는 유용한 발명이다. The membrane-based-method and the apparatus for removing free water, emulsion water or dissolved water from oil or low boiling liquids according to the invention can be used in mobile devices during operation and movement, and also in stationary devices and processes. Although the operation of the method of the present invention is simple, the device in question is small and compact, so that it can be practically used in a system of any size inexpensively, and the oil, water, or water can be removed reliably and simply to remove water from the machine, the device, and the like. It is a useful invention that can provide oil which is not incorporated.

Claims

In the method for dehydrating oil,

a) contacting one side of a defect-free, high-density, nonporous membrane with a liquid stream comprising free water, emulsion water or dissolved water and oil, by means of which the separation chamber is supplied with a supply side through which a liquid stream is supplied; Therein, separated from the permeate side through which water is discharged;

1) A flawless, high density, nonporous membrane is a composite of hollow fibers in which a flawless, high density, nonporous fractionation layer is supported on a porous support,

2) the fractionation layer and the porous support are natural polymers,

b) maintaining a partial pressure difference with respect to said water such that said water is selectively permeated as a vapor by means of "solution diffusion" through said fractional polymer layer from said supply side to said permeate side;

c) removing the permeated water vapor from the permeate side using a sweep gas stream or vacuum;

d) preventing the oil from permeating to the permeate side in liquid phase;

e) removing the dehydrated oil from the supply side of the electrical membrane;

Method characterized by consisting of.

A method for dewatering a low volatility liquid,

a) contacting one side of an intact, nonporous, semipermeable membrane with a liquid stream comprising at least water and a low volatility liquid, wherein the membrane separates the separation chamber from the supply side to which the liquid stream is supplied, Is divided into the permeate side to be discharged;

1) The defect-free, high-density, nonporous membrane is a composite of hollow fibers in which a defect-free, high-density, nonporous fractionation layer is supported on a porous support,

2) the fractionation layer and the porous support are natural polymers,

b) maintaining a partial pressure difference with respect to water such that the water is permeated through the membrane from the supply side to the permeate side and the low volatility liquid is not permeated to the permeate side by hydraulic transport;

c) removing the permeated water from the permeate side;

d) removing the dehydrated liquid from the supply side of the membrane; Method consisting of.

In the method of dehydrating oil,

a) contacting one side of an intact, semipermeable nonporous membrane with a liquid stream comprising at least water and oil;

b) the water is free water, emulsion water or dissolved water in the oil;

c) the membrane is arranged such that the separation chamber is divided into a supply side through which a liquid stream is supplied and a permeate side through which water is discharged;

d) maintaining a partial pressure difference with respect to water such that the water is permeated through the membrane from the supply side to the permeate side and is not permeated to the permeate side by hydraulic transport to the oil;

e) removing the permeated water from the permeate side;

f) removing the dehydrated oil from the supply side of the membrane;

Method consisting of.

3. The method for dehydrating a low volatility liquid according to claim 2, wherein the low volatility liquid is an oil.

3. The method for dehydrating a low volatile liquid according to claim 2, wherein the low volatile liquid is a liquid having a standard boiling point higher than that of water.

3. The method for dehydrating a low volatility liquid according to claim 2, wherein the solution is present in dissolved, dispersed or emulsified form, or as a separate phase in the low volatility liquid.

3. The method of claim 2 wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane is comprised of a high density, nonporous, self supporting layer.

4. The method of claim 3, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of one or more high density, nonporous layers on porous or nonporous hollow fibers.

4. The method of claim 3 wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate.

4. The non-porous, nonporous, semipermeable membrane of claim 3, wherein the membrane comprises a high density, nonporous layer as an integral part of the hollow fiber, wherein the high density, nonporous layer is formed simultaneously as a support structure in the hollow fiber. Dehydration method of the oil.

The method of claim 3, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane comprises a high density, nonporous layer as an integral part of the plate, wherein the high density, nonporous layer is formed simultaneously as a support structure in the plate. Dehydration method of oil.

4. The method of claim 3, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane comprises a high density, nonporous layer as a composite portion of the hollow fiber, wherein the high density, nonporous layer is formed at a different time than the support structure in the hollow fiber. Dehydration method of the oil.

4. A flawless, nonporous, semipermeable membrane as claimed in claim 3, comprising a high density, nonporous layer as a composite portion of the plate, wherein the high density, nonporous layer is formed at a different time than the support structure in the plate. Dehydration method of oil.

4. The oil of claim 3 wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane comprises a support structure in the hollow fiber, the hollow fiber having a high density, nonporous layer on either the inside or the outside of the hollow part. Method of dehydration.

4. The method of claim 3, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a support structure in the plate, the plate having a high density, nonporous layer on one side thereof.

4. The oil of claim 3 wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane comprises a support structure in the hollow fiber, the hollow fiber having a high density, nonporous layer on both inside and outside the hollow part. Dehydration method.

4. The method of claim 3, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a support structure in the plate, the plate having a high density, nonporous layer on either side thereof.

4. A flawless, nonporous, semipermeable membrane is composed of a high density, nonporous layer on a porous or nonporous hollow fiber, and the low volatility liquid is fed to a side having a high density, nonporous layer. How to dehydrate oil.

4. The oil-based coating according to claim 3, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of a high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate, and the electric oil is fed to the side with the high density, nonporous layer. Dehydration method.

4. The oil-based coating of claim 3, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of one or more high density, nonporous layers on porous or nonporous hollow fibers, wherein the electrical oil is supplied to the outside of the fibers. Dehydration method.

4. The oil of claim 3 wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer of porous or nonporous hollow fibres, wherein the electrical oil is fed into the fiber. Dehydration method.

4. The method of claim 3, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane consists of one or more high density, nonporous layers of porous or nonporous hollow fibres, the fibers being spirally wound.

4. The method of claim 3, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate, the plate being spirally wound.

4. The method of claim 3, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane consists of one or more high density, nonporous layers on a porous or nonporous plate, and the plates are separated by spacers.

3. The method of claim 2, wherein the liquid streams are homogeneously mixed.

3. The method of claim 2, wherein the liquid streams are not mixed uniformly.

3. The method of claim 2, wherein at least a portion of the total flow of low volatility liquid is aligned in another system which is continuously supplied through the method.

3. The method of claim 2, wherein the method operates in a separate system “kidney looped” whereby a portion of the total flow of the low volatility liquid is continuously supplied from the reservoir through the method. Dehydration method of a low volatility liquid. Way.

3. The method of claim 2 wherein the method operates off-line in a separate system and the low volatility liquid is supplied to the method from a storage device.

3. The method of claim 2, wherein the liquid supply flows parallel to the face of the semipermeable membrane.

3. The method of claim 2 wherein the liquid supply flows perpendicular to the face of the semipermeable membrane.

31. The method of claim 30 wherein the flow on the permeate side is parallel to the face of the semipermeable membrane.

31. The method of claim 30, wherein the flow on the permeate side is perpendicular to the plane of the semipermeable membrane.

32. The method of claim 31 wherein the flow on the permeate side is parallel to the face of the semipermeable membrane.

32. The method of claim 31 wherein the flow on the permeate side is perpendicular to the plane of the semipermeable membrane.

4. The method of claim 3, wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous hollow fiber, wherein the supply of the liquid stream flows parallel to the hollow fiber. Dehydration method of oil.

4. The oil of claim 3 wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on porous or nonporous hollow fibers, and the flow on the permeate side is parallel to the hollow fibers. Method of dehydration.

4. The oil of claim 3, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on porous or nonporous hollow fibers, and the flow on the permeate side is perpendicular to the hollow fibers. Method of dehydration.

4. The method of claim 3, wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous hollow fiber, wherein the supply of the liquid stream flows perpendicularly to the hollow fiber. How to dehydrate oil.

4. The flawless, nonporous, semipermeable membrane of claim 3, comprised of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate, wherein the supply of the liquid stream flows parallel to the plate. Dehydration method of oil.

4. The oil of claim 3 wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate, and the flow on the permeate side is parallel to the plate. Dehydration method.

4. The oil of claim 3 wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate, and the flow on the permeate side is perpendicular to the plate. Dehydration method.

4. The method of claim 3, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate, wherein the supply of the liquid stream flows perpendicular to the plate. Dehydration method of oil.

3. The method for dehydrating a low volatility liquid according to claim 2, wherein the flow on the supply side and the permeate side is countercurrent.

3. The method for dehydrating a low volatility liquid according to claim 2, wherein the flows on the supply side and the permeate side are cocurrent.

3. The method of claim 2 wherein the flows on the feed side and permeate side are cross flows.

3. The method of claim 2 wherein the flows on the feed and permeate sides are radial cross flows.

4. The method of claim 3, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a porous support structure, wherein the porous support structure is wetted by a low volatility liquid.

4. The method of claim 3, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a porous support structure, wherein the porous support structure is treated to be wetted by a low volatility liquid.

4. The method of claim 3 wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a porous support structure, wherein the porous support structure is not wetted by the low volatility liquid.

4. The method of claim 3 wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a porous support structure, wherein the porous support structure is treated so as not to be wetted by the low volatility liquid.

3. The method for dehydrating a low volatility liquid according to claim 2, wherein the pressure on the permeate side is higher than the pressure on the feed side.

3. The method for dewatering a low volatility liquid according to claim 2, wherein the pressure on the permeate side is equal to or lower than the pressure on the feed side.

3. The method for dewatering a low volatility liquid according to claim 2, wherein there is a sweep of gas or liquid passing through the permeate side.

The sweep gas passing through the permeate side is present, wherein the sweep gas is selected from the group consisting of argon, methane, nitrogen, air, carbon dioxide, helium, hydrogen, or a mixture thereof. Dehydration method of low volatility liquid.

The dehydration method of a low volatility liquid according to claim 2, wherein a sweep gas having passed through the permeate side exists, and the sweep gas has a lower activity with respect to water than the low volatility liquid.

4. The method of claim 3, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a high density, nonporous layer, wherein the nonporous layer is a natural polymer.

4. The method of claim 3 wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane comprises a high density, porous support, wherein the high density, porous support is a natural polymer.

3. The method of claim 2, wherein the porous support is ceramic.

3. The method of claim 2, wherein the porous support is glass.

3. The method of claim 2, wherein the porous support is an inorganic polymer.

The method of claim 2 wherein the low volatility liquid is filtered before contacting the semipermeable membrane.

The method of claim 2, wherein the semi-permeable membrane is composed of a plurality of hollow fibers, the hollow fiber is woven into a single mat, characterized in that the dehydration method of low volatility liquid.

The method of claim 2 wherein the liquid stream is heated before contacting the membrane.

4. The method of claim 3, wherein the semipermeable membrane of uniform construction consists of a high density, nonporous, self-supporting layer having an integrally formed skin.

3. The method of claim 2 wherein the nonporous, semipermeable membrane has a skin integrally formed on at least one side of the support structure.

In the device for dehydrating oil,

a) a container containing a fluid;

b) a defect-free, nonporous, semipermeable membrane inserted in the vessel that divides the interior of the vessel into at least one feed side space and one permeate side space;

c) at least one inlet in the supply side space direction;

d) at least one outlet in the supply side space direction; And

e) at least one outlet in the permeate side space direction;

Dehydration device of oil, characterized in that having a.

67. The dewatering device of oil of claim 67, wherein the vessel containing the fluid is heated.

68. The apparatus of claim 67, wherein the oil dehydration apparatus has a porous support to support the nonporous, semipermeable membrane.

70. The apparatus of claim 69, wherein the nonporous, semipermeable membrane has a skin integrally formed on at least one side of the porous support.

67. The device of claim 67, wherein said nonporous, semipermeable membrane is a natural polymer.

70. The apparatus of claim 69, wherein the porous support is a natural polymer.

70. The apparatus of claim 69, wherein the porous support is ceramic.

68. The oil dehydration apparatus according to claim 67, having a sweep gas inlet in a permeate side space direction.

67. The apparatus of claim 67, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane is comprised of a high density, nonporous, self supporting layer.

67. The apparatus of claim 67, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of one or more high density, nonporous layers on porous or nonporous hollow fibers.

67. The apparatus of claim 67, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate.

67. The method of claim 67, wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane comprises a high density, nonporous layer as an integral part of the hollow fiber, the high density, nonporous layer formed simultaneously as a support structure in the hollow fiber. Oil dehydrator.

68. The oil of claim 67, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane comprises a high density, nonporous layer as an integral part of the plate, the high density, nonporous layer formed simultaneously as a support structure in the plate. Dewatering device.

67. The method of claim 67, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane comprises a composite of hollow fibers comprising a high density, nonporous layer, wherein the high density, nonporous layer is formed and assembled with a support structure in the hollow fiber, respectively. Oil dewatering device characterized in that.

67. The method of claim 67, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a high density, nonporous layer as a composite portion of the plate, wherein the high density, nonporous layer is formed and assembled with a support structure in the plate, respectively. Oil dehydration device.

67. The oil of claim 67, wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane comprises a support structure in the hollow fiber, the hollow fiber having a high density, nonporous layer on at least one of the inside or the outside of the hollow part. Dehydrator.

67. The apparatus of claim 67, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane comprises a support structure in the plate, the plate having a high density, nonporous layer on at least one side thereof.

67. The method of claim 67, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of a high density, nonporous layer on a porous or nonporous hollow fiber, wherein the low volatility liquid has a high density, nonporous layer, or the high density, An oil dewatering device, characterized in that it is supplied to one side of the side having no nonporous layer.

67. The method of claim 67, wherein the defect free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on porous or nonporous hollow fibers, wherein the oil is supplied to either the inside or the outside of the fiber. Oil dehydrator.

68. The apparatus of claim 67, wherein the intact, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on porous or nonporous hollow fibers, wherein the fibers are spirally wound.

67. The apparatus of claim 67, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate, the plate wound spirally.

67. The oil dewatering device of claim 67, wherein the defect-free, nonporous, semipermeable membrane consists of at least one high density, nonporous layer on a porous or nonporous plate, the plates being separated by spacers. .