KR20120089849A - 고압 액체 가스제거 막 접촉기들 및 제조 및 이용 방법 - Google Patents
고압 액체 가스제거 막 접촉기들 및 제조 및 이용 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 향상된 액체 가스제거 막 접촉기 또는 모듈은 고압 하우징 및 그 안의 적어도 하나의 가스제거 카트리지를 포함한다. 고압 하우징이 표준이고(또는 개조되거나 변형되고), 공인된 ASME이고, 역삼투(RO) 또는 (예를 들어 150, 250, 300, 400 또는 600 psi의 압력율들을 가진 그리고 예를 들어 3, 4, 또는 6 포트들을 가진, 그리고 각 단부에서 단부 캡을 가진, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 스테링레스스틸, 부식 방지 필라멘트 권선 에폭시 튜브 강화된 섬유유리로 만들어진) 물 정화 고압 하우징 또는 용기인 것이 바람직할 수 있고 가스제거 카트리지는 고압 하우징 또는 용기 내에 맞춰지도록 된 자립적인(self-contained), 중공-섬유 막 카트리지인 것이 바람직할 수 있다.
Description
본 출원은, 2009년 8월 17일에 출원된, 미국 특허출원번호 제61/234,465호 및 2010년 8월 16일에 출원된, 제12/857,199호의 우선권 이익을 수반한다.
본 출원은 막 접촉기들 및 그것들의 제조 빙 이용 방법에 관한 것이다. 적어도 선택된 실시예들에서, 본 발명은 고압 액체 가스제거 막 접촉기들 및/또는 그것들의 제조 및/또는 이용 방법들에 관한 것이다. 적어도 일정 실시예들에서, 본 발명은 중공 섬유 막 접촉기를 구비한 인입(entrained) 또는 녹은(dissolved) 가스들을 구비하는 고압 액체의 가스제거에 관한 것이다. 적어도 특정 가능한 바람직한 실시예들에서, 접촉기는 고압 용기 또는 천공된 코어, 복수의 중공 섬유 막들, 중공 섬유들의 각 단부를 고정하는 튜브 시트(sheet), 및 셀(shell) 또는 케이스를 포함하는 적어도 하나의 막 카트리지를 둘러싸는 하우징을 구비한다.
막 접촉기는 많은 목적들을 위해 사용될 수 있고, 액체들로부터 인입된 가스들을 제거하는 것, 액체들의 거품제거, 액체 여과, 및 액체에 가스를 첨가하는 것을 포함하고 이에 한정되지는 않는다. 막 접촉기들은 많은 다른 적용들에 이용되는 것으로 알려져 있고, 예를 들어, 막 접촉기는 인쇄에 사용되는 잉크들로부터 인입된 가스들을 제거하는데 사용될 수 있다.
막 접촉기들은 또한 가스/액체, 및 (액체/유용성 고체를 포괄할 수 있는) 액체/액체 분리들을 달성하는 수단을 제공한다. 막 접촉기들은 전형적으로 두 개의 혼합되지 않는 유체 상(phase)들-예를 들어, 제1 액체 및 제2 액체, 또는 가스 및 액체-을 효과적인 분리를 위해 서로 접촉하도록 하고 및/또는 하나의 유체로부터 다른하나로 하나 이상의 구성요소들의 이동을 하게 하는데 사용된다.
중공 섬유 막 접촉기는 일반적으로 미소공성의(microporous) 중공 섬유들, 및 섬유 묶음을 둘러싸는 견고한 셀 또는 하우징을 포함한다. 셀에는 네 개의 유체 포트들이 제공될 수 있다: 제1 유체를 도입하기 위한 입구, 제1 유체를 방출하기 위한 출구, 제2 유체를 도입하기 위한 입구, 및 제2 유체를 방출하기 위한 출구. 중공 섬유들은, 하우징 내에서, 양 단부들 상에 넣어질 수 있어서, 셀의 제1 및 제2 단부 캡 부분들 안으로 각 단부 상의 섬유 구멍 개구를 구비한 중합체 튜브 시트들을 형성한다. "튜브-측(tube-side)" 또는 "루멘-측(lumen-side)" 접촉기에서, 제1 단부 캡은 제1 유체를 위한 입구를 포함할 수 있고, 이는 "튜브-측" 또는 "루멘-측" 유체를 가리키는데 그것은 섬유들의 내부 루멘들을 통해 지나가는 유체이기 때문이다. 제2 단부 캡은 루멘-측 유체를 방출하기 위한 출구를 포함한다. "셀-측(shell-side)" 유체를 가리키는, 제2 유체는 일반적으로 튜브 시트들 사이에 배열된 입구 및 출구 포트들을 통해 하우징으로 들어가고 나오며, 그에 의해 셀-측 유체 접촉기들은 섬유들의 외부 표면들에 접촉한다. 셀-측 유체는 섬유 묶음의 섬유들 사이 간격을 통해 흐르고, 섬유 길이에 평행하거나 수직한 흐름을 향할 수 있다. 예로서, 그것 전체에서 여기서 참조로 포함된, Prasad 등의 미국특허 제5,352,361호는 셀 내 중공 섬유 막을 거쳐 유체 접촉기의 배경 이해를 도울 수 있다.
"셀-측" 접촉기에서, 접촉기는 단부 캡들을 통해 지나가는 중앙 코어를 포함할 수 있고 제1 유체를 위한 입구로서 기여하는 제1 단부를 구비하며, 이는 "셀-측" 유체를 가리키는데 그것이 중공 섬유들의 셀 또는 외부 너머로 지나가는 유체이기 때문이다. 제1 단부 캡은 제2 유체를 위한 입구를 포함할 수 있고, 이는 "튜브-측" 또는 "루멘-측" 유체를 가리키는데 그것이 섬유들의 내부 루멘들을 통해 지나가는 유체이기 때문이다. 제2 단부 캡은 루멘-측 유체를 방출하기 위한 출구를 포함한다. "셀-측" 유체를 가리키는, 제1 유체는 일반적으로 천공된 코어의 출구 포트들(개방 단부들) 및 입구를 통해 하우징을 나가고, 일반적으로 튜브 시트들 사이 코어 내 천공들로 다시-들어가서 셀-측 유체는 섬유들의 외부 표면들에 접촉한다. 셀-측 유체는 섬유 묶음의 섬유들 사이 간격을 통해 흐르고, 섬유 길이에 평행하거나 수직한 흐름으로 향할 수 있다.
튜브 시트들이 셀-측 유체로부터 루멘-측 유체를 분리하기 때문에, 루멘-측 유체는 셀-측 유체와 혼합되지 않고, 오직 루멘-측 유체 및 셀-측 유체 사이 이동이 중공 섬유들의 벽들을 통해 일어난다. 섬유 벽 내 예리한 구멍들은 보통 두 개의 유체들 중 하나의 정지된 층으로 채워지고, 다른 유체는 표면 장력 및/또는 압력 차이 효과들로 인해 구멍들로부터 배제된다. 질량 이동(mass transfer) 및 분리는 보통 확산에 의해 야기되고, 이는 두 개의 상들 사이 이동 종류들의 농도 차이에 의해 구동된다. 일반적으로, 대류 또는 본체 흐름(bulk flow)이 막을 거쳐 일어난다.
가스-액체 분리들의 경우에, 막 접촉기들은 일반적으로 소수성 중공 섬유 미소공성 막들로 이루어진다. 막들이 소수성이고 매우 작은 구멍들을 가지기 때문에, 액체는 구멍들을 통해 쉽게 지나가지 않는다. 막들은, 분산 없이, 집적 접촉기들 안으로 액체 및 가스 상들을 가져오는 불활성 지지(inert support)로서 작동한다. 두 상들 사이의 질량 이동은 이동되는 가스 종류들의 부분적 압력 차이에 의해 지배된다.
액체 시스템들에 대해, 각 구멍에서 액체/액체 접촉면(interface)는 일반적으로 막의 적절한 선택 및 액체 상 압력들에 의해 움직이지 않는다. 이러한 경우, 막은 또한 혼합 없이 두 개의 혼합되지 않는 상들의 직접적 접촉을 수월하게 하는 불활성 지지로서 작동한다.
그러한 알려진 막 접촉기들은, 유체로부터 구성성분의 분리 또는 일 유체로부터 다른 것으로 구성성분을 이동시키는 것을 포함하는, 다양한 적용들을 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 막 접촉기는 폐수 흐름으로부터 오염물질들의 제거에 사용될 수 있다. 많은 산업적 공정들에서, 오염된 폐수 흐름은 부산물로서 생성된다. 환경적 관점에서, 및/또는 공정 효율을 향상시키는 노력들의 관점에서, 폐수 흐름으로부터 하나 이상의 오염물질들을 제거하는 것이 종종 바람직하여서 오염물질은 환경을 오염시키지 않고, 부정적으로 설비에 영향을 주지 않거나, 그것은 재순환될 수 있다. 현존하는 산업 공정들은 빈번하게 환경적 배출물들을 감소시키고 및/또는 효율을 증가시키도록 향상되어야 한다. 그러므로, 현존하는 공장이 배출물들을 감소시키고, 설비를 보호하고, 재순환시키거나 효율을 향상시키도록 경제적으로 개조될 수 있는 시스템 및 공정들에 대한 필요성이 종종 나타난다.
몇몇 요소들이 막 접촉기들의 설계에서 중요하며, 분리 특징들, 비용, 압력강하, 중량, 및 효율을 포함한다. 접촉기를 가로지르는 압력 강하는 더 비싼 고압 설비를 위한 필요성을 줄이도록 낮아야 한다. 낮은 압력 강하는 특히 막 접촉기가 폐수 공정 흐름의 방출 포인트에 추가되는 개조 프로젝트들에서 중요하며, 이러한 포인트에서 공정 압력이 일반적으로 대기압이거나 그 근처에 있다. 고효율의 질량 이동은 접촉기의 크기를 줄이기 위해 바람직하다. 낮은 중량은 설치 및 유지 비용들을 감소시키기 위해 바람직하며, 특히 앞바다 적용들에서 중요하다. 적어도 일정 현존하는 막 접촉기들은, 극한 조건들 등을 위한, 특정 적용들에 대해, 이러한 목적들을 충분히 만족시키기에 부족하다. 예를 들어, 일반적인 막 접촉기들의 셀 부분은 그것들의 중량 및 비용을 상당히 추가시킨다. 셀-형태 접촉기들은 또한 상승된 압력들에서 작동되어야 한다. 따라서, 극한 조건들 등에서 이용을 위한, 특정 적용들에서 이용에 대해, 알려진 막 접촉기들 너머의 향상된 특징들을 가지는 향상된 막 접촉기에 대한 필요성이 존재한다. 그것은 미소공성 중공 섬유 막 장치 및/또는 본 발명의 적어도 선택된 실시예들이 지향하는 이러한 및/또는 다른 필요성들을 만족시키는 방법의 제공이다.
유체들을 분리할 수 있는 배플(baffled) 막 접촉기들이 알려져 있고, 예를 들어, 여기서 그것 전체에서 참조로 포함되는, 미국 특허 제5,264,171호 및 5,352,361호를 참조한다. 그러한 접촉기들의 적어도 얼마는 천공된 중앙 튜브, 튜브를 둘러싸는 복수의 중공 섬유들, 중공 섬유들의 단부들을 고정하는 튜브 시트들, 튜브 시트들 사이에 위치된 배플, 및 튜브, 섬유들, 튜브 시트들 및 배플을 둘러싸는 셀을 포함할 수 있다. 5,938,922호 특허에 기술된 것과 달리, 섬유들은 보통 배플에서 개방되어서 일 튜브 시트로부터 다른 것으로 중공 섬유 루멘을 통한 유체 소통이 있다. 5,938,922호 특허는 튜브 시트들 사이 섬유들의 중간점 근처에서 중공 섬유 루멘을 통한 유체 소통을 방지하도록 배플에서 닫힌 섬유들을 구비하는 것을 기술한다.
예를 들어, 물로부터 녹은 가스와 같은, 유체들을 분리할 수 있는 그러한 접촉기들은 매우 많은 산업적 적용들을 가진다. 그러한 적용들은: 보일러들 또는 발전 터빈들을 위한 녹 방지 시스템들; 음료, 냉각수, 또는 뜨거운 물 파이프 라인들을 위한 녹 방지 시스템들; (예를 들어 제조 동안 반도체 웨이퍼들을 린스하는) 전자 산업을 위한 초-순수원(ultra-pure water source)들; 초음파 세정 공정들; 식품 공정들을 위한 수원 등을 포함한다.
앞선 적용들 중 두 개가 특히 관심이 있다. 그것들은 물 파이프 라인들 내 녹 방지 및 전자 산업을 위한 초순수원들이다. 각각의 적용에서, 물로부터 녹은 산소의 제거는 극히 중요하다. 물 파이프 라인들 내 녹 방지에서, 산소는 녹은 철 또는 파이프 라인으로부터의 철과 반응하여서 침전시킬 수 있는 녹을 형성한다. 음료수에서, 녹 침전물은 좋지 않고 오염을 야기하며; 파이프 라인들에서, 그것은 파이프의 흡장(occlusion)을 야기할 수 있다. 전자 산업을 위한 초순수에서, 물은 제조 동안 반도체 웨이퍼를 린스하는데 이용된다. 린스 물 내에 녹은 산소는 웨이퍼의 표면을 식각할 수 있고 그것을 파괴시킨다; 그것은 또한 웨이퍼 표면을 코팅하고 효과적인 린스를 방해할 수 있다. 따라서, 물로부터 녹은 가스들의 제거는 극히 중요하다.
그러므로, 액체들의 가스제거를 위한 새롭거나 향상된 접촉기들 및 시스템들을 개발할 필요가 있다.
또한, 막 접촉기들의 현재 설계들은 일부 적용들에서 효과적이지만, 약 50gpm 이상 및/또는 300psi 이상과 같은, 고압 액체들 및/또는 높은 흐름율 액체들의 가스 제거에 관련된 일정 문제들 또는 제한들을 가질 수 있고, 고압율들, ASME 코드 급들, 소비자 친밀도 및 수용성, 높은 가격, 높은 중량, 금속 또는 다른 부식 물질들의 이용, 모듈성, 교체가능한 자기 포함 카트리지들, 이식 선택들, 모듈 크기, 모듈 배열 크기, 고압 카트리지들, 매우 긴 섬유들, 액체 흐름율들, 가스 농도 변화는 상업적 생산품 등에 허용되지 않는다.
높은 흐름율, 고압 막 접촉기들은 오랫동안 막 개발자들에게 관심의 대상이었다. 예를 들어, 노스 캐롤라이나, 샬롯의 LLC, 셀가드의 부분인 Membrana-Charlotte의 Liqui-Cel 비즈니스에 의해 제조되고 개발된 선택된 가스 이동 막 접촉기들은 (400gpm까지의) 높은 흐름율 및 (100psi까지의) 고압 액체들을 취급할 수 있다.
예를 들어, Liqui-Cel® Extra-FlowTM 막 접촉기 시스템들의 최근 이용을 제외하고, 대부분의 큰 크기의 산업 가스제거 시스템들은 여전히 물, 바닷물 등의 가스제거를 위해 매우 큰 진공 타워들을 이용한다. 예를 들어, 발전소들 및 앞바다 오일 링들은 일반적으로 물, 처리 물, 저장 탱크 물, 바닷물, 소금물 등의 가스 제거를 위해 (30 피트 높이 이상의) 큰 진공 타워들을 이용한다.
새롭거나 향상된 액체 가스제거 막 접촉기는 비교적 작고, 모듈형, 가스제거 모듈들이 산업적 공정들, 발전소들, 앞바다 오일 링들 또는 드릴 플래폼들에서 이용되도록 허용하여서, 진공 타워들을 대체하거나 확대하고, 모듈화의 이점들 및 교체가능한 카트리지들의 이점들 등을 제공한다. 따라서, 새롭거나 향상된 액체 가스제거 막 접촉기 및 그것의 제조 및/또는 이용 방법, 새롭거나 향상된 고압 액체 가스제거 막 접촉기 및/또는 그것의 제조 및/또는 이용 방법, 새롭거나 향상된 고압 액체 가스제거 시스템 등에 대한 필요성이 있다.
본 출원은 막 접촉기들 및 그것의 제조 및 이용 방법들에 관한 것이다. 적어도 선택된 실시예들에서, 본 발명은 고압 액체 가스제거 막 접촉기들 및/또는 그것들의 제조 및/또는 이용 방법에 관한 것이다. 적어도 일정 실시예들에서, 본 발명은 중공 섬유 막 접촉기를 구비하여 하나 이상의 인입되거나 녹은 가스들을 가지는 고압 액체의 가스제거에 관한 것이다. 바람직하게, 접촉기는 천공된 코어, 복수의 중공 섬유 막들, 중공 섬유들의 각 단부를 고정하는 튜브 시트, 및 셀 또는 케이스를 포함하는 적어도 하나의 막 카트리지를 둘러싸는 하우징 또는 고압 용기를 구비한다. 더 바람직하게, 중공 섬유들의 루멘들은 스위프(sweep) 가스(스트립(strip) 가스), 진공, 또는 이들 모두와 유체 소통하고, 가스제거된(또는 거품제거된) 액체는 천공된 코어의 개방 단부를 거쳐 접촉기로 들어가고 코어 천공들을 통해 방사상으로 나가며, 중공 섬유들의 외부(셀 측 또는 셀측) 너머로 가로지르고, 천공들을 통해 코어로 돌아오며, 적은 녹거나 인입된 가스와 함께 접촉기를 나간다. 인입되거나 녹은 가스는 루멘 안으로 그리고 중공 섬유 막을 가로질러 액체로부터 확산하거나 지나간다.
적어도 선택된 실시예들에서, 본 발명은 (액체 가스제거 막 접촉기들에서가 아닌) 역삼투(RO) 설비에서 일반적으로 이용되는 고압 용기 또는 하우징들을 가지는 고압 액체 가스제거 막 접촉기들에 관한 것이다. 그러한 RO 고압 용기들 또는 하우징들은 정확히 진공 또는 감소된 압력 조건들 아래에서 삼투 또는 가스 포트들 기능을 가지도록 변형되거나 개조될 필요가 있을 수 있다. 대부분의 RO 고압 용기들 또는 하우징들은 진공 아래가 아닌 압력 하에서 작동하도록 설계된 포트들을 구비한다.
적어도 일부 실시예들에서, 본 발명은 고압 용기 또는 하우징, 바람직하게 표준 RO 압력 용기와 같은 표준 또는 상업적으로 이용할 수 있는 고압 용기 또는 하우징 내부에 맞춰지도록 된 하나 이상의 중공 섬유 막 카트리지들을 포함하는 막 접촉기를 구비하여 녹거나 인입된 가스 또는 가스들을 가지는 액체의 가스제거에 관한 것이다. 바람직하게, 접촉기는 천공된 코어, 복수의 중공 섬유 막들, 상기 중공 섬유들의 각 단부를 고정하는 튜브 시트, 선택적 배플, 및 셀을 포함하는 적어도 하나의 막 카트리지를 둘러싸는 고압 용기 또는 하우징을 구비한다. 더 바람직하게, 중공 섬유 루멘들은 스위프 가스(또는 스트립 가스), 진공, 또는 이들 모두와 유체 소통하고, 가스제거되는(또는 거품제거되는) 액체는 천공된 코어의 개방 단부를 거쳐 접촉기로 들어가고 코어 천공들을 방사상으로 나가며, 셀 내 막의 외부 너머로 가로지르고, 선택적으로 배플 너머로 지나가고 셀 내 막의 다른 부분들의 외부 너머로 가로지르며, 다른 천공들을 통해 코어로 다시 들어오고, 적은 인입되거나 녹은 가스와 함께 접촉기를 나간다. 그와 같이, 접촉기는 셀-측 액체 접촉기이고 녹거나 인입된 가스는 액체로부터 막을 거쳐 루멘 안으로 (그리고 측면 또는 단부 가스 또는 진공 포트를 통해 밖으로) 확산한다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 본 새롭거나 향상된 막 접촉기들은 종래 접촉기들의 단점들을 언급하고, 일부 적용들에 대해 효과적이고, 약 50 gpm 이상 및/또는 약 300 psi 이상에서의 바닷물과 같은, 높은 흐름율 액체들 및/또는 고압 액체들의 가스제거에 적합하고, 고압 등급들을 가지고, ASME 코드 등급들을 가지고, 직접적인 소비자 친밀성 및 수용성을 가질 것이고, 비교적 낮은 비용이고, 비교적 낮은 중량이며, 금속이나 다른 부식 물질들을 사용하지 않고, PVC를 사용하지 않고, 모듈화되고, 교체가능한 자립적(self contained) 카트리지들을 구비하고, 이식 선택들을 제공하며, 향상되거나 표준의 하우징 모듈 크기들을 가지고, 향상도니 모듈 배열 크기들을 가지고, 하나 이상의 고압 카트리지들을 가지며, 매우 긴 섬유들을 가지지 않고, 가스 농도 변화들을 줄이거나 제거하고, 상업적 생산 등을 허용한다.
높은 흐름율, 고압 막 접촉기들은 오랫동안 막 개발자들에게 관심의 대상이었다. 예를 들어, 노스 캐롤라이나, 샬롯의 LLC, 셀가드의 부분인 Membrana-Charlotte의 Liqui-Cel 비즈니스에 의해 제조되고 개발된 선택된 가스 이동 막 접촉기들은 (400gpm까지의) 높은 흐름율 및 (100psi까지의) 고압 액체들을 취급할 수 있다.
예를 들어, Liqui-Cel® Extra-FlowTM 막 접촉기 시스템들의 최근 이용을 제외하고, 대부분의 큰 크기의 산업 가스제거 시스템들은 여전히 물, 바닷물 등의 가스제거를 위해 매우 큰 진공 타워들을 이용한다. 예를 들어, 발전소들 및 앞바다 오일 링들은 일반적으로 물, 처리 물, 저장 탱크 물, 바닷물, 소금물 등의 가스 제거를 위해 (30 피트 높이 이상의) 큰 진공 타워들을 이용한다.
본 발명의 적어도 일부 실시예들에 따르면, 새롭거나 향상된 액체 가스제거 막 접촉기는 비교적 작고, 모듈의, 가스제거 모듈들이 산업적 공정들, 발전소들, 앞바다 오일 링들 또는 드릴 플래폼들에서 이용될 수 있도록 허용하여서, 진공 타워들을 교체하거나 증대시키고, 모듈화 및 교체가능한 카트리지들의 이점 등을 제공한다. 따라서, 본 발명의 적어도 일부 실시예들은 새롭거나 향상된 액체 가스제거 막 접촉기 및/또는 그것의 제조 및/또는 이용 방법들을 언급하는 새롭거나 향상된 액체 가스제거 막 접촉기를 제공한다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 향상된 액체 가스제거 막 접촉기 또는 모듈은 고압 하우징 및 그 안의 적어도 하나의 가스제거 카트리지를 포함한다. 고압 하우징이 표준이고(또는 개조되거나 변형되고), 공인된 ASME이고, 역삼투(RO) 또는 (예를 들어 150, 250, 300, 400 또는 600 psi의 압력율들을 가진 그리고 예를 들어 3, 4, 또는 6 포트들을 가진, 그리고 각 단부에서 단부 캡을 가진, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 스테인레스스틸, 부식 방지 필라멘트 권선 에폭시 튜브 강화된 섬유유리로 만들어진) 물 정화 고압 하우징 또는 용기인 것이 바람직할 수 있고 가스제거 카트리지는 고압 하우징 또는 용기 내에 맞춰지도록 된 자립적인(self-contained), 중공-섬유 막 카트리지인 것이 바람직할 수 있다.
적어도 일 실시예에서, 그러한 자립적인 액체 막 접촉기 카트리지는 천공된 중앙 튜브, 개방된 제1 단부 및 제2 단부를 각각 구비하는 복수의 제1 중공 섬유 막들을 포함하는 제1 매트, 두 영역들로 중공 섬유를 분리하는 선택적 배플, 카트리지 셀, 케이스 또는 하우징, 및 각 단부에서의 채움(potting)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 막 단부들은 개방되어서 스트립 또는 스위프 가스가 그것을 통해 지나가게 허용한다. 배플은 중앙 튜브의 제1 및 제2 구획들을 결합하는 중앙 튜브 연결기로 형성되고 중공 섬유 매트의 전체 두께를 통해 댐이나 블록을 형성하는 권선 동안 매트 또는 묶음의 중앙 내 중앙 튜브 연결기 위로 적용되는 에폭시에 의해 형성된다. 또한 채움은 에폭시로 만들어지고 채움의 단부들은 절단되어 채움 다음의 개방된 제1 및 제2 단부들을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
적어도 일 실시예에 따르면, 중앙 튜브는 카트리지의 각 단부에서 개구를 형성하고 그것의 길이를 따라 천공되어서 중공 섬유들 위로 그리고 카트리지를 통해 액체가 흐르도록 제공한다. 카트리지의 각 단부 내 중앙 튜브 개구는 고압 하우징 또는 용기의 단부 캡들 내 개별적인 포트들과 유체 소통하도록 된다. 예를 들어, 중공 또는 튜브형 어댑터 또는 파이프는 단부 캡들 내 포트들과 함께 카트리지 개구들을 연결하는데 사용될 수 있다.
적어도 선택된 실시예들에 따르면, 고압 가스제거 모듈은 단일 RO 고압 하우징 내 두 개 이상의 카트리지들을 포함한다. 적어도 특히 가능한 바람직한 실시예들에 따르면, 고압 가스제거 모듈은 모듈 내 루멘들의 길이 내 '가스 농도 동등 간격(Gas Concentration Equalizing Gap)' 또는 챔버를 혼합하는 것으로 기여하는 환형 영역을 제공하는 인접한 카트리지들 사이 충분한 공간을 구비한 단일의 고압 하우징 또는 용기 내 두 개 이상의 카트리지들을 포함한다. 이러한 챔버 또는 간격은 모든 방향에서 가장 먼 지름 밖으로 중앙 튜브에 가장 인접한 루멘들 내 스위프 가스들이 (카트리지들 사이) 모듈의 길이 내 재혼합하고 같게되는 것을 허용한다. 그렇게 하는 것은 섬유들의 구동력이 효율이 (중앙 튜브에서) 가장 높은 곳을 증가시키고 그것들의 효율이 (최외곽 직경에서) 가장 낮은 곳을 감소시키도록 허용한다. 최종 결과는 동등 막 영역을 구비한 이러한 특징 없이 모듈과 비교하여 전체 성능 내 상당한 증가이다. 일 예시에서, 본 발명의 (사이 간격을 구비한 두 개의 막 카트리지들을 구비한 8"x40" 접촉기) 8x40 모듈의 녹은 산소(DO) 제거 효율은 막 영역이 대략 등가이더라도 (100 gpm 아래의 액체 흐름율에서) 종래 가스제거 모듈보다 상당히 양호하다.
적어도 일 실시예에 따르면, 바람직한 RO 하우징은 8"x40" 또는 8"x80" RO 하우징이고 막 카트리지들은 약 20", 40" 또는 80" 길이이다.
적어도 일 실시예에 따르면, 두 개 이상의 8"x40" 또는 8"x80" 가스제거 모듈의 배열은 함께 연결된 6 포트 RO 하우징들로 형성된다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 향상된 액체 가스제거 막 접촉기 또는 모듈은 고압 하우징 또는 용기 및 적어도 그 안의 적어도 하나의 가스제거 카트리지를 포함한다. 고압 하우징이 표준이고(또는 변경되거나 개조되고), 공인된 ASME이고, 역삼투(RO) 또는 (예를 들어 150, 250, 300, 400 또는 600 psi의 압력율들을 가진 그리고 예를 들어 3, 4, 또는 6 포트들을 가진, 그리고 각 단부에서 단부 캡을 가진, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 스테링레스스틸, 부식 방지 필라멘트 권선 에폭시 튜브 강화된 섬유유리로 만들어진) 물 정화 고압 하우징 또는 용기인 것이 바람직할 수 있고 가스제거 카트리지는 고압 하우징 또는 용기 내에 맞춰지도록 된 자립적인, 중공-섬유 막 카트리지인 것이 바람직할 수 있다.
게다가, 본 막 접촉기들은 많은 적용들을 위해 모듈 선택을 제공할 수 있고 그것들은 실제로 빌딩의 어떠한 영역들 내에 놓일 수 있다. 그것들은 많은 오래된 것들뿐만 아니라 새로운 시스템들 내 강제적 외풍 공기분리기들 및 진공 타워들을 신속히 대체할 수 있다.
본 막 접촉기들은 바람직하게 (예를 들어, 섬유유리 고압 하우징, ABS 카트리지 셀, 폴리프로필렌 중공 섬유들과 같은) 상업적으로 이용가능한 물질들, 수용 용기 및 단부 캡 구성요소들을 이용한다. 채움 물질은 바람직하게 에폭시이고, 이는 많은 다른 Liqui-Cel® 제품들에 사용되었고 수 년 동안 당 분야에서 입증되었다. 바람직한 고성능 Celgard®x40 및 x50 미소공의 소수성 폴리프로필렌 중공 섬유들 양자는 물로부터 녹은 CO2 및 O2 제거에 매우 비용 효과적이다.
그러한 바람직한 장치는 반도체 공장의 루프(loop)를 만드는데 사용되기에 충분히 청결할 수 있다. 더 구체적으로, 그것들은 큰 메이크업(make-up) 시스템들의 산소제거에 그리고 TFT 공장들 내 사용되는 큰 물 흐름들의 산소제거에 이용될 수 있다. 추가적으로, 그것들은 이러한 기술들에서 나가는 수질을 향상시키고 화학적 이용을 제거하거나 감소시키는 EDI 기술 또는 혼합된 베드 전에 이산화탄소(CO2)를 제거하기 위한 완벽한 해결책을 제시할 수 있다. 그것들은 또한 부식으로부터 파이프 및 보일러를 보호하기 위해 산소(O2) 제거를 위한 보일러 공급 물 적용들에서 사용될 수 있다. 보일러 적용에서, 그것들은 또한 낮은 작동 비용을 가지는데 블로 다운(blow down) 빈도가 감소하고 적은 에너지가 접촉기 시스템 작동을 위해 필요하기 때문이다.
물질들, 생산 설계, 이용 및 대체에 만들어진 바람직한 변경들은 많은 큰 산업 및 메이크업 적용들에 대한 바람직한 장치의 더 유리한 경제상태를 허용한다. 순수 및 FDA 요구가 최종 이용 적용에서 중요하다면, 고-순수 8x40 또는 8x80 막 접촉기 실시예들이 그러한 최종 이용들을 위해 이용될 수 있다.
적어도 선택된 가능한 바람직한 실시예들에 따르면, 본 막 접촉기들(또는 막 카트리지들)은, 소수성 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리메틸 펜텐(PMP, 또는 폴리(4-메틸-1-펜텐))과 같은, 수 천여 Celgard® 미소공의 폴리올레핀(PO) 중공 섬유들, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 만들어진 중공 섬유들, 미소공의 소수성 PVDF, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 헥사플루오로프로필렌(PVDF:HFP)의 공중합체와 같은, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 다른 폴리올레핀들(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리부텐), 폴리술폰들(예를 들어, 폴리술폰, 폴리데테르술폰, 폴리아릴술폰), 셀룰로스 및 그것의 유도체들, 폴리 페닐 옥사이드(PPO), PFAA, PTFE, 다른 플루오르처리된 중합체들, 폴리아미드들, 폴리에테르 이미드들(PEI), 폴리이미드들, 폴리아미드이미드들 등을 이용하고, 중앙 배플과 함께 분배 튜브 주위에 권선된 배열 안으로 짜여진다. 바람직한 작동 동안, 액체는 중공 섬유들의 센 측 또는 셀측(외측) 위로 흐른다. 바람직한 설계는 접촉기(또는 카트리지) 내 중공 섬유 묶음의 중앙 내 배플을 포함하고, 이는 배열을 가로질러 방사상으로 액체를 향한다. 스트립 가스 또는 진공은, 별개로 또는 조합하여, 중공 섬유들의 루멘 측 또는 루멘측(내부) 상에 적용된다.
그것의 소수성 성질 때문에, 막은 불활성 지지로 작동해서 분산 없이 가스 및 액체 상 사이 직접적 접촉을 허용한다. 액체 내 녹은 가스는 가스 흐름에 대해 액체 흐름으로 고압을 적용함으로써 구멍을 통해 이동한다.
본 발명의 막 접촉기들은 산소(O2), 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2)를 반도체, 동력, 약학, 사진, 식품 및 음료, 및 많은 다른 산업들에 또는 그것들로부터 추가하거나 제거하기 위해 이용될 수 있다. 그러한 접촉기들은 또한 가스들을 액체들에 추가하는데 이용될 수 있어서 메가소닉(megasonic) 세정을 향상시킨다. 음료 산업은 탄화, 질화 및 O2 제거를 위한 막 접촉기들을 찾는다. 이들은 본 발명의 막 접촉기들이 이용될 수 있는 다양한 적용들 중 일부 예들만을 반영한다.
추가적으로, Membrana-Charlotte은 액체 링 진공 펌프들, 배출장치 및 오르비스피어(Orbisphere) 센서를 제공해서 그러한 막 접촉기들을 보충한다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들은 막 접촉기를 구비한 액체의 가스제거에 관한 것이다. 녹은 가스를 가지는 액체는 스트립 가스 및/또는 진공 소스에 연결된 접촉기 안으로 도입된다. 접촉기(또는 하나 이상의 카트리지들)는 바람직하게 천공된 코어, 복수의 중공 섬유 막들, 섬유들의 각 단부를 고정하는 튜브 시트, 및 가스 및 액체 개구들을 가지는 셀을 구비한다. 셀은 섬유들, 튜브 시트들, 및 코어를 둘러싼다. 중공 섬유 루멘들은 스트립 가스 및/또는 진공 소스와 유체 소통한다. 액체는 코어의 개방 단부를 거쳐 접촉기로 들어가고, 방사상으로 코어를 나오고, 셀 내 막 위로 가로지르며, 코어로 다시 들어오고, 접촉기(또는 카트리지)를 나온다. 그에 의해 녹은 가스는 액체로부터 막을 가로질러 루멘 안으로 확산한다. 접촉기 또는 접촉기 배열을 나오는 가스제거된 또는 거품제거된 액체는 100 ppb보다 작은, 바람직하게 50 ppb보다 작은, 더 바람직하게 20 ppb보다 작은 녹은 가스 내용물(또는 나머지 O2)을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 새로운 접촉기, 접촉기 배열 및/또는 하나 이상의 그러한 접촉기들 또는 배열들을 포함하는 액체의 가스제거를 위한 시스템이 제공된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 접촉기는 천공된 코어, 복수의 미소공의 중공 섬유들, 및 셀, 하우징 또는 용기를 포함한다. 섬유들은 코어를 둘러싸고 두 개의 단부들을 구비한다. 튜브 시트는 섬유들의 단부들을 고정한다. 배플은 튜브 시트들 사이에 위치된다. 중공 섬유들은 배플에서 개방되거나 닫힌 것들 중 하나이다. 셀, 하우징 또는 용기는 섬유들, 튜브 시트들, 및 배플을 둘러싼다.
본 발명의 적어도 다른 실시예에 따르면, 액체의 가스제거를 위한 시스템은 가스를 포함하는 액체의 소스, 진공 소스, 및 천공된 코어, 복수의 미소공의 중공 섬유들, 배플, 및 셀, 하우징 또는 용기를 포함하는 적어도 하나의 접촉기를 포함한다. 액체 소스는 코어의 일 단부와 유체 소통한다. 진공 소스는 튜브 시트들을 통해 중공 섬유들의 루멘들과 유체 소통한다. 액체는 코어 밖으로, 섬유들을 가로질러, 배플들 주위로, 섬유들을 가로질러, 그리고 코어 안으로 다시 지나간다.
본 발명의 적어도 일 목적에 따르면, 분리 및 다른 상 접촉 적용들을 위한, 흐름-배향(flow-directing) 배플들을 포함하는 새롭거나 향상된 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 카트리지들 및 모듈들이 제공된다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들의 다른 목적은 흐름-배향 배플들이 축방향으로 위치되어서 중공 섬유 묶음 처음부터 끝까지 유체들의 방사상 흐름을 촉진하는 그러한 카트리지들 및 모듈들을 제공하는 것이다.
본 발명의 적어도 일부 실시예들의 다른 목적은 공금 유체 흐름이 코어의 일부로 및/또는 코어의 일부를 향해, 그리고 이어서 묶음의 주변 밖 가까이로 단속적으로 향하는 그러한 카트리지들 및 모듈들을 제공하는 것이다.
본 발명의 적어도 특정 실시예들의 다른 목적은 특정 원하는 막 접촉기 체제들을 위해 선택될 수 있는 방사상 공급 유체 흐름을 산출하는 복수의 카트리지 및 모듈 설계들을 제공하는 것이다.
본 발명의 적어도 일부 실시예들의 추가적인 목적은 향상된 접촉기들 및/또는 카트리지들을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
추가적인 목적들은 아래에서 설명될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 실시예들은 복수의 고압 막 접촉기들의 시스템 또는 직렬 또는 평행한 배열을 구비하여 바닷물과 같은 액체의 가스제거에 관한 것이다. 녹은 가스를 가지는 액체는 배열 또는 시스템의 접촉기들 안으로 도입되고 접촉기들은 스위프 가스, 스트립 가스, 및/또는 진공 소스에 연결된다. 바람직하게, 각 접촉기는 천공된 코어, 복수의 중공 섬유 막들, 상기 섬유들의 각 단부를 고정하는 튜브 시트, 및 원통형 셀을 포함하는 적어도 하나의 막 카트리지를 구비한다. 셀은 실질적으로 섬유들, 튜브 시트, 및 코어를 둘러싼다. 더 바람직하게, 중공 섬유 루멘들은 스위프 가스, 스트립 가스, 및/또는 진공 소스와 유체 소통한다. 액체는 코어의 개방 단부의 연장을 거쳐 접촉기로 들어가고, 방사상으로 코어를 나가고, 셀 내 막 위로 가로지르며, 적어도 하나의 배플 주위로 흐르며, 코어의 다른 개방 단부의 연장을 거쳐 접촉기를 나온다. 그에 의해 녹은 가스는 액체로부터 막을 가로질러 루멘 안으로 확산한다. 복수의 고압 막 접촉기들의 시스템 또는 배열을 나오는 액체는 10 ppb보다 적은 녹은 가스 내용물을 가질 수 있다. 복수의 고압 막 접촉기들의 배열 또는 시스템은 바람직하게 각각 고압 하우징 또는 용기 및 그 안에 적어도 하나의 막 카트리지를 가지는 적어도 세 개의 고압 막 접촉기들의 스키드(skid) 장착 또는 팔레트(pallet) 장착된 이동하기 쉬운 배열이다. 바람직한 배열 또는 시스템은 각각 RO 고압 하우징 또는 용기를 가지는 복수의 고압 막 접촉기들을 가진다. 바람직한 배열 또는 시스템은 각각 그 사이에 최적의 가스 등가 간격을 구비한 적어도 두 개의 막 카트리지들을 포함하는 복수의 고압 막 접촉기들을 구비한다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 향상들은 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기에 제공되고, 이는 다음을 포함한다:
1) 고압 모듈 하우징;
2) 상기 모듈 하우징의 단부 상에 또는 내에 맞춰지는 한 쌍의 단부 캡들;
3) 상기 단부 캡들 각각 내의 액체 단부 포트들;
4) 상기 단부 캡들의 적어도 하나 내 또는 그것의 일 단부 근처 상기 모듈 하우징의 측면 내의 적어도 하나의 가스 포트;
5) 상기 모듈 하우징 내에 맞춰지는 적어도 하나의 막 카트리지, 각 막 카트리지는 다음을 포함함:
a. 각각 루멘을 구비하는 복수의 중공 섬유 막들, 상기 막은 중공 섬유들이 실질적으로 상호-평행하고 직물 씨실(weft)을 구성하며, 직물 날실(warp)를 구성하는 필라멘트들에 의해 이격된 관계로 유지되는 직물과 같은 배열 안으로 형성됨;
b. 배열은 두 개의 묶음 단부들 및 원통형 외부 표면을 가지는 나선-권선 막 묶음 안으로 중공 섬유들에 실질적으로 평행한 축 위로 권선됨;
c. 두 개의 묶음 단부들 각각은 인접한 모놀리식(monolithic) 튜브 시트 안으로 묶음 단부를 밀봉하도록 기여하는 수지로 만든 채움 물질 내에 채워지고, 두 개의 튜브 시트들 사이 묶음의 일부는 셀-측 영역을 형성하도록 채움 물질로부터 자유롭고, 묶음 단부들의 제1의 것을 구성하는 중공 직물들의 루멘 단부들은 노출되고 묶음의 외부와 소통함;
d. 제1 및 제2 하우징 단부들 및 원통형 하우징 내부를 구비하고 막 묶음을 포함하도록 적절히 성형된 카트리지 셀, 케이스 또는 하우징, 제1 카트리지 하우징에 인접한 튜브 시트(채움)는 원통형 하우징 내부로 제1 묶음 단부를 밀봉하고, 묶음을 포함하는 상기 카트리지 하우징은 (i) 하우징 내 그리고 튜브 시트들 사이 묶음의 일부의 외부의 셀-측 공간, 및 (ii) 제 묶음 단부 및 중공 섬유 루멘들을 포함하는 루멘-측 공간을 포함하는 막을 통해 상호 소통하는 두 개의 영역들을 정의함;
6) 원통형 하우징 내부 및 제1 묶음 단부와 함께, 상기 단부 캡들의 제1의 내부 면 및 제1 카트리지 하우징에 인접한 상기 모듈 하우징의 내부는 막 루멘들과 소통하는 제1 챔버를 정의하고 제1 모듈 하우징을 밀봉함;
7) 원통형 하우징 내부 및 제2 묶음 단부와 함께, 상기 단부 캡들의 제2의 내부 면 및 제2 카트리지 하우징 단부에 인접한 상기 모듈 하우징의 내부는 막 루멘들과 소통하는 제2 챔버를 정의하고 제2 모듈 하우징 단부를 밀봉함;
8) 상기 액체 단부 포트들은 각각의 상기 막 카트리지의 셀-측 공간에 작동되게 연결되고, 유체 주입을 허용하고 그것을 통해 인출되도록 배열됨;
9) 적어도 하나의 가스 포트는 제1 및 제2 챔버들 중 적어도 하나와 소통하고, 가스 주입 및 그것을 통한 인출을 허용하도록 배열됨.
상기 향상된 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기는 다음을 더 포함한다:
1) 적어도 두 개의 가스 포트, 일 가스 포트는 적어도 각각의 상기 단부 캡들 내에 또는 그것의 각 단부 근처의 상기 모듈 하우징의 각 측면 내에 있음.
상기 향상된 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기는 다음을 더 포함한다:
1) 상기 모듈 하우징 내에 맞춰지는 적어도 두 개의 막 카트리지.
상기 향상된 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기는 다음을 더 포함한다:
1) 길이방향 축 및 원통형 외부 표면을 구비하는 상기 막 카트리지들 각각 내의 중공 굴대(mandrel), 축방향 보어(bore), 및 보어와 소통하는 표면을 따른 천공들.
상기 향상된 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기는 다음을 더 포함한다:
1) 중공 섬유들의 루멘 단부들 양자는 노출되고 묶음의 외부와 소통한다.
상기 향상된 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기는 다음을 더 포함한다:
1) 상기 모듈 하우징은 RO 고압 용기와 같은 고압 용기 또는 하우징이다.
상기 향상된 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기는 다음을 더 포함한다:
1) 모듈 하우징이 카트리지 하우징이 폭발하는 것을 방지할 것이기 때문에 카트리지 하우징은 고압을 지지할 필요가 없고 카트리지 하우징이 압력 아래에서 팽창한다면, 모듈 하우징은 카트리지 하우징을 억누르고 구속할 것이다.
상기 향상된 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기는 다음을 더 포함한다:
1) 카트리지 셀이 압력 하에서 부풀거나 고장난다면 모듈 하우징은 카트리지 셀을 억누르고 구속할 것이다.
상기 향상된 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기는 다음을 더 포함한다:
1) 고장난다면 모듈 하우징 및 단부 캡들은 막 카트리지를 억누르고 구속할 것이다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들은 또한 상기 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈들 및/또는 접촉기들의 제조 및/또는 이용을 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 적어도 일부 목적들은 일부 적용들을 위해 효과적인 접촉기들 또는 모듈들을 제공하는데, 이는, 약 50 gpm 이상 및/또는 약 300 psi 이상에서의 바닷물과 같은, 높은 흐름율 액체들 및/또는 고압 액체들의 가스제거에 적합하고, 고압 등급들을 가지고, ASME 코드 등급들을 가지고, 직접적인 소비자 친밀성 및 수용성을 가질 것이고, 비교적 낮은 비용이고, 비교적 낮은 중량이며, 금속이나 다른 부식 물질들을 사용하지 않고, PVC를 사용하지 않고, 모듈화되고, 교체가능한 자립적인 카트리지들을 구비하고, 이식 선택들을 제공하며, 향상되거나 표준의 하우징 모듈 크기들을 가지고, 향상도니 모듈 배열 크기들을 가지고, 하나 이상의 고압 카트리지들을 가지며, 매우 긴 섬유들을 가지지 않고, 가스 농도 변화들을 줄이거나 제거하고, 상업적 생산 등을 허용한다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 적어도 일부 목적들은 비-금속, 비-PVC, 모듈형, 높은 흐름율, 막 개발자들에게 오랫동안 관심의 대상이었고 물, 바닷물 등의 가스제거를 위해 (발전소, 앞바다 오일 링들 등에서 물, 처리 물, 저장 탱크 물, 소금물, 바닷물 등의 가스제거를 위한) 큰 진공 타워들을 대체하거나 증대시킬 수 있는 고압 막 접촉기들을 제공하는 것이다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 적어도 일부 목적들은 비교적 작고, 모듈형의, 가스제거 모듈들이 발전소, 앞바다 오일 링들 또는 시추 플래폼들에서 진공 타워들을 대체하거나 증대시키도록 허용하는 향상도니 액체 가스제거 막 접촉기를 제공하는 것이어서, 모듈화 및 대체가능한 카트리지들의 이점들을 제공하고, 및/또는 액체 가스제거 막 접촉기, 및/또는 그것의 제조 및/또는 이용 방법 등을 제공한다.
추가적인 실시예들 및/또는 다양한 실시예들은 아래에서 상세히 기술될 것이고, 청구범위들에서 정의된다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.
본 발명의 실시예들 또는 태양들을 설명할 목적을 위해, 도면들에서 현재 가능하게 바람직한 형태가 도시된다; 그러나, 본 발명이 정밀한 실시예들, 태양들, 배열들, 및/또는 도시된 수단들에 제한되지 않음이 이해된다.
도 1은 본 발명의 적어도 일 실시예의 예시적인 모듈 또는 접촉기의 사시도이다;
도 2는 (측면 포트들이 아래방향으로 회전된) 도 3의 A-A 선에 따라 취해진 도 1의 모듈의 개략적인 길이방향 단면도이다;
도 3은 도 1의 모듈의 단부 모습이다.;
도 4는 도 1의 모듈 실시예로부터 예시적인 카트리지의 사시도이다;
도 5는 도 6의 B-B 선에 따라 취해진 도 4의 카트리지의 길이방향 단면도이다;
도 6은 도 4의 카트리지의 단부 모습이다;
도 7 및 8은 도 6의 카트리지 하우징 또는 셀의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 9 및 10은 도 1의 압력 하우징 또는 용기의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 11 및 12는 본 발명의 적어도 일 실시예의 카트리지 하우징 또는 셀의 다른 예를 도시하는 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 13, 14 및 15는 본 발명의 적어도 일 실시예의 카트리지 하우징 또는 셀의 다른 예를 도시하는 개별적인 사시도, 단면도 및 단부 모습들이며, 도 14는 도 15의 C-C 선에 따라 취해진 도 13의 셀의 단면도이다;
도 16 및 17은 도 2 및 5의 두 중앙 튜브의 절반의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 18 및 19는 도 2 및 5의 조립된 두 개의 중앙 튜브의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 20 및 21은 도 18에 도시된 두 개의 중앙 튜브 구획들을 결합하도록 된 견고한 중앙 튜브 연결기의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 22 및 23은 단부 캡의 단부 포트에 카트리지를 연결하기 위한 도 2의 어댑터를 도시하는 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 24는 본 발명의 적어도 일 실시예의 다른 예시적인 모듈 또는 접촉기의 측면 모습이다;
도 25는 도 26에서 D-D 선을 따라 취해진 도 24의 모듈의 개략적인 길이방향 단면도이다;
도 25A는 도 25의 중공 카트리지 연결기의 사시도이다;
도 26은 도 24의 카트리지의 단부 모습이다;
도 27은 모듈의 일 이용을 도시하는 본 발명의 적어도 일 실시예의 다른 예시적인 모듈 또는 접촉기의 개략적인 길이방향 단면도이다;
도 28은 중공 섬유 막의 일부를 가로지르는 가스 이동의 개략적인 확대 단면도이다;
도 29, 30 및 31은 개별적인 스위프 가스 모드, 진공 모드, 및 콤보 모드에서 모듈의 이용의 개략적인 도면이다;
도 32 및 33은 개별적인 평행 및 직렬의 접촉기 형태들의 개략도이다;
도 34는 본 발명의 적어도 일 실시예의 모듈 배열의 일 예의 개략적인 사시도이다;
도 35는 도 34의 다중 모듈 배열 등을 이용한 본 발명의 적어도 일 실시예의 스키드의 가스제거의 예이다;
도 36 및 37은 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 고압 접촉기들의 개별적인 측면 가스 포트 및 단부 가스 포트 예들을 도시하는 사시도들이다;
도 38은 가스 등가 간격을 사이에 구비한 두 개의 카트리지들을 구비한 본 발명의 적어도 일 실시예의 예시적인 접촉기의 개략적인 단면도이다;
도 39는 평행하게 연결된 가스 포트들을 구비한 본 발명의 적어도 일 실시예의 세 개의 6 포트 접촉기들의 예의 개략적인 사시도이다;
도 40은 본 발명의 적어도 일 실시예의 외부 케이스 내 천공들을 구비한 카트리지 예의 개략적인 사시도이다;
도 41은 중공 섬유 막 배열의 예의 개략적인 높은 확대 표면 모습이다;
도 42는 도 41로부터 중공 섬유 막의 개략적인 사시도이다;
도 43은 도 42의 중공 섬유의 외부(셀측)의 일부의 개략적인 확대 표면 모습이다;
도 44는 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 특정 다중 접촉기 형태 또는 접촉기 배열의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 적어도 일 실시예의 예시적인 모듈 또는 접촉기의 사시도이다;
도 2는 (측면 포트들이 아래방향으로 회전된) 도 3의 A-A 선에 따라 취해진 도 1의 모듈의 개략적인 길이방향 단면도이다;
도 3은 도 1의 모듈의 단부 모습이다.;
도 4는 도 1의 모듈 실시예로부터 예시적인 카트리지의 사시도이다;
도 5는 도 6의 B-B 선에 따라 취해진 도 4의 카트리지의 길이방향 단면도이다;
도 6은 도 4의 카트리지의 단부 모습이다;
도 7 및 8은 도 6의 카트리지 하우징 또는 셀의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 9 및 10은 도 1의 압력 하우징 또는 용기의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 11 및 12는 본 발명의 적어도 일 실시예의 카트리지 하우징 또는 셀의 다른 예를 도시하는 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 13, 14 및 15는 본 발명의 적어도 일 실시예의 카트리지 하우징 또는 셀의 다른 예를 도시하는 개별적인 사시도, 단면도 및 단부 모습들이며, 도 14는 도 15의 C-C 선에 따라 취해진 도 13의 셀의 단면도이다;
도 16 및 17은 도 2 및 5의 두 중앙 튜브의 절반의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 18 및 19는 도 2 및 5의 조립된 두 개의 중앙 튜브의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 20 및 21은 도 18에 도시된 두 개의 중앙 튜브 구획들을 결합하도록 된 견고한 중앙 튜브 연결기의 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 22 및 23은 단부 캡의 단부 포트에 카트리지를 연결하기 위한 도 2의 어댑터를 도시하는 개별적인 측면 및 단부 모습들이다;
도 24는 본 발명의 적어도 일 실시예의 다른 예시적인 모듈 또는 접촉기의 측면 모습이다;
도 25는 도 26에서 D-D 선을 따라 취해진 도 24의 모듈의 개략적인 길이방향 단면도이다;
도 25A는 도 25의 중공 카트리지 연결기의 사시도이다;
도 26은 도 24의 카트리지의 단부 모습이다;
도 27은 모듈의 일 이용을 도시하는 본 발명의 적어도 일 실시예의 다른 예시적인 모듈 또는 접촉기의 개략적인 길이방향 단면도이다;
도 28은 중공 섬유 막의 일부를 가로지르는 가스 이동의 개략적인 확대 단면도이다;
도 29, 30 및 31은 개별적인 스위프 가스 모드, 진공 모드, 및 콤보 모드에서 모듈의 이용의 개략적인 도면이다;
도 32 및 33은 개별적인 평행 및 직렬의 접촉기 형태들의 개략도이다;
도 34는 본 발명의 적어도 일 실시예의 모듈 배열의 일 예의 개략적인 사시도이다;
도 35는 도 34의 다중 모듈 배열 등을 이용한 본 발명의 적어도 일 실시예의 스키드의 가스제거의 예이다;
도 36 및 37은 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 고압 접촉기들의 개별적인 측면 가스 포트 및 단부 가스 포트 예들을 도시하는 사시도들이다;
도 38은 가스 등가 간격을 사이에 구비한 두 개의 카트리지들을 구비한 본 발명의 적어도 일 실시예의 예시적인 접촉기의 개략적인 단면도이다;
도 39는 평행하게 연결된 가스 포트들을 구비한 본 발명의 적어도 일 실시예의 세 개의 6 포트 접촉기들의 예의 개략적인 사시도이다;
도 40은 본 발명의 적어도 일 실시예의 외부 케이스 내 천공들을 구비한 카트리지 예의 개략적인 사시도이다;
도 41은 중공 섬유 막 배열의 예의 개략적인 높은 확대 표면 모습이다;
도 42는 도 41로부터 중공 섬유 막의 개략적인 사시도이다;
도 43은 도 42의 중공 섬유의 외부(셀측)의 일부의 개략적인 확대 표면 모습이다;
도 44는 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 특정 다중 접촉기 형태 또는 접촉기 배열의 개략도이다.
본 출원은 막 접촉기들 및 그것들의 제조 및 이용 방법에 관한 것이다. 적어도 선택된 실시예들에서, 본 발명은 고압 액체 가스제거 막 접촉기들 및 그것들의 제조 및 이용 방법들에 관한 것이다. 적어도 일부 실시예들에서, 본 발명은 막 접촉기를 구비한 녹거나 인입된 가스 또는 가스들을 가지는 액체의 가스제거에 과한 것이다. 바람직하게, 접촉기는 천공된 코어, 복수의 중공 섬유 막들, 상기 섬유들의 각 단부를 고정하는 튜브 시트, 및 셀(shell)을 포함하는 적어도 하나의 막 카트리지를 둘러싸는 압력 용기 또는 하우징을 구비한다. 바람직하게, 중공 섬유 루멘들은 스위프(sweep) 가스, 진공, 또는 양자와 유체 소통하고, 가스제거되는 액체는 천공된 코어의 개방 단부를 거쳐 접촉기로 들어가고, 방사상으로 코어 천공들을 나오고, 셀 내 막의 (루멘측) 외부 위로 가로지르며, 적은 녹거나 인입된 가스를 구비하여 접촉기를 나간다. 녹은 가스는 바람직하게 액체로부터 미소공성의 막을 가로질러 루멘(lumen) 안으로 확산한다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 향상된 액체 가스제거 막 접촉기 또는 모듈은 고압 하우징 및 그 안의 적어도 하나의 가스제거 카트리지를 포함한다. 고압 하우징이 표준이고(또는 개조되거나 변형되고), 공인된 ASME이고, 역삼투(RO) 또는 (예를 들어 150, 250, 300, 400 또는 600 psi의 압력율들을 가진 그리고 예를 들어 4, 또는 6 포트들을 가진, 그리고 각 단부에서 단부 캡을 가진, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 스테링레스스틸, 부식 방지 필라멘트 권선 에폭시 튜브 강화된 섬유유리로 만들어진) 물 정화 고압 하우징 또는 용기인 것이 바람직할 수 있고 가스제거 카트리지는 고압 하우징 또는 용기 내에 맞춰지도록 된 자립적인, 중공-섬유 막 카트리지인 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 적어도 가능한 바람직한 선택된 실시예들에 따르면, 향상된 액체 가스제거 막 접촉기 또는 모듈은 고압 하우징 및 그 안의 적어도 하나의 가스제거 카트리지를 포함한다. 고압 하우징은 표준, 공인된 ASME, 역삼투(RO) 또는 (예를 들어 150, 250, 300, 400 또는 600 psi의 압력율들을 가진 그리고 예를 들어 4, 또는 6 포트들을 가진, 그리고 각 단부에서 단부 캡을 가진, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 스테링레스스틸, 부식 방지 필라멘트 권선 에폭시 튜브 강화된 섬유유리로 만들어진) 물 정화 압력 하우징 또는 용기인 것이 바람직하고 가스제거 카트리지는 RO 고압 하우징 내에 맞춰지도록 된 자립적인, 중공-섬유 막 카트리지인 것이 바람직하다.
적어도 일 실시예에서, 그러한 자립적인 액체 막 접촉기 카트리지는 천공된 중앙 튜브, 개방된 제1 단부 및 제2 단부를 각각 구비하는 복수의 제1 중공 섬유 막들을 포함하는 제1 매트, 두 영역들로 중공 섬유를 분리하는 선택적 배플(baffle), 카트리지 셀 또는 하우징, 및 각 단부에서의 채움(potting)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 막 단부들은 개방되어서 스트립(strip) 또는 스위프(sweep) 가스가 그것을 통해 지나가게 허용한다. 배플은 중앙 튜브의 제1 및 제2 구획들을 결합하는 중앙 튜브 연결기로 형성되고 중공 섬유 매트의 전체 두께를 통해 댐이나 블록을 형성하는 권선 동안 매트 또는 묶음의 중앙 내 중앙 튜브 연결기 위로 적용되는 에폭시에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 또한 채움은 에폭시로 만들어지고 채움의 단부들은 절단되어 채움 다음의 개방된 제1 및 제2 단부들을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
적어도 일 실시예에 따르면, 중앙 튜브는 카트리지의 각 단부 내 개구를 형성하고 중공 섬유들 위로 그리고 카트리지를 통해 액체 흐름을 제공하도록 그것의 길이를 따라 천공된다. 카트리지의 각 단부 내 개구는 RO 하우징의 단부 캡(cap)들 내 포트(port)들과 유체소통하도록 된다. 예를 들어, 중공 또는 튜브형 어댑터(adapter) 또는 파이프는 단부 캡들 내 포트들과 함께 카트리지 개구를 연결하는데 사용될 수 있다.
적어도 선택된 실시예들에 따르면, 고압 가스제거 모듈은 단일 RO 하우징 내 두 개 이상의 카트리지들을 포함한다.
적어도 일 실시예에 따르면, 바람직한 RO 하우징은 8"x40" 또는 8"x80" 하우징이고 카트리지들은 약 20", 40", 또는 80" 길이이다.
적어도 일 실시예에 따르면, 두 개 이상의 8"x40" 또는 8"x80" 가스제거 모듈의 배열은 함께 연결된 6 포트 RO 하우징들로 형성된다.
본 발명의 일 가능한 바람직한 태양에 따르면, 고압 하우징 또는 용기 및 그 안의 적어도 하나의 막 카트리지를 구비하는 상업적으로 성장할 수 있는 고압 가스제거 접촉기가 제공된다.
본 발명의 다른 가능한 바람직한 태양에 따르면, 표준 RO 고압 하우징 또는 용기 및 그 안의 적어도 하나의 막 카트리지를 구비한 상업적으로 성장할 수 있는 고압 가스제거 접촉기가 제공된다.
본 발명의 다른 가능한 바람직한 태양에 따르면, 표준 RO 고압 하우징 또는 용기 및 그 안의 적어도 두 개의 막 카트리지들을 구비한 상업적으로 성장할 수 있는 고압 가스제거 접촉기가 제공된다.
본 발명의 또 다른 가능한 바람직한 태양에 따르면, 상업적으로 성장할 수 있고, 고압 액체 가스제거 접촉기가 표준 RO 고압 하우징 또는 용기 및 용기 내에 맞춰지도록 된 적어도 하나의 막 카트리지를 이용하여 제조될 수 있음이 발견된다.
본 발명의 가능한 바람직한 막 접촉기들은 분산 없이 물의 흐름으로 또는 물의 흐름으로부터 가스를 이동시킬 수 있다. 그러한 막 접촉기들은 예를 들어 소수성 폴리프로필렌과 같은 수 천여 Celgard® 미소공성의 폴리올레핀, 분배 튜브 및 수집 튜브 (천공된 중앙 튜브의 일부들) 주위로 권선되는 폴리프로필렌 실(thead)(도 41 참조)를 이용한 배열 안으로 짜여진 중공 섬유(hollow fiber)들을 포함한다. 중공 섬유들은 바람직하게 균일한 개방 패킹(packing) 내에 배열되고, 더 큰 흐름 용량 및 전체 막 표면 영역의 이용을 허용한다. 중공 섬유 막이 바람직하게 소수성이기 때문에, 물의 흐름은 구멍들을 침투하지 않을 것이다. 가스/액체 접촉면은 가스 흐름에 대해 물의 흐름에 더 높은 압력을 적용함으로써 구멍에서 움직이지 않는다. 충진탑(packed column)들과 같은 분산된-상 접촉기들과 달리, 본 가능한 바람직한 막 접촉기들은 흐름율의 전체 작동 범위에서 이동을 위한 일정한 접촉 영역을 제공한다.
중공 섬유들은 또한, 폴리메틸 펜텐(PMP, 또는 폴리(4-메틸-1-펜텐)), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 미소공성의 소수성 PVDF, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 헥사플루오로프로필렌(PVDF:HFP)의 공중합체와 같은, 폴리비닐리덴 플루오라이드 공중합체들, 다른 폴리올레핀들(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리부텐), 폴리술폰들(예를 들어, 폴리술폰, 폴리데테르술폰, 폴리아릴술폰), 셀룰로스 및 그것의 유도체들, 폴리 페닐 옥사이드(PPO), PFAA, PTFE, 다른 플루오르처리된 중합체들, 폴리아미드들, 폴리에테르 이미드들(PEI), 폴리이미드들, 폴리아미드이미드들(PAI) 등으로 만들어질 수 있다.
가능한 바람직한 막 접촉기들이 미소공성의 막을 이용한다 하더라도, 분리 원리는 여과 및 가스 분리와 같은 다른 막 분리들과 실질적으로 다르다. 그러한 바람직한 중공 섬유 막 접촉기들에서, 다른 막 분리들에서 나타나는 구멍들을 통한 대류 흐름이 없다. 대신에, 바람직한 막은 액체 및 가스 상들이 분산 없이 직접 접촉하도록 가져오는 불활성 지지(inert support)로서 작동한다. 두 개의 상들 사이의 질량 이동은 가스 상의 압력에 의해 완전히 지배된다. 바람직한 Celgard® 중공 섬유들 및 접촉기 형상으로 인해서, 단위 부피당 표면 영역은 충진탑들, 강제적 외풍 공기분리기들 및 진공 타워들과 같은 전통적 기술들보다 더 높은 크기의 등급이다. 높은 레벨의 부피에 대한 표면 영역은 성능의 주어진 레벨에 대해 접촉기/시스템 크기 내 큰 감소를 야기한다.
배플 막 설계가 바람직한 것으로 나타나더라도, 현재 기술된 막 접촉기들에 대한 세 개의 설계 변형들이 나타남이 주목된다. 배플 막 설계는 중앙 배플 주위로 방사상 액체 흐름 경로를 이용한다. 액체는 중공 섬유들의 외측(셀 측 또는 셀측) 상을 흐른다. NB, 또는 배플 없는 설계는 중앙 배플을 이용하지 않지만, 그것은 여전히 방사상 흐름 장치이다. 배플 없는 설계 상의 액체 출구 포트는 배플 설계에서와 같은 접촉기 단부들에서보다 장치의 중앙 내에 위치된다. NB 접촉기의 일 단부는 캡이 씌워지고 액체가 밖으로 흐르거나 중앙 분배 튜브로부터 섬유들을 방사상을 가로지르도록 허용한다. 이러한 변형은 진공 작동에 가장 적합한 것으로 나타난다. 제3 변형 또는 설계는 중공 섬유의 내측 (루멘 측 또는 루멘측) 액체 흐름을 허용한다. 이러한 장치들은 방사상 흐름 장치들이 아니고 작은 흐름 적용들에 대해 가장 적합한 것으로 나타난다.
가능한 바람직한 막 접촉기들은, 물에 대한 흡수/스트리핑(stripping) 기술들에 적합할 수 있는, PP, PMP, 또는 PVDF와 같은, 몇몇 섬유 형태들 중 하나를 이용할 수 있다. PVDF 섬유들은 바닷물에 첨가된 살균제들을 잘 다룰 수 있다. Ceolgard® x-40 막은 x-50보다 더 작은 내부 직경을 구비한 더 두꺼운 벽을 가지고 산소 제거에 바람직하다. Celgard® x-50 막은 더 큰 내부 직경을 가진 상당히 더 얇은 벽을 가진다. (도 41 및 42 참조) 이러한 특징은 x-40 막에 비해 더 큰 이산화탄소 제거를 허용한다.
아래는 Celgard® x-40 및 x-50 중공 섬유들의 비교이다.
| 섬유 형태 | |||
| 특징 | 단위 | x-40 | x-50 |
| 섬유 OD | 미크론 | 300 | 300 |
| 섬유 ID | 미크론 | 200 | 220 |
| 거품 포인트 | psi | 240 | 240 |
| 파단에서 부하 | 그램 | 430 | 430 |
| 다공성 | % | 25 | 40 |
| 평균 구멍 크기 | 미크론 | 0.03 | 0.04 |
가능한 제3 섬유 변형, 미소공성의 폴리올레핀은 낮은 표면 장력 유체들의 가스 이동을 위한 더 작은 접촉기들 내에 도입되었고 유체는 이러한 장치들의 셀 측 상을 흐른다. 게다가, 미소공성의 PVDF 섬유는 물 내 산화 종류들의 양호한 내성을 위해 도입되었다. 추가적으로, XIND 섬유는 더 큰 산업적 접촉기들 내에 도입되었고, 비-FDA(non-FDA) 가스제거 적용들로 설계되었다.
탄산가스 포화 또는 탄화 등과 같은 가스 흡수 적용들 내 배플 또는 배플 없는 막 접촉기들을 이용할 때, 가스는 중공 섬유 막의 내측 (루멘 측) 안으로 도입되고 액체 상은 중공 섬유의 외측(셀 측)으로 도입된다. 가스의 부분 압력 및 물 온도는 액체 상 내 녹은 가스의 양을 제어한다. 이러한 적용 내에서 루멘 측 액체 막 접촉기들(비 방사상 흐름 장치들)을 이용할 때, 액체는 루멘 측으로 도입되고 가스는 셀 측으로 도입된다.
탈탄산화 또는 탈산소와 같은 가스 스트리핑 적용들에서 배플 또는 배플 없는 막 접촉기들을 이용할 때, 진공 또는 스트리핑 가스 또는 그것들의 조합은 중공 섬유의 루멘 측에 적용된다. 액체 흐름은 섬유의 외측으로 도입된다. 가스의 부분 압력은 감소해서 액체 상으로부터 녹은 가스들을 제거한다. 이러한 적용 내 루멘 측 액체 막 접촉기들(비 방사상 흐름 장치들)을 이용할 때, 액체는 루멘 측에 도입되고 가스/진공은 셀 측으로 적용된다.
유사 도면부호들이 유사 요소들을 지시하는 도면들을 참조하여, 도 1에서, 고압 액체 가스제거 막 접촉기와 같은 모듈 또는 접촉기(100)의 일 실시예가 도시된다. 모듈(100)은 압력 하우징 또는 용기(110), 단부 포트들(112, 114), 단부 캡들(116, 118), 단부 캡 로크(end cap lock)들(120, 122), 및 측면 포트들(124, 126)을 포함한다. 더 구체적으로 모듈은 액체 가스제거에 적합하고, 단부 포트들(112, 114)은 바람직하게 가스제거, 거품제거 등이 된 액체를 수용하는 액체 포트들이며, 측면 포트들(124, 126)은 각각 스위프(sweep) 가스, 스트립(strip) 가스 등을 수용하고 제거하는 가스 포트들이며 및/또는 하나 또는 양 측면 포트들은 진공에 연결되어(진공 소스 또는 펌프에 연결되어) 인입되거나 녹은 가스 또는 가스들의 제거 또는 제어를 수월하게 한다.
비록 상술한 것보다 덜 바람직하더라도, 모듈은 하나 이상의 가스들을 액체에 첨가하도록 될 수 있고, 단부 포트들(112, 114)은 처리되거나 변경되는 액체를 수용하는 액체 포트들일 수 있으며, 측면 포트들(124, 126)은 이산화탄소, 질소, 진공 등을 각각 수용하거나 제거하는 가스 포트들일 수 있고, 양 측면 포트들은 가스 또는 진공에 연결되어(가스 또는 진공 소스 또는 펌프에 연결되어) 가스 또는 가스들의 제어 또는 첨가를 수월하게 한다.
비록 상술한 것보다 덜 바람직하더라도, 모듈은 가스 또는 공기 흐름에 습기를 첨가하거나 제어하도록 될 수 있고, 단부 포트들(112, 114)은 물을 수용하는 액체 포트들일 수 있으며, 측면 포트들(124, 126)은 각각 스위프 가스, 스트립 가스, 공기 등을 수용하고 제거하는 가스 포트들일 수 있고, 하나 또는 양 측면 포트들은 진공에 연결되어(진공 소스 또는 펌프에 연결되어) 수증기, 습도 등의 생성, 첨가, 제거, 및/또는 제어를 수월하게 한다.
비록 상술한 것보다 덜 바람직하더라도, 단부 포트들(112, 114)은 가스 포트일 수 있고, 측면 포트들(124, 126)은 액체 포트들일 수 있다. 비록 여전히 덜 바람직하더라도, 단부 포트들(112, 114)은 액체 포트들일 수 있고, 측면 포트들(124, 126)은 액체 포트들일 수 있거나, 단부 포트들(112, 114)은 가스 포트들일 수 있고, 측면 포트들(124, 126)은 가스 포트들일 수 있다.
적어도 일부 적용들에 대해, 바람직한 배열은 액체 및 가스의 역류 흐름일 수 있다. 예를 들어, 액체는 포트(112)로부터 포트(114)로 흐를 수 있고 가스는 포트(126)로부터 포트(124)로 흐르며, 또는 액체는 포트(114)로부터 포트(112)로 흐르고 가스는 포트(124)로부터 포트(126)로 흐를 수 있다. 적어도 일부 다른 적용들에 대해, 바람직한 배열은 액체 및 가스의 공통 방향 흐름일 수 있다. 예를 들어, 액체는 포트(112)로부터 포트(114)로 흐르고 가스는 포트(124)로부터 포트(126)로 흐를 수 있으며, 또는 액체는 포트(114)로부터 포트(112)로 흐르고 가스는 포트(126)로부터 포트(124)로 흐를 수 있다. 일부 또 다른 적용들에 대해, 바람직한 배열은 일 액체 포트로부터 다른 것으로 액체의 흐름일 수 있고 가스는 양 가스 포트들 밖으로 빼내진다. 예를 들어, 양 가스 포트들(124 및 126)은 (진공 펌프와 같은) 진공에 연결될 수 있다. 적어도 일부 다른 적용들에 대해, 바람직한 배열은 일 액체 포트로부터 다른 것으로 액체의 흐름일 수 있고 가스는 양 가스 포트들 안으로 가압된다. 예를 들어, 양 가스 포트들(124 및 126)은 가스에 연결되어 (탄화, 질화 등을 위해) 액체 안으로 도입될 수 있다.
많은 산업들은 액체 내 녹은 가스들의 제거, 첨가 또는 제어의 필요성을 가진다. 모듈 또는 접촉기(100) 및 여기에 도시되고 설명되는 유사한 막 접촉기들은 가스들이 제거되거나, 제어되거나, 첨가될 필요가 있는 그러한 산업들에 사용될 수 있다. 다시 말해서, 본 액체 탈기장치들이 사용될 수 있는 많은 막 가스제거 및 가스 이동 적용들이 있을 수 있다.
도 2 및 4 내지 6을 참조하여, 모듈(100)은 카트리지(130)를 포함할 수 있다. 카트리지(130)는, 외부 오-링 홈들(134, 136) 및 내부 표면(133)을 구비한, 원통형 셀(shell), 케이스 또는 하우징(132)을 포함한다(도 7 및 8 참조). 게다가, 카트리지(130)는, 중공 섬유들의 단부들을 고정하고, 튜브 시트들을 형성하기 위한, 케이스 내부(133) 및 중앙 튜브(154) 사이에 카트리지의 단부들을 밀봉하기 위한, 채움(potting)(138, 140)을 포함한다. 채움(138, 140)은 바람직하게 중앙 튜브(154)의 외부에 의해 정의된 개별적인 중앙 단부 개구들(142, 144)을 구비한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 모듈(100)은 바람직하게 카트리지(130) 및 각각 상승된 부분(149)을 구비하는 어댑터들 또는 연결기들(146, 148), 및 중앙 튜브 개구들(151) 및 단부 포트 개구들(153) 각각에 일치하거나 맞춰지도록 된 제1 단부(150) 및 제2 단부(152)를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 카트리지(130)는 또한 바람직하게 중앙 튜브(154), 배플(baffle; 155) 및 막 매트(membrane mat; 156)를 포함한다.
도 1은 두 개의 단부 또는 셀 측 포트들(112, 114) 및 두 개의 측면 또는 루멘(lumen) 측 포트들(124, 126)을 구비하는 4 포트 모듈인 예시적인 모듈 또는 접촉기(100)를 도시한다. 가능한 가장 바람직한 실시예에 따르면, 하우징 또는 용기(110)는, 단부 캡들, 단부 캡 로크들, 단부 포트들, 및 측면 포트들을 구비한, 바람직하게 표준 역삼투(RO) 또는 고압 물 정화 형태 고압 하우징 또는 용기이고 그러한 외관을 가진다. 예를 들어, 하우징(110)은 100 psi, 바람직하게 300 psi 또는 더 높은 등급일 수 있고, 섬유 유리 또는 스테인레스 스틸 용기와 같은, 예를 들어 8"x40", 8"x80", 또는 16"x80" RO 또는 고압 물 정화 하우징 또는 용기와 같은, RO 또는 고압 물 정화 형태 하우징일 수 있다. 오일 링 또는 앞바다 드릴 플래폼(drilling platform) 가스제거 적용들에 대해, 비-금속, 부식 방지, 섬유 유리 하우징을 사용하는 것이 바람직하다.
가능한 더 바람직한 실시예에 따르면, 모듈(100)은, 단부 캡들, 단부 캡 로크들, 단부 포트들, 및 측면 포트들을 구비한, 표준 역삼투(RO) 또는 고압 물 정화 형태 고압 하우징 또는 용기의 외관을 가지고, 바람직하게 측면 포트들(124, 126)의 밀봉(seal)들은 감소된 압력 가스 또는 진공 적용들을 위해 변경된다. 일부 표준 RO 또는 고압 물 정화 형태 측면 포트 밀봉들은 가압된 액체 적용들에만 적용되고 감소된 압력 가스 또는 진공이 거기에 적용될 때 누설될 수 있다.
도 2 및 3은 아래방향을 향하는 측면 포트들(124, 126)과 함께 180도 회전된 도 1의 모듈(100)을 도시한다.
바람직하게, 모듈(100)의 하우징 또는 용기(110)는 길쭉한 일정한 지름 중앙 부분(160) 및 길쭉한 단부 부분들(162, 164)을 구비한다(도 1 내지 3, 9 및 10 참조). 하우징(110)의 단부들(162, 164) 내 개구들(166, 168)은 바람직하게 카트리지(130)를 수용하도록 된 중앙 구획(160)의 길쭉한 원통형 개구(170)(도 10 참조)의 내부 지름보다 더 큰 지름일 수 있다. 가능한 바람직한 예에 따르면, 카트리지(130)는 개구(170)의 지름보다 약간 작은 외부 지름을 구비하고 카트리지는 예를 들어 홈들(134, 136) 내 개별적인 오-링들(172, 174)에 의해 그것의 단부들 근처의 개구(170) 내에 밀봉된다. 표준 RO 하우징들과 함께, 단부 개구들(166, 168)은, 중앙 튜브(154)에 의해 수용되고 제 위치에 어댑터들(146, 148)을 위치시키고 유지하는, 어댑터들(146, 148)을 수용하거나 일치하는 단부 포트들(112, 114)과 함께 하우징(110) 내 제 위치에서 단부 캡들을 고정하는 단부 캡 로크들(120, 122) 및 단부 캡들(116, 118)을 수용하도록 된다. 단부 캡들이 제 위치에 잠길 때, 이어서 바람직하게 카트리지, 중앙 튜브, 어댑터들, 및 단부 포트들은 제 위치에 잠기거나 유지된다. 어댑터들(146, 148)의 어깨부(shoulder; 180) 및 상승된 부분(149)은 개별적인 어댑터 단부들(152, 150)이 개별적인 단부 포트 및 중앙 튜브 개구들(153, 151) 내에 삽입될 수 있는 최대치를 제한한다. 어댑터들(146, 148)은 바람직하게 또한, 예를 들어 단부 부분들의 내부 부분들 및 중앙 튜브의 단부들과 함께 견고한 유체 밀봉들을 형성하는 개별적인 오-링들을 수용하기 위한 오-링 홈들(182, 184)을 포함한다.
위에서 설명한 바와 같이, 바람직한 모듈(100)은 매우 간단한 매우 효과적인 구조를 구비한다. 셀 측 유체 또는 액체는 (막 접촉면에서를 제외하고) 루멘 측 유체 또는 가스로부터 분리된다. 바람직하게, 표준 하우징들, 단부 캡들, 단부 포트들, 측면 포트들, 및 단부 캡 로크들과 같은 표준 부분들은 카트리지들, 중앙 튜브들, 및 어댑터들과 같은 맞춤(custom) 부분들과 함께 사용된다. 모듈 단부 사용 또는 적용에 따라, 맞춤 단부 포트들, 측면 포트들, 및/또는 단부 캡들이 사용될 필요가 있을 수 있다.
도 2, 5 및 16 내지 21에 도시된 바와 같이, 중앙 튜브(154)가 (중앙 플러그 또는 흐름 제한자를 구비하거나 구비하지 않은) 단일 조각 천공된 파이프일 수 있더라도, 중앙 튜브(154)가 적어도 세 부분들로 만들어지는 것이 바람직하다: 제1 천공된 튜브 부분(190), 제2 천공된 튜브 부분(192), 및 견고한 튜브 연결기(194). 도시된 바와 같이, 튜브 연결기(194)는 바람직하게 연결기(194)에 인접한 튜브들(190 및 192)의 단부들 내 내부 나사산들과 일치하도록 된 개별적인 나사산 단부들(191 및 193)을 가진다. 또한, 튜브 연결기(194)는 바람직하게, 예를 들어, 에폭시로부터 배플(155)을 형성하는 것을 추가하기 위해 그리고 튜브들(190, 192) 간격을 형성하기 위해 상승된 중앙 홈이 있는 부분(195)를 가지고, 막 매트 또는 직물은 튜브(154) 주변으로 싸여지고, 배플(155)이 형성된 후 제 위치에 머무르는 것을 돕는다. 유사하게, 각각의 튜브들(190, 192)은 바람직하게, 막 매트 또는 직물이 튜브(154) 주위로 싸이고 케이스(132) 내에 위치되고, 형성된 후 제 위치에 채움(138, 140)이 머무르는 것을 도운 후에, 예를 들어, 에폭시로부터 채움(138, 140)을 형성하는 것을 돕기 위해 단부 대향 연결기(194) 근처 리브(rib)들 및 홈들(202)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 각각의 튜브들(190, 192)은 어댑터들(146, 148)의 단부(150)를 수용하도록 된 단부 내 부드러운 천공 자유로운 내부 표면을 가진다.
막 매트(156)는 바람직하게 배플(155)에 의해 두 개의 막 부분들(196 및 198)로 분리된다. 예를 들어, 가스제거되는 액체가 모듈(100)을 통해 단부 포트(112)로부터 단부 포트(114)로 흐른다면, 액체는 단부 포트(112) 내 개구(113)를 통해, 어댑터(146) 내 개구(186)를 통해, 튜브(190) 내 개구(151)를 통해, 튜브(190) 내 개구들(200) 또는 천공들을 통해 밖으로, 예를 들어, 막 매트 부분(196) 내 중공 섬유들 주위로, (배플(155) 및 케이스 내부(133) 사이) 배플(155) 위로, 예를 들어, 막 매트 부분(198) 내 중공 섬유 주위로, 튜브(192) 내 개구들(200) 또는 천공들을 통해, 튜브(192) 내 개구(151)를 통해, 어댑터(148) 내 개구(186)를 통해, 그리고 단부 포트(114) 내 개구(115)를 통해 밖으로 흐른다. 이러한 예에서, 튜브(190)는 액체 분배 튜브이고 튜브(192)는 액체 수집 튜브이다.
다른 예에서, 가스제거되는 액체는 모듈(100)을 통해 단부 포트(114)로부터 단부 포트(112)로 흐르고, 액체는 단부 포트(114) 내 개구(115)를 통해, 어댑터(148) 내 개구(186)를 통해, 튜브(192) 내 개구(151)를 통해, 튜브(192) 내 개구들(200) 또는 천공들을 통해 밖으로, 예를 들어, 막 매트 부분(198) 내 중공 섬유들 주위로, (배플(155) 및 케이스 내부(133) 사이) 배플(155) 위로, 예를 들어 막 매트 부분(196) 내 중공 섬유들 주위로, 튜브(190) 내 개구들(200) 또는 천공들을 통해, 튜브(190) 내 개구(151)를 통해, 어댑터(146) 내 개구(186)를 통해, 그리고 단부 포트(112) 내 개구(113)를 통해 밖으로 흐른다. 이러한 예에서, 튜브(192)는 액체 분배 튜브이고 튜브(190)는 액체 수집 튜브이다.
도 1 내지 6이 모듈(100)의 하우징(110) 내 단일 카트리지(130)를 도시하더라도, 두 개 이상의 카트리지들이 이용될 수 있음이 생각된다(도 25, 27 및 39 참조). 또한, 하우징(110) 내 하나 이상의 카트리지들(130)을 사용하는 것이 바람직하더라도, 막 매트 및 중앙 튜브를 직접 채우는 것에 의해 하우징(110) 내 내부 막 접촉기를 형성할 수 있다. 게다가, 셀 또는 케이스(132)를 카트리지(130)가 가지는 것이 바람직하더라도, 하우징(110) 내 셀이 없는(shell-less) 카트리지를 이용할 수 있다.
배플 막 매트들을 가지는 하나 이상의 카트리지들을 이용하는 것이 바람직하더라도, 배플 없거나 다중 배플 형태들이 이용될 수 있음이 이해된다. 예를 들어, 짧은 카트리지들의 막 매트들은 배플이 없고, 긴 카트리지들의 막 매트들은 두 개 이상의 배플들을 포함할 수 있다.
도 11 및 12를 참조하여, 다른 예시적인 원통형 셀, 케이스 또는 하우징(300)은 외부 오-링 홈들(302, 304) 및 내부 표면(306)을 가진다.
도 13 내지 15를 참조하여, 또 다른 예시적인 원통형 셀, 케이스 또는 하우징(320)은 외부 오-링 홈들(322, 324), 내부 표면(326), 및 단부들 내 채움을 형성하고 유지하는 것을 돕는 홈이 있거나 리브가 있는 부분들(328, 330)을 구비한다.
도 4 내지 6을 참조하여, 카트리지들은 바람직하게, 선적되고, 취급되고, 삽입되고, 교체되는 합리적인 크기 및 중량의, 자립적인 막 접촉기 유니트들이다. 그렇나 카트리지들은 모듈들을 제조하고 유지하기 쉽게 한다. 가능한 바람직한 예에 따르면, 8" 지름 카트리지들은 40" 또는 그 아래 길이이고, 16" 지름 카트리지들은 20" 또는 그 아래 길이이다.
도 7 및 8을 참조하여, 일 가능한 바람직한 예에서, 카트리지 하우징 또는 셀(132)은 약 39.75 인치의 길이 및 약 7.9 인치의 외부 지름을 가지고 ABS 중합체로 형성된다.
다른 가능한 바람직한 예에서, 카트리지 하우징 또는 셀(132)은 약 79.75 인치의 전체 길이 및 약 7.9 인치의 외부 지름을 가진다.
또 다른 가능한 바람직한 예에서, 카트리지 하우징 또는 셀(132)은 약 79.75 인치의 전체 길이 및 약 15.9 인치의 외부 지름을 가진다.
도 9 및 10을 참조하여, 일 가능한 바람직한 예에서, 압력 하우징 또는 용기(110)는 약 58.25 인치의 전체 길이 및 약 7.95 인치의 내부 지름을 가지고 섬유유리, 스테인레스 스틸 등으로 형성된다.
도 11 및 12를 참조하여, 일 가능한 바람직한 예에서, 카트리지 하우징 또는 셀(300)은 약 19.88 인치의 전체 길이 및 약 7.9 인치의 외부 지름을 가지고 ABS 중합체로 형성된다.
도 13, 14 및 15를 참조하여, 일 가능한 바람직한 예에서, 카트리지 하우징 또는 셀(320)은 약 20.28 인치의 전체 길이 및 약 7.9 인치의 외부 지름을 가지고 ABS 중합체로 형성된다.
도 18 및 19를 참조하여, 일 가능한 바람직한 예에서, 중앙 튜브(154)는 약 21 인치의 전체 길이, 약 1.3 인치의 외부 지름, 및 약 1인치의 내부 지름을 가지고 중합체로 형성된다.
도 22 및 23에 따르면, 어댑터들 또는 연결기들(146, 148)은 그것을 통해 유체 흐름을 제공하는 중앙 개구(186)를 각각 구비한다.
도 24 내지 26을 참조하여, 포트 모듈(400)은 측면 포트들(412, 414, 416 및 418), 두 개의 단부 포트들, 두 개의 단부 캡들, 두 개의 어댑터들 등을 구비한 압력 하우징(410)을 가진다. 모듈 도는 접촉기(400)는 바람직하게 카트리지의 중앙 튜브들 내 개구들 내에 수용되거나 일치하도록 된 중공 연결기(424)에 의해 함께 연결된 두 개의 막 카트리지들(420, 422)을 포함한다.
도 25A를 참조하여, 연결기(424)는 바람직하게 작은 거리로 이격된 카트리지들(420 및 422)의 인접한 단부들(또는 튜브 시트들)을 이격시키도록 된 상승된 중앙 부분(426)을 포함한다. 일 예에 따르면, 연결기(424)는 카트리지들을 약 0.25 인치 이격시킨다. 이러한 공간 또는 간격은 바람직하게 일 카트리지를 나가고 다음 카트리지로 들어오는 루멘 측 가스 또는 가스들의 동등화(equalization)를 제공한다. (튜브 시트들의 외측 가장자리) 중공 섬유들의 개방 단부들 사이 그러한 간격은 바람직하게 약 0.01 인치 내지 약 2인치이고, 더 바람직하게 약 0.1 인치 내지 약 0.5 인치이며, 가장 바람직하게 약 0.15 인치 내지 약 0.35 인치이다. 연결기(424)는 또한 바람직하게 카트리지들(420 및 422)의 중앙 튜브들의 개별적인 개방 단부들 내에 수용되고 오-링과 맞춰지도록 된 개별적인 단부들(428 및 430)을 포함하고, 일 카트리지의 중앙 튜브로부터 다른 카트리지의 중앙 튜브로 셀측 액체의 흐름을 허용하는 중앙 개구(432)를 구비한다. 이러한 두 개의 카트리지 형태는 다른 접촉기들 및 형태들보다 뛰어난 성능을 가지는 막 접촉기를 제공한다.
도 27은 모듈(100)과 유사하지만 모듈(400)과 유사한 두 개의 카트리지들을 구비한 4 포트 모듈(500)을 도시한다. 예를 들어, 모듈(500)은 두 개의 40" 카트리지들을 구비한 8"x80" 모듈일 수 있거나 두 개의 20" 카트리지들을 구비한 16"x40" 모듈일 수 있다. 모듈(500) 내 각각의 카트리지들은 천공된 중앙 튜브, 견고한 튜브 연결기에 연결된 배플, 각 단부에 튜브 시트를 구비한 복수의 중공 섬유들, 및 케이스를 구비한다. 도시된 바와 같이, 액체 및 스위프 가스는 액체 가스제거를 위해 모듈을 통한 역류 흐름을 가진다.
도 28을 참조하여, 바람직하게 물과 같은 액체 가스제거를 위해, 중공 섬유들은 액체의 경로를 막지만 가스들 및 기체들의 이동이나 경로를 허용하는 구멍들을 가지는 소수성 미소공성의 막들이다.
도 29, 30 및 31은 (스위프 가스, 진공 및 양자) 모듈들 또는 접촉기들의 다양한 이용들 또는 모드들을 도시한다.
도 32 및 33은 개별적인 평행 및 직렬의 접촉기 형태들을 도시한다.
도 34는 본 발명의 예시적인 다중 모듈 배열을 개략적으로 도시한다. 도 35는, 예를 들어, 일당 100,000 배럴들의 바닷물 이상을 가스제거하는 오일 링 또는 드릴 플래폼 상에서의 이용을 위한 가스제거 스키드(skid)로서 이용되는 (도 34에서와 유사한) 모듈 배열의 일 예시를 제공한다. (실제 형태 또는 설계, 선택된 재료들, 모듈들의 크기 및 수 등에 따라, 흐름, 중량, 및 다른 특성들은 크게 변할 수 있다.)
도 36은 본 발명의 적어도 일 실시예의 바람직한 측면 가스 포트를 구비한 4 포트 모듈을 도시한다. 모듈(600)은 하우징(610), 단부 캡(612), 단부 캡 로크(614), 단부 포트(616), 및 측면 포트(618)를 구비한다.
도 37은 본 발명의 적어도 일 실시예의 다른 가스 포트 배열을 구비한 4 포트 모듈을 도시한다. 모듈(700)은 하우징(710), 단부 캡(712), 단부 캡 로크(714), 단부 포트(716), 및 단부 가스 포트(718)를 구비한다.
도 38은 그 사이에 가스 동등화 간격을 구비한 두 개의 카트리지를 가지는 예시적인 접촉기(800)를 도시한다.
도 39는, 인접한 측면 포트들 위로 수용되거나 내에 수용되거나, 일치하도록 되는 측면 포트 커플러들(401)에 의해 평행하게 연결된 그것들의 측면 포트들(가스 포트들)을 구비한 도 24와 유사한 적어도 세 개의 6 포트 접촉기들의 배열(900)을 도시한다. 도 34의 배열의 접촉기들은 바람직하게 공간을 절약하거나 질량을 감소시키기 위해 도 39 또는 44 내에 도시된 바와 같이 연결된 측면 포트들을 가질 수 있다.
도 40을 참조하여, 카트리지(930)는 천공된 원통형 셀, 천공(933)을 구비한 케이스 또는 하우징, 및 외부 오-링 홈들(934, 936)을 포함한다. 카트리지(930)는 또한 채움(938), 중앙 튜브 등을 포함한다(도 5 참조). 카트리지(930)가 고압 하우징 또는 용기 내측에서 사용되도록 되어 있어서, 천공들(933)은 고압 액체가 개구를 통해 밖으로 그리고 케이스와 용기의 내부 사이에서 흐르도록 허용하여서 케이스(932) 밖 압력의 적어도 일부를 취하도록 한다. 그러한 천공들(933)은 케이스(932)의 두께, 카트리지(930)의 질량 등의 감소를 제공할 수 있다.
게다가, 케이스 또는 셀을 통한 천공들은 액체 압력이 카트리지 내부 및 외부와 동일하도록 허용한다. 결과적으로, 셀 벽은 충분한 후프(hoop) 강도를 가질 필요가 없다. 그러므로, 덜 비싸고 더 얇은 셀 또는 튜브 물질을 이용할 수 있고, 본 발명의 기본 셀-내부-하우징 설계를 유지할 수 있다. 이러한 구조는 종래 시스템들보다 적은 중량과 비용을 가진 가스제거 시스템의 실현을 제공할 수 있다.
도 41에 개략적으로 도시된 바와 같이, 천공된 중공 섬유 막 배열(940)은, 예를 들어, 길이를 따라 이격된, 폴리프로필렌 실인, 예를 들어, 교차하는 실들(946)에 의해 연결된, Celgard®x-40 중공 섬유들인, 복수의 중공 섬유들(942)을 포함한다. 예시적인 중공 섬유들은 약 300 ㎛의 외측 지름을 가질 수 있다.
도 42에서, 하나의 그러한 중공 섬유(942)는, 예를 들어, 약 300 ㎛의 외측 지름 및 약 200 내지 220 ㎛의 내측 지름을 가질 수 있다.
도 43에 도시된 바와 같이, 바람직한 중공 섬유(942)는, 예를 들어, 0.03 ㎛의 평균 구멍 크기인, 슬릿(slit)과 같은 미세 구멍들을 구비한다. 그러한 중공 섬유들은 폴리프로필렌일 수 있고 환경 친화적인 건조 스트레치(stretch) 공정에 의해 만들어질 수 있다.
도 44는 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 바람직한 특정 다중 접촉기 형태 또는 배열을 도시한다. 이러한 특정 형태는 특히 6 포트 모듈들 또는 접촉기들을 이용하는 바닷물 가스제거 및 N2 스위프 가스 및 진공 조합(콤보(combo) 모드)에 적합하다. 오직 세 개의 접촉기들이 도시되었더라도, 더 많거나 더 적은 접촉기들이 이용될 수 있음이 이해된다. 또한, 이러한 특정 형태는 도 34 및 39의 개별적인 배열들에 적용될 수 있다. 본 발명의 특정 태양에 따르면, 이러한 특정 형태는 특히 종래의 앞바다 오일 링 상의 진공 타워 및 드릴 플래폼을 대체하거나 증대시키는데 적합하다. 예를 들어, 다중 6 포트를 이용하여 고압 가스제거 모듈들 또는 접촉기들(바람직하게 비금속 하우징을 구비) 및 N2 스위프 가스 및 이러한 특정 형태 내 진공은 일당 50,000 배럴 또는 그 이상의 가스제거된 바닷물을 쉽게 생산할 수 있다.
적어도 일 실시예에 따르면, 그러한 자립적인 액체 막 접촉기 카트리지는 천공된 중앙 튜브, 양자 모두 개방된 제1 단부 및 제2 단부를 각각 구비하는 복수의 제1 중공 섬유 막들을 포함하는 제1 매트, 두 영역들 안으로 중공 섬유 매트를 분리하는 선택적 배플, 카트리지 셀 또는 하우징, 및 각 단부에서의 채움을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 막 단부들은 개방되어서, 예를 들어, 스트립 또는 스위프 가스가 그것을 통해 지나가도록 허용한다. 배플이 중앙 튜브의 제1 및 제2 구획들을 연결하는 중앙 튜브 연결기로 형성되고 매트 또는 묶음의 중앙 내 중앙 튜브 연결기 위로 적용되고 중공 섬유 매트의 전체 두께를 통해 댐(dam) 또는 블록(block)을 형성하는 에폭시에 의해 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 또한 채움이 에폭시로 만들어지고 채움의 단부들이 절단되어 채움 다음의 개방된 제1 및 제2 단부들을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
적어도 일 실시예에 따르면, 중앙 튜브는 카트리지의 각 단부 내 개구를 형성하고 그것의 길이를 따라 천공되어서 액체가 카트리지를 통해 그리고 중공 섬유들 위로 흐르게 한다. 카트리지의 각 단부 내 개구는 RO 하우징의 단부 캡들 내 포트들과 유체 소통한다. 예를 들어, 중공 또는 튜브형 어댑터 또는 파이프는 단부 캡들 내 포트들과 함께 카트리지 개구들을 연결하는데 사용될 수 있다.
적어도 선택된 실시예들에 따르면, 고압 가스제거 모듈은 바람직하게 단일 RO 하우징 내 두 개 이상의 카트리지들을 포함한다.
적어도 일 실시예에 따르면, 바람직한 RO 하우징은 8"x80" RO 고압 하우징이고 카트리지들은 약 20", 40" 또는 80" 길이이다.
적어도 일 실시예에 따르면, 두 개 이상의 8"x40" 또는 8"x80" 가스제거 모듈들의 배열은 그 안에 막 카트리지들을 구비한 6 포트 RO 하우징들로 형성된다.
8"x80" 모듈의 이점들
? RO 스타일 용기
? 300 psi 또는 그 이상으로 평가된 ASME
? 친근한 설비 디자인
? 간단한 카트리지 교체
? 짧아진 정지 시간
? 교체 카트리지들의 더 편리해진 저장/취급
? 전문 도구들이 불필요
? 낮아진 교체 비용들
? 컴팩트 스키드 디자인
? 낮아진 전체 높이
모듈의 RO 압력 하우징은, 카트리지가 고장(fail)나거나 카트리지 하우징 또는 셀이 밖으로 휘어지면(bow),고장 또는 카트리지가 고압 하우징 안에 포함됨을 보증한다. 그와 같이, 카트리지 셀은 더 얇거나 더 약한 재고(stcok)로 만들어질 수 있고 카트리지는 RO 압력 하우징 또는 용기의 전체 압력으로 평가될 필요가 없다. 카트리지 셀의 외부 표면 및 RO 압력 하우징 또는 용기의 내부 표면 사이의 간격이 1.0 인치 아래, 더 바람직하게 0.5 인치 아래, 그리고 가장 바람직하게 0.25 인치 아래임이 바람직할 수 있다. 간격이 작을수록, 카트리지 셀이 고장나고(크랙, 채움의 부족(come off)) RO 하우징과 접촉할 때까지 그것이 바깥으로 휘어지는 기회가 더 적어진다.
적어도 선택된 실시예들에 따르면, 표준 RO 하우징 또는 용기는, 예를 들어 다음을 포함하지만 제한적이지 않은, 다양한 상표들로부터 선택될 수 있다:
1. 코드라인(CodeLine)(Pentair Water) - 모델 80S30
2. 항저우 메이 멤브레인 테크놀로지(Hangzhou MEY Membrane Technology Co., Ltd) - 3" SS 용기
3. ROPV - R80 S 시리즈
4. PROTEC (Bekaert Progressive composites) - PRO 8-300-SP (이러한 용기는 오직 양(positive) 스위프 압력으로 작용할 수 있고, 진공은 아니다.)
특정 측면 포트 또는 가스 포트 밀봉 설계가 제한적이지 않더라도, 양 및 음(negative) 압력 양자로 작동할 것인 밀봉 설계가 바람직하다. 일부 용기 제조자들은 의도된 사용이 양 압력 RO이기 때문에 양 압력에서만 작동하는 밀봉 설계들을 만들다.
중합체 구성요소들 중 일부는, 예를 들어, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 클로리네이티드 폴리비닐 클로라이드(CPVC), 고 충격 폴리스티렌(HIPS), 폴리마크릴로나이트릴-부타디엔-스트렌(ABS), 폴리아크릴레이트-스티렌-아크로나이트릴(ASA), 및폴리카보네이드(PC)로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 이렇게 기재된 구성요소들 각각을 위한 바람직한 물질들은 다음과 같다:
모듈 용기 - 섬유유리, 스테인레스 스틸(SS)
카트리지 용기 - ABS, PVC, FRP, SS, 또는 에폭시와 접착될 수 있는 다른 물질들
중앙 튜브 - ABS, PVC
중앙 튜브 연결기 - ABS, PVC
단부 포트 - Noryl, ABS, Delrin(Acetal), 철, 또는 SS
단부 포트 어댑터로의 중앙 튜브 - Noryl, Delrin(Acetal), ABS, SS
측면 포트 - SS
중공 카트리지 연결기 - Delrin(Actal), Noryl, ABS, SS
단부 캡 - Noryl 또는 (알루미늄 배킹(backing) 플레이트를 구비하거나 구비하지 않은) 다른 유리-채워진 수지, SS
중공 섬유 배열을 위한 실(Thread) - PP
종래에서 제한들 중 하나에서, 셀-측 흐름 접촉기는 섬유들의 길이이다. 지나치게 긴 섬유들을 구비하는 것은 섬유들의 루멘 측이 스위프 가스가 섬유의 대향 단부를 나갈 수 있기 전에 제거되는 가스로 포화되게 한다. 이러한 효과는, 속도가 가장 높은, 중앙 튜브에 가장 인접한 섬유들이 최외곽 지름에서 섬유들보다 더 효율적이라는 사실에 의해 더 커진다. 마지막 결과는 맨 안쪽의 섬유들이 흡수된 가스를 제거하도록 남겨지는 작은 구동력(driving force)을 가질 수 있고 최외곽 섬유들은 가스를 제거하는 용량을 여전히 가질 수 있다는 것이다. 문제는 가장 높은 구동력을 가진 섬유들이 가장 적은 효율적인 셀-측 흐름 위치 내에 위치된다는 것이다.
본 발명의 적어도 일 태양에 따르면, 혼합 챔버 또는 '가스 농도 동등화 간격(Gas Concentration Equlizing Gap)'이 모듈 내 루멘들의 길이 내에 추가된다. 이러한 간격은 가장 먼 지름 밖의 중앙 튜브에 가장 인접한 루멘들 내 스위프 가스들이 모듈의 길이 내에서 다시 혼합되고 동등화되는 것을 허용한다. 그렇게 하는 것은 섬유들의 구동력이 그것들의 효율이 (중앙 튜브에서) 가장 높은 곳에서 증가하고 그것들의 효율이 (최외곽 지름에서) 가장 낮은 곳에서 감소하도록 허용한다. 마지막 결과는 동등한 막 영역을 가진 이러한 특징 없는 모듈에 비해 전체 성능 내에서 상당한 증가이다. 이격된 카트리지는 구비한 본 8x40 모듈의 DO 제거 효율은 막 영역들이 대략 동등하더라도 (100 gpm 아래의 액체 흐름율에서) 종래 가스제거 접촉기보다 상당히 양호하다.
본 발명의 가능한 다른 바람직한 태양들에 따르면, 중공-섬유, 미소공성의, 소수성, 막 카트리지는 압력 용기 안으로 삽입되고, 카트리지는 자립적이고 추가적인 지지 구조의 도움 없이 내부 압력을 견딜 수 있거나 없으며, RO 압력 용기는 바람직한 용기일 수 있고, 역삼투와 달리 가스 및/또는 진공은 액체에 반대되는 측면 포트들 상에서 사용되며, 설치되면, 카트리지 벽은 압력 용기의 내측 지름과 접촉하는 포인트로 편향되도록 허용될 수 있고, 하우징을 구비한 카트리지 틈(clearance)은 쉬운 설치가 제공될 수 있도록 충분히 느슨하고, 틈은 충분히 견고해서 내부 압력으로 인해 편향하는 카트리지 하우징 위로 지지 구조를 제공한다.
적어도 일 실시예에 따르면, 중공 섬유 매트들은 다음 방법에 의해 수지 내에 삽입되고/채워진다: 중공 섬유 매트들의 스테이플(staple)이 하우징 안으로 삽입된다. 제1 단계에서, 변하기 쉽거나 제거가능한 액체 또는 겔(gel)이 개구를 통해 하우징 안으로 삽입되고 하우징은 그것의 중앙 축 주위로 회전한다. 결과적으로 변하기 쉽거나 제거가능한 액체 또는 겔은 중공 섬유들의 단부들이 삽입되는 층을 형성한다. 제2 단계에서 액체를 굳히는 수지가 하우징 안으로 도입되고 원심 효과에 의해 변하기 쉽거나 제거가능한 액체 또는 겔의 제1 층 위로 수지 층을 형성하여서, 중공 섬유들은 제1 단부들 근처의 섬유 길이를 따라 부분 내 수지 층 내에 넣어진다. 수지의 굳힘 후에, 변하기 쉽거나 제거가능한 액체 또는 겔은 제거되고 중공 섬유들은 굳은 수지 내에 넣어져서 섬유들은 수지 층 너머로 그것들의 단부들과 함께 연장한다. 이어서, 섬유 단부들은 다듬어져서 외측 표면 상의 섬유들의 개방된 단부를 구비한 튜브 시트를 형성한다.
본 발명의 적어도 선택된 실시예들에 따르면, 향상된 액체 가스제거 막 접촉기 또는 모듈은 고압 하우징 및 그 안에 적어도 일 가스제거 카트리지를 포함한다. 고압 하우징이 표준, 공인된 ASME, 역삼투(RO) 또는 (예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 스테인레스 스틸, 예를 들어 150, 250, 300, 400 또는 600 psi의 압력 등급을 구비하고, 예를 들어 4 또는 6 포트들을 가지고 각 단부에서 단부 캡들을 가진, 부식 방지 필라멘트 권선 섬유유리 강화된 에폭시 튜브로 만들어진) 물 정화 압력 하우징 또는 용기인 것이 바람직할 수 있고 가스제거 카트리지가 자립적이고, RO 고압 하우징 내에 맞춰지도록 된 중공-섬유 막 카트리지인 것이 바람직할 수 있다.
채움 또는 열경화성 물질들이 에폭시, 폴리우레탄, 및 열가소성물질을 포함할 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 에폭시들이 바람직하다. 여기에 사용되는, 열가소성물질은 열에 노출될 때 부드러워지고 실온에서 냉각될 때 그것의 초기 조건으로 돌아가는 높은 중합체를 가리킨다; 용어는 보통 폴리비닐 클로라이드, 나일론들, 플로오로카본 중합체들, 선형 폴리데틸렌, 폴리우레탄 프리폴리머, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 및 셀룰로스 및 아크릴 수지들과 같은 합성화학에 적용된다. 예시적인 열가소성물질은 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀들을 포함한다.
다른 채움 방법들이 채움 또는 튜브 시트들을 형성하는데 이용될 수 있다. 그러한 다른 채움 방법들은 몰드 채움, 원심 채움, 및 중력 채움을 포함하고, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명은 그것의 사상 및 본질적 속성을 벗어나지 않고서 다른 형태들로 구현될 수 있고, 따라서, 앞선 명세서보다, 본 발명의 범위 내에서 지시된, 청구범위들을 참조해야 한다.
100: 모듈 또는 접촉기
110: 하우징 또는 용기
112, 114: 단부 포트
110: 하우징 또는 용기
112, 114: 단부 포트
Claims (17)
- 고압 하우징 및 적어도 하나의 자립적인(self-contained) 막 카트리지를 포함하는 고압 가스제거 모듈.
- 제1항에 있어서,
복수의 상기 막 카트리지들을 포함하는 고압 가스제거 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 고압 하우징은 표준 RO 압력 용기인 고압 가스제거 모듈.
- 고압 모듈 하우징;
상기 모듈 하우징의 단부들 내 또는 상에 맞춰지도록 된 한 쌍의 단부 캡들;
상기 단부 캡들 각각 내의 액체 단부 포트들;
상기 단부 캡들 중 적어도 하나 안의 또는 그것의 일 단부 근처의 상기 모듈 하우징의 측면 안의 적어도 하나의 가스 포트;
상기 모듈 하우징 내에 맞춰지도록 된 적어도 하나의 막 카트리지;
를 포함하고,
상기 막 카트리지는,
a. 루멘을 구비하는 복수의 중공 섬유 막들, 상기 막은 중공 섬유들이 실질적으로 상호-평행하고 직물 씨실을 구성하며, 직물 날실을 구성하는 필라멘트들에 의해 이격된 관계 내에서 유지되는 직물과 같은 배열 안으로 형성됨;
b. 상기 배열은 두 개의 묶음 단부들 및 원통형 외부 표면을 가지는 나선-권선된 막 묶음 안으로 중공 섬유들에 실질적으로 평행한 축 위로 권선됨;
c. 두 개의 묶음 단부들 각각은 인접한 모놀리식(monolithic) 튜브 시트들 안으로 묶음 단부를 밀봉하는데 기여하는 수지 채움 물질 내에 채워지고, 두 개의 튜브 시트들 사이 묶음의 일부는 채움 물질로부터 자유로워서 셀 측 영역을 형성하고, 묶음 단부들의 제1의 것을 구성하는 중공 섬유들의 루멘 단부들은 노출되고 묶음의 외부와 소통함;
d. 카트리지 셀, 제1 및 제2 하우징 단부들 및 원통형 하우징 내부를 구비하고 막 묶음을 포함하도록 적절히 성형된 케이스 또는 하우징, 제1 카트리지 하우징 단부에 인접한 상기 튜브 시트(채움)는 원통형 하우징 내부로 제1 묶음 단부를 밀봉하고, 막을 통해 상호 소통하는 두 영역들을 정의하는 묶음을 포함하는 상기 카트리지 하우징은 (i) 튜브 시트들 사이 및 하우징 내 묶음의 부분 외측의 셀-측 공간, 및 (ii) 중공 섬유 루멘들 및 제1 묶음 단부를 포함하는 루멘-측 공간을 포함함;
을 포함하고,
상기 단부 캡들의 제1의 내부 면 및 제1 카트리지 하우징 단부에 인접한 상기 모듈 하우징은, 원통형 하우징 내부 및 제1 묶음 단부와 함께, 제1 모듈 하우징을 밀봉하고 막 루멘들과 소통하는 제1 챔버를 정의하며,
상기 단부 캡들의 제2의 내부 면 및 제2 카트리지 하우징 단부에 인접한 상기 모듈 하우징의 내부는, 원통형 하우징 내부 및 제2 묶음 단부와 함께, 제2 모듈 하우징 단부를 밀봉하고 막 루멘들과 소통하는 제2 챔버를 정의하고,
상기 액체 단부들 포트들은 상기 막 카트리지 각각의 셀-측 공간에 작동되게 연결되고, 유체 주입 및 그것을 통한 인출을 허용하도록 배열되고,
적어도 하나의 가스 포트는 제1 및 제2 챔버들 중 적어도 하나와 소통하고, 가스 주입 및 그것을 통한 인출을 허용하도록 배열되는, 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 제4항에 있어서,
적어도 두 개의 가스 포트들을 더 포함하고, 일 가스 포트는 상기 단부 캡들 중 적어도 각각 내에 있거나 각 단부 근처의 상기 모듈 하우징의 각 측면 내에 있는, 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 제4항에 있어서,
상기 모듈 하우징 내에 맞춰어지도록 된 적어도 두 개의 막 카트리지들을 더 포함하는, 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 제4항에 있어서,
길이방향 축 및 원통형 외부 표면을 가지는 상기 카트리지들의 각각 내의 중공 굴대(mandrel), 축방향 보어(bore), 및 보어와 소통하는 표면을 따른 천공들을 더 포함하는, 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 제4항에 있어서,
중공 섬유들의 루멘 단부들 양자는 노출되고 묶음의 외부와 소통하는, 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 제4항에 있어서,
상기 모듈 하우징은 RO 고압 용기와 같은 고압 용기 또는 하우징인, 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 제4항에 있어서,
카트리지 하우징은 모듈 하우징이 카트리지 하우징의 폭발을 방지하는 고압을 지지할 필요가 없고 카트리지 하우징이 압력 아래에서 팽창한다면, 모듈 하우징은 카트리지 하우징을 억제하고 구속하는, 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 제4항에 있어서,
카트리지 셀이 압력 아래에서 팽창하거나 고장난다면 모듈 하우징은 카트리지 셀을 억제하고 구속하는 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 제4항에 있어서,
모듈 하우징 및 단부 캡들은 고장난다면 막 카트리지를 억제하고 구속하는 고압 나선-형태 중공 섬유 막 직물-포함 모듈 또는 접촉기.
- 고압 하우징 및 적어도 하나의 자립적인 막 카트리지를 포함하는 적어도 하나의 고압 액체 가스제거 모듈을 포함하는 고압 액체들의 가스제거를 위한 시스템.
- 제13항에 있어서,
상기 고압 하우징은 복수의 상기 막 카트리지들을 포함하는 시스템.
- 제13항에 있어서,
상기 고압 하우징은 표준 RO 압력 용기인 시스템.
- 제13항에 따른 시스템의 이용을 포함하는, 바닷물 가스제거 방법.
- 여기에 도시되거나 포함된 고압 액체 가스제거 막 접촉기 또는 모듈 또는 방법.
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