KR20140064853A - 열 및 질량 전달을 위한 판 및 프레임 및 나선형으로 감긴 멤브레인 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멤브레인 모듈 및 그 응용에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 정삼투, 열 교환기, 및 증류 공정에 사용하기 위한 멤브레인 모듈의 생산에 관한 것이다.

Description

열 및 질량 전달을 위한 판 및 프레임 및 나선형으로 감긴 멤브레인 모듈{PLATE AND FRAME AND SPIRAL WOUND MEMBRANE MODULES FOR HEAT AND MASS TRANSFER}

본 발명은 일반적으로 멤브레인 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멤브레인 모듈의 제조와 배열 및 그 사용에 관한 것이다.

멤브레인-기반 유체 분리 시스템(예를 들어, 삼투 및 투과 증발)은 일반적으로 종래 기술에 알려져 있다. 일반적으로, 이 시스템은 서로 연직으로 형성된 다수의 컴포넌트를 포함하여 시스템의 복잡성 및 전체 사이즈를 증가시킬 수 있다. 추가적으로, 여러 컴포넌트를 서로 연직으로 형성하는 것으로 인해 여전히 많은 컴포넌트(예를 들어, 밸브, 연결구 등)들이 필요하고 이런 시스템에 추가적인 단점(예를 들어, 추가적인 컴포넌트 비용 및 연직 누수)이 초래된다.

더욱이, 이런 종래의 시스템은 단일 응용(예를 들어, 단일 패스 또는 유형의 공정)을 위해 배열되는 경향이 있다. 그래서 다수의 공정이 수행되어야 하거나 및/또는 단일 유형의 공정의 추가적인 스테이지가 요구되어야 하는 경우에, 추가적인 구성 부품 및 연직이 요구되어, 다시 시스템에 복잡성과 사이즈가 추가되게 된다. 구체적으로, 다수의 모듈은 직렬로 및/또는 병렬로 특정 응용에 맞게 연직으로 형성되어야 하며, 일단 생산되면, 예를 들어, 시스템의 요구조건을 변경하거나 결함을 수리하기 위해 변경하는 것이 용이하지 않다.

따라서, 다수의 멤브레인-기반 공정을 단일 모듈로 통합하여 시스템의 연직성 및 전체 사이즈를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 여러 멤브레인 모듈은 여러 멤브레인-기반 시스템을 단일의 간략화된 모듈로 제조 및 배열하여 용이하게 조립되고 연직을 최소화하며 전체 바닥 면적을 더 작게 할 수 있다. 이런 멤브레인 모듈의 모듈화된 특성은 모듈의 유지 보수, 수리 및/또는 주문 제작을 용이하게 하는 멤브레인 및/또는 멤브레인 조립체의 상호 교체 가능성을 더 제공한다.

일 측면에서, 본 발명은 복수의 제1 멤브레인 판, 복수의 제2 멤브레인 판, 복수의 멤브레인 시트, 및 제1 및 제2 커버 판을 포함하는 멤브레인 모듈에 관한 것이다. 각 멤브레인 판은, 주변의 적어도 일부 주위에 배치되고 입구, 출구, 및 이들 사이에 흐름 경로를 한정하는 인터로킹 기구(interlocking mechanism), 및 내부에 형성된 개구를 한정하는 평평한 면(planar surface)을 포함한다. 적어도 하나의 멤브레인 시트는 상기 제1 및 제2 멤브레인 판 각각의 평평한 면 위에 배치되고 내부에 형성된 개구에 대응한다. 상기 복수의 제1 및 제2멤브레인 판은 인터로킹 기구를 통해 서로 고정되고 교번하는 패턴으로 배열된다. 상기 제1 커버 판은 조립된 멤브레인 판들 아래에 배치되고 해당 멤브레인 판들 중 적어도 하나에 고정되고, 상기 제2 커버 판은 조립된 멤브레인 판들 위에 배치되고 해당 멤브레인 판들 중 적어도 하나에 고정된다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 복수의 멤브레인 판, 복수의 멤브레인 시트 및 제1 및 제2 커버 판을 포함하는 멤브레인 모듈에 관한 것이다. 각 멤브레인 판은, 제1 단부, 제2 단부, 및 일반적으로 중심에 위치된 개구를 한정하는 실질적으로 평평한 면을 구비하는 세장형 바디(elongated body), 상기 실질적으로 평평한 면에 형성되고 상기 세장형 바디의 제1 단부에 근접하여 배치된 제1 입구, 상기 실질적으로 평평한 면에 형성되고 상기 세장형 바디의 제2 단부에 근접하여 배치된 제1 출구, 상기 실질적으로 평평한 면에 형성된 제2 입구, 상기 실질적으로 평평한 면에 형성된 제2 출구, 상기 세장형 바디의 제1 측면의 주변의 적어도 일부 주위에 배치되고 상기 제1 입구 및 상기 제1 출구 사이에 제1 흐름 경로를 한정하는 제1 인터로킹 기구, 및 상기 세장형 바디의 제2 측면의 주변의 적어도 일부 주위에 배치되고 상기 제2 입구 및 상기 제2 출구 사이에 제2 흐름 경로를 한정하는 제2 인터로킹 기구를 포함한다. 적어도 하나의 멤브레인 시트는 상기 멤브레인 판 각각 위에 배치되고 상기 평평한 면에 의해 한정된 개구에 대응한다. 상기 복수의 멤브레인 판은 상기 인터로킹 기구를 통해 서로 고정되고 교번하는 패턴으로 위상이 180도 어긋나게 배열되어, 교번하는 제1 입구와 제1 출구가 유체 연통하고, 교번하는 제2 입구와 제2 출구가 유체 연통하며, 상기 제1 및 제2 흐름 경로는 연속적으로 교번하도록 구성된다. 상기 제1 커버 판은 조립된 멤브레인 판 아래에 배치되고 상기 멤브레인 판들 중 적어도 하나에 고정되고, 상기 제2 커버 판은 조립된 멤브레인 판들 위에 배치되고 해당 멤브레인 판들 중 적어도 하나에 고정된다. 일 실시예에서, 상기 제2 입구는 상기 세장형 바디의 제1 단부에 근접하여 배치되고 상기 제2 출구는 상기 세장형 바디의 제2 단부에 근접하여 배치된다. 또 다른 실시예에서, 상기 제2 입구는 상기 세장형 바디의 제2 단부에 근접하여 배치되고 상기 제2 출구는 상기 세장형 바디의 제1 단부에 근접하여 배치된다.

상기 전술된 측면의 여러 실시예에서, 상기 멤브레인 모듈은 적어도 2개의 공정 스트림을 제1 및 제2 입구를 통해 멤브레인 모듈 안으로 지향시키거나 출구를 통해 멤브레인 모듈로부터 밖으로 지향시키도록 조립된 멤브레인 판에 고정된 적어도 하나의 매니폴드 조립체(manifold assembly)를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 매니폴드 조립체는 상기 커버 판들 중 적어도 하나에 배치되고 상기 멤브레인 판의 제1 및 제2 입구와 유체 연통하는 제1 매니폴드 조립체 및 상기 커버 판들 중 적어도 하나 위에 배치되고 상기 멤브레인 판의 제1 및 제2 출구와 유체 연통하는 제2 매니폴드 조립체를 포함한다. 상기 멤브레인 모듈은 다수의 공정 스트림을 수용하는 추가적인 입구 및 출구를 포함할 수 있고 임의의 개수의 매니폴드 조립체가 이를 수용하기 위해 사용될 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 멤브레인 모듈 조립체는 제1 및 제2 입구 및 제1 및 제2 출구를 구비하는 하우징을 포함할 수 있고, 상기 멤브레인 모듈은, 하우징의 제1 입구 및 제1 출구가 제1 멤브레인 판 입구 및 제1 멤브레인 판 출구와 유체 연통하고 상기 하우징의 제2 입구 및 제2 출구가 제2 멤브레인 판 입구 및 제2 멤브레인 판 출구와 유체 연통하도록 하우징 내에 배치된다. 하나 이상의 실시예에서, 상기 하우징은 유연하거나 팽창가능한 물질로 만들어질 수 있다. 유연한 하우징은 멤브레인 모듈이 침수(submerged)되고 유체가 모듈을 통해 "버블(bubbled)"될 수 있는 응용에 바람직할 수 있다. 상기 멤브레인 모듈은 또한 복수의 메쉬 시트(mesh sheet)를 포함할 수 있고, 여기서 적어도 하나의 메쉬 시트는 인접한 멤브레인 판, 예를 들어, 제1 및 제2 멤브레인 판의 쌍 사이에 배치된다. 제1 및 제2 커버 판은 기계적인 패스너를 통해 서로 고정되어, 제1 및 제2 멤브레인 판의 조립체를 클램핑(clamping)할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제1 및 제2 멤브레인 판은 상부면 및 바닥면을 포함하고 인터로킹 기구는 각 멤브레인 판의 상부면 및 바닥면 위에 배치된다.

추가적인 실시예에서, 상기 복수의 멤브레인 판 각각은 폴리머 물질을 포함할 수 있다. 상기 복수의 멤브레인 시트는 정삼투 멤브레인, 열 교환기 멤브레인, 접촉 멤브레인, 증발기 멤브레인, 응축기 멤브레인, 및 흡수기 멤브레인 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 정삼투 멤브레인 각각은 공급 측면(feed side) 및 침투 측면(permeate side)을 포함하고, 임의의 2개의 인접한 멤브레인 판에 대해, 상기 침투 측면들이 서로를 향하거나 상기 공급 측면들이 서로를 향하도록 상기 멤브레인 판 위에 배향된다. 또 다른 실시예에서, 복수의 열 교환기 멤브레인은 상기 복수의 제1 멤브레인 판 위에 배치되고 복수의 접촉 멤브레인은 상기 복수의 제2 멤브레인 판 위에 배치된다. 대안적으로, 복수의 열 교환기 멤브레인과 복수의 접촉 멤브레인은 교번하는 방식으로 멤브레인 판 위에 배치될 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 복수의 제1 및 제2 멤브레인 판, 복수의 열 교환기 멤브레인, 및 복수의 접촉 멤브레인을 포함하는 멤브레인 모듈에 관한 것이다. 멤브레인 판 각각은 입구, 출구 및 평평한 면에 형성된 개구를 구비한다. 적어도 하나의 열 교환기 멤브레인은 제1 멤브레인 판 각각에 고정되고, 평평한 면에 형성된 개구를 커버하도록 배향된다. 적어도 하나의 접촉 멤브레인은 제2 멤브레인 판 각각에 고정되고, 평평한 면에 형성된 개구를 커버하도록 배향된다. 상기 제1 및 제2 멤브레인 판은 교번하는 방식으로 조립되지만; 다른 배열도 고려될 수 있고 본 발명의 범위 내에 있다.

여러 실시예에서, 상기 제1 멤브레인 판 입구들은 유체 연통되고, 상기 제1 멤브레인 판 출구들은 유체 연통되며, 상기 제2 멤브레인 판 입구들은 유체 연통되고, 및/또는 상기 제2 멤브레인 판 출구들은 유체 연통된다. 일부 실시예에서, 상기 제1 및 제2 멤브레인 판은 동일하고, 각 입구 및 출구 사이에 길이방향으로 비대칭적인 흐름 경로를 한정한다. 여러 실시예에서, 상기 모듈은 멤브레인 판의 입구와 출구와 인터페이싱하는 포트를 구비하는 하우징 내에 배치된다. 다른 실시예에서, 상기 모듈은 추가적인 공정 스트림을 수용하는 추가적인 멤브레인 판 및 멤브레인 유형을 포함할 수 있다. 상기 모듈은 또한 상기 모듈 내에 상이한 흐름 경로를 생성하기 위해 단열 물질 또는 블랭크 멤브레인 판을 구비하는 멤브레인 판을 포함할 수 있다. 이 추가적인 멤브레인 및/또는 멤브레인 판은 상기 모듈 내에서 일어나는 여러 공정을 지원할 수 있는 물질을 포함하거나 이 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 매우 전도성인 금속으로 만들어진 판은 시스템에서 발생하는 열을 밖으로 전달하는데 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 멤브레인 및/또는 멤브레인 판은 인출 용질(draw solute)의 흡수를 가속시키는, 화학 반응을 지원하는 촉매로 코팅될 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 멤브레인 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 입구 및 출구 및 멤브레인 판의 평평한 면에 형성된 개구로 종료하는 비대칭적인 흐름 경로를 한정하는 제1 멤브레인 판을 제공하는 단계, 제1 멤브레인 시트를 상기 평평한 면 위에 및 내부에 형성된 개구 상에 고정하는 단계, 입구 및 출구 및 멤브레인 판의 평평한 면에 형성된 개구로 종료하는 비대칭적인 흐름 경로를 한정하는 제2 멤브레인 판을 제공하는 단계, 제2 멤브레인 시트를 제2 멤브레인 판의 평평한 면 위에 및 내부에 형성된 개구 상에 고정하는 단계, 및 제2 멤브레인 판을 제1 멤브레인 판에 부착하는 단계를 포함하며, 상기 제1 및 제2 멤브레인 판의 비대칭적인 흐름 경로는 위상이 180도 어긋나게 배치된다. 본 방법은 설정된 개수의 판(즉, 층)을 구비하는 멤브레인 모듈을 생산하는데 필요한 만큼 많이 전술된 단계를 반복하는 단계를 포함한다. 특정 개수의 층이 특정 응용에 맞게 그리고 원하는 결과를 달성하게, 예를 들어, 정삼투 멤브레인 모듈을 통해 하루에 용매 X 갤런(gallon)이 통과하게 선택될 수 있다. 여러 실시예에서, 제1 및 제2 멤브레인 시트는 예를 들어, 정삼투 멤브레인, 열 교환기 멤브레인, 및 접촉 멤브레인을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 제3 멤브레인 판을 제공하는 단계, 제3 멤브레인 시트를 제3 멤브레인 판에 고정하는 단계 및 제3 멤브레인 판을 제1 또는 제2 멤브레인 판에 부착하여 추가적인 공정 스트림을 수용하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 상부 및 바닥 커버 판을 조립된 멤브레인 판에 부착하거나 또는 멤브레인 모듈을 하우징 내에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 중심 튜브, 멤브레인 조립체, 및 단부 튜브를 포함하는 나선형으로 감긴 멤브레인 모듈에 관한 것이다. 중심 튜브는 입구 및 내부 루멘(lumen)을 한정하는 세장형 바디를 구비한다. 멤브레인 조립체는 내부면 및 외부면을 한정하고, 내부면은 중심 튜브의 내부 루멘과 유체 연통한다. 단부 튜브는 출구 및 내부 루멘을 한정하는 세장형 바디를 구비하고, 여기서 단부 튜브의 내부 루멘은 멤브레인 조립체의 내부면과 유체 연통한다. 모듈은 또한, 입구 및 출구를 구비하고 중심 튜브, 멤브레인 조립체, 및 단부 튜브를 수용하는 챔버를 한정하는 하우징을 포함할 수 있다. 하우징 챔버는 멤브레인 조립체의 외부면과 유체 연통하고 중심 튜브 입구 및 단부 튜브 출구로부터 유체 분리된다.

이들 및 다른 목적은, 본 명세서에 개시된 본 발명의 장점 및 특징과 함께, 이하 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 보다 명백해질 것이다. 더욱이, 본 명세서에 설명된 여러 실시예의 특징은 상호 배타적인 것이 아니며 여러 조합과 치환으로 존재할 수 있는 것으로 이해된다.

도면에서, 동일한 참조 부호는 일반적으로 상이한 도면에 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다. 또한, 도면은 반드시 축척에 맞는 것은 아니며 일반적으로 본 발명의 원리를 도시할 때는 강조되고 본 발명을 제한하는 한정으로 의도된 것이 아니다. 명료함을 위해, 모든 도면에 모든 컴포넌트들이 표시된 것은 아닐 수 있다. 이하 상세한 설명에서, 본 발명의 여러 실시예는 첨부 도면을 참조하여 설명된다:
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 멤브레인 모듈 조립체의 사시도;
도 2a 및 도 2b는 도 1의 멤브레인 모듈의 부분 단면 단부도 및 측면도;
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 멤브레인 모듈에 사용하기 위한 멤브레인 판의 여러 구성의 평면도;
도 3d 는 도 1의 멤브레인 모듈에 사용하기 위한 멤브레인 판의 대안적인 구성의 사시도;
도 3e는 도 3a 및 도 3d의 판의 개략 평면도;
도 3f는 도 1의 멤브레인 모듈을 조립하는 대안적인 방식의 사시도;
도 4a 내지 도 4m은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 멤브레인 모듈의 특정 측면의 여러 조립 상세도;
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 멤브레인 모듈의 동작 개략도;
도 6a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 대안적인 멤브레인 모듈의 사시도;
도 6b는 도 6a의 멤브레인 모듈의 대안적인 실시예의 부분 분해 사시도;
도 6c는 도 6a의 멤브레인 모듈의 대안적인 실시예의 분해 사시도;
도 7a는 도 6a 및 도 6b의 멤브레인 모듈에 사용하기 위한 멤브레인 판의 일 실시예의 평면도;
도 7b는 2개의 인접한, 교번하는 멤브레인 판의 배향 평면도;
도 7c는 도 7a의 멤브레인 판의 일부 확대도;
도 8 내지 도 10은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 멤브레인 모듈의 대안적인 구성 및 동작 개략도;
도 11a는 본 명세서에 개시된 멤브레인 모듈 중 하나로 수행될 수 있는 증기 흡수 사이클의 개략도;
도 11b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 멤브레인 증기 흡수 사이클 모듈의 개략도;
도 12a는 풀린 구성에 있는 종래 기술의 나선형으로 감긴 멤브레인 모듈의 평면도;
도 12b 내지 도 12e는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 나선형으로 감긴 멤브레인 모듈의 여러 도면;
도 13a 내지 도 13c는 대안적인 멤브레인 모듈 조립체의 여러 도면.

도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 멤브레인 모듈(10)의 사시도를 도시한다. 모듈(10)은 판 및 프레임 유형의 배열을 구비하며, 하우징(16) 및 내부에 배치된 복수의 멤브레인 판(12, 14)을 포함한다. 다수의 스트림을 모듈을 통해 흐르도록 임의의 주어진 모듈에 포함된 2개 이상의 상이한 멤브레인 판 구성이 있을 수 있는 것으로 이해된다; 그러나, 멤브레인 판은 또한 모듈의 사용에 따라 상이한 기능을 수행하도록 유형이 상이할 수 있다. 예를 들어, 모듈은 삼투 멤브레인, 증기 접촉 멤브레인, 및 열 교환기 멤브레인의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하우징(16)은 중심 바디(15) 및 바디(15)의 각 단부에 배치된 격벽(bulkhead)(17)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(16)은 실질적으로 직사각형 형상을 구비한다; 그러나, 다른 형상, 예를 들어, 일반적인 압력 용기(vessel)와 유사한 돔형 격벽을 갖는 원통형도 고려될 수 있고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 바디(15) 및 격벽(17)은 임의의 알려진 기계적 수단, 예를 들어, 용접된, 나사산 형성된, 또는 플랜지 형성된 연결부를 통해 조립될 수 있다. 나사산 형성된 연결부의 경우에, 격벽(17)은 멤브레인 스택에 유지 보수를 수행하거나 (예를 들어, 각 멤브레인 판을 교체하거나) 또는 예를 들어, 대안적인 포팅(porting) 배열을 갖는 대안적인 격벽으로 교체하기 위해 바디(15)로부터 제거될 수 있다.

멤브레인 판(12, 14)은 후술되는 바와 같이 상보적인 형상 및 흐름 경로를 포함하고, 상이한 공정 스트림을 미리 결정된 흐름 경로를 따라 보내도록 교번하는 방식으로 배열된다. 격벽(17) 및 바디(15)는 여러 흐름을 위한 입구 및 출구를 제공하는 복수의 포트(22, 23)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 모듈(10)은 제1 공정 스트림을 위한 입구(22a) 및 출구(22b) 및 제2 공정 스트림을 위한 입구(23a) 및 출구(23b)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 입구(22a, 23a) 및 출구(22b, 23b)는 모듈(10)의 동일한 일반적인 단부에 위치되어, 공정 스트림이 동일한 방향으로 흐를 수 있으나; 양 스트림을 위한 입구/출구의 위치가 역전되어 2개의 스트림 사이에 역 흐름을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 바디(15) 및/또는 격벽(17)은 추가적인 공정 스트림을 수용하거나 유지 보수(예를 들어, 공기 또는 클리닝 용액(cleaning solution)을 도입하는)를 위해 추가적인 포트를 포함할 수 있다. 포트는, 예를 들어, 나사산 형성된, 플랜지 형성된, 또는 신속 분리 연결구(quick disconnect fitting)로 끼워맞춰질 수 있다. 멤브레인 판(12, 14) 및 포트(22, 23)의 배열의 일례는 도 2a 및 도 2b에 도시된다.

도 2a는 하나의 격벽(17)의 일부분을 제거하여 멤브레인 판 배열을 보여주는 도 1의 멤브레인 모듈(10)의 단부도를 도시한다. 도 2b는 멤브레인 모듈(10)의 여러 측단면도를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 모듈(10)은 하우징 내에, 직접 또는 단부 판(24, 26)을 통해 고정된 교번하는 멤브레인 판(12, 14)을 포함한다. 도시된 멤브레인 모듈(10)은 하우징(16) 및/또는 그 주변 주위 격벽(17)에 밀봉된 2개의 내부 단부 판(26) 및 2개의 외부 단부 판(24)을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 내부 단부 판(26)은 하우징(16)의 바디(15)의 단부 개구(19)에 밀봉될 수 있고 여러 멤브레인 판(12, 14)이 통과하는 개구를 포함한다. 멤브레인 판은 (예를 들어, 용접 또는 다른 기계적인 수단을 통해 밀봉되어 기체 또는 액체(예를 들어, 수성 또는 비수성 용액)가 하우징 바디(15) 및/또는 격벽(17) 내 포트와 멤브레인 판 포팅에 의해 결정된 특정 멤브레인 판들 사이에서만 흐를 수 있게 한다. 하나 이상의 실시예에서, 외부 단부 판(24)은 격벽(17) 내에 배치되고 내부 주변이 밀봉될 수 있다. 외부 단부 판(24)은 또한 멤브레인 판이 통과하는 개구를 포함할 수 있다. 멤브레인 판은 또한 격벽(17) 내 포팅 및 멤브레인 판 포팅에 기초한 특정 멤브레인 판들 사이에서 액체 또는 기체가 흐르도록 외부 단부 판(24)과 밀봉되게 맞물린다. 대안적인 실시예에서, 추가적인 단부 판은 멤브레인 모듈(10)을 통해 2개를 초과하는 상이한 흐름을 보내도록 추가적인 포트와 함께 사용될 수 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 입구(22a)는 제1 멤브레인 판(12)(도 3a 참조)의 개구(34)와 유체 연통하며 스트림을 연관된 멤브레인으로 도입한다. 스트림은 연관된 판의 멤브레인 면을 가로질러 흐르지만, 폐쇄된 단부를 형성하는 단부 리브(rib)(133)에 의해 다른 멤브레인 판(예를 들어, 교번하는 멤브레인 판(14))으로부터 차단될 수 있다. 스트림(또는 그 일부분)은 출구(22b)를 통해 모듈을 빠져나갈 수 있다. 대안적인 실시예에서, 모듈(10)은 예를 들어, 격벽(17)의 단부 면 위에 배치된 복수의 입구(22a')를 포함할 수 있다. 다수의 입구(22a')는 각 입구(22a')를 특정 멤브레인 판 또는 멤브레인 판들의 일부(subset)와 연관시키는 예를 들어, 배플(baffling) 또는 다른 구조물(39)과 함께 사용될 수 있다. 이런 대안적인 배열은 멤브레인 모듈(10)이 특정 소스의 다수의 입구 스트림을 수용하는데, 예를 들어, 후술되는 바와 같이 용매가 풍부한 용액이 상이한 압력 및/또는 온도에서 다수의 스트림을 통해 멤브레인 모듈(10)로 도입된다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 공정 스트림(48)은 입구 포트(22a)를 통해 모듈(10)에 들어가서 격벽(17)에 의해 한정된 공간을 채우고 도시되지는 않았으나 화살표(41)로 표시된 개구(34)를 통해 멤브레인 판(12)을 가로질러 흐른다. 단부 판(24)은 모듈 내 멤브레인 판 배열과 밀봉되게 맞물리고, 제1 공정 스트림이 멤브레인 판 개구(34) 주위로 이동(migrating)하는 것을 방지한다. 단부 판(26)은 모듈(10) 내 멤브레인 판을 유사하게 밀봉하고 제2 공정 스트림(50)이 멤브레인 판 개구(134) 주위로 이동하는 것을 방지한다. 단부 판(24, 26)은 또한 멤브레인 판에 지지를 제공할 수 있다. 3개 이상의 유형의 멤브레인 판이 있는 경우에, 추가적인 단부 판은 추가적인 스트림을 그 대응하는 개구/포트로 보내도록 제공될 수 있다. 제2 공정 스트림(50)은 입구 포트(23a)를 통해 모듈(10)에 들어가서 단부 판(24 및 26)에 의해 한정된 공간을 채운다. 제2 스트림(50)은 개구(134)를 통해 멤브레인 판(14)을 따라 보내진다.

도 2b의 하부 부분은 다수의 입구(22a', 23a') 및 출구(22b', 23b')(미도시)가 사용된 대안적인 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 다수의 제1 스트림(48', 48")은 입구(22a')를 통해 모듈(10)에 도입된다. 각 스트림(48', 48")은 격벽에 의해 한정된 공간을 적절히 분할하는 배플 또는 유사한 구조물(39)을 통해 멤브레인 판들의 일부로 보내진다. 단 하나의 대안적인 입구(23a')는 도 2b에 도시되어 있지 않지만; 제1 스트림(48')의 입구와 동일한 개수의 제2 스트림(50')의 입구(23a')가 있을 수 있다. 특정 개수 및 배열의 대안적인 포트(22', 23')는 특정 응용을 맞추도록 변할 수 있다. 대안적인 입구(23a')는, 다수의 스트림(50')을, 배플 또는 다른 구조물로 적절히 더 분할될 수 있는 단부 판(24, 26)에 의해 한정된 공간으로 도입된다. 일부 실시예에서, 요구되는 구조물이 상호 연결될 때 형성되거나 별개로 멤브레인 판으로 형성될 수 있으므로 배플 또는 단부 판은 전혀 필요치 않다.

모듈이 멤브레인 판에 대해 기본적으로 설명되어 있지만, 이런 구조물은 또한 중공 섬유 멤브레인 번들(bundle)에도 적용될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 모듈은 상이한 기능을 수행하는 중공 섬유 멤브레인(hollow fiber membrane)의 2개 이상의 번들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 여러 번들은 번들의 단부들이 수용된(potted) 하우징 내에 스태거(staggered)되거나 스테이지(staged)될 수 있고 및/또는 여러 입구 및 출구에 대응하는 배플/단부 판에 의해 한정된 여러 공간에 대응하는 매니폴드를 포함할 수 있다. 이들 매니폴드는 또한 특정 응용에 맞게 번들 사이에 흐름을 제공하도록 필요에 따라 흐름 경로를 제공할 수 있다. 이런 배열은 상이한 중공 섬유 번들(예를 들어, 정삼투, 열 교환기, 및 접촉 멤브레인)이 단일 모듈에 포함될 수 있게 하며, 여기서 번들은 여러 공정 스트림에서 연속적인 동작을 수행하도록 스테이지된다.

도 3a 내지 도 3c는 3개의 상이한 멤브레인 판 구성을 도시한다. 단 3개의 구성이 구체적으로 기술되어 있지만, 추가적인 구성은 설명된 3개의 구성으로부터 유도될 수 있고 본 발명의 범위 내에 있다. 도 3a에 대해, 개방 단부 구성을 가지는 멤브레인 판(12)이 도시되고 설명된다. 판(12)은 일반적으로 평면(평평한) 직사각형 형상이지만; 다른 형상도 고려될 수 있고 본 발명의 범위 내에 있다. 도시된 바와 같이, 판(12)은 일반적으로 평평한 면 또는 바디(28) 및 판의 길이방향 측의 길이를 연장하는 2개의 리브(30)(즉, 인터로킹 기구)를 포함한다. 리브(30)는 판(12)의 단부들에 배치된 제1 및 제2 개구(34)를 한정한다. 이들 개구(34)는 전술된 바와 같이 하우징(16) 내 포트에 대응하거나 다른 포팅 구조물(예를 들어, 매니폴드, 격벽)과 인터페이싱할 수 있다. 리브(30)는 상보적인 멤브레인 판을 스택하고 상보적인 멤브레인 판과 인터로킹하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 리브(30)는 판들 사이에 인터로킹을 제공하는 상보적인 형상을 구비한다. 다른 실시예에서, 하나의 판의 리브(30)는 접착제, 용접, 또는 다른 기계적인 수단을 통해 또 다른 판의 리브에 고정될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 리브(30)의 상부면은 오목한 형상을 구비하거나 리브(30)의 바닥면과 상보적인 리세스(recess)를 한정하여, 하나의 멤브레인 판의 리브의 바닥면이 또 다른 멤브레인 판의 리브(30)의 상부면에 스냅 맞춤(snap fit)될 수 있다. 일 실시예에서, 리브(30)의 상부면은 조립될 때 멤브레인 판들 사이에 액체 밀폐된 밀봉재를 제공하도록 내부에 배치된 접착제를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 내지 도 4h 참조.

면(28)은 개구(32)를 한정한다. 도시된 실시예에서, 리브(30)는 임의의 공정 스팀(steam)을 판(12)의 길이를 따라 하나의 개방 단부(34)로부터 대향하는 개방 단부(34')로 개구(32)를 가로질러 흐르게 한다. 도시된 바와 같이, 개구(32)는 일반적으로 직사각형 형상이고 면(28)의 중심에 배치되고 면(28)의 상당한 부분을 연장하여 멤브레인 면을 최대한 노출시킨다. 그러나, 개구(32)의 전체 사이즈, 형상, 및 위치는 특정 응용에 맞게 변할 수 있다. 게다가, 면(28)은 다수의 개구(32)를 한정할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 면(28)은 이 면(28)에 균등하게 이격된 2개의 개구를 포함하며, 리브 및 개구 배열이 이에 대응한다. 일 실시예에서, 개구는 메쉬 시트(36) 및 반-투과성(semi-permeable) 멤브레인 시트(35)로 커버되거나 충전(filled)된다. 대안적인 실시예에서, 개구는 모듈(10) 내 판의 의도된 기능에 따라 메쉬 시트(36) 또는 멤브레인 시트(35)로 커버된다. 메쉬 시트(36)는 멤브레인 시트(35)들 사이의 간격을 유지하고 멤브레인 판과 멤브레인 시트 사이에 액체 또는 기체의 흐름을 지원하는 스페이서로 작용할 수 있다. 메쉬 시트(36)는 또한 멤브레인 판들 사이를 통과하는 임의의 액체에 통기(aeration)를 제공할 수 있다.

일 실시예에서, 멤브레인 시트(35)는 공급 측면 및 침투 측면을 포함하는 정삼투 멤브레인이다. 멤브레인 판이 생산될 때, 각 판 위에서 멤브레인 시트(35)의 배향은 교번할 수 있고, 멤브레인 모듈(10)이 조립될 때, 멤브레인 시트(35)의 공급 측면과 침투 측면이 교번하는 방식으로 서로를 향하게 할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 메쉬 시트는 개구(32) 내에 배치되거나 멤브레인 판으로 형성될 수 있고, 예를 들어, 격자 구조가 몰딩(molding) 공정 동안 개구 내에 형성된다.

대안적으로, 개구(32)는 불투과성 물질로 커버되어 임의의 물질이 통과되는 것을 차단하여 (또는 개구(32) 없는 멤브레인 판이 사용될 수 있다), 모듈의 비활성 층을 생산할 수 있다. 일 실시예에서, 이 물질은, 예를 들어, 본 명세서에서 후술되는 바와 같이 다중 스테이지 공정에 사용되는 모듈의 일 실시예에서 멤브레인 판들 사이에 열 전달을 최소화하는 단열재일 수 있다.

면(28)은 판이 모듈(10)에 조립될 때 판들 사이의 간격을 유지하는 스페이서(40)로 작용하는 하나 이상의 너브(nub) 또는 다른 기하학적 구조를 구비하는 영역, 예를 들어, 단부 구역(38)을 더 포함할 수 있다. 스페이서(40)는 또한 판에 구조적 지지를 제공하여, 예를 들어, 강성을 추가하고 및/또는 인접한 판의 중량을 지지할 수 있다.

도 3b는 판(14)이 폐쇄된 단부 구성을 가지는 대안적인 멤브레인 판(14)을 도시한다. 판(14)의 기본 구성은, 판(14)이 평평한 직사각형 면(128), 리브(130)(즉, 인터로킹 기구), 개구(132), 멤브레인 시트(135), 메쉬 시트(136), 및 스페이서(140)를 구비하는 한, 도 3a에 대하여 설명된 것과 실질적으로 동일하다. 제2 판(14)의 형상과 구성은 제1 판(12)과 상보적이다. 그러나, 제2 판(14)은 대향하는 단부 및 각 길이방향 측의 상당한 부분을 따라 배치된 리브(133, 130)를 구비한다. 리브(130)는 길이방향 측의 전체 길이를 연장하지 않아서, 리브(130) 및 리브(133) 사이에 형성되고 판(14)의 인접한 단부 구역(138)에 인접하여 배치된 측방향 개구(134)를 생성한다. 이런 측방향 개구는 또한 공정 스트림이 판(14)을 가로질러 흐르도록 하우징(16)(또는 다른 포팅 구조물) 위 포트에 대응할 수 있다.

도 3c는 판(13)이 개방 측 구성을 구비하는 다른 대안적인 멤브레인 판(13)을 도시한다. 판(13)의 기본 구성은, 판(13)이 평평한 직사각형 면(228), 리브(230, 233)(즉, 인터로킹 기구), 개구(232), 멤브레인 시트(235), 메쉬 시트(236), 및 스페이서(240)를 구비하는 한, 도 3a 및 도 3b에 대하여 설명된 것과 실질적으로 동일하다. 제3 판(13)의 형상 및 구성은 이 판이 조립되는 제1 및 제2 판(12, 14), 또는 임의의 다른 판과 상보적이다. 본 발명에 따른 모든 멤브레인 모듈이 3개의 상이한 판 구성을 포함하는 것은 아니며 특정 응용에 맞게 필요한 임의의 개수와 구성을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 이 모듈식은 거의 임의의 응용에 맞게 표준화된 부분으로부터 멤브레인 모듈을 생산할 수 있는 넓은 유연성을 제공한다. 제3 판(13)은 대향하는 단부 및 각 길이방향 측의 부분을 따라 배치된 리브(233, 230)(인터로킹 기구)를 구비한다. 리브(230)는 길이방향 측의 전체 길이를 연장하지 않고, 판(13)의 단부 구역(238)에 대응하는 길이방향 측의 일부를 커버하여, 대략 중심에 위치된 측방향 개구(234)를 생성한다. 전술된 바와 같이, 개구(234)는 하우징(16) 내 포트에 대응한다. 추가적인 판 구성이 가능하고, 임의의 특정 판의 주변을 따라 리브의 위치와 크기에 부분적으로 의존하여 하우징(16) 내 포트(또는 다른 포팅 구조물)의 위치로 조절될 수 있는 개구를 형성한다.

도 3d는 도 3b에 도시된 멤브레인 판(14)의 대안적인 구성을 도시하지만; 대안적인 특징의 일부나 전부는 본 명세서에 설명된 멤브레인 판 중 어느 것에 포함될 수 있다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 멤브레인 판(14')은 멤브레인 판(14)과 실질적으로 유사하지만, 개구(134')는 판(14')의 하나의 공통 길이방향 측으로 제한된다. 게다가, 판(14')은 세장형 구성을 구비하는 스페이서(140')를 포함한다.

도 3e는 2개의 멤브레인 판(12, 14') 사이의 상호 관계를 도시하며, 여기서 판(12)은 "A" 구성을 구비하고, 판(14')은 "B" 구성을 구비하고, 모듈은 교번하는 A 및 B 구성, 예를 들어, A, B, A, B 등으로 형성된다. 상대적인 스트림은 화살표(11)로 도시된다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 모듈(10)은 동일한 방식으로 조립된 임의의 개수와 유형의 멤브레인 판을 포함할 수 있다. 대안적으로, 판은 예를 들어, A, A, B, A, A, B 등 또는 A, B, C, A, B, C 등과 같은 여러 배열로 조립될 수 있고, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 제조된 멤브레인 모듈의 또 다른 장점이다.

도 3f는 별개의 하우징이 요구되지 않는 멤브레인 모듈(10')을 조립하는 대안적인 방식을 도시한다. 이런 배열은 일반적으로 밀봉을 위해 각 멤브레인 판(12, 14) 및 블랭크 상부판과 바닥 판(미도시)의 상호 연결에 의존할 때 낮은 압력 응용에 더 잘 맞는다. 대안적으로 또는 추가적으로, 모듈 조립체는 도 6a에 대하여 보다 상세히 설명된 바와 같이 상부판과 바닥 판을 사용하여 함께 클램핑될 수 있다. 도 3f에 도시된 바와 같이, 포팅 판(124, 126) 및 밀봉 링(123, 125)(즉, 매니폴드 조립체(127))은 정렬된 개구(34, 34', 134, 134')로 이루어진 판(12, 14)의 개방 영역 주위에 조립된 멤브레인 판에 부착된다. 판(124, 126) 및 밀봉 링(123, 125)은 접착제 및/또는 다른 기계적인 수단을 통해 모듈(10')에 고정될 수 있다. 이런 배열의 하나의 가능한 이익은 멤브레인 판 개구(34, 34', 134, 134')에 액세스를 제공하여, 예를 들어, 멤브레인 파열시에 각 개구가 차단될 수 있다는 것이다. 추가적으로, 이런 배열은 또한 모듈(10')의 다른 유지 보수를 가능하게 한다.

모듈의 여러 컴포넌트는 예를 들어, 폴리머, 폴리머 블렌드(blend), 및 코폴리머(co-polymer)의 블록을 포함하는 여러 물질로 제조될 수 있고 예를 들어, 몰딩, 압출, 스탬핑, 또는 다른 알려진 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 여러 멤브레인 시트는 미국 특허 공개 번호 2007/0163951, 2011/0036774, 2011/0073540; 및 2012/0073795에 개시된 바와 같은 임의의 적절한 물질로 제조될 수 있고; 이들 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된다. 메쉬 시트는 임의의 적절한 폴리머 물질로 제조될 수 있다. 사용되는 특정 물질은 특정 응용에 맞게 선택될 수 있고 여러 공정 조건, 예를 들어, 높은 온도에 견딜 수 있고 유체 양립성(compatibility)이 있어야 한다.

멤브레인 모듈 및 멤브레인 판의 전체적인 사이즈 및 개수는 특정 총 멤브레인 표면적을 제공하는데 초점이 있는 특정 응용에 맞게 선택될 수 있다. 게다가, 멤브레인 파라미터는 또한 특정 플럭스 율(flux rate)을 획득하는데 초점이 있는 특정 응용에 맞게 선택될 수 있고, 여기서 플럭스(J_w) = A(Δπ -ΔP), A = 비투과율(specific permeability)(m/s/atm); Δπ = 멤브레인 선택층의 면에서 삼투 압력 차이, 및 ΔP= 멤브레인 양단의 압력이다. 플럭스 율은 또한 인출 용액 및 공급 용액(feed solution)의 흐름 율에 의해 영향을 받는데, 이는 체류 시간(residence time)을 최대화하지만, 농도 분극(concentration polarization: CP)을 최소화하도록 선택될 수 있다. 일 예에서, 약 1'× 3'(3 ft²)의 활성 멤브레인 영역을 각각 구비하는 50개의 멤브레인 판을 구비하는 모듈은 대략 150 ft²의 총 유효 멤브레인 표면적을 초래할 수 있다. 예를 들어, 삼투압으로 구동되는 플럭스를 위해 설계된 박막 필름 복합 폴리아미드 멤브레인이 사용되는 경우, 하루에 대략 1500 갤런(gallon)의 플럭스가 10 GFD(gallons per ft² per day)의 평균 플럭스를 갖는 해수 담수 환경에서 사용되는 이런 유형의 모듈로부터 기대될 수 있을 것이다.

대안적으로, 다수의 더 작은 멤브레인 모듈이 직렬로 사용되거나 또는 다수의 스택이 단일 하우징에 조립되어 동일한 동작 파라미터를 달성할 수 있다. 예를 들어, 10개의 모듈에서 처음 5개의 모듈은 각각 300 ft²의 영역을 구비하며 직렬로 배열되고, 이후 5개의 모듈은 각각 150 ft²을 가지며 직렬로 후속하도록 배열될 수 있다. 이런 유형의 모듈 어레이는 하루에 대략 22,500 갤런(gallon)의 침투량을 생산하도록 기대될 수 있다.

도 4a 내지 도 4h는 멤브레인 판의 조립체를 위한 여러 에지(edge) 연결을 도시한다. 도 4a는 2개의 멤브레인 판(12, 14)의 일부의 확대 단면 사시도이고 여러 멤브레인 판을 상호 연결하는 하나의 가능한 모드를 도시한다. 도 4a에 도시되고 전술된 바와 같이, 리브(30)는 리브(30)의 바닥면(43)과 스냅 결합을 형성하도록 사이즈 정해지고 형성된 리세스(31)를 상부면에 포함할 수 있다. 리세스(31)는 접착 물질(37)(예를 들어, 글루 비드(bead))이 리세스(31)에 추가되어 조립될 때 판(12, 14)을 더 고정하도록 사이즈 정해질 수 있다. 도시된 실시예에서, 멤브레인 판은 사출 성형에 의하여 제조된다.

도 4b는 도 4a에 도시된 배열에 대안을 도시하며, 여기서 리브(30)는 이중 스냅 결합 및 접착제(37)를 수용하는 2개의 리세스(31)를 수용하도록 약간 더 크다. 리브(30)는 다수의 스냅 결합을 제공하는 다수의 상보적인 돌출부 및 리세스를 형성하고 코킹(caulking) 또는 다른 밀봉 물질을 수용하는 외부 홈(trough)(45)을 생성하도록 사이즈 정해지고 형성될 수 있다. 도 4c는 리브(30)가 접착제를 사용함이 없이 스냅 결합을 형성하는 유사한 배열을 도시한다. 대신, 리브는 사출 성형 공정 동안 실리콘 밀봉재(47)로 형성된다.

도 4d 내지 도 4f는 열 성형된 멤브레인 판에 사용될 수 있는 3개의 대안적인 연결 배열을 도시한다. 도 4d는 리브(30)가 멤브레인 판(12, 14)의 주변의 적어도 일부를 따라 본질적으로 V-형상으로 형성된 배열을 도시하지만; 다른 형상도 고려될 수 있고 본 발명의 범위 내에 있다. 멤브레인 판(12, 14)은 상보적인, 인터로킹 형상 및 접착제(37)를 통해 함께 유지된다. 도 4e는 도 4d의 배열과 실질적으로 유사하지만, 2개의 인터로킹 상보적인 리브(30) 및 연관된 접착제 라인(37)을 갖는 것을 도시한다. 도 4e는 각 멤브레인 판이 음파 용접(sonic welding)을 통해 연결된 2개의 별개의 판으로 형성된 카트리지 형태인 대안적인 배열을 도시한다. 카트리지는 상보적으로 형성된 리브(30) 및/또는 추가적인 음파 용접 사이에 접착제(37)를 통해 상호 연결된다.

도 4g는 멤브레인 판이 사출 성형을 통해 제조되고 음파 용접을 통해 상호 연결된 추가적인 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 리브(30)는 음파 혼(sonic horn)을 수용하도록 사이즈 정해진 공간 "X"을 한정하는 에지를 따라 갭(29)을 가지게 형성된다. 도 4h는 멤브레인 판(12, 14)의 상호 연결이 접착제(37)를 사용하고 스냅 결합을 통해 달성되지만; 멤브레인 판(12, 14), 및 특히 리브(30)는 예를 들어, 도시된 바와 같이, 조립된 레이저 절단 아크릴을 사용하여 제조된 도 4a의 변형을 도시한다.

도 4i 내지 도 4k는 멤브레인 시트(35, 135)를 멤브레인 판(12, 14)에 부착하는 것을 도시한다. 도4i에 도시된 바와 같이, 멤브레인 판(판은 12로 지시되지만, 부착 방법은 본 명세서에 도시된 멤브레인 판 구성 중 어느 것에 적용될 수 있다)은, 멤브레인 판(12)의 평평한 면(28)에 형성되고 내부에 형성된 개구(32)의 주변 주위에 연장하는 홈(70)을 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 홈은 멤브레인 시트(35)를 멤브레인 판(12)에 고정하는 접착제(37)를 수용하도록 설계된다. 이런 배열에서, 멤브레인 시트(35)는 평평한 면(28) 위에 놓인다. 여러 실시예에서, 평평한 면(28) 및/또는 홈(70)은 접착제 연결을 개선시키기 위해 텍스처 처리된 면(texturized surface)을 구비할 수 있다. 하나 이상의 유형과 배치의 접착제가 특정 응용에 맞게 사용될 수 있다.

도 4j는 평평한 면(28)이 그 주변 주위에 배치된 리세스(72)를 구비하고 홈(70)이 리세스(72)에 의해 한정된 영역 내에 형성된 대안적인 배열을 도시한다. 멤브레인 시트(35)는 하나 이상의 접착제(37)를 통해 멤브레인 판(12)에 유사하게 부착되지만, 리세스(72) 내에 동일 높이로 놓인다. 사출 성형된 멤브레인 판(12)의 경우에, 리세스(72)의 깊이는 가능한 최소 판 두께에 의존된다. 전술된 바와 같이, 멤브레인 판 및 전체적인 모듈의 사이즈는 특정 응용에 맞게 선택될 수 있다.

도 4k는 멤브레인(35)을 멤브레인 판(12)에 부착하는 또 다른 대안적인 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 멤브레인 판(12)은 전술된 리세스(72) 및 홈(70)을 포함하며, 또한 스냅 결합 및/또는 접착제를 통해 멤브레인 판(12)에 부착될 수 있는 삽입물(74)을 포함한다. 삽입물(74)은 멤브레인 시트(35)를 멤브레인 판(12)에 더 고정한다. 대안적인 실시예에서, 삽입물(74)은 판(12)에 음파 용접될 수 있다. 특정 실시예에서, 삽입물(74)은 멤브레인 판(12)의 평평한 면(28)과 동일 높이에 놓일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 삽입물(74)은 리브(30)와 동일 높이이다. 일반적으로, 멤브레인 시트는 멤브레인 판의 적어도 일부, 예를 들어, 리브(30) 및/또는 평평한 면(28)에 대해 약간 리세스될 수 있다.

도 4l 및 4m은 멤브레인 판(12, 14)들의 적어도 일부의 조립을 도시한다. 도 4l에 도시된 바와 같이, 각 멤브레인 판(12, 14)은 상부 평평한 면(28)에 부착된 단일 멤브레인(35)을 포함한다. 판(12, 14)은 서로 상하로 스택되고, 리브(30) 및 접착제(37) 사이에 예를 들어, 스냅 결합을 통해 고정된다. 멤브레인 시트(35)들 사이의 간격을 유지하고 판(12, 14) 사이에 흐르는 스트림에 교란을 제공하도록 지지를 제공할 수 있는 선택적인 메쉬 시트(36)는 판(12, 14) 내에 형성된 개구(32) 내에 배치된다. 메쉬 시트(36)는 접착제 또는 다른 알려진 기계적인 수단을 통해 판에 고정되거나, 이와 함께 형성될 수 있다. 추가적인 메쉬 시트(36)는 특정 응용에 맞게 필요에 따라 멤브레인 시트(35) 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 멤브레인(35)은 예를 들어, 멤브레인 시트(35) 사이에 공간을 제어하는 특정 응용에 맞게 특정 멤브레인 판의 상부면 또는 바닥면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 멤브레인 시트(35)는 2개의 인접한 멤브레인 판의 공급 측면이 이들 사이에 메쉬 시트를 배치하고 서로 가까이 배치되는 반면, 침투 측면은 서로 멀리 이격되어 있도록 배열된다.

도 4m은 각 멤브레인 판이 이에 부착된 2개의 멤브레인 시트(35)를 포함하여 멤브레인 카트리지를 형성하는 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 멤브레인 시트(35)는 전술된 방법 중 임의의 방법을 통해 멤브레인 판의 상부면과 바닥면 각각에 부착되고, 메쉬 시트(36)는 멤브레인 시트(35)들 사이에 배치되고 멤브레인 판(12, 14)에 고정될 수 있다. 이런 배열은 판을 더 쉽게 제조할 수 있게 하여 조립될 때 더 적은 접착제 조인트를 초래할 수 있는 더 두꺼운 멤브레인 판을 제공한다. 그러나, 멤브레인 판에서 개구는 멤브레인 시트(35)들 사이에 흐름 경로를 수용하도록 보다 복잡할 수 있다. 대안적으로, 멤브레인 판은 판이 기능적으로 서로 클램핑되도록 멤브레인 판 스택을 서로 볼트 결합하도록 구성된 프레임에 의해 둘러싸일 수 있다. 프레임 배열은 접착제 대신에 사용되거나 접착제와 함께 사용될 수 있다.

도 5는 2개의 상이한 멤브레인 판(12, 14)을 사용하여 특정 흐름 패턴을 생성하지만, 단일 유형의 멤브레인, 이 경우에 정삼투 멤브레인을 생성하는 기본 멤브레인 모듈(10)의 동작을 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, 멤브레인은 인접한 멤브레인의 침투 측면과 공급 측면이 서로를 향하는 방식으로 교번하는 멤브레인 판 위에 배향된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 공정 스트림(48), 이 경우에 공급 용액은 입구(22a)를 통해 멤브레인 모듈(10)에 도입된다. 제1 스트림(48)은 멤브레인 판(12)의 단부들에 배치된 개구(34)를 통해 교번하는 멤브레인 판들 사이에 생성된 공간에 들어간다(예를 들어, 도 2a, 도 2b, 및 도 3a 참조). 제2 스트림(50), 이 경우에, 인출 용액은, 입구(23a)를 통해 멤브레인 모듈(10)에 도입된다. 제2 스트림(50)은 멤브레인 판(14)의 단부들 부근에 배치된 개구(134)를 통해 교번하는 멤브레인 판들 사이에 생성된 공간으로 들어간다(예를 들어, 도 2a, 도 2b, 및 도 3b 참조). 용매는 멤브레인을 통해 공급 용액으로부터 인출 용액으로 전달된다(화살표(76)).

용매가 결핍된 공급 용액은 제3 스트림(52)으로 출구(22b)를 통해 멤브레인 모듈(10)에서 빠져나간다. 제3 스트림(52)은 추가적인 멤브레인 모듈로 보내지거나 또는 추가적인 공정 및/또는 리사이클(recycling)/처분(disposal)을 위해 보내질 수 있다. 용매가 풍부한 인출 용액은 제4 스트림(54)으로 출구(23b)를 통해 멤브레인 모듈(10)에서 빠져나간다. 제4 스트림(54)은 또한 추가적인 멤브레인 모듈로 보내지거나 또는 추가적인 공정을 위해 보내질 수 있다. 일부 실시예에서, 제4 스트림(54)은 리사이클링 공정으로 보내져 인출 용질을 회수하고 예를 들어, 음료용 물을 생산한다.

도 6a는 대안적인 멤브레인 모듈(310)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 멤브레인 모듈(310)은 복수의 교번하는 멤브레인 판(312, 314)을 포함한다. 일 실시예에서, 판(312, 314)은 도 1에 대하여 설명된 것과 유사한 압력 용기(vessel) 또는 하우징 내에 배치된다. 대안적으로, 멤브레인 모듈(310)은 도 4a 내지 도 4h에 대하여 설명된 바와 같이 조립될 수 있고 별개의 하우징의 사용을 요구하지 않는다. 예를 들어, 모듈(310)은 멤브레인 판의 내부 포팅과 인터페이스하고(도 7a 내지 도 7c 참조) 공정 스트림의 여러 소스와 인터페이싱하는 입구 및 출구 포트(322, 323)를 제공하는 매니폴드 또는 포트 블록(378)을 구비하는 상부판 및 바닥판(368a, 368b)과 조립될 수 있다. 일부 실시예에서, 상부판 및 바닥 판(368)은 멤브레인 판 스택을 서로 볼트 결합하여 완성된 모듈(310)을 형성하는 수단을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 판(312, 314, 368)은 볼트 또는 나사산 형성된 로드(rod)(369)를 수용할 수 있는 간극 홀(clearance hole)을 포함하며, 여기서 간극 홀은 흐름 경로의 외부에 배치되어 누설을 방지한다. 또 다른 실시예에서, 상부판 및 바닥판(368)은 멤브레인 판(312, 314)보다 약간 더 큰 외부 치수를 구비하여 볼트 또는 나사산 형성된 로드(369)는 스택된 멤브레인 판(312, 314)의 외부에 판(368a, 368b) 사이에 연장할 수 있다. 일부 실시예에서, 상부판 및 바닥 판(366a, 368b)은 동일하고, 180도 회전되어 있다. 이런 배열은 클램핑 힘을 사용하면 평활한 에지/리브의 요구를 제거하고 코킹, 필요한 경우 코킹을 위한 더 우수한 심(seam)을 생성하므로 조립이 더 용이해진다. 게다가, "클램핑된" 조립 방법을 사용하면 모듈(310)이 본 명세서에 설명된 다른 방법에 따라 조립된 하우징 없이 모듈보다 더 높은 압력에서 동작할 수 있다.

도 6b는 도 6a의 모듈(310)의 대안적인 형태를 도시한다. 도시된 바와 같이, 모듈(310)은 복수의 스택된 멤브레인 판(312), 상부 판(368a), 및 바닥 판(368b)을 포함한다. 포트(322, 323)는 상부판 및 바닥 판(368)에 직접 형성된다. 판(312, 368)은 전술된 방법 중 임의의 방법을 통해 고정된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상부판 및 바닥 판(368)에서 포트(322, 323)는 여러 파이프 시스템 및 연결부를 수용하도록 나사산 형성된, 플랜지 형성된 또는 다른 구성일 수 있다.

도 6c는 멤브레인 모듈(310')의 더 다른 대안적인 실시예를 도시한다. 도 6b의 모듈(310)과 유사하게, 모듈은 조립체를 함께 샌드위치시키는데 사용되는 복수의 스택된 멤브레인 판(312) 및 상부판과 바닥판(368a, 368b)을 포함한다. 이 특정 실시예에서, 모듈(310')은 또한 모듈 포트에 대응하는 개구를 포함하지만, 멤브레인이 일반적으로 위치될 수 있는 개구는 포함하지 않는 블랭크(blank) 상부 멤브레인 판(371), 및 임의의 개구 또는 멤브레인을 포함하지 않는 블랭크 바닥 멤브레인 판(373)을 포함한다. 블랭크 상부 및 바닥 멤브레인 판(371, 373)을 포함하는 일부 실시예에서, 조립체를 고정하는데 사용되는 상부판 및 바닥 판(368)은 더 경량의 링으로 교체될 수 있다. 모듈(310')은, 알맞는 스페이서를 포함할 수 있는 일련의 패스너(369)로 서로 유지된다. 모듈(310')은 또한 조립된 모듈을 지지하고, 장착하고 및/또는 처리하는 것을 지원하는 브라켓(375)을 포함할 수 있다.

도 7a는 도 6a 또는 도 6b의 대안적인 멤브레인 모듈(310)에 사용하기 위한 멤브레인 판(312)의 일 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 멤브레인 판(312)은 일반적으로 직사각형 형상을 구비하지만, 약간 둥근 단부 구역(338)을 가진다. 일부 실시예에서, 단부 구역(338)은 압력 용기(vessel) 또는 하우징의 단부들에 형상이 대응한다. 그러나, 판(312)의 형상은 특정 응용에 맞게 변할 수 있다. 도 7b에 대해서 설명된 바와 같이, 단일 멤브레인 판 구성은 교번하는 패턴으로 사용되고 조립될 수 있다. 대안적으로, 멤브레인 판은 일 실시예에서 조립 동안 하나의 방식으로만 조립될 수 있으므로 혼동을 방지하기 위해 비대칭적인 A 및 B 구성으로 구성될 수 있다.

도 3a 내지 도 3c와 유사하게, 멤브레인 판(312)은 개구(332)를 한정하는 평평한 면(328) 및 4개의 포트(342, 344)를 포함한다. 포트(342, 344)는 면(328)의 단부 구역(338)에 배치되고 개구(332)는 면(328)의 실질적으로 전체 길이를 따라 2개의 대향하는 포트(342, 342') 사이에 연장한다. 포트/개구(342, 344, 332)는 특정 응용 및/또는 제조 방법에 맞게 둥근 형태, 정사각형, 직사각형 등일 수 있다. 판(312)은, 판(312)의 전체 주변을 따라 연장하고 예를 들어, 도 4a 내지 도 4h에서 멤브레인 판(12, 14)에 대하여 설명된 바와 같이 판(312)을 상호 연결하는 수단을 제공하는 리브(330)를 포함한다. 판(312)은 대안적인 포트(344, 344')를 둘러싸는 추가적인 리브(333)를 포함한다. 포트(342, 342') 및 개구(332)는 포트(342, 342') 사이에서 개구(332)에 걸쳐 흐름 경로를 한정하는 리브(330, 333)에 의해 한정된다. 포트(344, 344')는 포트(342, 342')들 사이에 흐르는 스트림으로부터 분리되고, 인접한 멤브레인 판으로 통로를 제공한다. 멤브레인 판(312)의 바닥면은 상부면 리브 패턴과 실질적으로 대칭적인 리브 패턴을 구비하여 포트(344, 344') 및 멤브레인 그 자체의 대향하는 측 사이에 제2 공정 스트림의 흐름을 촉진한다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 2개의 동일한 판(312)이 서로 180도 회전되어 배향되고 조립된다. 이런 배열은 단 하나의 판 구성이 요구되므로 덜 비싼 모듈을 생성한다. 판(312)은 조립 동안 뒤집어지거나 회전된다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 상이한 구성을 가지는 판(312)이 제공되어, 예를 들어, 가능한 조립체 에러를 감소시키고 및/또는 추가적인 공정 스트림을 수용한다. 조립될 때, 포트(344)를 통과하는 스트림은 인접한 판(312)의 포트(342)에 들어가서 멤브레인 시트(335)의 대향하는 측을 가로질러 및, 스택에서 특정 판이 위치된 곳에 따라, 제2 인접한 멤브레인 시트(335)를 가로질러 보내진다. 대안적인 포트(344, 344')는 2개의 공정 스트림이 인접한 멤브레인 판(312)을 가로질러 멤브레인 모듈(310)을 통과하게 한다.

도 7c는 멤브레인 판(312)의 일부 확대도이고, 이 멤브레인 판에 멤브레인 시트를 부착하고 여러 멤브레인 판을 상호 연결하는 하나의 가능한 모드를 도시한다. 도 7c에 도시되고 전술된 바와 같이, 리브(330, 333)는 리브(330)의 바닥면과 스냅 결합을 형성하도록 사이즈 정해지고 형성된 리세스(331)를 상부 면에 포함할 수 있다. 리세스(331)는 접착 물질(337)이 리세스(331)에 추가되어 조립될 때 판(312)을 더 고정하도록 사이즈 정해질 수 있다. 예를 들어, 도 4a 참조. 판(312)의 상부면 위 포트(344) 주위에 연장하는 리브(333)는 멤브레인 판(312)의 상부면을 가로질러 포트로부터 공정 스트림의 흐름을 차단한다. 동일한 리브 배열은 포트(342) 주위, 그러나 멤브레인 판(312)의 바닥면 위에 배치되어, 멤브레인 판(312)의 바닥면(및 인접한 멤브레인 판(312)의 상부면)을 가로질러 이 포트로부터 공정 스트림의 흐름을 차단한다. 포트 및 리브(333)의 이런 배열은 2개 이상의 공정 스트림을 멤브레인 시트(335)의 적절한 측을 가로질러 보낸다.

일 실시예에서, 개구(332)는 리브(330)에 의해 한정된 영역보다 약간 더 작은 사이즈이어서, 멤브레인 시트(335)가 배치될 수 있는 립을 생성한다. 멤브레인 시트(335)는 전술된 방법 중 어느 방법을 통해 면(328)에 고정될 수 있다. 멤브레인 시트(335) 및 리브(330)의 배치는 공정 스트림(예를 들어, 기체 또는 액체)이 하나의 포트(예를 들어, 입구(342))로부터 측방향으로, 멤브레인 면을 가로질러, 다른 포트(예를 들어, 출구(342'))에서 외부로 흐르게 한다. 도 7c에 도시되고 도 3a 내지 도 3c 및 도 4i 내지 도 4k에 대하여 설명된 바와 같이, 멤브레인 시트(335)는 예를 들어, 리세스(372) 및 홈(370)을 통해 멤브레인 판(312)에 부착된다. 멤브레인 판(312)은 또한 이 판에 부착된 메쉬 시트를 포함할 수 있다.

멤브레인 모듈은 일반적으로 멤브레인 판이 조립 동안 평평한 방식으로 스택된 것으로 설명되었으나; 완성된 모듈은 멤브레인 판이 예를 들어, 조립체의 중량을 더 잘 분배하도록 길이방향 측에 수직으로 정렬되도록 배향될 수 있다. 추가적으로, 메쉬 시트 및 여기에 부착된 멤브레인 시트를 갖는 여러 멤브레인 판은 서브-조립체로 생산될 수 있고 최종적으로 수직으로 조립되고 스택되어 바닥 층이 다수의 멤브레인 판의 중량에 의해 파손(crushed)되는 것을 방지할 수 있다.

전술된 유형의 구성은 또한 전체 내용이 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된 미국 특허 공개 번호 2012/0067819에 개시된 바와 같은 여러 접촉 멤브레인에 사용될 수 있다. 예를 들어, '819 문헌은 도 9 및 도 10에서 본 발명의 일 실시예에 따라 멤브레인 모듈로 조립될 수 있는 다수의 접촉 멤브레인의 사용을 개시한다.

대안적으로 또는 추가적으로, 2개 이상의 유형의 멤브레인 판이 단일 모듈, 예를 들어, 열 교환기 및 접촉 멤브레인에 사용될 수 있다. 상이한 구성(즉, 흐름 경로)을 갖는 다수의 멤브레인 판의 사용은 원하는 동작 특성 또는 기능에 따라 멤브레인 모듈의 최적화를 가능하게 한다. 예를 들어, 멤브레인 판의 사이즈와 개수는 특정 흐름 율 및/또는 설치 장소에 맞게 선택될 수 있다. 추가적으로, 멤브레인 판의 수, 유형, 및 배열이 특정 기능, 예를 들어, 다중 스테이지 증류에 맞게 선택될 수 있다. 모듈에서 포트의 개수와 배열은 또한 특정 응용 또는 기능에 맞게, 예를 들어, 상이한 동작 특성을 가지는 다수의 스트림으로 단일 공정 스트림의 도입에 맞게 선택될 수 있다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 여러 실시예에 따라 구성될 수 있는 가능한 멤브레인 모듈의 개략도이다. 대안적으로, 이들 여러 멤브레인 배열은 또한 예를 들어, 판 및 프레임, 나선형으로 감긴, 및 중공 섬유와 같은 종래의 멤브레인 모듈 포맷에 따라 생산될 수 있다. 도 8 내지 도 11은 또한 다중 스테이지 또는 다중 효과 디바이스를 달성하기 위하여 다수의 유형의 멤브레인의 사용을 도시한다. 본 발명에 따른 배열 또는 판과 프레임 유형 배열의 경우에, 상이한 멤브레인 층은 상이한 스트림을 운반할 수 있다. 중공 섬유 유형 모듈의 경우에, 섬유의 두 유형은 단부에 수용되어 스트림을 분리시킨다.

이들 여러 멤브레인 모듈은 예를 들어, 응축기(condenser), 리보일러(reboiler), 결정화기(crystallizer), 다중 효과 증류 디바이스(multi-effect distillation device), 및 다중 효과 용질 스트리핑 디바이스(solute stripping device)로 원하는 용매의 회수를 지원하고 및/또는 용질을 리사이클링(recycle)하는 정삼투 멤브레인 모듈과 함께 사용될 수 있다. 게다가, 이들 멤브레인 모듈은 예를 들어, 전체 내용이 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된, 2009년 6월 22일에 출원된 미국 특허 번호 6,391,205 및 7,560,029 및 PCT 출원 번호 PCT/US09/048137; 2010년 10월 29일에 출원된 PCT/US 10/054738; 및 2010년 10월 28일에 출원된 PCT/US 10/054512에 개시된 정삼투 시스템과 같은 다른 유형의 담수 유닛과 함께 사용될 수 있다.

도 8은 2개의 상이한 유형의 멤브레인을 사용하여 하나의 가능한 멤브레인 모듈(810)의 일부를 도시한다. 명료함을 위해, 도 8은 하우징(816)에 배치된 4개의 접촉 멤브레인(812)(증기 교환을 위해) 및 2개의 열 교환기 멤브레인(814)을 구비하는 것으로 모듈(810)을 도시하지만; 이 구성에서, 최외각 접촉 멤브레인(812)의 다른 측에는 추가적인 열 교환기 멤브레인(814)이 배치될 수 있고 추가적인 교번하는 접촉 및 열 교환기 멤브레인(812, 814)은 또한 포함될 수 있고 이 판은 조립된 별개의 하우징을 사용함이 없이 조립될 수 있다. 대안적으로, 모듈(810)은 2개의 접촉 멤브레인(812) 및 2개의 열 교환기 멤브레인(814)으로 제한될 수 있으나; 임의의 개수와 조합의 멤브레인이 특정 응용에 맞게 선택될 수 있다. 도 8에 도시된 시스템은 또한 압축기(846)를 포함한다.

일 실시예에서, 멤브레인 모듈(810)은 결정화기로 사용된다. 일반적으로, 가열된 유체 또는 스팀은 열 교환기 멤브레인(814) 중 하나를 통해 시디드 침전 입자(seeded precipitate particle)를 포함하는 액체 스트림에 열을 제공하도록 모듈(810)에 도입된다. 접촉기 멤브레인(812) 중 하나를 통해 증발하는 수증기가 생성되어, 액체 스트림 내 시디드 입자에 침전이 일어날 수 있다.

도 8에 상세히 도시된 바와 같이, 제1 스트림 또는 용액(848)(예를 들어, 염 용액(salt solution) 또는 시디드 슬러리(seeded slurry))은 하우징(816)(또는 모듈(810))에 배치된 하나 이상의 입구(822a)를 통해 모듈(810)에 도입된다. 제2 스트림(850)(예를 들어, 스팀)은 하우징(816)(또는 모듈(810))에 배치된 하나 이상의 추가적인 입구(823a)를 통해 모듈(810)에 도입된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 스트림(850)은 2개의 열 교환기 멤브레인(814) 사이에 도입되는 반면, 제1 스트림(848)은 열 교환기 멤브레인(814)의 대향하는 측면과 접촉기 멤브레인(812)의 공급 측면에 도입된다. 제1 스트림(848)은 가열되어 수증기가 접촉 멤브레인(812)을 통과하게 한다. 수증기 또는 스팀은 하우징(816)(또는 모듈(810))에 배치된 하나 이상의 출구(821b)를 통해 모듈(810)을 빠져나갈 수 있고 압축기(846)로 리사이클링될 수 있다. 제2 스트림(850)은 물로 환원되고 모듈(810)로부터 출구(들)(823b)를 통해 제3 스트림(852)으로서 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 스트림(848)은 구성 용질로 환원되고 이 용질은 하우징(816)(또는 모듈(810))에 배치된 하나 이상의 추가적인 출구(822b)를 통해 제4 스트림(854)으로 모듈(810)로부터 제거된다. 대안적인 실시예에서, 용질은 제1 스트림(848)에서 접촉 멤브레인(812)을 통해 증발되고, 용매(예를 들어, 물)는 출구(822b)를 통해 회수된다.

도 8에 도시된 모듈(810)은 모듈(810)에 도입된 여러 스트림의 특성에 따라 여러 디바이스로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 모듈(810)은 응축기로 사용되고, 여기서 냉각수가 열 교환기 멤브레인(814) 중 하나를 통해 응축 스트림으로부터 열을 제거하도록 도입되어, 흡수 스트림 또는 증류액(distillate)이 냉각되고, 기체 스트림이 다공성 접촉기 멤브레인(812) 중 하나를 통해 여기에 흡수되어, 액체 흐름이 일어나지 않는다. 일 실시예에서, 흡수 스트림은 희석 인출 용액이고 기체 스트림은 인출 용질의 스트리핑으로부터 상부에 있는 증기이다. 게다가, 멤브레인 모듈(810)은 또한 리보일러로 사용될 수 있고, 여기서 가열된 물 또는 스팀은 열 교환기 멤브레인(814) 중 하나를 통해 액체 스트림에 열을 도입하고, 이 열은 접촉기 멤브레인(812) 중 하나를 통해 증기를 증발시킨다.

도 9는 도 8의 모듈(810)과 유사하지만 열 펌프 모듈(960)이 추가된 멤브레인 모듈(910)을 도시한다. 일 실시예에서, 모듈(910)은 액체 방출이 없는 브라인(brine)을 더 농축하는 결정화기로 사용될 수 있다. 도 8에 대하여 유사하게 설명된 바와 같이, 제1 스트림(948)은 접촉 및 열 교환기 멤브레인(912, 914)의 쌍 사이에 입구(922a)를 통해 멤브레인 모듈(910)에 도입되고, 제2 스트림(950)은 입구(들)(923a)를 통해 2개의 열 교환기 멤브레인(914) 사이에 모듈(910)에 도입된다. 일 예에서, 제1 스트림(948)은 염 용액 또는 시디드 슬러리이고 제2 스트림(950)은 스팀이다. 스팀으로부터 열은 열 교환기 멤브레인(914)을 통해 제1 스트림(948)으로 전달되고 이에 의해 물이 증발되어 접촉 멤브레인(912)을 통과한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 열 펌프 모듈(960)은 열 펌프(962), 보일러(964), 및 칠러(chiller)(966)를 포함한다. 열 펌프(962) 및 보일러(964)는 스팀의 제2 스트림(950)을 제공한다. 칠러(966)는 입구(921a)를 통해 모듈(910)에 도입된 냉각수 형태의 제5 스트림(956)을 제공한다. 냉각수는 접촉 멤브레인(912)을 통해 전달된 증기로부터 추가적인 열 교환기 멤브레인(914)을 통해 열을 흡수하여 증류액을 생성한다. 증류액은 출구(923b)를 통해 제3 스트림(952)으로 멤브레인 모듈(910)을 빠져나간다. 이제 가열된 냉각수는 제6 스트림(958)으로 출구(921b)를 통해 모듈(910)을 빠져나간다. 일부 실시예에서, 이 제3 스트림(952)은 물과 같은 원하는 용매이다. 제1 스트림(948)으로부터 나머지 용질은 출구(922b)를 통해 제4 스트림(954)으로 멤브레인 모듈(910)을 빠져나간다. 일부 실시예에서, 이들 용질은 정삼투 시스템에서 사용된 인출 용액의 농도를 제어하도록 리사이클링될 수 있다. 다른 실시예에서, 제4 스트림(954)은 추가적인 물을 제거하기 위해 다른 멤브레인 모듈을 통해 예를 들어 리사이클링되거나 처분되거나 추가 처리될 수 있는 농축된(concentrated) 브라인일 수 있다.

일부 실시예에서, 도 9의 모듈(910)은 또한 교번하는 열 교환기 및 접촉 멤브레인(914, 912)을 사용하는 것에 의해 다중 효과 증류 디바이스로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 시디드 슬러리 형태의 제1 스트림(948)은 온도 및 압력(예를 들어, 스트림(948a, 948b) 등)이 각각 상이한 다수의 채널에 도입되어, 스팀이 하나의 채널에서 응축할 때, 열 교환기 멤브레인(914)의 하나의 측에서 시디드 슬러리는 접촉 멤브레인(912)을 통해 스팀을 증발시키고, 이 스팀은 열 교환기 멤브레인(914)의 그 다음 세트에서 응축하고, 열 교환기 멤브레인의 다른 측에서는 더 낮은 압력 및 온도 등에 있는 유사한 시디드 슬러리 스트림이 있어서, 다수의 "효과" 또는 "스테이지"를 제공한다. 이러한 배열에서, 멤브레인 모듈(910)은 다수의 스트림을 모듈(910)로 도입하거나 이 모듈로부터 제거하는데 필요한 포팅을 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 멤브레인 모듈은 모듈(910)을 통해 연속적으로 통과하는 단일 스트림 또는 모듈(910)을 병렬로 통과하는 다수의 스트림을 수용할 수 있다.

멤브레인 모듈(910)은 또한 다중 스테이지 칼럼 증류 시스템과 유사하지만, 멤브레인 구성에 있는 다중 효과 용질 스트리핑 시스템으로 사용될 수 있다. 모듈은 복수의 교번하는 열 교환기 및 접촉 멤브레인 및 적절한 포팅을 포함한다. 스트리핑될 각 인출 용액(스트림(948a, 948b, 948c) 등)은 상이한 온도 및 압력에서 특정 채널의 입구를 통해 멤브레인 모듈(910)에 도입된다. 스팀이 하나의 채널에서 응축할 때, 열 교환기 멤브레인의 하나의 측에서 스트리핑되는 인출 용질은 인접한 접촉 멤브레인을 통해 용질을 증발시키고, 이 스팀은 추가적인 열 교환기 멤브레인에서 흡수 용액으로 응축하거나 자체적으로 응축하고, 이 추가적인 열 교환기의 다른 측에는 더 낮은 압력 및 온도 등에 있는 유사한 스트리핑 스트림이 있어서, 다수의 "효과" 또는 "스테이지"를 제공한다.

도 10은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 다중 스테이지 증류 시스템으로 사용하도록 배열된 추가적인 멤브레인 모듈(1010)을 도시한다. 일반적으로, 모듈(1010)은 복수의 교번하는 열 교환기 멤브레인(1014) 및 접촉 멤브레인(1012)을 포함한다. 모듈(1010)은 또한 특정 멤브레인들 사이에 일련의 단열 장벽(barrier)(1084)(또는 본 명세서에 설명된 바와 같이 다른 추가적인 판)을 포함한다. 모듈(1010)은 또한 최외각 멤브레인 판의 일부로서 단열된 장벽을 더 포함하여 시스템의 효율을 개선시킬 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 모듈(1010)은 스팀(스트림(1050))을 모듈(1010) 및 외부 쿨러(1080)에 공급하여 냉각 액체(스트림(1054))를 모듈(1010)에 공급하는 외부 보일러(1082)와 사용될 수 있다. 대안적인 모듈은 통합된 리보일러를 포함할 수 있다.

일 예에서, 다수의 희석 인출 용액 스트림(스트림(1048a, 1048b) 등)은 상이한 온도 및 압력에 있는 특정 채널의 입구(1022a)를 통해 멤브레인 모듈(1010)에 각각 도입된다. 희석 인출 용액 스트림은 병렬로 모듈(1010)에 도입된다. 스팀(스트림(1050))은 입구(1023a)를 통해 모듈(1050)에 도입되고, 모듈(1050)의 여러 스테이지를 통해 직렬로 통과하는 열 에너지 소스를 제공한다. 제3 용액 스트림(1052)(예를 들어, 물)은 하나 이상의 입구(1021a)를 통해 모듈(1010)에 도입된다. 제4 스트림(1054)(예를 들어, 쿨러(cooler)(1080)로부터 냉각수의 소스)은 (스테이지의 개수 및 모듈의 전체 구성에 따라) 하나 이상의 입구(1027a)를 통해 모듈(1010)에 도입된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 모듈(1010)은 다수의 스테이지(1010a, 1010b, 1010c) 등으로 분할된다. 일 스테이지에서, 스팀(스트림(1050))은 접촉 멤브레인(1012)의 일측에 도입되고, 이 접촉 멤브레인(1012)의 다른 측에는 희석 인출 용액 스트림(1048)이 있다. 희석 인출 용액은 가열되어 용질을 증발시키고 접촉 멤브레인(1012)을 통해 스팀으로 전달한다. 나머지 인출 용액, 용질이 더 적은 용액은 음료용 물로서 출구(1022b)를 통해 모듈(1010)을 빠져나가고, 여기서 전부 또는 일부는 여러 목적에 사용되거나 더 처리될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 물의 일부는 스팀의 소스로 사용하기 위해 보일러(1082)로 송신되고, 일부는 제3 공정 스트림(1052)으로 모듈(1010)로 되돌아가고, 일부는 예를 들어, 음료용 물로 사용된다.

이제 증발된 용질을 포함하는 스팀은 단열된 장벽 및 열 교환기 멤브레인(1014)에 의해 한정된 모듈(1010)의 다른 채널로 전달된다. 열 교환기 멤브레인(1014)의 다른 측에는 음료용 물(스트림(1052))이 있고, 이 물은 스팀에 의해 가열되어 스팀이 채널 내에서 응축되고 물(스트림(1052))의 적어도 일부는 스팀으로 전환되어, 모듈(1010)의 그 다음 스테이지(예를 들어, 스테이지(1010b))로 보내져 열을 희석 인출 용액 스트림(예를 들어, 스트림(1048b)을 수용하는 그 다음 채널에 제공한다. 응축된 인출 용질은 하나 이상의 출구(1023b)를 통해 모듈을 빠져나가고, 여기서 이 용질은 인출 용액에 사용하도록 리사이클링되거나 추가 처리될 수 있다. 전술된 단열된 장벽은 코팅을 포함하거나 또한 인출 용질의 회수를 지원하는 촉매, 예를 들어, 특정 용질(예를 들어, C0₂)이 용액으로 흡수되는 것을 가속시키는 촉매로 작용할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 촉매 또는 다른 물질은 열 교환기 멤브레인 또는 추가적인 판에 포함될 수 있다.

이 공정은 열 에너지의 소스가 모듈(1010)의 여러 스테이지를 통해 직렬로 전달되는 동안 희석 인출 용액의 스트림이 모듈(1010)의 연속적인 스테이지에 병렬로 도입되기 때문에 계속된다. 스테이지의 개수와 여러 스트림의 동작 상태는 특정 응용에 맞게 제어될 수 있다. 동작 파라미터의 예는 미국 특허 공개 번호 2009/0297431에서 찾아볼 수 있다, 이 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된다. 예를 들어, 5개의 스테이지는 희석된 인출 용액이 각 스테이지로 병렬로 흐르지만, 열 에너지는 하나의 스테이지로부터 또 다른 스테이지로 직렬로 흘러, 효과적으로 매번 재사용되도록 생성될 수 있다. 마지막 스테이지에서, 또는 일부 실시예에서 미리 결정된 개수의 스테이지 후에, 냉각수(스트림(1054))는 스팀 및 증발된 인출 용질을 포함하는 채널에 인접한 열 교환기 멤브레인(1014)의 다른 측에 있는 모듈(1010)로 도입되어, 적어도 증발된 인출 용질을 응축시킨다. 응축된 인출 용질은 하나 이상의 출구(1023b)를 통해 모듈(1010)을 빠져나가고, 여기서 이 용질은 시스템에 따라 리사이클링되거나 추가 처리될 수 있다. 사용된 냉각수는 출구(1027b)를 통해 모듈(1010)을 빠져나가서 외부 쿨러(1080)로 되돌아간다.

도 11a는, 예를 들어, 도 11b에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 실시예 중 어느 실시예에 따라 구성될 수 있는 바에 따라 모든 멤브레인을 사용하여 수행될 수 있는 증기 흡수 사이클의 개략도이다. 화학 공정은 종래의 흡수 사이클의 것과 유사하지만, 컴포넌트는 더 낮은 비용 멤브레인 기반 물질로 구성되어, 전체적인 비용을 상당히 감소시킨다. 이들 컴포넌트는 일 실시예에서, 본 명세서에 설명된 멤브레인 모듈 내에 포함될 수 있는 멤브레인 증발기, 멤브레인 응축기, 멤브레인 흡수기 및 멤브레인 열 교환기를 포함한다. 시스템이 완전히 폴리머 물질로 구성될 수 있을 때에는, 비용은 전통적인 금속-합금 구성보다 90%만큼 적을 수 있다. 게다가, 여러 기능을 단일 모듈에 병합하면 시스템을 더 간략화시킬 수 있고, 전체적인 바닥 면적을 감소시킬 수 있고, 시스템을 보다 용이하게 전개할 수 있다.

흡수 사이클은 열을 입력하여 얼음을 생성하기 위하여 페르디낭 카레(Ferdinand Carre)에 의해 1846년에 발명되었으며 물에 암모니아를 흡수하면 증기 압력이 감소하는 원리에 기초한다. 흡수 사이클은 열 및 질량 교환기, 펌프 및 밸브를 사용하는 것에 의해 열을 입력하고 전기를 최소로 입력하여 냉각 및/또는 발열을 생성한다. 흡수 사이클은 기계적인 증기-압축 사이클로 볼 수 있고, 압축기는 생성기, 흡수기 및 액체 펌프로 교체될 수 있다. 흡수 사이클은 전기 입력의 일부(fraction)를 요구하는 이익을 누리는 것에 더하여, 오존 결핍 할로카본(halocarbon) 대신에 천연 물질인 암모니아 및 물을 사용한다.

도 11a을 참조하면, 암모니아-물의 흡수 사이클의 기본 동작은 다음과 같다: 열(Q_in)이 물이 풍부한 암모니아 용액을 포함하는 생성기에 적용된다. 열은 높은 압력의 암모니아 증기가 용액으로부터 분리(desorb)되게 한다. 열은 클린-버닝 천연 기체(clean-burning natural gas)와 같은 연료의 연소로부터 오거나, 또는 엔진 배기, 다른 산업 공정, 태양 열, 또는 임의의 다른 열원으로부터 오는 폐기 열일 수 있다. 높은 압력 암모니아 증기는 응축기로 흐르고, 일반적으로 실외 공기(Q_out)에 의해 냉각된다. 암모니아 증기는 높은 압력의 액체로 응축되어, 열을 방출하고 이 열은 공간 발열과 같은 제품 열(product heat)로 사용될 수 있다.

높은 압력 암모니아 액체는 제한을 통해 사이클의 낮은 압력 측으로 간다. 이 액체는, 낮은 압력에서, 증발기에서 비등 또는 증발한다. 이것은 냉각 또는 냉장 제품을 제공한다. 낮은 압력 증기는 생성기로부터 획득된 물이 풍부한 용액을 포함하는 흡수기로 흐른다. 이 용액은 암모니아를 흡수하며 흡수 열을 방출한다. 이 열은 제품 열로 사용되거나 또는 사이클의 다른 부분에서 내부 열 회수에 사용되어, 버너를 언로딩(unloading)하고 사이클 효율을 증가시킬 수 있다. 이제 다시 한번 암모니아가 풍부한 흡수기 내 용액은 생성기로 펌핑되고, 여기서 용액은 사이클을 반복할 준비가 된다.

도 11b는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 멤브레인 모듈(1110)에 구현된 증기 흡수 사이클을 도시한다. 도시된 바와 같이, 예를 들어, 물 및 암모니아(즉, 생성기)를 포함하는 제1 스트림(1148)은 높은 압력에서 열 교환기 멤브레인(1114)과 접촉 멤브레인(1112) 사이에 모듈(1110)에 도입된다. 제2 스트림(1150), 예를 들어, 스팀(즉, 열)은 열 교환기 멤브레인(1114)의 다른 측에 모듈 1150에 도입되어 암모니아 증기가 용액을 분리시킬 수 있게 한다. 암모니아 증기는 접촉 멤브레인(1112)을 통해 전달된다. 높은 압력 암모니아 증기는 다른 열 교환기 멤브레인(1114)을 따라 흐르고 여기서 이 증기는 제2 열 교환기 멤브레인(1114)의 다른 측에 있는 모듈(1110)에 도입된 제3 스트림(1152), 예를 들어, 냉각수(즉, 응축기)에 의해 냉각된다. 암모니아 증기는 높은 압력 액체로 응축되어, 열을 방출한다.

높은 압력 암모니아 액체는 멤브레인 모듈(예를 들어, 멤브레인 판 중 하나에 있는 감소된 개구) 또는 외부 밸브 내에 형성된 제한(restriction)(R)을 통해 사이클의 낮은 압력 측으로 갈 수 있다. 이 액체는, 낮은 압력에서, 비등 또는 증발하여, 냉각을 제공한다. 낮은-압력 암모니아 증기는 흡수 사이클을 통해 갈 수 있는 모듈(1110) 내에 되돌아가거나/유지될 수 있다. 일 실시예에서, 낮은 압력 암모니아 증기는 또 다른 접촉 멤브레인(1112)의 일측에 있는 모듈(1110)의 또 다른 채널에 도입된다. 제2 접촉 멤브레인(1112)의 다른 측에는 이제 물이 풍부한 제1 스트림(1148')이 있고, 이는 멤브레인(1112)을 통해 암모니아 증기를 흡수한다. 이제 다시 한번 암모니아가 풍부한 이 용액은 모듈(1110)의 제2/생성기 채널로 되돌아갈 수 있고, 여기서 용액은 사이클을 반복할 준비가 된다. 이제 가열된 스트림(1152)은 예를 들어, 칠러로 되돌아가거나 또는 스트림(1152')으로 또 다른 산업 공정에 사용될 수 있다. 이제 결핍된 열원, 스트림(1150)은 보일러로 되돌아가거나 스트림(1150')으로 또 다른 산업 공정에 사용될 수 있다. 전술된 멤브레인 증기 흡수 사이클은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 결합된 멤브레인 모듈에 대해 설명되었으나; 멤브레인 증기 흡수 사이클은 임의의 적절한 수단, 예를 들어, PVC 파이프에 의해 상호 연결된 별개의 멤브레인 모듈로 수행될 수 있다. 게다가, 전술된 모듈(1110)은, 본 명세서에 설명된 멤브레인 모듈 중 어느 것과 함께, 모듈을 포함하는 시스템의 여러 측면을 조절하거나 조정하는 제어기와 사용될 수 있다.

도 12a는 나선형으로 감긴 멤브레인 모듈(1200)의 종래 기술의 구성을 도시한다. 모듈(1200)은 중심 튜브(1202) 및 하나 이상의 층의 멤브레인 물질(1204)을 포함하고, 여기서 중심 튜브(1202)는, 중심에 내부 중심에 배치되고 멤브레인(1204)을 따라 글루 라인(1208)과 대응하는 플러그(plug)(1206)를 포함한다. 플러그(1206) 및 글루 라인(glue line)(1208)은 유체(예를 들어, 인출 용액(DS))를 중심 튜브(1202)로부터 멤브레인(1204)을 통해 미리 결정된 흐름 경로를 따라, 중심 튜브(1202)로 다시 강제하는 역할을 한다. 유체(DS)는 중심 튜브(1202)의 일 단부로 들어가서 그 다른 단부에서 빠져나간다. 이런 배열은 멤브레인 모듈(1200) 내 다수의 데드존(dead zone)을 초래한다.

도 12b 내지 도 12e는 중심 튜브 내 플러그의 필요성을 제거하고 중심 튜브(1212)로부터 하나 이상의 멤브레인(1214)의 단부로 유체(DS)의 방사방향 흐름을 초래하는 정삼투 횡방향-흐름 멤브레인 모듈(1210)을 도시한다. 도 12b 및 도 12c는 풀린 구성인 멤브레인 모듈(1210)의 일 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 중심 튜브(1212)는, 일 단부를 플러깅하거나 캡핑하는 것에 의해 변형되거나 또는 제조된 표준 튜브로, 세장형 바디의 단 하나의 단부(입구(1211))에서 개방되고, 내부 루멘(1213)은 멤브레인(1214)의 일측과 유체 연통한다. 입구(1211)는 나사산 형성된, 플랜지 형성된 또는 다른 시스템 컴포넌트와 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 그 사이에 스페이서(1218)가 배치된 2개의 멤브레인(1214)이 있고, 전체 조립체는 내부면(1215) 및 외부면(1217)을 한정하도록 대향하는 측을 따라 밀봉된다. 의도된 용도에 따라, 멤브레인의 공급 측면 또는 침투 측면은 조립될 때 서로를 향한다. 멤브레인 조립체(1214, 1218)의 다른 단부는 루멘(1221) 및 출구(1219)를 한정하는 세장형 바디를 구비하는 중심 튜브(1212)와 구조적으로 유사한 단부 튜브(1216)와 유체 연통된다. 이런 배열은 중심 튜브(1212)로 들어간 원시 용액(DS)이 이 중심 튜브로부터 방사방향으로 외부쪽으로 2개의 멤브레인(1214) 사이에서 흐르게 한다. 인출 용액(DS)은 단부 튜브(1216)로 들어가고, 여기서 용액은 그 일 단부 또는 두 단부에 배치된 출구(1219)로 보내진다. 모듈(1210)은 제2 유체(예를 들어, 공급 용액(FS))를 멤브레인(1214)의 대향하는 측으로 도입하도록 적절한 포팅을 구비하는 하우징에 배치될 수 있다(예를 들어, 도 12e 참조).

도 12d는 멤브레인 모듈(1210)의 대안적인 실시예를 도시하고, 여기서 단부 튜브는 제거되고 인출 용액(DS)은 멤브레인 조립체(1214, 1218)의 단부들로부터, 예를 들어, 도 12e에 도시된 바와 같이, 하우징(1220)으로 흐른다. 도 12e를 참조하면, 감긴 멤브레인 모듈(1210)은 인출 용액(DS)과 공급 용액(FS)을 하우징(1220)을 통해 멤브레인 면(1215, 1217)을 가로질러 보내는데 필요한 포트와 밀봉재를 구비하는 하우징(1220)에 의해 한정된 챔버(1227) 내에 배치된다. 도시된 바와 같이, 인출 용액(DS)은 하우징(1220) 및 중심 튜브(1212)의 일 단부에 들어가서, 여기서 용액은 방사방향으로 외부쪽으로 멤브레인(1214)을 따라 하우징(1220)에 배치된 측 포트(1222)로부터 희석 인출 용액으로 흐른다. 멤브레인 모듈(1210)은 두 단부에서 하우징(1220) 내에 밀봉되어, 하우징의 단부들은 격벽을 한정하며 여기서 공급 용액은 (입구(1223)를 통해) 일 단부에서 감긴 멤브레인(1214) 사이에 도입되고, 농축된 용액으로 (출구(1225)를 통해) 대향하는 단부에서 멤브레인 모듈(1210)에서 빠져나갈 수 있다. 대안적으로, 공급 용액은 중심 튜브(1212)를 통해 도입될 수 있고 인출 용액은 하우징(1220)을 통해 도입될 수 있다.

이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 설명된 파라미터와 구성은 예시적인 것이고 실제 파라미터 및/또는 구성은 본 발명의 여러 실시예들이 사용되는 특정 응용에 따라 달라질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 또한 과도한 실험 없이, 본 발명의 특정 실시예에 균등한 것을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 그리하여 본 명세서에 설명된 실시예는 단지 예로서 제시된 것이며, 첨부된 청구범위와 그 균등 범위 내에 있는 본 발명은 구체적으로 설명된 것과는 달리 실시될 수 있는 것으로 이해된다.

도 13a 내지 도 13c는 대안적인 멤브레인 모듈 및 이를 제조하는 방법을 도시한다. 모듈(1310)의 구조는 전술된 구성의 유형과 유사하며, 본질적으로 별개의 판을 사용함이 없이 멤브레인 시트와 메쉬 시트의 복수의 교번하는 층이다. 도 13a는 글루 라인(들)(1337)이 상부면에 배치되어 메쉬 시트(1336a)를 가로질러 흐름 경로를 한정하는 제1 메쉬 시트(1336a)를 도시한다. 일 실시예에서, 메쉬 시트(1336a)의 바닥면에는 글루 라인이 없다. 일부 실시예에서, 메쉬 시트(1336a)는 상부면 또는 바닥면 위에 배치된 스페이서(1340)를 포함하여 층들 사이에 추가적인 간격을 제공할 수 있는 중실 단부 구역(l338)을 포함할 수 있다. 도 13b는 제1 메쉬 시트(1336a)와 유사한 구성을 구비하지만, 글루 라인(1337)에 의해 한정된 상이한 흐름 경로를 구비하는 제2 메쉬 시트(1336b)를 도시한다. 제2 메쉬 시트(1336b) 위에 글루 라인(1337)은 메쉬 시트(1336a)의 단부들에 대응하는 입구와 출구를 구비하는 흐름 경로를 한정한다. 제1 멤브레인 시트(1336ab) 위의 글루 라인(1337)은 단부들에 근접한 메쉬 시트(1336b)의 측에 대응하는 입구와 출구를 구비하는 흐름 경로를 한정한다. 글루 라인(1337)은 수동으로 적용될 수 있거나 공정은 자동화될 수 있다. 일 실시예에서, 글루 라인(1337)은 여러 메쉬 시트 위에 미리 프린트될 수 있다. 멤브레인 시트(1335)는 글루 라인(1337)의 일부를 통해 각 메쉬 시트(1336)(도 13c 참조)에 부착될 수 있다. 일반적으로, 멤브레인 시트(1335)는 일반적으로 메쉬 시트(1336)의 "개방" 영역을 완전히 커버하도록 중심에 위치되고 사이즈 정해지며 이에 밀봉되어, 멤브레인을 통과하지 않는 한, 메쉬를 통해 임의의 유체를 통과하는 것을 방지한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 멤브레인 시트(1335)는 초음파 용접을 통해 메쉬 시트(1336)에 부착될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 메쉬 시트 및 멤브레인 시트(1336, 1335)는 일반적으로 직사각형 형상이지만; 다른 형상들도 고려될 수 있고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.

도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따라 멤브레인 모듈(1310)의 일부의 기본 조립을 도시한다. 일반적으로, 모듈의 구성은 제1 기판, 예를 들어, 제1 메쉬 시트(1336a)에서 시작하지만; 별개의 기판은 제1 메쉬 시트(1336a)가 부착된 모듈(1310)을 조립하는 베이스로 사용될 수 있다. 제1 메쉬 시트(1336a)는 그 주변 주위에 사용되는 경우 기판에 고정될 수 있다. 메쉬 시트(1336a)의 것에 대응하는 구성(예를 들어, 사이즈 및 형상)을 구비하는 제1 멤브레인 시트(1335a)는 시트(1336a) 위에 배치되고, 메쉬 시트(1336a)의 주변을 따라(예를 들어, 글루 또는 초음파 용접을 통해) 밀봉된다. 이런 배열은 제1 메쉬 시트/멤브레인 시트 조립체를 따라(예를 들어, 멤브레인의 노출된 공급 측면의 길이를 따라) 전달될 때 모듈의 일 단부에 도입된 제1 스트림(1348)(예를 들어 공급 용액)이 멤브레인 위를 흐르게 한다. 타깃 용매는 멤브레인을 자유로이 통과한다.

제2 메쉬 시트(1336b)는 제1 메쉬 시트 및 멤브레인 시트(1336a, 1335a) 위에 배치되고, 제1 메쉬 시트(1336)의 하나의 길이방향 측의 전체 길이를 따라, 및 글루 라인(1337)에 의해 한정된 대향하는 길이방향 측의 길이의 일부를 따라 그 단부에서 밀봉되고, 제1 공정 스트림(1348)에 대해 전술된 흐름 경로를 한정하는 "포켓"을 형성한다. 2개의 상이한 글루 라인 패턴(즉, 흐름 경로)이 도시되어 있지만, 임의의 개수의 글루 패턴이 특정 응용에 맞게 임의의 개수의 스트림을 수용하도록 가능하다.

제2 멤브레인 시트(1335b)는 제2 메쉬 시트(1336b) 위에 배치되고 그 주변 주위에 밀봉된다. 제2 멤브레인 시트(1335b)는 공급 측면이 제1 멤브레인 시트(1335a)의 공급 측을 향하도록 배열된다. 대안적으로, 제1 멤브레인 시트(1335a)의 배향에 따라, 제2 멤브레인 시트(133b)의 침투 측면은 제1 멤브레인 시트(1335a)의 침투 측면을 향하도록 배향될 수 있다. 예를 들어, 정삼투에 사용된 멤브레인 모듈에서, 인접한 멤브레인의 공급 측면과 침투 측면은 교번하는 방식으로 서로 향하도록 배향된다. 전술된 스페이서(1340)는, 제2 메쉬 시트(1336b)의 바닥 또는 제1 메쉬 시트 시트(1336a)의 상부에 배치되었는지 여부에 상관없이, 스탠드오프(stand-off)로 작용하고 메쉬 시트들 사이에 추가적인 간격(spacing)을 제공한다. 제3 메쉬 시트/멤브레인 시트 조립체는 제2 메쉬 시트(1336) 위에 배치되고, 제2 메쉬 시트(1336b)의 상부면에 배치된 글루 라인(1337)을 따라 이에 부착되어, 제2 스트림(1350)(예를 들어, 인출 용액)을 위한 또 다른 포켓/흐름 경로를 형성하여 제2 및 제3 멤브레인 시트 사이에 밀봉되지 않은 단부를 따라 개구를 통과한다. 정삼투 멤브레인 모듈로 동작시, 제1 스트림(1348)은 예를 들어, 공급 용액으로 모듈에 들어가고 농축된 공급 용액 형태로 제3 스트림(1352)으로 빠져나간다. 제2 스트림(1350)은 예를 들어, 인출 용액으로 모듈에 들어가고 희석 인출 용액 형태로 제4 스트림(1354)으로 빠져나간다.

메쉬 시트(1336) 및 멤브레인 시트(1335)를 조립하는 공정은 원하는 개수의 층과 그 사이에 포켓/흐름 경로를 계속 생산한다. 대안적으로, 멤브레인 시트는 조립 전에 메쉬 시트에 부착될 수 있다. 예를 들어, 복수의 메쉬 시트/멤브레인 시트 조립체는 제조 편의를 위하여 미리 조립될 수 있고 주문 제작된 멤브레인 모듈을 용이하게 생산하기 위하여 보관(stocked)될 수 있다. 조립된 모듈은 전술된 바와 같이 적절히 대응하는 포팅을 구비하는 하우징 내에 배치될 수 있다.

메쉬 시트/멤브레인 시트는 평평한 방식으로 조립된 것으로 설명되었으나, 완성된 모듈은 멤브레인이 예를 들어, 조립체의 중량을 더 잘 분배하기 위해 그 길이방향 측에 수직으로 정렬되도록 배향될 수 있다. 추가적으로, 여러 멤브레인 및 메쉬 시트 조립체는 서브-조립체로 생산될 수 있고 최종적으로 수직으로 조립되고 스택되어 바닥 층이 다수의 멤브레인 및 메쉬 층의 중량에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다. 추가적으로, 조립된 메쉬 시트 및 멤브레인 시트는 하우징 내에 더 우수한 인터페이스를 제공하기 위해 조립 후 트리밍(trimmed)될 수 있다.

메쉬 시트 및 멤브레인 시트(층)의 사이즈 및 개수는 특히 특정 총 멤브레인 표면적을 생산하기 위해 특정 응용에 맞게 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 모듈은 약 1 미터(meter) 폭, 약 10 미터 길이, 및 약 1 미터 높이의 전체 사이즈를 구비한다. 250㎛ 두께의 메쉬 시트/멤브레인 시트 조립체를 사용하는 경우에, 대략 4000개의 조립체가 1 미터 높이로 스택되어, 대략 40,000㎡의 표면적을 초래할 수 있다. 플럭스 율은 공급 용액과 인출 용액의 멤브레인 파라미터와 흐름율에 따라 변할 수 있다.

10: 모듈
12, 14: 멤브레인 판
16: 하우징

Claims (21)

1. 멤브레인 모듈로서,
   복수의 제1 멤브레인 판으로서, 각 제1 멤브레인 판은,
   주변의 적어도 일부 주위에 배치되고 입구, 출구, 및 이들 사이에 흐름 경로를 한정하는 인터로킹 기구(interlocking mechanism); 및
   내부에 형성된 개구를 한정하는 평평한 면(planar surface)을 포함하는 것인, 상기 복수의 제1 멤브레인 판;
   복수의 제2 멤브레인 판으로서, 각 제2 멤브레인 판은,
   주변의 적어도 일부 주위에 배치되고 입구, 출구, 및 이들 사이에 흐름 경로를 한정하는 인터로킹 기구; 및
   내부에 형성된 개구를 한정하는 평평한 면을 포함하는 것인, 상기 복수의 제2 멤브레인 판;
   복수의 멤브레인 시트로서, 각 멤브레인 시트는, 상기 제1 및 제2 멤브레인 판 각각의 상기 평평한 면 위에 배치되고 내부에 형성된 개구에 대응하며, 상기 복수의 제1 및 제2 멤브레인 판은 인터로킹 기구를 통해 서로 고정되고 교번하는 패턴으로 배열되는 것인, 상기 복수의 멤브레인 시트;
   조립된 상기 멤브레인 판들 아래에 배치되고 해당 멤브레인 판들 중 적어도 하나에 고정된 제1 커버 판; 및
   상기 조립된 멤브레인 판들 위에 배치되고 해당 멤브레인 판들 중 적어도 하나에 고정되는 제2 커버 판을 포함하는 멤브레인 모듈.
2. 멤브레인 모듈로서,
   복수의 제1 멤브레인 판으로서, 각 제1 멤브레인 판은,
   제1 단부, 제2 단부, 및 이들 사이에서 일반적으로 중심에 위치된 개구를 한정하는 실질적으로 평평한 면을 구비하는 세장형 바디(elongated body);
   상기 실질적으로 평평한 면에 형성되어 상기 세장형 바디의 상기 제1 단부에 근접하여 배치된 제1 입구;
   상기 실질적으로 평평한 면에 형성되어 상기 세장형 바디의 상기 제2 단부에 근접하여 배치된 제1 출구;
   상기 실질적으로 평평한 면에 형성된 제2 입구;
   상기 실질적으로 평평한 면에 형성된 제2 출구;
   상기 세장형 바디의 제1 측면의 주변의 적어도 일부 주위에 배치되고 상기 제1 입구 및 상기 제1 출구 사이에 제1 흐름 경로를 한정하는 제1 인터로킹 기구; 및
   상기 세장형 바디의 제2 측면의 주변의 적어도 일부 주위에 배치되고 상기 제2 입구 및 상기 제2 출구 사이에 제2 흐름 경로를 한정하는 제2 인터로킹 기구를 포함하는 것인, 상기 복수의 제1 멤브레인 판;
   복수의 멤브레인 시트로서, 적어도 하나의 멤브레인 시트는 상기 멤브레인 판 각각 위에 배치되고 상기 평평한 면들에 의해 한정된 개구에 대응하는 것인, 상기 복수의 멤브레인 시트;
   조립된 상기 멤브레인 판들 아래에 배치되고 상기 멤브레인 판들 중 적어도 하나에 고정된 제1 커버 판; 및
   상기 조립된 멤브레인 판들 위에 배치되고 상기 멤브레인 판들 중 적어도 하나에 고정된 제2 커버 판을 포함하되,
   상기 복수의 멤브레인 판은 상기 인터로킹 기구를 통해 서로 고정되고 교번하는 패턴으로 위상이 180도 어긋나게 배열되어, 교번하는 제1 입구와 제1 출구가 유체 연통하고, 교번하는 제2 입구와 제2 출구가 유체 연통하며, 상기 제1 및 제2 흐름 경로는 연속적으로 교번하도록 구성된 것인, 멤브레인 모듈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 두 공정 스트림을 상기 제1 및 제2 입구 및 출구를 통해 상기 멤브레인 모듈 안으로 지향시키거나 상기 멤브레인 모듈로부터 밖으로 지향시키기 위해 상기 조립된 멤브레인 판에 고정된 적어도 하나의 매니폴드 조립체(manifold assembly)를 더 포함하는 멤브레인 모듈.
4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매니폴드 조립체는,
   상기 커버 판들 중 적어도 하나에 배치되고 상기 멤브레인 판의 상기 제1 및 제2 입구와 유체 연통하는 제1 매니폴드 조립체; 및
   상기 커버 판들 중 적어도 하나 위에 배치되고 상기 멤브레인 판의 상기 제1 및 제2 출구와 유체 연통하는 제2 매니폴드 조립체를 포함하는 것인 멤브레인 모듈.
5. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 입구와 제1 및 제2 출구를 구비하는 하우징을 더 포함하되, 상기 멤브레인 모듈은, 상기 하우징의 상기 제1 입구 및 상기 제1 출구가 상기 제1 멤브레인 판 입구 및 상기 제1 멤브레인 판 출구와 유체 연통하고 상기 하우징의 상기 제2 입구 및 상기 제2 출구가 상기 제2 멤브레인 판 입구 및 상기 제2 멤브레인 판 출구와 유체 연통하도록 상기 하우징 내에 배치된 것인 멤브레인 모듈.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 인접한 멤브레인 판들 사이에 배치된 복수의 메쉬 시트(mesh sheet)를 더 포함하는 멤브레인 모듈.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 커버 판은 기계적인 패스너를 통해 서로 고정된 것인 멤브레인 모듈.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인 판 각각은 폴리머 물질을 포함하는 것인 멤브레인 모듈.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인 시트는 정삼투 멤브레인을 포함하는 것인 멤브레인 모듈.
10. 제9항에 있어서, 상기 정삼투 멤브레인 각각은 공급 측면(feed side) 및 침투 측면(permeate side)을 포함하고, 임의의 2개의 인접한 멤브레인 판에 대해, 상기 침투 측면들이 서로를 향하거나 상기 공급 측면들이 서로를 향하도록 상기 멤브레인 판 위에 배치되는 것인 멤브레인 모듈.
11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인 시트는 복수의 열 교환기 멤브레인 및 복수의 접촉 멤브레인을 포함하는 것인 멤브레인 모듈.
12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 열 교환기 멤브레인은 상기 복수의 제1 멤브레인 판 위에 배치되고, 상기 복수의 접촉 멤브레인은 상기 복수의 제2 멤브레인 판 위에 배치된 것인 멤브레인 모듈.
13. 제2항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인 시트는 복수의 열 교환기 멤브레인 및 복수의 접촉 멤브레인을 포함하고, 상기 열 교환기 및 접촉 멤브레인은 교번하는 방식으로 상기 멤브레인 판들 위에 배치된 것인 멤브레인 모듈.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 멤브레인 시트는 증발기 멤브레인, 응축기 멤브레인, 흡수기 멤브레인 및 열 교환기 멤브레인 중 적어도 하나를 포함하는 것인 멤브레인 모듈.
15. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 멤브레인 판 각각은 상부면 및 바닥면을 포함하고, 상기 각 인터로킹 기구는 각 멤브레인 판의 상기 상부면 및 바닥면 위에 배치된 것인 멤브레인 모듈.
16. 나선형으로 감긴 멤브레인 모듈로서,
    입구 및 내부 루멘(inner lumen)을 한정하는 세장형 바디를 구비하는 중심 튜브;
    내부면 및 외부면을 한정하는 멤브레인 조립체로서, 상기 내부면은 상기 중심 튜브의 상기 내부 루멘과 유체 연통하는 것인, 상기 멤브레인 조립체;
    출구 및 내부 루멘을 한정하는 세장형 바디를 구비하는 단부 튜브로서, 상기 단부 튜브의 상기 내부 루멘은 상기 멤브레인 조립체의 상기 내부면과 유체 연통하는 것인, 상기 단부 튜브; 및
    입구 및 출구를 구비하고 상기 중심 튜브, 상기 멤브레인 조립체 및 상기 단부 튜브를 수용하는 챔버를 한정하는 하우징을 포함하되,
    상기 챔버는 상기 멤브레인 조립체의 상기 외부면과 유체 연통하고 상기 중심 튜브 입구 및 상기 단부 튜브 출구로부터 유체 분리된 것인, 멤브레인 모듈.
17. 멤브레인 모듈로서,
    복수의 제1 멤브레인 판으로서, 각 제1 멤브레인 판은 입구, 출구, 및 그 평평한 면에 형성된 개구를 한정하는 것인, 상기 복수의 제1 멤브레인 판;
    복수의 열 교환기 멤브레인으로서, 각 열 교환기 멤브레인은 상기 복수의 제1 멤브레인 판들 중 하나에 고정되고, 상기 평평한 면에 형성된 상기 개구를 커버하도록 배향된 것인, 상기 복수의 열 교환기 멤브레인;
    입구, 출구, 및 평평한 면에 형성된 개구를 각각 한정하는 복수의 제2 멤브레인 판; 및
    복수의 접촉 멤브레인으로서, 각 접촉 멤브레인은 상기 복수의 제2 멤브레인 판들 중 하나에 고정되고, 상기 평평한 면에 형성된 상기 개구를 커버하도록 배향된 것인, 상기 복수의 접촉 멤브레인을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 멤브레인 판은 교번하는 방식으로 조립된 것인 멤브레인 모듈.
18. 제17항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 판 입구들은 유체 연통하는 것인 멤브레인 모듈.
19. 제17항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 판 출구들은 연통하는 것인 멤브레인 모듈.
20. 제17항에 있어서, 상기 제2 멤브레인 판 입구들은 연통하는 것인 멤브레인 모듈.
21. 제17항에 있어서, 상기 제2 멤브레인 판 출구들은 연통하는 것인 멤브레인 모듈.
    
    

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