KR20220124262A

KR20220124262A - 직교류 멤브레인 모듈

Info

Publication number: KR20220124262A
Application number: KR1020227028326A
Authority: KR
Inventors: 리차드 더블유. 베이커; 요하네스 지. 위만스; 티모시 씨. 메르켈; 칼 디. 아모
Original assignee: 멤브레인 테크놀로지 앤드 리서치, 인크.
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-09-13
Also published as: WO2021150649A1; US20220134276A1; CA3168483A1; KR20220124263A; CA3168487A1; CN115003349A; JP7423102B2; EP4093459A1; KR102630018B1; WO2021150648A1; JP2023511130A; EP4093532A1; JP2023511128A; EP4093459A4; EP4093532A4; JP7348692B2; US20220134284A1; CN115003349B; CN114980999A

Abstract

본 발명은 공급물 유체를 하나 이상의 멤브레인 시트(들)를 가로질러 투과물 유체와 잔류물 유체로 분리하도록 구성된 직교류 멤브레인 모듈에 관한 것이다. 직교류 모듈은 입구가 제1 단부에 제공되고 출구가 제2 단부에 제공되는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 오프셋된 제2 단부를 포함한다. 하나 이상의 멤브레인 시트(들)는 제1 부분 및 제2 부분을 각각 갖는다. 도관은 각각의 멤브레인 시트의 제1 측면에 인접하고 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하고 출력하도록 구성된다. 멤브레인 시트의 제2 부분은, 멤브레인 시트의 제2 부분을 가로지르는 분리에 의해 생성되는 투과물 유체의 제2 부분이 제1 부분을 가로지르는 분리에 의해 생성되는 투과물 유체의 제1 부분보다 더 높은 농도의 주성분을 갖도록 제1 부분보다 더 큰 주성분에 대한 투과도를 갖는다. 제2 부분은 제2 방향을 따라 멤브레인 시트의 제1 측면으로부터 이격되어 이에 의해 투과물 가스의 제2 부분이 멤브레인 시트의 제1 측면을 향해 유동하게 하여 투과물 가스의 제2 부분이 투과물 가스의 제1 부분과 혼합되게 하여 이에 의해 투과물 가스의 제1 부분 내의 부성분의 농도를 감소시키게 한다.

Description

직교류 멤브레인 모듈

본 발명은 직교류 멤브레인 모듈(crossflow membrane module) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 직교류 멤브레인 모듈은 투과증발(pervaporation) 및 가스 분리 용례에 특히 유용하다.

이어지는 텍스트에서, 사용된 성분의 농도는 달리 언급되지 않는 한, 몰 농도이다. 용어 "주성분"은 공급물 유체 내의 최고 농도를 갖는 성분을 칭하고, 용어 "부성분"은 공급물 유체 내의 주성분보다 더 낮은 농도를 갖는 성분을 칭한다. "부성분"은 멤브레인 분리 프로세스에 의해 투과물 유체 내에 농후하고 분리 프로세스의 타겟 성분이다. 용어 "유체"는 기체 및/또는 액체를 칭할 수도 있다.

분리 모듈에서, 주성분이 부성분보다 더 높은 농도를 갖는, 주성분과 부성분을 함유하는 공급물 유체는 멤브레인을 가로질러 투과물 유동과 잔류물 유동으로 분리된다. 잔류물 유체는 공급물 유체보다 더 낮은 농도의 부성분을 갖고 투과물 유체는 공급물 유체보다 더 높은 농도의 부성분을 갖는다. 직교류 모듈에서, 투과물 유동은 주로 공급 유동에 대해 횡방향, 바람직하게는 수직이다. 대향류 모듈(counterflow module)에서, 투과물 유동은 주로 공급물 유동과 반대 방향이다.

공지의 직교류 분리 디바이스가 도 1에 도시되어 있다. 직교류 분리 디바이스에서, 공급물의 유동은 제1 방향(도 1에서 좌측에서 우측으로)에 있고, 투과물의 유동은 제1 방향에 횡방향인 제2 방향(도 1에서 하향)에 있다. 공급물 내의 가장 투과성 성분의 농도는 공급물이 멤브레인 표면을 따라 제1 방향(즉, 좌측에서 우측으로)으로 유동함에 따라 감소한다. 결과적으로, 투과물 내의 가장 투과성 성분의 농도는 또한 제1 방향을 따라 감소한다. 직교류 모듈에서, 투과물 가스 유동은 유입 투과물과 동일한 농도를 갖고, 혼합은 멤브레인 분리에 영향을 미치지 않는다.

외부 스위프(sweep)를 사용하여 멤브레인을 가로지르는 구동력을 증가시켜 따라서 직교류 모듈의 효율을 개선시키는 것이 공지되어 있다. 모듈의 출구 단부에서 도입된 스위프 가스는 입구를 향한 모든 지점에서 가장 투과성 성분을 희석한다. 이 희석은 멤브레인을 가로지르는 가장 투과성 성분의 농도 차이를 증가시키고 결과적으로 멤브레인을 가로지르는 분리를 위한 구동력을 증가시킨다. 이 효과는 스위프라 공지되어 있다. 이러한 구동력의 증가는 더 작은 멤브레인 영역이 사용될 수 있도록 효율을 개선시킨다.

외부 스위프는 스위프 효과를 생성하기 위해 출구에 근접한 투과물 유동 내로 주입되는 모듈 외부에서 생성된 가스 스트림을 사용한다. 이러한 시스템은 도 3에 도시되어 있고 본 출원에서 나중에 더 상세히 설명된다. 도 3의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이, 잔류물 유체는 출구 단부에서 투과물 유동으로 도입되기 전에 밸브(320)를 가로질러 팽창될 수도 있다. 예를 들어, 처리된 잔류물 유체의 일부를 밸브를 통해 통과시키고 이를 모듈의 투과물 측에 도입하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이러한 시스템은 신뢰적인 동작을 위해 스위프 유량을 제어하기 위해 부가의 배관 및 밸브를 필요로 하는데, 이는 증가된 비용을 야기한다. 더욱이, 이러한 모듈은 산업 플랜트에서 대량으로 채용되어 이에 의해 다수의 제어 유닛을 필요로 하고, 임의의 하나의 고장은 전체 플랜트의 동작에 영향을 미치는 잔류물로부터 투과물 스트림으로의 가스의 대규모의 미제어된 누설을 야기한다.

도 4 및 도 5에 도시되어 있는 디바이스는 대신에 내부적으로 스위프 가스 유동을 생성함으로써 스위프 가스가 외부에서 생성되는 모듈과 관련된 문제를 해결하려고 시도했다. 도 4에 도시되어 있는 디바이스는 노출된 단부 부분(403)을 제외하고 섬유가 선택 층(401)으로 코팅되어 있는 대향류 중공 섬유 모듈 디바이스이다. 노출된 단부 부분은 섬유의 주요 부분보다 훨씬 더 높은 투과도를 갖지만 선택도는 갖지 않는다. 따라서, 공급물 유체는 노출된 단부를 통해 투과하고 내부에서 생성된 스위프 가스(409)의 유동으로서 작용할 것이다. 도 5에 도시되어 있는 디바이스는 또한 대향류 중공 섬유 모듈이다. 공급물 유체(502)는 중공 섬유(505) 사이의 공간에서 좌측에서 우측으로 유동한다. 잔류물 파이프는 모듈을 통해 연장되고 모듈(509)의 우측 단부 앞에서 종료된다. 공급물 유체의 일부는 섬유 멤브레인을 투과하고 공급 유동과 반대 방향으로 섬유 내부로 이동한다. 멤브레인을 투과하지 않은 공급물 유체는 잔류물 수집 파이프 내의 구멍을 통해 제거된다. 잔류물 수집 파이프의 단부는 오리피스(511)에 의해 천공된 플러그로 밀봉된다. 처리된 잔류물 유체의 일부는 이 오리피스를 통해 누설되고 이어서 스위프 가스로서 작용하는 섬유(514)의 개방 단부로 진입할 수 있다.

내부 스위프의 사용은 대향류 중공 섬유 분리 모듈에 제한되었다. 내부 스위프는 구성 및 동작 어려움으로 인해 플레이트-프레임 모듈 또는 나선형 권취 모듈과 같은 멤브레인 시트를 포함하는 직교류 분리 모듈에 적용되지 않았다. 본 발명은 내부적으로 생성된 스위프의 장점을 평탄한 멤브레인 시트를 포함하는 직교류 모듈에 적용하는 것을 추구한다.

본 발명에 따르면, 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 직교류 멤브레인 모듈 및 모듈의 제조 방법이 제공된다.

청구항 1에 설명된 바와 같이, 부성분 및 주성분을 포함하는 공급물 유체를 투과물 유체 및 잔류물 유체로 분리하도록 구성된 직교류 멤브레인 모듈이 제공된다. 잔류물 유체는 공급물 유체보다 더 낮은 농도의 부성분을 갖고 투과물 유체는 공급물 유체보다 더 높은 농도의 부성분을 갖는다. 모듈은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 하우징을 포함하고, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격된다. 모듈은 하우징의 제1 및 제2 단부 사이에 하나 이상의 멤브레인 시트(들)를 더 포함하고, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격된다. 각각의 멤브레인 시트는 제1 및 제2 단부 사이에 제1 및 제2 측면을 포함한다. 제1 측면은 제2 방향을 따라 제2 측면으로부터 이격되고, 제2 방향은 제1 방향에 대해 횡방향이다. 각각의 멤브레인 시트는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하고, 제2 주 표면은 제1 주 표면에 대향하고, 각각의 멤브레인 시트는 공급물 유체를 잔류물 유체와 투과물 유체로 분리하도록 구성된다. 멤브레인 모듈은 공급물 유체 및 잔류물 유체가 제1 방향에서 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하지만 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따라 유동하지 않고 투과물 유체가 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따라 유동하지만 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하지 않도록 구성된다. 멤브레인 모듈은 하우징의 제1 단부에 입구를 더 포함하고, 입구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제1 단부와 유체 연통하고 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하도록 공급물 유체를 전달하도록 구성된다. 멤브레인 모듈은 하우징의 제2 단부에 출구를 더 포함하고, 출구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제2 단부와 유체 연통하고 공급물 유체로부터 분리된 잔류물 유체를 수용 및 출력하도록 구성된다. 멤브레인 모듈은 멤브레인 시트의 제2 주 표면의 제1 측면과 유체 연통하는 도관을 더 포함하고, 도관은 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하고 출력하도록 구성된다. 하나 이상의 멤브레인 시트(들) 중 적어도 하나는, 제1 부분을 가로지르는 공급물 유체의 분리가 투과물 유체의 제1 부분을 생성하고 제2 부분을 가로지르는 분리가 투과물 유체의 제2 부분을 생성하도록 제1 부분 및 제2 부분을 포함한다. 멤브레인 시트의 제2 부분은, 투과물 유체의 제2 부분이 투과물 유체의 제1 부분보다 더 높은 농도의 주성분을 갖도록 제1 부분보다 더 큰 주성분에 대한 투과도를 갖는다. 제2 부분은 제2 방향을 따라 멤브레인 시트의 제1 측면으로부터 이격되어 이에 의해 투과물 유체의 제2 부분이 멤브레인 시트의 제1 측면을 향해 유동하게 하여 투과물 유체의 제2 부분이 투과물 유체의 제1 부분과 혼합되게 하여 이에 의해 투과물 유체의 제1 부분 내의 부성분의 농도를 감소시키게 한다.

이에 따라, 본 발명에서, 투과물 유체의 제2 부분은 스위프 유체로 작용하여, 제1 측면에 더 가깝게 투과물 유체의 부성분의 농도를 희석시킨다. 투과물 유체 내의 부성분의 농도를 희석함으로써, 부성분에 대한 멤브레인을 가로지르는 농도 구배가 증가된다. 농도 구배의 증가는 투과물 유체와 잔류물 유체로 멤브레인을 가로지르는 공급물 유체의 분리를 위한 구동력의 증가를 야기한다. 투과물 유체의 제2 부분은 또한 본 명세서에서 스위프 가스/스위프 유동/스위프 유체라고도 칭한다. 따라서, 본 발명은 공급물 유체의 유동 및 공급을 제어하기 위해 밸브 또는 배관을 필요로 하지 않는데, 이는 내부에서 생성되기 때문이다.

하나 이상의 멤브레인 시트(들)는 평탄한데, 즉, 평면형이다.

공급물 유체는 제1 방향으로 멤브레인의 주 표면을 따라 유동한다. 공급물 유체는 투과물 유체와 잔류물 유체로 분리된다. 잔류물 유체는 또한 제1 방향으로 멤브레인의 주 표면을 따라 유동한다. 투과물 유체는 멤브레인을 통과하고 통상적으로 공급물 유체 및 잔류물 유체로부터 멤브레인의 대향 주 표면을 따라 유동하는 공급물 유체의 일부를 포함한다. 본 출원에서, 잔류물 및 공급물 유체가 그를 따라 유동하는 멤브레인의 주 표면은 제1 주 표면으로 명명되고, 투과물 유체가 그를 따라 유동하는 멤브레인의 주 표면은 제2 주 표면으로 명명된다. 제1 주 표면은 또한 멤브레인의 공급물 측으로 고려될 수도 있고 제2 주 표면은 멤브레인의 투과물 측으로 고려될 수도 있다. 제2 주 표면은 제1 주 표면에 대향한다. 달리 말하면, 제2 주 표면은 멤브레인 시트의 두께에 의해 제1 주 표면으로부터 분리된다. 본 발명에서, 투과물 유체의 적어도 일부는 제2 측면으로부터 제1 측면을 향하는 방향으로(즉, 제1 방향에 대해 횡방향인, 특히 수직인 방향으로) 유동한다.

각각의 멤브레인 시트에 대해, 입구와 출구 사이의 제1 주 표면을 따른 유체 경로는, 유체가 제1 주 표면으로부터 멤브레인 시트를 통해 제2 주 표면으로만 통과할 수 있도록 제2 주 표면을 따라 도관까지의 유체 경로로부터 유체적으로 밀봉된다. 밀봉은 멤브레인 시트의 제2 주 표면 상의 투과물 유체와 멤브레인 시트의 제1 주 표면 상의 공급물/잔류물 유체의 혼합을 야기할 것인 누설을 방지한다. 밀봉부는 또한 외부 환경으로부터 모듈로 들어오고 나가는 유체를 분리하는 역할을 한다. 밀봉부는 에폭시 접착제와 같은 접착제 또는 동등한 밀봉 재료, 접착 테이프 또는 열 밀봉을 사용하여 달성될 수도 있다.

하나 이상의 멤브레인 시트(들)는, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 단부가 하우징의 제1 단부에 근접하고 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제2 단부는 하우징의 제2 단부에 근접하도록 하우징의 제1 및 제2 단부 사이에서 연장된다. 바람직하게는, 하우징은 원통형 형상일 수도 있고, 여기서 제1 방향은 하우징의 직경을 정의하고 제1 및 제2 단부는 정대향한다.

하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 및 제2 단부와 제1 및 제2 측면은 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 외부 에지를 형성한다. 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 및 제2 단부는 제1 방향을 따라 이격되어 있는 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 외부 에지를 형성한다. 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 및 제2 측면은 제2 방향을 따라 이격되어 있는 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 외부 에지를 형성한다.

전술된 바와 같이, 도관은 투과물 유체를 수용하고 출력하도록 구성된다. 도관은 멤브레인 시트(들) 중 하나 이상의 제2 주 표면의 제1 측면에 유체 연결되고, 여기서 제2 주 표면은 제1 주 표면에 대향한다. 바람직하게는, 모든 멤브레인 시트(들)는 제2 주 표면의 제1 측면을 통해 도관에 유체 연결된다. 도관은 복수의 도관 중 제1 도관일 수도 있다. 도관은 축방향으로 그 길이의 적어도 50%를 따라 제2 주 표면으로부터 투과물 유체를 수용하도록 개방될 수도 있다. 도관은 통상적으로 투과물 유체를 수용하기 위한 개구/구멍을 포함한다. 제1 방향에서 도관의 개구/구멍의 축방향 범위는 중첩되고 바람직하게는 제2 부분의 축방향 범위와 대략 동일하다. 도관 내의 개구/구멍은 제1 방향에서 멤브레인 시트의 길이와 동일한 축방향 범위를 가질 수도 있다. 도관은 제1 방향에서 제1 측면의 길이의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 더 바람직하게는 적어도 80%를 따를 수도 있다. 도관은 제1 방향으로 제1 측면의 전체 길이를 따라 연장될 수도 있다. 도관 내의 개구/구멍의 축방향 범위는 제1 방향에서 제1 측면의 길이의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 더 바람직하게는 적어도 80%, 가장 바람직하게는 100%를 따라 연장될 수도 있다. 도관은 통상적으로 각각의 멤브레인 시트의 제1 측면과 정렬된다. 더 구체적으로, 도관 내의 구멍(들)/개구(들)는 통상적으로 각각의 멤브레인 시트의 제1 측면과 정렬된다.

모듈은 멤브레인의 제2 측면에 유체 결합된 제2 도관을 더 포함할 수도 있다. 제2 도관은 또한 통상적으로 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제2 주 표면에 유체 연결되고, 여기서 제2 주 표면은 제1 주 표면에 대향한다.

제1 및 제2 도관의 모두를 포함하는 구성에서, 투과물 유체는 제1 및 제2 측면에서 제1 및 제2 도관의 모두로 유동할 수 있고, 여기서 모듈로부터 수용 및 출력될 것이다.

하나 이상의 멤브레인 시트 중 적어도 하나는 제1 부분 및 제2 부분을 포함한다. 멤브레인의 제2 부분은 제1 부분보다 더 높은 주성분에 대한 투과도를 갖는다. 바람직하게는, 주성분에 대한 제2 부분의 투과도는 주성분에 대한 제1 부분의 투과도의 적어도 2배이다. 더 바람직하게는, 주성분에 대한 제2 부분의 투과도는 주성분에 대한 제1 부분의 투과도의 적어도 10배이다. 멤브레인 시트의 제1 부분은 주성분에 비해 부성분에 대해 선택적이도록 선택도를 갖는다. 제2 부분은, 공급물 유체의 성분에 대한 선택도를 갖지 않지만 여전히 제1 주 표면(공급물 측)으로부터 제2 주 표면(투과물 측)으로의 분리되지 않은 공급물 유체의 유동을 조절하는 것이 여전히 가능한 코팅되지 않은 멤브레인 시트의 부분일 수도 있다. 그러나, 멤브레인 시트의 제2 부분은 또한 주성분에 비해 부성분에 대해 선택적이도록 선택도를 가질 수도 있다. 제2 부분이 또한 수행되는 분리에 대해 선택적이면, 이는 유익하지만, 요구되는 것은 아니다. 제2 부분이 또한 수행되는 분리에 대해 선택적이면, 멤브레인의 제2 부분은 제1 부분보다 낮은 선택도를 갖는다.

제2 부분은 멤브레인 시트(들)의 제2 주 표면의 부분을 형성할 수도 있지만 제1 주 표면은 형성하지 않을 수도 있다. 대안적으로, 제2 부분은 멤브레인 시트(들)의 제1 주 표면의 부분을 형성할 수도 있지만 제2 주 표면은 형성하지 않을 수도 있다. 추가 대안으로서, 제2 부분은 멤브레인 시트(들)의 제1 및 제2 주 표면의 모두의 부분을 형성할 수도 있다. 제1 부분은 멤브레인 시트(들)의 제2 주 표면의 부분을 형성할 수도 있지만 제1 주 표면은 형성하지 않을 수도 있다. 대안적으로, 제1 부분은 멤브레인 시트(들)의 제1 주 표면의 부분을 형성할 수도 있지만 제2 주 표면은 형성하지 않을 수도 있다. 추가 대안으로서, 제1 부분은 멤브레인 시트(들)의 제1 및 제2 주 표면의 모두의 부분을 형성할 수도 있다. 바람직한 배열에서, 제1 부분은 제1 주 표면의 부분을 형성하고 제2 부분은 또한 제1 주 표면의 부분을 형성한다. 제1 부분 및 제2 부분이 동일한 주 표면의 부분을 형성하면, 제1 부분은 제2 부분을 형성하지 않는 주 표면의 잔여부를 형성할 수도 있다. 제1 부분과 제2 부분이 대향하는 주 표면의 부분을 형성하면, 제1 부분과 제2 부분은 중첩되지 않는다.

제1 및 제2 부분은 제1 및 제2 코팅으로 멤브레인 시트를 각각 코팅함으로써 형성될 수도 있다. 더 구체적으로, 제1 부분은 제1 코팅으로 멤브레인 시트의 관련 섹션을 코팅함으로써 형성될 수도 있고, 제2 부분은 제2 코팅으로 멤브레인의 관련 섹션을 코팅함으로써 형성될 수도 있다. 제2 코팅은 제1 코팅보다 더 얇을 수 있거나 상이한, 더 투과성 코팅 재료로 제조될 수 있다. 목적은 제1 부분보다 더 높은 공급물 유체의 주성분에 대한 투과도를 갖는 제2 부분을 제조하는 것이다. 제2 코팅은 제1 코팅과 상이한 조성을 가질 수도 있다.

제1 및/또는 제2 코팅은 하나 이상의 멤브레인 시트의 제2 주 표면에 도포될 수도 있지만 하나 이상의 멤브레인 시트의 제1 주 표면에는 도포되지 않을 수도 있다. 대안적으로, 제1 및/또는 제2 코팅은 하나 이상의 멤브레인 시트의 제1 주 표면에 도포될 수도 있지만 제2 주 표면에는 도포되지 않을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 및/또는 제2 코팅은 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 주 표면 및 제2 주 표면의 모두에 도포될 수도 있다. 몇몇 배열에서, 제1 코팅은 제1 주 표면에 도포될 수도 있고 제2 코팅은 제2 주 표면에 도포될 수도 있다(즉, 제2 부분이 제2 주 표면을 따라 연장되고/그 부분을 형성하고 제1 부분이 제1 주 표면을 따라 연장되고/그 부분을 형성하도록). 다른 대안적인 배열에서, 제1 코팅은 제2 주 표면에 도포될 수도 있고 제2 코팅은 제1 주 표면에 도포될 수도 있다(즉, 제2 부분이 제1 주 표면을 따라 연장되고/그 부분을 형성하고 제1 부분이 제2 주 표면을 따라 연장되고/그 부분을 형성하도록). 제1 코팅이 제2 코팅의 대향 주 표면에 도포되면, 제1 코팅에 의해 코팅된 영역은 제2 코팅에 의해 코팅된 영역과 중첩하지 않는다. 몇몇 배열에서, 제1 부분은 제1 코팅으로 멤브레인 시트의 관련 섹션을 코팅함으로써 형성될 수도 있고, 제2 부분은, 공급물 유체의 성분에 대한 선택도를 갖지 않지만 여전히 제1 주 표면(공급물 측)으로부터 제2 주 표면(투과물 측)으로의 분리되지 않은 공급물 유체의 유동을 조절하는 것이 여전히 가능한 코팅되지 않은 멤브레인 시트의 섹션일 수도 있다.

대안적으로, 제1 부분은 제1 멤브레인 재료로부터 제1 부분을 절단함으로써 형성될 수도 있고, 제2 부분은 제2 멤브레인 재료로부터 제2 부분을 절단함으로써 형성될 수도 있다. 제2 멤브레인 재료는 제1 멤브레인 재료보다 더 높은 주성분에 대한 투과도를 갖는다. 제1 멤브레인 재료는 제2 멤브레인 재료보다 더 높은 선택도를 가질 수도 있다. 제1 및 제2 부분은 함께 밀봉될 수도 있다. 예를 들어, 접착제를 사용한다. 이러한 배열에서, 제2 부분은 멤브레인 시트의 제1 및 제2 주 표면의 모두의 부분을 형성하고 제1 부분은 멤브레인 시트의 제1 및 제2 주 표면의 모두의 부분을 형성한다.

제2 부분은 제2 방향을 따라 멤브레인 시트의 제1 측면으로부터 이격된다. 멤브레인 시트의 제2 부분은 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 외부 에지를 따라 연장될 수도 있다. 제2 부분은 제2 측면의 적어도 일부를 따라 연장될 수도 있다. 제2 부분은 제2 측면에 의해 형성된 전체 에지를 따라 연장될 수도 있다. 제2 부분은 제1 방향을 따라 연장하는 그 길이를 갖는 스트립으로서 형성될 수도 있다. 제2 부분의 면적은 멤브레인 시트의 총 면적의 50% 미만, 통상적으로 멤브레인 시트의 총 면적의 20% 미만, 바람직하게는 멤브레인 시트의 총 면적의 15% 미만, 더 바람직하게는 멤브레인 시트의 총 면적의 10% 미만, 가장 바람직하게는 6% 미만이다. 바람직하게는, 제2 부분의 면적은 멤브레인 시트의 총 면적의 1% 내지 14%이다. 멤브레인 시트의 나머지 영역이 제1 부분을 형성한다. 이에 따라, 제2 부분은 제1 부분에 인접한다.

멤브레인의 제2 부분(스위프 생성 영역)의 면적은 넓은 범위에 걸쳐 변경될 수 있다. 스위프 생성 영역의 투과도는 또한 사용된 재료와 멤브레인의 두께를 변경함으로써 변경될 수 있다. 따라서, 스위프 효과의 크기는 멤브레인 제조 프로세스를 조정함으로써 쉽게 제어될 수 있다. 일단 멤브레인 모듈이 제조되면, 스위프 효과의 생성은 완전히 자동일 수 있고, 제어 밸브 등이 요구되지 않는다.

전술된 바와 같이 제1 및 제2 도관이 채용되는 실시예에서, 제2 부분은 제1 및 제2 측면의 모두로부터 이격될 수도 있다. 제2 부분은 제1 방향을 따라 연장하는 그 길이를 갖는 스트립으로서 형성될 수도 있다. 제2 부분은 제1 및 제2 측면의 모두로부터 등거리에 있을 수도 있다.

멤브레인 모듈은 하나 이상의 멤브레인 시트를 이격시키도록 구성된 하나 이상의 공급물 스페이서를 더 포함할 수도 있고, 각각의 공급물 스페이서는 출구로의 공급물 유체 및 잔류물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 정의하기 위한 것이다. 멤브레인 모듈은 하나 이상의 멤브레인 시트를 이격시키도록 구성된 하나 이상의 투과물 스페이서를 더 포함할 수도 있고, 각각의 투과물 스페이서는 도관으로의 투과물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 정의하기 위한 것이다.

투과물 스페이서 및 공급물 스페이서는 멤브레인 시트의 제1 및 제2 단부 및 제1 및 제2 측면에 각각 대응하는 제1 및 제2 단부 및 제1 및 제2 측면을 가질 수도 있다. 달리 말하면, 각각의 스페이서의 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격된다. 각각의 스페이서의 제1 측면은 제2 방향을 따라 제2 측면으로부터 이격되고, 제2 방향은 제1 방향에 대해 횡방향이다.

투과물 스페이서 및 공급물 스페이서는 투과성이다. 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따른 공급물 유체 및 잔류물 유체에 대한 유체 경로는 공급물 스페이서를 통한다. 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따른 투과물 유체에 대한 유체 경로는 투과물 스페이서를 통한다.

하나 이상의 멤브레인 시트의 제1 멤브레인 시트는, 공급물 스페이서가 제1 멤브레인 시트의 제1 주 표면에 인접하고 투과물 스페이서가 제1 멤브레인 시트의 제2 주 표면에 인접하도록 배열될 수도 있다. 공급물 스페이서는 통상적으로 제1 멤브레인 시트의 제1 주 표면과 직접 접촉하고 투과물 스페이서는 통상적으로 제2 멤브레인 시트의 제2 주 표면과 직접 접촉한다.

멤브레인 시트, 하나 이상의 공급물 스페이서 및 하나 이상의 투과물 스페이서는 적층 구성으로 배열될 수도 있고, 인접한 멤브레인 시트 사이의 각각의 공간은 공급물 스페이서 또는 투과물 스페이서에 의해 형성되고, 멤브레인 시트는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면이 공급물 스페이서와 접촉하고 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면이 투과물 스페이서와 접촉하도록 교번 배향으로 배열된다.

공급물 스페이서에 의해 이격된 인접한 멤브레인 시트는 제1 주 표면을 따라 공급물 유체 및 잔류물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 유체적으로 밀봉하도록 그 제1 주 표면(공급물 측)의 제1 및 제2 측면을 따라 밀봉될 수도 있다. 투과물 스페이서에 의해 이격된 인접한 멤브레인 시트는 제2 주 표면을 따라 투과물 유체를 위한 유체 경로를 유체적으로 밀봉하도록 그 제2 주 표면(투과물 측)의 그 제1 및 제2 단부 및 제2 측면을 따라 밀봉된다. 밀봉부는 예를 들어 o-링, 접착제 또는 열 밀봉을 사용함으로써 달성될 수도 있다. 공급물 스페이서는 또한 멤브레인 시트의 제1 및 제2 측면에 대응하는 제1 및 제2 측면을 따라 밀봉될 수도 있다. 유사하게, 투과물 스페이서는 또한 멤브레인 시트의 제1 및 제2 단부 및 제2 측면에 대응하는 그 제1 및 제2 단부 및 제2 측면을 따라 밀봉될 수도 있다. 하나의 선택적인 배열에서, 인접한 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 그 제1 및 제2 측면을 따라 함께 밀봉될 수도 있다. 유사하게, 인접한 멤브레인 시트의 제2 주 표면은 그 제1 및 제2 단부와 제2 측면을 따라 함께 밀봉될 수도 있다.

멤브레인 시트는 공급물 스페이서 주위에 절첩되어 이에 의해 한 쌍의 멤브레인 시트를 형성할 수도 있고, 여기서 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 공급물 스페이서에 인접한다. 달리 말하면, 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 서로 대면하고 그 사이의 공급물 스페이서에 의해 이격된다. 이러한 배열에서, 밀봉부는 한 쌍의 멤브레인 시트의 각각의 제1 측면 사이의 절첩부에 의해 제공된다.

각각의 공급물 스페이서는 제1 방향을 따라 유체의 유동을 지향시키도록 구성될 수도 있고, 각각의 투과물 스페이서는 제2 방향을 따라 유체의 유동을 지향시키도록 구성될 수도 있다. 공급물 및 투과물 스페이서는 유체의 유동을 지향하기 위한 홈을 가질 수도 있다. 예를 들어, 홈은 공급물 및 투과물 스페이서의 표면에 형성될 수도 있다. 공급물 스페이서 및 투과물 스페이서는 공급물 스페이서 내의 홈이 제1 방향을 따라 연장되고 투과물 스페이서 내의 홈이 제2 방향을 따라 연장되도록 배향될 수도 있다. 대안적으로, 공급물 및 투과물 스페이서는 유체의 유동을 지향하도록 주름질 수도 있다. 주름형 공급물 및 투과물 스페이서는 유체의 유동을 지향하기 위한 리지를 가질 수도 있다. 주름형 공급물 스페이서는 리지의 종방향이 제1 방향에 평행하도록 배향될 수도 있다. 주름형 투과물 스페이서는 리지의 종방향이 제2 방향에 평행하도록 배향될 수도 있다. 다른 대안으로서, 유체의 유동을 지향하기 위해, 공급물 스페이서 및 투과물 스페이서는 상이한 방향에서 상이한 투과성을 갖는 재료로 형성될 수도 있다. 이러한 투과성의 차이는 스페이서를 형성하는 데 사용되는 재료의 섬유의 직조에 의해 달성될 수도 있다. 공급물 스페이서는 고투과도 방향(즉, 낮은 유동 저항)이 제1 방향에 평행하도록 배향될 수도 있다. 투과물 스페이서는 고투과도 영역(즉, 낮은 유동 저항)이 제2 방향에 평행하도록 배향될 수도 있다.

스페이서는 대략 0.03 내지 0.06 인치의 두께를 가질 수도 있다. 스페이서는 수지로 함침될 수도 있고 이어서 표면을 평활화하거나 홈 형성되게 하도록 캘린더링될 수도 있는 직조 재료로 형성될 수도 있다.

공급물 및 투과물 스페이서는 통상적으로 멤브레인 시트와 동일한 영역에 걸쳐 연장된다. 직교류 멤브레인 모듈은 나선형 권취될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 도관은 제1 방향을 따라 연장하는 중앙 튜브이다. 하나 이상의 멤브레인 시트(들)는 제1 방향에 수직인 나선을 정의하기 위해 중앙 튜브 주위에 권취되어, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 측면이 제2 측면보다 중앙 튜브에 더 가깝게 된다. 중앙 튜브는 원통형 표면 및 그 사이에 루멘을 형성하는 제1 및 제2 말단 단부를 포함한다. 중앙 튜브는 원통형 표면에 하나 이상의 개구(들)를 포함하고, 하나 이상의 개구(들)는 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하도록 구성된다. 하나 이상의 개구(들)는 멤브레인 시트의 제1 측면과 유체 연통한다. 중앙 튜브는 하나 이상의 개구(들)에 의해 수용된 투과물 유체를 출력하도록 구성된 출구를 더 포함하고, 출구는 중앙 튜브의 제1 또는 제2 말단 단부에 있다.

하나 이상의 개구(들)는 서로로부터 이격될 수도 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 개구(들)는 제1 방향을 따라 이격된다. 제2 부분은 통상적으로 제1 방향에서 하나 이상의 개구(들)와 동일한 축방향 범위에 걸쳐 연장된다. 제2 부분은 제1 방향으로 하나 이상의 개구(들)와 중첩되고 통상적으로 직접 정렬된다.

중앙 튜브는 하나 이상의 개구(들)에 의해 수용되는 투과물 유체에 대한 유로를 제공하여, 제1 또는 제2 말단 단부에서 출구를 향해 외부로 튜브의 종방향을 따라 중앙 튜브의 루멘 내에서 유동한다.

직교류 멤브레인 모듈은 또한 플레이트-프레임 모듈일 수도 있다. 플레이트-프레임 모듈은 멤브레인 시트의 스택을 포함한다. 멤브레인 시트는 통상적으로 공급물 스페이서와 투과물 스페이서에 의해 서로로부터 분리된다. 공급물 스페이서 및 투과물 스페이서에 의해 분리된 멤브레인 시트의 스택은 프레임에 의해 함께 연결된 2개의 단부 플레이트 사이에서 압축될 수도 있다. o-링 밀봉부 또는 접착제 밀봉 층은 모듈 내에 유체를 포함하고 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면(공급물 측)에 있는 유체를 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면(투과물 측)에 있는 유체로부터 분리하는 데 사용될 수도 있다. 덕트는 모듈의 에지 주위에 제공되어 각각의 멤브레인 시트의 제1 및 제2 주 표면에서 유체를 도입하고 제거할 수도 있다.

본 발명은 또한 전술된 멤브레인 모듈의 멤브레인 시트의 제조 방법에 관한 것이다. 방법은 전구체 시트의 롤을 제공하는 단계, 전구체 시트의 롤의 제1 영역을 제1 코팅 용액으로 코팅하고, 전구체 시트의 롤의 제2 영역을 제2 코팅 용액으로 코팅하여 멤브레인 시트 롤을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 멤브레인 시트의 하나 이상의 롤(들)을 개별 멤브레인 시트로 분리하는 단계를 더 포함하고, 여기서 각각의 멤브레인 시트의 제1 부분은 멤브레인 시트의 롤의 제1 영역에 의해 형성되고 각각의 멤브레인 시트의 제2 부분은 멤브레인 시트의 롤의 제2 영역에 의해 형성되고, 각각의 멤브레인 시트의 제2 부분은 제1 부분보다 더 높은 주성분에 대한 투과도를 갖는다.

제1 코팅 용액은 제2 코팅 용액과 동일한 조성을 가질 수도 있다. 이 실시예에서, 제2 영역은 제1 영역보다 더 얇은 코팅 용액의 코팅을 가질 수도 있어, 제2 부분이 제1 부분보다 더 높은 투과도를 갖게 된다.

제1 코팅 용액은 제2 코팅 용액과 상이한 조성을 가질 수도 있다. 제1 코팅 용액은 제1 부분보다 더 낮은 주성분에 대한 투과성을 가질 수도 있다.

제1 코팅 용액으로 전구체 시트의 롤의 제1 영역을 코팅하는 단계 및 제2 코팅 용액으로 전구체 시트의 롤의 제2 영역을 코팅하는 단계는 제1 및 제2 주 표면의 모두에 대해 수행될 수도 있다. 대안적으로, 제1 코팅 용액으로 전구체 시트의 롤의 제1 영역을 코팅하는 단계 및 제2 코팅 용액으로 전구체 시트의 롤의 제2 영역을 코팅하는 단계는 제1 및 제2 주 표면의 모두에 대해 수행될 수도 있고 단지 제1 주 표면에 대해 수행될 수도 있다.

제1 영역과 제2 영역은 서로 인접할 수도 있다. 바람직하게는 제2 영역은 각각의 멤브레인 시트에서, 제2 부분이 스트립으로서 형성되고 제1 부분이 제2 부분의 양 측에 제공되도록 2개의 제1 영역 사이에 위치된다.

방법은 각각의 멤브레인 시트가 한 쌍의 멤브레인 시트(즉, 스페이서의 상부 측면의 멤브레인 시트 및 스페이서의 하부 측면의 멤브레인 시트)를 형성하도록 공급물 스페이서 주위에 각각의 멤브레인 시트를 절첩하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 공급물 스페이서에 인접한다. 달리 말하면, 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 서로 대면하고 그 사이의 공급물 스페이서에 의해 이격된다.

방법은 2개의 멤브레인 시트를 그 제1 측면을 따라 함께 밀봉하고 그 사이에 공급물 스페이서를 위치설정하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 공급물 스페이서에 인접한 멤브레인 시트의 표면은 제1 주 표면이다.

제1 영역을 코팅하는 단계와 제2 영역을 코팅하는 단계는 동시에 수행될 수도 있다.

코팅 단계는 코팅 용기에서 멤브레인 시트의 롤을 제1 및 제2 용액과 접촉시킴으로써 수행될 수도 있고, 코팅 용기는 분리기에 의해 서로로부터 유체적으로 분리된 제1 및 제2 섹션을 갖고, 제1 섹션은 제1 코팅 용액을 포함하고 제2 섹션은 제2 코팅 용액을 포함한다. 방법은 제2 부분의 위치 및 크기를 조정하기 위해 분리기의 위치를 이동시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 코팅 용기의 제2 섹션은 코팅 용기의 2개의 제1 섹션 사이에 위치된다.

제1 영역을 코팅하는 단계와 제2 영역을 코팅하는 단계는 개별 단계에서 수행될 수도 있다.

본 발명의 다른 양태는 주성분 및 부성분을 포함하는 공급물 유동으로부터 부성분을 분리하기 위해 전술된 직교류 멤브레인 모듈을 사용하는 방법에 관한 것이다. 방법은 주성분 및 부성분을 포함하는 공급물 유체를 입구를 통해 그리고 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동시키는 단계를 포함할 수도 있다. 방법은 멤브레인 시트를 가로질러 공급물 유체를 투과물 유체 및 잔류물 유체로 분리하는 단계를 더 포함할 수도 있고, 잔류물 유체는 공급물 유체보다 더 낮은 농도의 부성분을 갖고 투과물 유체는 공급물 유체보다 더 높은 농도의 부성분을 갖는다. 멤브레인 시트를 가로질러 공급물 유체를 분리하는 단계는 투과물 유체의 제1 부분을 생성하기 위해 멤브레인 시트의 제1 부분을 가로질러 공급물 유체를 분리하고 투과물 유체의 제2 부분을 생성하기 위해 멤브레인 시트의 제2 부분을 가로질러 공급물 유체를 분리하는 단계를 포함할 수도 있다. 방법은 직교류 멤브레인 모듈로부터 도관을 통해 투과물 유체를 출력하고 직교류 멤브레인 모듈로부터 출구를 통해 잔류물 유체를 출력하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 공급물 유체는 메탄 및 이산화탄소를 포함할 수도 있고, 여기서 메탄은 주성분이고 이산화탄소는 부성분이어서 방법은 메탄으로부터 이산화탄소를 분리하는 방법이 된다. 대신에, 공급물 유체는 질소 및 이산화탄소를 포함할 수도 있고, 여기서 질소는 주성분이고 이산화탄소는 부성분이어서 방법은 질소로부터 이산화탄소를 분리하는 방법이 된다.

본 발명의 더 양호한 이해를 위해 그리고 본 발명이 어떻게 실행될 수도 있는지를 나타내기 위해, 이제 단지 예로서 첨부 도면을 참조할 것이다.
도 1은 대향류, 직교류 및 병류(co-flow) 멤브레인 모듈의 공지의 구성의 개략도이다.
도 2는 달성될 수 있는 분리가 압력비 제어되는 공지의 멤브레인 모듈의 분리 효율을 입증하는 예시적인 계산을 포함하는 개략도이다.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (d)는 외부에서 스위프 가스 유동을 생성하는 공지의 대향류 멤브레인 모듈 구성의 개략도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 미국 특허 제4687578호로부터의 개략도이고 내부에서 생성된 스위프 유동을 채용하는 공지의 중공 섬유 멤브레인 모듈을 도시하고 있다.
도 5는 미국 특허 제6740140호의 개략도이고 내부에서 생성된 스위프 유동을 채용하는 공지의 중공 섬유 멤브레인 모듈을 도시하고 있다.
도 6의 (a) 내지 도 6의 (c)는 압력비 제한 영역 내에 있는 분리에 대한 모듈 유동 구성의 영향을 입증하는 예시적인 계산을 포함하는 개략도이다. 도 6의 (a)는 직교류 멤브레인 모듈을 도시하고 있고, 도 6의 (b)는 대향류 멤브레인 모듈을 도시하고 있고, 도 6의 (c)는 외부에서 생성된 스위프 유동을 채용하는 대향류 멤브레인 모듈을 도시하고 있다.
도 7의 (a) 내지 (c)는 압력비 제한 영역의 부분적으로 외부에 있는 분리에 대한 모듈 유동 구성의 영향을 입증하는 예시적인 계산을 포함하는 개략도이다.
도 8은 각각의 멤브레인 시트가 제1 및 제2 부분을 갖는 본 발명에 따른 멤브레인 시트를 형성하기 위해 사용될 수 있는 코팅 프로세스의 개략도이다.
도 9는 각각의 멤브레인 시트가 제1 및 제2 부분을 갖는 본 발명에 따른 멤브레인 시트를 형성하기 위해 사용되는 멤브레인 코팅 프로세스의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 직교류 멤브레인 모듈을 형성하는 데 사용되는 프로세스의 부분의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 직교류 멤브레인 모듈을 형성하는 데 사용되는 프로세스의 부분의 개략도이다.
도 12는 본 발명을 이해하기 위해 유용한 다층 복합 멤브레인의 도면이다.
도 13의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤브레인 시트의 개략도이다.
도 14의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤브레인 시트의 개략도이다.
도 15의 (a)는 모듈이 플레이트-프레임 모듈로서 구성된 본 발명의 직교류 모듈의 사시도의 개략도이다.
도 15의 (b)는 도 15의 (a)에 도시되어 있는 플레이트-프레임 모듈의 단면도이다.
도 16의 (a), (b) 및 (c)는 모듈이 플레이트-프레임 모듈로서 구성된 본 발명의 직교류 모듈의 사시도의 개략도이다.
도 16의 (a)(i), (b)(i) 및 (c)(i)는 각각 도 16의 (a), (b) 및 (c)에 도시되어 있는 플레이트-프레임 모듈의 단면도이다.
도 17의 (a) 및 (b)는 모듈이 나선형 권취 모듈로서 구성되고 멤브레인 시트 및 중앙 튜브를 포함하는 본 발명의 직교류 모듈의 분해도이다.
도 17의 (c)는 멤브레인 시트가 중앙 튜브 주위에 부분적으로 권취되어 있는 도 17의 (a) 및 (b)의 모듈의 사시도이다.
도 17의 (d)는 멤브레인 시트가 중앙 튜브 주위에 완전히 권취되어 있는 중앙 튜브의 말단 단부로부터 도 17의 (a), (b) 및 (c)의 모듈의 단면도이다.
도 18의 (b)는 멤브레인 시트가 도 18의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이 구성되어 있는 멤브레인 시트의 총 면적의 분율로서 섹션 부분의 멤브레인 면적에 대한 투과물 유체의 CO₂ 농도의 그래프이다.

본 발명 전에는, 스위프 유체가 대향류 모듈의 성능을 향상시키기 위해 모듈의 잔류물 단부에서 도입되는 도 3, 도 4, 도 5 및 도 7과 유사한 형태를 갖고, 스위프 유체를 채용하는 모듈이 대향류 중공 섬유 모듈에 적용되었다. 본 발명의 모듈 구성은 내부에 생성된 스위프 유체를 직교류 모듈로 사용한다. 멤브레인 또는 특허 문헌에 설명된 스위프 디자인은 대향류 디자인에 제한되었다. 본 발명자들은 직교류 모듈에 적용된 스위프 구성이 예기치 않게 분리 성능의 상당한 개선을 생성하고 내부 스위프를 구비한 직교류 모듈이 특히 바람직하다는 것을 발견했다. 본 발명에서, 스위프 유체 유동은 공급물 유체의 일부를 투과물 유체에 투과시킴으로써 제어된다. 이에 따라, 스위프 유체가 내부에서 생성된다. 멤브레인 시트를 갖는 직교류 멤브레인 모듈에서 내부에서 생성된 스위프를 사용하는 것은 놀라운 기술적 효과를 야기한다. 본 발명은 평탄 시트 멤브레인을 사용하여 형성된 멤브레인 모듈, 특히 나선형 권취된 또는 플레이트-프레임 모듈에 특히 적합하다.

멤브레인 시트 형성

본 발명은 평탄 시트 멤브레인을 포함하는 모듈의 사용에 초점을 맞추고 있다. 평탄 시트 멤브레인은 나선형 권취된 또는 플레이트-프레임 모듈로 형성될 수도 있다. 모듈을 제조하는 데 사용되는 멤브레인은 통상적으로 40 내지 60 인치 폭 및 수백 미터 길이의 연속 롤로서 일반적으로 제조된다. 분리를 수행하는 데 사용되는 선택 층은 일반적으로 얇고 섬세하며, 따라서 거의 모든 멤브레인은, 기계적 강도를 제공하는 강력한 부직포 지지 페이퍼의 롤 상에 멤브레인이 형성되는 코팅 또는 주조/침전 프로세스에 의해 제조된다. 예를 들어, ["Membrane Technology and Applications", Richard Baker, John Wiley ed., (2012)]에 설명된 바와 같이 이들 멤브레인을 준비하기 위해 다양한 코팅 및 주조 절차가 사용된다. 본 발명은 임의의 특정 유형의 멤브레인에 한정되지 않으며, 통상의 기술자는 본 발명에 필요한 멤브레인 시트를 제조하기 위해 공지의 멤브레인 생산 기술을 수정하는 것이 가능할 것이다.

예로서, 도 8은 본 발명에서 사용되는 제1 및 제2 부분을 갖는 멤브레인 시트를 제조하기 위해 종래의 코팅 프로세스가 어떻게 적용될 수 있는지를 도시하고 있다. 도 8에서, 지지 멤브레인의 롤은 공급 롤(801)로부터 취해져서 코팅 용기(806) 아래 및 코팅 롤(809) 위로 견인된다. 코팅 용액을 분배하는 데 사용되는 코팅 용기(806)는 제2 섹션(804)의 양 측에 위치된 제1 섹션(905)을 갖고, 여기서 섹션(804, 805)은 분리기(댐)(810, 811)에 의해 서로로부터 분리된다. 분리기(810, 811)는 얇다. 제1 섹션(805)은 제1 코팅 용액을 포함하고 제2 섹션(804)은 제2 코팅 용액을 포함한다. 코팅 용기 아래를 통과할 때 페이퍼 필름 상에 2개의 코팅 영역이 생성된다. 제1 영역(807)은 코팅 용액(805)으로 코팅되고 멤브레인 시트의 제1 부분을 형성한다. 제2 영역(808)은 코팅 용액(804)으로 코팅되고 제2 부분을 형성한다. 제2 코팅 용액은 제1 코팅 용액보다 더 높은 주성분에 투과도를 갖는다. 결과적으로, 제2 부분은 특히 주성분에 대해, 제1 부분보다 더 높은 투과도를 갖는다. 제1 부분은 제2 부분보다 더 높은 선택도를 갖는다.

제1 및 제2 영역(807, 808)의 코팅은 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면에서만 수행될 수도 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 영역(807, 808)의 코팅은 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면 및 제2 주 표면의 모두에서 수행될 수도 있다.

분리기/댐(810, 811)의 위치를 이동시킴으로써, 제2 부분(고투과도 멤브레인)의 스트립의 위치 및 크기가 멤브레인의 일 측으로부터 다른 측으로 변경될 수 있다. 멤브레인의 이 부분/영역을 통한 투과물의 플럭스는 코팅 용액의 조성과 스트립의 영역을 조정함으로써 쉽게 제어된다.

도 8에 도시되어 있는 예시적인 장치에서, 멤브레인의 양 부분은 동일한 코팅 작업으로 형성되었다. 그러나, 멤브레인의 하나의 부분을 먼저 형성하고, 이어서 제2 작업에서 제2 부분을 형성하는 것이 더 쉬울 수도 있다. 양 옵션 모두 본 발명에 포함된다.

본 발명의 멤브레인 시트를 제조하는 데 사용될 수도 있는 것을 표현하는 제2 유형의 멤브레인 코팅 장치가 도 9에 도시되어 있다. 이러한 유형의 장비는 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 다층 복합 멤브레인 시트인 멤브레인 시트를 제조하는 데 사용된다. 복합 멤브레인 시트는 기계적 강도를 제공하는 미공성 지지부(1201)와 선택적 멤브레인을 구성하는 다수의 코팅 층으로 구성되는 다층 구조체이다. 제1 층은 매우 고투과도이지만 비선택적 재료로부터 제조되는 거터 층(1202)이다. 거터 층(1202)은 투과물을 지지 멤브레인의 공극으로 안내하는 역할을 하고, 또한 선택 층(1203)이 코팅될 수 있는 평활한 표면을 제공한다. 선택 층(1203)은 이어서 모듈 준비 또는 사용 중에 손상으로부터 선택 층을 보호하는 역할을 하는 고투과도 폴리머의 최종 보호 층(1204)으로 코팅된다.

이러한 멤브레인 시트를 제조하는 데 사용될 수도 있는 장치가 도 9에 도시되어 있다. 지지 페이퍼(901) 롤은 먼저 거터 층 도포기(906)를 통과하고 그 후에 멤브레인이 오븐(907) 내에서 건조된다. 멤브레인은 이어서 선택 층이 도포되는 선택 층 도포기로 통과되고, 그 후 멤브레인은 오븐(903) 내에서 다시 건조된다. 마지막으로, 멤브레인은 오븐(905) 내에서 건조되기 전에 도포기(904)로 보호 층으로 코팅된다.

이 장치에 사용되는 코팅 용기 중 하나 이상은 필요한 상이한 투과 특성을 갖는 멤브레인 영역을 생성하도록 도 10의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이 수정될 수 있다. 2개의 테플론 플레이트(914, 915)는 강철 롤링 바아 주위에 꼭 맞게 끼워지도록 성형되고 코팅 용기를 2개의 섹션으로 분할하는 역할을 하여, 상이한 멤브레인이 이동 지지부 상에 코팅될 수 있게 한다.

도 8 및 도 9에 도시되어 있는 프로세스에 의해 생성된 멤브레인 시트의 제2 부분(고투과도 영역)은 멤브레인 시트를 따라 연속 스트립으로서 형성된다. 구성되는 멤브레인 모듈의 구성에 따라, 스트립의 섹션은 원하는 경우 테이프 또는 다른 수단으로 커버함으로써 차단될 수도 있다.

멤브레인 모듈의 구성

도 8 및 도 9의 설명에서, 롤의 일 에지를 따라 멤브레인의 스트립으로서 형성된 제2 부분(즉, 고투과도 영역)으로 멤브레인 롤을 제조하는 방법이 설명되었다. 이러한 멤브레인 롤은 도 10이 도시하고 있는 바와 같이 다수의 방식으로 함께 조립될 수도 있는 멤브레인 시트로 절단 및 제조될 수 있다.

도 10의 (a)에서, 멤브레인의 시트는 일 에지를 따라 고투과도 멤브레인의 스트립(즉, 제2 부분)(1006)을 갖는 고선택도 멤브레인으로 구성된 롤로부터 절단된다. 제2 부분(1006)이 아닌 멤브레인 시트의 잔여부(즉, 고선택도의 영역)는 제1 부분(1005)을 형성한다. 도 10의 (b)와 도 10의 (c)는 멤브레인의 2개의 시트가 어떻게 측면 에지를 따라 함께 밀봉될 수도 있는지를 도시하고 있다. 도 10의 (b)에서, 이는 접착 테이프(1020)를 사용하여 행해지지만, 에폭시 또는 우레탄 접착제가 추가로 또는 대신에 사용될 수 있다. 도 10의 (b)에서, 제2 부분(고투과도 스트립)(1006)은 멤브레인 시트가 결합되는 에지에 횡방향으로 연장된다. 도 10의 (c)에서, 멤브레인 시트는 제2 부분(고투과도 스트립)의 대향 에지에서 결합된다. 멤브레인 모듈을 위해 멤브레인 시트를 함께 적층하는 예시적인 방법은 미국 특허 제8,661,648호에 설명되어 있다. 마지막으로, 멤브레인 시트를 절단하고 도 10의 (d)에 도시되어 있는 바와 같이 종축(1010)을 따라 절첩하는 것도 또한 가능하다. 제2 부분(고투과도의 영역)(1006)은 종축(1010)에 횡방향인 방향을 따라 절첩부(1021)로부터 이격된다. 특히, 제2 부분(1006)은 절첩부(1021)에 대향한다. 공급물 스페이서(1040)가 멤브레인 시트(1000)의 주 표면을 따라 유체 경로를 제공하기 위해 절첩부에 의해 형성된 공간 내에 또는 밀봉된 멤브레인 시트 사이의 공간 내에 제공된다. 멤브레인은 멤브레인 시트(1000)가 스페이서 피드(1040)의 양 측에 제공되도록 공급물 스페이서(1040) 주위에서 절첩될 수도 있다.

도 11은 그 종축(1120)을 따라 멤브레인의 직사각형 시트를 절단하고 이어서 횡방향(1130)을 따라 멤브레인 시트를 절첩함으로써 다수의 멤브레인 시트(1100)가 함께 조립될 수 있는 것을 도시하고 있다. 절첩부(1121)는 이어서 바람직하게 제2 부분(멤브레인의 고투과도 영역)(1106)에 수직이다. 공급물 스페이서(1140)가 멤브레인 시트(1100)의 주 표면을 따라 유체 경로를 제공하기 위해 절첩부에 의해 형성된 공간 내에 제공된다.

멤브레인 시트(1000, 1100)가 공급물 스페이서(1040, 1140) 주위에 절첩될 때, 이는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면이 공급물 스페이서에 인접하는 한 쌍의 멤브레인 시트를 형성하는 것으로 고려될 수도 있다. 달리 말하면, 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 서로 대면하고 그 사이의 공급물 스페이서(1240, 1340)에 의해 이격된다. 한 쌍의 멤브레인 시트는 멤브레인 인벨로프(membrane envelope)로 고려될 수도 있다.

멤브레인 시트(1000, 1100)는 도 16 및 도 17에 도시되어 있는 바와 같이 모듈로, 통상적으로 나선형 권취된 또는 플레이트-프레임 모듈로 조립된다. 이들 모듈은 가스 분리 및 투과증발 용례에서 널리 사용된다. 나선형 권취 모듈은 통상적으로 원통형 압력 용기 내에 격납된다. 공지의 모듈에서, 투과물 유체에 대한 유체 경로를 에워싸는 전체 멤브레인 시트(1000, 1100)는 동일한 선택적 멤브레인으로 제조될 것이다. 본 발명에서, 멤브레인 시트(1000, 1100)의 부분(제2 부분(1006, 1106))은 멤브레인 시트의 나머지보다 훨씬 더 높은 평균 투과도를 갖는다. 제2 부분(1006, 1106)은 또한 더 낮은 선택도를 가질 것이다. 그 더 높은 투과도 및 더 낮은 선택도 때문에, 멤브레인 시트의 제2 부분(1006, 1106)을 투과하는 유체에 의해 투과물 유체에 대한 유로에서 스위프 효과가 생성된다.

멤브레인 모듈의 구성

제1 실시예에 따른 멤브레인 시트(1300)를 위한 구성은 공급물 및 잔류물 유체를 위한 유로 및 투과물을 위한 유로와 함께 도 13의 (a) 및 (b)에 도시되어 있다. 제2 실시예에 따른 멤브레인 시트(1400)를 위한 구성은 공급물 및 잔류물 유체를 위한 유로 및 투과물을 위한 유로와 함께 도 14의 (a) 및 (b)에 도시되어 있다. 도 13에 도시되어 있는 구성을 갖는 멤브레인 시트는 직교류 나선형 권취 또는 플레이트-프레임 모듈에 통합될 수 있다. 도 14에 도시되어 있는 구성을 갖는 멤브레인 시트는 플레이트-프레임 모듈에 통합될 수 있다. 각각의 멤브레인 시트(1300, 1400)에 대해, 멤브레인 시트(1300, 1400)의 제2 단부(1302, 1402)는 제1 방향(1350, 1450)을 따라 제1 단부(1301, 1401)로부터 이격된다. 멤브레인 시트(1300, 1400)의 제2 측면(1304, 1404)은 제1 방향(1350, 1450)에 횡방향인 제2 방향을 따라 제1 측면(1303, 1403)으로부터 이격된다. 투과물 유체의 제2 부분을 위한 유로는 참조 번호 1307, 1407로 표기된 화살표에 의해 표시된다. 공급물 및 잔류물 유동을 위한 유로는 참조 번호 1380, 1480으로 표기된 화살표에 의해 표시된다. 도 13 및 도 14에 도시되어 있는 예시적인 구성에서, 멤브레인 시트(1300, 1400)의 제1 주 표면을 따라 유동하는 공급물 유체는 도면에서 하부로부터 상부로인 제1 방향(1350, 1450)을 따라 일반적으로 직선 경로를 따른다. 도 13 및 도 14의 구성에서 투과물 유동은 공급물 유체 및 잔류물 유체의 유동에 횡방향인(더 구체적으로는 수직) 방향(즉, 도면에서 우측으로부터 좌측으로 및/또는 좌측으로부터 우측으로)에 있다. 투과물 유체는 공급물 유체 및 잔류물 유체로부터 대향 주 표면을 따라 유동한다. 도 13 및 도 14에서, 공급물 및 잔류물 유체는 상부 주 표면을 따라 유동하고 투과물은 하부 잔류물 표면을 따라 유동한다.

제2 부분(1306, 1406)은 멤브레인의 나머지(제1 부분(1305, 1405))보다 상당히 더 높은 공급물 유체의 주성분에 대한 투과도, 및 바람직하게는 더 낮은 선택도를 갖는다. 도 13의 (b) 및 도 14의 (b)의 측면도는 고투과도 부분(제2 부분(1306, 1406))의 존재로 인한 투과물 유체를 위한 유동 패턴을 도시하고 있다.

도 13의 (a)에 도시되어 있는 구성에서, 제2 부분(1306)(멤브레인 시트의 고투과도 영역)은 제2 측면(1304)의 외부 에지를 따라 연장되고 스트립으로서 형성된다. 특히, 제2 부분(1306)은, 제1 방향(1350)에서의 축방향 범위가 제1 방향(1350)에서의 멤브레인 시트(1300)의 길이와 동일하도록 제2 측면(1304)에 의해 형성된 전체 외부 에지를 따라 연장된다.

제2 부분(1306)을 통해 관통하는 공급물 유체에 의해 생성된 투과물 유체의 부분인 투과물 유체의 제2 부분은 화살표(1307)를 따라 제1 측면을 향해 유동한다. 투과물 유체(1307)의 제2 부분은 멤브레인 시트(1300)의 제1 부분(1305)을 가로질러 분리에 의해 생성된 투과물 유체의 인접 부분보다 더 낮은 투과 부성분의 농도를 갖는다. 투과물 유체(1307)의 제2 부분은 화살표(1360)로 표기된 투과물 유체의 인접 부분과 혼합되어 화살표(1360)로 표기된 투과물 유체의 부성분의 농도의 희석 및 결과적으로 투과를 위한 구동력 증가를 야기한다. 생성된 혼합 유체는 제1 측면에 더 가까운 투과물 유체(1361, 1362)의 부분에 동일한 희석 효과를 갖고 따라서 또한 멤브레인의 이 영역에서 투과를 위한 구동력의 증가를 야기한다. 구동력의 이러한 증가의 전체적인 결과는 총 투과물(1363)이 스위프 효과가 없을 때보다 상당히 더 크다는 것이다. 이어지는 예에서, 본 출원인은 이 스위프 효과의 영향이 2배 이상만큼 멤브레인 시트(1300)를 통한 유체 투과를 증가시킬 수 있다는 것을 보여줄 것이다. 본 출원인은 또한 매우 놀랍게도, 스위프 효과가 투과물 순도를 증가시킬 수 있다는 것을 보여줄 것이다.

도 14에 도시되어 있는 제2 실시예에서, 제2 부분은 제1 방향을 따라 연장하고 제1 및 제2 측면 사이에 위치된 스트립으로서 형성된다. 제2 부분은 제1 방향을 따라 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하는 길이를 갖는다. 이 배열의 제2 부분은 선택적으로 제1 측면과 제2 측면 사이에서 등거리에 있다.

제2 부분(1406)을 통해 관통하는 공급물 유체에 의해 생성된 투과물 유체의 부분인 투과물 유체의 제2 부분은 화살표(1407)를 따라 제1 및 제2 측면(1403, 1404)을 향해 유동한다(즉, 투과물 유체(1407)의 제2 부분의 일부는 제1 측면(1403)을 향해 유동하고 투과물 유체(1407)의 제2 부분의 제2 부분은 제2 측면(1404)을 향해 유동함). 통상적으로, 투과물 유체의 대략 절반은 좌측으로, 다른 절반은 우측으로 유동한다. 투과물 유체(1407)의 제2 부분은 멤브레인 시트(1400)의 제1 부분(1405)을 가로질러 분리에 의해 생성된 투과물 유체의 인접 부분보다 더 낮은 투과 부성분의 농도를 갖는다. 투과물 유체(1407)의 제2 부분은 화살표(1462)로 표기된 투과물 유체의 인접 부분과 혼합되어 화살표(1462)로 표기된 투과물 유체의 부성분의 농도의 희석 및 결과적으로 투과를 위한 구동력 증가를 야기한다. 생성된 혼합 유체는 제2 부분(1406)으로부터 더 멀리 있는 투과물 유체(1462)의 부분에 동일한 희석 효과를 갖고 따라서 또한 멤브레인의 이 영역에서 투과를 위한 구동력의 증가를 야기한다. 도 13과 관련하여 전술된 바와 같이, 구동력의 이러한 증가의 전체적인 결과는 총 투과물이 스위프 효과가 없을 때보다 상당히 더 크다는 것이다.

도관(도면에 도시되어 있지 않음)은 멤브레인 시트의 제1 측면(1303, 1403)에 인접하고 유체 연통할 것이다. 도관(1409)은 투과물 유체를 수용하도록 구성된 개구(들)/구멍(들)을 포함한다. 도관 내의 개구(들)/구멍(들)의 축방향 범위는 제1 방향(1350, 1450)에서 제2 부분(1306, 1406)의 축방향 범위와 동일하다. 도관은 제2 방향을 따라 제2 부분(1306)으로부터 이격/대향할 것이다.

도 15의 (a)는 플레이트-프레임 모듈로서 형성된 본 발명의 직교류 멤브레인 모듈(1)의 사시도이다. 도 15의 (b)는 모듈(1)의 멤브레인 시트(1500)의 평면도이다. 모듈(1)은 하우징(10)을 포함한다. 하우징(10)은 제1 방향을 따라 제2 단부(12)로부터 이격된 제1 단부(11)를 포함한다. 하우징(10)은 제1 방향(1550)에 횡방향인 제2 방향을 따라 제2 측면(14)으로부터 이격된 제1 측면(13)을 포함한다. 모듈(1)은 적층 구성으로 배열된 복수의 멤브레인 시트(1500), 공급물 스페이서(1540) 및 투과물 스페이서(1560)를 포함한다. 인접한 멤브레인 시트(1500) 사이의 각각의 공간은 공급물 스페이서(1540) 또는 투과물 스페이서(1560)에 의해 형성된다. 멤브레인 시트(1500)는 각각의 멤브레인 시트(1500)의 제1 주 표면이 공급물 스페이서(1540)와 접촉하고 각각의 멤브레인 시트(1500)의 제2 주 표면이 투과물 스페이서(1560)와 접촉하도록 교번 배향으로 배열된다. 공급물 스페이서(1540) 및 투과물 스페이서(1560)는 각각의 멤브레인 시트(1500) 사이의 유체의 유동을 위한 경로를 정의한다. 멤브레인 시트(1500)는 본 출원에 설명된 임의의 것, 특히 도 14의 (b) 내지 도 14(e)에 도시되어 있는 구성일 수도 있다. 멤브레인 시트(1500)는 공급물 스페이서(1540) 주위에서 절첩되어 멤브레인 시트의 쌍을 형성할 수도 있고, 각각의 멤브레인 시트의 쌍에 대해, 제1 주 표면은 그 사이의 공급물 스페이서(1540)에 의해 분리된다. 공급물 스페이서(1540)의 양 측면의 제1 주 표면은 제1 주 표면을 따라 공급물 스페이서(1540)를 통한 유체 경로를 정의하도록 그 제2 측면(1504)을 따라 밀봉될 수도 있다.

투과물 스페이서(1560)는 각각의 멤브레인 시트(1500)의 제2 주 표면에 인접하여 제공된다. 투과물 스페이서(1560)는 공급물 스페이서(1540) 주위에 절첩된 각각의 멤브레인 시트(1500)의 쌍을 후속하는 멤브레인 시트(1500)의 쌍으로부터 분리한다. 각각의 멤브레인 시트(1500)의 제2 주 표면(투과물 측)은 제2 주 표면을 따라 투과물 스페이서(1560)를 통해 도관(1509)으로 유체 경로를 형성하기 위해 그 제2 측면(1504), 제1 단부(1501) 및 제2 단부(1502)를 따라 밀봉될 수도 있다. 밀봉은 예를 들어 테이프, 밀봉 유체, 열 밀봉, o-링 또는 밀봉 층으로 달성될 수도 있다. 제2 주 표면의 제1 측면(1503)은 도관(1509)과 유체 연결되도록 개방된다(즉, 밀봉되지 않음).

도 15의 (a)에 도시되어 있는 배열에서, 공급물 스페이서(1540) 및 투과물 스페이서(1560)는 주름형이다. 주름형 공급물 스페이서(1540)는 리지의 종방향이 제1 방향에 평행하게 연장하도록 배열된다. 리지는 유로를 정의하여 이에 의해 제1 방향을 따라 유동을 지향시킨다. 주름형 투과물 스페이서(1560)는 리지의 종방향이 제2 방향에 평행하게 연장하도록 배열된다. 리지는 유로를 정의하여 이에 의해 제2 방향을 따라 유동을 지향시킨다.

멤브레인 시트(1500)가 공급물 스페이서(1540) 주위에 절첩되어 있는 배열은 멤브레인 인벨로프인 것으로 고려될 수도 있다. 일련의 멤브레인 인벨로프가 생성되고 이어서 하나가 다른 하나의 상부에 적층되고, 투과물 스페이서(1560)가 개재될 수도 있다. 50 내지 100개 정도의 인벨로프가 하우징(10) 내에 격납될 수 있다.

입구(15)가 하우징(10)의 제1 단부(11)에 제공되고 출구(16)가 하우징(10)의 제2 단부(12)에 제공된다. 입구(15)는 각각의 멤브레인 시트(1500)의 제1 주 표면(공급물 측)의 제1 단부(1501)와 유체 연통한다. 출구(16)는 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제1 주 표면(공급물 측)의 제2 단부(1602)와 유체 연통한다. 각각의 멤브레인 시트(1500)의 제1 주 표면과 입구(15)와 출구(16) 사이에서의 유체 연통을 달성하기 위해 덕트가 채용될 수도 있다. 공급물 스페이서(1540) 및 투과물 스페이서(1560)에 의해 정의된 유체 경로의 내부 구성이 보여질 수 있게 하기 위해 덕트는 이 도면에는 도시되어 있지 않다.

전체 배열은 큰 책의 일반적인 형태이다. 도 15의 (a)에 도시되어 있는 실시예에서, 도관(1509), 입구(15) 및 출구(16)는 제1 단부(11)에 근접한 입구(15), 제2 단부(12)에 근접한 출구 및 제1 측면에 근접한 도관과 함께 하우징의 외부면에 위치된다. 도관은 제1 단부(11)와 제2 단부(12) 사이에 등거리로 이격된다. 이는 통상적으로 3 포트 모듈로 고려된다.

사용시에, 공급물 유체는 제1 방향(1550)을 따라 인접한 멤브레인 시트(1500) 사이에서 공급물 스페이서(1540)에 의해 정의된 유체 경로를 통해(즉, 공급물 스페이서(1540)를 통해) 입구(15)로부터 출구(16)를 향해 멤브레인 시트(1500)의 하나의 주 표면을 따라 통과한다. 공급물 유체의 일부는 각각의 멤브레인 시트(1500)를 통해 투과되고 투과물 유체라 칭한다. 투과물 유체는 공급물 유체로부터 대향 주 표면(즉, 제2 주 표면)을 따라 이동한다. 투과물 유체의 제1 부분은 멤브레인 시트(1500)의 제1 부분(1505)을 통과하는 공급물 유체에 의해 생성되고 투과물 유체의 제2 부분은 멤브레인 시트(1500)의 제2 부분(1506)을 통과하는 공급물 유체에 의해 생성된다. 제2 부분(1506)은 제1 부분(1505)보다 더 큰 주성분에 대한 투과도를 갖고, 따라서 투과물 유체의 제2 부분은 더 높은 주성분의 농도를 갖는다. 제2 부분은 제1 단부(11)를 향해 이동한다. 따라서, 제2 부분은 투과물 유체의 제1 부분 내의 부성분의 농도(즉, 스위프 효과)를 희석하여 이에 의해 멤브레인 시트(1500)를 가로지르는 분리를 위한 구동력을 증가시킨다. 도관(1509)은 멤브레인의 제1 측면(1503)에 인접한다. 각각의 멤브레인 시트(1500)의 제2 주 표면의 제1 측면(1503)은 도관(1509)에 인접한 멤브레인 시트(1500)의 개방 에지이다. 달리 말하면, 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면의 제1 측면(1503)은 밀봉되지 않는다. 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면의 제1 및 제2 단부는 예를 들어 테이프 또는 밀봉 유체로 밀봉될 수도 있다. 도관(1509)은 구멍/개구를 통해 투과물 유체를 수용하고 모듈(1)로부터 투과물 유체를 출력한다.

도 15의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이, 멤브레인 시트(1500)는 제2 부분(1506)이 제2 측면에 의해 형성된 외부 에지를 따라 연장되도록 구성될 수도 있다. 제2 부분(1506)은 제2 방향을 따라 제1 측면으로부터 이격된다. 제2 부분(1506)은 제2 측면의 전체 길이에 걸쳐 연장된다. 제2 부분(1506)은 제1 방향을 따라 연장하는 그 길이를 갖는 스트립으로서 형성된다.

도 16의 (a) 및 도 16의 (b)는 본 발명에 따라 형성된 플레이트-프레임 모듈(2)의 단순화된 사시도이다. 도 16의 (a)(i) 및 도 16(b)(i)는 그 내의 멤브레인 시트(1600) 중 하나의 구성을 예시하기 위한 도 16의 (a) 및 (b)의 모듈의 섹션의 평면도이다. 도 16의 (a) 및 (b)에 도시되어 있는 모듈에서, 다수의 멤브레인 시트(1600)는 그 사이에 공급물 스페이서(1640) 및 투과물 스페이서(1660)를 갖고 서로 상하로 적층된다. 특히, 공급물 스페이서(1640)는 도 12 및 도 13과 관련하여 설명된 바와 같이, 멤브레인 시트(1600)가 절첩부의 양 측에 있도록 멤브레인의 절첩부 내에 배치될 수도 있다. 그 사이에 공급물 스페이서(1640)를 갖는 50 내지 100개의 쌍의 정도의 멤브레인 시트(1600)가 하우징(20)에 격납될 수 있다. 공급물 스페이서(1640) 및 투과물 스페이서(1660)는 도 15와 관련하여 설명된 바와 같이 구성된다.

하우징(20)은 도 16의 (a) 및 도 16의 (b)에서 실린더로서 형성된다. 하우징은 제1 방향(1650)을 따라 제1 단부(21)로부터 이격된 그 제2 단부(22) 및 제1 방향에 횡방향인 제2 방향을 따라 그 제1 측면(23)으로부터 이격된 그 제2 측면(24)을 갖는다. 입구(25)가 하우징(20)의 제1 단부(21)에 제공되고 출구(26)가 하우징(20)의 제2 단부(22)에 제공된다. 입구(25)는 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제1 단부(1601)와 유체 연통한다. 출구(26)는 각각의 멤브레인 시트(1500)의 제2 단부(1602)와 유체 연통한다.

도 16의 (a)에 도시되어 있는 실시예에서, 도 16의 (a)(i)에 도시되어 있는 바와 같이, 그 내의 멤브레인 시트는 전술되어 있는 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 구성된다. 전술된 바와 같이, 멤브레인 시트(1600)는 멤브레인 시트(1600)의 제2 측면(1604)에 의해 형성된 외부 에지를 따라 연장하는 제2 부분(1606)을 각각 갖는다. 도관(1609)이 하우징(20)의 제1 측면(23)에 제공된다. 도관(1609)은 각각의 멤브레인 시트(600)의 제1 측면(1603)에 인접한다. 도관(1609)은 투과물 유체의 수용을 위한 개구/구멍을 갖는다.

도 16의 (a)에 도시되어 있는 실시예에서, 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제1 주 표면은 그 제1 및 제2 측면(1603, 1604)을 따라 밀봉되어 공급물 스페이서(도시되어 있지 않음)를 통한 제1 주 표면을 따라 입구(25)로부터 출구(26)까지의 유체 경로를 정의할 것이다. 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제2 주 표면은 그 제1 단부(1601), 제2 단부(1602) 및 제2 측면(1604)을 따라 밀봉되어 투과물 스페이서(도시되어 있지 않음)를 통해 도관(1609)으로의 제2 주 표면을 따른 유체 경로를 정의할 것이다. 제2 주 표면의 제1 측면(1603)은 도관(1509)과 유체 연결되도록 개방된다(즉, 밀봉되지 않음).

도 16의 (b)에 도시되어 있는 실시예에서, 도 16의 (a)(i)에 도시되어 있는 바와 같이, 그 내의 멤브레인 시트는 전술되어 있는 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 구성된다. 전술된 바와 같이, 멤브레인 시트(1600)는 제1 및 제2 측면(1603, 1604)의 모두로부터 이격된 제2 부분(1606)을 각각 갖는다. 제2 부분(1606)은 멤브레인 시트의 제1 및 제2 단부(1601, 1602) 사이에서 제1 방향을 따라 연장하는 스트립으로서 형성된다. 제2 부분(1606)은 제1 및 제2 측면(1603, 1604) 사이에 대략 등거리로 이격된다.

이 실시예에서, 2개의 도관이 있다. 제1 도관(1609)은 하우징(20)의 제1 측면(1603)에 제공되고 제2 도관(1609')은 하우징(24)의 제2 측면에 제공되어 제1 및 제2 도관(1609, 1609')이 제2 방향을 따라 이격되게 된다. 제1 도관(1609)은 멤브레인 시트(1600)의 제1 측면(1603)에 인접하여 유체 연통하고, 제2 도관(1609')은 멤브레인 시트(1600)의 제2 측면(1604)에 인접하여 유체 연통한다. 제1 및 제2 도관(1609, 1609')의 모두는 투과물 유체의 수용을 위한 개구/구멍을 갖는다.

도 16의 (b)에 도시되어 있는 실시예에서, 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제1 주 표면은 그 제1 및 제2 측면(1603, 1604)을 따라 밀봉되어 공급물 스페이서(도시되어 있지 않음)를 통한 제1 주 표면을 따라 입구(25)로부터 출구(26)까지의 유체 경로를 정의할 것이다. 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제2 주 표면은 그 제1 단부(1601) 및 제2 단부(1602)를 따라 밀봉되어 투과물 스페이서(도시되어 있지 않음)를 통해 제1 및 제2 도관(1609, 1609')으로의 제2 주 표면을 따른 유체 경로를 정의할 것이다. 제2 주 표면의 제1 측면(1603) 및 제2 측면(1604)은 각각 제1 도관(1509) 및 제2 도관(1609')과 유체 연결되도록 개방된다(즉, 밀봉되지 않음).

도 16의 (b)에 도시되어 있는 실시예의 경우, 사용시에, 공급물 유체는 제1 방향(1650)을 따라 인접한 멤브레인 시트(1600) 사이에서 공급물 스페이서(도시되어 있지 않음)에 의해 정의된 유체 경로를 통해 입구(25)로부터 출구(26)를 향해 멤브레인 시트(1600)의 제1 주 표면을 따라 통과한다. 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제1 주 표면의 제1 및 제2 측면(1603, 1604)은 제1 주 표면을 따라 공급물 유체 및 잔류물 유체에 대한 유체 경로를 유체 밀봉하도록 밀봉된다. 공급물 유체의 일부는 각각의 멤브레인 시트(1600)를 통해 투과되고 투과물 유체라 칭한다. 투과물 유체는 멤브레인 시트(1600)의 제2 주 표면(즉, 공급물 및 잔류물 유체가 그를 따라 유동하는 주 표면에 대향하는 멤브레인 시트(1600)의 주 표면)을 따라 이동한다. 투과물 유체의 제1 부분은 멤브레인 시트의 제1 부분(1605)을 통과하는 공급물 유체에 의해 생성되고 투과물 유체의 제2 부분은 멤브레인 시트(1600)의 제2 부분(1606)을 통과하는 공급물 유체에 의해 생성된다. 제2 부분(1606)은 제1 부분(1605)보다 더 큰 주성분에 대한 투과도를 갖고, 따라서 투과물 유체의 제2 부분은 더 높은 주성분의 농도를 갖는다. 투과물 유체의 제2 부분의 대략 절반은 제1 측면(23)을 향해 이동하고 투과물 유동의 제2 부분의 다른 절반은 화살표(1607)에 의해 표시된 바와 같이 제2 측면(24)을 향해 이동한다. 따라서, 투과물 유체의 제2 부분은 투과물 유체의 제1 부분 내의 부성분의 농도(즉, 스위프 효과)를 희석하여 이에 의해 멤브레인 시트(1600)를 가로지르는 분리를 위한 구동력을 증가시킨다. 전술된 바와 같이, 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제2 주 표면의 제1 및 제2 측면(1603, 1604)은 개방되어 멤브레인 시트(1600)의 제2 주 표면의 제1 및 제2 측면(1603, 1604)이 도관(1609)과 유체 연통하게 된다. 각각의 멤브레인 시트(1600)의 제2 주 표면의 제1 및 제2 단부(1601, 1602)는 투과물 유체를 위한 투과물 스페이서(도시되어 있지 않음)에 의해 정의된 유체 경로를 밀봉하기 위해 테이프 또는 접착제로 밀봉될 수도 있다. 도관(1609, 1609')은 투과물 유체를 수용하고 모듈(2)로부터 투과물 유체를 출력한다.

도 17의 (a) 내지 (d)는 나선형 권취 모듈로서 형성된 본 발명의 직교류 멤브레인 모듈을 도시하고 있다. 도 17의 (a) 및 (b)는 모듈(3)의 분해도이다. 이러한 모듈은 가스 분리 및 투과증발 용례를 위해 매우 유용하다. 이러한 배열에서, 멤브레인 시트(1700)는 분해도로 인해 도시되어 있지 않지만, 제1 방향에 수직인 나선을 정의하기 위해 도관(1709) 주위에 권취될 것이다. 그러나, 이 분해도에서, 멤브레인 시트(1700)는 풀린 상태로 도시되어 있다. 그 사이의 공급물 스페이서(1740) 및 투과물 스페이서(1760)의 존재로 인해 각각의 멤브레인 시트(1700) 사이에 유체 유동을 위한 공간이 있다. 멤브레인 시트(1700)는 공급물 스페이서(1740) 위에서 절첩되어 한 쌍의 멤브레인 시트를 형성할 수도 있고, 여기서 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 공급물 스페이서(1740)에 인접한다. 달리 말하면, 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 서로 대면하고 그 사이의 공급물 스페이서(1740)에 의해 이격된다. 한 쌍의 멤브레인 시트는 투과물 스페이서(1760)에 의해 인접한 멤브레인 시트의 쌍으로부터 분리될 수도 있고, 여기서 각각의 투과물 스페이서(1760)는 멤브레인 시트(1700)의 제2 주 표면에 인접한다. 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면은 제1 주 표면을 따라 공급물 유체 및 잔류물 유체에 대한 유체 경로를 정의하기 위해 그 제1 측면(1703) 및 제2 측면(1704)을 따라 밀봉될 수도 있다. 이러한 배열에서, 제1 측면(1703)을 따른 밀봉부는 한 쌍의 멤브레인 시트(1700)의 각각의 제1 측면(1703) 사이의 절첩부에 의해 제공된다. 각각의 멤브레인 시트(1700)의 제2 주 표면은 그 제1 단부(1701), 제2 단부(1702) 및 제2 측면(1704)을 따라 밀봉되어 제2 주 표면을 따라 투과물 유체를 위한 유체 경로를 정의할 수도 있다. 도 17의 (b)는 더 많은 멤브레인 시트(1700), 공급물 스페이서(1740) 및 투과물 스페이서(1760)가 존재하기 때문에 도 17의 (a)와는 상이하다. 공급물 스페이서(1740)는 유체의 유동을 제1 방향으로 지향시키도록 구성된다. 투과물 스페이서(1760)는 유체의 유동을 제2 방향으로 지향시키도록 구성된다. 스페이서에 의한 유체의 유동 방향은 상이한 방향에서 상이한 투과성을 갖는 재료의 스페이서를 형성함으로써 달성된다. 이러한 투과성의 차이는 스페이서를 형성하는 데 사용되는 재료의 섬유의 직조에 의해 달성된다. 공급물 스페이서는 고투과도 방향(즉, 낮은 유동 저항)이 제1 방향에 평행하도록 배향된다. 투과물 스페이서는 고투과도 영역(즉, 낮은 유동 저항)이 제2 방향에 평행하도록 배향된다.

도관(1709)은 제1 방향(1750)을 따라 연장하는 중앙 튜브이다. 중앙 튜브(1709)는 원통형 표면(1770) 및 그 사이에 루멘을 형성하는 제1 및 제2 말단 단부(1771, 1772)를 포함한다. 중앙 튜브는 원통형 표면에 개구(1773)를 포함한다. 개구는 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하도록 구성된다. 개구는 멤브레인 시트(1700)의 제1 측면(1703)과 유체 연통한다. 개구(1773)는 멤브레인 시트의 제2 부분(1706)과 정렬된다.

도관(1709)은 하나 이상의 개구(들)에 의해 수용된 투과물 유체를 출력하도록 구성된 출구(1774)를 더 포함하고, 여기서, 출구는 중앙 튜브(1771, 1772)의 제1 또는 제2 말단 단부에 있다. 출구는 도 17에서 중앙 튜브(1771)의 제1 말단 단부에 선택적으로 도시되어 있다.

도관(1709) 내의 개구/구멍(1773)은 제1 방향(1750)을 따라 이격된다. 도관(1709) 내의 개구/구멍(1773)의 축방향 범위는 멤브레인 시트(1700)의 제2 부분(1706)의 축방향 범위와 중첩된다. 특히, 도관 내의 개구/구멍(1773)의 축방향 범위는 멤브레인 시트(1700)의 제2 부분(1706)의 축방향 범위와 동일하다. 개구/구멍(1773)의 축방향 범위 및 제2 부분(1706)의 축방향 범위는 제1 방향(1750)에서 멤브레인 시트(1700)의 길이와 동일할 수도 있다. 통상적으로, 도관(1709)은 제1 방향(1750)에서 멤브레인 시트(1700)의 길이를 연장하는 도관(1709)의 전체 축방향 범위에 걸쳐 개구를 갖는다.

제2 부분(1706)은 스트립으로서 형성된다. 제2 부분(1706)은 제1 측면(1703)으로부터 이격된다. 제2 부분(1706)은 멤브레인 시트의 제2 측면(1704)에 의해 형성된 전체 외부 에지를 따라 연장된다. 달리 말하면, 제2 부분(1706)은 제2 방향을 따라 도관(1709)에 대향한다.

도 17의 (c)는 나선형 권취 모듈로서 구성된 본 발명의 직교류 멤브레인 모듈(3)의 부분적 권취 버전을 도시하고 있다. 도 17의 (d)는 나선형 권취 모듈로서 구성된 본 발명의 직교류 멤브레인 모듈(3)의 권취 버전의 단면도를 도시하고 있다. 하우징은 도시되어 있지 않다. 도관(1709)은 제1 방향(1750)을 따라 연장하는 중앙 튜브이다. 멤브레인 시트(1700)는 제1 방향(1750)에 수직인 나선을 정의하기 위해 중앙 튜브(1709) 주위에 권취되어, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 측면(1703)이 제2 측면(1704)보다 중앙 튜브(1709)에 더 가깝게 된다.

사용시에(즉, 멤브레인 시트(1700)가 나선을 형성하기 위해 도관/중앙 튜브(1709) 주위에 감긴 상태로), 공급물 유체는 제1 단부(1701)에서 모듈(3)에 진입하고 제1 주 표면을 따라, 즉, 점선 화살표(200)에 의해 표시된 바와 같이 제1 단부(1701)로부터 제2 단부(1702)까지 멤브레인 시트(1700) 사이에 공급물 스페이서(1740)에 의해 형성된 공간 내를 통과한다. 공급물 유체는 각각의 멤브레인 시트(1700)를 가로질러 분리되고 멤브레인 시트(1700)를 통과하는 부분은 투과물 유체이다. 투과물 유체는 멤브레인 시트(1700)의 제1 주 표면과 대향하는(즉, 투과물 스페이서(1760)에 의해 형성된 공간 내에서) 각각의 멤브레인 시트(1700)의 제2 주 표면을 따라 이동한다. 투과물 유체의 이동 방향은 도 17의 (c)에서 화살표(220)에 의해 도시되어 있다. 잔류물 유체는 각각의 멤브레인 시트(1700)의 제1 주 표면을 따라 통과하고 따라서 화살표(200)와 동일한 경로를 따른다. 달리 말하면, 잔류물 유체는 공급물 유체와 동일한 주 표면을 따라 통과하고 투과물 유체는 반대쪽 주 표면을 따라 통과한다. 화살표(220)에 의해 도시되어 있는 바와 같이, 투과물 유체의 제2 부분의 유동은 제2 측면(1704)의 제2 부분으로부터 제1 측면(1703)의 도관(1709)의 개구/구멍(1773)으로이고, 따라서 제2 측면(1704)으로부터 제1 측면(1703)으로의 방향이다(즉, 투과물 유체의 유동은 공급물 유체 및 잔류물 유체의 유동에 대해 횡방향임)(즉, 제1 방향(1750)에 대해 횡방향임). 따라서, 투과물 유체의 제2 부분은 투과물 유체의 제1 부분을 희석한다. 이 희석은 멤브레인 시트(1700)를 가로지르는 분리를 위한 구동력을 증가시킨다. 도 17의 (c)에서, 멤브레인 시트의 부분은 아래의 공급물 스페이서(1740)를 표시하기 위해 시야로부터 숨겨져 있다. 이 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 공급물 스페이서(1740) 및 투과물 스페이서(1760)는 멤브레인 시트(1700)와 대략 동일한 길이 및 폭을 갖는다.

제1 단부(1701)로부터 나선형 권취 직교류 모듈의 단면도가 도 17의 (d)에 도시되어 있다. 이 도면으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 공급물 스페이서(1740)는 멤브레인 시트(1700)의 제1 주 표면을 따른 공급물 유체 및 잔류물 유체의 이동을 위한 유체 경로를 정의하는 공간을 제공한다. 투과물 스페이서(1760)는 멤브레인 시트(1700)의 제2 주 표면을 따른 투과물 유체의 이동을 위한 유체 경로를 정의하는 공간을 제공한다. 달리 말하면, 공급물 유체 및 잔류물 유체는 공급물 스페이서(1740)를 통해 유동하고 투과물 유체는 투과물 스페이서(1760)를 통해 유동한다. 화살표는 멤브레인 시트를 따라 그리고 중앙 튜브/도관(1709)을 향해 그리고 내로 내향으로 나선형으로 투과물 유체의 이동을 표시한다.

도 17의 (a)는 공급물 스페이서(1740) 주위에 감긴 멤브레인 시트(1700)를 도시하고 있다. 스페이서(1740) 주위에 감긴 멤브레인 시트(1700)는 멤브레인 인벨로프로 고려될 수도 있다. 산업용 나선형 권취 모듈에서, 다수의 멤브레인 인벨로프가 도 17의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이 사용된다. 생산 프로세스에서, 도관(1709)이 회전하여 도관(1709) 주위에 멤브레인 시트(1700)를 권취하고, 회전함에 따라 에폭시 접착제와 같은 밀봉제가 멤브레인 시트(1700)의 제2 주 표면의 제1 단부(1701)와 제2 단부(1702)를 따라 도포된다. 일단 멤브레인 시트(1700)가 도관(1709) 주위에 권취되면, 밀봉제는 멤브레인 시트(1700)의 제1 및 제2 주 표면의 제2 측면(1704)을 따라 또한 도포된다. 밀봉제는 멤브레인 시트(1700)의 표면을 따라 투과물 유체의 유로로부터 공급물 유체의 유로를 분리하는 밀봉부를 형성한다. 밀봉제는 또한 투과물 스페이서(1760)의 제1 및 제2 단부와 공급물 및 투과물 스페이서(1740, 1760)의 제2 측면에 도포될 수도 있다. 도 17의 (b)에 가장 양호하게 도시되어 있는 바와 같이, 나선형 권취 모듈의 외부 층(도 17의 (b)에서 스택의 하부 층에 도시되어 있음)을 형성하는 투과물 스페이서(1760)는 제1 방향에서 다른 투과물 스페이서(1760) 및 공급물 스페이서(1740)보다 길고 도관(1709)에 부착된다. 도관(1709)이 회전함에 따라, 멤브레인 시트(1700), 투과물 스페이서(1740, 1760)가 도관(1709) 주위에 권취된다. 나선형 권취 모듈의 내부 층을 형성하는 투과물 스페이서(1760)(도 17의 (b)에서 스택의 상부에 도시되어 있음)는 외부 층을 형성하는 투과물 스페이서(1760)에 밀봉된다.

본 발명을 예시하기 위한 예

다양한 프로세스에 대한 본 발명의 적용을 예시하기 위해 다수의 예가 이하에 제공된다. 이들 계산은 미분 요소 컴퓨터 프로그램을 사용하여 이루어졌다.

예 1. 멤브레인 성능에 대한 투과물 직교류 스위프 유동의 영향

도 18의 (b)는 전술된 도 13에 도시되어 있는 것과 동일한 도 18의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이 구성된 1 m² 멤브레인 시트(1800)로 획득된 계산된 성능을 도시하고 있다. 멤브레인 시트(1800)는 제1 방향(1850)을 따라 이격된 제1 및 제2 단부(1801, 1802) 및 제1 방향(1850)에 횡방향인 제2 방향을 따라 이격된 제1 및 제2 측면(1803, 1804)을 갖는다. 제2 부분(1806)은 선택적 멤브레인으로 형성되지만, 제1 부분(1805)보다 더 높은 주성분에 대한 투과도를 갖는다. 제2 부분(1806)은 제2 측면(1804)에 의해 형성된 외부 에지를 따라 연장된다. 제2 부분(1806)은 제1 방향(1850)으로 연장하는 그 길이를 갖는 스트립이다. 멤브레인 시트(1800)의 잔여부는 제2 부분(1806)보다 더 낮은 주성분에 대한 투과도를 갖는 선택적 멤브레인으로 형성된 제1 부분(1805)이다. 공급물 유체의 유동은 제1 방향(1850)을 따라 제1 단부(1801)로부터 제2 단부(1802)로이다. 투과물 유체의 유동은 제2 방향을 따른다(즉, 횡방향, 특히 공급물 유체의 유동에 수직). 공급물 유체 및 잔류물 유체는 제1 주 표면을 따라 유동한다. 투과물 유체는 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면을 따라 유동한다.

제2 부분은 4,800 gpu의 CO₂ 투과도와 600 gpu의 N₂ 투과도, 8의 CO₂/N₂ 선택도를 갖는 실리콘 고무(PDMS)로 제조된 얇은 멤브레인이다. 제1 부분은 1,800 gpu의 CO₂ 투과도 및 60 gpu의 N₂ 투과도(30의 CO₂/N₂ 선택도)를 갖는 Membrane Technology and Research, Inc.(MTR)에 의해 제조된 Polaris CO₂/N₂ 선택적 멤브레인이다. 이 예에서, 제2 부분(1806)(고투과도 스트립)의 N₂ 투과도는 제1 부분(1805)(멤브레인 시트의 잔여부)의 N₂ 투과도보다 10배 더 크다.

이들 계산은 프로세스의 미분 요소 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 수행되었다.

이러한 예의 세트에서, 멤브레인 시트(1800)의 제2 부분(1806)의 면적은 0 내지 30%로 변경된다. 계산된 성능은 이하의 표 1에 나타낸다. 제2 부분의 면적이 0으로 설정될 때, 멤브레인은 1.0 m² 면적의 단순 Polaris 직교류 모듈로서 수행한다. 이 직교류 모듈의 공급물 유량이 0.76 scfm으로 설정되면, 멤브레인은 6.0% CO₂를 함유하는 처리된 잔류물 가스를 생성하고 투과물 가스는 38.8% CO₂를 함유한다.

[표 1]

고투과도 스위프 멤브레인의 멤브레인 면적의 변동

상기 표 1에 나타낸 예에 대한 데이터는 도 18에 도시되어 있다. 다이아몬드 형상의 점을 갖는 상부 라인은 제2 부분(1806)의 면적에 따른 투과물 CO₂ 농도의 변동을 나타낸다. 정사각형 형상의 점을 갖는 하부 라인은 제2 부분(1806)의 면적에 따른 공급물 유량의 변동을 나타낸다. 제2 부분의 면적이 0%로부터 증가함에 따라, 투과물 CO₂ 농도가 감소할 것으로 예상되었다. 그러나, 제2 부분(1806)의 면적이 멤브레인 시트(1800)의 총 면적의 1% 내지 14%일 때, 투과물 CO₂ 농도는 놀랍게도 실제로 제2 부분(1806)이 없는 것보다(즉, 스위프 효과 없음) 더 크다. 이에 따라, 멤브레인 시트(1800)의 총 면적의 1% 내지 14%의 면적을 갖는 제2 부분(1806)을 제공함으로써 멤브레인 시트의 성능이 놀랍게도 개선된다. 제2 부분(1806)이 멤브레인 시트(1800)의 총 면적의 대략 4%일 때 스위프 효과로 인한 멤브레인 성능의 가장 큰 개선이 달성된다.

제2 부분(1806)이 멤브레인 시트(1800)의 총 면적의 4%일 때, 공급물 가스의 유량은 1.13 scfm으로 거의 50%만큼 증가될 수 있고 투과물 CO₂ 농도는 또한 38.8% CO₂로부터 40.9%로 증가한다. 멤브레인 시트는 처리된 잔류물 가스에서 여전히 6%의 CO₂를 생성한다.

제2 부분(1806)의 면적이 멤브레인 시트(1800)의 총 면적의 14%일 때, 공급물 가스의 유량은 대략 1.7 scfm으로 증가될 수 있는데, 이는 제2 부분(1806)이 없는(즉, 스위프 효과 없음) 멤브레인 시트에 대한 공급물 가스의 유량의 2배 초과이고, 투과물 CO₂ 농도는 여전히 38.8%로 유지된다. 멤브레인 시트는 처리된 가스에서 여전히 6%의 CO₂를 생성한다.

제2 부분(1806)의 면적이 멤브레인 시트(1800)의 총 면적의 30%로 증가될 때, 공급물 가스의 유량은 대략 2.24 scfm으로 증가될 수 있는데, 이는 제2 부분(1806)이 없는(즉, 스위프 효과 없음) 멤브레인 시트에 대한 공급물 가스의 유량의 거의 3배이고, 투과물 CO₂ 농도는 여전히 34.53%로 충분하다. 멤브레인 시트는 처리된 가스에서 여전히 6%의 CO₂를 생성한다.

따라서, 스위프 효과를 생성하는 제2 부분(1806)을 제공함으로써, 동일한 투과물 농도를 갖는 프로세스가 유량의 2배 초과에서 실행될 수 있다. 이는 멤브레인 시트의 총 면적이 절반 미만으로 감소될 수 있는 것을 의미한다. 따라서, 유량을 증가시키는 것이 더 효율적인 멤브레인 모듈을 제공하기 때문에 바람직하며, 이는 이어서 동일한/유사한 분리를 달성하면서 더 작은 멤브레인 시트가 사용될 수 있게 한다.

따라서, 도 18은 대향류 스위프 모듈과는 상이한 본 발명의 직교류 스위프 모듈의 특유한 특징을 도시하고 있다. 대향류 스위프 모듈에서, 스위프의 사용은 투과를 위한 구동력을 변경함으로써 멤브레인 플럭스의 상당한 증가를 생성할 수 있지만, 최종 투과물에서 투과 성분의 농도는 항상 감소한다. 프로세스 개발자는 투과물 농도의 감소에 대한 멤브레인 플럭스 개선을 균형화함으로써 필요한 스위프의 양을 선택한다. 대조적으로, 본 발명에서, 스위프가 사용될 때 투과물 농도의 초기 증가, 뿐만 아니라 투과물 플럭스의 증가 존재한다. 실제로, 이 직교류 모듈에서, 제2 부분의 면적이 총 면적의 1% 내지 14%일 때 투과 성분의 농도가 증가한다. 스위프의 유동이 증가하면, 플럭스는 계속 증가하고 투과물 농도는 증가하고, 이어서 정체하다가, 마지막으로 낮아지기 시작한다. 제2 부분의 면적이 총 면적의 0%인 점과 제2 부분의 면적이 총 면적의 14%인 점 사이의 영역(즉, 스위프가 0인 점(100% 직교류 경우) 및 스위프가 투과물 농도를 100% 직교류 투과물 CO₂ 농도 값으로 되돌리기에 충분히 큰 점)은 스위프 유동에 대해 바람직한 동작 영역이다. 모든 지점에서, 이 영역에서, 스위프 효과는 스위프 효과가 없는 단순 직교류 모듈의 것보다 큰 부성분의 플럭스와 투과물 농도의 모두를 상승시킨다. 이 동작 영역에서, 대향류 스위프 동작에서 발생하는 멤브레인 플럭스와 투과물 농도 사이의 절충은 발생하지 않는다.

제2 부분의 면적이 총 면적의 12%로 증가되면, 유량은 초기 가스 유동의 2배 초과인 1.58 scfm으로 더욱 더 증가될 수 있고, 반면 멤브레인은 여전히 처리된 가스에서 6% CO₂를 생성하고, 투과물 CO₂ 농도는 여전히 스위프 없이 획득된 값을 초과한다. 이들 결과는 내부 투과물 스위프의 사용에 의해 분리 성능의 매우 상당한 개선이 발생한 것을 나타낸다.

예 2

상기 예 1에서 내부 투과물 스위프 효과는 약 8의 CO₂/N₂ 투과도를 갖는 PDMS 멤브레인으로 형성된 제2 부분에 의해 생성되었다. 본 발명은 제2 부분에 대한 멤브레인 유형에 한정되지 않는다. 멤브레인 시트의 제2 부분에 요구되는 주요 특성은, 비교적 작은 스위프 멤브레인 면적(스위프 멤브레인 면적은 제2 부분의 면적임)으로부터 가스의 높은 플럭스를 생성하기 위해 멤브레인 시트의 제1 부분(주요 부분)보다 더 낮은 선택도 및 공급물 가스 혼합물에 대한 더 높은 투과도를 갖는다는 것이다. 제2 부분이 또한 수행되는 분리에 대해 선택적이면, 이는 유익하지만, 요구되는 것은 아니다.

표 2는 예 1과 동일한 멤브레인 구성의 계산된 성능을 나타내지만, 제2 부분(1806)의 면적이 총 멤브레인 면적의 12%에서 고정된다는 점에서 상이하다. 제2 부분(1806)(스위프 영역)의 N₂ 투과도는 예 1 값에서 다시 제1 부분(1805)(주 영역)의 10배로 고정되지만, 제2 부분(1806)의 CO₂ 투과도는 제2 부분(1806)의 멤브레인 선택도를 변화시키기 위해 변경된다. 표 2의 계산의 제1 행은 멤브레인 시트(1800)의 제2 부분(1806)이 PDMS 특성, 4,800 gpu의 CO₂ 투과도 및 8의 CO₂/N₂ 선택도를 가질 때의 멤브레인 성능을 나타내고 있다. 다른 행은 제2 부분의 CO₂/N₂ 선택도를 8로부터 1의 선택도를 갖는 완전 비선택적 멤브레인으로 감소시키는 영향을 나타내고 있다. 제2 부분의 선택도를 감소시키는 것은 투과물 가스의 CO₂ 농도를 감소시키고 모듈이 분리할 수 있는 가스의 체적에 대한 스위프의 효과를 감소시키지만, 획득된 전체 결과는 여전히 매우 양호하다.

[표 2]

고투과도 스위프 멤브레인의 선택도의 변동

상기 표 2에 나타낸 예에 대해 스위프 효과가 없는 100% 직교류 모듈에 대한 멤브레인 모듈 플럭스에 대해 플롯팅된 CO₂ 농도 플롯이 도 19에 도시되어 있다. 축 상에 표기된 점은 제2 부분이 없는(즉, 스위프 영역이 없음) 100% 직교류 모듈의 성능을 나타내고 있다. 이 모듈은 38.8% CO₂의 농도의 투과물을 생성한다. 멤브레인 플럭스 및 CO₂ 투과물 농도의 변화는 8, 4, 2 및 1의 CO₂/N₂ 선택도를 갖는 멤브레인에 대해 플롯팅된다. 8의 농도 선택도로 마킹된 경우는 표 2에 나타낸 농도 곡선과 동일하다. 다른 곡선은 상이한 선택도에서 투과물 농도를 나타내고 있다. 도면에 도시되어 있는 4개의 점은 표 2에 나타낸 계산을 위한 데이터 점이고, 여기서 제2 부분의 면적은 총 면적의 12%로 고정되어 있다.

도 19는 도 18에서와 같이, 투과물 농도가 초기에 증가된 스위프 유동에 따라 증가하고 이어서 낮아지는 것을 도시하고 있다. 이 예기치 않은 결과는 직교류 모듈의 스위프에 의해 생성되고 그 결과 도 19에 A로 표기된 영역이 가장 바람직한 성능 영역을 나타낸다. 이 영역에서, 멤브레인 플럭스는 100% 직교류 데이터보다 최대 2배 더 높지만, CO₂ 농도는 직교류 비-스위프 모듈의 농도보다 높다.

예 3

변화될 수 있는 다른 성능 변수는 멤브레인 시트(1800)를 가로지르는 압력비이다. 예 1 및 2에서, 압력비는 5.5 (1.1 bar/0.2 bar)로 설정되고 사용된 멤브레인은 30의 선택도를 갖는 MTR의 Polaris 멤브레인이다. 이들 계산의 조건 하에서, Polaris 멤브레인은 모듈 전체에 걸쳐 압력비 제한된 제어 영역 내에 있다. 스위프 효과 없이, 모듈의 공급물 단부에서 최대 투과물 농도는 식 5에서 66% CO₂(12% CO₂×1.1 bar/0.2 bar)로, 투과물 단부에서 33% CO₂(6% CO₂×1.1 bar/0.2 bar)로 제공된다. 투과물 압력이 0.1 bar로 감소될 때, 모듈의 제1 단부(1801)는 압력비 영역 외부에 있고, 모듈은 CO₂ 공급물 가스가 모듈을 통해 유동하고 CO₂가 제거되고 가스 내의 CO₂의 농도가 낮아짐에 따라 압력비 영역 외부로부터 내부로 전이한다. 모듈의 제2 단부에서, 가스는 압력비 제어 영역(6% CO₂×1.1 bar/0.1 bar) 내에 있다.

투과물 압력이 0.05 bar로 감소될 때, 압력비는 22이고 멤브레인 모듈은 모듈 전체에 걸쳐 압력비 영역 외부에 있다. 표 3은 동일한 제2 부분으로 멤브레인 성능에 대한 압력비에 대한 이들 변화의 영향을 예시하고 있고, 제2 부분의 면적은 멤브레인 시트의 총 면적의 12%이다. 압력비가 증가하고 모듈이 압력비 제어 영역으로부터 더 멀리 이격하여 이동함에 따라, 스위프에 의해 생성된 플럭스의 증가는 더 작아진다. 그러나, 22의 압력비에서도, 전체 모듈이 압력비 제어 영역 외부에 있을 때, 멤브레인 시트를 통한 플럭스의 유용한 증가가 획득된다.

[표 3]

공급물/투과물 압력비의 변동

예 4

전술된 예 1 내지 3에서, 본 발명은 CO₂/N₂에 대해 선택적인 멤브레인을 사용하여 예시되었지만, 본 발명은 광범위한 가스 분리 및 투과증발 문제에 적용될 수 있다. 표 4는 예를 들어, 천연 가스로부터 헬륨을 분리하기 위한 멤브레인 프로세스에 대해 수행된 몇몇 계산을 나타내고 있다. 다수의 천연 가스 스트림은 소량의 헬륨을 함유한다. 헬륨은 공급이 부족하고 매우 가치가 있기 때문에, 가스를 분리하는 것은 가치가 있다. 극저온 응축 및 분별 증류가 일반적으로 사용된다. 헬륨 농도를 증가될 수 있고 따라서 멤브레인 분리 유닛이 헬륨 예비 농축기로서 사용되면 이들 프로세스의 비용이 상당히 감소될 수 있다.

표 4는 통상적인 분리 문제를 나타내고 있다. 천연 가스(대부분 메탄)는 고압 상태이며 1%의 헬륨을 함유한다. 100의 범위에서 높은 헬륨/메탄 선택도를 갖는 다수의 멤브레인이 공지되어 있다. 분리의 목적은 25의 압력비인 저압(4 bar) 투과물 스트림으로 헬륨의 90%를 제거하는 것이다. 전체 모듈은 압력비 제한 영역 내에 편리하게 있다. 멤브레인은 1,000 gpu의 헬륨 투과도를 갖는 제2 부분(스위프 영역)을 갖고 100 gpu의 메탄 투과도가 사용된다. 이 예에서, 제2 부분은 제1 부분의 투과도의 20배인 CH₄ 투과도를 갖는다.

표 4의 제1 행은 제2 부분이 없는(즉, 스위프 영역이 없음) 단순 직교류 모듈의 성능을 나타내고 있다. 투과물은 7.95% 헬륨을 함유하고 1 m² 모듈은 7.3 scfm의 공급물 가스를 처리할 수 있다. 투과물 스위프를 사용하는 효과는 상당하다. 투과물 헬륨 농도는 8.0% 헬륨으로부터 9.7%로 20% 증가하고, 더 중요하게는, 동일한 1 m² 멤브레인 모듈이 훨씬 더 많은 가스를 처리할 수 있다는 것이다.

[표 4]

천연 가스로부터 헬륨의 제거

예 5

본 발명이 유용한 결과를 제공하는 다른 예는 천연 가스 처리 플랜트의 메탄으로부터 또는 석유화학 플랜트의 질소로부터 경탄화수소의 분리이다. 표 5는 통상적인 용례, 이 경우 폴리올레핀 플랜트에서 질소로부터 부탄의 분리를 예시하고 있다. 공급물 가스는 20 bar에서 질소 중 5% 부탄이다. 투과물 가스는 3 bar이다. 이 실험의 조건 하에서, 전체 멤브레인 모듈은 압력비 제한 영역에 있다. 이 분리를 위해 일반적으로 사용되는 고무질 멤브레인은 통상적으로 약 15의 부탄/질소에 대한 선택도를 갖는다. 사용된 멤브레인 시트의 제2 부분(스위프 영역)은 8의 부탄/질소에 대한 선택도 및 125 gpu의 질소 투과도를 갖고, 따라서 질소에 대한 제2 부분의 투과도는 제1 부분의 투과도의 단지 2배 약간 초과이다. 이들 유형의 장비의 설계자는 그 프로세스 요건에 따라 최적의 스위프 영역을 선택할 것이다.

[표 5]

질소로부터 부탄의 제거

예 6

본 발명이 유용한 결과를 생성하는 다른 예는 바이오에탄올의 생산에 널리 사용되는 프로세스인 에탄올을 탈수하기 위한 투과증발이다. 모듈의 성능은 표 6에 나타내고 있다. 공급물은 100℃에서 90 wt% 에탄올과 10 wt% H₂O이다. 제1 부분은 2,500 gpu의 물 투과도 및 500의 선택도를 갖는다. 제2 부분은 50의 선택도 및 5,000 gpu의 H₂O 투과도를 갖는다. 제2 부분의 면적은 멤브레인 시트의 총 면적의 0%(단순 직교류 모듈)로부터 10%로 증가된다. 스위프 면적이 약 5 내지 6% 미만일 때, 멤브레인은 단순 직교류 경우(스위프 없음)와 동일하거나 더 양호한 투과물을 생성하지만, 멤브레인은 단순 직교류 모듈(즉, 스위프 효과 없음)의 플럭스의 최대 2배를 갖는다.

[표 6]

습식 바이오에탄올로부터 H₂O의 제거

전술된 데이터는 도 18의 (a)에 도시되어 있는 구성에 관한 것이지만, 이 데이터에 의해 입증된 장점은 본 명세서에 설명된 본 발명의 멤브레인 시트에 대한 다른 구성에도 동등하게 적용된다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

프로세스는 다수의 투과증발 및 가스 분리 용례에 적용될 수 있다는 것이 상기로부터 명백할 것이다. 예로서, 이들 중 일부는 이하의 표 7에 열거되어 있다.

[표 7]

발명을 이해하기 위해 유용한 정보

현재 공지된 3개의 일반적인 멤브레인 모듈 구성이 도 1에 도시되어 있다. 도시되어 있는 디자인에서, 공급물 유체는 멤브레인 표면을 따라 좌측으로부터 우측으로 유동한다. 공급물 유체의 일부는 멤브레인을 통해 투과되어 투과물 유체를 형성한다. 구성은 유체가 출구로 이동함에 따라 공급물 유체에 대한 투과물 유체의 유동 방향에 있어서 상이하다. 대향류 모듈에서, 투과물 유체는 멤브레인의 다른 측에서 공급물 유체의 유동에 대향하여 우측에서 좌측으로 유동한다. 직교류 모듈에서, 투과물 유체는 공급물 유체 유동에 직각으로 유동한다. 병류 모듈에서, 투과물 유체는 공급물 유체와 동일한 방향으로 유동한다.

일반적으로, 동일한 멤브레인을 사용할 때, 획득된 분리 및 분리를 수행하기 위해 요구된 멤브레인 면적은 이하의 순서로 3개의 구성에 대해 상이한데; 대향류가 병류보다 양호하고 병류가 직교류보다 양호하다. 다수의 용례에서, 3개의 상이한 모듈 디자인에 대해 동일한 멤브레인으로 획득된 분리 성능은 작지만, 다른 용례에서, 특히 멤브레인 분리가 이하에 설명된 바와 같이 압력비 제한될 때, 차이는 상당하다. 이 결과는 대향류 모듈이 선호되는 모듈 구성인 것을 시사한다. 그러나, 대향류 모듈은 직교류 모듈보다 기계적으로 제조가 더 어렵다. 이 문제에 대한 다양한 해결 방법이 설명되었지만 널리 채택되지 않았고, 따라서 직교류 모듈은 다수의, 아마도 대부분의 가스 분리 및 투과증발 용례에서 사용된다. 병류 모듈은 거의 사용되지 않는다. 이들 문제는 예를 들어 [chapters 3, 4, 8 and 9 of Baker, R.W., Membrane Technology and Applications, 3rd Edition, (2012), John Wiley and Sons]와 같은 다수의 멤브레인 교과서에 설명되어 있다.

이어지는 설명에서, 본 출원인은 가스 투과 예를 사용함으로써 단순화를 위해 대부분의 경우 본 발명을 설명할 것이다. 그러나, 본 발명의 개선된 모듈은 나중에 나타낼 것인 바와 같이 투과증발에도 동등하게 적용 가능하다.

도 1에 도시되어 있는 3개의 모듈 구성의 분리 성능의 차이는 구동력 문제이다. 멤브레인 측의 투과물 측으로의 멤브레인의 공급물 측의 성분의 유동은 멤브레인을 가로지르는 각각의 성분의 부분 압력 구동력의 차이에 비례한다. 멤브레인의 공급물 측의 부분 압력은

(몰 농도

, 압력

)이고 멤브레인의 투과물 측의 부분 압력은

(몰 농도

, 압력

)이다. 따라서, 부분 압력 구동력은 이하의 식에 의해 제공된다:

다른 모든 효과가 없는 경우, 멤브레인의 투과물 측의 임의의 지점에서의 몰 농도는 멤브레인을 투과하는 가스의 농도에 의해 결정된다. 그러나, 투과물 채널 내의 가스 유동 구성에 따라, 투과물 가스 농도는 투과물 채널의 다른 부분으로부터의 가스와 혼합함으로써 변경될 수 있다.

도 1에 도시되어 있는 모듈 구성에서, 가스가 모듈을 통해 좌측에서 우측으로 통과함에 따라 가장 투과성인 성분의 농도가 감소한다. 이는 멤브레인을 투과하는 가스의 가장 투과성인 성분의 농도가 또한 멤브레인을 따라 좌측에서 우측으로 감소한다는 것을 의미한다. 대향류 모듈에서, 우측에서 좌측으로의 투과물 가스의 유동은, 투과물 가스와 혼합하는 가스가 유입 투과물을 희석하여, 가장 투과성인 성분의 농도를 감소시키고 따라서 멤브레인을 가로지르는 구동력을 증가시키기 때문에, 투과물에 유익한 영향을 미친다. 병류 모듈에서, 투과물 가스 유동은 대향 효과를 갖고 유입 투과물과 혼합될 때 투과물 농도를 증가시킨다. 이는 멤브레인을 가로지르는 투과를 위한 구동력을 감소시키고 플럭스는 낮아진다. 직교류 모듈에서, 투과물 가스 유동은 유입 투과물과 동일한 농도를 갖고, 혼합은 멤브레인 분리에 영향을 미치지 않는다.

상이한 모듈 구성 사이의 차이의 크기는 멤브레인 선택도(

), 즉, 성분 i와 j의 투과성의 비를 포함하여, 다수의 요인의 함수이다.

(2)

뿐만 아니라 멤브레인을 가로지르는 압력비는 이하와 같이 기입되고:

멤브레인의 공급물 측에서 더 투과성 성분의 몰 농도는

이다.

이들 효과를 예시하기 위한 예로서, 도 2에 도시되어 있는 분리를 고려한다. 이 예에서, 단지 매우 소량의 투과성 가스 CO₂만이 멤브레인을 따라 좌측에서 우측으로 이동함에 따라 공급물로부터 제거된다. 이는 멤브레인의 투과물 측에서 CO₂의 농도가 모든 곳에서 대략 동일하고, 대향류, 직교류 및 병류 사이의 차이가 매우 작다는 것을 의미한다. 전술된 바와 같이, 멤브레인의 투과물 측의 부분 압력이 공급물보다 더 작은 경우에만, 즉

(3)

인 경우에만 멤브레인 투과가 발생한다.

이 부등식은 다음과 같이 재배열될 수 있는데:

(4)

이는 투과물 성분(CO₂)의 농후가 항상 압력비(공급물 압력/투과물 압력)보다 더 작다는 것을 나타낸다. 이는 또한, 투과 성분(CO₂)의 농도가 절대로 다음 식보다 더 높을 수 없다는 것이 성립한다.

(5)

도 2의 예에서, 이는 멤브레인이 아무리 선택적이더라도

이 50% CO₂보다 클 수 없다는 것을 의미한다(

= 10% CO₂ 및

). 이 결과는 다수의 암시를 갖는데, 먼저 투과물의 적어도 절반이 느린 성분(N₂)이어야 하고, 특정 양의 공급물 유체를 처리하는 데 요구되는 멤브레인 면적을 결정하는 것은 느린 성분의 투과이다. 또한, 멤브레인의 선택도가 증가함에 따라, 동일한 양의 CO₂를 투과하는 데 요구되는 멤브레인 면적의 양이 증가한다. 무한 선택도의 한계에서, 느린 성분이 투과되지 않고, 따라서 무한 멤브레인 면적이 요구된다.

식 5에 의해 주어진 최대 투과물 농도(

)가 100% 미만이면 멤브레인 프로세스는 압력비 제한 영역 내에 양호하게 있는 것으로 고려된다. 이 영역에서, 모듈 구성의 효과가 일반적으로 현저하다. 차이는, 게다가, 멤브레인 선택도가 압력비보다 크면 더욱 더 상당하고, 멤브레인 선택도가 압력비보다 2 또는 3배 초과이면 더욱 더 상당할 것이다. 이러한 경우일 때, 대향류, 직교류 및 병류 멤브레인 모듈 사이에 상당한 차이가 생성한다. 압력비의 몇몇 문제와 멤브레인 분리에 대한 그 효과는 [Huang, et al., Journal of Membrane Science, 463, 33 (2014)]에 상세히 설명되어 있다.

전술된 압력비 제한을 완화하는 일 방법은 멤브레인 스위프를 사용하는 것이다. 이들 디바이스는 다수의 표준 교과서 및 특허에 설명되어 있다. 도 3은 모듈의 성능을 개선시키기 위해 대향류 멤브레인 모듈에 적용된 다양한 외부 스위프 분리 프로세스의 설계를 도시하고 있다. 먼저 도 3의 (a)에 도시되어 있는 프로세스를 고려한다. 기체 또는 액체일 수도 있는 공급물 유체(301)는 선택적 멤브레인(306)의 표면을 가로질러 통과하고, 반면 일반적으로 공급물 유동의 2 내지 10%인 스위프 유체(304)는 멤브레인의 투과물 측을 가로질러 통과한다. 투과를 위한 구동력은 부분적으로 멤브레인을 가로지르는 압력의 차이에 의해 생성되지만, 또한 스위프에 의해 생성되는 농도(부분 압력) 차이 때문에 발생한다. 이 프로세스가 효과적이게 하기 위해, 스위프 유체(304)의 유량이 주의 깊게 제어될 필요가 있다. 이러한 유형의 외부 스위프 유체를 채용하는 프로세스는 예를 들어, 미국 특허 제4,824,443호; 제6,515,725호; 제7,153, 343호 및 제8,246,718호에 설명되어 있다.

잔류물 스위프 프로세스라 지칭되는 대안 유형의 외부 스위프 프로세스가 도 3의 (b) 및 도 3의 (c)에 도시되어 있다. 도 3의 (b)에 도시되어 있는 가스 분리 모듈의 경우, 처리된 잔류물 유체(318)의 일부가 밸브(320)를 가로질러 팽창되고 잔류물 단부에서 모듈(325)의 투과물 측으로 도입된다. 분리의 변화는 얼마나 많은 잔류물 유체(321)가 스위프로서 사용되는지에 의존한다. 통상적으로, 잔류물 유체의 약 2 내지 10%가 사용된다. 스위프 유동은 투과물 유체를 희석하고 멤브레인을 가로지르는 공급물의 투과물 성분의 유동을 증가시킨다. 멤브레인을 통한 플럭스는 증가하지만 투과물 농도는 낮아진다. 도 3의 (c)에 도시되어 있는 투과증발 스위프는, 잔류물 스트림(309)이 스위프로서 사용될 수 있기 전에 증발기(313)에 의해 증발되어야 한다는 점을 제외하고는 유사하다. 이러한 유형의 외부 스위프를 채용하는 프로세스는 예를 들어 미국 특허 제5,444,540호 및 제5,205,842호에 설명되어 있다.

때때로 사용되는 최종 유형의 외부 스위프 유체 생성 방법이 도 3의 (d)에 도시되어 있다. 이러한 디바이스는 예를 들어 미국 특허 제5,383,956호에 설명되어 있다. 이 디바이스에서, 도 3의 (b)에 도시되어 있는 제어 밸브(320) 또는 도 3의 (c)에 도시되어 있는 증발기(313)에 대한 제어 밸브(311)는 제2 멤브레인 유닛(320)으로 교체된다. 유닛(322)으로부터의 투과물 유체는 이어서 모듈의 투과물 측에서 대향류 스위프 노력을 생성하기 위해 메인 분리 모듈(318)로 보내진다.

도 3에 도시되어 있는 모든 프로세스 설계는 모듈 외부에서 생성된 스위프 유체 스트림을 사용한다. 유체는 이어서 모듈의 잔류물 단부에 있는 멤브레인의 투과물 측으로 전달되어 대향류 스위프 효과를 생성한다. 이러한 유형의 배열의 문제 중 하나는 모듈 내로 유체의 제어된 유동을 도입하는 데 필요한 배관 및 밸브이다.

다수의 시도가 외부 스위프 디바이스의 단점을 극복하기 위해 행해져 왔다. 2개의 이러한 시도가 스투키(Stookey)의 미국 특허 제4,687,578호 및 기글리아(Giglia) 등의 미국 특허 제6,740,140호로부터 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 도 4에 도시되어 있는 '578 디바이스는 섬유의 일 단부가 선택적 멤브레인 층으로 코팅되지 않은 대향류형 중공 섬유 모듈 디바이스이다. 하나의 섬유의 확대도가 도 4의 (a)에 도시되어 있다. 섬유의 대부분은 선택 층(401)으로 코팅되지만 섬유(403)의 단부 부분은 코팅되지 않는다. 섬유의 이 부분은 선택도를 갖지 않지만 섬유의 주요 부분보다 훨씬 더 높은 투과도를 가질 것이고, 따라서 여기를 투과하는 공급물 유체(409)는 잔류물 스위프 유체(409)의 유동으로 작용할 수 있다. 이러한 방식으로, 잔류물 스위프 유체의 내부에서 생성된 대향류가 생성된다.

기글리아(Giglia) 등의 미국 특허 제6,740,140호로부터 취한 유사한 디바이스가 도 5에 도시되어 있다. '578 특허 디바이스와 마찬가지로, 기본 모듈은 쉘측 공급물이 있는 대향류 중공 섬유 모듈이다. 공급물 유체(502)는 모듈의 일 단부에서 진입하고 중공 섬유(505) 사이의 공간에서 좌측에서 우측으로 유동한다. 잔류물 파이프는 모듈을 통해 연장하여 모듈(509)의 우측 단부 바로 앞에서 종료한다. 공급물 유체가 중공 섬유 사이에서 유동함에 따라, 일부는 섬유 멤브레인을 투과하고 섬유 내부를 좌측에서 우측으로(공급물에 대해 대향류) 이동하여 투과 포트(503)를 통해 떠난다. 중공 섬유 멤브레인을 투과하지 않은 공급물 유체의 대부분은 잔류물 수집 파이프(512) 내의 구멍을 통해 제거된다. 잔류물 수집 파이프의 단부는 작은 오리피스(511)에 의해 천공된 플러그로 밀봉된다. 처리된 잔류물 유체의 일부는 이 오리피스를 통해 누설되고 이어서 섬유(514)의 개방 단부로 진입할 수 있어, 따라서 원하는 잔류물 유체 대향류 스위프 효과를 생성한다. 내부 스위프 디바이스의 사용은 '140 및 '578 특허에 설명된 유형의 비대향류 중공 섬유 디바이스에 한정되었다. 내부 스위프는 본 출원에 설명된 유형의 평탄 시트 나선형 권취 또는 플레이트-프레임 모듈에 적용되지 않았다. 본 출원에 설명된 디자인을 사용함으로써, 이들 디바이스에서도 내부에서 생성된 스위프의 장점을 획득하는 것이 가능하다는 것을 나타낼 것이다.

대향류 모듈에 의한 제어된 스위프의 유익한 효과를 예시하는 2개의 구체적인 예의 세트가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6의 예에서, 10% CO₂를 함유하는 5 bar에서의 1000 std m³/h 공급물 유체가 10% 외부 스위프가 있는 직교류, 대향류 및 병류 모듈로 처리된다. 압력비는 5이고, 따라서 전체 멤브레인 모듈은 압력비 제한 영역에 있다. 또한, 멤브레인은 30의 CO₂/N₂ 선택도를 갖는다. 이는 압력비보다 6배 더 크고, 따라서 대향류와 스위프가 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되는데, 이것이 사실이다. 대향류 모듈은 동일한 CO₂ 제거를 달성하기 위해 36% 더 적은 멤브레인 면적을 필요로 하고, 직교류 모듈보다 상당히 더 높은 농도의 투과물을 생성한다. 잔류물 유체 스트림으로부터 부가의 10% 스위프가 있는 대향류 모듈을 사용하는 것은 투과물 농도를 감소시키지만, 직교류 모듈보다 분리를 수행하는 데 필요한 면적의 추가의 18% 감소를 생성한다.

도 7의 예에서, 동일한 예의 세트가 도시되어 있는데, 차이는 공급물 압력이 20 bar로 설정되고 따라서 압력비가 20이라는 것이다. 그 결과, 대향류 및 스위프 예가 직교류 모듈 결과보다 더 양호하지만, 효과는 덜 상당하다. 이는 20의 압력비 및 10%의 공급물 농도에서, 공급물 단부에서의 멤브레인 모듈의 일부가 압력비 제한 영역 외부에 있기 때문이다. 20의 압력비에서 모듈의 공급물 단부에서, 식 5는 투과물 내의 최대 이론값 CO₂가 200%이고, 따라서 모듈의 공급물 단부는 압력비 제한 영역의 충분히 외부에 있다는 것을 나타낸다. 모듈의 잔류물 단부에서, 공급물 유체 농도는 단지 1% CO₂이고, 따라서 식 5에 의해 주어진 투과물 내의 최대 농도는 이어서 20%이고 따라서 모듈의 이 부분은 압력비 제한 영역에 있다. 모듈은 공급물 유체 농도가 5% CO₂일 때 모듈 내의 지점에서 압력비 제어 영역으로 전이된다. 모듈은 압력비 제한 영역에 단지 부분적이기 때문에, 대향류 모듈은 이제 단지 11% 적은 멤브레인 면적을 사용하고 투과물 농도는 단지 직교류 결과보다 약간만 높다. 대향류 스위프 모듈은 또한 더 적은 면적을 사용하지만, 이제 투과물 CO₂ 농도가 직교류 결과보다 더 낮다. 이는 이 테스트의 조건 하에서, 10% 스위프가 너무 크기 때문이다. 스위프를 5%로 감소시키는 것은 더 양호한 결과를 생성한다. 분리를 행하기 위해 요구된 면적은 이어서 60 m²로, 단순 대향류에 비교하여 면적의 16% 감소이고, 투과물 농도는 40.8% CO₂로, 대향류 예보다 더 작지만 여전히 직교류 경우보다 더 양호하다.

스위프 동작으로부터 이익을 얻을 수 있는 가스 분리 및 투과증발 프로세스는, 특히 나선형 권취 및 플레이트-프레임 모듈 기하학 형상으로 형성된 평탄 시트 멤브레인의 경우, 기계적으로 구성 및 동작이 더 쉬운 직교류 모듈을 종종 사용한다.

나선형 권취된 또는 플레이트-프레임 모듈로 외부 스위프 효과를 생성하는 것이 가능하지만, 모듈의 구성에 대한 상당한 수정을 필요로 한다. 본 발명에 설명된 바와 같은 내부 스위프 프로세스는 적용하기가 훨씬 더 쉽고 더 양호한 결과를 생성한다. 또한, 외부 스위프 방안을 사용하는 모든 모듈은 신뢰적인 동작을 위해 스위프 유량의 양호한 제어를 필요로 한다. 외부 스위프 디바이스로 이러한 레벨의 정밀도를 달성할 수 있는 제어부는 저렴하지 않고 스위프가 사용될 것인 모든 모듈에 장착되어야 한다. 산업 플랜트에서, 이는 수십 내지 수백 개의 제어 유닛일 수도 있고, 심지어 하나의 유닛의 고장이 잔류물로부터 투과물 스트림으로 유체의 대규모 미제어 누설을 야기할 수 있어, 전체 플랜트의 동작에 영향을 미친다.

지금까지 설명된 다수의 스위프 프로세스의 다른 문제는 스위프가 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이 모듈로부터 밸브를 통해 잔류물 가스 또는 액체를 팽창시킴으로써 생성된다는 것이다. 이 프로세스는 본질적으로 추가적인 잠재적 분리 단계를 버린다. 나타낼 바와 같이, 더 양호한 접근법은 부분 분리를 스위프 생성 프로세스에 통합하는 것이다. 이는 본 출원의 프로세스의 혁신 중 하나이다.

제1 세트의 항들

본 발명은 또한 이하의 제1 세트의 항들에 의해 설명될 수도 있다:

항 1. 부성분 및 주성분을 포함하는 공급물 유체를 투과물 유체 및 잔류물 유체로 분리하도록 구성된 직교류 멤브레인 모듈이며, 잔류물 유체는 공급물 유체보다 더 낮은 농도의 부성분을 갖고 투과물 유체는 공급물 유체보다 더 높은 농도의 부성분을 갖고, 모듈은:

제1 단부 및 제2 단부를 갖는 하우징으로서, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격되는, 하우징,

하우징의 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하는 하나 이상의 멤브레인 시트(들)로서, 각각의 멤브레인 시트는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격되고, 각각의 멤브레인 시트는 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하는 제1 및 제2 측면을 포함하고, 제1 측면은 제2 방향을 따라 제2 측면으로부터 이격되고, 제2 방향은 제1 방향에 대해 횡방향이고, 각각의 멤브레인 시트는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하고, 제2 주 표면은 제1 주 표면에 대향하고, 각각의 멤브레인 시트는 공급물 유체를 잔류물 유체와 투과물 유체로 분리하도록 구성되는, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)를 포함하고,

멤브레인 모듈은 공급물 유체 및 잔류물 유체가 제1 방향에서 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하지만 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따라 유동하지 않고 투과물 유체가 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따라 유동하지만 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하지 않도록 구성되고;

멤브레인 모듈은:

하우징의 제1 단부에 있는 입구로서, 입구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제1 단부와 유체 연통하고 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하도록 공급물 유체를 전달하도록 구성되는, 입구;

하우징의 제2 단부에 있는 출구로서, 출구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제2 단부와 유체 연통하고 공급물 유체로부터 분리된 잔류물 유체를 수용 및 출력하도록 구성되는, 출구; 및

멤브레인 시트의 제2 주 표면의 제1 측면에 인접한 도관으로서, 도관은 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하고 출력하도록 구성되는, 도관을 더 포함하고;

하나 이상의 멤브레인 시트(들) 중 적어도 하나는, 제1 부분을 가로지르는 공급물 유체의 분리가 투과물 유체의 제1 부분을 생성하고 제2 부분을 가로지르는 분리가 투과물 유체의 제2 부분을 생성하도록 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고,

멤브레인 시트의 제2 부분은, 투과물 유체의 제2 부분이 투과물 유체의 제1 부분보다 더 높은 농도의 주성분을 갖도록 제1 부분보다 더 큰 주성분에 대한 투과도를 가지며;

제2 부분은 제2 방향을 따라 멤브레인 시트의 제1 측면으로부터 이격되어 이에 의해 투과물 가스의 제2 부분이 멤브레인 시트의 제1 측면을 향해 유동하게 하여 투과물 가스의 제2 부분이 투과물 가스의 제1 부분과 혼합되게 하여 이에 의해 투과물 유체의 제1 부분 내의 부성분의 농도를 감소시키게 하는, 멤브레인 모듈.

항 2. 항 1에 있어서, 도관은 제1 방향에서 제1 측면의 길이의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 더 바람직하게는 적어도 80%를 따라 연장되는, 멤브레인 모듈.

항 3. 항 1 또는 항 2에 있어서, 도관은 각각의 멤브레인 시트의 제1 측면과 정렬되는, 멤브레인 모듈.

항 4. 항 1에 있어서, 모듈은 제2 도관을 더 포함하고, 제2 도관은 제2 측면과 유체 연통하고, 제2 도관은 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하고 출력하도록 구성되고, 제2 부분은 제1 방향을 따라 제1 측면 및 제2 측면의 모두로부터 이격되어 있는, 멤브레인 모듈.

항 5. 항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 제2 부분은 제1 단부와 제2 단부 사이에서 제1 방향을 따라 연장되고, 바람직하게는 제2 부분은 스트립으로서 형성되고, 더 바람직하게는 제2 부분은 제1 측면과 제2 측면 사이에서 등거리에 있는, 멤브레인 모듈.

항 6. 항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 직교류 멤브레인 모듈은 나선형 권취되고,

도관은 제1 방향을 따라 연장하는 중앙 튜브이고,

하나 이상의 멤브레인 시트(들)는 제1 방향에 수직인 나선을 정의하기 위해 중앙 튜브 주위에 권취되어, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 측면이 제2 측면보다 중앙 튜브에 더 가깝게 되고,

중앙 튜브는 원통형 표면과 그 사이에 루멘을 형성하는 제1 및 제2 말단 단부를 포함하고,

중앙 튜브는 원통형 표면에 하나 이상의 개구(들)를 포함하고, 하나 이상의 개구(들)는 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하도록 구성되고, 하나 이상의 개구(들)는 멤브레인 시트의 제1 측면과 유체 연통하고,

중앙 튜브는 하나 이상의 개구(들)에 의해 수용된 투과물 유체를 출력하도록 구성된 출구를 더 포함하고, 출구는 중앙 튜브의 제1 또는 제2 말단 단부에 있는, 멤브레인 모듈.

항 7. 항 6에 있어서, 하나 이상의 개구(들)는 제1 방향을 따라 서로로부터 이격되고, 바람직하게는 하나 이상의 개구(들)의 축방향 범위는 제1 방향에서 제2 부분의 축방향 범위와 중첩되고, 더 바람직하게는 하나 이상의 개구(들)는 제1 측면과 정렬되는, 멤브레인 모듈.

항 8. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제2 부분은 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 외부 에지를 따라 연장하는, 멤브레인 모듈.

항 9. 항 8에 있어서, 제2 부분은 제2 측면의 적어도 일부를 따라 연장되고, 바람직하게는, 제2 부분은 제2 측면에 의해 형성된 전체 에지를 따라 연장되는, 멤브레인 모듈.

항 10. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 모듈은:

하나 이상의 멤브레인 시트를 이격시키도록 구성된 하나 이상의 공급물 스페이서로서, 각각의 공급물 스페이서는 출구로의 공급물 유체 및 잔류물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 정의하기 위한 것인, 하나 이상의 공급물 스페이서; 및

하나 이상의 멤브레인 시트를 이격시키도록 구성된 하나 이상의 투과물 스페이서로서, 각각의 투과물 스페이서는 도관으로의 투과물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 정의하기 위한 것인, 하나 이상의 투과물 스페이서를 더 포함하는, 멤브레인 모듈.

항 11. 항 10에 있어서, 하나 이상의 멤브레인 시트의 제1 멤브레인 시트는, 공급물 스페이서가 제1 멤브레인 시트의 제1 주 표면에 인접하고 투과물 스페이서가 제1 멤브레인 시트의 제2 주 표면에 인접하도록 배열되는, 멤브레인 모듈.

항 12. 항 10 또는 항 11에 있어서, 멤브레인 시트, 하나 이상의 공급물 스페이서 및 하나 이상의 투과물 스페이서는 적층 구성으로 배열되고, 인접한 멤브레인 시트 사이의 각각의 공간은 공급물 스페이서 또는 투과물 스페이서에 의해 형성되고, 멤브레인 시트는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면이 공급물 스페이서와 접촉하고 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면이 투과물 스페이서와 접촉하도록 교번 배향에 있는, 멤브레인 모듈.

항 13. 항 10, 항 11 또는 항 12에 있어서, 공급물 스페이서에 의해 이격된 인접한 멤브레인 시트는 제1 주 표면을 따라 공급물 유체 및 잔류물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 유체적으로 밀봉하도록 그 제1 주 표면의 제1 및 제2 측면을 따라 밀봉되고, 투과물 스페이서에 의해 이격된 인접한 멤브레인 시트는 제2 주 표면을 따라 투과물 유체에 대한 유체 경로를 유체적으로 밀봉하기 위해 그 제2 주 표면의 그 제1 및 제2 단부를 따라 밀봉되고, 바람직하게는 투과물 스페이서에 의해 이격된 인접한 멤브레인 시트는 또한 그 제2 주 표면의 제2 측면을 따라 밀봉되는, 멤브레인 모듈.

항 14. 항 10 내지 13 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 공급물 스페이서는 제1 방향을 따라 유체의 유동을 지향시키도록 구성되고, 각각의 투과물 스페이서는 제2 방향을 따라 유체의 유동을 지향시키도록 구성되는, 멤브레인 모듈.

항 15. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제2 부분의 면적은 멤브레인 시트의 총 면적의 20% 미만, 바람직하게는 15% 미만, 더 바람직하게는 10% 미만, 가장 바람직하게는 6% 미만인, 멤브레인 모듈.

항 16. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 주성분에 대한 제2 부분의 투과도는 주성분에 대한 제1 부분의 투과도의 2배 초과, 바람직하게는 적어도 10배인, 멤브레인 모듈.

항 17. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제2 부분은 제2 주 표면의 부분을 형성하는, 멤브레인 모듈.

항 18. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제2 부분은 제1 주 표면의 부분을 형성하는, 멤브레인 모듈.

항 19. 항 1 내지 18 중 어느 한 항의 멤브레인 모듈의 멤브레인 시트를 제조하는 방법이며,

전구체 시트의 롤을 제공하는 단계;

전구체 시트의 롤의 제1 영역을 제1 코팅 용액으로 코팅하고, 전구체 시트의 롤의 제2 영역을 제2 코팅 용액으로 코팅하여 멤브레인 시트 롤을 형성하는 단계,

멤브레인 시트의 하나 이상의 롤(들)을 개별 멤브레인 시트로 분리하는 단계로서, 각각의 멤브레인 시트의 제1 부분은 멤브레인 시트의 롤의 제1 영역에 의해 형성되고 각각의 멤브레인 시트의 제2 부분은 멤브레인 시트의 롤의 제2 영역에 의해 형성되고, 각각의 멤브레인 시트의 제2 부분은 제1 부분보다 더 높은 주성분에 대한 투과도를 갖는, 분리 단계를 포함하는, 방법.

항 20. 항 19에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역은 서로 인접하고, 바람직하게는 제2 영역은 각각의 멤브레인 시트에서, 제2 부분이 스트립으로서 형성되고 제1 부분이 제2 부분의 양 측에 제공되도록 2개의 제1 영역 사이에 위치되는, 방법.

항 21. 항 18 또는 항 19에 있어서, 방법은 각각의 멤브레인 시트가 한 쌍의 멤브레인 시트를 형성하도록 공급물 스페이서 주위에 각각의 멤브레인 시트를 절첩하는 단계를 더 포함하는, 방법.

항 22. 항 18 또는 항 19에 있어서, 2개의 멤브레인 시트를 그 제1 주 표면의 제1 측면을 따라 함께 밀봉하고 그 사이에 공급물 스페이서를 위치설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.

항 23. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 제1 영역을 코팅하는 단계와 제2 영역을 코팅하는 단계는 동시에 수행되는, 방법.

항 24. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 코팅 단계는 코팅 용기에서 멤브레인 시트의 롤을 제1 및 제2 용액과 접촉시킴으로써 수행되고, 코팅 용기는 분리기에 의해 서로로부터 유체적으로 분리된 제1 및 제2 섹션을 갖고, 제1 섹션은 제1 코팅 용액을 포함하고 제2 섹션은 제2 코팅 용액을 포함하는, 방법.

항 25. 항 24에 있어서, 코팅 용기의 제2 섹션은 코팅 용기의 2개의 제1 섹션 사이에 위치되는, 방법.

항 26. 항 24 또는 항 25에 있어서, 제2 부분의 위치 및 크기를 조정하기 위해 분리기의 위치를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.

항 27. 주성분 및 부성분을 포함하는 공급물 유동으로부터 부성분을 분리하기 위해 직교류 멤브레인 모듈을 사용하는 방법이며, 잔류물 유체는 공급물 유체보다 더 낮은 농도의 부성분을 갖고 투과물 유체는 공급물 유체보다 더 높은 농도의 부성분을 갖고, 바람직하게는 부성분은 이산화탄소이고 주성분은 메탄 또는 질소이고, 모듈은:

하우징의 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하는 하나 이상의 멤브레인 시트(들)로서, 각각의 멤브레인 시트는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격되고, 각각의 멤브레인 시트는 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하는 제1 및 제2 측면을 포함하고, 제1 측면은 제2 방향을 따라 제2 측면으로부터 이격되고, 제2 방향은 제1 방향에 대해 횡방향이고, 각각의 멤브레인 시트는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하고, 제2 주 표면은 제1 주 표면에 대향하는, 하나 이상의 멤브레인 시트(들),

하우징의 제1 단부에 있는 입구로서, 입구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제1 단부와 유체 연통하는 입구;

하우징의 제2 단부에 있는 출구로서, 출구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제2 단부와 유체 연통하는 출구; 및

멤브레인 시트의 제2 주 표면의 제1 측면에 인접한 도관을 포함하고,

하나 이상의 멤브레인 시트(들) 중 적어도 하나는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고;

방법은:

주성분 및 부성분을 포함하는 공급물 유체를 제1 방향으로 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하도록 입구를 통해 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면으로 전달하는 단계;

잔류물 유체가 제1 방향으로 제1 주 표면을 따라 출구로 유동하고 투과물 유체가 제2 주 표면을 따라 제2 방향으로 도관으로 유동하도록 각각의 멤브레인 시트를 가로지르는 공급물 유체를 투과물 유체 및 잔류물 유체로 분리하는 단계를 포함하고;

분리 단계는 투과물 유체의 제1 부분을 생성하기 위해 멤브레인 시트의 제1 부분을 가로질러 공급물 유체를 분리하고 투과물 유체의 제2 부분을 생성하기 위해 멤브레인 시트의 제2 부분을 가로질러 공급물 유체를 분리하는 단계를 포함하고, 멤브레인 시트의 제2 부분은, 투과물 유체의 제2 부분이 투과물 유체의 제1 부분보다 더 높은 농도의 주성분을 갖도록 제1 부분보다 더 큰 주성분에 대한 투과도를 가지며;

제2 부분은 제2 방향을 따라 멤브레인 시트의 제1 측면으로부터 이격되어 이에 의해 투과물 가스의 제2 부분이 멤브레인 시트의 제1 측면을 향해 유동하게 하여 투과물 가스의 제2 부분이 투과물 가스의 제1 부분과 혼합되게 하여 이에 의해 투과물 유체의 제1 부분 내의 부성분의 농도를 감소시키게 하고,

방법은 모듈로부터 출구를 통해 잔류물 유체를 출력하고 모듈로부터 도관을 통해 투과물 유체를 출력하는 단계를 더 포함하는, 방법.

본 발명은 또한 이하의 제2 세트의 항들에 의해 설명될 수도 있다:

항 1. 기체 또는 액체 공급물 혼합물을 처리하기 위한 멤브레인 프로세스이며, 상기 혼합물은 부성분 및 주성분을 포함하고, 프로세스는;

(a) 공급물 측 및 공급물 채널 및 투과물 측 및 투과물 채널을 갖는 평탄 시트 멤브레인을 제공하는 단계;

(b) 공급물 매니폴드, 잔류물 매니폴드 및 적어도 하나의 투과물 매니폴드를 갖는 직교류 멤브레인 모듈로 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하고;

(c) (b)의 공급물, 잔류물 및 멤브레인 투과물 매니폴드는, 투과물 채널 내의 투과물의 유동이 주로 모듈의 공급물 채널 내의 공급물의 유동에 직각인 방향에 있도록 배열되고;

(d) (a)의 상기 멤브레인은 공급물 혼합물의 성분에 대해 투과성인 2개의 멤브레인 영역을 갖고, 제1 멤브레인 영역은 공급물 혼합물의 주성분에 비해 부성분에 대해 선택적이고, 제2 멤브레인 영역은 제1 멤브레인 영역보다 공급물 혼합물의 주성분에 대해 더 높은 투과도를 갖고; 멤브레인의 제1 및 제2 멤브레인 영역은, 제2 영역으로부터의 투과물이 제1 멤브레인 영역의 투과물 채널 공간을 통과하고, 따라서 제1 멤브레인 영역에 스위프 효과를 생성하도록 이격되고;

(e) (a)의 멤브레인을 가로질러 공급물 매니폴드로부터 공급물 혼합물을 통과시키고 잔류물 매니폴드로부터 처리된 공급물 혼합물을 제거하고, 동시에 투과물 매니폴드로부터 멤브레인 투과물을 제거하는 단계를 포함하는, 프로세스.

항 2. 항 1에 있어서, 프로세스는 가스 분리 프로세스인, 프로세스.

항 3. 항 1에 있어서, 프로세스는 투과증발 프로세스인, 프로세스.

항 4. 항 1에 있어서, (b)의 멤브레인 모듈은 나선형 권취 모듈인, 프로세스.

항 5. 항 1에 있어서, (b)의 멤브레인 모듈은 플레이트-프레임 모듈인, 프로세스.

항 6. 항 1에 있어서, 분리 프로세스는 질소로부터 CO₂의 분리인, 프로세스.

항 7. 항 1에 있어서, 분리 프로세스는 질소 또는 메탄으로부터 경탄화수소 C3 내지 C5의 분리인, 프로세스.

항 8. 항 1에 있어서, 분리 프로세스는 수소로부터 CO₂의 분리인, 프로세스.

항 9. 항 1에 있어서, 분리 프로세스는 메탄으로부터의 수소인, 프로세스.

항 10. 항 1에 있어서, 분리 프로세스는 메탄으로부터의 CO₂인, 프로세스.

항 11. 항 1에 있어서, 분리 프로세스는 투과증발에 의한 에탄올로부터 물의 분리인, 프로세스.

항 12. 항 1에 있어서, 분리 프로세스는 투과증발에 의한 지방족 탄화수소로부터의 방향족의 분리인, 프로세스.

항 13. 항 1에 있어서, 분리 프로세스에 사용된 (b)의 멤브레인 모듈은 압력비 제한 영역 내에서 적어도 부분적으로 동작하는, 프로세스.

항 14. 항 1에 있어서, (d)의 제2 멤브레인 영역의 투과도 및 면적은 (e)의 멤브레인 투과물의 부성분의 농도가 제2 멤브레인 영역이 없는 동일한 멤브레인 영역 및 구성의 모듈에 의해 생성된 투과물의 농도와 동일하거나 초과인, 프로세스.

항 15. 항 1에 있어서, 공급물 혼합물의 주성분에 대한 (d)의 제2 멤브레인 영역의 투과도는 공급물 혼합물의 주성분에 대한 (d)의 제1 멤브레인 영역의 투과도의 적어도 2배인, 프로세스.

항 16. 항 1에 있어서, 공급물 혼합물의 주성분에 대한 (d)의 제2 멤브레인 영역의 투과도는 공급물 혼합물의 주성분에 대한 (d)의 제1 멤브레인 영역의 투과도의 적어도 10배인, 프로세스.

항 17. 항 1에 있어서, (d)의 제2 멤브레인 영역은 비선택적인, 프로세스.

항 18. 항 1에 있어서, (d)의 제2 멤브레인 영역은 공급물 유동의 일반적인 방향에 평행하게 배향되고 투과물 매니폴드에 대향하는 평탄한 멤브레인 시트의 에지에 있도록 위치되는 세장형 스트립의 형태를 갖는, 프로세스.

항 19. 항 1에 있어서, (b)의 직교류 모듈은 2개의 투과물 매니폴드를 갖고 (d)의 제2 멤브레인 영역은 공급물 유동의 일반적인 방향에 평행하게 배향되고 제1 멤브레인 영역의 중간 부분에 위치되는 세장형 스트립의 형태를 가져, 제2 멤브레인 영역으로부터의 투과물이 제1 멤브레인 영역의 투과물 채널 공간을 통해 2개의 투과물 매니폴드의 각각으로 통과하게 되는, 프로세스.

항 20. 부성분과 주성분의 기체 또는 액체 혼합물을 분리하기 위해 유용한 평탄한 시트 멤브레인 모듈의 제조 방법이며,

(a) 멤브레인 롤을 형성하는 단계로서, 멤브레인은 공급물의 주성분에 비해 공급물의 부성분에 대해 선택적인 제1 멤브레인 영역, 및 제1 멤브레인 영역보다 공급물의 주성분에 대해 더 높은 투과도를 갖는 제2 멤브레인 영역을 갖는, 멤브레인 롤 형성 단계;

(b) (a)의 멤브레인 롤을 정의된 기하학 형상의 멤브레인 시트로 형성하고 공급물 매니폴드 및 잔류물 매니폴드에 연결된 공급 채널 공간 및 적어도 하나의 투과물 매니폴드에 연결된 투과물 채널 공간을 갖는 평탄한 시트 멤브레인 모듈로 시트를 패키징하는 단계를 포함하고;

(c) 공급물 및 잔류물 매니폴드 매니폴드는 공급물 채널을 통해 공급물 매니폴드로부터 잔류물 매니폴드로 일반적으로 직선 유로를 생성하도록 배열되고;

(d) 투과물 매니폴드 및 제2 멤브레인 영역은 제2 멤브레인 영역을 통한 투과물 유동이 멤브레인의 제1 영역에 직교류 또는 부분적 대향류 스위프 효과를 생성하도록 위치되는, 방법.

항 21. 항 20에 있어서, (b)의 멤브레인 모듈은 나선형 권취 모듈인, 방법.

항 22. 항 20에 있어서, (b)의 멤브레인 모듈은 플레이트-프레임 모듈인, 방법.

항 23. 항 20에 있어서, (d)의 제2 멤브레인 영역의 투과도 및 면적은 (e)의 멤브레인 투과물의 부성분의 농도가 제2 멤브레인 영역이 없는 동일한 멤브레인 영역 및 구성의 모듈에 의해 생성된 투과물의 농도 초과인, 방법.

항 24. 항 20에 있어서, 공급물 혼합물의 주성분에 대한 (d)의 제2 멤브레인 영역의 투과도는 공급물 혼합물의 주성분에 대한 (d)의 제1 고선택도 멤브레인의 투과도의 적어도 2배인, 방법.

항 25. 항 20에 있어서, 공급물 혼합물의 주성분에 대한 (d)의 제2 멤브레인 영역의 투과도는 공급물 혼합물의 주성분에 대한 (d)의 제1 고선택도 멤브레인의 투과도의 적어도 10배인, 방법.

항 26. 항 20에 있어서, (d)의 제2 멤브레인 영역은 공급물 유동의 일반적인 방향에 평행하게 배향되고 투과물 매니폴드에 대향하는 평탄한 멤브레인 시트의 에지에 있도록 위치되는 세장형 스트립의 형태를 갖는, 방법.

항 27. 항 20에 있어서, (b)의 직교류 모듈은 2개의 투과물 매니폴드를 갖고 (d)의 제2 멤브레인 영역은 공급물 유동의 일반적인 방향에 평행하게 배향되고 제1 멤브레인 영역의 중간 부분에 위치되는 세장형 스트립의 형태를 가져, 제2 멤브레인 영역으로부터의 투과물이 제1 멤브레인 영역의 투과물 채널 공간을 통해 2개의 투과물 매니폴드의 각각으로 통과하게 되는, 방법.

항 28. 항 20에 있어서, (d)의 제2 멤브레인 영역은 공급물 유동의 일반적인 방향에 직각으로 배향되고 공급물 채널 잔류물 매니폴드에 인접한 평탄한 멤브레인 시트의 에지에 있도록 위치되는 세장형 스트립의 형태를 갖는, 방법.

항 29. 항 20에 있어서, 유동 지향 배플은 (c)의 공급물 채널을 통한 유동에 대향하여 (d)의 투과물의 스위프 유동을 향상시키도록 배열된 투과물 채널 공간에 통합되는, 방법.

Claims

부성분 및 주성분을 포함하는 공급물 유체를 투과물 유체 및 잔류물 유체로 분리하도록 구성된 직교류 멤브레인 모듈이며, 잔류물 유체는 공급물 유체보다 더 낮은 농도의 부성분을 갖고 투과물 유체는 공급물 유체보다 더 높은 농도의 부성분을 갖고, 모듈은:
제1 단부 및 제2 단부를 갖는 하우징으로서, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격되는, 하우징,
하우징의 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하는 하나 이상의 멤브레인 시트(들)로서, 각각의 멤브레인 시트는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격되고, 각각의 멤브레인 시트는 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하는 제1 및 제2 측면을 포함하고, 제1 측면은 제2 방향을 따라 제2 측면으로부터 이격되고, 제2 방향은 제1 방향에 대해 횡방향이고, 각각의 멤브레인 시트는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하고, 제2 주 표면은 제1 주 표면에 대향하고, 각각의 멤브레인 시트는 공급물 유체를 잔류물 유체와 투과물 유체로 분리하도록 구성되는, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)를 포함하고,
멤브레인 모듈은 공급물 유체 및 잔류물 유체가 제1 방향에서 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하지만 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따라 유동하지 않고 투과물 유체가 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따라 유동하지만 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하지 않도록 구성되고;
멤브레인 모듈은:
하우징의 제1 단부에 있는 입구로서, 입구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제1 단부와 유체 연통하고 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하도록 공급물 유체를 전달하도록 구성되는, 입구;
하우징의 제2 단부에 있는 출구로서, 출구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제2 단부와 유체 연통하고 공급물 유체로부터 분리된 잔류물 유체를 수용 및 출력하도록 구성되는, 출구; 및
멤브레인 시트의 제2 주 표면의 제1 측면에 인접한 도관으로서, 도관은 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하고 출력하도록 구성되는, 도관을 더 포함하고;
하나 이상의 멤브레인 시트(들) 중 적어도 하나는, 제1 부분을 가로지르는 공급물 유체의 분리가 투과물 유체의 제1 부분을 생성하고 제2 부분을 가로지르는 분리가 투과물 유체의 제2 부분을 생성하도록 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고,
멤브레인 시트의 제2 부분은, 투과물 유체의 제2 부분이 투과물 유체의 제1 부분보다 더 높은 농도의 주성분을 갖도록 제1 부분보다 더 큰 주성분에 대한 투과도를 가지며;
제2 부분은 제2 방향을 따라 멤브레인 시트의 제1 측면으로부터 이격되어 이에 의해 투과물 가스의 제2 부분이 멤브레인 시트의 제1 측면을 향해 유동하게 하여 투과물 가스의 제2 부분이 투과물 가스의 제1 부분과 혼합되게 하여 이에 의해 투과물 유체의 제1 부분 내의 부성분의 농도를 감소시키게 하는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 도관은 제1 방향에서 제1 측면의 길이의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 더 바람직하게는 적어도 80%를 따라 연장되는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 도관은 각각의 멤브레인 시트의 제1 측면과 정렬되는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 모듈은 제2 도관을 더 포함하고, 제2 도관은 제2 측면과 유체 연통하고, 제2 도관은 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하고 출력하도록 구성되고, 제2 부분은 제1 방향을 따라 제1 측면 및 제2 측면의 모두로부터 이격되어 있는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 제2 부분은 제1 단부와 제2 단부 사이에서 제1 방향을 따라 연장되고, 바람직하게는 제2 부분은 스트립으로서 형성되고, 더 바람직하게는 제2 부분은 제1 측면과 제2 측면 사이에서 등거리에 있는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 직교류 멤브레인 모듈은 나선형 권취되고,
도관은 제1 방향을 따라 연장하는 중앙 튜브이고,
하나 이상의 멤브레인 시트(들)는 제1 방향에 수직인 나선을 정의하기 위해 중앙 튜브 주위에 권취되어, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제1 측면이 제2 측면보다 중앙 튜브에 더 가깝게 되고,
중앙 튜브는 원통형 표면과 그 사이에 루멘을 형성하는 제1 및 제2 말단 단부를 포함하고,
중앙 튜브는 원통형 표면에 하나 이상의 개구(들)를 포함하고, 하나 이상의 개구(들)는 공급물 유체로부터 분리된 투과물 유체를 수용하도록 구성되고, 하나 이상의 개구(들)는 멤브레인 시트의 제1 측면과 유체 연통하고,
중앙 튜브는 하나 이상의 개구(들)에 의해 수용된 투과물 유체를 출력하도록 구성된 출구를 더 포함하고, 출구는 중앙 튜브의 제1 또는 제2 말단 단부에 있는, 멤브레인 모듈.
제6항에 있어서, 하나 이상의 개구(들)는 제1 방향을 따라 서로로부터 이격되고, 바람직하게는 하나 이상의 개구(들)의 축방향 범위는 제1 방향에서 제2 부분의 축방향 범위와 중첩되고, 더 바람직하게는 하나 이상의 개구(들)는 제1 측면과 정렬되는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 제2 부분은 하나 이상의 멤브레인 시트(들)의 외부 에지를 따라 연장하는, 멤브레인 모듈.
제8항에 있어서, 제2 부분은 제2 측면의 적어도 일부를 따라 연장되고, 바람직하게는 제2 부분은 제2 측면에 의해 형성된 전체 에지를 따라 연장되는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 모듈은:
하나 이상의 멤브레인 시트를 이격시키도록 구성된 하나 이상의 공급물 스페이서로서, 각각의 공급물 스페이서는 출구로의 공급물 유체 및 잔류물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 정의하기 위한 것인, 하나 이상의 공급물 스페이서; 및
하나 이상의 멤브레인 시트를 이격시키도록 구성된 하나 이상의 투과물 스페이서로서, 각각의 투과물 스페이서는 도관으로의 투과물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 정의하기 위한 것인, 하나 이상의 투과물 스페이서를 더 포함하는, 멤브레인 모듈.
제10항에 있어서, 하나 이상의 멤브레인 시트의 제1 멤브레인 시트는, 공급물 스페이서가 제1 멤브레인 시트의 제1 주 표면에 인접하고 투과물 스페이서가 제1 멤브레인 시트의 제2 주 표면에 인접하도록 배열되는, 멤브레인 모듈.
제10항에 있어서, 멤브레인 시트, 하나 이상의 공급물 스페이서 및 하나 이상의 투과물 스페이서는 적층 구성으로 배열되고, 인접한 멤브레인 시트 사이의 각각의 공간은 공급물 스페이서 또는 투과물 스페이서에 의해 형성되고, 멤브레인 시트는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면이 공급물 스페이서와 접촉하고 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면이 투과물 스페이서와 접촉하도록 교번 배향에 있는, 멤브레인 모듈.
제10항에 있어서, 공급물 스페이서에 의해 이격된 인접한 멤브레인 시트는 제1 주 표면을 따라 공급물 유체 및 잔류물 유체의 유동을 위한 유체 경로를 유체적으로 밀봉하도록 그 제1 주 표면의 제1 및 제2 측면을 따라 밀봉되고, 투과물 스페이서에 의해 이격된 인접한 멤브레인 시트는 제2 주 표면을 따라 투과물 유체에 대한 유체 경로를 유체적으로 밀봉하기 위해 그 제2 주 표면의 그 제1 및 제2 단부를 따라 밀봉되고, 바람직하게는 투과물 스페이서에 의해 이격된 인접한 멤브레인 시트는 또한 그 제2 주 표면의 제2 측면을 따라 밀봉되는, 멤브레인 모듈.
제10항에 있어서, 각각의 공급물 스페이서는 제1 방향을 따라 유체의 유동을 지향시키도록 구성되고, 각각의 투과물 스페이서는 제2 방향을 따라 유체의 유동을 지향시키도록 구성되는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 제2 부분의 면적은 멤브레인 시트의 총 면적의 20% 미만, 바람직하게는 15% 미만, 더 바람직하게는 10% 미만, 가장 바람직하게는 6% 미만인, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 주성분에 대한 제2 부분의 투과도는 주성분에 대한 제1 부분의 투과도의 2배 초과, 바람직하게는 적어도 10배인, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 제2 부분은 제2 주 표면의 부분을 형성하는, 멤브레인 모듈.
제1항에 있어서, 제2 부분은 제1 주 표면의 부분을 형성하는, 멤브레인 모듈.
제1항의 멤브레인 모듈의 멤브레인 시트를 제조하는 방법이며,
전구체 시트의 롤을 제공하는 단계;
전구체 시트의 롤의 제1 영역을 제1 코팅 용액으로 코팅하고, 전구체 시트의 롤의 제2 영역을 제2 코팅 용액으로 코팅하여 멤브레인 시트 롤을 형성하는 단계,
멤브레인 시트의 하나 이상의 롤(들)을 개별 멤브레인 시트로 분리하는 단계로서, 각각의 멤브레인 시트의 제1 부분은 멤브레인 시트의 롤의 제1 영역에 의해 형성되고 각각의 멤브레인 시트의 제2 부분은 멤브레인 시트의 롤의 제2 영역에 의해 형성되고, 각각의 멤브레인 시트의 제2 부분은 제1 부분보다 더 높은 주성분에 대한 투과도를 갖는, 분리 단계를 포함하는, 방법.
제19항에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역은 서로 인접하고, 바람직하게는 제2 영역은 각각의 멤브레인 시트에서, 제2 부분이 스트립으로서 형성되고 제1 부분이 제2 부분의 양 측에 제공되도록 2개의 제1 영역 사이에 위치되는, 방법.
제19항에 있어서, 방법은 각각의 멤브레인 시트가 한 쌍의 멤브레인 시트를 형성하도록 공급물 스페이서 주위에 각각의 멤브레인 시트를 절첩하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제19항에 있어서, 2개의 멤브레인 시트를 그 제1 주 표면의 제1 측면을 따라 함께 밀봉하고 그 사이에 공급물 스페이서를 위치설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제19항에 있어서, 제1 영역을 코팅하는 단계와 제2 영역을 코팅하는 단계는 동시에 수행되는, 방법.
제19항에 있어서, 코팅 단계는 코팅 용기에서 멤브레인 시트의 롤을 제1 및 제2 용액과 접촉시킴으로써 수행되고, 코팅 용기는 분리기에 의해 서로로부터 유체적으로 분리된 제1 및 제2 섹션을 갖고, 제1 섹션은 제1 코팅 용액을 포함하고 제2 섹션은 제2 코팅 용액을 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 코팅 용기의 제2 섹션은 코팅 용기의 2개의 제1 섹션 사이에 위치되는, 방법.
제24항에 있어서, 제2 부분의 위치 및 크기를 조정하기 위해 분리기의 위치를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
주성분 및 부성분을 포함하는 공급물 유동으로부터 부성분을 분리하기 위해 직교류 멤브레인 모듈을 사용하는 방법이며, 잔류물 유체는 공급물 유체보다 더 낮은 농도의 부성분을 갖고 투과물 유체는 공급물 유체보다 더 높은 농도의 부성분을 갖고, 바람직하게는 부성분은 이산화탄소이고 주성분은 메탄 또는 질소이고, 모듈은:
제1 단부 및 제2 단부를 갖는 하우징으로서, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격되는, 하우징,
하우징의 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하는 하나 이상의 멤브레인 시트(들)로서, 각각의 멤브레인 시트는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 제2 단부는 제1 방향을 따라 제1 단부로부터 이격되고, 각각의 멤브레인 시트는 제1 및 제2 단부 사이에서 연장하는 제1 및 제2 측면을 포함하고, 제1 측면은 제2 방향을 따라 제2 측면으로부터 이격되고, 제2 방향은 제1 방향에 대해 횡방향이고, 각각의 멤브레인 시트는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하고, 제2 주 표면은 제1 주 표면에 대향하는, 하나 이상의 멤브레인 시트(들),
하우징의 제1 단부에 있는 입구로서, 입구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제1 단부와 유체 연통하는 입구;
하우징의 제2 단부에 있는 출구로서, 출구는 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면의 제2 단부와 유체 연통하는 출구; 및
멤브레인 시트의 제2 주 표면의 제1 측면에 인접한 도관을 포함하고,
하나 이상의 멤브레인 시트(들) 중 적어도 하나는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고;
방법은:
주성분 및 부성분을 포함하는 공급물 유체를 제1 방향으로 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하도록 입구를 통해 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면으로 전달하는 단계;
잔류물 유체가 제1 방향으로 제1 주 표면을 따라 출구로 유동하고 투과물 유체가 제2 주 표면을 따라 제2 방향으로 도관으로 유동하도록 각각의 멤브레인 시트를 가로지르는 공급물 유체를 투과물 유체 및 잔류물 유체로 분리하는 단계를 포함하고;
멤브레인 모듈은 공급물 유체 및 잔류물 유체가 제1 방향에서 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하지만 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따라 유동하지 않고 투과물 유체가 각각의 멤브레인 시트의 제2 주 표면을 따라 유동하지만 각각의 멤브레인 시트의 제1 주 표면을 따라 유동하지 않도록 구성되고;
분리 단계는 투과물 유체의 제1 부분을 생성하기 위해 멤브레인 시트의 제1 부분을 가로질러 공급물 유체를 분리하고 투과물 유체의 제2 부분을 생성하기 위해 멤브레인 시트의 제2 부분을 가로질러 공급물 유체를 분리하는 단계를 포함하고, 멤브레인 시트의 제2 부분은, 투과물 유체의 제2 부분이 투과물 유체의 제1 부분보다 더 높은 농도의 주성분을 갖도록 제1 부분보다 더 큰 주성분에 대한 투과도를 가지며;
제2 부분은 제2 방향을 따라 멤브레인 시트의 제1 측면으로부터 이격되어 이에 의해 투과물 가스의 제2 부분이 멤브레인 시트의 제1 측면을 향해 유동하게 하여 투과물 가스의 제2 부분이 투과물 가스의 제1 부분과 혼합되게 하여 이에 의해 투과물 유체의 제1 부분 내의 부성분의 농도를 감소시키게 하고,
방법은 모듈로부터 출구를 통해 잔류물 유체를 출력하고 모듈로부터 도관을 통해 투과물 유체를 출력하는 단계를 더 포함하는, 방법.