KR20240093748A - 클램쉘 리테이너를 갖는 가스 분리막 카트리지 - Google Patents

Abstract

가스를 성분으로 비극저온식으로 분리하기 위한 카트리지는 복수의 중공 폴리머 섬유를 포함하고, 섬유는 한 쌍의 튜브시트에 의해 고정되고, 각각의 튜브시트는 헤드에 인접하고, 튜브시트 및 헤드는 클램쉘 리테이너에 의해 결합되어 있다. 카트리지는 코어 튜브를 갖지 않는다. 섬유는 슬리브 내에 에워싸여 있고, 슬리브는 비구조적 요소가 될 만큼 충분히 얇다. 카트리지는 더 큰 압력 용기 내에 삽입될 수도 있다. 본 발명의 카트리지는 종래 기술의 상응하는 카트리지보다 더 많은 섬유를 수용할 수 있고, 따라서 더 큰 처리량을 갖는다.

Description

클램쉘 리테이너를 갖는 가스 분리막 카트리지

본 발명은 성분으로의 가스의 비극저온 분리를 위한 카트리지 또는 모듈에 관한 것이다.

공기를 성분으로 분리하기 위해 폴리머 막(polymeric membrane)을 사용하는 것이 알려져 있다. 다양한 폴리머는 이들이 상이한 가스가 상이한 속도로 막을 통해 유동하거나 투과할 수 있게 하는 특성을 갖는다. 공기 분리에 사용되는 폴리머는 예를 들어, 상이한 속도로 산소와 질소를 통과시킬 것이다. 막 벽을 통해 우선적으로 유동하는 가스는 "투과물" 가스라 지칭되고, 막을 통해 유동하지 않는 경향이 있는 가스는 "비투과물" 또는 "잔류물" 가스라 지칭된다. 막의 선택도(selectivity)는 막이 하나의 성분은 통과를 허용하지만, 다른 성분은 통과를 허용하지 않는 정도의 척도이다.

막 기반 가스 분리 시스템은 시스템이 극저온 액체의 운송, 보관 및 취급을 필요로 하지 않는 고유한 장점을 갖는다. 또한, 막 시스템은 비교적 적은 에너지를 필요로 한다. 막 자체는 이동 부품을 갖지 않는데; 전체 막 시스템에서 유일한 이동 부품은 일반적으로 막에 공급될 가스를 제공하는 압축기이다.

가스 분리막 유닛은 전형적으로 선택된 폴리머 막 재료로 제조된 다수의 작은 중공 섬유를 포함하는 모듈의 형태로 제공된다. 모듈은 일반적으로 원통형이고, 중공 섬유를 고정하는 한 쌍의 튜브시트에서 종료한다. 튜브시트는 가스에 불투과성이다. 섬유는 튜브시트를 통해 연장되도록 장착되어, 섬유의 내부(관련 기술 분야에서는 보어측으로서 알려짐)를 통해 유동하는 가스가 튜브시트를 효과적으로 우회할 수 있게 된다. 그러나, 섬유 외부의 영역(쉘측으로서 알려짐)에서 유동하는 가스는 튜브시트를 통과할 수 없다. 튜브시트는 전형적으로 수지 재료로 제조된다.

동작시에, 가스가 막 모듈 내에 도입되고, 가스는 섬유의 보어측을 통해 유동하도록 유도된다. 가스의 일 성분은 섬유 벽을 통해 투과하고, 섬유의 쉘측으로 나오고, 반면 다른 비투과 성분은 섬유의 보어를 통해 직선으로 유동하는 경향이 있다. 비투과 성분은 모듈의 출구 단부에 있는 섬유의 보어측으로부터 나오는 생성물 스트림을 포함한다.

대안적으로, 가스는 모듈의 쉘측으로부터 도입될 수 있다. 이 경우, 투과물은 보어측으로부터 회수되고, 비투과물은 쉘측으로부터 취해진다.

막 기반 공기 분리 시스템의 예는, 그 개시내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제4,881,953호에 제공되어 있다.

섬유막 모듈의 다른 예는, 그 개시내용이 모두 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제7,497,894호, 제7,517,388호, 제7,578,871호 및 제7,662,333호에 제공되어 있다.

섬유막 모듈에서 직면하게 되는 일 문제점은 상승된 가스 압력에 의해 손상되는 그 경향이다. 종종 500 psig 정도의 주위 압력 초과의 압력을 갖는 공급물 스트림은 튜브시트 상에 충돌하고, 튜브시트 상의 압력은 섬유를 감싸는 외부 슬리브 상의 모듈용 중앙 코어 튜브 상에, 또는 섬유 자체 상에 손상 응력을 유발할 수 있다. 이러한 응력은 모듈 또는 카트리지의, 특히 튜브시트의 굴곡을 야기할 수 있는데, 이는 현장에서 막 누설 및 감소된 내구성을 야기할 수 있다. 더욱이, 반복적인 가압 및 감압은 모듈의 구성요소를 왜곡시킬 수 있다.

상기 문제점에 대한 해결책은, 그 개시내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제5,211,728호에 제안되어 있다. 후자의 특허는 모듈이 유입 공급물 가스의 압력에 저항하도록, 모듈의 구성요소를 함께 유지하는 데 사용되는 클램쉘 리테이너를 설명하고 있다.

상기에 인용된 특허에 개시된 클램쉘 구조체의 문제점은, 단부 캡이 기계적으로 부착되는 전형적으로 에폭시 수지로 제조된 튜브시트가 표준 압력 용기 재료가 아니기 때문에, 최종 모듈이 일반적으로 법적으로 인증된 압력 용기로서 적격화되지 않는다는 것이다. 이와 같이, 클램쉘 구조체는 정격 또는 인증된 압력 용기가 아니다. 따라서, 규제 상의 이유로, 모듈의 허용 가능한 크기가 제한되고, 직경이 약 6 인치를 초과하지 못할 수도 있다.

본 발명에서는, 클램쉘 리테이너를 갖는 모듈 또는 카트리지가 인증된 압력 용기 내에 삽입되어, 모듈이 내구성 및 효율을 최대화하도록 구성될 수 있게 되고, 반면 조합된 디바이스는 여전히 원하는 압력 인증을 제공한다.

본 발명은 압력 용기 내에 삽입되고 그로부터 제거 가능한 가스 분리 카트리지 또는 모듈을 포함한다.

카트리지는 가스를 성분으로 분리하기 위한 재료로 형성된 복수의 중공 폴리머 섬유를 포함한다. 섬유는 카트리지의 양 단부 부근에 배치된 튜브시트에 의해 고정된다. 각각의 튜브시트는 헤드에 인접하고, 튜브시트와 헤드의 각각의 조합체는 클램쉘 리테이너에 의해 함께 유지된다.

클램쉘 구조체가 헤드와 튜브시트를 하나의 유닛으로서 작용하게 하고, 외부 가스 유동으로부터의 압력에 저항하는 것을 가능하게 하기 때문에, 카트리지는 섬유를 포함하는 영역 내에 코어 튜브를 갖지 않는다. 따라서, 코어 튜브의 구조적 이점이 필요하지 않다. 코어 튜브를 제거하는 것은 더 많은 섬유가 그 내에 제공될 수 있는 부가의 체적을 제공한다.

또한, 섬유는 슬리브 내에 유지되지만, 슬리브는 얇고 비구조적으로 제조될 수도 있다. 즉, 슬리브는 외부 가스 압력에 저항하지 않을 정도로 충분히 얇을 수도 있다. 대신에, 헤드 및 튜브시트 조합체가 클램쉘 리테이너에 의해 결합되어 있기 때문에, 가스 압력은 이들 조합체에 의해 상쇄된다. 슬리브의 두께를 감소시키는 것은 또한 카트리지 내에 더 많은 섬유가 제공될 수 있게 한다.

카트리지는 케이스 및 단부 캡을 포함하는 압력 용기 내에 삽입되고, 그로부터 제거 가능하다.

투과 밀봉부가 케이스와 단부 캡 사이에 배치되고, 튜브시트로부터 변위되고, 그에 독립적이다. 따라서, 금속 케이스와 수지 튜브시트 사이를 밀봉하는 대신에, 투과물 가스의 밀봉이 금속간 접촉이 존재하는 위치에서 달성된다. 이 배열은 더 내구성이 있고 신뢰적인 밀봉 구조체를 제공한다.

따라서, 본 발명은 가스의 비극저온 분리를 위한 장치를 제공하는 주 목적을 갖는다.

본 발명은 외부 환경으로부터 카트리지를 밀봉하기 위해 외부 압력 용기에 의존하면서 개선된 처리량을 갖는 가스 분리 카트리지를 제공하는 다른 목적을 갖는다.

본 발명은 모듈 내에 패킹되는 폴리머 섬유의 양이 최대화되는 가스 분리막 모듈을 제공하는 다른 목적을 갖는다.

본 발명은 개선된 내구성 및 처리량을 갖는 가스 분리 카트리지를 제공하는 다른 목적을 갖는다.

통상의 기술자는 이하의 도면의 간단한 설명, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위의 숙독으로부터, 본 발명의 다른 목적 및 장점을 인식할 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술의 가스 분리 모듈 또는 카트리지의 단면도를 제공하고 있다.
도 2는 본 발명의 가스 분리 모듈 또는 카트리지의 단면도를 제공하고 있고, 카트리지는 외부 압력 용기 내에 설치된 것으로 도시되어 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 카트리지 및 유사한 카트리지의 2개의 종래 기술 버전의 단순화된 개략도를 제공하고 있다.

본 발명은 공기 또는 다른 가스의 비극저온 분리를 위한 복수의 중공 폴리머 섬유를 포함하는 카트리지 또는 모듈을 포함한다. 카트리지는 외부 압력 용기 내에 삽입되어 유지되도록 의도된다.

아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 카트리지의 구조는 본질적으로 공급물 가스에 의해 인가되는 압력에 저항한다. 이러한 이유로, 본 발명의 카트리지는 공급물 가스의 힘에 대항하는 요소들인 코어 튜브 및/또는 섬유를 둘러싸는 두꺼운 슬리브와 같은 종래 기술에 사용되었던 다양한 요소를 생략할 수 있다.

도 1은 종래 기술의 가스 분리 모듈의 단면도를 제공하고 있다. 모듈은 복수의 작은 중공 폴리머 섬유가 내부에 배치되어 있는 케이스(8)에 의해 형성된다. 섬유는 명시적으로 도시되어 있지는 않지만, 참조 번호 1에 의해 개략적으로 나타낸다. 섬유는 코어 튜브(2) 주위에 배열된다.

수지 튜브시트(3)는 섬유의 단부를 유지한다. 도면은 파단되어 있고, 좌측에 튜브시트만을 도시하고 있지만, 우측에도 유사한 튜브시트가 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 섬유는 한 쌍의 튜브시트에 의해 고정되고, 튜브시트는 섬유의 양 단부에 위치된다. 각각의 튜브시트는, 튜브시트의 주연부 주위로 연장되고 공간(30)에 나타나는 투과물 가스와 주위 압력 사이를 밀봉하는 투과 밀봉부(7)를 갖는다. 밀봉부(6)는 공급물 가스와 투과물 가스 사이에 분리를 제공한다.

헤드(4)가 공급물 가스용 개구를 형성한다. 클램쉘 리테이너(5)는 튜브시트 및 헤드 내의 홈에 맞물리고, 따라서 이들 구성요소를 함께 유지한다. 핀(9)은 헤드와 맞물려 이를 케이스(8) 내에 유지한다.

도 1의 종래 기술의 디바이스는 모듈 내의 내부 공간의 일부가 코어 튜브에 의해 점유되어, 그렇지 않으면 내부에 패킹될 수 있는 섬유의 양을 감소시키는 단점을 갖는다. 또한, 섬유 다발은 비교적 두꺼운 슬리브 내에 에워싸일 수도 있다. 구조적 강성을 갖는 슬리브는 유입 공급물 가스의 힘에 대항한다. 그러나, 슬리브에 의해 점유된 공간은 더 많은 섬유를 제공하기 위해 대신에 사용될 수 있는 공간이다.

도 2는 본 발명의 카트리지 및 압력 용기의 단면도를 제공하고 있다. 압력 용기는 케이스(20)와 단부 캡(21)을 포함한다. 단부 캡은 밀봉부(23)에 의해 밀봉된다.

카트리지는 슬리브(11) 내에 유지되는 섬유 다발(10), 한 쌍의 수지 튜브시트(12), 한 쌍의 헤드(13) 및 클램쉘 리테이너(14)를 포함한다. 헤드 연장부(16)는 공급물 가스의 유입을 위한 채널을 형성한다. 보유 링(17)이 헤드 연장부를 고정한다. 클램쉘 리테이너(14)는 튜브시트 및 헤드 내에 형성된 홈과 맞물리고, 따라서 튜브시트를 헤드에 단단히 유지한다.

도 1의 경우에서와 같이, 도 2는 우측의 구성요소를 도시하지 않도록 파단되어 있다. 그러나, 우측에는 유사한 튜브시트, 헤드 및 클램쉘 리테이너, 뿐만 아니라 대응 밀봉부가 있다는 것이 이해되어야 한다. 이 이유로, 튜브시트, 헤드 및 클램쉘 리테이너와 같은 구성요소는 복수로 식별된다.

밀봉부(15)는 40 및 41로 표기된 공간을 채우는 투과물 가스로부터 공급물 가스를 격리한다. 밀봉부(18, 22)는 투과물 가스를 주위 압력으로부터 격리한다. 밀봉부(19)는 투과물 가스로부터 공급물 가스를 격리한다.

본 발명에서, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 공급물 가스로부터의 압력이 튜브시트 및 헤드 상에 인가된다. 그러나, 튜브시트와 헤드는 클램쉘 리테이너로 단단히 결합되어 있기 때문에, 이들은 압력에 저항하고 이러한 압력이 섬유에 전달되지 않는다. 그 결과, 코어 튜브를 제공할 필요가 없고, 섬유 다발을 둘러싸는 두꺼운 구조적 슬리브를 제공할 필요가 없다. 대조적으로, 종래 기술은 가스 압력에 저항하기 위해, 구조적 능력을 갖는 코어 튜브 및/또는 비교적 두꺼운 슬리브를 사용한다.

코어 튜브를 제거함으로써, 그리고 슬리브를 얇고 비구조적이게 허용함으로써, 더 많은 공간이 섬유에 이용 가능하게 된다. 실제로, 본 발명은 유사한 크기의 종래 기술의 모듈과 비교하여, 카트리지 내에 패킹될 수도 있는 섬유의 수를 약 15%까지 증가시킬 수도 있다. 섬유의 수의 이러한 증가는 종래 기술 카트리지에 비교하여 생성물 유동의 대응 증가를 유발한다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 카트리지는 동일한 총 체적에 더 많은 섬유를 갖기 때문에, 더 효율적이다.

슬리브의 정확한 두께는 특정 용례에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 슬리브는 슬리브가 바람직하게는 비구조적 요소가 되도록 충분히 얇게 제조된다. 즉, 상기에 제공된 이유로, 외부 가스의 압력에 저항하기 위한 슬리브가 요구되지 않는다. 따라서, 슬리브는 얇은, 가요성, 비강성 재료로 제조될 수도 있는데, 이는 섬유의 다발을 위한 적절한 컨테이너를 제공하는 것 외에는 구조적 목적을 담당하지 않는다.

도 2에서, 카트리지는 섬유 다발, 슬리브, 튜브시트, 헤드, 및 헤드와 튜브시트를 함께 유지하는 클램쉘 리테이너를 포함한다. 카트리지는 이어서 도 2의 케이스(20) 및 단부 캡(21)을 포함하는 압력 용기 내에 삽입될 수 있다. 카트리지는 제거될 수 있고, 압력 용기는 다른 목적으로 사용될 수 있다. 외부 압력 용기는 그 내에 삽입된 카트리지에 독립적이다.

도 2의 배열은 규제 준수의 이유로 유리하다. 압력 용기는 바람직하게는 특정 압력을 견디도록 인증된 것이다. 실제로, 튜브시트를 형성하는 데 사용된 에폭시 수지가 표준 압력 용기 재료가 아니기 때문에, 클램쉘 구조체에 대한 압력 용기 정격을 얻는 것이 어렵다. 본 발명은 이러한 정격을 불필요하게 한다. 압력 용기 내에 카트리지를 삽입함으로써, 개선된 처리량을 갖는 가스 분리 카트리지를 생성하는 동시에 또한 고압에서 동작을 위해 원하는 인증을 갖는 케이싱이 있는 모듈을 제공하는 클램쉘 리테이너의 장점을 얻는다. 클램쉘 구조체는 카트리지를 더 내구성이 있고 효율적이게 하고, 반면 외부 케이싱은 정격 압력 용기를 갖기 위한 요구 사항을 충족한다.

더욱이, 본 발명은 카트리지가 압력 용기로부터 제거될 수 있게 하고, 압력 용기는 다른 목적으로 다시 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 밀봉부의 배치에 있다. 도 1(튜브시트(3)용 밀봉부(7)를 도시하고 있음)에 도시되어 있는 바와 같이, 투과 밀봉부가 수지 튜브 시트에 일체형일 때, 수지 튜브시트와 금속 케이스 사이의 접촉이 치수적으로 안정하지 않기 때문에, 밀봉부가 불완전한 것으로 판명되었다. 수지 튜브시트는 금속 케이스에 비해 좌굴되거나 굴곡될 수도 있어, 막 누설 및 모듈의 감소된 내구성을 유발한다.

본 발명에서, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 투과 밀봉부는 수지 튜브시트에 독립적이고, 그로부터 물리적으로 제거된다. 따라서, 도 2에서, 밀봉부(22)는 튜브시트(12)로부터 이격하여 독립적으로 변위된다. 이 밀봉부는 수지로 제조된 구성요소 대신에, 다른 금속 구성요소와 맞닿는 금속 구성요소 내의 홈 내에 위치된다. 가공된 금속 부품들 사이에 밀봉부를 위치시키는 것은 금속 구성요소들 사이의 맞춤의 더 양호한 제어를 허용한다. 금속간 접촉은 금속과 수지 사이의 접촉보다 더 신뢰적인 것으로 고려된다.

도 3a 내지 도 3c는 종래 기술과 비교하여, 본 발명의 주요 특징을 개략적으로 도시하고 있다. 이들 도면은 본 발명의 카트리지(도 3a)와, 종래 기술의 모듈(도 3b 및 도 3c)을 개략적으로 나타낸다.

도 3a는 얇은 슬리브(50)를 도시하고 있고, 코어 튜브는 없다. 클램쉘 리테이너(도 3a에는 도시되어 있지 않음)의 동작으로 인해, 섬유에 상당한 압축력이 존재하지 않고, 따라서 슬리브는 얇고 비구조적으로 제조될 수도 있고, 코어 튜브가 필요하지 않다.

대조적으로, 도 3b는 슬리브(60)가 두꺼운 종래 기술의 구조체를 나타낸다. 따라서, 공급물 가스에 의해 섬유 다발에 인가되는 압축력은 두꺼운 슬리브에 의해 저항된다.

도 3c는 코어 튜브(70)가 있는 종래 기술의 구조체를 나타낸다. 이 경우, 공급물 가스에 의해 섬유 다발에 인가되는 압축력은 코어 튜브에 의해 저항된다.

따라서, 본 발명의 장점은 도 3a를 도 3b 및 도 3c와 비교함으로써 신속하게 인식될 수 있다.

본 발명은 통상의 기술자들에게 명백한 바와 같이, 다양한 방식으로 수정될 수 있다. 이러한 수정은 이하의 청구범위의 사상 및 범주 내에서 고려되어야 한다.

Claims (12)

1. 가스를 성분으로 비극저온식으로 분리하기 위한 장치이며,
   a) 가스 분리 카트리지로서, 카트리지는 복수의 중공 폴리머 섬유를 포함하고, 섬유는 튜브시트에 의해 고정되고, 튜브시트는 헤드에 인접하고, 튜브시트와 헤드는 클램쉘 리테이너에 의해 결합되며, 카트리지는 어떠한 코어 튜브도 없는, 가스 분리 카트리지,
   b) 케이스 및 단부 캡을 포함하는 압력 용기를 포함하고,
   카트리지는 압력 용기 내에 삽입되는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 섬유는 슬리브 내에 에워싸여 있고, 슬리브는 카트리지 내의 비구조적 요소가 될 만큼 충분히 얇은, 장치.
3. 제1항에 있어서, 단부 캡을 케이스에 밀봉하는 투과 밀봉부를 더 포함하고, 밀봉부는 튜브시트로부터 변위되고, 그에 독립적인, 장치.
4. 제2항에 있어서, 단부 캡을 케이스에 밀봉하는 투과 밀봉부를 더 포함하고, 밀봉부는 튜브시트로부터 변위되고, 그에 독립적인, 장치.
5. 가스를 성분으로 비극저온식으로 분리하기 위한 카트리지이며,
   a) 복수의 중공 폴리머 섬유를 포함하고,
   b) 섬유는 한 쌍의 튜브시트에 의해 고정되고,
   c) 각각의 튜브시트는 헤드에 인접하고,
   d) 튜브시트와 헤드는 클램쉘 리테이너로 결합되어 있고,
   카트리지는 어떠한 코어 튜브도 없는, 카트리지.
6. 제5항에 있어서, 섬유는 슬리브 내에 에워싸여 있고, 슬리브는 비구조적 요소가 될 만큼 충분히 얇은, 카트리지.
7. 제5항의 카트리지와 압력 용기의 조합체이며, 카트리지는 압력 용기 내에 삽입되고, 압력 용기는 케이스 및 단부 캡을 포함하는, 조합체.
8. 제7항에 있어서, 카트리지의 섬유는 슬리브 내에 에워싸여 있고, 슬리브는 비구조적 요소가 될 만큼 충분히 얇은, 조합체.
9. 제7항에 있어서, 단부 캡을 케이스에 밀봉하는 투과 밀봉부를 더 포함하고, 밀봉부는 튜브시트로부터 변위되고, 그에 독립적인, 조합체.
10. 제8항에 있어서, 단부 캡을 케이스에 밀봉하는 투과 밀봉부를 더 포함하고, 밀봉부는 튜브시트로부터 변위되고, 그에 독립적인, 조합체.
11. 가스를 성분으로 비극저온식으로 분리하기 위한 카트리지이며, 카트리지는 복수의 폴리머 섬유를 포함하고, 섬유는 한 쌍의 튜브시트에 의해 고정되고, 각각의 튜브시트는 헤드에 인접하고, 튜브시트 및 헤드는 클램쉘 리테이너에 의해 결합되어 있고, 카트리지는 케이스 내에 삽입되고, 케이스는 단부 캡을 갖고,
    단부 캡을 케이스에 밀봉하는 투과 밀봉부를 포함하고, 투과 밀봉부는 튜브시트로부터 변위되고, 그에 독립적인, 개선된 카트리지.
12. 제11항에 있어서, 카트리지는 어떠한 코어 튜브도 없고, 섬유는 슬리브 내에 에워싸여 있고, 슬리브는 비구조적 요소가 될 만큼 충분히 얇은, 개선된 카트리지.

Images