KR820001463B1 - 유체분리용 중공섬유 - Google Patents

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내용 없음.

Description

유체분리용 중공섬유

본 발명은 유체분리에 사용하는데 의도된 중공섬유, 중공 반투막섬유의 속(束 : bundle) 및 중공섬유의 속을 포함하는 분리장치에 관한 것이다.

본 발명에 따라서, 유체분리가 중공섬유를 통해 선택적 투과에 의하여 행하여지는 것과 같은 유체 분리 장치중에서 사용하는 데에 특히 유익한 중공섬유가 제공된다. 본 발명의 중공섬유는 분리장치단위체적당 소망되는 막표면적을 부여하는 것을 가능하게 함으로써 증대되어진 분리효율을 부여할 수가 있다.

1종이상의 유체를, 1종이상의 다른 유체를 함유하는 유체 혼합물로부터 선택적 투과에 의해서 분리시키는 반투막의 사용에 대해서는 많은 제안이 있었다. 그러나 유체분리에 대한 반투막의 상업적 사용은 한정되어 있으므로 현재까지는 반투막의 대규모 공업적 사용은 주로 물의 탈염에 대해서만 있다. 많은 조직에 대해서 적당한 분리 선택성을 나타내는 반투막이 개발되어오는 동안에도 인식되어진 기본적 곤란점은 반투막을 통해서 얻어질 수 있는 비교적 낮은 유량이다. 따라서, 소망량의 투과 생성물을 얻기 위해서는 큰 표면적의 반투막을 제공하는 것이 필요하다.

반투막의 구조는 반투막 함유 분리장치가 있는 체적중에 얻어질 수 있는 활성막 표면적의 양에 현저한 영향을 준다. 분리장치 단위 체적당 높은 비율의 활성표면적을 부여하기 위해 매우 소망되는 막구조는 중공섬유 또는 중공 필라멘트이다. 예를 들면 미합중국특허 제3,228,877호 명세서 제2란 제35행 이하에는 중공섬유형태의 반투막을 사용하는 경우, 분리장치 1입방피트 체적당 1만평방피드 또는 그 이상의 활성표면적을 얻는 것이 기술되어 있다. 분리장치 단위 체적당 그의 높은 막표면적 비를 달성하기 위해서는 그의 중공섬유는 비교적 작은 외경을 갖고 있을 뿐만 아니라 더우기 중공섬유의 바람직한 외경범위는 10내지 15μ의 사이에 있는 것이 교시되어 있다.

그외의 다른 문헌에서도 같은 형태로 현저하게 큰 막표면적을 부여하기 위해서는 비교적 작은 외경을 갖는 중공섬유를 분리장치중에서 사용하는 것이 바람직한 것을 알수 있었다. 예를 들면, 미합중국특허제3,339,341호 명세서 제20내지 250μ의 사이의 외경을 갖는 중공섬유가 특히 바람직하다는 것이 개시되어 있다. 실제로, 맥스웰(Maxwell)등의 상기 미합중국특허에서는 이 특허명세서의 제14란 제63행에 있어서 2,92μ의 외경을 갖는 중공섬유를 사용해서 실시한 것이 기술되어 있다. 반투막으로서의 비교적 작은 직경의 중공섬유의 사용은 분리장치의 단위체적당 높은 활성 표면적비를 달성한다는 능력 이외에도 이점이 있다.

미합중국특허 제3,228,877호 명세서 제10란 제57행 이하에 기재된 바와 같이 중공섬유가 견딜 수 있는 압력차의 양은 섬유의 내경에 대한 섬유의 벽두께의 비와 직접 관계가 있다. 다수의 분리조작에 있어서는 막내외의 압력차가 더욱 클수록 얻어지는 유량은 보다 크게되는 것이므로 높은 압력차에 견딜 수 있는 중공섬유를 제공하는 것이 소망되었다. 즉 미합중국특허 제3,228,877호 명세서에서는 섬유직경이 보다 작을수록 부여된 압력 저하에 견딜 수 있는데 필요한 상당한 벽두께는 보다 작아지는 것, 또 얇은 두께의 벽은 투과류에 대해서 보다 작은 저항을 바람직하게 나타낸다는 것과, 따라서 보다 큰 두께의 벽에 의하여 나타낸 것보다는 한층 큰 유량을 부여하는 것을 결론하고 있다. 분리막 단위 체적당 비교적 큰 활성막 표면적을 부여하기 위하여 아직까지도 제안이 있었다 할지라도, 이와 같은 장치는 유체분리를 경제적 및 프로세스(process)에 유동하도록 실시하지 않으면 환경속에서의 유체분리에 대해서는 충분하게 기능하지는 않는다. 예를 들면 분리장치중에서의 중공섬유의 집성하는데 있어서는 분리장치의 유효성을 감소시키는 몇몇의 문제가 생길 수 있다.

첫째로, 중공섬유는 집성되어진 분리장치중에서 다른 섬유와 접촉할 수 있고 이리하여 본질적으로 항상 접촉하고 있다. 이 결과 생기는 접촉면은 소량의 분리를 하는데 이용할 수 있으며 또 얻어질 수 있는 유량 및 효율은 감소한다. 둘째로, 중공섬유의 접촉은 중공섬유의 주위 및 그의 사이의 유체의 흐름을 방해하며 이에 의하여 장치중의 흐름이 불균일성 및 유체의 극소적 포켓까지도 생성시킬 수 있다. 유체포켓 (poket)은 섬유의 외측에 접촉하는 경우, 공급물중의 투과성의 더욱 작은 폭의 유체를 상승된 농도로써 함유하고 있다. 공급물의 투과성의 한층 작은 쪽의 유체보다 큰 농도는 막을 통해서 그의 투과성의 보다 작은 유체의 상승된 투과를 생기게 하고 따라서 분리의 선택성을 감소시킨다. 공급물이 액체인 극단의 경우에는 유체 포켓은 그의 투과성의 보다 작은 유체로 포화되어 이 결과 투과성의 작은쪽 물의 유체가 공섬유의 사이에서 침전 또는 분리한다.

셋째로, 일반적으로 중공섬유는 비교적 작은 외경 및 얇은 벽을 갖고 있기 때문에 이들은 매우 가능성이 있다. 그러므로 중공섬유의 접촉을 최소로 하는 방법으로써 중공섬유가 분리장치중에서 집성되어 있는 경우일지라도, 그의 중공섬유는 분리장치의 조작의 사이에 상호 상승된 접촉을 갖게 되어 매우 가요성의 중공섬유의 이동이 용이하기 때문에 불균일한 분포 챤넬을 형성하게 될 수 있다.

경제적 및 처리로에 있어서 분리장치가 유리한가 유리하지 않은 가를 고려할때에 다른 중요한 요소는 처리되는 유체흐름의 에너지를 기준으로한 분리장치의 효율이다. 반투막 함유 분리장치를 사용해서 한가지 또는 그 이상의 유체를 적어도 한 가지의 다른 유체를 함유하는 유체 혼합물로부터 선택적으로 분리하는 것이 제안되었으나 여기에서 유체 혼합물(보유체, rentente)은 분리조작 후에 처리하게 된다. 분리장치가 유체혼합물의 흐름에 대해서 현저한 저항을 부여하는 경우에는 유체 혼합물(보유체)을 이후의 조작을 위하여 소망의 압력으로 재압축하기 위하여는 실질적 에너지 소비가 필요로 하게 된다. 분리장치의 유체류 저항에 의해 생길 수 있는 유체혼합물에 대한 압력 저하는 유체 혼합물이 섬유의 구멍에 공급되어지는 경우에 실질적이다. 예를 들어 문헌[(Chemical Engineering Process 1977년 10월호 제76-78항]에는 옥소알콜 합성플랜트중에서 수소소. 일산화탄소와의 공급 흐름으로부터 수소를 제거하기 위한 중공섬유막 함유분리장치의 사용을 개시하였다. 공급물 흐름은 350파운드/psig의 압력이며, 600psig의 압력으로 압축되며 분리장치중의 중공섬유의 구멍을 통과하고 또 330psig의 분리장치로부터 보유체 흐름으로써 회수되어진다. 명백히 공급흐름의 압축은 콤프렛서(Compressor)에 대한 카본적 지출 및 콤프렛서의 조작 코스트에 관련하여 비용이 드는 것이다. 분리장치에의 공급물 흐름의 구경축 공급때문에 실질적 압력저하는 생기지만 공급흐름을 중공섬유의 셀(Shell)에 공급한 경우의 분포의 결여 및 효율의 손실때문에 공축공급은 분명히 필요하다.

중공섬유 함유 분리장치의 셀측공급은 다른 이점도 줄 수 있다. 예를 들면 분리를 하기 위한 보다 큰면적은 중공섬유의 내측보다도 중공섬유의 외측표면에서 제공된다. 더우기 중공섬유는 섬유의 내측에 저항하여 외측에 보다 높은 압력이 있는 경우에 더욱 높은 압력차에 이겨낼 수 있다. 그 이유는 일반적으로 그재료물질이 인장강도 보다 더 큰 압축강도를 나타내기 때문이다. 중공섬유의 사이에 개선된 유체분포를 갖는 중공섬유 막 함유분리장치를 제공하기 위한 노력이 있었다. 미합중국특허 제3,616,928호 명세서는 반투과막으로서 사용하기 위한 고도로 권축된 중공섬유의 사용을 개시하고 있다. 권축 중공섬유는 중공섬유간의 공간적 관계를 유지하기 위하여 복수개의 접촉부분에서 상호접착 결합되어 있다. 분리장치에는 공급물이 신속히 중공섬유를 통하여 흐르도록 중공섬유의 집대성의 중심에 공급물을 도입하기 위한 수단이 설치되어 있다. 미합중국특허 제3,616,928호 명세서에서는 중공섬유에 의하여 점유되는 분리장치의 단면적의 비율(즉 충전팩터 또는 충전밀도)에 관해서는 하등의 일반적인 제시를 언급하고 있지 않다. 그러나, 이 비율은 공급물이 중공필라멘트의 구멍에 도입되는 통상의 분리장치(미합중국특허 제3,339,341호 명세서 제5란 제10내지 25행에서 설명되어 있는 바와 같이 종종 약 45내지 60% 또는 그 이상의 비율이다)에 비하여 예를 들면 실시예 4에 있어서 약 16%와 같이 비교적 낮다. 분명히 상기 미합중국특허에서 제시된 바와 같은 낮은 충전 팩터의 사용은 분리장치의 크기를 최소로 하기 위하여 소망되여 있는 것과는 완전히 반대이다. 더우기 그들의 공간 관계를 유지시키기 위한 중공섬유의 본질적인 접착결합은 추가의 처리단계를 필요로 하고 또한 접착제의 존재는 유체분리의 실시에 이용가능한 표면적을 저감(低減)시킨다.

본 발명에 따르면 유체분리에 대하여 사용이 의도되고 있는 중공 반투성 섬유는 비교적 작은 진폭의 웨이브 또는 권축을 갖고 있다. 이들 중공섬유는 실질적으로 상호평행으로 배향되어 있는 중공섬유속(束)의 집성에 특히 유리하다. 이 속(束)은 바람직한 높은 충전팩터를 주기위하여 집성되어서 큰 막표면적을 갖는 분리장치를 용적상 유리하게 내장시키는 것을 가능케 한다. 더우기, 높은 충전팩터가 주어져있는 경우에 있어서도 속(束)전체에 걸쳐 양호한 유체분포가 달성된다. 즉 투과될 1종이상의 유체를 함유하는 유체혼합물을 중공섬유의 외측에 공급하여 또한 그 투과물을 중공섬유의 내측에서 용이하게 제거할 수가 있다. 더우기, 속(束)을 형성하기 위한 중공섬유의 접성체는 복잡하지 않으며, 또한 속(束)을 통하여서 유체분산을 가능케 하는 충전팩터를 주기 위한 공간수단 또는 특별한 기술은 필요치않다.

바람직하기로는 이 속(束)중의 중공섬유는 유체분리조작에 사용되는 경우의 속(束)전체에 걸쳐 소망의 충전팩터를 유지시키기 위하여 접착제 물질의 사용에 따라 다른 중공섬유에 일정한 관계로 고정될 필요는 없다.

양호한 유체분리는 본 발명의 중공섬유를 포함하는 속(束)에 따라 얻을 수가 있으므로, 막을 통하여 투시되게할 1종 이상의 유체를 함유하는 유체혼합물(투과유체)는 섬유의 외측[즉 속(束)의 셀측]에 도입될 수가 있으며, 또한 유익한 유체분리 효율을 얻을 수가 있다. 따라서 유체 혼합물은 본 발명에 따른 중공섬유막의 속(束)을 함유하는 유체분리장치의 셀측에서 처리되어 또한 거기에서 회수할 수가 있다. 그리고 회수된 유체혼합물은 분리장치에 도입된 유체혼합물과 실질적으로 동일한 압력일 수 있다.

따라서 이후의 처리에 충분한 압력에 이 회수유체를 재압축하기 위한 비용이 드는 유체 압축장치는 불필요하며 또한 압축이 필요할 경우에서라도 필요로 하는 압축장치의 크기 및 압축량은 유체 혼합물이 속(束)의공측에 공급되는 경우에 필요한 장치의 크기 및 압축량 보다도 유의 하게 작은 것 일수 있다. 본 발명의 낮은 진폭의 권축을 갖는 중공섬유막에 따라 주어지는 이점은 본질적으로 권축(크림프)이 없는 중공섬유속의 셀측에 유체 혼합물을 공급한 경우에 비하여 유체혼합물을 속의 셀측에 공급한 경우에 특히 관찰된다. 이들의 이점은 유체혼합물을 반경 방향에 공급한 경우(즉 유체 혼합물이 속 중앙부분에 도입되어 또한 중공섬유의 배향에 대하여 실질적으로 수직으로 흐르는 경우) 또는 주로 축방향에 공급되는 경우[즉 유체 혼합물이 속의 외측부분에 도입되어 일반적으로 섬유의 배향과 동일방향으로 흐르고 또한 속(束)의 타방부분에서 나가는 경우]에 관찰할 수가 있다. 반경방향공급이 때때로 양호한 유체 분리효율을 주는 것으로 생각되고 있으나, 본 발명의 중공섬유막을 포함하는 속에의 축방향 공급을 사용한 경우, 유리한 유체분리효율을 얻을 수가 있으나 축방향 공급이 바람직할 수 있다. 왜냐하면 분리장치는 그 설계에 있어서 반경방향 공급분리장치 보다도 복잡성이 적을지 모르기 때문이다. 그리고 속(束)중에 반경방향 공급도관을 위치시킬 필요가 없음으로 축방향 흐름에 사용되는 속(束)은 반경방향 공급분리장치의 소정 체적당의 유효막 표면적비보다도 한층 큰 분리장치의 소정체적(所定體積)당의 유효막 표면적비를 갖고 있을 수가 있다. 속(束)에의 셀측공급이 일반적으로 바람직하지만 구공측공급이 바람직하고 있을 수 있는 분리조작도 있을 수 있다. 예를 들면 막분리에 따라 처리하기 위한 유체 혼합물이 이후의 조작때문에 고압력으로 유지되어 있을 필요가 없는 경우에는 투과후의 압력저하는 거의 없고 셀측에서 투과유체를 회수하는 공측공급이 바람직할 수 있다.

본 발명의 중공 반투성섬유는 낮은 진폭의 권측 또는 웨이브를 갖고 있다. 예상하지 않은 것으로 속(束)이 비교적 높은 충전팩터를 갖고 있는 경우일지라도 중공섬유의 속(束)을 통하여서의 유체 혼합물의 바람직한 분산이 얻어지는 것이 발견되었다. 권측의 진폭은 중공섬유를 조밀하게 충전한 실질적으로 평행하게 배향한 섬유 속(束)에 집성시킨 경우일지라도 부당한 량의 교차(크로스 오버)가 생길 정도로 큰것은 아니다. 본 명세서에 사용되고 있는 경우의 "교차"라는 표현은 권축이 큰 진폭을 갖고 있어 그 결과 권축이 중공섬유의 축에서 현저하게 떨어져 돌출되어서 그것이 2개 또는 수개의 인접 중공섬유 사이에 위치하여 또한 섬유의 적어도 직경만큼 인접 중공섬유를 분리한다는 상태를 의미하고 있다. 그와 같은 교차는 바람직한 높은 충전팩터를 갖는 속(束)을 얻는 것을 저지하는 경향이 있다.

본 명세서에서 "권축진폭'이라함은 중공섬유의 중앙의 장점과 다음에 인접하는 직경적으로 대향한는 정점의 중공섬유의 중앙점과의 사이의 횡방향 거리의 절반이다. 인접하는 직경적으로 대향하는 정점이 없을 경우에, 이 진폭은 중공섬유의 중앙에 정점과 권축이 없는 중공섬유의 중앙점과의 사이의 횡방향거리이다.

바람직하기로는 이 권축의 진폭은 중공섬유의 직경의 약 50%이하이며, 또한 일반적으로 권축의 진폭은 중공섬유 직경의 약 1내지 30%의 범위내에 있다. 직경의 약 50%이상의 섬유 권축진폭도 또한 사용할 수 있다.

그러나 일반적으로 섬유속(束)을 집성한 후에 속(束)은 바람직한 높은 충전팩터를 얻기 위하여 압축되어야만 한다. 속(束)의 어느정도의 압축은 중공섬유를 실질적으로 상호 고정된 관계를 유지하는 작용을 하며 따라서 중공섬유가 이동하여 횡방향흐름 챠넬(이들의 챠넬은 분리효율을 저하시킨다)를 일반적으로 저감하는 결과로 되는 경향이 있다. 압축은 중공섬유의 한정된 부분에 부당하게 작용하여 유체투과가 그들의 부위에서 저해되던가 또는 중공섬유가 파손된다든지 하는 원인이 되는 중공섬유의 불균일 부하가 생기는 일이 있어서는 안된다.

속(束)의 형성에 사용되는 중공섬유 또는 중공섬유간의 각 권축은 다른 권축과 동일하거나 또는 상이한 진폭을 가질 수가 있고 또한 이의 권축진폭을 광범위하게 변동시켜서 중공섬유간의 모든 중합의 파괴를 도울 수가 있다. 더우기 이 속(束)은 실질적으로 권축이 없는 중공섬유를 함유할 수 있다. 이섬유는 권축을 갖는 중공섬유 사이에 삽입되게 된다. 예를 들면 중공섬유 직경의 약 10내지 약 30%의 권축진폭의 분포를 갖는 중공섬유는 축방향에 공급된 경우에 양호한 유체분산을 나타내는 약 50%의 충전팩터를 갖는 속으로 집성된다.

중공섬유직경은 넓은 범위에서 선택할 수가 있다. 그러나 이 중공섬유는 권축을 유지시키는데 충분한 벽두께를 갖고 있을 것이다.

때때로, 이 중공섬유의 외경은 적어도 약 50μ예를 들면 적어도 약 100μ이며 또한 속(束)중에는 동일하거나, 또는 상이한 외경의 섬유를 시킬 수 있다. 때때로, 외경은 약 800μ 또는 1000μ까지이다. 더욱 큰 외경의 중공섬유를 사용할 수가 있지마는, 그들은 제공된 유체분리장치 단위 체적당의 중공섬유 표면적의 낮은 비율때문에 과히 바람직하지 못하다. 바람직하기로는 중공섬유의 외경은 약 150μ 또는 350내지 800μ이다. 즉 권축진폭은 때때로 약 10내지 400μ, 예를 들면 약 10내지 300μ의 범위에 있고, 평균권축 진폭은 약 15내지 250μ이다. 속(束)에 집성함에 바람직한 중공섬유막을 제공하기 위하여는 권축은 중공섬유 전장에 걸쳐 연속적일 필요는 없을 것이 발견되고 있다. 즉 권축은 중공섬유 전장에 걸쳐 간결적 간격의 것이 있을 수 있으며, 또한 권축의 빈도는 불규칙 일수 있다. 더우기 상술한 바와 같이 권축빈도의 분산을 갖는 섬유를 사용할 수가 있다. 일반적으로 속(束)중의 섬유의 적어도 약 50% 바람직하게는 적어도 약 75%가 권축되어 있다.

권축되는 중공섬유는 때때로 섬유길이 5cm당 평균 적어도 1개의 권축을 갖고 있다. 중공섬유 전장에 걸쳐서의 평균 권축빈도는 종종 1cm당 약 0.2내지 10개 또는 그 이상예를 들면 약 0.25내지 5개이다.

중공섬유중의 권축의 빈도가 불규칙한 경우에는 권축의 빈조는 일반적으로 중공섬유의 길이 5cm 당 약 1내지 50개의 권축, 예를 들면 5cm당 약 1내지 30개의 권축의 범위이다.

권축주기 즉 각 권축간의 길이는 바람직하게는 권축이 그 구조를 유지하고 또한 중공섬유를 속(束)으로 집성한 경우에 권축의 진폭에 실질적 변화를 발생치 않도록 충분히 짧은 것이다. 예를 들면 권축주기가 지나치게 길어서 또한 서서히 그 점으로 향하여 올라가고 있는 경우에는 근소한 기계적힘일지라도 중공섬유를 직선화시키는 경향을 나타낼 수 있다.

본 발명에 따라 주어지는 이점을 얻기위하여는 권축주기는 예를 들면 약 5cm이하의 비교적 짧은 것 일수 있다. 권축의 짧기는 일반적으로 중공섬유의 칫수에 따라 한정된다. 즉 보다 작은 직경의 중공섬유 사용의 경우에는 일반적으로 보다 작은 권충주기를 얻을 수가 있다. 종종 평균권축주기는 약 0.05내지 5cm 예를 들면 약 0.1 내지 2cm이다. 평균권축주기의 권축평균빈도에 대한 비는 예를 들면 약 0.05 : 1 내지 1 : 1, 때때로 약 0.1 : 1 내지 1 : 1로 넓게 변동될 수 있다.

권축의 진폭, 빈도 및 권축주기는 중공섬유의 구조에 관계되는 요소이다. 중공섬유의 구조를 표시 하기 위한 이들 요소를 포함하는 유용한 표현은 그것들이 직선화되었다고 가정한 경우에 있어서 중공섬유의 길이에 대한 권축 중공섬유의 실제의 길이의 비이다. 광학적 분석수단 예를 들면 중공섬유의 물리적 직선화를 필요로 하지 않는 Quantimet사(미합중국 뉴욕주 먼제이 소재)에서 입수가능한 이메이지분석기(i mage anaIysis)가 그와 같은 측정에 이용이가능하다. 권축된 길이 및 미권축 길이의 근소한 차이점에서 권축에 따른 길이변화의 %로 그 차를 보고하는 것이 편리한 방법이다. 길이변화 %는 종종 약 0.01내지 10 예를 들면 약 0.05 내지 5의 범위이다.

본 발명의 중공섬유를 집성하여 임의의 적당한 형의 속을 형성할 수가 있다. 바람직하기로는 이중공 섬유는 실질적으로 평행하게 배향되어 있다. 속(束)의 단면은 유체분리장치에 사용함에 적당한 임의의 형상 예를 들면 원형, 란(oval)형 기타등 일수도 있다. 속(束)의 충전팩터는 권축의 진폭, 권축빈도, 권축주기 및 속(束)의 압축에 따라 영향을 받는다. 일반적으로 속(束)의 충전팩터는 적어도 약 40%이며, 또한 이것은 65%까지 또는 그 이상 일수도 있다. 종종 속(束)의 충전팩터는 약 45내지 65%이다. 축방향 공급분리장치에 대하여서는 속(束)의 충전팩터는 종종 약 45 내지 55%이다.

중공섬유의 구조 때문에 이 충전팩터를 유지할 수 있는 것이므로 소망의 범위에 충전팩터를 하기 위한 스페이서 수단의 사용은 불필요하다. 실질적으로 원형의 단면을 갖는 속에 대하여서는 속(束)의 직경을 예를 들면 적어도 약 0.02m에서 1m까지 또는 그 이상까지도 넓게 변동시킬 수가 있다. 분리장치가 반경방향으로 공급되는 경우에, 속(束)의 직경은 1m 이상일 수도 있으며, 또한 속(束) 전체에 걸친 충분한 유체분산이 부당한 압력저하를 일으키지 않고 얻어진다.

일면 분리장치가 축방향에 공급되는 경우에는 속(束)을 통하여서의 강화된 유체분산이 한층 큰 공간속도를 사용하여 얻어지는 것이 발견되었다. 따라서 더욱 작은 속(束) 직경 예를 들면 약 0.02 또는 0.05m 내지 0.5m가 종종 바람직하다. 속(束)중의 중공섬유의 유효길이도 이를테면 약 0.2 내지 1.5m 또는 20m(즉 약 1 내지 10m)로 넓게 변화시킬 수가 있다.

섬유의 반투벽을 통한 것 이외의 중공섬유의 외측과 내측과의 사이의 유체접속을 저지하기 위하여 적어도 일면의 끝부 부근에 있어서 이 속(束)을 봉입(또는 포트화)할 수가 있다.

예를 들면 미합중국특허 제3,339,341호 및 동 제3,442,389호 각 명세서에 개시된 바와 같이 속(束)의 끝부의 주위에서 포트화 작용물질을 유연하는 것에 따르던가 또는 미합중국특허 제3,445,460호 및 동 제3,690,465호 각 명세서에 개시된 바와 같이 중공섬유를 집성하여 속(束)을 형성시키면서 포트화 작용물질로 섬유끝부를 함침시키는 것에 따른 이와 같은 포트화 작용물질중에 섬유를 매입하기 위한 임의의 적당한 방법을 사용할 수가 있다. 상술한 미합중국 특허는 이미 여기에 참조로서 포함된다.

속(束)의 집성에 있어서는 중공섬유의 권축이 중합되지 않는 것이 소망된다. 실질적으로 중합을 회피하는 것을 여러가지 방식으로 달성된다. 예를 들면 규칙적 권축섬유의 권축이 일치되지 않도록 섬유를 정합할 수가 있다. 이 조작은 부당하게 복잡할 수도 있다. 바람직하기로는 적어도 어느 정도의 중공섬유의 권축빈도, 권축주기 및 권축진폭의 적어도 하나를 변화시켜서 중공섬유의 무작위 집성의 경우에 부당량의 섬유의 중합이 얻어지는 확율을 최소로 하게 한다. 중공섬유는 유체분리를 위하던가 또는 유체분리를 행하는 물질에 대한 지지체로서 적당한 임의의 합성 또는 천연물질에서 가공할 수도 있다. 중고섬유를 위한 재료의 선택은 최량의 저항성 화학내성 및/또는 중공섬유의 기계강도 및 그의 사용이 의도되어 있는 유체분리 및 그것을 붙이는 조작조건에 따라 지배되는 기타의 요소에 기인하게 될 것이다.

본 발명의 소망의 섬유권축을 유지하기 위하여는 섬유는 예를 들면 권축이 부당하게 시간과 함께 또는 분리조작의 사이에 산일(散逸)치 않게 적당한 기계적 성질을 표시하여야 할 것이다. 보다 낮은 강도를 갖는 물질에서 형성된 중공섬유를 사용하는 경우에는 그것들이 실질적으로 그것들의 구조를 유지하기에 충분한 강도를 중공섬유 권축에 주기 위하여는 한층 큰 섬유직경 및 벽두께를 사용하는 것이 필요할 수도 있다. 종종 이 중공섬유의 벽두께는 적어도 약 5μ이며 또한 어느 중공섬유에서는 그 벽두께는 약 200 또는 300μ까지, 예를 들면 약 50 내지 200μ일 수도 있다. 많은 경우, 중공섬유의 재료는 권축을 세로 또는 가로방향의 응력하에 둔 경우일지라도 유지될 수 있도록 비교적 높은 인장계수율 즉 탄성율 또는 양 율을 표시한다. 종종 인장계수율(ASTMD 638)은 적어도 약 15kg/mm²예를 들면 적어도 약 40kg/mm²이며, 또한 어느 금속 및 합금에 대하여서 그 인장계수율은 약 3000kg/mm²또는 그 이상이다. 가장 많이 사용될 중합체물질은 60 내지 500kg/mm²의 인장계수율을 표시하는 중합체에서 선발된다.

특히 적어도 두께 약 50μ의 벽을 갖는 중공섬유를 사용하여 중공섬유를 통하여서의 바람직한 흐름을 생성시키기 위해서 그 중공섬유는 실질적인 보이드(Void) 체적을 가지고 있을 수가 있다. 보이드는 중공섬유물질이 존재치 않는 중공섬유 벽중의 부분이다. 즉, 보이드가 존재하고 있는 경우에 중공섬유의 밀도는 중공섬유의 전체의 밀도보다도 작아진다. 종종 보이드가 소망되어 있는 경우에 중공섬유의 보이드 체적은 외관상의 체적 즉 중공섬유의 충치수내에 포함되는 체적기준으로 약 90%까지 예를 들면 약 10 내지 80% 또한 종종 약 20 내지 30 내지 70%이다. 중공섬유의 밀도는 본질적으로는 그 벽두께 전체에 걸쳐 본질적으로 동일 즉 등방성인 것이다. 또 이 중공섬유는 그 벽두께중에 중공섬유의 벽을 통하여서의 유체흐름에 대하여 장벽관계에 있어서 적어도 하나의 비교적 치밀한 부분을 갖는 것을 특징으로 할 수도 있고 즉, 이 중공섬유는 비등방성이다. 일반적으로 비등방성 섬유의 비교적 조밀한 부분은 실질적으로 중공섬유의 외측에 있다.

중공섬유를 형성하는 물질은 무기, 유기 또는 무기와 유기와의 혼합물일 수 있다. 전형적인 무기물질로서는 유리, 셀라믹, 서멧트, 금속 기타를 들 수 있다. 유기물질은 통상 중합체이다. 중합체의 경우에는 임의의 적당한 방법으로 형성하여 중공섬유를 생성할 수 있는 부가 중합체 및 축합 중합체의 쌍방이 포함된다. 일반적으로 유기의 중합체 및 종종 무기물(예를 들면 충전제)과 혼합한 유기중합체가 중공섬유의 제조에 사용된다.

전형적인 중합체는 치환 또는 비치환의 중합체일 수 있으며, 또한 이것은 폴리설폰; 스티렌함유 공중합체를 포함한 폴리(스틸렌) 예를 들면 아크릴로니트릴 스틸렌중합체, 스틸렌 부타디엔 공중합체 및 스틸렌-비닐 벤질할라이드 공중합체; 폴리카보네이트; 셀루로오즈 중합체; 예를 들면 셀루로오즈 아세테이트; 셀루로오즈-아세테이트-부틸레이트, 셀루로오즈 프로피오네이트, 메틸셀루로오즈, 메틸셀루로오즈, 이트로셀루로오즈 기타; 아릴 폴리아미드 및 아릴폴리아미드를 포함한 폴리아미드 및 폴리아미드; 폴리에테르; 폴리(아릴렌옥사이드) 예를 들면 폴리(페닐렌옥사이드) 및 폴리(크실렌옥사이드); 폴리(에스테르아미드-디이소시아네이트); 폴리우레탄; 폴리에스테르(폴리아릴레이트를 포함하는) 예를 들면 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(알킬메타크릴레이트), 폴리(알킬 아크릴레이트), 폴리(페닐렌 테레프탈레이트), 기타; 폴리설피드;

상기의 이외의 알파-올레핀 불포화를 갖는 단량체로부터의 중합체 예를 들면 폴리(에틸렌), 폴리(프로필렌), 폴리(부텐-1), 폴리(4-메틸 펜텐-1), 폴리비닐 예를 들면 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플로라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플로라이드), 폴리(비닐알콜), 폴리(비닐 에스테르), 예를 들면 폴리(비닐 아세테이트), 및 폴리(비닐프로피오네이트), 폴리(비닐 피리딘), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(비닐 에테르), 폴리(비닐케톤), 폴리(비닐 알데하이드), 예를 들면 폴리(비닐포말) 및 플리(비닐부티칼), 폴리(비닐아미드), 폴리(비닐 아민), 폴리(비닐아미드), 폴리(비닐 아민), 폴리(비닐 우레탄), 폴리(비닐우레아), 폴리(비닐 포스페이트) 및 폴리(비닐설페이트); 폴리아릴; 폴리(펜조벤지이미타졸); 폴리하이드라지드; 폴리옥사티아졸; 폴리트리아졸; 폴리(펜즈이미타졸); 폴리카보디이미드; 폴리포스파진; 기타 및 상기 것에서의 반복단위를 함유하는 블럭 터르폴리마(block terpolymers)를 포함한 공중합체 예를 들면 파라-설포페닐메타릴 에테르 아크릴로니트릴-브로마이드 비닐 나트륨염의 터르폴리머 및 상기 어느 것인가를 포함하는 그라프트 및 블랜드에서 선택할 수가 있다. 치환 중합체를 주는 전형적인 치환기로서는 할로겐 예를 들면 불소, 염소 및 브롬; 하이드록실기; 저급알킬기; 저급알콕시기; 단환성 아릴기, 저급아실기 기타를 들 수 있다.

권축은 어떠한 적당한 방법으로 중공섬유중에 시킬 수가 있다. 예를 들면 직선상 중공섬유를 중공섬유재료에 대한 용매 또는 가소제로 변화시켜 기계적으로 변형하여 권축구조를 둔 다음에 예를 들면 건조처리하여 중공섬유가 소망의 강성을 유지하도록 용매 또는 가소제를 제거할 수가 있다. 별법(別法)으로서던지 또는 거기에 가하여 중공섬유의 재료를 열을 중공섬유에 가함에 따라 연화할 수가 있다. 어떤 경우에도 연화는 권축을 주기 위한 기계적 힘의 적용하에서 그 구공이 실질적으로 저해되지 않는 충분한 것이다. 응고방사된 중공섬유 즉 그 재료에 대한 비용매중에 그 재료의 용매용액에서 방사된 중공섬유중에 권축을 주기 위한 편리한 방법은 습기가 있는 동안에 보빈상에 방사 중공섬유를 권부시키는 것에 따르는 것이다. 중공섬유를 보빈상에서 건조시킨 경우에는 용매 손실 및 건조에 따라 중공섬유는 수축하는 또한 하측에 있는 섬유상에 증가한 압력을 가하는 경향이 있다.

이 압력은 소망의 권축을 부여하는데 필요한 기계적 힘을 주고 또한 그 용매 손실은 권축이 유지되도록 추가의 강성을 섬유가 얻는 것을 가능케 한다. 중공섬유상에 미치는 힘은 종종 속(束) 가운데의 중공섬유의 깊이에 따라 변동하므로 속(束)의 외측부분에 속(束)의 중심면에 가까운 중공섬유보다도 더욱 적고 또한 더욱 넓은 간격의 권축을 주는 경향이 있는 불규칙한 패턴이 생긴다.

다음의 실시예는 본 발명을 거듭 설명하기 위하여 주어져 있다. 액체 및 고체의 모든 부 및 %는 중량 기준이며 그리고 기체의 모든 부 및 %는 특히 기재되어 있지 않는 한은 체적기준이다.

[실시예 1]

반복단위로서 다음의 구조를 가지며 또한 유니온 카바이드 회사로부터 「P-3500」의 명칭으로써 입수가능한 건조 폴리설폰 중합체로부터 중공섬유를 제조한다.

상기에서, 중합도를 나타내는 n은 약 50 내지 80이다. 폴리설폰은 디메틸아세트아미드와 혼합하여 약 27.5중량%의 중합체를 함유하는 도우프를 생성시키고 이 도우프를 수중에 담겨진 방사노즐을 통하여 약 4℃의 온도의 수중으로 의고방사(擬固紡

)한다.

방사노즐은 0.0559cm의 오리피스 외경, 0.0229cm의 내측 핀 및 물을 도입하는 데의 0.0127cm의 주입구를 갖는다. 약 7.2ml/분의 속도에서 도우프를 펌프로 방사노즐에 흡입 및 계량하고 또한 방사노즐로부터 약 33m/분의 속도에서 중공섬유로써 인출한다. 의고가 실질적으로 일어난 후, 중공섬유를 실온에서 세척한다. 중공섬유를 거의 장력이 없이 12인치 (약 25.4cm, 내측 헤드간)의 보빈상에 보빈권취장치를 사용해서 권취한다. 즉 중공섬유는 축방향으로 횡절(橫切)하는 가이드(보빈의 각 단부에서 역전하는)를 통해서 공급되고 또한 회전보빈의 표면상에 집속되므로, 이 결과 중공섬유는 일력의 나선형 코일의 층으로 보빈상에 권취된다. 보빈은 실온의 수성 뱃트중에 보존하게되나 이동안에 속(束)상의 섬유는 수축해서 권축을 부여한다. 다음에 중공섬유를 약 6m의 원주를 갖는 스케니어상에 권취된다. 중공섬유를 3m 길이의 행크로써 제거 및 매달고, 실험실의 상온 및 통상습도로서 건조시킨다. 중공섬유는 약 540μ의 외경 및 약 260μ의 내경을 갖는다.

중공섬유의 무작위 시료를 건조 행크로부터 제거하고 또한 뉴욕, 몬세이에 있는 퀴안티메트(Quantimet)회사로부터 얻어진 이메이지 분석기(image analyzer) 상에서 그의 구조특성을 분석한다. 무작위시료는 보빈의 중측(中側), 중앙 및 외측부분에서 얻어진 섬유시료를 함유하게 된다. 이결과(대략의 생성빈도)는 다음표 1로 나타냈다.

[표 1]

[실시예 2]

실질적으로 실시예 1에 기재된 방법에 의해 제조되어진 권축 중공섬유를 거의 평행하게 배향되어진 중공섬유 속(束)의 형태로 집성한다. 약 30cm의 길이를 갖는 약 1200의 중공섬유가 사용된다. 이섬유는 보빈의 모든 부분으로부터 얻어진 섬유로부터 무작위하게 선택된다. 이 중공섬유는 직경(直徑)적으로 약 2.5cm의 원통형의 속(束)을 형성한다(약 50% 팩킹팩터). 속(束)의 단(端)을 시일링(sealing)한 다음 그의 단부 튜브 쉬이트 및 플러그 단)를 액체상 에폭시수지에서 함침시키고 다음에 에폭시를 경화시키는 것에 의해서 속(束)의 양단으로 에폭시 시일(epoxy seal)을 형성시킨다. 경화후, 나이프를 사용해서 튜브 쉬이트 단에서 중공섬유의 구공을 열게한다.

이 속(束)을 이소펜탄중 5중량%의 「실가드(sylgard) 184」의 용액에 담근다. 「실가드 184」는 다우코닝(Dow Coning) 회사로부터 입수가능하며 또한 상온에서 경화하는 교차결합성 디메틸실록산 중합체이다. 이 중공섬유의 구공을 약 600 내지 700mmHg의 진공으로 접속시킨다. 함침은 약 15분 동안이며, 속(束)을 실가드 184 용액으로부터 빼낸후, 진공을 더욱 약 15분간 계속한다. 코팅된 속(束)을 약 24시간 동안 약 40 내지 50℃에서 경화시키고 또 이것을 축방향 공급유체분리장치중에 설치한다. 수소 및 일산화탄소를 포함하는 기체공급물을 분리장치의 셀축에 도입하고 또한 투과기체의 투과도를 측정한다. 투과도는 중공섬유를 횡절한 대수평균 분압저하를 사용하여서 측정된다.

분리팩터는 일산화탄소의 투과도에 의해서 수소침투도를 분리하는 것에 의해 결정된다. 분리효율은 또한 수소 및 인산화탄소를 포함하는 기체공급물에 대해서 계산되어진 분리 팩터를 본질적으로 순수한 한수소 및 본질적으로 순수한 일산화탄소의 투과도의 개개의 측정에 의해 결정된 분리팩터로부터 결정되어진 기준 분리팩터를 분리하는 것에 의해서도 결정된다.

더욱 낮은 분리효율은 종종 속(束)의 중의 빈약한 유체분산의 지표이며, 이것은 결과적으로 소망의 성분(일산화탄소)의 국재적(局在的) 고농도가 생성하고 또한 이로인하여 바람직하지 않은 성분의 투과상응 및 분리팩터의 저하를 일으키게 한다.

이 결과는 다음표 2로 나타냈다.

[표 2]

[실시예 3(비교예)]

본질적으로는 실시예 2의 방법을 사용하나 사용된 중공섬유는 방사후 보빈상에 권취되지 않고 또한 권축은 없다. 중공섬유는 본질적으로 권축이 없는 것이기 때문에 속(束)은 그의 직경이 보다 작은 경향이 있다. 실험에 있어서는 기체공급물은 22체적%의 수소 및 78체적%의 일산화탄소를 함유한다.

두번째 실험에 있어서, 셀압(shell presure)은 약 28기압이고 또한 구공압(bore presure)은 약 4.1기압이다. 12.3ℓ/분(STP)의 공급속도에 있어서 수소투과도는 37.7×10^-6cc/cm²-초-CmHg임을 관찰할 수 있으며, 또한 일산화탄소 투과도는 1.60×10^-6cc/cm²-초-CmHg이다.

분리팩터는 23.6으로 계산된다. 이것은 약 63%의 분리효율에서이다. 21.2ℓ/분(STP)의 보다 높은 공급속도에 있어서, 수소투과도는 41.4×10^-6cc/cm²-초-CmHg이며 또한 일산화탄소투과도는 1.74×10^-6cc/cm²-초-CmHg이다. 분리팩터는 약 23.8로 계산되며 이것은 64%의 분리효율에서이다. 이들 양(兩) 실험에 있어서는 유속 및 투과도를 기준으로하여 계산은 공급물중에서 분리장치에 도입된 수소의 95% 이하에서만이 명백하지 하다. 이 방법을 28기압의 셀압, 25기압의 구공압 및 약 14.5ℓ/분(STP)의 블랜드(27.2% 수소 및 72.8% 일산화탄소로 구성됨) 가스 공급속도에서 다시 반복한다. 수소투과도는 약 31.6×10^-6cc/cm²-초-CmHg이며, 일산화탄소투과는 약 20×10^-6cc/cm²-초-CmHg이며, 또한 분리팩터는 15 .8이다.

기준 분리팩터는 36.8로 측정된다. 이것은 42의 분리효율을 부여한다. 실질적으로 모든 수소는 그의 물질밸런스에 있어서 명백하게 된다.

실시예 2 및 실시예 3에서 실험된 속(束)의 직경은 비교적 작기 때문에 분리효율의 차는 속(束)중의 더욱 큰 투과가 요구되어진 것보다 큰 속(束)에 비교한 경우에 그것이 될 수 있는 정도로 현저하지 않다.

Claims (1)

1. 중공 반투막섬유에 있어서, 섬유가 중공섬유의 외경의 약 50% 이하의 권축진폭과 약 5cm 이하의 평균 권축주기를 갖는 복수개의 권축을 가지며, 유체분리의 복수개의 권축을 유지하는데 충분한 강성을 나타내며, 권축으로 인한 중공섬유의 길이 변화가 약 0.01 내지 10%이며, 중공섬유의 외경이 약 150μ 이상이며, 중공섬유의 물질이 약 15kg/mm²이상의 인자 모럴레스를 나타내며, 중공섬유의 벽두께가 약 50 내지 200μ이며, 평균권축 진폭이 약 15 내지 250μ이며, 중공섬유가 약 10 내지 80%의 보이드(void) 체적을 가지며, 평균권축주기와 평균 권축빈도의 비가 약 0.1 : 1 내지 1 : 1이며, 및 중공섬유가 비등방성인 것을 특징으로 하는 중공 반투막 섬유.