KR960000654B1

KR960000654B1 - 중공의 섬유막 기체 분리 모듈 및 기체를 분리시키는 방법

Info

Publication number: KR960000654B1
Application number: KR1019920024283A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 라이스 아더; 제임즈 브록크만 토마스
Original assignee: 퍼미어, 인코오포레이티드; 윌리엄 에프. 마쉬
Priority date: 1991-12-16
Filing date: 1992-12-15
Publication date: 1996-01-11
Also published as: JPH05245330A; EP0547575A1; KR930012084A; CA2084943A1; TW207964B

Abstract

내용 없음.

Description

중공의 섬유막 기체 분리 모듈 및 기체를 분리시키는 방법

제1도는 본 발명에 따른 중공의 섬유막 기체 분리 모듈의 일실시예의 정면도.

제2도는 본 발명에 따른 기체분리 모듈의 다른 실시예의 정면도.

제3도는 본 발명의 실시예에서 바이패스 계수를 감소시킴으로써 산소와 질소를 분리시킨 결과를 도시한 그래프.

제4도는 본 발명에 따른 실시예의 분리 모듈에서 산소와 질소를 분리시킨 결과를 도시한 그래프.

제5도는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 계수의 감소에 따라 생성물의 회수율을 도시한 그래프.

제6도는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 계수의 감소에 따라 분리기의 효능을 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 모듈 12 : 셀

14 : 입구 16,18 : 출구

20 : 섬유 22,26 : 관판

24 : 슬리이브 28 : 간극

본 발명은 가스상 혼합물에서 중공섬유상을 통하여 최소한 한 기체의 투과에 의해 최소한 다른 한 기체를 분리시키기 위해 중공섬유상의 막이 있는 기체 분리 모듈에 관한 것으로, 특히 기체들이 효과적인 분리를 위한 역류흐름을 제공하는 가스분리모듈에 관한 것이다.

기체혼합물의 분리를 위해 원통형 셀내에 배치되고, 자유로우며 지지되지 않은 중공의 섬유막 다발(bundle)로 이루어진 가스분리 모듈은 이미 사용되어 왔다. 이러한 구조의 한 단점은 각각의 섬유상의 외측에 있는 다발을 따라 흐르는 기체상 혼합물을 다른기체에서 한 기체의 효과적인 분리를 위한 섬유다발에 유입되거나 또는 체류하는 대신 자유공간으로 흐르는 경향이 있다. 또한 기체가 다발 그 자체내에 형성될 수 있다.

전술한 자유공간위로 기체의 바이패싱을 해결하기 위한 다양한 방법이 개발되어 왔다. 미합중국 특허 제4,671,875호(Donald J. Stookey)에는 가요성이고 무공인 슬리이브가 중공의 섬유막의 다발을 둘러싸는 셀내에 배치된다. 슬리이브의 한단부는 관판(tubeseet)에 인접한 섬유다발에 고정되고, 슬리이브의 다른 단부는 슬리이브의 뒤로 굽은 중간부가 중공의 섬유막의 다발과 셀 사이에 있는 셀 아래로 연장하는 상태인 원통형 셀의 내면에 고정된다. 셀에 유입되는 기체는 섬유다발과 셀 사이의 자유공간부를 형성시키기 위해 가요성 슬리이브를 팽창시킨다.

이러한 방법이 중공의 섬유막을 통하여 기체의 투과를 향상시킬 수 있으나, 흐름은 역류하지 않고 기체는 존재한다.

미합중국 특허 제4,865,736호(Myron Coplan)에는 섬유다발이 불투과성의 차단벽내에서 싸여지고, 압축된 공급유체는 케이싱의 외부와 셀의 내부사이에 형성된 채널로 공급되어 불투과성의 차단벽내에 있는 개구를 통하여 섬유다발로 흐른다. 이것은 역류흐름이 축방향으로 발생하나, 모듈은 평행한 중공의 섬유다발보다는 환상의 나선형으로 감긴 중공섬유가 요구된다.

미합중국 특허 제5,026,479호(Benjamin Bikson등)에는 유체입구, 스위프(sw eep)유체입구, 불투과성의 출구 및 스위프 유체 투과성의 출구를 구비한 셀에 환상의 중공섬유다발을 제공한다. 이 경우에는 스위프기체가 유입되는 역류흐름을 얻을 수 있다.

본 발명은 평행한 섬유다발을 포함한 기체 분리 모듈을 제공하는 것으로, 기체의 효과적인 분리를 위한 역류흐름을 얻게 된다.

본 발명은 0.95보다 작은 바이패스 계수를 갖는 중공섬유의 기체 분리 모듈을 제공한다. 이 모듈은 공급기체 입구가 있는 원통형 셀과 셀의 대향단부에 있는 불투과성의 출구와 투과성의 출구를 구비한다. 셀은 셀을 따라 연장하고 위치된 중공의 섬유 막 다발을 포함하며, 다발의 각 단부는 관판을 투과하여 종결한다.

투과성의 기체에 대해 불투과성인 종속슬리이브는 셀내에서 축방향으로 위치되고 섬유다발을 에워싼다.슬리이브의 한단부는 불투과성의 출구에 가장 근접한 관판에 고정된다. 슬리이브는 모듈의 바이패스 계수가 약 0.95보다 적게 하고, 중공섬유다발의 패킹(packing)율은 약 45% 내지 약 80%로 하는 방법으로 관판과 종속 슬리이브 사이의 측정으로 섬유길이의 최소한 약 60%로 연장한다.

패킹율은 다발의 단면적 대 섬유의 단면적의 합의 %로 나타낸 비율이다. 바이패스 계수는 섬유다발내의 기체상 흐름대 원통형 셀(간극)의 내면과 종속 슬리이브 사이에서의 기체상 흐름의 비로 정의한다. 이러한 비율이 바이패싱 정도의 특징을 나타내기 위해 이용될 수 있다. 바이패스 계수는 다음과 같이 정의된다.

θ=바이패스 계수

θ=0 ; 다발내에서 100% 역류흐름

θ=1 ; 100% 횡류(crosscurrent)흐름

따라서 분리모듈에서 100% 역류흐름을 얻기 위해서는 바이패스 계수값이 거의 0에 근접해야 된다. 간극에서의 흐름이 감소됨에 따라 다발에서의 역류흐름의 양은 증가된다. 중공의 섬유다발에서의 역류흐름은 어떤 다른 스위프 기체를 시스템에 첨가없이 자연적으로 스위프를 발생시켜 필요한 생성물의 회수가 개선된다.

바이패스 계수가 0에 근접하기 위해서는, 종속 슬리이브가 섬유다발을 축방향으로 둘러싸는 셀내에 배치 되어야 한다. 슬리이브의 한단부가 불투과성의 제품출구에 가장 근접한 관판에 고정된다. 상기 슬리이브는 관판 사이에서 측정하여 섬유의 길이의 최소한 약 60%로 연장하나, 약 70% 내지 98%가 양호하고, 80%내지 90%가 가장 바람직하다. 상기 슬리이브는 모듈의 바이패스 계수가 약 0.95보다 작고, 패킹율은 약45% 내지 약 80% 사이가 되도록 형성된다. 바이패스 계수는 약 0.8 보다 적도록 하는 것이 양호하며, 약0.5보다 적도록 하는 것이 가장 바람직하다. 이것이 0.2보다 작은 값이 되면 생성물 회수의 이득량은 이러한 범위에서 비교적 적다.

제1도는 공급 입구(14)와 불투과성의 기체 출구(16) 및 투과성의 출구(18)을 구비한 기체 분리 모듈(10)을 도시한다. 중공의 섬유다발(20)은 관판(22)에서 관판(2 6)으로 연장하고 각각의 관판을 투과하여 섬유의 구멍은 원통형 셀(12)의 단부에 통한다. 이러한 방법에서 공급기체는 입구(14)로 유입되어 섬유(20)의 구멍을 통하여 슬리이브(24)로 덮힌 섬유의 다발로 이송된다. 슬리이브(24)는 관판(26)에 고정된다. 구멍에서 섬유의 내부로 침투가 완료된 투과성 기체는 역류 방향으로 이동하여 분리 모듈의 효과를 향상시킨다. 투과성 기체는 그후 슬리이브로 분출되어 투과성 기체 출구(18)로 진행된다. 섬융의 구멍에 잔존한 기체, 즉,불투과성의 기체는 관판(26)에 침투하여 출구(16)에서 모듈을 떠난다. 슬리이브(24)를 적절하게 배치시키면 간극(2 8)은 기체의 흐름을 받지 않으므로, 비록 어느 정도의 압축상태이지만 ″정체(dead)″공간이다.

슬리이브(24)는 중공의 섬유다발형태에 따라야 되므로 모듈이 사용시 압축상태에 있을 때 슬리이브의 내측과 중공섬유의 외측사이에서 간극은 발생되지 않는다. 게다가, 슬리이브는 투과성 기체에 대한 불투과성이다.

제2도는 기체 흐름에 대한 불투과성의 재료로 간극(128)을 충전시킨 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 모듈(100)은 제1도의 모듈(10)과 유사한 방법으로 제조되었다. 제2도의 모듈에서 공급기체는 입구(114)로 유입하여 섬유(120)의 구멍에 의해 관판(122)를 통하여 섬유다발로 간다. 불투과성의 기체는 관판(126)을 통하여 섬유다발을 따라 계속진행되고 불투과성의 생성물은 출구(116)에서 이격되어 섬유다발내에서 역류를 발생시키는 투과성의 출구(118)을 향하여 역으로 이동한다. 원통형 셀(112)는 입구, 불투과성의 출구 및 투과성의 출구를 포함한다.

제3도는 실시예 1의 결과를 도시한 그래프이고, 제4도는 실시예 2의 결과를 도시한 그래프이며, 제5도는 상이한 바이패스 계수를 토대로 한 예측된 공기 회수의 결과를 도시한다. 충분한 작동이 완료된 후 컴퓨터는 본 발명에 따라 제조된 기체 분리 모듈의 거동을 정확하게 예측할 수 있다. 컴퓨터는 동시에 제1도및 제2도에 도시한 시스템에서 정확한 작동기 실행에서 데이타를 이용하여 얻었다.

제6도를 보면 섬유다발에 대한 고유성 알파를 가정한 바이패스 계수는 분리기에 대한 산소/질소 알파 값은 실시예 1과 유사한 온도 및 압력 조건에서 동기 분리와 100% 역류흐름을 가정한 컴퓨터 모의 시험결과 5.5이다.

주어진 한쌍의 가스 ″a″와 ″b″에 대한 막의 분리 계수(αa/b)는 가스 ″b″에 대한 막의 투과 상수(Pb)대가스 ″a'에 대한 막의 투과 상수(Pa)의 비로 정의된다. 분리 계수는 또한 기체 ″b″에 대한 동일한 막의 투과성(Pb/λ)대 기체상 혼합물의 기체 ″a″에 대한 막의 두께(λ)의 투과성(Pa/λ)의 비율과 동일하다. 주어진 기체에 대한 투과성은 두께의 단위당 막을 가로지르는 수온이 1cm의 부분 압력 강하에 대한, 초당, 단면적의 cm²당 막을 통하여 흐르는 표준 온도 및 압력(STP)에서 기체의 cm³에서의 부피이며, p/λ=cm³/cm²-sec-cmHg로 나타낼 수 있다.

실제에 있어서, 주어진 막에 대한 주어진 한쌍의 기체에 관한 분리 계수는 투과 상수 또는 투과성의 계산을 위한 충분한 정보가 제공된 많은 기술을 이용하여 결정될 수 있다. 투과 상수, 투과성 및 분리계수를 결정하기 위해 이용할 수 있는 많은 기술중 몇가지중 하나는 1975년도에 존 월리 앤드 선스(John Wiley & Sons)사이에 출간한 ″Te chniques of Chemistry″ 제3권 제12장 296 내지 322페이지에 기재된 Hwang 등의″Membranes in Separations″라는 논문등에 공지되어 있다.

여기에 기재된 고유성 분리 계수는 섬유다발의 외측에서 기체흐름에 대한 채널이 없는 재료용인 분리계수이며, 재료에 대하여 얻을 수 있는 최고의 분리계수이다. 이러한 재료는 연속적이고 무공이어야 하며, 재료의 고유의 분리계수는 재료의 조밀한 막의 분리계수를 측정함으로써 근접하게 될 수 있다. 그러나, 막 조립등으로 인한 무정의 분자, 조밀한 막에서의 미세입자 및 기공의 존재 같은 조밀한 막의 조립에서 유입된 결함을 포함하는 고유의 분리 계수 결정은 어려움이 존재한다. 결과적으로, 결정된 고유의 분리 계수는 고유의 분리 계수보다 낮을 수 있다. 따라서, 여기서 사용되는 ″결정된 고유의 분리계수″는 재료의 건조 조밀벽에 대해 결정된 분리계수이다.

본 발명의 분리 모듈에서 사용하는 많은 막은 폴리 술폰(poly sulfone)과 같은 유리질 소수성 중합체로 마련된다. 기체를 분리하기 위해 사용된 중공의 섬유막은 이분야에서 이미 공지되어 있다. 본 발명의 모듈은 길이가 약 90cm(3피트)에서 약 300cm (10피트)로 변하는 중공이 섬유다발을 포한하고, 각각의 다발의 직경은 약 2.5cm(1인치)에서 약 20cm(8인치)의 범위이다. 섬유는 길이가 수직 섬유 또는 0.5cm보다 적은 영구 내구 고정파를 갖는 ″파동″ 섬유이며, 파동은 섬유의 직경의 3배 보다 작은 진폭을 갖는다.

본 발명에 따른 분리 모듈의 제조시 중공의 섬유다발의 한 단부는 섬유가 관판을 통과하여 연장하는 방법으로 관판에서 주조한다. 관판은 액체로써 주조되는 에폭시 재료이다. 본 발명의 분리기는 중공의 섬유다발의 각 단부가 관판상에서 주조되어 섬유가 관판을 관통하여 연장하는 ″이중단부형″ 분리기이다.

각각의 단부상에서 관판과 함께 섬유다발은 원통형 셀에 배치된다. 상기 셀은 한 단부에 있는 공급 기체출구와 다른 단부에 있는 불투과성의 출구를 구비하며, 또한 공급기체 출구단부에 근접한 셀의 내측에 투과성 출구를 구비한다. 이러한 분리기에서 중공섬유의 다발은 섬유다발과 셀의 내부사이에 있는 간극을 이탈하는 관판사이의 셀에 완전하게 충전되지 않는다. 특히, 분리기가 수평위치로 사용되면, 섬유다발과 다발의경우에 있는 셀의 내부사이의 공간은 섬유가 휘는 경향이 있기 때문에 크게 된다. 이러한 간극이 섬유에서 반경방향 외측으로 이동하는 투과성 가스내에서 채널을 제공하므로 다발은 섬유에 대하여 역류 방향이 된다.

역류흐름은 분리 막을 효과적으로 이용하지 못하며, 0.7보다 작은 바이패스 계수에 대응하므로 분리기 모듈의 생산설에 대하여 과잉의 횡간 흐름을 개선시킨다. 0.35의 바이패스 계수를 제공하기 위해 분리기 모듈의 수정으로 모든 역류흐름에 대항한 생성물에서 이득의 90%를 달성하는 것이 가능하다. 본 발명은 섬유길이의 최소한 60%에서 관판사이의 섬유를 둘러싸는 종속 슬리이브를 제공한다. 상기 슬리이브는 분리기에서 불투과성의 출구에 가장 근접한 관판에 밀봉되었다. 슬리이브는 분리기 모듈의 불투과성의 출구에 가장 근접한 관판에서 측정하여 섬유의 길이의 약 80% 내지 약 90%로 연장하는 것이 바람직하다.

슬리이브 재료는 섬유다발의 단면 아래를 향해 축방향으로 흐르는 기체에 대한 저항성 보다 큰 기체흐름에 대한 저항성을 구비한다. 이것은 분리기 모듈에서 상이한 압력에 노출된 슬리이브의 단면적이 다발의 단면적보다 크기 때문에 필요한 것이다.

상기 슬리이브는 투과성 기체에 대하여 불투과성인 가요성 재료로 할 수 있고, 또는 원통형 셀의 내측과 섬유사이의 분리기에 있는 공극 공간에 충전시켜 형성될 수 있다. 예를 들어, 공극 공간에 충전시키기 위한 적합한 재료는 밀폐 세포 판 스폰지 같은 밀폐 세포 거품이다. ″속(sock)″이라 칭하는 셀에 삽입하기 전에 이러한 조직이 섬유다발에 배치된다. 상기 재료가 모듈의 압축동안 섬유다발의 섬유에서 이격되어 굽는 경향이 있으면 속은 하이팰론(hypalon) (클로로설폰화 폴리에틸렌)같은 재료의 불요성 ″부우트(boot)″형 외장에 의해 제지되고 이 부우트를 단단히 하기 위해 나일론 천으로 피복되며, 부우트의 확장 또는 개방되는 것을 저지하기 위해 실로 묶는다.

속은 불투과성의 기체 출구에 가장 근접한 섬유다발의 단부에서 관판에 부착되며, 에폭시가 액체일 때 관판에서 섬유의 세팅동안 다발위의 속의 배치 또는 접착제의 사용으로 관판에 부착된다. 불투과성의 기체 출구에 가장 근접한 모듈의 단부에서 관판에 슬리이브 또는 속을 부착하기 위한 다른 적합한 수단은 이분야에서 잘 알려져 있다.

슬리이브가 공극 충전제 예를들어 밀폐 세포 거품으로 형성될 때 재료를 관판에 부착시키기 위해 필요한것은 감소된다. 제2도에 따라서 공극 공간(128)은 재료를 관판에 부착시키기 위해 필요한 것을 제거하기 위해 충분하게 조밀된 적합한 재료로 충전된다. 제2도를 보면 상기 재료는 공극에 충전시킬 때 섬유다발은 조밀하게 되고 섬유 또는 섬유다발사이의 공극과 간극이 정위치로 유지되고, 원통형 셀의 내부는 피하게 된다.

슬리이브는 섬유다발을 조이며, 다발은 패킹 율를 약 45% 보다는 크고 80% 보다는 적게 하기 위해 조밀하게나, 패킹 율이 53% 내지 64% 사이가 바람직하다. 수직섬유는 파동 섬유보다 쉽게 조밀하게 되는 경향이 있으므로 섬유를 너무 조밀하게 하지 않게 하고, 또한 기체의 흐름이 유해하게 영향을 받지 않도록 주의해야 한다.

적절한 슬리이브를 배치시킴으로써, 투과성 기체는 역류흐름으로 흘러 기체 분리 모듈의 효과를 개선시킨다. 조밀한 밀폐 세포 거품은 중공의 섬유다발에 형성된 기체 압력에 견디기 위해 충분한 강도가 있는 원통형 셀의 내부와 섬유다발사이를 공기 밀착 밀봉을 형성시키기 위해 사용된다.

적합한 슬리이브를 제공하기 위한 적합한 재료는 폴리에틸렌 백(bag), 공극을 충전시키기 위한 조밀하고 밀폐된 세포 거품 재료, 수축 랩(wrap), 시이트 거품 재료등의 슬리이브의 속을 형성하기 위한 가요성 재료를 포함한다. 재료의 조합은 본 발명에 따른 개선된 슬리이브를 제공하기 위해 이용된다. 예를 들어, 가요성 속이 섬유다발위에 배치될 때 모듈의 압축동안 속의 팽창을 저지하기 위해 거품이 있는 공극 공간의 잔존부에 충전시키기 위해 필요하다. 또한, 수축 랩같은 가요성의 재료가 사용될 경우, 수축 랩의 내부와 섬유 사이의 간극에서 이탈하기 위해서는 수축 랩이 압력을 가하는 상태에서의 팽창을 막기 위한 부우트 또는 다른 수단이 필요하다. 모든 이러한 수단은 여기에서 사용된 ″슬리이브″에 의해 둘러싸인다.

제3도와 4도는 100% 역류흐름을 가정한 컴퓨터 모델을 사용하여 얻어진 결과이며, 제5도와 제6도는다발을 따르는 역류 스위프가 감소되는 투과성의 기체의 바이패싱을 가정한 모델을 사용한 결과를 도시한것이다.

[실시예 1]

약 185mm(6피트)길이의 중공 폴리술폰 섬유다발이 기체 분리 모듈을 제조하기 위한 원통형 셀에 배치시키기 위해 마련되며, 섬유는 완전한 원통형 셀에 배치시키기 위해 마련된다. 섬유는 완전한 원통형이 아니나 약 0.5cm의 단파를 갖도록 제조되었고 직경이 약 18cm로 측정된 조밀한 섬유다발을 제조한다. 섬유다발의 각각의 단부는 에폭시 관판에서 밀봉되고 관판은 섬유의 구멍을 관통하여 기체의 통로에 따른 섬유의 개방을 위해 절단된다.

이렇게 조립된 다발(슬리이브가 없음)은 강 셀에 배치되고 공기 분리를 위해 시험되어 그 결과를 제3도에 도시하였고 두방법으로 설명된다. 첫번째 방법은 횡단흐름 컴퓨터 모델을 이용한 것으로 0.5, 2.0 및 5.0% 산소의 불투과성 농도의 생산 시험을 위하여 산소대 질소에 대한 일정한 분리계수가 주어진다. 이러한 일정한 알파는 정확한 모델이 선택되는 경우에 나타내며, 유닛은 횡단 흐름으로 작동하고 ″고유성 알파″가 결정된다. 따라서 모듈이 완전한 역류흐름으로 작동하며 역류흐름 컴퓨터 모델의 사용은 동일한 결과와 동일한 값의 일정한 알파가 나타난다. 하나의 섬유다발의 분리능과 다른 섬유다발의 분리능이 혼란되지 않기위하여 다발에 대한 알파의 ″고유성″ 값은 100%이다. 중합체에 대한 고유성 값은 막재료의 조밀하고 평편한 시이트 막으로 결정된다. 폴리술폰에 대한 설정된 고유성 분리 계수는 30℃에서 산소/질소에 대한 약 6.0이다.

두번째 방법은 결정된 고유 분리계수의 퍼센트인 알파를 계산하기 위해 역류흐름 모델을 사용하는 것이다. 역류흐름 계산 결과는 낮고 순수 요구량인 알파 감쇠는 증가된다. 역류흐름 모델결과는 ″무변경(unmodified)″으로 제3도에 도시한다. 상기 무변경된 다발은 강 셀에서 제거되고, 한 단부에서 약 15cm를 제외한 관판사이의 섬유은 섬유둘레의 속 또는 슬리이브를 형성하기 위해 네오프렌 백킹이 있는 스트레치 (stretch)나일론 재료로 피복된다. 속은 관판에 속이 밀봉되기 위해 렉셀 (LEXEL) 코오킹(caulking)을 이용하여 한단부에서 하나의 관판에 부착된다. 속은 그후 고무 부우트형태로 유지되고 나일론 조직으로 덮힌 하이팰론으로 속을 제자리에 유지시키기 위해 외부성에 감기게 된다.

슬리이브가 있는 섬유다발은 속이 부착된 관판이 불투과성의 기체가 분출되는 원통형 셀의 단부에 배치되는 방법으로 원통형 셀에 배치된다. 상기 원통형 셀은 밀봉되고, 기체분리 모듈은 약 56%의 슬리이브내의 패킹율과 0.68의 바이패스 계수가 마련된다.

공기가 분리되어 질소는 생성 분류에 불투과되고 산소는 분류를 투과하며, 상기 시험은 약 22℃, 9.65×10^-5Pa(140psig)에서 실행된다. 계산된 O₂/N₂α는 30℃에서 조절되었고 그 결과는 표 3에 나타내었다. 수직시험과 수평시험은 각각 0.5% O₂, 2.0% O₂및 5.0% O₂가 함유된 불투과성의 분류에서 데이타를 선택하여 실시하였다.

상기 결과를 보면 모듈이 수직위치 또는 수평위치에서 사용되든지간에 보유된 바이패스 계수는 개선됨을 알 수 있고, 데이타 또한 섬유다발에 대한 슬리이브를 배치시킴으로서 개선된 것을 볼 수 있다. 제3도는역류흐름(고유알파)을 도시한 데이타로 상기 데이타는 불투과성의 생성분류에서 0.5, 2.0 및 5.0% 산소에 대한 각각의 시험용인 바이패스 계수의 최소제곱근을 제공하는 바이패스 계수를 사용한 킴퓨터 모델로 입증된다.

[실시예 2]

실시예 1가 동일 방법으로 제공되고 약 185cm 길이의 활동섬유를 구비한 모듈이 불투과성 분류상의 0.5,2.0 및 5.0% O₂에서 시험된다. 0.27의 바이패스 계수가 실시예 1과 같은 동일한 모델과 시험을 하여 약56%의 패킹율을 제공하는 슬리이브를 부가하기 위해 선택된다. 제4도에 그 결과를 도시하며, 시험은 약22℃의 온도와 100psig의 압력에서 행한다.

[실시예 3]

기체 분리 모듈이 섬유의 길이가 약 305cm인 것을 제외하고는 실시예 1에서 설명한 진행에 따라 제공된다. 무 변경 모듈은 약 0.5, 2 및 5% O₂를 함유한 불투과성의 기체 분류를 생산하기 위해 시험된다. 상기모듈은 그후 실시예 1에 따라 변경되고 표 I에 있는 조건에서 다시 시험된다. 모듈은 0.43의 바이패스 계수를 가지고 생성물 회수율이 개선됨을 보여준다. 질소 함량에 대한 불투과성의 기체의 순도가 높고, 바이패스 계수가 1.0에서 감소될 때 회수율은 개선된다.

[표 1]

[실시예 4]

분리 모듈의 변경의 다른 형태가 각 경우의 바이패스 계수가 0.8 보다 작은 개선된 바이패스 계수를 얻기위해 사용된다.

공극이 충전된 분리 모듈의 경우에 섬유다발의 외측과 모듈의 원통형셀의 내측사이의 간극은 시이트형태이고 에스비알/니트릴블렌트(SBR/Nitrile Blend)인 무형제품으로 충전된다. 고무형 제품으로 형성된 슬리이브는 고유 알파의 센트로 표 ll에 도시했으며 O₂/N₂가 개선됨을 보여준다. 이러한 모듈은 0.5, 2.0 및5.0% O₂의 질소 기체 분류를 얻기 위해 수정위치 및 수직위치에서 험된다. 표 II에 기록된 O₂/N₂알파는 100% 역류흐름(바이패싱=0)이 가정된 델을 사용하여 계산된다.

동일한 모듈은 불투과성 출구에 가장 근접한 모듈의 단부에서 관판에 백이 부착되고 섬유가 보강된 테이프로 감긴 폴리에틸렌 슬리이브를 사용하여 변경된다. 그 결과 섬유다발을 둘러싸는 슬리이브 폴리-백을 사용함으로써 변경된 분리 모듈의 O₂/N₂α가 개선된다.

속 및 부우트-레이스(boot-lace)된 변경은 실시예 1의 진행에 따라 동일한 모듈상에서 실행된다. 표 2의 데이타는 변경된 분리모듈의 O₂/N₂α가 개선됨을 보여준다.

전술한 변경에서의 각각의 경우, 바이패스 계수는 0.8 보다 적으며 모든 시험은 20℃에서 약 100psig(6.9×10-5Pa)의 공기 공급으로 실시 되었다.

[표 2]

제5도는 생성물의 회수율이 개선된 것을 바이패스 계수에 따라 보여준다. 예를 들어, 질소 생성물인 경우에는 98%를 얻을 수 있으며, 바이패스 계수가 0.3 내지 0.8 사이이면, 생성물의 회수율은 1.0의 바이패스 계수와 필적할 때 얻어진다. 1.0의 바이패스 계수는 섬유다발이 슬리이브에 의해 둘러싸이지 않은 무변경된 분리 모듈을 나타낸다.

제5도는 공기 생성물 회수율에 대한 바이패스 계수의 영향을 도시한 것이고, 제6도는 불투과성 질소의 생성물에 있는 상이한 산소의 범위내에서 바이패스 계수의 하강으로 개선된 α를 얻을 수 있다. 예를 들어, 0.5% O₂를 갖는 질소 생성물에서 분리공정이 보다 효과적이다. 따라서 모듈이 0에 가까운 바이패스 계수를 얻기 위해 변경되면, 공정은 최소의 효과를 얻을 수 있다.

Claims

감소된 바이패스 계수를 갖는 중공의 섬유막 기체분리 모듈에 있어서 ; 셀의 대향 단부에 있는 생성물 출구 및 공급 기체 입구와 투과 출구를 구비한 원통형 셀과 ; 각각의 단부는 관판을 관통하여 종결하고 셀을 따라 연장하여 상기 원통형 셀내에 배치된 중공의 섬유막 다발과 ; 및 한 단부가 생산 출구에 가장 근접한 관판에 고정되고, 관판사이에서 측정하여 섬유의 길이의 최소한 약 60%로 연장하며, 약 45% 내지80%의 패킹율을 다발에 마련하고, 모듈의 바이패스 계수가 약 0.95보다 작도록 형성되며, 섬유다발로 둘러싸이고 축방향으로 셀에 배치된 종속 슬리이브를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
제1항에 있어서, 상기 바이패스 계수는 약 0.8 보다 작은 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
제2항에 있어서, 상기 바이패스 계수는 약 0.5 보다 작은 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
제1항에 있어서, 상기 슬리이브는 관판사이에서 측정하여 섬유 길이의 약 60% 내지 약 98%로 연장하는 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
제4항에 있어서, 상기 슬리이브는 관판사이에서 측정하여 섬유 길이의 약 80% 내지 약 90%로 연장하는 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
제1항에 있어서, 상기 슬리이브는 강성의 관으로 형성된 제2외부로 인한 내부 기체 압력으로 인해 팽창되는 것을 억제시키는 가요성의 종속 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
제1항에 있어서, 상기 슬리이브는 원통형 셀의 내측과 다발사이의 간극에 충전된 폐쇄성 세포 거품재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
제1항에 있어서, 상기 패킹율은 약 53% 내지 약 64% 사이인 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
제1항에 있어서, 상기 중공의 섬유막은 섬유 직경의 3배보다 작은 진폭을 갖고, 길이가 0.5cm 보다 작은 영구 내구 고정파를 구비한 섬유인 것을 특징으로 하는 중공의 섬유막 기체분리 모듈.
최소한 하나의 다른 기체에서 감소된 최소한 한 불투과성의 기체를 함유한 불투과성 생성물을 제공하고 기체상 혼합물중에 있는 최소한 한 기체를 기체상 혼합물중에 있는 최소한 하나의 다른 기체에서 선택적인 투과에 의해 분리시키는 방법에 있어서 ; (a) 셀의 대향 단부에 있는 생성물 출구 및 공급 기체 입구와 투과 출구를 구비하는 원통형 셀과, (b) 각각의 단부는 관판을 관통하여 종결하고 셀을 따라 연장하여 그 원통형 셀내에 배치된 중공의 섬유막 다발과, (c) 한 단부가 생성물 출구에 가장 근접한 관련에 고정되고,관판사이에서 측정하여 섬유의 길이의 최소한 약 60%로 연장하며, 약 50% 내지 80%의 패킹율을 다발에 제공하고, 모듈의 바이패스 계수가 약 0.95보다 작도록 형성되며, 섬유다발이 둘러싸이고 축방향으로 셀에 비치된 종속 슬리이브를 포함하는, 감소된 바이패스 계수를 갖는 기체 분리 모듈의 입구에 압축 상태에서 가스상 혼합물을 공급하며, 중공의 섬유막을 통하여 최소한 하나의 다른 기체를 투과시키며 ; 최소한 하나의 다른 기체의 용량에서 감소된 불투과성의 기체 생성물을 회수하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기체상 혼합물에서 기체를 분리시키는 방법.
제10항에 있어서, 상기 최소한 하나의 다른 기체는 산소이고, 불투과성의 기체 생성물은 산소의 감소된 양을 함유하는 것을 특징으로 하는 기체상 혼합물에서 기체를 분리시키는 방법.
제10항에 있어서, 상기 기체상 혼합물은 공기인 것을 특징으로 하는 기체상 혼합물에서 기체를 분리시키는 방법.
제10항에 있어서, 상기 최소한 하나의 다른 기체는 산소이고, 불투과성의 기체 생성물은 질소인 것을 특징으로 하는 기체상 혼합물에서 기체를 분리시키는 방법.
제13항에 있어서, 상기 불투과성의 기체 생성물은 질소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기체상 혼합물에서 기체를 분리시키는 방법.