KR960004609B1 - 막 건조방법 및 시스템 - Google Patents

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유니온 카바이드 인더스트리얼 개시즈 테크놀로지 코포레이션
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Abstract

내용없음

Description

막 건조방법 및 시스템
제1도는 막의 투과면상에 퍼어지(purge) 가스를 위한 설비가 포함되는 본 발명 실시에서 사용되는 막 시스템의 개략적 흐름도이다.
제2도는 분리 인자, 기재 형태 및 투과율에 대한, 막을 가로지르는 향류흐름 패턴의 정도의 관계를 설명하는 선도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 막 투과기 모듈(module) 2 : 나선형으로 감긴 다발
3 : 고-압 비투과면 4 : 저압 투과면
5 : 공급가스 스트리임 6 : 건조생성가스
7 : 건조 퍼어지(purge) 가스 스트리임(stream)
본 발명은 가스의 건조에 관한 것이다. 더 상세하게는 공기와 다른 가스의 향상된 건조를 위한 막 처리방법 및 시스템에 관한 것이다.
가스혼합물의 성분을 선택적으로 투과할 수 있는 투과성 막은 바람직한 가스분리를 달성하는데 편리하며 잠재적으로 매우 유리한 수단으로서 고려된다. 실제 산업적 조작에서 이것의 잠재력이 인식되려면, 막 시스템은 바람직한 정도의 처리효과를 달성할 수 있어야만 한다. 수증기 및 이산화탄소와 같은 다른 응축될 수 있는 가스가 다수의 막 재료에서 투과성이 매우 높은 것으로 공지되어 있는 바와 같이, 공기 또는 다른 가스의 건조는 중요한 막 적용분야이며, 향상된 건조효과가 당해 기술분야에서 계속 증가하는 요구를 만족시키는데 요구되는 것중 하나이다.
가압 공급가스가 큰 막 표면적에 노출되도록 배열된 다수의 작은 중공섬유의 형태로 막 재료를 사용한는 것이 통상 실제적이며, 이때 중공섬유를 통해 선택적으로 투과되는 이들의 성분은 더 낮은 압력의 투과성 가스로서 제거된다. 비-투과성 가스는 본질적으로 투과압력 수준에서 수용된다. 그러한 조작에서, 공급가스는 중공섬유의 외부, 또는 쉘(shell)면 상으로 통과되며, 한편으로 투과가스는 섬유의 구멍으로부터 제거되는데, 이러한 접근법은 ＂아웃사이드-인＂ 흐름형태로서 언급된다. 또한 가압공급가스를 섬유의 구멍에 통과시켜 제공할 수 있고, 이때 투과가스는 예컨대 ＂인사이드-아웃＂ 흐름형태로 섬유외부에서 쉘측 공간으로부터 제거된다. 두가지의 이들 형태는 당해 기술분야에서 산업적 막투과 공정에서 사용되어 왔다.
만약 막에 의해 분리되는 고압 공급가스 및 더 저압력의 투과가스가 정체 또는 비흐름 조건하에 있게 된다면, 더 큰 투과성 성분 예컨대, 처리되는 공급가스중의 물 또는 불순물의 분압은 막 양쪽 면상에 공통의 평형값에 접근될 수 있고, 그리고 더 큰 투과성 성분은 더 이상 투과되지 않을 것이다. 이에 따라, 실제 조작에서는, 구멍면 또는 쉘면중 하나의 공급가스가 중공섬유 막을 따라 통과되어서 더 큰 투과성 성분의 분압이 계속 감소될 수 있고 공급가스로부터의 이들의 분리가 계속 일어나도록 하는 것이 필요하다. 또한 이 것은 더 낮은 압력투과 스트리임이 더욱 용이하게 투과될 수 있는 성분을 위한 점진적으로 더 낮은 부분압력을 가져야 한다는 것을 필요로 한다. 그러한 조건은 더 높은 압력 공급 스트리임 및 더 낮은 압력 투과 스트리임이 반대방향으로 흐르게 되도록 배열된 모듈 또는 컬럼중에 투과성 막을 배치함에 의해 유리하게 달성될 수 있음이 당해 기술분야에서 널리 공지되어 있다. 그러한 조작은 일반적으로 향류흐름 조작으로서 언급된다.
높은 투과특성을 가진 물 또는 어떠한 불순물이 공기 또는 다른 공급가스 스트리임으로부터 분리되는 건조 조작에서, 또한 건조 또는 불순물-유리가스를 막의 더 낮은 압력투과 면상에 퍼어지 가스로서 통과시켜, 막을 가로지르는 부분압력 차이의 유지 및 결과된 투과 구동력의 유지를 촉진하는 것이 통상적이다.
항류흐름 조건 및 퍼어지 가스 스트리임을 사용한 막 모듈은 실험실 또는 분석 기계에서 사용하기 위한 소량의 공기를 건조하는데 사용되어 왔다. 그러한 막 모듈 건조기는 4개의 가스 포트(port), 즉, (1) 공급 가스입구 포트, (2) 비-투과 생성 가스출구 포트, (3) 퍼어지 가스를 위한 유입 포트 및 (4) 퍼어지 가스 및 투과가스를 위한 유출 포트를 갖도록 디자인된 컬럼이다. 그러한 건조기는 균일한 중합체 중공섬유를 사용하고, 이때 섬유는 충분한 두께를 가져서 막을 가로지르는 바람직한 압력차이를 지탱하도록 한다. 투과도/두께(P/t)비에 의해 표시되는 그러한 막에 대한 투과속도는, 그러한 균일한 재료막의 요구된 두께 때문에, 높은 투과성 가스에 관해서도, 오히려 더 작다. 그 결과, 그러한 균일한 중공섬유 막은 큰-규모의 산업적 가스 건조 적용분야에서는 적합하지 않다.
또한 가스 건조 및 다른 유체 분리를 위해, 단일 막 재료의 동질 또는 균일한 밀도를 토대로한 막 배치이외의 막 배치가 사용되는 막 기술이 당해 기술분야에 공지되어 있다. 이에 따르면 복합 및 비대칭 중공섬유막이 바람직한 유체 분리를 위해 활용될 수 있다. 복합막은 다공성 기재에 겹쳐 놓은 적당한 투과성 막 재료의 피복물 또는 얇은 분리층으로 이루어진다. 이 얇은 분리층은 복합구조의 분리특성을 결정하며, 이때 다공성 기재는 분리층에 대한 물리적 지지력을 제공한다. 반면에, 비대칭 막은 균일한 막과는 구별되는, 막의 분리특성을 결정하는, 얇고 조밀한 반투과성 표피 영역 및 복합 다공성 기재가 작용하는 것과 같이, 가압하에 얇은 표피 영역의 붕괴를 억제하기 위해 작용하는 저밀도 다공성, 일반적으로 비-선택적인 지지영역을 갖는 단일 투과성 막 재료로 이루어진다. 두가지 형식의 비-균일성 중공섬유 막, 즉 복합 및 비대칭 막은 특히 응축할 수 있는 가스의 투과도에 관해, 균일한 막과 비교하여 비교적 높은 투과도/두께비를 나타낸다.
실제 상업적 조작에서 사용하기 위해, 상기에 지시된 형식의 막 구조는 전형적으로 막 모듈, 전체 막 시스템의 기본적인 요소를 형성하도록 봉입체내에 위치된 막 어셈블리 또는 다발(bundle)에서 통상적으로 사용된다. 그러한 막 시스템은 통상적으로 막 모듈, 또는 평행 또는 연속조작을 위해 배열된 다수의 상기 모듈로 이루어진다.
가스분리를 위해 비-균일 중공섬유를 사용하면 고압 공급가스 스트리임은 자주 이것이 중공섬유의 내부 또는 외부에 있는가에 따라, 막의 분리 부분이 위치되는 막 중공섬유의 한 면에 적용된다. 따라서 분리층 또는 표피를 투과하는 가스는 막의 다공성 기재부분으로 통과되고, 막 구조의 비-분리면으로부터 제거된다.
중공섬유 막 모듈은, 전체적 흐름배열이 향류로 나타날 수도 있지만, 각개의 중공섬유의 공간부분에서 흐름형태가 교차-흐름에 근접하도록 통상적으로 설치되었다. 교차-흐름 조작에서, 막의 투과면상의 투과가스의 흐름방향을 막의 공급면상의 공급가스흐름에 직각이다. 예를들어, 공급가스가 중공섬유 막의 외부에서 통과될때, 섬유의 구멍에서의 투과가스의 흐름방향은 중공섬유의 오부표면을 지나는 공급가스흐름에 일반적으로 직각이다. 마찬가지로, 공급가스가 중공섬유의 구멍을 통해 통과되는 인사이드-아웃 접근법에서, 투과가스는 중공섬유의 구멍안에서는 공급가스 흐름방향에 대해 일반적으로 직각방향으로, 그리고 계속해서 외부 쉘 안에서는 투과가스에 대한 출구수단의 방향으로, 중공섬유의 표면으로부터 일반적으로 통과된다.
그러한 교차-흐름 형식의 패턴은 향류흐름 형식의 공급패턴과 구별된다. 그러한 향류흐름 패턴에서, 인사이드-아웃 또는 아웃사이드-인 조작중 어느것이 바람직한가에 따라 공급가스 또는 투과가스는 중공섬유의 구멍에서 투과가스 또는 공급가스의 흐름방향에 평행한 중공섬유의 외부표면을 따라 향류흐름으로 통과된다. 예를들어, 중공섬유 다발의 외부상에서의 공급가스는 중공섬유의 중심축에 대해 직각보다는 평행하게 흐르게 한다.
상기에 기재된 형식의 막 건조조작에서, 조밀하고, 균일한 막 섬유에 대조되는 복합 또는 비대칭 막을 사용할때, 막의 기재부분을 가로지르는 농도 편중과 마주치게 되고 교차-흐름 투과특성하에 조작되는 경항이 있다. 이에 따라 그러한 농도 편중이 막의 기재부분을 가로질러 상당한 범위로 일어나는 경우, 즉, 농도 구배가 상기 기재부분을 가로질러 존재하는 경우, 복합막의 얇은 분리층을 가로지르는 또는 비대칭 막의 얇은 표피부분을 가로지르는 구동력은 감소된다. 그러한 농도 편중이 없을때에, 막의 맞은편 면상의 공급가스와 투과가스 스트리임 사이의 압력차이는, 공급공기로부터의 물의 의도하는 선택적 투과 또는 다른 의도된 건조조작을 촉진시키기 위해 효과적으로 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 투과성분의 농도가 기재의 양면에서 동일하더라도, 즉, 그 상태가 ＂완전한 방사상 혼합＂으로 종종 언급되는, 0% 농도 편중이지만 막 다발을 가로지르는 흐름 패턴이 교차-흐름 형식이더라도, 총체적인 추가 결과는 교차-흐름 투과를 위한 통상적인 수학적 모델과 일치함을 인정하는 것이 중요하다. 유사하게, 막 다발의 흐름형식이 향류조작을 위해 배열되지만, 섬유 디자인 형태는 농도 편중이 기재를 가로질러 완전히 형성되는, 즉, 100% 농도 편중이라면, 막의 전체 성능은 다시 교차-흐름 투과를 위한 모델과 일치하고 향류 투과와 일치하지 않게 될 것이다. 당해 기술분야에서 숙련된 자들은 상당한 정도의 방사상 혼합이 달성되는 향류 투과조작이 일반적으로 바람직하고, 2가지 형식의 조작에 대한 수학적 모델에 의해 확인된 바와 같이, 교차흐름 투과조작보다는 더 큰 투과 수준을 제공한다는 것을 인정할 것이다.
막 건조조작이 상술된 바와 같이 균일하고 조밀한 섬유막을 사용하여 수행될때, 상당한 수준의 의도한 향류가 달성되고, 그리고 그러한 조밀한 섬유막은 상기에 지시된 바와 같이 투과면상에 퍼어지 가스를 사용하거나 또는 그러한 퍼어지 가스를 사용하지 않고 일반적으로 사용될 수 있다. 퍼어지 가스를 사용하지 않는 경우에, 우수한 건조는 비교적 높은 단 효율(stage cut)에서의 조작을 요구한다. 즉, 고려할만한 양의 건조되는 가스는 폐 스트리임에서 막 시스템으로부터 상기 물을 세척시키기 위해 물과 함께 투과되어야만 한다. 그러한 조작은 높은 생성회수가 요구될때는 적당하지 않다.
또한 조밀한 섬유의 막 두께는 그것의 벽 두께이고, 이 두께는 비대칭막의 표피부분 또는 복합막의 분리 층과 비교하여 매우 크다는 것이 인지될 것이다. 조밀한 섬유를 위해 상당한 압력 능력을 달성하도록 큰 벽두께를 가지는 것이 필요하다. 따라서, 조밀한 섬유는 매우 낮은 투과속도를 갖고, 산업적 조작에서 적당한 건조를 달성하기 위해 매추 큰 표면적의 사용을 필요로 한다. 이것은 그러한 막 면적을 제공하는 것과 관련한 고가의 비용으로 인해 산업적 조작에서 상당한 불이익을 초래한다. 상기에 지적된 바와는 대조적으로, 비대칭 또는 복합막은 매우 얇은 막 분리층을 갖고, 이때 이들이 더 큰 다공성 지지부분은 막의 분리특성을 결정하는 매우 얇은 부분을 위한 기계적 강도 및 지지력을 제공한다. 이에 따라서 조밀하고 균일한 막보다 비대칭 또는 복합막에 대해 더 작은 표면적이 요구된다.
한편 조밀한 막은 이들의 표면적을 가로지르는 농도 편중을 일으키지 않고, 이에 따라 그러한 막이 향류 투과를 나타내지만, 비대칭 및 복합막은 둘다 농도 편중이 따르고, 이들의 실제 적용에서 교차-흐름 투과 플럭스(예컨대, 투과/시간)특성을 나타내는 경향이 있다. 조밀한 막보다는 비대칭 또는 복합막을 사용하여 수득할 수 있는 고유한 개선된 투과성으로 인해, 당해 기술분야에서는 추가로 비대칭 및 복합막 성능을 개선시켜 실제 산업적인 조작에서 막 건조 및 다른 분리조작의 장점의 달성을 촉진시키는 것이 바람직하다.
막 성능의 분석을 위한 수학적 모델링은 C. Y. Pan 및 H. W. Habgood의 ＂Gas Separation by Permeation, Part I. Calculation Methods and Parametric Analysis＂, The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 56, 1978 4월 pp.197-209에 설명되어 있다. 그러한 수학적 모델링 분석기술을 사용하여, C. Y. Pan은 비대칭 막의 분석을 토대로, 공급 및 투과 스트리임의 흐름패턴 및 흐름방향에도 불구하고, 상기 막은 언제나 교차 흐름형식의 투과조작을 야기시킨다고 결론지었다. 그러한 결론 및 그것을 위한 수학적 기초는 AIChE Journal에 C. Y. Pan 의 ＂Gas Separation by Permeators with High Flux Asymmetric Membranes＂ Vol. 29, No. 4, 1983 7월, pp.545-552에 기재되어 있다.
그러한 분석을 기초로 할때, 반드시 공기 및 다른 가스분리 조작은 교차-흐름방식으로 조작가능하고, 그러한 조작을 향상시키기 위해, 막 다발 디자인은 그러한 교차-흐름 투과조작은 향상시키는 디자인이어야 함이 결론지어진다. 따라서 많은 막 다발에 다발의 길이방향을 따라 다수의 구멍이 제공되어 교차-흐름 투과 패턴의 수행을 촉진시킨다. 상기에 언급된 바와 같이 기재의 형태는 상기 상황하에 농도 편중을 배제하도록 되어있다 하더라도, 그러한 다발 디자인을 사용하여 이루어진 전체 막 성능은 교차흐름 투과를 위한 수학적 모델링과 일치한다.
최근에는 당해 기술분야에서 그러한 초창기 종래 기술분야의 기대와는 대조적으로, 많은 막은 조작시 상당한 정도의 향류가 이미 예상했던 것 보다 작은 농도 편중을 갖는 것으로 나타났다. 따라서, ＂Asymmetric Cellulose Acetate Hollow Fibers : Studies in Gas Permeation＂, AIChE Journal, Vol. 34, No. 3, 1988 3월, pp.417-425에서 M. Sidhoum, W. Sengapta 및 K.K. Sirkar는(덜 바람직한 대칭 또는 균일한 막을 위한 패턴과는 대조적으로) 비대칭막을 위한 교차-흐름 투과패턴의 지적된 생성 및 그러한 초기의 수학적 모델링을 언급하고 있다. 이 저자들은 교차-흐름 투과패턴에 의해 가상적으로 특징지어지는 그러한 막의 행동 패턴은 교차-흐름 조작을 위한 모델링을 완전히 따르지는 않지만, 그러나 향류 흐름 행동과 일치하는 균일한 막 모델을 더 잘 따르게 됨을 보고하였다. 따라서 종래의 기대와는 달리, 사실상 많은 비대칭 및 복합막은 상당한 정도의 향류를 갖는다. 이해를 진전시키는 이러한 관점에서, 개선되 막 건조 및 다른 가스분리 방법 및 시스템을 발전시켜 향류 투과를 향상시키는 것이 매우 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 막 건조 및 다른 분리적용을 위한 개선된 처리방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 향상된 정도의 건조 능력을 갖는 복합 또는 비대칭 중공섬유 막 분리방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 의도한 수준의 건조 또는 이와 같은 분리를 달성하는데 필요한 막 표면적 및 생성 투과 손실을 최소화하기 위한 막 처리방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적을 염두에 두고 본 발명은 다음에 상세히 기재되고, 이들의 신규한 특징은 특히 첨부된 특허청구범위에 지적된다.
공기 건조 및 다른 가스분리는 향상된 건조 또는 다른 정제가 이루어지도록, 비대칭 또는 복합 중공섬유막에 대한 처리방법 및 시스템 특징의 전체적인 조합을 사용하여 수행된다. 그러한 특징은 상당한 방사상 혼합을 위한 특정화된 막 기재형태, 막의 투과 및 비-투과 표면을 따르는 향류흐름 패턴, 퍼어지 가스의 사용 및 막 표면을 가로지르는 공급가스의 균일한 흐름을 제공하도록 하는 중공섭유의 배열로 이루어진다.
본 발명의 목적은 기재를 가로지르는 상당한 정도의 방사상 혼합을 확립하는 기재 형태를 갖는 비대칭 또는 복합막중 하나로 이루어지는 중공섬유 막 시스템을 퍼어지 가스와 함께 사용하고, 향류처리 스트리임 흐름패턴 및 막을 가로지르는 균일한 흐름패턴을 사용함에 달성된다. 이 방식으로의 중공섬유 막 시스템의 조작은 향상된 건조 또는 다른 정제가, 바람직하게는 생성물, 즉, 비-투과 가스를 높은 회수 수준으로 달성되도록 한다. 그러한 막 성능은, 적어도 부분적으로, 교차-흐름 모델보다는 막 성능의 향류 수학적인 모델에 따른다. 이전에는 막 성능의 교차-흐름 수학적 모델이 가스분리에 관련되는 것으로 믿어왔기 때문에, 많은 초기 모듈 디자인은 교차-흐름 배열이 생기도록 개발되었다. 향류인 전체의 흐름배열을 생성하도록 개발된 다른 디자인에도 불구하고, 교차-흐름패턴은 각 종공섬유의 공간부분에서 얻어진다. 그러한 종래의 실시와는 대조적으로 본 발명의 전체 향류 투과성능은, 막의 교차-흐름조작에서 공-투과에 의해 손실되는 고려할만한 생성가스, 예컨대 질소/산소의 수득량의 약간의 감소를 초래한다.
막 성능의 향류 및 교차-흐름 수학적 모델은 인용된 종래기술에 의해 나타낸 바와 같은, 확립된 모델링 표준의 기초에 당해 기술분야에서 숙련된 자에 의해 소정의 막 재료 및 배치에 대해 계산될 수 있음이 인지될 것이다. 소정의 막 시스템을 위한 막 성능은 정기 시허멩 의해 결정되고 그러한 수학적 모델과 비교된다. 향류 모델에 따르는 본 발명의 실시에서, 막의 저압 투과면상에서 사용되는 건조 환류 퍼어지 가스는 막 분리층으로부터 수증기 또는 다른 투과가스를 운반시키고, 이에 따라 꽤 높은 수분 또는 불순물 제거를 위한 구동력을 유지하는 공급 스트리임(교차-흐름 조작에서)으로부터 의도한 생성가스의 공투과를 위해 대체된다. 이것은 의도한 건조 또는 정제수준을 달성하는데 필요한 생성 투과손실을 최소화 할뿐만 아니라 그러한 분리를 달성하는데 요구되는 막 면적을 최소화한다. 한편, 최근에는 건조 목적 등을 위한 퍼어지 가스의 사용이 실제 산업적 조작에 대해서 인지되어 왔지만, 상기에서 논의된 바와 같이, 막을 가로지르는 향류흐름 패턴에 상대되는 교차흐름에 관한 현 상태의 기술은, 지금까지는 향류의 막 성능 또는 실제 산업적 조작에서 그러한 향류를 향상시키기 위한 수단의 상당한 정도의 잠재적인 장점의 인식이 부족한데서 기인한다.
따라서, 본 발명의 실시에서, 공기 건조 또는 다른 가스정제를 위해 사용되는 막은 고도한 생성물(비-투과물), 회수 수준에서 향상된 가스분리를 할 수 있게 하고, 상당한 정도의 향류의 성능을 나타낼 것이다. 본원에서 이 파라메터 또는 성능의 측정은 막 성능이 막에 대한 향류 수학적 모델에 근접한 정도로서, 공지된 현 상태의 기술과 일치하여 기술한다. 100% 향류에서, 막 성능은 향류 모델에 의해 예측된 것과 동일하게 될 것이다. 0% 향류에서는, 상기 성능은 교차 흐름 모델과 동일하다. 본 발명의 실시에서 달성될 수 있는 정도의 향류는 일반적으로 적어도 약 20%, 전형적으로는 50% 또는 그 이상, 그리고 바람직하게는 약 80% 또는 그 이상이 될 것이고, 그리고 그러한 비교적 높은 정도의 향류의 성능은 막 건조 기술분야에서 매우 바람직한 진전을 나타낸다. 이런 점에서, 소정의 특정한 적용에서 관찰되는 상기 정도의 향류는, 막 성능의 분석을 위해 사용되는 수학적 모델의 특성을 포함하는, 그 적용과 관련하는 전체적 상태에 따라 좌우되는 변화에 종속됨이 명백하다. 이런 이유로 인해, 향류의 정도는 본 발명의 실시에서 그러한 장점을 달성하는데 사용하고자 하는 제한이 아니라 본 발명의 장점의 반영이다.
상기에 지적된 바와 같이, 향상된 건조 또는 다른 그러한 가스 정제성능은 (1) 상당한 정도의 방사상 혼합이 막의 기재부분을 가로질러 이루어지도록 하는 막 기재 형태를, (2) 표피 및 기재부분을 절충한 막의 투과 및 비-투과 표면, 예컨대 섬유 외부 및 이들의 구멍내부를 가로지르는 향류흐름 패턴, (3) 막의 투과 면상에서의 퍼어지 가스의 사용 및 (4) 가스의 균일한 흐름이 상기 표피(또는 복합물에서 분리층)부분 및 상기 기재부분으로 이루어진 막의 공급(비-투과) 및 투과면 양쪽을 가로질러 이루어지도록 하는 중공섬유막의 배열을 함께 사용함에 의해 달성된다. 이런 특징의 신규한 조합은 비-투과가스로서 의도한 생성가스의 지시된 높은 회수로 향상된 막 성능을 달성할 수 있다.
본 발명에서 특히 적당한, 예컨대 공급 스트리임으로부터의 공기의 건조 또는 불순물의 분리에 관한 가스정제조작은, 분리되는 수증기 또는 불순물이 건조 또는 정제되는 공급 스트리임과 비교하여 분리의 고도한 선택성을 갖게 되는 조작이다. 따라서, 분리성분은 건조 또는 정제하고자 하는 공급 스트리임에 관해 적어도 15의 분리인자 또는 선택성을 가질 것이다. 본 발명은 분리 성분이 약 50 또는 그 이상, 더 상세하게는 약 100 또는 그 이상의 분리인자 및 특별하게는 분리인자가 적어도 1000 또는 그 이상인 분리를 위해 특히 적당하다. 공기건조는 그러한 후자의 상황의 실례이다. 본 발명 실시에서 매우 바람직한 다른 실제 산업적 조작은, 거기에 제한되지는 않지만, 질소로부터 CO2또는 메탄의 분리; 질소와 같은 비활성 스트리임으로부터 산소가스의 분리; 그리고 질소로부터 암모니아의 분리를 포함한다. 본 발명의 모든 그러한 구현예에서, 바람직하게 고도한 생성물 회수 수준의 향상된 가스분리는 상당한 막 향류 성능에서 나타난다.
제1도의 도면을 참조로 하여, 일반적으로 번호(1)에 의해 나타내어진 가스건조를 위한 막 투과기 모듈은, 본질적으로 균일한 길이의 복합 중공섬유의 나선형으로 감긴 다발(2)로 이루어진다. 상기 복합물의 분리층은 다공성 중공섬유의 외부 또는 내부 표면에 놓여진다. 막의 고-압, 비투과면(3)은 중공섬유의 구멍면 또는 외부 쉘 면중 하나로 이해될 것이고, 이때 면(4)는 중공섬유의 다른 저압, 투과면을 나타낸다. 이후에 언급될 예시적인 실례에서는, 이 분리층은 중공섬유의 외부표면에 놓여졌고, 고압 공급가스는 막의 쉘면에 즉, 분리층이 놓여지는 면에 적용되었다. 이에 따라 공급가스로부터 분리된 투과가스는 아웃사이드-인사이드 방향으로 통과되었고, 이때 투과가스는 중공섬유의 구멍으로부터 회수된다. 건조하고자 하는 습윤공급가스 스트리임(5)는 그곳의 공급 단부에서 막의 고압면(3)에 도입되었고, 그리고 건조 생성가스(6)은 맞은편 또는 그곳의 생성단부에서부터 회수하였다. 건조 퍼어지 가스 스트리임(7)은 그곳의 생성단부에서 막의 저압면(4)으로 유입되었고, 그리고 수분이 포함된 폐 스트리임(8)은 막의 맞은편 또는 공급단부로부터, 저압에서 회수된다. 본원에 지시된 바와 같은 그러한 막 시스템 또는 그것의 변형물을 사용하면, 실제의 본 발명에서 물 또는 다른 분리 성분이 건조 또는 정제되는 공급 스트리임에 관해서 상기에 지시된 바와 같은 분리인자를 가질때 향상된 가스 건조 또는 정제가 달성된다.
상기에 지적된 바와 같이, 완전한 방사상 혼합은, 만약 투과 성분의 농도가 기재의 양쪽면에서 동일하다면, 즉0% 농도 편중하에서 일어날 것이다. 실제로 달성되는 방사상 혼합의 정도는 하기 일반식에 의해 규정될 수 있다:
여기서 y최고는 교차-흐름 모델의 막 성능에 의해 측정된 바와 같은 막 기재부분의 저압 투과면에서의 농도이고; y는 기재의 저-압 면에서의 실제 농도이고, 그리고 y구멍은 섬유구멍에서의 농도이다. 방사상 혼합이 없을때, y는 y최고와 동일할 것이며, 그리고 농도 편중은 기재의 표면을 가로질러 존재한다. 만약 완전한 방사상 혼합이 일어난다면, 기재를 가로지르는 농도 편중이 없으며, y는 y구멍과 동일할 것이다.
기재 기공도에 대한 상기 방사 혼합, 대표적인 복합 중공섬유 막의 분리인자(선택성) 및 공기 건조적용을 위한 투과성 플럭스의 관계는 발전되어 왔고, 공기 건조 적용을 위한 제2도의 도면에 도표로 나타내었다. 본원에서 사용된 바와 같은 용어 ＂투과도 플럭스＂는 ft3/일/psi/ft2의 공학 유니트(unit)로 나타내어진, 공기 건조 적용을 위한 물, 또는 가스 정제 조작에서의 물순물의 투과성-대 두께 비를 나타낸다. 상기 제2도 도표의 가로축은 대수범위에서 상기 투과성 플럭스에 의해 나누어진 막 기재의 기공도이다. 도표의 곡선은 다른 분리인자의 효과, 예컨대, 상기 건조적용을 위한 다른 분리층 재료의 선택성을 설명한다. 분리인자의 약간의 차이의 효과는 적당한 것으로 나타나며, 이때 50 내지 1,000의 분리인자에 대한 곡선이 실제적으로 근접하게 비교된다. 상당한 정도의 방사상 혼합, 예컨대 약10% 이상을 위해, P/T에 의해 나누어진 기재 기공도는 약 0.005보다 더 커야만 한다. 고도한 정도의 방사상 혼합, 예컨대 거의 완전한 방사상 혼합으로 확장되는 약 80% 또는 그 이상에 대해, 상기 투과도 플럭스에 의해 나누어진 기재 기공도는 제2도에서 도시된 바와 같이 약 0.1보다 커야만 한다. 상기 공학 유니트에서 물에 대한 투과도 플럭스 값은 약 5 내지 약 50범위일 것이다. 따라서 기재 기공도는 고도한 정도의 방사상 혼합을 달성하기 위해 약 0.5% 내지 약 5% 이상이어야 하고, 그리고 상기에 지적된 바와 같이 상당한 정도의 방사상 혼합을 달성하기 위해서는 0.05% 또는 그 이상이어야 한다. 그러한 기재 기공도 범위는 공기 건조적용에 관해서 뿐만 아니라. 또한 다른 가스 정제적용과 관련됨을 이해하게 될 것이다. 그러한 값은 균일한 기공도를 갖는 기재의 사용을 기초로 하여 측정되는 반면, 또한 그러한 값은 등급화된 기재 기공도를 갖는 비대칭 정도를 나타내는 비대칭막 또는 복합막 기재의 더 낮은 밀도의 지지영역과 같은 기재의 평균 기동도에 대해 일반적으로 적당하다.
제2도에 도시된 곡선은 저압, 즉, 중공섬유 막 시스템의 투과면상에 위치되는 기재를 기초로 하여 결정하였다. 만약 기재가 고압, 즉, 중공섬유 막 시스템의 비투과면상에 있다면, 고도한 정도의 방사혼합의 달성이 사실상 촉진될 것이다. 그러한 구현예에서, 제2도에 도시된 곡선은 중공섬유 막을 가로지르는 고압/저압비에 비례하여 왼편으로 이동될 것이다. 따라서 만약 상황이 허용된다면, 고압면, 즉, 막의 공급면상에 기재를 위치시키는 것이 일반적으로 유리하다. 나아가 고압 및 저압 스트리임에 대한 압력 강하를 감소시키기 위해서는, 고-압 공급 가스 스트리임이 중공섬유 막의 구멍을 통해 통과되고, 한편으로는, 막의 쉘면에 위치된 복합막의 얇은 분리층 피복물 및 비대칭막의 얇고 조밀한 분리영역을 갖는 막의 쉘면에 퍼어지 투과스트리임을 흐르게 하는 것이 유리하다.
기재를 가로지르는 상당한 정도의 방사상 혼합을 달성하도록 하는 막 기재형태가 향상된 건조 또는 다른 가스정제 성능의 달성에 중요하지만, 그러한 달성은 그것 단독으로는 상기 향상된 성능을 제공할 수 없다. 상기에 규정된 다른 필수적 인자들중의 하나는 막의 투과 및 비-투과 표면을 가로지르는 향류흐름 패턴을 제공하는 것이다. 그러한 향류흐름 패턴은 비-봉입된 흐름 영역에 대한 것을 제외하고는 이들의 길이방향의 외면위의 비투과성 장벽안에 중공섬유 다발을 봉입함에 의해 생성될 수 있다. 1987년, 6월 24일 공고된 유럽특허 공고 No.0226431에는 의도한 방법의 조작, 예컨대 인사이드-아웃 또는 아웃사이드-인 흐름에 따라 좌우되는 공급가스 또는 투과가스를, 중공섬유의 구멍에서 투과가스 또는 공급가스의 흐름방향에 평행한 중공섬유 외부에서의 향류흐름으로 통과되도록 하는 그러한 향류흐름 패턴의 생성이 기재되어 있다. 예를들어, 중공섬유 다발의 외부상의 공급가스는 섬유다발의 중심축에 대해 직각으로 보다는 평행하게 흐르게 한다. 비투과성 방해물 재료는 비투과성 막의 랩(wrap), 예컨대 폴리비닐리덴 등 일수도 있다. 그밖에, 비투과성 방해물은 무독성 용매로부터 적용되는 비투광성 피복 재료, 예컨대 포릴실옥산 또는 막 다발에 설치되고 다발상에 수축되는 수축 슬리이브(sleeve)일 수도 있다. 구성된 팩킹(packing)과 같은 O-링 또는 다른 방해물은 막 모듈의 중공섬유 다발과 쉘 사이에 위치될 수도 있고, 또는 쉘 그 자체는 의도한 방해물을 형성하도록 막다발에 근접하여 위치될 수도 있다. 따라서, 그러한 구현예에서 다발안으로 또는 그곳으로부터 나오는 가스의 흐름을 허용하는 그안의 개구를 제외하고, 중공섬유를 봉입하여, 다발에서 유체가 중공섬유 다발의 축에 실제적으로 평행한 방향으로 본질적으로 모든 중공섬유의 외부표면을 따라 흐르게 한다. 결과된 흐름형태는 습윤공기(공기) 스트리임 및 투과가스이 향류흐름중 하나이고, 이것은 막 재료를 통해 투과한 습윤 또는 가스 불순물과 함께 퍼어지 가스로 이루어진다.
본 발명의 향상된 공기 건조 또는 가스 정제조작을 위한 세번째 요구조건은 막의 투과면상에서의 본질적으로 건조한 퍼러지 가스이 사용이다. 교차-흐름 형식의 투과가 수행된다면, 퍼어지 가스의 사용은 이루고자 하는 건조의 양에 영향을 미칠 수 없다. 반면에 상당한 정도의 향류를 나타내는 조작에서는, 퍼어지 가스는 막의 표면으로부터, 투과가스, 예컨대 공기 건조 적용에서의 수분의 제거를 촉진시킬 것이다. 퍼어지 가스는 공급 스트리임으로부터 의도한 수분 또는 불순물의 제거가 계속되도록 막을 가로질러 높은 구동력이 유지되게 한다. 전체 발명중에서 이 특징은 요구된 막의 표면적을 최소화 하고 그리고 이와는 달리 건조 또는 정제의 의도한 수준을 달성하도록 요구된 의도한 생성물, 예컨대 건조공기의 투과손실을 최소화하는 것이다. 공급공기로부터의 상기 질소/ 산소의 공투과로 인한 질소/산소생성물 또는 가능한한 충분한 범위에서 다른 의도한 비투과 생성가스의 손실을 최소화하는 것이 바람직함을 쉽게 인지할 수 있을 것이다. 예를들어, 막 시스템으로부터 비-투과 생성가스의 전체 흐름의 1% 이하, 바람직하게는 0.5% 이하의 공-투과로 인한 그러한 생성물 손실을 최소화하는 것이 바람직하다. 나아가 본 발명의 퍼어지 요구와 관련한 정보는 다음의 실시예에 주어져 있다.
본 발명의 실시에서 요구된 네번째 특징은 공급가스 및 투과가스의 균일한 흐름이 막의 표면을 가로질러 달성되도록 하는 중공섬유 막의 배열로 이루어진다.
본 발명의 이 특징의 바람직한 구현예에서, 중공섬유 막은 본질적으로 균일한 작용 길이의 중공섬유를 포함하는 나선형으로 감겨진 중공섬유 막 커트리지로 배열된다. 그러한 나선형의 감음을 Coplan 등의 특허 U.S 4,631,128에 기재된 바와 같이 입증된 당해 기술분야에 공지되어 있다. 당해 기술분야에서 숙련된 자들은 중공섬유의 표면을 가로지르는 가스의 의도한 균일한 흐름 분포는 상기에 언급된 특정한 나선형으로 감겨진 배치라기보다 평행 또는 직선의 배치를 갖는 막 커트리지에서 중공섬유를 배열하여서는 간단하게 이루어질 수 없음을 인지하게 될 것이다. 따라서, 실제적으로, 중공섬유의 직선 배치는 의도한 균일한 흐름분포를 억제하도록 하는 가변정도로 주름이 잡힌 특정한 중공섬유를 포함하게 될 것이다. 그러나 다른 잘 시판되지 않은 바람직한 수단이 가스의 상기 균일한 흐름을 이루도록 사용될 수도 있다. 따라서 스크린(screen) 또는 예컨대 방해물과 같은 다른 흐름 억제수단을 제공하는 것이 가능하고, 이것은 상기 균일한 흐름 경로가 달성되도록 배열될 수 있다. 또한 이 중공섬유는 로프와 유사하게 짜여진 형태로 배열될 수 있고, 이때 이들의 구조형태는 의도한 균일한 가스흐름을 달성하도록 한다.
다양한 변화 및 변경은 첨부된 청구범위에서 규정된 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 본원에 기재된 바와 같이 주요한 발명을 상세하게 할 것이 인지될 것이다. 따라서 막 재료는 적당한 분리인자 수준에서 공기 또는 다른 공기 스트리임으로부터 제거하고자 의도된 물/또는 불순물을 선택적으로 투과할 수 있는 소정의 적당한 재료가 될 수도 있다. 복합 중공섬유 막은 폴리술폰 또는 다른 의도된 기재 및 에틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 또는 다른 그러한 막 재료의 분리층을 사용하여 편리하게 제공된다. 또한 셀룰로오스 아세테이트, 폴리술폰 등과 같은 재료로 이루어진 비대칭 막이 사용될 수도 있다. 그러나 그러한 재료는 단지 복합막의 기재 또는 분리층 재료로서, 또는 비대칭 형태로 사용되는 재료로서 당해 기술분야에서 실제의 본 발명에서 사용될 수 있는 유용한 대표적인 다양한 적당한 재료임이 인지될 것이다. 그러한 재료의 중공섬유는 당해 기술분야에서 널리 공지된 방법에 따라 직물화할 수 있다. 예를 들어, 기공성 폴리술폰 중공섬유는 Dabasso 등의 ＂Composite Hollow Fiber Membrances＂, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 23, pages 1509-1523에 의해 기재된 방법에 따르는 공지된 용매/비-용매 혼합물중의 폴리술폰의 삼원 용액으로부터 편리하게 직물화될 수 있다. 널리 공지된, 관-내-관(tube-in-tube) 제트 기술은 상기 직물화 방법에서 사용될 수 있고, 이때 약 21℃에서의 물이 섬유에서 외면 켄치(quench)매질이다. 편리하게는 섬유의 중심 구멍에서의 켄치매질은 공기이다. 켄칭은 물로 섬유를 세척함에 의해 계속된다. 세척후에 중공섬유는 고온공기 건조 컬럼을 통해 통과됨에 의해 30℃에서 건조된다. 복합막의 제공을 위해, 건조된 중공섬유는 적당한 분리층 용액, 예컨대 에틸 셀룰로오스 중합체 용액으로 선(line)-안에서 신속하게 피복될 수 있다. 그러한 용액은 층 또는 기재를 지지하는 폴리술폰 중공섬유에 적용하기 전에, 이소프로판올중에 약 1% 에틸 셀룰로오스를 용해시키고 그리고 계속해서 1.5 미리 마이크론 유리 필터를 통해 여과함에 의해 제조될 수 있다. 직접적인 중공섬유 기재는 피복물 용기중에 포함된 여과된 피복용액을 통해 통과될 수 있고, 이때 계속해서 피복된 섬유가 와인더(winder)상에 취해지기 전에, 공기오븐에서 건조된다. 이에 따라, 제공되는, 설명된 솔리술폰 중공섬유 복합막은 바람직하게는 매우 얇은 피복물 두께, 예컨대 약 0.2 마이크론 또는 그 이하를 갖는다. 대표적인 막 재료로서 셀룰로오스 트리아세테이트를 사용한 그러한 복합중공섬유 막은 산소 및 질소 사이의 약 5.9의 분리인자 및 약 0.08ft3/ft2.psi.일의 산소를 위한 투과도 플럭스를 가질 것이다. 중공섬유는 이들을 감을 때 투과기 커트리지를 구성하는데 사용되고, 이때 하나 또는 그 이상의 커트리지는 그곳에 공급가스 및 퍼어지 가스의 투과 및 비-투과가스의 분리제거 및 그곳으로부터 투과가스 및 퍼어지 가스의 조합을 위해 적용된 막 모듈안에 위치된다. 당해 기술분야에서 숙련된 자들은 사용된는 막 모듈은 공급가스 및 퍼어지 가스의 도입 및 상기 투과-퍼어지 가스 및 비-투과가스 스트리임의 분리제거를 위해 적용된 4개의-포오트(port) 모듈이 적당함을 인지하게 될 것이다. 또한 공급가스는 인사이드-아웃 흐름에 대해서는 중공섬유의 구멍으로, 또는 아웃사이드-인 흐름에 대해서는 막의 쉘면중 하나의 통과될 수도 있음이 이해될 것이다.
본 발명은 본원에서 논의된 중요한 공기건조 적용 이외에 실제 산업적 적용의 다양성을 갖고 있음이 이해될 것이다. 따라서 질소 또는 메탄으로부터 이산화탄소의 빠른 투과와 같은 가스분리 및 질소로부터의 암모니아의 분리는 실제 본 발명의 다른 설명예로 구성된다.
본 발명은 이들의 실제의 특정한 예를 참조로 본원 이후에 기재된다. 그러한 실시예는 본 발명 및 그것의 장점을 설명하여 이해되어질 것이고, 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 구성되지 않는다.
[실시예 1]
이 실시예에서, 동일한 길이의 중공 파일(file)을 갖는 나선형으로 감긴 커트리지를 사용하였고 이때 커트리지를 용기에 넣고 그리고 섬유의 양쪽 단부가 접촉할 수 있고 그리고 모듈은 제1도에 도시된 바와 같이 4개의 -포오트 모듈로서 조작할 수 있도록 섬유다발을 절단할 수 있다. 사용한 중공섬유 막은 여기에 피복된 에틸 셀룰로오스 분리층을 갖는 폴리술폰 중공섬유 기재를 사용하여 형성한 복합막이었다. 중공섬유를 동일한 작용길이를 갖도록 나선형으로 감았다. 비투과성 폴리비닐리덴 막을 중공섬유의 외부 표면상에서 예컨대 중공섬유의 구멍내면에 투과가스 및 퍼어지 가스의 흐름에 평행한, 공급가스 및 비-투과가스의 향류 흐름을 보장하도록 중공섬유 다발 주위에 위치시켰으며, 이에 따라 막은 아웃사이드-인 흐름형태를 사용하여 이용하였다. 투과건조를 위해 사용된 바와 같이, 공급공기 및 비-투과 또는 화학잔류물 스트리임을 약 150psig의 압력에 두고, 한편 투과가스는 대기압에 근사한 또는 0psig이었다. 그러한 조건에서, 공급공기중에 수증기 뿐만 아니라 공기, 예컨대 산소 및 질소의 약간의 투과성분이 있었다. 따라서, 값비싼 생성가스의 높은 투과가 의도한 건조를 달성하기 위해 일어났다.
공기의 주요한 성분의 투과를 감소시키기 위해, 시험은 퍼어지 공기를 사용하여 수행하였고, 이때 퍼어지 공기 및 투과 스트리임은 단지 1psi의 압력차가 막을 가로질러 존재하도록, 약 149psig의 압력에 두었다. 비-투과 흐름은 낮은 흐름속도에서도 21 내지 85NCFH로 변경되었고, 건조공기 단효율은 단 2%였다. 또한 퍼어지 공기흐름을 변경하였고, 그리고 분석기는 공급, 비-투과, 퍼어지 및 폐 투과 스트리임중에 수증기 농도를 측정하는데 사용하였다. 공급 스트리임에서 측정된 수분함량은 약간 변화하였고, 평균은 1073ppm이었다. 본질적인 건조 퍼어지 스트리임 물 함량은 0.85 내지 1.50ppm으로 변화하였고, 평균치는 1.29ppm이었다. 물의 투과성 대 산소의 투과성의 비 예컨대, 물 및 산소를 위한 분리인자는 사용되는 막 재료에 대한 100보다 크고, 이때 물 및 질소를 위한 분리인자가 더 컸다. 물에 대한 효과적인 P/t값은 상기에 언급된 상기 공학 유니트에서 4 및 8사이에서 발견되었다. 폴리술폰 기재 기공도는 0.5% 내지 약 1%의 범위에 있었다.
많은 시험을 석달의 기간동안 수행하였다. 농도는 천천히 정상상태에 접근하기 때문에, 다음과 자료는 적어도 20시간 또는 수백시간의 시험가동을 나타낸다. 결과는 하기 표 1에 도시하였다.
상기에 사용된 바와 같이, 세척비는 막의 투과면상의 더 낮은 압력 대 이들의 비-투과면상에 더 높은 압력 비에 의해 나누어진 퍼어지 비, 예컨대 CR=퍼어지 비÷(P낮음/P높음)이다. 본원에서 사용된 퍼어지 비는 STP 부피 퍼어지 흐름 대 STP 부피 생성흐름의 비이다. 본원에서 사용된 STP는 0℃의 표준조건 및 1대 기압을 언급한다. 이 결과는 퍼어지 가스를 사용하여 및 1보다 큰 세척 비를 사용하여, 공급 스트리임의 물함량의 거의 완전한 제거는 본 발명의 전체조건하에 달성될 수 있다. 그러한 조건은 상기에 논의된 바와 같이 및 실시예에서 사용된 바와 같이, 막의 기재부분을 가로질러 상당한 정도의 방사상 혼합을 달성하도록 하는 막 기재 형태, 막을 가로지르는 항류흐름형태 그리고 막을 가로질러 가스의 균일한 흐름을 달성하도록하는 중공섬유 막의 배열을 포함하는 것을 이해하게 될 것이다. 적은 물(또는 불순물)제거가 의도된다면, 1보다 작은 세척비가 부분 건조 적용에서 사용될 수 있음을 이해하게 될 것이다. 따라서, 약 0.9의 세척비가 편리하게 사용될 수 있고, 약 0.6 도는 0.5로 낮추어진 더 낮은 비는 특정한 적용에 적당하다.
제1가동에서는 퍼어지 가스를 사용하지 않았고, 조작할 수 있는 메카니즘은 퍼어지-형식 세척보다는 투과-형식 세척의 하나이었다. 결과에서와 같이, 제거되는 물의 양은 작고, 이때 단지 약 13%의 물이 공급 공기중에 산소 및 질소의 투과작용에 의해 제거되었다. 모든 다른 가동에서, 퍼어지 형식의 세척을 토대로, 95% 이상의 물이 제거되었고, 이때 건조 또는 정제의 정도는 사용되는 세척비에 좌우된다. 1.7에서의 세척비로는 99% 이상의 물이 폐-퍼어지 스트리임에 의해 제거되고 그리고 비-투과 스트리임은 퍼어지 스트리임을 위해 사용되는 건조공기만큼 거의 건조한다. 퍼어지 형식 세척에 대한 매우 바람직한 결과는 모든 경우에 2% 이하인 단지 무시할만한 양의 생성가스 손실로 수득됨이 지적된다. 폐 스트리임의 측정된 물 함량은 물의 질량 수지식을 만들 수 있고, 이것은 공급공기중의 본질적으로 모든 물은 폐 스트리임에서 제거된다. 막이 교차-흐름방식으로 조작되는 결과에서는, 퍼어지 가스는 건조양에 영향을 미치지 않을 것이고, 그리고 그러한 건조는 건조하고자 하는 공급공기로부터 산소 및 질소의 투과의 비용으로, 달성될 수 있음이 지적된다.
[실시예 2]
이 실시예에서 사용되는 막 모듈은 사용되는 중공섬유가 에틸 셀룰로오스 재료의 매우 두꺼운 피복물을 사용하여 특정하게 제공한 것을 제외하고는 실시예 1에서 사용한 것과 유사하게 되었다. 막의 두께를 크게 증가시킴에 의해, 산소 및 질소의 투과도 플럭스는 크게 감소하였다. 이 더 두꺼운 막은 공기의 상당한 양의 투과없이 막을 가로지르는 더욱 전형적인 압력차의 사용을 허용하였다. 반면에, 수증기는 더 두꺼운 막을 통할지라도 높은 전달속도를 나타내도록 매우 큰 투과도를 갖는다. 놀랍게도, 물의 유효한 P/t값은 3-5공학 유니트임이 발견되었고, 이것은 실시예 1에서 발견된 값보다 크다. 이것은 아마도 모관응축과 같은 물 전달에 대한 방해가 실시예 1에서 작용되었음을 암시한다. 기재재료는 실시예 1에서 사용된 것과 동일하였고, 기재기공도는 예컨대 1-5%로 동일하였고, 그리고 본 발명이 다른 특징은 실시예 1의 구현과 동일하였다.
실시예 2의 시험가동은 제1도의 흐름선도와 일치하게 수행하였고, 이때 고-압 공급 및 비-투과 스트리임에서는 114.7psia 이고, 저압-퍼어지 및 투과 스트리임에서는 14.7psia 예컨대 대기압이었다. 건조-공기단 효율은 약 2%로 측정되었다. 공급공기 스트리임은 약 3,000ppm의 수분함량을 갖고, 그리고 본질적으로, 퍼어지 목적을 위해 사용된 공기는 2.7ppm의 수분함량을 갖는다. 그러한 시험의 결과는 하기 표 2에 도시하였다.
그러한 결과는 공기로부터의 물의 거의 완전한 제거는 퍼어지 흐름이 단지 생성흐름의 분획인 매우 실제적인 압력차의 조건하에 달성될 수 있음을 나타낸다. 도시한 제1가동에서, 본질적으로 퍼어지 흐름은 사용하지 않았다. 단지 18%의 세척비에 의해 도시된 바와 같이 발생된 퍼어지는 산소 및 질소의 공-투과로부터 결과하였다. 그 결과는 16%의 물이 제거되어, 열등하며, 반면에 단독적인 공기의 성분의 공-투과는 만족스런 공기건조를 위한 물의 의도한 제거를 달성하는데 충분하지 않음이 입증됨을 나타낼 것이다. 그러한 열등한 투과-형식 건조에 대조하여, 1보다 큰 세척비를 갖는, 다른 가동은 일반적으로 공급공기의 물 함량의 거의 완전한 제거를 달성하였다. 예를들어, 세척비는(퍼어지 흐름/생성흐름) 비를 (저압/고압) 비로 나누는 것으로부터 얻어지게 되는 것을 이해하게 될 것이다. 그렇지만 단지 생성흐름의 분획을 구성하는 퍼어지 흐름은 실시예 1의 것과 비교하여 증가된 압력차 조건에서 1 이상의 세척비를 제공하는 것을 주목해야 한다.
본 발명의 다른 특징과 조합하여 비교적 높은 세척비에서 퍼어지 가스의 사용에 따라 좌우되는 건조 또는 다른 정제의 정도는 또한 소정의 특정한 적용에서 처리되는, 가스의 공급흐름 속도에 의해 나타내어지는 양에 의해 영향을 받게되는 것을 표 2의 결과로부터 알 수 있을 것이다. 실제 산업적 조작에서, 다소 변화하는 정도의 정제는, 교차-흐름 또는 투과 세척 조작에 비교한 높은 전체 수준에서 공급 흐름속도, 세척비 및/또는 퍼어지 가스 흐름속도의 상대적인 값을 조정함에 달성될 수 있다. 여하튼, 거의 완전한 건조를 위한 과량의 1과 같은 높은 값의 세척비를 사용하여, 공기의 물함량 또는 가스의 불순물 함량은 투과 세척 목적을 위한 생성가스의 무시할만한 손실로 매우 낮은 값으로 감소될 수 있다.
상기 양쪽의 실시예에서, 공급공기의 흐름은 아웃사이드-인이었고, 그리고 막의 분리부분은 섬유의 외면 표면상에 있었다. 유사하거나 또는 더 좋은 결과는 일반적으로 인사이드-아웃 흐름형태를 사용하여 수득될 수 있고, 여기서 공급가스는 중공섬유 막의 구멍으로 통과된다. 그러한 후자 구현예에서, 복합막의 분리층 또는 비대칭 막의 얇고, 조밀한 표피는 전형적으로 막의 외부 쉘면상에서 위치한다.
이 실시에는 퍼어지 가스로서 건조 공기 스트리임을 사용한 공기의 건조에 관한 것이지만, 공급 스트리임은 공기일 필요가 없고, 그러나 적용할 수 있는 조작 조건하에 제거하고자 하는 물 또는 불순물과 관련한 비교적 낮은 투과성을 갖는 소정의 가스가 될 수 있음을 인지하게 될 것이다. 따라서, 산업적 용이성에서 유용한 가치있는 처리 가스 스트리임은 퍼어지 스트리임으로서 건조공기를 사용하여 건조될 수 있다.
공급 스트리임이 생성가스의 매우 작은 손실로 건조될 수 있는 반면, 퍼어지 가스원으로서 후속처리를 하거나 또는 하지 않고 생성가스를 사용하는 것이 바람직할 수도 잇는 상기 공기건조와 같은 상황이 있을 수 있다. 저온 공기분리 공정에서, 예를들어 이 발명에 따라 조작되는 막 공기건조기와 같은 막가스 분리 시스템을 위한 퍼어지 가스의 원으로서 다루어질 수 있는 유용한 건조, 소위 폐 스트리임을 거쳐서 저온 공정에 통과하는 공급공기를 건조시키는 것이 일반적이다. 본 발명의 공기건조 또는 다른 가스 정제조작이 다른 산업적 조작으로부터 건조가스 스트리임으로 조정될 수 있는 다양한 다른 그러한 조합은 당해 기술분야에 숙련된 자에게 명백하게 될 것이며 그리고 나아가 본 발명의 전체 장점을 향상시킬 것이다. 본 발명의 실시예에서, 빠른 투과성분(예컨대 물) 보다 매우 작은 투과성의 소정의 건조 퍼어지 스트리임을 사용하는 능력은, 또한 당해 기술분야의 초기 상태 예컨대 투과형식 건조를 사용해서는 가능하지 않은 본 발명의 주요한 장점이다. 투과성 막은 최소한의 유지 및 용이성으로, 높은 정도의 처리 효율 및 단순성으로 매우 바람직한 가스분리를 달성할 수 있다. 공기건조 및 다른 가스정제는 중요하고 바람직한 적용의 막 기술, 특히 중요한 발명과 관련되는 유리한 중공섬유 막 기술이다. 공기의 향상된 건조 또는 다른 처리 스트리임을 위해 제공함에 의해, 바람직한 표면적 특성을 갖는 중공섬유 막을 사용함에 의해, 그리고 다양한 종래기술 접근수단에서 필수적인 공-투과로 인한 최소한의 생성가스 손실로 의도한 가스분리를 달성함에 의해, 본 발명은 나아가 산업적 적용의 광범위한 다양성의 지금까지는 증가하는 필요성을 만족시키는 막 시스템의 실제 실용성을 확장하는 것중 하나인 막 분야에서 매우가치있는 진보를 제공하였다.

Claims (3)

  1. 공급가스 스트리임의 향상된 정제를 위한 막 처리방법으로서, (a) 막의 기재부분을 가로지르는 상당한 정도의 방사상 혼합을 달성하기 위해 약 0.05%보다 큰 기동도를 가지는 기재 또는 저밀도 영역을 가지고 있는 복합막 또는 비대칭막으로 이루어지고, 상기 공급 스트리임 및/또는 그것의 성분들과 관련하여 시스템에서 최소한 약 15의 분리인자를 가지고 있는 불순물을 선택적으로 투과시킬 수 있는 투과성 막 시스템으로, 그곳으로부터 분리하고자 하는 상기 불순물 함유 가스 스트리임을 통과시키는 단계; (b) 기재부분 및 이들의 표피 또는 분리층 부분으로 이루어진 막의 공급 및 투과면 둘다를 가로지르는 가스의 본질적으로 균일한 흐름이 달성하도록 배열된 중공섬유 막으로 이루어진 막 시스템의 투과 및 비-투과 표면을 가로지르는 향류흐름 패턴을 달성하기 위한 수단을 상기 막의 외면에 제공하는 단계; (c) 막을 통해 상기 불순물의 투과 및 제거를 촉진함에 있어서, 세척비가 막의 저-압 투과면상의 압력 대 막의 고-압 투과면성의 압력의 비에 의해 나누어진 STP 부피 퍼어지 가스흐름 속도 대 STP 부피 비-투과 생성흐름의 비인, 최소한 약 0.5의 세척비에서 사용되는 퍼어지 가스를 막의 투과면상에 통과시키는 단계; (d) 의도된 생성가스로서 비-투과 가스를 막 시스템으로부터 제거하는 단계; (e) 막 시스템으로부터 퍼어지 가스 및 상기 투과가스를 분리 제거하는 단계들로 이루어지고, 이에 따라 퍼어지 가스가 불순물의 투과 및 막의 표면으로부터 그것의 제거를 촉진시키는 의도된 생성가스의 공-투과를 위해 대용되고 그래서 상기 막을 가로지르는 불순물의 통과를 위해 구동력이 유지되어, 비-투과 생성가스의 높은 회수, 상당한 정도의 향류 성능을 나타내는 막 시스템으로, 의도한 정제를 향상시키는 것을 특징으로 하는 막 처리방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 세척비가 약 0.6 내지 약 1.7인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 공급가스 스트리임의 향상된 정제를 위한 막 시스템에 있어서, (a) 투과성 막 시스템으로, 그곳으로부터 분리하고자 하는 상기 불순물 함유 가스 스트리임을 통과시키는 도관 수단; (b) 상기 공급가스를 수용하도록 적용되고, 상기 불순물을 선택적으로 투과할 수 있고, 그것의 재료가 상기 공급가스 및 또는 그것의 성분에 관해서 불순물을 최소한 약 15의 분리인자를 갖게 되도록 하고, 막의 기재부분을 가로질러 상당한 정도의 방사상 혼합을 달성하도록 0.05% 보다 더 큰 기재 또는 저밀도 영역을 갖는 복합막 비대칭 막으로 이루어지며, 복합 또는 비대칭 막이 상기 기재부분 및 표피 또는 이들의 분리층 부분으로 이루어진 막을 가로질러 가스의 본질적으로 균일한 흐름을 달성하도록 배열된 중공섬유 막으로 이루어지는 투과성 막 시스템; (c) 상기 기재부분 및 이들의 표피 또는 분리층 부분으로 이루어진 막의 투과 및 비-투과 표면을 가로질러 향류흐름 패턴을 이루도록 하는 상기 막의 외면상의 수단; (d) 세척비가 막의 저압, 투과면상의 압력 대 막의 고압 공급면상의 비에 의해 나누어진 STP 부피 퍼어지 가스흐름속도 대 STP 부피 비-투과 생성흐름 속도의 비이며, 최소한 약 0.5의 세척비를 제공하도록, 막의 투과면상에 퍼어지 가스를 제공하기 위한 도관 수단; (e) 막 시스템으로부터 의도한 생성가스로서 비-투과가스를 제거하기 위한 수단; 그리고 (f) 막 시스템으로부터 퍼어지 가스 및 상기 투과가스를 제거하기 위한 분리 수단들로 이루어지고, 이에따라 퍼어지 가스가 불순물의 투과 및 막의 표면으로부터 그것의 제거를 촉진시키는 의도된 생성가스의 공-투과를 위해 대용되고, 그래서 상기 막을 가로지르는 불순물의 통과를 위한 구동력이 유지되어, 비-투과 생성가스와 높은 회수로, 상당한 정도의 향류의 성능을 나타내는 막 시스템으로 막 시스템이 의도한 정제를 향상되게 하는 것을 특징으로 하는 막 시스템.
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