KR940004619B1 - 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지를 사용한 가스분리방법 - Google Patents

나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지를 사용한 가스분리방법 Download PDF

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Abstract

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Description

나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지를 사용한 가스분리방법
본 발명은 개선된 유공섬유막 카트리지 및 투과에 의해 가스분리하는 개선된 방법으로 그를 사용함에 관한 것이다. 본 발명은 그 구성에 사용된 유공섬유의 실제길이가 여과기 카트리지를 통해 반드시 균일한 나선형으로 감긴 유공섬유 여과기 카트리지의 사용에 관한 것이다. 가스분리 분리과정에서, 가스혼합물은 유공섬유 보어로 공급되며, 투과흐름의 유동은 가스분리 과정동안 유공섬유의 보어를 나가는 추출흐름의 유동에 대한 역류유동으로 바람직하게 지속된다. 가스분리 과정동안, 투과쪽의 투과흐름과 공급쪽의 공급흐름의 실제의 방사상 혼합이 일어나는 반면, 유공섬유 투과성막 카트리지의 투과측 또는 공급측 모두의 축방향 혼합은 사실상 발생하지 않는다.
어떤 성분을 선택적으로 투과할 수 있는 투과성 막들은 이 분야에서 널리 공지되어 있으며, 매우 유익한 배열로 고려된 유공섬유막이 기하학을 가진 어떤 유체분리 응용들에서 유익한 분리장치로 고려된다. 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지의 구조 및 사용과 상기 카트리지를 포함한 모듈은 이 분야에 널리 공지되었으며, 유공섬유가 하기에 설명된 선행기술로 명백한 바와 같이 나선형보다는 고정되거나 고정되지 않은 평행한 형상으로 존재하는 그러한 카트리지도 공지되었다. 본 발명의 제품 및 방법은 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지에 관한 것이다.
실질적으로, 유공섬유 투과성막 카트리지는 보어측 공급셀측 공급형상의 구조를 갖는다. 본 발명은 단지 공급혼합물이 이후에 정의된 특별한 조건하에서 유공섬유 외측표면으로부터 회수된 투과흐름과 유공섬유 보어의 반대쪽 단부로부터 회수된 추출흐름으로써 초기에 유공섬유의 내측 표면 또는 외부보어에 접촉되는 보어측 공급여과기의 사용에 관한 것이다. 더구나, 본 발명은 일차적으로 적어도 하나이상의 투과성 성분이 유공섬유막을 통한 투과과정에 의해 가스혼합물로부터 분리되는 가스분리 응용에 관한 것이다.
막 분리응용에서 최적 유동역학조건들을 완성하는 중요성은 이 분야에 널리 인지되었으며, 결과적으로 이러한 최적 유동역학 조건들을 완성하기 위한 유공섬유 여과기의 설계 및 구성관점의 중요성은 중요하게 고려된다. 예컨대, 참고문헌 ["유공섬유투과에 의한 가스분리해석", C. R. Antonson외, Ind. Eng. Chem., Proc. Des. Dev., 16, No.4, 463-469(1977)]에서, 투과에 의한 가스분리를 위해 유공섬유를 사용하는 것은 상당히 자세하게 연구되었다. 전체의 연구는 평행한 배열의 유공섬유를 형성된 것으로 나타나며, 거기에는 나선형으로 감긴 유닛들의 사용은 나타나지 않았다. 연구된 조건중에는 여섯 개의 유동패턴을 고려함에 의한 유동패턴의 영향이 있다. 제6도 및 제466과 제467 페이지 설명은 이러한 관점에 관한 그들의 발견을 기록한다. 일반적으로, 저자는 셀공급 유동패턴보다 보어공급 유동패턴이 더 좋다는 것을 발견했으며, 보어 공급으로는 가장 농후한 비율 및 가장 빠른 가스회수를 갖는 역류유동이 가능하다. 그 문헌은 최적 분리조건을 완성하기 위해서는 막의 공급 및 투과 양쪽의 축방향으로는 어떠한 가스혼합도 발생되어서는 안된다는 것을 나타낸다.
J. E. Geary. Jr. 등이 1969년 5월 6일에 제출한 미국특허 제3,442,002호는 실제 평행한 배열인 각 다발내의 섬유로 유공 필라멘트 다발들을 구성한 유체분리장치를 설명한다. 이 특허는 유공섬유내부를 통한 초기혼합물의 도입과 유공 필라멘트 외부는 그를 도입하는 두가지를 설명하지만, 일차적으로 액체분리에 관한 것이며, 최적 역류 가스분리조건을 언급하지는 않는다.
Otstot등이 1983년 4월 19일에 제출한 미국특허 제4,380,460호는 유공섬유들이 외곽용기의 셀길이를 연장시킨 평행한 배열인 여과기 셸에 관한 것이다. 이 특허는 셸내로 삽입되는 동안 유공섬유를 보호하는 슬릿튜브의 사용에 일차적인 관심이 있다. 그 문헌에는 어디에도 나선형 와인딩이나 투과 및 추출흐름의 방사상 및 축방향 혼합을 제어하는 중요성을 언급하지 않았다.
Kuzumoto 등이 1984년 2월 7일에 제출한 미국특허 제4,430,219호에서는, 유공섬유다발들이 서로 거의 평행하게 나선형으로 감겼으며, 그 유닛은 유체 분리과정에 사용된다. 그러나, 유닛을 통해 유공섬유길이를 반드시 균일하게 유지하려는 시도는 없었다; 이 특허는 역류가스 분리응용에서 나선형으로 감긴 배열의 응용성을 설명 또는 인지하지 않았다. 또한, 이 특허공보의 어디에도 감긴 투과유닛의 투과측 흐름의 반드시 완전한 방사상의 혼합 및 투과측 또는 추출측 모두의 반드시 비축방향인 혼합의 중요성에 대한 어떤 인식이 없다.
Kuzumoto등이 1986년 11월 18일에 제출한 미국특허 제4,623,460호에서, 유체분리유닛은 유공섬유들이 평행한 배열인 경우에서 설명되었다; 유공섬유다발은 U형으로 형성되고, 양단부에서 삽입되며, 셸로 둘러 쌓여진다. 이 참고문헌은 유공섬유들이 반드시 균일한 길이를 가질 때 조차도 나선형으로 감긴 유닛을 사용하지 않는다. 또한, 이 특허인들은 처리될 유체를 보어들을 통하지 않고 유공섬유 외부표면에 도입시킨다.
E. A. McLain이 1969년 1월 14일에 제출한 미국특허 제3,422,008호의 일반적으로 액체분리를 위한 여과기 카트리지는 적어도 10˚ 및 바람직하게는 30˚의 피치를 사용하여 맨드릴 둘레에 유공섬유들은 나선형으로 감음으로써 제조된다. 모두가 반드시 균일한 길이를 갖는 유공섬유들의 셸을 제조하려는 시도는 없다. 이 특허는 일차적으로 액체분리응용에 관한 것이며, 유공섬유의 보어나 내부를 통해 공급물을 도입하는 데에 대한 설명 및 섬유외부 또는 셸측에 대한 셸측 공급의 설명이 없다. 이 특허인은 또한 유공섬유 외부에 대한 셸측공급을 갖는 것이다. 유공섬유의 내부 또는 보어로부터 투과물을 회수하는 것이 일반적으로 바람직하다고 설명한다(칼럼 13, 14 내지 19라인). 거기에는 역류 유동형상을 가진 가스분리방법에 대한 설명 및 그러한 방법에서 방사상 및 축방향 혼합의 제어에 대한 중요성 인식등이 없다.
R. J. Leonard가 1974년 2월 26일에 제출한 미국특허 제3,794,468호에 설명된 방법에서 사용되는 물질 전달장치는 나선형 구조이다. 그러나, 그 방법에서, 제1유체는 유공섬유의 보어 내부를 통과하고, 제2유체는 유공섬유의 외부표면둘레를 통과한다. 물질전달은 신장투석 또는 피의 산소공급등과 같은 방법으로 두 개의 유체 사이에 발생한다. 설명된 방법은 반드시 균일한 유공섬유 길이에 대해 제공되지도 않으며, 역류 유동조건을 가진 가스분리 응용의 어떤 인식과 투과분리 과정에서 방사상 및 축방향 혼합의 제어에 대한 중요성을 포함하지 않는다.
Coplan 등이 1986년 12월 23일에 제출한 미국특허 제4,631,128호는 유공섬유들이 반드시 균일한 길이를 갖는 여과기 셸을 제조하기 위한 방법들중 하나를 설명한다. 그러나, 이 참고문헌의 어디에도, 이 발명의 특별히 설명된 조건들하에서, 기대하지 않으며 예견하지 않은 결과들이 얻어질 수 있다는 것을 설명 또는 제안하지 않았다. Coplan등의 특허는 투과측 또는 공급측에 반드시 완전한 방사상의 혼합과 반드시 비축방향인 혼합을 유지하는 동안 보어측 공급의 중요성을 제안, 설명 또는 인식하지 않았다.
A. Golan이 제출한 미국특허 제4,734,106호와 영국특허 출원 제2,122,103 A호 및 제2,022,457 A호는 유공섬유 모듈을 가진 역류가스분리를 설명하는데, 거기에서 이용된 유공섬유들은 비대칭적이거나, 유공섬유의 외부에 있는 분리층들을 가지고, 평행한 연속유공섬유의 실린더형 다발들내에 배열된 유공섬유를 따라 접선방향으로 유동하는 공급투과물을 갖도록 공급가스가 유공섬유 보어들을 통해 도입되는 조성이다. 그것의 어디에도 이 공고의 모듈구성을 위한 나선형 와인딩의 사용가능성 및 막 표면에 관한 접선방향유동이 아닌 투과유동조건들 하에서 성취되는 역류유동 조건의 뛰어난 관점에 관한 언급이 없다.
참고문헌중의 어느 것도, 보어측이 포지티브 압력의 가스-포함혼합물을 유공섬유 보어들의 흡입단부내로 공급하고, 고속가스 투과흐름을 유공섬유들의 외부표면 또는 셸측으로부터 공급유동방향에 역류유동인 투과 유동방향으로 제거하며, 유공섬유 보어들의 반대쪽 출구의 추출흐름을 공급유동방향과 같은 방향의 유동인 추출유동방향으로 제거하는 반면, 동시에 투과측 투과흐름의 반드시 완전한 방사상의 혼합 및 투과측 또는 추출측 모두의 반드시 비축방향인 혼합을 유지하게 한 개선된 투과율로 빠른 가스흐름 또는 성분흐름을 분리하는 과정에서 모든 유공섬유들이 반드시 균일한 길이인 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지를 사용하는 중요성을 인식, 제안 또는 설명하지 않는다.
고도의 분리효율을 제공하는 유체가스 분리방법은 혼합성분들로부터 적어도 하나이상의 투과성 성분을 분리하기 위하여 설명된다. 일반적으로 본 발명은 이 분야에 공지된 일반적인 설계의 모듈들을 이용한 방법들과 비교할 때 높은 분리효율 또는 제공되는 순도에서 더 높은 생산성을 초래한다. 본 발명의 방법에서 유체가스 공급혼합물은 제1흡입단부, 즉 포지티브 압력에서 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지의 유공섬유 보어들로 공급된다; 유공섬유 투과성막 카트리지는 고속가스 투과흐름과 추출흐름인 공급혼합물에 대해 적절한 흡입수단과 배출수단을 가지며 압력, 온도 및 유동을 조절하는 수단을 가진 용기내에 배치된다. 모듈내 고속가스 투과흐름유동의 전체회수방향은 공급 및 추출흡입/방출구들에 의해 형성된 축방향에 역인 방향으로 유지되는 반면, 섬유보어내 유체가스 공급혼합물의 유동은 실제로 투과흐름 유동방향과 비슷한 각이 될 수 있다. 모듈내의 투과유동은 또한 막표면과 비슷한 각이나 접선방향은 아니다. 추출흐름은 보어들의 유체가스공급 제1흡입단부와 모듈내 추출흐름유동에 반대쪽인 유공섬유 보어들의 방출단부에서 회수된다. 놀랍게도 상기의 가스분리 과정동안 유공섬유 투과성막 카트리지의 투과측 투과흐름의 반드시 완전한 또한 상당한 방사상의 혼합 및 투과측 또는 추출측 모두의 반드시 비축방향인 혼합이 유지되는 것을 발견했다. 투과성막 카트리지를 구성하는데 사용된 모든 유공섬유들의 실제길이는 전구조를 통해 반드시 균일하다.
본 발명의 개선된 보어측 유체가스 분리방법에서, 나선형으로 감긴 여과기내에 기대하지 않은 역류유동조건이 유지되는 것을 알았다; 실제로 축방향 혼합은 없으며 높은 수준의 방사상 혼합이 있다. 그 결과는 거의 이상적인 유동역학 및 분리특성을 가진 분리카트리지를 이룬다. 또한 고속성분의 순도는 일반적인 방법으로 제조된 카트리지와 비교할 때 예기치 않게 개선되었다는 것을 발견했다. 개선된 성능은, 분리작업이 여과기 모듈내 특별한 구조의 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지의 사용으로 어떤 작동조건하에서 수행될 때 얻어진다. 본 발명의 방법에 사용되는 유공섬유들에 대한 주요조건은 가스흐름으로부터 적어도 한 개 이상의 투과성 성분을 분리시키는 능력이다. 섬유벽의 양쪽에 분리된 배리어를 가진 다공성, 조밀벽, 비대칭 또는 복합 유공섬유가 이용될 수 있다. 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지내의 유공섬유들은 상기 카트리지를 통해 반드시 균일한 길이로 되어 있다. 이러한 유공섬유 투과성막 카트리지는 모듈내에 삽입된다; 모듈은 공급혼합물에 대한, 즉 투과고속 가스성분에 대한 적절한 흡입수단 및 방출수단과, 압력, 온도 및 유동을 제어하는 수단을 갖추며, 시스템내에 합체된다. 유체가스 여과기 모듈의 구조 및 구성은 이 분야의 일반숙련자들에게 널리 공지되었으며, 여기서는 다른 공지된 형상의 이해를 위해 더 설명할 필요가 없다.
본 발명의 개선된 과정에서는 보어측 공급이 사용되며 유체가스 혼합물이 포지티브 압력에서 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지 보어들의 흡입단부로 긍급된다. 투과흐름 성분은 모듈내에 있는 카트리지의 셸측으로부터 제거되며, 투과유동방향은 보어에 유입되는 유체공급혼합물에 역방향이고 보어를 나가는 추출유동에 역방향이다. 생성물 순도 또는 생성물 회수는 보통 특별한 방법의 스테이지컷을 삽입함으로써 조절될 수 있다. 모듈은 하우징으로 둘러 쌓이며 각 튜브시트에 대하여 유체밀폐 O-링 시일을 갖춘다. 공급가스는 튜브시이트내의 유공섬유 보어개구에서 유공섬유의 보어측으로 유입된다. 공급측 가스는 투과가스(더 고속으로 투과하는 가스로 농후한)가 섬유벽을 통과함에 따라 유공섬유길이를 통해 유동한다. 잔여가스(고속투과가스가 제거된)는 공급가스입구 반대쪽에서 단부에서 방출된다.
공급흡입 튜브시이트옆의 배리어내에 개구를 가진 카트리지를 둘러싼 비투과성 배리어(폴리비닐리덴 클로리드등과 같은 비투과막)는 투과가스를 공급측가스의 벌크유동방향에 역으로 유동하도록 한다. 유동패턴은 잔여물이 회수되는 곳에서 공급가스를 유입시키고 공급가스를 유입시키는 곳에서 잔여물을 회수함으로써 단순히 유동을 역전시킴에 의해 변화될 수 있다. 투과배출구는 환상공간이 기체를 섬유 카트리지외부로 유동하도록 하므로 공급-투과 유동패턴에 영향을 주지 않고 하우징(투과측)의 길이를 따른 어느 곳에라도 배치될 수 있다. 이 환상공간은, 예컨대 섬유 카트리지가 하우징벽에 대하여 가압될 때 항상 필요한 것은 아니다. 이 경우, 투과배출구는 역방향 또는 정방향 유동을 제공하도록 튜브시이트 하나에 인접하여 배치되어야 한다.
분리과정은 대기압력 이상에서 공급가스를 도입하고 감소압력에서 투과물을 추출하도록 수행될 수 있으며, 대안적으로 투과물은 진공조건하에서 추출될 수도 있다. 가스분리 과정동안 유공섬유 투과성막 카트리지의 투과측에 고속가스 투과흐름의 반드시 완전한 방사상의 혼합과 유공섬유 투과성막 카트리지의 투과측 또는 추출측 모두에 반드시 비축방향인 혼합이 발생한다. 몇몇 특별한 경우, 완전한 방사상 혼합은 특히 고투과율을 가진 유공섬유막들이 이용된다면 달성되지 않을 수도 있다. 그러나, 본 발명의 방법은 여전히 일반설계보다 뛰어난 가스분리성능을 제공한다. 일반적으로 본 발명의 방법은 향상된 고속가스 투과율을 초래하며, 투과흐름내 고속가스의 순도는 이 분야의 공지된 다른 모듈들을 이용한 가스분리 방법들과 비교할 때 개선되었다는 것을 알 수 있었다. 이것은 공기로부터 질소추출의 경우에 특히 사실이다. 또한 본 발명의 방법은 증진된 균일가스유동을 초래하므로, 공지된 과정으로 구성된 모듈에서 흔히 겪었던 상태인 분리효율의 감소로 이끄는 막의 채널링 또는 바이패싱을 피한다.
막 모듈에서의 유동역학이 최종 모듈성능에 있어서 매우 중요함은 이 분야에서 널리 인식되었다. 또한 역류유동은, 한정된 수의 가스분리 응용에 대해 최적인 정방향 흐름과 함께, 대부분의 가스분리에 대한 최적 유동배치를 나타낸다는 것이 인식되었다. 역류유동배치에서, 공급은 도입되어 막모듈 단부에서 수집된 추출물과 함께 막표면을 따라 유동하며, 반면에 적어도 하나이상의 투과성 가스성분으로 농후한 투과물은 공급/추출유동방향에 역류하여 유동한다. 유공섬유 모듈 여과기내에 역류유동배치를 완성하면, 유공섬유는 전형적으로 역류유동배치내의 유공섬유 보어들로부터 수집된 투과물과 함께 유공섬유 외부의 접선방향을 따라서 유동된 공급가스와 평행하게 배치된다.
대안적으로, 공급가스는 막표면에 접선방향인 투과유동에 대한 역류유동배치로 셸측에 수집된 투과물을 가진 유공섬유 보어들내로 도입된다. 일반적으로 역류유동배치는 이상적인 유동형상을 나타내며, 예컨대 유동채널링등과 같이 카트리지를 통한 유동의 비균일성으로 인한 유도패턴의 비분포는 모듈성능을 극적으로 감소시킬 것이다. 일반적으로 공급/추출/투과방향에 평행한 섬유들의 배열은 역류유동조건을 완성하는데 필수적인 것으로 이 분야에서 고려되었다.
유공섬유 모듈들은 나선형으로 감긴 유공섬유막들로 구성될 수 있으며, 투과유동방향에 때때로 거의 수직이며 접선이 아니라 작은 각으로 배열된 모듈내의 섬유로 완전히 달성된 역류유동 조건들을 가진 유공섬유 보어들내로 도입된 가스공급으로 작동될 수 있다.
본 특허출원중의 아래항들 또는 그 변형들은 본 발명의 설명중 아래에 지시된 의미를 갖는다. "반드시 균일한 모든 길이"는 여과기 셸의 유공섬유들의 실제길이가 약 20%, 바람직하게는 약10% 이하만큼씩 서로 변할 것이다. "유공섬유 투과성막 카트리지"는 유공섬유 투과성막의 나선형으로 감긴 유닛을 의미하는데, 유닛내의 모든 유공섬유들은 반드시 균일한 길이를 갖는다; 그러한 유닛은 공지된 방법, 즉 미국특허 제4,631,128호에 예시된 나선형으로 감는 방법에 의해 구성될 수 있다. "여과기 모듈"은 유공섬유 투과성막 카트리지 및 하우징 또는 용기를 포함하는 유닛을 의미하는데, 그 유닛은 모든 필요한 장치수단들, 밸브들, 및 유체가스 혼합물의 공급 및 투과와 추출의 회수를 위한 개구들로 장치된다. 모듈의 역학구조는 이 분야의 일반숙련자들에게 공지되었으며, 공지된 특허, 즉 미국특허 제4,207,192호에서 완전히 설명된다.
"와인드각"은 아래로 정의된다: 수평위치의 다발에 있어서, 와인드각(X)은 섬유가 수직축에 관해 다발에 가로질러 놓인 각으로 정의된다. 예컨대 90˚의 와인드각으로 감긴 섬유들은 다발의 단부에서 단부까지 평행하며 직선이다. 같은 와인드각으로 모듈내에 감긴 섬유들은 같은 섬유길이를 가질 것이다. "방사상 혼합"은 다음으로 정의된다: 유공섬유 모듈내의 추출/공급가스는 투과가스의 벌크유동방향에 수직인 단면적에서의 가스조성이 균일하고 대칭적이라면 완전히 방사상으로 혼합되는 것으로 고려된다. 투과의 방사상 혼합이 섬유벽에 반드시 수직이 아니라는 것을 인식해야 한다. 모듈내의 섬유가 45˚의 와인드각으로 감긴다면, 섬유의 셸측 가스(보어측 공급인 경우의 투과가스)는 섬유에 관해 45˚의 각에서 방사상으로 혼합된다. 동시에 축방향의 혼합은 발생하지 않는다. 투과측 방사상 혼합이 없다면, 직교유동타입의 투과는 공급 및 벌크투과유동 패턴에 무관하게 발생할 것이다. 대부분의 응용에서 역류(및 몇몇 경우에는 순류)투과는 직교유동 투과보다 더 효율적이다. 그래서, 방사상으로 혼합된 투과가스는 거의 항상 필요하다.
"축방향 혼합"은 유동방향을 따른 혼합을 의미한다. 이것은 공급가스입구 및 추출방출구를 따르는 축에 평행한 투과유동 및 공급가스에 대한 섬유방향에 반드시 평행하다. "채널링"은 유체에 의해 막표면의 특정 부분을 바이패스하는 것, 즉 유체가 높거나 낮은 선형속도의 경우에 상승을 제공하고 분리효율을 줄임으로써 감소된 모듈성능을 야기시키는 비균일 유동으로서 여과기 모듈을 통해 유동하는 것을 의미한다. "스테이지 컷"은 투과성막을 통해 투과되는 유체공급혼합물에 원래 존재하던 투과가스의 퍼센트 양을 의미한다.
"투과흐름성분"내에서, 또는 가스 또는 가스혼합물에 관한 다른 말과 조합되어 사용된 "성분"은, 공급혼합물내에 원래 존재하던 각 가스나 합성물, 또는 공급혼합물내에 원래 존재하는 가스들이나 합성물들중 하나 이상이 추출흐름내의 농도가 감소된 가스들이나 합성물들의 혼합물을 의미한다. 공지된 바와 같이, 대부분의 투과분리방법에 있어서, 우리는 완전분리가 아닌 농축만을 얻는다. 본 발명은 성분추출율 및 성분순도의 농축에 있어서 상당하며 기대하지 않았던 증진을 제공한다.
비록 유공섬유 외부표면에 공급가스를 초기에 접촉시키는 유공섬유 여과기 모듈의 셸측에 또는 유공섬유 보어들의 내부표면에 공급가스를 초기에 접촉시키는 유공섬유의 보어측에 가스혼합물을 공급함에 의한 가스 또는 합성물의 분리가 모두 공지되었다 할지라도, 여전히 많은 노력들이 이 기술들을 개선하는데 기울여진다. 본 발명의 방법은 전체 분리특성에 기대하지 않았으며 예견하지 못한 증가를 초래하는 것이다.
유체가스공급의 압력은 약 50psig 이하로부터 약 400psig 이상까지, 바람직하게는 약 100psig로부터 약 200psig까지 될 수 있다. 공지된 바와 같이, 특정예에 대한 가장 바람직한 압력조건은, 속도의 성분, 이용된 유공섬유들, 유공섬유의 투과성 재료특성, 카트리지 및 여과기 모듈의 크기, 온도등을 포함하는 많은 변수들에 의존할 것이며, 그것은 공지된 공학적 계산과정에 의해 쉽게 설정된다. 그러나, 본 발명에 이용된 압력차는 유공섬유막의 파열압력 또는 결합형성을 통해 막의 분리특성을 감소시킬 수 있는 압력을 초과하지 않아야 한다.
본 발명의 중요한 특성은 평행한 셸보다는 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지를 사용하는 것이다. 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지의 사용은 고속가스 투과율을 증진시키고, 분포를 균일하게 하고, 채널링을 줄이고, 더 양호한 유동역학을 제공하며, 주어진 스테이지 컷에서 더 높은 순도를 갖는 더 양호한 분리 또는 주어진 순도에서 더 높은 회수를 초래한다. 이러한 분리방법에서는 유공섬유 투과성막 카트리지의 투과측에 투과흐름의 반드시 완전한 방사상혼합 및 유공섬유 투과성막 카트리지의 투과측 또는 추출측에 반드시 비축방향혼합이 있다. 경제적 이유로, 상업적 가스분리방법에서 우리는 양호한 선택성뿐만 아니라 높은 투과율 및 생성물 순도를 필요로 한다. 투과율은 생성율의 지침이다. 만약 우리가 양호한 선택성 및 낮은율을 가진다면, 방법의 경제적 실행가능성은 상당히 의심스러우며, 우리가 나쁜 선택성 및 높은율을 가진다 하더라도 마찬가지이다. 본 발명의 방법은 예견할 수 없던 방법으로 양호한 선택성, 증진된 고속가스 투과율, 및 증진된 생성물 순도를 제공한다.
본 발명 방법의 전형적인 실시예에서, 질소는 100psig의 공기를, 에틸 셀룰로즈로 다공성 폴리술폰 유공섬유를 피복하고 카트리지내로 감아서 용기내에 삽입됨으로써 준비된 복합막의 보어내로 공급함으로써, 양호한 생성도 및 증진된 순도로 회수된다. 여과기 모듈은 공기공급이 투과모듈내로 도입되는 모듈구조의 같은 단부에 배치된 방출수단으로부터 투과흐름의 회수를 허용하도록 구성되어, 상기 카트리지 외부투과측의 산소농후 투과유동과 피복된 다공성 폴리술폰 유공섬유 투과카트리지의 보어내로 공급된 공기사이에 역류유동을 유지하며, 공기공급이 모듈내로 도입되는 단부의 반대쪽인 모듈 구조 단부로부터 추출흐름을 회수할 수 있다.
본 발명의 방법에 사용한 나선형으로 감긴 다공성 유공섬유 투과성막 카트리지들은, 여과기 셸내의 모든 유공섬유가 반드시 균일한 길이로 되도록 제조중 취해진 필요한 단계들을 가짐으로써, 이 분야의 숙련자들이 사용하는 공지된 일반적인 과정들에 의해 준비된다. 유공섬유의 길이는 약 15% 이하 내지 20%, 바람직하게는 약 5%이하 내지 10%까지 서로 변할 수 있다. 놀랍게도, 와인딩각의 넓은 범위는 모듈내 유동역학에 나쁜 영향을 주지 않고 이용될 수 있다. 그러나, 매우 낮은 각도 높은 유공섬유 길이를 초래하며, 이것은 모듈내의 지나친 압력강하를 유도한다. 압력강하는 공지된 공학식에 의해 쉽게 계산되며, 유공섬유들은 요구되는 압력강하의 수준을 초과하지 않는 각으로 감긴다. 이러한 유공섬유 투과성막 카트리지의 제공은 본 발명의 요점이 아니며, 그것의 제조방법은 미국특허 제4,207,192호에 상세히 설명된 특히 적절한 방법을 이용할 수 있다; 그 다음에 나선형으로 감긴 다공성 유공섬유 투과성막 카트리지는 여과기 모듈을 형성하도록 용기내에 삽입된다. 여과기 모듈은, 유체가스 공급이 포지티브 압력에서 상기 모듈 제1단부내로, 즉 유공섬유의 흡입단부에 있는 보어들내로 공급되고, 고속 기체성분이 투과성 다공 유공섬유들의 벽들을 통해 투과되며 유공섬유들의 외부 표면사이 공간내로 유입되는 그러한 방법으로 구성된다. 유공섬유들은 복합성, 다공성, 비대칭 또는 조밀(비다공성)할 수 있으며, 얇은 분리표피는 유공섬유내벽 또는 외벽에 있을 수 있다. 투과흐름은 상기 모듈의 제1단부근처에 위치한 투과 회수수단에 의해 회수되며, 비투과 가스 또는 추출흐름은 상기 제1단부 반대쪽에 위치한 모듈 제2단부를 통해 방출되도록 상기 카트리지의 유공섬유 보어들을 통해 계속 유동한다. 가스투과 분리과정동안, 투과흐름 유동은 유공섬유에 유입되는 공급흐름유동과 유공섬유에서 방출되는 추출흐름에 역방향인 유동이며, 여과기 셸의 투과측에 투과흐름의 반드시 완전한 방사상 혼합과 투과셸의 투과측 또는 추출측에 반드시 비축방향인 혼합이 발생된다. 제한된 수의 경우에, 순류유동이 더 필요한 작동모드일 수 있다. 그런 경우, 투과방출구는 순류유동조건을 허용하도록 구성된다; 그러나, 일반적으로 역류유동이 더 바람직하다.
투과성 유공섬유의 제조와 그 제조에 사용된 재료는 널리 공지되었다. 그러한 유공섬유들은 참고로 여기에 포함된 문헌들에 의해 쉽게 제조될 수 있다[I. Cabasso, "유공섬유막들", Kirk-Othmer:Enc. of Chem. Tech., 12, 제3권 492-517(1980) 및 I. Cabasso, "막들", Enc. of Pol. Sc & Eng., 9, 제2권, 509-579(1987)].
유공섬유벽은 유익하게도 충분히 두꺼워서, 어떠한 특별장치도 그것의 조정에 필요하지 않으며, 그것은 카트리지내로 편리하게 감겨질 수 있다. 유공섬유의 외부직경은 약 1mil 이하 내지 약 100mils 이상, 바람직하게는 약 2mil 내지 약 80mils 까지 변할 수 있다. 유공섬유의 벽두께는 약 0.1mil 내지 12mils 이상까지, 바람직하게는 적어도 약 0.2mil 내지 20mils까지 변할 수 있다.
필요한 플럭스를 제공하기 위하여 비대칭, 복합성 및 다공성 유공섬유의 벽들은 사실상 빈 체적을 포함하도록 되며, 특히 그 유공섬유들은 적어도 약 2mils 두께의 벽을 갖는다. 공간들은 유공섬유물질이 없는 유공섬유들내의 지역이다. 그래서, 공간들이 존재할 때, 유공섬유밀도는 유공섬유 벌크재료 밀도보다 낮다. 유공섬유의 빈체적은 표면체적, 즉 보어체적을 제외한 유공섬유층 체적내에 포함된 체적을 기초하여, 90%만큼, 또는 10 내지 80%까지, 및 때로는 약 20 내지 70%까지 될 수 있다.
많은 경우에, 다공성 유공섬유는 피복재료를 피복되며, 다공성 유공섬유표면에 적용된 얇은 막-형성물질을 가진 복합막 형태이다. 이것은 미국특허 제4,467,001호에 예시된 바와 같이 공지된 어떤 방법으로 생성될 수 있는데, 상기 특허에서 막-형성 물질의 용액은 약 7,000옹스트롬까지, 바람직하게는 약 500 내지 2,000옹스트롬까지 다공성 유공섬유의 외부표면에 접착되도록 마무리 건조피복을 용착시키는데 이용된다. 몇몇 경우에, 다공성 유공섬유 표면에 막-형성재료를 접착시키는 것은 결합시약 및/또는 화학적 처리에 의해 조장된다.
튜브시이트들의 솔리드 포팅물질에 심어진 유공섬유다발의 단부들을 포함한다. 튜브시이트의 형성은 어떤 적절한 방법으로 실행되며, 그러한 방법은 참고로 여기에 포함된 미국특허 제3,339,341호, 제3,442,389호, 제3,455,460호, 제3,690,465호 및 제4,207,192호 등으로 널리 공지되었다. 일반적으로 포팅물질은 튜브시이트를 형성할 때 액체형태이며, 압력저항, 누설구조로 경화된다.
포팅물질은 무기 또는 유기 또는 그것들의 혼합물이 될 수 있다. 냉각 또는 건조로 경화되는 유기수지가 일반적으로 이용되며, 그것은 투과성 유공섬유의 외벽에 강한 접착결합을 형성하며 거의 수축이 없다. 이 물질은 참고로 여기에 포함된 미국특허 제4,369,605등에 자세히 설명되어 있다. 튜브시이트는 공급흐름의 무제한 유입 및 추출흐름의 방출을 허용하도록 카트리지내 유공섬유단부들을 노출 및 완전 개방하기 위하여 일반적인 기술에 의해 고정된다.
설명의 편이를 위해 폴리술폰 다공성 유공섬유들이 일반적으로 본 발명을 더 설명하는데 사용된다. 그러나, 본 발명은 그 섬유에만 제한되지는 않는다.
실시예에 사용된 다공성 폴리술폰 유공섬유들은 하기 문헌에 설명된 방법을 따라서 이 분야에 널리 공지된 솔벤트/비솔벤트 혼합물내에서 폴리술폰의 삼중용액으로부터 직조되었다[Cabasso등, "복합유공섬유막", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 23, 페이지 1509-1523]. 널리 공지된 튜브-인-튜브 제트기술은 섬유에 대한 외부 냉각 매개물인 약 21℃의 물과 함께, 직조과정에 사용되었다. 섬유의 중앙보어내의 냉각매개물은 공기이었다. 냉각은 섬유를 물로 씻음으로서 이어졌다. 세척에 이어서, 유공섬유는 뜨거운 공기건조칼럼을 통한 통로에 의해 30℃에서 건조되었다. 건조된 유공섬유는 에틸 셀룰로즈 중합체 용액으로 즉시 피복되었다. 에틸 셀룰로즈 중합체용액은, 이소프로판올내에 약 1%의 에틸 셀룰로즈를 용해하고, 폴리술폰 적용에 앞서 1.5밀리미크론의 유리필터를 통해 여과시킴으로써 준비되었다. 건조된 유공섬유는 피복용기에 포함된 여과된 피복용액을 통과하며, 피복된 섬유는 와인더에 장착하기전에 공기 오븐에서 건조되었다. 결과적인 폴리술폰 유공섬유 복합막은 약 0.2미크론의 두께로 피복된 에틸 셀룰로즈 막물질을 갖는다. 그로써 준비된 복합막은 산소와 질소사이에 3.85의 분리계수 및 약 0.65ft3/ft3·psi·day의 투과성을 갖는다. 이러한 유공섬유들은 여과기 카트리지를 형성하는데 사용되었다.
튜브시이트의 전체길이가 약 9인치이고 직경이 약 2인치인 나선형 와인드 형상의 유공섬유 투과성막 카트리지는 미국특허 제4,207,192호에 설명된 방법에 의해 제공된다. 상기의 카트리지에서, 각 카트리지의 와인드각은 변화되었으며, 17˚, 25˚ 및 33˚이었다. 특정하게 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지내의 모든 유공섬유들은 반드시 균일한 길이이었다. 상기 카트리지의 양단부는 이 분야의 숙련자들에게 공지된 일반적인 방법에 의해 에폭시 수지내에 심어졌다.
비교의 목적을 위해 길이가 약 12인치이고 직경이 약 1인치인 나란한 직선 형상의 여과기 카트리지가 일반적인 방법으로 에폭시수지 튜브시이트내에 심어진 양단부를 가진채 준비되었다. 튜브시이트의 절단후 실제길이는 약 9인치였으며, 나선형으로 감긴 카트리지의 길이와 동일했다.
여과기 모듈들도 나선형으로 감긴것과 나란한 섬유여과기 카트리지들을 준비하였다. 이것들은 여과기 카트리지내로 가스혼합물의 보어측 공급을 위하여 모듈 셸의 한쪽단부 및 유공섬유의 보어내로 가스혼합물을 도입하도록 구성되었다. 추출흐름은 보어의 반대쪽 단부로부터 방출되었으며 여과기 모듈의 다른 단부로부터 제거되었다. 유공섬유의 벽을 통해 투과되었던 투과흐름 성분은 여과기 모듈 셸의 측벽에 배치된 장치에의해 회수되었다. 여과기 모듈 구조에서 적당한 시일들이 투과흐름으로부터 공급흐름과 추출흐름을 분리하는데 제공된다.
각 모듈은 23℃인 9%와 90% 사이의 많은 스테이지 컷에서 공기분리에 대해 시험하였다. 보어측 공급압력은 115psia이었고, 투과성분 배출압력은 16psia(대기압)으로 유지되었다.
다음의 실시예들은 본 발명을 더 잘 설명하기 위해 제공된다.
[실시예1]
실행 A
이 실시예에서 에틸 셀룰로즈 피복된 폴리술폰 유공섬유로 구성된 25평방피트의 막 면적을 가진 나선형으로 감긴(33˚의 와인드각)카트리지는 상기에 설명된 방법에 의해 115psia에서 공기로부터 증진된 순도의 질소성분흐름을 회수하는데 사용되었다. 카트리지내의 모든 유공섬유는 반드시 균일한 길이였으며 길이가 약 8% 이상씩 변화되지는 않았다. 여과기 카트리지는 공기의 보어측 공급, 산소투과성분의 셸측 회수, 즉 카트리지 유닛의 다른 단부로부터 증진된 순도의 질소성분 추출흐름의 회수를 위한 여과기 모듈을 구성하는데 이용되었다. 모듈 하우징의 셸은 공급유동에 대한 역류유동 또는 공급유동에 대한 순류유동에 의해 투과성분을 회수하는 수단을 갖추었다.
이 실행에서, 산소투과성분은 공기공급유동에 대한 역류유동으로 셸측에서 회수되었으며, 질소 추출성분은 보어측 공급입구의 반대쪽 단부에 있는 보어들로부터 회수되었다. 본 발명에 따른 작동을 시행하였을 때, 추출흐름은 증진된 질소순도를 보여주었으며, 투과흐름은 증진된 산소순도를 보여주었다. 테이블Ⅰ의 데이터는 여러 가지 스테이지 컷들과 특별한 질소순도가 이 카트리지로 달성될 수 있는 가장 낮은 퍼센트의 스테이지 컷에서 추출 또는 잔여물 흐름내의 질소순도를 요약한다. 또한 데이터는 특정순도 및 스테이지 컷에서 공급흐름으로부터 회수된 퍼센트 질소를 보여준다. 본 발명에 따라 역류유동모드로 작동되었을 때, 95%이상의 순도인 질소가 잔여성분 흐름에서 즉시 얻어졌다. 그러나, 유닛이 순류유동모드로 작동되었을 때, 잔여성분 흐름내에서 얻어질 수 있는 최대 질소순도는 약 95%를 초과하지 않았다. 표 1의 데이터는 역류/순류 유동조건들하에서 작동되었을 때 유공섬유 모듈구성에 대해 선택된 이론적 성능과 일치한다. 그래서 데이터는, 역류유동 모드에서 보어측 공급을 가진 모듈이 유공섬유 투과성막 카트리지의 투과흐름에 반드시 완전한 방사상의 혼합 및 투과측 또는 추출측 모두에 반드시 비축방향인 혼합을 가져서, 낮은 스테이지 컷에서 증진된 순도의 질소를 생산하며, 순류유동으로 얻어질 수 있는 것보다 더 높은 순도의 질소가 얻어질 수 있다는 것을 보여준다.
[표 1]
Figure kpo00001
(a) 순류유동모드에서 잔여물의 질소순도는 임의의 스테이지컷에서 95%를 초과하지 않았다.
실행 B
비교의 목적을 위해, 질소분리는 또한 나란한 직선 유공섬유들 형상을 가진 카트리지를 사용한 유사한 조건하에서 검토되었다. 카트리지내의 섬유들은 균일하게 분포되어 있으며 카트리지내의 유공섬유들의 충전밀도는 50% 약간 위로서, 본 발명의 나선형으로 감긴 카트리지내 섬유 충전밀도와 같다. 같은 순도로 회수되는 질소의 양은 상당히 낮은 것으로 고려되었다. 이러한 낮은 회수는 반드시 방사상 혼합의 낮은 수준에 공헌하는 것이 아니라 나란한 섬유배열 모듈에서의 채널링의 더 큰 가능성이 공헌한다. 이러한 낮은 질소의 회수는, 주어진 시간동안 주어진 순도에서 같은 양의 질소를 회수하기 위하여 더 높은 압력 및/또는 더 큰 공급체적 및/또는 추가되는 카트리지 면적을 필요로 하기 때문에, 경제적으로 손해일 것이다. 이 데이터는 표 2에 요약되어 있다. 데이터는, 실행 A에 이용된 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지로 얻어지는 같은 질소순도를얻기 위하여, 더 높은 스테이지컷으로 가는 것이 필요하였으며, 같은 순도에서는 더 낮은 질소회수가 얻어졌다는 것을 보여준다.
[표 2]
Figure kpo00002
[실시예 2]
공기로부터 질소를 회수하는 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지내의 와인드각 영향이 연구되었다. 이러한 목적을 위하여, 와인드각이 17˚(실행 A), 25˚(실행 B) 및 33˚(실행 C)인 세 개의 카트리지가 이용되었다. 이것들은 지금까지 설명되었다. 상기에 설명한 조건하에서 분리가 수행되었으며, 각 카트리지는 약 35평방피트의 막 면적을 가졌다. 표 3의 데이터는, 연구된 와인드각의 넓은 범위에 걸쳐, 와인드각이 반드시 공기분리효율 또는 회수된 질소순도에 영향을 끼치지 않는다는 것을 보여준다. 또한 와인드각은 모듈 성능에 거의 영향을 끼치지 않는다는 것을 알았다.
[표 3]
Figure kpo00003

Claims (12)

  1. 기체들의 혼합물로부터 가스분리작동으로 적어도 하나의 고속가스성분을 분리하기 위한 가스분리방법에 있어서, 상기 방법은 상기 고속가스성분과 적어도 하나의 다른 가스성분을 여과기 모듈내에 있는 반드시 모두 균일한 길이의 나선형으로 감긴 유공섬유의 투과성막 카트리지 보어들의 흡입단부내로 공급하는 보어측 공급을 포함하고, 공급유동방향에 역인 투과유동 방향으로 상기 모듈로부터 고속가스성분 투과흐름을 회수하고, 공급유동방향과 같은 추출흐름을 유동방향으로 상기 보어들의 공급입구 반대쪽에 있는 상기의 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지 보어들의 방출단부에서 상기 여과기 모듈로부터 추출흐름을 회수하여 (ⅰ) 유공섬유 투과성막 카트리지의 상기 투과측에 투과흐름의 중요한 방사상 혼합 및 (ⅱ)상기 유공섬유 투과성막 카트리지의 (a) 투과측 또는 (b) 추출측 모두에 반드시 비축방향인 혼합을 유지함을 특징으로 하는 가스분리방법.
  2. 제1항에 있어서, 유공섬유 투과성막 카트리지를 포함하는 유공섬유들의 길이는 약 10%이하 만큼씩 서로 변함을 특징으로 하는 가스분리방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유공섬유 투과성막 카트리지를 포함하는 유공섬유들의 길이는 약 5% 내지10%이하 만큼씩 서로 변함을 특징으로 하는 가스분리방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유공섬유 투과성막은 복합막임을 특징으로 하는 가스분리 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유공섬유는 폴리술폰임을 특징으로 하는 가스분리방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 복합막은 에틸 셀룰로즈로 피복된 폴리술폰 유공섬유임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 유체공급 혼합물은 공기임을 특징으로 하는 가스분리방법.
  8. 제1항에 있어서, 공급가스압력은 약 50psig 내지 400psig 임을 특징으로 하는 가스분리방법.
  9. 제1항에 있어서, 공급가스는 반드시 대기압이며, 추출은 감소된 대기압하에서 수집됨을 특징으로 하는 가스분리방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 투과유동방향은 공급유동방향과 같음을 특징으로 하는 가스분리방법.
  11. 기체들의 혼합물로부터 가스분리 작동으로 적어도 하나의 고속가스 성분을 분리하기 위한 가스분리방법에 있어서, 상기 방법은 상기 고속가스 성분과 적어도 하나의 다른 가스성분을 여과기 모듈내에 있는 반드시 모두 균일한 길이의 나선형으로 감긴 유공섬유의 투과성막 카트리지 보어들의 흡입단부내로 공급하는 보어측 공급을 포함하고, 공급유동방향에 역인 투과유동 방향으로 상기 모듈로부터 고속가스성분 투과흐름을 회수하며, 공급유동방향과 같은 추출흐름 유동방향으로 상기 보어들의 공급입구 반대쪽에 있는 상기의 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지 보어들의 방출단부에서 상기 여과기 모듈로부터 추출흐름을 회수함을 특징으로 하는 가스분리방법.
  12. 기체들의 혼합물로부터 가스분리작동으로 적어도 하나의 고속가스 성분을 분리하기 위한 가스분리방법에 있어서, 상기 방법은 상기 고속가스 성분과 적어도 하나의 다른 가스성분을 여과기 모듈내에 있는 반드시 모두 균일한 길이의 나선형으로 감긴 유공섬유의 투과성막 카트리지 보어들의 흡입단부내로 공급하는보어측 공급을 포함하고, 공급유동방향에 역인 투과유동 방향으로 상기 모듈로부터 고속가스성분 투과흐름을 회수하고, 공급유동방향과 같은 추출흐름 유동방향으로 상기 보어들의 공급입구 반대쪽에 있는 상기의 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지 보어들의 방출단부에서 상기 여과기 모듈로부터 추출흐름을 회수하며, 상기 유공섬유 투과성막 카트리지의 (a) 투과측 또는 (b) 추출측 모두에 반드시 비축방향 혼합을 유지함을 특징으로 하는 가스분리방법.
KR1019890013117A 1988-09-12 1989-09-11 나선형으로 감긴 유공섬유 투과성막 카트리지를 사용한 가스분리방법 KR940004619B1 (ko)

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