JPH02111423A - 中空繊維多重膜セル - Google Patents

中空繊維多重膜セル

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JPH02111423A
JPH02111423A JP1233073A JP23307389A JPH02111423A JP H02111423 A JPH02111423 A JP H02111423A JP 1233073 A JP1233073 A JP 1233073A JP 23307389 A JP23307389 A JP 23307389A JP H02111423 A JPH02111423 A JP H02111423A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一体化した多重膜(mu I t imemb
rane)透過セル中に少なくとも2つの異なる透過性
膜を収容する中空繊維一体化多重膜パーミエーターモジ
ュールに関する。一体化多重膜透過セル中の各々の透過
性膜は流体原料混合物から異なる成分を同時に分離して
各々が流体原料混合物の内の同じでも或は異なってもよ
い特定の成分に富んだ個々の透過質(permeate
)流を回収し及び透過質流を含む成分の濃度が減少した
未透過ラフィネート流を生成することができる。本発明
は、特に、中空繊維一体化多重膜セルの製造方法、一体
化多重膜パーミエーターモジュール及びそれらの用法に
関する。
従迷」目叉止 過去数十年の内に、流体分離に膜を用いることがかなり
の度合に発展してきた。この技術では、液体か或はガス
の少なくとも2種の物質の原料混合物から1種或はそれ
以上の成分を選択分離することができる透過性膜を使用
して膜を収容するパーミエータ−或はモジュールを作製
してきた。初期には、パーミエータ−は比較的簡単な構
造であり、単一の選択膜を用いて原料から2fffIの
流れ、すなわち透過流及びラフィネート流を回収した。
はとんどの場合、選んだ透過性膜は所望の成分の透過質
に冨んだ流れと透過した成分の含量の減少したラフィネ
ートとをもたらすものであった。
が、その反対が当てはまる系を有することもでき、よう
。これらの系は原料中の成分を他の成分と分離すること
ができる単一の透過性膜を有する。単一膜パーミエータ
−は単に2つの異なる流体を回収することを可能にした
。このようなパーミエータ−を例示する文献をほんのい
くつか挙げると下記の通りである:1964年5月12
日にS ロウブ(Loeb)等に発行された米国特許3
、133.132号、1969年5月6日にJE、ギア
リー(Geary) 、 J r 、等に発行された米
国特許3,442,002号、1974年2月26日に
R,J、レオナード(Leonard)に発行された米
国特許3,794,468号、1980年6月1o日に
M、J、コブラン(Coplan)等に発行された米国
特許4.207.192号、1984年2月7日にH,
クズモト等に発行された米国特許 4.430.219号。
1970年代に、2種より多くの成分或は生成物流を回
収するプロセスにおいて用いるためのパーミエータ−系
において2つの通常異なる透過i生膜を使用する新しい
概念が提示された。この概念はいくつかの変法に至った
。1つの概念では、1979年2月20日にオザキ等に
発行された米国特許4.140.499号に例示されて
いる通りに、パーミエータ−を各々のパーミエータ−内
の異なる透過性膜にシリーズで接触させ、また、シリー
ズにおける後のパーミエータ−から前のパーミエータ−
に流れの内の少なくとも1つから成分の一部の循環もも
たらした。別の変更態様では1978年10月10日に
ヘキ等に発行された米国特許4,119,417号に例
示されている通りに、パーミエータ−及び循環を一層多
く使用したカスケード系が記載された。記載されている
オザキ等及びヘキ等の両方の系では、各々のパーミエー
タ−セルは個々のパーミエータ−セル或はカートリッジ
にたった1つの透過性膜を収容するだけであった。
これらの変更はなおそれ以上の変更に至り、各々のパー
ミエータ−セルが2つの異なるタイプの透過性膜を収容
し、透過性特性の異なる各々の膜は初めに原料混合物中
に存在する異なる流体成分によって選択的に透過するこ
とができ、各々の透過性膜は別のユニットとして別々に
建造された。
これらのパーミエータ−セル或は系は、今、多重膜パー
ミエータ−として知られており、2つの異なる透過性膜
であって、各々が原料混合物から異なる成分を分離する
ことができるもので構成されたパーミエータ−セルであ
り、2つの膜が単一パーミエータ−セル内に存在する。
多重膜パーミエータ−では、原料を同時に異なる膜に接
触させて2つの別の透過質流、すなわち第1成分に冨ん
だ第1流及び第2成分に富んだ第2流を回収する。
具体例として、パーミエータ−モジュールに単一多重膜
パーミエータ−を用いて多成分原料混合物から成分を分
離する或は富ませることができる。
使用する透過性膜が所望の分離を達成するのに要する選
択特性を有することは認めなければならない。代表的な
操作では、特定のガスの富化があり、完全な分離はない
多重膜パーミエータ−モジュールに関する主要な問題の
内の1つは満足すべき一体化多重膜透過セルを商業的に
製造することであり、かかるセルは今日迄生産するのが
困難であった。手順はいくつか公表されたが、商業上実
施し得るものはなかった。
オーツ等による、J、Nucl、Sci、& Tech
、、14.589頁(1977年)における報文には、
報文の第7図に示す通りに、分離セルが2種類の異なる
透過性膜を収容する2膜パーミエータ−が開示されてい
る。しかし、各々の透過性膜セルユニットは別々に作ら
れていて単一の透過性膜のみを収容するだけである。す
なわち、一方の膜ユニットは多孔質膜を有し、別の膜ユ
ニットは非多孔質膜を有し、2つの膜はガス透過度が異
なる。次いで、2つの異なる透過性膜ユニットを用いて
記載の2膜パーミエータ−を作り、2膜パーミエータ−
を複数カスケード系において用いてガス混合物を分離す
る。オーツ等が記載する2膜パーミエータ−或は2膜パ
ーミエータ−のカスケードを用いて原料混合物中に存在
する単一成分について優れた分離係数をもたらすのが普
通であった。オーツ等は2つの別の各々成分が異なる濃
厚な透過質を回収することを考えず、窒素−クリプトン
混合物からクリプトンを分離することに関係するもので
あった。更に、報文中、著者が2つ或はそれ以上の透過
性膜を共巻取り(Go−winding) L/で本明
細書中以降に規定する通りの一体化多重膜透過セル及び
この一体化多重膜透過セルを用いて本明細書中以降に規
定する通りの一体化多重膜パーミエーターモジェールを
作ることを示唆或は開示する記載はどこにもない。各々
が異なる透過性膜を有する分離膜ユニットを作り、次い
で、これらのセットを用いて記載の2膜パーミエータ−
を作った。
上記の米国特許4,119.417号及び同4.140
,499号は2種類の膜を有する分離セルを記述してい
る(1欄18−19行)。両方の場合において、各々の
セルが単一の異なる透過性膜を収容する第2図の2セル
のあるパーミエータ−ユニットを言うのに分離セルなる
用語を用いている。開示されている方法では、複数の2
セルのある分離ユニットを多段シリーズで使用し、第1
分離セルに膜を装備し、第2分離セルに通常異なる膜を
装備してなる2セルのユニットを用いる。そのシリーズ
配置を用いてガス分離する。それらの特許は2つの異な
る透過性膜を共巻取すして本発明の一体化多重膜透過セ
ル或は一体化多重膜パーミエーターモジュールを形成す
る一体化多重膜透過セルには同等触れていない。
Radiochem、Radioanal、Lette
rs 、 27.299頁(1976年)、オーツ等の
「セパレーションオブ レア ガシズ バイ メンブレ
インズ」は、2区画室を有し、各々の区画室は各々の区
画室に異なる膜を用いて異なる分離機能を達成させる新
規な分離セルについての初期の開示であった。2つの異
なる中空繊維透過性膜を単一の一体化多重透過セルにお
いて一緒に巻取る本発明の一体化多重膜透過セルを示唆
するものはない。
サーカー(Sirkar)はSep、Sci、& Te
ch、  15.1091頁(1980年)、「アシン
メトリックバーミエーターズーア コンセプチュアル 
スタデイ」で、多成分ガス分離におけるオーツ等のパー
ミエータ−の概念及びオーツ等のパーミエータ−を用い
ることができる種々の用途を研究した。
挙げている系の中に、異なる膜を第2図によりで示す配
置で反対のチューブシートに接続するものがある。検討
されているその他の可能性は異なる膜の中空繊維を各々
のタイプを別々に束ねる代りに互いの中に一様に分散さ
せることである。サーカーは、1種の材料の中空繊維の
節を、他の膜材料にするつもりのチューブシート内にシ
ールさせるように作ることができたと記述しているが、
これらの構造体をどのようにして作ることができるかを
示していない。サー力−が開示している別の可能な配置
は第3図に示す通りの透過度の異なる平行膜の間に適当
なスペーサーを入れて室にしたスタックである。
スターン(Stern)等はJ 、Memb、Sci、
、20.25頁(1984年)、「リサイクル アンド
マルチメンプレイン バーミエーターズ フォーガス 
セパレーションズ」で、種々の膜を種々のパーミエータ
−形状で用いてガス分離することをレビューした。スタ
ーン等の研究では、各々のパーミエータ−セルは異なる
タイプの透過性膜を収容し、本発明において本明細書中
以降に規定する通りに2つ或はそれ以上の異なる膜を巻
取って一体化多重膜透過セルを作るパーミエータ−は用
いられなかった。スターン等が考えたパーミエータ−は
、第10図に示す通りに種々の配置、シリーズで、パラ
レルで、同じ容器で検討され、2つの異なる透過性膜を
同じ容器或はパーミエータ−モジュールに収容する場合
に、最良の結果が得られるというのがスターン等の結論
であった。しかし、−緒に巻取った2つ或はそれ以上の
異なる膜を収容して本発明の一体化した多重膜透過セル
を形成することを開示或は示唆する例はなかった。
セングブタ(Sengupta)等は、J、Memb、
 Sci。
21.73頁(1984年)、「マルチコンポーネント
 ガス セパレーション バイ アン アシンメトリツ
ク パーミエータ−コンテイニング ツー セパレート
 メンブレインズ」で混合物の内の2つの異なる成分に
優先して選択性の2つの異なる膜を用いて多成分ガス混
合物を分離して3つの生成物流にする複数膜パーミエー
タ−の使用を研究した。この研究は種々のフローパター
ンに関係し、数式化したが、複数の膜パーミエータ−を
作製するのに用いる方法は検討されなかった。ペリジ(
Perr in)等は、AIChE J、、31.11
67頁(1985年)ぐ 「モデリング オブパーミエ
ーターズ ウィズ ツー ディファレント タイプス 
オブ ポリマー メンブレインズ」でフローパターンを
検討し、2つのタイプの膜を同じパーミエータ−モジュ
ールに入れたガス分雌用数学的モデルを開発している。
ペリジ等が採用した系は2つの膜をさし入れずに、たと
え2つの膜ユニットを同じ容器或はパーミエータ−モジ
ュールに入れるとしても各々の膜を互いに離したままに
した。ペリジ等はどのようにしてユニットを作製するか
をどこにも開示していない。
セングプタ等はAIChE j、、33.529頁(1
987年)、「ターナツー ガス ミクスチャー セパ
レーション イン ツー−メンプレイン バーミエータ
ーズ」で、同時に2つの異なるタイプの透過性膜、セル
ロースアセテート及びシリコーンゴムを収容した中空繊
維パーミエータ−モジュールにおいて多成分ガス混合物
を一段分離して原料を3つの流れ、すなわち各々の流れ
が異なる成分に富んだ2つの透過質及び1つの不合格品
(リジェクト)に分離することを研究した。開示されて
いるパーミエータ−では、第2図に示す通りに、2つの
透過性膜を一緒にシェル或はモジュールの中に注封し或
は収容し、透過質を個々に捕集し得るように端部な互い
に分離した。その文献は2つの異なる透過性膜を一緒に
巻取って本発明の一体化した多重膜透過セルを形成する
ことを示唆或は開示していない。
AIChE J、、32.1889頁(1986年)、
ペリン等の「セパレーション オブ ヘリウム−メタン
 ミクスチャー イン パーミエーターズウイズ ツー
 タイプス オブ ポリマー メンブレインズ」に、2
膜パーミエータ−が開示されかつ使用されている。第1
欄及び1891頁の表1において、評価した6つの異な
るパーミエータ−モジュールを検討し、3つのパーミエ
ータ−モジュールをシリコーンゴムのみで作り、3つの
パーミエータ−モジュールをセルローストリアセテート
のみで作った。第2欄及び1891頁の表2において、
2つの異なるタイプの透過性膜を互いに混ぜ合わせて囲
むパーミエータ−モジュールを検討し、それらの構造を
第2図に示している。2膜パーミエータ−の製造におい
て、チューブシート或はヘッダーの内の1つに、単一流
の代りに2つの透過質生成物流用の二元出口を装備した
ことを、著者は記述しかつ第2図は示している。著者は
構造が単一膜パーミエータ−と同様であると言っている
が、文献中には、1つのチューブシートにおける1つの
膜用出口及び第2チユーブシートにおける他の膜用出口
を有する本発明の一体化多重膜透過セル或はその製造方
法の示唆或は開示は特に無い。
1980年6月10日にM、 J、コブランに発行され
た米国特許4,207,192号は、単一タイプの透過
性膜から中空フィラメント分離用セル及びモジュールの
作製方法を開示している。その特許は、内腔の一端か或
は両端のいずれかを開放することができるモジュールを
作製し得ることを教示している。しかし、本発明に開示
する通りの一体化多重腹透過セルの作製或はセル中に2
つ或はそれ以上の異なる透過性膜を有する一体化多重膜
パーミエーターモジュール或はこれを達成する方法の示
唆或は開示は全くない。
文献の内に、一体化多重膜透過セル或は一体化多重膜透
過セルの製造方法或は一体化多重膜透過セル中に2つ或
はそれ以上の透過性膜を収容する本明細書以降に規定す
る通りの一体化多重膜パーミエーターモジュールの製造
方法の示唆或は開示を載せているものはない。
ル囲辺且蔦 本発明は中空繊維一体化多重膜透過セル、該セルを収容
する中空繊維一体化多重膜バーミエーターモジュールの
製造方法、該セル及び該パーミエータ−を用いて多成分
混合物中の成分を互いに分離する方法、該セル自体に関
する。その方法では、2つ或はそれ以上の異なる透過性
膜を用いて一体化した多重膜透過セルを加工するもので
、該セルでは、各々の透過性膜は多成分流体混合物から
異なる成分を分離して各々の透過性膜から別の流体透過
質流を回収し、各々の透過質流は初めに原料流中に存在
する物質の内の少なくとも1種に富み、未透過のラフィ
ネート流は透過質流を構成する富化物質の濃度が低下し
ている0本発明の一体化多成分透過性セルは異なるタイ
プの中空繊維を互いに編成し或は層間に入れ、中空繊維
が互いに密管接触するように連続プロセスによって作る
今、図面を参照しながら本発明を説明する0図面は互い
(こ比例しない、加えて、第1B図、第2図及び第4図
における端部のサイズの縮小は説明のために誇張した。
端部は必ずしもそのような形状にする必要はなく、一体
化多重膜透過セルの本体と本質的に同じ寸法までに或は
それよりも大きくすることができる。これは、巻取りプ
ロセスの間にセルのスタブ端部をフィラメント及び/又
は他の材料、例えばモノフィラメントで作り上げる慣用
の巻取手順によって容易に達成することができ、それで
セルは一端から他端まで本質的に同じ直径を有する。
羽且Ω韮」 本発明に従えば、2つ或はそれ以上の中空繊維透過性膜
、好ましくは各々が流体混合物から異なる成分を分離す
ることができる異なる中空繊維透過性膜から加工する一
体化多重膜透過セルを製造する。一体化多重膜透過セル
を使用して一体化多重膜パーミエーターモジュールを作
り、該モジュールを用いて各々の透過性膜から別々の流
体透過質流を回収するものであり、各々の流れは原料流
の特定物質に富み、未透過ラフィネート流は透過質流中
の富化物質の濃度が低下している。
本明細書中で用いる通りの「成分」なる用語は、初めに
原料混合物中に存在していた個々の化合物或は物質、或
は初め原料混合物中に存在していた化合物或は物質の中
の1種或はそれ以上が今冨化状態で存在する化合物或は
物質の混合物を意味する。すなわち、成分は原料流にお
けるそれの元の濃度よりも高い濃度で透過質流或はラフ
ィネート流中に存在する。
本明細書全体にわたり、「一体化多重膜透過セル」なる
用語は、2つ或はそれ以上の異なる中空繊維透過性膜を
互いに本質的に密接に接触させてなる。例えば撚り合せ
る、編成する、層間に入れてなる透過性膜ユニットを意
味し、また形状、スペーシング及び/又は流体流れを変
えるために流体の成分について、中空161 lff1
透過性膜の一部を充実繊維及び/又は非透過性中空繊維
或は毛管に代えるそれらのユニットも含み、これらのユ
ニットもまた「多重膜セル」と呼ぶことができる。
「一体化多重膜パーミエーターモジュール」なる用語は
、一体化多重膜透過セル及びハウジングを含むユニット
を意味し、該ユニットに全ての必要とする装置手段、流
体混合物を供給し及び透過質及びラフィネートを回収す
る開口を装備する。
これらのユニットもまた「多重膜パーミニ−クー」と呼
ぶことができる。透過性膜を収容するガス分離用セル或
はユニットの製造は当業者によく知られており、公表さ
れた文献、例えば上記米国特許4,207.192号に
十分に記載されている。
本発明の中空繊維一体化多重膜透過セルは、2つ或はそ
れ以上の中空繊維をシャフト上に巻取って環状バンドル
を作る。単一タイプの中空繊維を巻取って透過性膜セル
を単一透過質流及び単一ラフィネート流を回収する環状
バンドルの形に形成する手順が米国特許3,422.0
08号、同3.794,468号、同4,207,19
2号に開示された。しかし、これらの特許は2或はそれ
以上の異なるタイプの中空繊維を収容して環状ハンドル
を形成し或は複数の透過質流を回収することができるバ
ンドルを形成した一体化多重膜透過セルを製造し得る可
能性或はこのようなバンドルのいずれかを製造する方法
を何ら開示も示唆もしていない。
本発明の一体化多重膜透過セルを作製する好ましい方法
では、2種の異なるタイプの中空繊維透過性膜の交互コ
ースを回転シャフト上に螺旋方式で連続して巻取って2
つの透過性膜の交互コースを有する環状バンドルを形成
する。1つの特別様式では、それらを同時に巻取る。螺
旋状巻取りは、本明細書以降で一層十分に説明する通り
に、環状バンドルのスタブ端部をチューブシートに埋封
し、スライスして中空繊維の内腔を開けた後に、該一体
化多重膜透過セルの一方の注封端は使用する中空繊維透
過性膜の内の第1のみの開放内腔を有し、一体化多重膜
透過セルの反対の他方の注封端は使用する中空繊維透過
膜の内の第2のみの開放内腔を有することになるように
して行う。
このようにして、一体化多重膜透過セルの各々の端部は
元の原料流から異なる透過質流、すなわち第1及び第2
透過質流を回収することが可能になる。本発明の方法を
実施して本発明の新規な一体化多重膜透過セルを製造す
る方法は第1図を参照して最も良く理解される。該方法
は米国特許4、207.192号において用いられた装
置と同様であるが、本発明のゴールを達成するために改
造したものを用いる。
第1図を参照すれば、第1A図は一体化多重膜透過セル
を加工する開始を示し、第1B図は完成した一体化多重
膜セルを示す。プロセスで用いる装置は市販されており
、図に示さないが、本明細書中以降に説明する通りで改
造して2つ或はそれ以上の異なるタイプの繊維を巻取る
のを可能にした。第1図に、改造した巻取り装置のその
部分だけ、すなわちリードスクリュー及びガイドを示す
。環状パーミエータ−セルを作製する従来公知の手順で
は、単一のガイドだけを使用する。本発明の方法では、
ガイドを複数使用して、各々のタイプの繊維について1
つを巻取るのが好ましい。
第1A図は一体化多重膜透過セル112の作製の始まり
を示す。2つの異なるタイプの中空繊維透過性膜101
及び102を、個々のストランドとしてか或は繊維の複
数のストランドの集合としてのいずれかで、貯蔵スプー
ル(図示せず)からガイド103及び104に供給する
。ガイド103及び104はリードスクリュー105に
おいて方向矢印によって示す軸方向路115に沿つて移
動する。ガイド103及び104をリードスクリュー1
05内に互いに所定の距離107を置いて配置する。そ
れで中空繊維透過性膜101は回転マンドレル106に
螺旋でマンドレル106上中空繊維透過性膜102より
更に距離107分左0点に巻かれることになり、中空繊
維透過性膜102は回転マンドレル106に螺旋でマン
ドレル106上中空繊維透過性膜101より更に同じ距
離107°分右の点に巻かれることになり、距離108
に沿った中間点では、両方の中空繊維透過性膜101及
び102がマンドレル106上に交互螺旋で巻かれるこ
とになる。距離107及び107°は該セルにおいて本
質的に同じであるのが普通である。注封してスライスし
た後に、各々のチューブシート端部におけるスライス作
業が切って両方の透過性膜にしないような十分な任意の
長さを選ぶことができる。経済性のために、この距離は
できるだけ最小に保つべきである。この螺旋状の巻取り
は方向矢印115で示す前後の軸方向路で所望の量の巻
取りを達成するまで続き、距離10Bに沿って101及
び102の交互螺旋層或はコース、セルの左側の距離1
07に101のみの螺旋巻取り、セルの右側の距離10
7゛に102のみの螺旋巻取りを有する本発明の一体化
多重膜透過セルが作られる。本検討から明らかな通りに
、第1A図は装置及び一体化多重膜透過セル作製中の左
側の部分のみを示す。
第1B図は第1A図について説明した螺旋巻取りプロセ
スの完了における一体化多重膜透過セル112の形状を
概略的に示す。第1B図において、同じ数値表示を適用
し、この図はまた中空繊維透過性膜101のみを収容す
るスタブ端部109、中空繊維透過膜102のみを収容
するスタブ端部110.101及び102の両方の交互
螺旋巻き層を収容する本体111を示す。スタブ端部の
形状は前に記述した通りに誇張した。
次いで、一体化多重膜透過セルの2つの端部を慣用の方
法で注封し、チューブシートを切断或はスライスして内
腔な開ける。スタブ端部109及び110のみを注封す
ることを選ぶことができ或はチューブシートの一端或は
両端を本体111の中に伸ばして追加の支持体とするこ
とを選ぶことができる。しかし、どちらの手順に従って
も、スタブ端部109及び110のスライシングは決し
て本体111に侵入しない。そうすることは、回収する
透過質が望まない成分で汚染されることになる。
第2図は一体化多重膜透過セル112を製造する別の実
施態様を示すもので、2つのリードスクリュー105及
び105°を巻取りプロセス用に用い、別々のガイド1
03及び104をそれぞれ備えた各々のリードスクリュ
ーを選択的に互いに隔てる0巻取りの角度、繊維の張力
及びその他のパラメーターを中空繊維透過性膜101及
び102の各々について個々に調節することができるの
で、同じ目的を一層調節して達成する。
第3図は第2図の面3−3に沿った横断面図である。第
3図はリードスクリュー105及び105°を配置する
ことの可能性の内の1つだけを示す。リードスクリュー
はマンドレル106及び本体111の周囲のまわりの任
意の所望の位置に配置することができる。
第4図は1つのタイプの一体化多重膜パーミエーターモ
ジュール401の代表的な図であり、体化多重膜透過セ
ル402をマンドレル上に支持させて円筒形本体403
内に入れ、該円筒形本体403に末端キャップ手段40
4、原料人口405、中空繊維透過性膜101透過質生
成物流用透過質出口手段406、中空繊維透過性膜10
2透過質生成物流用透過質出口手段407、非通過質ラ
フィネート流用ラフィネート用出口手段408、チュー
ブシート409及び410.ポット面からポット面に及
ばせず、チューブシート409及び410と間隔を開け
てガスがバンドルマトリックスを出入りするのを可能に
したガスバリヤ−ラッピング411、周囲シール手段4
12、例えば密接嵌合O−リングを装置する。
スペースを開けた線413は中空繊維透過性膜101を
スライスドチューブシート409に埋封してなる膜セル
の外郭線を示し、スペースを開けた線414は中空繊維
透過性膜102をスライスドチューブシート410に埋
封してなる膜セルの外郭線を示し、2つの膜セルは別々
のループセルであり、各々は開放コアーを有し、−緒に
なって一体化多重膜セル402を構成する。点線415
はチューブシート409に埋封した中空繊維透過性膜1
02のルーブト端部を示し、点線416はチューブシー
ト41Oに埋封した中空繊維透過性膜101のルーブト
端部を示す、再び、スタブ端部の形状は413及び41
4で誇張して示した。
第4図で示す一体化多重膜パーミエーターモジュールに
ついての構造に加えて、モジュールは他の任意の構造を
有することができる。例えば、モジュールは米国特許4
゜676.808号の図面に示されるものと同様である
が、本発明の一体化多重膜パーミエーターセルをケーシ
ング内に収容し、別々の透過質成分流及びラフィネート
流を回収するように作り及びデザインした構造を有する
ことができる。当業者ならば種々のモジュール構造を作
製することができ、それらをどのように操作し、例えば
流体混合物をケーシングの側面に供給するか或は該セル
を配置したモジュールのケーシングの端部に供給するか
を十分に認識している。
前述した通りに、環状透過性膜セルを製造する装置は知
られており、かつ単一タイプの中空繊維透過性膜を収容
する環状膜セルを作製するのに広く用いられてきた。熟
練した技術者ならばこの装置を改造して中空或は充実の
異なるタイプの繊維を複数同時に巻取り、適当なスクリ
ューリード及びガイドを加入して環状或は球状のモジュ
ールを形成することを可能にしかつこの装置を使用して
本発明の新規な一体化多重膜透過セルを製造することが
できる。
一体化多重膜透過セルを作製する代表的な実施態様では
2つのタイプの中空繊維透過性膜、例えばタイプA及び
タイプBを用いて該一体化多重膜セルを作る。2つのタ
イプの透過性膜を第1図に示す通りにして巻取って、第
1B図のセクション10Bに沿ってタイプA及びタイプ
B中空繊維透過性膜の交互層或はコース、第1B図のセ
クション107におけるタイプA中空繊維、第1B図の
セクション107°におけるタイプB中空繊維を有する
環状セルを形成する。巻取りを完了して、一体化多重膜
透過セルの端部セクションを注封してチューブシートを
形成し、両方のチューブシートを切断或はスライスして
該セルの一端にタイプA中空繊維の内腔な開け、該セル
の他端にタイプB中空繊維の内腔な開ける。
第1B図に示すスタブ端部、例えば109のみを埋封し
、これより、例えば中空繊維のタイプAのみを埋封する
ようにチューブシートを形成することができ、或は例え
ば第4図に示す通りにスタブ端部109におけるタイプ
A中空繊維プラスタイブA及びそれに隣接するタイプB
繊維の両方を収容するセクションを埋封するようにスタ
ブ端部、例えば109及び108セクシaンの一部を埋
封するようにチューブシートを形成することができる。
どちらの技法も用いることができるが、チューブシート
をスライスして中空繊維内腔を開ける場合、一端におけ
るスライスはタイプA及びタイプBの両方の中空繊維を
切断すべきでない。
本発明の一体化多重膜透過セルを切り取った後に、収容
して二成分(或はもっと複雑な)混合物から流体を分離
するのに用いる一体化多重膜パーミエーターモジュール
を作製する。
一体化多重膜パーミエーターモジュールの略図を第4図
に示す、実施において、分離させる多成分原料混合物を
原料入口405より導入して一体化多重膜パーミエータ
ーセル402に接触させる。原料は螺旋に巻取って一体
化多重膜透過セル402を形成した透過性膜101及び
102を囲む細隙のあるスペースの中を流れ、第1成分
は選択的に透過性膜101を透過して出口手段406よ
り回収され第2成分は選択的に透過性膜102を透過し
て出口手段407より回収され、非透過ラフィネート流
が出口手段408より回収される。このようにして、2
つの別の透過質流を同時に回収しかつ第3ラフイネート
流と分離させる。
第1B図に示す通りの単一のリードスクリューを用いた
一体化多重膜透過セルの製法は、常に2種或はそれ以上
の繊維を並流に供給することを必要とし、これより各々
の繊維の速度を変更することはほとんどできない。(2
つのリードスクリューの場合)第2図に示す通りの2つ
或はそれ以上のリードスクリューを複数用いた製法は一
層広い操作の選択をもたらす。リードスクリューはガイ
ドの並流及び対流移動をもたらすように操作することが
でき、広範囲の巻取りパターンを可能にする。離れたリ
ードスクリューは、また、各々のタイプの繊維を異なる
角度、張力、速度、等で巻取ることを可能にする。その
結果、本発明の一体化多重膜透過セルは、1つのタイプ
の膜面積を他のタイプのものよりも大きくして作ること
ができる。このことは、使用する異なる透過性膜タイプ
が異なる相対ハンドルを有する場合に重要である。
上述した巻取り方法は好ましいものであり、効率的な一
体化多重膜透過セルを生成する。しかし、逐次巻取り手
順を用いて本明細書中で「逐次多重膜セル」と呼ぶもの
を作り得る場合がいくつかある。このようなセルは隣接
する層が互いに異なる玉ねぎに見られる層と同様のラメ
ラ構造を有する。これらの逐次セルは少なくとも2種の
異なるタイプの繊維の交互複数層からなる。これらの逐
次セルは、初めに第1図或は第2図に示すガイドの内の
1つを用いて第1タイプの中空繊維透過性膜の所望の厚
さの多屡環を形成し、次いで該初めの所望の厚さの上に
、第1図は第2図に示すガイドの内の1つを用いて第2
タイプの中空繊維透過性膜の第2の所望の厚さの多層を
適用して作る。この交互或は逐次層形成 (layer
 ing)は、各々のスタブ端部109及び110が1
つのタイプの中空繊維透過性膜のみを有する所望′の直
径のモジュールが得られるまで続くことができる。この
逐次製造方法は前述した製造方法程に好都合とは考えら
れないが、作製される膜セルには本発明の範囲内にある
と考えられ、修正一体化多重膜透過セルと考えることが
できる。
また、前述した方法及び逐次方法の両方を用いて原料混
合物中の物質について本質的に透過性でない充実繊維或
は中空繊維と共に単一の透過性膜を収容する膜セルを製
造することができ、特許請求の範囲に記載した方法はか
かる膜の製法をその範囲内に含むものと考える。
使用する中空繊維透過性膜が同じ化合物を透過するが異
なる選択率において行うことができる材料を構成し、こ
れにより各々の透過質或はラフィネート成分中に同じ化
合物を異なる濃度で有する流体原料混合物からの異なる
「成分」の回収を可能にさせ得る場合がいくつかある。
例えば、ヘリウム10妬/メタン90%の混合物からの
ヘリウムの回収において、2つの異なる中空繊維透過性
膜から作った一体化多重膜透過セルを収容する一体化多
重膜パーミエーターモジュールを使用して2つの別の成
分流であって各々がヘリウムに冨んだもの及びヘリウム
の減少したラフィネート流、例えばヘリウム50%及び
メタン50%の第1透過質成分流及びヘリウム90%及
びメタン10%の第2透過質成分流を残分を含むラフィ
ネート成分と共に回収することができる。
好ましい一体化多重膜透過セルは上述した螺旋巻取り技
法によって作るものであるが、その他の製法を用いるこ
とができる。例えば、1973年8月28日に発行され
た米国特許3.755.034号に或は1986年1月
14日に発行されたカナダ特許1,199.280号に
或はヨーロッパ特許出願183.256A号に記載され
ている通りの平面位の透過性中空繊維及び異なる中空繊
維の交互層を配列して本発明の一体化多重膜透過セルを
形成することができる。
本発明の一体化多重膜透過セルを製造するのに用いるこ
とができる異なるタイプの透過性膜の組合せの例として
、下記を挙げることができる:シリコーンゴム/ポリス
ルホン、シリコーンゴム/セルロースアセテート、ポリ
スルホン/ポリイミド、等、及び下記を含む:ゴムポリ
マーとガラス状ポリマーとの組合せ、ゴムポリマー或は
ガラス状ポリマーとイオン交換膜との組合せ、同じ一般
的タイブの2種の異なる膜であって各々が異なる透過度
特性を有するもの、モレキュラーシーブ膜、固定化液体
膜能動輸送膜、等。
本発明の一体化多重膜セルを用いて2種或はそれ以上の
流体成分を含有する混合物、例えば下記の混合物から別
々の透過質原料或は成分を回収することができる:リホ
ームド天然ガス;H2−CO2−CO−CI+4−N2
 :発生炉ガス; )I2−COz−CD−Nz ’リ
ホーマーオフガス、 H□−co−cot  ;高イオ
ウサワー天然ガス、  CH4−Co□−H2S 、後
シフトリアクターガス; H2−CD−Co□−N2;
アンモニアパージ流; H2−Nz−CI(4−Ar 
: He及びN2を含有する天然ガス;  He−C)
I4−Ni :深海ダイビングガス。
He−0z−Nz : N2−Cl14 ; He−C
H4; H2−C)+4 ; Cot−CH402−N
2 ;等。
透過性中空繊維の製法及びそれらを製造するのに用いる
材料はよく知られている。用いる中空繊維は半透過性で
あり、稠密壁、多孔質、非対称性或は複合にすることが
できる。このような中空繊維は、■、カバッソ(Cab
asso)、「ホロウファイバーメンブレインズ」、キ
ルクーオスマー Enc、ofChem、Tech、 
12巻、第3版、492−517頁(1980年)及び
1.カバッソ、「メンブレインズJ 、 Enc、of
 Po1.Sc、& Eng、、 9巻、第2版、50
9−579頁(1987年)に記載されている手順によ
って容易に作られる。これらの文献を本明細書中に援用
する。多くの中空繊維は多孔質であり、流体が流れるた
めのチャンネルが中空繊維の外面と内面との間に存在す
ることが知られている。細孔は約200,000オング
ストロームより小さい平均横断直径を有するのが普通で
あり、いくつかの多孔質中空繊維では、平均細孔横断直
径は約50,000或は約10,000オングストロー
ムよりも小さく、平均細孔横断直径が約5〜約200オ
ングストローム程に小さくなり得る場合がいくつかある
。意図する用途(例えば、ガス−ガス、液−液、マイク
ロ濾過、限外濾過、等)に応じて、適当な細孔直径寸法
を有する中空繊維を選ぶことができる。
中空繊維の壁を十分に厚くし、それで中空繊維を取り扱
うのに特殊な装置を必要としないようにするのが有利で
ある。中空繊維の外直径は約1ミル(0,025mm)
或はそれ以下から約100ミル(2,5m m )或は
それ以上にすることができ、約2ミル(0,05mm)
〜約8oミル(2,0mm)にするのが好ましい、中空
繊維の壁厚みは約0.1〜約12 ミ)Ii (0,0
025〜0.30mm−)或はそれ以上にすることがで
き、少なくとも約0.2ミル(0,005mm) 〜約
20ミル(0,51mm)までにするのが好ましい。
既知の有機材料、例えば熱可塑性或は熱硬化性の天然及
び合成ポリマー及びそれらのブレンド及びアロイな含む
、の内の任意のものを用いて中空繊維を製造することが
できる。代表的なポリマーは置換或は未置換のポリマー
にすることができ、下記から選ぶことができる:ポリス
ルホン;ポリ(スチレン)、スチレン含有コポリマー、
例えばアクリロニトリル−スチレンコポリマー、スチレ
ン−ブタジェンコポリマー、スチレン−ビニルベンジル
ハライドコポリマーを含む;ポリカーボネート:セルロ
ース系ポリマー、例えばエチルセルロース、セルロース
アセテート;セルロースーアセテートーブチレート、セ
ルロース−プロピオネート、メチルセルロース、等;ポ
リアミド及びポリイミド(アリールポリアミド及びアリ
ールポリイミドを含む):ポリ′エーテル:ポリ(アリ
ーレンオキシド)例えばポリ(フェニレンオキシド);
ポリウレタン:ポリエステル(ポリアリ−レートを含む
);例えばポリ(エチレンテレフタレート)、ポリ(ア
ルキルメタクリレート)、ポリ (アルキルアクリレー
ト)、等:ボリスルフイド;上述したものと異なるアル
ファーオレフィン性不飽和を有するモノマーからのポリ
マー、例えばポリ(エチレン)、ポリ(プロピレン)、
ポリ(ブテン−1)、ポリ(4−メチルペンテン−1)
、ポリビニル、等:ポリ(ビニルクロリド)、ポリ (
ビニルアルコール)、ポリ (ビニリデンクロリド)、
ポリ(ビニリデンクロリド)、ポリ(ビニルエステル)
、例えばポリ(ビニルアセテート)、ポリ(ビニルプロ
ピオネート):ポリホスファジン;等、無機材料、例え
ばセラミック、ガラス、等から作られる中空繊維もまた
知られている。有機及び無機の両方の材料を使用して中
空繊維を作ることが知られている。
多くの場合、中空繊維は、薄膜形成性材料を多孔質中空
繊維の表面に適用した複合膜の形である。これは既知の
手順の内のいずれかにより、例えば米国特許4,230
,463号に示す通りに、或は米国特許4,467,0
01号に示す通りにして作ることができ、膜形成性材料
の溶液を塗布して約7、000オングストロームまで、
好ましくは約500〜約2,000オングストロームの
仕上がった乾燥コーティングを多孔質中空繊維の外面に
密着して付着させる。上述した通りに、カップリング剤
及び/又は化学処理によって密着を促進させる場合がい
くつかある。
有用な膜形成性材料の代表は置換する或は未罫換にする
ことができるポリマーである。材料は下記を含む:合成
ゴム;天然ゴム:相対的に高い分子量及び/又は高い沸
点の液;有機プレポリマー:ポリ(シロキサン);ポリ
シラザン;ポリウレタン;ポリ(エビクロロヒドリン)
;ポリアミン:ポリアミド:アクリロニトリル含有コポ
リマ、例えばポリ(a−クロロアクリロニトリル)コポ
リマー;ポリエステル(ポリラクタム及びポリアリ−レ
ートを含む)、例えばポリ(アルキルアクリレート)、
ポリ(アルキルメタクリレート)、ポリスクシネート、
アルキド樹脂:セルロース系ポリマー;ポリスルホン;
ポリ(アルキレングリコール)、例えばポリ(エチレン
グリコール)、ポリ(プロピレングリコール)、等;α
−オレフィン性不飽和を有するモノマーからのポリマー
、例えばポリ(オレフィン)、例えばポリ(エチレン)
、ポリ(プロピレン)、ポリ(ブタジェン)、ポリ(2
,3−ジクロロブタジェン)、ポリ(クロロプレン)、
ポリスチレン(ポリ(スチレン)コポリマー、例えばス
チレン−ブタジェンコポリマーを含む)、ポリビニル、
例えばポリ(ビニルアルコール)、ポリ(ビニルアルデ
ヒド)(例えば、ポリ(ビニルホルマール)、ポリ(ビ
ニルブチラール))、ポリ(ビニルケトン)(例えば、
ポリ(メチルビニルケトン))、ポリ(ビニルエステル
)(例えば、ポリ(ビニルベンゾエート))、ポリ(ビ
ニルハライド)、ポリ(ビニリデンハライド);フッ素
化エチレンコポリマ一二ボリ(アリーレンオキシド);
ポリカーボネート:能動輸送及び液体膜二等及び上記か
らの反復単位を含有するブロックインターポリマーを含
む全てのインターポリマー、上記の内のいずれかを含有
するグラフト及びブレンド、上述したポリマーのモノマ
ー チューブシートは中空繊維のバンドルの端部分を充実注
封材料に埋封してなる。チューブシートの形成は任意・
の適当な方法で実施することができ、このような手順は
当分針でよく知られており、例えば、米国特許3,33
9.341号、同3.442.389号、同3.455
.460号、同3.690,465号、同4,207.
192号に記載されており、これらの米国特許を本明細
書中に援用する。注封用材料は通常チューブシートを作
る際に液状であり、凝固して耐圧性の漏れのない構造に
なる。
注封用材料は無機或は有機或はこれらの混合物にするこ
とができる。冷却或は硬化する際に凝固する有機樹脂、
特に透過性中空繊維の外壁への強い密着結合を形成して
ほとんど収縮を示さないものを用いるのが普通である。
これらの材料はよく知られており、文献、例えば米国特
許4、369.605号に十分に記載されており、同米
国特許を本明細書中に援用する。
本発明の一体化多重膜透過セルは半透膜によって分離し
得る任意の流体混合物、例えばガス/ガス、ガス/液、
液/液混合物の分離を行うのに有用である。このような
セルを本明細書中で一体化多重膜パーミエーターモジュ
ールと呼ぶユニットとして作るのが普通であり、かかる
パーミエータ−のデザイン及び構造は本明細書中に提示
する詳細な説明を見れば当業者に問題を持出さない、モ
ジュールは、知られている通りに、単一端は複端にする
ことができる。
中空繊維一体化多重膜透過セルは螺旋に巻いた中空繊維
を適当な保持装置にシールし、中空繊維の端部なチュー
ブシートに封入してなる。一般に注封として知られてい
る封入した後に、チューブシートを切断し或はスライス
し或は切り、それで異なる中空繊維の内腔を開けて妨げ
られない流れを可能にする。一体化多重膜パーミエータ
ーモジュールを、中空繊維の外面上の原料の流れと一体
化多重膜透過セルを構成する異なる中空繊維の内腔内の
透過質の流れとの分離をもたらすように作り、こうして
別々の複数透過質流をラフィネート流から分離して回収
することを可能にする。
チューブシートを製造する手段は多く知られている0代
表的な手順では、図に示す一体化多重膜透過セルのスタ
ブ端部な金型に入れ、金型に注封用樹脂組成物を所望の
深さにま−で満たし、バンドルを樹脂充填金型内に樹脂
が硬化するまで保つ。
所望の場合には、硬化を助けるのに熱を用いてもよい、
樹脂が硬化した後に、一体のチューブシートを周囲温度
或は高い温度で硬化させ、硬化した後に、慣用の手段に
よってスライスし、切断し或は切って中空繊維の端部の
内腔を開ける。その方法を他方のスタブ端部において繰
り返して多成分原料から少なくとも2種の異なる透過質
流及びラフィネート流を分離することができる少なくと
も2種の異なる透過性中空繊維を含む本発明の一体化多
重膜透過セルを得る。
【図面の簡単な説明】
第1図は単一リードスクリューを用いた2つの異なるタ
イプの透過性中空繊維を収容する一体化多重膜透過セル
の成形加工を示す、第1A図は中空繊維透過性膜の巻取
りの開始における成形加工を示し、第1B図は巻取り手
順の終りにおける成形加工を示す。 第2図は2つのリードスクリューを用いた2つの異なる
タイプの中空繊維を収容する一体化多重膜透過セルの成
形加工を示す。 第3図はリードスクリューの1つの可能な配置を示す第
2図の横断面図である。 第4図は2つの異なるタイプの中空繊維を収容する一体
化多重膜透過セルで作った一体化多重膜パーミエーター
モジュールの略図である。 101.102:中空繊維透過性膜 103.104ニガイド 105.105° :リードスクリュー106:回転マ
ンドレル 109.110ニスタブ端部 111:本体 401ニ一体化多重膜パーミエータ−モジュール402
ニ一体化多重膜透過セル 409.410:チューブシート 411:ガスバリヤ−ラッピング 412:シール手段 F I G。 1A

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、少なくとも2つの異なる中空繊維透過性膜を含む一
    体化した多重膜透過セルの製造方法であって、2つの異
    なる中空繊維透過性膜を各々別々のガイド手段によって
    調節して巻取り、該中空繊維透過性膜を本質的に互いに
    密接に接触させて巻取って中央本体部分及びスタブ端部
    を有するセルを作り、該中央本体部分は本質的に異なる
    中空繊維透過性膜を互いに密接に交互接触させて含み、
    該スタブ端部は各々のスタブ端部領域を注封材料中に別
    々に封入して末端チューブシートを形成する中空繊維透
    過性膜の内の本質的に1つのみを含み、チューブシート
    を切断してそれぞれのチューブシート内に封入したスタ
    ブ端部において中空繊維透過性膜の内腔を開ける工程を
    含み、ガイド手段を軸方向巻取り路に沿って一方を他方
    と選定した距離に保つ前記方法。 2、複数のガイド手段を単一リードスクリューにおいて
    互いに所定の距離に位置させる特許請求の範囲第1項記
    載の方法。 3、複数のガイド手段を複数のリードスクリュー内の互
    いに所定の距離に別々に位置させる特許請求の範囲第1
    項記載の方法。 4、少なくとも2種類の異なる中空繊維透過性膜を互い
    に本質的に密接に接触させて巻取ってなりかつ中央体部
    分及びスタブ端部を有する多透過性膜ユニットを含み、
    該中央体部分は本質的に互いに交互に接触する異なる中
    空繊維透過性膜を含み、該スタブ端部は各々本質的に該
    中空繊維透過性膜の内の1つを含む一体化多重膜透過セ
    ル。 5、各々のスタブ端部領域をスライスドチューブシート
    内に封入し、中空繊維透過性膜内腔を開けてその中に流
    体流れをもたらす特許請求の範囲第4項記載の一体化多
    重膜透過セル。 6、特許請求の範囲第4項記載の一体化多重膜透過セル
    をハウジングで囲んでなる一体化多重膜パーミエーター
    モジュールであって、流体入口手段、透過質出口手段、
    ラフィネート出口手段、該均一多重膜セルを均一多重膜
    パーミエーターモジュールに装着する手段を装備した一
    体化多重膜パーミエーターモジュール。 7、1種或はそれ以上の透過質流が多成分原料流の内の
    少なくとも1種の成分に富んだ該原料流から少なくとも
    2種の異なる透過流を同時に回収し、透過質流を含む物
    質の濃度が低下した未透過ラフィネート流を同時に回収
    する方法であって、多成分原料流を特許請求の範囲第4
    項記載の一体化多重膜透過セルに接触させて透過質流及
    びラフィネート流を回収することを含む方法。 8、少なくとも2種類の異なる中空繊維透過性膜を交互
    の複数層で巻取ってなりかつ中央体部分及びスタブ端部
    を有する多透過性膜ユニットを含み、各々の層は異なる
    中空繊維透過性膜の内の1つのみの多層で構成されかつ
    そのコースを複数含み、異なる中空繊維透過性膜の内の
    1つの各々の層は中央本体部分において異なる中空繊維
    透過性膜の第2のものの少なくとも1つの層と接触し、
    該中央本体部は互いに逐次螺旋接触する異なる中空繊維
    透過性膜の交互層を含み、該スタブ端部は該中空繊維透
    過性膜の内の本質的に1つのみを含む逐次多重膜セル。 9、前記原料流が空気である特許請求の範囲第7項記載
    の方法。
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