JPH06154564A

JPH06154564A - 分離用の改良型うず巻き型膜要素

Info

Publication number: JPH06154564A
Application number: JP5185784A
Authority: JP
Inventors: Joseph L Feimer; ルイスフェイマージョセフ; Tan-Jen Chen; チェンタン−ジェン; Jr Dean L Smith; リロイスミス，ジュニアディーン; Donald T Bray; セオドアブライドナルド; La Cruz Deborah De; デラクルツデボラ
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1994-06-03
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: CA2097632C; SG46586A1; DE69313757T2; MX9303430A; CA2097632A1; ES2106284T3; EP0581544A2; US5275726A; EP0581544B1; EP0581544A3; DE69313757D1; JP3485947B2

Abstract

(57)【要約】【目的】膜のみを用いて得られるものにほぼ等しい分
離機能を示すうず巻き型分離要素を提供する。【構成】補給物／保留物スペーサとして３０〜７０％
の範囲内の開放断面積をもつ材料の単数又は複数の層を
そして透過物スペーサ材料として約５０〜９０％の開放
断面積をもつ粗い１層をとり囲む約１０〜５０％の開放
断面積をもつ細かい２層を含む少なくとも３層の材料層
を使用することが含まれている。分離用の改良型うず巻
き型要素。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも１つの膜面
に沿って補給物・保留物スペーサ層が載っている少なく
とも１つのエンベロープを作り出す透過物スペーサをと
り囲む３つの縁部に沿って気密シールのほどこされた膜
材料の層を含み、多層構造体全体が中空中心マンドレル
（これは片端で閉鎖されていてもよい）のまわりに巻き
つけられ、又第４の密封されていない縁部を通して透過
物エンベロープが流動的連絡状態にあるような改良型う
ず巻き型膜要素において、補給物側から透過物側へ膜を
横切って圧力勾配が維持される分離プロセスにおいて有
用であり、しかも補給物／保留物スペーサとして少なく
とも３０〜７０％の開放断面積をもつ材料の少なくとも
１つの層を使用し、又透過物スペーサとして少なくとも
３つの材料層を用いることが含まれ、さらにその外側層
が約１０〜５０％の開放断面積を有する細かい材料であ
りこれらの細かい外側層の間には約５０〜９０％の開放
断面積をもつ粗い層があり、細かい外側層は透過性スペ
ーサをとり囲む膜層と界面接触状態にあることを特徴と
する改良型うず巻き型膜要素に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】標準的
な要素設計の日常的問題として、うず巻き型要素は、透
過物スペーサ及び保留物スペーサを含んでいる。例えば
ＵＳＰ３，４１７，８７０を参照されたい。スペーサ材
料を改良するためにはさまざまな試みが行なわれてき
た。かくしてＵＳＰ４，８６１，４８７号は、補給物流
の流れ方向に対して一般に平行に位置づけされた全体と
して平行な細長いフィラメントから成る低圧力降下スペ
ーサにおいて、細長いフィラメントが、低い圧力降下を
提供するべく補給物流の流れに対し一定の角度を成して
置かれた比較的短かいブリッジフィラメントによって連
結されている低圧力降下スペーサについて記述してい
る。欧州特許出願明細書第８９３０５９６６．７号（公
開番号３４７１７４）は、補給物スペーサ材料が、平行
なリブに対し全体として垂直な結果として流れ抵抗の減
少をもたらす比較的小さいフィラメントのマトリクスに
よって相互連結された軸方向に延びる複数の平行なリブ
を有するようなうず巻き型膜カートリッジについて記述
している。ＷＯ９１／１１２４９は、両側に低密度の多
孔性スペーサを配置した高密度の多孔性スペーサを利用
する透過物領域及び分割された中心マンドレルを利用す
るうず巻き型要素について記述している。

【０００３】ＵＳＰ５，０６９，７９３は、要素の体積
あたりの最大透過流量を生ずるように設計された透析蒸
発で用いるためのうず巻き型要素について記述してい
る。これは、透過物スペーサ材料の蒸気輸送に対する抵
抗が漸進的に減少するにつれてモジュールからの合計透
過物流量が最大まで移行するという事実を利用するべく
選ばれた透過物スペーサを用いることによって達成され
る。膜表面から透過物収集管まで透過蒸気を輸送する透
過物スペーサ材料の能力は、単位膜内外流束あたり、透
過物流路内の単位圧力降下あたりの透過物蒸気流量つま
り標準化された伝導率として表現される。透過物流路
は、透過物流量が可能最大値の６０〜９０％であるよう
なスペーサ材料を使用するように構成される。透過物ス
ペーサは、遠位縁部で比較的薄く中心マンドレルに隣接
する縁部では厚くなるように変化する断面積肥厚材を有
する材料のシートであってよい。代替的には、スペーサ
は、同じ又は異なるスペーサ材料の多層からできていて
もよい。

【０００４】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】本発明
は、多層の膜がまわりに巻きつけられた中空中心マンド
レル（片端で閉鎖されていてもよい）、補給物スペーサ
及び透過物スペーサを含み、膜層が透過物スペーサをと
り囲んでおり、これらの膜層は３つの縁部に沿って流体
不透性密封され透過物エンベロープの葉状部分を生成
し、又中空中心マンドレルの内部と流動的に連絡した状
態でその第４の密封されていない縁部に沿って多数の透
過物エンベロープ葉状部分がとりつけられており、各透
過物エンベロープ葉状部分の外表面に沿って一層の補給
物／保留物スペーサ材料が延びており、多数の透過物エ
ンベロープ葉状部分／補給物−保留物スペーサのうず巻
きは巻き戻らないように外部ラップ層で包まれており、
巻きの端部は使用中にうず巻き層の入れ子式移動が起こ
らないように下流端部にとりつけられたはまり込み防装
置によりキャッピングされているうず巻き型膜分離要素
において、補給物／保留物スペーサ材料として、少なく
とも約３０〜７０％好ましくは３０〜５０％の開放断面
積をもつ材料の少なくとも１つの層、好ましくは隣接す
る透過物エンベロープ葉状部分の間に置かれた２層の材
料層を用い、この補給物／保留物スペーサ材料は同じ材
料又は異なる材料、そして同じ断面積又は異なる断面積
のいずれのものであってもよく、好ましくはこのような
補給物／保留物スペーサ材料は、重量が約０．５〜１０
オンス／平方ヤードで１／２インチの水圧でのＦｒａｚ
ｉｅｒ透気度が０．５〜１０００cfm ／平方フィートで
ある厚み約１〜１５ミルの化学的及び熱的に不活性の織
布又は不織布の中間層（不織材料の例としてはＮｏｍｅ
ｘがある）によって膜表面から隔絶されており、そのた
め多重透過物エンベロープ葉状部分及び間に置かれた多
重補給物／保留物スペーサ層の巻きとり時点で巻きの中
の隣接する透過物エンベロープ葉状部分の間に補給物／
保留物スペーサ材料の２層が得られるようになっている
こと、及び透過物スペーサとして３層以上の材料層が用
いられ、そのうち膜（つまり膜表面自体又は、膜が裏打
ち上に成形されている場合には膜の一体式裏打ち、ただ
しこの裏打ちはスペーサ層の１つには教えられない）と
接触状態にある外側層は、少なくとも約１０〜５０％好
ましくは少なくとも約１０〜３０％の開放断面積を有す
る細かい材料であり、これらの細かい外側層の間には、
少なくとも約５０〜９０％好ましくは約６０〜９０％の
開放断面積をもつ粗い層があることを特徴とする改良に
関する。

【０００５】多層透過物スペーサは少なくとも３つの層
を含んでいるが、膜と接触状態にある外側層が細かい材
料層であることを条件として、細粗交互の３層乃至７層
の層を含んでいてもよい。かみ合いを最小限におさえる
ため奇数の層を使用することが好ましいが、偶数の層も
利用可能であり、この場合、層のかみ合いを防ぐか又は
最小限におさえるべく層は異なるメッシュサイズの材料
でできていることが好ましい。各透過物エンベロープ葉
状部分内で透過物スペーサ層を製造する上で用いられる
層の数、各葉状部分の厚み、各葉状部分の長さ、中心マ
ンドレルにとりつけられた葉状部分の数及び隣接する透
過物エンベロープの葉状部分の間の補給物／保留物スペ
ーサの数及び厚みについての制限は、中心マンドレルの
まわりに究極的にアセンブリを巻きつけるための能力、
各透過物エンベロープ葉状部分の長さに沿ってのならび
に補給物スペーサを横切っての圧力降下及び各うず巻き
型モジュール内で得ることのできる膜表面積を含む競合
する要因の間の妥協物として設定されることになる。

【０００６】用いられる層が過度に多い場合、又は使用
される層が過度に厚い場合、うず巻き型要素を巻きつけ
ることは困難になる。同様に、明らかに厚すぎる透過物
エンベロープは、一定の与えられた直径の最終的にうず
巻き型要素において利用可能な合計膜表面積に対してマ
イナスの影響をもつ。

【０００７】透過物スペーサ層の好ましい数は３〜５で
ある。

【０００８】多層透過物スペーサは、膜層がそれに沿っ
て気密シールされている３つの縁部で膜間部域内にスペ
ーサが貫入しないように、それをとり囲む膜層よりも寸
法的にわずかに小さくサイズ決定されているとよい。こ
の部域内への透過物スペーサの貫入は、透過物エンベロ
ープを作り出すべく膜の縁部を効果的にシールする能力
を阻害する。

【０００９】補給物／保留物スペーサ層の好ましい数は
２である。要素を調製するにあたり、補給物／保留物ス
ペーサ材料と膜の表面の間及び透過物スペーサ材料と膜
の表面の間に置かれた、１／２インチの水圧において
０．５〜１０００cfm ／sq.ftのＦｒａｚｉｅｒ透気度
を有し重量が約０．５〜１０オンス／平方ヤードの厚み
約１〜１５ミルの化学的及び熱的に安定した織り物又は
不織材料の層を介在させることによって、膜要素の長期
にわたる性能が改善され、又結果として得られるうず巻
き型パッケージの真空気密度が改善されることがわかっ
た。この中間層は、膜表面と補給物／保留物スペーサ層
及び／又は透過物スペーサの間のシールドとして作用す
る。低温応用分野のためには、ポリエチレン、ポリプロ
ピレン、ナイロンなどのフエルトを、シールドとして用
いることができる。高温応用分野のためには、選択肢は
さらに制限され、ポリアミド（例えば高温ナイロン及び
ポリエステルの配合物であるＮｏｍｅｘ）、テフロン、
グラスファイバ又はそれらの混合物が適当な候補であ
る。

【００１０】この／これらのシールド層は、透過物スペ
ーサ層又は補給物／保留物スペーサ層の数の中には入ら
ない。補給物側で使用される場合、シールド層は膜が補
給物スペーサによって破壊されないように保護する；透
過物側に使用される場合、これは、膜をサポートメッシ
ュ／透過物スペーサ層から保護する。

【００１１】透過物エンベロープの少なくとも片面の表
面上に広がる補給物／保留物材料の層は、長さ及び幅に
ついてその寸法上透過物エンベロープと実質的に等し
い。

【００１２】うず巻き型要素を調製する上で、接着剤が
用いられる。異なるタイプの応用分野及び環境のために
異なる接着剤が識別されてきており、これらについて
は、ここに引用して内容に含めるＵＳＰ４，４６４，４
９４及びＵＳＰ４，５８２，７２６の中で記述されてい
る。高温エポキシ（例えばTra-Con 社製のＴｒａ−ｂｏ
ｎｄ２１２５又はCor-tronics Corp社製のＤｕｒａｌｃ
ｏ４４００，４５２５，４７００，４７０３）又は非エ
ポキシ接着剤（例えばCortronics Corp.社製のＲｅｓｂ
ｏｎｄ９０３，ＨＰ，９０４Ｚｉｒｃｏｎｉａ，９０４
Ｑｕａｒｔｚ及び９０６Ｍａｇｎｅｓｉａといったアル
ミナ／ジルコニア／セラミクス接着剤）などのその他の
さまざまな接着剤も同様に利用可能である。

【００１３】その外部ラップに包み込まれはまり込み防
止装置がとりつけられたうず巻き型モジュールは、モジ
ュールの外径に等しい内径をもち１つ以上の任意の数の
モジュールを直列に保持するのに充分な長さをもつ圧力
容器内に挿入することができ、この圧力容器には、補給
物入口／保留物出口手段ならびに中空中心マンドレルの
開放端部から透過物を回収するための別々のマニホルド
手段がとりつけられている。代替的には、米国特許４０
８３７８０号又は米国における本願と同日出願代理人ド
ケットNo．ＯＰ−３６７５，ＵＳＳＮの中に記述されて
いるように単一の格納容器内に並列で多数のモジュール
を設置することが可能である。

【００１４】上述のような補給物／保留物スペーサ及び
透過物スペーサを有する本発明のうず巻き型ラップモジ
ュールを製造するにあたっては、必要とされるスペーサ
特性を満たすべくさまざまな構成材料を用いることがで
きる。

【００１５】補給物／保留物スペーサは、例えば、平行
で離隔されたフィラメントの第１層とこの第１層に対し
垂直又は斜め方向に横たわりこの第１層をカバーする第
２の平行で離隔したフィラメントの層といった織りメッ
シュ材料又は不織メッシュ材料であってよく、ここで、
第１及び第２の層のフィラメントはその接触点で互いに
付着されている。このような材料を以下「非織り合せフ
ィラメント材料」と呼ぶ。

【００１６】補給物／保留物スペーサとしてこのような
メッシュ材料を用いる場合、スペーサは単一層又は多重
層を含み、そのうちの少なくとも一層は１６〜８０メッ
シュ、好ましくは１６〜６０メッシュ、より好ましくは
２０〜６０メッシュであり、厚みは１０〜３０ミル好ま
しくは１７〜２５ミルである。製造の容易さのために
は、補給物／保留物スペーサとして、共に好ましくは同
じ材料で作られている２つの材料層が用いられることが
好ましい。かみ合いを防ぐために異なるメッシュサイズ
を使用することもできる。３層以上の層が使用される場
合には、膜の各面と接触状態にある層は比較的細かい材
料であり、これらの面接触層の間の層は上述の限界内で
比較的粗い材料である。例えば細かい層は５０〜８０メ
ッシュを有することができ、一方比較的粗い層は２０〜
５０メッシュを有することができる。使用される材料
は、少なくとも３０〜７０％好ましくは約３０〜５０％
の開放断面積を有する補給物スペーサを提供するような
ものである。前述の通り、膜及び補給物／保留物スペー
サがＮｏｍｅｘといったような化学的及び熱的に不活性
な織り物又は不織布の絶縁層によって直接的な接触から
分離されていることが好まれる。

【００１７】直列で多重要素を用いる場合に遭遇する問
題点は、補給物の大部分が最初のいくつかの要素内で膜
を横切って透過してしまうことから、端部要素を通して
の補給物／保留物の流量が低いという点にある。この結
果、端部要素を通しての流速は低くなり、これらの要素
の性能は落ちる。端部要素を通しての低い速度は、うず
巻き要素の設計において補給物スペーサとして比較的高
い開放面積のアルミニウム（３０メッシュ−０．０１″
ワイヤ径−４９％の開放面積）スクリーンが用いられる
場合に、悪化する。このスクリーンは低い補給物対保留
物圧力降下を与え、このことは、６つの直列要素の場合
に重要な考慮事項である。この要素設計の場合、補給物
を再加熱するために用いられる２つの中間熱交換器を伴
い要素を横断しての全体的圧力降下は、１５psi 未満で
あることが予想される。

【００１８】要素を通しての補給速度は、補給物スペー
サとして比較的低い開放面積のスクリーンを用いること
によって増大させることができる。このような材料の一
例としては、３０％の開放面積をもつ５０メッシュ−
０．００９０″ワイヤ直径のステンレス鋼スクリーンが
ある。このスクリーンの２層が補給物スクリーンとして
用いられる場合、補給物−保留物圧力降下は１０kg／分
の補給速度で４．６psiである。これは、３０メッシュ
のアルミニウム補給物スペーサを単一層含む前述の設計
に比べて、著しい圧力降下の増大を表わしている。２×
５０メッシュのスクリーン設計は、補給速度を増大しか
くして乱流を作り出す上で優れたものであるが、その欠
点は、例えば６つの直列要素と２つの中間熱交換器とい
った多重要素を用いた時の全体的圧力降下が、この要素
設計を使用した場合の４０psi をはるかに上回るという
点にある。保留物上に少なくとも１０psi の圧力を維持
することが必要であるため、５０psi 以上の入口圧力で
先行要素を作動させることが必要となる。このことは、
これが４０psi 前後である透析蒸発用うず巻き型要素の
最大許容圧力を上回ることになるため、許容できない。

【００１９】好ましい透析蒸発プロセスにおいては、要
素は、端部要素を通して高い補給速度を得るために圧力
降下の徐々に高くなる補給物スペーサを用いることによ
って、段付けされている。この段階的透析蒸発プロセス
の場合、３０メッシュのアルミニウムといった比較的高
い開放面積の補給物スペーサを最初の４つの要素につい
て使用し、一方最後の２つの要素については２×５０メ
ッシュのステンレス鋼といった比較的低い開放面積の補
給物スペーサを使用することになる。この組合せの場
合、システムのための全体的圧力降下は、２５psi 未満
であると予想され、これは許容可能である。さらに重要
なことに、補給速度が高くなることから、端部要素の性
能は大幅に改善されるということも予想できる。

【００２０】もう１つの例は、最初の２つの要素のため
の補給物スペーサとしては３０メッシュのアルミニウム
を用い、次の２つの要素のためには４０メッシュのアル
ミニウム補給物スペーサを又、最後の２つの要素につい
ては２×５０メッシュのステンレス鋼の補給物スペーサ
を使用することである。当然のことではあるが、端部要
素を通して望まれる高い速度を達成するためには徐々に
圧力降下が高くなる補給物スペーサで要素を段付けする
方法としては他にも数多く存在する。

【００２１】多数の直列式うず巻き型要素の下流要素に
おける圧力降下が徐々に増大する補給物／保留物スペー
サのこの利用は、性能が補給速度に対して特に敏感であ
るような逆浸透及び限外ろ過のためにも有用であるはず
である。

【００２２】使用される透過物スペーサの材料も同様
に、前述の織り又は非織り合せフィラメント材料から選
択できる。前述のように、スペーサは、細粗交互の材料
の３層以上の層のアセンブリを含んでいる。膜を支持し
透過物スペーサ内への貫入を防ぐ細かい材料は、少なく
とも５０メッシュ又はそれ以上に細かい、好ましくは６
０〜３００メッシュ、より好ましくは６０〜１５０メッ
シュ、さらに好ましくは８０〜１２０メッシュ、最も好
ましくは１００〜１２０メッシュで、厚み約３〜１５ミ
ルの織り又は非織り合せフィラメント材料でありうる。
粗い材料も同様に、８０メッシュ未満、好ましくは５０
メッシュ未満、より好ましくは３５メッシュ未満、最も
好ましくは２０メッシュ未満を有し、厚みが１０〜３０
ミル好ましくは１７〜２５ミルの織り又は非織り合せフ
ィラメント材料であってよく、ここで実際には、用いら
れる細かい材料が、用いられる粗い材料よりも細かいメ
ッシュを有することになる。同様にして、２００〜３０
０メッシュ範囲の細かいメッシュ材料を用いる場合、高
い温度及び圧力で要素が使用されなくてはならない場合
には粗い層が３０〜８０メッシュ範囲内にあることが好
まれる。

【００２３】透過物スペーサは、３層以上の層を含むこ
とができる。３層が使用される場合、２層の細かい材料
の層（サポート層）が膜層と接触した状態で用いられ、
一層の粗い層が２つの細かい層の間に置かれる。スペー
サ材料の４層が使用される場合、膜と接触する２つの外
側層はなおも細い材料のサポート層であり、粗い材料が
２つの細かい外側層の間に置かれた２つの内側層を構成
する。この４層態様を用いる場合には、各々と接触状態
にある２つの粗い層が異なる断面形状をもつか或いは又
同じ断面形状をもつ場合には互いに目がずれた状態にあ
ってそのため粗い材料が互いにかみ合わないように注意
することが必要である。なお粗い材料がかみ合った場
合、透過物の流れにとって利用可能な材料の開放断面積
は著しく減少することになる。このようなかみ合い状況
の下では、流れは阻止され、流束の低減をひきおこす透
過物スペーサを横切っての望ましくない圧力降下に遭遇
することになる。５つの層が使用される場合には、３つ
の細かい層が前述の細かい材料の定義の範囲内で、同じ
又は異なる細かい断面積の同じ又は異なる材料であって
よい、細／粗／細／粗／細の順序で層を配置することに
なる。又同様にして、ここで２つの粗い層は、同じく前
述の粗い材料の定義の範囲内で、同じ又は異なる粗い断
面積の同じ又は異なる材料であってよい。

【００２４】スペーサ材料は、例えばポリエステル、ポ
リスルフォン、ポリエステル、ナイロン、テフロンなど
又はグラスファイバ又はステンレス鋼、アルミニウムも
しくは真ちゅうなどといったあらゆるプラスチック又は
金属で作ることができる。一般に、最終的要素の意図さ
れた使用環境において化学的に不活性であり熱的に安定
しているような全ての材料が、構成材料として使用可能
である。しかしながら、スペーサ材料が例えばアルミニ
ウム又はステンレス鋼といった金属でできていることが
好ましく、さらに好ましくは、特に細かいメッシュ材料
の場合鋼で作られる。最終要素の最適な操作性を確保す
るためには、スペーサは、使用圧力下で透過物空間内に
膜が貫入するのを防ぐことができなくてはならない。膜
の貫入を防止するこの能力は、スペーサの剛性に相関さ
れてきた。利用可能な剛性尺度は、引張り弾性率であ
る。一般的ないくつかのスペーサ材料の剛性は、以下の
とおりである。

【００２５】ポリエステル２〜３×１０⁵ポンド／平方インチアルミニウム１０×１０⁶ポンド／平方インチステンレス鋼２８×１０⁶ポンド／平方インチ

【００２６】かくして本発明において、細かい透過物ス
ペーササポート材料は、上述の開放断面積を有する他、
少なくとも約２〜３×１０⁵ポンド／平方インチ、好ま
しくは少なくとも約１０×１０⁶ポンド／平方インチ、
最も好ましくは少なくとも約２８×１０⁶ポンド／平方
インチの剛性を有し、細かい透過物スペーササポート材
料は最も好ましくはステンレス鋼である。

【００２７】材料の剛性が高くなればなるほど、支持
（サポート）は優れたものとなり、貫入は無くなるか又
は最小限におさえられ、一方このことが透過物の圧力降
下を最小限におさえる。このことは特に作動条件下（す
なわち透過物内で１４０℃以上で）で言えることであ
る。これは、ポリエステルといった剛性が比較的低い材
料の性能に比較されるべきことである。ポリエステルの
低剛性率のため、膜及びポリエステルサポートは、特に
比較的高い温度及び／又は圧力において透過物スペーサ
流路内に押し込まれる。かくして、メッシュサイズと共
に材料の剛性を考慮するならば、比較的剛性の低い類似
の細かいメッシュの材料に比べて、比較的粗い層と組合
わせて、より剛性の高い比較的細かい材料を使用するこ
とができる。

【００２８】例えば、８０メッシュの粗い層とでは２０
０メッシュのアルミニウムサポートが充分に作動しうる
が、２００メッシュのアルミニウムサポートは１７〜５
０メッシュの粗い層の場合充分ではない。しかしなが
ら、２００メッシュのステンレス鋼のサポートは、その
剛性がより高いものであるため、３０〜８０メッシュの
層で充分である。要素の利用分野の温度及び圧力ならび
に要素を横断しての設計し又は目標とする透過物の圧力
降下について考慮しながら、上述の範囲内での材料の特
定的選択は、従業者に委ねられる。

【００２９】透析蒸発のために要素を使用する場合、透
過物スペーササポートとして用いられる細かい材料が６
０〜１５０メッシュ、好ましくは８０〜１２０メッシュ
の範囲内にあって、５〜１５ミルの厚みをもち、ステン
レス鋼製であり、一方粗い材料が５０メッシュ未満のメ
ッシュサイズと１５〜３０ミルの厚みを有することが好
ましい。

【００３０】前述の織り又は非織り合せ材料に加えて、
必要な断面積をもつスペーサ材料はメッシュを全く示さ
ずむしろ薄い中実のサポートシート上に平行に走る離隔
したリブであるような材料であってよい。このようなシ
ートは、シートの一部分として成形又は押出し加工され
た前述のリブを伴うものとして、成形又は押出し加工に
よって製造できる。代替的には、個々のフィラメントを
既存のシート上に被着させることができる。平行なリブ
又はフィラメントの間の空間及びリブ又はフィラメント
の高さによって構成される流路は、上述の定義の範囲内
に入る断面積を提供することになる。このような材料を
使用するためには、流路が中空中心マンドレル内へのエ
ンベロープ内の透過物の流れの方向に配列されるように
透過物エンベロープ内でシートが方向づけされているこ
とが必要である。

【００３１】本発明を実施することにより、流束及び選
択性の両方に関するうず巻き要素の性能は、スペーサ材
料によって導入されるあらゆる流体力学的効果による影
響無く、単独で使用された場合の膜の性能とほぼ同一で
ある。

【００３２】本発明は重質ナフサ分離、中質ナフサ分
離、軽質ナフサ分離などといった非芳香族からの芳香族
の分離において特に有用である。

【００３３】このような分離において有用である膜とし
ては、米国特許第４，９１４，０６４号に開示され特許
請求されているポリ尿素ウレタン、米国特許第４，９２
９，３５８号に開示され特許請求されているポリウレタ
ンイミド、米国特許第４，９４４，８８０号に開示され
特許請求されているポリエステルイミド、米国特許第
４，９８３，３３８号及び第４，９２９，３５７号に開
示され特許請求されているイソシアヌル酸塩架橋ポリウ
レタン膜、米国特許第４，９７６，８６８号に開示され
特許請求されているポリエステル膜、好ましくは米国特
許第４，９４４，８８０号及び米国特許第４，９９０，
２７５号のポリエステルイミドがあり、これらは全てこ
こに引用して記載に含める。ポリアクリレート膜も同様
に使用可能である。アクリル酸エステル単独重合体又は
それらの互いの共重合体又はアクリル酸との共重合体
も、膜の形に形成することができる。アクリル酸単量体
単位は、遊離酸の形のものであってもよいし、或いは又
部分的又は全体的に金属又はアルキルアンモニウムイオ
ンと中和されていてよい。膜は、共有結合によって又は
イオン結合で架橋されうる。

【００３４】重質ナフサ分離といった芳香族／非芳香族
分離プロセスにおいて用いられたとき膜上の腐食被着物
層（例えば硫化鉄）の堆積のために経時的に性能を喪失
するポリエステルイミド膜といったような膜は、５００
〜３０００の分子量をもつ界面活性材料であるガソリン
分散剤／洗剤中に膜を浸漬させることによって、その当
初の性能レベルまで回復させることが可能である。分散
剤／洗剤は、エーテルアミン、ヒドロカルボニルアミ
ン、ヒドロカルボニルアミド又はその混合物を含む官能
基を伴う、ポリブテン又はポリプロピレンでありうる主
鎖構造を有する。使用可能な膜再生用洗剤／分散剤の一
例としては、ＢＡＳＦから入手可能なＣＳ−３Ｋｅｒ
ｏｆｌｕｉｄがある。

【００３５】膜分離プロセス特に透過蒸発プロセスにお
いては、膜に欠陥が無いことも同様に重要である。膜内
の穴の存在は、膜の選択性性能を著しく減少させうる。
透析蒸発膜内の微小な欠陥は、ヘプタンといったような
液体で膜の表面をブラシがけし真空をかけて引くか又は
水、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）混合物（例えば
５０対５０の重量比）で膜の表面をブラシがけだけする
ことによって、モジュール又は要素の組立ての前に識別
することができる、ということが見出された。欠陥を通
過するヘプタン又はＩＰＡは、膜が成形される膜の裏打
ちを湿らせ、その結果半透明なスポットがもたらされか
くして欠陥を識別する。この欠陥は、欠陥部域上ににか
わを塗布することによってつぎ当てすることができる。

【００３６】

【実施例】本発明を以下の例で説明するが、これらは本
発明を制限するものではない。

【００３７】例１補給物／保留物及び透過物スペーサが１４メッシュのポ
リエステルで構成された（透過物スペーサは膜サポート
として働くＴｒｉｃｏｔ８８４６ポリエステルの層によ
り膜から分離されている）要素を、１４メッシュのポリ
エステル透過物スペーサがサポートとして８０メッシュ
のステンレス鋼層の間にはさまれ（Ｔｒｉｃｏｔ８８４
６ポリエステルサポート層は全く使用されない）、補給
物／保留物スペーサが３３メッシュのテフロンである本
発明の範囲に入る改良型要素と比較した。Ｔｒｉｃｏｔ
８８４６は、メリーランド州のHornwood Inc. から入手
可能である。これは、１インチあたり４８ストランドの
縦の目と１インチあたり５８ストランドの横の目をもつ
厚さ４ミルの織布である。この織布は、１６％の樹脂ピ
ックアップをもつエポキシでコーティングされている。

【００３８】２つの要素を、ポリ尿素／−ウレタン膜を
用いて１００℃、１０ミリバールの透過物圧力での重質
ナフサの分離について評価した。

【００３９】膜は、以下のようにして調製した：

【００４０】ポリ尿素重合体を含む液体を調製する。ア
ジピン酸ポリエチレン（ＭＷ−２０００）４．５６グラ
ム（０．００２２８モル）、５００MWのアジピン酸ポリ
エチレン２．６６グラム（０．００５３２モル）、及び
４，４′ジフェニルメタンジイソシアネート３．８１グ
ラム（０．０１５２モル）を、撹拌器と乾燥用管の備わ
った２５０mLフラスコに加える。温度を９０℃まで上昇
させ、撹拌しながら２時間保持して、イソシアネートで
エンドキャッピングされたプレポリマーを生成する。２
０グラムのジメチルホルムアミドをこのプレポリマーに
加え、透明になるまで混合物を撹拌する。１０グラムの
ジメチルホルムアミドに１．５グラム（０．００７６モ
ル）の４，４′ジアミノ−ジフェニルメタンを溶解さ
せ、次に鎖延長量剤として前記プレポリマー溶液に付加
する。次にこの混合物を２０分間室温で（約２２℃）反
応させた。この溶液を、６０／４０重量％のジメチルホ
ルムアミド／アセトンの混合物を含むことになるように
５重量％まで希釈した。溶液を１週間放置した。熟成し
た溶液の粘度は約３５cps.であった。この時間の後、熟
成した溶液に対して１重量％のＺｏｎｙｌＦＳＮ（デュ
ポン社）フルオロ界面活性剤を加えた。組合せの厚みが
４ミルである、不織Ｎｏｍｅｘ／ポリエチレンテレフタ
レートの裏打ちの上に成形された７５％の多孔度の公称
０．１ミクロンの孔をもつ微孔性テフロン膜（Gore社製
Ｋ−１５０）に、連続作業で前記重合体溶液をコーティ
ングした。コーティングを６０℃まで加熱したオーブン
の中で乾燥させた。この技術は、厚みが３〜４ミクロン
のポリ尿素／ウレタン層の伴う複合膜を作り出した。

【００４１】評価の結果は、第１表に示す通りである。

【００４２】第１表透析蒸発用要素の設計間の性能差うず巻き型要素の設計透過物スペーササポート／あり／Tricot 8846 あり／80メッシュメッシュサイズステンレス鋼透過物スペーサメッシュサイズ 14 14 補給物スペーサメッシュサイズ 14 33 要素の性能（１）選択性、デルタＲＯＮ 8.1 10.2 流束、kg／Ｍ²−日 31 48 ────────────── （１）１００℃及び１０ミリバールの透過物圧力。

【００４３】表を見ればわかるように、ポリエステルト
リコットスペーササポートを用いたうず巻き型設計の場
合、８．１という選択率が達成された。これとは対照的
に、ステンレス鋼スペーササポートを用いたうず巻き型
設計の場合、１０．２という選択率が達成された。芳香
族／飽和物分離においては、選択率は、透過物と補給物
の間のオクタン差によって測定される。流束も著しく改
善した。パッケージ間の性能差は、流束が著しく高くな
ることから温度が高くなるにつれてさらに大きくなるこ
とが予想できる。

【００４４】重質ナフサを用いた要素性能評価を検討し
た後、透過物スペーサの流れ特性を直接測定する研究が
行なわれた。これらの研究については、要素のまわりの
外側ラップ層を除去し、中空中心マンドレルと平行でこ
こから最も遠く離れた密封縁部に沿って１枚の葉状部分
の透過物エンベロープを入念に大気へと開放した。次
に、中空中心マンドレル上でさまざまな真空レベルを引
き出し、透過物スペーサを通しての結果として得られた
空気流速を測定した。データを、第１Ｂ表に示す。

【００４５】第１Ｂ表透過物スペーサ設計の流れ特性の比較中心マンドレル測定した流速（Ｌ／分）（ＳＴＰでの空気）内の真空レベル（即ち、透過物スペーサ内の圧力ポリエステルトリコットステンレス鋼サポート降下）、mmHg サポート層を伴う要素層を伴う要素 4.0 4.0 7.6 6.8 14.7 11.3 16.2 25.1 27.9 11.9 32.1 36.8 46.0 46.4 50.8 30.3 54.0 19.3 76.2 38.5 127. 53.5 140. 62.3

【００４６】このデータは、一定の与えられた圧力降下
について、ステンレス鋼サポート層を伴う要素を通る空
気流が、ポリエステルのＴｒｉｃｏｔ８８４６サポート
層を伴う要素の場合に比べて著しく多いことを示してい
る。データの線形回帰からスペーサの流れ抵抗パラメー
タを計算することができる。ポリエステルＴｒｉｃｏｔ
層を利用する要素については、パラメータは２．３０mm
Hg／（ＳＴＰ空気Ｌ／分）であるのに対して、ステン
レス鋼層を利用する要素については０．９６mmHg／（Ｓ
ＴＰ空気Ｌ／分）である。流れ抵抗パラメータの低い値
は、透過物圧力降下の減少ひいては比較的低い平均透過
物絶対圧が存在することを表わしていることから、望ま
しいものである。透析蒸発については、比較的低い透過
物絶対圧力は、比較的高い選択率及び比較的高い流束と
結びつけられる。

【００４７】例２透析装置の性能に対する補給物／保留物スペーサの開放
断面積と厚さの影響を決定するため、別の例を実施し
た。

【００４８】４つの要素を製造した。各々の要素は、ま
ず第１に２部のピロメリット酸に無水物（ＰＭＤＡ）で
１部の分子量２０００のアジピン酸ポリエチレン（ＰＥ
Ａ）をエンドキャッピングし、次にこのエンドキャッピ
ングした重合体の１部をメチレンジアニリン（ＭＤＡ）
と反応させてポリアミド酸を形成することによって作っ
た、同じポリエステルイミド膜材料を使用した。次にこ
のポリアミド酸を、例１において前述したとおりの０．
１ミクロンのテフロンシート上にコーティングさせた。
このポリアミド酸の粘度は、室温で９０〜１５０cps の
範囲内であった。このポリアミド酸をテフロンシート上
に被着させた後、このポリアミド酸を７．２５分間２６
０℃で硬化させた。使用した透過物スペーサは、５層の
スクリーン、すなわち１２０メッシュのステンレス鋼／
１７メッシュのアルミニウム／１２０メッシュのステン
レス鋼／１７メッシュのアルミニウム／１２０メッシュ
のステンレス鋼で構成されていた。

【００４９】この４つの要素は、重質ナフサ上で１４０
℃、１０ミリバールの透過物圧力にて評価した。

【００５０】さまざまな開放断面積（メッシュ）及び厚
みの補給物スペーサを使用した。結果を第２表に示す。

【００５１】第２表透析蒸発用要素の性能に対する補給物スペーサの効果補給物スペーサスクリーンサイズ、メッシュ 67 33 18 14 厚み、ミル 10 21 17 33 要素の選択率デルタＲＯＮ 8.9 10.2 11.8 8.1

【００５２】厚く粗いスペーサ（３３ミル／１４メッシ
ュ）の場合、要素の性能は、補給速度が一定の与えられ
た流速において比較的低いために、低くなっていること
がわかる。逆に薄く細かいスペーサ（１０ミル／６７メ
ッシュ）の要素では、高い圧力降下のため、性能は厚く
粗いスペーサで達成されるものに比べ改善されているも
のの、粗と細の間の中庸な厚さと粗さをもつスペーサで
得られるものほど高くはない。

【００５３】従って、透過要素における補給物スペーサ
は、有利には１６〜８０メッシュ、好ましくは１６〜６
０メッシュ、より好ましくは２０〜６０メッシュであ
り、厚みは１０〜３０ミル好ましくは１７〜１５ミルで
ある。

【００５４】例３改良型要素設計の有効性をさらに例示するため、いくつ
かの要素を製作し、重質ナフサの透析蒸発についてテス
トした。全てのテスト要素は同じ膜材料つまり、前述の
ように同じテフロン膜裏打ち上に成形された例２のポリ
エステルイミドを利用した。

【００５５】４つの試料要素Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤを製造し
た。

【００５６】要素Ａは、補給物スペーサ及び透過物スペ
ーサの両方として１４メッシュのポリエステルの単一層
を利用した。透過物スペーサとして用いる場合、これ
は、要素製造中の粗い透過物スペーサによる膜層に対す
る損傷を防ぐため、透過物スペーサの各側に一層ずつ計
２層のポリエステルフェルトスペーササポート（Ｔｒｉ
ｃｏｔ８８４６）によって膜表面から隔離した。

【００５７】要素Ｂ，Ｃ及びＤは、Ｎｏｍｅｘ層を介在
させることによって膜表面から隔離された多重の透過物
スペーサ材料層及び隣接する透過物エンベロープ葉状部
分の間に置かれた単一又は多重の補給物スペーサを使用
した。なおあらゆるケースにおいて、補給物スペーサ材
料は２０以上のメッシュを有する比較的細かい材料であ
った。

【００５８】第３表は、４つの膜要素の各々において用
いられ、結果として得られる透過物のデルタＭＯＮ（モ
ーター法オクタン価）で表わされた各要素の選択率を記
した、補給物及び透過物スペーサの詳細を示している。

【００５９】要素は全て、１４０℃、補給物圧力１５ps
i 及び透過物圧力１０ミリバールで重質ナフサを用い
て、再循環パイロットプラント内でテストした。各要素
の有効性は、透過物と補給物の間のモータ法オクタン価
の差（デルタＭＯＮ）を測定することによって評価し
た。流束は、テストに用いられたＨＣＮが酸素にさらさ
れていて膜の流束性能にマイナスの影響を与えるため、
比較しなかった。

【００６０】いかなる補給物スペーサ又は透過物スペー
サも無く平担な円形テストセルの中で単独で用いられた
場合、細かい焼結多孔性金属サポートによって支持され
た膜は、同じ条件下でΔＭＯＮ単位で１２．９という選
択率を示した。

【００６１】第３表を見ればわかるように、要素Ａは、
９．９というΔＭＯＮ単位での選択率を示し、これは膜
単独の場合より３．０ＭＯＮ低いものである。

【００６２】これに較べて、より剛性の高いスペーサ材
料とより細かく／剛性の高い補給物／保留物スペーサ材
料は１１．７〜１２．４までのΔＭＯＮ単位の選択率を
示し、全てのケースにおいて要素の効率は９０％以上で
あった。

【００６３】膜と１４メッシュのポリエステルスペーサ
の間にいかなる細かいメッシュのサポート中間層も無し
に１４メッシュのポリエステル透過物スペーサ上に直接
膜が置かれたならば、膜は透過物スペーサ内に充分に埋
込まれ、結果として性能が重大な劣化を受けることにな
るか、或いは又スペーサによって破壊されて結果として
運転不可能となることが予想される。

【００６４】第３表透析蒸発要素の性能要素補給物スペーサ透過物スペーサ選択率番号配置配置デルタＭＯＮＡ 14メッシュのPE PEフェルト(Tricot8846) 14メッシュのPE 9.9 PEフェルトＢ Nomex 33メッシュのAL 120メッシュのSS 11.7 33メッシュのAL 17メッシュのAL 17メッシュのAL 120メッシュのSS Nomex Ｃ Nomex 33メッシュのAL 100メッシュのSS 11.7 17メッシュのAL 100メッシュのSS 17メッシュのAL 100メッシュのSS Nomex Ｄ Nomex 50メッシュのSS 100メッシュのSS 12.4 50メッシュのSS 17メッシュのAL 100メッシュのSS 17メッシュのAL 100メッシュのSS Nomex （１）ＰＥＩ膜単独のデルタＭＯＮ選択率は１２．９で
ある。（２）ＰＥ：ポリエステル

【００６５】例４膜と補給物／保留物スペーサ層の間に不織シールド層を
置くことの効果を評価するため数多くのうず巻き型要素
パッケージを調製した。各要素は、例２において記述し
たものと同じ膜を使用した。結果を以下に示す。

【００６６】要素Ｉ． II． Nomex 補給物スペーサ配置 50メッシュのSS 50メッシュのSS 50メッシュのSS 50メッシュのSS Nomex 透過物スペーサ配置 Nomex Nomex 100メッシュのSS 100メッシュのSS 17メッシュのAL 17メッシュのAL 100メッシュのSS 100メッシュのSS 17メッシュのAL 17メッシュのAL 100メッシュのSS 100メッシュのSS Nomex Nomex 真空降下時間（分） 4 21

【００６７】真空降下時間は、うず巻き型要素パッケー
ジの気密性の尺度である。この試験においては、要素上
で２９″Hgの真空を引く。真空ポンプはその後オフに切
換える。要素内部の圧力は上昇する。真空降下時間は、
要素が２９″Hgから２２″Hgの真空まで移行するのにか
かった時間である。真空降下時間が長くなればなるほ
ど、要素の気密性は高い。

【００６８】要素II及びIII を、真空降下時間及び重質
ナフサの透析蒸発法による分離について評価した。まず
は２〜１０日間１４０℃で、次に２０〜２１日間１５０
℃で、１０mmHgの真空圧力下で、１３００ポンド／時の
流速で、透析蒸発試験を重質ナフサについて行なった。
１５０℃での作業からの結果を、以下に詳細に報告す
る。

【００６９】要素 III II Nomex 補給物スペーサ配置 30メッシュのAL 50メッシュのSS 50メッシュのSS Nomex 透過物スペーサ配置 Nomex Nomex 100メッシュのSS 100メッシュのSS 17メッシュのAL 17メッシュのAL 100メッシュのSS 100メッシュのSS 17メッシュのAL 17メッシュのAL 100メッシュのSS 100メッシュのSS Nomex Nomex 真空降下時間（分） 4 21 １５０℃でオイル上の日数 20 21 初期流束（kg／ｍ²／日） 288 229 一日当たりの流束降下（％） − 0.27 ^* 0.24 ^* 初期透過物ＲＯＮＣ 100.5 100.4 一日当たりの透過物ＲＯＮＣ − 0.087 − 0.018^* 降下（％）＊統計学的に有意でない（ＲＯＮＣ＝リサーチ法単味オクタン価）

【００７０】上表を見るとわかるように、１５０℃の高
い温度の作業で、Ｎｏｍｅｘ無しの要素III は、補給物
側にＮｏｍｅｘを有する要素IIに比べて、一定の選択率
でより高い初期性能、より高い流束を示していた。しか
しながら、要素III はオイル上の日数につれて著しい選
択度の損失を示したのに対して、要素IIはオイル上の日
数につれて統計的に有意な選択度損失を全く示さなかっ
た。両方の要素の流束安定性は満足のいくものであっ
た。

【００７１】上述の要素において、５０メッシュのＳＳ
は厚みが１１ミルであり、１００メッシュのＳＳは厚み
が９ミルであり、１７メッシュのＡＬは厚みが２３ミル
であり、３０メッシュのＡＬは厚みが２４ミルである。
Ｎｏｍｅｘ層はＶｅｒａｔｅｋＩｎｃ．からの不織布
である。Ｎｏｍｅｘは、Ｎｏｍｅｘ１０１９として識別
され、ポリアミドとポリエステルの混合物から成る。こ
れは、厚みが４．６ミルで、重量は３オンス／平方ヤー
ドで、Ｆｒａｚｉｅｒ透気度は１／２インチの水圧で
２．５cfm ／ft²である。要素は、メーカーの推奨事項
通り樹脂９部に対して１部の触媒の割合でＴｒａ−ｂｏ
ｎｄ２１２５接着剤を用いて組立てた。粘度を低くする
ため希釈剤を加えた。希釈剤は、ブチルベンジルフタレ
ートであるMon-santo 社製のＳａｎｔｉｃｉｚｅｒ１６
０可塑剤であり、１０％の希釈剤に対し９０％のＴｒａ
−ｂｏｎｄ２１２５を用いた。中心管はグリースや汚れ
をとり除くためB.F.Goodrich社のＡ−９３４−ＢＹプラ
イマーで拭ったものの、透過物スペーサについてはいか
なる表面処理も必要でなかった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者タン−ジェンチェンアメリカ合衆国，ルイジアナ 76810，バトンルージュ，クロッシングブールバード 17806 (72)発明者ディーンリロイスミス，ジュニアアメリカ合衆国，ニュージャージー 07092，マウンテンサイド，チャッティンコート 295 (72)発明者ドナルドセオドアブライアメリカ合衆国，カリフォルニア 92025, エスコンディド，イーストナインス 206 (72)発明者デボラデラクルツアメリカ合衆国，カリフォルニア 92026, エスコンディド，ノースグレープストリート 1170

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの膜面に沿って補給物−
保留物スペーサと接触させられている少なくとも１つの
透過物エンベロープを作り出し、透過物スペーサを取り
囲む、３つの縁部に沿って気密シールのほどこされた膜
材料層を含むうず巻き型膜要素において、多層構成全体
が中空の中心マンドレルのまわりに巻きつけられ、透過
物エンベロープはその４番目のシールの無い縁部を通し
てこれと流動的に連絡し、かくしてうず巻き型要素を作
り出しており、補給物−保留物スペーサには少なくとも
３０〜７０％の開放断面積をもつ少なくとも１つの層が
含まれ、透過物スペーサが少なくとも３層を含んでいる
うず巻き型膜要素であって、３つの層のうち外側層は約
１０〜５０％の開放断面積と少なくとも２〜３×１０⁵
ポンド／平方インチの剛性をもつ細かい材料であり、約
５０〜９０％の開放断面積をもつ粗い層が上述の細かい
外側層の間に置かれ、細かい外側層は透過物スペーサを
とり囲む膜層と界面接触状態にあることを特徴とするう
ず巻き型膜要素。