DE112017005224T5 - Verfahren zum Extrahieren von Komponenten aus Gasgemischen durch Pertraktion an nanoporösen Membranen - Google Patents

Verfahren zum Extrahieren von Komponenten aus Gasgemischen durch Pertraktion an nanoporösen Membranen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Membrangastrennung. Ein Verfahren zur Entfernung von Komponenten von Gasgemischen basiert auf dem Führen der Komponenten eines Gasgemischs durch eine nanoporöse Membran und ihrer anschließenden selektiven Absorption mit einem flüssigen Absorbens, das mit der nanoporösen Membran in Kontakt steht, wobei zur Verhinderung des Übergangs des Gases in die flüssige Phase des Absorbens und des Übergangs der flüssigen Phase des Absorbens in die Gasphase eine nanoporöse Membran mit homogener Porosität (Größenverteilung weniger als 50 %) und einem Porendurchmesser im Bereich von 5-500 nm verwendet wird und die Druckdifferenz zwischen der Gasphase und dem flüssigen Absorbens unter dem Blasenbildungspunktdruck der Membran gehalten wird. Bei einer Hohlfasermembran-Packungsdichte von bis zu 3200 m2/m3 wird eine Sauergas-Entfernungsleistung von mehr als 0,3 nm3/ (m2 Stunde) hinsichtlich CO2 erreicht, was einer spezifischen volumetrischen Leistung der Sauergasentfernung von bis zu 1000 nm3 (m3 Stunde) entspricht. Das technische Ergebnis ist die Bereitstellung einer effektiven Extraktion von unerwünschten Komponenten aus Erd- und Prozessgasgemischen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Membrangastrennung und kann zur Entfernung von unerwünschten Komponenten aus Erd- und Prozessgasgemischen verwendet werden. Der Hauptzweck der Erfindung besteht in der Abtrennung von Sauergasen (CO2 und H2S) aus Erd- und Erdölbegleitgasen zu deren Konditionierung für den Pipeline-Transport. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Komponenten eines Gasgemischs, das auf Membranpertraktion und selektiver Absorption einer Gasphasenkomponente in eine flüssige Phase durch eine nanoporöse Membran basiert. Durch die Verwendung von nanoporösen Membranen mit einem Porendurchmesser von 5 bis 500 nm und einer einheitlichen Porengrößenverteilung werden verbesserte Eigenschaften des Trennprozesses erreicht und wird die gegenseitige Permeation von Gas in die flüssige Phase eines Absorbens und des flüssigen Absorbens in die Gasphase verhindert, so dass der Prozess bei einem Transmembrandruck unterhalb des Blasenbildungspunktdrucks der Membran durchgeführt werden kann. Das Verfahren stellt eine höchste CO2-Extraktionsrate von mehr als 0,3 nm3/ (m2 · h) bei einer Packungsdichte der Hohlfasermembran von bis zu 3200 m2/m3 bereit, was einer spezifischen volumetrischen Leistung der Sauergasentfernung von bis zu 1000 nm3/(m3·h) entspricht. Dies ermöglicht eine effiziente Verarbeitung von Erd- und Erdölbegleitgasen auf Basis von sauren Komponenten unter Verwendung von kleinen Absorptionsmodulen und eine signifikante Verringerung der Kapitalinvestitions- und Betriebskosten von Gasverarbeitungsanlagen.
  • HINTERGRUND
  • Die Membranpertraktionstechnik ist ein Verfahren des Transfers von Inhaltsstoffen von der Gasphase in die Flüssigphase durch eine Membran. Das Verfahren wird in einem Membrankontaktor durchgeführt [Falk-Pedersen, O.; Dannstrom, H. Method for Removing Carbon Dioxide from Gases, 2001]. Durch eine große Kontaktoberfläche in einem durch Hohlfasern erzeugten „Gasabsorbens“-System werden die Abmessungen des Membrankontaktors und demzufolge die Betriebs- und Kapitalkosten für ihren Bau beträchtlich verringert.
  • Es gibt ein Verfahren zur Entfernung von CO2 aus Gasen ( US 6,228,145B1 ( WO98/04339 )), bei dem ein Hohlfaser-Membrankontaktor verwendet wird. Sauergas wird Hohlfasern zugeführt, während das Absorbens die Außenfläche umspült. Dieser Aufbau liefert eine Verringerung des Gewichts der Anlage um 70-75 %, eine Verringerung der Größe um 65 % sowie eine beträchtliche Verringerung des Verlusts des Absorbens im Vergleich zu der traditionellen Absorptionskolonne. In dem Patent wird die Verwendung von Hohlfasern sowohl in einem Absorber als auch in einem Desorber für die Absorbensregeneration vorgeschlagen. Die Packungsdichte der Hohlfasermembran beträgt 250-1000 m2/m3. In dem Patent wird vorgeschlagen, dass die Porengröße der Membran so gewählt wird, dass Absorbensmoleküle (Lösungsmittel) die Membran nicht durchdringen können, was die Palette von verwendeten Materialien auf mikroporöse Membranen mit extrem niedriger CO2-Permeabilität (typischerweise bis zu <<1 m3/ (m2·atm·h)) beschränkt. Nicht vorgesehen ist in dem Patent die Verwendung von Transmembrandruck, was unweigerlich zur Benetzung einer Membran mit einer Aminlösung, Schädigung ihrer internen Struktur und, beim Langzeitbetrieb, Eindringen des flüssigen Absorbens in die Gasphase führt. Außerdem nimmt dann, wenn das flüssige Absorbens in die Membranporen eindringt, da die CO2-Diffusionskoeffizienten in der Flüssigkeit wesentlich kleiner sind als in der Gasphase, die Rate des Gastransfers durch die Membran beträchtlich ab, was deren Leistung negativ beeinflusst.
  • Die Patentschrift US 8,702,844 lehrt ein Verfahren zur Verbesserung des Kontakts zwischen Absorbens und saurer Komponente und einen darauf basierenden Membrankontaktor. Der Kern des Verfahrens besteht in der Modifizierung von Membranmaterial mit Nanopartikeln, deren chemische Zusammensetzung von der Zusammensetzung des Membranmaterials verschieden ist. Die Einführung von Nanopartikeln mit verschiedener chemischer Beschaffenheit ermöglicht die Variation des Oberflächenbenetzungskontaktwinkels des Membranmaterials. Es wird vorgeschlagen, sowohl im Absorber als auch im Regenerator modifizierte Hohlfasern zu verwenden. Nachteilig ist bei dem Verfahren, dass ein zusätzlicher Modifizierungsschritt erforderlich ist, was die Kosten des Membranmaterials sowie die Möglichkeit von Mikrodefekten an der „Nanopartikel-Membranmaterial“-Grenzfläche, durch die die Chemikalienbeständigkeit des Membranmaterials beträchtlich verringert wird, erhöht.
  • Ein Verfahren zur Membrangastrennung unter Verwendung eines Membrankontaktors auf Basis von mit Trimethylsilylgruppen substituierten Polyacetylenen ist auch aus der internationalen Patentschrift US 7,591,878 bekannt. Die Erfindung eignet sich zur Verwendung für die Desorption von Kohlendioxid von Absorbentien bei hohem Druck. Das Verfahren wird unter einem Transmembran-Überdruck (mehr als 1 bar) auf der Flüssigphasenseite durchgeführt. Ein Nachteil der Erfindung besteht in der Verwendung von Polytrimethylsilylpropin als Polymermaterial, das unter hohem Druck in Gegenwart von Kohlendioxid erweicht und aufgrund von physikalischer Alterung seine hohe Permeabilität verliert.
  • Ein ähnliches Verfahren wird in einem Gebrauchsmuster eines Hochdruck-Membrankontaktors und einer darauf beruhenden Absorptions-Desorptions-Vorrichtung zur Abtrennung und Gewinnung von Kohlendioxid aus Begleit- und Rauchgasen implementiert ( RU-Patentschrift Nr. 128515 ). Der Hauptnachteil dieses Gebrauchsmusters besteht in der Verwendung einer Membran auf Basis von Polytrimethylsilpropin, die unter Einwirkung von CO2 schnell physikalisch altert, was mit physikalischer Degradation und einer drastischen Verringerung der Membranpermeabilität einhergeht.
  • Ein ähnliches Verfahren wird auch in einer Vorrichtung für den Stoffaustausch zwischen Flüssig- und Gasphasen verwendet (Patentschrift RU 2392038 ), wobei die Vorrichtung eine Stoffaustauschkammer aufweist, die durch zwei nicht durch die Flüssigphase benetzbare poröse Polymermembranen gebildet wird, zwischen denen ein poröses Polymermaterial angeordnet ist, wobei das poröse Polymermaterial nicht durch die Flüssigphase benetzbar ist und ein System von am Ende offenen Kanälen aufweist, durch die die Flüssigphase gepumpt wird. Die Außenfläche der Membranen wird von der Gasphase umspült. Das Verfahren wird unter Überdruck auf der Flüssigphasenseite durchgeführt, wobei der Transmembrandruck unter dem Kapillardruck der porösen Materialien gehalten wird. Die Vorrichtung liefert eine verbesserte Effizienz von Stoffaustauschprozessen in einem Flüssigkeit-Gas-System, aber ihre Implementierung in technischem Maßstab ist zu schwierig. Außerdem führt der Überdruck auf der Flüssigkeitsseite zu einer allmählichen Benetzung von porösen Materialien und deren Schädigung.
  • Die Patentschrift US 7,544,340 stellt ein Verfahren zur Erzeugung eines effizienteren Kontakts einer sauren Komponente mit einem Absorbens in einem Hohlfaser-Membrankontaktor bereit. Dabei wird das Absorbens unter einem Druck, der höher ist, zugeführt, um die Benetzungsresistenz der mikroporösen Hohlfaser zu überwinden. Infolgedessen dringt das Absorbens teilweise in die Poren der Hohlfaser ein. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der möglichen Degradation der Hohlfaseroberfläche im Lauf der Zeit unter einem Überdruck auf der Flüssigphasenseite, was zu einer Verringerung der Rate des Gastransfers durch die Membran, wenn die Poren mit der Flüssigphase gefüllt sind, und zum Eindringen des flüssigen Absorbens in die Gasphase beim Langzeitbetrieb führt. Diese technische Lösung wurde als Prototyp für das beanspruchte Verfahren der Extraktion von Komponenten von Gasgemischen gewählt.
  • Das Hauptproblem der Extraktion von Komponenten von Gasgemischen durch Pertraktion unter Verwendung von „Gas-Flüssigkeit“-Membrankontaktoren ist somit die allmähliche Benetzung der Membran mit einer Absorbenslösung unter Überdruck auf der Flüssigphasenseite, die zur Degradation des Membranmaterials, einer Verringerung der Transferrate von Komponenten, wenn die Poren mit der Flüssigphase gefüllt sind, und dem Eindringen des flüssigen Absorbens in die Gasphase beim Langzeitbetrieb führt.
  • Die vielversprechendste Lösung zum Verhindern des Füllens von Poren mit Flüssigphase ist das Aufrechterhalten von Überdruck in der Gasphase, was aber in Abwesenheit der Affinität eines flüssigen Absorbens für Membranmaterial unweigerlich zur Bildung von Gasblasen und Diffusion des Gases in die Flüssigphase führt. Zur Verhinderung dieses Phänomens muss die Außenfläche des Membranmaterials chemische Affinität für das Absorbens aufweisen, und der Druck zwischen der Gasphase und der Flüssigphase sollte den Blasenbildungspunkt der Membran, der den minimalen Gasdruck bestimmt, unter dem die Flüssigkeit aus Membranporen mit einem maximalen Durchmesser herausgepresst wird, nicht überschreiten. Somit bestimmt der Blasenbildungspunkt den maximalen Druckabfall zwischen Gas und Flüssigkeit, bei dem die Membrangastrennung möglich ist, ohne dass Gas in Flüssigkeit eindringt und umgekehrt.
  • Da der Blasenbildungspunkt einer Membran gemäß der Laplace-Gleichung durch die größten Poren bestimmt wird, wird der maximal zulässige Druck für den Pertraktionsprozess durch den Membranporendurchmesser beschränkt. Für beträchtliche Transmembrandrücke (0,1-10 bar) sollte der Membranporendurchmesser im Nanometerbereich (5-500 nm) liegen. Außerdem ist eine ausreichend geringe Streuung der Porengrößenverteilung (weniger als 50 %) ein wesentlicher Parameter, der die Homogenität der Membraneigenschaften und die Verdrängung von Flüssigkeit aus allen Poren gewährleistet. Bei einer breiten Porengrößenverteilung können kleine Poren infolge von Kapillardruck mit einer flüssigen Absorbensphase gefüllt werden, was die Leistungsfähigkeit der Membran verringern und zu ihrer Degradation führen wird.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Das vorliegende Verfahren ist auf die Lösung des Problems der Extraktion von unerwünschten Komponenten aus Erd- und Verfahrensgasgemischen einschließlich Erd- und Erdölbegleitgas durch Pertraktion in einem Membrankontaktor mit erhöhter Effizienz gerichtet.
  • Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf dem Durchgang von Komponenten eines Gasgemischs durch eine nanoporöse Membran und selektiver Absorption der Komponenten mit einem die nanoporöse Membran kontaktierenden Absorbens, wobei eine Druckdifferenz zwischen der Gasphase und dem flüssigen Absorbens unter dem Blasenbildungspunktdruck der Membran gehalten wird. Das vorgeschlagene Verfahren verhindert das Eindringen der Flüssigphase in das Porenvolumen der Membran, was deren Leistung erheblich verbessert und die Schädigung des Materials verhindert. Dies ermöglicht eine effiziente Verarbeitung und Reinigung von Erd- und Prozessgasen zur Erfüllung der technischen Anforderungen, einschließlich bezüglich saurer Komponenten, unter Verwendung von kleinen Absorptionsmodulen und eine beträchtliche Verringerung der Kapitalinvestitions- und Betriebskosten von Gasverarbeitungsanlagen und eine Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Membrankontaktors gegenüber Betriebsausfällen.
  • Dieses technische Ergebnis für das Verfahren zum Extrahieren von Komponenten aus Erd- und Prozessgasgemischen wird durch Verwendung einer nanoporösen Membran mit einem Porendurchmesser im Bereich von 5-500 nm und einer geringen Streuung der Porengrößenverteilung (weniger als 50 %) und durch Halten eines Transmembrandrucks zwischen einer Gasphase und einem flüssigen Absorbens in dem Membrankontaktor unter dem Blasenbildungspunktdruck der Membran erreicht.
  • Eine nanoporöse Membran kann in einer Flachrahmen- und Rohrgeometrie sowie in Form von Hohlfasern hergestellt sein. Strukturell kann die Membran in Form einer asymmetrischen Membran mit einer nanoporösen selektiven Schicht auf einem großporigen Substrat hergestellt sein. Die Membran kann auf der Basis von sowohl anorganischen als auch organischen Materialien, die gegenüber der Einwirkung eines Absorbens beständig sind, hergestellt sein, und ihre Außenfläche kann chemisch modifiziert sein, um eine höhere Affinität für ein Lösungsmittel bereitzustellen [N. Hilal, M. Khayet, C.J. Wright Membrane modification: technology and application, 2012]. Bei dem Membranmaterial kann es sich um anodisches Aluminiumoxid, Tracking-Polymere (Polycarbonat, Polyethylenterephthalat) sowie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polysulfon, Polyethersulfon, Polypropylen handeln. Die aufgeführten Materialien sind durch eine Porengrößenverteilung, die nicht größer als 50 % ist, eine Porengröße im Bereich von 5-250 nm und einen Blasenbildungspunktwert von bis zu 2 bar gekennzeichnet.
  • Als Absorbens können wässrige Lösungen von primären, sekundären und tertiären Aminen sowie Gemische von Aminen unterschiedlicher Basizität, Glykollösungen, physikalische Absorbentien, die für die Verarbeitung von Erd- und Prozessgasen durch Absorption verwendet werden, verwendet werden [A.L. Kohl und R. Nielsen, Gas Purification, 1997].
  • Dieses Verfahren sorgt für die Extraktion von Komponenten, wie CO2, H2S, Mercaptanen und Wasser aus Erd- und Prozessgasgemischen einschließlich Erd- und Erdölbegleitgas. Der Extraktionsgrad von Komponenten erreicht das Ausmaß von 90-99 %.
  • Die Absorbensregeneration ist auch durch eine nanoporöse Membran möglich, indem eine Druckdifferenz zwischen der Gasphase und dem flüssigen Absorbens unterhalb des Blasenbildungspunktdrucks der Membran aufrechterhalten wird und ein keine adsorbierten Komponenten enthaltendes Strippgas verwendet wird. Durch die Verwendung des beanspruchten Verfahrens werden zudem die Einwirkung des flüssigen Absorbens auf das Membranmaterial verringert, die Widerstandsfähigkeit des Membrankontaktors gegenüber Betriebseinflüssen beträchtlich verbessert, die Effizienz des Gastransfers erhöht und im Allgemeinen die Kapitalinvestitions- und Betriebskosten für Gasverarbeitungsanlagen verringert.
  • Diese Merkmale sind wesentlich und mit der Bildung einer stabilen Kombination assoziiert, die zum Erhalt eines gewünschten technischen Ergebnisses ausreicht.
  • Durch das Verfahren wird die Extraktionsrate von Sauergasen (mehr als 0,3 nm3/ (m2 · h) für CO2) bei einer Hohlfasermembran-Packungsdichte von bis zu 3200 m2/m3, was einer spezifischen volumetrischen Leistung der Sauergasentfernung von bis zu 1000 nm3/ (m3·h) entspricht, beträchtlich erhöht. Dieses Verfahren sorgt für eine effektive Verarbeitung von Erd- und Erdölbegleitgasen hinsichtlich saurer Komponenten bei Absorptionsmodulen und Regenerationsmodulen kleiner Größe. Die vorliegende Erfindung ist gewerblich anwendbar und kann in technischem Maßstab durchgeführt werden.
  • Das Prinzip der Extraktion von Komponenten von Erd- und Prozessgasgemischen durch Pertraktion an nanoporösen Membranen ist in 1 gezeigt.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren veranschaulicht. Es zeigen:
    • 1 das Prinzip der Extraktion von Komponenten aus Erd- und Prozessgasgemischen durch Pertraktion an nanoporösen Membranen.
    • 2 typische mikrophotographische Aufnahmen der Mikrostruktur der Oberfläche der nanoporösen Membran, die zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird.
    • 3 typische Chromatogramme eines Test-Ausgangsgemischs aus 94,5 % CH4, 5 % CO2 und 0,5 % H2S und eines verarbeiteten Gases, die unter Verwendung des beanspruchten Verfahrens hergestellt werden (die spezifische Strömungsrate von Einsatzgas beträgt 1 nm3/m2/h).
    • 4 die Abhängigkeit des durch das beanspruchte Verfahren erhaltenen Extraktionsgrads saurer Komponenten von der Strömungsrate des Einsatzgemischs.
    • 5 die Abhängigkeit des durch das beanspruchte Verfahren erhaltenen Extraktionsgrads von C2H6S von der Strömungsrate des Einsatzgemischs.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen veranschaulicht, die den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken sollen.
  • Beispiele 1 bis 6. Extraktion von CO2 und H2S aus Gemischen, die die Zusammensetzung von Erdgas simulieren
  • Das Verfahren zur Extraktion von sauren Komponenten wird folgendermaßen durchgeführt. Ein Einsatzgas wird dem Sauergasabsorber eines Pertraktionsmoduls zugeführt. Der Kontakt zwischen einem Absorbens und dem Gas erfolgt bei einer Temperatur von ~30°C, und die Regeneration einer Absorbenslösung erfolgt bei 80-130°C. Zur Regeneration wird die Absorbenslösung cyclisch einem Regenerator zugeführt, in dem die Desorption von absorbiertem CO2 und H2S erfolgt.
  • Der Pertraktionsprozess wird durch Verwendung eines für Gegenstrom-Stoffaustausch ausgelegten Moduls verstärkt. Das Membranpertraktionsmodul enthält einen Absorberkörper mit einer Kartusche von Hohlpolymerfasern und einen Regenerator. Das Modul sorgt für die Installation und Konservierung von Hohlfasermembranelementen, die einen möglichen Kontakt zwischen flüssigen und gasförmigen Medien unter einem Prozessdruck von bis zu 10 atm, einer Gasströmungsrate von bis zu 10 nm3/h und einer Flüssigkeitsströmungsrate von bis zu 0,1 nm3/h bereitstellen. Das Hohlfasermembranmodul mit einem Durchmesser von bis zu 150 mm ist so ausgelegt, dass es montiert und ersetzt werden kann. Der Absorberkörper hat eine rohrförmige Gestalt mit einer Länge von 900 mm, einem Innendurchmesser von 160 mm und einer Wanddicke von 3 mm. Im Gehäuse des Regenerators wiederholt sich ein ähnliches Element des Absorbers vollständig. Das System zur Zuführung von Gas- und Flüssigphasen ist zur Aufrechterhaltung eines konstanten Transmembrandrucks zwischen der Gasphase und einem flüssigen Absorbens durch Verwendung eines automatischen Druckhaltesystems und mit Hilfe eines Säulendrucks des flüssigen Absorbens ausgelegt.
  • Als Absorbens für die Durchführung des Verfahrens wird eine wässrige Lösung von Monoethanolamin (25%ig) verwendet. Als nanoporöse Membran werden Hohlfasern auf Basis von Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyethersulfon, Polysulfon und Polypropylen verwendet. Die Haupteigenschaften der Membranen sind in Tabelle 1 aufgeführt, und typische mikrophotographische Aufnahmen der verwendeten Membranen sind in 2 gezeigt.
  • Das Verfahren wurde unter Verwendung eines Gasgemischs aus 94,5 % CH4, 5 % CO2 und 0,5 % H2S getestet, und die Strömungsrate des Einsatzgemischs wurde von 0,5 bis 10 nm3/Stunde variiert. Der Gehalt des Gemischs an Sauergasen wurde mittels Chromatographie bestimmt. 3 zeigt Chromatogramme des Test-Einsatzgemischs aus 94,5 % CH4, 5 % CO2 und 0,5 % H2S und eines Retentats bei einer spezifischen Strömungsrate des Einsatzgemischs von 1 nm3/m2/h.
  • Es ist ersichtlich, dass die Durchführung des Verfahrens zu einer fast vollständigen Entfernung von sowohl CO2 als auch H2S führt (die Nachweisgrenze für Schwefelwasserstoff bei dieser Methode beträgt 0,005 Vol.-% H2S). 4 zeigt die Abhängigkeit des Extraktionsgrads saurer Komponenten von der Strömungsrate des Einsatzgemischs. Über den gesamten Bereich der Strömung wird Schwefelwasserstoff vollständig aus dem Gemisch entfernt, wohingegen der Extraktionsgrad für Kohlendioxid mit zunehmender Strömungsrate des Einsatzstroms abnimmt.
  • Zugleich sorgt ein Extraktionsgrad von 90 % für CO2 für die Verarbeitung eines Gasgemischs mit einem Kohlendioxidgehalt von bis zu 20 % in dem Maße, dass die Anforderungen der STO Gazprom 089-2010 erfüllt sind. Somit kann das Membranpertraktionsmodul für die Vorkonditionierung von Erdölbegleitgas hinsichtlich saurer Komponenten mit einer spezifischen Sauergasextraktionsrate für CO2 von mehr als 0,3 nm3/(m2·h) verwendet werden. Bei einer Hohlfasermembran-Packungsdichte von bis zu 3200 m2/m3 entspricht dies einer spezifischen volumetrischen Leistung der Sauergasentfernung von bis zu 1000 nm3/ (m3·Stunde).
  • Das Verfahren zur Entfernung von Mercaptanen wurde unter Verwendung eines Gasgemischs aus 1,3 % N2, 67,2 % CH4, 4,5 % CO2, 7,8 % C2H6, 5,1 % C3H8, 4,6 % i-C4H10, 7,8 % n-C4H10, 1,0 % i-C5H12, 0,6 % n-C5H12 und 0,1 % C6H14 mit einem Gehalt an C2H6S von 54 mg/m3 getestet. Die Strömungsrate des Einsatzgemischs variierte von 0,05 bis 0,25 nm3/h. Der Gehalt an Mercaptanen wurde durch Chromatographie-Massenspektrometrie bestimmt. Die Abhängigkeit des Extraktionsgrads von Mercaptanen von der Strömungsrate des Einsatzgemischs ist in 5 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass das vorgeschlagene Verfahren eine verringerte Konzentration von Mercaptanen im Gasgemisch bereitstellt; deren Extraktionsgrad ist jedoch geringer (10-45 %) als die Extraktionsgrade für Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid.
  • Somit erlaubt das beanspruchte Verfahren gemäß den erhaltenen Daten eine effektive Extraktion von unerwünschten Komponenten von Erd- und Prozessgasgemischen und eine beträchtliche Verringerung der Größe der Absorptionsmodule, was die Kapitalinvestitions- und Betriebskosten von Gasverarbeitungsanlagen beträchtlich verringert.
  • Tabelle 1. Haupteigenschaften der bei dem Verfahren zur Extraktion von Komponenten aus Erd- und Prozessgasgemischen durch Pertraktion an nanoporösen Membranen als Beispiele verwendeten Membranen
    Beispiel 1 2 3 4 5 6
    Membranmaterial PVDF Polyethersulfon Polysulfon Polypropylen
    Oberflächentyp Hydrophil Hydrophob Hydrophil Hydrophob Hydrophil Hydrophob
    Mittlere Porengröße, nm 10 10 10 10 10-30 100×500
    Blasenbildungspun kt, bar 0,5 0,2 >2 0,2 0,3 0,2
    Permeabilität für CO2, m3/ (m2 ·atm ·h) 0,42 0,62 - 0,61 10 40
    CO2-Selektionsrate, nm3/ (m2 ·h) 0,03 0,02 0,035 0,006 8 0,08 0,36
    Membranpackungsdichte, m2/m3 1000 1000 1000 1000 1000 3200
    Spezifische volumetrische Leistung, nm3/ (m3 ·h) 30 20 35 6, 8 80 >1000
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (13)

  1. Verfahren zum Extrahieren von Komponenten von Erd- und Prozessgasgemischen durch Pertraktion, bei dem man ein Einsatzgemisch in einer Gasphase auf der einen Seite einer Membran und ein Adsorbens auf der entgegengesetzten Seite der Membran führt und für die Diffusion der Gaskomponenten durch Poren und ihre Absorption mit einem flüssigen Absorbensstrom sorgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine nanoporöse Membran verwendet wird, wobei eine Druckdifferenz zwischen der Gasphase und dem flüssigen Absorbens erzeugt wird, die unter dem Blasenbildungspunktdruck der Membran liegt, um das Eindringen des Gases in die flüssige Absorbensphase und der flüssigen Absorbensphase in die Gasphase zu verhindern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zwischen der Gasphase und dem flüssigen Absorbens durch Verwendung eines automatischen Druckhaltesystems und mit Hilfe eines Säulendrucks des flüssigen Absorbens konstant gehalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenbildungspunktdruck der Membran bis zu 10 bar beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Porendurchmesser der nanoporösen Membran im Bereich zwischen 5 und 500 nm liegt und eine Porengrößenverteilung nicht größer als 50 % ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoporöse Membran in einer Flachrahmen- oder Rohrgeometrie oder in Form von Hohlfasern hergestellt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der nanoporösen Membran chemisch modifiziert ist, um eine höhere Affinität für ein Lösungsmittel bereitzustellen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoporöse Membran in Form einer asymmetrischen Membran mit einer selektiven nanoporösen Schicht auf einem großporigen Substrat hergestellt ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung einer nanoporösen Membran, die durch eine Packungsdichte von bis zu 3200 m2/m3 gekennzeichnet ist, eine Erhöhung des Absorptionsextraktionsgrads erreicht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine konstante Gas-/Flüssigphasen-Kontaktfläche bereitgestellt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den extrahierten Komponenten um Sauergase einschließlich, aber nicht beschränkt auf CO2, H2S, SO2, CH3SH, C2H5SH und (CH3)2S handelt, und Erdgase, Prozessgase oder Erdölbegleitgase als Einsatzgemisch verwendet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiges Absorbens Lösungen von Aminen einschließlich, aber nicht beschränkt auf Monoethanolamin, Diethanolamin und Methyldiethanolamin verwendet werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der nanoporösen Membran gegenüber der Einwirkung von Aminlösungen resistente Materialien einschließlich, aber nicht beschränkt auf Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetheretherketon, Polyvinylidenfluorid und Aluminiumoxid verwendet werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des durch die Membran hindurchgegangenen Absorbens ferner durchgeführt wird, indem man das Absorbens durch eine separate nanoporöse Membran führt, indem eine Druckdifferenz zwischen der Gasphase und dem flüssigen Absorbens unterhalb des Blasenbildungspunktdrucks der Membran bereitgestellt wird und ein keine adsorbierten Komponenten enthaltendes Strippgas verwendet wird, wobei das gereinigte Absorbens für die Extraktion von Komponenten von Erd- und Prozessgasgemischen wieder verwendet wird, wodurch ein geschlossener Verfahrenszyklus bereitgestellt wird.
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