CN103221125B - 酸性气体吸收剂组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了包含取代的聚胺作为酸性气体洗涤溶液的新颖的组合物和在工业系统中利用该组合物的方法。本发明涉及在工业过程中这样的聚胺化合物从天然的和工业流体流诸如天然气、燃烧气体、天然气、合成气、生物气和其它工业流体流中除去酸性污染物的用途。本发明的组合物和方法对于除去、吸收或螯合包括CO2、H2S、RSH、CS2、COS和SO的酸性污染物和硫化物污染物来说是有用的。
Description
发明的技术领域
本发明大体涉及新颖的化合物作为酸性气体洗涤溶液的用途。更具体地,本发明涉及取代的杂环胺和聚胺化合物在工业过程中从天然和工业流体流诸如天然气、燃烧气体、合成气流和烃类流体中除去酸性污染物的用途。本发明特别涉及从具有酸气杂质的气流中除去二氧化碳的工艺。
发明背景
天然气是气态烃类和非烃类杂质和污染物的混合物。除去例如二氧化碳和酸性硫化物污染物(例如,CO2、H2S、RSH、CS2、COS、SO2等等)来满足注入分配管线的天然气的质量和法规要求是主要的工业负担。这样的污染物常常是腐蚀性的并且还可损害气体的热值。另外,越来越多地关注因CO2和其它排放物引起的全球变暖促使对更加有效且经济地捕获这种污染物的方法做出巨大的投资。
通常可获得的商品链烷醇胺的水溶液一般被用作气体处理中的洗涤溶液(化学吸收剂)。这些洗涤系统的目的是为了从原气流中除去酸性污染物。由于能源的减少以及环境限制的紧张,在气化过程中“桶底(bottomof the barrel)”的经济使用日益增加。批准了许多新项目,大多数新项目在处理过程中均需要酸性气体净化来除去污染物。出于种种原因,诸如次级CO2市场、提高原油采收率以及温室气体减排,从烟气中除去CO2也是重要的。
弱有机碱诸如单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)包括本领域中已知的许多典型的链烷醇胺溶剂。已知MDEA具有在高压气流中除去CO2和其它酸性气体污染物的优点。使MDEA再生所需的能量是低的,因为它是相对弱的碱,且因此在与CO2反应的过程中形成的化学键比与其它常用的链烷醇胺反应的过程中形成的化学键弱。次级益处在于在吸收过程中形成的化学键的性质。作为叔链烷醇胺,MDEA与CO2反应以形成碳酸氢根离子而不是氨基甲酸盐,这导致了1∶1的MDEA与CO2的反应比。相反,其它常用的伯链烷醇胺和仲链烷醇胺优先形成氨基甲酸盐并且需要2∶1的反应比。CO2和叔链烷醇胺(例如,MDEA)之间的反应通常比CO2和其它常用的伯链烷醇胺和仲链烷醇胺之间的反应更有效。这些组合的益处导致比利用商用伯链烷醇胺和仲链烷醇胺诸如MEA和DEA所能取得的更大效率和能力的工艺。
利用叔链烷醇胺的缺点是CO2被间接地吸收,导致与其它商用链烷醇胺相比弱的驱动力和慢的反应速率。在高压气体接触体系中,由于CO2的较高分数使弱驱动力的效果降到最低,这可在液体中实现,该液体由在其之上的气体中的高的CO2分压产生。当气体在低压接触时,驱动力是弱的,因为CO2的分压也是弱的。因此,不存在压力的有利效果,并且在气体和液体之间建立的CO2平衡是低的。叔链烷醇胺由于其低的平衡加载量而不常规地用于低压应用中。其它更常用的伯胺和仲胺诸如MEA和DEA(其为较强的碱)由于其较高的驱动力以及与CO2的增加的反应速率而被用于这些应用中。在这些低压情况下,由于所达到的较大的平衡液体分布,低效的氨基甲酸盐反应的缺点更大。
为了在低的分压下增加用于CO2的MDEA的容量,开展了对碱性MDEA工艺的许多改进。这些改进通常涉及向MDEA溶液中添加少量的伯胺或仲胺(如美国专利第5,209,914号和第5,366,709号以及PCT申请第WO03/013699号中描述的)。得到的混合物通常被描述为具有被称为“催化剂”、“吸收促进剂”或“活化剂”的添加剂的配制的或共混的MDEA(例如,美国专利第6,740,230号)。这些添加剂一般通过在低的CO2分压下增加CO2吸入MDEA共混溶液中的速率来起作用,从而与单独的MDEA溶液相比增加CO2在液体中的分数。
虽然如所描述的,在除去CO2方面是有效的,但是已知的配制溶剂的商业应用没有那么理想的操作特性。用于配制的添加剂中的一些在MDEA中具有有限的溶解度,这降低了其效力,并且其通常较低的沸点(一些添加剂的沸点不是较低的)进而在维持其浓度方面产生难度。而且,添加剂与CO2的反应产物也是有问题的。因为它们是比MDEA强的有机碱,这些共混物具有需要更多的能量来再生的趋势并且其产物具有有限的溶解度。如果其浓度超过溶液中全部胺的大约20%,则这样的特性限制了它们的效力以及整个过程的效率。
因此,对改进用于从高压体系和低压体系中回收酸性污染物的组合物和方法存在工业需求。对兼具伯胺或仲胺的低压平衡能力和在挥发性降低的单一化合物中的叔胺的效率这两种益处的产物存在特别的需求。
发明简述
因此,本发明提供了用于从流体流诸如天然气、合成气、燃烧气体、生物气及其它工业流体流中除去二氧化碳和酸性硫化物污染物的新颖的组合物。在整个公开内容中,所提及的气体或流体流旨在包括(不限于)全部上述的流体。在优选的实施方案中,本发明的组合物被用于除去、吸收或螯合CO2。在其它优选的实施方案中,组合物被用于除去其它酸性污染物,包括而不限于酸性污染物和硫化物污染物,诸如CO2、H2S、RSH、CS2、COS和SO2。
在一个方面中,本发明是在工业过程中用于从流体流中吸收酸性污染物的吸收剂液体组合物。组合物包括具有以下通式,结构(I),的至少一种吸收剂组分。
R1是H、烷基、氨基烷基,或结构(II)。优选地,如果R1是H,则R10、R11、R12或R13中的至少一个不是H,并且如果R1是结构(II),则R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16或R17中的至少一个不是H。每个R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16和R17独立地是H、烷基或氨基烷基,并且每个m、n和o独立地是0、1或2,并且每个p和q独立地是0、1、2、3或4。
在另一个方面中,本发明是用于降低在工业流体流中的酸性污染物的工艺。工艺包括使流体流与所描述的组合物接触以形成洗过的流体流和富酸性气体的洗涤液体。从富酸性气体的洗涤液体中使包括所描述的吸收剂组分的至少一部分的组合物的至少一部分再生。
本发明的优点是提供具有特定分子结构的新颖的组合物,该组合物提供在低压和高压环境中都比常用的链烷醇胺溶剂更低的挥发性以及更大的对酸性污染物的工作容量。
本发明的另一个优点是提供如下的新颖的组合物,该组合物降低在天然气、合成气和烟气中的酸性污染物并且在低气压下具有对酸性污染物的增加的液体容量。
本发明的另外的优点是提供如下的新颖的组合物,该组合物降低在天然气、合成气和烟气中的酸性污染物并且具有降低的再生能(energy ofregeneration)。
本发明的另外的优点是提供如下的新颖的组合物,该组合物降低在天然气、合成气和烟气中的酸性污染物并且具有增加的除去深度。
本发明的又一个优点是提供如下的新颖的组合物,该组合物降低在天然气、合成气和烟气中的酸性污染物并且与当前的溶剂相比在工艺中具有改善的稳定性。
本发明的另一个优点是提供如下的新颖的组合物,该组合物降低在天然气、合成气和烟气中的酸性污染物并且与当前的溶剂相比在工艺中具有改善的粘度和再生能力。
本发明的另一个优点是提供如下的新颖的组合物,该组合物降低在天然气、合成气和烟气中的酸性污染物并且具有较高的沸点,这导致工艺中最小的损失以及降低的腐蚀性。
前文概述了本发明的相当宽泛的特征和技术优点以便更好地理解下面的发明详述。在下文中将描述本发明的另外的特征和优点,其构成本发明的权利要求书的主题。本领域技术人员应理解,所公开的概念和特定实施方案可易于被用作改良或设计用于实施本发明的相同目的的其它实施方案的基础。本领域技术人员应认识到,这样的等同的实施方案不偏离如所附权利要求书中陈述的本发明的精神和范围。
附图简述
图1图示了说明通常的胺溶剂洗涤系统中的设备的构造的简化的流程图。
图2显示了用于实施例1中讨论的对比测试的常规市售的CO2吸收剂。
发明详述
以下定义旨在是澄清性的,而并不旨在是限制性的。
“烷基”是指从直链或支链饱和烃中除去一个氢原子而得到的一价基团。代表性的烷基基团包括甲基;乙基;正丙基和异丙基;正丁基、仲丁基、异丁基和叔丁基;C5至C12基团;二十烷基(C20);二十一烷基(C21);二十二烷基(山嵛基,C22);二十三烷基(C23);二十四烷基(C24);二十五烷基(C25);3-、7-和13-甲基十六烷基;及类似物。优选的烷基包括甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基和异丁基。
“脂族胺”和/或“氨基烷基”是指具有一个或多个氨基取代基的烷基或具有多个烷基取代基的氨基。代表性的氨基烷基包括氨甲基、二甲基氨甲基、二乙基氨甲基、2-氨乙基、2-二甲基氨乙基、2-乙基氨乙基及类似物。
“氨基”或“胺”是指具有结构-NR′R″的基团,其中R′和R″独立地选自H和烷基,如先前定义的。另外,R′和R″合起来可以任选地是-(CH2)k-,其中k是从2至6的整数。代表性的氨基包括氨基(-NH2)、甲氨基、乙氨基、正丙氨基和异丙氨基、二甲氨基、甲基乙氨基、哌啶子基及类似物。
“除去深度”是指在最佳性能过程中逸出吸收剂溶液的CO2的量(即,CO2漏失),并且是CO2吸收效率的近似值。
“杂环胺”是指在环中含有至少一个氮成员的取代的碳环结构。
“工作容量”是指富加载量和贫加载量之间的差异。
本发明在一系列工业过程中得到应用,包括气田(例如,边际气田、偏远气田和酸气田)、液化天然气(LNG)液化开发、天然气合成油(GTL)开发、合成气,以及从燃烧气体中除去CO2。公开的组合物可被用于本领域已知的任何工业过程中,诸如单次或多次注入,或者任何专业的高压过程中,诸如美国专利第6,497,852号的“Carbon Dioxide Recovery at HighPressure”和第7,481,988号的“Method for Obtaining a High Pressure Acid GasStream by Removal of the Acid Gases from a Fluid Stream”中以及PCT专利申请第WO2007077323A1号的“Method for Deacidifying a Gas with aFractionally-Regenerated Absorbent Solution with Control of the WaterContent of the Solution”中所描述的那些。
参照图1,显示了其中本发明具有效用的示例的生产工艺(通常存在于天然气处理中)。生产工艺100包括原气入口105,其中气体在吸收塔110中与贫溶剂溶液(即,含有极低浓度的酸性污染物)以逆流方式接触(通常在大于大气压的压力下)。富溶剂溶液(即,含有从原料气吸收的高浓度的酸性污染物)从吸收塔110流出并且经减压阀(未显示)通向富胺闪蒸槽115,其中共同吸收的挥发性烃和所吸收的酸性气体污染物的一部分从溶剂中闪蒸出来并从槽中移进蒸汽排出流中。
已处理的气体出口120含有离开吸收塔110的顶部的气体,处理过的且不含酸性气体污染物。富胺溶剂离开富胺闪蒸槽115并且继续行进通过富/贫胺交换器125,其中富胺溶剂被加热,且然后进入再生塔130的顶部,其中当溶剂沿着塔向下流时,酸性气体污染物在低压和高温下与富溶液分离。富溶剂在塔中通过在塔的底部处的胺再沸器135中产生的逆流蒸汽流来汽提。热的再生溶剂聚积在塔的底部处并且汽提的污染物气体随汽提蒸汽离开塔的顶部。
离开再生塔130的顶部的蒸汽和溶剂蒸气进入酸性气体冷凝器140。在回流槽145中收集得到的液体用于通过回流循环泵165循环回到再生塔的顶部。再生的热的贫溶剂经富/贫交换器125从再生塔130的底部泵送(通过贫胺循环泵160),并且经贫胺冷却器150回到吸收塔110的顶部(通过贫胺压力泵170),其中重复该循环。贫溶剂在贫胺过滤器155中的过滤使其清除包括由原料气体流的不利组分产生的降解产物的固体和污染物。应理解,在该工艺中可在多个位置和不同位置中进行过滤。
在一个实施方案中,本发明的组合物包括至少一种取代的环状二胺组分(如以上结构(I)中所示的)。在优选的实施方案中,本发明的组合物包括在哌嗪环的1位氮和/或4位氮上具有取代基以及在2、3、5和/或6位上具有取代基的取代的哌嗪部分。在其它实施方案中,组合物包括具有4-至12元环的取代的环状二胺。
本发明的典型的N-单-或N-双-取代的哌嗪的示例结构显示为以下结构(III),其中R18是H、烷基、氨基烷基,或者结构(IV);R是以下所示的结构(II),并且R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25和R26独立地是H、烷基或氨基烷基。
R27、R28、R29、R30、R14、R15、R16和R17独立地是H、烷基或氨基烷基,并且每个m、n、o、x、y和z独立地是0、1或2。在优选的实施方案中,如果R18是H,则R14、R15、R16或R17中的至少一个不是H,并且如果R18是结构(II),则R27、R28、R29、R30、R14、R15、R16或R17中的至少一个不是H。
在另一个实施方案中,本发明的组合物包括N-单-和N-双取代的氨基哌嗪,其可在哌嗪环的2、3、5和/或6位上取代。取代基通常是甲基、乙基、丙基、异丙基或二甲基。应理解,虽然2、3、5和6未取代的哌嗪是成熟的CO2吸收剂,但是利用2、3、5和6取代的变化形式存在明显的优点。具体地,在工艺中观察到粘度降低以及改善的再生性能。
以下结构(V)示出了本发明的双取代哌嗪的实施方案的代表性结构。R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45和R46独立地是H、烷基或氨基烷基。优选的烷基包括甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基和异丁基。优选的氨基烷基包括2-氨丙基、2-氨丁基、氨乙基和氨丙基。在优选的实施方案中,R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37或R38中的至少一个不是H,并且R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45或R46中的至少一个不是H。每个s、t和u的值独立地是0、1或2。
代表性的单取代的哌嗪包括2-氨基丙基-哌嗪、2-氨基丁基-哌嗪、1-乙酰基哌嗪和1-甲酰基哌嗪。典型的双取代的哌嗪的代表性实例包括1,4-双-(2-氨丙基)-哌嗪;1,4-双-(2-氨丁基)-哌嗪;1,4-双-(3-氨丁基)-哌嗪;1,4-双-(N-甲基-氨乙基)-哌嗪;1-(2-氨丁基)-4-甲基哌嗪;1-(2-氨丙基)-4-甲基哌嗪;和1-(2-氨丙基)-4-乙基哌嗪;1-氨乙基-4-(2-氨丁基)-哌嗪;1-氨乙基-4-(2-氨丙基)-哌嗪;1-氨丙基-4-(3-氨丁基)-哌嗪;1-氨乙基-4-(N-甲基-氨乙基)-哌嗪;类似物;及其组合。
在一个实施方案中,本发明的组合物包括结构(1-14)中示出的式的至少一种吸收剂组分,其中R=H,或更优选地R选自甲基、乙基、丙基、异丙基,及其组合。
在另一实施方案中,本发明的组合物包括结构(15-21)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
在另一实施方案中,本发明的组合物包括结构(22-35)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
在又一实施方案中,本发明的组合物包括结构(36-42)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
在另一个实施方案中,本发明的组合物包括结构(43-49)中示出的式的至少一种吸收剂组分,其中R=H,或更优选地R选自甲基、乙基、丙基、异丙基,及其组合。
在另一实施方案中,本发明的组合物包括结构(50-56)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
在另一实施方案中,本发明的组合物包括结构(57-63)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
在一实施方案中,本发明的组合物包括结构(64-77)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
在另一实施方案中,本发明的组合物包括结构(78-84)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
在另一实施方案中,本发明的组合物包括结构(85-91)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
在另一实施方案中,本发明的组合物包括结构(91-97)中示出的式的至少一种吸收剂组分。
本发明的组合物还可包括所公开结构的衍生物和/或盐。代表性的衍生物包括碳酸盐、碳酸氢盐、氨基甲酸盐、脲和酰胺。代表性的盐包括全部无机盐、矿物盐和有机盐。
本发明的目的是使用许多组合物中公开的结构,该组合物包括单一或多个组分在水中或者与其它酸性气体溶剂组分诸如四亚甲基砜(即,环丁砜)、MDEA、DEA、MEA,及类似物的组合在水中和/或其它互溶剂中的溶液。
例如,单一和多个组分溶液在从约0.01至约100wt%的活性物的范围内或者从约1至约75wt%的活性物的范围内,并且包括使用溶剂,诸如水、醇、多元醇或其它酸性气体溶剂,及有机溶剂。在优选的实施方案中,组合物包括约10至约75wt%或者从约40至约50wt%的活性物。另外,根据活性物的量,组合物大体包括在0至99.09wt%范围内的量的溶剂。
本发明的组合物中使用的洗涤液体还可包括例如以下组分中的一种或多种:氨乙基-哌嗪;2-氨乙基-哌嗪;2-氨丙基-哌嗪;2-氨丁基-哌嗪;1-乙酰基哌嗪;1-甲酰基哌嗪;1,4-双-氨乙基-哌嗪;1,4-双-氨丙基-哌嗪;1,4-双-氨丁基-哌嗪;1,4-双-(2-氨丙基)-哌嗪;1,4-双-(2-氨丁基)-哌嗪;1,4-双-(N-甲基-氨乙基)-哌嗪;1-(2-氨丁基)-4-甲基哌嗪;1-(2-氨丙基)-4-甲基哌嗪;1-(2-氨丙基)-4-乙基哌嗪;1-氨乙基-4-(2-氨丁基)-哌嗪;1-氨乙基-4-(2-氨丙基)-哌嗪;1-氨乙基-4-(N-甲基-氨乙基)-哌嗪;2-吗啉代乙胺;2-氨丙基-吗啉;2-(1H-咪唑-1-基)乙胺;2-氨丙基-哌啶;2-氨丙基-吡咯烷;N1-(2-氨丙基)丁烷-1,4-二胺;N1-(3-氨丙基)丙烷-1,2-二胺;水;环丁砜,N-甲基吡咯烷酮;对应于前述的N-烷基化吡咯烷酮,哌啶酮和吗啉;甲醇;聚乙二醇的二烷基醚的混合物;C1至C4二烷基醚单乙二醇;C1至C4单醚单乙二醇;C1至C4二烷基醚聚乙二醇;C1至C4单醚聚乙烯乙二醇;C1至C4;乙二醇;二乙二醇;三乙二醇;N,N-二甲基甲酰胺;N-乙酰基吗啉;N-甲酰基吗啉;N,N-二甲基咪唑烷-2-酮;N-甲基咪唑;及类似物。
在另一实施方案中,本发明的组合物还可包括其它组分。代表性的其它组分包括胺、活化剂、促进剂、消泡剂、共吸收剂、缓蚀剂、溶剂、着色剂、类似物,及其组合的共混物。代表性实例包括链烷醇胺;环四亚甲砜及其衍生物;脂肪酸胺诸如乙酰基吗啉或N-甲酰基吗啉;提供碱解产物的碱金属化合物,诸如碱金属水解和和碳酸氢盐;脂族和环脂族单胺和二胺,诸如三亚乙基二胺、二环己胺、N-乙基-环己胺,及N,N-二甲基环己胺;类似物;及其组合。
在不同的实施方案中,本发明的吸收剂可包括例如2009年6月30日提交的美国专利申请序列号12/494,521的“Acid Gas ScrubbingComposition”、2009年6月30日提交的美国专利申请序列号12/494,533的“Acid Gas Scrubbing Composition”,以及2010年4月6日提交的美国专利申请序列号12/761,939的“Composition for Treating Acid Gas”中所公开的共吸收剂,其每一个专利申请均是目前待审的。
在另一实施方案中,共吸收剂包括一个或多个选自以下的组合:氧化钙、木质素磺酸钙、水化硅酸钙、氢氧化钙、碳酸钙、碳酸氢钙、碳酸钠、碳酸氢钠、天然碱、碳酸氢三钠、苏打灰、苏打石(nacholite)、铝酸钠、金属氧化物,及类似物。
活性剂和共吸收剂优选地以从约0.01至约90wt%,更优选地从约1至约50wt%,且最优选地从约1至约25wt%存在于本发明的组合物中(基于总的活性物的重量的wt%)。
在另一个方面中,本发明是用于在工业流体流中降低酸性污染物的工艺。使流体流与所公开的组合物接触以形成洗过的流体流和富酸性气体的洗涤液体。通常,组合物在从约0至约200℃的范围内的温度下与气流接触。在某些情况下,温度范围可以是从约0至约100℃或者从约20至约65℃。在组合物与流体流接触过程中,工业过程一般在从约0至约200atm,从约0至约100atm,从约0至约70atm,从约0至约50atm,从约0至约25atm,从约0至约10atm,或者从约1至约5atm的范围内的压力下进行。美国专利第4,556号的“Bis Tertiary Amino Alkyl Derivatives asSolvents for Acid Gas Removal from Gas Streams”公开了4至70atm的范围内的压力。加拿大专利申请第2,651,888号的“Carbon Dioxide AbsorbentRequiring Less Regeneration Energy”公开了从1至120atm的压力。应理解,本发明在相关领域中遇到的这些或其它压力范围中的任一个中均是可操作的。
富酸性气体的洗涤液体进一步通过再生系统来处理,其中使与流体流接触的包括吸收剂化合物的至少一部分的组合物的至少一部分再生。再生步骤通常在比吸收高的温度下发生(根据具体的工业过程),通常在从约0至500℃,从约20至约250℃,或者从约50至约150℃的范围内的温度下发生。用于再生步骤的压力范围通常是从0至约10atm,或者从约1至约5atm。在某些情况下,再生步骤可通过蒸汽辅助的再沸器来进行。再生还可通过分馏再生(fractional regeneration)工艺来进行(例如,WO2007/077323的“Method for Deacidifying a Gas with aFractionally-Regenerated Absorbent Solution with Control of the WaterContent of the Solution”)。
通过参照以下实施例可更好地理解前述内容,所述实施例旨在为了示出的目的并且不旨在限制本发明的范围。
实施例1
这一实施例中的测试被用作筛选可能的酸性污染物清除剂的手段,并且还用于证实现有的市售清除剂的性能。测试被设计为确定胺溶剂在吸收酸性气体时的最大容量。比较不同的胺溶剂。在恒定的压力和温度下用酸性气体饱和胺溶剂,直到不再能够吸收气体。富加载量和贫加载量之间的差被用来确定工作容量。测试被设计为通过沸腾来除去酸性气体以使溶剂再生以便可确定CO2在胺溶剂中的贫加载量。
溶剂性能由在相对于工业基准的模拟的胺接触器和再生器条件下在平衡时具有限定组成的气体混合物的液体加载量来表征。
为了强调所公开的新颖的胺的优点,对比常见的商用CO2吸收剂(诸如33.8/6.2wt.%)甲基二乙醇胺/哌嗪(DMDEA,MDEA的衍生物)、单乙醇胺(MEA)(且在图2中示出),利用实验室规模的固定床吸收池和分批再沸器检测了一些特定的样品。表1中表明的“吸附剂”编号对应于以上的结构编号以及图2中所表明的那些。通过在40℃下将吸收剂的水溶液暴露于30psig的CO2直到达到饱和来进行测定富加载量(由新鲜的吸附剂吸收的CO2重量%)的平衡饱和试验。通过在大气压下使吸收剂的水溶液回流2小时来确定贫加载量(再生后仍然与吸收剂缔合的CO2重量%)。工作容量被限定为富加载量减去贫加载量。正是工作容量最精确地反映了在工艺条件下化学物质吸收CO2的能力。这一评价的结果记录于表1中。
为了确定富加载量,由高压气体显示板组成的设备能够接纳100%CO2,CO2/N2混合物和CO2/H2S/N2混合物的供应。将选择的气体通过质量流量控制器(Sierra系列100质量流量控制器,获自CA的Monterey的SierraInstruments,Inc)供给到反应容器。附接到质量流量控制器的气体累加器(Sierra Compod)测量所使用的气体的体积。
当打开合适的集气筒的阀和调节器时,再循环浴被设置为40℃的温度。将200ml的玻璃反应容器附接到Buchi Picoclave的头部。关闭反应容器的入口阀和出口阀并且将入口压力调节器设置为30psig。气体混合物被设置为100%CO2并且流速被设置为0.5升/分钟。允许反应器入口处的气体压力达到30psig之后,制备表1中所示浓度的胺溶液,并且在达到与反应容器相同的温度之后,将胺溶液加入反应容器中并且在1,000rpm下搅拌。
打开入口阀并且允许反应器的压力平衡至30psig。当反应器中的压力达到30psig时,关闭入口阀并关掉气流。记录反应容器的体积。5分钟之后恢复气流并且继续直到压力平衡至30psig。重复这一过程直到不再吸收额外的CO2,如由最终体积所测得的。由吸收的CO2的最终体积来计算胺的wt%富加载量。
为了确定贫加载量,将再生的胺组合物倒入装备有机械搅拌装置和冷冻冷凝器(8℃)的250ml的3颈烧瓶中。将胺溶液缓慢地加热至回流(约100-104℃)以帮助避免气体的突然释放,气体的突然释放会引起溶液起泡沫。使溶液回流2小时且然后冷却至室温。通过标准氯化钡返滴定法来确定胺的贫加载量。
为了测定除去深度,利用质量流量控制器(Sierra系列100质量流量控制器)来控制气体通过反应容器的流动。将选择的气体通过质量流量控制器供给到饱和容器(其含有去离子水)且然后进入反应容器。经反压力调节器通过含有乙二醇的Dreschel瓶和含有硅胶的干燥管将气体从反应容器供给到CO2分析器。CO2分析器(Signal7000FM CO2分析器)记录流过其的CO2的浓度。在循环浴被设置为40℃的所需的温度。将200ml的玻璃反应容器固定到Buchi Picoclave的头部。在CO2分析器之前,将含有乙二醇的Dreschel瓶和含有硅胶的干燥管连接到气体管线,并且将反压力调节器设置为90psig。然后设置气体混合物(25%CO2/75%N2)和流速(0.45升/分钟)并允许其稳定30分钟。制备表1所示浓度的胺溶液并且如上来加热。然后将胺加入反应容器并将搅拌器设置为1,000rpm。关闭下游的调节器并开始数据记录。允许气体流动继续直到达到平衡~3小时。在运行结束时,停止气流,关闭反应容器的入口阀,并且停止数据记录。
表1:NPX胺对比常规的吸收剂
与每摩尔常规吸收剂的小于0.83摩尔的CO2相比,所测试的胺每摩尔吸收剂平均吸收约1.36摩尔的CO2。虽然97仅略微胜过常规的吸收剂,但是吸附剂1(R=甲基)显示出显著增加的工作容量(基于MEA增加了13%;基于DMDEA增加了22%)。这些新颖的胺还具有比MEA显著低的贫加载量。
所公开的胺的沸点在1atm下约200至约280℃的范围内(与在170℃和1atm下的MEA相比)。这样的较高的沸点帮助显著地降低当前与MEA的挥发性相关的损失和可能的环境释放,并且还帮助在溶剂再生过程中阻止CO2污染。初始实验室稳定性测试已表明,不像MEA(已知其在工艺条件下迅速降解),公开的胺在模拟的工艺条件下是高度稳固的,没有降解的迹象。
为了进一步强调所测试的胺用于碳捕获的效用,在40℃下将90psig的25%的CO2气体流通过吸收剂直到它们达到饱和并且记录除去深度。重要的是,对于许多测试的胺来说,除去深度接近0%,则表明它们在CO2捕获中是高度有效的,如表1所示的。
实施例2
虽然预料到支链化合物的贫加载量的降低超过直链化合物,但是所测试的分子的选定组还显示出支链目标的富摩尔比的独特的增加(表1)。当将直链AEP(工业中已知的促进剂)与支链吸附剂97和1(R=甲基)相比时,这种不寻常的反应性是特别明显的。摩尔容量的这种增加被认为是通过胺与CO2反应的机理的改变来发生。因此,CO2和支链胺之间的反应是更有效率的。
实施例3
这个实施例比较了吸附剂97和1(R=甲基)的吸收。两个分子的分子量是相同的,并且在相同的条件下测试;然而,吸附剂1(R=甲基)显示出工作容量增加7.6%,并且显著地改进了过程粘度并且改善了工艺的再生性能。这种效果归因于哌嗪环的碳的取代。
气体和液体之间的溶质的传递速率与液膜面积成比例,该液膜面积是两相之间的接触面。与具有较大粘度的基准液体相比,此接触面在具有较低粘度的液体中有利地是较大的,原因是与具有较大粘度的液体相比,较低粘度的液体中的平均气泡直径减小且导致接触表面积的增加。
此益处在溶质进入和离开液相的吸收和解吸中均可实现。在吸收塔中表面接触面积的增加使体积传质系数k1a成比例地增加,因此减少了获得所需的从气相至液相的溶质传递分数所需要的接触时间的量。在解吸塔中,表面积的增加又有利于质量传递,但是这次离开液相并进入汽提气相导致与更加粘稠的基准相比获得溶质的液相浓度所需的降低所需要的接触时间的减少。
根据本公开内容,在不进行过度实验的情况下可制得并进行本文所公开和说明的全部组合物和方法。虽然本发明可以体现为许多不同的形式,但是本文详细描述了本发明的特定的优选的实施方案。本公开内容是本发明原理的示例且不旨在将本发明限制于所示出的特定实施方案。另外,除非相反地进行清楚的陈述,否则术语“一个”的使用旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。例如,“一个设备”旨在包括“至少一个设备”或“一个或多个设备”。
绝对项或近似项中给出的任何范围旨在包括这两者,并且本文中使用的任何定义旨在是澄清性的,而不是限制性的。尽管陈述本发明的宽泛范围的数值范围和参数是近似值,但是特定实施例中陈述的数值尽可能精确地记录。然而,任何数值固有地包含一定的误差,这些误差是由存在于其各自的测试测量值中的标准偏差必然产生的。而且,本文公开的全部范围被理解为包括其中所包含的任何和全部子范围(包括全部分数和整数值)。
此外,本发明包括本文描述的不同实施方案中的一些或全部的任何和全部可能的组合。任何和全部专利、专利申请、科学论文及本申请中引用的其它参考文献以及其中引用的任何参考文献据此通过引用方式全文并入。还应理解,对本文所描述的当前的优选的实施方案的不同的改变和修饰对于本领域的技术人员来说是明显的。在不偏离本发明的精神和范围并且不减小其预期的优点的情况下可做出这样的改变和修饰。因此,期望这样的改变和修饰被所附权利要求覆盖。
Claims (18)
1.一种用于在工业过程中从流体中吸收酸性污染物的洗涤液体组合物,所述组合物包含:
(a)具有通式的至少一种吸收剂组分,包括其碳酸盐、碳酸氢盐、氨基甲酸盐、脲和酰胺:
(i)R1选自由以下组成的组:H及以下结构(II),
(ii)每个R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8和R9独立地是氢、烷基或氨基烷基,
(iii)每个R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16和R17独立地是H、烷基或氨基烷基;其中如果R1是H,则R10、R11、R12或R13中的至少一个不是H,并且如果R1是结构(II),则R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16或R17中的至少一个不是H,
(iv)每个m和o独立地是0、1或2,每个n独立地是0或1,且
(v)每个p和q独立地是0、1、2、3或4;及
(b)溶剂。
2.如权利要求1所述的组合物,其中R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8或R9中的至少一个不是H,并且R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16或R17中的至少一个不是H。
3.如权利要求1所述的组合物,其中p和q独立地是0、1或2。
4.如权利要求1所述的组合物,其中R2至R17中的一个或多个独立选择的烷基选自由以下组成的组:甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基和异丁基。
5.如权利要求1所述的组合物,其中R2至R17中的一个或多个独立选择的氨基烷基选自由以下组成的组:2-氨丙基、2-氨丁基、氨乙基和氨丙基。
6.如权利要求1所述的组合物,其中所述吸收剂组分包括选自由以下组成的组的至少一种:结构1-94及97,其中R=H、甲基、乙基、丙基、异丙基及其组合
7.如权利要求1所述的组合物,其中所述吸收剂组分包括选自由以下组成的组的至少一种:2-氨丙基-哌嗪;2-氨丁基-哌嗪;1,4-双-氨乙基-哌嗪;1,4-双-氨丙基-哌嗪;1,4-双-氨丁基-哌嗪;1,4-双-(2-氨丙基)-哌嗪;1,4-双-(2-氨丁基)-哌嗪;1,4-双-(N-甲基-氨乙基)-哌嗪;1-氨乙基-4-(2-氨丁基)-哌嗪;1-氨乙基-4-(2-氨丙基)-哌嗪;1-氨乙基-4-(N-甲基-氨乙基)-哌嗪。
8.如权利要求1所述的组合物,其中所述吸收剂组分以1至75wt%的范围内的量存在。
9.如权利要求1所述的组合物,还包含选自由以下组成的组的至少一种组分:活化剂、促进剂、消泡剂、共吸收剂、缓蚀剂、着色剂,及其组合。
10.如权利要求1所述的组合物,其中所述溶剂选自由以下组成的组:水、有机溶剂及其组合。
11.如权利要求10所述的组合物,其中所述有机溶剂是醇。
12.如权利要求10所述的组合物,其中所述有机溶剂是多元醇。
13.如权利要求10所述的组合物,其中所述溶剂选自由以下组成的组:四亚甲基砜、MDEA、DEA以及MEA。
14.一种用于在工业流体流中降低酸性污染物的工艺,所述工艺包括:(a)使所述流体流与权利要求1所述的组合物接触以形成洗过的流体流和富酸性气体的洗涤液体,及(b)使包含吸收剂组分的至少一部分的所述组合物的至少一部分从所述富酸性气体的洗涤液体再生。
15.如权利要求14所述的工艺,其中步骤(a)在从0至200℃的范围内的温度下和/或在从0至200atm的范围内的压力下进行。
16.如权利要求14所述的工艺,其中步骤(b)在从0至500℃的范围内的温度下和/或在从0至10atm的范围内的压力下进行。
17.如权利要求15所述的工艺,其中步骤(b)通过蒸汽辅助的再沸器进行。
18.如权利要求15所述的工艺,其中步骤(b)通过分馏再生来进行。
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