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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Offenbarung bezieht sich allgemein auf Membran-Kontaktvorrichtungssysteme
für das In-Kontakt-Bringen von Gas und Flüssigkeit
in der Verfahrensindustrie und spezifischer auf Membran-Kontaktvorrichtungen,
die eine oleophob behandelte Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen
benutzen.
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Systeme
zum Einfangen und/oder Trennen von Flüssigkeiten und Gasen
sind in einer Vielfalt von Anwendungen erwünscht. Beispielhafte
Anwendungen zum In-Kontakt-Bringen von Gas und Flüssigkeit
können Kohlendioxid-Abtrennung, Erdgas-Entschwefelung,
Entgasung von Öl und Ähnliches einschließen.
So kann z. B. die Entfernung von Kohlendioxid oder anderer Verbindungen
aus Gasen aus einer Anzahl von Gründen erwünscht
oder notwendig sein. Soll ein Gas als Brennstoff verbrannt oder
als Abfallströmung in die Atmosphäre emittiert
werden, dann ist die Entfernung von Kohlendioxid aus dem Gas erforderlich,
um die Anforderungen hinsichtlich der Kohlendioxidemission zu erfüllen,
die durch die Luftverunreinigungskontroll-Autoritäten festgesetzt
wurden. Bei Erdgas z. B. kann die Entfernung von Kohlendioxid (CO2) aus dem Gas Verkaufsspezifikationen oder
andere verfahrensabhängige Anforderungen erfüllen.
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Es
existieren verschiedene Systeme zum Entfernen von Komponenten, wie
CO2, aus Gasen. Füllbett-Wäscher,
Destillationssäulen, Stripper und Ähnliche sind
alles Vorrichtungen, die in solchen Anwendungen zum Kontaktieren
von Gas und Flüssigkeit zur Abtrennung/Entfernung von Komponenten
benutzt werden. Ein Beispiel eines Entfernungsprozesses unter Anwendung
der Absorption schließt das Entfernen von CO2 aus
Rauchgas mittels einer wässerigen Aminlösung ein.
Das abzutrennende Gas wird in eine Absorptionssäule geleitet,
wo es mit Aminlösung in Kontakt kommt, die die CO2-Moleküle absorbiert. Das Lösungsmittel
wird dann einem Desorptionsprozess zugeführt, wo die Flüssigkeit
erhitzt und die CO2-Moleküle aus
dem Aminlösungsmittel mittels einer Desorptionssäule
entfernt werden. Das Lösungsmittel wird gekühlt
und in die Absorptionssäule zurückgeführt,
während das konzentrierte CO2 entfernt
wird.
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In
einer Absorptionssäule kann die Dauer der Kontaktzeit mit
dem Lösungsmittel den Grad der Reinigung des Gases bestimmen.
Es muss daher eine gewisse Flüssigkeits-Oberfläche
pro Volumen für Kontakt mit dem Gas vorhanden sein, um
das Gas zu reinigen. Darüber hinaus wirkt sich die Menge
des Gases, die zu behandeln ist, auf die Größe
der Vorrichtung aus. Eine Absorptionssäule kann daher einen
großen Durchmesser und eine große Höhe
erfordern, um eine erwünschte Menge Gas bis zur erwünschten
Reinigung zu behandeln. Dies erhöht nicht nur die Kosten
des Systems sonder kann auch Einfluss auf die Brauchbarkeit des Systems
in Anwendungen haben, bei denen Größe und Gewicht
eine besonders teuere Angelegenheit sind, wie bei Offshore-Installationen.
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Gasabsorptions-Membranen
werden als Kontaktvorrichtungen zwischen einer Gas- und einer Flüssigkeitsströmung
genutzt. Diese Membran-Kontaktvorrichtungen enthalten eine poröse
Membran, die den Kontakt zwischen der Flüssigkeits- und
der Gasphase fördert. Die Trennung wird durch die Anwesenheit
einer Absorptions-Flüssigkeit (z. B. eines Aminlösungsmittels)
auf einer Seite der Membran verursacht, die selektiv gewisse Komponenten
aus der Gasströmung (z. B. CO2)
von der anderen Seite der Membran entfernt. Diese Technologie wird
derzeit als ein Ersatz für die Vorrichtungen benutzt, die
oben in Anwendungen zum In-Kontakt-Bringen von Gas und Flüssigkeit
erwähnt wurden.
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Der
Ersatz konventioneller Absorptionssäulen durch Membran-Kontaktvorrichtungen
kann zu signifikanten Verringerungen sowohl hinsichtlich der Kosten
als auch des Gewichtes für eine Trennsystem-Absorptionseinheit
führen. Membran-Kontaktvorrichtungen können aufgrund
der porösen Natur der Membran vielfache Größenordnungen
mehr Oberfläche pro Volumen als die oben erwähnten
konventionellen Absorptions-Kontaktvorrichtungen bereitstellen,.
Weiter sind Membran-Kontaktvorrichtungen frei von Problemen, wie Kanalisieren
und Fluten, die in gepackten und Trogsäulen auftreten können.
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Membran-Kontaktvorrichtungen
können jedoch an einigen Nachteilen leiden. Häufig
sind das Membranmaterial und dessen Porosität nur für
einen begrenzten Bereich von Flüssigkeiten brauchbar. Darüber
hinaus können die Poren der Membran im Laufe der Zeit blockieren
und dadurch die Wirksamkeit der Kontaktvorrichtung verringern. Einige
Membranen neigen zum Absorbieren gewisser Flüssigkeiten
und/oder verunreinigenden Mitteln. Die Materialien können
die Poren der Membran verstopfen und verhindern, dass das erwünschte
Gas hindurchdiffundiert, oder die Membran kann nicht länger
dem Hindurchdringen der flüssigen Phase wirksam widerstehen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Offenbart
hierin sind Membran-Kontaktvorrichtungssysteme, insbesondere solche,
die zur Kohlendioxid-Abtrennung benutzt werden, und Verfahren zum
Entfernen von Kohlendioxid aus einem Rauchgasstrom in einem Gasturbinensystem.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein
Membran-Kontaktvorrichtungssystem zum Entfernen einer Komponente
aus einem Gas ein Gehäuse, das ei nen Gasströmungspfad
definiert, eine mikroporöse Membran, die in dem Gehäuse
angeordnet ist, um das Gas durch die Membran hindurchströmen zu
lassen, wobei die Membran eine Struktur von durch Fibrillen verbundenen
Knoten umfasst, bei der die Oberflächen der Struktur der
Knoten und Fibrillen eine Vielzahl miteinander verbindender Poren
umfasst, die sich durch die mikroporöse Membran hindurch
erstrecken, wobei die Vielzahl der miteinander verbindenden Poren konfiguriert
sind zu gestatten, dass die Komponente hindurchdiffundiert, und
einen oleophoben Überzug, der auf der mikroporösen
Membran angeordnet ist, um eine überzogene Membran zu bilden,
und konfiguriert ist, der überzogenen Membran Oleophobizität
zu verleihen, ohne die Vielzahl miteinander verbindender Poren zu blockieren.
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In
einer anderen Ausführungsform umfasst ein Membran-Kontaktvorrichtungssystem
zum Einsatz bei der Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Gasstrom
in einem kontinuierlichen Strömungsprozess ein Gehäuse,
das einen Gasströmungspfad definiert und einen ersten Auslass
für das Kohlendioxid und einen zweiten Auslass für
das gereinigte Gas umfasst, eine mikroporöse Membran aus
expandiertem Polytetrafluorethylen, die in dem Gehäuse
angeordnet ist, um zu gestatten, dass der Gasstrom über
eine Seite der mikroporösen Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen
strömt, wobei die mikroporöse Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen
eine durch Fibrillen verbundene Struktur von Knoten umfasst, in
der Oberflächen der Struktur von Knoten und Fibrillen eine
Vielzahl miteinander verbundener Poren definieren, die sich durch
die mikroporöse Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen
erstrecken, wobei die Vielzahl miteinander verbundener Poren konfiguriert
ist zu gestatten, dass das Kohlendioxid hindurch diffundiert, einen
die Oleophobizität fördernden Überzug,
der auf den Oberflächen der Struktur der Knoten und Fibrillen
angeordnet ist, um eine überzogene Membran zu bilden, und
konfiguriert ist, der überzogenen Membran Oleophobizität
zu verleihen, ohne die Vielzahl miteinander verbindender Poren zu
blockieren, und eine Sorptionsmittel-Flüssigkeit auf Amingrundlage,
die auf einer Seite der mikroporösen Membran aus expandiertem
Polytetrafluorethylen gegenüber dem Gas angeordnet ist,
wobei die Sorptionsmittel-Flüssigkeit auf Amingrundlage
konfiguriert ist, das Kohlendioxid aus dem Gasstrom zu absorbieren.
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In
noch einer anderen Ausführungsform umfasst ein Gasturbinen-Triebwerk
ein Abgas-Behandlungssystem, konfiguriert zum Entfernen von Kohlendioxid
aus einem Verbrennungs-Abgasstrom, wobei das System umfasst: ein
Gehäuse, das einen Gasströmungspfad definiert
und einen ersten Auslass für das Kohlendioxid und einen
zweiten Auslass für das gereinigte Abgas umfasst, eine
mikroporöse Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen,
die in dem Gehäuse angeordnet ist, um zu gestatten, dass
der Abgasstrom über eine Seite der Membran strömt,
wobei die Membran eine Struktur von durch Fibrillen verbundenen
Knoten umfasst, in der Oberflächen der Struktur von Knoten
und Fibrillen eine Vielzahl verbindender Poren definiert, die sich
durch die Membran erstrecken, worin die Poren konfiguriert sind,
um zu gestatten, dass das Kohlendioxid hindurchdiffundiert, einen
die Oleophobizität fördernden Überzug,
der auf den Oberflächen der Struktur von Knoten und Fibrillen
angeordnet und konfiguriert ist, der Membran Oleophobizität
zu verleihen, ohne die Vielzahl verbindender Poren zu blockieren,
und eine Sorptionsmittel-Flüssigkeit auf Amingrundlage,
die auf einer Seite der Membran gegenüber dem Abgasstrom
angeordnet ist, wobei die Sorptionsmittel-Flüssigkeit auf Amingrundlage
konfiguriert ist, das Kohlendioxid aus dem Abgasstrom zu absorbieren,
um das gereinigte Abgas zu bilden.
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Die
oben beschriebenen und anderen Merkmale werden durch die folgenden
Figuren und die detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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In
den Figuren, die beispielhafte Ausführungsformen wiedergeben,
sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen:
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer
oleophob behandelten Gas/Flüssigkeits-Membran-Kontaktvorrichtung;
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2 ist
eine vergrößerte schematische Darstellung eines
Teiles der in 1 gezeigten Membran;
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3 ist
eine stark vergrößerte schematische Schnittdarstellung
eines Teiles der Membran in 2, die einen Überzug
veranschaulicht, der auf den Oberflächen der Membran angeordnet
ist;
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4 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
eines Membran-Kontaktvorrichtungssystems zur Kohlendioxid-Entfernung,
und
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5 ist
eine vergrößerte schematische Darstellung einer
oleophob behandelten Membran, die in dem Membran-Kontaktvorrichtungssystem
von 4 benutzt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
hierin beschriebenen Membran-Kontaktvorrichtungssysteme schließen
eine oleophob behandelte Membran aus expandier tem Polytetrafluorethylen
(PTFE) ein. Die oleophobe Behandlung auf der expandierten PTFE-Membran
kann gestatten, dass das Membran-Kontaktvorrichtungssystem in Anwendungen
wirksam ist, die einen weiteren Bereich von Flüssigkeiten
abdecken als gegenwärtige Membran-Kontaktvorrichtungen. Die
oleophobe Behandlung kann darüber hinaus die Betriebslebensdauer
der Membran in der Kontaktvorrichtung erhöhen durch Verringern
des Ausmaßes der Blockade von Poren, die während
der Benutzung auftreten kann. Die hierin beschriebene Membran-Kontaktvorrichtung
kann in irgendeiner Anwendung zum Kontaktieren von Gas und Flüssigkeit
angeordnet sein, wie, ohne Einschränkung, Kohlendioxid-Trennung/Entfernung,
Erdgas-Entschwefelung, Ölentgasung und Ähnlichen.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Membran-Kontaktvorrichtungssystem
gegenwärtige Absorptionseinheiten in einem Kohlendioxid(CO2)-Abtrennprozess ersetzten. Das Einsetzen
des Membran-Kontaktvorrichtungssystems anstelle gegenwärtiger
Trenntechnologien (z. B. Wäscher mit gepacktem Bett) zur
Kohlendioxid-Entfernung kann die Installations- und Betriebskosten
des Systems verringern, die Raumanforderungen und das Gewicht des
Systems vermindern und die Auswirkungen des Systems auf die Umwelt
verbessern durch Verringern der Menge des Flüssigkeitsstromes, der
durch die Gasphase mitgenommen wird.
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Wie
erwähnt, umfasst das Membran-Kontaktvorrichtungssystem
eine poröse Membran und ist konfiguriert, den Kontakt zwischen
einer Flüssigkeit und eine Gasphase zu fördern.
Wird die Membran zwischen dem Gas und der Flüssigkeit (d.
h., dem Lösungsmittel) angeordnet, dann steht die Flüssigkeit
nicht in direktem Kontakt mit dem Gas, das sich in Bewegung befindet.
Diese Trennung zwischen den Gas- und Flüssigkeitsphasen
ermöglicht die Anwendung einer hohen Gasrate in dem System,
ohne dass die Flüssigkeit von dem Gas mitgerissen wird. 1 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform einer Membran 10.
Die Größe der Poren 12 in der Membran 10 kann
gemäß der folgenden Überlegung ausgewählt
werden: die Poren 12 sind so groß, dass die „X”-Gasmoleküle
(z. B. CO2) sich rasch durch die Poren 12 und
in das Lösungsmittel bewegen (diffundieren) und die Poren 12 sind
so klein, dass das Lösungsmittel nicht in die Poren 12 und
durch die Membran 10 hindurchdringt. Die Membran des hierin
beschriebenen Systems ist vorteilhafterweise mit einem das oleophobe
Verhalten fördernden Material behandelt.
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„Oleophobizität” der
Membran kann auf einer Skala von 1 bis 8 gemäß AATCC-Test
118-1992 veranschlagt werden. Dieser Test bewertet den
Widerstand der Membran gegen Benetzen. Acht Standardöle,
mit #1 bis #8 bezeichnet, werden in dem Test benutzt. Das #1-Öl
ist Mineralöl (Oberflächenspannung: 31,5 dyn/cm bei
25°C) und das #8-Öl ist Heptan (Oberflächenspannung:
14,8 dyn/cm bei 25°C). Fünf Tropfen jedes veranschlagten Öls
werden auf der Membran plaziert. Ein Versagen tritt auf, wenn das
Benetzen der Membran durch ein ausgewähltes Öl
innerhalb von 30 Sekunden erfolgt. Die oleophobe Beurteilung der
Membran entspricht dem letzten erfolgreich getesteten Öl.
Je höher die oleophobe Beurteilung, um so besser die Oleophobizität. Nach
der Behandlung kann Membran 10 eine erhöhte Oleophobizität
aufweisen. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt
die Oleophobizität der Membran 10 mindestens 1,
spezifisch mindestens 2, spezifischer mindestens 4, noch spezifischer
mindestens 6 und am spezifischsten mindestens 8.
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Die
Membran
10 ist aus einem expandierten PTFE (ePTFE) zusammengesetzt.
Wie in
2 veranschaulicht, ist das ePTFE porös,
spezifisch mikroporös, mit einer dreidimensionalen Matrix
oder Gitterstruktur von Knoten
22, die durch zahlreiche
Fibrillen
24 verbunden sind. Oberflächen der Knoten
22 und
Fibrillen
24 definieren zahlreiche verbindende Poren
26,
die sich zwischen gegenüberliegenden Seiten der Membran durch
die Membran
10 hindurch erstrecken. Die Expansion des PTFE-Materials
zum Bilden der mikroporösen Struktur ist für den
Fachmann bekannt und schließt im Wesentlichen das Recken
der Membran bei einer gewissen Rate und Temperatur ein, wie z. B.
in
US-PS 3,953,566 beschrieben.
Beispielhafte ePTFE-Materialien sind kommerziell erhältlich
von z. B. Tetratec #1305 (Tetratec, Philadelphia, Pa.) oder Poreflon
® WP-100, Sumitomo Electric Industries,
Osaka, Japan.
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ePTFE
bietet typischerweise Luftdurchlässigkeit, während
es hydrophob ist. Diese Eigenschaft des ePTFE-Materials ist brauchbar
in Anwendungen, wo die Beschränkung von Wasser erwünscht
ist. Das ePTFE-Material kann mit einem oleophoben Material in einer
solchen Weise überzogen werden, dass es dem ePTFE oleophobe
Eigenschaften verleiht, ohne die Hydrophobizität oder die
Permeabilität des Materials zu beeinträchtigen.
Bezugnehmend auf 3, kann die oleophobe Behandlung
einen Überzug 28 an den Knoten 22 und
Fibrillen 24, die die Poren 26 in der Membran 10 bilden,
haften lassen. Der oleophobe Überzug 28 kann sich
auch an die Oberflächen von mindestens den meisten, spezifisch
allen, Knoten 22 und Fibrillen 24, die die Poren 26 in
der Membran 10 bilden, anpassen. Der Überzug 28 verbessert
die Oleophobizität der Membran 10, indem er der
Verunreinigung durch Absorption verunreinigender Materialien widersteht.
Dies gestattet, dass die behandelte ePTFE-Membran mit einem weiteren
Bereich von Flüssigkeiten und Gasen brauchbar ist, weil
die oleophob überzogenen Poren verhindern, dass verunreinigende
Materialien in der Membran absorbiert werden. „Verunreinigende
Materialien/Verunreinigungen”, wie sie hierin benutzt werden,
bedeuten im Allgemeinen irgendein Material, von dem nicht erwünscht
ist, dass Moleküle davon in der Membran für die
spezielle Anwendung absorbiert werden, oder irgendein Material,
das eine Blockade der Poren in der Membran verursachen kann.
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Die
Größe der Poren des oleophob behandelten ePTFE
kann dazu beitragen, den effektiven Bereich von Molekülen
zu bestimmen, die daran gehindert oder beschränkt werden
können, durch die Membran 10 zu strömen.
Einige Faktoren, die bei der Auswahl der Porengröße
in Betracht gezogen werden, sind Viskosität und Druck auf
der Flüssigkeitsseite der Membran. Zusätzlich
kann die Porengröße einen Effekt auf die Rate haben,
mit der Gas durch die Membran wandern kann. Eine beispielhafte mittlere
Porengröße kann im Bereich von etwa 0,05 Mikrometer
(μm) bis etwa 1,5 μm, spezifisch von etwa 0,2 μm
bis etwa 1,0 μm und spezifischer von etwa 0,5 μm
bis etwa 0,8 μm liegen. Größere oder
kleinere mittlere Porengrößen können
jedoch benutzt werden. Die mittlere Porengröße
der speziellen Membran 10 hängt von der beabsichtigten
Anwendung für das Membran-Kontaktvorrichtungssystem und
dem Bereich von Strömungsmitteln ab, die dabei involviert
sind.
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Ein
anderer Faktor bei der Strömung des Strömungsmittels
durch die oleophob behandelte ePTFE-Membran 10 ist die
Porosität der Membran (d. h., der Prozentsatz offenen Raumes
in dem Volumen der Membran, wie durch Vergleich der Dichte des ePTFE
mit Bezug auf die Dichte von nicht porösem, nicht expandiertem
PTFE bestimmt). Die beispielhafte Porosität der Membran 10 kann
in dem Bereich von etwa 20% bis etwa 95% liegen. In Abhängigkeit
von der Anwendung des Membran-Kontaktvorrichtungssystems kann die Porosität
der Membran im Bereich von etwa 70% bis etwa 95%, spezifisch von
etwa 80% bis etwa 95% und spezifischer von etwa 85% bis etwa 95%
für die meisten Anwendungen mit Gas-Flüssigkeitskontakt
liegen.
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Die
Abmessungen (z. B. Länge, Breite oder Durchmesser) der
Membran 10 können variieren und sie hängen
wiederum von der Verwendung des Membran-Kontaktvorrichtungssystems
ab. So kann z. B. ein Membran-Kontaktvorrichtungssystem, das als
eine Absorptionseinheit für die Entfernung von CO2 aus einem Turbinenabgas benutzt wird, Abmessungen
haben, die, neben anderen Dingen, auf der Größe
der Öffnung, durch die das Abgas strömt, der Strömungsrate
durch die Öffnung, der mittleren Menge von CO2 im
Abgas, der Menge von CO2, das während
der Lebensdauer des Systems zu absorbieren ist, und Ähnlichem
beruhen. In Abhängigkeit von der Größe
der beabsichtigten Anwendung kann das Membran-Kontaktsystem eine
einzige Schicht oleophob behandelter ePTFE-Membran oder mehrere
Schichten umfassen. In einer Ausführungsform kann die Membran
als ein hohles Rohr oder Rohre konfiguriert sein. In einer solchen
Konfiguration kann Flüssigkeit auf der Außenseite
des (der) Rohre(s) angeordnet sein und das Gas kann innerhalb angeordnet
sein. Umgekehrt kann die hohle Rohrmembran genauso wirksam sein,
wenn die Flüssigkeit innerhalb des (der) Rohre(s) und das
Gas außerhalb angeordnet ist.
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Die
Dicke der Membran kann z. B. von der Menge der erwünschten
Absorption, der mittleren Porengröße der Membran 10,
der erwarteten oder erwünschten Lebensdauer des Membran-Kontaktvorrichtungssystems,
der mittleren Porengröße anderer möglicher
Membranschichten in dem System und der Haltbarkeit der Membran 10 abhängen.
Je dicker die Membran 10 ist, umso beschränkter
ist allgemein die Strömung von Strömungsmittel
und/oder Molekülen durch die Membran 10. Die Dicke
der Membran in einem CO2-Trenn/Entfernungs-Prozess
kann somit z. B. durch einen Ausgleich einer erwünschten
Rate des Massentransportes von Strömungsmittel (z. B. Abgas)
durch die Membran und eine erwünschtes Ausmaß der
Filtration von CO2 bestimmt werden. In anderen
Ausführungsformen können, z. B. als Absorptionseinheiten,
brauchbare Dicken im Membran-Kontaktvorrichtungssystem in einem
Bereich von etwa 0,5 μm bis etwa 500 μm liegen.
In beispielhaften Ausführungsformen kann die Dicke der
Membran im Bereich von etwa 4 μm bis etwa 200 μm,
spezifisch von etwa 10 μm bis etwa 150 μm und
spezifischer von etwa 25 μm bis etwa 100 μm liegen.
Es können jedoch größere und geringere
Dicken benutzt werden.
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In
einer anderen Ausführungsform kann die Membran auf einer
Substratschicht angeordnet sein. Die Substratschicht kann der Membran
Festigkeit und Haltbarkeit verleihen. In einer beispielhaften Ausführungsform
kann die Substratschicht ein Textilmaterial sein. Ein Textilmaterial
kann ein Gewebe, Netz und Ähnliches sein. In einer Ausführungsform
kann die Membran an die Substratschicht laminiert sein. Die Lamination
der Membran an die Substratschicht oder -schichten kann durch thermische
Mittel, Klebemittel oder Ähnliches erfolgen. In dieser
spezifischen Ausführungsform kann die Gesamtdicke des Systems
aufgrund der Hinzufügung des Substrates größer
sein.
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Die
Membran 10 wird unter Einsatz eines oleophoben Überzugsmaterials
in einer Ausführungsform behandelt, um die Oleophobizität
der Membran zu erhöhen. Beispielhafte oleophobe Überzugsmaterialien schließen
fluorierte Polymere ein, die, wie sie hierin benutzt werden, Homopolymere
und Copolymere mit Fluorkohlenwasserstoff- oder Perfluorkohlenwasserstoff-Gruppierungen
einschließen. Die Fluor- oder Perfluorkohlenwasserstoff-Gruppierungen
können in die Polymer-Hauptkette, von der Polymer-Hauptkette
hängend oder als eine Kombination davon eingeführt
werden. Demgemäß kann eine Vielfalt verschiedener
Arten von Polymeren benutzt werden, einschließlich z. B.
Polyolefinen, Polyacrylaten, Polymethacrylaten, Polyestern, Polysulfonen,
Polyethersulfonen, Polycarbonaten, Polyethern, Polyamiden, Polyacrylamiden,
Polysulfonamiden, Polysiloxanen und Polyurethanen.
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Die
fluorierten Polymeren können durch Polymerisation einer
Vielfalt von Monomeren oder Oligomeren erhalten werden, von denen
bekannt ist, dass sie die erwünschte Hauptkette erzeugen
und die fluorierte oder perfluorierte C1-32-Kohlenwasserstoffgruppierungen,
im Besonderen Fluor(C1-32)alkyl- und/oder
Perfluor(C1-32)alkyl-Gruppierungen einschließen.
In einer Ausführungsform sind Perfluor(C1-16)alkyl-Gruppierungen vorhanden,
im Besonderen -CF3, -CF2CF3 und -CF2CF2CF3. In einer anderen
Ausführungsform sind Perfluor(C1-4)alkylen-Gruppierungen
vorhanden, im Besonderen -CF2-, -CF2CF2- und -CF2CF2CF2-.
Beispielhafte Monomer- oder Oligomer-Einheiten können z.
B. Fluor(C1-16)alkylacrylate, Fluor (C1-16)alkylmethacrylate, Perfluor(C1-16)alkylacrylate, Perfluor(C1-16)alkylmethacrylate,
fluorierte und perfluorierte C1-12-Olefine,
wie Tetrafluorethylen, Fluor(C1-12)alkylmaleinsäureester,
Perfluor(C1-12)alkylmaleinsäureester,
Fluor(C1-12)alkyl(C6-12)arylurethan-Oligomere,
Fluor(C1-12)alkylallylurethan-Oligomere,
Fluor(C1-12)alkylurethanacrylat-Oligomere
und Ähnliche einschließen. Die fluorierten Monomeren
oder Oligomeren können wahlweise mit zusätzlichen
nicht fluorierten Monomeren oder Oligomeren copolymerisiert werden,
einschließlich z. B. ungesättigten Kohlenwasserstoffe
(z. B. Olefinen), (C1-12)alkylacrylaten
und (C1-12)alkylmethacrylaten.
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Spezifische
beispielhafte Klassen dieser oleophoben Polymeren schließen,
ohne Einschränkung, apolare Perfluoralkylpolyether mit
-CF3-, -CF2CF3- und -CF2CF2CF3-Gruppierungen
(PFPE), Mischungen apolarer (PFPE) mit polaren monofunktionellen
PFPE, polare wasserunlösliche PFPE mit Phosphat-, Silan-
oder Amid-Endgruppen, Mischungen apolarer PFPE mit fluorierten oder
perfluorierten (C1-12)alkylmethacrylatpolymeren
oder fluorierten oder perfluorierten (C1-12)alkylacrylatpolymeren
und Copolymere ein, umfassend Perfluor(C1-3)alkylether-Einheiten
und fluorierte oder perfluorierte (C1-12)Alkylmethacrylat-Einheiten
oder fluorierte oder perfluorierte (C1-12)Alkylacrylat-Einheiten.
Die oben erwähnten Polymeren können vernetzt werden
z. B. durch UV-Strahlung in wässeriger Lösung
oder Emulsion. Mischungen der fluorierten Polymeren können
ebenso eingesetzt werden.
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Eine
spezifische Form, in der die oleophoben Polymeren kommerziell erhältlich
sind, sind Emulsionen. Beispielhafte Emulsionen können,
ohne Einschränkung, solche einschließen, die auf
Copolymeren von Siloxanen und Perfluor(C1-12)alkyl-substituierten
Acrylaten oder Methacrylaten beruhen, Emulsionen auf der Grundlage
fluorierter oder perfluorierter Co- oder Terpolymerer, wobei eine
Art von Einheit mindestens Hexafluorpropen- oder Perfluoralkylvinylether
enthält, Emulsionen auf der Grundlage von Perfluor(C1-12)alkyl-substituierten Polyacrylaten und
Methacrylaten und Ähnlichen. Diese Polymeren und ihre Herstellung
sind dem Fachmann bekannt. Ein spezifisches oleophobes fluoriertes
Polymer ist eine Dispersion von Perfluoralkylacrylcopolymer und/oder
Perfluoralkylmethacrylcopolymer auf Wassergrundlage, Zonyl® 8195, 7040, 8412 und/oder 8300,
erhältlich von Dupont of Wilmington, Del.
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Die
mikroporöse ePTFE-Membran wird oleophob gemacht, indem
man sie mit einer oleophoben Überzugszusammensetzung behandelt.
Der Prozess des Behandelns der Membran kann irgendein geeignetes Verfahren
zum oleophoben Überziehen eines Gegenstandes umfassen,
und diese sind dem Fachmann bekannt. Beispielhafte Techniken können
das Aufbringen der oleophoben Überzugszusammensetzung in
einer flüssigen Form, z. B. einer Schmelze oder Lösung
oder Latexdispersion des Materials, einschließen. Beispielhafte
Methoden zum Aufbringen des flüssigen oleophob machenden
Materials können, ohne Einschränkung, einschließen,
Eintauchen, Bestreichen, Spritzen, Walzenüberziehen, Bürsten
und Ähnliches über die Oberfläche der
Membran. Ungeachtet der Technik kann das Aufbringen ausgeführt
werden, bis innere Oberflächen der mikroporösen
Membranstruktur mit der oleophoben Überzugszusammensetzung überzogen
sind, nicht aber bis die Poren gefüllt sind, da dies die
Fähigkeit der Membran zur Gas-Flüssigkeits-Absorption
verringern würde. Die Anwesenheit der oleophoben Überzugszusammensetzung
hat wenig Auswirkung auf die Porosität, d. h., die die
Hohlräume in der mikroporösen Membran bildenden
Wände weisen nur einen sehr dünnen Überzug
des oleophoben Materials auf (wie in 3 veranschaulicht).
Das Aufbringen der oleophoben Überzugszusammensetzung kann
erzielt werden durch Variieren der Konzentration, des Feststoffgehaltes
der Lösung oder Dispersion und/oder durch Variieren der
Aufbringtemperatur oder des -druckes.
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Der
Gebrauch eines organischen Lösungsmittels kann die Verteilung
des oleophoben fluorierten Polymers durch die mikroporöse
Membran hindurch erleichtern. Typischerweise ist die mikroporöse
Membran ursprünglich nicht oleophob und sie kann oleophil
sein. Der Gebrauch eines organischen Lösungsmittels kann manchmal
Schwierigkeiten beim Benetzen und/oder Sättigen der Membranstruktur
mit der oleophoben Überzugszusammensetzung verringern.
Es kann eine Vielfalt organischer Lösungsmittel benutzt
werden. Der Begriff „organisches Lösungsmittel” soll
allgemein Bezug nehmen auf nicht wässerige Lösungsmittel
und Kombinationen nicht wässeriger Lösungsmittel
und im Besonderen auf Lösungsmittel, die organische Verbindungen umfassen.
Das oleophobe Material, wie es hierin benutzt wird, ist „in
einem organischen Lösungsmittel gelöst”, wenn
mindestens 50 Gew.-% des Materials in dem organischen Lösungsmittel
gelöst sind. Beispielhafte organische Lösungsmittel
können, ohne Einschränkung, Alkane, Ketone, Ester,
Etter, Alkohole und Ähnliche ebenso wie Kombinationen dieser
Lösungsmittel einschließen. So können
z. B. beispielhafte organische Lösungsmittel Heptan, Ethylacetat,
Butylacetat, Isoamylacetat, Dioctyladipat, Aceton, Methylethylketon,
Methylisobutylketon, Isopropanol, Diethy lether, Lackbenzin, Petroleumdestillat
und Kombinationen davon einschließen. Die Auswahl des organischen
Lösungsmittels oder der Lösungsmittel zum Einsatz
mit dem oleophoben Material kann durch eine Vielfalt von Faktoren
beeinflusst werden, einschließlich, ohne Einschränkung,
Löslichkeit des oleophoben Fluorpolymers, Siedepunkt des
Lösungsmittels, Molekulargewicht des Lösungsmittels,
Polarität des Lösungsmittels oder der Lösungsmittelkombination
und Ähnlichen.
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Während
des Aufbringens auf die Membran kann die oleophobe Überzugszusammensetzung
die Membran 10 benetzen und sättigen. Das Lösungsmittel
kann dann entfernt werden, z. B. durch Lufttrocknen oder Erhitzen.
Die oleophobe Überzugszusammensetzung ist auf die Membran 10 aufgebracht
und kann dem Membran-Kontaktvorrichtungssystem Oleophobizität
verleihen. Es ist in einigen Ausführungsformen möglich, eine
kovalente Kopplung zwischen dem oleophoben Überzug und
der Membran zu erzielen. In einer wahlweisen Ausführungsform
kann die oleophob behandelte ePTFE-Membran durch Erhitzen „gehärtet” werden.
Dieser „Härtungs”-Prozess kann die Oleophobizität
möglicherweise erhöhen, indem er eine Umlagerung
des Fluorpolymers in eine spezifische oleophobe Orientierung gestattet.
Die Anwendung von Wärme kann gestatten, dass das oleophobe
Fluorpolymer um die Knoten 22 und Fibrillen 24 herumfließt,
um den Überzug 28 zu bilden. Die Härtungstemperatur
kann zwischen den oleophoben Fluorpolymeren variieren. Beispielhafte
Bereiche können von etwa 40°C bis etwa 140°C,
spezifisch etwa 50°C bis etwa 130°C und noch spezifischer
etwa 70°C bis etwa 125°C einschließen.
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In
einer Ausführungsform liegt das fluorierte Polymer in Form
einer stabilisierten, mit Wasser mischbaren Dispersion der Polymerfeststoffe
vor. In dieser Ausführungsform können die oleophoben
Fluorpolymer-Feststoffe auch relativ geringe Mengen Aceton und Ethylenglykol
oder andere mit Wasser misch bare Lösungsmittel und oberflächenaktive
Mittel enthalten, die bei der Polymerisationsreaktion eingesetzt
wurden, als die fluorierten Polymerfeststoffe hergestellt wurden.
Wahlweise wird die Dispersion oleophob fluorierter Polymerfeststoffe
mit einem Stabilisierungsmittel stabilisiert, wie, ohne Einschränkung,
entionisiertem und/oder entmineralisiertem Wasser. Das Stabilisierungsmittel
verringert die Neigung der oleophoben fluorierten Polymerfeststoffe
sich abzusetzen und zu einer Größe zu agglomerieren,
die nicht in eine Pore der zu überziehenden Membran eindringen
kann. Obwohl die Überzugszusammensetzung andere Mengen
Stabilisierungsmittel einschließen kann, schließt
in einigen Ausführungsformen die Überzugszusammensetzung,
die die Überzugschicht bildet, eine Menge an Stabilisierungsmittel
im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% ein. In einigen Ausführungsformen
z. B. schließt die Überzugszusammensetzung eine
Menge an Stabilisierungsmittel im Bereich von etwa 15 Gew.-% bis
etwa 25 Gew.-% ein.
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Die
stabilisierte Dispersion der oleophoben fluorierten Polymerfeststoffe
kann in einem oder mehreren geeigneten Lösungsmitteln verdünnt
werden, um die Überzugszusammensetzung zu bilden, die eine Überzugsschicht
bildet. Obwohl andere Lösungsmittel benutzt werden können,
können geeignete Lösungsmittel, ohne Einschränkung,
Wasser, Ethanol, Isopropylalkohol, Aceton, Methanol, n-Propanol,
n-Butanol, N,N-Dimethylformamid, Methylethylketon und wasserlösliche
e- und p-Reihen von Glykolether einschließen. Obwohl die Lösungsmittel
andere Oberflächenspannungen haben können, schließt,
in einigen Ausführungsformen, die Überzugszusammensetzung
ein Lösungsmittel mit einer Oberflächenspannung
von weniger als etwa 31 dyn/cm ein. Nach dem Überziehen,
wie oben beschrieben, wird die Überzugszusammensetzung
dann konsolidiert z. B. durch Erhitzen der überzogenen
Membran derart, dass die oleophoben fluorierten Polymerfeststoffe fließen
und zusammenfließen und derart, dass die Stabilisierungsmittel
und Lösungsmittel entfernt werden. Während der
Anwendung von Wärme gestattet die thermische Mobilität
der oleophoben Fluorpolymerfeststoffe, dass die Feststoffe mobil
sind und um die Oberflächen der Membran herumfließen,
damit in Eingriff treten und daran haften und daher unter Bildung
der Überzugsschicht zusammenfließen.
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Ungeachtet
des benutzten Lösungsmittels oder Trägers, können
die Überzugszusammensetzungen eine Menge an oleophoben
Fluorpolymerfeststoffen im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa
10 Gew.-%, bezogen auf ein Gesamtgewicht der Überzugszusammensetzung,
einschließen. In einigen Ausführungsformen z.
B. schließt die Überzugszusammensetzung oleophobe
Fluorpolymerfeststoffe im Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 1,5
Gew.-% ein. Schließt die Überzugszusammensetzung
andere Mengen an Lösungsmittel, außer Wasser,
ein, dann schließt die Überzugszusammensetzung,
die die Überzugsschicht bildet, eine Menge an Lösungsmittel,
außer Wasser, im Bereich von etwa 40 Gew.-% bis etwa 80
Gew.-% ein. In einigen Ausführungsformen z. B. schließt
die Überzugszusammensetzung eine Menge an Lösungsmittel,
außer Wasser, im Bereich von etwa 50 Gew.-% bis etwa 75
Gew.-% ein.
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Die Überzugszusammensetzung
hat eine Oberflächenspannung und einen relativen Kontaktwinkel, die
es der Überzugszusammensetzung gestatten, Poren in der
Membran derart zu benetzten, dass die Poren mit den oleophoben fluorierten
Polymerfeststoffen in der Überzugszusammensetzung überzogen
werden. In einigen Ausführungsformen, bei denen ein organisches
Lösungsmittel benutzt wird, wie oben beschrieben, wird
die Membran jedoch mit einer Lösung benetzt, die ein Lösungsmittel
enthält, bevor die Überzugszusammensetzung auf
die Membran derart aufgebracht wird, dass die Überzugszusammensetzung
durch Membranporen hindurchgeht und Oberflächen der Membran „benetzt”.
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Die
Dicke der gebildeten Überzugsschicht und die Menge und
Art der fluorierten Polymerfeststoffe in der Überzugsschicht
kann von verschiedenen Faktoren abhängen, einschließlich
der Affinität der Feststoffe, an den Oberflächen
der Membran, die Membranporen bilden, zu haften und sich daran anzupassen,
dem Feststoff-Endgehalt innerhalb der Überzugszusammensetzung,
dem Überzugsverfahren und dem beabsichtigten Einsatz und
der erwünschten Haltbarkeit während des Gebrauchs.
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Es
ist nicht erforderlich, dass die Überzugszusammensetzung
die gesamte Oberfläche des Membrannetzwerkes vollständig
einkapselt oder zusammenhängt, um die Oleophobizität
der Membran zu erhöhen. In einer Ausführungsform
sind jedoch mindestens 50%, spezifisch mindestens 75% und spezifischer
mindestens 90% der Membranoberflächen überzogen.
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Die
oleophob behandelte ePTFE-Membran kann vorteilhafterweise als eine
Membran-Kontaktvorrichtung in Anwendungen zum Kontaktieren von Gas
und Flüssigkeiten eingesetzt werden. Das Membran-Kontaktvorrichtungssystem
kann besonders brauchbar sein als eine Absorptionseinheit eines
CO2-Entfernungssystems für eine
Gasturbine. Während sich die obige Diskussion auf die Verwendung
der Membran-Kontaktvorrichtung in einer stromabwärts gelegenen
Anwendung für Gasturbinen konzentriert, sollte klar sein,
dass die hierin beschriebene Membran-Kontaktvorrichtung in irgendeinem
System eingesetzt werden kann, das Flüssigkeits-Gas-Kontakttechnologie
benutzt. Das Membran-Kontaktvorrichtungssystem kann besonders wirksam
sein in Verfahren, bei denen Gewicht, Größe, Kosten,
Energieverbrauch und Umweltaspekte von wesentlicher Bedeutung sind.
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4 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform eines Membran-Kontaktvorrichtungssystems 100,
das als eine CO2- Absorptionseinheit in einem
Gasturbinen-Triebwerkssystem funktioniert. Das Membran-Kontaktvorrichtungssystem 100 ist
konfiguriert, CO2 oder andere Verbindungen
aus Verbrennungsgasen (z. B. Erdgas) zu entfernen. Mit den kürzlichen
Trends in Umwelt-Vorschriften wird es zunehmend wichtig, CO2-Emissionen in Kohlenwasserstoff-Verbrennungsprozessen
billig und wirksam zu entfernen. Abgas wird erzeugt, nachdem Erdgas
oder anderer brennbarer Brennstoff in einer Gasturbine zur Energiegewinnung gezündet
wird. Nachdem er sich durch die Turbine ausgebreitet hat, wird der
Abgasstrom 102 einer Absorptionseinheit 100 zugeführt.
Der Abgasstrom 102 kann zuerst gekühlt werden,
um das Volumen des Gases und daher die Größe und
das Gewicht des Membran-Kontaktvorrichtungssystems 100 zu
verringern. Das Membran-Kontaktvorrichtungssystem ist konfiguriert,
CO2 aus dem Abgasstrom 102 zu entfernen.
Das gereinigte Gas 104 (d. h., CO2-freies
Abgas) tritt oben aus dem Membran-Kontaktvorrichtungssystem 100 aus
und kann an die Atmosphäre abgelassen oder zur Energierückgewinnung
weiter behandelt oder zurückgeführt werden. Der
CO2-reiche Strom 106 kann einen
unteren Abschnitt des Membran-Kontaktvorrichtungssystems 100 verlassen,
um weiterer Behandlung, wie Desorption, Kompression, Absonderung
und Ähnlichem unterworfen zu werden.
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Das
Membran-Kontaktvorrichtungssystem 100 ist weggeschnitten
gezeigt, um die einzelnen Membran-Kontaktvorrichtungen 110 zu
zeigen, die in dem Systemgehäuse 108 angeordnet
sind. Das Membran-Kontaktvorrichtungssystem 100 kann eine
einzelne Membran-Kontaktvorrichtung oder mehrere Membran-Kontaktvorrichtungen
enthalten und hängt vom Volumen des Abgases, der Konzentration
von CO2 in dem Gas und Ähnlichem
ab. Die oleophob behandelten ePTFE-Membranen in dem CO2-Entfernungssystem
können eine Vielfalt von Gestalten haben, einschließlich,
ohne Einschränkung, Folien, hohler Fasern und Ähnlicher.
Wie in 4 ge zeigt, umfassen die Membran-Kontaktvorrichtungen 110 Folien
von Membranen 112.
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Das
Kohlendioxid-Entfernungssystem der vorliegenden Offenbarung kann
das entlüftende Membran-Kontaktvorrichtungssystem 100 mit
einer auf Amin beruhenden Absorptionsflüssigkeit umfassen.
Dieses System kann ein Sorptionsmittel auf Amingrundlage und eine
Membran-Kontaktvorrichtung bei dem geeigneten Partialdruck benutzen,
um das CO2 aus dem Abgassystem zu absorbieren.
Das Sorptionsmittel auf Amingrundlage ist konfiguriert, CO2 aus dem Gasstrom zu absorbieren, während
das Membran-Kontaktvorrichtungssystem, das aus einer Vielzahl von
Membranen zusammengesetzt ist, konfiguriert ist, das Sorptionsmittel auf
Amingrundlage zu unterstützen und das Sorptionsmittel auf
Amingrundlage, den Gasstrom und das CO2 zu
trennen.
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Das
Sorptionsmittel auf Amingrundlage ist ein flüssiges Sorptionsmittel,
das in der Lage ist, CO2 zu absorbieren.
Beispielhafte Eigenschaften des Sorptionsmittels auf Amingrundlage
können geringe Flüchtigkeit, Nichttoxizität,
geringe Viskosität, die Fähigkeit, CO2 von
geringen Partialdrucken (z. B. weniger als etwa 1 Kilopascal (kPa))
zu absorbieren und Ähnliches einschließen. Beispielhafte
Sorptionsmittel auf Amingrundlage können Amine einschließen,
wie 2-Amino-2-methyl-1,3-propandiol, 2-Hydroxyethylpiperazin, Methyldiethanolamin,
Monoethanolamin, Tetraethylenpentamin, Triethanolamin, Polyethylenimin
und andere ähnliche Sorptionsmittel auf Amingrundlage.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Sorptionsmittel
auf Amingrundlage ein Monoethanolamin (MEA) sein.
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Um
die CO2-Sorptionsraten des Sorptionsmittels
auf Amingrundlage weiter zu fördern, seine Viskosität zu
verringern und den Transport des absorbierten Kohlendioxids zu erleichtern,
kann ein Lösungsmittel zu dem Sorptionsmittel auf Amin grundlage
hinzugegeben werden. Beispielhafte Lösungsmittel können
die gleiche geringe Flüchtigkeit, geringe Viskosität
und nicht-toxischen Eigenschaften des Sorptionsmittels auf Amingrundlage
aufweisen. Beispielhafte Lösungsmittel können
einschließen, ohne Einschränkung, Alkohole, cyclisches Keton,
Ester, Ether und Mischungen davon, einschließlich Dimethylether
von Polyethylenglykol, Glycerin, Methoxytriethylen, Glykoldiacetat,
Polyethylenglykol, Propylencarbonat, 1,2-Propylenglykol und Ähnliche.
Das zusammen mit einem speziellen Sorptionsmittel auf Amingrundlage
für eine gegebene Anwendung eingesetzte Lösungsmittel
kann einfach durch einen Fachmann bestimmt werden. Beispielhafte
Faktoren für die Auswahl des Lösungsmittels und
des Sorptionsmittels auf Amingrundlage können chemische
Verträglichkeit, Löslichkeit des Sorptionsmittels
auf Amingrundlage in dem Lösungsmittel, Absorptions/Desorptions-Kinetik,
Nichttoxizität, geringe Viskosität, geringe Flüchtigkeit
und Ähnliches einschließen.
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Die
chemische Reaktion für die Aminabsorption ist: 2(R-NH2) + H2O + CO2 – (R-NH3)2CO3, worin R = C2H4OH ist
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Die
Reaktion ist reversibel und das Gleichgewicht kann durch Ändern
der Temperatur verändert werden. Das CO2 wird
durch ein Absorptionsmedium in einem Temperaturbereich von etwa
20°C bis etwa 70°C absorbiert. Die oleophob behandelten
ePTFE-Membranen werden als Kontaktvorrichtungen zwischen einer Gas-
und einer Flüssigkeits-Strömung in dem Membran-Kontaktvorrichtungssystem 100 eingesetzt. 5 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform einer oleophob behandelten
ePTFE-Membran 150 in einer der Membran-Kontaktvorrichtungen.
Die Trennung wird durch die Anwesenheit der Sorptionsmittel-Flüssigkeit 158 auf
Amingrundlage auf einer Seite der Membran 150 verursacht,
die selektiv CO2 156 aus der Abgasströmung 157 auf
der anderen Seite der Membran 150 entfernt. Die Membran 150 soll
eine Kontaktfläche bieten, die das Vermischen des Abgases 157 und
des Sorptionsmittels 158 auf Amingrundlage verhindert.
Die Membran 150 ist jedoch vorteilhafterweise durchlässig
für das CO2 156, das entfernt
werden muss. Die Selektivität des Trennprozesses wird von
dem Sorptionsmittel 158 auf Amingrundlage abgeleitet. Eine
sehr selektive Trennung kann durch geeignete Auswahl des Sorptionsmittels 158 auf
Amingrundlage erzielt werden.
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Die
Entfernung der Abgas-CO2-Komponente wird
durch Einsatz der porösen oleophoben ePTFE-Membran 150 in
Kombination mit einer geeigneten Sorptionsmittel-Flüssigkeit 158 auf
Amingrundlage erzielt. Als ein Resultat der Oleophobizität
der Membran und der geringen Porengröße können
das Abgas 157 und die Sorptionsmittel-Flüssigkeit 158 auf
Amingrundlage getrennt gehalten werden und Abgas-Verunreinigungen
werden durch den oleophoben Überzug der Membran daran gehindert,
die Poren zu blockieren. Die Sorptionsmittellösung auf
Amingrundlage kommt mit dem CO2 in dem Abgasstrom
innerhalb der Membran-Kontaktvorrichtung in Berührung.
Das Membran-Kontaktvorrichtungssystem 100 fördert
die CO2-Entfernung mittels Partialdruckgradienten
durch Benutzen der Vielzahl oleophob behandelter ePTFE-Membranen, die
das Sorptionsmittel auf Amingrundlage enthalten oder tragen. Als
ein Resultat der Porosität und der oleophoben Eigenschaften
der Membranen gestattet das Kontaktvorrichtungssystem den direkten
Flüssigkeits-Gas-Kontakt, während es ein Lecken
des Sorptionsmittels oder eine Blockade der Poren durch Verunreinigungen
in dem Abgasstrom verhindert. Die Membran-Porengröße
wird in Abhängigkeit von den Betriebscharakteristika des
Sorptionsmittels auf Amingrundlage und der oleophob behandelten
ePTFE-Membran, die eingesetzt werden, ausgewählt. Bei einer
beispielhaften Anwendung des CO2-Entfernungssystems kann
die Membran-Porengröße geringer als etwa 0,1 μm,
spezifisch geringer als etwa 0,05 μm sein.
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Der
Einsatz der Gasabsorptions-Membran-Kontaktvorrichtungssysteme, die
oleophob behandelte ePTFE-Membranen umfassen, hat gegenüber
konventionellen Kontaktvorrichtungen, wie gepackten Säulen, mehrere
Vorteile. Die Kompaktheit der Ausrüstung durch den Einsatz
der hohlfaser- oder folienförmigen Membranen ist typischerweise
größer als gepackte Säulenfiltermedien,
weil die Membranen eine sehr viel größere Oberfläche
pro Volumeneinheit (cm2/cm3)
aufweisen. Die Höhe der Absorptionseinheit in dem CO2-Entfernungssystem einer Gasturbine ist
aus dem gleichen Grund gleichermaßen signifikant verringert,
verglichen mit den derzeitigen Säulen. In einigen Fällen
kann die Verringerung so groß sein wie etwa 4/5 der Höhe
der gepackten Säule. Darüber hinaus haben die
oleophob behandelten ePTFE-Membranen nicht die gleichen Erscheinungen
des Mitreißens, Flutens, Kanalisierens oder Schäumens,
wie sie typischerweise in derzeitigen Säulen mit gepacktem
Bett auftreten. Weiter liefert der oleophobe Überzug auf
den Membranen ein Membran-Kontaktvorrichtungssystem, das, wegen
der nicht benetzenden Natur der Poren, in einer weiteren Vielfalt von
Flüssigkeits-Zusammensetzungen eingesetzt werden kann.
Der Überzug hilft auch, die Gebrauchslebensdauer der Membran-Kontaktvorrichtungen
zu erhöhen, weil die oleophoben Eigenschaften die Blockade
der Poren verringern. All diese Vorteile führen zu Einsparungen
an Größe, Gewicht, Kosten und Umweltverunreinigung
gegenüber gegenwärtigen Gas-Flüssigkeits-Trennsystemen.
Die Vorteile können besonders brauchbar in Off-Shore-Anwendungen
benutzt werden, wo Raum und Gewicht sehr wesentlich sind.
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Die
hierin benutzte Terminologie soll nur besondere Ausführungsformen
beschreiben und nicht die Erfindung einschrän ken. Hierin
offenbarte Bereiche sind inklusiv und kombinierbar (z. B. Bereiche
von „bis zu etwa 25 Gew.-% oder, spezifischer, etwa 5 Gew.-%
bis etwa 20 Gew.-%” schließen die Endpunkte und
alle Zwischenwerte der Bereiche von „etwa 5 Gew.-% bis
etwa 25 Gew.-%” ein, usw.). „Kombination” schließt
Gemenge, Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und Ähnliches
ein. Weiter bezeichnen die Begriffe „erster”, „zweiter” und Ähnliche
keine Reihenfolge; Menge oder Bedeutung, sondern sie werden vielmehr
benutzt, ein Element von einem anderen zu unterscheiden und die
Begriffe „ein” und „eine” bezeichnen
keine Beschränkung der Menge, sondern bezeichnen die Anwesenheit
mindestens eines der in Bezug genommenen Dinge. Die Modifizierung „etwa”,
die in Verbindung mit einer Menge benutzt wird, schließt
den genannten Wert ein und hat die durch den Zusammenhang diktierte
Bedeutung (schließt z. B. den Fehlergrad ein, der mit der
Messung der speziellen Menge verbunden ist). Die Nachsilbe „(e/n/en)”,
wie sie hierin benutzt wird, soll sowohl den Singular als auch den
Plural des Begriffes einschließen, den sie modifiziert,
und dadurch ein oder mehrere dieses Begriffes einschließen
(z. B. das (die) Färbemittel schließt ein oder
mehrere Färbemittel ein). Die Bezugnahme in der Beschreibung
auf „eine Ausführungsform”, „eine
andere Ausführungsform” usw. bedeutet, dass ein
spezielles Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft),
beschrieben in Verbindung mit der Ausführungsform, in mindestens
einer hierin beschriebenen Ausführungsform eingeschlossen
ist, und dass es in anderen Ausführungsformen vorhanden
sein kann aber nicht zu sein braucht. Schließlich sollte
klar sein, dass die beschriebenen Elemente in irgendeiner geeigneten
Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert
werden können.
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Sofern
nichts anderes definiert, haben alle hierin benutzten Begriffe (einschließlich
technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung,
wie sie gewöhnlich vom Fachmann verstanden wird, zu dem
die Ausführungsformen der Erfindung gehören. Es
sollte weiter klar sein, dass Begriffe, wie sie in üblicherweise
benutzten Wörterbüchern definiert sind, dahingehend
zu interpretieren sind, dass sie eine Bedeutung haben, die mit ihrer
Bedeutung im Zusammenhang des Standes der Technik und der vorliegenden
Offenbarung übereinstimmen, und dass sie nicht in einer
idealisierten oder überformalen Weise interpretiert werden, sofern
nichts anderes ausdrücklich hierin ausgeführt.
-
Während
die Offenbarung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform
beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen und Äquivalente für Elemente eingesetzt
werden können, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen.
Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen
werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material
an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne den wesentlichen
Umfang zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung
nicht auf die als beste Art zur Ausführung der Offenbarung
offenbarte besondere Ausführungsform beschränkt
ist, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen
einschließt, die in den Umfang der beigefügten
Ansprüche fallen.
-
Ein
Membran-Kontaktvorrichtungssystem zum Entfernen einer Komponente
aus einem Gas, umfassend ein Gehäuse, das einen Gasströmungspfad
definiert, eine in dem Gehäuse angeordnete mikroporöse Membran,
um das Gas über die Membran strömen zu lassen,
wobei die Membran eine Struktur von durch Fibrillen verbundenen
Knoten umfasst, in der Oberflächen der Struktur von Knoten
und Fibrillen eine Vielzahl verbindender Poren definieren, die sich
durch die mikroporöse Membran erstrecken, wobei die Vielzahl
verbindender Poren konfiguriert ist, zu gestatten, dass die Komponente
hindurchdiffundiert, und einen oleophoben Überzug, der
auf der mikroporösen Membran angeordnet ist, um eine überzogene
Membran zu bilden, und der konfiguriert ist, der überzogenen
Membran Oleophobizität zu verleihen, ohne die Vielzahl
verbindender Poren zu blockieren. Bezugszeichenliste:
| 10 | Membran |
| 12 | Poren |
| 22 | Knoten |
| 24 | Fibrillen |
| 26 | Verbindende
Poren |
| 28 | Überzug |
| 100 | Membran-Kontaktvorrichtungssystem |
| 102 | Abgasstrom |
| 104 | Gereinigtes
Gas |
| 106 | CO2-reicher Strom |
| 108 | Systemgehäuse |
| 110 | Membran-Kontaktvorrichtungen |
| 112 | Membranfolien |
| 150 | Membran |
| 156 | Kohlendioxid |
| 157 | Abgas |
| 158 | Sorptionsmittel
auf Amingrundlage |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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118-1992 [0020]