DE102010030485A1 - Process for the separation of C2 + hydrocarbons from natural gas or associated petroleum gas using membranes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von C2+ Kohlenwasserstoffen aus Erdgas oder Erdölbegleitgas unter Einsatz von Membranen. Dabei wird ein Feedgas unter einem Druck von 2 bis 500 bar in einem Temperaturbereich von –30°C bis +60°C über eine Membran aus einem porösen anorganischen Material oder einem organischen Polymeren geleitet. Das permeierende C2+-Gas kondensiert durch Taupunktunterschreitung innerhalb der Membran, wird außerhalb der Membran auf mindestens das 1,5-fache im Verhältnis zur Feedseite angereichert, und das Kondensat aus C2+-Kohlenwasserstoffen wird bei einem Druck von 1 bis 360 bar im Temperaturbereich von –70°C bis +50°C von der Permeatseite abgezogen. Die Trennung erfolgt bei praxisrelevanten Druckbedingungen ohne energieaufwendige Entspannung oder Kühlung und mit verbesserten Trennleistungen.The invention relates to a process for the separation of C2 + hydrocarbons from natural gas or associated petroleum gas using membranes. A feed gas is passed under a pressure of 2 to 500 bar in a temperature range from –30 ° C to + 60 ° C over a membrane made of a porous inorganic material or an organic polymer. The permeating C2 + gas condenses by falling below the dew point inside the membrane, is enriched outside the membrane to at least 1.5 times the feed side, and the condensate from C2 + hydrocarbons is at a pressure of 1 to 360 bar in the temperature range from - Subtracted 70 ° C to + 50 ° C from the permeate side. The separation takes place under practice-relevant pressure conditions without energy-consuming relaxation or cooling and with improved separation performance.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von C2+ Kohlenwasserstoffen aus Erdgas oder Erdölbegleitgas unter Einsatz von Membranen.The invention relates to a process for the separation of C 2+ hydrocarbons from natural gas or associated gas with the use of membranes.
Stand der TechnikState of the art
Erdgas stellt eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe (KW) in deutlich schwankender Zusammensetzung dar. Die Zusammensetzung von gefördertem Erdgas und Erdölbegleitgas ist abhängig von geographischer Lage, Art und Tiefe der Lagerstätte. Neben „trockenen” Erdgasen, die fast nur Methan und wenig andere leichte Kohlenwasserstoffe enthalten, kommen andere, „nasse” Erdgase (wie z. B. Erdölbegleitgas) vor, in denen beträchtliche Anteile an leicht zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffen (Propan, Butan, Pentan) und auch höhere gesättigte Kohlenwasserstoffe (HKW) vorhanden sind. Außerdem können die Erdgase noch sehr unterschiedliche Mengen an Stickstoff, Kohlendioxid und Schwefel insbesondere in Form von Schwefelwasserstoff enthalten. Erdgase sind bei der Förderung in der Regel wasserdampfgesättigt.Natural gas is a mixture of various hydrocarbons (HC) in a clearly fluctuating composition. The composition of natural gas and associated gas depends on the geographical location, type and depth of the deposit. In addition to "dry" natural gases, which contain almost only methane and little other light hydrocarbons, there are other, "wet" natural gases (such as associated petroleum gas) in which considerable amounts of easily liquefied hydrocarbons (propane, butane, pentane) and higher saturated hydrocarbons (HKW) are present. In addition, the natural gases can still contain very different amounts of nitrogen, carbon dioxide and sulfur, especially in the form of hydrogen sulfide. Natural gas is usually saturated with water during production.
Beim Transport des Gases können durch Änderungen physikochemischer Parameter wie Temperatur und Druck Kondensate entstehen, die im System bzw. beim Endkunden zu Betriebsstörungen und Anlagenausfällen führen. Diese eintretende Gasverflüssigung wird hervorgerufen durch Unterschreitung des Kohlenwasserstofftaupunktes. Der Kohlenwasserstofftaupunkt ist definiert als Sättigungspunkt eines Kohlenwasserstoffes in einer Kohlenwasserstoffmischung. Mit Erreichen des Taupunktes setzt Kondensation ein. Temperaturerniedrigung kann zum Erreichen des Taupunktes führen. Eine mögliche Ursache für Gasabkühlung, neben äußeren Temperatureinflüssen, ist der Joule-Thomson-Effekt bei Druckreduzierung des Gases. Vor der Netzeinspeisung, die sich durch Entspannung von Gasen kennzeichnet, müssen deshalb in der Regel folgende Aufbereitungsschritte durchlaufen werden:
- – Abtrennung freier Flüssigkeit (Kondensatabscheidung)
- – Entschwefelung, Entfernung von CO2
- – Einstellung des Wasserdampftaupunktes (Gastrocknung)
- – Einstellung des Kohlenwasserstofftaupunktes
- - Separation of free liquid (condensate separation)
- - desulfurization, removal of CO 2
- - Setting the steam dew point (gas drying)
- - Setting the hydrocarbon dew point
Neben der technologischen Notwendigkeit der Kohlenwasserstoffabtrennung aus Erdgasen ist die Gewinnung sogenannter Flüssiggase mit C3+ für Anwendungen als flüssige Energieträger von Bedeutung. Daneben sind C2+-Fraktionen von Interesse als Ausgangspunkt großchemischer Folgeprodukte.In addition to the technological need for hydrocarbon separation from natural gas, the extraction of so-called liquid gases with C 3+ is of importance for applications as liquid energy sources. In addition, C 2+ fractions are of interest as a starting point for large-scale chemical products.
Die Kohlenwasserstoffentfernung ist nicht nur an den Förderfeldern angesiedelt, sondern ist auch an Untergrundgasspeichern (UGS) notwendig, wenn ehemalige Erdöl- oder Erdgaslagerstätten als Speicherstruktur genutzt werden (UGS Fronhofen).The hydrocarbon removal is not only located at the production fields, but is also necessary for underground gas storage (UGS), if former oil or gas deposits are used as a storage structure (UGS Fronhofen).
Etablierte Verfahren zur Taupunkteinstellung sind Tiefkühlkondensation, Absorption und Adsorption. Stand der Technik zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen ist die Tiefkühlung des geförderten Erdgases. Die Temperatur-Flüssigabscheider entfernen neben Kohlenwasserstoffen Wasser und Glykole und werden bei Temperaturen von –25°C bis –30°C betrieben.Established methods for dew point adjustment are freezing condensation, absorption and adsorption. The state of the art for removing hydrocarbons is the freezing of the natural gas produced. Apart from hydrocarbons, the temperature / liquid separators remove water and glycols and are operated at temperatures of -25 ° C to -30 ° C.
Es werden zwei Verfahren der Tieftemperatur-Extraktion, die
- – Low-Temperature Separation (LTS) und die
- – Cold-Frac-Technologie
- - Low-Temperature Separation (LTS) and the
- - Cold Frac technology
In der Gasaufbereitung eingesetzt. Bei der Low-Temperature Separation erfolgt die Kühlung ausschließlich durch eine Druckentspannung (Joule-Thomson-Effekt), während bei Cold Frac Fremdkälte zugeführt werden muß.Used in gas processing. In the case of low-temperature separation, the cooling takes place exclusively by means of a pressure release (Joule-Thomson effect), while cold frac requires external cooling.
LTS-Anlagen erfordern einen ausreichenden Ausgangsdruck des Gases. Ergas kühlt bei Druckreduzierung um ca. 0,4 K je bar (Joule-Thomson-Effekt) ab. Diese Eigenschaft des Gases wird ausgenutzt, um Wasser und höhere Kohlenwasserstoffe abzuscheiden.LTS systems require a sufficient outlet pressure of the gas. Ergas cools with pressure reduction by approx. 0.4 K per bar (Joule-Thomson effect). This property of the gas is exploited to separate water and higher hydrocarbons.
Dabei ist die Abkühlung bei gleichem Überdruck umso größer, je niedriger die Ausgangstemperatur des Gases ist. Vor der Expansionskühlung macht sich deshalb mitunter eine Vorkühlung des Gases notwendig (Erdgasfeld Groningen). Ist der für den Gasstrom zulässige Druckverlust klein, ist eine LTS physikalisch nicht mehr möglich.In this case, the cooling is greater with the same overpressure, the lower the starting temperature of the gas. Therefore, it may be necessary to precool the gas prior to expansion cooling (Groningen gas field). If the pressure loss permitted for the gas flow is small, an LTS is no longer physically possible.
In letzterem Fall muß Fremdkälte zugeführt werden. Da solche Cold-Frac-Systeme sehr energieintensiv sind, kann sich bereits die Umgebungstemperatur als wirtschaftliches k.o.-Kriterium darstellen. Mit steigenden Umgebungstemperaturen werden diese Anlagen im konkreten Fall wirtschaftlich ineffizient. In the latter case, external cold must be supplied. Since such cold-frac systems are very energy-intensive, the ambient temperature can already be regarded as an economic co-criterion. With increasing ambient temperatures, these systems become economically inefficient in a specific case.
Aus LTS- bzw. Cold-Frac-Verfahren anfallende Kohlenwasserstoffe werden bei lohnenden Mengen in Raffinerien weiter aufgearbeitet bzw. bei geringen Mengen abgefackelt.Hydrocarbons obtained from LTS or cold-frac processes are further worked up in rewarding quantities in refineries or flared off at low volumes.
Feste Adsorptionsmittel werden ebenfalls zur Kohlenwasserstoffentfernung eingesetzt und nach thermischer Regenerierung in den Aufbereitungszyklus zurückgebracht. Erdgase können durch Adsorption an Aktivkohle von C5- und C6-Kohlenwasserstoffen befreit werden.Solid adsorbents are also used for hydrocarbon removal and returned to the conditioning cycle after thermal regeneration. Natural gases can be freed of C 5 and C 6 hydrocarbons by adsorption on activated carbon.
Aus Erdölbegleitgas können unter Ausnutzung des Kondensationsverhaltens durch Verdichtung auf 25–30 bar Kohlenwasserstoffe kondensiert werden. Dieses Verfahren ist aber bei Gastemperaturen > 0°C nicht ausreichend, um z. B. die GERG-Anforderungen bezüglich des KW-Taupunktes zu erfüllen. Somit sind weitere Behandlungsschritte der gasförmigen Phase (z. B. Tiefkühlkondensation) notwendig.From associated gas can be condensed by utilizing the condensation behavior by compression to 25-30 bar hydrocarbons. However, this method is not sufficient for gas temperatures> 0 ° C to z. B. to meet the GERG requirements regarding the HC dew point. Thus, further treatment steps of the gaseous phase (eg deep-freeze condensation) are necessary.
In
Durch Nutzung von Kühlkondensation ist beispielsweise ein Verfahren zur Gewinnung von Flüssiggas aus unter Druck stehenden Erdgasen beispielsweise in
Im Allgemeinen ist jedoch ein Kühlprozeß zur Gewinnung von Flüssiggaskomponenten bestehend aus C2+ ist als energieintensiv und daher als nachteilig zu bewerten.In general, however, a cooling process for recovering liquid gas components consisting of C 2+ is considered to be energy-intensive and therefore disadvantageous.
Durch bevorzugte Adsorption an porösen Materialien sind dem Fachmann energiearme Methoden zur Anreicherung von Kohlenwasserstoffen bekannt. Diese Verfahren sind jedoch durch sogenannte pressure-swing-Prozesse ebenfalls energieintensiv. So muß zur Gewinnung der adsorbierten Komponenten oft im Vakuum gearbeitet werden, wobei eine weitere Verflüssigung der vormals adsorbierten Spezies mit einer Kompressionsarbeit einhergeht.By preferred adsorption on porous materials low-energy methods for enrichment of hydrocarbons are known in the art. However, these methods are also energy-intensive by so-called pressure-swing processes. Thus, in order to obtain the adsorbed components, it is often necessary to work in a vacuum, wherein a further liquefaction of the previously adsorbed species is accompanied by a compression work.
In der
In der in
Im Patent
Weitere Trennungen von Kohlenwasserstoffen und vergleichbaren Komponenten an organischen porösen Membranen wurden beschrieben. Beispielsweise wurde durch
Allen bisher bekannten Entwicklungen liegt das Problem zugrunde, daß als Permeat eine Mischung aus verschiedenen gasförmigen Kohlenwasserstoffen erhalten wird, die meist als Hauptkomponente Methan beinhalten. Die Trennleistung von Membranen ist daher zumeist ungenügend, um die erhaltene Gasfraktion als Flüssiggas einzusetzen. Es müßte entweder eine kostenintensive Verdichtung erfolgen, um Flüssigkomponenten zu erhalten, oder es müßten in einer Kaskadentrennung erhaltene Permeate weiter mit höheren KW angereichert werden. Diese Methoden sind apparativ aufwendig bzw. mit hohen Betriebskosten verbunden.All known developments is based on the problem that a mixture of various gaseous hydrocarbons is obtained as permeate, which usually contain methane as the main component. The separation efficiency of membranes is therefore usually insufficient to use the gas fraction obtained as a liquefied gas. Either a costly compaction would be required to obtain liquid components, or permeates obtained in a cascade separation would have to be further enriched in higher HC. These methods are complex in terms of apparatus or associated with high operating costs.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist eine einfache und kostengünstige Abtrennung von C2+ Flüssiggaskomponenten aus Erdgas und Erdölbegleitgas unter Nutzung poröser Membranen mit einhergehender Kondensation von höheren Kohlenwasserstoffen ohne alleinige Ausnutzung aufwendiger Verfahren, wie Kühlung und Verdichtung.The object of the invention is a simple and cost-effective separation of C 2+ liquid gas components from natural gas and associated gas using porous membranes with concomitant condensation of higher hydrocarbons without exclusive use of complex processes, such as cooling and compression.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die Erfindung besteht darin, daß ein Ausgangsgasgemisch, das ein Erdgas oder ein Erdölbegleitgas sein kann und hier als „Feedgas” bezeichnet wird, bei dem Förderdruck dieser Gase, der im Bereich von 3–500 bar liegt, und bei der sich nach der Förderung einstellenden Temperatur, die im Bereich von –30°C bis +60°C liegt, über eine Membran geleitet wird, wobei die höheren Kohlenwasserstoffe ab C2 die Membran passieren und dann kondensiert werden.The invention is that a starting gas mixture, which may be a natural gas or a Erdölbegleitgas and is referred to herein as "feed gas", at the delivery pressure of these gases, which is in the range of 3-500 bar, and in which adjusts to the promotion Temperature, which is in the range of -30 ° C to + 60 ° C, is passed over a membrane, the higher hydrocarbons from C 2 pass through the membrane and then condensed.
Erfindungsgemäß werden C2+-Kohlenwasserstoffe aus einem Erdgas oder Erdölbegleitgas abgetrennt, indem ein Feedgas, umfassend 0,5 bis 35 Mol-% gasförmige C2+-Kohlenwasserstoffe unter einem Druck von 2 bis 500 bar in einem Temperaturbereich von –30°C bis 60°C über eine Membran aus einem porösen anorganischen Material oder einem organischen Polymeren geleitet wird, wobei die anorganische Membran Porenöffnungen zur Permeatseite der Membran von 0,5 bis 0,8 nm hat oder die polymere Membran höhere Selektivitäten zu C2+-Kohlenwasserstoffen als zu Methan besitzt und das permeierende C2+-Gas innerhalb und außerhalb der Membran kondensiert und auf der Permeatseite durch Stoffmengenerhöhung auf mindestens das 1,5-fache im Verhältnis zur Feedseite angereichert wird und durch Taupunktunterschreitung kondensiert wird, und das Kondensat aus C2+-Kohlenwasserstoffen bei einem Druck von 1 bis 360 bar im Temperaturbereich von –70°C bis 50°C von der Permeatseite abgezogen wird, wobei die Druckdifferenz zwischen Feed- und Permeatseite 1–140 bar beträgt und wobei keine Spülgase eingesetzt werden.According to the invention C 2+ hydrocarbons are separated from a natural gas or associated gas by a feed gas comprising 0.5 to 35 mol% of gaseous C 2+ hydrocarbons under a pressure of 2 to 500 bar in a temperature range from -30 ° C to 60 ° C is passed over a membrane of a porous inorganic material or an organic polymer, wherein the inorganic membrane has pore openings to the permeate side of the membrane of 0.5 to 0.8 nm or the polymeric membrane has higher selectivities to C 2+ hydrocarbons to methane and the permeating C 2+ gas is condensed inside and outside the membrane and is enriched on the permeate side by Stoffmengenerhöhung to at least 1.5 times in relation to the feed side and is condensed by dew point undershooting, and the condensate of C 2+ Hydrocarbons is withdrawn at a pressure of 1 to 360 bar in the temperature range of -70 ° C to 50 ° C from the permeate side , wherein the pressure difference between the feed and permeate side is 1-140 bar and wherein no purge gases are used.
Der Druck liegt im Bereich von 2 bis 500 bar und entspricht dem Förderdruck des Feedgases. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das geförderte Erdgas oder Erdölbegleitgas keinen zusätzlichen Druckänderungsschritten unterworfen werden muß. Da die geförderten Gase mit unterschiedlichem Druck je nach Förderort anfallen und diese Drücke regelmäßig in dem Bereich von 2 bis 500 bar liegen, kann das Feedgas unverändert bei diesem Druck über die Membran geleitet werden.The pressure is in the range of 2 to 500 bar and corresponds to the delivery pressure of the feed gas. An essential feature of the invention is that the subsidized natural gas or associated gas does not have to be subjected to additional pressure change steps. Since the extracted gases are produced with different pressure depending on the location and these pressures are regularly in the range of 2 to 500 bar, the feed gas can be passed unchanged at this pressure across the membrane.
Da bei der Erdgasaufbereitung meist auf 70–80 bar vorentspannt wird, ist es auch eine vorteilhafte Anwendungsform der Erfindung, Feedgase im Druckbereich 70–80 bar einzusetzen. Bevorzugte Druckbereiche sind daher 30 bis 200 bar, insbesondere 30–85 bar.Since the natural gas treatment is usually pre-stressed to 70-80 bar, it is also an advantageous embodiment of the invention to use feed gases in the pressure range 70-80 bar. Preferred pressure ranges are therefore 30 to 200 bar, in particular 30-85 bar.
Von der Feedseite gelangt der Teil des Gases, der C2+-Kohlenwasserstoffe enthält, durch die Membran auf die Permeatseite. Dabei ergibt sich eine Druckminderung zur Feedseite von 1 bis 140 bar durch den Aufbau eines entsprechenden Gegendruckes auf der Permeatseite. So wird beispielsweise ein Druck von 200 bar auf 70 bar reduziert, ein Druck von 70 bar auf 30 bar oder ein Druck von 30 bar auf 20 bar oder ein Druck von 20 bar auf 1 bar. Der angestrebte Druck auf der Permeatseite ist u. a. abhängig vom Verlauf der Phaseneinhüllenden (siehe
Besonders vorteilhaft sind höhere Feeddrücke im Bereich von 30 bis 200 bar, insbesondere 70–200 bar bei hohem Methananteil. Dadurch läßt sich z. B. n-Butan besser als Flüssigkomponente gewinnen.Particularly advantageous are higher feed pressures in the range of 30 to 200 bar, in particular 70-200 bar with high methane content. As a result, z. B. win n-butane better than liquid component.
Anhand der p-T Taupunktkurven sind die jeweiligen Prozeßparameter für unterschiedlich aufzuarbeitende Gasgemische vorzubestimmen. Die p-T-Taupunktkurven können experimentell für einzelne Gasgemische bestimmt werden oder sind modellierbar, wie in
Der Druck auf der Permeatseite beträgt 1 bis 80 bar, vorzugsweise 10 bis 70 bar, insbesondere 30 bis 70 bar. The pressure on the permeate side is 1 to 80 bar, preferably 10 to 70 bar, in particular 30 to 70 bar.
Der Anteil an gasförmigen C2+-Kohlenwasserstoffen im Feedgas ist entsprechend den Fördergegebenheiten verschiedener Lagerstätten von Erdgas oder entsprechend den im Erdölbeleitgas vorhandenen Mengen sehr unterschiedlich und kann im Bereich von 0,5–35 Mol-% liegen. Für den Einsatz beim vorliegenden Verfahren sind 0,5–30 Mol-% bevorzugt, vorteilhaft 0,5–25 Mol-%, insbesondere 0,5–20 Mol-%. Weitere bevorzugte Bereiche liegen bei 0,5–10 Mol-%, speziell 0,5–5 Mol-%.The proportion of gaseous C 2+ hydrocarbons in the feed gas is very different according to the delivery conditions of various deposits of natural gas or according to the amounts present in Erdölbeleitgas and may be in the range of 0.5-35 mol%. For use in the present process 0.5-30 mol% are preferred, preferably 0.5-25 mol%, in particular 0.5-20 mol%. Other preferred ranges are 0.5-10 mole%, especially 0.5-5 mole%.
Der Begriff „C2+-Kohlenwasserstoffe” erfaßt C2-C8-Kohlenwasserstoffe, im wesentlichen Ethan, Propan und Butan, bevorzugt Propan und Butan, wobei höhere Kohlenwasserstoffe von C5 bis C8 und auch darüber hinaus nur in geringen Anteilen vorhanden sind. So enthalten Nordsee-Erdgase nur etwa 0,3–1,4 Mol-% höhere C5–C8-KW, während kasachisches Erdgas etwa 2,5 Mol-% davon enthält. Kasachisches Erdölbegleitgas enthält nur ca. 0,8 Mol-% C4-C8-KW.The term "C 2+ hydrocarbons" covers C 2 -C 8 hydrocarbons, essentially ethane, propane and butane, preferably propane and butane, with higher hydrocarbons of C 5 to C 8 and also moreover being present only in small proportions , For example, North Sea natural gas contains only about 0.3-1.4 mol% higher C 5 -C 8 -KW, while Kazakh natural gas contains about 2.5 mol% thereof. Kazakh petroleum gas contains only about 0.8 mol% of C 4 -C 8 -KW.
Ganz besonders bevorzugt ist die Gewinnung von C4-Kohlenwasserstoffen nach dem vorliegenden Verfahren.Very particularly preferred is the recovery of C 4 hydrocarbons according to the present method.
Mittels der eingesetzten Membranen werden die C2+-Kohlenwasserstoffe im Permeatraum angereichert und kondensieren nach Unterschreiten des jeweiligen Taupunktes des einzelnen Kohlenwasserstoffs. Das Kondensat wird anschließend aus dem Permeatraum kontinuierlich oder diskontinuierlich abgezogen. Die Anreicherung auf der Permeatseite der Membran entspricht einer Stoffmengenerhöhung auf mindestens das 1,5-fache, bevorzugt das 1,5 bis 50-fache, insbesondere das 3- bis 40-fache gegenüber der Stoffmenge auf der Feedseite.By means of the membranes used, the C 2+ hydrocarbons are enriched in the permeate space and condense after falling below the respective dew point of the individual hydrocarbon. The condensate is then withdrawn continuously or discontinuously from the permeate space. The enrichment on the permeate side of the membrane corresponds to a Stoffmengenerhöhung to at least 1.5 times, preferably 1.5 to 50-fold, especially 3- to 40-fold compared to the amount of material on the feed side.
Der Taupunkt ist der Übergang eines, im vorliegenden Fall höheren Kohlenwasserstoffes, vom gasförmigen in den flüssigen Zustand. Der Taupunkt von Kohlenwasserstoffen Ist abhängig von Temperatur, Druck, Art des Kohlenwasserstoffs (Anzahl der C-Atome) und der Zusammensetzung der KW-Mischung. Bis zu einem bestimmten Druckbereich wird bei fallendem Druck und bei konstanter Temperatur die Erhöhung der Stoffmenge an C2+-Kohlenwasserstoffen notwendig, um eine Kondensation zu beobachten (siehe
Bevorzugt soll ein Druckunterschied zwischen Feed- und Permeatraum einen erhöhten Fluß ermöglichen, so daß große Stoffströme bewältigt werden können. An der Membran wird der Anteil des höheren Kohlenwasserstoffes durch Adsorption angereichert, so daß im Permeatraum eine Erhöhung des Anteils der C2+-Kohlenwasserstoffe im Vergleich zum Feed erfolgt. Druck und Konzentrationsverhältnisse werden im Prozeß so gewählt, daß die Taupunktkurve überschritten wird und C2+-Kohlenwasserstoffe im Permeatraum kondensieren und als Flüssigkeit abgezogen werden können.Preferably, a pressure difference between the feed and permeate space to allow increased flow, so that large mass flows can be handled. On the membrane, the proportion of the higher hydrocarbon is enriched by adsorption, so that takes place in the permeate an increase in the proportion of C 2+ hydrocarbons compared to the feed. Pressure and concentration ratios are chosen in the process so that the dew point curve is exceeded and C 2+ hydrocarbons condense in the permeate space and can be withdrawn as a liquid.
Die Trennleistung wird somit erhöht durch einen höheren Feeddruck und eine höhere Druckdifferenz zwischen Feed- und Permeatseite der Membran.The separation efficiency is thus increased by a higher feed pressure and a higher pressure difference between the feed and permeate side of the membrane.
Bereits bei 10 bar Feeddruck und 1 bar Permeatdruck und einer feedseitigen Beaufschlagung von 9,4 Mol-% Butan in Methan bei 25°C erfolgt beispielsweise eine permeatseitige Anreicherung von 40,4 Mol-% n-Butan als Kondensat.Already at 10 bar feed pressure and 1 bar permeate pressure and a feed-side loading of 9.4 mol% of butane in methane at 25 ° C, for example, a permeatseitige enrichment of 40.4 mol% n-butane as a condensate.
Die Druckdifferenz zwischen Feedseite und Permeatseite beträgt vorzugsweise 5 bis 60 bar, insbesondere 10 bis 40 bar. Feedseite der Membran ist diejenige Seite, der das Feedgas zugeführt wird. Permeatseite der Membran ist diejenige Seite, aus der das Permeat oder Kondensat abgeleitet wird.The pressure difference between the feed side and permeate side is preferably 5 to 60 bar, in particular 10 to 40 bar. Feed side of the membrane is the side to which the feed gas is supplied. Permeate side of the membrane is the side from which the permeate or condensate is derived.
Die Temperatur des Feedgases entspricht allgemein der Fördertemperatur und kann daher in weiten Grenzen schwanken, beispielsweise zwischen –30°C und +60°C. Die Temperatur auf Permeatseite der Membran liegt vorteilhaft im Bereich von –70°C bis 50°C, wobei eine niedrigere Temperatur auf der Permeatseite zur Stoffmengenerhöhung durch Taupunktunterschreitung zusätzlich beiträgt. Die Temperaturerniedrigung kann verfahrensbedingt durch Entspannung bzw. auch, unter Beachtung einer positiven Energiebilanz, durch Fremdkühlung erfolgen. Ebenso kann unter Beachtung einer positiven Energiebilanz eine Vorverdichtung des Feedstromes erfolgen. Dies ist jedoch nicht bevorzugt.The temperature of the feed gas generally corresponds to the conveying temperature and can therefore vary within wide limits, for example between -30 ° C and + 60 ° C. The temperature on the permeate side of the membrane is advantageously in the range of -70 ° C to 50 ° C, with a lower temperature on the permeate side to the Stoffmengenerhöhung by dew point undershooting additionally contributes. The temperature reduction can be due to the process by relaxation or, taking into account a positive energy balance, by external cooling. Likewise, taking into account a positive energy balance, a pre-compression of the feed stream. However, this is not preferred.
Nichtkondensiertes Permeat, das hauptsächlich Methan enthält, kann zum Feed zurückgeführt werden, gegebenenfalls nach vorheriger Verdichtung. Der Prozeß kann jedoch so geführt werden, daß Retentat und gasförmiges Permeat chemisch identisch sind. Desweiteren ist die Entnahme zweier unterschiedlicher gasförmiger Kohlenwasserstoffmischungen aus dem Permeat- bzw. Retentatraum möglich.Uncondensed permeate, which mainly contains methane, can be recycled to the feed, optionally after prior densification. However, the process can be conducted so that retentate and gaseous permeate are chemically identical. Furthermore, it is possible to remove two different gaseous hydrocarbon mixtures from the permeate or retentate space.
Eine weitere Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch eine kaskadenartige Aufeinanderfolge von verschiedenartigen Membranen und verschiedenen Druckverhältnissen erfolgen. Je nach Druck werden Membranen mit unterschiedlichen Porenöffnungen und/oder unterschiedlichen Zeolithen oder Zeolithen und organischen Membranen nacheinander angeordnet. Somit ist eine weitere Aufkonzentration der C2+-Fraktion durch eine nachgeschaltete Membran nach dem Permeatraum 1 möglich. Werden beispielsweise durch eine erste Membranstufe C2+-Anteile von 2,7 Mol-% auf 9,4 Mol-% angereichert, gelingt durch eine zweite nachgeschaltete Membranstufe die Anreicherung der C2+-Fraktion auf 40,4% wodurch bei Unterschreiten des Taupunktes Kondensation erfolgt.A further optimization of the method according to the invention can be carried out by a cascade-like succession of different types of membranes and different pressure ratios. Depending on the pressure, membranes with different pore openings and / or different zeolites or zeolites and organic membranes are arranged one after the other. Thus, a further concentration of the C 2+ fraction by a downstream membrane after the
Ein weiterer Vorteil einer Kaskadentrennung ist die gezielte fraktionierte Abtrennung flüssiger Kohlenwasserstoffe. So kann beispielsweise an Membran 1 selektiv die C5-Fraktion erhalten werden, wonach nach weiterer Zuführung des gasförmigen Permeatstroms an eine Membranstufe 2 durch Unterschreiten des Taupunktes der C5-Fraktion eine C5,6-Mischung flüssig abgezogen werden können. An einer dritten Membran analoger Anordnung werden C4,5,6-Gemische erhalten u.s.w.Another advantage of a cascade separation is the targeted fractional separation of liquid hydrocarbons. Thus, for example, the C 5 fraction can be selectively obtained on
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich aus, höhere Kohlenwasserstoffe aus Erdgas- und Erdölbegleitgas effektiv ohne energieaufwendige Entspannung und Kühlung unter Anwendung der Membrantechnologie kontinuierlich zu trennen. Die Trennung selbst erfolgt an anorganisch porösen Membranen oder Polymermembranen ohne Zuhilfenahme von Spülgasen bei erhöhten, praxisrelevanten Druckbedingungen (p > 2 bar) und verbesserter Trennleistung im Vergleich zu Niederdruckanwendungen. Dadurch ist der Energiebedarf deutlich verringert gegenüber bekannten Verfahren.The process according to the invention is characterized by the continuous separation of higher hydrocarbons from natural gas and associated gas without the need for energy-intensive expansion and cooling using membrane technology. The separation itself is carried out on inorganic porous membranes or polymer membranes without the aid of flushing gases at elevated, practice-relevant pressure conditions (p> 2 bar) and improved separation performance in comparison to low-pressure applications. As a result, the energy consumption is significantly reduced compared to known methods.
Weiterhin vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren ist die Tatsache, daß nicht das gesamte Gas permeiert, sondern bevorzugt die kondensierbaren Komponenten in Form der C2+-Kohlenwasserstoffe. Dadurch wird eine bedeutende Leistungssteigerung erreicht.Another advantage over known methods is the fact that not all the gas permeates, but preferably the condensable components in the form of C 2+ hydrocarbons. This achieves a significant increase in performance.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, auch kleinere Erdgasfelder zu nutzen, da mittels der Membrantechnologie ein flexibles, verfahrenstechnisch weniger aufwendiges Verfahren zur Entfernung höherer Kohlenwasserstoffe aus dem Rohgas zur Verfügung steht. Anwendung kann das Verfahren außerdem zur Entfernung höherer Kohlenwasserstoffe aus dem bisher nicht oder kaum genutzten Erdölbegleitgas finden.By means of the method according to the invention, it is possible to use smaller natural gas fields, since by means of membrane technology, a flexible, less complicated process technology for removing higher hydrocarbons from the raw gas is available. In addition, the method can be used to remove higher hydrocarbons from the previously unobstructed or hardly used associated petroleum gas.
Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft sind poröse Membranen aus anorganischen Materialien. Deren besondere Vorteile sind ihre hohe chemische Resistenz, Druck- und Druckwechselbeständigkeit sowie thermische Stabilität. Voraussetzung für eine selektive Trennung ist eine einheitliche Porenweite des anorganischen Membranmaterials in der Molekülgröße der zu trennenden Komponenten. Geeignet sind daher Membranen aus Zeolith, da diese ein inhärentes, definiertes Porensystem aufweisen. Speziell für die Trennung unpolarer Komponenten aus Erdgasen eignet sich der hydrophobe Silikalith oder aluminiumarmer ZSM-5 aus der Gruppe der MFI-Zeolithe.Particularly advantageous for the process according to the invention are porous membranes of inorganic materials. Their particular advantages are their high chemical resistance, pressure and pressure swing resistance and thermal stability. A prerequisite for a selective separation is a uniform pore size of the inorganic membrane material in the molecular size of the components to be separated. Therefore, zeolite membranes are suitable because they have an inherent, defined pore system. The hydrophobic silicalite or low-aluminum ZSM-5 from the group of MFI zeolites is particularly suitable for the separation of non-polar components from natural gases.
Die Verwendung von Membranen verspricht in analoger Weise eine bevorzugte Adsorption der höheren Kohlenwasserstoffe in der Membranschicht, wobei durch ein höheres chemisches Potential auf der Feedseite zur Permeatseite ein Stofftransport der adsorbierten Spezies in den Permeatraum erfolgt. Diese Methode ist als energiearm zu bewerten. Als Permeat ist definiert der die Membran passierende Gasstrom. Als Feed ist definiert der Gasstrom zum Membranmoduleingang. Als Retentat ist definiert der die Membran nicht passierende Gasstrom zum Membranmodulausgang.The use of membranes promises analogously a preferred adsorption of the higher hydrocarbons in the membrane layer, wherein a higher chemical potential on the feed side to the permeate side, a mass transfer of the adsorbed species in the permeate occurs. This method can be evaluated as low in energy. The permeate defined is the gas flow passing through the membrane. The feed is defined as the gas flow to the membrane module input. The retentate is defined as the gas flow that does not pass through the membrane to the membrane module outlet.
Poröse anorganische Materialien auf der Basis von Zeolithen zeigen nicht die Nachteile von Polymermembranen und erlauben eine vergleichbare Trennung von Kohlenwasserstoffen. Hierunter besitzen die MFI-Zeolithe innerkristalline Poren bzw. Kanäle in der Größenordnung der zu trennenden Kohlenwasserstoffe.Porous inorganic zeolite-based materials do not exhibit the disadvantages of polymer membranes and allow comparable separation of hydrocarbons. Among them, the MFI zeolites have inner-crystalline pores or channels in the order of the hydrocarbons to be separated.
Als Membranen der Erfindung eingesetzt werden vorzugsweise anorganische Membranen mit Mikrokanälen und Porenweiten im Bereich der Molekülgröße der abzutrennenden Kohlenwasserstoffe. Bevorzugt sind dabei Zeolithe, die definierte Porendimensionen haben.As membranes of the invention are preferably used inorganic membranes with microchannels and pore sizes in the range of the molecular size of the hydrocarbons to be separated. Preference is given to zeolites having defined pore dimensions.
Die Zeolithmembranen auf porösen Trägern können auf verschiedene Weisen präpariert werden. Üblich sind die in-situ Kristallisation direkt auf dem Träger, oder aber die seedgestützte Synthese für ein orientierteres, gleichmäßigeres Wachstum. The zeolite membranes on porous supports can be prepared in various ways. Common is in situ crystallization directly on the support, or seed-based synthesis for more oriented, uniform growth.
Dazu werden in der Regel separat Seedkristalle hergestellt und abgeschieden, siehe
In der
Vorteilhafte erfindungsgemäße Membranen sind Zeolithe der folgenden Typen: ZSM-5, CIT-1, DAF-1, Stilbit, Beta, Boggsite, EMC-2, STA-1, Terranovaite und Theta-1.Advantageous membranes of the invention are zeolites of the following types: ZSM-5, CIT-1, DAF-1, stilbite, beta, bogsite, EMC-2, STA-1, terranovite and theta-1.
Zeolithe mit Porenöffnungen von 0,5–0,6 nm, die sich besonders für Drücke im Bereich von 1 bis 140 bar eignen, sind ZSM-5, CIT-1, DAF-1 und Stilbit.Zeolites with pore openings of 0.5-0.6 nm, which are particularly suitable for pressures in the range of 1 to 140 bar, are ZSM-5, CIT-1, DAF-1 and stilbite.
Für höhere Drücke im Bereich von 20 bis 140 bar sind Zeolithe mit Porenöffnungen von 0,7–0,8 nm wie Beta, Boggsite, EMC-2, STA-1 und Terranovaite sowie Theta-1 geeignet. Diese als Membran verarbeitete Zeolithe zeichnen sich besonders durch einen erhöhten Fluß aus.For higher pressures in the range of 20 to 140 bar, zeolites with pore openings of 0.7-0.8 nm, such as Beta, Boggsite, EMC-2, STA-1 and Terranovaite, and Theta-1 are suitable. These zeolites, which are processed as membranes, are characterized in particular by an increased flux.
Vorzugsweise sind die Zeolithe auf einer porösen Korundschicht aufgetragen, gegebenenfalls auf einer dazwischenliegenden porösen Zeolith Trägerschicht, die als Keim- und Wachstumsschicht der Zeolithmembran fungiert. Das Auftragen der später mikroporösen Zeolithschicht kann durch in-situ-Kristallisation erfolgen oder auch durch Aufmahlen eines mikroporösen gleichartigen Zeoliths auf Korngrößen von > 1 μm, Auftragen der Partikel auf das Korundträgermaterial und hydrothermale Behandlung zur Verwachsung zur dichten Membranschicht. Dabei bildet sich eine geeignete mikroporöse Zeolithschicht auf einer Seite der Membran.Preferably, the zeolites are coated on a porous corundum layer, optionally on an intermediate porous zeolite support layer which acts as a seed and growth layer of the zeolite membrane. The application of the later microporous zeolite layer can be carried out by in situ crystallization or by grinding a microporous similar zeolite to particle sizes of> 1 micron, applying the particles to the corundum support material and hydrothermal treatment for adhesion to the dense membrane layer. In this case, a suitable microporous zeolite layer forms on one side of the membrane.
Zur Gewährleistung einer ausreichenden Stabilität der Membran wird diese auf einem porösen Träger synthetisiert. Neben Trägermaterialien aus Metall werden vorwiegend Kompositmembranen auf Korundträgern erzeugt, da diese preiswerter herzustellen sind und sich Membran und Träger von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten her ähnlicher sind. Es sind auch andere Trägermaterialien, wie poröse Gläser oder poröse Metalle geeignet.To ensure sufficient stability of the membrane, it is synthesized on a porous support. In addition to support materials made of metal composite membranes are mainly produced on corundum carriers, as they are cheaper to produce and membrane and support are similar in their chemical composition and their thermal expansion behavior ago. Other carrier materials, such as porous glasses or porous metals, are also suitable.
Membranen mit den geforderten Eigenschaften sind leicht herstellbar, wenn der Syntheseansatz dadurch vereinfacht wird, dass die schwierig herstellbare Keimschicht durch Auftragen eines gemahlenen Schlickers der Zusammensetzung der späteren Membranschicht ersetzt wird. Eine beispielsweise so applizierte MFI-Schicht als Keimbildungsschicht begünstigt ein gleichmäßiges, sekundäres Wachstum aus einer Syntheselösung heraus. Auch stellt diese Schicht eine Barriereschicht dar, wodurch die Syntheselösung nicht in den porösen Korundträger gelangt. Beides führt zu einer Reduzierung der Herstellkosten, da Zwischenschicht(en) unter anderem aus TiO2 nicht erforderlich sind und eine aufwendige Seedbeschichtung aus vorangestellten Veröffentlichungen entfallen. Zudem ergeben sich Vorteile technologischer Art beim Einsatz verdünnter Syntheselösungen.Membranes with the required properties are easy to prepare if the synthesis approach is simplified by replacing the difficult-to-produce seed layer by applying a ground slurry of the composition of the subsequent membrane layer. For example, an MFI layer applied as a nucleation layer promotes uniform, secondary growth from a synthesis solution. This layer also constitutes a barrier layer, as a result of which the synthesis solution does not enter the porous corundum support. Both lead to a reduction of the manufacturing costs, since interlayer (s) among other things of TiO 2 are not required and a complex seed coating omitted from preceding publications. In addition, there are advantages of a technological nature when using diluted synthesis solutions.
Vorzugsweise wird das Material für die mesoporöse Schicht durch Mahlen kommerziellen Zeolithmaterials auf eine Feinheit < 1 μm, bevorzugt < 500 nm hergestellt. Der Vorteil gemahlener Partikel besteht in der sehr guten Verzahnung mit dem makroporösen oder mesoporösen Trägermaterial.Preferably, the material for the mesoporous layer is prepared by milling commercial zeolite material to a fineness <1 μm, preferably <500 nm. The advantage of ground particles consists in the very good gearing with the macroporous or mesoporous carrier material.
Die Ausbildung der porösen Silikalithschicht erfolgt in bevorzugter Weise durch Schlickergießen. Bei metallgestützten Membranen ist auch eine elektrophonetische Abscheidung der Partikel möglich.The formation of the porous Silikalithschicht takes place in a preferred manner by Schlickergießen. For metal-supported membranes, electrophonetic deposition of the particles is also possible.
Die Zwischenschicht wird zur weiteren Verbesserung der Haftung und dem Ausbrennen eventueller organischer Suspensions- und Bindemittel wärmebehandelt, wobei eine Temperatur unterhalb der Phasenumwandlung des Silikaliths gewählt wird. Vorzugsweise liegt die gewählte Temperatur dieser Temperaturbehandlung zwischen 400°C und 800°C, besonders bevorzugt zwischen 500 und 700°C.The intermediate layer is heat treated to further improve the adhesion and burnout of any organic suspending and binding agents, choosing a temperature below the phase transition of the silicalite. Preferably, the selected temperature of this temperature treatment is between 400 ° C and 800 ° C, more preferably between 500 and 700 ° C.
Das Silizium/Aluminium-Molverhältnis der Syntheselösung für den sekundären Wachstumsschritt liegt für das MFI beispielhaft bei > 2,5, vorzugsweise > 75. Höhere Aluminiumanteile ergeben ein hydrophileres Verhalten und sind dadurch für die Trennung unpolarer Stoffgemische nachteilig. By way of example, the silicon / aluminum molar ratio of the secondary growth step synthesis solution for the MFI is> 2.5, preferably> 75. Higher proportions of aluminum result in a more hydrophilic behavior and are therefore disadvantageous for the separation of nonpolar mixtures.
Die Zusammensetzung der Silikalith-Syntheselösung kann in Abhängigkeit vom Syntheseverfahren, den eingesetzten Reagenzien, den physikalischen Syntheseparametern sowie den gewünschten Membraneigenschaften bezüglich Selektivität und Fluß variieren. Möglich sind Synthesezusammensetzungen im Bereich 100 mol SiO2: 0–35 mol SDA: 0–50 mol NaOH: 0–17 mol Al2O3 und 1.000–100.000 Mol H2O, wobei SDA für die strukturdirigierende Agenzien, auch Template genannt, steht. SDA kann beispielsweise sein Tripropylammoniumhydroxid oder Tripropylammonimbromid oder eine Mischung aus beiden.The composition of the silicalite synthesis solution can vary depending on the synthesis method, the reagents used, the physical synthesis parameters and the desired membrane properties with respect to selectivity and flux. Synthesis compositions in the range of 100 mol of SiO 2 : 0-35 mol of SDA: 0-50 mol of NaOH: 0-17 mol of Al 2 O 3 and 1,000-100,000 mol of H 2 O are possible, with SDA for the structure-directing agents, also termed template, stands. For example, SDA can be tripropylammonium hydroxide or tripropylammonium bromide or a mixture of both.
Zur Realisierung technisch relevanter Flüsse durch die Membran wurde die Synthesezusammensetzung, speziell der Templatgehalt und Wasseranteil, optimiert (Beispiel 2). Bevorzugt zur Steigerung der Flüsse sind danach Templatanteile von 0,01 bis 1,2 Mol und Wasseranteile von 4.000 bis 40.000 Mol auf 100 Mol SiO2 im Syntheseansatz.To realize technically relevant flows through the membrane, the synthesis composition, especially the template content and water content, was optimized (Example 2). Templat portions of from 0.01 to 1.2 mol and water fractions of from 4,000 to 40,000 mol per 100 mol of SiO 2 in the synthesis batch are preferred for increasing the fluxes.
Der pH-Wert der Syntheselösung ist je nach verwendeter SiO2-Quelle auf 10 bis 14 einzustellen, bevorzugt zwischen 11,0 und 12,5. Als Siliziumdioxidquelle eignen sich disperses SiO2, Tetraethylorthosilikat (TEOS) sowie kollodidales SiO2, wie LUDOX® oder LEVASIL® Depending on the SiO 2 source used, the pH of the synthesis solution should be adjusted to 10 to 14, preferably between 11.0 and 12.5. As a silica source to disperse SiO 2 are suitable, tetraethylorthosilicate (TEOS) and kollodidales SiO 2 as LUDOX or LEVASIL ® ®
Der mit der mesoporösen Silikalithschicht versehene Träger wird vor der Synthese so präpariert, dass die Syntheselösung nur in Kontakt mit der Membranseite kommt. Dazu kann beispielsweise bei einer Innenbeschichtung rohrförmiger Träger die Außenseite mit Teflonband oder Wachs versiegelt werden. Bei einer Außenbeschichtung kann durch Abdichten mit Teflonkappen der Zutritt ins Innere verhindert werden. Ziel der Abdichtung ist es, ein Zeolithwachstum auf der Desorptionsseite zu verhindern.The support provided with the mesoporous silicalite layer is prepared prior to the synthesis such that the synthesis solution only comes into contact with the membrane side. For this purpose, for example, in an inner coating tubular support the outside be sealed with Teflon tape or wax. In the case of external coating, sealing with Teflon caps can prevent access to the interior. The aim of the seal is to prevent zeolite growth on the desorption side.
Die Synthese kann unter autogenem Druck, unter Normaldruck, stehend oder fließend, für 3–120 h erfolgen. Bevorzugt wird die Synthese unter autogenem Druck bei Temperaturen von 140°C bis 200°C und 12 bis 72 h durchgeführt, besonders bevorzugt zwischen 160°C und 180°C und 16 bis 48 h.The synthesis can be carried out under autogenous pressure, under normal pressure, standing or flowing, for 3-120 h. Preferably, the synthesis is carried out under autogenous pressure at temperatures of 140 ° C to 200 ° C and 12 to 72 hours, more preferably between 160 ° C and 180 ° C and 16 to 48 hours.
Nach der Synthese werden die Träger mit der synthetisierten Membran so lange in de-ionisiertem Wasser gespült, bis nicht umgesetzte Synthesebestandteile aus den Poren entfernt wurden. Allgemein ist dies der Fall, wenn der pH-Wert des Waschwassers nach mehrmaligem Wechsel desselben bei einem pH-Wert von 7 liegt.After synthesis, the supports with the synthesized membrane are rinsed in deionized water until unreacted synthetic components are removed from the pores. In general, this is the case when the pH of the wash water after repeated changes of the same at a pH of 7.
Die Träger werden anschließend schonend getrocknet. Dies kann unter Raumluftbedingungen erfolgen oder nach langsamen Aufheizen im Trockenschrank bei 60°C.The carriers are then gently dried. This can be done under room air conditions or after slow heating in a drying oven at 60 ° C.
Nach dem Trocknen erfolgt die Entfernung der strukturdirigierenden Templationen, da sich diese in den Zeolithporen befinden und somit einen Zutritt der zu trennenden Gase verhindern würden. Das Kalzinieren wird mit einer Aufheizrate von 0,3 bis 5,0 K/min, bevorzugt mit 1,0 K/min bei 400 bis 550°C für 3 bis 24 h, besonders bevorzugt bei 420 bis 580°C mit 5 bis 12 h, durchgeführt.After drying, the removal of structure-directing templations takes place, since these are located in the zeolite pores and would thus prevent access of the gases to be separated. The calcining is carried out at a heating rate of 0.3 to 5.0 K / min, preferably at 1.0 K / min at 400 to 550 ° C for 3 to 24 h, more preferably at 420 to 580 ° C with 5 to 12 h, performed.
Es hat sich gezeigt, dass die nach oben genannten Verfahrensschritten hergestellten Membranen außerordentlich und für das hier vorgestellte Verfahren essentiell druckstabil sind. Es werden bei hohen Feeddrücken und angelegten Druckdifferenzen zwischen Permeat und Feed nur geringe Leckströme gemessen (kleiner als 0,1% zum Gesamtfluß).It has been found that the membranes prepared according to the above-mentioned process steps are extremely stable and essentially pressure-stable for the process presented here. At low feed pressures and applied pressure differences between permeate and feed, only low leakage currents are measured (less than 0.1% of the total flow).
Für Feedgase mit höheren Anteilen von H2S, CO2 oder Wasser ist es vorteilhaft, mit aluminiumarmen Zeolithen zu arbeiten, deren Si:Al-Verhältnis zwischen 50 und 700 liegt, vorzugsweise 150–450, insbesondere > 250. Es können auch aluminiumfreie Zeolithe wie Silicalith eingesetzt werden.For feed gases with higher proportions of H 2 S, CO 2 or water, it is advantageous to work with aluminum-poor zeolites whose Si: Al ratio is between 50 and 700, preferably 150-450, in particular> 250. Aluminum-free zeolites may also be used as silicalith be used.
Die Membranen müssen meso- und makroskopisch dicht sein, keine Leckströmung ermöglichen und damit nur adsorptive Prozesse an der Oberfläche zulassen, wobei der Stofftransport demnach nur durch das interkristalline Porensystem vonstatten geht. Ein Transport zwischen den Kristalliten der porösen anorganischen Schicht darf aufgrund der angelegten Drücke nicht oder nur in sehr geringen Maße stattfinden. Von Vorteil für des Trennverfahren sind Membranen, die aufgrund ihres geringen Schichtdicken hohe Permeatflüsse ermöglichen. Die Dicke der Trennschicht beträgt 5 bis 200 μm. Bevorzugt beträgt die Dicke der Trennschicht weniger als 50 μm, besonders bevorzugt weniger als 20 μm, insbesondere 5–20 nm.The membranes must be meso- and macroscopically dense, allow no leakage flow and thus allow only adsorptive processes on the surface, with the mass transfer thus proceeding only through the inter-crystalline pore system. A transport between the crystallites of the porous inorganic layer must not take place or only to a very small extent due to the applied pressures. Advantageous for the separation process are membranes that allow high permeate flows due to their low layer thicknesses. The thickness of the separating layer is 5 to 200 μm. The thickness of the separating layer is preferably less than 50 μm, more preferably less than 20 μm, in particular 5-20 nm.
Zur Gewährleistung einer ausreichenden Stabilität der Membran wird diese auf einem porösen Träger synthetisiert. Neben Trägermaterialien aus Metall werden vorwiegend Kompositmembranen auf Korundträgern erzeugt, da diese preiswerter herzustellen sind und sich Membran und Träger von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten her ähnlicher sind. Es sind auch andere Trägermaterialien, wie poröse Gläser oder poröse Metalle geeignet. To ensure sufficient stability of the membrane, it is synthesized on a porous support. In addition to support materials made of metal composite membranes are mainly produced on corundum carriers, as they are cheaper to produce and membrane and support are similar in their chemical composition and their thermal expansion behavior ago. Other carrier materials, such as porous glasses or porous metals, are also suitable.
Des weiteren sind u. a. geeignet Polymermembranen, die bevorzugt nach dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus trennen. Dazu gehören z. B. kautschukartige Polymere, Silikonkautschuk, Polyamide, Polyether, Polyamid-Polyether-Blockcopolymere.Furthermore, u. a. suitable polymer membranes, preferably separated by the solution-diffusion mechanism. These include z. Example, rubbery polymers, silicone rubber, polyamides, polyethers, polyamide-polyether block copolymers.
Polymermembranen sind jedoch wegen ihres Quellverhaltens in Anwesenheit höherer Kohlenwasserstoffe und damit sinkender Selektivität nicht bevorzugt.However, polymer membranes are not preferred because of their swelling behavior in the presence of higher hydrocarbons and hence decreasing selectivity.
Die Erfindung soll nachstehend durch Beispiele näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung bedeutenThe invention will be explained in more detail by examples. In the accompanying drawing mean
In
Die Kurven zeigen von links nach rechts die folgenden Anfangskonzentrationen von Methan: 90%, 85%, 80; 75%, 70%, 63,7%, 61,7%.The curves show from left to right the following initial concentrations of methane: 90%, 85%, 80; 75%, 70%, 63.7%, 61.7%.
In
Die Kurven zeigen von links nach rechts die folgenden Anfangskonzentrationen von Methan: 90%, 86%, 82%, 78%, 74%, 70%.The curves show from left to right the following initial concentrations of methane: 90%, 86%, 82%, 78%, 74%, 70%.
In
Dabei befindet sich die Methankonzentration des Feeds rechtsseitig der Kurve(Gas-Bereich), wohingegen durch Durchschreitung selbiger unter Druckerniedrigung der Permeatraum durch eine Methankonzentration auf der linken Seite der Kurve gekennzeichnet ist (Gas-Flüssig-Bereich). In this case, the methane concentration of the feed is located on the right side of the curve (gas region), whereas by passing through the latter under pressure reduction the permeate space is characterized by a methane concentration on the left side of the curve (gas-liquid region).
Die Verringerung an Methan und die Zunahme an C2+-KW erfolgt gemäß folgender Tabelle:
In
Variante Aoption A
MFI-Trennschicht 1 (oben) nach der Zusammensetzung von 100 Mol SiO2: 0,169 Mol Al2O3: 3,3 Mol TPABr: 3,3 Mol TPAOH: 3,3 Mol Na2O: 2000 Mol H2O, darunter MF-Schicht 2 aus MFI, darunter eine Korund-MF-Schlcht 3, darunter die Korundstützschicht 4.MFI release layer 1 (above) after composition of 100 moles SiO 2 : 0.169 moles Al 2 O 3 : 3.3 moles TPABr: 3.3 moles TPAOH: 3.3 moles Na 2 O: 2000 moles H 2 O, below
Variante BVariant B
MFI-Trennschicht 1 (oben) nach der Zusammensetzung von 100 Mol SiO2: 0,169 Mol Al2O3: 0,6 Mol TPABr: 0,0 Mol TPAOH: 3,3 Mol Na2O: 2000 Mol H2O, darunter MF-Schicht 2 aus MFI, darunter Korund-MF-Schicht 3, darunter Korundstützschicht 4.MFI release layer 1 (above) after composition of 100 moles SiO 2 : 0.169 moles Al 2 O 3 : 0.6 moles TPABr: 0.0 moles TPAOH: 3.3 moles Na 2 O: 2000 moles H 2 O, below
Beispiel 1 Synthese der MembraneinheitExample 1 Synthesis of the membrane unit
Zur Erzeugung der Silikalithmembranen für die Gastrennung, insbesondere zur Trennung höherer Kohlenwasserstoffe von Methan, werden Korundmonokanäle mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einem Innendurchmesser von 7 mm und einer Länge von 125 mm verwendet. Die Träger weisen im Innern zudem eine vom Hersteller versehene Mikrofiltrationsschicht aus α-Korund mit einer durchschnittlichen Porenweite von 200 nm auf. Die Enden waren mit Glaslot versiegelt.To produce the Silikalithmembranen for gas separation, in particular for the separation of higher hydrocarbons of methane, Korundmonokanäle be used with an outer diameter of 10 mm, an inner diameter of 7 mm and a length of 125 mm. In addition, the carriers have a microfiltration layer of α-corundum provided by the manufacturer with an average pore size of 200 nm. The ends were sealed with glass solder.
Für die mesoporöse Zeolithschicht wird ein Silikalith mit einem Si/Al-Molverhältnis > 500 mittels einer Rührwerkskugelmühle mit deionisiertem Wasser als Dispersionsmittel ohne sonstige Zusätze auf eine Feinheit von d10 = 0,25, d50 = 0,43 und d90 = 0,80 μm gemahlen. Mittels einer 5%igen Suspension aus dem gemahlenen Silikalith, der ein Bindemittel zugesetzt ist, werden die Korundträger über Schlickergießen beschichtet. Es bildet sich nach einer Standzeit von 5 min unter den gegebenen Bedingungen eine Schichtdicke von 25 μm.For the mesoporous zeolite layer, a silicalite having a Si / Al molar ratio> 500 is reduced to a fineness of d 10 = 0.25, d 50 = 0.43 and d 90 = 0 by means of a stirred ball mill with deionized water as a dispersing agent without any other additives. Milled 80 microns. By means of a 5% suspension of the ground silicalite to which a binder has been added, the corundum carriers are coated by slip casting. It forms after a life of 5 min under the given conditions, a layer thickness of 25 microns.
Vor der Synthese wird der im Innern mit gemahlenen Silikalith-Kristallen beschichtete Korundträger bei 700°C für 1 h temperaturbehandelt.Prior to the synthesis, the corundum support coated in the interior with milled silicalite crystals is heat-treated at 700 ° C. for 1 h.
Die Syntheselösung zur Ausbildung eines geschlossenen Films auf der mesoporösen Silikalithschicht weist eine Zusammensetzung von 100 Mol SiO2: 0,169 Mol Al2O3: 3,3 Mol TPABr: 3,3 Mol TPAOH: 3,3 Mol Na2O: 2000 Mol H2O (Elektronenmikroskopie
Eine weitere Membran mit geschlossenem, aber dünnerem Film, wird nach dem Syntheseansatz von 100 Mol SiO2: 0,169 Mol Al2O3: 0,6 Mol TPABr: 0,0 Mol TPAOH: 3,3 Mol Na2O: 2000 Mol H2O (Elektronenmikroskopie
Als Siliziumquelle dient Levasil® 300/30%, welches eine geringe Menge Al2O3 enthält. Dadurch lag das Si/Al-Mol-Verhältnis bei 300. TPABr steht für Tetrapropylammoniumbromid, TPAOH für Tetrapropylammoniumhydroxid. Bei dem verwendeten Wasser handelt es sich um deionisiertes Wasser. Vor der Synthese werden die Träger mit Teflonband umwickelt. As the silicon source Levasil ® 300 serves / 30%, containing a small amount of Al 2 O 3. Thus, the Si / Al mole ratio was 300. TPABr is tetrapropylammonium bromide, TPAOH is tetrapropylammonium hydroxide. The water used is deionized water. Before the synthesis, the carriers are wrapped with Teflon tape.
Die Hydrothermalsynthese erfolgt im Autoklaven bei 180°C für 24 h. Nach der Synthese wird das Teflonband entfernt und die Membranen in deionisiertem Wasser gespült. Nach einer Raumtrocknung von 3 Tagen erfolgt die Kalzinierung bei 450°C für 5 h.The hydrothermal synthesis is carried out in an autoclave at 180 ° C for 24 h. After synthesis, the Teflon tape is removed and the membranes are rinsed in deionized water. After a space drying of 3 days, the calcination is carried out at 450 ° C for 5 h.
Beispiel 2 Abtrennung von C2+-Kohlenwasserstoffen durch TaupunktunterschreitungExample 2 Separation of C 2+ hydrocarbons by dew point undershooting
Die aus Beispiel 1 erhaltenen Trennkörper zeichnen sich durch ihren asymmetrischen Aufbau aus. Dabei ist ein geschichteter Aufbau kennzeichnend. Im vorliegenden Fall sind keramische Trennrohre mit innenliegender Trennschicht gekennzeichnet durch (v.a.n.i.) Schicht 4: Al2O3-Stützkörper (ca. 1,5 mm), Schicht 3: Al2O3-Mikrofiltrationsschicht (ca. 40 μm), Schicht 2: MFI-Keimschicht (ca. 30 μm), Schicht 1: MFI-Trennschicht (ca. 30 μm). Die Membranen werden unter verschiedenen Bedingungen auf ihr Permeationsverhalten getestet. Dazu werden diese in ein Edelstahlmodul montiert, wobei eine Abdichtung zum Permeatraum erfolgte. Zum Durchführen von Permeationstests bei verschiedenen Temperaturen wird das Modul erwärmt bzw. abgekühlt. Entsprechend einem Einsatz unter praxisrelevanten Bedingungen herrscht auf der Permeatseite während der Messung ein stets geringerer Druck als auf der Feedseite. Der Druck auf der Feedseite wird mittels Hinterdruckregler auf die Testwerte eingestellt. Der Retentatfluß wurde während der Messung konstant gehalten, indem eine Anpassung des Feedflusses an den Permeatfluß erfolgt. Retentat wird mittels GC-Analytik untersucht. Permeat wird ebenfalls mittels GC-Analytik untersucht und der kondensierte Kohlenwasserstoffanteil volumetrisch bestimmt. Daraus resultieren verschiedene Anteile verflüssigbarer C2+-Anteile im Permeatraum in Abhängigkeit von Temperatur, Druck (Feed), Druck (Permeat) und Methananteil bezogen auf die Gesamtkohlenwasserstoffmischung. Folgende Tabelle gibt einige dieser Austestungsergebnisse exemplarisch für eine Erdgastrennung mit 9% C2+-Bestandteilen (Hauptbestandteil Butan mit 4,7%, sonst Propan 2,7%, Ethan 1,6%) wieder.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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