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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Senkung oder Eliminierung
von Schwefelwasserstoff aus gasförmigen
und flüssigen
Kohlenwasserstoffen und Klärgasen,
insbesondere aus Erdgas- und flüssigen Kohlenwasserstoffströmen.
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Zur
Entfernung von Schwefelwasserstoff und anderen potentiell unerwünschten
schwefelhaltigen organischen Spezies wie Mercaptanen aus flüssigen und
gasförmigen
Kohlenwasserstoffen werden verschiedene Verfahren eingesetzt.
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In
einem Prozess wird zunächst
ein Kohlenwasserstoffstrom mit einer alkalischen Flüssigkeit
wie z.B. einem Amin oder einer Lösung
eines Metallhydroxids in Kontakt gebracht, was bewirkt, dass sich
wasserlösliche
Sulphidsalze bilden. Diese Salze können vorzugsweise in die Wasserschicht
extrahiert und später
in einem Oxidationsprozess in elementaren Schwefel umgewandelt werden.
Diese Verfahren sind wirksam, aber teuer in der Durchführung und
erfordern erhebliche Investitionen bezüglich Ausstattung, Platz und
Wartung.
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Bei
einem anderen Verfahren werden Sulphidionen aus Einsatzmaterial
bei der Erdölraffinierung
durch Einsatz von Dialkylamin, das mit einem Aldehyd wie z.B. Formaldehyd
in einem ungefähren
Verhältnis
von 2 Molekülen
Amin zu einem Molekül
Aldehyd umgesetzt wird, entfernt. Diese Reaktionsprodukte reagieren
bei niedrigen Temperaturen und Drücken jedoch nicht immer schnell
oder wirksam mit Sulphid in dem Erdöl-Einsatzmaterial.
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Die
WO90/07467 offenbart die
Verwendung von Alkanolaminen, die mit niederen Aldehyden zu Triazinen
umgesetzt werden, sowie ihre Verwendung als H
2S-Läuterungsmittel
oder -Scavenger in gasförmigen oder
flüssigen
Kohlenwasserstoffgas-Strömen.
Diese Art Molekül
ist typischerweise bei Einsatz in Flüssigkeits-/Gaswaschtürmen durch
direkte Zerstäubung
in einen Gasstrom oder durch Injektion in Wasserströme, die
Schwefelwasserstoff mit sich führen,
wirksam. Seine Wirkung ist jedoch bei dem Versuch des Einsat zes
in flüssigen
Kohlenwasserstoff-Strömen
erheblich reduziert und kann auch bei Zerstäubung in sehr trockene Gasströme reduziert
sein.
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Darüber hinaus
bestehen Probleme beim Einsatz von Triazinen. Erstens führt ihre
Verwendung in Gegenwart von Meerwasser, das Calciumionen und gelöstes Kohlendioxid
enthält,
zu einer Ausfällung
von Calciumcarbonat als Kesselstein. Die Kesselsteinbildung kann
zu ernsten Problemen führen,
denen durch Einsatz herkömmlicher
Kesselstein-Inhibitoren
nicht beizukommen ist, so dass die Anlagen regelmäßig mit
Säure durchgespült werden
müssen,
um den Kesselstein zu entfernen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Senkung des Schwefelwasserstoffgehalts
in einem flüssigen
oder gasförmigen
Kohlenwasserstoff oder in Klärgas
durch Behandlung der Flüssigkeit
oder des Gases mit einem H2S-Läuterungs-
oder -Scavengerprodukt, welches das Reaktionsprodukt folgender Substanzen
umfasst, bereit:
- i) einer carbonylgruppenhaltigen
Verbindung, die aus Aldehyden und Ketonen mit bis zu 10 Kohlenstoffatomen
ausgewählt
ist und keine andere funktionelle Gruppe enthält oder eine Fettsäuregruppe
oder Ethergruppe enthält,
aber keine andere funktionelle Gruppe, und
- ii) eines Alkohols, Thiols, Amids, Thioamids, Harnstoffs oder
Thioharnstoffs, der keine andere funktionelle Gruppe enthält oder
eine Fettsäuregruppe
oder Ethergruppe enthält,
aber keine andere funktionelle Gruppe,
wobei die carbonylhaltige
Verbindung, der Alkohol, das Thiol, das Amid, das Thioamid, der
Harnstoff oder der Thioharnstoff und das Reaktionsprodukt frei von
basischen Gruppen sind.
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Die
erfindungsgemäßen Produkte
vermeiden oder minimieren die zuvor genannten Probleme mit dem Calciumcarbonat.
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Ein
carbonylgruppenhaltiges Ausgangsmaterial kann eine oder mehrere
Carbonylgruppen, insbesondere eine oder zwei Carbonylgruppen enthalten
und umfasst aliphatische, alicyclische und/oder aromatische Einheiten,
für gewöhnlich aliphatische,
alicyclische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffeinheiten oder Wasserstoff.
Insbesondere ist die Verbindung aliphatisch oder cycloaliphatisch
oder enthält
aliphatische und cycloaliphati sche Einheiten. Die aliphatischen
oder cycloaliphatischen Gruppen oder Einheiten können gesättigt oder ungesättigt sein,
sind aber für
gewöhnlich
gesättigt.
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Das
verwendete Aldehyd oder Keton enthält 1 bis 10 Kohlenstoffatome,
z.B. 1 bis 7 Kohlenstoffatome. Vorzugsweise ist die Carbonylverbindung
ein Aldehyd, noch bevorzugter ein Mono- oder Dialdehyd, für gewöhnlich Formaldehyd.
(Es ist davon auszugehen, dass der Begriff „Formaldehyd" Para-Formaldehyd,
Formalin und andere chemische Formen, aus denen sich die Grundstruktur
HCHO ableiten lässt,
einschließt.)
Andere geeignete Aldehyde sind z.B. Glyoxal, Acetaldehyd, Propionaldehyd,
Butyraldehyd und Glutaraldehyd. Geeignete Ketone sind z.B. Aceton,
Methyl-ethylketon, Methylisopropylketon sowie Hexanone und Heptanone
(mit insgesamt 6 bzw. 7 Kohlenstoffatomen).
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Auf
Wunsch können
auch Mischungen aus zwei oder mehr Carbonylverbindungen, z.B. zwei
oder mehr der zuvor erwähnten
Aldehyde, z.B. Formaldehyd, und einem oder mehreren anderen Aldehyden
eingesetzt werden.
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Ein
Alkohol-, Thiol-, Amid-, Thioamid-, Harnstoff- oder Thioharnstoff-Ausgangsmaterial
enthält
eine oder mehrere Hydroxy-, Thiol-, Amid-, Thioamid-, Harnstoff-
oder Thioharnstoffgruppen; auf Wunsch können zwei oder mehr unterschiedliche
Gruppen, ausgewählt
aus Hydroxy-, Thiol-, Amid-, Thioamid-, Harnstoff- oder Thioharnstoffgruppen
vorliegen. Die Verbindung umfasst aliphatische, alicyclische und/oder
aromatische Einheiten, für
gewöhnlich
aliphatische, alicyclische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffeinheiten;
insbesondere ist die Verbindung aliphatisch oder cycloaliphatisch
oder enthält
aliphatische und cycloaliphatische Einheiten. Andere Strukturen,
z.B. solche mit heterocyclischen Einheiten, bei denen das/die Heteroatom(e)
aus Sauerstoff und Schwefel ausgewählt ist/sind, insbesondere
nicht-aromatische heterocyclische Einheiten, sind jedoch ebenfalls
möglich.
Die aliphatischen oder cycloaliphatischen Gruppen oder Einheiten
können
gesättigt oder
ungesättigt
sein, sind jedoch für
gewöhnlich
gesättigt.
Insbesondere ist die Verbindung aliphatisch.
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Vorzugsweise
ist das Ausgangsmaterial ein Alkohol oder ein Harnstoff. Vorzugsweise
enthält
der Alkohol z.B. 1 bis 6 Hydroxygruppen und ist z.B. Ethylenglycol,
Propylenglycol, Glycerin, Ethylalkohol, Methanol, n-Butanol oder
ein Polyvinylalkohol eines niedrigen Molekulargewichts, so dass
das Reaktionsprodukt mit dem Carbonyl- Ausgangsmaterial eine Flüssigkeit
bleibt. Ein bevorzugter Harnstoff ist Harnstoff selbst, NH2CONH2. Beispiele
für geeignete
Amide sind Formamid, Acetamid, usw. Auf Wunsch kann jedoch auch
ein entsprechendes Thioderivat einer der zuvor genannten Substanzen
verwendet werden.
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Die
Ausgangsmaterialien können
auf Wunsch eine oder mehrere Ether- oder Fettsäuregruppen enthalten. Das Ausgangsmaterial
kann also z.B. Diethylenglycol oder Triethylenglycol oder ein Zuckermolekül sein,
oder es kann ein Ausgangsmaterial verwendet werden, das Hydroxy-
und Säuregruppen
wie z.B. in Rizinusölfettsäure enthält.
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Basische
Gruppen sollten im Ausgangsmaterial und Reaktionsprodukt vermieden
werden. Daher besitzt das Ausgangsmaterial keine oder im Wesentlichen
keine Aminbasizität
und nur eine geringe oder gar keine Pufferkapazität. Amide
und Harnstoffe enthalten z.B. Stickstoffatome, besitzen aber keine
basische Funktionalität.
Daher unterscheiden sich Verbindungen zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren
von den zuvor diskutierten Produkten der
WO90/07467 .
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Auf
Wunsch können
auch Mischungen aus zwei oder mehr solcher Ausgangsmaterialien,
z.B. zwei oder mehr der erwähnten
Alkohole, z.B. zwei oder mehr der speziell erwähnten Alkohole oder ein oder
mehr dieser Alkohole mit Harnstoff verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt insbesondere ein Verfahren zur Senkung
des Schwefelwasserstoffgehalts in Kohlenwasserstoffen bereit, das
die Behandlung des Kohlenwasserstoffs mit einem H2S-Läuterungs- oder
-Scavengerprodukt, das das Reaktionsprodukt aus
- i)
einer carbonylgruppenhaltigen Verbindung, die aus Formaldehyd, Glyoxal,
Acetaldehyd, Propionaldehyd, Butyraldehyd und Glutaraldehyd ausgewählt ist,
und
- ii) einem Alkohol oder Harnstoff, der aus Ethylenglycol, Propylenglycol,
Glycerin, Diethylenglycol, Triethylenglycol, Ethylalkohol, n-Butanol,
einem Zucker, einem Polyvinylalkohol eines niedrigen Molekulargewichts,
Rizinusölfettsäure und
Harnstoff ausgewählt
ist,
insbesondere das Reaktionsprodukt aus Formaldehyd
und einem Alkohol, insbesondere einem der zuvor aufgeführten umfasst,
beinhaltet.
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Das
Reaktionsprodukt aus Formaldehyd und Ethylenglycol sollte speziell
erwähnt
werden.
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Reaktionen
von Aldehyden und Ketonen mit Alkoholen, Thiolen, Amiden, Thioamiden,
Harnstoffen und Thioharnstoffen sind in der Literatur beschrieben. „Formaldehyde", S. 265, Joseph
Frederic Walker, Neudruck 1975, Robert E. Krieger Publishing Company
Inc. offenbart, dass bei der Kombination von Formaldehyd und Alkoholen
unter neutralen oder alkalischen Bedingungen Hemiformale entstehen
und sich im Falle primärer
und sekundärer
Alkohole leicht bilden.
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Vorteilhafterweise
umfasst das verwendete H2S-Läuterungs-
oder -Scavengerprodukt ein Acetal, insbesondere ein Hemiacetal.
Das Acetal kann cyclisch sein, so dass die zwei Acetalsauerstoffatome
Teil eines Ringes sind.
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Die
Recktanten können
mit oder ohne das Vorliegen eines sauren Katalysators in Gegenwart
oder Abwesenheit eines Lösungsmittels
und im Allgemeinen bei erhöhter
Temperatur umgesetzt werden. Geeignete saure Katalysatoren sind
z.B. Schwefelsäure,
Phosphorsäure
und Sulphonsäuren.
Geeignete Lösungsmittel sind
z.B. Kohlenwasserstoffe, z.B. Schwerbenzin, Xylol oder Toluol, sauerstoffgesättigte Lösungsmittel
oder Wasser. Auf Wunsch kann das Produkt nach der Reaktion von dem
Wasser oder dem anderen Lösungsmittel getrennt
werden. Die Reaktion kann z.B. bei einem pH-Wert im Bereich von
2 bis 8 oder mehr, insbesondere bei einem pH-Wert von 4 oder mehr
erfolgen. Insbesondere im Fall der Reaktion zwischen einem Alkohol
oder Thiol und einer carbonylgruppenhaltigen Verbindung wird der
saure Katalysator nach der Reaktion vorzugsweise neutralisiert.
Nach der Reaktion kann der pH-Wert des Produktes ggf. wieder erhöht werden,
z.B. durch Zugabe von Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Natriumcarbonat
oder Kaliumcarbonat. Vorzugsweise liegt der pH-Wert des fertigen
Produkts im Bereich von 4 bis 11, insbesondere z.B. im Bereich von
10 bis 10,5. Gepufferte Produkte, die z.B. Carbonate, Phosphate
oder Borate enthalten, sollten speziell erwähnt werden.
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Die
Recktanten können
z.B. in einem im Wesentlichen stöchiometrischen
Verhältnis
umgesetzt werden. Es können
aber auch andere Verhältnisse
verwendet werden; es ist z.B. nicht notwendig, alle Hydroxy-, Thiol-,
Amid-, Thioamid-, Harnstoff- oder Thioharnstoffgruppen vollständig umzusetzen.
Bei Ethylenglycol als Ausgangsmaterial z.B. erfolgt die Reaktion
vorzugsweise so, dass beide Hydroxygruppen umgesetzt werden; alternativ
kann weniger als die stöchiometrische
Menge der Carbonylverbindung verwendet werden. Das Molverhältnis von
Formaldehyd zu Ethylenglycol z.B. kann bis zu 2:1 betragen. Die
Reaktion eines Molgemisches mit einem Verhältnis von Formaldehyd zu Ethylenglycol
von im Wesentlichen 2:1 oder weniger als 2:1, z.B. im Wesentlichen
1:1, ist speziell zu erwähnen.
Bei einem Zucker z.B. kann die Reaktion nur einiger Hydroxygruppen
ausreichend sein. Bei Einsatz eines stöchiometrischen Überschusses
des Alkohols, Thiols, Amids, Thioamids, Harnstoffs oder Thioharnstoffs
kann das Vorliegen restlicher freier Carbonylverbindung in dem fertigen Produkt
auf ein außerordentlich
niedriges Niveau gesenkt werden.
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Wie
für den
Fachmann ersichtlich, hängt
die Struktur des Reaktionsproduktes oder der Reaktionsprodukte unter
anderem von der Stöchiometrie
der miteinander umgesetzten Produkte ab.
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Bei
Ethylenglycol und Formaldehyd kann die Reaktion so erfolgen, dass
Ethylenglycol-Hemiformal, auch
bekannt als [1,2-Ethandiylbis(oxy)]-bis-methanol oder 1,6-Dihydroxy-2,5-dioxahexan entsteht:
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Andere
Produkte können
ebenfalls entstehen. Oligomere Verbindungen unterschiedlicher Kettenlänge sollten
erwähnt
werden.
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Typische
Synthesen in der Literatur geben an, dass ein Mol Ethylenglycol
mit zwei Mol Formaldehyd in Gegenwart von Mineralsäure (0,1–10% oder < 0,1%) als Katalysator
umgesetzt werden kann. Das Wasser kann durch herkömmliche
oder azeotrope Destillation entfernt werden, um den Abschluss der
Reaktion weiter voranzutreiben. Wir haben außerdem festgestellt, dass die
Reaktion auch ohne Katalysator leicht durchgeführt werden kann. Das fertige
Produkt kann neutralisiert oder alkalisch gemacht werden, um die
Produktstabilität zu
verbessern. Wie zuvor erwähnt,
können
Mischungen aus Hemiformalen entstehen.
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Bei
Harnstoff und Formaldehyd umfasst das Reaktionsprodukt vorzugsweise
Dimethylolharnstoff (auch bekannt als N,N-Bis-(hydroxymethyl)harnstoff):
Butalformal
der Formel
(auch bekannt als Butoxymethanol) sollte ebenfalls
erwähnt
werden.
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Die
Produkte Ia–Ic
sind bekannt und/oder im Handel erhältlich. Ethylenglycol-Hemiformal und seine Mischung
mit Dimethylolharnstoff sind als Bakterizide bekannt, z.B. zur Verwendung
in Schneidflüssigkeiten bei
der spanabhebenden Metallbearbeitung. Im Allgemeinen werden die
Produkte für
solche Zwecke in Konzentrationen von weniger als 5 Gew.-%, z.B.
in Konzentrationen von 0,01 bis 0,2 Gew.-% verwendet, auch wenn
in einigen Fällen
Konzentrationen von bis zu 3 oder sogar 4 Gew.-% eingesetzt werden.
Im Stand der Technik existiert keine Offenbarung solcher Materialien
für die
Läuterung
von Schwefelwasserstoff.
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Der
Einsatz eines Gemisches von erfindungsgemäßen Läuterungs- oder Scavengerprodukten,
z.B. eines Gemisches aus einem Reaktionsprodukt aus Alkohol und
einer Carbonylverbindung und einem Reaktionsprodukt aus Harnstoff
und einer Carbonylverbindung, insbesondere eines Gemisches aus einem
Reaktionsprodukt aus Ethylenglycol und Formaldehyd und einem Reaktionsprodukt
aus Harnstoff und Formaldehyd kann erwähnt werden. Das Gemisch kann
z.B. ein Gemisch aus den zuvor genannten beiden Reaktionsprodukten
Ia und Ib umfassen. Die Reaktionsprodukte können z.B. in einem Gewichtsverhältnis von
1:99 bis 99:1 eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt insbesondere ein Verfahren zur Senkung
des Schwefelwasserstoffgehalts in Kohlenwasserstoffen durch Behandlung
des Kohlenwasserstoffs mit einem Reaktionsprodukt aus Formaldehyd
und Hydroxyl und/oder einem Reaktionspro dukt aus Formaldehyd und
Harnstoff bereit, wobei die Ausgangsmaterialien im Wesentlichen
aminfrei sind.
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Der
Einsatz des Dioxolanprodukts
II, das aus der Umsetzung
von Ethylenglycol mit Formaldehyd in einem Verhältnis von im Wesentlichen 1:1 unter
Eliminierung von Wasser ableitbar ist, sollte ebenfalls erwähnt werden.
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Wie
erwähnt
besitzen die erfindungsgemäßen Produkte
den Vorteil, dass mit ihnen die im Zusammenhang mit der Verwendung
von Triazinen auftretenden Probleme der Calciumcarbonat-Kesselstein-Bildung
vermieden oder behoben werden. Der pH-Wert bleibt bei Zugabe des
Läuterungs-
oder Scavengerprodukts im Wesentlichen stabil.
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Weiterhin
hat sich unerwarteterweise herausgestellt, dass die Probleme im
Zusammenhang mit kristallinen Hydraten in Gaspipelines bei Einsatz
der aminfreien Reaktionsprodukte vermieden oder minimiert werden.
Wasser in der Gaspipeline kann mit Methangas zu Methanhydraten reagieren,
die explosiv und entflammbar sind. Zahlreiche Läuterungs- oder Scavengerprodukte, z.B. Triazin
(
WO90/07467 ), erfordern
jedoch das Vorliegen von Wasser für eine wirksame Läuterung;
daher muss das Wasser zur Hydratkontrolle vor der Einleitung des
Gases in die Pipeline entfernt werden (was die für die Läuterungsreaktion verfügbare Zeit
minimiert) und/oder ein Hydratkontrollmittel, z.B. Glycol oder Ammoniak
verwendet werden. Bei den zuvor erwähnten erfindungsgemäßen Reaktionsprodukten
ist Wasser jedoch für
eine wirksame Läuterung
nicht essentiell; durch Einsatz wasserfreier Lösungsmittel kann das Problem
der kristallinen Hydrate minimiert oder vermieden werden.
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Darüber hinaus
haben wir festgestellt, dass die erfindungsgemäßen Reaktionsprodukte wie z.B.
das Reaktionsprodukt aus Ethylenglycol und Formaldehyd im Vergleich
zu Triazinen, die mit Schwefelwasserstoff zu Trithian reagieren,
das in Methanol und Ethanol relativ unlöslich ist, mit Schwefelwasserstoff
zu einer Struktur reagieren, die in niederen Alkoholen wie Methanol
und Ethanol löslich
ist, und daher zu weniger Problemen bei der Anwendung führen.
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Produkte
mit Ethylenglycol-Hemiformal, Butylformal und Mischungen aus Ethylenglycol-Hemiformal und Dimethylolharnstoff
wiesen z.B. hervorragende Ergebnisse auf. Reakti onsprodukte aus
Glycerin und Glucose mit Formaldehyd wurden ebenfalls getestet,
z.B. die Reaktionsprodukte aus Ethylenglycol und Formaldehyd. Es
wurden hervorragende Ergebnisse erzielt. Diese Produkte weisen eine
verminderte oder gar keine pH-Wirkung auf die Systeme, einen hohen
Wirkungsgrad, angemessene Kosten, eine Senkung des freien Aldehydgehalts
in den Chemikalien und der mit ihrem Vorliegen verbundenen Gefahren
auf.
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Das
Verfahren eignet sich besonders zur Behandlung eines Kohlenwasserstoffstroms.
Der Kohlenwasserstoff kann ein flüssiger Kohlenwasserstoff oder
ein Kohlenwasserstoffgas sein; das Verfahren wird angewandt, um
den H2S-Gehalt solcher Produkte zu entfernen
oder zu senken. Der Gehalt anderer Mercaptane oder anderer Verunreinigungen
kann ebenfalls gesenkt werden. Daher kann das Verfahren z.B. zum „Süßen" von saurem Erdgas
oder Erdöl
oder anderen gasförmigen
oder flüssigen
Brennstoffen, z.B. Erdgas- oder Erdölströmen oder Strömen raffinierter
Brennstoffe wie verflüssigtem
Petroleumgas, z.B. Butan, oder Kohlengas- oder Stadtgasströmen oder
zur Behandlung solcher Materialien in Vorratstanks oder -behältern eingesetzt werden.
Die Behandlung von Klärgas
sollte ebenfalls erwähnt
werden. Vorzugsweise dient das Verfahren der Senkung des Schwefelwasserstoffgehalts
in einem Gas, z.B. einem Gas, das Wasser und/oder einen flüssigen Kohlenwasserstoff
enthält.
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Das
Produkt kann z.B. durch direkte Injektion (in unverdünnter Form
und ohne Einsatz einer speziellen Hilfsvorrichtung wie Fraktioniertürmen) in
Erdöl am
Bohrlochkopf oder in einer Pipeline oder durch direkte Zerstäubung in
einen Kohlenwasserstoffgasstrom genutzt werden. Es kann auch direkt
in gasförmige
oder flüssige raffinierte
Kohlenwasserstoffbrennstoffe oder in Raffinierungseinsatzmaterial
dosiert werden. Alternativ kann das Produkt z.B. in Kohlenwasserstoffen,
Alkoholen (z.B. Glycolen) oder Wasser gelöst oder verdünnt genutzt werden.
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Es
ist für
gewöhnlich
zweckmäßig, das
Reaktionsprodukt für
den Gebrauch in einem geeigneten Lösungsmittel zu lösen. Typische
Lösungsmittel,
die wirksam genutzt werden können,
sind z.B. Toluol, Xylol, aromatisches Schwerbenzin, dearomatisiertes
Erdöldestillat,
Wasser sowie Mono- und Dialkohole mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen
in der Struktur, z.B. Methanol, Ethanol oder Glycol sowie Mischungen
davon. Wie im Stand der Technik nachvollziehbar, sollte das Lösungsmittel
jedoch so ausgewählt
werden, dass To xizitäts-
und Entflammbarkeitsrisiken vermieden werden. Geeigneter Weise können die
verwendeten Lösungen
z.B. eine Konzentration von 10 bis 95 Gew.-%, z.B. mindestens 50
Gew.-%, häufig
mindestens 70 Gew.-% und z.B. bis zu 90 Gew.-% aufweisen.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung ein H2S-Läuterungs-
oder -Scavengerprodukt bereit, das mindestens 10 Gew.-% des erfindungsgemäßen Reaktionsprodukts
in Lösung
in einem Kohlenwasserstoff oder einem Alkohol oder Wasser umfasst.
Lösungen
in Methanol oder Ethanol sollten speziell erwähnt werden.
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Wir
haben außerdem
festgestellt, dass der Einsatz eines erfindungsgemäßen Reaktionsprodukts
zusammen mit einem Amin zusätzliche
Vorteile bieten kann.
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In
manchen Fällen
hat sich gezeigt, dass der Einsatz der erfindungsgemäßen Reaktionsprodukte
zu einem störenden
Niederschlag unvollständig
definierter Identität
führt.
Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass möglicherweise
kaum lösliche
ringförmige
Schwefelverbindungen mit 5, 7 und 8 Ringatomen entstehen. Wir haben
festgestellt, dass die Zugabe von Methanol, Ethanol und Amin nützlich ist.
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Methanol
und Ethanol waren dabei nützlich,
die Ringverbindungen in Lösung
zu halten. Wir haben außerdem
festgestellt, dass die Zugabe kleiner Mengen von Aminen, z.B. Monoethanolamin,
der Reduktion oder Behebung der Feststoffprobleme dient. Die Zugabe
von Alkanolamin zu den verwendeten Formalreaktionsprodukten führte z.B.
zu stabilen Formalgemischen, die mit Schwefelwasserstoff reagieren,
aber eine geringe Niederschlagsneigung besitzen. In manchen Fällen verbessert
diese Zugabe de facto den Wirkungsgrad der Reaktion des primären Acetals
oder Hemiacetals oder eines anderen Reaktionsprodukts.
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Das
Amin sollte im Allgemeinen wasserlöslich sein. Das Amin kann z.B.
Monoethanolamin, Diethanolamin, Triethanolamin oder ein anderes
sauerstoffhaltiges Amin, z.B. ein Morpholin, z.B. das im Handel
erhältlich
Produkt Amine C6 oder C8 (ein von Huntsman Chemicals, Großbritannien
erhältlicher
Morpholinrest), ein Triazin, z.B. 1,3,5-Tri-(2-hydroxyethyl)hexahydro-s-triazin („Monoethanolamin-Triazin"), ein Bisoxazolidin,
z.B. N,N'-Methylenbisoxazolidin
oder ein geradkettiges (C1-4)-Alkylamin,
z.B. Methylamin oder Butylamin, ein Di-(C1-4)-alkylamin
oder ein Tri-(C1-4)alkylamin sein. Im Gegensatz
zu den erfindungsgemäßen Reaktionsprodukten
besitzt das Amin eine höhere
Basizität
und eine Pufferkapazität.
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Die
Aminmenge kann je nach den Einsatzbedingungen und dem Amin selbst
variieren, kann aber z.B. bis zu 40 Gew.-% und insbesondere mindestens
5 Gew.-%, speziell 5 bis 30 Gew.-%, noch spezieller 10 bis 20 Gew.-%,
z.B. im Wesentlichen 10 Gew.-%, berechnet anhand des Gesamtprodukts
einschließlich
Lösungsmitteln
und Amin betragen.
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Die
Reaktionsproduktlösung
kann selbst aus z.B.
- • 70% Reaktionsprodukt
- • 25,9%
Wasser
- • 4,1%
Natriumhydroxidlösung
einer Stärke
von 5%
bestehen; das erfindungsgemäße Läuterungs- oder -Scavengerprodukt
kann z.B. - • 0
bis 40% Amin, z.B. Monoethanolamin oder Monoethanolamin-Triazin,
insbesondere die zuvor erwähnten
Aminprozentsätze
und
- • 60
bis 100% Reaktionsproduktlösung
umfassen.
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Insbesondere
sind die relativen Mengen des Reaktionsprodukts und des Amins ungeachtet
der Menge des Reaktionsprodukts in der Reaktionsproduktlösung im
Wesentlichen gleich den relativen Mengen in der oben dargestellten
Reaktionsproduktlösung.
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Daher
kann die vorliegende Erfindung ein H2S-Läuterungs-
oder -Scavengerprodukt nutzen, das
- (a) ein
Reaktionsprodukt, das durch Reaktion einer carbonylgruppenhaltigen
Verbindung mit einem Alkohol, einem Thiol, einem Amid, einem Thioamid,
einem Harnstoff oder einem Thioharnstoff ableitbar ist, wobei der
Alkohol, dass Thiol, das Amid, das Thioamid, der Harnstoff oder
der Thioharnstoff keine Aminfunktion aufweist, und
- (b) ein Amin, z.B. Monoethanolamin oder Monoethanolamin-Triazin,
z.B. in einer Menge von mindestens 60 Gew.-%, vorzugsweise mindestens
84 Gew.-%, z.B. 85 oder 86 Gew.-% (a) und bis zu 40 Gew.-%, vorzugsweise
bis zu 26 Gew.-%, z.B. 14 oder 15 Gew.-% (b), berechnet ausschließlich anhand
der Menge von (a) und (b), umfasst.
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In
dem Gemisch können
z.B. 7 bis 40 Gew.-%, z.B. bis zu 30 Gew.-%, häufig 14 bis 26 Gew.-% Amin, berechnet
anhand des Gewichts von (a) und (b), vorliegen.
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Die
folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung.
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BEISPIELE
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Herstellungsbeispiele
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(A) Herstellung eines Reaktionsprodukts
aus Formaldehyd und Ethylenglycol (Reaktion von 2 Mol HCHO mit 1,05
Mol Ethylenglycol)
Komponente | Gew.-% | Mol |
Monoethylenglycol
(tech: > 98%) | 35,60 | 0,574 |
Formalin
(~ 51 Gew.-%) | 64,4 | 1,094 |
Gesamt | 100,00 | |
- Molverhältnis
Aldehyd/Alkohol: 1,905
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Das
Glycol wird in einen gerührten
Reaktor gefüllt
und das Formalin über
einen Zeitraum von etwa 30 Minuten zugegeben. Das Reaktionsgemisch
wird unter Rühren
2 Stunden lang bei 65°C
erwärmt.
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Analyse
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Die
Proben wurden mit N,O-Bis-(trimethylsilyl)trifluoracetamid (BSTFA)
und 1% Trimethylchlorsilan (TMCS) derivatisiert. Die Derivatisierung
ersetzt die Hydroxylprotonen durch Trimethylsilylgruppen, so dass
die Moleküle
flüchtiger
und für
die gaschromatographische Analyse besser geeignet sind.
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Das
BSTFA/TMCS-Reagens (100 μl),
Pyridin (10 μl)
und die Probe (3 μl)
wurden in eine 4 ml-Probenampulle überführt. Die Ampulle wurde mit
einem Schraubverschluss mit einem PTFE-beschichteten Septum versiegelt
und in einem Inkubator bei 80°C
30 Minuten lang erwärmt.
Die Proben wurden vor der GC/MS-Analyse mit Dichlormethan auf etwa
3 ml verdünnt.
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Die
Analyse war eine Gaschromatographie/Massenspektrometrie.
Gaschromatograph | Hewlett
Packard 5890A |
Säule | HP-5
MS, 25 m, 0,20 mm Innendurchmesser, Filmdicke 0,33 μm |
Säulentemperatur | 35°C (4 min),
Inkrement 6°C/min
bis 300°C |
Injektor | Splitless
(40 s), 250°C |
Injektionsvolumen | 1,0 μl |
Trägergas | He,
1,0 ml/min |
Massenspektrometer | Hewlett
Packard 5970B |
Ionisierung | Elektronenstoß, 70 eV |
Grenzfläche | 280°C |
Vollständiger Scan | 35–500 z/e |
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Es
scheint eine Reihe oligomerer Verbindungen entstanden zu sein. In 1 ist
ein Gesamtionenchromatogramm (TIC) dargestellt, 2 zeigt
Massenspektrometriedaten für
die Peaks 1, 2 und 3. Die Verbindungen 1–5 scheinen Oligomere mit zunehmender
Kettenlänge
zu sein. Bei näherer
Betrachtung der Peaks zeigt sich jeweils eine Überlappung von zwei Verbindungen.
Diese beiden Verbindungen weisen unterschiedliche Massenspektren
auf, auch wenn die meisten Fragmentionen gleich sind. Einige mögliche Strukturen
des Hauptpeaks ((i) von Peak 3 in 1) sind
in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt.
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Die
Massenspektrometrie von Peak (i) (3a)
stellt ein Hauptfragmention von m/z 191 und kein Hauptfragmention
von m/z 117 dar. Die bisherigen Arbeiten deuten darauf hin, dass
Struktur (IV) die wahrscheinlichste Struktur der MS-Ergebnisse zu
sein scheint.
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Alle
Hauptfragmentionen (m/z 73, 103, 147, 191) im Massenspektrum lassen
sich aus dieser Struktur identifizieren. Die TMS-Gruppen haben die
Hydroxylprotonen während
der Derivatisierung ersetzt. Der Nebenpeak ((ii) in 1)
ist höchstwahrscheinlich
mit Struktur (III) identisch. Alle Hauptfragmentionen (m/z 73, 103, 117,
147, 191, 221) im Massenspektrum lassen sich aus dieser Struktur
identifizieren.
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Es
wurden Vergleiche mit dem im Handel erhältlichen Produkt Bodoxin AE
angestellt. Dieses war in der Zusammensetzung ähnlich (
3 und
4)
und enthielt eine Reihe von Aldehyd/Alkohol-Reaktionsprodukten. Tabelle
1
(B) Herstellung eines Reaktionsprodukts
aus Formaldehyd und Glycerin (Reaktion von 2 Mol Formaldehyd mit 1,0
Mol Glycerin)
Komponente | Gew.-% | Mol |
Glycerin
(technisch) | 43,89 | 0,477 |
Formalin
(~ 51 Gew.-%) | 56,11 | 0,953 |
Gesamt | 100,00 | |
- Molverhältnis
Aldehyd/Alkohol: 2,000
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Das
Glycerin wird in einen gerührten
Reaktor gefüllt
und das Formalin über
einen Zeitraum von etwa 30 Minuten zugegeben. Das Reaktionsgemisch
wird unter Rühren
2 Stunden lang bei 65°C
erwärmt.
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In
diesem Fall ist die Literatur recht spezifisch bezüglich der
gebildeten Verbindungen; es scheint nicht vorteilhaft zu sein, eine
Umsetzung von Aldehydeinheiten mit Alkoholeinheiten auf einer 1:1-Basis
zu versuchen. Es entsteht eine Reihe von Reaktionsnebenprodukten,
die alle Ausführungsformen
der gewünschten Chemie
sind. (C) Herstellung eines Reaktionsprodukts
aus Formaldehyd und Glucose (Reaktion von 2 Mol Formaldehyd mit 1,0
Mol Glucose)
Komponente | Gew.-% | Mol |
Glucose,
Lebensmittelgüte | 60,47 | 0,336 |
Formalin
(~ 51 Gew.-%) | 39,53 | 0,671 |
Gesamt | 100,00 | |
- Molverhältnis
Aldehyd/Alkohol: 2,000
-
Die
Glucose wird in einen gerührten
Reaktor gefüllt
und das Formalin über
einen Zeitraum von etwa 30 Minuten zugegeben. Das Reaktionsgemisch
wird unter Rühren
2 Stunden lang bei 65°C
erwärmt.
-
Die
beschriebenen Reaktionsbedingungen sind typisch, jedoch in keiner
Weise beschränkend.
Umfassende Arbeiten mit Monoethylenglycol haben gezeigt, dass die
Reaktionsprodukte über
eine breite Palette an Reaktionszeiten und -temperaturen entstehen.
Es wurden saure und alkalische Katalysatoren untersucht; die Reaktionen
waren über
einen relativ breiten pH-Wertbereich möglich. Im Allgemeinen scheint
es, dass hohe Temperaturen nicht notwendig sind; Temperaturen von
100°C oder
mehr können
toleriert werden. Es wurden außerdem
pH-Wertbereiche von weniger als 4,0 bis mehr als 8,5 evaluiert.
Die Reaktionsprodukte könnten
innerhalb dieses Bereiches wiederholbar und reproduzierbar hergestellt
werden. Unterhalb von pH 4 machen die Wahrscheinlichkeit einer Korrosion
der Produktionsausrüstung
und die Bildung anderer möglicher
Spezies solche Bedingungen weniger wünschenswert. Ebenso kann die
Reaktion zwar bei einem pH-Wert von mehr als 8,5 durchgeführt werden,
doch mögliche
Nebenreaktionen wie Cannizzaro-Kondensationen
können
sie beeinträchtigen.
-
H2S-Läuterungstests
-
Zur
Bestimmung des Wirkungsgrades von Produkten bei der Entfernung von
Sulphidverbindungen, z.B. H2S, aus Ölströmen und
Gasströmen
sind zahlreiche verschiedene Tests verfügbar. Da der Sulphidgehalt in
der Gasphase über
der Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit
zu der Konzentration des Sulphids in der Kohlenwasserstoffschicht
proportional ist, kann ein Zweiphasensystem angewandt werden, bei
dem das Testprodukt in den sulphidhaltigen Kohlenwasserstoff dosiert
und die Veränderung
des Sulphids in der Dampfphase ermittelt wird.
-
Der
Nachweis in der Dampfphase kann durch Einsatz elektrochemischer
Zellen, bei denen das Gas in einem geeigneten analytischen Gaszug
mittels Absorptionsmedien bestehend aus einem kalibrierten Glas- oder
Kunststoffröhrchen,
das ein inertes Substrat mit Bleiverbindungen enthält, die
so kalibriert sind, dass sie den Sulphidgehalt direkt anzeigen,
gesammelt wird, oder mittels eines anderen Verfahrens auf der Basis
fundierter Analysetechniken erfolgen.
-
Beispiel 1
-
Es
wurde eine elektrolytische Zelle verwendet, die mit Schwefelwasserstoff
in der Dampfphase reagiert und proportional zu dem Sulphidgehalt
ein elektrisches Signal erzeugt. Das elektrische Signal wird digitalisiert
und mittels Stichproben-Software am PC aufgezeichnet. Die Daten
können
mit Hilfe dieser Technik rasch und genau berechnet werden; die Datenverarbeitung
am Computer liefert einen effizienten Vergleich mit anderen getesteten
Spezies.
-
Die
verwendete Testvorrichtung ist in 5 der beigefügten Zeichnungen
dargestellt. Der Schwefelwasserstoff wurde durch Einleitung von
Natriumsulphid und gasförmigem
Kohlendioxid in eine Wasserschicht unter der Ölschicht in situ erzeugt.
-
Die
Tests erfolgten mit
- • Ethylenglycol-Hemiformal,
erhältlich
als Bodoxin AE von Bode Chemie GmbH
- • dem
Gemisch aus Ethylenglycol-Hemiformal und Dimethylolharnstoff, erhältlich als
Bodoxin AH von Bode Chemie GmbH
- • Butylformal,
in Lösung
in Butanol
im Vergleich zu - • Referenzprodukten:
(i)
dem bekannten H2S-Läuterungsmittel oder -Scavenger
Monoethanolamin-Triazin, erzeugt durch Umsetzung von 1 Mol Formaldehyd
mit 1,06 Mol Monoethanolamin nach dem Verfahren der WO/07467 , und
(ii) Formalin.
-
Die
Ergebnisse sind in den 6A und 6B der beigefügten Zeichnungen graphisch
dargestellt. Die Tests mit dem Gemisch aus Monoethylenglycol-Hemiformal
und Dimethylolharnstoff erfolgten mit Bodoxin AH wie geliefert (etwa
95% in Wasser, pH 4) unter Zugabe eines geeigneten Puffers zur Einstellung
auf pH 9,5.
-
Im
Allgemeinen waren die Reaktionsgeschwindigkeiten bei Produkten mit
höherem
pH-Wert schneller als
bei ungepufferten Produkten.
-
Beispiel 2
-
Die
Produkte A, B und C (wie zuvor hergestellt, mit den nachfolgend
angegebenen wahlweise erfolgenden Zugaben) wurden unter Laborbedingungen
bezüglich
der Wirksamkeit als H2S-Läuterungsmittel
oder -Scavenger getestet. Als Referenz wurde Monoethanolamin-Triazin,
das Reaktionsprodukt von etwa 45–50 Mol-% Formaldehyd und 55–45 Mol-% Monoethanolamin
verwendet.
-
Eine
Glaszelle wurde mit einem Gasdispersionsröhrchen (Fritte) versehen und
die Mengen des Produkts und des der Zelle zugegebenen Wassers genau
gemessen. Anschließend
wurde ein H2S-haltiger Gasstrom mit sorgfältig gesteuerter
Geschwindigkeit durch die Befüllung
aus Produkt/Wasser geleitet. Der H2S-Gehalt
in dem aus der Zelle austretenden Gas wurde mittels eines elektronischen
H2S-Detektors auf der Basis einer elektrochemischen
Zelle wie z.B. von Draeger oder anderen erhältlich gemessen bzw. ermittelt; alternativ
kann das Gas durch Einsatz H2S-absorbierender
Anzeigeröhrchen
wie z.B. von Draeger oder anderen erhältlich, Nass- oder Kolorimetrieverfahren
oder ähnlichem überwacht
werden.
-
Der
Startzeitpunkt wird bei Initiierung des Flusses durch die Zelle
aufgezeichnet, der Zeitpunkt der Beendigung dann, wenn der H
2S-Gehalt des aus der Zelle strömenden Mediums
einen zuvor festgelegten Wert erreicht. In unseren Tests betrug
der anfängliche
H
2S-Gehalt 200 ppm in dem Test; der Test
wurde bei Erreichen eines H
2S-Gehalts von
10 ppm in dem ausströmenden
Medium beendet. Unter diesen Bedingungen wurden Testlaufzeiten von
ca. 4–5
Stunden bei dem Referenzprodukt beobachtet. (Die Details bezüglich Quantität und Verhältnis der
ausgewählten
Flüssigkeiten
lassen sich variieren, um verschiedene H
2S-Konzentrationen in
der Gasphase auszugleichen und zweckmäßige Zeitspannen zu etablieren.) Testdaten
Getestete
Formulierung | Zeit
in Minuten | Relativer
Wirkungsgrad | Anmerkungen |
Leerprobe | 0 | | |
Referenz
Triazin1 | 248 | 100 | |
Produkt
A1 | 189 | 76 | Leicht
verzögerter
Niederschlag |
Produkt
A1 + 2% NaOH2 | 300 | 121 | Leicht
verzögerter
Niederschlag |
Produkt
A1 + 10% Monoethanolamin3 | 336 | 135 | Unbedeutender
Niederschlag |
Produkt
B1 | 205 | 83 | Reaktionsgeschwindigkeit
scheint langsam. Kapazität
nicht erreicht. |
Produkt
C1 | 260 | 105 | Überhaupt
kein Niederschlag |
- 1Als wässrige Lösungen verwendet:
Triazin etwa 50–60%,
Produkte A, B und C wie zuvor herge-stellt
- 22% NaOH, berechnet anhand des Gesamtgewichts
der Lösung
von Produkt A und der NaOH-Zugabe; Zugabe als Lösung in Wasser (4–5%)
- 310% Monoethanolamin, berechnet anhand
des Gesamtgewichts der Lösung
von Produkt A und der Monoethanolaminzugabe
-
Die
Tests zeigten eindeutig, dass eine Zunahme des pH-Werts – sei es
durch Alkanolamin oder eine anorganische Base – die Löslichkeit des Reaktionsnebenprodukts
verbesserte, ohne die Stabilität
oder Läuterungsfähigkeit
des Produkts zu beeinträchtigen.
-
Weitere Herstellungsbeispiele
-
(D) Herstellung eines Reaktionsprodukts
aus Formaldehyd und Ethylenglycol (Reaktion von 1 Mol HCHO mit 1,05
Mol Ethylenglycol)
-
Monoethylenglycol
(1,05 Mol) wurde mit Formaldehyd (1 Mol, 50% Lösung) gemischt und der pH-Wert mit
Phosphorsäure
auf 2,5 eingestellt. Das Gemisch wurde auf 65°C erwärmt und 2 Stunden dort gehalten.
Es wurde ein abschließender
pH-Wert von 2,5 aufgezeichnet. Die Ergebnisse der Gaschromatographie
und Massenspektrometrie zeigten eine Reihe von oligomeren Verbindungen
wie in A (siehe oben).
-
(E) Herstellung eines Reaktionsprodukts
aus Formaldehyd und Diethylenglycol (Reaktion von 2 Mol Formaldehyd
mit 1,05 Mol Diethylenglycol)
-
Diethylenglycol
(1,05 Mol) wurde mit Formaldehyd (2 Mol, 50% Lösung) gemischt und der pH-Wert
mit Natriumhydroxidlösung
(5%) auf 8 eingestellt. Das Gemisch wurde erwärmt und 2 Stunden lang bei
65°C gerührt. Es
wurde ein abschließender
pH-Wert von 7 aufgezeichnet.
-
Diese
Probe weist eine Reihe von oligomeren Verbindungen auf, die sich
von den zuvor dargestellten Monoethylenglycolproben A unterscheiden.
Das TIC ist in 7 dargestellt. Auch hier liegen,
wie in 7 dargestellt, im Chromatogramm überlappende
Peaks vor. Diese beiden Verbindungen besitzen unterschiedliche Massenspektren,
auch wenn die meisten Fragmentionen gleich sind.
-
Mögliche Strukturen
für die
derivatisierten Produkte in den Haupt- und Nebenpeaks (i) von Peak
10 in 7 sind die Strukturen (V) bzw. (VI).
-
-
Die
Reaktionsprodukte D und E zeigten ebenfalls gute Läuterungseigenschaften.