EA041523B1 - METHOD FOR SEPARATING ACID GAS COMPONENTS FROM NATURAL GAS FLOW - Google Patents

METHOD FOR SEPARATING ACID GAS COMPONENTS FROM NATURAL GAS FLOW Download PDF

Info

Publication number
EA041523B1
EA041523B1 EA201991617 EA041523B1 EA 041523 B1 EA041523 B1 EA 041523B1 EA 201991617 EA201991617 EA 201991617 EA 041523 B1 EA041523 B1 EA 041523B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
gas
membrane
selectivity
molecular sieve
bar
Prior art date
Application number
EA201991617
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Чэнь ЧЖАН
Уилльям Джон Корос
Джозеф Маршалл Мэйн
Пол Джейсон Уилльямс
Original Assignee
Джорджия Тек Рисёч Корпорейшн
Эйр Ликвид Эдвансд Текнолоджиз Ю.С.
Ллк
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Джорджия Тек Рисёч Корпорейшн, Эйр Ликвид Эдвансд Текнолоджиз Ю.С., Ллк filed Critical Джорджия Тек Рисёч Корпорейшн
Publication of EA041523B1 publication Critical patent/EA041523B1/en

Links

Description

Область техникиTechnical field

Ресурсы природного газа очень сильно различаются по составу. Природный газ преимущественно содержит СН4, но обычно содержит также различные количества загрязнений (например, СО2, H2S, N2, тяжелых углеводородов и воды). Концентрацию этих загрязнений в природном газе необходимо снизить до определенного уровня перед транспортировкой и распределением. СО2 является основным загрязнением в большинстве ресурсов природного газа и в некоторых скважинах может превышать 50% и находиться под высоким давлением. Согласно предшествующему уровню техники мембранными материалами для удаления СО2 из природного газа являются полимеры. Несшитые полимеры могут набухать и расширяться при высокой концентрации сильно сорбируемого пенетранта (например, СО2 или более тяжелых углеводородов). Этот феномен называют пластификацией, и он обычно приводит к повышенной проницаемости мембраны и значительно сниженной избирательной проницаемости мембраны.Natural gas resources vary greatly in composition. Natural gas predominantly contains CH 4 but usually also contains varying amounts of contaminants (eg CO2, H2S, N2, heavy hydrocarbons and water). The concentration of these contaminants in natural gas must be reduced to a certain level before transportation and distribution. CO2 is the main contaminant in most natural gas resources and can exceed 50% and be under high pressure in some wells. According to the prior art, membrane materials for removing CO 2 from natural gas are polymers. Non-crosslinked polymers can swell and expand at high concentrations of a highly sorbable penetrant (eg CO2 or heavier hydrocarbons). This phenomenon is called plasticization, and it usually results in increased membrane permeability and a significantly reduced selective membrane permeability.

В результате этого несшитые полимеры обычно непригодны для обработки природного газа с высокой концентрацией СО2, находящегося под высоким давлением. Проблема, связанная с пластификацией мембраны, не ограничивается обработкой природного газа. Напротив, пластификация мембраны может произойти в любой прикладной задаче, связанной с разделением газов, если поток газа, подлежащий обработке, имеет высокое парциальное давление избирательно сорбируемого газообразного компонента или компонентов. Поэтому пластификация может препятствовать эффективному коммерческому разделению многих газов. Пластификация, т.е. набухание мембраны и результирующее снижение избирательной проницаемости, также наблюдалась в некоторых углеродных молекулярно-ситовых (CMS; от англ.: carbon molecular sieve) мембранах, как показали, например, Octavio Salinas et al., High-performance carbon molecular sieve membranes for ethylene/ethane separation derived from intrinsically microporous polyimide, Journal of Membrane Science, vol. 500, p. 115-123 (2006).As a result, non-crosslinked polymers are generally unsuitable for the treatment of high-pressure CO2 natural gas. The problem associated with membrane plasticization is not limited to natural gas processing. In contrast, membrane plasticization can occur in any gas separation application if the gas stream to be treated has a high partial pressure of the selectively sorbed gaseous component or components. Therefore, plasticization can prevent efficient commercial separation of many gases. Plastification, i.e. membrane swelling and resulting reduction in selective permeability has also been observed in some carbon molecular sieve (CMS) membranes, as shown, for example, by Octavio Salinas et al., High-performance carbon molecular sieve membranes for ethylene/ ethane separation derived from intrinsically microporous polyimide, Journal of Membrane Science, vol. 500, p. 115-123 (2006).

В отсутствие пластификации можно ожидать значительного снижения проницаемости и избирательной проницаемости мембраны в прикладных задачах, связанных с разделением агрессивных газов, из-за потенциального насыщения микропор. Если парциальное давление избирательно сорбируемого газообразного компонента(ов) является высоким, то можно ожидать, что микропоры в CMS мембране могут насытиться сорбируемыми газами за относительно короткий промежуток времени. Например, при высоких парциальных давлениях СО2 можно ожидать, что большие количества СО2 будут относительно быстро абсорбироваться/адсорбироваться в микропоры CMS мембраны, что может уменьшить размеры пор и снизить проницаемость/проводимость CMS мембраны. Соответственно можно ожидать относительно быстрого снижения проницаемости/проводимости и избирательной проницаемости во время обработки потока газа, в котором сорбируемый газообразный компонент(ы), например СО2, имеет высокое парциальное давление. Сильное ухудшение характеристик мембраны вследствие насыщения описано, например, в публикации Cheryl W. Jones & William J. Koros, Carbon molecular sieve gas separation membranes - II. Regeneration following organic exposure, Carbon, vol. 32, issue 8, p. 1427-1432 (1994).In the absence of plasticization, one can expect a significant decrease in the permeability and selective permeability of the membrane in applications related to the separation of corrosive gases, due to the potential saturation of micropores. If the partial pressure of the selectively adsorbed gaseous component(s) is high, then it can be expected that the micropores in the CMS membrane can be saturated with adsorbed gases in a relatively short period of time. For example, at high CO 2 partial pressures, large amounts of CO 2 can be expected to be absorbed/adsorbed relatively quickly into the micropores of the CMS membrane, which can reduce pore sizes and reduce the permeability/conductivity of the CMS membrane. Accordingly, a relatively rapid decrease in permeability/conductivity and selective permeability can be expected during treatment of a gas stream in which the gaseous component(s), eg CO2, to be sorbed has a high partial pressure. Severe degradation of membrane performance due to saturation is described, for example, in Cheryl W. Jones & William J. Koros, Carbon molecular sieve gas separation membranes - II. Regeneration following organic exposure, Carbon, vol. 32, issue 8, p. 1427-1432 (1994).

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Один из аспектов настоящего изобретения относится к способу отделения кислых газовых компонентов от потока природного газа за счет осуществления контакта потока природного газа, имеющего парциальное давление СО2, равное по меньшей мере 50 бар, с половолоконной углеродной молекулярноситовой (CMS) мембраной, полученной посредством пиролиза полиимидного полимерного прекурсора, для получения потока ретентата, имеющего сниженную концентрацию кислого газообразного компонента, и потока пермеата, имеющего повышенную концентрацию кислого газообразного компонента, при этом СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны во время стадии контакта составляет по меньшей мере 80% от СО2/СН4 селективности углеродной молекулярно-ситовой мембраны при ее контакте с потоком природного газа, имеющим парциальное давление СО2, равное 10 бар или менее, при тех же условиях.One aspect of the present invention relates to a process for separating acid gas components from a natural gas stream by contacting a natural gas stream having a CO 2 partial pressure of at least 50 bar with a hollow fiber carbon molecular sieve (CMS) membrane obtained by pyrolysis of a polyimide polymeric precursor to produce a retentate stream having a reduced concentration of an acid gas component and a permeate stream having an increased concentration of an acid gas component, wherein the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane during the contact step is at least 80% of CO2/ CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane when it is contacted with a natural gas stream having a CO2 partial pressure of 10 bar or less under the same conditions.

В одном из вариантов осуществления поток природного газа имеет парциальное давление СО2, равное по меньшей мере 60 бар.In one embodiment, the natural gas stream has a CO 2 partial pressure of at least 60 bar.

В одном из вариантов осуществления поток природного газа имеет парциальное давление СО2, равное по меньшей мере 70 бар.In one embodiment, the natural gas stream has a CO 2 partial pressure of at least 70 bar.

В одном из вариантов осуществления СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны во время стадии контакта составляет по меньшей мере 85% от СО2/СН4 селективности углеродной молекулярно-ситовой мембраны при парциальном давлении СО2, равном 10 бар или менее.In one embodiment, the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane during the contact step is at least 85% of the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane at a CO 2 partial pressure of 10 bar or less.

В одном из вариантов осуществления СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны во время стадии контакта составляет по меньшей мере 90% от СО2/СН4 селективности углеродной молекулярно-ситовой мембраны при парциальном давлении СО2, равном 10 бар или менее.In one embodiment, the CO2 / CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane during the contact step is at least 90% of the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane at a CO2 partial pressure of 10 bar or less.

В одном из вариантов осуществления СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны во время стадии контакта составляет по меньшей мере 95% от СО2/СН4 селективности углеродной молекулярно-ситовой мембраны при парциальном давлении СО2, равном 10 бар или менее. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения поток природного газа может содержит этан, пропан, изомеры бутана, изомеры пентана, изомеры гексана, изомеры гептана, бензол, толуол, этилбензол, изомеры ксилола или любую комбинацию указанных веществ. В некоторых вариантах осуIn one embodiment, the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane during the contact step is at least 95% of the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane at a CO2 partial pressure of 10 bar or less. In some embodiments of the present invention, the natural gas stream may contain ethane, propane, butane isomers, pentane isomers, hexane isomers, heptane isomers, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene isomers, or any combination of these substances. In some variants, osu

- 1 041523 ществления настоящего изобретения контакт потока природного газа с углеродной молекулярно-ситовой мембраной может происходить при температуре, лежащей в диапазоне от 50 до 100°С. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения и поток природного газа, и поток ретентата являются сверхкритическими флюидами.The contact of the natural gas stream with the carbon molecular sieve membrane may take place at a temperature ranging from 50 to 100°C. In some embodiments of the present invention, both the natural gas stream and the retentate stream are supercritical fluids.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

Ясное представление о преимуществах и признаках одного или более вариантов осуществления настоящего изобретения станет более очевидным на основании иллюстративных и поэтому не ограничивающих настоящее изобретение вариантов его осуществления, проиллюстрированных в графических материалах.A clear understanding of the advantages and features of one or more embodiments of the present invention will become more apparent based on the illustrative and therefore non-limiting embodiments of the present invention illustrated in the drawings.

Фиг. 1А является иллюстрацией повышения проницаемости для СО2 в результате пластификации.Fig. 1A is an illustration of the increase in CO2 permeability as a result of plasticization.

Фиг. 1B является иллюстрацией снижения СО2/СН4 селективности в результате пластификации.Fig. 1B is an illustration of the decrease in CO 2 /CH 4 selectivity as a result of plasticization.

Фиг. 2А является иллюстрацией, демонстрирующей щелевидную структуру пор углеродных молекулярно-ситовых мембран.Fig. 2A is an illustration showing the slit-like pore structure of carbon molecular sieve membranes.

Фиг. 2B является иллюстрацией, демонстрирующей бимодальное распределение по размеру пор в углеродных молекулярно-ситовых мембранах.Fig. 2B is an illustration showing the bimodal pore size distribution in carbon molecular sieve membranes.

Фиг. 3 является схематическим изображением системы для разделения эквимолярной газовой смеси СО2/СН4 под высоким давлением (например, равным 1500 фунтов/кв. дюйм (абс.)), использованной в описанных в данной публикации экспериментах.Fig. 3 is a schematic representation of a system for separating an equimolar CO 2 /CH 4 gas mixture at high pressure (eg, 1500 psig) used in the experiments described in this publication.

Фиг. 4 является иллюстрацией, демонстрирующей эффекты температуры испытания на данные по проницаемости газовой смеси СО2/СН4 в CMS половолоконных мембранах. Полное давление исходного газа было равно 800 фунтам/кв. дюйм (абс). Исходная композиция содержала 50/50% СО2/СН4 при всех температурах за исключением -30 и -50°С (10/90% СО2/СН4).Fig. 4 is an illustration showing the effects of test temperature on CO 2 /CH 4 gas permeability data in CMS hollow fiber membranes. The total feed gas pressure was 800 psi. inch (abs). The original composition contained 50/50% CO 2 /CH 4 at all temperatures except -30 and -50°C (10/90% CO 2 /CH 4 ).

Фиг. 5 является иллюстрацией примера фазовой диаграммы газовой смеси, содержавшей 50/50% СО2/СН4, которая содержала 250 ч./млн толуола и 250 ч./млн гептана. Расчеты были выполнены с использованием модели Соава-Редлиха-Квонга (SRK; от англ.: Soave-Redlich-Kwong).Fig. 5 is an illustration of an example phase diagram of a gas mixture containing 50/50% CO 2 /CH 4 that contained 250 ppm toluene and 250 ppm heptane. The calculations were performed using the Soave-Redlich-Kwong (SRK) model.

Фиг. 6А является графиком, демонстрирующим данные по проницаемости СО2 для варианта осуществления CMS половолоконной мембраны, изготовленной по настоящему изобретению, при различных значениях давления исходного газа и для исходных газов, содержавших различные количества углеводородных загрязнений.Fig. 6A is a graph showing CO 2 permeability data for an embodiment of a CMS hollow fiber membrane made according to the present invention at various feed gas pressures and for feed gases containing various amounts of hydrocarbon contaminants.

Фиг. 6В является графиком, демонстрирующим данные по СО2/СН4 селективности варианта осуществления CMS половолоконной мембраны, изготовленной по настоящему изобретению, при различных значениях давления исходного газа и для исходных газов, содержавших различные количества углеводородных загрязнений.Fig. 6B is a graph showing CO 2 /CH 4 selectivity data of an embodiment of a CMS hollow fiber membrane made according to the present invention at various feed gas pressures and for feed gases containing various amounts of hydrocarbon contaminants.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Мембраны широко используют для разделения газов и жидкостей, в том числе, например, для отделения кислых газов, таких как СО2 и H2S, от природного газа. Транспорт газов через такие мембраны обычно моделируют с использованием сорбционно-диффузионного механизма. Более конкретно молекулы газа сорбируются мембраной на входе и в конечном итоге десорбируются из мембраны на выходе. Два важных свойства обычно используют для оценки эффективности функционирования мембранного материала: пропускная способность и селективность. Пропускную способность при этом определяют как меру собственной производительности мембранного материала; более конкретно это поток, нормализованный по парциальному давлению и толщине, обычно измеряемый в баррерах. Термин проницаемость, который иногда используют вместо термина пропускная способность, является мерой нормализованного по давлению потока определенного вещества. При этом селективность является мерой способности одного газа проникать через мембрану по сравнению с другим газом; например, проницаемость СО2 по сравнению с СН4, измеряемая как безразмерное отношение.Membranes are widely used for separating gases and liquids, including, for example, for separating acid gases such as CO 2 and H2S from natural gas. The transport of gases through such membranes is usually modeled using the sorption-diffusion mechanism. More specifically, gas molecules are sorbed by the inlet membrane and eventually desorbed from the outlet membrane. Two important properties are commonly used to evaluate the performance of a membrane material: throughput and selectivity. The throughput is then defined as a measure of the intrinsic performance of the membrane material; more specifically, it is flow normalized to partial pressure and thickness, usually measured in barrels. The term permeability, which is sometimes used in place of the term permeability, is a measure of the pressure-normalized flow of a particular substance. In this case, selectivity is a measure of the ability of one gas to permeate through a membrane compared to another gas; for example, the permeability of CO2 versus CH4, measured as a dimensionless ratio.

В настоящее время полимерные мембраны хорошо изучены и широко доступны для разделения газов вследствие их технологичности и низкой стоимости. Однако показано, что CMS мембраны обладают привлекательными свойствами эффективности разделения, превышающими подобные свойства полимерных мембран. CMS мембраны в характерном случае изготавливают посредством термического пиролиза полимерных прекурсоров. Многие полимеры использовали для изготовления CMS мембран в волокнистой форме и в форме плотных пленок. Полиимиды имеют высокую температуру стеклования, их легко обрабатывать и они имеют одни из самых высоких показателей эффективности разделения среди других полимерных мембран даже до пиролиза.At present, polymeric membranes are well studied and widely available for gas separation due to their manufacturability and low cost. However, CMS membranes have been shown to have attractive separation efficiency properties that are superior to those of polymeric membranes. CMS membranes are typically made by thermal pyrolysis of polymeric precursors. Many polymers have been used to make CMS membranes in fibrous form and in the form of dense films. Polyimides have a high glass transition temperature, are easy to process, and have some of the highest separation efficiencies of any polymeric membrane, even before pyrolysis.

Поскольку можно изготовить углеродные молекулярно-ситовые (CMS) мембраны, избирательно сорбирующие первый газообразный компонент из газовой смеси, то их можно использовать в широком спектре прикладных задач, связанных с разделением газов. Например, в различных вариантах осуществления настоящего изобретения CMS мембраны можно адаптировать для разделения конкретных газов, включающих, но не ограниченных этим, СО2 и СН4, H2S и СН4, CO2/H2S и СН4, СО2 и N2, O2 и N2, N2 и СН4, Не и СН4, Н2 и СН4, Н2 и С2Н4, этилен и этан, пропилен и пропан и этилен/пропилен и этан/пропан, причем все эти разделения можно выполнить в потоке газа, содержащем дополнительные компоненты. Одна из многочисленных прикладных задач, связанных с разделением газов, для которой могут бытьBecause carbon molecular sieve (CMS) membranes can be fabricated to selectively sorb the first gaseous component from a gas mixture, they can be used in a wide range of gas separation applications. For example, in various embodiments of the present invention, CMS membranes can be adapted to separate specific gases, including, but not limited to, CO 2 and CH 4 , H2S and CH 4 , CO2/H2S and CH 4 , CO 2 and N 2 , O2 and N 2 , N2 and CH4, He and CH4, H2 and CH4, H2 and C2H4, ethylene and ethane, propylene and propane and ethylene/propylene and ethane/propane, all of which can be performed in a gas stream containing additional components. One of the many applications related to gas separation, for which there can be

- 2 041523 особенно подходящими CMS мембраны, является отделение кислых газообразных компонентов - СО2, H2S или их комбинации - от потока газов, содержащего углеводороды, такого как природный газ. Можно изготовить CMS мембраны так, чтобы они селективно сорбировали эти кислые газы, обеспечивая поток пермеата, имеющий повышенную концентрацию кислых газов, и поток ретентата, имеющий сниженную концентрацию кислых газов.- 2 041523 a particularly suitable CMS membrane is the separation of acidic gaseous components - CO2, H2S or combinations thereof - from a gas stream containing hydrocarbons, such as natural gas. CMS membranes can be made to selectively sorb these acid gases, providing a permeate stream having an increased acid gas concentration and a retentate stream having a reduced acid gas concentration.

В настоящее время разделение газов часто выполняют с использованием полимерных мембран. Однако если поток газа, подлежащий обработке/разделению, имеет высокое парциальное давление избирательно сорбируемого газообразного компонента или газообразных компонентов, то полимерные мембраны имеют тенденцию к пластификации. Когда полимерная мембрана претерпевает пластификацию, пористая структура полимера разрушается. В результате значительно снижается селективность мембраны, поскольку через мембрану могут пройти газообразные компоненты, отличающиеся от желаемого компонента. Этот эффект показан на фиг. 1А и 1В.At present, gas separation is often performed using polymeric membranes. However, if the gas stream to be treated/separated has a high partial pressure of the selectively sorbed gaseous component or gaseous components, then polymeric membranes tend to plasticize. When a polymer membrane undergoes plasticization, the porous structure of the polymer is destroyed. As a result, the selectivity of the membrane is significantly reduced, since gaseous components other than the desired component can pass through the membrane. This effect is shown in Fig. 1A and 1B.

Пластификация при использовании в контексте настоящего изобретения происходит, когда сильно сорбируемый пенетрант достигает такой концентрации, что он вызывает набухание и расширение мембраны. В случае полимеров это обычно означает повышенную подвижность сегментов полимерной цепи, за счет чего повышаются коэффициенты диффузии всех пенетрантов и снижается селективность диффузии и соответственно избирательная проницаемость мембраны. Известно, что газы с высокой критической температурой, такие как СО2 и конденсируемые углеводороды, обычно присутствующие в неочищенном природном газе, сильно взаимодействуют с полимерами и потенциально могут вызвать пластификацию. Также обнаружено, что пластификация, т.е. набухание мембраны и результирующее снижение избирательной проницаемости, происходит в некоторых углеродных молекулярно-ситовых мембранах. См., например, публикацию Octavio Salinas et al., High-performance carbon molecular sieve membranes for ethylene/ethane separation derived from intrinsically microporous polyimide, Journal of Membrane Science, vol. 500, p. 115-123 (2006).Plasticization, when used in the context of the present invention, occurs when a highly sorbable penetrant reaches such a concentration that it causes the membrane to swell and expand. In the case of polymers, this usually means increased mobility of the polymer chain segments, which increases the diffusion coefficients of all penetrants and reduces the diffusion selectivity and, accordingly, the selective permeability of the membrane. It is known that high critical temperature gases such as CO 2 and condensable hydrocarbons normally present in raw natural gas interact strongly with polymers and can potentially cause plasticization. It has also been found that plasticization, i.e. membrane swelling, and a resulting decrease in selective permeability, occurs in some carbon molecular sieve membranes. See, for example, Octavio Salinas et al., High-performance carbon molecular sieve membranes for ethylene/ethane separation derived from intrinsically microporous polyimide, Journal of Membrane Science, vol. 500, p. 115-123 (2006).

Неожиданно было обнаружено, что CMS мембраны, изготовленные по настоящему изобретению, являются устойчивыми к пластификации и поэтому пригодны для разделения газов даже в условиях, когда сорбируемый газообразный компонент (или компоненты) имеют высокое парциальное давление в потоке газа,подлежащем обработке, т.е. разделению. Также неожиданно было обнаружено, что CMS мембраны, изготовленные по настоящему изобретению, не подвергаются быстрому насыщению и поэтому не происходит значительного снижения их проницаемости и/или селективности вследствие насыщения, когда сорбируемый газообразный компонент(ы) имеет(ют) высокое парциальное давление в потоке газа, подлежащем обработке, т.е. разделению. Поскольку CMS мембраны, изготовленные по настоящему изобретению, не подвергаются пластификации или быстрому насыщению, селективность CMS мембран остается по существу неизменной при высоких парциальных давлениях сорбируемого газа(ов) во время процесса разделения газов, т.е. CMS мембраны не подвергаются резкому снижению селективности, такому, как показанное на фиг. 1В, при высоких парциальных давлениях сорбируемых молекул.Surprisingly, it has been found that CMS membranes made according to the present invention are resistant to plasticization and are therefore suitable for gas separation even under conditions where the sorbed gaseous component (or components) has a high partial pressure in the gas stream to be treated, i.e. separation. It has also surprisingly been found that CMS membranes made according to the present invention do not undergo rapid saturation and therefore there is no significant reduction in their permeability and/or selectivity due to saturation when the sorbed gaseous component(s) has a high partial pressure in the gas stream. to be processed, i.e. separation. Since CMS membranes made according to the present invention do not undergo plasticization or rapid saturation, the selectivity of CMS membranes remains essentially unchanged at high partial pressures of sorbed gas(s) during the gas separation process, i.e. CMS membranes do not undergo a sharp decrease in selectivity such as that shown in FIG. 1B at high partial pressures of adsorbed molecules.

Например, если раскрытые в данной публикации CMS мембраны используют для отделения СО2 от природного газа (СН4), имеющего высокие парциальные давления СО2, то СО2/СН4 селективность CMS мембраны является по существу такой же, как СО2/СН4 селективность CMS мембраны при низких парциальных давлениях СО2. Например, селективность CMS мембраны при высоком парциальном давлении СО2 (равном, например, по меньшей мере 20 бар, по меньшей мере 30 бар, по меньшей мере 40 бар, по меньшей мере 50 бар, по меньшей мере 60 бар, по меньшей мере 70 бар или по меньшей мере 80 бар) может составлять по меньшей мере 80%, более желательно по меньшей мере 85%, более желательно по меньшей мере 90%, более желательно по меньшей мере 95% от селективности CMS мембраны при низком парциальном давлении СО2 (например, равном 10 бар или менее, равном примерно 10 бар, равном примерно 9 бар, равном примерно 8 бар, равном примерно 7 бар, равном примерно 6 бар или равном примерно 5 бар). Например, экспериментальные результаты, приведенные в табл. 1, демонстрируют, что значения селективности CMS мембран при парциальном давлении СО2, равном 750 фунтам/кв. дюйм (абс.) (или примерно 50 бар), лежат в диапазоне от 90 до 95% от значений селективности CMS мембраны при исследовании проницаемости СО2 и СН4 по отношению к чистому газу под давлением, равным 100 фунтам/кв. дюйм (абс.) (или примерно 7 бар).For example, if the CMS membranes disclosed in this publication are used to separate CO2 from natural gas (CH 4 ) having high CO 2 partial pressures, then the CO 2 /CH 4 selectivity of the CMS membrane is essentially the same as the CO 2 /CH 4 selectivity CMS membranes at low partial pressures of CO 2 . For example, the selectivity of a CMS membrane at high CO 2 partial pressure (e.g., at least 20 bar, at least 30 bar, at least 40 bar, at least 50 bar, at least 60 bar, at least 70 bar or at least 80 bar) may be at least 80%, more desirably at least 85%, more desirably at least 90%, more desirably at least 95% of the selectivity of the CMS membrane at low CO2 partial pressure (e.g. equal to or less than 10 bar, equal to about 10 bar, equal to about 9 bar, equal to about 8 bar, equal to about 7 bar, equal to about 6 bar, or equal to about 5 bar). For example, the experimental results given in Table. 1 demonstrate that the selectivity values of CMS membranes at a partial pressure of CO 2 equal to 750 psi. inch (abs.) (or about 50 bar) are in the range from 90 to 95% of the selectivity values of the CMS membrane in the study of the permeability of CO 2 and CH 4 in relation to pure gas at a pressure of 100 psi. inch (abs.) (or approximately 7 bar).

CMS мембраны можно преобразовать в асимметричные половолоконные мембраны посредством управляемого пиролиза полимерного прекурсора половолоконных мембран, и они способны одновременно обеспечивать привлекательную пропускную способность и эффективность разделения без ухудшения масштабируемости. Структура пор CMS мембран образуется за счет дефектов упаковки высоко разупорядоченных и дезориентированных sp2-гибридизированных графеноподобных слоев. Иллюстрация, демонстрирующая пористую структуру CMS мембран, приведена на фиг. 2А. Как показано на фиг. 2В, структура пор CMS мембраны может быть представлена бимодальным распределением пор по размеру. Микропоры (7A<d<20A) обеспечивают большую часть площади поверхности для сорбции и ответственны за высокую проницаемость мембраны. С другой стороны, ультрамикропоры (d<7A), соединяющие микропоры, регулируют диффузионную способность и соответственно селективность дифCMS membranes can be converted to asymmetric hollow fiber membranes by controlled pyrolysis of the hollow fiber membrane precursor polymer and are able to simultaneously provide attractive throughput and separation efficiency without sacrificing scalability. The pore structure of CMS membranes is formed due to stacking faults in highly disordered and disoriented sp 2 hybridized graphene-like layers. An illustration showing the porous structure of CMS membranes is shown in FIG. 2A. As shown in FIG. 2B, the pore structure of a CMS membrane can be represented by a bimodal pore size distribution. Micropores (7A<d<20A) provide most of the surface area for sorption and are responsible for the high permeability of the membrane. On the other hand, ultramicropores (d<7A) connecting the micropores regulate the diffusion capacity and, accordingly, diffusion selectivity.

- 3 041523 фузии.- 3 041523 fusions.

В патенте США № 8486179, патенте США № 9211504 и публикации заявки на патент США № 2015/009445 А1, содержание которых полностью включено в данную публикацию посредством ссылки, описаны примеры способов синтеза CMS мембран.US Patent No. 8,486,179, US Patent No. 9,211,504, and US Patent Application Publication No. 2015/009445 A1, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety, describe examples of methods for synthesizing CMS membranes.

Асимметричные половолоконные мембраны.Asymmetric hollow fiber membranes.

Углеродные молекулярно-ситовые (CMS) мембраны продемонстрировали большой потенциал в отношении разделения газов, например, при удалении диоксида углерода (СО2) и других кислых газов из потоков природного газа. Асимметричные CMS половолоконные мембраны предпочтительны для крупномасштабных прикладных задач в условиях высокого давления.Carbon molecular sieve (CMS) membranes have shown great potential for gas separation, for example in the removal of carbon dioxide (CO 2 ) and other acid gases from natural gas streams. Asymmetric CMS hollow fiber membranes are preferred for large scale high pressure applications.

Асимметричные половолоконные мембраны потенциально могут обеспечивать большие потоки, необходимые для продуктивного разделения, вследствие сокращения разделяющего слоя до тонкого сплошного скин-слоя на наружной поверхности мембраны. Морфология асимметричных полых волокон, т.е. тонкий сплошной скин-слой, поддерживаемый пористой подложкой или субструктурой, придает волокнам прочность и гибкость и делает их способными выдерживать большие трансмембранные разности давлений, являющиеся движущими силами транспорта. Кроме того, асимметричные полуволоконные мембраны обеспечивают большое отношение площади поверхности к объему.Asymmetric hollow fiber membranes can potentially provide the high fluxes required for productive separation by reducing the separation layer to a thin continuous skin layer on the outer surface of the membrane. Morphology of asymmetric hollow fibers, i.e. a thin continuous skin layer supported by a porous substrate or substructure gives the fibers strength and flexibility and makes them able to withstand the large transmembrane pressure differences that drive transport. In addition, asymmetric half-fiber membranes provide a high surface area to volume ratio.

Асимметричные CMS половолоконные мембраны содержат тонкий и плотный скин-слой, поддерживаемый пористой субструктурой. Асимметричные полимерные полые волокна, или прекурсорные волокна, обычно формируют способом сухоструйного прядения с водяной закалкой, также известным под названием сухо-мокрого способа разделения фаз или сухо-мокрого прядения. Затем прекурсорные волокна подвергают пиролизу при температуре, превышающей температуру стеклования полимера, для получения асимметричных CMS половолоконных мембран.Asymmetric CMS hollow fiber membranes contain a thin and dense skin layer supported by a porous substructure. Asymmetric polymeric hollow fibers, or precursor fibers, are typically formed by the water-quenched dry-jet spinning process, also known as dry-wet phase separation or dry-wet spinning. The precursor fibers are then pyrolyzed at a temperature above the glass transition temperature of the polymer to produce asymmetric CMS hollow fiber membranes.

Раствор полимера, используемый для прядения асимметричного полого волокна, называют прядильным раствором. Во время прядения прядильный раствор окружает внутреннюю текучую среду, которая известна под названием жидкости для формирования канала. Прядильный раствор и жидкость для формирования канала совместно экструдируют через фильеру в воздушный зазор во время сухоструйной стадии. Затем сформованное волокно погружают в водную коагуляционную ванну во время стадии водяной закалки, что приводит к началу процесса мокрого разделения фаз. После разделения фаз волокна собирают с помощью приемного барабана и подвергают процессу замены растворителя.The polymer solution used to spin an asymmetric hollow fiber is called a dope. During spinning, the dope is surrounded by an internal fluid, which is known as channel forming fluid. The dope and the channel forming liquid are co-extruded through the spinneret into the air gap during the dry jet stage. The spun fiber is then immersed in an aqueous coagulation bath during the water quenching step, which initiates the wet phase separation process. After phase separation, the fibers are collected by means of a take-up drum and subjected to a solvent exchange process.

Процесс замены растворителя является исключительно важной стадией способа изготовления мембраны. Если пористые прекурсорные волокна содержат воду в тот момент, когда на них действуют высокие температуры, например во время сушки или пиролиза, то удаление воды вызывает значительные изменения структуры и свойств волокна и полученной CMS мембраны. Большие капиллярные силы, связанные с удалением воды, в пределах маленьких радиусов пор вблизи от скин-слоя вызывают уплотнение структуры в этой области, что приводит к получению менее проницаемой мембраны. Для предотвращения этого в процессе замены растворителя заменяют воду, присутствующую в пористой субструктуре прекурсорного волокна, текучей средой, имеющей меньшее поверхностное натяжение.The solvent exchange process is an extremely important step in the membrane manufacturing process. If the porous precursor fibers contain water at the time when they are exposed to high temperatures, such as during drying or pyrolysis, then the removal of water causes significant changes in the structure and properties of the fiber and the resulting CMS membrane. Large capillary forces associated with the removal of water within small pore radii close to the skin layer cause a compaction of the structure in this area, resulting in a less permeable membrane. To prevent this, the solvent exchange process replaces the water present in the porous substructure of the precursor fiber with a fluid having a lower surface tension.

Стандартный способ замены растворителя включает две или более стадий, причем на каждой стадии используют другой растворитель. Первая стадия или серия стадий включает контакт прекурсорного волокна с одним или более растворителями, которые эффективно удаляют воду из мембраны. Она обычно включает использование одного или более смешивающихся с водой спиртов, которые являются достаточно инертными в отношении полимера. Алифатические спирты, содержащие от 1 до 3 атомов углерода, т.е. метанол, этанол, пропанол, изопропанол или их комбинации, являются особенно эффективными в качестве первого растворителя. Вторая стадия или серия стадий включает контакт прекурсорного волокна с одним или более растворителями, которые эффективно заменяют первый растворитель одним или более летучими органическими соединениями, имеющими низкое поверхностное натяжение. Среди органических соединений, которые можно использовать в качестве второго растворителя, находятся содержащие 5 и более атомов углерода линейные или разветвленные алифатические алканы.The standard solvent exchange process involves two or more steps, each step using a different solvent. The first step or series of steps involves contacting the precursor fiber with one or more solvents that effectively remove water from the membrane. It typically involves the use of one or more water-miscible alcohols that are sufficiently inert to the polymer. Aliphatic alcohols containing from 1 to 3 carbon atoms, i.e. methanol, ethanol, propanol, isopropanol, or combinations thereof, are particularly effective as the first solvent. The second step or series of steps involves contacting the precursor fiber with one or more solvents that effectively replace the first solvent with one or more low surface tension volatile organic compounds. Among the organic compounds that can be used as a second solvent are linear or branched aliphatic alkanes containing 5 or more carbon atoms.

Способ замены растворителя в характерном случае включает вымачивание прекурсорных волокон в первом растворителе в течение первого эффективного времени, которое может составлять до нескольких дней, и последующее вымачивание прекурсорных волокон во втором растворителе в течение второго эффективного времени, которое также может составлять до нескольких дней. Если прекурсорные волокна производят непрерывно, т.е. в коммерческом объеме, то длинное прекурсорное волокно можно непрерывно протягивать через несколько контактных резервуаров, где оно контактирует с каждым из растворителей. Способ замены растворителей обычно осуществляют при комнатной температуре.The solvent exchange method typically includes soaking the precursor fibers in a first solvent for a first effective time, which may be up to several days, and then soaking the precursor fibers in a second solvent for a second effective time, which may also be up to several days. If the precursor fibers are produced continuously, i. e. in a commercial volume, the long precursor fiber can be continuously drawn through several contact tanks where it contacts each of the solvents. The solvent exchange process is generally carried out at room temperature.

Затем прекурсорные волокна сушат посредством нагрева до температуры, превышающей температуру кипения последнего растворителя, использованного в способе замены растворителей, и подвергают пиролизу для получения асимметричных CMS половолоконных мембран.Then, the precursor fibers are dried by heating to a temperature above the boiling point of the last solvent used in the solvent replacement process and subjected to pyrolysis to obtain asymmetric CMS hollow fiber membranes.

Выбор полимерного прекурсора, формование и обработка прекурсорного волокна перед пиролизом и условия пиролиза оказывают влияние на эксплуатационные свойства асимметричной CMS половолоконной мембраны.The choice of polymeric precursor, the formation and processing of the precursor fiber before pyrolysis, and the conditions of pyrolysis affect the performance properties of the asymmetric CMS hollow fiber membrane.

- 4 041523- 4 041523

Прекурсорные волокна.precursor fibers.

Асимметричное полимерное прекурсорное волокно может содержать любой полимерный материал, который, будучи подвергнут пиролизу, обеспечивает CMS мембрану, которая пропускает желаемые газы, подлежащие разделению, например диоксид углерода и природный газ, и в которой по меньшей мере один из желаемых газов проникает через CMS волокно со скоростью диффузии, отличающейся от скорости диффузии других компонентов.The asymmetric polymeric precursor fiber may comprise any polymeric material which, when pyrolyzed, provides a CMS membrane that is permeable to the desired gases to be separated, such as carbon dioxide and natural gas, and in which at least one of the desired gases permeates through the CMS fiber with diffusion rate that differs from the diffusion rate of other components.

Например, полимер может быть жестким стеклообразным полимером (при комнатной температуре), отличающимся от резиноподобного полимера или гибкого стеклообразного полимера. Стеклообразные полимеры отличаются от резиноподобных полимеров скоростью сегментарного движения полимерных цепей. Полимеры в стеклообразном состоянии не имеют быстрых молекулярных движений, которые придают резиноподобным полимерам их сходную с жидкостью природу и способность быстро регулировать сегментарные конфигурации на больших расстояниях (>0,5 нм). Стеклообразные полимеры существуют в неравновесном состоянии с перепутанными молекулярными цепями с неподвижными молекулярными каркасами в замороженных конформациях. Температура стеклования (Tg) - это точка раздела между резиноподобным и стеклообразным состояниями. При температуре, превышающей Tg, полимер находится в резиноподобном состоянии; при температуре, которая ниже Tg, полимер находится в стеклообразном состоянии. В целом стеклообразные полимеры обеспечивают селективную среду для диффузии газов и предпочтительны для прикладных задач, связанных с разделением газов. Жесткие стеклообразные полимеры - это полимеры с жесткими каркасами полимерных цепей, которые имеют ограниченную внутримолекулярную вращательную подвижность и отличаются высокими температурами стеклования. Предпочтительные жесткие стеклообразные полимерные прекурсоры имеют температуру стеклования, равную по меньшей мере 200°С.For example, the polymer may be a rigid glassy polymer (at room temperature) other than a rubbery polymer or a flexible glassy polymer. Glassy polymers differ from rubber-like polymers in the rate of segmental movement of polymer chains. Polymers in the glassy state do not have the rapid molecular motions that give rubbery polymers their fluid-like nature and ability to rapidly adjust segmental configurations over long distances (>0.5 nm). Glassy polymers exist in a non-equilibrium state with entangled molecular chains with immobile molecular frameworks in frozen conformations. The glass transition temperature (Tg) is the dividing point between the rubbery and glassy states. At temperatures above Tg, the polymer is in a rubbery state; at a temperature below Tg, the polymer is in a glassy state. In general, glassy polymers provide a selective medium for gas diffusion and are preferred for gas separation applications. Rigid glassy polymers are polymers with rigid backbones of polymer chains that have limited intramolecular rotational mobility and are characterized by high glass transition temperatures. Preferred rigid glassy polymeric precursors have a glass transition temperature of at least 200°C.

У жестких стеклообразных полимеров коэффициент диффузии обычно регулирует селективность, и стеклообразные мембраны обычно являются селективными в отношении мелких низкокипящих молекул. Например, предпочтительные мембраны могут быть изготовлены из жестких стеклообразных полимерных материалов, которые лучше пропускают диоксид углерода, сульфид водорода и азот, нежели метан и другие легкие углеводороды. Такие полимеры хорошо известны в данной области техники и включают полиимиды, полисульфоны и целлюлозные полимеры.For rigid glassy polymers, the diffusion coefficient generally controls selectivity, and glassy membranes are generally selective for small, low boiling molecules. For example, preferred membranes may be made from rigid, glassy polymeric materials that are better permeable to carbon dioxide, hydrogen sulfide, and nitrogen than methane and other light hydrocarbons. Such polymers are well known in the art and include polyimides, polysulfones and cellulosic polymers.

Полиимиды являются предпочтительными полимерными прекурсорными материалами. Подходящие полиимиды включают, например, Ultem® 1000, Matrimid® 5218, 6FDA/BPDA-DAM, 6FDA-6FpDA и 6FDA-IPDA. Полиимид, коммерчески доступный под названием Matrimid® 5218, является термопластичным полиимидом на основе особого диамина - 5(6)-амино-1-(4'-аминофенил)-1,3-триметилиндана. Его структура имеет видPolyimides are the preferred polymeric precursor materials. Suitable polyimides include, for example, Ultem® 1000, Matrimid® 5218, 6FDA/BPDA-DAM, 6FDA-6FpDA and 6FDA-IPDA. The polyimide commercially available under the name Matrimid® 5218 is a thermoplastic polyimide based on the specific diamine 5(6)-amino-1-(4'-aminophenyl)-1,3-trimethylindane. Its structure looks like

Полимеры Matrimid® 5218, использованные в примерах осуществления настоящего изобретения, были получены из компании Huntsman International LLC. 6FDA/BPDA-DAM - это полимер, полученный из 2,4,6-триметил-1,3-фенилендиамина (DAM), 3,3,4,4-бифенилтетракарбонового диангидрида (BPDA) и 5,5-[2,2,2-трифтор-1-(трифторметил)этилиден]бис-1,3-изобензофурандиона (6FDA) и имеющий структуруThe Matrimid® 5218 polymers used in the embodiments of the present invention were obtained from Huntsman International LLC. 6FDA/BPDA-DAM is a polymer derived from 2,4,6-trimethyl-1,3-phenylenediamine (DAM), 3,3,4,4-biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA) and 5,5-[2,2 ,2-trifluoro-1-(trifluoromethyl)ethylidene]bis-1,3-isobenzofurandione (6FDA) and having the structure

Для получения указанных полимеров можно использовать доступные источники или синтезировать их. Например, такой полимер описан в патенте США № 5234471, содержание которого полностью включено в данную публикацию посредством ссылки.To obtain these polymers, you can use available sources or synthesize them. For example, such a polymer is described in US patent No. 5234471, the contents of which are fully incorporated into this publication by reference.

Хотя в примерах осуществления настоящего изобретения использованы полиимидные полимеры, понятно, что полиимиды являются всего лишь примерами жестких стеклообразных полимеров. Соответственно изготовление CMS мембран из полиимидов, использованных в примерах осуществления настоящего изобретения, является иллюстративным и репрезентативным примером изготовления CMS мембран из жестких стеклообразных полимеров как класса материалов. Сходным образом применение CMS мембран, изготовленных из полиимидных прекурсоров, для разделения газов, продемонстрированное в примерах осуществления настоящего изобретения, является иллюстративным и репрезентативным примером эффективности разделения газов CMS мембранами, изготовленными из жестких стеклообразных полимеров как класса материалов.Although polyimide polymers are used in the embodiments of the present invention, it is understood that polyimides are merely examples of rigid glassy polymers. Accordingly, the manufacture of CMS membranes from polyimides used in the embodiments of the present invention is an illustrative and representative example of the manufacture of CMS membranes from rigid glassy polymers as a class of materials. Similarly, the use of CMS membranes made from polyimide precursors for gas separation demonstrated in the embodiments of the present invention is an illustrative and representative example of the gas separation efficiency of CMS membranes made from rigid glassy polymers as a class of materials.

Примеры других подходящих прекурсорных полимеров включают полисульфоны; полистиролы,Examples of other suitable precursor polymers include polysulfones; polystyrenes,

- 5 041523 включая стиролсодержащие сополимеры, например сополимеры акрилонитрила и стирола, сополимеры стирола и бутадиена и стиролвинилбензилгалидные сополимеры; поликарбонаты; целлюлозные полимеры, такие как целлюлозы ацетобутират, целлюлозы пропионат, этилцеллюлоза, метилцеллюлоза, нитроцеллюлоза и т.п.; полиамиды и полиимиды, включая арилполиамиды и арилполиимиды; простые полиэфиры; полиэфиримиды; полиэфиркетоны; полиариленоксиды, такие как полифениленоксид и поликсилолоксид; полиэстерамида диизоцианат; полиуретаны; сложные полиэфиры (включая полиарилаты), такие как полиэтилентерефталат, полиалкилметакрилаты, полиакрилаты, полифенилентерефталат и т.п.; полипирролоны; полисульфиды; полимеры, состоящие из мономеров, имеющих альфа-олефиновую ненасыщенность, отличающиеся от указанных выше, например полиэтилен, полипропилен, поли(бутен-1), поли(4-метилпентен-1), поливинилы, например поливинилхлорид, поливинилфторид, поливинилиденхлорид, поливинилиденфторид, поливиниловый спирт, сложные поливиниловые эфиры, такие как поливинилацетат и поливинилпропионат, поливинилпиридины, поливинилпирролидоны, простые поливиниловые эфиры, поливинилкетоны, поливиниловые альдегиды, такие как поливинилформаль и поливинилбутираль, поливиниламиды, поливиниламины, поливинилуретаны, поливинилмочевины, поливинилфосфаты и поливинилсульфаты; полиаллилы; полибензобензимидазол; полигидразиды; полиоксадиазолы; политриазолы; полибензимидазол; поликарбодиимиды; полифосфазины и т.п.; и интерполимеры, включая блок-интерполимеры, содержащие повторяющиеся звенья из указанных выше, такие как терполимеры акрилонитрила, винилбромида и натриевой соли пара-сульфофенилметаллиловых эфиров; и привитые сополимеры и смеси, содержащие любой из указанных выше полимеров. Характерные заместители, образующие замещенные полимеры, включают галогены, такие как фтор, хлор и бром; гидроксильные группы; низшие алкильные группы; низшие алкоксильные группы; моноциклические арильные группы; низшие ацильные группы и т.п.- 5 041523 including styrene-containing copolymers, such as copolymers of acrylonitrile and styrene, copolymers of styrene and butadiene and styrenevinylbenzyl halide copolymers; polycarbonates; cellulosic polymers such as cellulose acetate butyrate, cellulose propionate, ethylcellulose, methylcellulose, nitrocellulose, and the like; polyamides and polyimides, including arylpolyamides and arylpolyimides; polyethers; polyetherimides; polyetherketones; polyarylene oxides such as polyphenylene oxide and polyxylene oxide; polyesteramide diisocyanate; polyurethanes; polyesters (including polyarylates) such as polyethylene terephthalate, polyalkyl methacrylates, polyacrylates, polyphenylene terephthalate, and the like; polypyrrolones; polysulfides; polymers consisting of monomers having alpha-olefinic unsaturation other than those mentioned above, e.g. polyethylene, polypropylene, poly(butene-1), poly(4-methylpentene-1), polyvinyls, e.g. alcohol, polyvinyl ethers such as polyvinyl acetate and polyvinyl propionate, polyvinyl pyridines, polyvinyl pyrrolidones, polyvinyl ethers, polyvinyl ketones, polyvinyl aldehydes such as polyvinyl formal and polyvinyl butyral, polyvinyl amides, polyvinylamines, polyvinyl urethanes, polyvinyl ureas, polyvinyl phosphates and polyvinyl sulfates; polyallyls; polybenzobenzimidazole; polyhydrazides; polyoxadiazoles; polytriazoles; polybenzimidazole; polycarbodiimides; polyphosphazins and the like; and interpolymers, including block interpolymers containing repeating units from the above, such as terpolymers of acrylonitrile, vinyl bromide and sodium salt of para-sulfophenyl methyl ethers; and graft copolymers and mixtures containing any of the above polymers. Representative substituents forming substituted polymers include halogens such as fluorine, chlorine and bromine; hydroxyl groups; lower alkyl groups; lower alkoxy groups; monocyclic aryl groups; lower acyl groups; and the like.

Асимметричное полимерное прекурсорное волокно может быть композитной структурой, содержащей первый полимерный материал, поддерживаемый пористым вторым полимерным материалом. Композитные структуры могут быть сформированы с использованием более чем одного полимерного материала в качестве прядильного материала во время процесса прядения асимметричного полого волокна.The asymmetric polymeric precursor fiber may be a composite structure comprising a first polymeric material supported by a porous second polymeric material. Composite structures can be formed using more than one polymeric material as the spinning material during the asymmetrical hollow fiber spinning process.

Модифицирующие агенты.modifying agents.

Термин модифицирующий агент при использовании в контексте настоящего изобретения относится к соединению, которое способно вступать в реакцию внутри пор полимерного прекурсорного волокна с образованием стабилизатора морфологии без какого-либо неблагоприятного влияния на механические свойства волокна.The term modifying agent, when used in the context of the present invention, refers to a compound that is capable of reacting within the pores of a polymer precursor fiber to form a morphology stabilizer without any adverse effect on the mechanical properties of the fiber.

Предпочтительными модифицирующими агентами являются такие соединения, которые подвергаются реакции поликонденсации с образованием силоксановых мостиков. Например, модифицирующий агент может быть силаном, имеющим общую формулу R1R2R3R4Si, в которой каждый из радикалов R1, R2, R3 и R4 независимо от других радикалов является С1-С6 алкильной или алкенильной группой, алкоксильной группой или атомом галогена; при условии что силан содержит по меньшей мере один С1-С6 алкильный или алкенильный заместитель и по меньшей мере один алкоксильный или галогеновый заместитель. По меньшей мере один алкоксильный или галогеновый заместитель обеспечивает силан, обладающий способностью формировать сеть силоксановых связей цепочечного типа. По меньшей мере один С1-С6 алкильный или алкенильный заместитель обеспечивает то, что обработка волокна модифицирующим агентом не придает волокну хрупкость. С учетом этого условия заместители можно варьировать для получения силана с желаемыми свойствами. Например, посредством выбора групп заместителей можно изменять пористость полученного стабилизатора морфологии.Preferred modifying agents are those compounds which undergo a polycondensation reaction to form siloxane bridges. For example, the modifying agent may be a silane having the general formula R1R 2 R 3 R 4 Si, in which each of the radicals R 1 , R 2 , R 3 and R 4 , independently of the other radicals, is a C1-C6 alkyl or alkenyl group, an alkoxy group or a halogen atom; with the proviso that the silane contains at least one C1- C6 alkyl or alkenyl substituent and at least one alkoxy or halogen substituent. At least one alkoxy or halogen substituent provides a silane having the ability to form a network of chain-type siloxane bonds. The at least one C1- C6 alkyl or alkenyl substituent ensures that the treatment of the fiber with the modifying agent does not make the fiber brittle. Given this condition, the substituents can be varied to obtain a silane with desired properties. For example, by selecting substituent groups, the porosity of the resulting morphology stabilizer can be changed.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве модифицирующего агента для обработки прекурсора используют винилтриметоксисилан (VTMS; от англ.: vinyl trimethoxy silane), однако другие силаны также можно использовать в качестве модифицирующего агента. Например, модифицирующий агент может быть моносиланом или олигосиланом, таким как дисилоксан или трисилоксан. Например, в различных вариантах осуществления настоящего изобретения модифицирующий агент может быть выбран из группы, состоящей из винилтриметоксисилана, винилтриэтоксисилана, винилдиметоксихлорсилана, винилдиэтоксихлорсилана, винилметоксидихлорсилана, винилэтоксидихлорсилана, винилтрихлорсилана, винилпентаметоксидисилоксана, дивинилтетраметоксидисилоксана и их комбинаций. В различных особо предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один алкоксильный или галогеновый заместитель содержит метоксигруппу или этоксигруппу. В различных особо предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один C1-C6 алкильный или алкенильный заместитель содержит винил. Особо предпочтительные модифицирующие агенты включают винилтриметоксисилан, винилтриэтоксисилан, этилтриметоксисилан и метилтриметоксисилан.In some preferred embodiments of the present invention, vinyl trimethoxy silane (VTMS; vinyl trimethoxy silane) is used as a modifying agent for precursor treatment, however, other silanes can also be used as a modifying agent. For example, the modifying agent may be a monosilane or an oligosilane such as disiloxane or trisiloxane. For example, in various embodiments of the present invention, the modifying agent may be selected from the group consisting of vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinyldimethoxychlorosilane, vinyldiethoxychlorosilane, vinylmethoxydichlorosilane, vinylethoxydichlorosilane, vinyltrichlorosilane, vinylpentamethoxydisiloxane, divinyltetramethoxydisiloxane, and combinations thereof. In various highly preferred embodiments of the present invention, at least one alkoxy or halogen substituent contains a methoxy or ethoxy group. In various highly preferred embodiments of the present invention, at least one C1-C6 alkyl or alkenyl substituent contains vinyl. Particularly preferred builders include vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, ethyltrimethoxysilane and methyltrimethoxysilane.

Другие модифицирующие агенты включают такие агенты, которые подвергаются реакции поликонденсации с образованием металл-оксо- и/или металл-оксикарбидных связей. Например, модифицирующий агент может быть алкоксидом металла, имеющим общую формулу R1R2R3R4M, где М является металлом, а каждый из радикалов R1, R2, R3 и R4 независимо от других радикалов является С1-С6 алкиль- 6 041523 ной или алкенильной группой, алкоксильной группой или атомом галогена; при условии, что алкоксид металла содержит по меньшей мере один С1-С6 алкильный или алкенильный заместитель и по меньшей мере один алкоксильный или галогеновый заместитель. По меньшей мере один алкоксильный или галогеновый заместитель придает алкоксиду металла способность формировать сеть металл-оксо- и/или металл-оксикарбидных связей цепочечного типа. По меньшей мере один С1-С6 алкильный или алкенильный заместитель обеспечивает то, что обработка волокна алкоксидом металла не придает волокну хрупкость. С учетом этого условия заместители можно варьировать для получения алкоксида металла с желаемыми свойствами. Например, посредством выбора групп заместителей можно изменять пористость полученного стабилизатора морфологии. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения металл М выбран из группы, состоящей из Ge, В, Al, Ti, V, Fe и их комбинаций.Other modifiers include those that undergo a polycondensation reaction to form metal-oxo and/or metal-oxycarbide bonds. For example, the modifying agent may be a metal alkoxide having the general formula R1R 2 R 3 R 4 M, where M is a metal and each of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 , independently of the other radicals, is C 1 -C 6 alkyl - 6 041523 noah or alkenyl group, alkoxy group or a halogen atom; provided that the metal alkoxide contains at least one C1-C6 alkyl or alkenyl substituent and at least one alkoxy or halogen substituent. At least one alkoxy or halogen substituent gives the metal alkoxide the ability to form a network of chain-type metal-oxo and/or metal-oxycarbide bonds. The at least one C1-C6 alkyl or alkenyl substituent ensures that the metal alkoxide treatment of the fiber does not make the fiber brittle. Given this condition, the substituents can be varied to obtain a metal alkoxide with the desired properties. For example, by selecting substituent groups, the porosity of the resulting morphology stabilizer can be changed. In preferred embodiments of the present invention, the metal M is selected from the group consisting of Ge, B, Al, Ti, V, Fe, and combinations thereof.

Условия обработки и пиролиза.Processing and pyrolysis conditions.

При модификации полимерного прекурсорного волокна для получения по существу не спадающейся асимметричной CMS половолоконной мембраны способ включает стадии получения полимерного прекурсора, получения контактного раствора, содержащего модифицирующий агент (который присутствует в растворе в концентрации, равной 100 мас.% или менее 100 мас.%), и обеспечение контакта по меньшей мере части полимерного прекурсора с по меньшей мере частью контактного раствора, содержащего модифицирующий агент, для получения модифицированного полимерного прекурсора, который после пиролиза дает по существу не спадающуюся асимметричную модифицированную CMS половолоконную мембрану. Предпочтительно полимерный прекурсор вымачивают в растворе, содержащем модифицирующий агент в желаемой концентрации, в течение периода времени, достаточного для проникновения модифицирующего агента в поры субструктуры прекурсорного волокна. Предпочтительно этот период времени лежит в диапазоне от примерно 30 мин до примерно 24 ч.When modifying a polymer precursor fiber to produce a substantially non-collapsing asymmetric CMS hollow fiber membrane, the method includes the steps of obtaining a polymer precursor, obtaining a contact solution containing a modifying agent (which is present in solution at a concentration equal to 100 wt.% or less than 100 wt.%), and contacting at least a portion of the polymeric precursor with at least a portion of the contact solution containing the modifying agent to obtain a modified polymeric precursor which upon pyrolysis produces a substantially non-collapsing asymmetric CMS modified hollow fiber membrane. Preferably, the polymeric precursor is soaked in a solution containing the modifying agent at the desired concentration for a period of time sufficient for the modifying agent to penetrate into the pores of the precursor fiber substructure. Preferably, this period of time is in the range of from about 30 minutes to about 24 hours.

Раствор, содержащий модифицирующий агент, не нуждается в контакте с концом полого прекурсорного волокна для того, чтобы проникнуть в поры субструктуры прекурсорного волокна. Напротив, обнаружено, что модифицирующий агент может проникать через наружный скин-слой прекурсорного волокна в радиальном направлении и таким образом проникать в поры субструктуры волокна.The solution containing the modifying agent does not need to come into contact with the end of the hollow precursor fiber in order to penetrate the pores of the precursor fiber substructure. On the contrary, it has been found that the modifying agent can penetrate the outer skin layer of the precursor fiber in the radial direction and thus penetrate into the pores of the fiber substructure.

Контакт прекурсорного волокна с модифицирующим агентом предпочтительно осуществляют при комнатной температуре. Однако в некоторых дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения температуру при контакте можно поддерживать в диапазоне, выбранном из следующих диапазонов: от примерно 20°С до примерно температуры стеклования полимерного прекурсора; от примерно 100°С до примерно температуры стеклования полимерного прекурсора; и от примерно 100°С до примерно 250°С.The contact of the precursor fiber with the modifying agent is preferably carried out at room temperature. However, in some additional embodiments of the present invention, the contact temperature can be maintained within a range selected from the following ranges: from about 20° C. to about the glass transition temperature of the polymeric precursor; from about 100°C to about the glass transition temperature of the polymeric precursor; and from about 100°C to about 250°C.

В различных вариантах осуществления настоящего изобретения реакция модифицирующего агента с образованием стабилизатора морфологии может требовать добавления катализатора. Например, если в качестве модифицирующего агента используют винилтриэтоксисилан, то может быть желательным добавление катализатора, способствующего золь-гель реакции. Это обусловлено медленной реакцией этоксигрупп по сравнению с метоксигруппами, например, винилтриметоксисилана (VTMS). Золь-гель реакцию можно ускорить посредством добавления кислоты, например минеральной кислоты, поскольку в данной области техники известно, что золь-гель реакция часто значительно ускоряется в кислотных условиях. Предпочтительные кислотные катализаторы включают любую легкодоступную минеральную кислоту, например хлористоводородную кислоту, серную кислоту, азотную кислоту, фосфорную кислоту, борную кислоту, фтористоводородную кислоту, бромистоводородную кислоту, перхлорную кислоту и их комбинации.In various embodiments of the present invention, the reaction of the modifying agent to form a morphology stabilizer may require the addition of a catalyst. For example, if vinyltriethoxysilane is used as the modifying agent, it may be desirable to add a catalyst to promote the sol-gel reaction. This is due to the slow reaction of ethoxy groups compared to methoxy groups such as vinyltrimethoxysilane (VTMS). The sol-gel reaction can be accelerated by the addition of an acid, such as a mineral acid, since it is known in the art that the sol-gel reaction is often greatly accelerated under acidic conditions. Preferred acid catalysts include any readily available mineral acid, such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, boric acid, hydrofluoric acid, hydrobromic acid, perchloric acid, and combinations thereof.

После контакта прекурсорного волокна с модифицирующим агентом, например, посредством вымачивания в растворе, содержащем модифицирующий агент в выбранной концентрации, обеспечивают контакт обработанного прекурсорного волокна с влагой, например, посредством помещения волокна в атмосферу, содержащую влагу. Атмосфера, содержащая влагу, может быть атмосферой, имеющей относительную влажность, лежащую в диапазоне от примерно 50% до примерно 100%. Прекурсорные волокна предпочтительно выдерживают в атмосфере, содержащей влагу, в течение периода времени, лежащего в диапазоне от примерно 1 ч до примерно 60 ч.After contacting the precursor fiber with the modifying agent, for example, by soaking in a solution containing the modifying agent at a selected concentration, the treated precursor fiber is brought into contact with moisture, for example, by exposing the fiber to an atmosphere containing moisture. The moisture-containing atmosphere may be an atmosphere having a relative humidity ranging from about 50% to about 100%. Precursor fibers are preferably exposed to an atmosphere containing moisture for a period of time ranging from about 1 hour to about 60 hours.

Затем обработанные прекурсорные волокна сушат и подвергают пиролизу. Пиролиз предпочтительно проводят в инертной атмосфере. Температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно 500°С до примерно 900°С; альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерноThe treated precursor fibers are then dried and subjected to pyrolysis. The pyrolysis is preferably carried out under an inert atmosphere. The pyrolysis temperature may range from about 500°C to about 900°C; alternatively, the pyrolysis temperature may range from about

500°С до примерно 800°С; альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно500°C to about 800°C; alternatively, the pyrolysis temperature may range from about

500°С до примерно 700°С; альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно500°C to about 700°C; alternatively, the pyrolysis temperature may range from about

500 до 650°С; альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно 500 до 600°С;500 to 650°C; alternatively, the pyrolysis temperature may range from about 500 to 600°C;

альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно 500 до 550°С; альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно 550°С до примерно 700°С; альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно 550°С до примерно 650°С; альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно 600°С до примерно 700°С; альтернативно температура пиролиза может лежать в диапазоне от примерно 600°С до примерно 650°С. В характерном случае температуру пиролиза достигают в процессе, в котором температура медленно поalternatively, the pyrolysis temperature may range from about 500 to 550°C; alternatively, the pyrolysis temperature may range from about 550°C to about 700°C; alternatively, the pyrolysis temperature may range from about 550°C to about 650°C; alternatively, the pyrolysis temperature may range from about 600°C to about 700°C; alternatively, the pyrolysis temperature may range from about 600°C to about 650°C. Typically, the pyrolysis temperature is reached in a process in which the temperature slowly rises

- 7 041523 вышается. Например, при использовании температуры пиролиза, равной 650°С, температуру пиролиза можно получить, повышая температуру в диапазоне от 50 до 250°С со скоростью повышения, равной 13,3°С/мин, затем повышая температуру в диапазоне от 250 до 635°С со скоростью повышения, равной 3,85°С/мин, и затем повышая температуру в диапазоне от 635 до 650°С со скоростью повышения, равной 0,25°С/мин. После того как температура пиролиза достигнута, волокна нагревают при температуре пиролиза в течение времени выдержки, которое может составить несколько часов.- 7 041523 is raised. For example, when using a pyrolysis temperature of 650°C, the pyrolysis temperature can be obtained by raising the temperature in the range of 50 to 250°C at an increase rate of 13.3°C/min, then raising the temperature in the range of 250 to 635° C at an increase rate of 3.85°C/min, and then increasing the temperature in the range of 635 to 650°C at an increase rate of 0.25°C/min. After the pyrolysis temperature has been reached, the fibers are heated at the pyrolysis temperature for a holding time which may be several hours.

Полимерные прекурсорные волокна также можно объединить в пучки и подвергнуть пиролизу в форме пучка, чтобы получить большое количество модифицированных CMS половолоконных мембран за один цикл пиролиза. Хотя под пиролизом в контексте настоящего изобретения обычно понимают пиролиз прекурсорного волокна, следует понимать, что любое описание пиролиза, использованное в данной публикации, включает пиролиз прекурсорных волокон, объединенных в пучки, и прекурсорных волокон, не объединенных в пучки.Polymeric precursor fibers can also be bundled and pyrolyzed in bundle form to produce a large amount of CMS-modified hollow fiber membranes in a single pyrolysis cycle. Although pyrolysis in the context of the present invention is generally understood to mean pyrolysis of a precursor fiber, any description of pyrolysis used in this publication should be understood to include pyrolysis of bundled precursor fibers and unbunched precursor fibers.

В различных вариантах осуществления настоящего изобретения обработку полимерного прекурсорного волокна можно сочетать с процессом замены растворителя. После того как прекурсорные волокна сформованы, например, сухоструйным способом с водяной закалкой волокна подвергают процессу, известному под названием замены растворителя. Чтобы сохранить пористость волокон во время сушки, необходимо удалить воду, содержащуюся внутри пор мембраны. Соответственно в процессе замены растворителя воду, присутствующую в пористой субструктуре волокна, заменяют органическим соединением, имеющим низкое поверхностное натяжение. Прекурсорное волокно подвергают процессу замены растворителя в течение времени, за которое органическое соединение вытесняет воду, присутствующую в порах волокна.In various embodiments of the present invention, the processing of the polymeric precursor fiber may be combined with a solvent exchange process. After the precursor fibers have been spun, for example by dry blasting with water quenching, the fibers are subjected to a process known as solvent exchange. To maintain the porosity of the fibers during drying, it is necessary to remove the water contained within the pores of the membrane. Accordingly, in the solvent exchange process, the water present in the porous substructure of the fiber is replaced with an organic compound having a low surface tension. The precursor fiber is subjected to a solvent exchange process for a period of time during which the organic compound displaces the water present in the pores of the fiber.

Замена растворителя предпочтительно включает две или более стадий, причем на каждой стадии используют другой материал для замены растворителя. Например, стандартный процесс замены растворителя включает удаление воды, присутствующей в мембране, первым растворителем и последующую замену спирта вторым растворителем. На первой стадии используют один или более материалов для замены растворителя, которые содержат смешивающийся с водой спирт, являющийся достаточно инертным в отношении полимера. Любое соединение, эффективно замещающее воду в мембране, можно рассмотреть для использования в качестве первого растворителя. Алифатические спирты, содержащие от 1 до 3 атомов углерода, т.е. метанол, этанол, пропанол, изопропанол и их комбинации, являются особенно эффективными в качестве первого материала для замены растворителя.The solvent change preferably includes two or more steps, each step using a different solvent change material. For example, a standard solvent exchange process involves removing the water present in the membrane with a first solvent and then replacing the alcohol with a second solvent. The first step uses one or more solvent replacement materials that contain a water-miscible alcohol that is sufficiently inert to the polymer. Any compound that effectively displaces water in the membrane may be considered for use as the first solvent. Aliphatic alcohols containing from 1 to 3 carbon atoms, i.e. methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and combinations thereof, are particularly effective as a first solvent replacement material.

Во время второй стадии спирт эффективно заменяют одним или более летучими органическими соединениями, имеющими низкое поверхностное натяжение. Любой органический растворитель, обладающий достаточно низким поверхностным натяжением для того, чтобы предотвратить повреждение пор в мембране во время нагревания, можно рассмотреть для использования в качестве второго растворителя. Среди органических соединений, которые являются особенно подходящими для использования в качестве второго растворителя, находятся содержащие 5 и более атомов углерода линейные или разветвленные алифатические алканы. Также для использования в качестве второго растворителя был предложен толуол. Обнаружено, что н-гексан является особенно подходящим органическим соединением для использования в качестве второго материала для замены растворителя. Первый и второй материалы для замены растворителя предпочтительно должны быть достаточно химически неактивными в отношении мембраны для предотвращения значительного нарушения свойств мембраны.During the second stage, the alcohol is effectively replaced with one or more volatile organic compounds having a low surface tension. Any organic solvent having a sufficiently low surface tension to prevent damage to the pores in the membrane during heating may be considered for use as a second solvent. Among the organic compounds that are particularly suitable for use as a second solvent are linear or branched aliphatic alkanes containing 5 or more carbon atoms. Toluene has also been proposed for use as a second solvent. n-hexane has been found to be a particularly suitable organic compound for use as a second solvent replacement material. The first and second solvent replacement materials should preferably be sufficiently chemically inactive with respect to the membrane to prevent significant degradation of the membrane properties.

Хотя способ, описанный в этом иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения, включает только две стадии, способ замены растворителя может включать любое количество стадий и любое количество растворителей. В способе замены растворителя можно использовать любое количество материалов для замены растворителей, причем материал для замены растворителя на каждой последующей стадии эффективно заменяет материал для замены растворителя из предыдущей стадии.Although the method described in this exemplary embodiment of the present invention includes only two steps, the solvent exchange method may include any number of steps and any number of solvents. Any number of solvent replacement materials may be used in the solvent exchange process, wherein the solvent exchange material in each successive step effectively replaces the solvent exchange material from the previous stage.

К настоящему времени обнаружен, что при использовании материала для замены растворителя, который включает некоторое количество модифицирующего агента, можно получить асимметричную модифицированную CMS половолоконную мембрану, обладающую повышенной газопроницаемостью. Поскольку обработка прекурсорного волокна модифицирующим агентом с целью ограничения спадания субструктуры может быть выполнена совместно с процессом замены растворителя, то можно изготовить модифицированную CMS половолоконную мембрану, обладающую повышенной газопроницаемостью, без необходимости проведения дополнительной стадии процесса, кроме тех стадий, которые в характерном случае проводят при изготовлении асимметричной CMS половолоконной мембраны. Способ обработки прекурсорного волокна модифицирующим агентом, описанный в данной публикации в качестве части стадии замены растворителя, можно рассматривать как усовершенствованный способ замены растворителя.It has now been found that by using a solvent replacement material that includes some modifying agent, an asymmetric CMS-modified hollow fiber membrane having increased gas permeability can be obtained. Since the treatment of the precursor fiber with a modifying agent to limit substructure drop can be performed in conjunction with the solvent exchange process, it is possible to manufacture a CMS-modified hollow fiber membrane having increased gas permeability without the need for an additional process step other than those typically carried out during manufacture. asymmetric CMS hollow fiber membrane. The method of treating a precursor fiber with a modifying agent described in this publication as part of the solvent exchange step can be considered as an improved solvent exchange method.

Соответственно в различных вариантах осуществления настоящего изобретения модифицирующий агент добавляют к второму растворителю в процессе замены растворителя. Например, модифицирующий агент добавляют к органическому растворителю, который имеет достаточно низкое поверхностное натяжение для сохранения пор в мембране во время сушки. В подходящем варианте осуществления настоящего изобретения органическим растворителем является н-гексан. Концентрацию модифицирующегоAccordingly, in various embodiments of the present invention, the modifying agent is added to the second solvent during the solvent exchange process. For example, a modifying agent is added to an organic solvent that has a sufficiently low surface tension to maintain pores in the membrane during drying. In a suitable embodiment of the present invention, the organic solvent is n-hexane. The concentration of modifying

- 8 041523 агента в органическом растворителе можно выбрать так, как описано в данной публикации.- 8 041523 agent in an organic solvent can be selected as described in this publication.

В усовершенствованном способе замены растворителя прекурсорное волокно вымачивают в растворе, содержащем органическое соединение, например н-гексан, и модифицирующий агент, например VTMS, в течение периода времени, который обеспечивает эффективную реакцию модифицирующего агента с частью воды, находящейся в порах волокна, и замену другой части воды, находящейся в порах волокна, органическим растворителем. Таким образом, прекурсорные волокна получают преимущества, обусловленные обработкой модифицирующим агентом, не теряя преимущества, обусловленные стандартным способом замены растворителя.In an improved solvent exchange method, the precursor fiber is soaked in a solution containing an organic compound, such as n-hexane, and a modifying agent, such as VTMS, for a period of time that allows the modifying agent to effectively react with a portion of the water present in the pores of the fiber and replace another part of the water in the pores of the fiber with an organic solvent. Thus, the precursor fibers gain the benefits of treatment with the modifying agent without losing the benefits of the conventional solvent exchange process.

Способность модифицирующего агента проникать через наружный скин-слой асимметричного прекурсорного волокна делает его особенно подходящим для обработки волокна во время процесса замены растворителя. В коммерческом процессе прекурсорное волокно часто транспортируют через материал для замены растворителя непрерывным образом. Соответственно концы волокна редко вступают в контакт с материалом для замены растворителя, если вообще вступают в этот контакт. Поэтому для эффективной обработки во время коммерческого производства асимметричной CMS половолоконной мембраны модифицирующий агент достигает субструктуры прекурсорного волокна через наружный скин-слой волокна.The ability of the modifying agent to penetrate the outer skin layer of the asymmetric precursor fiber makes it particularly suitable for treating the fiber during the solvent exchange process. In the commercial process, the precursor fiber is often transported through the material to replace the solvent in a continuous manner. Accordingly, the ends of the fiber rarely, if ever, come into contact with the solvent exchange material. Therefore, for efficient processing during commercial production of an asymmetric CMS hollow fiber membrane, the modifying agent reaches the precursor fiber substructure through the outer skin layer of the fiber.

Экспериментальная процедура.experimental procedure.

Получение 6FDA/BDPA-DAM прекурсорных половолоконных мембран.Preparation of 6FDA/BDPA-DAM precursor hollow fiber membranes.

Монолитные 6FDA/BDPA-DAM прекурсорные половолоконные мембраны были получены с использованием способа сухоструйного прядения волокон с водяной закалкой.Monolithic 6FDA/BDPA-DAM precursor hollow fiber membranes were produced using a water-quenched dry jet spinning process.

Получение CMS половолоконных мембран.Preparation of CMS hollow fiber membranes.

CMS половолоконные мембраны получили посредством контролируемого пиролиза 6FDA/BDPADAM прекурсорных полых волокон с использованием протокола нагрева, указанного ниже, в условиях непрерывной продувки (20 см3/мин) ультравысокочистым (UHP; от англ.: ultra-high-purity) аргоном. Подробности относительно условий пиролиза можно найти в других публикациях.CMS hollow fiber membranes were prepared by controlled pyrolysis of 6FDA/BDPADAM precursor hollow fibers using the heating protocol below under continuous purging conditions (20 cc /min) with ultra-high-purity (UHP; ultra-high-purity) argon. Details regarding pyrolysis conditions can be found in other publications.

Протокол нагрева следующий:The heating protocol is as follows:

1) от 50 до 250°С (13,3°С/мин);1) from 50 to 250°C (13.3°C/min);

2) от 250 до 535°С (3,85°С/мин);2) from 250 to 535°C (3.85°C/min);

3) от 535 до 550°С (0,25°С/мин);3) from 535 to 550°C (0.25°C/min);

4) термическая обработка при 550°С в течение 120 мин;4) heat treatment at 550°C for 120 min;

5) естественное охлаждение.5) natural cooling.

Сборка CMS половолоконных мембранных модулей.Assembly of CMS hollow fiber membrane modules.

Сборка CMS половолоконных мембранных модулей с использованием эпоксидной смолы Duralco™ 4525.Assembly of CMS hollow fiber membrane modules using Duralco™ 4525 epoxy.

Смолу (100 частей) смешали с отвердителем (8 частей) и энергично перемешивали при комнатной температуре в течение 2 мин в ультразвуковой ванне для обеспечения дегазации. Густую эпоксидную пасту вылили на одну сторону волоконного модуля и позволили ей отвердеть при комнатной температуре в течение 12 ч. Процесс повторили на другой стороне волоконного модуля. Эпоксидную смолу отверждали в течение следующих 12 ч при комнатной температуре до начала испытаний на проницаемость.The resin (100 parts) was mixed with the hardener (8 parts) and stirred vigorously at room temperature for 2 minutes in an ultrasonic bath to ensure degassing. The thick epoxy paste was poured onto one side of the fiber module and allowed to cure at room temperature for 12 hours. The process was repeated on the other side of the fiber module. The epoxy was cured for a further 12 hours at room temperature prior to permeation testing.

Сборка CMS половолоконных мембранных модулей с использованием эпоксидной смолы 3М DP-100.Assembly of CMS hollow fiber membrane modules using 3M DP-100 epoxy.

Эпоксидную смолу вначале вылили на одну сторону волоконного модуля через смесительное сопло. После отверждения в течение 10 мин при комнатной температуре процесс повторили на другой стороне волоконного модуля. Эпоксидную смолу отверждали в течение следующих 12 ч при комнатной температуре до начала испытаний на проницаемость.The epoxy resin was first poured onto one side of the fiber module through a mixing nozzle. After curing for 10 minutes at room temperature, the process was repeated on the other side of the fiber module. The epoxy was cured for a further 12 hours at room temperature prior to permeation testing.

Характеристики проницаемости CMS половолоконных мембран.Permeability characteristics of CMS hollow fiber membranes.

Проницаемость по чистым газам смеси СО2/СН4 при давлении, равном 100 фунтам/кв. дюйм (абс.).Permeability to pure gases of a mixture of CO2/CH4 at a pressure of 100 psi. inch (abs.).

Измерения проницаемости по чистым газам смеси СО2/СН4 были проведены при 35°С с использованием системы для измерения проницаемости постоянного объема. Давление подачи было равно примерно 100 фунтам/кв. дюйм (абс.), а на выходе был вакуум.Pure CO2/CH4 permeability measurements were made at 35°C using a constant volume permeability system. The feed pressure was about 100 psi. inch (abs.), and the output was a vacuum.

Проницаемость эквимолярной газовой смеси СО2/СН4 при давлении, равном 1500 фунтам/кв. дюйм (абс.).Permeability of an equimolar CO2/CH4 gas mixture at a pressure of 1500 psi. inch (abs.).

Измерения проницаемости эквимолярной газовой смеси СО2/СН4 были проведены при 35°С с использованием системы для измерения проницаемости постоянного давления, показанной на фиг. 3. Давление подачи было равно примерно 1500 фунтам/кв. дюйм (абс.) (примерно 103 бар), а на выходе было атмосферное давление. Как показано на фиг. 3, для поддержания высокого давления на входе в мембрану использовали поршневой насос. Долю проникшего через мембрану потока поддерживали на уровне ниже 1% посредством регулирования объемной скорости задержанного мембраной ретентата. Газовый хроматограф Varian 450 использовали для определения составов прошедших через мембрану пермеатов. Факторы разделения мембран рассчитывали на основании по меньшей мере трех инжекций в газовый хроматограф.Permeability measurements of an equimolar CO2/CH4 gas mixture were taken at 35°C using the constant pressure permeability system shown in FIG. 3. Supply pressure was about 1500 psi. inch (abs.) (approximately 103 bar), and the output was atmospheric pressure. As shown in FIG. 3, a piston pump was used to maintain high pressure at the membrane inlet. The flux permeated through the membrane was kept below 1% by adjusting the volume velocity of the retentate retained by the membrane. A Varian 450 gas chromatograph was used to determine the compositions of permeates passed through the membrane. Membrane separation factors were calculated from at least three gas chromatograph injections.

- 9 041523- 9 041523

Результаты и обсуждение.Results and discussion.

Проницаемость CMS половолоконных мембран для газовой смеси CO2/CH4 под высоким давлением.Permeability of CMS hollow fiber membranes for high pressure CO2/CH4 gas mixtures.

Данные по проницаемости CMS половолоконных мембран, подвергнутых пиролизу без предварительной обработки 25 мас.% VTMS7 и после такой предварительной обработки, представлены в табл. 1.Data on the permeability of CMS hollow fiber membranes subjected to pyrolysis without pre-treatment with 25 wt.% VTMS 7 and after such pre-treatment, are presented in table. 1.

Таблица 1Table 1

Исходная смесь Initial mixture P(CO2)/GPUP( CO2 )/GPU а(СО2/СН4)a (CO 2 /CH 4 ) Без предварительной обработки VTMS Without VTMS pretreatment Проницаемость по чистым газам смеси С02/СН4(100 фунтов/кв. дюйм (абс.))Pure gas permeability CO 2 /CH 4 mixture (100 psi (abs.)) 138 138 39 39 Проницаемость эквимолярной газовой смеси СО2/СН4 (1500 фунтов/кв. дюйм (абс.))Permeability of an equimolar CO 2 /CH 4 gas mixture (1500 psi (abs.)) 81 81 36 36 С предварительной обработкой VTMS (25 мас.%) With VTMS pre-treatment (25 wt%) Проницаемость по чистым газам смеси С02/СН4(100 фунтов/кв. дюйм (абс.))Pure gas permeability CO 2 /CH 4 mixture (100 psi (abs.)) 193 193 47 47 Проницаемость эквимолярной газовой смеси СО2/СН4 (1500 фунтов/кв. дюйм (абс.))Permeability of an equimolar CO 2 /CH 4 gas mixture (1500 psi (abs.)) 93 93 49 49

Оба модуля были собраны с использованием эпоксидной смолы Duralco™ 4525. Факторы разделения СО2/СН4, измеренные при давлении, равном 1500 фунтам/кв. дюйм (абс.), в целом соответствовали идеальной селективности для смеси СО2/СН4, измеренной при давлении, равном 100 фунтам/кв. дюйм (абс.). Это свидетельствует о том, что исследованные CMS половолоконные мембраны обладают превосходной устойчивостью к пластификации при высоком давлении природного газа с высоким содержанием СО2. CMS половолоконная мембрана, подвергнутая пиролизу после предварительной обработки 25 мас.% VTMS, показала вполне привлекательную эффективность разделения природного газа при давлении, равном 1500 фунтам/кв. дюйм (абс.), при проницаемости СО2, равной 93 единицам газопроницаемости (GPU; от англ.: gas permeance units), и факторе разделения СО2/СН4, равном 49.Both modules were assembled using Duralco™ 4525 epoxy. CO2/CH4 separation factors measured at 1500 psi. inch (abs.), generally consistent with the ideal selectivity for a mixture of CO2/CH4, measured at a pressure of 100 psi. inch (abs.). This indicates that the hollow fiber membranes tested by CMS have excellent plasticization resistance at high pressure natural gas with a high CO 2 content. The CMS hollow fiber membrane, pyrolyzed after pretreatment with 25 wt% VTMS, showed quite attractive natural gas separation efficiency at 1500 psi. inch (abs.), with a CO2 permeability equal to 93 gas permeance units (GPU; from English: gas permeance units), and a CO2 / CH4 separation factor of 49.

Табл. 1 также демонстрирует, что значения проницаемости для СО2 у исследованных CMS полых волокон были ниже при давлении, равном 1500 фунтов/кв. дюйм (абс.). Это можно объяснить формой изотермы Ленгмюра у CMS материалов, которая приводит к снижению коэффициента сорбции при повышении давления. Кроме того, следует отметить, что проницаемость для СО2 и фактор разделения СО2/СН4 были выше у CMS полых волокон, подвергнутых пиролизу после предварительной обработки 25 мас.% VTMS.Tab. 1 also demonstrates that the CO 2 permeability values of the investigated CMS hollow fibers were lower at 1500 psi. inch (abs.). This can be explained by the shape of the Langmuir isotherm for CMS materials, which leads to a decrease in the sorption coefficient with increasing pressure. In addition, it should be noted that the CO2 permeability and CO 2 /CH 4 separation factor were higher for CMS hollow fibers pyrolyzed after pre-treatment with 25 wt.% VTMS.

Эффект эпоксидной смолы на данные по проницаемости CMS половолоконных мембран для газовой смеси CO2/CH4 под высоким давлениемEffect of Epoxy Resin on CMS Permeability Data of High Pressure CO2/CH4 Hollow Fiber Membrane Gas Mixtures

В табл. 2 сравниваются данные по проницаемости CMS половолоконных мембранных модулей, собранных с использованием эпоксидной смолы Duralco™ 4525 и эпоксидной смолы 3М DP-100.In table. 2 compares the CMS permeability data of hollow fiber membrane modules assembled using Duralco™ 4525 epoxy and 3M DP-100 epoxy.

Таблица 2table 2

Исходная смесь Initial mixture P(CO2)/GPUP( CO2 )/GPU а(СО2/СН4)a (CO 2 /CH 4 ) Эпоксидная смола Duralco™ 4525 Duralco™ 4525 Epoxy Проницаемость по чистым газам смеси С02/СН4(100 фунтов/кв. дюйм (абс.))Pure gas permeability CO 2 /CH 4 mixture (100 psi (abs.)) 138 138 39 39 Проницаемость эквимолярной газовой смеси СО2/СН4 (1500 фунтов/кв. дюйм (абс.))Permeability of an equimolar CO 2 /CH 4 gas mixture (1500 psi (abs.)) 81 81 36 36 Эпоксидная смола ЗМ DP-100 Epoxy resin ZM DP-100 Проницаемость по чистым газам смеси СО2/СН4(Ю0 фунтов/кв. дюйм (абс.))Permeability to pure gases of a mixture of CO 2 /CH 4 (100 psi (abs.)) 166 166 34 34 Проницаемость эквимолярной газовой смеси СО2/СН4 (1500 фунтов/кв. дюйм (абс.))Permeability of an equimolar CO 2 /CH 4 gas mixture (1500 psi (abs.)) 71 71 23 23

Обе CMS половолоконные мембраны подвергли пиролизу без предварительной обработки VTMS. В то время как модуль, собранный с использованием эпоксидной смолы Duralco™ 4525, продемонстрировал стабильный фактор разделения СО2/СН4 при давлении, равном 1500 фунтов/кв. дюйм (абс.) (36 против 39), модуль, собранный с использованием эпоксидной смолы 3М DP-100, продемонстрировал значительно более низкий фактор разделения при давлении, равном 1500 фунтов/кв. дюйм (абс.) (23 против 34). Эти результаты свидетельствуют, что эпоксидная смола 3М DP-100 может быть неподходящей для проникновения природного газа под высоким давлением через CMS половолоконные мембраны.Both CMS hollow fiber membranes were pyrolyzed without VTMS pre-treatment. While the module assembled with Duralco™ 4525 epoxy exhibited a stable CO2/CH4 separation factor at 1500 psi. in. (abs.) (36 vs. 39), the module assembled using 3M DP-100 epoxy exhibited a significantly lower separation factor at 1500 psi. inch (abs.) (23 vs. 34). These results indicate that 3M DP-100 Epoxy may not be suitable for high pressure natural gas permeation through CMS hollow fiber membranes.

Приведенные выше примеры демонстрируют способ изготовления CMS половолоконных мембран с превосходной устойчивостью к пластификации для обработки природного газа, находящегося под выThe above examples demonstrate a process for manufacturing CMS hollow fiber membranes with excellent plasticization resistance for processing natural gas under pressure.

- 10 041523 соким давлением, с высоким содержанием конденсируемого СО2. При проникновении эквимолярной газовой смеси СО2/СН4 под давлением, равным 1500 фунтов/кв. дюйм (абс.), CMS половолоконные мембраны, полученные посредством пиролиза прекурсорных волокон из 6FDA/BDPA-DAM, предварительно обработанных VTMS (25 мас.%), продемонстрировали привлекательную проницаемость для СО2, равную 93 GPU, и фактор разделения СО2/СН4, равный 49. Несмотря на то что в примере для обработки природного газа использованы CMS половолоконные мембраны, изготовленные из прекурсора 6FDA/BDPADAM при указанных выше условиях пиролиза, способ можно легко адаптировать для CMS мембран, изготовленных из других прекурсорных материалов, при других условиях пиролиза для широкого спектра прикладных задач, в которых проблемой могут быть пластификация или насыщение.- 10 041523 high pressure, high condensable CO2 content. With the penetration of an equimolar gas mixture of CO2 / CH4 under a pressure of 1500 psi. inch (abs.), CMS hollow fiber membranes obtained by pyrolysis of precursor fibers from 6FDA/BDPA-DAM pre-treated with VTMS (25 wt.%) showed an attractive CO2 permeability of 93 gpu and a CO 2 /CH 4 separation factor equal to 49. Although the CMS hollow fiber membranes made from the 6FDA/BDPADAM precursor under the above pyrolysis conditions were used in the natural gas processing example, the method can easily be adapted to CMS membranes made from other precursor materials under different pyrolysis conditions for a wide range of applications where plasticization or saturation may be a problem.

Более того, хотя в примерах использована температура испытания, равная 35°С, можно использовать и другие температуры испытания. Следует отметить, что характеристики транспорта в CMS материалах зависят от температуры испытания. В характерном случае при повышении температуры испытания возрастает проницаемость, а селективность снижается. На фиг. 4 показан пример эффектов температуры испытания на данные по проницаемости газовой смеси СО2/СН4 в CMS половолоконных мембранах.Furthermore, while the examples use a test temperature of 35° C., other test temperatures may be used. It should be noted that the transport characteristics of CMS materials depend on the test temperature. Typically, as the test temperature increases, the permeability increases and the selectivity decreases. In FIG. 4 shows an example of the effects of test temperature on CO2/CH4 gas permeability data in CMS hollow fiber membranes.

Если раскрытые в данной публикации CMS мембраны используют для отделения СО2 от природного газа (СН4), имеющего высокие парциальные давления СО2, СО2/СН4 селективность CMS мембраны может быть по существу такой же, как СО2/СН4 селективность CMS мембраны при низких парциальных давлениях СО2. Например, селективность CMS мембраны при высоком парциальном давлении СО2 (например, при давлении, равном по меньшей мере 20 бар, по меньшей мере 30 бар, по меньшей мере 40 бар, по меньшей мере 50 бар, по меньшей мере 60 бар, по меньшей мере 70 бар или по меньшей мере 80 бар) может быть равна по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 85%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, более предпочтительно по меньшей мере 95% от селективности CMS мембраны при низком парциальном давлении СО2 (например, равном 10 бар или менее, равном примерно 10 бар, равном примерно 9 бар, равном примерно 8 бар, равном примерно 7 бар, равном примерно 6 бар или равном примерно 5 бар). Например, экспериментальные результаты, приведенные в табл. 1, демонстрируют, что значения селективности CMS мембран при парциальном давлении СО2, равном 750 фунтам/кв. дюйм (абс.) (или примерно 50 бар), лежат в пределах от 90 до 95% от значений селективности CMS мембраны, полученных при исследовании проницаемости по чистым газам СО2 и СН4 при давлении, равном 100 фунтам/кв. дюйм (абс.) (или примерно 7 бар).If the CMS membranes disclosed in this publication are used to separate CO 2 from natural gas (CH 4 ) having high partial pressures of CO 2 , CO 2 /CH 4 , the selectivity of the CMS membrane can be substantially the same as the CO 2 /CH 4 selectivity of the CMS membranes at low partial pressures of CO 2 . For example, the selectivity of a CMS membrane at a high partial pressure of CO 2 (for example, at a pressure of at least 20 bar, at least 30 bar, at least 40 bar, at least 50 bar, at least 60 bar, at least at least 70 bar or at least 80 bar) may be equal to at least 80%, more preferably at least 85%, more preferably at least 90%, more preferably at least 95% of the selectivity of the CMS membrane at low partial pressure CO2 (for example, equal to 10 bar or less, equal to about 10 bar, equal to about 9 bar, equal to about 8 bar, equal to about 7 bar, equal to about 6 bar, or equal to about 5 bar). For example, the experimental results given in Table. 1 demonstrate that the selectivity values of CMS membranes at a partial pressure of CO 2 equal to 750 psi. inch (abs.) (or about 50 bar) are in the range of 90 to 95% of the selectivity values of the CMS membrane obtained in the study of permeability to pure CO 2 and CH 4 gases at a pressure of 100 psi. inch (abs.) (or approximately 7 bar).

Дополнительные результаты испытаний, проведенных в широком диапазоне значений давления, показаны на фиг. 6А и 6В. В этом испытании проницаемость для СО2 и СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны, изготовленной по настоящему изобретению, определяли при подаче ряда исходных газов, содержащих смесь СО2 и СН4 в соотношении 50/50, при давлениях, лежащих в диапазоне от 100 фунтов/кв. дюйм (абс.) до 1800 фунтов/кв. дюйм (абс). Испытание было проведено при 35°С. Как показано на фиг. 6В, на СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны по существу не оказывали неблагоприятного эффекта высокие парциальные давления СО2 в исходных газах.Additional test results over a wide range of pressures are shown in FIG. 6A and 6B. In this CO2 and CO2/CH4 permeability test, the selectivity of a carbon molecular sieve membrane made according to the present invention was determined by applying a range of feed gases containing a 50/50 mixture of CO2 and CH4 at pressures ranging from 100 pounds / sq. in. (abs.) up to 1800 psi inch (abs). The test was carried out at 35°C. As shown in FIG. 6B, the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane was not substantially adversely affected by the high partial pressures of CO2 in the feed gases.

Более того, испытание было проведено с использованием исходных газов, содержавших различные количества углеводородных загрязнений. Многие источники природного газа содержат углеводородные загрязнения, например этан, пропан, изомеры бутана, изомеры пентана, изомеры гексана, изомеры гептана, бензол, толуол, этилбензол, изомеры ксилола и их комбинации. Эти углеводородные загрязнения являются сильными пластифицирующими агентами. Например, даже в столь малых количествах, как 250 ч./млн, углеводородные загрязнения, такие как толуол и н-гептан, могут вызывать пластификацию и сильное снижение селективности в несшитых полимерных мембранах. Однако, как показано на фиг. 6В, включение загрязнений толуола и н-гептана в исходные газы оказало малый, если вообще оказало, эффект на CO2/CH4 селективность углеродных молекулярно-ситовых мембран во всем диапазоне испытанных давлений.Moreover, the test was carried out using source gases containing varying amounts of hydrocarbon contaminants. Many natural gas sources contain hydrocarbon contaminants such as ethane, propane, butane isomers, pentane isomers, hexane isomers, heptane isomers, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene isomers, and combinations thereof. These hydrocarbon contaminants are strong plasticizing agents. For example, even at levels as low as 250 ppm, hydrocarbon contaminants such as toluene and n-heptane can cause plasticization and a severe reduction in selectivity in non-crosslinked polymeric membranes. However, as shown in FIG. 6B, the inclusion of toluene and n-heptane contaminants in the feed gases had little, if any, effect on the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membranes over the entire pressure range tested.

Способы разделения сверхкритических сред.Methods for the separation of supercritical media.

Сверхкритический флюид - это любое вещество, находящееся при температуре и давлении, превышающих его критическую точку, в которой не существует выраженных жидкой и газовой фаз. Например, на фиг. 5 показана критическая точка для исходной смеси, содержащей СО2/СН4 в соотношении 50/50%, а также 250 ч./млн толуола и 250 ч./млн гептана. Критическая точка указана треугольником.A supercritical fluid is any substance that is at a temperature and pressure above its critical point where no distinct liquid and gas phases exist. For example, in FIG. 5 shows the critical point for a feed mixture containing 50/50% CO 2 /CH 4 and 250 ppm toluene and 250 ppm heptane. The critical point is indicated by a triangle.

К настоящему времени обнаружено, что углеродные молекулярно-ситовые мембраны можно использовать для разделения сверхкритических флюидов по существу таким же образом, который используют для разделения газов. На самом деле показано, что за счет перевода исходного газа в сверхкритическое состояние до контакта исходного газа с CMS мембраной можно получить ряд преимуществ.It has now been found that carbon molecular sieve membranes can be used to separate supercritical fluids in essentially the same manner that is used to separate gases. In fact, it has been shown that a number of advantages can be obtained by bringing the feed gas to the supercritical state prior to contact of the feed gas with the CMS membrane.

Разделение газов с использованием углеродных молекулярно-ситовых мембран традиционно требует предварительной обработки исходного газа для предотвращения образования жидкостей на поверхности мембраны. Образование жидкостей на поверхности мембраны является проблемой, так как жидкость действует как резистивный слой и поэтому снижает поток через мембрану. Кроме того, слой жидкости в характерном случае состоит из конденсируемых компонентов типа высших углеводородов и воды, котоGas separation using carbon molecular sieve membranes traditionally requires pre-treatment of the feed gas to prevent the formation of liquids on the membrane surface. The formation of liquids on the membrane surface is a problem since the liquid acts as a resistive layer and therefore reduces the flow through the membrane. In addition, the liquid layer typically consists of condensable components such as higher hydrocarbons and water, which

--

Claims (6)

рые могут оказывать отрицательные эффекты на некоторые мембраны. Жидкости образуются на мембране, из-за того что (1) состав газа изменяется по направлению от исходного газа к ретентату, поскольку проникает сорбированный газ (или газы), и (2) температура изменяется из-за эффекта Джоуля-Томпсона при прохождении газа через мембрану.rye can have negative effects on some membranes. Liquids form on the membrane because (1) the composition of the gas changes from the source gas to the retentate as the sorbed gas (or gases) permeates, and (2) the temperature changes due to the Joule-Thompson effect as the gas passes through membrane. При поддержании потоков исходного газа и ретентата в сверхкритических условиях во время контакта потока исходного газа с мембраной жидкая фаза отсутствует, за счет чего исключается образование жидкостей на поверхности мембраны без необходимости в предварительной обработке.By maintaining the feed gas and retentate streams under supercritical conditions, there is no liquid phase during contact of the feed gas stream with the membrane, thereby eliminating the formation of liquids on the membrane surface without the need for pre-treatment. Исходный газ можно довести до температуры и давления, лежащих в сверхкритической области, за счет нагрева, сжатия или их сочетания. В частности, исходный газ следует довести до точки в пределах сверхкритической области, которая обеспечит то, что поток ретентата также будет в сверхкритических условиях, по меньшей мере в непосредственной близости от мембраны. Поскольку сверхкритическая точка газовой смеси зависит от относительных количеств каждого газа в этой смеси, то сверхкритическая точка ретентата будет отличаться от сверхкритической точки исходного газа из-за сорбции желаемого газового компонента(ов). Газообразный пермеат не нужно поддерживать в сверхкритических условиях, поскольку низкое давление пермеата (и, по меньшей мере, в случае отделения СО2 от природного газа, ограниченное количество углеводородов в пермеате) снижает вероятность образования жидкости.The feed gas can be brought to temperatures and pressures in the supercritical region by heating, compression, or a combination of both. In particular, the feed gas should be brought to a point within the supercritical region that ensures that the retentate stream is also at supercritical conditions, at least in close proximity to the membrane. Because the supercritical point of a gas mixture depends on the relative amounts of each gas in that mixture, the supercritical point of the retentate will differ from that of the feed gas due to sorption of the desired gas component(s). The gaseous permeate does not need to be maintained at supercritical conditions because the low pressure of the permeate (and, at least in the case of separating CO 2 from natural gas, the limited amount of hydrocarbons in the permeate) reduces the likelihood of liquid formation. Из-за эффектов пластификации и насыщения, возникновения которых можно ожидать во время разделений агрессивных газов, т.е. разделений газов, при которых парциальное(ые) давление(я) одного или более видов газов, которые сорбируются мембраной, в исходном газе являет(ют)ся высоким(и), можно ожидать, что работа в сверхкритических условиях будет оказывать неблагоприятные эффекты на способность мембраны к разделению газов. Однако с учетом неожиданных результатов, раскрытых в данной публикации, мембранное разделение в сверхкритических условиях становится практически возможным. На самом деле, по меньшей мере, при отделении СО2 от природного газа, по-видимому, имеется дополнительное преимущество, состоящее в том, что большое количество СО2 ограничивает неблагоприятный эффект высококонденсируемых компонентов, таких как толуол, которые, как известно, снижают проницаемость даже в очень малых количествах, как показано на фиг. 6А.Due to the effects of plasticization and saturation, which can be expected during separations of aggressive gases, i.e. gas separations in which the partial pressure(s) of one or more gas species that are sorbed by the membrane in the feed gas is(are) high, supercritical operation can be expected to have adverse effects on the ability membranes for gas separation. However, given the unexpected results disclosed in this publication, membrane separation under supercritical conditions becomes practically possible. In fact, at least in separating CO 2 from natural gas, there seems to be an additional benefit in that a large amount of CO 2 limits the adverse effect of highly condensable components such as toluene, which are known to reduce permeability. even in very small amounts, as shown in FIG. 6A. Различные аспекты.various aspects. Можно видеть, что описанные варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают уникальные и новые способы разделения агрессивного газа, которые имеют ряд преимуществ перед способами, известными в данной области техники. Хотя в данной публикации показаны и описаны некоторые специфические структуры, позволяющие осуществить настоящее изобретение, специалистам в данной области техники будет очевидно, что можно произвести различные модификации и перестановки элементов без отклонения от сущности и объема лежащей в основе идеи изобретения и что настоящее изобретение не ограничено конкретными формами, показанными и описанными в данной публикации, за исключением определенных в объеме формулы изобретения.It can be seen that the described embodiments of the present invention provide unique and novel methods for corrosive gas separation that have a number of advantages over methods known in the art. Although this publication shows and describes some specific structures that enable the present invention to be carried out, it will be obvious to those skilled in the art that various modifications and permutations of the elements can be made without deviating from the essence and scope of the underlying idea of the invention and that the present invention is not limited to specific forms shown and described in this publication, except as defined in the scope of the claims. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ отделения кислых газовых компонентов от потока природного газа, при котором1. A process for separating acidic gas components from a natural gas stream, wherein a) берут половолоконную углеродную молекулярно-ситовую мембрану, полученную посредством пиролиза полиимидного полимерного прекурсора; иa) taking a hollow fiber carbon molecular sieve membrane obtained by pyrolysis of a polyimide polymer precursor; And b) приводят в контакт поток природного газа, имеющий парциальное давление СО2, равное по меньшей мере 50 бар, с этой углеродной молекулярно-ситовой мембраной с получениемb) contacting a natural gas stream having a CO 2 partial pressure of at least 50 bar with the carbon molecular sieve membrane to obtain i) потока ретентата, имеющего сниженную концентрацию кислого газообразного компонента; и ii ) потока пермеата, имеющего повышенную концентрацию кислого газообразного компонента;i) a retentate stream having a reduced concentration of an acid gas component; and ii) a permeate stream having an increased concentration of an acid gas component; при этом СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны во время стадии контакта составляет по меньшей мере 80% от СО2/СН4 селективности углеродной молекулярно-ситовой мембраны при ее контакте с потоком природного газа, имеющим парциальное давление СО2, равное 10 бар или менее, при тех же условиях.wherein the CO 2 /CH 4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane during the contact step is at least 80% of the CO 2 /CH 4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane when it is in contact with a natural gas stream having a CO 2 partial pressure of 10 bar or less, under the same conditions. 2. Способ по п.1, где поток природного газа имеет парциальное давление СО2, равное по меньшей мере 60 бар.2. Process according to claim 1, wherein the natural gas stream has a CO 2 partial pressure of at least 60 bar. 3. Способ по п.1, где поток природного газа имеет парциальное давление СО2, равное по меньшей мере 70 бар.3. Process according to claim 1, wherein the natural gas stream has a CO 2 partial pressure of at least 70 bar. 4. Способ по любому из пп.1-3, где СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны во время стадии контакта составляет по меньшей мере 85% от СО2/СН4 селективности углеродной молекулярно-ситовой мембраны при парциальном давлении СО2, равном 10 бар или менее.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the CO2 / CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane during the contact step is at least 85% of the CO2/CH4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane at a CO2 partial pressure of 10 bar or less. 5. Способ по п.4, где СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны во время стадии контакта составляет по меньшей мере 90% от СО2/СН4 селективности углеродной молекулярноситовой мембраны при парциальном давлении СО2, равном 10 бар или менее.5. The method according to claim 4, wherein the CO 2 /CH 4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane during the contact step is at least 90% of the CO 2 /CH 4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane at a CO 2 partial pressure of 10 bar or less. 6. Способ по п.5, где СО2/СН4 селективность углеродной молекулярно-ситовой мембраны во время стадии контакта составляет по меньшей мере 95% от СО2/СН4 селективности углеродной молекулярноситовой мембраны при парциальном давлении СО2, равном 10 бар или менее.6. The method according to claim 5, wherein the CO 2 /CH 4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane during the contact step is at least 95% of the CO 2 /CH 4 selectivity of the carbon molecular sieve membrane at a CO 2 partial pressure of 10 bar or less. --
EA201991617 2017-02-10 2018-02-06 METHOD FOR SEPARATING ACID GAS COMPONENTS FROM NATURAL GAS FLOW EA041523B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/457,253 2017-02-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA041523B1 true EA041523B1 (en) 2022-11-01

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2012354175B2 (en) Stabilization of porous morphologies for high performance carbon molecular sieve hollow fiber membranes
AU2018200567B2 (en) Asymmetric modified carbon molecular sieve hollow fiber membranes having improved permeance
AU2018218250B2 (en) Carbon molecular sieve membranes for aggressive gas separations
AU2015322020B2 (en) Composite nanoparticle stabilized core carbon molecular sieve hollow fiber membranes having improved permeance
JP6494614B2 (en) Cross-linked rubbery polyurethane-ether membrane for separation
US20190030491A1 (en) Methods for preparing carbon molecular sieve hollow fiber membranes for gas separation
EP3302762A1 (en) Ultra-selective carbon molecular sieve membranes and methods of making
WO2016148988A1 (en) High selectivity epoxysilicone-cross-linked polyimide membranes for gas separations
Liu et al. Pyrolysis temperature-regulated gas transport and aging properties in 6FDA-DAM polyimide-derived carbon molecular sieve membranes
CA3058381A1 (en) Rubbery polymeric membranes for separation
WO2019006438A1 (en) Cost-effective carbon molecular sieve hollow fiber membranes
US20190054427A1 (en) Methods for regenerating aged carbon molecular sieve membranes
US9308487B1 (en) Polyimide blend membranes for gas separations
EA041523B1 (en) METHOD FOR SEPARATING ACID GAS COMPONENTS FROM NATURAL GAS FLOW
JP4494222B2 (en) Method for separating olefins from mixtures with paraffin
WO2021188615A1 (en) Multi-layer composite gas separation membranes, methods for preparation, and use
CA3235414A1 (en) High selectivity and high co2 plasticization resistant polymeric membranes for gas separations
Tabe-Mohammadic The effect of ethane on the performance of commercial polyphenylene oxide and Cardo-type polyimide hollow fiber membranes in CO2/CH4 separation applications M. Pourafshari Chenara, H. Savojib, M. Soltaniehb, T. Matsuurac