RU2446855C2 - Газоразделительное устройство - Google Patents
Газоразделительное устройство Download PDFInfo
- Publication number
- RU2446855C2 RU2446855C2 RU2007145490/05A RU2007145490A RU2446855C2 RU 2446855 C2 RU2446855 C2 RU 2446855C2 RU 2007145490/05 A RU2007145490/05 A RU 2007145490/05A RU 2007145490 A RU2007145490 A RU 2007145490A RU 2446855 C2 RU2446855 C2 RU 2446855C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane structure
- membrane
- thermal conductivity
- functional material
- matrix
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 178
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 84
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 80
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 41
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 41
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims description 31
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 24
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 18
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 15
- 229920000636 poly(norbornene) polymer Polymers 0.000 claims description 15
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 14
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- -1 NiCrAlY Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 8
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 claims description 7
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N barium oxide Inorganic materials [Ba]=O QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- IATRAKWUXMZMIY-UHFFFAOYSA-N strontium oxide Inorganic materials [O-2].[Sr+2] IATRAKWUXMZMIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 claims description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 3
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000792 Monel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052680 mordenite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920001197 polyacetylene Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910020203 CeO Inorganic materials 0.000 claims 2
- 229910018921 CoO 3 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims 1
- OQPDWFJSZHWILH-UHFFFAOYSA-N [Al].[Al].[Al].[Ti] Chemical compound [Al].[Al].[Al].[Ti] OQPDWFJSZHWILH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- BVWUEIUNONATML-UHFFFAOYSA-N n-benzylethenamine Chemical compound C=CNCC1=CC=CC=C1 BVWUEIUNONATML-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910000907 nickel aluminide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910021324 titanium aluminide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 34
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 111
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 78
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 52
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 41
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 38
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 26
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 26
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 25
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 20
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 13
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 13
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 13
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 12
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 description 12
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 11
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 9
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 8
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 8
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 7
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N lanthanum(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3] MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 5
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- IQQRAVYLUAZUGX-UHFFFAOYSA-N 1-butyl-3-methylimidazolium Chemical compound CCCCN1C=C[N+](C)=C1 IQQRAVYLUAZUGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 4
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 4
- 239000013265 porous functional material Substances 0.000 description 4
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 2-(2-cyanopropan-2-yldiazenyl)-2-methylpropanenitrile Chemical compound N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 3
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 3
- 238000001879 gelation Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 3
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 3
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 3
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 3
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 2
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 2
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 2
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- LFQCEHFDDXELDD-UHFFFAOYSA-N tetramethyl orthosilicate Chemical compound CO[Si](OC)(OC)OC LFQCEHFDDXELDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- TVXNKQRAZONMHJ-UHFFFAOYSA-M (4-ethenylphenyl)methyl-trimethylazanium;chloride Chemical compound [Cl-].C[N+](C)(C)CC1=CC=C(C=C)C=C1 TVXNKQRAZONMHJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- KAIPKTYOBMEXRR-UHFFFAOYSA-N 1-butyl-3-methyl-2h-imidazole Chemical group CCCCN1CN(C)C=C1 KAIPKTYOBMEXRR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FRWYFWZENXDZMU-UHFFFAOYSA-N 2-iodoquinoline Chemical compound C1=CC=CC2=NC(I)=CC=C21 FRWYFWZENXDZMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OZAIFHULBGXAKX-VAWYXSNFSA-N AIBN Substances N#CC(C)(C)\N=N\C(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-VAWYXSNFSA-N 0.000 description 1
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M Methacrylate Chemical compound CC(=C)C([O-])=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910020808 NaBF Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910026551 ZrC Inorganic materials 0.000 description 1
- OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N [C].[Zr] Chemical compound [C].[Zr] OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CAVCGVPGBKGDTG-UHFFFAOYSA-N alumanylidynemethyl(alumanylidynemethylalumanylidenemethylidene)alumane Chemical compound [Al]#C[Al]=C=[Al]C#[Al] CAVCGVPGBKGDTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GHTGICGKYCGOSY-UHFFFAOYSA-K aluminum silicon(4+) phosphate Chemical compound [Al+3].P(=O)([O-])([O-])[O-].[Si+4] GHTGICGKYCGOSY-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- VXAUWWUXCIMFIM-UHFFFAOYSA-M aluminum;oxygen(2-);hydroxide Chemical compound [OH-].[O-2].[Al+3] VXAUWWUXCIMFIM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 1
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021523 barium zirconate Inorganic materials 0.000 description 1
- DQBAOWPVHRWLJC-UHFFFAOYSA-N barium(2+);dioxido(oxo)zirconium Chemical compound [Ba+2].[O-][Zr]([O-])=O DQBAOWPVHRWLJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N beryllium oxide Inorganic materials O=[Be] LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- UNYSKUBLZGJSLV-UHFFFAOYSA-L calcium;1,3,5,2,4,6$l^{2}-trioxadisilaluminane 2,4-dioxide;dihydroxide;hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.[OH-].[OH-].[Ca+2].O=[Si]1O[Al]O[Si](=O)O1.O=[Si]1O[Al]O[Si](=O)O1 UNYSKUBLZGJSLV-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000003490 calendering Methods 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000009750 centrifugal casting Methods 0.000 description 1
- 229910052676 chabazite Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003636 chemical group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 1
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N hafnium;methane Chemical compound C.[Hf] WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hcl hcl Chemical compound Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005495 investment casting Methods 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000013335 mesoporous material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000012229 microporous material Substances 0.000 description 1
- 238000007431 microscopic evaluation Methods 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920001992 poloxamer 407 Polymers 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- NHARPDSAXCBDDR-UHFFFAOYSA-N propyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CCCOC(=O)C(C)=C NHARPDSAXCBDDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000010076 replication Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 description 1
- 238000002174 soft lithography Methods 0.000 description 1
- 239000012703 sol-gel precursor Substances 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 description 1
- 238000009718 spray deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000007723 transport mechanism Effects 0.000 description 1
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000026 trimethylsilyl group Chemical group [H]C([H])([H])[Si]([*])(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 description 1
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 description 1
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
- B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/38—Liquid-membrane separation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
- B01D67/0081—After-treatment of organic or inorganic membranes
- B01D67/0088—Physical treatment with compounds, e.g. swelling, coating or impregnation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
- B01D67/0081—After-treatment of organic or inorganic membranes
- B01D67/0093—Chemical modification
- B01D67/00931—Chemical modification by introduction of specific groups after membrane formation, e.g. by grafting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D69/10—Supported membranes; Membrane supports
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/02—Inorganic material
- B01D71/024—Oxides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/02—Inorganic material
- B01D71/024—Oxides
- B01D71/027—Silicium oxide
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/02—Inorganic material
- B01D71/028—Molecular sieves
- B01D71/0281—Zeolites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/06—Organic material
- B01D71/40—Polymers of unsaturated acids or derivatives thereof, e.g. salts, amides, imides, nitriles, anhydrides, esters
- B01D71/401—Polymers based on the polymerisation of acrylic acid, e.g. polyacrylate
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2257/00—Components to be removed
- B01D2257/50—Carbon oxides
- B01D2257/504—Carbon dioxide
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
- B01D2325/10—Catalysts being present on the surface of the membrane or in the pores
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
- B01D2325/22—Thermal or heat-resistance properties
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Предложено устройство для отделения по меньшей мере одного компонента от смеси множества химических частиц. Устройство включает мембранную структуру, содержащую множество пор, расположенных в матричном материале, для осуществления переноса массы от первой поверхности мембранной структуры ко второй поверхности мембранной структуры. Матричный материал имеет теплопроводность по меньшей мере приблизительно 10 Вт/м/К; а функциональный материал расположен в по меньшей мере части множества пор. Функциональный материал имеет свойство промотировать селективный перенос по меньшей мере одного вида частиц через мембранную структуру от первой поверхности ко второй поверхности. Изобретение позволяет повысить теплопроводность. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Уровень техники
Изобретение, в целом, относится к газоразделительному устройству на основе мембраны и более определенно к газоразделительному устройству на основе мембраны, пригодному для высокотемпературного применения.
Разделение газов мембранами является динамичной и быстрорастущей областью. Мембранное разделение предлагает ряд преимуществ с точки зрения низкой затраты энергии и низких капиталовложений. Однако главной проблемой в области мембранного разделения является разработка экономичных и эффективных мембран. Особенной проблемой является разработка мембран для отделения диоксида углерода (CO2) от газового потока, содержащего молекулы, такие как азот или водород. В настоящее время CO2 обычно отделяют от потоков производственного процесса химическими (амин) или физическими (гликоль) системами поглощения. Однако большие энергозатраты, требующиеся для работы таких систем захвата CO2, могут снизить общую эффективность установки, приводя к повышенным требованиям по топливу, твердым отходам и проблемам окружающей среды относительно базовой установки без поглощения. Поэтому желательно разработать мембрану, пригодную для газоразделения, и современный производственный процесс, предназначенный значительно снизить связанные энергозатраты.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение отвечает этим и другим требованиям, обеспечивая эффективную систему сепаратора для отделения компонентов, таких как CO2, от газовых смесей. Соответственно, один вариант изобретения является устройством для отделения по меньшей мере одного компонента от смеси множества химических частиц. Устройство включает мембранную структуру, содержащую множество пор, расположенных внутри матричного материала, допускающего перенос массы от первой поверхности мембранной структуры ко второй поверхности мембранной структуры. Матричный материал имеет теплопроводность по меньшей мере приблизительно 10 Вт/м/К; и функциональный материал, расположенный внутри по меньшей мере участка с множеством пор. Функциональный материал обладает свойством промотировать селективный перенос по меньшей мере одного вида частиц через мембранную структуру от первой поверхности ко второй поверхности.
Одним вариантом осуществления изобретения является металлическая мембранная структура, содержащая множество пор. Металлическая мембранная структура облегчает передачу тепла от первой поверхности мембранной структуры ко второй поверхности мембранной структуры. Функциональный материал расположен внутри по меньшей мере участка с множеством пор. Функциональный материал обладает свойством промотировать селективный перенос CO2 через мембранную структуру от первой поверхности ко второй поверхности.
Краткое описание чертежей
Эти и другие особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут более понятными при чтении подробного описания со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые цифры представляют одинаковые части во всех чертежах, на которых:
Фиг.1 является схематическим изображением газоразделительного устройства, включающего мембранную структуру по изобретению согласно одному варианту изобретения;
Фиг.2 является схематическим представлением вариантов композитной мембранной структуры и многослойной мембранной структуры по изобретению;
Фиг.3 показывает графики эффективной теплопроводности и нормализованной теплопроводности для вариантов композитной мембранной структуры и многослойной мембранной структуры по изобретению;
Фиг.4 является схематическим представлением устройства согласно одному варианту настоящего изобретения;
Фиг.5 представляет частичный разрез варианта осуществления изобретения фиг.4;
Фиг.6 представляет другой вариант осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.7 представляет еще один вариант осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
В следующем описании одинаковые номера позиций обозначают одинаковые или соответствующие части в нескольких видах, показанных на чертежах. Также понятно, что термины, такие как "верх", "низ", "наружу", "внутрь", "первый", "второй" и т.п., являются словами удобства и не должны рассматриваться как ограничивающие. Кроме того, всякий раз, когда определенный аспект изобретения, как говорят, включает или состоит из по меньшей мере одного ряда элементов группы и их комбинаций, понимают, что аспект может включать или состоять из любых элементов группы либо индивидуально, либо в комбинации с любым из других элементов этой группы.
Что касается чертежей вообще, понимают, что иллюстрации служат в целях описания одного варианта изобретения и не предназначены ограничивать изобретение.
Для целей понимания изобретения термин "проницаемость" относится к скорости проникновения. "Селективная проницаемость" относится к предпочтительной проницаемости одних химических частиц через мембрану относительно других химических частиц.
Типичное устройство 10 для отделения по меньшей мере одного компонента от смеси множества химических частиц описано со ссылкой на фиг.1. Устройство 10 включает мембранную структуру 12, содержащую множество пор 14, расположенных внутри матричного материала 16, для осуществления переноса массы от первой поверхности 18 мембранной структуры ко второй поверхности 19 мембранной структуры. Матричный материал 16 имеет теплопроводность по меньшей мере приблизительно 10 Вт/м/К. Функциональный материал 20 расположен внутри по меньшей мере части множества пор 14. Функциональный материал 20 обладает свойством промотировать селективный перенос по меньшей мере одного вида частиц 22 из смеси газов 24 через мембранную структуру 12 от первой поверхности 18 ко второй поверхности 19. Отделенные частицы 22 могут быть захвачены продувочным газом 26. Как правило, мембранная структура 12 включает мембрану, которая имеет существенно высокую селективность к проницаемости и существенно высокую проницаемость для выбранных частиц, подлежащих отделению эффективным образом. В одном варианте матричный материал 16 имеет теплопроводность по меньшей мере приблизительно 15 Вт/м/К. В другом варианте матричный материал 16 имеет теплопроводность по меньшей мере приблизительно 20 Вт/м/К.
Мембранная структура 12 содержит любой матричный материал 16, имеющий подходящие свойства. Желательно, чтобы матричный материал 16 был устойчив в условиях работы устройства и имел требуемую теплопроводность. В определенных вариантах матрица содержит керамику с подходящей теплопроводностью. Примеры подходящих керамик включают, но не ограничиваются ими, карбид алюминия, нитрид алюминия, оксид бериллия, карбид бора, нитрид бора, кубический нитрид бора, карбид гафния, борид кремния, карбид кремния, нитрид кремния, борид титана, карбид титана, нитрид титана и карбид циркония. Матрица может включать различные комбинации этих керамических материалов. В типичном варианте матрица содержит карбид кремния.
В определенных вариантах матричный материал 16 содержит металл. Примеры подходящих металлов включают, но не ограничиваются ими, никель, нержавеющую сталь, сплав на основе железа, сплав на основе никеля, NiCrAlY, Монель-металл, IN600, титан, сплав на основе алюминия, сплав на основе меди и их различные комбинации. В типичном варианте матрица содержит никель. В другом варианте матрица содержит нержавеющую сталь.
Мембранная структура 12 содержит множество пор 14, расположенных внутри матричного материала 16. Пористая матрица облегчает перенос массы от первой поверхности 18 мембранной структуры 12 ко второй поверхности 19 мембранной структуры 12. Размер пор 14 и плотность пор регулируют проницаемость газовых частиц через пористую мембранную структуру. Как правило, матричный материал 16 имеет объемную долю пористости более чем приблизительно 5%. В одном варианте матричный материал 16 имеет объемную долю пористости в интервале от приблизительно 20% до приблизительно 70%. В одном варианте матричный материал 16 имеет средний размер пор в интервале от приблизительно 0,02 микрометра до приблизительно 200 микрометров. В другом варианте матричный материал 16 имеет средний размер пор в интервале от приблизительно 0,1 микрометра до приблизительно 10 микрометров.
Любой метод, известный в уровне техники, может быть использован для изготовления пористой матрицы. Уплотнение и спекание порошка могут использоваться для керамических и металлических пористых матричных материалов. Методы уплотнения порошка могут включать сухое прессование, изопрессование, ленточное литье или ленточное каландрование. Размеры пор могут быть обусловлены размером частиц порошка и морфологией. Пористость может образоваться в результате изменения условий прессования и спекания или в результате применения летучих порообразующих материалов, таких как органические растворители или материалы. Другие подходящие порообразующие методы включают, но не ограничиваются ими, травление ионным пучком, литографию, самосборку, механическую микрообработку, анодное травление, репликацию, прецизионное литье, штамповку, мягкую литографию, электроспиннинг, лазерное сверление и т.п. Как известно, такие методы, как травление ионным пучком, анодное травление и т.п., создают плотные однородные поры любых желательных размеров. Изменения в параметрах процесса для получения желательных пористых структур очевидны специалистам в данной области.
Как правило, функциональный материал 20 расположен внутри по меньшей мере участка с множеством пор 14. Функциональный материал 20 обладает свойством промотировать селективный перенос по меньшей мере одного вида частиц 22 через мембранную структуру 12 от первой поверхности 18 ко второй поверхности 19. Выбор функционального материала 20 частично зависит от конкретного вида частиц, подлежащих отделению, и рабочих условий устройства 10. В определенных вариантах функциональный материал 20 содержит пористый материал. В альтернативном варианте функциональный материал 20 содержит плотный материал.
Функциональный материал 20 выполняет селективное отделение выбранного вида частиц и их перенос от первой поверхности 18 ко второй поверхности 19 мембранной структуры 12. Любой известный механизм может быть включен в процесс разделения в зависимости от свойств проникающих частиц и мембраны. Типичные механизмы разделения включают, но не ограничиваются ими, диффузию Кнудсена, молекулярные ситовые эффекты, парциальную конденсацию, поверхностную адсорбцию и диффузию, растворение-диффузию, облегченный перенос и т.п.
Диффузия Кнудсена может быть рабочим механизмом, когда диаметры пор являются малыми по сравнению со средней длиной свободного пробега газа. Во время течения Кнудсена молекулы газа сталкиваются со стенками пор более часто, чем с другими молекулами газа. В ситуациях, где диффузия Кнудсена является доминирующим механизмом переноса, более легкий газ проникает со скоростью, пропорциональной обратной величине квадратного корня из отношения молекулярных весов газов. Молекулярные ситовые эффекты могут быть доминирующим механизмом для разделения, когда диаметры пор находятся между диаметрами молекул газов, подлежащих разделению. Обращенное селективное газоразделение, в котором более тяжелый газ обогащается относительно уровня, ожидаемого для селективности Кнудсена, может быть достигнуто с использованием механизмов, таких как избирательная адсорбция и поверхностная диффузия, растворение-диффузия, облегченный перенос и т.п. Селективная адсорбция более сильно адсорбируемых молекул на поверхности пор, сопровождаемая поверхностной диффузией адсорбированных молекул через поры, может также облегчить разделение газов. В определенных случаях на газоразделение может влиять парциальная конденсация выбранных молекул газа на поверхности пор и последовательный перенос конденсированных молекул через поры. Дополнительные механизмы разделения включают растворение-диффузию и облегченный перенос. В этих процессах функциональный материал полностью заполняет поры матричного материала. Газовый перенос происходит путем растворения в и диффузии через функциональный материал. При механизме растворения-диффузии газ растворяется непосредственно в функциональном материале. При облегченном механизме переноса функциональный материал содержит "частицы носителя", которые взаимодействуют с газом. Разделение происходит в результате различных скоростей проникновения через функциональный материал.
В вариантах, где функциональный материал 20 является пористым материалом, пористый материал имеет диаметры пор, подходящие для разделения выбранных химических частиц. Как правило, в пористых функциональных материалах желательно узкое распределение пор по размерам, чтобы снизить разброс. Узкое распределение пор по размерам определяют как среднее распределение пор по размерам, которое не изменяется больше чем на приблизительно 100%, когда средний размер пор меньше чем приблизительно 50 нанометров, и среднее распределение пор по размерам, которое не изменяется больше чем на приблизительно 50%, когда средний размер пор больше чем приблизительно 50 нанометров. По механизму молекулярного просеивания молекула газа с меньшим кинетическим диаметром может быть селективно отделена от газов с бóльшими кинетическими диаметрами. Например, CO2 может быть предпочтительно отделен от газов с бóльшими кинетическими диаметрами, такими как O2, N2, CH4 и i-C4H10. В частном случае пористый функциональный материал имеет средний диаметр пор меньше приблизительно 0,5 нанометров. В другом варианте средний диаметр пор меньше приблизительно 0,35 нанометров. Альтернативно, размер пор функционального материала может быть больше кинетического диаметра, но меньше средней длины свободного пробега всех газовых частиц. В этих условиях разделение происходит путем диффузии Кнудсена. Примеры пористых функциональных материалов включают цеолиты и пористые керамики. Специалист в данной области техники может выбрать цеолит на основе его размера пор и критического значения кинетического диаметра газов, подлежащих отделению. Например, для отделения CO2 цеолитом может быть кремнийалюмофосфат SAPO-34 (SixAlyPzO2, мембранная структура шабазита), типа NaY, DDR (Deca-Dodecasil 3R), морденит или MFI (силикалит-1, ZSM-5). Керамическим материалом может быть диоксид кремния, диоксид титана, диоксид циркония, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, или оксид алюминия. Размер пор может быть обусловлен методами синтеза, такими как золь-гель, матричная самосборка, химическое осаждение из паровой фазы или анодирование.
В других вариантах функциональный материал 20 отделяет газы на основании поверхностного селективного потока. Функциональный материал 20 внутри пор 14 матричного материала 16 может обеспечить полную газовую селективность мембраны. Поток через мембранную структуру 12 является следствием суммы вкладов от потока Кнудсена через поры 14 и поверхностного потока адсорбированного газа вдоль пористых стенок. Для тех вариантов осуществления изобретения, где функциональный материал 20 расположен внутри и по меньшей мере частично заполняет поры мембраны, размер пор для потока Кнудсена является эффективным размером пор. Газовая селективность через мембрану определяется относительными вкладами потока Кнудсена и поверхностной диффузии в общий перенос газа. Например, чтобы достигнуть селективности по CO2, желательно, чтобы поверхностная диффузия вносила значительный вклад в общий перенос CO2. Скорость поверхностной диффузии зависит от количества адсорбированного CO2 и его относительной подвижности.
В первом приближении поверхностная диффузионная способность газа на материале может быть оценена из теплоты адсорбции. Так как поверхностная диффузионная способность изменяется по экспоненте с отрицательной теплотой адсорбции, материалы с более низкой теплотой адсорбции проявляют более высокую поверхностную диффузионную способность. Физически это означает, что материалы, пригодные в качестве функциональных материалов, имеют большее сродство к CO2, чем к другим газам в потоке, но сродство к CO2 не является настолько большим, чтобы CO2 связывался с поверхностью и не переносился по каналу поры. Низкая теплота адсорбции соответствует слабосвязанному CO2, что способствует высокой поверхностной диффузионной способности. Соответственно, материалы, подходящие для применения в качестве функционального материала 20, характеризуются высокой поверхностной производной по покрытию (dθ/dp) и низкой теплотой адсорбции (ΔН). Эти свойства могут быть определены из изотерм адсорбции CO2 материалов, и могут быть выбраны соответствующие материалы.
Керамический материал для функционального материала выбирают, частично, в зависимости от химических частиц, подлежащих отделению. Например, для отделения CO2 подходящие керамические материалы включают, но не ограничиваются ими, диоксид кремния, содержащие азот кремнийорганические материалы, оксид магния, оксид кальция, оксид стронция, оксид бария, оксид лантана, оксид церия, диоксид титана, оксид гафния, оксид иттрия, оксид ванадия, оксид ниобия, оксид тантала, ATiО3, AZrО3, AAl2О4, A1FeО3, A1MnО3, A1CoО3, A1NiО3, A2HfО3, A3CeО3, Li2ZrO3, Li2SiO3, Li2TiO3, Li2HfO3, A4N1 yOz, YxN1 yOz, LaxN1 yOz и HfN2 yOz, в которых A означает La, Мg, Ca, Sr или Ba; A1 означает La, Ca, Sr или Ba; A2 означает Ca, Sr или Ba; A3 означает Sr или Ba; A4 означает Мg, Ca, Sr, Ba, Ti или Zr; N1 означает V, Nb, Ta, Cr, Мо, W, Мn, Si или Ge; N2 означает V, Мо, W или Si; x=1 или 2; y=1-3; и z=2-7. В одном варианте керамика содержит материал, выбранный из группы, состоящей из диоксида кремния, содержащего азот кремнийорганического материала, оксида магния, оксида кальция, оксида стронция, оксида бария, оксида лантана, оксида церия, диоксида титана, оксида иттрия, ATiО3, AZrО3, AAl2О4, A1FeО3, A1MnО3, A1CoО3, A1NiО3, A2HfО3, A3CeО3, Li2ZrO3, Li2SiO3 и Li2TiO3, в которых A означает Мg, Ca, Sr или Ba; A1 означает La, Ca, Sr или Ba; A2 означает Ca, Sr или Ba; A3 означает Sr или Ba. В другом варианте керамика содержит материал, выбранный из группы, состоящей из оксида магния, оксида кальция, оксида лантана, оксида иттрия, оксида церия, диоксида титана, AAl2О4, A1FeО3, ATiО3, AZrО3 или их смеси, в которых A означает La, Мg, Ca, Sr или Ba; и A1 означает La, Ca, Sr или Ba. В типичном варианте керамика содержит материал, выбранный из группы, состоящей из титаната бария, цирконата бария и феррата лантана. Эти оксиды проявляют существенно высокую подвижность поверхностной диффузии CO2 и, следовательно, могут обеспечить желательную высокую проницаемость.
В определенных вариантах пористый функциональный материал 20 может быть дополнительно функционализирован некоторыми подходящими функциональными группами. Например, аминогруппы могут быть распределены на стенках пор путем включения соединения с аминогруппами в раствор предшественника золь-геля. Используя мезопористый диоксид кремния, функционализированный амином, может быть достигнута селективность CO2/N2 столь высокая, как 800 при 100°C. Включением пористых функциональных керамик, модифицированных амином, в высокотеплопроводные носители может быть достигнуто понижение потока через мембрану относительно мезопористой мембраны, полученной на керамическом носителе. Селективность сохраняется, а теплопроводность может быть улучшена.
В определенных вариантах функциональный материал 20 может содержать полимер. Примеры подходящих полимеров включают, но не ограничиваются ими, полимеризованные ионные жидкости, тетрафторборат поли(винил)бензиламмония, полинорборнен, полимеры, производные полинорборнена, полимеры, производные полиацетилена, и их различные комбинации. В частном варианте полимер содержит полимер, производный полинорборнена. Мембраны, основанные на полинорборнене или другом высокотемпературном селективном (CO2/О2) полимере внутри теплопроводных металлических носителей, были бы ценными в системах рекуперации теплоты и парообразования (heat recover steam generation (HRSG) system). Такая мембрана проявляет высокую теплопроводность, селективную проницаемость CO2 относительно О2 при температурах приблизительно 100-200°C и противостоит гидротермальному разложению в присутствии пара. Теплопроводность полимерных мембран обычно является низкой, в интервале от 0,1 до 1 Вт/м/К. Путем размещения полимера в порах теплопроводящего носителя теплопроводность мембранной структуры может оставаться низкой при сохранении селективности газоразделения полимера.
Показано, что полимеризованные ионные жидкости пригодны в различных приложениях газоразделения. Однако многие из полимеризованных ионных жидких мембран имеют низкие значения теплопроводности. Мембранные структуры, описанные здесь, преодолевают это ограничение путем размещения ионной жидкости в порах теплопроводящего носителя. Это предоставляет преимущество в отношении теплопроводности при сохранении селективности газоразделения полимеризованной ионной жидкости.
В определенных вариантах осуществления изобретения функциональный материал 20 содержит ионогель. Материалы включают ионную жидкость, внедренную в керамический гель. Показано, что многие ионные жидкости пригодны для разделения разных газов (см., например, патент США № 6579343). Однако мембраны, содержащие ионные жидкости, диспергированные в пористой матрице, имеют проблемы со стабильностью. Локализация ионной жидкости в керамическом геле создает промежуточное состояние между жидкостью и твердым телом, которое обладает преимуществом в отношении стабильности. Может быть использована любая подходящая ионная жидкость. В частном варианте осуществления изобретения гель включает силикагель. Теплопроводность силикагелей и ионных жидкостей находится обычно в интервале от приблизительно 0,1 Вт/м/К до приблизительно 1 Вт/м/К. Мембранные структуры, описанные в данном документе, преодолевают ограничения в стабильности и теплопроводности за счет локализации ионогеля в порах теплопроводящего носителя. При определенных условиях мембранная структура обладает преимуществом в отношении теплопроводности, а ионогель имеет улучшенную стабильность при сохранении селективности газоразделения ионной жидкости.
Функциональный материал 20 может быть размещен в порах 14 пористой матрицы любым известным в уровне техники способом. Примеры подходящих способов включают, но не ограничиваются ими, тепловое испарение, испарение электронным лучом, осаждение при распылении, центробежное литье, инжекцию, покрытие распылением, поверхностный темплатный (с использованием матрицы) золь-гель способ, пропитку под давлением, электроосаждение и капиллярное наполнение функционального материала. Конкретный используемый способ зависит от функционального материала, подлежащего нанесению, стоимости и различных других критериев. Чтобы лучше всего показать рабочие характеристики газоразделения функционального материала 20, в целом желательно образование отложения, которое герметизирует пористую матрицу, не оставляя никаких промежутков между отложенным функциональным материалом 20 и матрицей. То есть отложенный функциональный материал занимает пористость матрицы таким образом, что движение жидкости от одной поверхности 18 мембранной структуры 12 к другой поверхности 19 происходит только через функциональный материал 20. Функциональный материал 20 не должен полностью заполнять всю пористость пористой матрицы. Преимущество низкого, но герметичного, фактора заполнения в том, что он увеличивает поток через мембрану относительно мембранной структуры с высоким фактором заполнения.
В типичном варианте осуществления изобретения функциональный материал 20 промотирует селективный перенос CO2 через мембранную структуру 12 от первой поверхности 18 ко второй поверхности 19. В частном варианте осуществления изобретения функциональный материал 20 промотирует селективный перенос CO2 из смеси газов. В одном варианте осуществления изобретения функциональный материал 20 промотирует селективный перенос CO2 от H2 в потоке топливного газа. В одном варианте осуществления функциональный материал 20 промотирует селективный перенос CO2 от N2 в потоке выхлопного газа. С помощью устройства можно получить очищенный CO2 (отделенный от других газов), газовую смесь или жидкость, обогащенную CO2 (например, CO2 в инертном газе или воде), или CO2 для дальнейшей реакции.
Обычно мембранная структура 12 настолько тонка, насколько возможно, чтобы усилить теплопередачу через мембранную структуру 12 и проникновение выбранных частиц; и достаточно толста, чтобы поддержать механическую стабильность во время работы устройства. Например, мембранная структура 12 имеет толщину от приблизительно 50 микрометров до приблизительно 10 миллиметров. Мембранная структура 12 имеет толщину от приблизительно 250 микрометров до приблизительно 5 миллиметров. Обычно толщина мембранной структуры 12 зависит от конкретного материала мембранной структуры 12 и способа изготовления. Толщина также зависит от размера пор 14, например, мембранные структуры с более высокой пористостью могут требовать большей толщины по сравнению с мембранными структурами с более низкой пористостью. Толщина слоя функционального материала, расположенного внутри пор, предпочтительно настолько тонка, насколько возможно, чтобы увеличить проникновение газа, но также достаточно толста, чтобы обеспечить механически прочную мембранную структуру. Например, толщина слоя функционального материала составляет от приблизительно 10 нанометров до приблизительно 10 микрон. В других вариантах осуществления изобретения толщина составляет от приблизительно 50 нанометров до приблизительно 500 нанометров.
Материалы, применяемые для изготовления устройства, облегчают работу устройства при высоких температурах. В частном варианте устройство 10 функционирует при температуре более чем приблизительно 200°C. В другом варианте устройство 10 функционирует при температуре более чем приблизительно 300°C. В другом варианте устройство 10 функционирует при температуре более чем приблизительно 400°C. Как известно в уровне техники, диффузия Кнудсена, избирательная адсорбция, поверхностная диффузия и разные другие механизмы зависят от температуры и перепада давления через поры. Соответственно, свойства мембранной структуры, такие как применяемый функциональный материал и размер пор, оптимизируют, частично, исходя из рабочих условий устройства.
Мембранная структура 12 может иметь любую форму или размер в зависимости от конструкции устройства. Например, мембранная структура 12 может быть в форме плоской пластины, диска, тарелки, совершающей маятниковые движения, или трубы.
Преимущества мембранных структур, раскрытых здесь, могут быть оценены, если сравнить теплопроводность такой мембранной структуры (здесь названной "композитная мембранная структура") с обычной многослойной мембранной структурой. Например, (а) композитная мембранная структура 30 с мезопористым диоксидом кремния 32, размещенным в пористой матрице нержавеющей стали (здесь названной "носителем") 34, и (b) многослойная мембранная структура 36, включающая слой 38 мезопористого диоксида кремния, расположенный на пористом носителе 39 из оксида алюминия, показаны на фиг.2. В каждом случае теплопроводность можно понять с точки зрения теплопроводности составляющих слоев, используя эквивалентную тепловую цепь.
Композитная мембранная структура 30 содержит мезопористый диоксид кремния 32, нанесенный внутри пористого металлического носителя 34. Так как пористый металлический носитель 34 придает механическую прочность композитной мембранной структуре 30, мезопористый диоксид кремния 32 требует только герметично наполненной части пористости носителя. Поскольку имеются параллельные пути для теплопередачи, а теплопроводность мезопористого диоксида кремния приблизительно на 2 порядка величины меньше, чем теплопроводность нержавеющей стали, теплопроводность композитной мембранной структуры 30 является теплопроводностью матрицы 34 носителя (кss), определяемой твердой фракцией (1-εss) пористой матрицы 34 носителя. Здесь, εss обозначает фракцию пустот пористой матрицы 34 носителя. Это приближение применяют для предварительно окисленного металлического носителя при условии, что толщина оксидной слоя намного меньше, чем толщина металлического носителя. Подставляя репрезентативные величины для теплопроводности нержавеющей стали (кss ~14 Вт/м/К) и фракции пустот матрицы носителя (εss ~0,3), теплопроводность композитной мембранной структуры 30 будет просто теплопроводностью пористой матрицы носителя, которая составляет приблизительно 10 Вт/м/К.
Многослойная мембранная структура 36 содержит слой 38 мезопористого диоксида кремния, нанесенный на пористый носитель 39. Например, берут пористый алюминийоксидный носитель толщиной 200 микрометров и слой мезопористого диоксида кремния толщиной 1 микрометр. Мембранная структура может содержать много подслоев с постепенно уменьшающимися размерами пор для облегчения образования непрерывного верхнего слоя мезопористого диоксида кремния. Для этого примера допустимо, чтобы все подслои представляли оксид алюминия с теплопроводностью, сопоставимой с половиной теплопроводности плотного оксида алюминия. Эффективная теплопроводность многослойной мембранной структуры 36 задается формулой (1):
Здесь tj и kj относятся к толщине и теплопроводности соответствующих слоев. Подставляя репрезентативные величины для мезопористого диоксида кремния (tSiO2 ~1 микрометр, kSiO2 ~0,1 Вт/м/К) и слоев носителя (tноситель ~200 микрометров, kноситель ~10 Вт/м/К), эффективная теплопроводность составит приблизительно 7 Вт/м/К. Для этих геометрических условий слой мезопористого диоксида кремния снижает эффективную теплопроводность приблизительно на 30% относительно пустой (непокрытой) матрицы носителя или композитной мембранной структуры 30, в которой мезопористый диоксид кремния располагается внутри пор. Поскольку теплопроводность пористого диоксида алюминия сопоставима с теплопроводностью пористого носителя из нержавеющей стали, количественно похожие результаты ожидаются для многослойной мембранной структуры, содержащей носитель из нержавеющей стали.
Чтобы продемонстрировать преимущества мембранной структуры, раскрытой в настоящем описании, относительно многослойной мембранной структуры, эффективные теплопроводности вычисляли в интервале величин для матрицы носителя. Вычисление предполагает 30% фракцию пустот для мембранной структуры. Вычисление также предполагает многослойную мембранную структуру с носителем толщиной 200 микрометров и слой мезопористого диоксида кремния толщиной 1 микрометр, имеющий теплопроводность 0,1 Вт/м/К. На фиг.3 показана эффективная теплопроводность (график 40) и нормализованная теплопроводность (график 42) для этих двух конфигураций. Если теплопроводность пористой матрицы меньше приблизительно 9 Вт/м/К, то многослойная мембранная структура имеет более высокую эффективную теплопроводность (кривая 44). Если теплопроводность матрицы выше 9 Вт/м/К, то композитная мембранная структура сообщает более высокую теплопроводность (кривая 46). Кривая 48 представляет график нормализованной теплопроводности для многослойной мембранной структуры, а кривая 49 представляет график нормализованной теплопроводности для композитной мембранной структуры. Например, с носителем из пористого сплава никеля (kноситель ~40-70 Вт/м/К), кэфф. ~30-50 Вт/м/К для композитной мембранной структуры по сравнению с кэфф. ~15 Вт/м/К для многослойной конфигурации.
В частном варианте осуществления изобретения устройство включает металлическую мембранную структуру, содержащую множество пор для осуществления переноса массы от первой поверхности мембранной структуры ко второй поверхности мембранной структуры; и функциональный материал, расположенный внутри по меньшей мере части множества пор. Функциональный материал обладает свойством промотировать селективный перенос CO2 через мембранную структуру от первой поверхности ко второй поверхности. Металл материала матрицы, размеры пор, толщина мембранной структуры и функциональный материал могут быть выбраны на основе рабочих условий устройства, как обсуждено подробно выше. Варианты осуществления настоящего изобретения существенно отличаются от традиционно известных в уровне техники. Известны сообщения о мембранных структурах, включающих функциональные материалы, расположенные на пористых слоях металла. Расположение функционального материала на пористых слоях металла резко снижает теплопроводность мембраны, как объяснено выше. Напротив, мембранные структуры согласно вариантам осуществления настоящего изобретения имеют функциональные материалы, размещенные в порах пористых матричных материалов высокой проводимости. Размещение функционального материала в порах матричного материала преимущественно обеспечивает существенно высокую теплопроводность мембраны. Кроме того, в типичной системе газоразделения теплообменник находится отдельно от мембраны газоразделения. Объединение функций газоразделения и теплопереноса единственной мембранной структурой экономит заводское место и капитальные затраты.
Один вариант воплощения по изобретению включает систему газоразделения. Типичная система 50 газоразделения включает теплообменник 52, сепаратор 54 и конденсатор 56, как показано на фиг.4 и фиг.5. Теплообменник 52 включает первый путь 58 потока для направления флюида 60, содержащего частицы, подлежащие отделению, через него и второй путь 62 потока, определяемый по меньшей мере частично сепаратором 54, для направления теплонесущего флюида 64 через него. В одном варианте воплощения изобретения сепаратор 54 включает устройство 10, описанное выше подробно, способное отделять по меньшей мере один компонент от смеси множества химических частиц, как описано выше.
Как описано в указанных вариантах воплощения изобретения, устройство 10 включает мембранную структуру 12, содержащую множество пор 14, расположенных в матричном материале 16, для осуществления массопереноса от первой поверхности 18 мембранной структуры 12 ко второй поверхности 19 мембранной структуры 12. Матричный материал 16 имеет теплопроводность по меньшей мере приблизительно 10 Вт/м/К; а функциональный материал 20 расположен внутри по меньшей мере части множества пор 14. Функциональный материал 20 обладает свойством промотировать селективный перенос по меньшей мере одного вида частиц 22 из смеси газов 24 через мембранную структуру 12 от первой поверхности 18 ко второй поверхности 19. Устройство выполняет двойную функцию теплопередачи и разделения выбранных химических частиц. Мембранная структура 12 содержит матричный материал 16, имеющий существенно высокую теплопроводность, и облегчает теплопередачу, а функциональный материал, расположенный внутри пор, выполняет функцию химического разделения частиц. Матричный материал, размеры пор, толщина мембранной структуры и функциональный материал могут быть выбраны на основе химических частиц, подлежащих отделению, и рабочих условий устройства, как обсуждено подробно выше. В типичном варианте воплощения изобретения устройство 10 включает блок отделения CO2. Хотя варианты воплощения по настоящему изобретению раскрыты для отделения CO2, можно представить себе устройство, модифицированное соответственно для разделения любых специфических газовых частиц, как известно из уровня техники.
Не будучи связанными конкретной теорией, механизмы селективности по CO2 в микропористых и мезопористых материалах включают молекулярное просеивание, поверхностную адсорбцию и диффузию и капиллярную конденсацию. CO2 может быть селективно удален из потока, содержащего другие газовые молекулы с большим кинетическим диаметром, такие как N2, через мембрану с достаточно малыми порами. Материал, который обнаруживает сродство к CO2 относительно других газов в потоке, может проявлять предпочтительную адсорбцию и поверхностную диффузию CO2. Кроме того, присутствие адсорбированных молекул CO2 путем капиллярной конденсации может фактически блокировать пору для более слабо адсорбирующихся газов, тем самым препятствуя их переносу. Свойства эксплуатационных характеристик таких мембран в данном рабочем режиме могут быть улучшены специалистом в данной области путем модификации поверхности, изменения размера пор или композиции мембраны.
Сепаратор 54 физически разделяет первый путь 58 потока и второй путь 62 потока и промотирует теплопередачу и перенос диоксида углерода между ними. Конденсатор 56 находится в потоковом сообщении со вторым путем 62 потока и получает и конденсирует теплонесущий флюид 64, чтобы выделить диоксид углерода 66, содержащийся там.
В одном варианте изобретения флюид, содержащий диоксид углерода 60, является выхлопным газом, например выхлопным газом, имеющим температуру в интервале от приблизительно 200°C до приблизительно 700°C. Высокотемпературный выхлопной газ 60 направляют в теплообменник 52 по первому пути 58 потока. По меньшей мере часть второго пути 62 потока определяется сепаратором 54. Например, в одном варианте изобретения второй путь 62 потока определяется трубопроводом или трубами, и участок этого трубопровода или труб подвергают действию высокотемпературного выхлопного газа 60 (то есть сепаратор 54) и выполняют из материала с селективной проницаемостью для диоксида углерода. Сепаратор 54 составляет целое с системой 10 отделения диоксида углерода, чтобы находиться в зависимости по теплопереносу и переносу диоксида углерода с первым путем 58 потока. Поскольку сепаратор 54 подвергают действию высокотемпературного выхлопного газа 60, по меньшей мере часть диоксида углерода, содержащаяся в выхлопном газе 60, переносится через сепаратор 54 к теплонесущему флюиду 64, содержащемуся во втором пути 62 потока. Дополнительно, теплонесущий флюид 64 получает тепло от выхлопного газа и, в свою очередь, подвергается фазовому переходу в газовую фазу.
Газофазный теплонесущий флюид 64, содержащий диоксид углерода, направляют в конденсатор 56, где теплонесущий флюид 64 конденсируется обратно в жидкую фазу, а диоксид углерода 66 выделяют в газообразной форме в конденсаторе 56. Хотя настоящее изобретение обсуждалось в связи с более высокотемпературным выхлопным газом, содержащим диоксид углерода 60, данное изобретение можно использовать с флюидами, содержащими диоксид углерода 60, в широком интервале температур. Эту систему можно использовать для широкого круга систем для любого выхлопного газа, например печного газа, тепловых окислителей, металлообработки или любого другого производственного процесса. Фактически, флюиды, содержащие диоксид углерода 60, могут быть при окружающей температуре с выбранным подходящим, меняющим фазу, теплонесущим флюидом 64, например хладагентом, спиртом, таким как бутан, силиконовым маслом или т.п. Кроме того, хотя настоящее изобретение обсуждается в связи с системами захвата CO2, материал, селективный к другим компонентам в парах выхлопного газа, например, CO, NOx или другим загрязняющим веществам или частицам, может использоваться для захвата других компонентов подобным образом.
Объединенная система 100 цикла захвата CO2 согласно одному варианту изобретения показана на фиг.6. Типичная объединенная система 100 цикла захвата углерода включает систему 102 генерации электричества, например газовую турбину, для получения электричества 103 и высокотемпературного выхлопного газа 104. Выхлопной газ 104 обычно имеет температуру от приблизительно 500°C до приблизительно 700°C. Высокотемпературный выхлопной газ 104 направляют в парогенератор 106 с регенерацией тепла (heat recovery steam generator, HRSG). Парогенератор 106 содержит по меньшей мере одну цепь 108 охлаждения. Охлаждающую жидкость 110 направляют насосом 114 через цепь 108 охлаждения и, по мере того как охлаждающая жидкость 110 циркулирует через цепь 108 охлаждения, теплота отводится от высокотемпературного выхлопного газа 104, а охлаждающая жидкость 110 подвергается фазовому переходу с образованием парофазного выхлопа 112, который направляют в систему паровой турбины 116, чтобы генерировать дополнительное электричество 117. Высокотемпературный выхлопной газ 104 охлаждают до температуры от приблизительно 250°C до приблизительно 350°C перед выпуском из парогенератора 106 в качестве выхлопного газа с пониженной температурой 118.
По меньшей мере участок по меньшей мере одной охлаждающей цепи 108 представляет собой цепь 120 экстракции диоксида углерода. Цепь 120 экстракции диоксида углерода сделана из материала с селективной проницаемостью для диоксида углерода. По мере того как высокотемпературный выхлопной газ 104 движется через парогенератор 106 и контактирует с цепью 120 экстракции диоксида углерода, диоксид углерода 122 переносится через цепь 120 экстракции диоксида углерода в охлаждающую жидкость 110 или пар 112, который циркулирует через охлаждающую цепь и направляется в систему 116 паровой турбины наряду с паром 112. В одном варианте изобретения цепь 120 экстракции диоксида углерода включает устройство 10, описанное выше подробно, способное к отделению CO2 от смеси множества химических частиц, как описано выше. Смешанный поток пара 112 и CO2 122 направляют к системе 116 паровой турбины, чтобы генерировать электричество. Содержание CO2 122 внутри системы 116 паровой турбины может привести к улучшению полной работы, производимой системой. Поток, выходящий из системы 116 паровой турбины, направляют в конденсатор 124, где пар 112 конденсируется обратно в воду 110, которая затем обычно направляется обратно в парогенератор 106. CO2 122 выделяют в конденсаторе 124 и отводят по пути 126 для захвата, хранения или иного использования.
В одном варианте изобретения часть 128 выхлопного газа 118 пониженной температуры рециркулируют обратно в систему 102 генерации электричества для увеличения полного содержания CO2 в выхлопном газе 104, чтобы улучшить эффективность экстракции системы 100. Идеально содержание CO2 в выхлопном газе 104 должно быть в интервале от приблизительно 10 об.% до приблизительно 15 об.% для улучшения эффективности экстракции в цепи 120 экстракции диоксида углерода. Для достижения этих уровней CO2 применяют такие технологии, как рециркуляция выхлопного газа.
Способная к модификации система 200 захвата углерода согласно одному варианту изобретения показана на фиг.7. Способная к модификации система 200 захвата углерода включает систему 102 генерации электричества, например газовую турбину для получения электричества 103, и высокотемпературный выхлопной газ 104. Выхлопной газ 104 обычно имеет температуру от приблизительно 500°C до приблизительно 700°C. Высокотемпературный выхлопной газ 104 направляют в парогенератор 106. Парогенератор 106 содержит по меньшей мере одну цепь 108 охлаждения. Охлаждающую жидкость 110 направляют насосом 114 через цепь 108 охлаждения, и, по мере того как охлаждающая жидкость 110 циркулирует в цепи 108 охлаждения, теплота отбирается от высокотемпературного выхлопного газа 104, а вода 110 подвергается фазовому переходу с образованием парофазного выхлопа 112, который направляют в систему 116 паровой турбины, чтобы генерировать дополнительное электричество 117. Высокотемпературный выхлопной газ 104 охлаждают до температуры от приблизительно 250°C до приблизительно 350°C перед выпуском из парогенератора 106 в качестве выхлопного газа с пониженной температурой 118.
Способная к модификации система 200 захвата углерода дополнительно включает систему 202 экстракции диоксида углерода. Система 202 экстракции диоксида углерода включает цепь 220 экстракции. В одном варианте изобретения цепь 220 экстракции включает устройство 10, описанное выше подробно, способное к отделению CO2 от смеси множества химических частиц, как описано выше, и конденсатор 221. Теплонесущий флюид 224 направляют через цепь 220 экстракции углерода и под воздействием заранее заданной температуры выхлопного газа подвергают фазовому переходу от жидкости до газовой фазы. По мере того как высокотемпературный выхлопной газ 104 движется через парогенератор 106 и контактирует с цепью 220 экстракции диоксида углерода, диоксид углерода 222 переносится через цепь 220 экстракции диоксида углерода в теплонесущий флюид 224, который циркулирует через цепь 220 экстракции. Смешанный поток теплонесущего флюида 224 и CO2 222 направляют в конденсатор 221, где теплонесущий флюид 224 конденсируется обратно в жидкую фазу. CO2 222 выделяют в конденсаторе 221 и отводят по пути 226 для захвата, хранения или иного использования.
Способная к модификации система 200 захвата углерода также имеет значительное преимущество в том, что она может быть встроена в любую установленную систему для немедленного использования и захвата углерода. Теплонесущий флюид 224 выбирают в расчете на температуры, которым подвергается цепь 220 экстракции.
В то время как предшествующие варианты изобретения относятся к отделению CO2 от газовых смесей, описанный подход пригоден для удаления любых выбранных газовых частиц от других газов. Однако механизм разделения будет отличаться для каждого газа, и, следовательно, соответствующая селективность может быть достигнута путем идентификации соответствующей мембранной структуры.
Примеры
Следующие примеры описывают способ получения мембранных структур.
Пример 1: Эталонный мезопористый диоксид кремния, размещенный в пористом мембранном носителе из нержавеющей стали
Получали пористый субстрат из нержавеющей стали со средним размером пор 0,2 микрометра. Носитель из нержавеющей стали предварительно окисляли воздухом при 600°C в течение 2 часов перед внедрением предшественника. Окислительная предварительная обработка приводит к образованию тонкого слоя оксида на поверхности металла, которая промотирует адгезию диоксида кремния к пористому металлическому носителю. Нанесение мезопористого диоксида кремния выполняли жидкофазной пропиткой носителя предшественником диоксида кремния с последующей термической обработкой для превращения предшественника в оксид. Чтобы улучшить степень наполнения, применяли несколько циклов пропитки. Раствор предшественника получали смешиванием органического темплатирующего (структурообразующего) агента и предшественника диоксида кремния в кислотной смеси этанола и воды. В этом примере применяли два типичных темплата (шаблона) (Brij 56 и Pluronic F127 (продукты от химической компании BASF)) в качестве темплатирующего средства, тетраэтилортосиликат (TЭOС) в качестве предшественника диоксида кремния и соляную кислоту (HCl) в качестве кислоты. Массовый состав раствора предшественника представлял собой 1 г темплата: 2 г HCl (pH 0,4): 3 г этанола: 2,55 г TЭОС. Носитель полностью погружали в раствор и применяли вакуум, чтобы промотировать пропитку пор носителя. Гель получали в порах носителя путем испарения летучих компонентов раствора предшественника. Мембрану затем нагревали при 550°C на воздухе в течение 2 часов для удаления темплата (шаблона). Поскольку нагревание приводит к частичной усадке наполнителя из диоксида кремния, цикл пропитки повторяли в общей сложности три раза для снижения остаточной пористости мембраны. Данные микроскопического анализа показали, что мезопористый диоксид кремния заполняет более 90% пористости металлического носителя.
В этих мембранах, поскольку газ не проникает через плотный металлический носитель, способность газоразделения мембраны определяется характеристиками газоразделения нанесенного мезопористого диоксида кремния. Для мембран, в которых мезопористый диоксид кремния герметично заполняет площадь поперечного сечения пор металлического носителя, единственный вклад в поток происходит от мезопористого диоксида кремния. В этих случаях селективность и поток через мембрану определяется селективностью мезопористого диоксида кремния и потока через мезопористый диоксид кремния, определяемой степенью заполнения пористого металлического носителя.
Мембраны мезопористого диоксида кремния, темплатированного F127, полученные способом, описанным в этом примере, демонстрируют режим газоразделения, определяемый механизмом диффузии Кнудсена. Альтернативно, мембрана, полученная с применением Brij 56 в качестве темплата (шаблона), показала "обратную селективность". В случае мембраны, полученной по методике данного примера, CO2 предпочтительно проникает вследствие благоприятного взаимодействиям между молекулой CO2 и поверхностью пор. Селективность CO2/He=2 была измерена для мезопористого диоксида кремния, полученного с использованием темплата (шаблона) Brij 56 по методике, описанной выше.
Пример 2: Полинорборнен в пористом мембранном носителе из нержавеющей стали
Полинорборнен размещали в пористом носителе. Использовали несколько стадий пропитки, чтобы гарантировать герметичное нанесение.
Преимущество изобретения в отношении теплопроводности видно из сравнения теплопроводности мембранной структуры, содержащей полинорборнен в пористом носителе из сплава никеля, с автономной полимерной мембраной. Так как пористый металлический носитель придает механическую прочность мембранной структуре, полинорборнен должен только герметично заполнять часть пористости носителя. Поскольку имеются параллельные пути для теплопереноса, а теплопроводность полинорборнена по меньшей мере на 2 порядка величины меньше, чем сплавов никеля (k ~40-70 Вт/м/К), теплопроводность мембранной структуры была теплопроводностью носителя, kNi, определяемой твердой фракцией 1-εss носителя. Это приближение применяют для предварительно окисленных металлических носителей при условии, что толщина слоя оксида намного меньше толщины металлического носителя. Подставляя репрезентативные величины для теплопроводности сплава никеля (kNi ~ 40-70 Вт/м/К) и фракции пустот носителя (εss ~0,3), теплопроводность мембраны будет просто теплопроводностью пористого носителя, которая составляет приблизительно 30-50 Вт/м/К.
Так как газ не проникает через плотный металлический носитель, газоразделительная способность мембраны определяется газоразделительными характеристиками полимера. Для мембран, в которых полинорборнен полностью заполняет поры металлического носителя, вклад в поток имеет место только через полинорборнен. В этих случаях селективность мембраны определяется селективностью полинорборнена, поток был потоком через полинорборнен, определяемым фракцией пустот пористого носителя, а теплопроводность определялась теплопроводностью пористого носителя из нержавеющей стали.
Пример 3: Полимеризованная ионная жидкость (тетрафторборат поли(винил)бензилтриметиламмония), p[VBTMA] [BF4]) в пористом мембранном носителе из нержавеющей стали
В этом примере описана мембрана, содержащая полимеризованные ионные жидкости в порах пористого металлического носителя. Нанесение выполняли путем пропитки пористого носителя раствором мономера с последующей полимеризацией на месте. Металлическую мембрану необязательно предварительно окисляли и обрабатывали молекулой силанового линкера, чтобы сделать возможным ковалентное связывание полимеризованной ионной жидкости с пористым металлическим носителем.
Мембрану в этом примере получали, добавляя 2 г мономера тетрафторбората п-винил-бензилтриметиламмония, 20 мг 2,2'-азобисизобутиронитрила (AIBN), 4 мл N,N-диметилформамида (ДМФА) и пористую мембрану из нержавеющей стали, обработанную 3-(триметилсилил)пропилметакрилатом, в реакционную трубку. Трубку герметизировали, дегазировали под азотом и погружали в масляную баню при 60°C на 6 часов. Мембрану затем извлекали и сушили в вакууме при 60°C. Мономер получали добавлением 0,12 моль п-винил-бензилтриметиламмонийхлорида, 0,132 моль NaBF4 и 150 мл ацетонитрила в круглодонную колбу на 500 мл. Эту смесь перемешивали в течение ночи для растворения соли и образования осадка. Фильтрат концентрировали и выливали в эфир для осаждения мономера.
Мембрану, функционализированную метакрилатом, получали функционализацией 3-(триметилсилил)пропилметакрилатом. Перед фунционализацией пористую мембрану из нержавеющей стали нагревали на воздухе при 600°C в течение 2 часов, охлаждали до комнатной температуры и пропитывали перекисью водорода (30%) при комнатной температуре в течение 1 ч, а затем сушили в вакууме в течение 3 ч. Мембрану затем погружали в 115 мМ раствор 3-(триметилсилил)пропилметакрилата (1 мл) в сухом толуоле (40 мл) на 2 дня. Мембрану сушили и затем использовали в синтезе полимеризованной ионной жидкости. Эта процедура ковалентно присоединяет химические группы на поверхности поры и позволяет прямую прививку полимеризованной ионной жидкости к носителю. Такой подход улучшает адгезию между компонентами мембраны.
Преимущество изобретения в отношении теплопроводности видно из сравнения теплопроводности мембранной структуры, содержащей полимеризованную ионную жидкость в пористом носителе из нержавеющей стали, с автономной мембраной с полимеризованной ионной жидкостью. Так как пористый металлический носитель придает механическую прочность мембранной структуре, полимеризованная ионная жидкость требует только части пористости носителя, заполненной герметично. Поскольку имеются параллельные пути для теплопереноса, и теплопроводность полимеризованной ионной жидкости приблизительно на 1-2 порядка величины меньше, чем у нержавеющей стали (k ~14 Вт/м/К), теплопроводность мембранной структуры является теплопроводностью носителя, кss, определяемой твердой фракцией, 1-εss, носителя. Это приближение применяют для предварительно окисленного металлического носителя при условии, что толщина слоя оксида намного меньше, чем толщина металлического носителя. Подставляя репрезентативные величины для теплопроводности нержавеющей стали (кss ~14 Вт/м/К) и фракции пустот носителя (εss ~0,3), теплопроводность мембраны будет просто теплопроводностью пористого носителя - приблизительно 10 Вт/м/К.
Так как газ не проникает через плотный металлический носитель, газоразделительная способность мембраны определяется газоразделительными характеристиками полимеризованной ионной жидкости. Для мембран, в которых полимеризованная ионная жидкость полностью заполняет поры металлического носителя, вклад в поток имеет место только через полимеризованную ионную жидкость. В этих случаях селективность мембраны определяется селективностью полимеризованной ионной жидкости, поток определяется потоком через полимеризованную ионную жидкость, определяемым фракцией пустот пористого носителя, а теплопроводность определяется теплопроводностью пористого носителя.
Пример 4: Ионогель (bmim/BF
4
-диоксид кремния) (где bmim представляет 1-бутил-3-метилимидазол) в пористом мембранном носителе из нержавеющей стали
В этом примере описана ионогелевая мембрана. Мембрану получали путем нанесения ионогеля, содержащего ионную жидкость, совместно синтезированную внутри силикагеля, на пористый носитель из нержавеющей стали. Нанесение выполняли путем жидкофазной пропитки пористого носителя раствором предшественника с последующим желатинированием ионогеля.
Раствор предшественника ионогеля получали смешиванием 1 г тетрафторбората бутилметилимидазолия (bmim/BF4) с 3,2 г муравьиной кислоты в 4 г метанола. При энергичном перемешивании добавляли 1,6 г тетраметилортосиликата (TMOS). После того как раствор предшественника выдерживали в течение заранее заданного промежутка времени (меньше дня), носитель полностью погружали в раствор. После желатинирования раствора предшественника пористый металлический носитель извлекали из геля. По методике, описанной в этом примере, время гелеобразования составляло между 10 и 15 минутами. Мембраны, содержащие ионогели, демонстрируют увеличение массы в предпочтительной адсорбции и десорбции CO2.
Проницаемость мембраны для CO2 оценивали из растворимости и диффузионной способности продукта. Количественный анализ переходной части кривых прироста массы показывает, что диффузионная способность CO2 в ионогеле составляет приблизительно одну треть диффузионной способности в bmim/BF4 и растворимость на порядок величины ниже. Это указывает на то, что проницаемость мембраны приблизительно в 30 раз ниже, чем проницаемость нанесенной мембраны с ионной жидкостью, расположенной на носителе сопоставимой пористости.
Хотя внутренняя проницаемость ионогеля меньше, чем проницаемость ионной жидкости, общее проникновение через мембрану, включающую материал, может быть выше. Эта особенность является результатом механической целостности, обеспечиваемой силикагелем. Сообщается, что для ионогелей модули Юнга составляют 10-100 МПа, а предел прочности 0,1-1 МПа. Так как проникновение (и соответственно поток) через мембрану определяется проницаемостью, деленной на толщину, разности в проницаемости компенсируются понижением в толщине необходимого "отделяющего" слоя. Важно отметить, что обсуждаемая механическая целостность относится к механической целостности, требующейся для предотвращения образования трещин или обходных дефектов в пористом носителе. Общие механические свойства мембраны определяются носителем и могут существенно превышать механические свойства ионогеля.
Преимущество изобретения в отношении теплопроводности видно из сравнения теплопроводности мембранной структуры, содержащей ионогель в пористом носителе из нержавеющей стали, с многослойной мембраной структурой, содержащей автономный ионогель. Так как пористый металлический носитель придает механическую прочность мембранной структуре, ионогель требует только части пористости носителя, заполненной герметично. Поскольку имеются параллельные пути для теплопереноса и теплопроводность ионогеля приблизительно на несколько порядков меньше, чем у нержавеющей стали (k ~14 Вт/м/К), теплопроводность мембранной структуры является теплопроводностью носителя, кss, определяемой твердой фракцией, 1-εss, носителя. Это приближение применяют для предварительно окисленных металлических носителей при условии, что толщина слоя оксида намного меньше, чем толщина металлического носителя. Подставляя репрезентативные величины для теплопроводности нержавеющей стали (кss ~14 Вт/м/К) и фракции пустот носителя (εss ~0,3), теплопроводность мембраны будет просто теплопроводностью пористого носителя - приблизительно 10 Вт/м/К.
Хотя только определенные особенности изобретения были проиллюстрированы и описаны здесь, много модификаций и изменений понятны специалистам в данной области техники. Поэтому следует понимать, что приложенная формула изобретения предназначена охватить все такие модификации и изменения, которые следуют сущности изобретения.
Список элементов
10 устройство;
12 мембранная структура;
14 поры;
16 матрица;
18 первая поверхность;
19 вторая поверхность;
20 функциональный материал;
22 частицы, подлежащие отделению;
24 смесь газов;
26 продувочный газ;
30 композитная мембранная структура;
32 мезопористый диоксид кремния;
34 пористый металл;
36 многослойная мембранная структура;
38 слой мезопористого диоксида кремния;
39 пористый металлический слой;
50 система разделения газов;
52 теплообменник;
54 сепаратор;
56 конденсатор;
58 первый путь потока;
60 частицы, подлежащие отделению;
62 второй путь потока;
64 теплонесущий флюид;
66 СО2;
100 система захвата СО2;
102 система генерирования электричества;
103 электричество;
104 выхлопной газ;
106 парогенератор с рекуперацией тепла;
108 цепь охлаждения;
110 охлаждающая жидкость;
112 парофазный выхлоп;
114 насос;
116 система паровой турбины;
117 электричество;
118 выхлопной газ;
120 система экстракции СО2;
122 СО2;
124 конденсатор;
126 путь;
128 участок выхлопного газа;
200 система захвата углерода, способная модифицироваться;
202 система экстракции диоксида углерода;
220 цепь экстракции;
221 конденсатор;
222 СО2;
224 теплонесущий флюид;
226 путь.
Claims (11)
1. Устройство для отделения по меньшей мере одного компонента от смеси множества химических компонентов, включающее:
мембранную структуру, содержащую множество пор, расположенных внутри матричного материала, для осуществления переноса массы от первой поверхности мембранной структуры ко второй поверхности мембранной структуры, причем матричный материал имеет теплопроводность по меньшей мере приблизительно 10 Вт/м/К; и
функциональный материал, расположенный в по меньшей мере части множества пор, который имеет свойство промотировать селективный перенос по меньшей мере одного компонента через мембранную структуру от первой поверхности ко второй поверхности, где функциональный материал включает керамику, выбранную из группы, состоящей из SiO2, MgO, CaO, SrO, BaO, La2O3, СеО2, TiO2, HfO2, Y2O3, VOz, NbOz, TaOz, ATiO3, AZrO3, AAl2O4, A1FeO3, A1MnO3, A1CoO3, A1NiO3, A2HfO3, Al3CeO3, Li2ZrO3, Li2SiO3, Li2TiO3, Li2HfO3, A4N1 yOz, YxN1 yOz, LaxN1 yOz и HfN2 yOz, в которых А означает La, Мg, Са, Sr или Ва;
А1 означает La, Са, Sr или Ва;
А2 означает Са, Sr или Ва;
А3 означает Sr или Ва;
А4 означает Mg, Са, Sr, Ва, Ti или Zr;
N1 означает V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Mn, Si или Ge;
N2 означает V, Mo, W или Si;
x=1 или 2;
y=1-3; и
z=2-7.
мембранную структуру, содержащую множество пор, расположенных внутри матричного материала, для осуществления переноса массы от первой поверхности мембранной структуры ко второй поверхности мембранной структуры, причем матричный материал имеет теплопроводность по меньшей мере приблизительно 10 Вт/м/К; и
функциональный материал, расположенный в по меньшей мере части множества пор, который имеет свойство промотировать селективный перенос по меньшей мере одного компонента через мембранную структуру от первой поверхности ко второй поверхности, где функциональный материал включает керамику, выбранную из группы, состоящей из SiO2, MgO, CaO, SrO, BaO, La2O3, СеО2, TiO2, HfO2, Y2O3, VOz, NbOz, TaOz, ATiO3, AZrO3, AAl2O4, A1FeO3, A1MnO3, A1CoO3, A1NiO3, A2HfO3, Al3CeO3, Li2ZrO3, Li2SiO3, Li2TiO3, Li2HfO3, A4N1 yOz, YxN1 yOz, LaxN1 yOz и HfN2 yOz, в которых А означает La, Мg, Са, Sr или Ва;
А1 означает La, Са, Sr или Ва;
А2 означает Са, Sr или Ва;
А3 означает Sr или Ва;
А4 означает Mg, Са, Sr, Ва, Ti или Zr;
N1 означает V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Mn, Si или Ge;
N2 означает V, Mo, W или Si;
x=1 или 2;
y=1-3; и
z=2-7.
2. Устройство по п.1, в котором матрица включает материал, выбранный из группы, состоящей из керамики и металла.
3. Устройство по п.2, в котором керамика включает карбид кремния.
4. Устройство по п.2, в котором металл включает материал, выбранный из группы, состоящей из никеля, нержавеющей стали, сплава на основе железа, сплава на основе никеля, NiCrAlY, Монеля, IN600, алюминида никеля, алюминида титана, сплава на основе алюминия и сплава на основе меди.
5. Устройство по п.1, в котором матрица имеет объемную долю пористости более около 5%.
6. Устройство по п.1, в котором функциональный материал включает материал, выбранный из группы, состоящей из керамики, цеолита, полимера, ионной жидкости и ионогеля.
7. Устройство по п.6, в котором цеолит включает материал, выбранный из кремнийалюмофосфатa SAPO-34, типа NaY, Дека-Додекасил 3R, силикалита-1 типа MFI, ZSM-5 и морденита.
8. Устройство по п.6, в котором полимер включает материал, выбранный из группы, состоящей из полимеризованных ионных жидкостей, тетрафторбората поли(винил)бензиламмония, полинорборнена, полимеров, производных полинорборнена, и полимеров, производных полиацетилена.
9. Устройство по п.1, в котором функциональный материал включает пористый наполнитель.
10. Устройство по п.1, в котором функциональный материал промотирует селективный перенос CO2 через мембранную структуру от первой поверхности ко второй поверхности.
11. Устройство по п.1, функционирующее при температуре больше, чем приблизительно 200°С.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US11/608,292 | 2006-12-08 | ||
US11/608,292 US8043418B2 (en) | 2006-12-08 | 2006-12-08 | Gas separator apparatus |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007145490A RU2007145490A (ru) | 2009-06-20 |
RU2446855C2 true RU2446855C2 (ru) | 2012-04-10 |
Family
ID=39276984
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007145490/05A RU2446855C2 (ru) | 2006-12-08 | 2007-12-07 | Газоразделительное устройство |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8043418B2 (ru) |
EP (1) | EP1935476B1 (ru) |
JP (1) | JP5166843B2 (ru) |
CN (1) | CN101254390A (ru) |
RU (1) | RU2446855C2 (ru) |
Families Citing this family (42)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7896949B2 (en) * | 2005-09-28 | 2011-03-01 | General Electric Company | Membranes for separation of carbon dioxide |
WO2008098137A2 (en) * | 2007-02-07 | 2008-08-14 | Zettacore, Inc. | Liquid composite compositions using non-volatile liquids and nanoparticles and uses thereof |
US8900435B2 (en) | 2007-12-19 | 2014-12-02 | Palo Alto Research Center Incorporated | Separating gas using ion exchange |
US7938894B2 (en) * | 2008-02-14 | 2011-05-10 | Conocophillips Company | Hybrid organic-inorganic gas separation membranes |
US7938891B2 (en) | 2008-03-17 | 2011-05-10 | Palo Alto Research Center Incorporated | Using ionic liquids |
FR2929622B1 (fr) * | 2008-04-04 | 2011-03-04 | Eads Europ Aeronautic Defence | Revetements mesostructures comprenant un agent texturant particulier, pour application en aeronautique et aerospatiale |
US7938892B2 (en) | 2008-06-10 | 2011-05-10 | Palo Alto Research Center Incorporated | Producing articles that include ionic liquids |
US7938890B2 (en) | 2008-07-08 | 2011-05-10 | Palo Alto Research Center Incorporated | Separating gas using immobilized buffers |
US20100071559A1 (en) * | 2008-09-19 | 2010-03-25 | Sylvain Miachon | Membranes and devices for gas separation |
EP2210656A1 (en) * | 2009-01-27 | 2010-07-28 | General Electric Company | Hybrid carbon dioxide separation process and system |
CN102348494B (zh) * | 2009-03-16 | 2014-09-17 | 日本碍子株式会社 | 沸石分离膜构件、其制造方法、混合流体的分离方法以及混合流体分离装置 |
EP2445613A1 (en) * | 2009-06-25 | 2012-05-02 | VTU Holding GmbH | Method of use of an ionic liquid and device for sorption of a gas |
US8495882B2 (en) * | 2009-08-10 | 2013-07-30 | General Electric Company | Syngas cleanup section with carbon capture and hydrogen-selective membrane |
WO2011031442A2 (en) | 2009-08-28 | 2011-03-17 | 3M Innovative Properties Company | Polymerizable ionic liquid comprising multifunctional cation and antistatic coatings |
KR20120068009A (ko) | 2009-08-28 | 2012-06-26 | 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 | 중합성 이온성 액체 혼합물을 포함하는 조성물 및 물품, 및 경화 방법 |
EP2515827A2 (en) | 2009-12-22 | 2012-10-31 | 3M Innovative Properties Company | Curable dental compositions and articles comprising polymerizable ionic liquids |
US8069666B1 (en) * | 2010-02-25 | 2011-12-06 | Maxim Silencers, Inc. | System for generating shaft horsepower using waste heat |
KR20110099466A (ko) * | 2010-03-02 | 2011-09-08 | 현대자동차주식회사 | 이산화탄소 흡수제 |
US8568518B2 (en) | 2010-03-04 | 2013-10-29 | Shell Oil Company | Method of making SAPO-34 membranes for use in gas separations |
US20130000484A1 (en) * | 2010-03-04 | 2013-01-03 | Paul Jason Williams | Method of separating gas mixtures |
US8361196B2 (en) * | 2010-04-09 | 2013-01-29 | Inficon Gmbh | Gas-selective membrane and method of its production |
CN102906132B (zh) | 2010-05-18 | 2015-11-25 | 3M创新有限公司 | 包含芳族羧酸根阴离子的可聚合离子液体 |
US8383026B1 (en) * | 2010-10-21 | 2013-02-26 | U.S Department Of Energy | Fabrication of fiber supported ionic liquids and methods of use |
KR101201742B1 (ko) * | 2010-11-05 | 2012-11-15 | 에스비리모티브 주식회사 | 전지 모듈 |
WO2012099913A1 (en) | 2011-01-18 | 2012-07-26 | Cornell University | Metal oxide foam, amine functional solid sorbent, methods and applications |
US8511072B2 (en) * | 2011-03-24 | 2013-08-20 | Ut-Battelle, Llc | Reclamation of potable water from mixed gas streams |
JP2012236134A (ja) * | 2011-05-11 | 2012-12-06 | Hitachi Zosen Corp | 二酸化炭素分離システム |
JP5759786B2 (ja) * | 2011-05-16 | 2015-08-05 | 日立造船株式会社 | 二酸化炭素選択的透過複合型ゼオライト分離膜、その製造方法、および二酸化炭素選択的透過分離膜エレメント |
WO2014007140A1 (ja) * | 2012-07-03 | 2014-01-09 | 石油資源開発株式会社 | ヘリウムガス分離材及びその製造方法 |
JP6178735B2 (ja) * | 2014-02-10 | 2017-08-09 | 日本碍子株式会社 | 熱・音波変換部品、熱・音波変換器、及び熱・音波変換部品の製造方法 |
RU2596257C1 (ru) * | 2015-04-29 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Способ фракционирования смесей низкомолекулярных углеводородов с использованием капиллярной конденсации на микропористых мембранах |
US9896527B2 (en) | 2016-03-01 | 2018-02-20 | Saudi Arabian Oil Company | Highly selective polynorbornene homopolymer membranes for natural gas upgrading |
WO2017150721A1 (ja) * | 2016-03-04 | 2017-09-08 | 旭化成株式会社 | ガス分離用モジュールおよびガス分離方法 |
JP6957839B2 (ja) * | 2016-06-22 | 2021-11-02 | 株式会社豊田中央研究所 | 多孔質膜及び気体分離装置 |
US10053634B2 (en) * | 2016-06-30 | 2018-08-21 | Ecokap Technologies Llc | Nitrogen extraction from a gaseous carbon dioxide reactant stream |
CN107159286A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-09-15 | 深圳大学 | 一种Ti3C2/TiO2二维材料的制备方法 |
US11491447B2 (en) | 2017-05-18 | 2022-11-08 | Daicel Corporation | Ionic liquid-containing laminate and method for producing same |
CN110662597B (zh) * | 2017-05-18 | 2022-08-30 | 株式会社大赛璐 | 二氧化碳分离膜及其制造方法 |
WO2018237336A1 (en) | 2017-06-23 | 2018-12-27 | Lawrence Livermore National Security, Llc | POROUS CERAMIC STRUCTURE AND SORBENT SOLUTION FOR CAPTURE OF CARBON DIOXIDE |
US11548784B1 (en) | 2021-10-26 | 2023-01-10 | Saudi Arabian Oil Company | Treating sulfur dioxide containing stream by acid aqueous absorption |
US11926799B2 (en) | 2021-12-14 | 2024-03-12 | Saudi Arabian Oil Company | 2-iso-alkyl-2-(4-hydroxyphenyl)propane derivatives used as emulsion breakers for crude oil |
US11759766B1 (en) | 2022-08-26 | 2023-09-19 | Saudi Arabian Oil Company | Reducing sulfur emissions of sulfur recovery plant by a sorption based SO2 selective crosslinked polyionic liquid system |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1274175A1 (ru) * | 1984-05-18 | 1994-10-30 | А.И. Панкратов | Мембранный элемент для газоразделительных аппаратов |
RU2234361C1 (ru) * | 2003-12-11 | 2004-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия | Термоэлектрический мембранный газоразделительный элемент |
US6793711B1 (en) * | 1999-12-07 | 2004-09-21 | Eltron Research, Inc. | Mixed conducting membrane for carbon dioxide separation and partial oxidation reactions |
WO2006105771A1 (de) * | 2005-04-08 | 2006-10-12 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Membran für gasphasenseparation sowie dafür geeignetes herstellungsverfahren |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4617029A (en) * | 1985-03-01 | 1986-10-14 | Air Products And Chemicals, Inc. | Method for gas separation |
FR2658431B1 (fr) * | 1990-02-16 | 1992-04-30 | Ceramiques Tech Soc D | Dispositif a membrane pour filtration, separation ou reaction catalytique. |
NL9201204A (nl) | 1992-07-06 | 1994-02-01 | Stichting Tech Wetenschapp | Membraan. |
CN1059844C (zh) * | 1996-01-10 | 2000-12-27 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 取代聚乙炔气体分离膜的表面氯化-胺化改性方法 |
JP3342294B2 (ja) * | 1996-05-23 | 2002-11-05 | 三菱重工業株式会社 | ゼオライト分離膜の製造方法 |
JP4070244B2 (ja) * | 1996-12-30 | 2008-04-02 | イドロ−ケベック | 表面変性された炭化物質 |
JP2000005579A (ja) * | 1998-06-19 | 2000-01-11 | Kyocera Corp | 二酸化炭素分離膜及びその製造方法 |
US6579343B2 (en) | 2001-03-30 | 2003-06-17 | University Of Notre Dame Du Lac | Purification of gas with liquid ionic compounds |
US6884384B2 (en) * | 2001-09-27 | 2005-04-26 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Method for making a high temperature erosion resistant material containing compacted hollow geometric shapes |
US20050241477A1 (en) | 2002-03-05 | 2005-11-03 | Mundschau Michael V | Hydrogen transport membranes |
US6854602B2 (en) | 2002-06-04 | 2005-02-15 | Conocophillips Company | Hydrogen-selective silica-based membrane |
CA2536148C (en) * | 2003-08-27 | 2009-04-14 | Ngk Insulators, Ltd. | Gas separating body and method for producing same |
US7619129B2 (en) | 2003-12-22 | 2009-11-17 | Shell Oil Company | Process for the separation of olefins and paraffins |
JP2005281103A (ja) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Nippon Oil Corp | 水素の製造法および水素製造システム |
US7282259B2 (en) * | 2004-05-28 | 2007-10-16 | General Electric Company | Ceramic structures and methods of making them |
US20060013759A1 (en) | 2004-07-13 | 2006-01-19 | Conocophillips Company | Systems and methods for hydrogen production |
CA2573685A1 (en) * | 2004-08-03 | 2006-02-16 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Membranes for highly selective separations |
JP4997465B2 (ja) * | 2005-03-31 | 2012-08-08 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | ナノ細孔を用いたイオン性液体の制御方法 |
US7396382B2 (en) | 2005-09-28 | 2008-07-08 | General Electric Company | Functionalized inorganic membranes for gas separation |
US7669719B2 (en) * | 2006-07-05 | 2010-03-02 | General Electric Company | Membrane structure and method of making |
-
2006
- 2006-12-08 US US11/608,292 patent/US8043418B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2007
- 2007-11-28 EP EP20070121742 patent/EP1935476B1/en not_active Expired - Fee Related
- 2007-12-07 CN CNA2007101968700A patent/CN101254390A/zh active Pending
- 2007-12-07 RU RU2007145490/05A patent/RU2446855C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2007-12-07 JP JP2007316482A patent/JP5166843B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1274175A1 (ru) * | 1984-05-18 | 1994-10-30 | А.И. Панкратов | Мембранный элемент для газоразделительных аппаратов |
US6793711B1 (en) * | 1999-12-07 | 2004-09-21 | Eltron Research, Inc. | Mixed conducting membrane for carbon dioxide separation and partial oxidation reactions |
RU2234361C1 (ru) * | 2003-12-11 | 2004-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия | Термоэлектрический мембранный газоразделительный элемент |
WO2006105771A1 (de) * | 2005-04-08 | 2006-10-12 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Membran für gasphasenseparation sowie dafür geeignetes herstellungsverfahren |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US8043418B2 (en) | 2011-10-25 |
US20080134895A1 (en) | 2008-06-12 |
JP5166843B2 (ja) | 2013-03-21 |
EP1935476A1 (en) | 2008-06-25 |
RU2007145490A (ru) | 2009-06-20 |
CN101254390A (zh) | 2008-09-03 |
EP1935476B1 (en) | 2015-05-20 |
JP2008142709A (ja) | 2008-06-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2446855C2 (ru) | Газоразделительное устройство | |
US10179313B2 (en) | Super-surface selective nanomembranes providing simultaneous high permeation flux and high selectivity | |
JP6723265B2 (ja) | 水及びガス分離のための炭素含有膜 | |
Liang et al. | Ultra-thin microporous–mesoporous metal oxide films prepared by molecular layer deposition (MLD) | |
US7396382B2 (en) | Functionalized inorganic membranes for gas separation | |
US8657923B2 (en) | Microporous carbon material, manufacturing method thereof, and hydrogen storage method using microporous carbon material | |
US20100304953A1 (en) | Zeolite Membranes for Separation of Mixtures Containing Water, Alcohols, or Organics | |
WO2000023378A1 (fr) | Film composite de zeolithe et procede de production de celui-ci | |
US20080217247A1 (en) | Method of separatng liquid mixture | |
WO2009107678A1 (ja) | ミクロポーラス炭素系材料、ミクロポーラス炭素系材料の製造方法及びミクロポーラス系炭素材料を用いた水素吸蔵方法 | |
WO2011118469A1 (ja) | 炭素膜及び浸透気化分離方法 | |
Su et al. | Vapor linker exchange of partially amorphous metal–organic framework membranes for ultra‐selective gas separation | |
Fasolin et al. | Single-step process to produce alumina supported hydroxy-sodalite zeolite membranes | |
Su et al. | Distillation of alcohol/water solution in hybrid metal–organic framework hollow fibers | |
CN101316648A (zh) | 用于气体分离的功能化无机膜 | |
Le et al. | Gelless secondary growth of zeolitic aluminophosphate membranes on porous supports with high performance in CO2/CH4 separation | |
AU2005287770B2 (en) | Device for gas separation and method for producing one such device | |
JPH0871384A (ja) | 積層無機分離体 | |
JP4459369B2 (ja) | 多孔質基体、ゼオライト複合膜及びその製造方法 | |
JP4384540B2 (ja) | 水素分離材及びその製造方法 | |
Snider | Inorganic membranes for carbon capture and power generation | |
Zhang et al. | Preparation of Al 2 O 3–ZrO 2–Y 2 O 3 Composite Coatings by a Modified Sol–Gel Technique for Thermal Barrier Application | |
JP5414015B2 (ja) | 多孔質炭素膜およびその製造方法 | |
WO2010070991A1 (ja) | 液体混合物用分離膜、それを用いた液体混合物の組成変化方法、及び液体混合物分離装置 | |
Kim et al. | Hydrogen separation characteristics of SiC nanoporous membrane at high temperature |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201208 |