WO1997027934A1 - Kompositmembran aus einer insbesondere mikroporösen trägermembran - Google Patents

Kompositmembran aus einer insbesondere mikroporösen trägermembran Download PDF

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Detlev Fritsch
Ernst-Moritz Bellingen
Michael Deppe
Michael Schossig-Tiedemann
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Definitions

  • the invention relates to a composite membrane composed of a microporous carrier membrane in particular and a separating layer applied thereon, a process for its production and the use of this composite membrane for separating water vapor from gas mixtures.
  • Absorption processes such as gas drying using glycol scrubbers (TEG, DEG), are used on a large industrial scale to process natural gas.
  • TOG glycol scrubbers
  • DEG glycol scrubbers
  • a disadvantage of this known absorption process is the complex process control, which entails a high level of personnel and high investment costs.
  • corrosion and fouling, especially in the heat exchangers lead to problems when operating these known processes.
  • Glycol also causes losses and the necessary additives, such as defoamers and chemicals for pH adjustment, cause additional costs.
  • adsorbents for example molecular sieves or silica gel
  • the adsorbent is loaded with water in the first step and regenerated in a second, with the help of heat, pressure changes or a dry gas stream.
  • This known method is particularly suitable for drying low-loaded streams. In addition, particularly low residual moisture levels can be achieved.
  • a disadvantage of this known method is the fact that the adsorbent must be regenerated cyclically, so that the process is carried out discontinuously is.
  • this known method for the separation of high water loads is too expensive.
  • Refrigeration dryers are used for the continuous separation of water vapor from gas mixtures.
  • the dew points that can be achieved are approximately 2 ° C. since the cooling coils start to freeze below this temperature.
  • lower dew points can be achieved with two devices connected in parallel, one of which is automatically defrosted.
  • this mode of operation requires a high investment cost and an additional energy requirement. The limits of use of this known method are therefore close to the freezing point.
  • the membrane processes known to date can also be used to dehumidify larger amounts of gas.
  • the membrane separation there are always two outlet streams, namely the purified product stream and the water-laden permeate stream. Depending on the application, these streams can be fed back into the process or else discarded. In any case, a high permeate flow leads to increased operating costs.
  • the object of the present invention is to provide a new membrane which has high separation factors, has good mechanical and chemical stability and can be used to separate water vapor from gas mixtures. This task is solved by teaching the claims.
  • the membrane according to the invention enables the selective separation of water vapor from gas mixtures.
  • the membrane according to the invention thus has a high flux density for water vapor and a very low one Flux density for other gases (e.g. N «, 0«, CO «, CH.). This leads to a particularly high selectivity, which results in only minor product losses.
  • the membrane area required is small or small.
  • the membrane according to the invention can be used, for example, in the drying of natural gas before it is fed into a central pipeline network and in the treatment of compressed air. It can also be used in room air conditioning since the natural composition of the breathing air is not changed.
  • Another application is the dehumidification of inert gases that are used to dry sensitive products. The inert gas consumption can be significantly reduced by a circular performance. This is partly due to the very low selectivity of the membrane according to the invention for oxygen / nitrogen.
  • the mechanical stability of the membrane according to the invention is achieved by the construction as a composite membrane and thus from different materials.
  • the high separation factors and also the flow rate are achieved by the polymers used according to the invention.
  • the polymers used according to the invention which were originally water-soluble and then made water-insoluble, for example by crosslinking with one or more di aldehyde (s), are Cel 1 ul osederi vate.
  • Cel 1 ul oseether in particular hydroxyethyl cellulose and hydroxypropylcel 1 ul ose, are preferably used.
  • a membrane with a selective separation layer based on these cellulose ethers is stable against condensates.
  • the membrane according to the invention can also be easily produced by an immersion process. There is therefore no need for complex interfacial polymerizations, as is the case with the known membranes.
  • the coating of the carrier membrane used can already be formed during the precipitation process of the carrier membrane by adding the membrane polymer into the precipitation bath.
  • the selectivity for the separation of water vapor / gas can be set up to a value of 20,000 as required by the choice of the coating thickness and thus the selective separation layer.
  • the membrane according to the invention is also inexpensive to produce, since commercially available polymers can be used.
  • a microporous PEI (polyetherimide) membrane is coated in an immersion bath.
  • the coating solution consists of 39.66% ethanol, 60% water, 0.24% glutardialdehyde and 0.1% ethyl cell ulose (Tylose 4000).
  • the membrane is dried at a temperature of 70 ° C in an oven and crosslinked.
  • the membrane is provided with a thin silicone layer. This second layer protects the extremely thin ethyl cel 1 ul and closes small pores.
  • a microporous polyetherimide membrane is coated in an immersion bath.
  • the coating solution consists of 37.2% ethanol, 61.9% water, 0.6% GI utardi al dehyd and 0.3% hydroxyethyl cel 1 ulose (Tylose H4000). Otherwise the procedure is as described in Example 1. The following permeabilities were determined for this membrane:
  • a microporous PEI (polyetherimide) membrane is coated in an immersion bath.
  • the coating solution consists of 37.61% ethanol, 62.05% water, 0.24% GI utardi aldehyde and 0.1% hydroxyethyl cell ul ose (Tylose 4000). Otherwise the procedure is as described in Example 1. The following permeabilities were determined for this membrane:
  • a microporous PEI (polyetherimide) membrane is coated in an immersion bath.
  • the coating solution consists of 39.65% ethanol, 60.0% water, 0.25% GI utardi aldehyde and 0.1% hydroxyethyl cel 1 ul ose (Tylose 10000). Otherwise the procedure is as described in Example 1. The following permeabilities were determined for this membrane:
  • PEI polyetherimide

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Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Kompositmembran aus einer insbesondere mikroporösen Trägermembran und einer darauf aufgebrachten Trennschicht bereitgestellt. Die Trennschicht basiert auf mindestens einem ursprünglich wasserlöslichen Cellulosederivat, welches wasserunlöslich gemacht wurde, insbesondere durch Vernetzen mit einem Dialdehyd. Die erfindungsgemäße Kompositmembran kann insbesondere zur Abtrennung von Wasserdampf aus Gasgemischen eingesetzt werden.

Description

Kompositmembran aus einer insbesondere mikroporösen Trägermembran
Beschrei bunq
Die Erfindung betrifft eine Kompositmembran aus einer insbesondere mikroporösen Trägermembran und einer darauf aufgebrachten Trennschicht, ein Verfahren zu deren Herstellung und die Verwendung dieser Kompositmembran zur Abtrennung von Wasserdampf aus Gasgemischen.
Die Abtrennung von Wasserdampf aus Prozeßgasgemischen erfolgt im technischen Maßstab derzeit mit Hilfe von Absorptionsverfahren (z.B. Glykol trocknern) , mit Hilfe von Adsorptionsverfahren (beispielsweise Molekular¬ sieben, aktiviertem Aluminiumoxid oder Silikagel) oder mit Hilfe von Kältetrocknern. Auch werden bereits Membranverfahren zur Gastrocknung eingesetzt. Letztere werden jedoch aufgrund der geringen Flußdichten und der hohen Produktverluste nur bei geringen und mittleren Volumenströmen zur Anwendung gebracht.
Absorptionsverfahren, beispielsweise die Gastrocknung mittels GlykolWäschern (TEG, DEG) , werden großtechnisch zur Aufbereitung von Erdgas eingesetzt. Das beladene
Absorptionsmittel wird in einem zweiten Prozeßschritt regeneriert. Dieses bekannte Verfahren führt zu hohen
Abrei nigungsgraden und wird daher besonders bei der
Trocknung von Erdgasen eingesetzt.
Nachteilig bei diesem bekannten Absorptionsverfahren ist die komplexe Prozeßführung, die einen hohen Personal¬ einsatz sowie große Investitionskosten nach sich zieht. Zudem führen Korrosion und Fouling, insbesondere in den Wärmetauschern, zu Problemen bei Betrieb dieser be¬ kannten Verfahren. Außerdem werden durch Glykol verl uste und die erforderlichen Zusatzstoffe, wie Entschäumer und Chemikalien zur pH-Werteinstellung, zusätzliche Kosten verursacht .
Bei der bekannten Adsorptionstrocknung werden Adsorbenti en , beispielsweise Molekularsiebe oder Sili¬ kagel cyclisch mit Feuchtigkeit be- und entladen. Das Adsorptionsmittel wird dabei im ersten Schritt mit Wasser beladen und in einem zweiten, mit Hilfe von Wärme, Druckwechsel oder einem trockenem Gasstrom regeneriert. Dieses bekannte Verfahren eignet sich be¬ sonders zur Trocknung von gering beladenen Strömen. Zudem lassen sich besonders geringe Restfeuchtegehalte erzi el en .
Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist die Tatsache, daß das Adsorptionsmittel cyclisch regeneriert werden muß, so daß die Prozeßführung diskontinuierlich ist. Außerdem wird dadurch dieses bekannten Verfahren zur Abtrennung von hohen Wasserbeladungen zu aufwendig.
Kältetrockner werden zur kontinuierlichen Abtrennung von Wasserdampf aus Gasgemischen eingesetzt. Die erreich¬ baren Taupunkte liegen dabei bei etwa 2°C, da unterhalb dieser Temperatur eine Vereisung der Kühlschlangen einsetzt. Niedrigere Taupunkte können jedoch mit zwei parallel geschalteten Geräten erreicht werden, von denen jeweils eines automatisch abgetaut wird. Diese Be¬ triebsweise erfordert aber einen hohen Investitions¬ kostenaufwand und einen zusätzlichen Energiebedarf. Die Einsatzgrenzen dieses bekannten Verfahrens liegen also in der Nähe des Gefrierpunktes.
Die bisher bekannten Membranverfahren können im Prinzip auch zur Entfeuchtung von größeren Gasmengen eingesetzt werden. Bei der Membrantrennung entstehen jedoch immer zwei Austrittströme, nämlich der gereinigte Produktstrom und der wasserbel adene Permeatstrom. Je nach Anwen¬ dungsfall können diese Ströme in den Prozeß zurückge¬ führt oder aber auch verworfen werden. In jedem Fall führt ein hoher Permeatstrom zu erhöhten Betriebskosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Membran bereitzustellen, die hohe Trennfaktoren auf¬ weist, über eine gute mechanische und chemische Stabi¬ lität verfügt und zur Abtrennung von Wasserdampf aus Gasgemischen eingesetzt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Lehre der Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Membran ermöglicht die selektive Abtrennung von Wasserdampf aus Gasgemischen. Die erfindungsgemäße Membran verfügt somit über eine hohe Flußdichte für Wasserdampf und über eine sehr geringe Flußdichte für andere Gase (beispielsweise N«, 0«, CO«, CH.). Dies führt zu einer besonders hohen Selektivität, die nur geringe Produktverluste nach sich zieht. Außer¬ dem ist die erforderliche Membranfläche klein bzw. gering. Die erfindungsgemäße Membran kann beispielsweise bei der Trocknung von Erdgas vor der Einspeisung in ein zentrales Leitungsnetz sowie bei der Aufbereitung von Druckluft eingesetzt werden. Sie kann zudem bei der Rauml uftkonditi oni erung Anwendung finden, da die natür¬ liche Zusammensetzung der Atemluft nicht verändert wird. Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht bei der Entfeuchtung von Inertgasen, die zur Trocknung von empfindlichen Produkten Anwendung finden. Durch eine Kre i sl aufführung kann so der Inertgasverbrauch deutlich reduziert werden. Dies beruht teilweise auf der sehr geringen Selektivität der erfindungsgemäßen Membran für Sauerstoff/Stickstoff.
Die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Membran wird durch den Aufbau als Kompositmembran und somit aus unterschiedlichen Materialien erreicht. Die hohen Trennfaktoren und auch die Flußleistung werden durch die erfindungsgemäß zum Einsatz gebrachten Polymere er- rei cht .
Bei den erfindungsgemäß verwendeten Polymeren, die ursprünglich wasserlöslich waren und dann wasserunlöslich gemacht wurden, beispielsweise durch Vernetzung mit einem oder mehreren Di aldehyd(en) , handelt es sich um Cel 1 ul osederi vate . Vorzugsweise setzt man dabei Cel 1 ul oseether, insbesondere Hydroxyethyl cel¬ lulose und Hydroxypropylcel 1 ul ose ein. Eine Membran mit einer selektiven Trennschicht auf Basis dieser Cellu- loseether ist stabil gegen Kondensate. Die erfindungsgemäße Membran kann zudem einfach durch ein Tauchverfahren hergestellt werden. Es sind somit keine aufwendigen Grenzflächenpolymerisationen erfor¬ derlich, wie das bei den bekannten Membranen der Fall ist. Die Beschichtung der zum Einsatz gebrachten Trägermembran kann schon beim Fällprozeß der Trägermem¬ bran durch Zugabe des Membranpolymers in das Fällbad ausgebildet werden. Zudem kann durch die Wahl der Beschi chtungsdi cke und somit der selektiven Trennschicht die Selektivität für die Trennung von Wasserdampf/Gas bis zu einem Wert von 20000 je nach Erfordernis einge¬ stellt werden. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Membran ist zudem kostengünstig, da kommerziell erhält¬ liche Polymere zur Anwendung gebracht werden können.
Die erfindungsgemäße Kompositmembran wird anhand der folgenden, bevorzugte Ausführungsformen beschreibenden Beispielen näher erläutert. Prozentangaben beziehen sich, soweit nichts anderes angegeben ist, auf das Gewi cht .
BEISPIEL 1
Eine mikroporöse PEI ( Polyetherimid)Membran wird in einem Tauchbad beschichtet. Die Beschi chtungsl ösung besteht aus 39,66 % Ethanol, 60 % Wasser, 0,24 % Glutardialdehyd und 0,1 % Ethyl cell ul ose (Tylose 4000). Die Membran wird bei einer Temperatur von 70°C in einem Ofen getrocknet und dabei vernetzt. In einem zweiten Schritt wird die Membran mit einer dünnen Silikonschicht versehen. Diese zweite Schicht schützt die extrem dünne Ethyl cel 1 ul oseschi cht und verschließt kleine Poren.
Folgende Permeabilitäten L wurden für diese Membran bestimmt : LH20 = 45 m3/(m2h bar) LN2 = 0,045 m3/(m2h bar)
Selektivität = 1000
BEISPIEL 2
Eine mikroporöse Polyetherimidmembran wird in einem Tauchbad beschichtet. Die Beschichtungsl ösung besteht aus 37,2 % Ethanol , 61,9 % Wasser, 0,6 % GI utardi al dehyd und 0,3 % Hydroxyethyl cel 1 ulose (Tylose H4000). Anson¬ sten wird wie im Beispiel 1 beschrieben verfahren. Folgende Permeabilitäten wurden für diese Membran bestimmt :
H 20 1 5 m3/ ( m2 h ba r )
UN2 = 0 , 00075 ( πT/πr h bar )
Sei ekti vi tat 20000
BEISPIEL 3
Eine mikroporöse PEI (Polyetherimid) Membran wird in einem Tauchbad beschichtet. Die Beschi chtungsl ösung besteht aus 37,61 % Ethanol, 62,05 % Wasser, 0,24 % GI utardi aldehyd und 0,1 % Hydroxyethyl cell ul ose (Tylose 4000). Ansonsten wird wie in Beispiel 1 beschrieben verfahren. Folgende Permeabilitäten wurden für diese Membran bestimmt:
LH2Q = 30 mV(πrh bar) LN2 = 0,06 m3/(m2h bar) Selektivität = 500 B E I S P I E L 4
Eine mikroporöse PEI (Polyetherimid) Membran wird in einem Tauchbad beschichtet. Die Beschi chtungsl ösung besteht aus 39,65 % Ethanol, 60,0 % Wasser, 0,25 % GI utardi aldehyd und 0,1 % Hydroxyethyl cel 1 ul ose (Tylose 10000). Ansonsten wird wie in Beispiel 1 beschrieben verfahren. Folgende Permeabilitäten wurden für diese Membran bestimmt:
LH20 = 45 m /(m h bar) LN2 = 0,005 m3/(m2h bar) Selektivität = 9000
BEISPIEL 5
Eine mikroporöse PEI (Polyetherimid) Membran wird in einem Tauchbad beschichtet. Die Beschi chtungsl ösung besteht aus 99,7 % Wasser und 0,3 % Hydroxyethyl cel 1 ul o- se (Tylose 100000). Ansonsten wird wie in Beispiel 1 beschrieben verfahren. Folgende Permeabilitäten wurden für diese Membran bestimmt:
LH20 = 30 m3/(m2h bar) LN2 = 0,086 m3/(m2h bar)
Selektivität = 350

Claims

Patentansprüche
1. Kompositmembran aus einer insbesondere mikroporösen Trägermembran und einer darauf aufgebrachten Trenn¬ schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht auf mindestens einem ursprünglich wasserlöslichen, jedoch wasserunlöslich gemachten Cellulosederivat bas iert .
2. Kompositmembran nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß es sich bei dem Cellulosederivat um einen Cell ul oseether, insbesondere um Hydroxyethyl cel 1 ul ose und/oder Hydroxypropyl cel 1 ul ose handelt.
3. Kompositmembran nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Cel 1 ul oseether durch Vernetzen mit mindestens einem Dialdehyd unlöslich gemacht wurde.
4. Kompositmembran nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Trennschicht 0,01 bis 0,5 μm beträgt.
5. Kompositmembran nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Trennschicht derart gewählt ist, daß die Wasser¬ dampf/Gas-Selektivität 100 bis 20000 beträgt.
6. Kompositmembran nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Trägermembran aus Polyetherimid, Polyvi nyl idenf1 uori d oder Polysulfon besteht.
7. Kompositmembran nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Trenn¬ schicht eine zusätzliche Beschichtung aus Polydi methyl sul fon (Silikongummi) aufgetragen ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Kompositmembran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß man eine per se bekannte, insbesondere mikroporöse Trägermembran in einem wasserhaltigen Tauchbad mit einem darin gelösten Cellulosederivat beschichtet und dann die Trennschicht bzw. das Cellulosederivat wasserunlöslich macht, insbesondere durch Vernetzen mit mindestens einem Dialdehyd, sowie gegebenenfalls eine zusätzliche Beschichtung aus Poyl dimethyl sul fon aufbringt.
9. Verwendung einer Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Abtrennung von Wasserdampf aus Gasgemi sehen .
we
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