Stickstoffverbindungen zur Gasodorierung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Mischungen enthaltend Acrylsaurealkylester und/oder Methacrylsäurealkylester und flüssige stickstoffhaltige
Verbindungen zur Odorierung von Erdgas, ein Verfahren zur Odorierung von Erdgas und Erdgas enthaltend diese Mischungen.
Die früher zur öffentlichen Gasversorgung verwendeten Stadt- und Kokereigase enthielten intensiv riechende Komponenten und besaßen deshalb einen starken
Eigengeruch, so dass austretendes Gas leicht wahrgenommen werden konnte.
Unter Gasodorierung versteht man den Zusatz geruchsintensiver, als Warn- oder Alarmstoffe wirkender Substanzen (Odoriermittel), zu ansonsten geruchlosen Gasen.
Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (typische Methangehalte liegen im Bereich 50 bis 99 Gew.-%, meist im Bereich 60 bis 90 Gew.-%) und kann, je nach Herkunft, daneben unterschiedliche Anteile an Ethan, Propan und höhermolekularen Kohlenwasserstoffen enthalten.
Auf Grund seines hohen Reinheitsgrades ist das heute im öffentlichen Netz verwendete, üblicherweise aus Erdgas gewonnene, Gas an sich nahezu geruchslos.
Wenn Leckagen nicht rechtzeitig bemerkt werden, bauen sich schnell explosions- fähige Gas/Luft-Gemische mit hohem Gefahrenpotenzial auf.
Aus Sicherheitsgründen wird Gas deswegen durch Zusatz von geruchsintensiven Stoffen odoriert. So ist in Deutschland beispielsweise vorgeschrieben, dass alle Gase, welche keinen ausreichenden Eigengeruch besitzen und in der öffentlichen Gasver- sorgung verteilt werden, nach dem DVGW-Arbeitsblatt G 280 odoriert werden
(DVGW = Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V.). Diese Odoriermittel
sind auch noch in großer Verdünnung wahrnehmbar und rufen auf Grund ihres außergewöhnlich unangenehmen Geruchs wunschgemäß eine Alarmassoziation beim Menschen hervor. In Deutschland werden zurzeit etwa 90 % des Brauchgases mit Tetrahydrothiophen (THT) odoriert (12 - 25 mg / m3); daneben ist auch noch die Odorierung mit Mercaptanen oder Thioethern üblich.
Es kann sinnvoll sein, dem Gas über einen längeren Zeitraum eine höhere Odoriermittelmenge zuzusetzen. Bei der sogenannten Stoßodorierung wird dem Gas, im Vergleich zur üblichen Odorierung, eine bis zu dreifache Menge an Odoriermittel zugeführt. Die Stoßodorierung wird beispielsweise bei Inbetriebnahme neuer Netze oder Leitungsabschnitte zur schnelleren Erreichung der Mindest-Odoriermittelkon- zentration angewendet oder auch um kleine Undichtigkeiten an der Gasinstallation festzustellen.
THT und Mercaptane sind für eine zuverlässige Odorierung von Gas hervorragend geeignet. Im Zuge eines sensibleren Umgangs mit der Umwelt ist jedoch zu beachten, dass bei der Verbrennung derart odorierter Gase Schwefeloxide als Verbrennungsprodukte anfallen - landesweit einige hundert Tonnen pro Jahr.
Da eine Reduzierung oder Vermeidung von Schwefelverbindungen angestrebt wird, wurden bereits Versuche unternommen, schwefelfreie Odoriermittel zu entwickeln.
In JP-A-55-104393 ist beschrieben, dass Odoriermittel enthaltend ein Alkin und mindestens 2 Verbindungen gewählt aus einer Gruppe, welche aus Methylacrylat, Ethylacrylat, Methymethacrylat, Allylmethacrylat, Ethylpropionat, Methyl-n-butyrat,
Methyl-iso-butyrat und Prenylacrylat besteht, sowie gegebenenfalls tert.-Butyl- mercaptan, zur Odorierung von Brenngasen geeignet sind.
JP-B-51-007481 erwähnt, dass Acrylsaurealkylester wie Methylacrylat, Ethylacrylat und Butylacrylat bekanntermaßen schwache Odoriereigenschaften für Brenngase auf-
weisen und diesbezüglich praktisch keine Bedeutung haben. Das Dokument beschreibt und beansprucht Allylacrylat als wirksame Odorierkomponente.
hl JP-B-51-034841 wurden "Odor-Schwellenwerte" diverser Stoffe ermittelt (Referenz: Pyridin, entsprechend der British Gas Authority), wobei n-Valeriansäure,
Trimethylamin, Ethylacrylat oder auch Methylamin niedrige geruchliche "Odor- Schwellenwerte" aufwiesen. Trotzdem zeigte sich, dass Ethylacrylat oder n-Valerian- säure alleine eingesetzt, auf Grund ihrer geruchlichen Eigenschaften, nicht ausreichend odorierend wirken.' Die optimierte Mischung umfasste Ethylacrylat, n- Valeriansäure und Triethylamin, wobei diese Mischung gleiche Gewichtsteile an n-
Valeriansäure und Triethylamin sowie 30 bis 80 Gew.-% Ethylacrylat enthielt.
In DE-A 19837066 wurde das Problem der schwefelfreien Gasodorierung mittels Mischungen enthaltend mindestens einen Acrylsäure-Cι-C12-alkylester und eine Stickstoffverbindung mit einem Siedepunkt im Bereich 90 bis 210°C und einem
Molekulargewicht von 80 bis 160 gelöst, wobei Mischungen enthaltend mindestens zwei verschiedene Acrylsaurealkylester bevorzugt sind. Als besonders geeignete Stickstoffverbindungen werden alkylsubstituierte 1,4-Pyrazine beschrieben.
Es wurden alternative schwefelfreie Odoriermittel zur Odorierung von Erdgas bzw. hauptsächlich aus Methan bestehenden Brenngasen gesucht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Mischungen enthaltend mindestens einen Acrylsäure-Cι-C6-alkylester oder mindestens einen Meth- acrylsäure-d-Cö-alkylester, mindestens eine flüssige Stickstoffverbindung der
Formel (I) oder (II)
(I) (π) wobei
A Wasserstoff, Methyl oder ein freies Elektronenpaar bedeutet;
B Wasserstoff oder Methyl bedeutet;
E CR4R5 oder CR4 bedeutet;
X CR6 oder N bedeutet;
und das Symbol " " . eine Einfach- oder Doppelbindung bedeutet;
D CR9R10 oder NH bedeutet;
G CR1 !R12 oder NH bedeutet;
y 0 oder 1 ist;
m 0 oder 1 ist;
m + y = 1 oder 2 ist;
R1 bis R12 unabhängig voneinander Wasserstoff, eine Aminomethylgruppe, eine
Acylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomeh, eine Alkoxygruppe mit 1 bis 4
Kohlenstoffatomen oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten;
sowie gegebenenfalls ein Antioxidans, zur Odorierung von Brenngas mit einem Methan- Anteil von mindestens 60 Gew.-%.
Für den Fall, dass in Formel (I) bezüglich N-A das Symbol " "^etsδ Doppelbindung darstellt, so bedeutet A ein freies Elektronenpaar.
Für den Fall, dass in Formel (I) bezüglich N-A das Symbol " ^^ " eine Einfachbindung darstellt, so bedeutet A Wasserstoff oder Methyl, das benachbarte Ringkohlenstoffatom ist dann mit R3 und Wasserstoff substituiert.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Odorierung von Brenngasen mit. einem Methan- Anteil von mindestens 60 Gew.-% mit den erfindungsgemäßen Mischungen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Brenngase mit einem Methan-Anteil von mindestens 60 Gew.-% enthaltend die erfindungsgemäßen Mischungen.
Die erfindungsgemäßen Mischungen (Odoriermittel) sind hervorragende Alternativen zu bekannten schwefelfreien Odoriermitteln. Sie gewährleisten eine rückstandsfreie Verdampfung und Verbrennung des Odoriermittels. Eine Anreicherung oder ein Abscheiden, z.B. durch Auskristallisieren des Odoriermittels bzw. einzelner
Komponenten des Odoriermittels in den Gasleitungen wird vermieden.
Die Acrylsäure-d-Cö-alkylester werden vorteilhaft gewählt aus der Gruppe umfassend Acrylsäuremethylester, Acrylsäureethylester, Acrylsäure-n-propylester, Acrylsäure-iso-propylester, Acrylsäure-n-butylester, Acrylsäure-iso-butylester, Acryl-
säure-tert.-butylester, Acrylsäure-n-pentylester, Acrylsäure-iso-pentylester und Acrylsäure-n-hexylester.
Bevorzugt sind Acrylsäure-Cι-C4-alkylester, insbesondere Acrylsäuremethylester, Acrylsäureethylester, Acrylsäure-n-propylester, Acrylsäure-iso-propylester, Acryl- säure-n-butylester und Acrylsäure-iso-butylester. Ganz besonders bevorzugte Acryl- säure-C1-C4-alkylester sind Acrylsäuremethylester, Acrylsäureethylester und Acryl- säure-n-butylester.
Die Methacrylsäure-Cι-C6-alkylester werden vorteilhaft gewählt aus der Gruppe umfassend Methacrylsäuremethylester, Methacrylsäureethylester, Methacrylsäure-n- propylester, Methacrylsäure-iso-propylester, Methacrylsäure-n-butylester, Meth- acrylsäure-iso-butylester, Methacrylsäure-tert.-butylester, Methacrylsäure-n-pentyl- ester, Methacrylsäure-iso-pentylester und Methacrylsäure-n-hexylester.
Bevorzugt sind Methacrylsäure-Cι-C4-alkylester, insbesondere Methacrylsäuremethylester, Methacrylsäureethylester, Methacrylsäure-n-propylester, Methacrylsäure-iso-propylester, Methacrylsäure-n-butylester und Methacrylsäure-iso-butyl- ester. Ganz besonders bevorzugte Methacrylsäure-C1-C4-alkylester sind Methacryl- säuremethylester und Methacrylsäureethylester.
Bevorzugte Odoriermittel enthalten mindestens 2 oder mindestens 3 Acrylsaurealkylester, mindestens 2 oder mindestens 3 Methacrylsäurealkylester oder mindestens einen Acrylsaurealkylester und mindestens einen Methacrylsäurealkylester.
Besonders bevorzugte Odoriermittel enthalten mindestens 2 oder . mindestens 3 Acrylsaurealkylester. Die Acrylatmischungen enthalten den niedermolekularen Acrylsaurealkylester und den höhermolekularen Acrylsaurealkylester bevorzugt im Gewichtsverhältnis von 9:1 bis 1:9, vorzugsweise von 7:3 bis 3:7.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Odoriermittel nebeneinander mindestens zwei Acrylsäure-Cι-C4-alkylester, ganz bevorzugt Acrylsäuremethyl- und -ethylester.
Die erfindungs gemäß, geeigneten Stickstoffverbindungen der Formel (I) und (II) sind bei 25°C und 1013 mbar flüssig. Diese Flüssigkeiten können auch hochviskos oder ölig sein.
Besonders vorteilhafte Verbindungen der Formel (I) und (11) sind solche, bei denen R1 bis R12 unabhängig voneinander Wasserstoff, eine Alkylgruppe mit 1 bis 3
Kohlenstoffatomen, eine Alkoxygruppe mit 1 oder 2 Kohlenstoffatomen oder eine Acylgruppe mit 2 oder 3 Kohlenstoffatomen bedeutet.
Bevorzugt bedeuten R bis R unabhängig voneinander Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Methoxy oder Acetyl.
Ebenfalls vorteilhaft sind Stickstoffverbindungen der Formeln (I) oder (II), die höchstens 4 Alkylgruppen, bevorzugt höchstens 3 Alkylgruppen, höchstens 2 Acyl- gruppen oder höchstens 2 Alkoxygruppen enthalten.
Bevorzugt sind Verbindungen der Formeln (I).und (H), die unsubstituiert sind bzw. eine, zwei oder drei Alkylgruppen enthalten.
Besonders vorteilhafte Stickstoffverbindungen sind Pyrimidine der Formel (Ia)
wobei
R
1 bis R
4 die oben genannte Bedeutung haben. Bevorzugte Verbindungen sind neben dem unsubstituierten Pyrimidin Verbindungen der Formel (Ia), die höchstens drei Alkylreste aufweisen, von denen bevorzugt mindestens einer eine Methylgruppe ist.
Weitere besonders vorteilhafte Stickstoffverbmdungen sind Pyridine der Formel (Ib)
R1, R2, R3, R4 und R6 die oben genannte Bedeutung haben. Bevorzugte. Verbindungen sind neben dem unsubstituierten Pyridin Verbindungen der Formel (Ib), die höchstens drei Alkylreste bzw. eine Methoxy- oder Acetyl- gruppe und höchstens zwei Alkylreste aufweisen, dabei bevorzugt sind Methylpyridme, Ethylpyridine, Methoxypyridine, Acetylpyridine, Methyl- aminopyridine, Dimethylpyridine und Trimethylpyridine.
Weitere besonders vorteilhafte Stickstoffverbmdungen sind Pyrrole der Formel (Ic)
A, R , R2, R und R die oben genannte Bedeutung haben.
Bevorzugte Verbindungen sind neben dem unsubstituierten Pyrrol Verbindungen der Formel (Ic), die höchstens drei Alkylreste bzw. einen Acylrest und höchstens zwei Alkylreste aufweisen, dabei bevorzugt sind Methylpyrrole.
Vorteilhafte Verbindungen der Formel (11) sind Piperidine der Formel (Ha)
R2, R3, R4, R7, R8, R9, R10 und R1 ] die oben genannte Bedeutung haben.
Bevorzugte Verbindungen sind neben dem unsubstituierten Piperidin Verbindungen der Formel (Ha), die höchstens 3 Alkylreste oder höchstens 2 Alkylreste und 1 Alkoxyrest aufweisen, dabei bevorzugt sind Methylpiperidine, Ethylpiperidine, Methylethylpiperidine, Dimethylpiperidine und Trimethylpiperidine.
Vorteilhafte Verbindungen der Formel (fl) sind Pyrrolidine der Formel (llb)
wobei
B, R
2, R
3, R
4, R
5, R
7, R
8, R
9 und R
10 die oben genannte Bedeutung haben, besonders vorteilhaft sind Verbindungen der Formel (üb), bei denen R
2, R
3, R
4 und R
9 Wasserstoff sind.
Bevorzugte Verbindungen sind neben dem unsubstituierten Pyrrolidin Verbindungen der Formel (üb), die höchstens 3 Alkylreste oder höchstens 2 Alkylreste und 1 Alkoxyrest aufweisen, dabei bevorzugt sind Methylpyrrolidine, Ethylpyrrolidine, Methylethylpyrrolidine, Dimethylpyrrolidine und Trimethylpyrrolidine.
Vorteilhafte Verbindungen der Formel (II) sind Piperazine der Formel (IIc)
R2, R3, R4, R7, R8 und R11 die oben genannte Bedeutung haben, besonders vorteilhaft sind Verbindungen der Formel (IIc), bei denen R2 und R3 Wasserstoff sind.
Bevorzugte Verbindungen sind neben dem unsubstituierten Piperazin Verbindungen der Formel (LTc), die höchstens 3 Alkylreste oder höchstens 2 Alkylreste und 1 Alkoxyrest aufweisen, dabei bevorzugt sind Methylpiperazine, Ethylpiperazine, Methylethylpiperazine, Dimethylpiperazine und Trimethylpiperazine.
Vorteilhafte Verbindungen der Formel (IT) sind Hexahydropyrimidine der Formel
R2, R3, R4, R5, R7, R8, R9 und R10 die oben genannte Bedeutung haben, besonders vorteilhaft sind Verbindungen der Formel (IM), bei denen R2, R3, R4 und R9
Wasserstoff sind.
Bevorzugte Verbindungen sind neben dem unsubstituierten Hexahydropyrimidin Verbindungen der Formel (fl~d), die höchstens 3 Alkylreste oder höchstens 2 Alkyl- reste und 1 Alkoxyrest aufweisen, dabei bevorzugt sind Methylhexahydropyrimidine,
Ethylhexahydropyrimidine, Methylethylhexahydropyrimidine, Dimethylhexahydro- pyrimidine und Trimethylhexahydropyrimidine.
Vorteilhafte Verbindungen der Formel (II) sind Jmidazolidine der Formel (He)
B, R2, R3, R7, R8, R9 und R10 die oben genannte Bedeutung haben, besonders vorteilhaft sind Verbindungen der Formel (Jle), bei denen R2, R3 und R9 Wasserstoff sind.
Bevorzugte Verbindungen sind neben dem unsubstituierten Imidazolidin Verbindungen der Formel (lle), die höchstens drei Alkylreste oder höchstens 2 Alkylreste und 1 Alkoxyrest aufweisen, dabei bevorzugt sind N-Methylimidazolidine,
Methylimidazolidine, Ethylimidazolidine, Methylethylimidazolidine, Dimethyl- imidazolidine und Trimethylimidazolidine.
Die flüssigen Stickstoffverbmdungen der Formeln (I) und (11) können in den erfindungsgemäßen Mischungen in Mengen von 1 bis 100, vorzugsweise 10 bis 100, insbesondere 20 bis 50 Gewichtsteilen pro 1000 Gewichtsteile Acrylsäure-CrCö- alkylester und/oder Methacrylsäure- -Ce-alkylester eingesetzt werden.
Dem erfindungsgemäßen Odoriermittel können beispielsweise zur Stabilitätser- höhung gängige Antioxidantien zugesetzt werden. Beispielhaft sollen genannt werden Vitamin C und Derivate (z.B. Ascorbylpalmitat, Ascorbylacetat), Tocophe- role und Derivate (z.B. Vitamm E, Vitamin E - acetat), Vitamin A und Derivate (Vitamin A - palmitat) phenolische Benzylamine, Ameisensäure, Essigsäure, Benzoesäure, Sorbinsäure, Hexamethylentetramin, tert.-Butylhydroxytoluol, tert.-Bu- tylhydroxyanisol, α-Hydroxysäuren (z.B. Zitronensäure, Milchsäure, Apfelsäure),
Hydrochinonmonomethylether. Bevorzugte Antioxidantien sind tert.-Butylhydroxytoluol (BHT, Jonol), tert.-Butylhydroxyanisol, Hydrochinonmonomethylether und α-Tocopherol. .
Es können einem Odoriermittel auch mehrere Antioxidantien zugesetzt werden.
Vorteilhafterweise enthalten die Odoriermittel ein, zwei oder drei Antioxidantien, bevorzugt sind ein oder zwei Antioxidantien.
Die Antioxidantien werden bevorzugt in Mengen von 0,01 bis 5, insbesondere 0,05 bis 2, speziell 0,1 bis 1 Gewichtsteilen pro 1000 Gewichsteile Acrylsaurealkylester und/oder Methacrylsäureester eingesetzt.
Die Gesamtmenge an Antioxidantien im Odoriermittel liegt üblicherweise im Bereich 0,001 - 1 Gew.-%, bevorzugt im Bereich 0,01 - 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich 0,05 - 0,25 Gew.-%.
Die Menge an Odorier ittel bezogen auf das zu odorierende Gas liegt typischerweise im Bereich 5 - 100 mg/m3, bevorzugt 5 - 50 mg/m3, besonders bevorzugt 10 - 40 mg/m3 und ganz besonders bevorzugt 12 - 30 mg/m3.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung:
Sofern nicht anders angegeben beziehen sich alle Angaben auf das Gewicht.
Verwendete Abkürzungen:
Me-Ac: Methylacrylat; Et-Ac: Ethylacrylat; Bu-Ac: n-Butylacrylat; Me-Me: Methylmethacrylat; Et-Me: Ethylmethacrylat; Bu-Me: n-Butylmethacrylat; BHT: tert.-Butylhydroxytoluol; BHA: tert.-Butylhydroxyanisol; Hydr: Hydrochinon- monomethylether
Beispiel 1
Die erfindungsgemäßen Odoriermittel wurden in Konzentrationen von 10, 25 und 50 mg / m3 Erdgas (Methan-Gehalt: 85 Gew.-%) geruchlich bezüglich ihres Warn- geruchs und ihrer Warnintensität gegen unodoriertes Erdgas (Blindwert) bewertet.
Diese Konzentrationen entsprechen den typischen Konzentrationen an Odoriermittel im Erdgas bei üblichen Bedingungen bzw. bei Stoßodorierierung. Als Referenz diente odoriertes Erdgas, das die gleichen Konzentrationen an THT bzw. an einem Gemisch gemäß JP-B-51-034841 enthielt (60 Gew.-% Ethylacrylat, 20 Gew.-% n- Valeriansäure und 20 Gew.-% Triethylamin).
Die Versuchsdurchführung erfolgte bei Raumtemperatur (etwa 20°C) derart, dass in einen Gasstrom in einem Rohr das Odoriermittel eindosiert wird. Am Ende dieses 2 m langen Rohres (innerhalb des Rohres erfolgt die Homogenisierung) wird das austretende odorierte Gas von einer Gruppe geschulter Prüfer (8 bis 12 Personen) geruchlich bewertet. Die Bewertung erfolgte auf einer Skala von 1 (sehr schwach / sehr wenig warnend) bis 10 (sehr stark / sehr warnend), die angegebenen Werte sind Mittelwerte. Dem Industriestandard THT wurde dabei der Wert 10 gegeben.
Die Ergebnisse waren für die 3 untersuchten Konzentrationen (10, 25 und 50 mg / m3
Gas) weitgehend gleich. Tabelle 1 zeigt Referenzen und erfmdungsgemäße Stickstoffverbmdungen im Vergleich.
Tabelle l:
Beispiel 2
Tabelle 2 zeigt die Bewertungen für Pyridine und Piperidine, die Durchführung erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben.
Tabelle 2:
Beispiel 3
Tabelle 3 zeigt die Bewertungen für Pyrrole und Pyrrolidine, die Durchfülirung erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben.
Tabelle 3:
Beispiel 4
Tabelle 4 zeigt die Bewertungen für Pyrimidine und Piperazine, die Durchführung erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben.
Tabelle 4:
Tabelle 5 zeigt zum Vergleich Bewertungen für stickstoffhaltige Verbindungen, die nicht im Sinne der Erfindung sind, die Durchführung erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben.
Tabelle 5:
Beispiel 6
Tabelle 6 zeigt erfmdungsgemäße Odoriermittel mit Acrylaten enthaltend Antioxidantien.
Tabelle 6:
Beispiel 7
Tabelle 7 zeigt erfmdungsgemäße Odoriermittel mit Methacrylaten enthaltend Antioxidantien.
Tabelle 7:
Beispiel 8
Tabelle 8 zeigt erfindungsgemäße Odoriermittel enthaltend Mischungen von erfindungsgemäßen Stickstoffverbindungen und Antioxidantien.
Tabelle 8:
Beispiel 9
Tabelle 9 zeigt erfmdungsgemäße Odoriermittel mit Acrylaten und Methacrylaten enthaltend 0,1 Gewichtsanteile Antioxidantien (BHT oder BHA).
Tabelle 9: