WO2011161214A1 - Process for removing c2+ hydrocarbons from natural gas or gas which accompanies mineral oil using membranes - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a process for the separation of C 2+ hydrocarbons from natural gas or associated petroleum gas using membranes.
- Natural gas is a mixture of various hydrocarbons (HC) in a clearly fluctuating composition.
- the composition of natural gas and associated gas depends on the geographical location, type and depth of the deposit.
- “wet” natural gases such as associated gas
- the natural gases can still contain very different amounts of nitrogen, carbon dioxide and sulfur, especially in the form of hydrogen sulfide. Natural gas is usually saturated with water during production.
- LTS systems require a sufficient outlet pressure of the gas. Natural gas cools with pressure reduction by approx. 0.4 K per bar (Joule-Thomson effect). This property of the gas is exploited to separate water and higher hydrocarbons. The cooling is greater with the same overpressure, the lower the
- Hydrocarbons obtained from LTS or cold-frac processes are further worked up in rewarding quantities in refineries or at low levels
- Solid adsorbents are also used for hydrocarbon removal and returned to the conditioning cycle after thermal regeneration. Natural gases can be freed of C 5 and C 6 hydrocarbons by adsorption on activated carbon. From associated gas can be condensed by utilizing the condensation behavior by compression to 25 to 30 bar hydrocarbons. However, this method is not sufficient at gas temperatures> 0 ° C, for example to meet the GERG requirements with respect to the HC dew point. Thus, further treatment steps of the gaseous phase (eg deep-freeze condensation) are necessary.
- a further development is the synthesis of crack-free, porous material layers, which can selectively separate C 2+ from the main fraction.
- the separation of C 2+ from the gas mixture takes place on account of the substance-specific adsorption capacity of the porous layer and a physical driving force, such as pressure and concentration differences on both sides of the membrane.
- WO 94/01209 discloses the synthesis of dense ZSM-5 layers and their use in selective adsorption, among others. from hydrocarbons to an applied one
- MFI membranes the separation of natural gas components at 1 to 4 bar and pressure differences up to 3 bar.
- the separation is carried out by the so-called surface diffusion, which has so far deteriorated after increasing the feed pressure and the differential pressures between the feed and permeate.
- the object of the invention is a simple and cost-effective separation of C 2 + liquid-gas components from natural gas and associated gas using porous membranes with concomitant condensation of higher hydrocarbons without exclusive utilization of complex processes, such as cooling and compression.
- Another object is the separation of the C 2+ liquid gas components at realistic pressures occurring in practice of higher than 1 bar, in particular higher than 5 bar.
- Another object is to provide a separation process in which C 2 + gases are liquid as a permeate without additional technical measures.
- the invention is that a starting gas mixture, which may be a natural gas or a Erdölbegleitgas and is referred to herein as "feed gas", at the delivery pressure of these gases, which is in the range of 2 to 500 bar, and adjusting itself after the promotion Temperature, which is in the range of -30 ° C to +60 ° C, is passed over a membrane, wherein the higher hydrocarbons from C 2 pass through the membrane, thereby by concentration below the dew point and condensed in the permeate space are removed Detailed Description of invention
- C 2 + hydrocarbons are separated from a natural gas or associated gas by a feed gas comprising 0.5 to 35 mol% of gaseous C 2 + - hydrocarbons under a pressure of 2 to 500 bar in a temperature range from - 30 ° C to + 60 ° C is passed over a membrane of a porous inorganic material or an organic polymer, wherein the inorganic membrane has pore openings to the permeate side of the membrane from 0.5 to 10 nm or the polymeric membrane has higher selectivities to C 2+ hydrocarbons than to Has methane and the permeating C 2+ gas is condensed within the membrane and permeat mineral and enriched on the permeate side by Stoffmengenerhöhung to at least 1.5 times in relation to the feed side and is condensed by dew point undershooting, and the condensate of C 2+ -Koh- Hydrocarbons at a pressure of 1 to 360 bar in the temperature range of -70 ° C to + 50 ° C de
- the pressure on the feed side is in the range of 2 to 500 bar and corresponds to the delivery pressure of the feed gas.
- An essential feature of the invention is that the extracted natural gas or associated gas does not have to be subjected to additional pressure change steps. Since the extracted gases are produced with different pressure depending on the location and these pressures are regularly in the range of 2 to 500 bar, the feed gas can be passed unchanged at this pressure across the membrane.
- the natural gas treatment is usually pre-stressed to 70 to 80 bar, it is also an advantageous embodiment of the invention to use feed gases in the pressure range from 70 to 80 bar.
- Preferred pressure ranges are therefore 30 to 200 bar, in particular 30 to 85 bar.
- the portion of the gas containing C 2 + hydrocarbons passes through the membrane to the permeate side.
- a pressure of 200 bar is reduced to 70 bar, a pressure of 70 bar to 30 bar or a pressure of 30 bar to 20 bar or a pressure of 20 bar to 1 bar.
- the desired pressure on the permeate side depends inter alia on the course of the phase envelopes (see FIG. 1 a).
- the respective process parameters for different gas mixtures to be worked up are to be predefined.
- the p-T dew point curves can be determined experimentally for individual gas mixtures or are modelable, as shown in Fig. 1 at various gas mixtures.
- a dew point curve is established depending on the methane content.
- the condensation of the C 2+ alkanes can be derived and adjusted on the process side. If, for example, an alkane mixture with 80% methane content at 30 bar and this is passed through a C 2 + -selective membrane, the driving force is a pressure drop to the permeate space to 20 bar, reduced in the permeate space by the separation efficiency of an MFI membrane of methane to 45%. The increase in the amount of C 2+ constituents is thus accompanied by a liquefaction of this fraction. In the permeate space condensed gas can be separated.
- the pressure on the permeate side is 1 to 360 bar, preferably 10 to 70 bar, in particular 30 to 70 bar.
- the proportion of gaseous C 2+ hydrocarbons in the feed gas is according to the proportion of gaseous C 2+ hydrocarbons in the feed gas
- Delivery conditions of various deposits of natural gas or according to the existing Erdölbeleitgas amounts very different and may be in the range of 0.5 to 35 mol%.
- 0.5 to 30 mol% are preferred.
- zugt advantageously 0.5 to 25 mol%, in particular 0.5 to 20 mol%.
- Further preferred ranges are 0.5 to 10 mol%, especially 0.5 to 5 mol%.
- C 2 + hydrocarbons covers C 2 - C 8 hydrocarbons, essentially ethane, propane and n- or iso-butane, with higher hydrocarbons of C 5 to C 8 and also present only in small proportions
- North Sea natural gas contains only about 0.3 to 1.4 mol% higher C 5 - C 8 -KW
- Kazakh natural gas contains about 2.5 mol% thereof
- Kazakh crude oil contains only about 0.8 Mol% C 4 - C 8 - KW.
- the C 2+ hydrocarbons are preferably selected from C 2 -C 5 hydrocarbons.
- these are propane, n-butane, i-butane and mixtures thereof.
- the C 2+ hydrocarbons are enriched in the permeate space and condense after falling below the respective dew point of the individual hydrocarbon.
- the enrichment achieved by the membrane or increase in the amount of material leads, for example, from a gas mixture of 90% methane / 10% butane in the feed to a mixture in the permeate with butane contents of, for example, 40 to 50 mol%. Due to the increased amount of butane in the permeate and a sufficiently high pressure on the permeate side, the permeate precipitates as condensate, since the dew point is exceeded.
- feed side to permeate side of the membrane usually at least 1 bar, advantageously at least 5 bar, in particular at least 10 bar and more.
- the condensate is then withdrawn continuously or discontinuously from the permeate space.
- the enrichment on the permeate side of the membrane corresponds to an increase in the amount of material to at least 1.5 times, preferably 1.5 to 50 times, in particular 3 to 40 times, the amount of substance on the feed side Increasing the proportion of the higher alkane, for example, C 4 in% by volume in the permeate over the original fraction in the feed.
- the transition of one, in this case higher carbon hydrogen, from the gaseous to the liquid state takes place.
- the dew point of hydrocarbons depends on the temperature, pressure, type of hydrocarbon (number of carbon atoms) and the composition of the hydrocarbon mixture. Up to a certain pressure range, increasing the amount of C 2+ -hydrocarbons is necessary with decreasing pressure and at a constant temperature in order to observe a condensation (see FIG. 2). A similar curve results at constant pressure and rising temperature.
- a pressure difference between the feed and permeate space to allow increased flow so that large mass flows can be handled.
- the proportion of the higher hydrocarbon is enriched by adsorption, so that In the permeate space an increase in the proportion of C 2+ hydrocarbons compared to the feed takes place.
- Pressure and concentration ratios are selected in the process so that the dew point curve is exceeded and C 2 + hydrocarbons condense in the permeate space and can be withdrawn as a liquid.
- the separation efficiency is thus increased by a higher feed pressure and a higher
- the pressure difference between the feed side and permeate side is preferably 5 to 60 bar, in particular 10 to 40 bar.
- Feed side of the membrane is the side to which the feed gas is supplied.
- Permeate side of the membrane is the side from which the permeate or condensate is derived.
- the temperature of the feed gas generally corresponds to the conveying temperature and can therefore vary within wide limits, for example between -30 ° C and +60 ° C.
- the temperature on permeate side of the membrane is advantageously in the range of -70 ° C to +50 ° C, with a lower temperature on the permeate side to the Stoffmengenerhöhung additionally contributes by dew point.
- the temperature reduction can be due to the process by relaxation or, taking into account a positive energy balance, by external cooling. Likewise, taking into account a positive energy balance, a pre-compression of the feed stream. However, this is not preferred.
- Uncondensed permeate which mainly contains methane, can be recycled to the feed, optionally after prior densification.
- the process can be conducted so that retentate and gaseous permeate are chemically identical.
- it is possible to remove two different gaseous hydrocarbon mixtures from the permeate or retentate space.
- a further optimization of the method according to the invention can be carried out by a cascade-like succession of different types of membranes and different pressure ratios.
- membranes with different pore openings and / or different zeolites or zeolites and organic membranes are arranged one after the other.
- a further concentration of the C 2+ fraction through a downstream membrane after the permeate space 1 is possible.
- the enrichment of C is achieved by a second downstream stage membrane 2+ fraction to 40.4%, which falls below the dew point condensation takes place.
- the C 6 fraction can be selectively obtained on membrane 1, after which, after further supply of the gaseous permeate stream to a Membrane stage 2 by falling below the dew point of the C 5 fraction, a C 5 6 mixture can be withdrawn liquid.
- a third membrane analogous arrangement C4, 5 , 6 mixtures are obtained, etc.
- the process according to the invention is characterized by the continuous separation of higher hydrocarbons from natural gas and associated gas without the need for energy-intensive expansion and cooling using membrane technology.
- the separation itself takes place on inorganic porous membranes or polymer membranes without the aid of purge gases at elevated, practice-relevant pressure conditions (p> 1 bar) and improved separation performance in comparison to low-pressure applications.
- p> 1 bar practice-relevant pressure conditions
- the method according to the invention it is possible to use smaller natural gas fields, since by means of membrane technology, a flexible, less complicated process technology for removing higher hydrocarbons from the raw gas is available.
- the method can also find the method for removing higher hydrocarbons from the previously unused or hardly used associated petroleum gas, which is usually flared off.
- porous membranes of inorganic materials are particularly advantageous for the process according to the invention. Their special advantages are their high chemical resistance, pressure and pressure swing resistance as well as thermal stability.
- a prerequisite for a selective separation is a uniform pore size of the inorganic membrane material. Based on the applied feed pressure, the pore size of the membrane is determined. If the pore size is not in the molecular size of the components to be separated, at least condensation of the C 2+ fraction must take place in the pores of the membrane.
- membranes of zeolite are suitable, since they have an inherent, defined pore system, but also membranes with narrowly distributed pore sizes based on silica or carbon in the pore size range of 0.5 to 10 nm; preferably 0.5 to 5 nm; especially 0.5 to 2 nm. Another preferred range are 0.5 to 0.8 nm.
- the hydrophobic silicalite or low-aluminum ZSM-5 from the group of MFI zeolites.
- the use of membranes promises in an analogous manner a preferred adsorption of the higher hydrocarbons in the membrane layer, wherein a higher chemical potential on the feed side to the permeate side mass transport of the adsorbed species into the permeate occurs.
- This method can be evaluated as low in energy.
- the permeate defined is the gas flow passing through the membrane.
- the feed is defined as the gas flow to the membrane module input.
- the retentate is defined as the gas flow that does not pass through the membrane to the membrane module outlet.
- Porous inorganic materials based on zeolites do not show the
- the MFI zeolites have inner-crystalline pores or channels in the order of the hydrocarbons to be separated.
- membranes of the invention are preferably used inorganic
- a preferred membrane is thus the above-described membrane according to the invention having pore openings of 0.5 to 0.8 nm.
- porous inorganic membranes having pore sizes of up to 10 nm, in particular 1 to 10 nm, in which pore condensation occurs in the pores are preferred if higher pressures of eg 70 or 50 bar can be reduced to pressures of 30 or 20 bar, depending on the molecular composition.
- the zeolite membranes on porous supports can be prepared in various ways. Common is in situ crystallization directly on the support, or seed-based synthesis for more oriented, uniform growth.
- Seed crystals are usually prepared and deposited separately for this purpose, see DE 10 2004 0001 974 A1 / DE 100 27 685 B4, or a seed layer is produced directly on the support during a separate synthesis step, as described in DE 103 04 322 A1. Subsequently, the formation of a continuous synthesis layer out of a dilute solution, which is mainly to support crystal growth. Both methods are very process-intensive.
- Zeolite layer is deposited, wherein subsequently the closed zeolite layer is formed on / in the surface by hydrothermal synthesis. No details are given on this mesoporous intermediate layer and the hydrothermal synthesis.
- Advantageous membranes of the invention are zeolites of the following types: ZSM-
- Zeolites with pore openings of 0.5 to 0.6 nm, which are particularly suitable for pressures in the range of 1 to 140 bar, are ZSM-5, FAU, MFI, CIT-1, DAF-1 and Stilbit.
- zeolites with pore openings of 0.7 to 0.8 nm such as Beta, Boggsite, EMC-2, STA-1 and Terranovaite and Theta-1 are suitable. These zeolites, which are processed as membranes, are characterized by an increased flow.
- amorphous, inorganic membranes for example based on SiO 2 or carbon, with pore sizes in the range of 0.5 to 10 nm and narrow pore size Size distribution at feed pressures, which lead to the condensation of C 2+ alkanes in the pores of the membranes, also suitable.
- the zeolites are coated on a porous corundum layer, optionally on an intervening porous zeolite support layer, which acts as a seed and growth layer of the zeolite membrane.
- the application of the later microporous zeolite can be performed by / 'ns / iii crystallization or by grinding a microporous similar zeolite to a particle size of less than 1 ⁇ , coating the particles onto the Korundlutimaterial and hydrothermal treatment for adhesion to the dense membrane layer.
- a suitable microporous zeolite layer forms on one side of the membrane.
- the membrane is synthesized on a porous support. It is mainly composite membranes produced on corundum carriers, since they are cheaper to produce and membrane and support are more similar in their chemical composition and their thermal expansion behavior ago. Other carrier materials, such as porous glasses or porous metals, are also suitable.
- Membranes with the required properties are easy to prepare if the synthesis approach is simplified by replacing the difficult-to-produce seed layer by applying a ground slurry of the composition of the later membrane layer.
- an MFI layer applied as a nucleation layer promotes uniform, secondary growth from a synthesis solution.
- This layer also constitutes a barrier layer, as a result of which the synthesis solution does not enter the porous corundum support.
- the material for the mesoporous layer is prepared by milling commercial zeolite material to a fineness ⁇ 1 ⁇ m, preferably ⁇ 500 nm.
- the advantage of ground particles consists in the very good gearing with the macroporous or mesoporous carrier material and in a mechanical stabilization of the membrane.
- the intermediate layer is used to further improve the adhesion and the
- any organic suspension and binder heat treated wherein a temperature below the phase transformation of the silicalite is selected.
- the selected temperature of this temperature treatment is between 400 ° C and 800 ° C, more preferably between 500 and 700 ° C.
- the silicon / aluminum molar ratio of the secondary growth step synthesis solution for the MFI is> 2.5, preferably> 75. Higher proportions of aluminum result in a more hydrophilic behavior and are therefore disadvantageous for the separation of nonpolar mixtures.
- composition of the silicalite synthesis solution may vary depending on
- Synthesis method the reagents used, the physical synthesis parameters and the desired membrane properties with respect to selectivity and flow vary. Synthesis compositions in the range of 100 mol of SiO 2 : 0-35 mol of SDA: 0-50 mol of NaOH: 0-17 mol of Al 2 O 3 and 1 000- 100 000 mol of H 2 O are possible, SDA being used for the structure-directing agents, also called template stands. SDA can be for example
- Synthesis composition especially the template content and water content, optimized
- the pH of the synthesis solution should be adjusted to 10 to 14, preferably between 1100 and 12.5.
- Dispersible Si0 2 , tetraethyl orthosilicate (TEOS) and colloidal Si0 2 such as LUDOX ® or
- the support provided with the mesoporous silicalite layer is prepared prior to the synthesis such that the synthesis solution only comes into contact with the membrane side.
- the outside be sealed with Teflon tape or wax.
- sealing with Teflon caps can prevent access to the interior.
- the goal of the seal is to be one
- the synthesis can be carried out under autogenous pressure, under atmospheric pressure, standing or flowing, for 3 to 120 h.
- the synthesis is carried out under autogenous pressure at temperatures of 140 ° C to 200 ° C and 12 to 72 hours, more preferably between 160 ° C and 180 ° C and 16 to 48 hours.
- the supports with the synthesized membrane are rinsed in deionized water until unreacted synthetic components are removed from the pores.
- deionized water In general, this is the case when the pH of the wash water after repeated changes of the same at a pH of 7.
- the carriers are then gently dried. This can be done under room air conditions or after slow heating in a drying oven at 60 ° C.
- the calcination is carried out at a heating rate of 0.3 to 5.0 K / min, before- at 1, 0 K / min at 400 to 550 ° C for 3 to 24 h, more preferably at 420 to 580 ° C with 5 to 12 h, performed.
- a zeolite membrane thus advantageously consists of the layers macroporous corundum layer, mesoporous zeolite carrier layer, microporous zeolite layer of the same zeolite as in the zeolite carrier layer, the zeolite for the mesoporous zeolite carrier layer ground to a particle size of less than 1 ⁇ and treated hydrothermally is.
- this structure can also be done for a membrane made of Si0 2 - or carbon.
- aluminum-poor zeolites whose Si: Al ratio is between 50 and 700, preferably 150 to 450, in particular> 250.
- Aluminum-free zeolites may also be used as silicalite are used.
- the membranes must not allow any leakage flow and thus allow only adsorptive processes on the surface, whereby the mass transport thus proceeds only through the inter-crystalline pore system.
- a transport between the crystallites of the porous inorganic layer must not take place or only to a very small extent due to the applied pressures.
- Advantageous for the separation process are membranes which allow high permeate fluxes due to their low layer thicknesses.
- the thickness of the separating layer is 5 to 200 ⁇ .
- the thickness of the separating layer is preferably from 10 to 80 .mu.m, more preferably less than 50 .mu.m, more preferably from 10 to 50 .mu.m, more preferably less than 20 .mu.m, in particular from 15 to 30 .mu.m.
- suitable polymer membranes preferably separated by the solution-diffusion mechanism.
- suitable polymer membranes include e.g. rubbery polymers, silicone rubber, polyamides, polyethers, polyamide-polyether block copolymers.
- polymer membranes include poly (4-methyl-2-pentyne) (PMP) or PMP filled with Si0 2 nanoparticles.
- PMP poly(2-methyl-2-pentyne)
- PMP filled with Si0 2 nanoparticles examples include poly(2-methyl-2-pentyne) (PMP) or PMP filled with Si0 2 nanoparticles.
- silicon-containing polymer membranes are those of polyoctylmethylsiloxane (POMS), polytrimethylsilylpropyne (PTMSP), polydimethylsiloxane (PDMS) or polytriisopropylsilylphenylacetylene.
- polymer membranes are not preferred because of their swelling behavior in the presence of higher hydrocarbons and hence decreasing selectivity.
- Fig. 1 a p-T dew point curves for the predetermination of the respective process parameters
- Example A 1 b pT dew point curves in predetermination of the respective process parameters -
- Example B
- Fig. 2 phase behavior as a function of methane content and pressure at
- Fig. 4 is a schematic representation of the layer structure of a membrane
- FIG. 1 a shows p-T dew point curves for predetermining the respective process parameters for the following example A (all percentages are mol%).
- the curves show from left to right the following initial concentrations of methane: 90%, 85%, 80%; 75%, 70%, 63.7%, 61, 7%.
- FIG. 1 b shows p-T dew point curves for the predetermination of the respective process parameters for Example B below (all percentages are mol%).
- the curves show from left to right the following initial concentrations of methane: 90%, 86%, 82%, 78%, 74%, 70%.
- the feed is located on the right side of the curve in the single-phase region (gas region), whereas when passing through this curve, through membrane-mediated reduction of the methane concentration, the permeate is characterized by a two-phase region on the left side of the curve (gas-liquid region).
- this is first to be determined with reference to FIGS. 1 a, 1 b and 2 for each gas mixture present in order to make a suitable statement for a diaphragm-controlled dew point adjustment.
- the gas from FIG. 1 b is cooled from 20 ° C. to -40 ° C. with 70% methane at a constant 10 bar, higher alkanes precipitate. This is not possible for the gas with 90% methane content.
- this phase behavior is relevant to the process for changes in pressure.
- the permeate pressure must be adjusted so that condensation of the higher alkane still occurs, while the membrane enriches the higher alkane in the permeate space in percent. are both parameters set correctly in terms of process engineering, the higher alkane can condense.
- a cascade separation is shown schematically, wherein for further enrichment of the C 2+ fraction, a concentration of C 2+ fraction over the
- Fig. 4 shows the structure of a zeolite separating body as a membrane with the individual layers.
- MFI separation layer 1 top after the composition of 100 moles of Si0 2 : 0, 169 moles Al 2 O 3 : 3.3 moles TPABr: 3.3 moles TPAOH: 3.3 moles Na 2 0: 2000 moles H 2 0 including MF layer 2 of MFI, including a corundum MF layer 3, including the corundum support layer 4.
- MFI separation layer 1 (above) after the composition of 100 moles of SiO 2 : 0, 169 moles of Al 2 O 3 : 0.6 moles of TPABr: 0.0 moles of TPAOH: 3.3 moles of Na 2 O: 2000 moles of H 2 O, below MF layer 2 made of MFI, including corundum MF layer 3, including corundum support layer 4.
- Korundmonokanäle be used with an outer diameter of 10 mm, an inner diameter of 7 mm and a length of 125 mm.
- the carriers also have inside a microfiltration layer of corundum provided by the manufacturer with an average pore width of 200 nm. The ends are sealed with glass solder.
- deionized water as a dispersing agent without any other additives , 80 ⁇ ground.
- the corundum carriers are coated by Schlickergie built. It forms after a lifetime of 5 min under the given conditions, a layer thickness of 25 ⁇ .
- the synthesis solution for forming a closed film on the mesoporous silicalite layer has a composition of 100 moles Si0 2 : 0.169 moles Al 2 O 3 : 3.3 moles TPABr: 3.3 moles TPAOH: 3.3 moles Na 2 O: 2000 moles H 2 0 on. An average layer thickness of 40 to 75 ⁇ m is observed.
- the flow behavior of a membrane after this synthesis is 4.7 ml / min at a pressure difference on the feed and permeate side of 1 bar.
- silicon source Levasil ® 300/30% which contains a small amount of Al 2 0 3 .
- the Si / Al mole ratio was 300.
- TPABr is tetrapropylammonium bromide
- TPAOH is tetrapropylammonium hydroxide.
- the water used is deionized water. Before the synthesis, the carriers are wrapped with Teflon tape.
- the hydrothermal synthesis is carried out in an autoclave at 180 ° C for 24 h. After synthesis, the Teflon tape is removed and the membranes are rinsed in deionized water. After a space drying of 3 days, the calcination is carried out at 450 ° C for 5 h.
- the separating bodies obtained from Example 1 are characterized by their asymmetric structure.
- a layered structure is characteristic.
- ceramic separating tubes with an internal separating layer are characterized by (from outside to inside) layer 4: Al 2 O 3 support body (about 1.5 mm), layer 3: Al 2 O 3 microfiltration layer (approx. 40 ⁇ ), layer 2: MFI seed layer (about 30 ⁇ ), layer 1: MFI separation layer (about 30 ⁇ ).
- the membranes are tested for their permeation behavior under different conditions. These are mounted in a stainless steel module, with a seal to the permeate space. To perform permeation tests at different temperatures, the module is heated or cooled.
- the FAU membrane was tested analogously to Example 2.
- the following Table 3 gives some of these test results as an example for a natural gas separation with 9% C 2+ components (main component butane with 4.7%, otherwise propane 2.7%, ethane 1, 6%) again.
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Abstract
Description
Verfahren zur Abtrennung von C2+-Kohlenwasserstoffen aus Erdgas oder Erdölbegleitgas unter Einsatz von Membranen Process for the separation of C 2+ hydrocarbons from natural gas or associated petroleum gas using membranes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von C2+-Kohlenwasserstoffen aus Erdgas oder Erdölbegleitgas unter Einsatz von Membranen. Stand der Technik The invention relates to a process for the separation of C 2+ hydrocarbons from natural gas or associated petroleum gas using membranes. State of the art
Erdgas stellt eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe (KW) in deutlich schwankender Zusammensetzung dar. Die Zusammensetzung von gefördertem Erdgas und Erdölbegleitgas ist abhängig von geographischer Lage, Art und Tiefe der Lagerstätte. Neben „trockenen" Erdgasen, die fast nur Methan und wenig andere leichte Kohlenwasserstoffe enthalten, kommen andere,„nasse" Erdgase (wie z.B. Erdölbegleitgas) vor, in denen beträchtliche Anteile an leicht zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffen (Propan, Butan, Pentan) und auch höhere gesättigte Kohlenwasserstoffe (HKW) vorhanden sind. Außerdem können die Erdgase noch sehr unterschiedliche Mengen an Stickstoff, Kohlendioxid und Schwefel insbesondere in Form von Schwefelwasserstoff enthalten. Erdgase sind bei der Förderung in der Regel wasserdampfgesättigt. Natural gas is a mixture of various hydrocarbons (HC) in a clearly fluctuating composition. The composition of natural gas and associated gas depends on the geographical location, type and depth of the deposit. In addition to "dry" natural gases, which contain almost only methane and little other light hydrocarbons, other, "wet" natural gases (such as associated gas) occur in which considerable amounts of easily liquefied hydrocarbons (propane, butane, pentane) and higher saturated hydrocarbons (HKW) are present. In addition, the natural gases can still contain very different amounts of nitrogen, carbon dioxide and sulfur, especially in the form of hydrogen sulfide. Natural gas is usually saturated with water during production.
Beim Transport des Gases können durch Änderungen physikochemischer Parameter wie Temperatur und Druck Kondensate entstehen, die im System bzw. beim Endkunden zu Betriebsstörungen und Anlagenausfällen führen. Diese eintretende Gasverflüssigung wird hervorgerufen durch Unterschreitung des Kohlenwasserstofftaupunktes. Der Kohlenwasser- stofftaupunkt ist definiert als Sättigungspunkt eines Kohlenwasserstoffes in einer Kohlenwasserstoffmischung. Mit Erreichen des Taupunktes setzt Kondensation ein. Temperaturerniedrigung kann zum Erreichen des Taupunktes führen. Eine mögliche Ursache für Gasabkühlung, neben äußeren Temperatureinflüssen, ist der Joule-Thomson-Effekt bei Druckreduzierung des Gases. Vor der Netzeinspeisung, die sich durch Entspannung von Gasen kennzeichnet, müssen deshalb in der Regel folgende Aufbereitungssch ritte durchlaufen werden: When transporting the gas, changes in physicochemical parameters, such as temperature and pressure, can cause condensates that lead to malfunctions and system failures in the system or at the end customer. This incoming gas liquefaction is caused by falling below the hydrocarbon dew point. The hydrocarbon dewpoint is defined as the saturation point of a hydrocarbon in a hydrocarbon mixture. When the dew point is reached, condensation sets in. Lowering the temperature may cause the dew point to be reached. A possible cause of gas cooling, in addition to external temperature influences, is the Joule-Thomson effect with pressure reduction of the gas. Before the grid feed, which is characterized by the expansion of gases, it is therefore usually necessary to go through the following preparatory steps:
Abtrennung freier Flüssigkeit (Kondensatabscheidung) Separation of free liquid (condensate separation)
Entschwefelung, Entfernung von C02 Desulphurization, removal of C0 2
Einstellung des Wasserdampftaupunktes (Gastrocknung) Setting the steam dew point (gas drying)
- Einstellung des Kohlenwasserstofftaupunktes - Setting the hydrocarbon dew point
Neben der technologischen Notwendigkeit der Kohlenwasserstoffabtrennung aus Erdgasen ist die Gewinnung sogenannter Flüssiggase mit C3+ für Anwendungen als flüssige Energieträger von Bedeutung. Daneben sind C2+-Fraktionen von Interesse als Ausgangs- punkt großchemischer Folgeprodukte. Die Kohlenwasserstoffentfernung ist nicht nur an den Förderfeldern angesiedelt, sondern ist auch an Untergrundgasspeichern (UGS) notwendig, wenn ehemalige Erdöl- oder Erdgaslagerstätten als Speicherstruktur genutzt werden (UGS Fronhofen). In addition to the technological need for hydrocarbon separation from natural gas, the extraction of so-called liquid gases with C 3+ is of importance for applications as liquid energy sources. In addition, C 2+ fractions are of interest as starting materials. point of large chemical derivatives. The hydrocarbon removal is not only located at the production fields, but is also necessary for underground gas storage (UGS), if former oil or gas deposits are used as a storage structure (UGS Fronhofen).
Etablierte Verfahren zur Taupunkteinstellung sind Tiefkühlkondensation, Absorption und Adsorption. Stand der Technik zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen ist die Tiefkühlung des geförderten Erdgases. Die Temperatur-Flüssigabscheider entfernen neben Established methods for dew point adjustment are freezing condensation, absorption and adsorption. The state of the art for removing hydrocarbons is the freezing of the natural gas produced. Remove the temperature-liquid separators next to
Kohlenwasserstoffen Wasser und Glykole und werden bei Temperaturen von -25 °C bis -30 °C betrieben. Es werden zwei Verfahren der Tieftemperatur-Extraktion, die Low-Tempe- rature Separation (LTS) und die Cold-Frac-Technologie in der Gasaufbereitung eingesetzt. Bei der Low-Temperature Separation erfolgt die Kühlung ausschließlich durch eine Druckentspannung (Joule-Thomson-Effekt), während bei Cold-Frac Fremdkälte zugeführt werden muss. Hydrocarbons, water and glycols and are operated at temperatures from -25 ° C to -30 ° C. Two methods of cryogenic extraction, low-temperature separation (LTS) and cold frac technology in gas processing are used. In the case of low-temperature separation, cooling takes place exclusively by means of a pressure release (Joule-Thomson effect), while cold-frac requires external cooling.
LTS-Anlagen erfordern einen ausreichenden Ausgangsdruck des Gases. Erdgas kühlt bei Druckreduzierung um ca. 0,4 K je bar (Joule-Thomson-Effekt) ab. Diese Eigenschaft des Gases wird ausgenutzt, um Wasser und höhere Kohlenwasserstoffe abzuscheiden. Dabei ist die Abkühlung bei gleichem Überdruck umso größer, je niedriger die LTS systems require a sufficient outlet pressure of the gas. Natural gas cools with pressure reduction by approx. 0.4 K per bar (Joule-Thomson effect). This property of the gas is exploited to separate water and higher hydrocarbons. The cooling is greater with the same overpressure, the lower the
Ausgangstemperatur des Gases ist. Vor der Expansionskühlung macht sich deshalb mitunter eine Vorkühlung des Gases notwendig (Erdgasfeld Groningen). Ist der für den Gasstrom zulässige Druckverlust klein, ist eine LTS physikalisch nicht mehr möglich. In letzterem Fall muss Fremdkälte zugeführt werden. Da solche Cold-Frac-Systeme sehr energieintensiv sind, kann sich bereits die Umgebungstemperatur als wirtschaftliches k.o. -Kriterium darstellen. Mit steigenden Umgebungstemperaturen werden diese Anlagen im konkreten Fall wirtschaftlich ineffizient. Output temperature of the gas is. Therefore, it may be necessary to precool the gas prior to expansion cooling (Groningen gas field). If the pressure loss permitted for the gas flow is small, an LTS is no longer physically possible. In the latter case, external cold must be supplied. Since such cold-frac systems are very energy-intensive, the ambient temperature can already be considered economic k.o. Criterion. With increasing ambient temperatures, these systems become economically inefficient in a specific case.
Aus LTS- bzw. Cold-Frac-Verfahren anfallende Kohlenwasserstoffe werden bei lohnenden Mengen in Raffinerien weiter aufgearbeitet bzw. bei geringen Mengen Hydrocarbons obtained from LTS or cold-frac processes are further worked up in rewarding quantities in refineries or at low levels
abgefackelt. Feste Adsorptionsmittel werden ebenfalls zur Kohlenwasserstoffentfernung eingesetzt und nach thermischer Regenerierung in den Aufbereitungszyklus zurückgebracht. Erdgase können durch Adsorption an Aktivkohle von C5- und C6-Kohlenwasserstoffen befreit werden. Aus Erdölbegleitgas können unter Ausnutzung des Kondensationsverhaltens durch Verdichtung auf 25 bis 30 bar Kohlenwasserstoffe kondensiert werden. Dieses Verfahren ist aber bei Gastemperaturen > 0 °C nicht ausreichend, um z.B. die GERG-Anforderungen bezüglich des KW-Taupunktes zu erfüllen. Somit sind weitere Behandlungsschritte der gasförmigen Phase (z.B. Tiefkühlkondensation) notwendig. flared. Solid adsorbents are also used for hydrocarbon removal and returned to the conditioning cycle after thermal regeneration. Natural gases can be freed of C 5 and C 6 hydrocarbons by adsorption on activated carbon. From associated gas can be condensed by utilizing the condensation behavior by compression to 25 to 30 bar hydrocarbons. However, this method is not sufficient at gas temperatures> 0 ° C, for example to meet the GERG requirements with respect to the HC dew point. Thus, further treatment steps of the gaseous phase (eg deep-freeze condensation) are necessary.
In US 4,203,742 ist die aufwendige Destillation der einzelnen Bestandteile aus In US 4,203,742 the complex distillation of the individual components is
Erdgasen bzw. Erdgasgemischen beschrieben. Es erfolgt eine stufenweise Zerlegung, wobei die Fraktionen C3, C4 und C5 erhalten werden. Natural gas or natural gas mixtures described. There is a stepwise decomposition, the fractions C 3 , C 4 and C 5 are obtained.
Durch Nutzung von Kühlkondensation ist beispielsweise ein Verfahren zur By using cooling condensation, for example, a method for
Gewinnung von Flüssiggas aus unter Druck stehenden Erdgasen beispielsweise in DE OS 28 20 212 beschrieben. Das zugrunde liegende Kühlverfahren wird in DE 44 40 401 A1 durch eine technologische Lösung zur Optimierung des Kältehaushaltes erweitert. Im Allgemeinen ist jedoch ein Kühlprozess zur Gewinnung von Flüssiggaskomponenten bestehend aus C2+ als energieintensiv und daher als nachteilig zu bewerten. Production of liquefied natural gas from pressurized natural gases, for example in DE OS 28 20 212 described. The underlying cooling method is extended in DE 44 40 401 A1 by a technological solution for optimizing the refrigeration budget. In general, however, a cooling process for the recovery of liquid gas components consisting of C 2+ is considered to be energy-intensive and therefore disadvantageous.
DE 34 45 961 A1 bedient sich des Joule-Thomson-Effektes zur Abkühlung von unter DE 34 45 961 A1 makes use of the Joule-Thomson effect for cooling from below
Druck stehenden Gasen über deren Entspannung. Nachteilig erweist sich dieses Verfahren bei Gasen mit niedrigem Förderdruck oder bei technologisch notwendig werdender Verdichtung. Pressure gases over their relaxation. This method proves to be disadvantageous for gases with a low delivery pressure or for technologically necessary compaction.
Durch bevorzugte Adsorption an porösen Materialien sind dem Fachmann energie- arme Methoden zur Anreicherung von C2+-Kohlenwasserstoffen bekannt. Diese Verfahren sind jedoch durch so genannte pressure-swing-Prozesse ebenfalls energieintensiv. So muss zur Gewinnung der adsorbierten Komponenten oft im Vakuum gearbeitet werden, wobei eine weitere Verflüssigung der vormals adsorbierten Spezies mit einer Kompressionsarbeit einhergeht. By preferred adsorption on porous materials, low-energy methods for enriching C 2+ hydrocarbons are known to the person skilled in the art. However, these processes are also energy-intensive by so-called pressure-swing processes. Thus, in order to obtain the adsorbed components, it is often necessary to work in a vacuum, with further liquefaction of the previously adsorbed species being accompanied by compression work.
Eine darüber hinausgehende Weiterentwicklung ist die Synthese von rissfreien, porösen Materialschichten, die selektiv C2+ aus der Hauptfraktion abtrennen können. Dabei erfolgt die Separation von C2+ aus der Gasmischung aufgrund des stoffspezifischen Adsorptionsvermögens der porösen Schicht und einer physikalischen Triebkraft, wie Druck- und Konzentrationsunterschieden auf beiden Seiten der Membran. A further development is the synthesis of crack-free, porous material layers, which can selectively separate C 2+ from the main fraction. The separation of C 2+ from the gas mixture takes place on account of the substance-specific adsorption capacity of the porous layer and a physical driving force, such as pressure and concentration differences on both sides of the membrane.
In der WO 94/01209 wird die Synthese dichter ZSM-5-Schichten und deren Einsatz bei der Selektivadsorption u.a. von Kohlenwasserstoffen bis zu einem angewandten WO 94/01209 discloses the synthesis of dense ZSM-5 layers and their use in selective adsorption, among others. from hydrocarbons to an applied one
Feeddruck von 100 kPa beschrieben. Feed pressure of 100 kPa described.
Im Patent DE 693 26 254 T2 wird beschrieben, dass es möglich ist, Butane von Methan mittels trägergestützter MFI-Membranen zu trennen, wobei durch Adsorption der höhere Kohlenwasserstoff im Permeat angereichert wird. Die Permeationsversuche erfolgten unter Einsatz eines Sweepgases auf der Permeatseite bei Drücken von < 100 kPa, die unrealistisch für die Praxis sind. In the patent DE 693 26 254 T2 it is described that it is possible to separate butane from methane by means of carrier-supported MFI membranes, which is enriched by adsorption of the higher hydrocarbon in the permeate. The permeation tests were carried out using a sweep gas on the permeate side at pressures of <100 kPa, which are unrealistic in practice.
Weitere Trennungen von Kohlenwasserstoffen und vergleichbaren Komponenten an organischen porösen Membranen wurden beschrieben. Beispielsweise wurde durch Further separations of hydrocarbons and comparable components on organic porous membranes have been described. For example, was through
Santamaria et al. [M. Arruebo et al., Separation and Purification Technology 25 (2001 ) 275- 286] an MFI-Membranen die Trennung von Erdgaskomponenten bei 1 bis 4 bar und Druckdifferenzen bis zu 3 bar beschrieben. Hier und wie bei allen bisher beschriebenen Trennungen von Erdgas- und Erdölbegleitgaskomponenten nach der Adsorptionsmethode erfolgt die Trennung durch die so genannte Oberflächendiffusion, die sich bislang nach Erhöhung des Feeddruckes und der Differenzdrücke zwischen Feed und Permeat verschlechterte. Santamaria et al. [M. Arruebo et al., Separation and Purification Technology 25 (2001) 275-286] described on MFI membranes the separation of natural gas components at 1 to 4 bar and pressure differences up to 3 bar. Here and as with all previously described separations of natural gas and Erdölbegleitgas components according to the adsorption, the separation is carried out by the so-called surface diffusion, which has so far deteriorated after increasing the feed pressure and the differential pressures between the feed and permeate.
Allen bisher bekannten Entwicklungen liegt das Problem zugrunde, dass als Permeat eine Mischung aus verschiedenen gasförmigen Kohlenwasserstoffen erhalten wird, die meist als Hauptkomponente Methan beinhalten. Die Trennleistung von Membranen ist daher zumeist ungenügend, um die erhaltene Gasfraktion als Flüssiggas einzusetzen. Es müsste entweder eine kostenintensive Verdichtung erfolgen, um Flüssigkomponenten zu erhalten, oder es müssten in einer Kaskadentrennung erhaltene Permeate weiter mit höheren KW angereichert werden. Diese Methoden sind apparativ aufwendig bzw. mit hohen Betriebskosten verbunden. All known developments are based on the problem that a mixture of various gaseous hydrocarbons is obtained as permeate, which usually contain methane as the main component. The separation efficiency of membranes is therefore usually insufficient to use the gas fraction obtained as a liquefied gas. It should either a costly compaction to obtain liquid components, or it would have to be enriched in a cascade separation Permeate further enriched with higher KW. These methods are complex in terms of apparatus or associated with high operating costs.
Ziel der Erfindung Object of the invention
Aufgabe der Erfindung ist eine einfache und kostengünstige Abtrennung von C2+- Flüssiggaskomponenten aus Erdgas und Erdölbegleitgas unter Nutzung poröser Membranen mit einhergehender Kondensation von höheren Kohlenwasserstoffen ohne alleinige Ausnut- zung aufwendiger Verfahren, wie Kühlung und Verdichtung. Eine weitere Aufgabe ist die Abtrennung der C2+ Flüssiggaskomponenten bei in der Praxis auftretenden realistischen Drücken von höher als 1 bar, insbesondere höher als 5 bar. The object of the invention is a simple and cost-effective separation of C 2 + liquid-gas components from natural gas and associated gas using porous membranes with concomitant condensation of higher hydrocarbons without exclusive utilization of complex processes, such as cooling and compression. Another object is the separation of the C 2+ liquid gas components at realistic pressures occurring in practice of higher than 1 bar, in particular higher than 5 bar.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Abtrennverfahrens, bei dem C2+- Gase flüssig als Permeat anfallen ohne zusätzliche technische Maßnahmen. Another object is to provide a separation process in which C 2 + gases are liquid as a permeate without additional technical measures.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Die Erfindung besteht darin, dass ein Ausgangsgasgemisch, das ein Erdgas oder ein Erdölbegleitgas sein kann und hier als„Feedgas" bezeichnet wird, bei dem Förderdruck dieser Gase, der im Bereich von 2 bis 500 bar liegt , und bei der sich nach der Förderung einstellenden Temperatur, die im Bereich von -30 °C bis +60 °C liegt, über eine Membran geleitet wird, wobei die höheren Kohlenwasserstoffe ab C2 die Membran passieren, dabei durch Aufkonzentration den Taupunkt unterschreiten und im Permeatraum kondensiert abgenommen werden. Detaillierte Beschreibung der Erfindung The invention is that a starting gas mixture, which may be a natural gas or a Erdölbegleitgas and is referred to herein as "feed gas", at the delivery pressure of these gases, which is in the range of 2 to 500 bar, and adjusting itself after the promotion Temperature, which is in the range of -30 ° C to +60 ° C, is passed over a membrane, wherein the higher hydrocarbons from C 2 pass through the membrane, thereby by concentration below the dew point and condensed in the permeate space are removed Detailed Description of invention
Erfindungsgemäß werden C2+-Kohlenwasserstoffe aus einem Erdgas oder Erdölbegleitgas abgetrennt, indem ein Feedgas, umfassend 0,5 bis 35 Mol-% gasförmige C2+- Kohlenwasserstoffe unter einem Druck von 2 bis 500 bar in einem Temperaturbereich von - 30 °C bis +60 °C über eine Membran aus einem porösen anorganischen Material oder einem organischen Polymeren geleitet wird, wobei die anorganische Membran Porenöffnungen zur Permeatseite der Membran von 0,5 bis 10 nm hat oder die polymere Membran höhere Selektivitäten zu C2+-Kohlenwasserstoffen als zu Methan besitzt und das permeierende C2+- Gas innerhalb der Membran und permeatseitig kondensiert und auf der Permeatseite durch Stoffmengenerhöhung auf mindestens das 1 ,5fache im Verhältnis zur Feedseite angereichert wird und durch Taupunktunterschreitung kondensiert wird, und das Kondensat aus C2+-Koh- lenwasserstoffen bei einem Druck von 1 bis 360 bar im Temperaturbereich von -70°C bis +50°C von der Permeatseite abgezogen wird, wobei die Druckdifferenz zwischen Feed- und Permeatseite 1 bis 140 bar beträgt und wobei keine Spülgase eingesetzt werden. Der Druck auf der Feedseite liegt im Bereich von 2 bis 500 bar und entspricht dem Förderdruck des Feedgases. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass das geförderte Erdgas oder Erdölbegleitgas keinen zusätzlichen Druckänderungsschritten unterworfen werden muss. Da die geförderten Gase mit unterschiedlichem Druck je nach Förderort anfallen und diese Drücke regelmäßig in dem Bereich von 2 bis 500 bar liegen, kann das Feedgas unverändert bei diesem Druck über die Membran geleitet werden. According to the invention C 2 + hydrocarbons are separated from a natural gas or associated gas by a feed gas comprising 0.5 to 35 mol% of gaseous C 2 + - hydrocarbons under a pressure of 2 to 500 bar in a temperature range from - 30 ° C to + 60 ° C is passed over a membrane of a porous inorganic material or an organic polymer, wherein the inorganic membrane has pore openings to the permeate side of the membrane from 0.5 to 10 nm or the polymeric membrane has higher selectivities to C 2+ hydrocarbons than to Has methane and the permeating C 2+ gas is condensed within the membrane and permeatseitig and enriched on the permeate side by Stoffmengenerhöhung to at least 1.5 times in relation to the feed side and is condensed by dew point undershooting, and the condensate of C 2+ -Koh- Hydrocarbons at a pressure of 1 to 360 bar in the temperature range of -70 ° C to + 50 ° C deducted from the permeate side en, wherein the pressure difference between the feed and permeate side is 1 to 140 bar and wherein no purge gases are used. The pressure on the feed side is in the range of 2 to 500 bar and corresponds to the delivery pressure of the feed gas. An essential feature of the invention is that the extracted natural gas or associated gas does not have to be subjected to additional pressure change steps. Since the extracted gases are produced with different pressure depending on the location and these pressures are regularly in the range of 2 to 500 bar, the feed gas can be passed unchanged at this pressure across the membrane.
Da bei der Erdgasaufbereitung meist auf 70 bis 80 bar vorentspannt wird, ist es auch eine vorteilhafte Anwendungsform der Erfindung, Feedgase im Druckbereich 70 bis 80 bar einzusetzen. Bevorzugte Druckbereiche sind daher 30 bis 200 bar, insbesondere 30 bis 85 bar. Since the natural gas treatment is usually pre-stressed to 70 to 80 bar, it is also an advantageous embodiment of the invention to use feed gases in the pressure range from 70 to 80 bar. Preferred pressure ranges are therefore 30 to 200 bar, in particular 30 to 85 bar.
Von der Feedseite gelangt der Teil des Gases, der C2+-Kohlenwasserstoffe enthält, durch die Membran auf die Permeatseite. Dabei ergibt sich eine Druckminderung zur Feedseite von 1 bis 140 bar durch den Aufbau eines entsprechenden Gegendruckes auf der Permeatseite. So wird beispielsweise ein Druck von 200 bar auf 70 bar reduziert, ein Druck von 70 bar auf 30 bar oder ein Druck von 30 bar auf 20 bar oder ein Druck von 20 bar auf 1 bar. Der angestrebte Druck auf der Permeatseite ist u.a. abhängig vom Verlauf der Phaseneinhüllenden (siehe Fig. 1 a). From the feed side, the portion of the gas containing C 2 + hydrocarbons passes through the membrane to the permeate side. This results in a pressure reduction to the feed side of 1 to 140 bar by building a corresponding back pressure on the permeate side. For example, a pressure of 200 bar is reduced to 70 bar, a pressure of 70 bar to 30 bar or a pressure of 30 bar to 20 bar or a pressure of 20 bar to 1 bar. The desired pressure on the permeate side depends inter alia on the course of the phase envelopes (see FIG. 1 a).
Besonders vorteilhaft sind höhere Feeddrücke im Bereich von 30 bis 200 bar, insbesondere 70 bis 200 bar bei hohem Methananteil. Dadurch lässt sich z.B. n-Butan besser als Flüssigkomponente gewinnen. Particularly advantageous are higher feed pressures in the range of 30 to 200 bar, in particular 70 to 200 bar at high methane content. This allows e.g. n-butane better than liquid component gain.
Anhand der p-T-Taupunktkurven sind die jeweiligen Prozessparameter für unterschiedlich aufzuarbeitende Gasgemische vorzubestimmen. Die p-T-Taupunktkurven können experimentell für einzelne Gasgemische bestimmt werden oder sind modellierbar, wie in Fig. 1 an verschiedenen Gasgemischen aufgezeigt. Based on the p-T dew point curves, the respective process parameters for different gas mixtures to be worked up are to be predefined. The p-T dew point curves can be determined experimentally for individual gas mixtures or are modelable, as shown in Fig. 1 at various gas mixtures.
Zudem wird wie in Fig. 2 eine Taupunktkurve in Abhängigkeit vom Methangehalt aufgestellt. Anhand dieses Verhaltens kann die Kondensation der C2+-Alkane abgeleitet und verfahrensseitig eingestellt werden. Liegt beispielsweise eine Alkanmischung mit 80 % Methananteil bei 30 bar vor und wird diese über eine C2+-selektive Membran geleitet, wobei die Triebkraft eine Druckabsenkung zum Permeatraum auf 20 bar ist, verringert sich im Permeatraum durch die Trennleistung einer MFI-Membran der Methananteil auf 45 %. Die Stoffmengenerhöhung an C2+ Bestandteilen geht somit mit einer Verflüssigung dieser Fraktion einher. Im Permeatraum kann kondensiertes Gas abgetrennt werden. In addition, as shown in Fig. 2, a dew point curve is established depending on the methane content. On the basis of this behavior, the condensation of the C 2+ alkanes can be derived and adjusted on the process side. If, for example, an alkane mixture with 80% methane content at 30 bar and this is passed through a C 2 + -selective membrane, the driving force is a pressure drop to the permeate space to 20 bar, reduced in the permeate space by the separation efficiency of an MFI membrane of methane to 45%. The increase in the amount of C 2+ constituents is thus accompanied by a liquefaction of this fraction. In the permeate space condensed gas can be separated.
Der Druck auf der Permeatseite beträgt 1 bis 360 bar, vorzugsweise 10 bis 70 bar, insbesondere 30 bis 70 bar. The pressure on the permeate side is 1 to 360 bar, preferably 10 to 70 bar, in particular 30 to 70 bar.
Der Anteil an gasförmigen C2+-Kohlenwasserstoffen im Feedgas ist entsprechend denThe proportion of gaseous C 2+ hydrocarbons in the feed gas is according to the
Fördergegebenheiten verschiedener Lagerstätten von Erdgas oder entsprechend den im Erdölbeleitgas vorhandenen Mengen sehr unterschiedlich und kann im Bereich von 0,5 bis 35 Mol-% liegen. Für den Einsatz beim vorliegenden Verfahren sind 0,5 bis 30 Mol-% bevor- zugt, vorteilhaft 0,5 bis 25 Mol-%, insbesondere 0,5 bis 20 Mol-%. Weitere bevorzugte Bereiche liegen bei 0,5 bis 10 Mol-%, speziell 0,5 bis 5 Mol-%. Delivery conditions of various deposits of natural gas or according to the existing Erdölbeleitgas amounts very different and may be in the range of 0.5 to 35 mol%. For use in the present process, 0.5 to 30 mol% are preferred. zugt, advantageously 0.5 to 25 mol%, in particular 0.5 to 20 mol%. Further preferred ranges are 0.5 to 10 mol%, especially 0.5 to 5 mol%.
Der Begriff„C2+-Kohlenwasserstoffe" erfasst C2 - C8-Kohlenwasserstoffe, im wesentlichen Ethan, Propan und n- bzw. iso-Butan, wobei höhere Kohlenwasserstoffe von C5 bis C8 und auch darüber hinaus nur in geringen Anteilen vorhanden sind. So enthalten Nordsee- Erdgase nur etwa 0,3 bis 1 ,4 Mol-% höhere C5 - C8-KW, während kasachisches Erdgas etwa 2,5 Mol-% davon enthält. Kasachisches Erdölbegleitgas enthält nur ca. 0,8 Mol-% C4- C8- KW. The term "C 2 + hydrocarbons" covers C 2 - C 8 hydrocarbons, essentially ethane, propane and n- or iso-butane, with higher hydrocarbons of C 5 to C 8 and also present only in small proportions For example, North Sea natural gas contains only about 0.3 to 1.4 mol% higher C 5 - C 8 -KW, while Kazakh natural gas contains about 2.5 mol% thereof, while Kazakh crude oil contains only about 0.8 Mol% C 4 - C 8 - KW.
Die C2+-Kohlenwasserstoffe sind bevorzugt ausgewählt unter C2-C5-Kohlenwasser- Stoffen. Insbesondere sind dies Propan, n-Butan, i-Butan und Gemische davon. The C 2+ hydrocarbons are preferably selected from C 2 -C 5 hydrocarbons. In particular, these are propane, n-butane, i-butane and mixtures thereof.
Ganz besonders bevorzugt ist die Gewinnung von C4-Kohlenwasserstoffen nach dem vorliegenden Verfahren. Very particularly preferred is the recovery of C 4 hydrocarbons according to the present method.
Mittels der eingesetzten Membranen werden die C2+-Kohlenwasserstoffe im Permeat- raum angereichert und kondensieren nach Unterschreiten des jeweiligen Taupunktes des einzelnen Kohlenwasserstoffs. Die durch die Membran erreichte Anreicherung oder Stoffmengenerhöhung führt z.B. von einem Gasgemisch 90 % Methan / 10 % Butan im Feed zu einem Gemisch im Permeat mit Butananteilen von z.B. 40 bis 50 Mol-%. Durch die erhöhte Butan-Stoffmenge im Permeat und einen ausreichend hohen Druck auf der Permeatseite fällt das Permeat als Kondensat an, da der Taupunkt unterschritten wird. Um den Stoffmengen- fluss und die Kondensation zu ermöglichen, muss eine Druckdifferenz von Feedseite zu Permeatseite der Membran gegeben sein, üblicherweise wenigstens 1 bar, vorteilhaft wenigstens 5 bar, insbesondere wenigstens 10 bar und mehr. Das Kondensat wird anschließend aus dem Permeatraum kontinuierlich oder diskontinuierlich abgezogen. Die Anreicherung auf der Permeatseite der Membran entspricht einer Stoffmengenerhöhung auf mindes- tens das 1 ,5fache, bevorzugt das 1 ,5- bis 50fache, insbesondere das 3- bis 40fache gegenüber der Stoffmenge auf der Feedseite.„Stoffmengenerhöhung" im Sinne der Erfindung bedeutet die Erhöhung des Anteils des höheren Alkans z.B. C4 in Volumen-% im Permeat gegenüber dem ursprünglichen Anteil im Feed. By means of the membranes used, the C 2+ hydrocarbons are enriched in the permeate space and condense after falling below the respective dew point of the individual hydrocarbon. The enrichment achieved by the membrane or increase in the amount of material leads, for example, from a gas mixture of 90% methane / 10% butane in the feed to a mixture in the permeate with butane contents of, for example, 40 to 50 mol%. Due to the increased amount of butane in the permeate and a sufficiently high pressure on the permeate side, the permeate precipitates as condensate, since the dew point is exceeded. In order to allow the mass flow and the condensation, there must be a pressure difference from feed side to permeate side of the membrane, usually at least 1 bar, advantageously at least 5 bar, in particular at least 10 bar and more. The condensate is then withdrawn continuously or discontinuously from the permeate space. The enrichment on the permeate side of the membrane corresponds to an increase in the amount of material to at least 1.5 times, preferably 1.5 to 50 times, in particular 3 to 40 times, the amount of substance on the feed side Increasing the proportion of the higher alkane, for example, C 4 in% by volume in the permeate over the original fraction in the feed.
Am Taupunkt findet der Übergang eines, im vorliegenden Fall höheren Kohlen- Wasserstoffes, vom gasförmigen in den flüssigen Zustand statt. Der Taupunkt von Kohlenwasserstoffen ist abhängig von Temperatur, Druck, Art des Kohlenwasserstoffs (Anzahl der C-Atome) und der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoff-Mischung. Bis zu einem bestimmten Druckbereich wird bei fallendem Druck und bei konstanter Temperatur die Erhöhung der Stoffmenge an C2+-Kohlenwasserstoffen notwendig, um eine Kondensation zu beobachten (siehe Fig. 2). Eine ähnliche Kurve ergibt sich bei konstantem Druck und steigender Temperatur. At the dew point, the transition of one, in this case higher carbon hydrogen, from the gaseous to the liquid state takes place. The dew point of hydrocarbons depends on the temperature, pressure, type of hydrocarbon (number of carbon atoms) and the composition of the hydrocarbon mixture. Up to a certain pressure range, increasing the amount of C 2+ -hydrocarbons is necessary with decreasing pressure and at a constant temperature in order to observe a condensation (see FIG. 2). A similar curve results at constant pressure and rising temperature.
Bevorzugt soll ein Druckunterschied zwischen Feed- und Permeatraum einen erhöhten Fluss ermöglichen, so dass große Stoffströme bewältigt werden können. An der Membran wird der Anteil des höheren Kohlenwasserstoffes durch Adsorption angereichert, so dass im Permeatraum eine Erhöhung des Anteils der C2+-Kohlenwasserstoffe im Vergleich zum Feed erfolgt. Druck und Konzentrationsverhältnisse werden im Prozess so gewählt, dass die Taupunktkurve unterschritten wird und C2+-Kohlenwasserstoffe im Permeatraum kondensieren und als Flüssigkeit abgezogen werden können. Preferably, a pressure difference between the feed and permeate space to allow increased flow, so that large mass flows can be handled. At the membrane, the proportion of the higher hydrocarbon is enriched by adsorption, so that In the permeate space an increase in the proportion of C 2+ hydrocarbons compared to the feed takes place. Pressure and concentration ratios are selected in the process so that the dew point curve is exceeded and C 2 + hydrocarbons condense in the permeate space and can be withdrawn as a liquid.
Die Trennleistung wird somit erhöht durch einen höheren Feeddruck und eine höhere The separation efficiency is thus increased by a higher feed pressure and a higher
Druckdifferenz zwischen Feed- und Permeatseite der Membran, bevorzugt durch dabei eintretende Kondensation der C2+-Kohlenwasserstoffe. Pressure difference between the feed and permeate side of the membrane, preferably by entering thereby condensation of C 2 + hydrocarbons.
Bereits bei 10 bar Feeddruck und 1 bar Permeatdruck und einer feedseitigen Beaufschlagung von 9,4 Mol-% Butan in Methan bei 25 °C erfolgt beispielsweise eine permeat- seitige Anreicherung von 40,4 Mol-% n-Butan als Kondensat. Already at 10 bar feed pressure and 1 bar permeate pressure and a feed-side loading of 9.4 mol% of butane in methane at 25 ° C, for example, a permeate side enrichment of 40.4 mol% n-butane as condensate.
Die Druckdifferenz zwischen Feedseite und Permeatseite beträgt vorzugsweise 5 bis 60 bar, insbesondere 10 bis 40 bar. Feedseite der Membran ist diejenige Seite, der das Feedgas zugeführt wird. Permeatseite der Membran ist diejenige Seite, aus der das Permeat oder Kondensat abgeleitet wird. The pressure difference between the feed side and permeate side is preferably 5 to 60 bar, in particular 10 to 40 bar. Feed side of the membrane is the side to which the feed gas is supplied. Permeate side of the membrane is the side from which the permeate or condensate is derived.
Die Temperatur des Feedgases entspricht allgemein der Fördertemperatur und kann daher in weiten Grenzen schwanken, beispielsweise zwischen -30 °C und +60 °C. Die Temperatur auf Permeatseite der Membran liegt vorteilhaft im Bereich von -70 °C bis +50 °C, wobei eine niedrigere Temperatur auf der Permeatseite zur Stoffmengenerhöhung durch Taupunktunterschreitung zusätzlich beiträgt. Die Temperaturerniedrigung kann verfahrens- bedingt durch Entspannung bzw. auch, unter Beachtung einer positiven Energiebilanz, durch Fremdkühlung erfolgen. Ebenso kann unter Beachtung einer positiven Energiebilanz eine Vorverdichtung des Feedstromes erfolgen. Dies ist jedoch nicht bevorzugt. The temperature of the feed gas generally corresponds to the conveying temperature and can therefore vary within wide limits, for example between -30 ° C and +60 ° C. The temperature on permeate side of the membrane is advantageously in the range of -70 ° C to +50 ° C, with a lower temperature on the permeate side to the Stoffmengenerhöhung additionally contributes by dew point. The temperature reduction can be due to the process by relaxation or, taking into account a positive energy balance, by external cooling. Likewise, taking into account a positive energy balance, a pre-compression of the feed stream. However, this is not preferred.
Nicht kondensiertes Permeat, das hauptsächlich Methan enthält, kann zum Feed zurückgeführt werden, gegebenenfalls nach vorheriger Verdichtung. Der Prozess kann jedoch so geführt werden, dass Retentat und gasförmiges Permeat chemisch identisch sind. Des Weiteren ist die Entnahme zweier unterschiedlicher gasförmiger Kohlenwasserstoffmischungen aus dem Permeat- bzw. Retentatraum möglich. Uncondensed permeate, which mainly contains methane, can be recycled to the feed, optionally after prior densification. However, the process can be conducted so that retentate and gaseous permeate are chemically identical. Furthermore, it is possible to remove two different gaseous hydrocarbon mixtures from the permeate or retentate space.
Eine weitere Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch eine kaskadenartige Aufeinanderfolge von verschiedenartigen Membranen und verschiedenen Druckverhältnissen erfolgen. Je nach Druck werden Membranen mit unterschiedlichen Porenöffnungen und/oder unterschiedlichen Zeolithen oder Zeolithen und organischen Membranen nacheinander angeordnet. Somit ist eine weitere Aufkonzentration der C2+-Frak- tion durch eine nachgeschaltete Membran nach dem Permeatraum 1 möglich. Werden beispielsweise durch eine erste Membranstufe C2+-Anteile von 2,7 Mol-% auf 9,4 Mol-% angereichert, gelingt durch eine zweite nachgeschaltete Membranstufe die Anreicherung der C2+-Fraktion auf 40,4 %, wodurch bei Unterschreiten des Taupunktes Kondensation erfolgt. A further optimization of the method according to the invention can be carried out by a cascade-like succession of different types of membranes and different pressure ratios. Depending on the pressure, membranes with different pore openings and / or different zeolites or zeolites and organic membranes are arranged one after the other. Thus, a further concentration of the C 2+ fraction through a downstream membrane after the permeate space 1 is possible. For example, by a first membrane stage C 2 + Shares of 2.7 mol% to 9.4 mol% enriched, the enrichment of C is achieved by a second downstream stage membrane 2+ fraction to 40.4%, which falls below the dew point condensation takes place.
Ein weiterer Vorteil einer Kaskadentrennung ist die gezielte fraktionierte Abtrennung flüssiger Kohlenwasserstoffe. So kann beispielsweise an Membran 1 selektiv die C6-Fraktion erhalten werden, wonach nach weiterer Zuführung des gasförmigen Permeatstroms an eine Membranstufe 2 durch Unterschreiten des Taupunktes der C5-Fraktion eine C5 6-Mischung flüssig abgezogen werden können. An einer dritten Membran analoger Anordnung werden C4, 5, 6-Gemische erhalten u.s.w. Another advantage of a cascade separation is the targeted fractional separation of liquid hydrocarbons. Thus, for example, the C 6 fraction can be selectively obtained on membrane 1, after which, after further supply of the gaseous permeate stream to a Membrane stage 2 by falling below the dew point of the C 5 fraction, a C 5 6 mixture can be withdrawn liquid. On a third membrane analogous arrangement C4, 5 , 6 mixtures are obtained, etc
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich aus, höhere Kohlenwasserstoffe aus Erdgas- und Erdölbegleitgas effektiv ohne energieaufwendige Entspannung und Kühlung unter Anwendung der Membrantechnologie kontinuierlich zu trennen. Die Trennung selbst erfolgt an anorganisch porösen Membranen oder Polymermembranen ohne Zuhilfenahme von Spülgasen bei erhöhten, praxisrelevanten Druckbedingungen (p > 1 bar) und verbesserter Trennleistung im Vergleich zu Niederdruckanwendungen. Dadurch ist der Energie- bedarf deutlich verringert gegenüber bekannten Verfahren. The process according to the invention is characterized by the continuous separation of higher hydrocarbons from natural gas and associated gas without the need for energy-intensive expansion and cooling using membrane technology. The separation itself takes place on inorganic porous membranes or polymer membranes without the aid of purge gases at elevated, practice-relevant pressure conditions (p> 1 bar) and improved separation performance in comparison to low-pressure applications. As a result, the energy requirement is significantly reduced compared to known methods.
Weiterhin vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren ist die Tatsache, dass nicht das gesamte Gas permeiert, sondern bevorzugt die kondensierbaren Komponenten in Form der C2+-Kohlenwasserstoffe. Dadurch wird eine bedeutende Leistungssteigerung erreicht. Further advantageous over known methods is the fact that not all the gas permeates, but preferably the condensable components in the form of C 2 + hydrocarbons. This achieves a significant increase in performance.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, auch kleinere Erdgasfelder zu nutzen, da mittels der Membrantechnologie ein flexibles, verfahrenstechnisch weniger aufwendiges Verfahren zur Entfernung höherer Kohlenwasserstoffe aus dem Rohgas zur Verfügung steht. Anwendung kann das Verfahren außerdem zur Entfernung höherer Kohlenwasserstoffe aus dem bisher nicht oder kaum genutzten Erdölbegleitgas finden, das üblicherweise abgefackelt wird. By means of the method according to the invention, it is possible to use smaller natural gas fields, since by means of membrane technology, a flexible, less complicated process technology for removing higher hydrocarbons from the raw gas is available. In addition, the method can also find the method for removing higher hydrocarbons from the previously unused or hardly used associated petroleum gas, which is usually flared off.
Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft sind poröse Membranen aus anorganischen Materialien. Deren besondere Vorteile sind ihre hohe chemische Resistenz, Druck- und Druckwechselbeständigkeit sowie thermische Stabilität. Voraussetzung für eine selektive Trennung ist eine einheitliche Porenweite des anorganischen Membranmaterials. Anhand des anliegenden Feeddruckes ist die Porengröße der Membran bestimmt. Liegt die Porengröße nicht in der Molekülgröße der zu trennenden Komponenten, muss zumindest Kondensation der C2+-Fraktion in den Poren der Membran stattfinden. Geeignet sind daher Membranen aus Zeolith, da diese ein inhärentes, definiertes Porensystem aufweisen, aber auch Membranen mit engverteilten Porengrößen auf Silica- oder Kohlenstoffbasis im Porengroßenbereich von 0,5 bis 10 nm; bevorzugt 0,5 bis 5 nm; speziell 0,5 bis 2 nm. Ein weiterer bevorzugter Bereich sind 0,5 bis 0,8 nm. Speziell für die Trennung unpolarer Komponenten aus Erdgasen eignet sich der hydrophobe Silikalith oder aluminiumarmer ZSM-5 aus der Gruppe der MFI-Zeolithe. Particularly advantageous for the process according to the invention are porous membranes of inorganic materials. Their special advantages are their high chemical resistance, pressure and pressure swing resistance as well as thermal stability. A prerequisite for a selective separation is a uniform pore size of the inorganic membrane material. Based on the applied feed pressure, the pore size of the membrane is determined. If the pore size is not in the molecular size of the components to be separated, at least condensation of the C 2+ fraction must take place in the pores of the membrane. Therefore, membranes of zeolite are suitable, since they have an inherent, defined pore system, but also membranes with narrowly distributed pore sizes based on silica or carbon in the pore size range of 0.5 to 10 nm; preferably 0.5 to 5 nm; especially 0.5 to 2 nm. Another preferred range are 0.5 to 0.8 nm. Especially for the separation of non-polar components from natural gases is the hydrophobic silicalite or low-aluminum ZSM-5 from the group of MFI zeolites.
Die Verwendung von Membranen verspricht in analoger Weise eine bevorzugte Adsorption der höheren Kohlenwasserstoffe in der Membranschicht, wobei durch ein höhe- res chemisches Potential auf der Feedseite zur Permeatseite ein Stofftransport der adsorbierten Spezies in den Permeatraum erfolgt. Diese Methode ist als energiearm zu bewerten. Als Permeat ist definiert der die Membran passierende Gasstrom. Als Feed ist definiert der Gasstrom zum Membranmoduleingang. Als Retentat ist definiert der die Membran nicht passierende Gasstrom zum Membranmodulausgang. Poröse anorganische Materialien auf der Basis von Zeolithen zeigen nicht die The use of membranes promises in an analogous manner a preferred adsorption of the higher hydrocarbons in the membrane layer, wherein a higher chemical potential on the feed side to the permeate side mass transport of the adsorbed species into the permeate occurs. This method can be evaluated as low in energy. The permeate defined is the gas flow passing through the membrane. The feed is defined as the gas flow to the membrane module input. The retentate is defined as the gas flow that does not pass through the membrane to the membrane module outlet. Porous inorganic materials based on zeolites do not show the
Nachteile von Polymermembranen und erlauben eine vergleichbare Trennung von Kohlenwasserstoffen. Hierunter besitzen die MFI-Zeolithe innerkristalline Poren bzw. Kanäle in der Größenordnung der zu trennenden Kohlenwasserstoffe. Disadvantages of polymer membranes and allow a comparable separation of hydrocarbons. Among them, the MFI zeolites have inner-crystalline pores or channels in the order of the hydrocarbons to be separated.
Als Membranen der Erfindung eingesetzt werden vorzugsweise anorganische As membranes of the invention are preferably used inorganic
Membranen mit Mikrokanälen und Porenweiten im Bereich der Molekülgröße der abzutrennenden Kohlenwasserstoffe. Bevorzugt sind dabei Zeolithe, die definierte Porendimensionen haben. Membranes with microchannels and pore sizes in the range of the molecular size of the hydrocarbons to be separated. Preference is given to zeolites having defined pore dimensions.
Eine bevorzugte Membran ist damit die oben beschriebene erfindungsgemäße Membran mit Porenöffnungen von 0,5 bis 0,8 nm. In einer weiteren Ausführungsform sind bevorzugt poröse anorganische Membranen mit Porengrößen bis 10 nm, insbesondere 1 bis 10 nm, bei denen Porendondensation in den Poren eintritt, wenn höhere Drücke von z.B. 70 oder 50 bar auf Drücke von 30 oder 20 bar reduziert werden in Abhängigkeit von der molekularen Zusammensetzung. A preferred membrane is thus the above-described membrane according to the invention having pore openings of 0.5 to 0.8 nm. In a further embodiment, porous inorganic membranes having pore sizes of up to 10 nm, in particular 1 to 10 nm, in which pore condensation occurs in the pores are preferred if higher pressures of eg 70 or 50 bar can be reduced to pressures of 30 or 20 bar, depending on the molecular composition.
Die Zeolithmembranen auf porösen Trägern können auf verschiedene Weisen präpariert werden. Üblich sind die in-situ Kristallisation direkt auf dem Träger, oder aber die seedgestützte Synthese für ein orientierteres, gleichmäßigeres Wachstum. The zeolite membranes on porous supports can be prepared in various ways. Common is in situ crystallization directly on the support, or seed-based synthesis for more oriented, uniform growth.
Dazu werden in der Regel separat Seedkristalle hergestellt und abgeschieden, siehe DE 10 2004 0001 974 A1/DE 100 27 685 B4, oder aber eine Seedschicht wird direkt auf dem Träger während eines gesonderten Syntheseschritts erzeugt, wie in DE 103 04 322 A1 beschrieben. Anschließend erfolgt die Bildung einer durchgängigen Syntheseschicht aus einer verdünnten Lösung heraus, die vor allem das Kristallwachstum unterstützen soll. Beide Methoden sind allerdings sehr verfahrensintensiv. Seed crystals are usually prepared and deposited separately for this purpose, see DE 10 2004 0001 974 A1 / DE 100 27 685 B4, or a seed layer is produced directly on the support during a separate synthesis step, as described in DE 103 04 322 A1. Subsequently, the formation of a continuous synthesis layer out of a dilute solution, which is mainly to support crystal growth. Both methods are very process-intensive.
In der DE 101 07 539 A1 wird die Erzeugung einer Kompositmembran auf einem keramischen, porösen Trägermaterial beschrieben, auf dem eine mesoporösen DE 101 07 539 A1 describes the production of a composite membrane on a ceramic, porous support material on which a mesoporous material is deposited
Zeolithschicht abgeschieden wird, wobei nachfolgend die geschlossenen Zeolithschicht auf/in deren Oberfläche durch hydrothermale Synthese erzeugt wird. Es werden keine näheren Angaben zu dieser mesoporösen Zwischenschicht und Durchführung der hydrothermalen Synthese gemacht. Zeolite layer is deposited, wherein subsequently the closed zeolite layer is formed on / in the surface by hydrothermal synthesis. No details are given on this mesoporous intermediate layer and the hydrothermal synthesis.
Vorteilhafte erfindungsgemäße Membranen sind Zeolithe der folgenden Typen: ZSM- Advantageous membranes of the invention are zeolites of the following types: ZSM-
5, FAU, MFI, CIT-1 , DAF-1 , Stilbit, Beta, Boggsite, EMC-2, STA-1 , Terranovaite und Theta-1 . 5, FAU, MFI, CIT-1, DAF-1, Stilbite, Beta, Boggsite, EMC-2, STA-1, Terranovaite and Theta-1.
Zeolithe mit Porenöffnungen von 0,5 bis 0,6 nm, die sich besonders für Drücke im Bereich von 1 bis 140 bar eignen, sind ZSM-5, FAU, MFI, CIT-1 , DAF-1 und Stilbit. Zeolites with pore openings of 0.5 to 0.6 nm, which are particularly suitable for pressures in the range of 1 to 140 bar, are ZSM-5, FAU, MFI, CIT-1, DAF-1 and Stilbit.
Für höhere Drücke im Bereich von 20 bis 140 bar sind Zeolithe mit Porenöffnungen von 0,7 bis 0,8 nm wie Beta, Boggsite, EMC-2, STA-1 und Terranovaite sowie Theta-1 geeignet. Diese als Membran verarbeitete Zeolithe zeichnen sich besonders durch einen erhöhten Fluss aus. For higher pressures in the range of 20 to 140 bar, zeolites with pore openings of 0.7 to 0.8 nm such as Beta, Boggsite, EMC-2, STA-1 and Terranovaite and Theta-1 are suitable. These zeolites, which are processed as membranes, are characterized by an increased flow.
Darüber hinaus sind amorphe, anorganische Membranen, beispielsweise auf Si02- oder Kohlenstoffbasis, mit Porengrößen im Bereich von 0,5 bis 10 nm und enger Poren- größenverteilung bei Feeddrücken, die zur Kondensation der C2+Alkane in den Poren der Membranen führen, ebenfalls geeignet. In addition, amorphous, inorganic membranes, for example based on SiO 2 or carbon, with pore sizes in the range of 0.5 to 10 nm and narrow pore size Size distribution at feed pressures, which lead to the condensation of C 2+ alkanes in the pores of the membranes, also suitable.
Vorzugsweise sind die Zeolithe auf einer porösen Korundschicht aufgetragen, gegebenenfalls auf einer dazwischenliegenden porösen Zeolith-Trägerschicht, die als Keim- und Wachstumsschicht der Zeolithmembran fungiert. Das Auftragen der später mikroporösen Zeolithschicht kann durch /'n-s/iü-Kristallisation erfolgen oder auch durch Aufmahlen eines mikroporösen gleichartigen Zeoliths auf Korngrößen von kleiner als 1 μηη, Auftragen der Partikel auf das Korundträgermaterial und hydrothermale Behandlung zur Verwachsung zur dichten Membranschicht. Dabei bildet sich eine geeignete mikroporöse Zeolithschicht auf einer Seite der Membran. Preferably, the zeolites are coated on a porous corundum layer, optionally on an intervening porous zeolite support layer, which acts as a seed and growth layer of the zeolite membrane. The application of the later microporous zeolite can be performed by / 'ns / iii crystallization or by grinding a microporous similar zeolite to a particle size of less than 1 μηη, coating the particles onto the Korundträgermaterial and hydrothermal treatment for adhesion to the dense membrane layer. In this case, a suitable microporous zeolite layer forms on one side of the membrane.
Zur Gewährleistung einer ausreichenden Stabilität der Membran wird diese auf einem porösen Träger synthetisiert. Es werden vorwiegend Kompositmembranen auf Korundträgern erzeugt, da diese preiswerter herzustellen sind und sich Membran und Träger von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten her ähnlicher sind. Es sind auch andere Trägermaterialien, wie poröse Gläser oder poröse Metalle geeignet. To ensure sufficient stability of the membrane, it is synthesized on a porous support. It is mainly composite membranes produced on corundum carriers, since they are cheaper to produce and membrane and support are more similar in their chemical composition and their thermal expansion behavior ago. Other carrier materials, such as porous glasses or porous metals, are also suitable.
Membranen mit den geforderten Eigenschaften sind leicht herstellbar, wenn der Syntheseansatz dadurch vereinfacht wird, dass die schwierig herstellbare Keimschicht durch Auftragen eines gemahlenen Schlickers der Zusammensetzung der späteren Membran- schicht ersetzt wird. Eine beispielsweise so applizierte MFI-Schicht als Keimbildungsschicht begünstigt ein gleichmäßiges, sekundäres Wachstum aus einer Syntheselösung heraus. Auch stellt diese Schicht eine Barriereschicht dar, wodurch die Syntheselösung nicht in den porösen Korundträger gelangt. Beides führt zu einer Reduzierung der Herstellkosten, da Zwischenschicht(en) unter anderem aus Ti02 nicht erforderlich sind und eine aufwendige Seedbeschichtung aus vorangestellten Veröffentlichungen entfallen. Zudem ergeben sich Vorteile technologischer Art beim Einsatz verdünnter Syntheselösungen. Membranes with the required properties are easy to prepare if the synthesis approach is simplified by replacing the difficult-to-produce seed layer by applying a ground slurry of the composition of the later membrane layer. For example, an MFI layer applied as a nucleation layer promotes uniform, secondary growth from a synthesis solution. This layer also constitutes a barrier layer, as a result of which the synthesis solution does not enter the porous corundum support. Both lead to a reduction of the manufacturing costs, since interlayer (s) among other things of Ti0 2 are not required and a complex seed coating omitted from preceding publications. In addition, there are advantages of a technological nature when using diluted synthesis solutions.
Vorzugsweise wird das Material für die mesoporöse Schicht durch Mahlen kommerziellen Zeolithmaterials auf eine Feinheit < 1 μηη, bevorzugt < 500 nm hergestellt. Der Vorteil gemahlener Partikel besteht in der sehr guten Verzahnung mit dem makroporösen oder mesoporösen Trägermaterial und in einer mechanischen Stabilisierung der Membran. Preferably, the material for the mesoporous layer is prepared by milling commercial zeolite material to a fineness <1 μm, preferably <500 nm. The advantage of ground particles consists in the very good gearing with the macroporous or mesoporous carrier material and in a mechanical stabilization of the membrane.
Die Ausbildung der porösen Silikalithschicht erfolgt in bevorzugter Weise durch Schlickergießen. Bei metallgestützten Membranen ist auch eine elektrophoretische Abschei- dung der Partikel möglich. The formation of the porous Silikalithschicht takes place in a preferred manner by Schlickergießen. For metal-supported membranes, electrophoretic deposition of the particles is also possible.
Die Zwischenschicht wird zur weiteren Verbesserung der Haftung und dem The intermediate layer is used to further improve the adhesion and the
Ausbrennen eventueller organischer Suspensions- und Bindemittel wärmebehandelt, wobei eine Temperatur unterhalb der Phasenumwandlung des Silikaliths gewählt wird. Vorzugsweise liegt die gewählte Temperatur dieser Temperaturbehandlung zwischen 400 °C und 800 °C, besonders bevorzugt zwischen 500 und 700 °C. Das Silizium/Aluminium-Molverhältnis der Syntheselösung für den sekundären Wachstumsschritt liegt für das MFI beispielhaft bei > 2,5, vorzugsweise > 75. Höhere Aluminiumanteile ergeben ein hydrophileres Verhalten und sind dadurch für die Trennung unpolarer Stoffgemische nachteilig. Burning out any organic suspension and binder heat treated, wherein a temperature below the phase transformation of the silicalite is selected. Preferably, the selected temperature of this temperature treatment is between 400 ° C and 800 ° C, more preferably between 500 and 700 ° C. By way of example, the silicon / aluminum molar ratio of the secondary growth step synthesis solution for the MFI is> 2.5, preferably> 75. Higher proportions of aluminum result in a more hydrophilic behavior and are therefore disadvantageous for the separation of nonpolar mixtures.
Die Zusammensetzung der Silikalith-Syntheselösung kann in Abhängigkeit vom The composition of the silicalite synthesis solution may vary depending on
Syntheseverfahren, den eingesetzten Reagenzien, den physikalischen Syntheseparametern sowie den gewünschten Membraneigenschaften bezüglich Selektivität und Fluss variieren. Möglich sind Synthesezusammensetzungen im Bereich 100 mol Si02: 0 - 35 mol SDA : 0 - 50 mol NaOH : 0 - 17 mol Al203 und 1 .000 - 100.000 Mol H20, wobei SDA für die struktur- dirigierende Agenzien, auch Template genannt, steht. SDA kann beispielsweise sein Synthesis method, the reagents used, the physical synthesis parameters and the desired membrane properties with respect to selectivity and flow vary. Synthesis compositions in the range of 100 mol of SiO 2 : 0-35 mol of SDA: 0-50 mol of NaOH: 0-17 mol of Al 2 O 3 and 1 000- 100 000 mol of H 2 O are possible, SDA being used for the structure-directing agents, also called template stands. SDA can be for example
Tripropylammoniumhydroxid oder Tripropylammonimbromid oder eine Mischung aus beiden. Tripropylammonium hydroxide or Tripropylammonimbromid or a mixture of both.
Zur Realisierung technisch relevanter Flüsse durch die Membran wurde die For the realization of technically relevant flows through the membrane, the
Synthesezusammensetzung, speziell der Templatgehalt und Wasseranteil, optimiert Synthesis composition, especially the template content and water content, optimized
(Beispiel 2). Bevorzugt zur Steigerung der Flüsse sind danach Templatanteile von 0,01 bis 1 ,2 Mol und Wasseranteile von 4.000 bis 40.000 Mol auf 100 Mol Si02 im Syntheseansatz. (Example 2). Templat portions of from 0.01 to 1.2 mol and water contents of from 4,000 to 40,000 mol per 100 mol of SiO 2 in the synthesis batch are preferred for increasing the fluxes.
Der pH-Wert der Syntheselösung ist je nach verwendeter Si02-Quelle auf 10 bis 14 einzustellen, bevorzugt zwischen 1 1 ,0 und 12,5. Als Siliziumdioxidquelle eignen sich disperses Si02, Tetraethylorthosilikat (TEOS) sowie kollodidales Si02, wie LUDOX® oder Depending on the Si0 2 source used, the pH of the synthesis solution should be adjusted to 10 to 14, preferably between 1100 and 12.5. Dispersible Si0 2 , tetraethyl orthosilicate (TEOS) and colloidal Si0 2 , such as LUDOX ® or
LEVASIL® LEVASIL ®
Der mit der mesoporösen Silikalithschicht versehene Träger wird vor der Synthese so präpariert, dass die Syntheselösung nur in Kontakt mit der Membranseite kommt. Dazu kann beispielsweise bei einer Innenbeschichtung rohrförmiger Träger die Außenseite mit Teflonband oder Wachs versiegelt werden. Bei einer Außenbeschichtung kann durch Abdichten mit Teflonkappen der Zutritt ins Innere verhindert werden. Ziel der Abdichtung ist es, ein The support provided with the mesoporous silicalite layer is prepared prior to the synthesis such that the synthesis solution only comes into contact with the membrane side. For this purpose, for example, in an inner coating tubular support the outside be sealed with Teflon tape or wax. In the case of external coating, sealing with Teflon caps can prevent access to the interior. The goal of the seal is to be one
Zeolithwachstum auf der Desorptionsseite zu verhindern. To prevent zeolite growth on the desorption side.
Die Synthese kann unter autogenem Druck, unter Normaldruck, stehend oder fließend, für 3 bis 120 h erfolgen. Bevorzugt wird die Synthese unter autogenem Druck bei Temperaturen von 140 °C bis 200 °C und 12 bis 72 h durchgeführt, besonders bevorzugt zwischen 160 °C und 180 °C und 16 bis 48 h. The synthesis can be carried out under autogenous pressure, under atmospheric pressure, standing or flowing, for 3 to 120 h. Preferably, the synthesis is carried out under autogenous pressure at temperatures of 140 ° C to 200 ° C and 12 to 72 hours, more preferably between 160 ° C and 180 ° C and 16 to 48 hours.
Nach der Synthese werden die Träger mit der synthetisierten Membran so lange in deionisiertem Wasser gespült, bis nicht umgesetzte Synthesebestandteile aus den Poren entfernt wurden. Allgemein ist dies der Fall, wenn der pH-Wert des Waschwassers nach mehrmaligem Wechsel desselben bei einem pH-Wert von 7 liegt. After synthesis, the supports with the synthesized membrane are rinsed in deionized water until unreacted synthetic components are removed from the pores. In general, this is the case when the pH of the wash water after repeated changes of the same at a pH of 7.
Die Träger werden anschließend schonend getrocknet. Dies kann unter Raumluft- bedingungen erfolgen oder nach langsamen Aufheizen im Trockenschrank bei 60 °C. The carriers are then gently dried. This can be done under room air conditions or after slow heating in a drying oven at 60 ° C.
Nach dem Trocknen erfolgt die Entfernung der strukturdirigierenden Templationen, da sich diese in den Zeolithporen befinden und somit einen Zutritt der zu trennenden Gase verhindern würden. Das Kalzinieren wird mit einer Aufheizrate von 0,3 bis 5,0 K/min, bevor- zugt mit 1 ,0 K/min bei 400 bis 550°C für 3 bis 24 h, besonders bevorzugt bei 420 bis 580°C mit 5 bis 12 h, durchgeführt. After drying, the removal of structure-directing templations takes place, since these are located in the zeolite pores and would thus prevent access of the gases to be separated. The calcination is carried out at a heating rate of 0.3 to 5.0 K / min, before- at 1, 0 K / min at 400 to 550 ° C for 3 to 24 h, more preferably at 420 to 580 ° C with 5 to 12 h, performed.
Es hat sich gezeigt, dass die nach oben genannten Verfahrensschritten hergestellten Membranen außerordentlich und für das hier vorgestellte Verfahren essentiell druckstabil sind. Es werden bei hohen Feeddrücken und angelegten Druckdifferenzen zwischen It has been found that the membranes prepared according to the above-mentioned process steps are extremely stable and essentially pressure-stable for the process presented here. There are at high feed pressures and applied pressure differences between
Permeat und Feed nur geringe Leckströme gemessen (kleiner als 0,1 % zum Gesamtfluss). Permeate and feed only measured low leakage currents (less than 0.1% to total flux).
Eine Zeolithmembran besteht somit vorteilhaft aus den Schichten makroporöse Korundschicht, mesoporöse Zeolith-Trägerschicht, mikroporöse Zeolithschicht des gleichen Zeoliths wie in der Zeolith-Trägerschicht besteht, wobei der Zeolith für die mesoporöse Zeolith-Trägerschicht auf eine Korngröße von kleiner als 1 μηη aufgemahlen und hydrothermal behandelt ist. In gleicher weise kann dieser Aufbau auch für eine Membran aus Si02- oder Kohlenstoffbasis erfolgen. A zeolite membrane thus advantageously consists of the layers macroporous corundum layer, mesoporous zeolite carrier layer, microporous zeolite layer of the same zeolite as in the zeolite carrier layer, the zeolite for the mesoporous zeolite carrier layer ground to a particle size of less than 1 μηη and treated hydrothermally is. In the same way, this structure can also be done for a membrane made of Si0 2 - or carbon.
Für Feedgase mit höheren Anteilen von H2S, C02 oder Wasser ist es vorteilhaft, mit aluminiumarmen Zeolithen zu arbeiten, deren Si : AI-Verhältnis zwischen 50 und 700 liegt, vorzugsweise 150 bis 450, insbesondere > 250. Es können auch aluminiumfreie Zeolithe wie Silikalith eingesetzt werden. For feed gases with higher proportions of H 2 S, C0 2 or water, it is advantageous to work with aluminum-poor zeolites whose Si: Al ratio is between 50 and 700, preferably 150 to 450, in particular> 250. Aluminum-free zeolites may also be used as silicalite are used.
Die Membranen dürfen keine Leckströmung ermöglichen und damit nur adsorptive Prozesse an der Oberfläche zulassen, wobei der Stofftransport demnach nur durch das interkristalline Porensystem vonstatten geht. Ein Transport zwischen den Kristalliten der porösen anorganischen Schicht darf aufgrund der angelegten Drücke nicht oder nur in sehr geringen Maße stattfinden. Von Vorteil für das Trennverfahren sind Membranen, die aufgrund ihres geringen Schichtdicken hohe Permeatflüsse ermöglichen. Die Dicke der Trennschicht beträgt 5 bis 200 μηη. Bevorzugt beträgt die Dicke der Trennschicht 10 bis 80 μηη, weiter bevorzugt weniger als 50 μηη, weiter bevorzugt 10 bis 50 μηη, besonders bevor- zugt weniger als 20 μηη, insbesondere 15 bis 30 μηη. The membranes must not allow any leakage flow and thus allow only adsorptive processes on the surface, whereby the mass transport thus proceeds only through the inter-crystalline pore system. A transport between the crystallites of the porous inorganic layer must not take place or only to a very small extent due to the applied pressures. Advantageous for the separation process are membranes which allow high permeate fluxes due to their low layer thicknesses. The thickness of the separating layer is 5 to 200 μηη. The thickness of the separating layer is preferably from 10 to 80 .mu.m, more preferably less than 50 .mu.m, more preferably from 10 to 50 .mu.m, more preferably less than 20 .mu.m, in particular from 15 to 30 .mu.m.
Des Weiteren sind u.a. geeignet Polymermembranen, die bevorzugt nach dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus trennen. Dazu gehören z.B. kautschukartige Polymere, Silikonkautschuk, Polyamide, Polyether, Polyamid-Polyether-Blockcopolymere. Furthermore, u.a. suitable polymer membranes, preferably separated by the solution-diffusion mechanism. These include e.g. rubbery polymers, silicone rubber, polyamides, polyethers, polyamide-polyether block copolymers.
Als weitere Beispiele für Polymermembranen sind zu nennen Poly(4-methyl-2-pentin) (PMP) oder PMP gefüllt mit Si02-Nanopartikeln. Beispiele für siliciumhaltige Polymermembranen sind solche aus Polyoctylmethylsiloxan (POMS), Polytrimethylsilylpropin (PTMSP), Polydimethylsiloxan (PDMS) oder Polytriisopropylsilylphenylacetylen. Other examples of polymer membranes include poly (4-methyl-2-pentyne) (PMP) or PMP filled with Si0 2 nanoparticles. Examples of silicon-containing polymer membranes are those of polyoctylmethylsiloxane (POMS), polytrimethylsilylpropyne (PTMSP), polydimethylsiloxane (PDMS) or polytriisopropylsilylphenylacetylene.
Polymermembranen sind jedoch wegen ihres Quellverhaltens in Anwesenheit höherer Kohlenwasserstoffe und damit sinkender Selektivität nicht bevorzugt. However, polymer membranes are not preferred because of their swelling behavior in the presence of higher hydrocarbons and hence decreasing selectivity.
Die Erfindung soll nachstehend durch Beispiele näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung bedeuten The invention will be explained in more detail by examples. In the accompanying drawing mean
Fig. 1 a p-T-Taupunktkurven zur Vorbestimmung der jeweiligen Prozessparameter Fig. 1 a p-T dew point curves for the predetermination of the respective process parameters
- Beispiel A Fig. 1 b p-T-Taupunktkurven in Vorbestimmung der jeweiligen Prozessparameter - Beispiel B Example A 1 b pT dew point curves in predetermination of the respective process parameters - Example B
Fig. 2 Phasenverhalten in Abhängigkeit von Methangehalt und Druck bei Fig. 2 phase behavior as a function of methane content and pressure at
Kondensation von C2+-KW Condensation of C 2+ -KW
Fig. 3 Kaskadentrennung - schematischer Ablauf Fig. 3 cascade separation - schematic sequence
Fig. 4 schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer Membran Fig. 4 is a schematic representation of the layer structure of a membrane
In Fig. 1 a sind p-T-Taupunktkurven zur Vorbestimmung der jeweiligen Prozesspara- meter für folgendes Beispiel A gezeigt (alle Prozente sind Mol-%). FIG. 1 a shows p-T dew point curves for predetermining the respective process parameters for the following example A (all percentages are mol%).
A A
Methan [%] 61 ,7 63,7 70 75 80 85 90 Methane [%] 61, 7 63.7 70 75 80 85 90
Ethan [%] 16 15 12 10 8 6 4Ethane [%] 16 15 12 10 8 6 4
Propan [%] 20,9 19,9 14,6 1 1 ,6 9,7 6,8 3,9Propane [%] 20.9 19.9 14.6 1 1, 6 9.7 6.8 3.9
Butan [%] 0,57 0,57 0,37 0,37 0,27 0, 17 0,07 Butane [%] 0.57 0.57 0.37 0.37 0.27 0, 17 0.07
Die Kurven zeigen von links nach rechts die folgenden Anfangskonzentrationen von Methan: 90%, 85 %, 80%; 75 %, 70 %, 63,7 %, 61 ,7 %. The curves show from left to right the following initial concentrations of methane: 90%, 85%, 80%; 75%, 70%, 63.7%, 61, 7%.
In Fig. 1 b sind p-T-Taupunktkurven zur Vorbestimmung der jeweiligen Prozessparameter für folgendes Beispiel B gezeigt (alle Prozente sind Mol-%). FIG. 1 b shows p-T dew point curves for the predetermination of the respective process parameters for Example B below (all percentages are mol%).
B B
Methan [%] 90 86 82 78 74 70 Methane [%] 90 86 82 78 74 70
Ethan [%] 4 6 8 9 11 12Ethane [%] 4 6 8 9 11 12
Propan [%] 2,9 3,9 4,9 5,9 6,9 8Propane [%] 2.9 3.9 4.9 5.9 6.9 8
Butan [%] 1 ,4 2,4 3,4 5,4 6,4 8,4Butane [%] 1, 4 2.4 3.4 5.4 6.4 8.4
Stickstoff Rest Nitrogen rest
Die Kurven zeigen von links nach rechts die folgenden Anfangskonzentrationen von Methan: 90 %, 86 %, 82 %, 78 %, 74 %, 70 %. The curves show from left to right the following initial concentrations of methane: 90%, 86%, 82%, 78%, 74%, 70%.
In Fig. 2 ist die Möglichkeit zur Verflüssigung von C2+-Komponenten aus einer Kohlenwasserstoffmischung bei einer konstanten Temperatur von -3 °C gezeigt. In Fig. 2, the possibility for liquefying C 2+ components from a hydrocarbon mixture at a constant temperature of -3 ° C is shown.
Dabei befindet sich das Feed rechtsseitig der Kurve im Einphasenbereich (Gas- Bereich), wohingegen bei Durchschreitung dieser Kurve, durch membranvermittelte Absen- kung der Methankonzentration, der Permeatraum durch einen Zweiphasenbereich auf der linken Seite der Kurve gekennzeichnet ist (Gas-Flüssig-Bereich). The feed is located on the right side of the curve in the single-phase region (gas region), whereas when passing through this curve, through membrane-mediated reduction of the methane concentration, the permeate is characterized by a two-phase region on the left side of the curve (gas-liquid region). ,
Generell ist dies in Bezug auf die Fig. 1 a, 1 b und 2 für jede vorliegende Gasmischung zunächst festzustellen, um eine geeignete Aussage für eine membrangesteuerte Taupunkteinstellung vorzunehmen. Wird beispielsweise das Gas aus Fig. 1 b mit 70 % Methan bei konstant 10 bar von 20 °C auf -40 °C abgekühlt, fallen höhere Alkane aus. Dies ist für das Gas mit 90 % Methananteil nicht möglich. Im vereinfachten Fall aus Fig. 2 ist dieses Phasenverhalten verfahrensrelevant für Änderungen des Druckes dargestellt. Der Permeatdruck muss so eingestellt werden, dass noch Kondensation des höheren Alkans eintritt, während die Membran das höhere Alkan im Permeatraum prozentual anreichert. Sind beide Parameter verfahrenstechnisch richtig eingestellt, kann das höhere Alkan kondensieren. In general, this is first to be determined with reference to FIGS. 1 a, 1 b and 2 for each gas mixture present in order to make a suitable statement for a diaphragm-controlled dew point adjustment. If, for example, the gas from FIG. 1 b is cooled from 20 ° C. to -40 ° C. with 70% methane at a constant 10 bar, higher alkanes precipitate. This is not possible for the gas with 90% methane content. In the simplified case of FIG. 2, this phase behavior is relevant to the process for changes in pressure. The permeate pressure must be adjusted so that condensation of the higher alkane still occurs, while the membrane enriches the higher alkane in the permeate space in percent. are both parameters set correctly in terms of process engineering, the higher alkane can condense.
In Fig. 3 ist schematisch eine Kaskadentrennung dargestellt, wobei zur weiteren Anreicherung der C2+-Fraktion eine Aufkonzentration der C2+-Fraktion über dem In Fig. 3, a cascade separation is shown schematically, wherein for further enrichment of the C 2+ fraction, a concentration of C 2+ fraction over the
Permeatraum nachgeschaltete Membranen erfolgt. Permeatraum downstream membranes takes place.
Fig. 4 zeigt den Aufbau eines Zeolith-Trennkörpers als Membran mit den einzelnen Schichten. Fig. 4 shows the structure of a zeolite separating body as a membrane with the individual layers.
Variante A option A
MFI-Trennschicht 1 (oben) nach der Zusammensetzung von 100 Mol Si02 : 0, 169 Mol Al203 : 3,3 Mol TPABr : 3,3 Mol TPAOH : 3,3 Mol Na20 : 2000 Mol H20, darunter MF- Schicht 2 aus MFI, darunter eine Korund-MF-Schicht 3, darunter die Korundstützschicht 4. MFI separation layer 1 (top) after the composition of 100 moles of Si0 2 : 0, 169 moles Al 2 O 3 : 3.3 moles TPABr: 3.3 moles TPAOH: 3.3 moles Na 2 0: 2000 moles H 2 0 including MF layer 2 of MFI, including a corundum MF layer 3, including the corundum support layer 4.
Variante B Variant B
MFI-Trennschicht 1 (oben) nach der Zusammensetzung von 100 Mol Si02 : 0, 169 Mol AI2O3 : 0,6 Mol TPABr : 0,0 Mol TPAOH : 3,3 Mol Na20 : 2000 Mol H20, darunter MF- Schicht 2 aus MFI, darunter Korund-MF-Schicht 3, darunter Korundstützschicht 4. MFI separation layer 1 (above) after the composition of 100 moles of SiO 2 : 0, 169 moles of Al 2 O 3 : 0.6 moles of TPABr: 0.0 moles of TPAOH: 3.3 moles of Na 2 O: 2000 moles of H 2 O, below MF layer 2 made of MFI, including corundum MF layer 3, including corundum support layer 4.
Beispiel 1 Synthese der Membraneinheit Example 1 Synthesis of the membrane unit
Zur Erzeugung der Silikalithmembranen für die Gastrennung, insbesondere zur Trennung höherer Kohlenwasserstoffe von Methan, werden Korundmonokanäle mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einem Innendurchmesser von 7 mm und einer Länge von 125 mm verwendet. Die Träger weisen im Innern zudem eine vom Hersteller versehene Mikrofiltrationsschicht aus Korund mit einer durchschnittlichen Porenweite von 200 nm auf. Die Enden sind mit Glaslot versiegelt. To produce the Silikalithmembranen for gas separation, in particular for the separation of higher hydrocarbons of methane, Korundmonokanäle be used with an outer diameter of 10 mm, an inner diameter of 7 mm and a length of 125 mm. The carriers also have inside a microfiltration layer of corundum provided by the manufacturer with an average pore width of 200 nm. The ends are sealed with glass solder.
Für die mesoporöse Zeolithschicht wird ein Silikalith mit einem Si/Al-Molverhältnis > 500 mittels einer Rührwerkskugelmühle mit deionisiertem Wasser als Dispersionsmittel ohne sonstige Zusätze auf eine Feinheit von di0 = 0,25, d5o = 0,43 und d90 = 0,80 μηη gemahlen. Mittels einer 5%igen Suspension aus dem gemahlenen Silikalith, der ein Bindemittel, z. B. Polydiallyldimethylammoniumchlorid, zugesetzt ist, werden die Korundträger über Schlickergießen beschichtet. Es bildet sich nach einer Standzeit von 5 min unter den gegebenen Bedingungen eine Schichtdicke von 25 μηη. For the mesoporous zeolite layer, a silicalite having a Si / Al molar ratio> 500 is reduced to a fineness of di 0 = 0.25, d 5 o = 0.43 and d 90 = 0 by means of an agitating ball mill with deionized water as a dispersing agent without any other additives , 80 μηη ground. By means of a 5% suspension of the ground silicalite containing a binder, e.g. As polydiallyldimethylammonium chloride is added, the corundum carriers are coated by Schlickergießen. It forms after a lifetime of 5 min under the given conditions, a layer thickness of 25 μηη.
Vor der Synthese wird der im Innern mit gemahlenen Silikalith-Kristallen beschichtete Prior to the synthesis, the inside is coated with ground silicalite crystals
Korundträger bei 700 °C für 1 h temperaturbehandelt. Corundum carrier at 700 ° C for 1 h temperature treated.
Die Syntheselösung zur Ausbildung eines geschlossenen Films auf der mesoporösen Silikalithschicht weist eine Zusammensetzung von 100 Mol Si02 : 0,169 Mol Al203 : 3,3 Mol TPABr : 3,3 Mol TPAOH : 3,3 Mol Na20 : 2000 Mol H20 auf. Eine durchschnittliche Schicht- dicke von 40 bis 75 μηη wird beobachtet. Das Fließverhalten einer Membran nach dieser Synthese liegt bei 4,7 ml/min bei einer Druckdifferenz auf der Feed und Permeatseite von 1 bar. The synthesis solution for forming a closed film on the mesoporous silicalite layer has a composition of 100 moles Si0 2 : 0.169 moles Al 2 O 3 : 3.3 moles TPABr: 3.3 moles TPAOH: 3.3 moles Na 2 O: 2000 moles H 2 0 on. An average layer thickness of 40 to 75 μm is observed. The flow behavior of a membrane after this synthesis is 4.7 ml / min at a pressure difference on the feed and permeate side of 1 bar.
Eine weitere Membran mit geschlossenem, aber dünnerem Film, wird nach dem Syntheseansatz von 100 Mol Si02 : 0, 169 Mol Al203 : 0,6 Mol TPABr : 0,0 Mol TPAOH : 3,3 Mol Na20 : 2000 Mol H20 (Elektronenmikroskopie - Abbildung 2) hergestellt. Eine durchschnittliche Schichtdicke von 17 bis 23 μηη wird beobachtet. Das Fließverhalten einer Membran nach dieser Synthese liegt bei 18,5 ml/min bei einer Druckdifferenz auf der Feed und Permeatseite von 1 bar. Another membrane with a closed, but thinner film, according to the synthesis approach of 100 mol Si0 2 : 0, 169 mol Al 2 0 3 : 0.6 mol TPABr: 0.0 mol TPAOH: 3.3 Mol Na 2 0: 2000 mol H 2 O (electron microscopy - Figure 2). An average layer thickness of 17 to 23 μm is observed. The flow behavior of a membrane after this synthesis is 18.5 ml / min at a pressure difference on the feed and permeate side of 1 bar.
Als Siliziumquelle dient Levasil® 300/30%, welches eine geringe Menge Al203 enthält.As silicon source Levasil ® 300/30%, which contains a small amount of Al 2 0 3 .
Dadurch lag das Si/Al-Mol-Verhältnis bei 300. TPABr steht für Tetrapropylammoniumbromid, TPAOH für Tetrapropylammoniumhydroxid. Bei dem verwendeten Wasser handelt es sich um deionisiertes Wasser. Vor der Synthese werden die Träger mit Teflonband umwickelt. Thus, the Si / Al mole ratio was 300. TPABr is tetrapropylammonium bromide, TPAOH is tetrapropylammonium hydroxide. The water used is deionized water. Before the synthesis, the carriers are wrapped with Teflon tape.
Die Hydrothermalsynthese erfolgt im Autoklaven bei 180 °C für 24 h. Nach der Synthese wird das Teflonband entfernt und die Membranen in deionisiertem Wasser gespült. Nach einer Raumtrocknung von 3 Tagen erfolgt die Kalzinierung bei 450 °C für 5 h. The hydrothermal synthesis is carried out in an autoclave at 180 ° C for 24 h. After synthesis, the Teflon tape is removed and the membranes are rinsed in deionized water. After a space drying of 3 days, the calcination is carried out at 450 ° C for 5 h.
Beispiel 2 bis 17 Abtrennung von C2+-Kohlenwasserstoffen durch Taupunktunter- schreitung Examples 2 to 17 Separation of C 2+ hydrocarbons by dew point undershooting
Die aus Beispiel 1 erhaltenen Trennkörper zeichnen sich durch ihren asymmetrischen Aufbau aus. Dabei ist ein geschichteter Aufbau kennzeichnend. Im vorliegenden Fall sind keramische Trennrohre mit innen liegender Trennschicht gekennzeichnet durch (von außen nach innen) Schicht 4: Al203-Stützkörper (ca. 1 ,5 mm), Schicht 3: AI203-Mikrofiltrations- schicht (ca. 40 μηη), Schicht 2: MFI-Keimschicht (ca. 30 μηη), Schicht 1 : MFI-Trennschicht (ca. 30 μηη). Die Membranen werden unter verschiedenen Bedingungen auf ihr Permea- tionsverhalten getestet. Dazu werden diese in ein Edelstahlmodul montiert, wobei eine Abdichtung zum Permeatraum erfolgte. Zum Durchführen von Permeationstests bei verschiedenen Temperaturen wird das Modul erwärmt bzw. abgekühlt. Entsprechend einem Einsatz unter praxisrelevanten Bedingungen herrscht auf der Permeatseite während der Messung ein stets geringerer Druck als auf der Feedseite. Der Druck auf der Feedseite wird mittels Hinterdruckregler auf die Testwerte eingestellt. Der Retentatfluss wurde während der Messung konstant gehalten, indem eine Anpassung des Feedflusses an den Permeatfluss erfolgt. Retentat wird mittels GC-Analytik untersucht. Permeat wird ebenfalls mittels GC- Analytik untersucht und der kondensierte Kohlenwasserstoffanteil volumetrisch bestimmt. Daraus resultieren verschiedene Anteile verflüssigbarer C2+-Anteile im Permeatraum in Abhängigkeit von Temperatur, Druck (Feed), Druck (Permeat) und Methananteil bezogen auf die Gesamtkohlenwasserstoffmischung. Folgende Tabelle 1 gibt einige dieser Austestungs- ergebnisse exemplarisch für eine Erdgastrennung mit 9 % C2+-Bestandteilen (Hauptbestandteil Butan mit 4,7 %, sonst Propan 2,7 %, Ethan 1 ,6 %) wieder. The separating bodies obtained from Example 1 are characterized by their asymmetric structure. Here, a layered structure is characteristic. In the present case, ceramic separating tubes with an internal separating layer are characterized by (from outside to inside) layer 4: Al 2 O 3 support body (about 1.5 mm), layer 3: Al 2 O 3 microfiltration layer (approx. 40 μηη), layer 2: MFI seed layer (about 30 μηη), layer 1: MFI separation layer (about 30 μηη). The membranes are tested for their permeation behavior under different conditions. These are mounted in a stainless steel module, with a seal to the permeate space. To perform permeation tests at different temperatures, the module is heated or cooled. According to an application under practical conditions prevails on the permeate side during the measurement always lower pressure than on the feed side. The pressure on the feed side is adjusted to the test values by means of a back pressure regulator. The retentate flow was kept constant during the measurement by adjusting the feed flow to the permeate flow. Retentate is analyzed by GC analysis. Permeate is also analyzed by GC analysis and the condensed hydrocarbon fraction determined volumetrically. This results in different proportions of liquefiable C 2+ components in the permeate space as a function of temperature, pressure (feed), pressure (permeate) and methane content based on the total hydrocarbon mixture. The following Table 1 gives some of these test results as an example for a natural gas separation with 9% C 2+ components (main component butane with 4.7%, otherwise propane 2.7%, ethane 1, 6%).
Tabelle 1 Table 1
4 20 1 0 0,00 4 20 1 0 0.00
5 20 1 -25 0,27 5 20 1 -25 0.27
6 30 20 50 0,00 6 30 20 50 0.00
7 30 20 25 0,32 7 30 20 25 0.32
8 30 20 0 0,57 8 30 20 0 0.57
9 30 20 -25 0,69 9 30 20 -25 0.69
10 70 30 50 2,04 10 70 30 50 2.04
1 1 70 30 25 2,54 1 1 70 30 25 2.54
12 70 30 0 2,91 12 70 30 0 2.91
13 70 30 -25 3,21 13 70 30 -25 3.21
14 200 70 50 3,92 14 200 70 50 3.92
15 200 70 25 4,53 15 200 70 25 4.53
16 200 70 0 4,99 16 200 70 0 4.99
17 200 70 -25 5,21 17 200 70 -25 5.21
Beispiele 18 bis 28 Examples 18 to 28
In vergleichbarer Weise wie in Beispiel 2 wurde eine Druckdifferenz-abhängige Anreicherung von n-Butan aus einem Methan/n-Butan-Gemisch im Permeatraum gefunden (Tabelle 2). In a manner comparable to Example 2, a pressure-difference-dependent accumulation of n-butane from a methane / n-butane mixture in the permeate space was found (Table 2).
26 27,1 72,9 95,0 5,0 26 27.1 72.9 95.0 5.0
30 50 30 50
19,8 80,2 90,0 10,0 19.8 80.2 90.0 10.0
27 25,2 74,8 95,0 5,0 27 25.2 74.8 95.0 5.0
30 60 30 60
18,2 81 ,8 90,0 10,0 18.2 81, 8 90.0 10.0
28 26,9 73,1 95,0 5,0 28 26.9 73.1 95.0 5.0
30 70 30 70
21 ,3 78,7 90,0 10,0 21, 3 78.7 90.0 10.0
Aus Tabelle 2 ist die Stoffmengenerhöhung C4 im Permeat gegenüber dem Feedanteil deutlich zu erkennen. Ist der Druck im Permeatraum genügend hoch, fällt n-Butan in flüssiger Form an. From Table 2, the Stoffmengenerhöhung C 4 in the permeate over the feed fraction can be clearly seen. If the pressure in the permeate space is sufficiently high, n-butane accumulates in liquid form.
Beispiele 29 bis 36 Abtrennung von C2+-Kohlenwasserstoffen durch Taupunkt- unterschreitung an FAU Zeolithmembranen Examples 29 to 36 Separation of C 2+ hydrocarbons by dew point under FAU zeolite membranes
Die Austestung der FAU-Membran erfolgte analog zum Beispiel 2. Folgende Tabelle 3 gibt einige dieser Austestungsergebnisse exemplarisch für eine Erdgastrennung mit 9 % C2+-Bestandteilen (Hauptbestandteil Butan mit 4,7%, sonst Propan 2,7 %, Ethan 1 ,6 %) wieder. The FAU membrane was tested analogously to Example 2. The following Table 3 gives some of these test results as an example for a natural gas separation with 9% C 2+ components (main component butane with 4.7%, otherwise propane 2.7%, ethane 1, 6%) again.
Tabelle 3 Table 3
Beispiele 37 bis 44 Abtrennung von C2+-Kohlenwasserstoffen durch Taupunkt- unterschreitung einer Silikamembran mit einer Porengröße von 1 nm Examples 37 to 44 separation of C 2+ hydrocarbons by dew point below a silica membrane with a pore size of 1 nm
Die Austestung der Silikamembran mit einer Porengröße von 1 nm erfolgte analog zum Beispiel 2. Folgende Tabelle 4 gibt einige dieser Austestungsergebnisse exemplarisch für eine Erdgastrennung mit 9 % C2+-Bestandteilen (Hauptbestandteil Butan mit 4,7 %, sonst Propan 2,7 %, Ethan 1 ,6 %) wieder. The testing of the silica membrane with a pore size of 1 nm was carried out analogously to Example 2. The following Table 4 gives some of these test results as an example for a natural gas separation with 9% C 2+ components (main component butane with 4.7%, otherwise propane 2.7% , Ethane 1, 6%) again.
Tabelle 4Table 4
in bar in bar in °C Fraktion in l/(h*m2) in bar in ° C fraction in l / (h * m 2 )
37 20 1 0 0 37 20 1 0 0
38 20 1 -25 0,84 38 20 1 -25 0.84
39 30 20 25 1 ,44 39 30 20 25 1, 44
40 30 20 0 2,48 40 30 20 0 2.48
41 30 20 -25 3,15 41 30 20 -25 3.15
42 70 30 25 7,67 42 70 30 25 7.67
43 70 30 0 12,02 43 70 30 0 12.02
44 70 30 -25 18,78 44 70 30 -25 18.78
Beispiele 45 bis 52 Abtrennung von C2+-Kohlenwasserstoffen durch Taupunkt- unterschreitung einer Silikamembran mit einer Porengröße von 2 nm Examples 45 to 52 Separation of C 2+ hydrocarbons by dew point below a silica membrane with a pore size of 2 nm
Die Austestung der Silicamembran mit einer Porengröße von 2 nm erfolgte analog zum Beispiel 2. Folgende Tabelle 5 gibt einige dieser Austestungsergebnisse exemplarisch für eine Erdgastrennung mit 9 % C2+-Bestandteilen (Hauptbestandteil Butan mit 4,7 %, sonst Propan 2,7 %, Ethan 1 ,6 %) wieder. The testing of the silica membrane with a pore size of 2 nm was carried out analogously to Example 2. The following Table 5 gives some of these test results as an example for a natural gas separation with 9% C 2+ components (main component butane with 4.7%, otherwise propane 2.7%). , Ethane 1, 6%) again.
Tabelle 5 Table 5
Claims
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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