[发明专利]用于天然气改质的膜系统

说明书

在先申请的优先权声明

本申请要求2010年12月17日提交的U.S.申请号61/424375的优先权。

发明背景

在过去30-35年中，基于聚合物膜的气体分离工艺的现有技术已经飞速的发展。与传统的分离方法相比，基于膜的技术具有低资本费用和高能量效率的优势。膜气体分离尤其受到石油生产商和精炼商、化学公司以及工业气体供应商的关注。几个申请已经获得商业成功，包括从天然气和生物气中去除二氧化碳和提高石油采收率，和从氮气、甲烷中去除氢气，和从氨冲洗气体流中去除氩气。

然而，已经发现在早期现场实施中如果没有使用预处理系统，膜性能迅速恶化。膜性能损耗的主要原因是重质烃类液体在膜表面冷凝。通过向操作提供足够的基于膜产品气的露点计算的露点距离(margin)可以抑制冷凝。

UOP的MemGuard^TM系统，一种使用分子筛的可再生吸附剂预处理系统，被开发用于和从天然气流中去除水和C₆-C₃₅的重质烃类，由此降低料流的露点。通过预处理系统选择性去除重质烃类可以显著改善膜的性能。

尽管这些预处理系统能够有效地从天然气流中去除重质烃类以控制天然气的露点，但其成本高昂。一些商用膜工程显示预处理系统的成本占到总成本(预处理系统和膜系统)的10-40%，取决于原料组成。降低预处理系统的成本或者全部消除预处理系统将会显著降低天然气改质(upgrade)的膜系统成本。另一方面，近些年，已经越来越多的将膜系统应用到大量的近海天然气改质工程。对于近海工程，占用的空间是较大的约束。因此，对于近海工程降低占用的空间是非常重要的。预处理系统占用的空间也是极高的，超过整个膜系统占用的空间的10-50%。因此，从膜系统中去除预处理系统会显著降低膜系统的成本尤其是对于近海天然气领域。

本发明描述了用于天然气改质的没有高成本的预处理单元的新型膜系统的用途。由于该新型膜系统可以在没有预处理系统下操作，它可以显著降低成本和减少占用的空间。

发明详述

本发明包括一种新型膜系统在天然气改质的用途。该膜系统包括选择性去除C₃-C₃₅的烃类以控制天然气露点的第一阶段膜，和从天然气中选择性去除二氧化碳的第二阶段膜。在本发明中描述的新型膜系统消除了高成本和高占用空间的膜预处理系统的使用。本发明的膜系统不需要级间压缩。这是由于在高压下具有控制露点的天然气从第一膜的渗余物侧出现并且将其直接引入到第二膜作为高压原料。因此，相比目前可商购的包括与膜不相关的预处理系统的膜系统，该膜系统显著降低了用于天然气改质的膜系统的占用的空间和成本。此外，相比目前可商购的用于天然气改质的膜系统，由于使用具有高得多的渗透性和更高的选择性的第二阶段膜，该膜系统显著增加了天然气产品的纯度和产率。

大多数通常用于商业天然气改质领域的膜例如醋酸纤维素和聚酰亚胺是玻璃态聚合物。然而，这些膜不能用于控制天然气的露点，因为它们对CH₄比对C₃-C₃₅的烃类是更加选择性地渗透。当使用这些用于天然气改质的商业玻璃状聚合物膜时，预处理系统是必须的。

在本发明中描述的新型膜系统中用作第一阶段膜的膜对C₃-C₃₅的烃类比对CH₄更加选择性地渗透。在该膜系统中第一阶段膜是由具有固有微孔的聚合物(PIM)制备的。用于制备在本发明中描述的新型膜系统中的第一阶段膜的一些代表性PIM的结构和它们的制备方法在下面示出。

PIM的结构和制备

其他PIM的结构和制备