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Dokumentenidentifikation DE69623246T2 17.04.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0781601
Titel Entfernung von Öl aus einem komprimierten Gas mit makroporösem Polymeradsorptionsmittel
Anmelder MG Generon, Inc., Malvern, Pa., US
Erfinder Bowman, Reid Henry, Walnut Creek, California 94595, US;
Goltz, H. Robert, Midland, Michigan 48642, US
Vertreter von Bülow, T., Dipl.-Ing.Dipl.-Wirtsch.-Ing.Dr.rer.pol., Pat.-Anw., 81545 München
DE-Aktenzeichen 69623246
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.12.1996
EP-Aktenzeichen 964203657
EP-Offenlegungsdatum 02.07.1997
EP date of grant 28.08.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.04.2003
IPC-Hauptklasse B01J 20/26
IPC-Nebenklasse B01J 20/28   B01D 53/02   B01D 53/04   B01D 53/22   

Beschreibung[de]

Membranen für die Trennung von Gasgemischen durch selektive Permeabilität sind allgemein bekannt und wurden seit beträchtlicher Zeit kommerziell verwendet. Diese Membranen werden üblicherweise als Module verkauft, die so aufgebaut sind, daß sie dem strömenden Gas eine große Membranoberfläche darbieten. Diese Module werden vorort in Produktionsanlagen oder Verfahren verwendet, wo ein an speziellen Gaskomponenten angereicherter Gasstrom benötigt wird und wo die vorort verfügbare Quelle eine Mischung von Gasen ist, die die gewünschte Komponente in ungenügender Konzentration enthält. Beispiele dieser Arten von Trennungen, die von diesen Membranen durchgeführt werden können, sind Stickstoff und Sauerstoff von Luft; Helium aus einer Mischung von Helium und Stickstoff; Wasserstoff und Kohlendioxid aus einer Wasserstoff-/Kohlendioxidmischung; Wasserstoff und Methan von Naturgas; Kohlendioxid und Methan von Naturgas und ähnlichen Mischungen; und Argon von Mischungen aus Argon und Stickstoff.

Die Membranen wurden in einer Vielzahl von Konfigurationen und Dimensionen benutzt, wobei Hohlfasern und Folien hauptsächlich sind. Hohlfasermembranen sind im Durchmesser mit menschlichem Haar vergleichbar. Module dieser Fasern enthalten mehrere hunderttausend oder mehr solcher Fasern, die in Bündeln für einen parallelen Fluß angeordnet sind, wobei die Module Passagen enthalten, um den Fluß des ankommenden Gases durch die Membranen zu leiten und das Permeat zu sammeln und das Permeat und restliche Ströme an separaten Auslässen zu sammeln. Bei Modulen, die für eine stirnseitige Zufuhr ausgelegt sind, wird das ankommende Gas zu Faserlumen geleitet, während bei Modulen, die für eine gehäuseseitige Zufuhr bestimmt sind, das ankommende Gas zur Faseraußenseite geleitet wird, wobei das Permeat von der Gehäuseseite bzw. der Stirnseite abgezogen wird. Bei einem typischen Modul mit blattförmiger Membran ist die Membran um ein zentrales Rohr herum spiralig gewickelt, wobei die Spirale zusätzlich ein oder mehrere Abstandhalterblätter enthält, die zwischen die Membranblätter gelegt sind. Das ankommende Gas wird der Spirale entweder von deren Außenfläche zugeführt, um nach innen zu permeieren oder von dem zentralen Rohr zum Permeieren nach außen, wobei das Permeat in beiden Fällen radial durch die Spirale fließt und entweder das Permeat oder der Rest oder beides entsprechend gesammelt wird. Um das Gas durch diese Membranen zu zwingen, wird eine Druckdifferenz benötigt, die normalerweise zwischen ca. 2 (13,8 kPa) bis ca. 10 pounds per square inch (69 kPa) beträgt. Der Eingangsdruck wird so ausgewählt, daß er dieser Differenz entspricht, wobei der Lieferdruck (der Druck des Permeieren und des Restes, der das Modul verläßt) generell in der Größenordnung von ca. 25 psia (75 kPag, 175 kPa) bis ca. 190 psia (1210 kPag, 1310 kPa) liegt. Meistens liegt der Einlaßdruck im Bereich von ca. 60 psia (314 kPag, 414 kPa) bis ca. 200 psia (1280 kPag, 1380 kPa). Die Abkürzung "psia" bezeichnet "pounds per square inch absolut", "kPa" bezeichnet "Kilopascal" und "kPag" bezeichnet Kilopascalüberdruck (d. h. Kilopascal über Atmosphärendruck).

Der Einlaßdruck wird häufig durch Kompressoren auf diese Werte angehoben, wobei die Kompressoren Schmieröle sowohl in flüssiger als auch Dampf form in den Gasstrom einleiten, womit die Membran verschmutzt und ihre Trennleistung verringert wird. Um Störungen des Membranbetriebes zu vermeiden, muß der Ölgehalt auf den Bereich von Teilen pro Milliarde verringert werden, bevor der Luftstrom das Membransystem erreicht. Der meiste Teil des flüssigen Öles kann durch relativ grobe Einheiten entfernt werden, wie z. B. koaleszierende Filter, die den Anteil von flüssigem Öl von ursprünglich 5 bis 10 ppm bis 1 ppm oder weniger verringern (all diese Konzentrationen auf Gewichtsbasis). Die weitere Reduk tion des flüssigen Öles und des Öldampfes wird derzeit durch die Verwendung granulärer Aktivkohle erreicht, die den Ölgehalt auf weniger als 10 ppb verringert, wie in der EP-A-0 358 915 beschrieben.

Allerdings haben viele Gasmischungen, insbesondere komprimierte Luft, eine hohe relative Feuchtigkeit, die mit Aktivkohle inkompatibel ist, da die Kohle ihre Adsorptionsfähigkeit bei relativer Feuchte von über 50% verliert. Verwendet man beispielsweise Luft, so besteht eine derzeit verwendete Methode zur Verringerung der Feuchtigkeit darin, nachdem der Hauptteil der Feuchtigkeit in der Kompressoreinheit selbst entfernt wurde, die komprimierte Luft durch einen Gefriertrockner und eine Heizeinrichtung zu leiten, bevor die Luft die koaleszierenden Filter erreicht. Der Trockner kondensiert mehr Wasser aus, indem die Luft auf ca. 2ºC gekühlt wird und der Heizer bringt die Luft wieder auf Raumtemperatur, so daß die resultierende Luft eine relative Feuchte von ca. 30% hat. Der Gefriertrockner und Heizer sind aufwendige Einheiten, die teuer zu betreiben und zu warten sind und trotz ihrer Verwendung erfordert die Aktivkohle noch häufiges Austauschen oder Regeneration. Zusätzlich erzeugt Aktivkohle einen Staub, der zu Verunreinigungen des Luftstromes beitragen kann und zu Umweltverschmutzungen führt, dadurch, daß Partikel in die Atmosphäre abgelassen werden. Aus der US-A-4 102 647 ist bekannt, daß polymerische Adsorbentien geeignet sein können, einen Ölnebel aus einem Gasstrom in einem Gasanalysator zu entfernen.

Sowohl für Luft als auch für Gasmischungen allgemein würde die Kosteneffizienz und die Kontinuität des Betriebes mit einem System verbessert werden, das keine Absenkung der Feuchtigkeit unter 50% erfordert, das keine häufige Regeneration des Adsorbens erfordert und das ohne Umweltschädigungen aufgrund des Risikos des Abführens von Partikeln in die Atmosphäre einfach gehandhabt werden kann. Diese und andere Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wurde nun festgestellt, daß der Anteil von Schmieröl in einem komprimierten Gas von einem Gaskompressor auf einen Bereich reduziert werden kann, der einem Gastrennungsmembransystem nicht schädlich ist, indem das komprimierte Gas durch ein makroporöses polymerisches Adsorbens des Typs geleitet wird, der früher für die Adsorption von flüchtigen organischen Gemischen mit niedrigem Molekulargewicht aus Gas und Flüssigkeitsströmen verwendet wurde. Das Adsorbens behält seine Sorptionsfähigkeit bei Feuchtigkeiten bis zu 90% bei und hält seine Sorptionsfähigkeit auf einem Funktionswert für Zeitperioden, die mindestens mehrfach länger sind als die von Aktivkohle. Das Adsorbens hat weiter einen hohen Widerstand gegen Zusammendrücken und ist in Formen erhältlich, die leicht zu handhaben sind und ein kleines oder kein Risiko einer Staubbildung haben.

Bei dem in dem Abschnitt "Hintergrund" dieser Beschreibung genannten System eliminiert der Austausch des Bettes von Aktivkohle durch ein makroporöses polymerisches Adsorbens die Notwendigkeit, eine niedrige relative Feuchtigkeit zu erreichen und folglich die Notwendigkeit eines Gefriertrockners und Heizers, Komprimiertes Gas kann beim Verlassen des Kondensatseparators im Kompressor etwas erwärmt werden, um so wenig wie 5ºC bis 10ºC und dann direkt zu den koaleszierenden Filtern geschickt werden. Das von den koaleszierenden Filtern ausströmende Gas wird wiederum um ein kleines Inkrement erwärmt und dann durch das makroporöse polymerische Adsorbens geleitet. Das Gas, das den Absorbens verläßt, wird dazu verwendet, in einem Wärmetauscher das Gas aufzuheizen, das in die koaleszierenden Filter eintritt. Das Adsorbens ist in anderen Fließabläufen ebenso effektiv.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die dieser Beschreibung beigefügte Zeichnung zeigt ein Beispiel eines Flußdiagrammes für einen Luftseparationsprozeß gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugte Ausführungsbeispiele

Der Mechanismus auf molekularer Ebene, mittels dessen das makroporöse polymerische Adsorbens das Öl aus dem Gasstrom extrahiert, d. h. ob der Mechanismus technisch gesehen eine Adsorption, eine Absorption oder beides ist, ist nicht genau bekannt. Es wird angenommen, daß der dominierende Mechanismus die Adsorption ist. Dementsprechend werden die Begriffe "Adsorption" und "Adsorbens" in dieser Beschreibung verwendet, obwohl dies primär zur Vereinfachung erfolgt. Die Erfindung ist nicht auf irgendeinen speziellen Mechanismus beschränkt.

Der Ausdruck "makroporös" wird in der Technik als austauschbar mit "makroretikulär" angesehen und bezieht sich allgemein auf poröse Polymere, die Bereiche von dicht gepackten Polyroerketten haben, die durch Hohlräume getrennt sind, die Makroporen bilden. Diese Makroporen haben generell einen Durchmesser von 100A oder größer. Poren von wesentlich kleinerer Größe, die häufig als "Mikroporen" bezeichnet werden, existieren in den Bereichen der gepackten Polymerketten. Die Separation, die die Mikroporen entstehen läßt, kann auf verschiedene Weise erreicht werden, einschließlich Bilden des Polymers in Anwesenheit eines inerten Lösungsmittels oder anderer Porenbildner, um die Phasentrennung zu bewirken.

Beispiele von Monomeren, die polymerisiert werden können, um makroporöse polymerische Adsorbentien zu bilden, sind Styrene, Alkylstyrene, Halostyrene, Haloalkylstyrene, Vinylphenole, Vinylbenzylalkohole, Vinylbenzylhalide und Vinylnaphthalene. In den substituierten Styrenen eingeschlossen sind ortho-, meta- und para-substituierte Mischungen. Spezielle Beispiele sind Styrene, Vinyltoluene, Ethylstyrene, t-Butylstyrene und Vinylbenzylchloride, einschließlich Ortho-, Meta- und Para-Isoinere solcher Monomere, deren Molekularstruktur diese Art von Isomerisation erlaubt. Weitere Beispiele von Monomeren sind polyfunktionale Mischungen. Eine bevorzugte Klasse sind Polyvinyliden-Mischungen, Beispiele davon sind Divinylbenzene, Trivinylbenzene, Ethylenglycoldimethacrylate, Divinylsulfide und Divinylpyridine. Bevorzugte Polyvinyliden-Mischungen sind di- und trivinyl aromatische Mischungen. Polyfunktionale Mischungen können ebenfalls als Verkettungsmittel für die Monomere der ersten Gruppe verwendet werden.

Eine bevorzugte Methode für die Herstellung des polymerischen Adsorbens ist das Aufquellen des Polymers mit einem Quellmittel, dann Vernetzen des Polymers im gequollenen Zustand, entweder als reine Vernetzungsreaktion oder zusätzlich zum Vernetzen, das vor dem Aufquellen durchgeführt wird. Wenn ein Quellmittel verwendet wird, wird jegliche vor dem Quellen durchgeführte Vernetzungsreaktion mit einem ausreichenden Vernetzungsmittel durchgeführt, um zu veranlassen, daß das Polymer aufquillt, wenn es mit dem Quellmittel in Kontakt kommt, anstatt daß es in dem Mittel aufgelöst wird. Der Grad der Vernetzung wird, unabhängig von der Stufe, bei der sie durchgeführt wird, auch die Porosität des Polymers beeinflussen und kann zur Erreichung einer bestimmten Porosität verändert werden. Bei diesen Veränderungen kann die Proportion des Vernetzungsmittels in weitem Umfange variieren und die Erfindung ist nicht auf spezielle Bereiche beschränkt. Dementsprechend kann das Vernetzungsmittel im Bereich von ca. 0,25% des Polymers bis ca. 45% liegen. Generell werden beste Resultate mit ungefähr 0,75% bis ca. 5% des Vernetzungsmittels relativ zu dem Polymer er reicht, wobei das verbleibende (nicht vernetzte) Monomer ca. 95% bis ca. 99,25% bildet (alle Prozentsätze in Gewichtsprozent).

Andere makroporöse polymerische Adsorbentien, die zur Ausführung der Erfindung nützlich sind, sind Kopolymere von einem oder mehreren monoaromatischen Monomeren mit einem oder mehreren nicht-aromatischen Monovinyliderunonomeren. Beispiele von letzterem sind Methylacrylat, Methyl-Metaacrylat und Methylethylacrylat. Wenn vorhanden, bilden diese nicht-aromatischen Monomere vorzugsweise weniger als 30 Gewichtsprozent des Kopolymers.

Das makroporöse polymerische Adsorbens wird mittels herkömmlichen Techniken hergestellt, wobei Beispiele in verschiedenen US-Patenten genannt sind. Beispiele sind: Meitzner et al., US-Patent Nr. 4,297,220; Meitzner et al., US-Patent Nr. 4,382,124; Harris et al., US-Patent Nr. 4,564,644; Schneider et al., US-Patent Nr. 5,079,274; Goltz et al., US-Patent Nr. 5,288,307; Stringfield et al., US-Patent Nr. 4,950,332; und Norman et al., US-Patent Nr. 4,965,083.

Für Polymere, die aufgequollen und dann im gequollenen Zustand vernetzt sind, kann das auf das Aufquellen folgende Vernetzen in verschiedener Weise durchgeführt werden, was ebenfalls in den oben zitierten Patenten beschrieben ist. Eine Methode ist zuerst das Polymerhaloalkylieren, dann es zu quellen und zu vernetzen durch Reaktion der Haloalkylhalbscheide mit aromatischen Gruppen benachbarter Ketten, um eine Alkylbrücke zu bilden. Haloalkylierung wird durch herkömmliche Mittel erreicht, von denen ein erstes Beispiel das Quellen des Polymers unter nicht-reaktiven Bedingungen mit dem haloalkylierenden Mittel ist, wobei ein Friedel- Crafts-Katalysator, der in dem haloalkylierenden Mittel gelöst ist, eingeschlossen ist. Wenn das Polymer aufgequollen ist, wird die Temperatur auf einen Reaktionspegel angehoben und solange aufrechterhalten, bis der gewünschte Grad der Haloalkylierung erreicht ist. Beispiele von haloalkylierenden Mitteln sind Chloromethyl-Methyl-Ether, Brommethyl-Methyl- Ether und eine Mischung aus Formaldehyd und Hydrochloridsäure. Nach der Haloalkylierung wird das Polymer weiter gequollen durch Kontakt mit einem inerten Quellmittel. Beispiele sind Dichlorethan, Chlorobenzene, Dichlorobenzene, Ethylendichloride, Methylenchloride, Porpylen-Dichloride und Nitrobenzene. Ein Friedel-Crafts-Katalysator kann ebenso in dem Quellmittel aufgelöst sein, da der Katalysator bei der nachfolgenden Vernetzungsreaktion verwendet wird. Die Temperatur wird dann auf einen Wert von ca. 60ºC bis ca. 85ºC in Anwesenheit des Katalysators angehoben und die Brückenbildungsreaktion schreitet voran. Wenn die Brückenbildungsreaktion vollständig ist, wird das Quellmittel durch Lösungsmittelextraktion, Waschen, Trocknen oder in Kombination dieser Schritte entfernt.

Die Porengröße, die Verteilung und relativen Eigenschaften des fertiggestellten Adsorbens können in großem Umfange variieren und für die Erfindung sind keine speziellen Bereiche kritisch. Bei den meisten Anwendungen werden die besten Resultate bei einer Porosität (gesamtes Porenvolumen) innerhalb eines Bereiches von ca. 0,5 bis ca. 1,5 cc/g des Polymers erhalten. Ein bevorzugter Bereich liegt bei ca. 0,7 bis ca. 1,3 cc/g. Innerhalb dieser Bereiche liegt die von den Makroporen beigefügte Menge (d. h. Poren mit einem Durchmesser von 100Å oder größer) vorzugsweise im Bereich von 0,025 bis 0,6 cc/g und noch bevorzugt bei ca. 0,04 bis ca. 0,5 cc/g. Die Oberfläche des Polymers, die durch die Nitrogenadsorptionsmethode, wie z. B. die gut bekannte BET-Methode, gemessen wird, wird bei den meisten Anwendungen innerhalb des Bereiches von ca. 150 bis ca. 2100 m²/g liegen und vorzugsweise zwischen ca. 400 bis 1400 m²/g. Der durchschnittliche Porendurchmesser wird meistens zwischen ca. 10Å bis ca. 100Å liegen.

Die Form des makroporösen polymerischen Adsorbens ist ver gleichsweise nicht kritisch und kann beliebige Form haben, die in der Lage ist, einen fließenden Druckluftstrom aufzunehmen und in Kontakt mit ihm zu sein. Bevorzugt sind granuläre Partikel und Körner, deren Größe im Bereich von ca. 50 bis ca. 5000 Mikron liegt, wobei ein Bereich von ca. 500 bis ca. 3000 Mikron besonders bevorzugt wird. Ein Kontakt mit dem Adsorbens kann durch herkömmliche Fließanordnungen des Gases erreicht werden, wie sie typischerweise bei Wirbelbetten oder Füllbetten verwendet werden. Das Adsorbens kann auch in einer Kartusche eingeschlossen sein, um leicht entfernt und ausgewechselt zu werden und um einen besser kontrollierten Gasstromweg, wie z. B. einen radialen Strom zu erreichen.

Das makroporöse polymerische Adsorbens kann unter weiten Einsatzbedingungen wirkungsvoll arbeiten. Die Temperatur wird vorzugsweise in einem Bereich liegen, der keine weitere Kondensation von Dämpfen oder irgendeine Änderung der physikalischen oder chemischen Form des Adsorbens bewirkt. Bevorzugte Arbeitstemperaturen liegen innerhalb eines Bereiches von ca. 5ºC bis 75ºC und noch bevorzugter zwischen ca. 10ºC und ca. 50ºC. Allgemein wird ein Betrieb bei Umgebungstemperatur oder zwischen Umgebungstemperaturen von 10 bis 15ºC oberhalb Umgebungstemperatur zufriedenstellendere Resultate bringen. Der Druck der komprimierten Luft, die in das Adsorbensbett eintritt, kann ebenfalls weit variieren und liegt vorzugsweise zwischen ca. 115 kPa (2 psig) und ca. 7000 kPa (1000 psig). Der Druck wird allgemein durch die Anforderungen an das Membransystem und an die Fabrikanlagen, in denen das produzierte Gas verwendet wird, bestimmt. Ein typischer Druckbereich liegt zwischen ca. 795 kPa (100 psig) und ca. 2170 kPa (300 psig). Die Verweilzeit des komprimierten Gases in dem Adsorbensbett wird meistens zwischen ca. 0,01 Sekunden und ca. 5 Sekunden liegen und vorzugsweise zwischen ca. 0,3 Sekunden und ca. 3,0 Sekunden. Die Raumgeschwindigkeit des komprimierten Gases durch das Bett wird meistens innerhalb eines Bereiches von ca. 3,05 cm/s (0,1 Fuß) bis ca. 152,5 cm/s (5 Fuß) liegen, wobei ein Bereich von ca. 9,15 cm (0,3 Fuß) pro Sekunde bis ca. 91,5 cm (3 Fuß) pro Sekunde bevorzugt ist. Schließlich kann die relative Feuchtigkeit jeglichen Wert bis zu 100% haben, obwohl der bevorzugte Bereich der relativen Feuchtigkeit zwischen ca. 25% und ca. 90% liegt.

Flüssiges Öl und Ölnebel, die gemäß der Erfindung aus dem komprimierten Gas zu entfernen sind, beinhalten sowohl mineralische Ölderivate und Petroleum-Derivate als Schmieröle und haben generell einen weiten Bereich von Molekulargewichten, Viskositäten und Tröpfchengrößen. Öle von besonderem Interesse im Zusammenhang mit dieser Erfindung sind solche mit Molekulargewichten von ca. 300 und darüber, vorzugsweise von ca. 300 bis ca. 2500 und noch bevorzugter von ca. 350 bis ca. 700. Eine Komprimierung des Gases kann durch herkömmliche Kompressoren erreicht werden. Beispiele sind Zentrifugenkompressoren, Drehflügelkompressoren, Kompressoren mit hin- und hergehenden Kolben und Diaphragma-Kompressoren.

Der Gasstrom, der das makroporöse polymerische Adsorbens verläßt, wird hier als "im wesentlichen ölfrei" bezeichnet. Dieser Ausdruck meint, daß der Ölgehalt gering genug ist, um schädliche Effekte auf die Trenneigenschaften der Membran zu vermeiden, auf die der Gasstrom geleitet wird. Obwohl es keine genauen Vorstellungen oder Bereiche gibt, wird ein "Fouling" der Membran in den meisten Fällen bei Ölgehalten von ca. 100 ppb oder weniger erreicht, vorzugsweise bei ca. 50 ppb oder weniger, und noch bevorzugter bei ca. 10 ppb oder weniger.

Bei der bevorzugten Verwendung der Erfindung wird das meiste Öl in dem komprimierten Gas stromaufwärts des makroporösen polymerischen Adsorbens entfernt, was dem Adsorbensbett überläßt, Ölnebel zu entfernen, der mit Werten von ungefähr 1 ppm oder weniger, ebenfalls als Öldampf eintritt. Unter den verschiedenen Filtertypen zum Absenken des Ölgehaltes auf diesen Wert sind koaleszierende Filter hervorragend, die von verschiedenen Herstellern erhältlich sind, beispielsweise von Zander Filter Systems Inc., Norcross, Georgia, USA; Wilkerson Corp., Englewood, Colorado, USA; Pall Process Filtration Co., East Hills, New York, USA; und Domnick Hunter Inc., Charlotte, North Carolina, USA.

Membranen und Membransysteme, die durch die makroporösen Adsorbentien gemäß dieser Erfindung geschützt werden sollen, sind gut bekannt und weit verbreitet. Beispiele der verschiedenen Polymere, aus denen diese Membranen hergestellt sind, sind Polyimide, Copolyimide, Polyamide, Polyarylate, Poly-4- Methyl-1-Pentene, Polytrimethylsilylpropyne, asymmetrische aromatische Polysulfone, sulfonierte Polysulfone, bis A- Plysulfone, Polyether-Sulfone, fluorinierte Polyether-Sulfone, Polyethylene Terephthalate, Polycyanoarylether und Bisphenol Polycarbonate sowie auch einige der Polymere, die mit Beschichtungen und Additiven hinzugefügt sind. Beschreibungen einiger dieser Polymere und der hieraus gebildeten Membranen sind in den folgenden Patenten zu finden, die nach Patentinhabern aufgelistet sind:

Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, Pennsylvania, USA:

Rao et al., US-Patent Nr. 5,104,425 (14. April 1992); Anand et al., US-Patent Nr. 5,073,175 (17. Dezember 1991), Burgoyne, Jr. etal., US-Patent Nr. 5,061,298 (29. Oktober 1991); Meier et al., US-Patent Nr. 5,045,093 (3. September 1991); Sorensen, US-Patent Nr. 5,043,067 (27. August 1991); Meier et al., US-Patent Nr. 5,042,993 (27. August 1991); Tien et al., US-Patent Nr. 5,034,027 (23. Juli 1991); Anand et al., US-Patent Nr. 5,013,338 (7. Mai 1991); Surnamer et al., US-Patent Nr. 5,013,332 (7. Mai 1991); Angus et al., US-Patent Nr. 5,009,679 (23. April 1991); Tien et al., US-Patent Nr. 5,007,945 (16. April 1991); DiMartino, Sr. et al., US-Patent Nr. 5,006,132 (9. April 1991);

Permea, Inc., St. Louis, Missouri, USA:

Rice et al., US-Patent Nr. 5,030,251 (9. Juli 1991); Malon et al., US-Patent Nr. 5,013,767 (7. Mai 1991); Malon et al., US-Patent Nr. 4,992,221 (12. Februar 1991);

Union Carbide Industrial Gases Technology Corporation, Danbury, Connecticut, USA:

Prasad et al., US-Patent Nr. 5,122,355 (16. Juni 1992); Prasad et al., US-Patent Nr. 5,102,432 (7. April 1992); Prasad et al., US-Patent Nr. 5,084,073 (28. Januar 1992); Schaub, US-Patent Nr. 5/077,029 (31. Dezember 1991); Bikson et al., US-Patent Nr. 5,071,448 (10. Dezember 1991); Bikson et al., US-Patent Nr. 5,067,971 (26. November 1991); Kawakami et al., US-Patent Nr. 5,055,114 (8. Oktober 1991); Handley, US-Patent Nr. 5,041,149 (20. August 1991); Bikson etal., US-Patent Nr. 5,026,479 (25. Juni 1991); Haas et al., US- Patent Nr. 5,004,482 (2. April 1991); Kawakami et al., US-Patent Nr. 4,994,095 (19. Februar 1991);

E. I. duPont de Nemours & Company, Wilmington, Delaware, USA:

Ekiner et al., US-Patent Nr. 5,085,676 (4. Februar 1992); Feiring et al., US-Patent Nr. 5,084,548 (28. Januar 1992); Kritzan, US-Patent Nr. 5,080,698 (14. Januar 1992); Hayes, US-Patent Nr. 5,076,817 (31. Dezember 1991); Arthur, US- Patent Nr. 5,073,176 (17. Dezember 1991);

Übe Industries, Ltd., Yamaguchi, Japan:

Makino et al., US-Patent Nr. 4,474,858 (2. Oktober 1984); Makino et al., US-Patent Nr. 4,460,526 (17. Juli 1984); Makino et al., US-Patent Nr. 4,378,400 (29. März 1983); Makino et al., US-Patent Nr. 4,370,290 (25. Januar 1983);

The Dow Chemical Company, Midland, Michigan, USA:

Mahon, US-Patent Nr. 3,228,876 (11. Januar 1966); Mahon, US-Patent Nr. 3,228,877 (11. Januar 1966); McLain, US-Patent Nr. 3,422,008 (14. Januar 1969); Caskey et al., US-Patent Nr. 4,929,259 (29. Mai 1990); Caskey et al., US-Patent Nr. 4,961,760 (9. Oktober 1990); Edwards et al., US-Patent Nr. 5,013,331 (7. Mai 1991); Trimmer et al., US-Patent Nr. 5,013,437 (7. Mai 1991); Trimmer, US-Patent Nr. 5,211,728 (18. Mai 1993).

Die Erfindung ist allgemein anwendbar auf die Verwendung von Membranen zum Trennen von Gasmischungen. Wie oben erwähnt, sind Beispiele für Gastrennungen, die durch die Erfindung abgedeckt sind, die Extraktion von stickstoffreichen und/oder Sauerstoff reichen Strömen aus Luft; die Extraktion von angereichertem Heliumstrom aus einer Mischung von Helium und Stickstoff; die Extraktion von wasserstoffreichen und/oder kohlendioxidreichen Strömen aus Wasserstoff- /Kohlendioxidmischungen oder/anderen Gasmischungen, die diese Komponenten enthalten; die Extraktion von wasserstoffreichen, kohlendioxidreichen und/oder methanreichen Strömen aus Naturgas oder ähnlichen Mischungen; und die Extraktion von argonreichen Strömen aus einer Mischung von Argon und Stickstoff oder von anderen Mischungen, die Argon enthalten. Membranmaterialien, die für jede dieser Trennungen geeignet sind, sind in den oben aufgelisteten Patenten beschrieben, und es ist für den Fachmann auf dem Gebiet der Gastrennungsmembrantechnologie ohne weiteres ersichtlich.

Eine interessierende Anwendung für die Praxis dieser Erfindung ist die Extraktion von stickstoffreichen und/oder sauerstoffreichen Strömen aus Luft. Bevorzugte Membranmaterialien für diese Art von Trennung sind Bisphenol-Polycarbonate, insbesondere solche, die durch die folgende Formel dargestellt sind

In dieser Formel sind die R¹-Gruppen entweder die gleichen oder unterschiedlichen innerhalb irgendeiner einzelnen Bisphenoluntergruppe (der eingeklammerte Teil in der Formel) und in ähnlicher Weise entweder dieselben oder unterschiedlichen innerhalb unterschiedlicher Bisphenoluntergruppen in einer einzigen Polymerkette oder unter verschiedenen Polymerketten. In ähnlicher Weise sind die R²&supmin; Einheiten entweder gleiche oder unterschiedliche innerhalb unterschiedlicher Bisphenoluntergruppen in einer einzelnen Polymerkette oder unter verschiedenen Polymerketten. Die R¹-Gruppen sind definiert als H, Cl, Br oder C&sub1;-C&sub4;-Alkyl. Die R²-Gruppen sind definiert als Carbonyl (-C(O)-), thio (-S-) Sulfonyl (-SO&sub2;-) Oxy (-O-), eine C&sub1;-C&sub6; divalentes Hydrocarbonradikal, ein C&sub1;-C&sub6; divalentes halo-substitutes Hydrocarbonradikal oder ein inert substituiertes C&sub1;-C divalentes Hydrocarbonradikal. Innerhalb dieser Definitionen bedeutet "halo-substituiert" vorzugsweise fluor-, chlor- oder brom-substituiert, und "inert substituiert" vorzugsweise (C&sub1;-C&sub3; aIkoxy)-substituiert, (C&sub1;-C&sub3; alkylthio)-substituiert oder hydroxy-substituiert. Der Index n ist eine positive ganze Zahl, so daß das Polymer ein ausreichendes Molekulargewicht hat, um eine Membran zu bilden, die geeignete Charakteristiken als Gastrennungsmembran hat. Meistens hat das Polymer ein durchschnittliches Molekulargewicht von ca. 50 000 oder größer, und vorzugsweise von ca. 100 000 bis ca. 300 000. In Ausdrücken des Wertes von n sind bevorzugte Polymere solche, bei denen n eine Durchschnittszahl von 50 oder größer hat, und noch bevorzugter von 100 bis 1000.

Bei den meisten dieser Membranen mit mindestens 25 Gewichtsprozent der Bisphenoluntergruppen in dem Polymer sind solche, bei denen die R¹-Gruppen exklusiv Br, Cl oder Mischungen von Br und Cl sind. Bevorzugter sind solche mit mindestens 35%, und vorzugsweise mindestens 75 Gewichtsprozent, bei denen die Bisphenoluntergruppen R¹-Gruppen haben, die ausschließlich aus Br, Cl oder Mischungen von Br und Cl bestehen. Insbesondere bevorzugt sind solche, bei denen die R¹-Gruppen alle entweder Br, Cl oder Mischungen dieser beiden enthalten. Polymere, bei denen die R¹-Gruppenentweder alle aus Cl oder alle aus Br in im wesentlichen allen Bisphenoluntereinheiten bestehen, wie z. B. solche, die aus Tetrachlorobisphenolen oder Tetrabromobisphenolen hergestellt sind, sind noch mehr bevorzugt. Polymere aus Tetrabromobisphenolen sind am meisten bevorzugt. Wenn R¹-Gruppen, die keine Halogene sind, eingeschlossen sind, sind bevorzugte solche Gruppen H und Methyl.

Bevorzugte Gruppen für R&sub2; sind C&sub1;-C&sub6; divalent Hydrocarbonradikale, insbesondere C&sub1;-C&sub6; Alkylidene (gesättigtes Hydrocarbon)- Radikale, mit Isopropylidenen (-C(CH&sub3;)&sub2;-) sind am meisten bevorzugt.

Bevorzugte Bisphenoluntergruppen in der Formel sind solche, die aus 2,2-bis(3,5-Brom-4-Hydroxyphenyl)Propan oder 2,2- bis(3,5-Chlor-4-Hydroxaphenyl)Propan hergestellt sind. Von diesen ist 2,2-bis(3,5-Brom-4-Hydroxyphenyl)Propan am meisten bevorzugt.

Die Herstellung von Bisphenol-Polycarbonaten ist in der Polymerindustrie bekannt. Irgendeiner verschiedener herkömmlichen Prozesse können angewandt werden.

Eine Herstellungsmethode ist die direkte Reaktionsmethode, bei der Phosgen mit einem Bisphenol reagiert, was in geeigneter Weise mit dem Substitut des gewünschten Polymerproduktes substituiert ist, um das Polymer in Lösung herzustellen.

Die Reaktion kann in einer Lösung mit einem Polymerlöser durchgeführt werden, wie z. B. Methylenchlorid, und einem Säureakzeptor, wie z. B. Pyridin. Das Polymer wird dann als organische Lösung gewonnen, nach mehreren Wässerungen, um überschüssigen Säureakzeptor zu entfernen und das Reaktionsnebenprodukt, das das Hydrochlorid des Säureakzeptors ist. Eine modifizierte Version dieser Methode besteht darin, daß das Bisphenol und 1-3 Molprozent des entsprechenden monofunktionalen Phenols in wässrigem Natriumhydroxid aufgelöst oder geschlämmt werden. Dann wird das Polymerlösungsmittel hinzugefügt, zusammen mit einer katalytischen Menge eines terziären Amines und die resultierende Mischung wird rasch gerührt, während das Phosgengas hinzugefügt wird. Nach Vervollständigung der Reaktion werden die Phasen separiert, und die Polymerlösung wird mit Wasser gewaschen und mit Säure extrahiert, um den Katalysator zu entfernen.

Eine andere Methode ist die Transesterisierung. Nach dieser Methode reagiert Phosgen mit einem entsprechend substituierten Phenol, um das korrespondierende Diphenylcarbonat zu erzeugen, indem das Phosgen durch eine wässrige Ätzlösung des Phenols geleitet wird oder indem ein Zweiphasenreaktionsmedium verwendet wird, wie in der modifizierten Version der direkten Reaktionsmethode. In beiden Fällen wird das unreine Diphenylcarbonat durch Extraktion mit einer gelösten Base gereinigt, um die restlichen Phenylchloroformate zu hydrolieren und zu entfernen, gefolgt von einer Destillation. Die Polymerisation wird dann durch Kombinieren des Diphenylcarbonates mit einem entsprechend substituierten Bisphenol in Anwesenheit eines basischen Katalysators, wie z. B. Kalziumacetat oder Natrium, Kalium- oder Lithiumcarbonat unter geeigneten Polymersationsbedingungen durchgeführt.

Das von diesen Herstellungsmethoden resultierende Polymer wird durch den Fachmann bekannte Methoden zu Membranen geformt. Typischerweise wird das Polymer mit einem flüssigen Lösungsmittel und einem flüssigen Nicht-Lösungsmittel zur Bildung einer Mischung kombiniert, die dann erwärmt wird, um ein homogenes extrudierbares Fluid zu bilden. Das Fluid wird dann zu der gewünschten Konfiguration für die Membran extrudiert und durch eine Abschreckzone geleitet, in der die Membran mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, die eine sehr geringe Löslichkeit für das Polymer hat, um den größten Anteil des Lösungsmittels und des Nicht-Lösungsmittels zu entfernen. Flüssigkeiten, die als Lösungsmittel geeignet sind, enthalten Glykolether, Dialkylketone, substituierte Morpholine, Pyrrolidinone und substituierte Benzene. Ein speziell bevorzugtes Lösungsmittel ist N-Methylpyrrolidon. Das Nicht-Lösungsmittel ist eine Flüssigkeit, die das Polymer nicht zu einem spürbaren Grad bei Extrusionstemperaturen auflöst und die dadurch bei der Bildung der Poren in dem fertiggestellten Polymer hilft. Flüssigkeiten, die als Nicht-Lösungsmittel nützlich sind, sind Glykole und Glykolether, Ester, Alkanole, Zyklohexane, Alkane, Dialkylketone, Amide, Nitrile und Aldehyde. Besonders bevorzugte Nicht-Lösungsmittel sind Triethylenglykol und Polyethylenglykol mit Molekulargewichten bis zu ca. 400. Die Verarbeitungszusammensetzung (Extrusionsmischung) enthält generell von ca. 30 Gewichtsprozent bis ca. 60 Gewichtsprozent des Polymers, und vorzugsweise von ca. 50 Gewichtsprozent bis ca. 55 Gewichtsprozent. Das Gewichtsverhältnis des Lösungsmittels zu dem Nicht-Lösungsmittel liegt vorzugsweise zwischen ca. 2,0 und ca. 2,4. Methylenchlorid wird häufig als Lösungsmittel verwendet.

Obwohl die Membran eine große Vielzahl von Konfigurationen annehmen kann, einschließlich ebene Blätter, hohle Röhren und hohle Fasern, sind die am meisten bevorzugten Konfigurationen Blätter und hohle Fasern. Bevorzugte Membranmaterialien für spiralig gerollte Blätter sind asymmetrische aromatische Polysulfone, sulfonierte Polysulfone, bis A-Polysulfone, Polyether-Sulfone, fluorinierte Polyether-Sulfone. Bevorzugte Membranmaterialien für Fasern sind Bisphenolpolycarbonate.

Die Faserform wird der Membran in der Extrusionsstufe aufgeprägt, wie oben erwähnt. Während der Härtungsphase wird die Faser dadurch an einem Kollabieren gehindert, daß ein Kernfluid durch den hohlen Kern der Phase geleitet wird. Die Härtungszone besteht aus einer Lufthärtungszone, der eine Flüssigkeitshärtungszone folgt, wobei das Kernfluid in der Lufthärtungszone zugeführt wird. Das Kernfluid ist allgemein ein Gas, wie Luft, Stickstoff oder Argon, und wird mit einem Druck von ca. 24,9 bis ca. 124,5 Pa (0,1 bis ca. 0,5 inch von Wasser) zugeführt. Die Flüssigkeitshärtungszone verwendet eine niedriglösende Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser. Die Membran kann dadurch getrocknet werden, daß sie vorbei strömender Luft oder einem Inertgas bei Temperaturen zwischen ca. 20ºC und ca. 80ºC ausgesetzt wird.

Bevorzugte Hohlfasern für die Verwendung bei der Erfindung sind solche, deren Außendurchmesser von ca. 50 Mikron bis ca. 400 Mikron beträgt, wobei ein Bereich von ca. 75 Mikron bis ca. 250 Mikron bevorzugt ist. Das Verhältnis zwischen äußerem und innerem Durchmesser liegt vorzugsweise zwischen ca. 1,15 und ca. 2,5, wobei ein Bereich zwischen ca. 1,25 und ca. 1,70 bevorzugter ist. Der Trennungsfaktor (auch als "Alpha" bezeichnet) für Sauerstoff und Stickstoff bei 30ºC liegt vorzugsweise bei ca. 3,0 oder größer, und bevorzugter bei ca. 5,0 oder größer, wobei ca. 7,0 besonders bevorzugt ist. Der Trennungsfaktor ist definiert als das Verhältnis der Permeabilität oder des Flusses für schneller permeatierendes Gas (Sauerstoff) zur Permeabilität oder Fluß des langsamer permeatierenden Gases (Stickstoff). Die Gaspermeabilität für Sauerstoff liegt vorzugsweise bei mindestens ca. 0,5 Barrers, und bevorzugter bei mindestens ca. 4,0 Barrers. Bevorzugte Membranen haben einen Durchfluß von ca. 3,0 · 10&supmin;&sup6; scm³/cm²&supmin;(cm Hg)-sec oder größer, bevorzugter ca. 8,0 · 10&supmin;&sup6; scm³/cm² -(cm Hg)-sec oder größer, noch mehr bevorzugt bei mindestens ca. 10,0 · 10&supmin;&sup6; cm³/cm² -(cm Hg) sec oder größer, noch mehr bevorzugt bei ca. 15,0 · 10&supmin;&sup6; scm³/cm²&supmin;(cm Hg) sec oder größer, und am meisten bevorzugt innerhalb eines Bereiches von mindestens ca. 15,0 · 10&supmin;&sup6; bis ca. 100,0 · 10&supmin;&sup6; scm³/cm²&supmin;(cm Hg)-sec.

Hohlfasern, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, und Polymere, aus denen sie hergestellt sind, sind im Sanders, Jr., et al., US-Patent Nr. 4,772,392 (20. September 1988); Anand, et al., US-Patent Nr. 4,818,254 (4. April 1989); Anand, et al., US-Patent Nr. 4,840,646 (20. Juni 1989); Jeanes, US-Patent Nr. 4,851,014 (25. Juli 1989); Jeanes, US-Patent Nr. 4,874,401 (17. Oktober 1989); Sanders, et al., US-Patent Nr. 4,955,993 (11. September 1990); und Trimmer, US-Patent Nr. 5,211,728 (18. Mai 1993) beschrieben. Die relevanten Teile von jedem dieser Patente sind für alle rechtlichen Zwecke hierdurch durch Bezugnahme eingefügt.

Hohlfasern der beschriebenen Art werden generell bei Modulen verwendet, bei denen die Fasern in einem Bündel angeordnet sind, welches in einem Gehäuse eingeschlossen ist, das einem ankommenden Luftstrom entweder durch oder um die Faserlumen herum richtet und das sauerstoffreiche Permeat durch die Faserwände gelangt aus dem sauerstoffverarmten Reststrom durch separate Auslaßöffnungen. Module, die die ankommende Luft in die Faserlumen leiten, werden als Stirnseitenzufuhrmodule bezeichnet, während solche, die die ankommende Luft zur Außenseite der Fasern leiten, werden als Gehäuseseitenzufuhrmodule bezeichnet.

In beiden Fällen werden die Module vorzugsweise mit Einlaßdrücken verwendet, die in einem Bereich von ca. 276 kPa (40 psia) bis ca. 6900 kPa (1000 psia) liegen, und bevorzugter von ca. 413 kPa (60 psia) bis ca. 1252 kPa (200 psia). Die Druckdifferenz längs der Fasermembranen wird mit der Membrandichte und dem Einlaßdruck variieren, wird jedoch vorzugsweise zwischen ca. 3,5 kPa (0,5 psia) und ca. 138 kPa (20 psia) liegen, und noch bevorzugter zwischen ca. 13,8 kPa (2 psia) und ca. 69 kPa (10 psia). Die gesamte aktive Ober fläche der Fasern in dem Bündel liegt in einem Bereich von ca. 30 bis ca. 3000 Quadratmeter, vorzugsweise von ca. 100 bis ca. 1000 Quadratmeter.

Geeignete Module zur Verwendung bei er vorliegenden Erfindung sind in folgenden Patentschriften beschrieben: Mahon, US-Patent Nr. 3,228,876 (11. Januar 1966); Mahon, US-Patent Nr. 3,228,877 (11. Januar 1966); McLain, US-Patent Nr. 3,422,008 (14. Januar 1969); Caskey, et al., US-Patent Nr. 4,929,259 (29. Mai 1990); Caskey, et al., US-Patent Nr. 4,961,760 (9. Oktober 1990); Edwards, et al., US-Patent Nr. 5,013,331 (7. Mai 1991); Trimmer, et al., US-Patent Nr. 5,013,437 (7. Mai 1991); und Trimmer, US-Patent Nr. 5,211,728 (18. Mai 1993).

Die dieser Beschreibung beigefügte Zeichnung zeigt ein Beispiel eines Flußschemas für die Herstellung eines stickstoffreichen Gases aus Luft gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Luftkompressor 11 zieht atmosphärische Luft und führt sie unter erhöhtem Druck zu einem Luftaufnahmetank 12, aus dem ein Kondensat 13 abgezogen wird. Weitere Feuchtigkeit 14 wird durch einen Feuchtigkeitsseparater 15 entfernt, aus welchem die austretende komprimierte Luft bei ca. 28ºC und ca. 100% relativer Feuchtigkeit liegt. Die ausströmende Luft wird durch einen platten- und-rahmenförmigen Gegenstromwärmetauscher 16 geführt, der durch wärmere, stromabwärtige Luft geringfügig erwärmt wird. Die erwärmte Luft wird dann durch ein Paar von koaleszierenden Filtern geleitet, die in Serie angeordnet sind, wobei der erste ein grobes koaleszierendes Filter 17 und der zweite ein feines koales zierendes Filter 18 ist. Luft, die aus letzterem abströmt, wird erwärmt 19, wobei die Temperatur auf ca. 35-40ºC angehoben wird, dann durch ein gepacktes Bett von makroporösen polymerischen Adsorbenspartikeln 20 geleitet wird. Ölfreie Luft (weniger als 1 ppb Öl), die aus dem gepackten Bett 20 abströmt, wird zum Gegenstromwärmetauscher 16 zurückgeleitet, wo sie dazu dient, die aus dem Feuchtigkeitsseparator 15 stam mende Luft zu erwärmen. Nach Verlassen des Gegenstromwärmetauschers 16 strömt die ölfreie Luft durch ein Partikelfilter 21 und von dort durch ein Modul 22 von Hohlfasermembranen. Das Modul enthält eine Seitenöffnung 23, aus der sauerstoffreiches Permeat austritt, während der Stickstoff reichere Rest 24 als separater Strom austritt.

Die folgenden Beispiele werden lediglich zur Illustration geschildert.

Beispiele

Eine Vorrichtung wurde zusammengestellt, bei der komprimierte Luft mit ungefähr 20-25ºC, ungefähr 1,136 kPa (150 psig) (Bereich: 965-1275 kPa (125-170 psig)), und mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von ungefähr 28% (Bereich: 18-40%) in ein gepacktes Bett eines makroporösen polymerischen Adsorbens in einer Edelstahlröhre mit einer Länge von 30,5 cm (12 inches) und einem Standarddurchmesser von 1,27 cm (¹/&sub2;- inch) (Innendurchmesser 0,44 inch, 1,12 cm) geleitet. Luft, die aus dem gepackten Bett austrat, wurde einem Partikelfilter zugeführt und dann einer Laborfiltermembraneinheit, die ca. 100 Fasern aus 2,2-bis(3,5-Brom-4-Hydroxyphenyl)Propanpolycarbonat enthielt, von denen jede eine Länge von ungefähr 30,5 bis 45,7 cm (12 bis 18 inches) aufwies. Durchfluß- und Druckmesser wurden sowohl am Einlaß als auch am Auslaß der Fasermembraneinheit angebracht.

In separaten Experimenten wurden zwei makroporöse polymerische Adsorbentien getestet, wobei in noch weiteren Experimenten das Adsorbens durch vier Typen von granulärer Aktivkohle ersetzt wurde. Die beiden polymerischen Adsorbentien waren DOWEX® OPTIPORE® V493 und V502, Produkte der The Dow Chemikal Company, Midland, Michigan, USA, die beide als Methylen vernetzte Copolymere von Styren und Divinylbenzenen beschrieben sind, mit den folgenden Eigenschaften (angegeben vom Hersteller):

Tabelle I Polymerische Adsorbentien

Die Aktivkohle war Calgon Xtrasorb 700, Calgon Centaur und Calgon BPL 4 · 6 coconut, alle von Calgon Carbon Corporation, Catlettsburg, Kentucky, USA und Pittsburgh, Pennsylvania, USA; und Barneby Sutcliffe 208C von Barneby und Sutcliffe, Columbus, Ohio, USA.

Die Durchflußrate durch das Adsorbensbett wurde so ausgewählt, daß die komprimierte Luft mit einer Verweilzeit von 1,0 Sekunde und einer Geschwindigkeit von 1 Fuß pro Sekunde (30,5 cm/sec) betrug. Die Änderung des Flusses, Alpha (Trennungsfaktor) und der Druckabfall (AP) längs des Membranmodules wurden als Funktion der Zeit gemessen.

Die Resultate sind in den Tabellen II, III, IV, V und VI unten gezeigt. Diese Resultate zeigen, daß beide polymerischen Adsorbentien weniger als 4% Flußabfall verursachen und geringfügig mehr als 3% Vergrößerung von Alpha über eine Zeitdauer von zwölf Monaten. Im Vergleich hierzu verursachen Aktivkohlen mehr als 8% Flußabfall und (mit der Ausnahme von Calgon Xtrasorb) eine Vergrößerung von Alpha von 5-9%.

Tabelle II Leistung von Membranmodulen über der Zeit unter Verwendung von stromaufwärtigen polymerischen Adsorbentien
Tabelle II Fortsetzung

(a) Einheiten: 10&supmin;&sup6; scm³/cm²-(cm Hg)-sec

(b) Dimensionslos

(c) Einheiten: Inches von Wasser (mit 1,87 zu multiplizieren zur Umwandlung in mm/Hg und mit 0,249 zur Umwandlung in Kilopascal) Tabelle III

Membranleistung bei Verwendung von CALGON Xtrasorb 700 Aktivierte Kohle

(a) Einheiten: 10&supmin;&sup6; scm3/cm²-(cm Hg)-sec

(b) Dimensionslos

(c) Einheiten: Inches von Wasser (mit 1,87 zu multiplizieren zur Umwandlung in mm/Hg und mit 0,249 zur Umwandlung in Kilopascal) Tabelle IV

Membranleistung bei Verwendung von CALGON CENTAUR Aktivierte Kohle

(a) Einheiten: 10&supmin;&sup6; scm3/cm²-(cm Hg)-sec

(b) Dimensionslos

(c) Einheiten: Inches von Wasser (mit 1,87 zu multiplizieren zur Umwandlung in mm/Hg und mit 0,249 zur Umwandlung in Kilopascal) Tabelle V

Membranleistung bei Verwendung von CALGON CENTAUR Aktivierte Kohle

(a) Einheiten: 10&supmin;&sup6; scm3/cm²-(cm Hg)-sec

(b) Dimensionslos

(c) Einheiten: Inches von Wasser (mit 1,87 zu multiplizieren zur Umwandlung in mm/Hg und mit 0,249 zur Umwandlung in Kilopascal) Tabelle VI

Membranleistung bei Verwendung von Barneby Sutcliff 208C Aktivierte Kohle

(a) Einheiten: 10&supmin;&sup6; scm3/cm²-(ein Hg)-sec

(b) Dimensionslos

(c) Einheiten: Inches von Wasser (mit 1,87 zu multiplizieren zur Umwandlung in mm/Hg und mit 0,249 zur Umwandlung in Kilopascal)


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Trennen einer Gasmischung zu Komponenten durch Permeation durch eine Membran, wobei das Verfahren enthält:

komprimieren der Gasmischung in ölgeschmierten Kompressionseinrichtungen (11) zum Bilden eines Öl-Nebel-enthaltenden komprimierten Gasstromes und Leiten des komprimierten Gasstromes durch ein Gastrennungsmembransystem (22), mit folgenden Schritten:

Richten des komprimierten Gasstromes durch mindestens einen Filter (17, 18) und dann durch eine Heizeinrichtung (19);

Leiten des komprimierten Gasstromes nach Verlassen der Heizeinrichtung durch ein makroporöses polymerisches Adsorbens (20), das zum Adsorbieren von Öl aus einem Gasstrom geeignet ist; und

Übertragen von Wärme aus dem komprimierten Gasstrom, der das makroporöse polymerische Adsorbens verläßt, zu dem komprimierten Gasstrom, bevor der komprimierte Gasstrom in den Filter (17, 18) eintritt, und bevor der aus dem makroporösen polymerischen Adsorbens (20) austretende komprimierten Gasstrom in das Gastrennungsmembransystem (22) eintritt, wobei der Schritt der Wärmeübertragung durch einen Wärmetauscher (16) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schritt des Leitens des komprimierten Gasstromes durch die Heizeinrichtung der Schritt des Leitens des komprimierten Gasstromes durch einen Weg eines Gegenstromwärmetauschers (16) vorangeht, und weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Übertragens von Wärme das Leiten des komprimierten Gasstromes, der das makroporöse polymerische Adsorbens verläßt, durch einen anderen Weg des Gegenstromwärmetauschers enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der komprimierte Gasstrom um einen Wert erwärmt wird, der so gewählt ist, daß die Temperatur des makroporösen polymerischen Adsorbens innerhalb eines Bereichs liegt, der keine weitere Kondensation von Dämpfen bewirkt oder irgendeine Änderung der physikalischen oder chemischen Form des Adsorbens, vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von ca. 5ºC zu ca. 75ºC, und am meisten bevorzugt von ca. 10ºC zu ca. 50ºC.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Schritt des Entfernens von überschüssiger Feuchtigkeit aus dem komprimierten Gasstrom enthält, bevor der komprimierte Gasstrom durch den einen Weg des Gegenstromwärmetauschers geleitet wird.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der komprimierte Gasstrom Öl mit einem Molekulargewicht von mindestens ca. 300 enthält.

6. Vorrichtung zum Trennen einer Gasmischung in Komponenten durch Permeation durch eine Membran, wobei die Vorrichtung ölgeschmierte Kompressionseinrichtungen (11) zum Komprimieren der Gasmischung zur Bildung eines Öl-Nebel-enthaltenden komprimierten Gasstromes enthält, und ein Gastrennungsmembransystem (22), das so angeschlossen ist, daß es das von den Kompressionseinrichtungen komprimierte Gas empfängt, mit:

a) mindestens einem Filter (17, 18) zum Entfernen von Flüssigkeiten aus dem Gasstrom,

b) Mitteln (19) zum Erwärmen des komprimierten Gasstromes, wobei der Gasstrom durch die Heizmittel (19) nach Passieren des Filters (17, 18) strömt,

c) Mitteln zum Richten des komprimierten Gasstromes aus der Heizeinrichtung auf ein makroporöses polymerisches Adsorbens (20), das zum Adsorbieren von Öl aus dem Gasstrom geeignet ist, und

d) einem Wärmetauscher (16) zum Übertragen von Wärme aus dem komprimierten Gasstrom, der das makroporöse polymerische Adsorbens verläßt, zu einem stromaufwärtigen Teil des komprimierten Gasstromes, der noch nicht das Filter (17, 18) erreicht hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsmittel einen Gegenstromwärmetauscher (16) aufweisen, der so angeschlossen ist, daß der stromaufwärtige und der stromabwärtige Teil des komprimierten Gasstromes hindurchgelangt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Partikelfilter (21) zum Filtern des komprimierten Gasstromes vor dessen Eintritt in das Gastrennungsmembransystem (22) auf weist.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Feuchtigkeitstrenner (15) zum Entfernen überschüssiger Feuchtigkeit aus dem komprimierten Gasstrom auf weist, bevor der komprimierte Gasstrom in den Gegenstromwärmetauscher eintritt.

10. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Filter (17, 18) ein koaleszierendes Filter ist.

11. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß der komprimierte Gasstrom Öl mit einem Molekulargewicht von mindestens ca. 300 enthält.







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