[發明專利]加速的水合物形成和解離

有效

• 申請號: 200980153790.4
• 申請日: 2009-11-04
• 公開（公告）號: CN102711962A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 約翰·P·奧舍戈維奇;布賴恩·布萊克-科林斯;邁克爾·D·馬克斯;揚·M·斯萊特里
• 申請（專利權）人: 水發電系統有限責任公司
• 主分類號: B01D59/26
• 分類號: B01D59/26
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 程金山

政府的支持和利益

本發明是2005年9月14日由海軍研究局(Office?of?Naval?Research)(ONR)簽發的合同號N00014-05-C-0378的政府支持下進行的。政府具有本發明的某些權利。

相關申請的交叉引用

該PCT申請對應于并且要求2009年10月29日提出的非臨時美國專利申請12/608,464的優先權。該非臨時申請基于并且要求2008年11月5日提出的臨時申請61/111,645的優先權。通過引用并入兩個在先申請的內容。

發明領域

概括地說，本發明涉及利用化合物氣體水合物從氣體混合物分離特定氣體。尤其是，加入添加劑，例如催化劑和消泡劑，以加速工藝速率而允許更高氣體生產量，所述消泡劑減少催化劑的負面效果并允許水合物的快速、受控解離。

發明背景

籠形水合物和半籠形物(以下稱作“氣體水合物”或“水合物”，除了需要區別時以外)的工業合成應用包括脫鹽、氣體儲存、氣體傳輸以及氣體分離。為了開發工業工藝，在過去的50年中，對這些體系的應用物理化學領域進行了相當多工作。據我們所知，還沒有人成功提出過用于氣體分離的可行創新(雖然一些工業規模上用于運輸和脫鹽的籠形水合物基工藝似乎接近于成功)。使用氣體水合物體系分離氣體是近來的嘗試，它主要集中于從燃燒的廢氣提取CO₂以阻止將其排放到大氣中。

概括地說，籠形水合物和半籠形物是一類非化學計量結晶固體，其由以一系列籠形式排布的水分子形成，所述籠可以容納一個或多個寄宿在籠中的客體分子。對于籠形水合物，整個結構通過水“主體”分子與氣體“客體”之間的色散力穩定。除了一個客體參與水網絡的形成之外，半籠形物與籠形水合物非常相似。這個特殊客體性質上可以是離子，其中四丁基銨陽離子為典型的實例。

由兩種以上分子(例如，甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、硫化氫、氮等)形成的水合物有數個名字：化合物水合物、混合氣體水合物、混合客體水合物或二元水合物。每種水合物形成物種從任意氣體混合物相對優先進入水合物形成反應并且每種水合物具有一系列可以容納客體的籠尺寸。四丁基銨陽離子半籠形物在這點上不同于籠形水合物，因為它們僅具有一個小籠。因此，它們相對于籠形水合物更具尺寸選擇性。可以使用化合物水合物的受控形成，以基于對籠合作用的化學優先性的高低或通過混合物中的尺寸棄除(“分子篩選”)分離氣體。高度優先的物種在水合物的物種中占支配地位而低優先程度的氣體并未以其在初始混合物中的百分比進入水合物中并以此被“棄除”。類似地，過大而不適合水合物籠的氣體被棄除；再一次地，相比籠形水合物，對于半籠形物這更加關鍵。

水合物的可控人工制備是挑戰性的，因為可能需要加速水合物形成和解離的自然速率以使其可被用作完全工業化工藝的基礎。水合過程的反應速率的加速集中于作為用于水合物形成和解離的催化劑的一類特定的分子的作用。已經發現對比于未催化的體系，催化劑將水合物形成和解離反應的速率增加幾個數量級。參見Ganji等(2007)“不同表面活性劑對于甲烷水合物的形成速率、穩定性和儲存能力的影響(Effect?of?different?surfactants?on?methane?hydrate?formation?rate，stability?and?storage?capacity)”Fuel?86，434-441(″Ganji?2007)。一些現有技術的參考文獻集中于氣體水合物的人工生長方面。各種增加生長速率(例如美國專利5,424,330)以及在更低壓力下促進水合物生長(美國專利6,855,852(被Rovetto等質疑(2006)“氣體水合物形成在熱力學上是通過水溶助劑分子促進的？”，流動相平衡(FluidPhase?Equilbria)，247(1-2)，84-89))的添加劑的使用，或者通過加入另外的水合物形成“輔助劑(helper)”氣體(美國專利6,602,326和6,797,039)被認為僅影響了形成速率而不是總工藝速率，或生產量。看來，關于完全處理氣體以實現氣體分離或任意其它目的，未以系統方式研究這些加速方法對解離的影響。不僅必須加速水合物形成，而且不應當抑制工藝的任何其它階段。

發明概述