[發明專利]用于氣體分離的交聯聚乙二醇聚合物膜

在審

• 申請號: 201980094516.8
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN113613763A
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 丹尼爾·J·哈里根
• 申請（專利權）人: 沙特阿拉伯石油公司
• 主分類號: B01D67/00
• 分類號: B01D67/00;B01D53/22;B01D69/02;B01D69/12;B01D71/52;B01D71/54
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 程鋼

本文公開了一種聚合物膜、利用所述聚合物膜的氣體分離方法以及制備所述聚合物膜的方法。所述聚合物膜包含根據式(I)的交聯聚乙二醇網絡聚合物：(式(I))

相關申請的交叉引用

本申請要求于2019年3月4日提交的美國申請序列號16/291,563的優先權，該美國申請的全部公開內容據此以引用方式并入。

技術領域

本公開的實施方案通常涉及交聯聚乙二醇網絡聚合物的聚合物膜、制備這些膜的方法以及用這些膜分離氣流的方法。

背景技術

天然氣是可以減少世界對用于發電的液體燃料的依賴的能源。然而，許多天然氣儲層含有酸性氣體(諸如二氧化碳(CO₂)和硫化氫(H₂S))、更高價值的重烴、惰性氣體和其他不合需要的化合物的痕量組分的復雜混合物。CO₂和/或H₂S與水的組合在某些濃度下可能是腐蝕性的，這可能會導致管道或其他設備的破壞。此外，CO₂的存在降低天然氣的熱值。因此，從天然氣儲層獲得的天然氣或“產出氣”必須在分配和使用之前進行加工，以去除這些不合需要的組分。這些組分的大量去除將減少膜后處理單元(諸如酸性氣體胺洗滌和低溫冷凝)的數量并且將增加進料氣體質量和流量。

膜技術已成為高效氣體分離工藝的常用替代方法。與用于酸性氣體分離(例如，酸性氣體胺洗滌)的常規方法相比，由于可制造性、低的材料成本、穩固的物理特征和合適的固有傳輸特性(即，小分子通過膜)，聚合物膜在膜技術領域受到極大的研究關注。然而，已知設計用于氣體分離的聚合物膜在滲透性和選擇性之間做出取舍。此外，還有其他重大的材料挑戰，諸如必須解決的物理老化和塑化。

玻璃狀聚合物(諸如醋酸纖維素(CA)和聚醚嵌段酰胺(諸如可從Arkema獲得))由于其高熱穩定性而用于從天然氣中去除酸性氣體。CA聚合物膜可用于CO₂分離，并且與其他市售膜相比，表現出大約30的相對高的純氣體二氧化碳/甲烷(CO₂/CH₄)選擇性。然而，由于聚合物膜在大于800psi的高氣流壓力下或在存在大量高級烴(即，C₇+)污染物的情況下容易塑化，因此與其他市售膜相比，諸如CA的玻璃狀聚合物表現出相對低的H₂S/CH₄混合氣體選擇性(約30)并且表現出非常低的CO₂滲透性(約5巴勒)。這些低質量不符合一些工業要求。此外，常規的CA膜可能會在含有少至1體積百分比(體積％)H₂S的氣流中溶脹和塑化，從而降低其選擇性并限制其適用性。在存在較大量的H₂S的應用中，可以使用常規的聚醚嵌段酰胺膜(諸如)。然而，聚醚嵌段酰胺膜表現出約12的低CO₂/CH₄選擇性。此外，這些常規的聚合物需要通常涉及高溫(遠高于50℃)、一種或多種催化劑以及一種或多種溶劑的操作上復雜的合成過程。

發明內容

持續需要獲得具有以下合適水平的平衡的聚合物膜：(1)熱穩定性、(2)壓力穩定性、(3)純氣流中的滲透性和選擇性以及(4)混合氣流中的滲透性和選擇性。此外，持續需要在中等溫度(即，等于或低于50℃)下，在不使用催化劑并且使用最少量或不使用溶劑的情況下制備這種聚合物膜。本公開描述的聚合物膜實現了這些特性并且能夠根據這些參數生產。

本公開的一個或多個實施方案包括包含根據式(I)的交聯聚乙二醇網絡聚合物的聚合物膜：

在式(I)中，l為1至50的整數；m為1至50的整數；并且n為1至50的整數。

在實施方案中，氣體分離方法包括使氣流流過包含根據式(I)的交聯聚乙二醇網絡聚合物的聚合物膜；以及經由聚合物膜分離氣流。在一個或多個實施方案中，l為1至50的整數；m為1至50的整數；并且n為1至50的整數。