[发明专利]共浇铸薄膜复合平板膜

说明书

本发明提供了一种共浇铸薄膜复合平板膜，其包括10‑50微米厚度的非对称多孔非选择性支撑层以及处于所述支撑层顶部上的5‑40微米厚度的非对称致密皮层含聚酰亚胺选择性层，其中所述非对称致密皮层含聚酰亚胺选择性层包括5‑40微米厚度的多孔非选择性含聚酰亚胺支撑层以及0.02‑0.2微米厚度的相对多孔薄型致密的含聚酰亚胺顶部皮层。

优先权声明

本专利申请要求2017年5月18日提交的美国专利申请号15/599,258的优先权，其内容据此全文以引用方式并入。

背景技术

与常规分离方法相比，基于膜的技术具有资本成本低和能量效率高这两者优点。已证明聚合物膜在工业气体分离(诸如分离空气中的氮气以及分离天然气中的二氧化碳)中成功地操作。醋酸纤维素(CA)商业螺旋卷式中空纤维膜已被广泛地用于天然气改质。然而，CA膜仍然需要改善许多特性，包括选择性、性能持久性、化学稳定性、抵抗烃污染物、抵抗溶剂溶胀、以及抵抗CO₂塑化。天然气通常含有大量的重质烃和水，或者作为夹带的液体，或者是蒸气形式，这可能导致膜模块内的冷凝。由于与包含水和芳族烃诸如苯、甲苯、乙苯和二甲苯(统称为BTEX)的液体接触，CA膜的气体分离能力受到影响。存在超过适度水平的液体BTEX重质烃可能对CA膜造成损害。因此，必须采取预防措施，使用昂贵的膜预处理系统除去膜分离步骤上游的夹带的液态水和重质烃。CA聚合物膜在高浓度可冷凝气体或蒸气(诸如二氧化碳(CO₂)和丙烯)存在下用于气体分离仍然待解决的另一个问题是聚合物会被这些可冷凝气体或蒸气塑化，这导致膜溶胀以及进料中所有组分的渗透性显著增加和CA膜的选择性降低。例如，当相比于某些其他玻璃状聚合物时，CO₂在CA膜中的渗透行为的不同之处是在特定压力水平以上，由于CO₂开始塑化，渗透系数随着压力开始增大。高浓度的吸附CO₂导致链段运动增加，并因此提高渗透物的输送率。处理含有相对较大量CO₂(诸如超过50％)的气体诸如天然气的挑战是特别困难的。

此外，一些天然气原料具有高CO₂/C₂₊浓度(通常CO₂＞70％)。可使用膜来回收高价值的天然气液，同时从天然气中除去CO₂。膜可使CO₂与CH₄和C₂₊分离并且从膜渗余物中回收C₂₊。当使用膜进行这种分离时，进料侧温度由于CO₂渗透而显著下降(J-T效应)，并且原料气露点随着CO₂渗透而增大，因此液体从膜系统中流出。然而，在液体脂族烃、液体芳族化合物、或液体脂族烃和液体芳族化合物同时存在下，膜示出显著降低的膜渗透性。

因此，对于天然气改质而言，期望如下新的稳健膜：在重复的短期暴露于液态烃冷凝下具有稳定性能、高度抵抗烃污染物、高度抵抗溶剂溶胀、以及高度抵抗CO₂塑化。

已发现聚合物膜材料可用于气体分离。许多研究文章和专利描述了具有所需气体分离特性的聚合物膜材料(例如聚酰亚胺、聚砜、聚碳酸酯、聚醚、聚酰胺、聚芳酯、聚吡咯酮)，特别是用于氧气/氮气分离(参见，例如，US 6,932,589)。聚合物膜材料通常用于其中进料气体混合物接触膜的上游侧的方法中，从而在膜的下游侧产生渗透物混合物，其中一种组分的摩尔分数大于原始进料气体混合物的组分的摩尔分数。在上游侧和下游侧之间保持压差，提供用于渗透的驱动力。下游侧可以保持为真空，或者保持在低于上游压力的任何压力下。