MICROPOROUS CARBON MATERIALS TO SEPARATE NITROGEN IN ASSOCIATED AND NON-ASSOCIATED NATURAL GAS STREAMS

• Main Authors: Florentino Rafael MURRIETA GUEVARA, María Del Carmen MARTÍNEZ GUERRERO, Arturo TREJO RODRÍGUEZ, José Francisco Gaspar SILVA SÁNCHEZ, Liliana Alejandra ASTUDILLO LÓPEZ LENA, Marco Antonio DOMÍNGUEZ AGUILAR, Federico Jesús JIMÉNEZ CRUZ, Alberto CABRALES TORRES, Fidencio HERNÁNDEZ PÉREZ, José Luis GARCÍA GUTIÉRREZ
• Format: Patent
• Language: English; Spanish
• Published: 01.04.2019
• Subjects: CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOIDCHEMISTRY; CHEMISTRY; COMPOUNDS THEREOF; INORGANIC CHEMISTRY; METALLURGY; NON-METALLIC ELEMENTS; PERFORMING OPERATIONS; PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL; THEIR RELEVANT APPARATUS; TRANSPORTING

The present invention relates to a process for the manufacture of microporous carbon materials to perform selective separations of nitrogen in gas mixtures such as hydrogen sulfide, carbon dioxide, methane and C2, C3 and C4+ hydrocarbons, with high efficiency, shaped of microspheres or cylinders from copolymers of poly (vinylidene chloride-co-methyl acrylate) with density of 1.3 to 1.85 g/cm3 or poly (vinylidene chloride-co-vinyl chloride) with density of 1.3 to 1.85 g/cm3, using two stages. The first consists of a surface passivation of the material by chemical attack in a highly alkaline alcohol solution with the aim of effecting a precarbonization on the surface of the copolymer, so that during the pyrolysis process it does not deform and gradually develop the microporosity. The material of the first stage presents in the crust, percentages between 55 to 85 % carbon, between 5 to 20% oxygen and between 10 to 40 % chlorine, while in the interior of the material presents lower percentages of carbon between 30 to 65 %, oxygen between 2 to 6 % and chlorine of 30 to 60 %. The second consists of the gradual pyrolysis of the chemically passivated copolymer with the aim of developing microporosity and high surface area values; as well as during the melting and gas dehydrohalogenation stages thereof the deformation of the material is avoided. The morphology of the copolymers are microspheres of 125 to 225 micrometers or cylinders of 4 mm in height and 3 mm in diameter, which after pyrolysis reduce their size by 35 % with respect to the initial one. The material of the second stage, which is already microporous carbon material, has percentages in the crust between 90 to 100 % carbon and between 10 to 0 % oxygen. This microporous carbon material has the highly feasible quality of performing the chromatographic separation of nitrogen in mixtures with gases such as hydrogen sulfide, carbon dioxide, methane and C2, C3 and C4+ hydrocarbons, which allows to take as a basis to develop separation technologies of these components through adsorption-desorption processes. The microporous carbon materials of the present invention can separate and desorb mixtures of nitrogen with carbon dioxide and hydrogen sulfide at temperatures below 175 °C as well as depending on the way to perform stage 1 (chemical treatment) can have materials microporous carbon that retains very important carbon dioxide and hydrogen sulfide. La presente invención se refiere a un proceso para la manufactura de materiales microporosos de carbón para realizar separaciones selectivas de nitrógeno en mezclas de gases tales como ácido sulfhídrico, dióxido de carbono, metano e hidrocarburos C2, C3 y C4+, con alta eficiencia, con forma de microesferas o cilindros a partir de copolímeros de poli (cloruro de vinilideno-co-acrilato de metilo) con densidad de 1.3 a 1.85 g/cm3 o poli (cloruro de vinilideno-co-cloruro de vinilo) con densidad de 1.3 a 1.85 g/cm3, utilizando dos etapas. La primera consiste en una pasivación superficial del material por ataque químico en una disolución alcohólica altamente alcalina con el objetivo de efectuar una precarbonización en la superficie del copolímero, para que durante el proceso de pirólisis no se deforme y desarrolle gradualmente la microporosidad. El material de la primera etapa presenta en la corteza porcentajes entre 55 a 85 % de carbono, entre 5 a 20 % de oxígeno y de 10 a 40 % cloro, mientras que en el interior del material presenta porcentajes menores de carbono entre 30 a 65 %, de oxígeno entre 2 a 6 % y de cloro de 30 a 60 %. La segunda consiste en la pirólisis gradual del copolímero pasivado químicamente con el objetivo de desarrollar microporosidad y altos valores de área superficial; así como durante las etapas de fusión y deshidrohalogenación gaseosa del mismo se evita la deformación del material. La morfología de los copolímeros son microesferas de 125 a 225 micrómetros o cilindros de 4 mm de altura y 3 mm de diámetro, lo cuales después de la pirólisis reducen su tamaño en 35 % respecto del inicial. El material de la segunda etapa, el cual ya es material microporoso de carbono, presenta en la corteza porcentajes entre 90 a 100 % de carbono y entre 10 a 0 % de oxígeno. Este material microporoso de carbono presenta la cualidad altamente factible de efectuar la separación cromatográfica de nitrógeno en mezclas con gases tales como ácido sulfhídrico, dióxido de carbono, metano e hidrocarburos C2, C3 y C4+, lo que permite tomar como base para desarrollar tecnologías de separación de estos componentes mediante procesos de adsorción-desorción. Los materiales microporosos de carbono de la presente invención pueden separar y desorber mezclas de nitrógeno con dióxido de carbono y al ácido sulfhídrico a temperaturas menores de 175 °C así como dependiendo de la forma de realizar la etapa 1 (tratamiento químico) se pueden tener materiales microporosos de carbono que retienen de forma muy importante al dióxido de carbono y al ácido sulfhídrico.