利用金属有机框架控制天然气液体

天然气液体(NGLs)是指与石油和天然气生产相关的乙烷、丙烷、丁烷和天然“汽油”(戊烷)。

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这些碳氢化合物是油气业务的重要收入来源。它们在生产过程中通过冷凝除去液体，通常以液体形式储存/运输。每个NGL的化学结构由碳的数量(C2, C3, C4, C5)决定，因此每个NGL的大小和分子量都不同。一个多世纪以来，生产商一直利用沸点的温差，通过传统的蒸馏工艺分离每一种有价值的成分。

天然气凝析油分离系统部署在井口，在压裂作业中很常见，它包括流动控制、制冷和压缩，有助于减少宝贵的天然气的燃烧，并减少其向环境中的释放。不幸的是，液化天然气的价格是不稳定的。这些系统的昂贵成本造成了收集和燃烧之间的权衡。有三个关键领域一项新技术可以专注于提高天然气凝析液收集的可能性:1)操作的灵活性以适应价格波动,2)二氧化碳和硫化氢宽容与酸气流,3)减少制冷低能量损失的收集。

2015年，framergy建立了在金属有机框架存在的情况下，当甲烷(C1)与较重的碳氢化合物结合时，甲烷(C1)吸附能力增加的知识产权。在回顾最初的实验时，公司COO Ray Ozdemir指出，丙烷(C3)等较重的碳氢化合物在体系中排在甲烷之后。这一关键的观察结果形成了基于金属有机框架(MOFs)的新型NGL分离系统的概念。

MOFs是在石油和天然气作业中用作吸附剂的晶体。这种材料的内表面面积是人类已知的最大的。在framergy的NGL分离系统中，利用表面积和分子间的相互作用，取代了人工能量输入，如极端压缩和冷却到可测量的程度。MOFs引入的分散保留机制可以帮助更大的化合物保留更长的时间，这种洗脱顺序通常遵循化合物的沸点。在此应用中，framergy使用其AYRSORB™F250，基于MOFs PCN-250和MIL-127，可通过Strem Chemicals用于研究目的。

为了证明他们的概念，Ozdemir先生设计并建造了一个能够承受井口气体压力、潮湿和酸性条件的气体形态测试装置。该公司通过其小企业创新研究项目得到了美国国家科学基金会的支持，该项目目前是竞争激烈的Pha欧洲杯线上买球se IIb项目的毕业生。该测试装置的设计目的是用AYRSORB™F250在一个罐中捕获测试气体，并使用MOF将单个气体组分释放到另一个罐中。通过集成LabView数据采集系统来管理操作和数据采集，该系统能够串联设置流量控制参数和监测气体调节参数。最初的一组测试是使用模拟井口气体流进行的，其中包括甲烷、天然气凝析液和Agilent 6850气相色谱仪(GC)。气体由74.02%的甲烷、20.01%的乙烷、4.96%的丙烷、0.50%的正丁烷和0.51%的氮气组成，这大致模拟了“尾气”，一种对杂质进行了一些处理的气体。

在对模拟尾气流进行控制运行后，测试装置证明空罐没有发生气体分离，两个罐都装入约245克干燥AYRSORB™F250，并使用压力和真空联合技术进行清洗。1筒中的MOF暴露在尾气流中30分钟，然后将相同的气体重新填充到750 psig的压力，以补偿气体吸附造成的压力下降。在室温下运行，从1号罐中每次释放50 psig的压力，然后从2号罐中分析每个阶段后的样品。每次经过两个压力释放阶段(罐2将达到100 psig)后清空，以测试每个成分的分离效率。处理后，源气以100 psig的浓度沉积在多个沉降槽中，并根据排放压力的不同形成不同的碳氢化合物。

在第一次运行中，1号罐的压力从754 psig下降到699 psig(2号罐增加到40 psig)，在第二次运行中，1号罐的压力从699 psig下降到650 psig(2号罐增加到71 psig)。从2号罐中提取的样本在40 psig(第一次测试)和71 psig(第二次测试)进行分析。第二次取样后，2号罐被倒空。重复这些步骤，直到1号罐达到150 psig。在达到这个压力后，由于两个气罐都达到了压力平衡，1号气罐的气体被排放到其压力的一半，然后在每次运行后对2号气罐进行分析并排放。尾气分离试验表明，甲烷与其他烃类组分能有效分离。第一气流用95.4 mol%甲烷和4.3 mol%乙烷收集。随着1号罐内气体压力的降低，甲烷的纯度降低。甲烷浓度随着乙烷浓度的上升而下降。由于乙烷在室温下经MOF处理，在540 psig时从液相转变为气相而引起的浓度的飞跃。

接下来，进行了连续流动系统测试，以连续测试AYRSORB™F250的吸附和分离效率，而不是批式处理。使用相同的设置，一个压力和质量流量控制器连接到尾气流源气瓶，以在环境压力下以5 sccm(标准立方厘米/分钟)流量控制和调节压力和流量。在纯度为99.85%的高纯度甲烷流中，甲烷是23分钟后第一个离开色谱柱的组分。在第二个样本分析中，处理后的流体由甲烷和乙烷组成，其浓度略高于源浓度，而丙烷和丁烷的浓度可以忽略不计。连续工艺证明了尾气分离提供高纯度甲烷和尾气分离天然气凝析液的能力。

单级连续工艺证明了分离尾气流提供高纯度甲烷的能力，以及从尾气中分离天然气凝析液的单组分的能力。然后将单级工艺和连续工艺应用于模拟气体流:54.90%甲烷，22.00%乙烷，13.20%丙烷，5.10%丁烷，1.00正戊烷，0.26%正己烷，0.11%正庚烷，0.51%二氧化碳和2.90%氮气，大致模拟“伴生气体”，一种更类似于未经处理就从油井中冒出的气体。这里一个-4 psig真空被拉后，罐1达到0 psig。利用模拟伴生气体流进行气体分离试验，甲烷浓度由54.9 mol%提高到73.1 mol%，乙烷浓度由20 mol%提高到60 mol%。在很低的浓度下，甲烷和乙烷的浓度非常接近，在40-50 mol%之间。结果表明，采用该技术可将乙烷浓度提升至乙烷源浓度的3倍以上。

连续流动系统还显示出用MOF处理，可以通过相关的气流实现分离效率。这里，第二个样品分析检测到88％甲烷，一些残留的乙烷和丙烷。在270分钟的分析中未测量150分钟并在270分钟的分析中测量庚烷浓度，显示相关气体可以在酸性气体（二氧化碳）存在下除去较重的己烷和庚烷的同时，在酸性气体（二氧化碳）存在下除去庚烷浓度并不测量庚烷浓度。

NGL处理系统需要达到压力~ 1000psi和冷却温度-30°C(或乙烷-107°C)。上述使用MOFs的系统可以改善在井口分离和收集天然气的业务情况。该系统只需要500 psi的压力，不需要任何制冷。一旦施加压力，这种初始能量电荷就可以遍布整个系统，即使是在存在酸性气体的情况下。从根本上说，框架MOF体系与当前体系相比应该具有巨大的资本和运营成本优势。

确认

最初由O.K.Ray Ozdemir, Carlos Ybanez和Jason Ornstein撰写。美国国家科学基金会的资金支持。欧洲杯线上买球