RU2382023C2 - Method for isomerisation of material containing paraffins with 5 to 7 carbon atoms, and device for realising said method - Google Patents
Method for isomerisation of material containing paraffins with 5 to 7 carbon atoms, and device for realising said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2382023C2 RU2382023C2 RU2007137667/04A RU2007137667A RU2382023C2 RU 2382023 C2 RU2382023 C2 RU 2382023C2 RU 2007137667/04 A RU2007137667/04 A RU 2007137667/04A RU 2007137667 A RU2007137667 A RU 2007137667A RU 2382023 C2 RU2382023 C2 RU 2382023C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fraction
- membrane
- isomerization
- normal hexane
- paraffins
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C5/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
- C07C5/22—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by isomerisation
- C07C5/27—Rearrangement of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton
- C07C5/2767—Changing the number of side-chains
- C07C5/277—Catalytic processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C5/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
- C07C5/22—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by isomerisation
- C07C5/27—Rearrangement of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C7/00—Purification; Separation; Use of additives
- C07C7/12—Purification; Separation; Use of additives by adsorption, i.e. purification or separation of hydrocarbons with the aid of solids, e.g. with ion-exchangers
- C07C7/13—Purification; Separation; Use of additives by adsorption, i.e. purification or separation of hydrocarbons with the aid of solids, e.g. with ion-exchangers by molecular-sieve technique
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
- C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
- C10G2300/10—Feedstock materials
- C10G2300/1081—Alkanes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
- C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
- C10G2300/20—Characteristics of the feedstock or the products
- C10G2300/30—Physical properties of feedstocks or products
- C10G2300/305—Octane number, e.g. motor octane number [MON], research octane number [RON]
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
- C10G2400/00—Products obtained by processes covered by groups C10G9/00 - C10G69/14
- C10G2400/02—Gasoline
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к усовершенствованию способов изомеризации парафинов, содержащих от 5 до 7 атомов углерода, например, чтобы получить продукт изомеризации, имеющий повышенное октановое число (по исследовательскому методу) для смешивания в компаундированном бензине, и особенно в таких способах с использованием колонны для удаления изогексанов (деизогексанайзер).The present invention relates to the improvement of isomerization methods for paraffins containing from 5 to 7 carbon atoms, for example, to obtain an isomerization product having an increased octane number (according to the research method) for mixing in compounded gasoline, and especially in such methods using an isohexane removal column (deisohexanizer).
Уровень техникиState of the art
Способы изомеризации парафинов в существенно более разветвленные парафины широко применяются на практике. Особенно важные промышленные способы изомеризации используются для увеличения степени разветвления и, таким образом, повышения октанового числа потоков нефтепродуктов, содержащих парафины с числом атомов углерода 4-8, главным образом от 5 до 7 атомов углерода. Обычно продукт изомеризации смешивают с потоком, выходящим из аппарата риформинга, чтобы получить смесь компаундированного бензина, имеющего желаемое октановое число (по исследовательскому методу) (ОЧ и.м.).Methods for the isomerization of paraffins into substantially more branched paraffins are widely used in practice. Particularly important industrial isomerization methods are used to increase the degree of branching and, thus, increase the octane number of oil product streams containing paraffins with 4-8 carbon atoms, mainly from 5 to 7 carbon atoms. Typically, the isomerization product is mixed with the stream leaving the reforming apparatus to obtain a compound gasoline mixture having the desired octane number (by the research method) (HF im).
Процесс изомеризации ограничен термодинамическим равновесием. Поэтому продукт изомеризации еще может содержать нормальные парафины, которые имеют низкое октановое число и таким образом снижают октановое число продукта изомеризации. При условии, что имеются в наличии соответствующие высокооктановые потоки для смешения, такие как продукты алкилирования и риформинга, и что требуются бензины с невысокими октановыми числами, например, с ОЧ и.м. 85 и 87, допускается присутствие таких нормальных парафинов в продукте изомеризации.The isomerization process is limited by thermodynamic equilibrium. Therefore, the isomerization product may still contain normal paraffins, which have a low octane number and thus reduce the octane number of the isomerization product. Provided that appropriate high-octane mixing streams are available, such as alkylation and reforming products, and gasolines with low octane numbers, for example, with high purity units, are needed. 85 and 87, the presence of such normal paraffins in the isomerization product is allowed.
В условиях потребности в продуктах изомеризации с повышенным ОЧ и.м. процессы изомеризации модифицируют путем выделения из продукта изомеризации нормальных парафинов и их рециркуляции в реактор изомеризации. Таким образом, из продукта изомеризации не только удаляются нормальные парафины, которые снижают октановое число, но они также возвращаются в реактор изомеризации, что увеличивает степень превращения сырья в более желательные сильно разветвленные парафины.In the context of the need for isomerization products with increased HF isomerization processes are modified by isolating normal paraffins from the isomerization product and recycling them to the isomerization reactor. Thus, not only normal paraffins, which reduce the octane number, are removed from the isomerization product, but they are also returned to the isomerization reactor, which increases the degree of conversion of the feed to more desirable highly branched paraffins.
Основными способами, применяющимися для выделения нормальных парафинов из продукта изомеризации, является адсорбционное разделение, такие, что описаны в патентах США №№4717784 и 4804802, и дистилляция. На практике наиболее часто используются способы изомеризации, в которых для рециркуляции нормальных парафинов используется устройство - деизогексанайзер. Деизогексанайзер представляет собой одну или несколько дистилляционных колонн, в которых верхний погон, содержащий разветвленные С6 парафины, такие как диметилбутаны (2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан) и более легкие компоненты, полученные в качестве продукта изомеризации, например, для компаундированных бензинов, а боковой погон, содержащий нормальный гексан и близко кипящие компоненты, такие как метилпентаны (2-метилпентан и 3-метилпентан) и метилциклопентан, рециркулируются в реактор изомеризации. Верхний погон деизогексанайзера часто имеет ОЧ и.м. (октановое число по исследовательскому методу) в диапазоне от 86 до 88.The main methods used to isolate normal paraffins from an isomerization product are adsorption separation, such as those described in US Pat. Nos. 4,717,784 and 4,804,802, and distillation. In practice, isomerization methods are most often used, in which a deisohexanizer device is used to recirculate normal paraffins. A deisohexanizer is one or more distillation columns in which an overhead containing branched C 6 paraffins, such as dimethylbutanes (2,2-dimethylbutane and 2,3-dimethylbutane) and lighter components obtained as an isomerization product, for example, for compounded gasolines, and a side stream containing normal hexane and closely boiling components such as methylpentanes (2-methylpentane and 3-methylpentane) and methylcyclopentane are recycled to the isomerization reactor. The overhead of a deisohexanizer often has an RN (octane by research method) in the range from 86 to 88.
Одна из проблем, связанных с деизогексанайзером, заключается в том, что требуются высокие значения флегмового числа, и таким образом, требуется кипятильник значительной мощности для осуществления разделения близко кипящих соединений, имеющих существенно различные значения октанового числа, такие как метилпентаны и диметилбутаны. Кроме того, требуется деизогексанайзер для того, чтобы осуществить выделение из смеси углеводородов, нормального гексана, который используется для изомеризации в высокооктановые изомеры, и соединений, содержащих 7 и более атомов углерода. Часто тепловая нагрузка для деизогексанайзера может быть в диапазоне 15 или больше килокалорий (62,8 кДж/моль) на литр сырья.One of the problems associated with the deisohexanizer is that high reflux ratios are required, and thus, a large boiler is required to separate closely boiling compounds having substantially different octane ratios, such as methyl pentanes and dimethylbutanes. In addition, a deisohexanizer is required in order to isolate from a mixture of hydrocarbons, normal hexane, which is used for isomerization to high octane isomers, and compounds containing 7 or more carbon atoms. Often the heat load for a deisohexanizer can be in the range of 15 or more kilocalories (62.8 kJ / mol) per liter of feed.
Кроме того, было предложено разделение линейных и разветвленных парафинов, однако мембраны еще не нашли промышленное применение. В патенте США №5069794 раскрыты микропористые мембраны, содержащие кристаллический материал - молекулярное сито. В колонке 8, строка 11 и далее, описаны возможные области применения мембран, в том числе разделение линейных и разветвленных парафинов. Смотрите также патент США 6090289, где раскрыт слоистый композиционный материал, содержащий молекулярное сито, который может быть использован в качестве мембраны. Среди возможных процессов разделения, в которых могут быть использованы мембраны и которые раскрыты, начиная со строки 6 в колонке 13, указано разделение нормальных парафинов и разветвленных парафинов. В патентах США №№6156950 и 6338791 обсуждается технология разделения по проницаемости, которая может найти применение для отделения нормальных парафинов от разветвленных парафинов, и описаны схемы разделения в связи с процессом изомеризации. В публикации патента США №2003/0196931 раскрыт двухступенчатый процесс изомеризации для повышения качества углеводородного сырья, содержащего от 4 до 12 атомов углерода.In addition, it was proposed the separation of linear and branched paraffins, but the membrane has not yet found industrial application. US Pat. No. 5,069,794 discloses microporous membranes containing a crystalline material, a molecular sieve. Column 8, line 11 and below, describes possible applications for membranes, including the separation of linear and branched paraffins. See also US Pat. No. 6,090,289 for a layered composite material containing a molecular sieve that can be used as a membrane. Among the possible separation processes in which membranes can be used and which are disclosed starting from line 6 in column 13, the separation of normal paraffins and branched paraffins is indicated. US Patent Nos. 6156950 and 6338791 discuss a permeability separation technology that can be used to separate normal paraffins from branched paraffins and describes separation schemes in connection with the isomerization process. US2003 / 0196931 discloses a two-stage isomerization process to improve the quality of a hydrocarbon feed containing 4 to 12 carbon atoms.
Недавно Bourney и др. в документе WO 2005/049766 описали способ получения высокооктанового бензина с использованием мембран для удаления, среди прочих, н-пентана из изомеризованного потока, полученного из верхнего погона деизогексанайзера. Боковая фракция из деизогексанайзера используется как промывающий флюид на выходной стороне мембраны. Смесь проникшего продукта и промывающего флюида подвергают рециркуляции в реактор изомеризации. При компьютерном моделировании мембранного разделения с применением цеолита MFI на оксиде алюминия, в примере 1 этой публикации показано, что требуется площадь поверхности мембраны 5000 квадратных метров для того, чтобы удалить приблизительно 95% по массе н-пентана из верхнего погона дистилляционной колонны деизогексанайзера. При скорости потока сырья в мембранный разделитель 75000 кг/час (содержит 20,6% по массе н-пентана), оказалось, что проницаемость н-пентана, используемого при моделировании, имеет величину порядка 0,01 грамм-моль/(м2•с) при температуре около 300°С. Отмечено, что величина ОЧ и.м. продукта после удаления н-пентана составляет 91,0.Recently, Bourney et al. In WO 2005/049766 described a process for producing high octane gasoline using membranes to remove, among others, n-pentane from an isomerized stream obtained from the overhead of a deisohexanizer. The deisohexanizer side fraction is used as a flushing fluid at the outlet side of the membrane. The mixture of the permeated product and the washing fluid is recycled to the isomerization reactor. In a computer simulation of membrane separation using MFI zeolite on alumina, Example 1 of this publication shows that a membrane surface area of 5000 square meters is required in order to remove approximately 95% by weight of n-pentane from the overhead of a deisohexanizer distillation column. At a flow rate of 75,000 kg / h of raw material into the membrane separator (containing 20.6% by weight of n-pentane), it turned out that the permeability of n-pentane used in the simulation is of the order of 0.01 gram mol / (m 2 • c) at a temperature of about 300 ° C. It is noted that the magnitude of the NF the product after removal of n-pentane is 91.0.
Применение цеолитных мембран предложено в качестве подходящего технологического процесса выделения линейных молекул. Например, смотрите абзацы 0008 и 0032. В патенте США №6818333 описаны тонкие цеолитные мембраны, которые, как указано, имеют проницаемость н-бутана, по меньшей мере, 6•10-7 моль/(м2•м•Па) и относительную селективность н-бутан/изобутан, равную, по меньшей мере, 250.The use of zeolite membranes is proposed as a suitable process for the isolation of linear molecules. For example, see paragraphs 0008 and 0032. US Pat. No. 6,818,333 describes thin zeolite membranes which, as indicated, have n-butane permeability of at least 6 • 10 -7 mol / (m 2 • m • Pa) and relative n-butane / isobutane selectivity of at least 250.
Главным образом на нефтеперерабатывающих заводах, где изомеризации подвергаются большие объемы углеводородного сырья, для достижения желательного выделения линейных парафинов необходимо обеспечить мембраны с очень большой площадью поверхности. Например, ZSM-5/силикалитные (MFI) мембраны (ситовые мембраны), поставляемые фирмой NGK Insulators, Ltd., Japan, которые обладают селективностью проницаемости линейных парафинов по сравнению с разветвленными парафинами, при рабочем режиме обеспечивают поток в диапазоне приблизительно от 0,1 до 1,0 миллиграмм-моль в секунду на квадратный метр при перепаде давления приблизительно от 15 до 500 кПа. Таким образом, затраты на промышленное внедрение такой системы мембранного разделения с помощью этих мембран, в том числе мембран типа описанных в патенте США №6818333, делает их неконкурентоспособными по сравнению с системами адсорбционного разделения или дистилляционного разделения, как, например, деизогексанайзер.Mostly in refineries where large volumes of hydrocarbon feeds are isomerized, membranes with a very large surface area must be provided to achieve the desired separation of linear paraffins. For example, ZSM-5 / silicalite (MFI) membranes (sieve membranes) supplied by NGK Insulators, Ltd., Japan, which have linear paraffin permeability selectivity compared to branched paraffins, provide a flow in the operating range of about 0.1 from up to 1.0 milligram mol per second per square meter with a pressure drop of approximately 15 to 500 kPa. Thus, the cost of commercializing such a membrane separation system using these membranes, including membranes of the type described in US Pat. No. 6,818,333, makes them uncompetitive compared to adsorption separation or distillation separation systems, such as, for example, a deisohexanizer.
Изменения в законодательстве по охране окружающей среды и эффективности топлива могут оказывать основательное влияние на спрос продукта изомеризации с более высоким октановым числом. Например, потребность снижения содержания бензола в бензинах приведет к необходимости увеличения октанового числа продукта изомеризации, причем потребуется модернизация "нерециркуляционных" процессов изомеризации в циклические процессы с разделением и возвратом нормальных парафинов в реактор изомеризации. Даже в существующих циклических процессах, в которых используются деизогексанайзеры, может возникнуть потребность в продукте изомеризации с повышенным октановым числом.Changes in environmental legislation and fuel efficiency can have a profound effect on the demand for a higher octane isomerization product. For example, the need to reduce the benzene content in gasolines will lead to the need to increase the octane number of the isomerization product, and it will be necessary to modernize the "non-recycle" isomerization processes into cyclic processes with the separation and return of normal paraffins to the isomerization reactor. Even in existing cyclic processes in which deisohexanizers are used, there may be a need for an isomerization product with an increased octane number.
В соответствии с этим прорабатываются способы снижения затрат на эксплуатацию деизогексанайзера без отрицательного воздействия на октановое число верхнего погона деизогексанайзера.In accordance with this, methods are being developed to reduce the operating costs of a deisohexanizer without negatively affecting the octane number of the overhead of the deisohexanizer.
В связи с последующим рассмотрением настоящего изобретения определяются следующие свойства мембран.In connection with the subsequent consideration of the present invention, the following membrane properties are determined.
а. Микропористостьbut. Microporosity
Микропоры и микропористость относятся к порам, которые имеют эффективный диаметр приблизительно от 0,3 до 2 нанометров.Micropores and microporosity refer to pores that have an effective diameter of about 0.3 to 2 nanometers.
b. Мезопористостьb. Mesoporosity
Мезопоры и мезопористость относятся к порам, которые имеют эффективный диаметр приблизительно от 2 до 50 нанометров.Mesopores and mesoporosity refer to pores that have an effective diameter of about 2 to 50 nanometers.
с. Макропористостьfrom. Macroporosity
Макропоры и макропористость относятся к порам, которые имеют эффективный диаметр больше чем 50 нанометров.Macropores and macroporosity refer to pores that have an effective diameter of more than 50 nanometers.
d. Наночастицыd. Nanoparticles
Наночастицы представляет собой частицы, имеющие основной размер приблизительно до 100 нанометров.Nanoparticles are particles having a basic size of up to about 100 nanometers.
е. Молекулярные ситаe. molecular sieves
Молекулярные сита представляют собой материалы, обладающие микропористостью, причем они могут быть аморфными, частично аморфными или кристаллическими и могут быть цеолитными, полимерными, металлическими, керамическими или углеродными.Molecular sieves are microporosity materials, which can be amorphous, partially amorphous or crystalline, and can be zeolite, polymer, metal, ceramic or carbon.
f. Ситовые мембраныf. Screen membranes
Ситовые мембраны представляют собой композиционную мембрану, содержащую непрерывную или прерывающуюся среду селективного разделения, которая включает в себя молекулярно-ситовой барьер. Этот барьер является структурой, которая существует для того, чтобы селективно блокировать поток флюида в мембране. В непрерывной ситовой мембране само молекулярное сито образует непрерывный слой, который стремятся сделать свободным от дефектов. Непрерывный барьер может содержать другие материалы, такие которые могут присутствовать в смешанных матричных мембранах. Прерывающаяся ситовая мембрана представляет собой прерывающуюся совокупность молекулярно-ситовых барьеров, в которых имеются пространства или пустоты между частицами или областями молекулярного сита. Эти пространства или пустоты могут содержать или заполняться другим твердым материалом. Частицы или области молекулярного сита представляют собой барьеры. Разделение, осуществляемое ситовыми мембранами, может быть основано на пространственных свойствах компонентов, подлежащих разделению. Другие факторы также могут влиять на проницаемость. Одним таким фактором является сорбционная способность или ее отсутствие за счет компонента и материала молекулярного сита. Другим фактором является взаимодействие компонентов, подлежащих разделению, в микропористой структуре молекулярного сита. Например, для некоторых цеолитных молекулярных сит присутствие молекул, скажем н-гексана, в поре может дополнительно затруднить вход 2-метилпентана в эту пору, по сравнению с другой молекулой н-гексана. Поэтому цеолиты, которые только с точки зрения молекулярных размеров, предположительно, не будут обладать высокой селективностью при разделении нормальных и разветвленных парафинов, на практике могут обеспечить более высокую селективность разделения.Sieve membranes are a composite membrane containing a continuous or discontinuous selective separation medium that includes a molecular sieve barrier. This barrier is a structure that exists in order to selectively block the fluid flow in the membrane. In a continuous sieve membrane, the molecular sieve itself forms a continuous layer, which they strive to make free from defects. The continuous barrier may contain other materials, such as may be present in mixed matrix membranes. An interrupted sieve membrane is an interrupted set of molecular sieve barriers in which there are spaces or voids between particles or regions of a molecular sieve. These spaces or voids may contain or fill with other solid material. Particles or regions of a molecular sieve are barriers. Separation by sieve membranes may be based on the spatial properties of the components to be separated. Other factors may also affect permeability. One such factor is the sorption ability or its absence due to the component and material of the molecular sieve. Another factor is the interaction of the components to be separated in the microporous structure of the molecular sieve. For example, for some zeolite molecular sieves, the presence of molecules, say n-hexane, in the pore can further impede the entry of 2-methylpentane into this pore, compared to another n-hexane molecule. Therefore, zeolites, which only from the point of view of molecular size, presumably, will not have high selectivity in the separation of normal and branched paraffins, in practice can provide a higher separation selectivity.
g. Индекс потока проницаемости С6 g. Permeability Flow Index C 6
Проницаемость ситовой мембраны, то есть скорость, с которой данный компонент проходит через мембрану заданной толщины, часто изменяется при варьировании таких условий, как температура и давление, абсолютное и дифференциальное. Так, например, могут быть найдены различные значения проницаемости, когда абсолютное давление на входной стороне равно 1000 кПа по сравнению с абсолютным давлением 5000 кПа, причем все остальные параметры, в том числе и дифференциальное давление, являются постоянными. Поэтому в настоящем изобретении при описании ситовых мембран используется индекс потока проницаемости С6. Этот индекс потока проницаемости для данной мембраны определяется путем измерения скорости (грамм-моль в секунду), с которой существенно чистый нормальный гексан (предпочтительно, по меньшей мере, около 95% от массы нормального гексана) проникает через мембрану приблизительно при 150°С и абсолютном давлении на входной стороне мембраны около 1000 кПа и давлении на выходной стороне мембраны около 100 кПа. Индекс потока проницаемости С6 соответствует скорости проницаемости на квадратный метр площади поверхности с входной стороны, но не нормализуется на толщину мембраны. Поэтому индекс потока проницаемости С6 для данной мембраны имеет размерность грамм-моль нормального гексана, проходящего за секунду на квадратный метр площади поверхности мембраны с входной стороны.The permeability of the sieve membrane, that is, the speed at which a given component passes through a membrane of a given thickness, often changes with varying conditions such as temperature and pressure, absolute and differential. So, for example, various values of permeability can be found when the absolute pressure at the inlet side is 1000 kPa compared to the absolute pressure of 5000 kPa, and all other parameters, including differential pressure, are constant. Therefore, in the present invention, the C 6 permeability flow index is used to describe screen membranes. This permeability flow index for a given membrane is determined by measuring the rate (gram mol per second) at which substantially pure normal hexane (preferably at least about 95% by weight of normal hexane) penetrates the membrane at approximately 150 ° C and absolute the pressure on the inlet side of the membrane is about 1000 kPa; and the pressure on the outlet side of the membrane is about 100 kPa. The C 6 permeability flow index corresponds to the permeability rate per square meter of surface area from the input side, but is not normalized to the membrane thickness. Therefore, the C 6 permeability flow index for a given membrane has a dimension of gram-mole of normal hexane passing per second per square meter of membrane surface area from the input side.
h. Отношение потоков проницаемости С6 h. The ratio of the flow of permeability With 6
Отношение потоков проницаемости С6 для данной ситовой мембраны представляет собой отношение индекса потока проницаемости С6 (н-гексан) к индексу потока проницаемости i-С6 (изогексана), где индекс потока проницаемости i-С6 определяется таким же образом, как в случае С6, но с использованием существенно чистых диметилбутанов (независимо от распределения между 2,2-диметилбутаном и 2,3-диметилбутаном) (предпочтительно, по меньшей мере, около 95% от массы диметилбутанов).The ratio of C 6 permeability fluxes for a given sieve membrane is the ratio of C 6 permeability flux index (n-hexane) to i-C 6 permeability flux index (isohexane), where i-C 6 permeability flux index is determined in the same way as in the case C 6 , but using substantially pure dimethylbutanes (regardless of the distribution between 2,2-dimethylbutane and 2,3-dimethylbutane) (preferably at least about 95% by weight of dimethylbutanes).
Краткое изложение изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
В настоящем изобретении осуществлены усовершенствования процессов изомеризации с целью повышения октанового числа парафинового сырья, содержащего от 5 до 7 атомов углерода, причем в этих способах используются деизогексанайзеры для выделения и рециркуляции нормальных парафинов в реакторе изомеризации. Преимущественно, в этих способах могут быть снижены эксплуатационные затраты для деизогексанайзера без отрицательного воздействия на октановое число верхнего погона из деизогексанайзера. В соответствии со способами настоящего изобретения деизогексанайзер эксплуатируется таким образом, что значительная часть нормального гексана, содержащегося в сырье, поступающем в деизогексанайзер, удаляется с кубовым потоком и извлекается из кубового потока с помощью мембранного разделения.The present invention has made improvements to isomerization processes to increase the octane number of a paraffin feed containing 5 to 7 carbon atoms, and these methods use deisohexanizers to isolate and recycle normal paraffins in the isomerization reactor. Advantageously, in these methods, operating costs for the deisohexanizer can be reduced without affecting the octane number of the overhead from the deisohexanizer. In accordance with the methods of the present invention, the deisohexanizer is operated in such a way that a significant portion of the normal hexane contained in the feed entering the deisohexanizer is removed with the bottoms stream and recovered from the bottoms stream by membrane separation.
Нормальный гексан является искомым линейным парафином для рециркуляции в реактор изомеризации с целью превращения в высокооктановые диметилбутаны. Поскольку способы согласно изобретению обеспечивают извлечение нормального гексана из кубового потока, тепловая нагрузка на деизогексанайзер может быть существенно снижена, часто, по меньшей мере, приблизительно на 10 процентов. Кроме того, поскольку объем кубового потока из деизогексанайзера обычно составляет меньше чем приблизительно 20 процентов от объема исходного потока, потребуется гораздо меньшая площадь поверхности мембраны, чем для мембранного разделения продукта изомеризации. В предпочтительных аспектах способов согласно изобретению исследовательское октановое число верхнего погона из деизогексанайзера (С4+ ОЧ и.м.) составляет, по меньшей мере, приблизительно 88, предпочтительно, по меньшей мере, около 88,5.Normal hexane is the desired linear paraffin for recycling to the isomerization reactor to convert to high-octane dimethylbutanes. Since the methods of the invention extract normal hexane from the bottoms stream, the thermal load on the deisohexanizer can be significantly reduced, often at least about 10 percent. In addition, since the volume of the bottoms stream from the deisohexanizer is typically less than about 20 percent of the volume of the feed stream, a much smaller membrane surface area will be required than for membrane separation of the isomerization product. In preferred aspects of the methods of the invention, the research octane number of the overhead from the deisohexanizer (C 4+ RH IM) is at least about 88, preferably at least about 88.5.
В широком замысле способы настоящего изобретения включают в себя: (а) изомеризацию исходного сырья, содержащего линейные парафины, в том числе линейные парафины, имеющие от 5 до 7 атомов углерода, где, по меньшей мере, 15 процентов от массы исходного сырья представляют собой линейные парафины, в условиях изомеризации, включая наличие катализатора изомеризации, чтобы получить продукт изомеризации, содержащий линейные парафины, в том числе нормальный гексан, но в меньшей концентрации, чем в исходном сырье,Broadly, the methods of the present invention include: (a) isomerizing a feed containing linear paraffins, including linear paraffins having from 5 to 7 carbon atoms, where at least 15 percent of the feed is linear paraffins, under isomerization conditions, including the presence of an isomerization catalyst, to obtain an isomerization product containing linear paraffins, including normal hexane, but in a lower concentration than in the feedstock,
(b) дистилляцию, по меньшей мере, части, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 90 процентов по массе и наиболее предпочтительно почти весь продукт изомеризации для того, чтобы получить низкокипящую фракцию, содержащую диметилбутаны, вышекипящий, отбираемый сбоку поток, содержащий нормальный гексан и метилпентаны, и кубовый поток, содержащий нормальный гексан и тяжелый остаток, где боковой поток содержит меньше чем приблизительно 75, предпочтительно приблизительно между 20 и 70 процентов от массы нормального гексана, подвергаемого дистилляции на этой стадии b), причем кубовый поток содержит, по меньшей мере, приблизительно 25, предпочтительно приблизительно от 30 до 80 процентов от массы нормального гексана, подвергаемой дистилляции на этой стадии b), и (с) контактирование, по меньшей мере части, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 90 процентов по массе и наиболее предпочтительно, почти весь кубовый поток со стадии b), с входной стороной селективно проницаемой мембраны в условиях, включающих в себя достаточную площадь поверхности мембраны и перепад давления на мембране для того, чтобы получить удерживаемую фракцию кубового потока, в которой имеется пониженная концентрация нормального гексана, и получить на выходной стороне мембраны продиффундировавшую фракцию, имеющую повышенную концентрацию нормального гексана, причем указанная продиффундировавшая фракция содержит, по меньшей мере, приблизительно 50, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 75 и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 90 процентов от массы нормального гексана, содержащейся в кубовом потоке, контактировавшем с мембраной.(b) distilling at least a portion, preferably at least about 90 percent by weight and most preferably almost all of the isomerization product in order to obtain a low boiling fraction containing dimethylbutanes, a higher boiling point side stream containing normal hexane, and methyl pentanes, and a bottoms stream containing normal hexane and a heavy residue, where the side stream contains less than about 75, preferably between about 20 and 70 percent by weight of normal hexane distillation in this step b), wherein the bottoms stream contains at least about 25, preferably from about 30 to 80 percent by weight of the normal hexane to be distilled in this step b), and (c) contacting at least a portion preferably at least about 90 percent by weight and most preferably almost all of the bottoms from step b), with the inlet side of the selectively permeable membrane under conditions including a sufficient membrane surface area and a pressure drop of membrane in order to obtain a retained bottoms fraction in which there is a reduced concentration of normal hexane and to obtain on the outlet side of the membrane a diffused fraction having an increased concentration of normal hexane, wherein said diffused fraction contains at least about 50, preferably at least about 75 and most preferably at least about 90 percent by weight of normal hexane contained in the bottoms stream, contact th e membrane.
Предпочтительно, по меньшей мере часть, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 90 процентов по массе и наиболее предпочтительно почти всю продиффундировавшую фракцию со стадии с) подвергают рециркуляции на стадии а).Preferably, at least a portion, more preferably at least about 90 percent by weight and most preferably almost all of the diffused fraction from step c) is recycled in step a).
Предпочтительно, мембрана представляет собой ситовую мембрану, имеющую индекс потока проницаемости С6, по меньшей мере, приблизительно 0,01, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 0,02, и отношение потоков проницаемости С6, по меньшей мере, приблизительно 1,25:1, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 1.3:1, и часто от 1,35:1 до 5:1 или 6:1.Preferably, the membrane is a sieve membrane having a C 6 permeability flux index of at least about 0.01, more preferably at least about 0.02, and a C 6 permeability flux ratio of at least about 1, 25: 1, more preferably at least about 1.3: 1, and often from 1.35: 1 to 5: 1 or 6: 1.
Кроме того, изобретение относится к устройству, подходящему для осуществления способов этого изобретения. В широком аспекте это устройство для изомеризации исходного сырья, содержащего парафины с числом атомов углерода 5 и 6, чтобы получить фракцию бензина, включает в себя:In addition, the invention relates to a device suitable for implementing the methods of this invention. In a broad aspect, this device for isomerizing a feedstock containing paraffins with a carbon number of 5 and 6 to obtain a gasoline fraction includes:
(a) реактор изомеризации (106), в котором имеются приспособления для приема исходного сырья на входе и выходной патрубок,(a) an isomerization reactor (106), in which there are devices for receiving feedstock at the inlet and outlet pipe,
(b) аппарат для удаления гексана (116), в котором вход жидкого флюида соединен с выходным патрубком реактора изомеризации (106), выходной патрубок низкокипящей фракции предназначен для удаления низкокипящей фракции по линии (122), выходной патрубок вышекипящей фракции для отбора боковой фракции (118) и выходной патрубок кубового остатка (120); и(b) a hexane removal apparatus (116), in which the liquid fluid inlet is connected to the outlet pipe of the isomerization reactor (106), the outlet pipe of the low boiling fraction is used to remove the low boiling fraction along line (122), the outlet pipe of the higher boiling fraction to select the side fraction ( 118) and the outlet pipe of the bottom residue (120); and
(c) мембранный сепаратор (124), в котором боковой патрубок для входа жидкого сырья соединен с выходным патрубком кубового остатка (120), патрубок для выхода жидкости на выходной стороне сепаратора соединен с выходным патрубком вышекипящей фракции (118) аппарата удаления гексана (116) и боковой патрубок для выхода сырья (126).(c) a membrane separator (124), in which a side nozzle for liquid feed inlet is connected to a bottom residue outlet pipe (120), a liquid outlet pipe on the outlet side of the separator is connected to an outlet pipe of a higher boiling fraction (118) of hexane removal apparatus (116) and a side pipe for the exit of raw materials (126).
Краткое описание чертежаBrief Description of the Drawing
На чертеже дано схематическое представление способов согласно изобретению с использованием стабилизационной колонны до деизогексанайзера.The drawing shows a schematic representation of the methods according to the invention using a stabilization column to a deisohexanizer.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
ИзомеризацияIsomerization
В способах настоящего изобретения может быть использовано любое подходящее исходное сырье, содержащее парафины. Сырьевая нафта наиболее часто используется в качестве исходного сырья в процессах изомеризации. Сырьевая нафта включает в себя парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды и может содержать небольшие количества олефинов, кипящих в диапазоне бензиновой фракции. Исходное сырье, которое может быть использовано, включает в себя прямогонную нафту, нефтяной бензин, синтетическую нафту, бензин термического крекинга, бензин каталитического крекинга, нафту частичного риформинга или рафинаты после экстракции ароматических углеводородов. По существу, это исходное сырье входит в полный диапазон бензиновой фракции, или в диапазоне от 0° до 230°С. Обычно исходное сырье представляет собой легкую нафту, имеющую точку начала кипения приблизительно от 10° до 65°С и точку конца кипения приблизительно от 75 до 110°C; предпочтительно точка конца кипения лежит ниже чем приблизительно 95°С.Any suitable feedstock containing paraffins may be used in the methods of the present invention. Raw naphtha is most often used as a feedstock in isomerization processes. Raw naphtha includes paraffinic, naphthenic and aromatic hydrocarbons and may contain small amounts of olefins boiling in the range of the gasoline fraction. Raw materials that can be used include straight run naphtha, petroleum gasoline, synthetic naphtha, thermal cracking gasoline, catalytic cracking gasoline, partial reforming naphtha or raffinates after aromatic hydrocarbon extraction. Essentially, this feedstock enters the full range of the gasoline fraction, or in the range from 0 ° to 230 ° C. Typically, the feedstock is light naphtha having a boiling point of approximately 10 ° to 65 ° C and a boiling point of approximately 75 to 110 ° C; preferably, the boiling point lies lower than about 95 ° C.
Обычно нафта как исходное сырье содержит небольшие количества серосодержащих соединений, в концентрации меньше чем 10 массовых частей на миллион (мас.ч/млн) в расчете на элемент. Предпочтительно сырьевую нафту получают из загрязненного исходного сырья с помощью традиционных процессов предварительной очистки, таких как гидрогенизационная обработка, гидроочистка или гидрообессеривание, чтобы такие загрязнения, как серо-, азот- и кислородсодержащие соединения соответственно в H2S, NH3 и Н2О, которые могут быть выделены из углеводородов путем фракционирования. Предпочтительно для такого превращения использовать катализатор, известный из уровня техники и содержащий неорганический оксидный носитель и металлы, которые выбирают из групп VIB (ИЮПАК 6) и VIII (ИЮПАК 9-10) периодической таблицы элементов. Вода может играть роль промотора каталитической активности, действуя в качестве основания, а сера временно деактивирует катализатор за счет отравления платины. Обычно в результате указанной выше гидроочистки и исходного сырья снижается содержание образующих воду кислородсодержащих соединений и деактивирующих серосодержащих соединений до приемлемого уровня, и вообще отпадает необходимость в других средствах удаления серы и воды из углеводородных потоков, таких как системы адсорбционного разделения. В объем настоящего изобретения входит необязательная стадия предварительной обработки сырья.Typically, naphtha as a feedstock contains small amounts of sulfur-containing compounds, in a concentration of less than 10 parts per million (parts by weight per million) per element. Preferably, the naphtha feed is obtained from contaminated feed using conventional pre-treatment processes, such as hydrogenation treatment, hydrotreating or hydrodesulfurization, so that contaminants such as sulfur, nitrogen and oxygen compounds in H 2 S, NH 3 and H 2 O, respectively which can be isolated from hydrocarbons by fractionation. It is preferable for such a conversion to use a catalyst known in the art and containing an inorganic oxide support and metals that are selected from groups VIB (IUPAC 6) and VIII (IUPAC 9-10) of the periodic table of elements. Water can play the role of a promoter of catalytic activity, acting as a base, and sulfur temporarily deactivates the catalyst due to platinum poisoning. Typically, as a result of the above hydrotreating and feedstocks, the content of water-forming oxygen-containing compounds and deactivating sulfur-containing compounds is reduced to an acceptable level, and in general there is no need for other means of removing sulfur and water from hydrocarbon streams, such as adsorption separation systems. The scope of the present invention includes an optional pretreatment step for the feed.
Основными компонентами предпочтительного исходного сырья являются циклические и ациклические парафины, содержащие от 4 до 7 атомов углерода в молекуле (от С4 до С7), главным образом C5-С6, и, кроме того, могут присутствовать малые количества ароматических и олефиновых углеводородов. Обычно концентрация С7 и более тяжелых компонентов приблизительно составляет менее 20 процентов от массы исходного сырья. Хотя отсутствуют конкретные ограничения на общее содержание циклических углеводородов в исходном сырье, обычно исходное сырье приблизительно содержит между 2 и 40 процентов по массе циклических нафтеновых и ароматических углеводородов. Хотя содержание ароматических углеводородов в сырьевой нафте обычно не превышает содержание алкановых и циклоалкановых углеводородов, оно может составлять от 2 до 20 процентов и более типично от 5 до 10 процентов от всей массы. Бензол обычно составляет основную часть ароматических углеводородов в предпочтительном исходном сырье, необязательно вместе с меньшим количеством толуола и вышекипящих ароматических углеводородов в указанном выше диапазоне кипения.The main components of the preferred feedstock are cyclic and acyclic paraffins containing from 4 to 7 carbon atoms in the molecule (C 4 to C 7 ), mainly C 5 -C 6 , and, in addition, small amounts of aromatic and olefinic hydrocarbons may be present . Typically, the concentration of C 7 and heavier components is approximately less than 20 percent by weight of the feedstock. Although there are no specific restrictions on the total cyclic hydrocarbon content of the feed, typically the feed contains approximately 2 to 40 percent by weight of cyclic naphthenic and aromatic hydrocarbons. Although the content of aromatic hydrocarbons in raw naphtha usually does not exceed the content of alkanes and cycloalkane hydrocarbons, it can be from 2 to 20 percent and more typically from 5 to 10 percent of the total mass. Benzene usually constitutes the bulk of the aromatic hydrocarbons in the preferred feedstock, optionally together with less toluene and higher boiling aromatic hydrocarbons in the above boiling range.
Обычно исходное сырье, используемое в способе настоящего изобретения, включает в себя, по меньшей мере, приблизительно 15%, часто приблизительно от 40, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 50 процентов, до почти 100% линейных парафинов. В исходной нафте линейные парафины обычно присутствуют в количестве, по меньшей мере, приблизительно от 50%, например, от 50 до 90 процентов по массе. Массовое соотношение нелинейных парафинов к линейным парафинам в исходном сырье часто составляет меньше 1:1, например, приблизительно от 0,1:1 до 0,95:1. Нелинейные парафины включают в себя разветвленные ациклические парафины и замещенные или незамещенные циклопарафины. Кроме того, в исходном сырье могут присутствовать другие компоненты, такие как ароматические и олефиновые соединения, которые описаны выше.Typically, the feedstock used in the method of the present invention includes at least about 15%, often from about 40, preferably at least about 50 percent, to about 100% linear paraffins. In the initial naphtha, linear paraffins are usually present in an amount of at least about 50%, for example, from 50 to 90 percent by weight. The mass ratio of non-linear paraffins to linear paraffins in the feedstock is often less than 1: 1, for example, from about 0.1: 1 to 0.95: 1. Non-linear paraffins include branched acyclic paraffins and substituted or unsubstituted cycloparaffins. In addition, other components, such as aromatic and olefinic compounds, as described above, may be present in the feed.
Исходное сырье пропускают в одну или несколько зон изомеризации. Согласно замыслу настоящего изобретения в случае рециркуляции нормального гексана исходное сырье и рециркуляционный поток обычно смешивают до поступления в зону изомеризации, но они могут быть введены раздельно, если это желательно. В любом случае общий поток сырья в зону изомеризации здесь называется сырьем для изомеризации. Рециркуляция может быть осуществлена одним или несколькими потоками. Как рассмотрено ниже, рециркуляционный поток содержит линейные парафины. Концентрация линейных парафинов в сырье для изомеризации будет зависеть не только от концентрации линейных парафинов в исходном сырье, но также от их концентрации в рециркуляционном потоке и от отношения количеств рециркуляционного потока к исходному сырью, которое может изменяться в широком диапазоне. Часто сырье для изомеризации имеет концентрацию линейных парафинов, по меньшей мере, приблизительно 30%, например, приблизительно между 35 и 90, предпочтительно приблизительно от 40 до 70 процентов по массе, причем молярное соотношение нелинейных парафинов к линейным парафинам составляет приблизительно между 0,2:1 и 1,5:1, и иногда приблизительно между 0,4:1 и 1,2:1.The feedstock is passed into one or more isomerization zones. In accordance with the concept of the present invention, in the case of recycling normal hexane, the feedstock and the recycle stream are usually mixed before entering the isomerization zone, but they can be introduced separately, if desired. In any case, the total flow of raw materials into the isomerization zone is here called the raw material for isomerization. Recycling may be carried out in one or more flows. As discussed below, the recycle stream contains linear paraffins. The concentration of linear paraffins in the isomerization feed will depend not only on the concentration of linear paraffins in the feed, but also on their concentration in the recycle stream and on the ratio of the amounts of recycle stream to the feed, which can vary over a wide range. Often the raw material for isomerization has a linear paraffin concentration of at least about 30%, for example between about 35 and 90, preferably from about 40 to 70 percent by weight, the molar ratio of non-linear paraffins to linear paraffins is between about 0.2: 1 and 1.5: 1, and sometimes approximately between 0.4: 1 and 1.2: 1.
В зоне изомеризации сырье для изомеризации подвергается воздействию условий изомеризации, в том числе в присутствии катализатора изомеризации, предпочтительно в присутствии ограниченного, но определенного количества водорода, как описано в патентах США №№4804803 и 5326296, которые оба включены в изобретение как ссылки. Обычно изомеризация парафинов считается обратимой реакцией первого порядка. Таким образом, поток из реактора изомеризации будет иметь повышенную концентрацию нелинейных парафинов и пониженную концентрацию линейных парафинов по сравнению с сырьем для изомеризации. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения условия изомеризации являются достаточными для того, чтобы изомеризовать, по меньшей мере, приблизительно 20%, предпочтительно между 30 и 60 процентов от массы нормальных парафинов в сырье для изомеризации. Обычно в условиях изомеризации достигается уровень, по меньшей мере, приблизительно 70%, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 75%, например, от 75 до 97 процентов от равновесного состава С6 парафинов, присутствующих в сырье для изомеризации. Во многих случаях в потоке из реактора изомеризации массовое соотношение нелинейных парафинов к линейным парафинам составляет, по меньшей мере, приблизительно 2:1, предпочтительно между 2,5 и 4:1.In the isomerization zone, the isomerization feed is subjected to isomerization conditions, including in the presence of an isomerization catalyst, preferably in the presence of a limited but defined amount of hydrogen, as described in US Pat. Nos. 4,804,803 and 5,326,296, which are both incorporated by reference. Typically, paraffin isomerization is considered a first order reversible reaction. Thus, the flow from the isomerization reactor will have a higher concentration of non-linear paraffins and a lower concentration of linear paraffins in comparison with the feed for isomerization. In preferred embodiments of the present invention, the isomerization conditions are sufficient to isomerize at least about 20%, preferably between 30 and 60 percent by weight of normal paraffins in the isomerization feed. Usually, under isomerization conditions, a level of at least about 70%, preferably at least about 75%, for example, from 75 to 97 percent of the equilibrium composition of C 6 paraffins present in the isomerization feed, is achieved. In many cases, in a stream from an isomerization reactor, the weight ratio of non-linear paraffins to linear paraffins is at least about 2: 1, preferably between 2.5 and 4: 1.
Катализатор изомеризации не является существенным в широком аспекте этого изобретения, причем может найти применение любой подходящий катализатор изомеризации. Подходящие катализаторы изомеризации включают в себя кислотные катализаторы с использованием, для поддержания желательной кислотности, хлорированных и сульфатированных катализаторов. Катализатор изомеризации может быть аморфным, например, на основе аморфного оксида алюминия, или цеолитным. Обычно цеолитный катализатор еще может содержать аморфный связующий материал. Катализатор может включать в себя сульфатированный оксид циркония и платину, как описано в патенте США №5036035 и заявке на Европатент 0666109 А1 или металл платиновой группы на хлорированном оксиде алюминия, как описано в патентах США №№5705730 и 6214764. Другой подходящий катализатор описан в патенте США №5922639. В патенте США №6818589 раскрыт катализатор, содержащий вольфраматный носитель на оксиде или гидроксиде металла группы IVB (ИЮПАК 4), предпочтительно оксиде или гидроксиде циркония, в котором, по меньшей мере, первый компонент представляет собой лантаноидный элемент и/или иттриевый компонент и, по меньшей мере, второй компонент представляет собой металл платиновой группы. Эти документы введены в настоящее изобретение, поскольку в них раскрыты каталитические композиции, режимы работы и технические приемы изомеризации.The isomerization catalyst is not essential in a broad aspect of this invention, and any suitable isomerization catalyst may find use. Suitable isomerization catalysts include acid catalysts using, to maintain the desired acidity, chlorinated and sulfated catalysts. The isomerization catalyst may be amorphous, for example, based on amorphous alumina, or zeolite. Typically, the zeolite catalyst may still contain amorphous binder material. The catalyst may include sulfated zirconia and platinum, as described in US Pat. No. 5,036,035 and European Patent Application 0666109 A1 or a platinum group metal on chlorinated alumina, as described in US Pat. Nos. 5705730 and 6214764. Another suitable catalyst is described in patent. US No. 5922639. US Pat. No. 6,818,589 discloses a catalyst comprising a tungstate support on a Group IVB metal oxide or hydroxide (IUPAC 4), preferably zirconium oxide or hydroxide, in which at least the first component is a lanthanide element and / or yttrium component and, at least the second component is a platinum group metal. These documents are included in the present invention, since they disclose catalytic compositions, operating modes, and isomerization techniques.
Контактирование внутри зон изомеризации может быть осуществлено с использованием каталитической системы неподвижного слоя, системы подвижного слоя, системы флюидизированного слоя или в режиме периодической загрузки. Предпочтительной является система неподвижного слоя. Реагенты могут контактировать с частицами в слое катализатора в восходящем, в нисходящем или радиальном направлении потока. При контакте с частицами катализатора реагенты могут находиться в жидкой фазе, смешанной парожидкостной фазе или паровой фазе, причем отличные результаты получаются главным образом при использовании настоящего изобретения в режиме жидкой фазы. Зона изомеризации может находиться в одном реакторе или в двух или больше отдельных реакторах, между которыми находится подходящее устройство, обеспечивающее поддержание желательной температуры изомеризации на входе в каждую зону. Предпочтительная схема включает в себя два или больше последовательных реакторов, что обеспечивает улучшенный режим изомеризации за счет регулирования температуры в отдельных реакторах и возможности частичной замены катализатора без останова процесса.Contacting within the isomerization zones can be carried out using a fixed bed catalyst system, a moving bed system, a fluidized bed system, or in a batch mode. A fixed bed system is preferred. The reagents can be contacted with particles in the catalyst bed in an upward, downward, or radial direction of flow. Upon contact with the catalyst particles, the reactants can be in the liquid phase, the mixed vapor-liquid phase or the vapor phase, and excellent results are obtained mainly when using the present invention in the liquid phase mode. The isomerization zone may be in one reactor or in two or more separate reactors, between which there is a suitable device to maintain the desired isomerization temperature at the entrance to each zone. The preferred scheme includes two or more series reactors, which provides an improved isomerization mode by controlling the temperature in individual reactors and the possibility of partial replacement of the catalyst without stopping the process.
Условия изомеризации в зоне изомеризации включают температуру реактора, которая обычно изменяется приблизительно от 40° до 250°С. Обычно предпочтительными являются пониженные температуры процесса, которые благоприятны для получения равновесных смесей, имеющих наибольшую концентрацию высокооктановых сильно разветвленных изоалканов, и для минимизации крекинга сырья с образованием более легких углеводородов. В настоящем изобретении предпочтительным является диапазон температур приблизительно от 100° до 200°С. Рабочее абсолютное давление в реакторе обычно изменяется приблизительно от 100 кПа до 10 МПа, предпочтительно приблизительно между 0,5 и 4 МПа (абсолютное давление). Объемная скорость подачи жидкости изменяется приблизительно от 0,2 до 25 литров изомеризуемого углеводородного сырья в час на литр объема катализатора, при этом предпочтительным является диапазон приблизительно от 0,5 до 15 час-1.Isomerization conditions in the isomerization zone include the temperature of the reactor, which usually varies from about 40 ° to 250 ° C. Generally, lower process temperatures are preferred, which are favorable for obtaining equilibrium mixtures having the highest concentration of high octane highly branched isoalkanes, and to minimize cracking of the feed to form lighter hydrocarbons. In the present invention, a temperature range of from about 100 ° to about 200 ° C. is preferred. The operating absolute pressure in the reactor typically ranges from about 100 kPa to 10 MPa, preferably between about 0.5 and 4 MPa (absolute pressure). The volumetric flow rate of the liquid varies from about 0.2 to 25 liters of isomerizable hydrocarbon feed per hour per liter of catalyst volume, with a range of from about 0.5 to 15 hours -1 being preferred.
Водород смешивается или остается с сырьем для изомеризации в зоне изомеризации для того, чтобы обеспечить молярное соотношение водорода к углеводородному сырью приблизительно от 0,01 до 20, предпочтительно приблизительно от 0,05 до 5. Водород можно подавать полностью из внешнего источника или пополнять за счет водорода, рециркулирующего в сырье, после выделения из потока, выходящего из реактора изомеризации. В водороде могут присутствовать легкие углеводороды и небольшие количества инертных газов, таких как азот и аргон. Воду необходимо удалять из водорода, поступающего из внешнего источника, предпочтительно с помощью адсорбционной системы, которая известна из уровня техники. В предпочтительных вариантах осуществления молярное отношение водорода к углеводородам в потоке, выходящем из реактора, равно 0,05 или меньше, поэтому обычно отпадает необходимость в рециркуляции водорода из потока, выходящего из реактора, в сырье.Hydrogen is mixed or left with the isomerization feedstock in the isomerization zone in order to provide a molar ratio of hydrogen to hydrocarbon feedstock of from about 0.01 to 20, preferably from about 0.05 to 5. Hydrogen can be supplied completely from an external source or replenished by hydrogen recirculated in the feed after separation from the stream leaving the isomerization reactor. Light hydrocarbons and small amounts of inert gases such as nitrogen and argon may be present in hydrogen. Water must be removed from hydrogen coming from an external source, preferably using an adsorption system that is known in the art. In preferred embodiments, the molar ratio of hydrogen to hydrocarbons in the stream leaving the reactor is 0.05 or less, so there is usually no need to recycle hydrogen from the stream leaving the reactor to the feed.
Особенно в случае использования хлорированного катализатора для изомеризации поток, выходящий из реактора изомеризации, контактирует с сорбентом для того, чтобы удалить любые хлоридные компоненты, так как описано в патенте США №5705730.Especially in the case of using a chlorinated catalyst for isomerization, the stream leaving the isomerization reactor is contacted with the sorbent in order to remove any chloride components, as described in US patent No. 5705730.
Деизогексанайзер и мембранное разделениеDeisohexanizer and membrane separation
Поток, выходящий из реактора изомеризации, подвергают процедуре разделения один или несколько раз для того, чтобы получить фракцию продукта с повышенным октановым числом и, необязательно, чтобы удалить другие компоненты, такие как водород, низшие алканы и, главным образом, галоидные соединения в связи с хлорированными катализаторами.The stream leaving the isomerization reactor is subjected to a separation procedure one or more times in order to obtain a higher octane product fraction and, optionally, to remove other components, such as hydrogen, lower alkanes and mainly halide compounds in connection with chlorinated catalysts.
В обычной практике процесса изомеризации реакция изомеризации протекает в жидкой фазе, и изомеризационный поток, выходящий из реактора, поступает в сепаратор продуктов, в котором образуется газообразный верхний погон, содержащий водород и низшие алканы. По меньшей мере, часть этого водорода можно рециркулировать в реактор изомеризации, чтобы обеспечить, по меньшей мере, часть водорода, желательного для изомеризации. Жидкий кубовый остаток поступает в блок дистилляции (деизогексанайзер), чтобы получить низкокипящую фракцию, диметилбутаны, и вышекипящую фракцию, содержащую нормальный гексан. Чаще всего деизогексанайзер работает в режиме, в котором поток, содержащий нормальный гексан, образуется как боковой погон, и получается кубовый поток, содержащий нормальный гептан. Деизогексанайзер может представлять собой колонну с насадкой или тарелками, причем в обычном режиме работы избыточное давление вверху колонны составляет приблизительно между 50 и 500 кПа, и температура кубового остатка находится приблизительно между 75° и 170°С.In the usual practice of the isomerization process, the isomerization reaction proceeds in the liquid phase, and the isomerization stream leaving the reactor enters the product separator, which forms a gaseous overhead containing hydrogen and lower alkanes. At least a portion of this hydrogen can be recycled to the isomerization reactor to provide at least a portion of the hydrogen desired for isomerization. The liquid bottoms are fed to a distillation unit (deisohexanizer) to obtain a low boiling fraction, dimethyl butanes, and a higher boiling fraction containing normal hexane. Most often, a deisohexanizer operates in a mode in which a stream containing normal hexane is formed as a side stream and a bottoms stream containing normal heptane is obtained. The deisohexanizer may be a column with a nozzle or plates, and in normal operation, the overpressure at the top of the column is between about 50 and 500 kPa, and the temperature of the bottom residue is between about 75 ° and 170 ° C.
Состав низкокипящей фракции, выходящей из деизогексанайзера, будет зависеть от режима работы и конструкции блока дистилляции и от любых процессов разделения, которым подвергается поток из реактора изомеризации. Например, если поток в деизогексанайзер содержит легкие углеводороды, такие как C1-C4, режим работы деизогексанайзера может обеспечивать верхний погон, содержащий эти легкие углеводороды, и боковой погон, содержащий соединения C5 и разветвленные соединения С6, главным образом диметилбутаны. Обычно низкокипящая фракция содержит от 20 до 60 процентов по массе диметилбутанов; от 10 до 40 процентов по массе нормального пентана и от 20 до 60 процентов по массе изопентана и бутана. В зависимости от режима работы деизогексанайзера низкокипящая фракция также может содержать значительное количество метилпентанов, например, по меньшей мере, приблизительно 10 процентов по массе.The composition of the low boiling fraction leaving the deisohexanizer will depend on the operating mode and design of the distillation unit and on any separation processes to which the stream from the isomerization reactor is subjected. For example, if the stream to the deisohexanizer contains light hydrocarbons such as C 1 -C 4 , the deisohexanizer operating mode may provide an overhead containing these light hydrocarbons and a side overhead containing C 5 compounds and branched C 6 compounds, mainly dimethyl butanes. Typically, the low boiling fraction contains from 20 to 60 percent by weight of dimethylbutane; from 10 to 40 percent by weight of normal pentane; and from 20 to 60 percent by weight of isopentane and butane. Depending on the operating mode of the deisohexanizer, the low boiling fraction may also contain a significant amount of methyl pentanes, for example at least about 10 percent by weight.
Конструкция деизогексанайзера обеспечивает получение вышекипящей фракции, которая содержит метилпентаны, метилциклопентан, часть нормального гексана и циклогексан, и кубовый поток, который содержит нормальный гексан, циклогексан и углеводороды С7+. По меньшей мере, часть вышекипящей фракции подвергается рециркуляции. Как отмечено ранее, дистилляция может эксплуатироваться в более экономичном режиме при использовании пониженных величин флегмового числа и таким образом, в кубовый поток попадает больше нормального гексана. Используемая величина флегмового числа будет зависеть от природы сырья, поступающего в колонну, а также от конструкции колонны, и таким образом, может изменяться в широком диапазоне, например, приблизительно от 1,5:1 до 2,5:1 в расчете на отношение массы флегмы к сырью.The design of the deisohexanizer provides a boiling fraction that contains methylpentanes, methylcyclopentane, a portion of normal hexane and cyclohexane, and a bottoms stream that contains normal hexane, cyclohexane and C 7 + hydrocarbons. At least a portion of the higher boiling fraction is recycled. As noted earlier, distillation can be operated in a more economical mode by using lower reflux ratios and thus more normal hexane gets into the bottoms stream. The reflux value used will depend on the nature of the feed entering the column, as well as on the construction of the column, and thus can vary over a wide range, for example, from about 1.5: 1 to 2.5: 1 based on the weight ratio phlegm to raw materials.
По меньшей мере часть, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 50%, и более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно от 80 процентов до почти 100% массы кубового потока деизогексанайзера подается на входную сторону селективной мембраны для того, чтобы получить удерживаемый продукт, который имеет пониженную концентрацию нормального гексана, и получить на другой стороне мембраны продиффундировавшую фракцию, содержащую нормальный гексан. Предпочтительно продиффундировавшая фракция содержит, по меньшей мере, приблизительно 75 процентов от массы нормального гексана, контактировавшего с мембраной. Продиффундировавшая фракция часто содержит, по меньшей мере, приблизительно 50%, и иногда приблизительно между 60 и 95 процентов от массы нормального гексана.At least a portion, preferably at least about 50%, and more preferably at least about 80 percent to almost 100% of the mass of the bottom stream of the deisohexanizer is fed to the inlet side of the selective membrane in order to obtain a retained product that has a reduced concentration of normal hexane, and to obtain on the other side of the membrane a diffused fraction containing normal hexane. Preferably, the diffused fraction contains at least about 75 percent by weight of normal hexane in contact with the membrane. The diffused fraction often contains at least about 50%, and sometimes between about 60 and 95 percent by weight of normal hexane.
На мембране поддерживается перепад давления для того, чтобы осуществить желательное разделение с приемлемой скоростью проницаемости. Могут быть использованы мембраны любого подходящего типа, в том числе диффузионные и ситовые, и они могут состоять из неорганического, органического или композиционного материалов. Для диффузионных мембран движущая сила представляет собой разность парциальных давлений продукта на входной и выходной сторонах. В ситовых мембранах перепад абсолютного давления составляет значительную часть движущей силы, независимо от парциальных давлений или концентраций. Предпочтительными мембранами являются ситовые мембраны, имеющие индекс потока проницаемости С6, по меньшей мере, приблизительно 0,01 и относительный поток проницаемости С6, по меньшей мере, приблизительно 1,25:1. Более подробно ситовые мембраны рассмотрены ниже.A pressure differential is maintained on the membrane in order to achieve the desired separation with an acceptable permeability rate. Membranes of any suitable type may be used, including diffusion and sieve, and they may be composed of inorganic, organic, or composite materials. For diffusion membranes, the driving force is the difference in partial pressures of the product at the inlet and outlet sides. In sieve membranes, the absolute pressure drop is a significant part of the driving force, regardless of partial pressures or concentrations. Preferred membranes are sieve membranes having a C 6 permeability flux index of at least about 0.01 and a C 6 relative permeability flux of at least about 1.25: 1. Sieve membranes are described in more detail below.
При мембранном разделении перепад давления часто изменяется приблизительно от 0,1 до 10, предпочтительно от 0,2 до 2 МПа. На практике верхний погон деизогексанайзера будет контактировать с входной стороной мембраны без дополнительного сжатия, чтобы свести к минимуму капитальные и эксплуатационные расходы. Температура мембранного разделения будет зависеть частично от природы мембраны и от температуры верхнего погона деизогексанайзера. Так, для мембран, содержащих полимеры, температура должна быть достаточно низкой, чтобы чрезмерно не ухудшилась прочность мембраны. В большинстве случаев, температура разделения совпадает с температурой верхнего погона деизогексанайзера. Часто температура находится в диапазоне приблизительно от 25°С до 150°С. Таким образом, в условиях мембранного разделения можно получать жидкую, или газообразную, или смешанные фазы на входной стороне мембраны. Независимо от фазового состояния флюида на входной стороне продиффундировавшее вещество может быть газообразным. Если флюид на входной стороне мембраны находится в жидкой фазе, продиффундировавшее вещество может находиться в жидкой, газообразной или смешанной фазе.In membrane separation, the pressure drop often varies from about 0.1 to 10, preferably from 0.2 to 2 MPa. In practice, the overhead of the deisohexanizer will be in contact with the inlet side of the membrane without additional compression to minimize capital and operating costs. The temperature of the membrane separation will depend in part on the nature of the membrane and on the temperature of the overhead of the deisohexanizer. So, for membranes containing polymers, the temperature should be low enough so that the strength of the membrane does not deteriorate excessively. In most cases, the separation temperature coincides with the temperature of the overhead of the deisohexanizer. Often the temperature is in the range of about 25 ° C to 150 ° C. Thus, in the conditions of membrane separation, it is possible to obtain a liquid or gaseous or mixed phase at the inlet side of the membrane. Regardless of the phase state of the fluid at the inlet side, the diffused substance may be gaseous. If the fluid on the inlet side of the membrane is in the liquid phase, the diffused substance may be in the liquid, gaseous, or mixed phase.
В устройстве и способе настоящего изобретения могут быть использованы любые подходящие селективно проницаемые мембраны. Предпочтительными являются ситовые мембраны. Применяемые в способе согласно изобретению мембраны характеризуются тем, что имеют высокую проницаемость, то есть имеют Индекс потока проницаемости С6, по меньшей мере, приблизительно 0,01. Эти мембраны могут быть иметь любую подходящую форму, такую как полые волокна, листы и тому подобное, которые могут быть смонтированы в блоке сепаратора в виде пучка полых волокон или плоской пластины или листовых мембран, свитых в спираль. После монтажа в блоке сепаратора физическая конструкция мембран должна обеспечивать достаточный перепад давления через мембрану, чтобы получить желаемую проницаемость. Для мембран из полых волокон обычно область высокого давления (входная сторона) находится снаружи полых волокон. Поток продиффундировавшего вещества может быть направлен параллельно, противотоком или перекрестным потоком относительно потока флюида на входной стороне мембраны.Any suitable selectively permeable membrane may be used in the apparatus and method of the present invention. Sieve membranes are preferred. The membranes used in the method according to the invention are characterized in that they have high permeability, that is, have a C 6 permeability flow index of at least about 0.01. These membranes can be of any suitable shape, such as hollow fibers, sheets and the like, which can be mounted in the separator unit in the form of a bundle of hollow fibers or a flat plate or sheet membranes twisted into a spiral. After mounting in the separator unit, the physical design of the membranes must provide a sufficient pressure drop across the membrane to obtain the desired permeability. For hollow fiber membranes, typically the high pressure region (inlet side) is outside the hollow fibers. The flow of diffused substance can be directed in parallel, countercurrent or cross-flow relative to the fluid flow on the inlet side of the membrane.
Предпочтительно, по меньшей мере, часть продиффундировавшего вещества, содержащего нормальный гексан, рециркулируют на стадию изомеризации.Preferably, at least a portion of the diffused substance containing normal hexane is recycled to the isomerization step.
Ситовые мембраныScreen membranes
Предпочтительные ситовые мембраны могут быть различного типа, например, молекулярные сита, керамика, содержащая поры, металлические, полимерные или углеродные мембраны, или композиционные мембраны, имеющие высокопористый полимерный, металлический, молекулярно ситовой, керамический или углеродный носитель с тонким ситовым слоем или барьером (молекулярное сито), например, цеолитным, полимерным, металлическим, керамическим или углеродным, имеющим микропористость.Preferred sieve membranes can be of various types, for example, molecular sieves, ceramics containing pores, metal, polymer or carbon membranes, or composite membranes having a highly porous polymer, metal, molecular sieve, ceramic or carbon carrier with a thin sieve layer or barrier (molecular sieve), for example, zeolite, polymer, metal, ceramic or carbon, having microporosity.
Мембраны могут быть непрерывными или прерывающимися. Прерывающаяся мембрана включает в себя совокупность микропористых барьеров с частицами малых размеров, тогда как непрерывная мембрана содержит непрерывный слой микропористых барьеров. Мембраны могут быть сформованы из одного материала или они могут быть композиционными, содержащими микропористый барьер и носитель и, необязательно, другие структуры. При получении тонкого, непрерывного барьерного слоя, при уменьшении толщины ситового слоя возрастают трудности получения бездефектного слоя. Поскольку в способах настоящего изобретения не требуется высокая селективность, мембраны могут содержать немного дефектов. Обычно непрерывные мембраны получают путем осаждения или роста на мезо/макропористой структуре непрерывного, тонкого слоя микропористого барьера. Прерывающиеся совокупности микропористых барьеров нанометрового размера позволяют добиться очень малой толщины проницаемости, но с возможным обходным путем. В прерывающихся мембранах используется мезо/макропористая структура, с которой связан микропористый барьер.Membranes can be continuous or intermittent. The discontinuous membrane includes a combination of microporous barriers with small particles, while the continuous membrane contains a continuous layer of microporous barriers. The membranes can be formed from the same material or they can be composite containing a microporous barrier and a carrier and, optionally, other structures. Upon receipt of a thin, continuous barrier layer, with a decrease in the thickness of the sieve layer, the difficulties of obtaining a defect-free layer increase. Since high selectivity is not required in the methods of the present invention, membranes may contain few defects. Typically, continuous membranes are obtained by precipitation or growth on the meso / macroporous structure of a continuous, thin layer of microporous barrier. The discontinuous aggregates of microporous nanometer-sized barriers make it possible to achieve a very small permeability thickness, but with a possible workaround. Discontinuous membranes use a meso / macroporous structure to which a microporous barrier is bound.
Примеры цеолитных барьеров включают молекулярные сита с небольшими порами, такие как SAPO-34, DDR, AlPO-14, AlPO-17, AlPO-18, AlPO-34, SSZ-62, SSZ-13, цеолит 3А, цеолит 4А, цеолит 5А, цеолит KFI, H-ZK-5, LTA, UZM-9, UZM-13, ERS-12, CDS-1, Филипсит, МСМ-65 и МСМ-47; среднепористые молекулярные сита, такие как силикалиты, SAPO-31, MFI, ВЕА и MEL; крупнопористые молекулярные сита, такие как FAU, OFF, NaX, NaY, CaY, 13Х и цеолит L; и мезопористые молекулярные сита, такие как МСМ-41 и SBA-15. Ряд типов молекулярных сит доступны в коллоидной форме (частицы нанометрового размера), такие как А, X, L, OFF, MFI и SAPO-34. Эти цеолиты могут иметь обменные металлы, или они отсутствуют.Examples of zeolite barriers include small pore molecular sieves such as SAPO-34, DDR, AlPO-14, AlPO-17, AlPO-18, AlPO-34, SSZ-62, SSZ-13, zeolite 3A, zeolite 4A, zeolite 5A zeolite KFI, H-ZK-5, LTA, UZM-9, UZM-13, ERS-12, CDS-1, Philipsit, MCM-65 and MCM-47; medium pore molecular sieves such as silicalites, SAPO-31, MFI, BEA and MEL; large-pore molecular sieves such as FAU, OFF, NaX, NaY, CaY, 13X and zeolite L; and mesoporous molecular sieves such as MCM-41 and SBA-15. A number of types of molecular sieves are available in colloidal form (nanometer sized particles), such as A, X, L, OFF, MFI and SAPO-34. These zeolites may have exchange metals, or they are absent.
Другие типы ситовых материалов включают в себя углеродные сита; полимеры, такие как ПСМ (полимеры с собственной микропористостью), как, например, описанные McKeown, и др., Chem. Commun., 2780 (2002); McKeown, и др, Chem. Eur. J., 11: 2610 (2005); Budd и др, J. Mater. Chem., 13: 2721 (2003); Budd и др., Adv. Mater., 16: 456 (2004) и Budd и др., Chem Commun., 230 (2004); полимеры, в которых пористость вызвана порообразующими агентами, такими как поли(алкиленоксид), поливинилпирролидон; циклические органические кристаллы-хозяева, такие как циклодекстрины, каликсарены, краун-эфиры и сферанды; микропористые металлоорганические каркасы, такие как MOF-5 (или IRMOF-1); стеклянные, керамические и металлические формы, в которые введена i микропористость.Other types of sieve materials include carbon sieves; polymers such as PSM (polymers with intrinsic microporosity), such as those described by McKeown, et al., Chem. Commun., 2780 (2002); McKeown, et al. Chem. Eur. J., 11: 2610 (2005); Budd et al., J. Mater. Chem., 13: 2721 (2003); Budd et al. Adv. Mater., 16: 456 (2004) and Budd et al., Chem Commun., 230 (2004); polymers in which porosity is caused by pore-forming agents such as poly (alkylene oxide), polyvinylpyrrolidone; cyclic organic host crystals such as cyclodextrins, calixarenes, crown ethers and spherands; microporous organometallic scaffolds such as MOF-5 (or IRMOF-1); glass, ceramic and metal forms into which i microporosity is introduced.
В композиционных мембранах используется мезо/макропористая структура. Эта мезо/макропористая структура выполняет одну или несколько функций в зависимости от типа мембраны. Она может быть носителем для мембранного композиционного материала, может быть составной частью формирующегося микропористого барьера и может быть структурой, на которой или в которой располагается микропористый барьер. Мезо/макропористая структура может быть непрерывной или прерывающейся, и таким образом, мезо/макропористость может представлять собой каналы внутри материала мезо/макропористой структуры или может образоваться между частицами, которые формируют мезо/макропористую структуру. Примерами последнего типа являются неорганические фильтрационные мембраны AccuSep™, поставляемые фирмой Pall Corp. и имеющие слой диоксид циркония на пористом металлическом носителе, причем диоксид циркония находится в форме сферических кристаллов.Composite membranes use a meso / macroporous structure. This meso / macroporous structure performs one or more functions depending on the type of membrane. It may be a carrier for the membrane composite material, may be an integral part of the forming microporous barrier, and may be a structure on which or in which the microporous barrier is located. The meso / macroporous structure may be continuous or discontinuous, and thus, the meso / macroporosity may be channels within the material of the meso / macroporous structure, or may be formed between particles that form the meso / macroporous structure. Examples of the latter type are AccuSep ™ inorganic filtration membranes supplied by Pall Corp. and having a zirconia layer on a porous metal support, the zirconia being in the form of spherical crystals.
Предпочтительно мезо/макропористая структура определяет каналы или поры, имеющие диаметр в диапазоне от 2 до 500, предпочтительно от 10 до 250, более предпочтительно, приблизительно между 20 и 200 нанометров и обладающие высокой проницаемостью. В более предпочтительных вариантах осуществления Индекс потока проницаемости С6 для мезо/макропористой структуры составляет, по меньшей мере, приблизительно 1, и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 10, и иногда, по меньшей мере, приблизительно 1000. Мезо/макропористая структура может быть изотропной или анизотропной. Мезо/макропоры могут быть относительно прямыми или извилистыми.Preferably, the meso / macroporous structure defines channels or pores having a diameter in the range from 2 to 500, preferably from 10 to 250, more preferably between about 20 and 200 nanometers and having high permeability. In more preferred embodiments, the C 6 permeability flow index for the meso / macroporous structure is at least about 1, and most preferably at least about 10, and sometimes at least about 1000. The meso / macroporous structure may be isotropic or anisotropic. Meso / macropores can be relatively straight or winding.
Мезо/макропористая структура может быть составлена из неорганического, органического или смешанного неорганического и органического материалов. Выбор материала будет зависеть от условий разделения, а также от типа образовавшейся мезо/макропористой структуры. Материал мезо/макропористой структуры может быть таким же, что и материал молекулярного сита, или может отличаться от него. Примеры композиций пористой структуры включают в себя металлы, оксиды алюминия, такие как альфа-оксид алюминия, гамма-оксид алюминия и переходные формы оксида алюминия, молекулярные сита, керамику, стекло, полимеры и углерод. В предпочтительных вариантах осуществления дефекты в подложке «залечиваются» до получения барьера или предшественника барьера. В другом варианте осуществления подложка может быть обработана золем диоксид кремния, чтобы частично закупоривать поры и способствовать отложению барьера или предшественника барьера. Между частицами диоксида кремния еще остается достаточное пространство для того, чтобы обеспечить высокую скорость проницаемости. Другим техническим приемом является покрытие носителя силиконовым каучуком или другим полимером, который обеспечивает высокую проницаемость, но закупоривает дефекты в носителе или в барьере.The meso / macroporous structure may be composed of inorganic, organic or mixed inorganic and organic materials. The choice of material will depend on the separation conditions, as well as on the type of meso / macroporous structure formed. The material of the meso / macroporous structure may be the same as or different from the molecular sieve material. Examples of porous structure compositions include metals, aluminas such as alpha alumina, gamma alumina and transition alumina, molecular sieves, ceramics, glass, polymers and carbon. In preferred embodiments, the defects in the substrate “heal” to form a barrier or barrier precursor. In another embodiment, the substrate may be treated with silica sol to partially clog pores and facilitate deposition of the barrier or barrier precursor. Between the particles of silicon dioxide there is still enough space in order to provide a high permeability rate. Another technique is coating the carrier with silicone rubber or another polymer that provides high permeability, but clogs defects in the carrier or in the barrier.
Если мезо/макропористая структура не выполняют такую функцию, то мембрана может содержать пористый носитель для мезо/макропористой структуры. Обычно пористый носитель выбирают с учетом прочности, выносливости в условиях предполагаемого разделения и пористости.If the meso / macroporous structure does not perform such a function, then the membrane may contain a porous carrier for the meso / macroporous structure. Typically, the porous carrier is selected taking into account strength, endurance under the conditions of the proposed separation and porosity.
Неорганические фильтрационные мембраны AccuSep™, поставляемые фирмой Pall Corp., и аналогичные типы мезо/макропористых структур являются особенно привлекательными, поскольку мезо/макропористая структура может быть тонкой и, таким образом, устраняется чрезмерная толщина выращенного молекулярного сита. Кроме того, диоксид циркония является относительно инертным в растворах предшественников, формирующих цеолит, причем условия синтеза и прокаливания делают диоксид циркония предпочтительной мезо/макропористой структурой для ситовых мембран этого типа.AccuSep ™ inorganic filtration membranes supplied by Pall Corp. and similar types of meso / macroporous structures are particularly attractive since the meso / macroporous structure can be thin and thereby eliminate the excessive thickness of the grown molecular sieve. In addition, zirconia is relatively inert in zeolite-forming precursor solutions, and the synthesis and calcination conditions make zirconia a preferred meso / macroporous structure for this type of sieve membranes.
Высокая проницаемость достигается, по меньшей мере, за счет одного из следующих приемов: в первом используются более крупные поры, чем требуется для прохождения нормальных алканов; и во втором используется очень тонкий слой, содержащий поры. Когда высокая проницаемость достигается за счет использования более крупных, менее селективных микропор в микропористом барьере, может быть реализовано соответствующее разделение. Часто поры в мембранах этого типа имеют средний диаметр больше чем приблизительно 5,0 Å (средняя длина и ширина), например, приблизительно от 5,0 до 7,0 или 8 Å. Предпочтительно, эти структуры имеют отношение длины к ширине меньше, чем приблизительно 1,25:1, например, от 1,2:1 до 1:1. Для мембран, содержащих молекулярное сито, примерами структур являются USY, ZSM-12, SSZ-35, SSZ-44, VPI-8, и канкринит. В некоторых случаях, молекулы, проникающие в микропоры, могут способствовать усилению селективности. Например, нормальные углеводороды в порах могут снижать скорость, с которой молекулы разветвленных углеводородов могут входить в пору по сравнению с другими молекулами нормального углеводорода.High permeability is achieved, at least due to one of the following methods: in the first, larger pores are used than are required for the passage of normal alkanes; and the second uses a very thin layer containing pores. When high permeability is achieved by using larger, less selective micropores in the microporous barrier, appropriate separation can be realized. Often the pores in membranes of this type have an average diameter of greater than about 5.0 Å (average length and width), for example, from about 5.0 to 7.0 or 8 Å. Preferably, these structures have a length to width ratio of less than about 1.25: 1, for example, from 1.2: 1 to 1: 1. For membranes containing a molecular sieve, examples of structures are USY, ZSM-12, SSZ-35, SSZ-44, VPI-8, and cancrinite. In some cases, molecules penetrating micropores can enhance selectivity. For example, normal hydrocarbons in pores can reduce the rate at which branched hydrocarbon molecules can enter the pore compared to other normal hydrocarbon molecules.
Кроме того, высокая проницаемость может быть достигнута за счет использования очень тонкого микропористого барьера, как в непрерывной, так и в прерывающейся мембране. По желанию, микропористый барьер можно выбирать из ситовых структур, имеющих микропоры, которые существенно непроницаемы для молекул с функциональными группами, которые желательно удерживать на входной стороне. В общем, поры в мембранах этого типа имеют средний диаметр приблизительно до 5,5 Å, например, приблизительно от 4,5 до 5,4 Å. Отношение длины к ширине поры в этих мембранах может быть изменяться в широком диапазоне, обычно в диапазоне приблизительно от 1,5:1 до 1:1. Для мембран, содержащих молекулярное сито, примерами структур являются ZSM-5, силикалит, ALPO-11, ALPO-31, ферриерит, ZSM-11, ZSM-57, ZSM-23, MCM-22, NU-87, UZM-9 и СаА.In addition, high permeability can be achieved through the use of a very thin microporous barrier, both in a continuous and intermittent membrane. Optionally, the microporous barrier can be selected from sieve structures having micropores that are substantially impermeable to molecules with functional groups, which it is desirable to keep on the input side. In general, pores in membranes of this type have an average diameter of up to about 5.5 Å, for example, from about 4.5 to 5.4 Å. The ratio of pore length to width in these membranes can vary over a wide range, usually in the range from about 1.5: 1 to 1: 1. For membranes containing a molecular sieve, examples of structures are ZSM-5, silicalite, ALPO-11, ALPO-31, ferrierite, ZSM-11, ZSM-57, ZSM-23, MCM-22, NU-87, UZM-9 and CaA.
Мембраны, содержащие прерывающуюся совокупность микропористых барьеров, характеризуются тем, что барьер имеет основной размер меньше чем приблизительно 100 нанометров, причем этот микропористый барьер связан с мезо/макропористой структурой, определяющей поток флюида в порах, в которых барьер расположен таким образом, чтобы препятствовать потоку флюида через поры мезо/макропористой структуры. Молекулярно ситовой барьер "связан" с мезо/макропористой структурой, когда он расположен на структуре (или внутри) независимо от связи со структурой. Поэтому частицы нанометрового размера или островки молекулярного сита используются в качестве барьеров для мембран. Прерывающиеся микропористые барьеры расположены таким образом, чтобы препятствовать потоку флюида через каналы для течения флюида, заданные мезо/макропористой структурой. Этот барьер может, по меньшей мере, частично закупоривать отверстие канала для течения флюида в мезо/макропористой структуре и/или внутри канала для течения флюида. Благодаря малому размеру частиц или островков, формирующих прерывающуюся совокупность микропористых барьеров, может быть достигнута определенная селективность разделения, несмотря на прерывистость мембраны.Membranes containing an intermittent array of microporous barriers are characterized in that the barrier has a main size of less than about 100 nanometers, and this microporous barrier is associated with a meso / macroporous structure that defines the fluid flow in pores in which the barrier is positioned so as to impede fluid flow through the pores of the meso / macroporous structure. The molecular sieve barrier is “bound” to the meso / macroporous structure when it is located on the structure (or inside) regardless of the connection with the structure. Therefore, nanometer-sized particles or molecular sieve islands are used as barriers to membranes. Intermittent microporous barriers are positioned so as to impede fluid flow through fluid flow channels defined by the meso / macroporous structure. This barrier may at least partially plug the opening of the fluid flow passage in the meso / macroporous structure and / or within the fluid flow passage. Due to the small size of the particles or islands forming an intermittent collection of microporous barriers, a certain separation selectivity can be achieved, despite the discontinuity of the membrane.
Обычно размер и конфигурация частиц молекулярного сита и размер и конфигурация мезо/макропор в мезо/макропористой структуре будут учитываться при подборе компонентов для ситовых мембран. Когда частицы молекулярного сита, такие как силикалиты, имеют более сферическую форму, предпочтительно выбирают мезо/макропористую структуру, в которой имеются поры, близкие к такому же эффективному диаметру. Таким образом, в частицах молекулярного сита, если они, по меньшей мере, частично расположены в порах мезо/макропористой структуры, будет оставаться минимальный объем пустот для обходного потока. Частицы молекулярного сита с пластинчатой и неправильной формой имеют больше эластичности, так как они могут перекрываться, оставляя мало пустого пространства (или оно отсутствует). В некоторых случаях может быть желательным сочетание конфигураций молекулярного сита. Например, сферические частицы молекулярного сита могут быть вовлечены внутрь пор мезо/макропористой структуры с последующим введением более мелких пластинчатых частиц молекулярного сита. Дополнительные функции заключаются в том, что сфера служит в качестве носителя для пластинчатых частиц, причем пластинчатые частицы перекрываются с целью уменьшения обходного потока. Хотя молекулярные сита, вероятно, будут иметь различный состав, и таким образом, будут иметь различный размер и конфигурацию микропор, преимущество заключается в повышенном разделении без чрезмерной потери проницаемости.Typically, the size and configuration of the molecular sieve particles and the size and configuration of the meso / macropores in the meso / macroporous structure will be taken into account when selecting components for sieve membranes. When the particles of the molecular sieve, such as silicalites, have a more spherical shape, it is preferable to choose a meso / macroporous structure in which there are pores close to the same effective diameter. Thus, in the particles of the molecular sieve, if they are at least partially located in the pores of the meso / macroporous structure, there will be a minimum volume of voids for the bypass flow. Particles of a molecular sieve with a lamellar and irregular shape have more elasticity, since they can overlap, leaving little empty space (or it is absent). In some cases, a combination of molecular sieve configurations may be desirable. For example, spherical molecular sieve particles can be drawn into the interior of the pores of the meso / macroporous structure, followed by the introduction of smaller lamellar particles of the molecular sieve. Additional functions are that the sphere serves as a carrier for the lamellar particles, and the lamellar particles overlap in order to reduce bypass flow. Although molecular sieves are likely to have a different composition, and thus will have a different size and configuration of micropores, the advantage is increased separation without excessive loss of permeability.
Когда используются цеолитные молекулярные сита, важно получать мелкие частицы для того, чтобы добиться высокой проницаемости в прерывающемся микропористом барьере. Для многих цеолитов доступны затравочные кристаллы, главный размер которых меньше чем 100 нанометров. Большинство молекулярных сит получают с использованием органических шаблонов, которые должны быть удалены, чтобы обеспечить доступ к каркасу. Обычно это удаление осуществляют с помощью прокалки. Как рассмотрено ниже, прокалка может быть выполнена, когда молекулярное сито, содержащее шаблон, расположено в макропоре таким образом, чтобы предотвратить чрезмерную агломерацию просто за счет ограничения числа соседних частиц. Другой прием, позволяющий предотвратить агломерацию цеолитных частиц в ходе прокалки, заключается в силилировании поверхности цеолита, например, аминоалкилтриалкоксисилан, аминоалкилалкилдиалкоксисилан или аминоалкилдиалкилалкоксисилан. Необходимая степень силилирования будет зависеть от размера и состава частиц цеолита, а также от условий, которые будут использованы при прокаливании. Обычно используют приблизительно между 0,1 и 10 миллимоль силана на грамм цеолита.When using zeolite molecular sieves, it is important to obtain fine particles in order to achieve high permeability in the intermittent microporous barrier. For many zeolites, seed crystals are available whose main size is less than 100 nanometers. Most molecular sieves are obtained using organic templates that must be removed to allow access to the framework. Typically, this removal is carried out by calcination. As discussed below, calcination can be performed when the molecular sieve containing the template is located in a macropore so as to prevent excessive agglomeration simply by limiting the number of neighboring particles. Another technique to prevent agglomeration of zeolite particles during calcination is to silylate the surface of the zeolite, for example, aminoalkyltrialkoxysilane, aminoalkylalkyl dialkoxysilane or aminoalkyl dialkylalkoxysilane. The degree of silylation required will depend on the size and composition of the zeolite particles, as well as on the conditions that will be used in the calcination. Typically, approximately between 0.1 and 10 millimoles of silane per gram of zeolite are used.
Существуют различные методики для введения частиц молекулярного сита на (или внутрь) мезо/макропористый носитель таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично закупоривать мезо- или макропоры в носителе. Выбор конкретной методики для применения будет зависеть от размера и конфигурации частиц молекулярного сита, размера и конфигурации мезо/макропор в мезо/макропористой структуре и желательного размещения молекулярного сита внутри (или на) мезо/микропористой структуры.There are various techniques for introducing molecular sieve particles onto (or into) a meso / macroporous carrier such that at least partially clog the meso or macropores in the carrier. The choice of a specific technique for use will depend on the size and configuration of the molecular sieve particles, the size and configuration of the meso / macropores in the meso / macroporous structure, and the desired placement of the molecular sieve inside (or on) the meso / microporous structure.
Главным образом, когда молекулярное сито расположено на поверхности мезо/макропористой структуры с целью закупоривания, по меньшей мере, части устьев пор, мезо/макропористая структура может быть смочена раствором или суспензией молекулярного сита нанометрового размера. Концентрация молекулярного сита в суспензии должен быть достаточно низкой, чтобы слой молекулярного сита, образовавшийся после сушки, не был чрезмерно толстым. Преимущественно поддерживается по меньшей мере небольшой перепад давления по мезо/макропористой структуре в ходе покрытия для того, чтобы обеспечить движущую силу, вовлекающую частицы молекулярного сита в любые поры в мезо/макропористой структуре, которые не закупорены. Обычно суспензия будет представлять собой водную суспензию, хотя преимущественно могут быть использованы суспензии в спиртах и других относительно инертных жидкостях, при концентрации приблизительно между 2 и 30%, например, от 5 до 20 процентов по массе. При использовании перепада давления обычно перепад давления находится в диапазоне от 10 до 200 кПа. Могут быть использованы одно или несколько покрытий молекулярного сита с предпочтительной сушкой между покрытиями. Сушку обычно проводят при повышенной температуре, например приблизительно между 30°С и 150°С, в течение 1-50 часов. Для облегчения сушки может быть использован вакуум. Когда цеолиты использованы в качестве молекулярного сита, прокаливание, например, при температуре приблизительно между 450°С и 600°С в некоторых случаях может способствовать закреплению молекулярного сита на мезо/макропористой структуре. Прокаливание также может способствовать агломерированию частиц молекулярного сита и, таким образом, уменьшению числа и размера пустот. Разумеется, прокаливание не является существенной операцией для широкого замысла настоящего изобретения и требуется, например, только когда шаблон остается в микропорах.Mainly, when the molecular sieve is located on the surface of the meso / macroporous structure in order to clog at least part of the pore mouths, the meso / macroporous structure can be wetted with a nanometer-sized molecular sieve solution or suspension. The concentration of the molecular sieve in the suspension should be low enough so that the layer of molecular sieve formed after drying is not excessively thick. Advantageously, at least a small pressure drop over the meso / macroporous structure is maintained during the coating in order to provide a driving force involving the molecular sieve particles in any pores in the meso / macroporous structure that are not clogged. Typically, the suspension will be an aqueous suspension, although mainly suspensions in alcohols and other relatively inert liquids can be used, at a concentration of between about 2 and 30%, for example, from 5 to 20 percent by weight. When using a differential pressure, the differential pressure is usually in the range of 10 to 200 kPa. One or more molecular sieve coatings may be used with preferred drying between coatings. Drying is usually carried out at elevated temperatures, for example between about 30 ° C and 150 ° C, for 1-50 hours. A vacuum may be used to facilitate drying. When zeolites are used as a molecular sieve, calcination, for example, at a temperature of between about 450 ° C and 600 ° C, in some cases, may contribute to the attachment of the molecular sieve to the meso / macroporous structure. Calcination can also contribute to the agglomeration of molecular sieve particles and, thus, reduction in the number and size of voids. Of course, calcination is not an essential operation for the broad concept of the present invention and is required, for example, only when the template remains in micropores.
Когда прерывающаяся совокупность частиц молекулярного сита нанометрового размера расположена вне пор мезо/макропористой структуры, может быть желательно связать, по меньшей мере, часть частиц с поверхностью структуры. Это можно осуществить различными способами. Например, поверхность структур может быть функционализирована гидроксильными группами или другими функциональными группами, которые могут реагировать с цеолитным молекулярным ситом. Поверхность полимерных молекулярных сит может быть функционализирована функциональными группами, которые взаимодействуют, например, по реакциям присоединения или конденсации, с функциональными группами в полимере. Эти приемы хорошо известны из уровня техники для других областей применения.When a discontinuous collection of nanometer-sized molecular sieve particles is located outside the pores of the meso / macroporous structure, it may be desirable to link at least a portion of the particles to the surface of the structure. This can be done in various ways. For example, the surface of structures can be functionalized with hydroxyl groups or other functional groups that can react with a zeolite molecular sieve. The surface of the polymer molecular sieves can be functionalized with functional groups that interact, for example, by addition or condensation reactions, with functional groups in the polymer. These techniques are well known in the art for other applications.
Аналогичные методики получения могут быть использованы, когда желательно ввести, по меньшей мере, часть частиц молекулярного сита в поры мезо/макропористой структуры. Эти частицы молекулярного сита должны иметь соответствующий размер для того, чтобы войти в мезо/макропоры. С целью вовлечения барьерных частиц в поры может быть использован перепад давления или воздействие ультразвуком, что способствует попаданию барьерных частиц в поры мезо/макропористого носителя. Глубина проникновения частиц молекулярного сита в поры мезо/макропористой структуры не должна быть слишком большой, чтобы чрезмерно снизить проницаемость. Часто любое отложение на поверхности молекулярного сита удаляется, например, при промывке.Similar production techniques can be used when it is desirable to introduce at least a portion of the molecular sieve particles into the pores of the meso / macroporous structure. These molecular sieve particles must be of appropriate size in order to enter the meso / macropores. In order to engage the barrier particles in the pores, a pressure drop or ultrasound can be used, which helps to get the barrier particles into the pores of the meso / macroporous carrier. The penetration depth of the molecular sieve particles into the pores of the meso / macroporous structure should not be too large to excessively reduce the permeability. Often any deposition on the surface of the molecular sieve is removed, for example, by washing.
По желанию, цеолитные молекулярные сита можно выращивать in situ (на месте) в порах мезо/макропористой структуры, чтобы получить прерывающиеся мембраны. В синтезе могут быть получены изолированные частицы или островки между другими структурами, такими как мезо/макропористая структура или другие частицы.Optionally, zeolite molecular sieves can be grown in situ (in situ) in the pores of the meso / macroporous structure to produce discontinuous membranes. In the synthesis, isolated particles or islands between other structures, such as a meso / macroporous structure or other particles, can be obtained.
Пример других частиц для получения прерывающихся мембран цеолитных молекулярных сит включает использование диоксида кремния, частицы которого могут иметь размер приблизительно между 5 и 20 нанометров, внутри мезо/макропористой структуры (или на структуре). Благодаря наличию активных гидроксильных групп на поверхности диоксид кремния играет роль места образования зародышей цеолита из раствора предшественника, причем слои цеолита могут быть выращены на частицах диоксида кремния (и между ними).An example of other particles for producing discontinuous membranes of zeolite molecular sieves includes the use of silicon dioxide, particles of which may have a size between about 5 and 20 nanometers, inside the meso / macroporous structure (or on the structure). Due to the presence of active hydroxyl groups on the surface, silicon dioxide plays the role of the formation site of zeolite nuclei from the precursor solution, and the zeolite layers can be grown on and between silicon dioxide particles.
В качестве места образования зародышей могут быть использованы материалы, отличающиеся от частиц диоксида кремния, в том числе другие молекулярные сита или затравочные кристаллы того же самого цеолита. Поверхность мезо/макропористой структуры может быть функционализирована, что обеспечивает селективные центры роста цеолита. Некоторые цеолиты обладают свойством инициирования образования зародышей, и таким образом они могут быть использованы в отсутствие места образования зародышей. Примерами таких цеолитов являются FAU и MFI. В таких случаях может быть желательно выдерживать раствор предшественника в условиях формирования цеолита в течение времени, которое достаточно, чтобы рост цеолита начинался до контактирования раствора предшественника с мезо/макропористой структурой.As the nucleation site, materials other than silica particles can be used, including other molecular sieves or seed crystals of the same zeolite. The surface of the meso / macroporous structure can be functionalized, which provides selective growth centers of the zeolite. Some zeolites have the property of initiating nucleation, and thus they can be used in the absence of a nucleation site. Examples of such zeolites are FAU and MFI. In such cases, it may be desirable to withstand the precursor solution under conditions of zeolite formation for a time that is sufficient for the zeolite to begin to grow before the precursor solution contacts the meso / macroporous structure.
Например, один способ формирования барьерного слоя заключается в том, что жидкий предшественник цеолитного молекулярного сита размещают на мезо/микропористой структуре. Этот предшественник имеет возможность кристаллизоваться в гидротермальных условиях кристаллизации; после этого мембрану промывают и нагревают, чтобы удалить остаточный органический материал. Материал молекулярного сита остается главным образом внутри и закупоривает поры пористой подложки.For example, one way of forming a barrier layer is to use a liquid precursor of a zeolite molecular sieve on a meso / microporous structure. This precursor has the ability to crystallize under hydrothermal crystallization conditions; after that, the membrane is washed and heated to remove residual organic material. The molecular sieve material remains mainly inside and clogs the pores of the porous substrate.
Молекулярное сито может представлять собой любую подходящую комбинацию элементов, которая обеспечивает желательную пористую структуру. Алюминий, кремний, бор, галлий, олово, титан, германий, фосфор и кислород могут быть использованы в качестве компоновочных блоков молекулярных сит, таких как алюмосиликатные молекулярные сита, в том числе цеолиты; силикалиты; AlPO; SAPO; и боросиликаты. Соединение предшественника включает в себя упомянутые выше элементы, обычно в виде оксидов или фосфатов, вместе с водой и органическим структурирующим агентом, который обычно представляет собой полярное органическое соединение, такое как гидроксид тетрапропиламмония. Кроме того, могут быть использованы другие вспомогательные агенты, такие как амины, простые эфиры и спирты. Массовое соотношение полярного органического соединения к материалам компоновочного блока обычно находится в диапазоне приблизительно от 0,1 до 0,5 и будет зависеть от используемого конкретно компоновочного блока.The molecular sieve may be any suitable combination of elements that provides the desired porous structure. Aluminum, silicon, boron, gallium, tin, titanium, germanium, phosphorus and oxygen can be used as building blocks of molecular sieves, such as aluminosilicate molecular sieves, including zeolites; silicalites; AlPO; SAPO and borosilicates. The precursor compound includes the elements mentioned above, usually in the form of oxides or phosphates, together with water and an organic structuring agent, which is usually a polar organic compound, such as tetrapropylammonium hydroxide. In addition, other auxiliary agents, such as amines, ethers and alcohols, may be used. The mass ratio of the polar organic compound to the materials of the building block is usually in the range of about 0.1 to 0.5 and will depend on the particular building block used.
Для того чтобы получить тонкие слои молекулярного сита в мембранах, обычно является предпочтительным, чтобы раствор предшественника содержал много воды. Например, алюмосиликатных молекулярных сит молярное соотношение воды к диоксиду кремния должно составлять, по меньшей мере, приблизительно 20:1, а для алюмофосфатных молекулярных сит молярное соотношение воды к алюминию должно составлять, по меньшей мере, приблизительно 20:1.In order to obtain thin layers of a molecular sieve in the membranes, it is usually preferred that the precursor solution contains a lot of water. For example, aluminosilicate molecular sieves, the molar ratio of water to silicon dioxide should be at least about 20: 1, and for aluminophosphate molecular sieves, the molar ratio of water to aluminum should be at least about 20: 1.
Условия кристаллизации часто находятся в диапазоне приблизительно от 80°С до 250°С при абсолютном давлении в диапазоне от 100 до 1000, часто от 200 до 500 кПа. Время кристаллизации ограничивается таким образом, чтобы не образовался чрезмерно толстый слой молекулярного сита. Обычно время кристаллизации составляет меньше чем приблизительно 50 ч, например от 10 до 40 часов. Предпочтительно, время кристаллизации является достаточным для формирования кристаллов, но меньше времени, которое требуется для образования слоя молекулярного сита толщиной около 200 нанометров, например, приблизительно от 5 до 50 нанометров. Кристаллизация может быть осуществлена в автоклаве. В некоторых случаях при нагревании микроволновым излучением кристаллизация будет проходить за более короткое время. После этого мембрану промывают водой и затем прокаливают приблизительно при температуре от 350° до 550°С, чтобы удалить любые органические вещества.Crystallization conditions often range from about 80 ° C to 250 ° C with an absolute pressure in the range from 100 to 1000, often from 200 to 500 kPa. The crystallization time is limited so that an excessively thick molecular sieve layer does not form. Typically, the crystallization time is less than about 50 hours, for example from 10 to 40 hours. Preferably, the crystallization time is sufficient to form crystals, but less than the time required to form a molecular sieve layer with a thickness of about 200 nanometers, for example, from about 5 to 50 nanometers. Crystallization can be carried out in an autoclave. In some cases, when heated by microwave radiation, crystallization will take place in a shorter time. After that, the membrane is washed with water and then calcined at approximately 350 ° to 550 ° C to remove any organic matter.
Главным образом, для некоторых цеолитных молекулярно-ситовых материалов получение частиц размером меньше 100 нанометров является затруднительным. Более того, даже при использовании затравочных кристаллов размер частиц может быть более крупным, чем это желательно. Другим вариантом осуществления при получении прерывающейся барьерной мембраны является синтез цеолита в открытом пространстве между частицами (подложки), имеющими главный размер меньше чем приблизительно 100 нанометров, соответственно главный размер микропористого барьера может быть меньше чем приблизительно 100 нанометров. Частицы подложки играют роль места образования зародышей кристаллов цеолита и, таким образом, их выбирают из материалов, обладающих способностью к образованию зародышей при росте цеолита. Примерами таких материалов являются диоксид кремния, главным образом частицы диоксида кремния, имеющие главный размер приблизительно между 5 и 50 нанометров, и другие цеолиты, имеющие главный размер приблизительно меньше чем 100 нанометров. Использование «дымящего» диоксида кремния в качестве частиц подложки является особенно эффективным при получении микропористого барьера AlPO.Mostly, for some zeolite molecular sieve materials, obtaining particles smaller than 100 nanometers is difficult. Moreover, even when using seed crystals, the particle size may be larger than desired. Another embodiment in the preparation of an intermittent barrier membrane is the synthesis of zeolite in the open space between particles (substrates) having a main size of less than about 100 nanometers, respectively, the main size of the microporous barrier can be less than about 100 nanometers. The substrate particles play the role of the nucleation site of zeolite crystals and, thus, they are selected from materials that are capable of nucleation during zeolite growth. Examples of such materials are silica, mainly silica particles having a main size between about 5 and 50 nanometers, and other zeolites having a main size of less than about 100 nanometers. The use of fuming silica as support particles is particularly effective in the preparation of the microporous AlPO barrier.
Рост цеолита на частице подложки может происходить до или после использования частиц подложки при формировании композиционной мембраны.The growth of zeolite on a substrate particle can occur before or after using the substrate particles in the formation of the composite membrane.
Преимущественно, рост цеолита на частице подложки происходит при вовлечении синтезирующей жидкости через композицию. Такая методика позволяет гарантировать, что рост происходит не в виде слоя сверху частицы, а в промежутках между частицами. По мере роста цеолита возрастает перепад давления, причем этот перепад давления можно использовать в качестве индикатора достижения соответствующей степени формирования цеолита.Advantageously, zeolite growth on a support particle occurs when a synthesis fluid is drawn through the composition. This technique allows us to guarantee that growth does not occur in the form of a layer on top of the particle, but in the gaps between the particles. As the zeolite grows, the pressure drop increases, and this pressure drop can be used as an indicator of the achievement of the corresponding degree of zeolite formation.
Полимерные молекулярные сита можно синтезировать в мезо/макропористой структуре. Один способ синтеза небольших полимерных молекулярных сит заключается в функционализации наночастиц и/или мезо/макропористой структуры группами, которые могут взаимодействовать с олигомером, как, например, по реакциям конденсации или присоединения. Например, функциональные группы могут содержать гидроксил, амино-, ангидрид, диангидрид, альдегид, аминокислоту, карбоксил, амид, нитрил или олефиновую группу для реакции присоединения или конденсации с реакционноспособной группой олигомера. Подходящие олигомеры могут иметь молекулярную массу от 30000 до 500000 или больше и могут быть реакционноспособными олигомерами полисульфонов; поли(стиролы), в том числе стиролсодержащие сополимеры; полимеры и сополимеры целлюлозы; полиамиды; полиимиды; поли(простые эфиры); полиуретаны; поли(сложные эфиры); акриловые и метакриловые полимеры и сополимеры; полисульфиды, полиолефины, главным образом виниловые полимеры и сополимеры; полиаллилы; поли(бензимидазол); полифосфазины; полигидразиды; поликарбодииды и тому подобные.Polymer molecular sieves can be synthesized in a meso / macroporous structure. One way to synthesize small polymer molecular sieves is to functionalize the nanoparticles and / or the meso / macroporous structure with groups that can interact with the oligomer, such as through condensation or addition reactions. For example, the functional groups may contain hydroxyl, amino, anhydride, dianhydride, aldehyde, amino acid, carboxyl, amide, nitrile or olefin group for the reaction of addition or condensation with the reactive group of the oligomer. Suitable oligomers can have a molecular weight of from 30,000 to 500,000 or more and can be reactive polysulfone oligomers; poly (styrenes), including styrene-containing copolymers; cellulose polymers and copolymers; polyamides; polyimides; poly (ethers); polyurethanes; poly (esters); acrylic and methacrylic polymers and copolymers; polysulfides, polyolefins, mainly vinyl polymers and copolymers; polyallyls; poly (benzimidazole); polyphosphazines; polyhydrazides; polycarbodiids and the like.
Синтез как неорганического, так и органического молекулярного сита in situ может быть осуществлен в подходящих условиях. Предпочтительная методика включает проведение синтеза при пропускании раствора реагента, например, раствора предшественника или раствора олигомера через мезо/макропористую структуру. Эта методика обеспечивает преимущество, так как раствор реагента направляется в пустоты, которые не были закупорены, а также ограничивает степень роста молекулярного сита, поскольку свежие порции реагента не смогут поступать в зону реакции, когда молекулярное сито закупоривает мезо- или макропору.The in situ synthesis of both inorganic and organic molecular sieves can be carried out under suitable conditions. A preferred technique involves performing synthesis by passing a reagent solution, for example, a precursor solution or an oligomer solution, through a meso / macroporous structure. This technique provides an advantage, since the reagent solution is sent to voids that have not been clogged, and also limits the growth rate of the molecular sieve, since fresh portions of the reagent will not be able to enter the reaction zone when the molecular sieve clogs the meso- or macropore.
Кроме того, молекулярное сито на мембранах полимерного носителя или сами полимерные носители могут быть подвергнуты пиролизу в вакуумной печи, чтобы получить углеродную мембрану. Для таких мембран, содержащих молекулярные сита, поры в структуре углеродного носителя предпочтительно имеют достаточный диаметр, чтобы свести к минимуму сопротивление потоку флюидов молекулярно ситовой структуры, обеспечивающей разделение. Температура пиролиза будет зависеть от природы полимерного носителя и будет ниже температуры, при которой пористость чрезмерно снижается. Примеры полимерных носителей включают полиимиды, полиакрилонитрил, поликарбонаты, поли(простые)эфиркетоны, поли(простые)эфирсульфоны и полисульфоны, и до пиролиза носители имеют поры или отверстия с размером в диапазоне от 2 до 100 нм, предпочтительно приблизительно от 20 до 50 нанометров.In addition, the molecular sieve on the membranes of the polymer carrier or the polymer carriers themselves can be pyrolyzed in a vacuum oven to obtain a carbon membrane. For such membranes containing molecular sieves, the pores in the structure of the carbon carrier preferably have a sufficient diameter to minimize the flow resistance of the molecular sieve separation fluids. The pyrolysis temperature will depend on the nature of the polymer carrier and will be lower than the temperature at which the porosity decreases excessively. Examples of polymeric carriers include polyimides, polyacrylonitrile, polycarbonates, poly (simple) ether ketones, poly (simple) ether sulfones and polysulfones, and prior to pyrolysis, the carriers have pores or openings ranging in size from 2 to 100 nm, preferably from about 20 to 50 nanometers.
Непрерывные мембраны могут быть получены с помощью любой подходящей методики. Обычно толщина микропористого барьера будет связана с продолжительностью осаждения или роста микропористого барьера на мезо/макропористой структуре. Микропористый барьер может быть сформирован путем уменьшения размера поры ультрафильтрационной мембраны (эффективный диаметр пор от 1 до 100 нанометров) или микрофильтрационной мембраны (эффективный диаметр пор от 100 до 10000 нанометров), например, с помощью органического или неорганического покрытия канала или на внутренней поверхности, или предпочтительно, по меньшей мере, частично вблизи отверстия канала. Осажденный материал нужен для получения локального уменьшения пор или отверстий во всем носителе до размера, который обеспечивает желательный ситовой эффект, без чрезмерного уменьшения диаметра оставшейся пористой структуры носителя. Примеры материалов, осаждаемых из паровой фазы, включают силаны, параксилол, алкиленимины и алкиленоксиды. Другой прием для уменьшения размера пор заключается в осаждении слоя кокса на мезо/макропористую структуру. Например, карбонизирующийся газ, такой как метан, этан, этилен или ацетилен, может контактировать со структурой при достаточно высокой температуре, чтобы вызвать коксование. Предпочтительные пористые носители представляют собой ультрафильтрационные мембраны, имеющие размер пор приблизительно между 1 и 80 нм, предпочтительно приблизительно между 2 и 50 нанометров.Continuous membranes can be obtained using any suitable technique. Typically, the thickness of the microporous barrier will be related to the duration of deposition or growth of the microporous barrier on the meso / macroporous structure. A microporous barrier can be formed by reducing the pore size of an ultrafiltration membrane (effective pore diameter from 1 to 100 nanometers) or a microfiltration membrane (effective pore diameter from 100 to 10,000 nanometers), for example, by using an organic or inorganic coating on the channel or on the inner surface, or preferably at least partially near the channel opening. The precipitated material is needed to obtain a local reduction in pores or holes throughout the carrier to a size that provides the desired sieve effect, without overly reducing the diameter of the remaining porous structure of the carrier. Examples of vapor deposited materials include silanes, paraxylene, alkylene imines and alkylene oxides. Another technique for reducing pore size is to deposit a coke layer on a meso / macroporous structure. For example, a carbonizable gas, such as methane, ethane, ethylene or acetylene, can contact the structure at a temperature high enough to cause coking. Preferred porous supports are ultrafiltration membranes having a pore size between about 1 and 80 nm, preferably between about 2 and 50 nanometers.
Для получения цеолитных непрерывных мембран одна из методик включает в себя контактирование поверхности мезо/макропористой структуры с предшественником молекулярного сита и выращивание молекулярного сита в течение времени, которое достаточно для достижения заданной толщины пленки. Описанные выше методики могут быть использованы для синтеза молекулярного сита. В некоторых случаях может быть желательно закупоривать мезо/макропоры носителя, например, воском, чтобы предотвратить чрезмерный рост цеолита в этих порах. Затем воск может быть удален.To obtain zeolite continuous membranes, one of the methods involves contacting the surface of the meso / macroporous structure with a molecular sieve precursor and growing the molecular sieve for a time that is sufficient to achieve a given film thickness. The techniques described above can be used to synthesize a molecular sieve. In some cases, it may be desirable to clog the meso / macropores of the support, for example with wax, to prevent excessive zeolite growth in these pores. Then the wax can be removed.
Для повышения селективности мембран с высокой проницаемостью существуют различные технические приемы. Имеются многочисленные технические приемы для залечивания дефектов в непрерывных или прерывающихся мембранах. Когда не требуется, чтобы мембраны обладали высоким отношением потоков проницаемости С6, что желательно во многих областях применения, любые технические приемы, которые повышают сопротивление потоку через дефекты, будут способствовать улучшению характеристик мембраны. Например, нанесение покрытия золя диоксида кремния может быть использовано для закупоривания промежуточных отверстий между кристаллами молекулярного сита или оставшимися большими порами в носителе, независимо от способа получения мембраны.To increase the selectivity of membranes with high permeability, there are various techniques. Numerous techniques are available for healing defects in continuous or discontinuous membranes. When it is not required that the membranes have a high C 6 permeability flux ratio, which is desirable in many applications, any techniques that increase the resistance to flow through defects will help improve membrane performance. For example, coating a silica sol can be used to plug intermediate holes between molecular sieve crystals or remaining large pores in a carrier, regardless of how the membrane is prepared.
Другой технический прием для закупоривания больших пор заключается в том, что с одной стороны барьерного слоя располагаются большие, реакционноспособные молекулы, которые не способны продиффундировать в микропоры барьера, а с другой стороны имеется сшивающий агент. Основные дефекты и, в некоторой степени, второстепенные дефекты заполняются этими большими, реакционноспособными молекулами и закрепляются путем сшивки. Затем непрореагировавшую часть больших молекул можно удалить, так же как и непрореагировавший сшивающий агент. Эти большие молекулы могут быть олигомерными или крупными молекулами.Another technique for clogging large pores is that on the one side of the barrier layer are large, reactive molecules that are unable to diffuse into the micropores of the barrier, and on the other hand there is a crosslinking agent. Major defects and, to some extent, minor defects are filled with these large, reactive molecules and fixed by crosslinking. Then, the unreacted portion of the large molecules can be removed, as well as the unreacted crosslinking agent. These large molecules can be oligomeric or large molecules.
Для прерывающихся мембран может быть предусмотрено твердое вещество, по меньшей мере, в части пустот между частицами или островками микропористого барьера и между микропористым барьером и мезо/микропористой структурой.For discontinuous membranes, a solid can be provided in at least a portion of the voids between the particles or islands of the microporous barrier and between the microporous barrier and the meso / microporous structure.
Одним общим техническим приемом для усиления селективности ситовых мембран является агломерирование смежных частиц молекулярного сита, чтобы уменьшить или существенно исключить пустоты между частицами и между частицами и стенками пористой структуры в мезо/макропористой структуре. Поскольку частицы имеют нанометровый размер и число смежных частиц может быть относительно небольшим, может происходить агломерация, однако при сохранении желательной скорости потока диффундирующего вещества. Для полимерных молекулярных сит, которые являются термопластичными, агломерация может протекать путем нагревания до температуры, при которой происходит агломерация, но не столь высокой, чтобы потерять микропористую структуру сита или его способность обеспечивать желательную окклюзию мезо- или макропор мезо/макропористой структуры. Кроме того, агломерация может быть выполнена путем прокаливания цеолитных молекулярных сит. Прокаливание вызывает агломерирование небольших цеолитных частиц, главным образом частиц, которые не подвергались силилированию или другой обработке, которая снижает тенденцию к агломерированию. Температура и продолжительность прокаливания будет зависеть от природы цеолитного молекулярного сита. Обычно используются температуры приблизительно между 450°С и 650°С в течение периода приблизительно между 2 и 20 часов.One common technique to enhance the selectivity of sieve membranes is to agglomerate adjacent molecular sieve particles to reduce or substantially eliminate voids between particles and between particles and walls of a porous structure in a meso / macroporous structure. Since the particles are nanometer in size and the number of adjacent particles can be relatively small, agglomeration can occur, however, while maintaining the desired flow rate of the diffusing substance. For polymer molecular sieves that are thermoplastic, agglomeration can occur by heating to a temperature at which agglomeration occurs, but not so high as to lose the microporous structure of the sieve or its ability to provide the desired occlusion of the meso- or macropores of the meso / macroporous structure. In addition, agglomeration can be performed by calcining zeolite molecular sieves. Calcination causes agglomeration of small zeolite particles, mainly particles that have not been silylated or otherwise processed, which reduces the tendency to agglomerate. The temperature and duration of calcination will depend on the nature of the zeolite molecular sieve. Typically, temperatures between about 450 ° C and 650 ° C are used for a period of approximately between 2 and 20 hours.
Технический прием агломерации может быть использован в отношении частиц молекулярного сита, которые находятся на поверхности мезо/макропористой структуры, а также частиц внутри пор структуры. Наиболее предпочтительно агломерация используется, когда частицы молекулярного сита находятся внутри мезо- или макропор мезо/макропористой структуры, так чтобы главный размер агломерированных частиц был приблизительно меньше чем 200 нм, предпочтительно приблизительно меньше чем 100 нанометров. Агломерация может быть осуществлена при наличии или отсутствии перепада давления на мембране. Предпочтительно перепад давления используется с целью уменьшения пустот, через которые поток флюида может обходить молекулярное сито.The agglomeration technique can be used with respect to molecular sieve particles that are on the surface of the meso / macroporous structure, as well as particles within the pores of the structure. Most preferably, agglomeration is used when the molecular sieve particles are inside the meso- or macropores of the meso / macroporous structure, so that the main size of the agglomerated particles is approximately less than 200 nm, preferably approximately less than 100 nanometers. Agglomeration can be carried out in the presence or absence of a pressure drop across the membrane. Preferably, the pressure differential is used to reduce voids through which the fluid flow can bypass the molecular sieve.
Другой общий технический прием, в котором пустоты определяются как прерывающаяся совокупность барьеров, заключается в том, что, по меньшей мере, частично закупоривают, по меньшей мере, часть пустот твердым веществом. Предпочтительно это твердое вещество представляет собой полимерный или неорганический материал. Твердое вещество может просто находиться в пустотах или оно может быть прикреплено или связано с молекулярным ситом или мезо/макропористой структурой. Твердое вещество может быть дисперсным или олигомерным, причем может быть предварительно сформовано и затем введено в пустоты, или оно может быть сформовано на месте.Another common technique in which voids are defined as an intermittent set of barriers is that at least partially clog at least a portion of the voids with a solid. Preferably, this solid is a polymeric or inorganic material. The solid may simply be in the voids or it may be attached or bonded to a molecular sieve or meso / macroporous structure. The solid can be dispersed or oligomeric, and can be preformed and then introduced into voids, or it can be formed in place.
В одном замысле твердое вещество обеспечивает "строительный раствор" для частиц микропористого барьера. Обычно этот строительный раствор представляет собой подходящий полимерный материал, который может выдержать условия разделения. Типичные полимеры включают в себя полисульфоны; поли(стиролы), в том числе стиролсодержащие сополимеры; полимеры и сополимеры целлюлозы; полиамиды; полиимиды; поли(простые)эфиры; полиуретаны; поли(сложные)эфиры; акриловые и метакриловые полимеры и сополимеры; полисульфиды, полиолефины, главным образом виниловые полимеры и сополимеры; полиаллилы; поли(бензимидазол); полифосфазины; полигидразиды; поликарбодииды и тому подобные. Предпочтительными полимерами являются те, в которых имеется пористость, такие как ПСМ (смотрите WO 2005/012397), и полимеры, в которых пористость создается с помощью порообразующих агентов. Эти полимеры имеют поры, которые могут иметь главный размер 0,3 нм или больше, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 1 нанометр и поэтому флюид может проходить к барьерной частице и от нее.In one design, a solid provides a “mortar” for microporous barrier particles. Typically, this mortar is a suitable polymeric material that can withstand separation conditions. Typical polymers include polysulfones; poly (styrenes), including styrene-containing copolymers; cellulose polymers and copolymers; polyamides; polyimides; poly (simple) ethers; polyurethanes; poly (ester) esters; acrylic and methacrylic polymers and copolymers; polysulfides, polyolefins, mainly vinyl polymers and copolymers; polyallyls; poly (benzimidazole); polyphosphazines; polyhydrazides; polycarbodiids and the like. Preferred polymers are those in which porosity is present, such as PSM (see WO 2005/012397), and polymers in which porosity is created using pore-forming agents. These polymers have pores that can have a major size of 0.3 nm or more, preferably at least about 1 nanometer, and therefore fluid can pass to and from the barrier particle.
Не является обязательным, чтобы все частицы были заключены в строительный раствор. Часто средняя толщина слоя строительного раствора составляет меньше 100 нанометров, и предпочтительно, приблизительно не превышает главный размер частицы. Если используется слишком много строительного раствора, может получиться смешанная мембранная структура, и проницаемость будет чрезмерно ограничена. Поэтому массовое соотношение барьерных частиц к строительному раствору часто находится в диапазоне приблизительно от 1:2 до 100:1, предпочтительно приблизительно между 3:1 и 30:1.It is not necessary that all particles be enclosed in a mortar. Often the average thickness of the mortar layer is less than 100 nanometers, and preferably, approximately does not exceed the main particle size. If too much mortar is used, a mixed membrane structure may result, and permeability will be excessively limited. Therefore, the mass ratio of barrier particles to mortar is often in the range of about 1: 2 to 100: 1, preferably between about 3: 1 and 30: 1.
Строительный раствор и частицы могут быть подмешаны, например, в суспензию и затем помещены в соединении с микропористой структурой или могут быть предоставлены после осаждения частиц. Полимер может быть сформирован на месте, в области, содержащей барьерные частицы. Эти барьерные частицы могут быть инертны в отношении полимеризации или могут иметь активные центры для закрепления полимера. Например, частица может быть функционализирована с помощью реакционноспособной группы, которая может связываться с полимером или с мономером, подвергающемся полимеризации, например, в результате процессов конденсации или присоединения, которые обсуждены выше.Mortar and particles can be mixed, for example, in a slurry and then placed in conjunction with a microporous structure, or can be provided after particles are deposited. The polymer may be formed in place, in an area containing barrier particles. These barrier particles may be inert with respect to polymerization or may have active sites for polymer attachment. For example, the particle can be functionalized with a reactive group that can bind to the polymer or to the monomer undergoing polymerization, for example, as a result of the condensation or addition processes discussed above.
Имеет значение тот факт, что строительный раствор закупоривает микропоры молекулярного сита. В случае высокопористых полимеров, таких как ПСМ, любое влияние окклюзии может быть ослаблено. Часто количество полимера, использованного в качестве строительного раствора, его молекулярная масса и конфигурация таковы, что для капсулирования всех частиц молекулярного сита имеется недостаточно полимера. Обычно массовое отношение полимера к молекулярному ситу составляет приблизительно между 0,01:1 и 0,3:1. Величина средней молекулярной массы полимера иногда находится в диапазоне от 20000 до 500000, предпочтительно приблизительно между 30000 и 300000.It matters that the mortar clogs the micropores of the molecular sieve. In the case of highly porous polymers such as PSM, any effect of occlusion can be attenuated. Often the amount of polymer used as a mortar, its molecular weight and configuration are such that not enough polymer is available to encapsulate all particles of the molecular sieve. Typically, the weight ratio of polymer to molecular sieve is between about 0.01: 1 and 0.3: 1. The average molecular weight of the polymer is sometimes in the range of 20,000 to 500,000, preferably between about 30,000 and 300,000.
Строительный раствор может отличаться от полимера. Например, когда молекулярное сито представляет собой цеолит, тетраалкоксид кремния может взаимодействовать с цеолитом и за счет гидролиза образовать каркас диоксида кремния или массу между частицами молекулярного сита. Обычно используется разбавленный водный раствор тетраалкоксида кремния, например, содержащий приблизительно между 0,5 и 25 процента тетраалкоксида кремния по массе, чтобы обеспечить распределение. Функционализация цеолита тетраалкоксидом кремния также является эффективной в качестве центра для сшивания с органическим полимером, главным образом, с такими полимерами, которые содержат функциональные группы, такие как гидроксильные, амино-, ангидридные, диангидридные, альдегидные или аминокислотные группы, которые могут образовать ковалентные связи с кремнийорганическим алкоксидом. Кроме того, между цеолитными частицами и мезо/макропористой структурой могут быть выращены частицы того же самого или другого цеолита с использованием технических приемов, описанных выше.Mortar may differ from polymer. For example, when the molecular sieve is a zeolite, silicon tetraalkoxide can interact with the zeolite and form a silica skeleton or mass between the particles of the molecular sieve by hydrolysis. A dilute aqueous solution of silicon tetraalkoxide is typically used, for example, containing between about 0.5 and 25 percent silicon tetraalkoxide by weight to provide a distribution. The functionalization of zeolite with silicon tetraalkoxide is also effective as a center for crosslinking with an organic polymer, mainly with those polymers that contain functional groups, such as hydroxyl, amino, anhydride, dianhydride, aldehyde or amino acid groups, which can form covalent bonds with organosilicon alkoxide. In addition, particles of the same or different zeolite can be grown between zeolite particles and a meso / macroporous structure using the techniques described above.
Другой подход к уменьшению обходного потока заключается в использовании частиц двух или более размеров при формировании слоя, содержащего барьер. Если, например, частицы микропористого барьера обычно являются сферическими с номинальным основным размером около 60 нанометров, то области между частицами могут быть существенными для обеспечения обходного потока. Включение конфигурационно совместимых частиц в эти области может дополнительно ограничить поток флюида и, таким образом, в результате большая часть флюида направляется к барьерным частицам для селективного разделения. Конфигурация барьерных частиц будет зависеть от типа использованных барьерных частиц. Микропористые частицы цеолитного молекулярного сита, имеющие основной размер меньше чем приблизительно 100 нанометров, вероятно, будут иметь определенную конфигурацию благодаря своей кристаллической структуре. Некоторые цеолиты имеют тенденцию к конфигурации пластинчатого типа, тогда как другие, такие как AlPO-14, имеют стержнеобразную структуру. Аналогично, частицы полимерных, керамических, стеклянных и углеродных молекулярных сит могут иметь конфигурацию, которая трудно изменяется. Поэтому конфигурация открытых областей между частицами может изменяться в широких пределах.Another approach to reducing bypass flow is to use particles of two or more sizes to form a layer containing the barrier. If, for example, particles of a microporous barrier are usually spherical with a nominal basic size of about 60 nanometers, then the areas between the particles can be significant to provide a bypass flow. The inclusion of configurationally compatible particles in these regions can further restrict the flow of fluid, and thus, as a result, most of the fluid is directed toward the barrier particles for selective separation. The configuration of the barrier particles will depend on the type of barrier particles used. Microporous particles of a zeolite molecular sieve having a basic size of less than about 100 nanometers are likely to have a specific configuration due to their crystal structure. Some zeolites tend to have a plate-like configuration, while others, such as AlPO-14, have a rod-like structure. Similarly, particles of polymer, ceramic, glass and carbon molecular sieves can have a configuration that is difficult to change. Therefore, the configuration of the open regions between particles can vary widely.
Иногда конфигурационно совместимые частицы выбирают таким образом, чтобы получить, по меньшей мере, частичное закупоривание области. Таким образом, для сферических барьерных частиц стержнеобразные или гораздо более мелкие конфигурационно совместимые частицы могут быть желательными. Конфигурационно совместимые частицы могут иметь любой подходящий состав при заданном размере и условиях работы. Эти частицы могут быть полимерными, в том числе олигомерные; углеродные; и неорганические, такие как дымящий диоксид кремния, цеолит, оксид алюминия и тому подобные.Sometimes, configurationally compatible particles are selected so as to obtain at least partial clogging of the area. Thus, for spherical barrier particles, rod-shaped or much smaller configurationally compatible particles may be desirable. Configurationally compatible particles can have any suitable composition for a given size and operating conditions. These particles may be polymer, including oligomeric; carbon; and inorganic, such as fuming silica, zeolite, alumina and the like.
Ситовые мембраны, используемые в способах настоящего изобретения, отличаются тем, что имеют высокую проницаемость, то есть обладают индексом потока проницаемости С6, равным, по меньшей мере, приблизительно 0,01. Тип ситовых мембран может быть различным, например, молекулярные сита, содержащая поры керамика, металлы, полимерные или углеродные мембраны или композиционные мембраны, имеющие высокопористый полимерный, металлический, молекулярно-ситовой, керамический или углеродный носитель с тонким ситовым слоем, например, молекулярного сита или углерода. Высокая проницаемость достигается за счет, по меньшей мере, одного из следующих технических приемов: во-первых, использование более крупных пор, чем это необходимо для прохождения нормальных алканов; и, во-вторых, использование очень тонкого слоя, содержащего поры. В первом приеме следует признать, что селективность мембраны с более крупными порами может снизиться. Однако в способах настоящего изобретения селективность не является очень важным параметром.The sieve membranes used in the methods of the present invention are characterized in that they have high permeability, that is, have a C 6 permeability flow index of at least about 0.01. The type of sieve membranes can be different, for example, molecular sieves, pore-containing ceramics, metals, polymer or carbon membranes, or composite membranes having a highly porous polymer, metal, molecular sieve, ceramic or carbon carrier with a thin sieve layer, for example, a molecular sieve or carbon. High permeability is achieved due to at least one of the following techniques: firstly, the use of larger pores than is necessary for the passage of normal alkanes; and secondly, the use of a very thin layer containing pores. In the first step, it should be recognized that the selectivity of the membrane with larger pores may decrease. However, in the methods of the present invention, selectivity is not a very important parameter.
Не ограничиваясь теорией, полагают, что предпочтительным классом мембран являются те, в которых ситовые поры являются достаточно крупными, чтобы разветвленные гексаны могли проходить через поры, но сопротивление их движению будет больше, чем для нормального гексана. Часто поры для мембран этого типа имеют средний диаметр больше, чем приблизительно 5,0 Å (средняя длина и ширина), например, приблизительно от, 5,0 до 7,0 Å. Предпочтительно, структуры имеют отношение длины к ширине приблизительно меньше чем 1,25:1, например, от 1,21:1 до 1:1. Для мембран, содержащих молекулярное сито, примерами структур являются цеолиты USY, ZSM-12, SSZ-35, SSZ-44, VPI-8 и канкринит.Not limited to theory, it is believed that the preferred class of membranes are those in which the sieve pores are large enough so that branched hexanes can pass through the pores, but their resistance to movement will be greater than for normal hexane. Often the pores for membranes of this type have an average diameter greater than about 5.0 Å (average length and width), for example, from about 5.0 to 7.0 Å. Preferably, the structures have a length to width ratio of approximately less than 1.25: 1, for example, from 1.21: 1 to 1: 1. For membranes containing a molecular sieve, examples of structures are USY, ZSM-12, SSZ-35, SSZ-44, VPI-8 zeolites and cancrinite.
Другим классом предпочтительных мембран являются мембраны с повышенной селективностью разделения нормального гексана от разветвленных гексанов, где ситовая структура препятствует прохождению разветвленных гексанов через соответствующим образом сформованную пористую структуру. Обычно поры для мембран этого типа имеют средний диаметр приблизительно не более 5,5 Å, например, приблизительно от 4,5 до 5,4 Å. Отношение длины к ширине пор в этих мембранах может изменяться в широких пределах и обычно находится в диапазоне от 1,5:1 до 1:1. Для мембран, содержащих молекулярное сито, примеры структур представляют собой ZSM-5, силикалит, ALPO-11, ALPO-31, ферриерит, ZSM-11, ZSM-57, ZSM-23, MCM-22, NU-87, UZM-9 и СаА. В мембранах последнего типа толщина ситового слоя является важным параметром для достижения высокой проницаемости. Однако когда толщина ситового слоя снижается, возрастают трудности получения слоя без дефектов. Поскольку для способов настоящего изобретения не требуется высокая селективность, мембраны могут содержать небольшие дефекты, то есть такие, которые имеют относительно малый эффективный диаметр. Более крупные дефекты менее удовлетворительны и в пределах их наличия являются относительно редкими для того, чтобы поддерживать желательное отношение потоков проницаемости С6. Например, с мембраной, имеющей барьерный слой ZSM-5, величина отношения потоков проницаемости С6, равная 1,5, может быть получена, только если одна треть флюида проходит через барьерный слой. Мембраны, содержащие ZSM-5 и силикалит, являются предпочтительными из-за их способности селективно пропускать метилпентаны по сравнению с диметилбутанами.Another class of preferred membranes are membranes with increased selectivity for the separation of normal hexane from branched hexanes, where the sieve structure impedes the passage of branched hexanes through a suitably formed porous structure. Typically, pores for membranes of this type have an average diameter of approximately not more than 5.5 Å, for example, from about 4.5 to 5.4 Å. The ratio of length to pore width in these membranes can vary within wide limits and is usually in the range from 1.5: 1 to 1: 1. For membranes containing a molecular sieve, examples of structures are ZSM-5, silicalite, ALPO-11, ALPO-31, ferrierite, ZSM-11, ZSM-57, ZSM-23, MCM-22, NU-87, UZM-9 and CaA. In the latter type of membranes, the thickness of the sieve layer is an important parameter for achieving high permeability. However, when the thickness of the sieve layer decreases, the difficulty of obtaining a defect-free layer increases. Since the methods of the present invention do not require high selectivity, the membranes may contain small defects, that is, those that have a relatively small effective diameter. Larger defects are less satisfactory and relatively rare within their presence in order to maintain the desired C 6 permeability flow ratio. For example, with a membrane having a ZSM-5 barrier layer, a C 6 permeability flux ratio of 1.5 can only be obtained if one third of the fluid passes through the barrier layer. Membranes containing ZSM-5 and silicalite are preferred because of their ability to selectively pass methyl pentanes over dimethyl butanes.
В качестве примера один прием для получения композиционной мембраны заключается в формировании ситовых структур внутри пористого субстрата. Пористый субстрат может быть любым подходящим неорганическим материалом, который обладает соответствующей прочностью, чтобы выдержать перепад давлений и температур при эксплуатации. Примеры композиций пористого субстрата включают в себя металл, оксид алюминия, такой как альфа-оксид алюминия, гамма-оксид алюминия и переходные формы оксида алюминия, молекулярное сито, керамику, стекло, полимеры и углерод. Пористый субстрат является высокопористым и предпочтительно имеет величину индекса потока проницаемости С6, равную, по меньшей мере, приблизительно 1, предпочтительно, по меньшей мере, около 10. Часто пористый субстрат может иметь размер пор или отверстий в диапазоне от 2 до 100, предпочтительно приблизительно от 20 до 50 до нм. Эти поры или отверстия могут быть практически прямыми или извилистыми и могут быть определены как проход сквозь твердое вещество или через пространство пустот между частицами субстрата. В предпочтительных вариантах осуществления дефекты в субстрате залечиваются до осаждения барьерного слоя или предшественника барьерного слоя. В другом варианте осуществления субстрат можно обрабатывать силиказолем с целью частичного закупоривания пор и облегчения осаждения барьерного слоя или предшественника барьерного слоя. Между частицами диоксида кремния еще остается достаточное пространство для того, чтобы обеспечить высокую скорость проницаемости. Другим техническим приемом является покрытие носителя силиконовым каучуком или другим полимером, который обеспечивает высокую проницаемость, но закупоривает дефекты в носителе или в барьере.As an example, one technique for producing a composite membrane is the formation of sieve structures within a porous substrate. The porous substrate may be any suitable inorganic material that has adequate strength to withstand pressure and temperature differences during use. Examples of porous substrate compositions include metal, alumina such as alpha alumina, gamma alumina and transition alumina, molecular sieve, ceramic, glass, polymers and carbon. The porous substrate is highly porous and preferably has a C 6 permeability flow index of at least about 1, preferably at least about 10. Often, the porous substrate can have a pore or hole size in the range of 2 to 100, preferably approximately from 20 to 50 to nm. These pores or holes can be almost straight or winding and can be defined as passing through a solid or through the space of voids between the particles of the substrate. In preferred embodiments, the defects in the substrate heal before the deposition of the barrier layer or the precursor of the barrier layer. In another embodiment, the substrate may be treated with silicasole to partially clog the pores and facilitate deposition of the barrier layer or barrier layer precursor. Between the particles of silicon dioxide there is still enough space in order to provide a high permeability rate. Another technique is coating the carrier with silicone rubber or another polymer that provides high permeability, but clogs defects in the carrier or in the barrier.
Один способ формирования барьерного слоя заключается в размещении жидкого предшественника молекулярного сита на пористой подложке. Предшественник подвергается кристаллизации в гидротермальных условиях, после чего пористую подложку промывают и нагревают, чтобы удалить остаточный органический материал. Материал молекулярного сита находится, главным образом, внутри и закупоривает поры пористой подложки.One way to form a barrier layer is to place a liquid molecular sieve precursor on a porous substrate. The precursor crystallizes under hydrothermal conditions, after which the porous substrate is washed and heated to remove residual organic material. The molecular sieve material is located mainly inside and clogs the pores of the porous substrate.
Молекулярное сито может представлять собой любую подходящую комбинацию элементов, которая обеспечивает желательную пористую структуру. Алюминий, кремний, бор, галлий, олово, титан, германий, фосфор и кислород могут быть использованы в качестве компоновочных блоков молекулярных сит, таких как алюмосиликатные молекулярные сита, в том числе цеолиты; силикалиты; AlPO; SAPO; и боросиликаты. Соединение предшественника включает в себя упомянутые выше элементы, обычно в виде оксидов или фосфатов, вместе с водой и органическим структурирующим агентом, который обычно представляет собой полярное органическое соединение, такое как гидроксид тетрапропиламмония. Кроме того, могут быть использованы другие вспомогательные агенты, такие как амины, простые эфиры и спирты. Массовое соотношение полярного органического соединения к материалам компоновочного блока обычно находится в диапазоне приблизительно от 0,1 до 0,5 и будет зависеть от используемого конкретно компоновочного блока. Для того чтобы получить тонкие слои молекулярного сита в мембранах, обычно является предпочтительным, чтобы раствор предшественника содержал много воды. Например, алюмосиликатных молекулярных сит молярное соотношение воды к диоксиду кремния должно составлять, по меньшей мере, приблизительно 40:1, а для алюмофосфатных молекулярных сит молярное соотношение воды к алюминию должно составлять, по меньшей мере, приблизительно 40:1.The molecular sieve may be any suitable combination of elements that provides the desired porous structure. Aluminum, silicon, boron, gallium, tin, titanium, germanium, phosphorus and oxygen can be used as building blocks of molecular sieves, such as aluminosilicate molecular sieves, including zeolites; silicalites; AlPO; SAPO and borosilicates. The precursor compound includes the elements mentioned above, usually in the form of oxides or phosphates, together with water and an organic structuring agent, which is usually a polar organic compound, such as tetrapropylammonium hydroxide. In addition, other auxiliary agents, such as amines, ethers and alcohols, may be used. The mass ratio of the polar organic compound to the materials of the building block is usually in the range of about 0.1 to 0.5 and will depend on the particular building block used. In order to obtain thin layers of a molecular sieve in the membranes, it is usually preferred that the precursor solution contains a lot of water. For example, aluminosilicate molecular sieves, the molar ratio of water to silicon dioxide should be at least about 40: 1, and for aluminophosphate molecular sieves, the molar ratio of water to aluminum should be at least about 40: 1.
Условия кристаллизации часто находятся в диапазоне приблизительно от 80°С до 250°С при абсолютном давлении в диапазоне от 100 до 1000, часто от 200 до 500 кПа. Время кристаллизации ограничивается таким образом, чтобы не образовался чрезмерно толстый слой молекулярного сита. Обычно время кристаллизации составляет меньше чем приблизительно 50 ч, например, от 10 до 40 часов. Предпочтительно время кристаллизации является достаточным для формирования кристаллов, но меньше времени, которое требуется для образования слоя молекулярного сита толщиной около 200 нм, например, приблизительно от 5 до 50 нанометров. Кристаллизация может быть осуществлена в автоклаве. В некоторых случаях при нагревании микроволновым излучением кристаллизация будет проходить за более короткое время. После этого мембрану промывают водой и затем прокаливают приблизительно при температуре от 350° до 550°С, чтобы удалить любые органические вещества.Crystallization conditions often range from about 80 ° C to 250 ° C with an absolute pressure in the range from 100 to 1000, often from 200 to 500 kPa. The crystallization time is limited so that an excessively thick molecular sieve layer does not form. Typically, the crystallization time is less than about 50 hours, for example, from 10 to 40 hours. Preferably, the crystallization time is sufficient to form crystals, but less than the time required to form a molecular sieve layer with a thickness of about 200 nm, for example, from about 5 to 50 nanometers. Crystallization can be carried out in an autoclave. In some cases, when heated by microwave radiation, crystallization will take place in a shorter time. After that, the membrane is washed with water and then calcined at approximately 350 ° to 550 ° C to remove any organic matter.
Другой способ получения мембран, подходящих для использования в соответствии со способом этого изобретения, включает в себя осаждение тонкого слоя молекулярного сита на пористом носителе, таком как полимерный носитель или неорганический носитель, который описан выше. В предпочтительных вариантах осуществления этих мембран пористая подложка является высокопористой и предпочтительно имеет индекс потока проницаемости С6, по меньшей мере, приблизительно 1, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 10. Часто пористая подложка может иметь размер пор или отверстий в диапазоне от 2 до 200 нм, предпочтительно приблизительно от 20 до 100 нанометров. Структура полимерного носителя может быть изотропной, но предпочтительной является анизотропная структура. Поры или отверстия могут быть практически прямыми или извилистыми и могут быть определены как проход сквозь твердое вещество или через пространство пустот между частицами субстрата. Типичные полимерные носители включают полиимиды, полиакрилонитрил, поликарбонаты, поли(простой эфир)кетоны, поли(простой эфир)сульфоны и полисульфоны.Another method for producing membranes suitable for use in accordance with the method of this invention involves the deposition of a thin layer of molecular sieve on a porous carrier, such as a polymeric carrier or inorganic carrier, as described above. In preferred embodiments of these membranes, the porous substrate is highly porous and preferably has a C 6 permeability flow index of at least about 1, preferably at least about 10. Often, the porous substrate can have a pore or hole size in the range of 2 to 200 nm, preferably from about 20 to 100 nanometers. The structure of the polymer carrier may be isotropic, but anisotropic structure is preferred. Pores or openings can be substantially straight or winding and can be defined as passing through a solid or through the space of voids between particles of a substrate. Typical polymeric carriers include polyimides, polyacrylonitrile, polycarbonates, poly (ether) ketones, poly (ether) sulfones and polysulfones.
Осажденное молекулярное сито обычно имеет относительно небольшой размер частиц, например, приблизительно от 20 до 50 нанометров в главном направлении. Нанесение молекулярного сита на носитель может быть осуществлено любым традиционным образом. Например, молекулярное сито может находиться в водной суспензии, и его наносят на мембрану в виде тонкого покрытия, например, суспензии, содержащей приблизительно от 5 до 50 процентов молекулярного сита по массе, причем толщина покрытия до сушки приблизительно меньше чем 200 нм, предпочтительно приблизительно между 50 и 100 нанометров.The precipitated molecular sieve usually has a relatively small particle size, for example, from about 20 to 50 nanometers in the main direction. The application of the molecular sieve to the carrier can be carried out in any conventional manner. For example, the molecular sieve may be in an aqueous suspension and applied to the membrane in the form of a thin coating, for example, a suspension containing from about 5 to 50 percent molecular sieve by weight, and the thickness of the coating before drying is approximately less than 200 nm, preferably between 50 and 100 nanometers.
Процесс осаждения, по желанию, может включать в себя поддержание на одной стороне пористого носителя пониженного давления, чтобы способствовать размещению частиц молекулярного сита в порах носителя. Если молекулярное сито слабо закреплено на носителе, например, помещается в порах, причем покрывающая композиция может содержать один или несколько компонентов, которые играют роль связующего материала, при условии, что он не закупоривает пористую структуру молекулярного сита. Вспомогательные агенты включают в себя один или несколько полиамидов, поливиниловые спирты, поливинилацетат, силиконовые каучуки и полиакрилаты.The deposition process, if desired, may include maintaining on one side of the porous support a reduced pressure to facilitate the placement of molecular sieve particles in the pores of the support. If the molecular sieve is loosely attached to the carrier, for example, is placed in the pores, and the coating composition may contain one or more components that act as a binder material, provided that it does not clog the porous structure of the molecular sieve. Auxiliary agents include one or more polyamides, polyvinyl alcohols, polyvinyl acetate, silicone rubbers and polyacrylates.
Кроме того, молекулярное сито на мембранах полимерного носителя или сами полимерные носители могут быть подвергнуты пиролизу в вакуумной печи для того, чтобы получить углеродную мембрану. Для таких мембран, содержащих молекулярные сита, пористая структура углеродного носителя предпочтительно имеет достаточный диаметр, чтобы свести к минимуму сопротивление структуры молекулярного сита потоку флюида при осуществлении разделения. Температура пиролиза будет зависеть от природы полимерного носителя и будет ниже температуры, при которой пористость чрезмерно уменьшается. Примеры полимерных носителей включают в себя полиимиды, полиакрилнитрил, поликарбонаты, поли(простой эфир)кетоны, поли(простой эфир)сульфоны и полисульфоны, причем до пиролиза, поры или отверстия в носителе имеют размер в диапазоне от 2 до 100, предпочтительно приблизительно от 20 до 50 нанометров.In addition, the molecular sieve on the membranes of the polymer carrier or the polymer carriers themselves can be pyrolyzed in a vacuum oven in order to obtain a carbon membrane. For such membranes containing molecular sieves, the porous structure of the carbon carrier preferably has a sufficient diameter to minimize the resistance of the molecular sieve structure to fluid flow during separation. The pyrolysis temperature will depend on the nature of the polymer carrier and will be lower than the temperature at which porosity decreases excessively. Examples of polymeric carriers include polyimides, polyacrylonitrile, polycarbonates, poly (ether) ketones, poly (ether) sulfones and polysulfones, and prior to pyrolysis, pores or holes in the carrier range in size from 2 to 100, preferably from about 20 up to 50 nanometers.
Другой технический прием, который обеспечивает высокую проницаемость композиционной мембраны, заключается в осаждении из паровой фазы тонкого слоя вещества на поверхности высокопористого носителя, который может быть полимерным или неорганическим, описанного выше типа. Назначение осажденного материала заключается в обеспечении локального уменьшения размера пор или отверстий по всему носителю до такой величины, которая обеспечит желательное разделение без чрезмерного уменьшения диаметра оставшейся пористой структуры в носителе. Примеры материалов, осаждаемых из паровой фазы, включают силаны, пара-ксилол, алкиленимины и алкиленоксиды.Another technique that provides high permeability of the composite membrane is the vapor deposition of a thin layer of a substance on the surface of a highly porous carrier, which may be polymer or inorganic, of the type described above. The purpose of the deposited material is to provide a local reduction in the size of pores or holes throughout the carrier to a value that will provide the desired separation without unduly reducing the diameter of the remaining porous structure in the carrier. Examples of vapor deposited materials include silanes, para-xylene, alkylene imines and alkylene oxides.
Один технический прием для осаждения молекулярных сит на пористом носителе заключается в том, что получают относительно однородную, разбавленную суспензию молекулярного сита в вязкой жидкости или в твердом полимере, таким образом, чтобы после удаления жидкости или полимера, например с помощью прокалки, оставалось тонкое, весьма однородное покрытие молекулярного сита. В качестве примера получают суспензию молекулярного сита (предпочтительно, приблизительно от 1 до 10 процентов по массе) в углеводороде, который при комнатной температуре обычно является твердым, такой как додекан, и наносят ее в виде покрытия снаружи полого трубчатого пористого носителя. Температура суспензии является такой, чтобы вязкость была подходящей для сохранения однородной суспензии, но еще обеспечивала получение желательного тонкого покрытия. Толщина покрытия обычно составляет приблизительно от 5 до 30 мкм. На стенке трубки поддерживают небольшой перепад давления (приблизительно от 5 до 30 кПа), таким образом, чтобы большая часть покрытия скорее была вовлечена внутрь всех крупных дефектов в носителе, чем в нанопоры. Затем носитель сушат и прокаливают, чтобы удалить углеводородOne technique for depositing molecular sieves on a porous support is to obtain a relatively uniform, diluted suspension of the molecular sieve in a viscous liquid or in a solid polymer, so that after removing the liquid or polymer, for example by calcination, a thin, very homogeneous molecular sieve coating. As an example, a suspension of a molecular sieve (preferably from about 1 to 10 percent by weight) in a hydrocarbon, which is usually solid at room temperature, such as dodecane, is prepared and applied as a coating on the outside of a hollow tubular porous carrier. The temperature of the suspension is such that the viscosity is suitable for maintaining a uniform suspension, but still provides the desired thin coating. The coating thickness is usually from about 5 to 30 microns. A small pressure drop is maintained on the tube wall (approximately 5 to 30 kPa), so that most of the coating is more likely to be involved in all major defects in the carrier than in nanopores. Then the carrier is dried and calcined to remove hydrocarbon
Поскольку не требуется, чтобы мембраны обладали высоким отношением потоков проницаемости С6, что желательно во многих областях применения, любые технические приемы, которые повышают сопротивление потоку через дефекты, будут способствовать улучшению характеристик мембраны. Например, нанесение покрытия золя диоксида кремния может быть использовано для закупоривания промежуточных отверстий между кристаллами молекулярного сита или оставшимися большими порами в носителе независимо от способа получения мембраны.Since it is not required that the membranes have a high C 6 permeability flux ratio, which is desirable in many applications, any techniques that increase the resistance to flow through defects will contribute to improving membrane performance. For example, coating a silica sol can be used to plug intermediate holes between molecular sieve crystals or remaining large pores in a carrier, regardless of how the membrane is prepared.
Другой технический прием для закупоривания больших пор заключается в том, что с одной стороны барьерного слоя располагаются большие, реакционноспособные молекулы, которые не способны продиффундировать в микропоры барьера, а с другой стороны имеется сшивающий агент. Основные дефекты и, в некоторой степени, второстепенные дефекты заполняются этими большими, реакционноспособными молекулами и закрепляются путем сшивки. Затем непрореагировавшую часть больших молекул можно удалить, так же как и непрореагировавший сшивающий агент. Эти большие молекулы могут быть олигомерными или крупными молекулами.Another technique for clogging large pores is that on the one side of the barrier layer are large, reactive molecules that are unable to diffuse into the micropores of the barrier, and on the other hand there is a crosslinking agent. Major defects and, to some extent, minor defects are filled with these large, reactive molecules and fixed by crosslinking. Then, the unreacted portion of the large molecules can be removed, as well as the unreacted crosslinking agent. These large molecules can be oligomeric or large molecules.
Подробное описание чертежаDetailed description of the drawing
На чертеже показано, что исходное сырье, содержащее линейные парафины, поступает в установку изомеризации по линии 102. Водород подается по линии 104. Объединенный поток поступает в реактор изомеризации 106. Поток, выходящий из реактора изомеризации 106, направляется по трубопроводу 108 в стабилизационную колонну 110. В этой стабилизационной колонне 110 по трубопроводу 112 в качестве верхнего погона удаляются легкие фракции. Эти легкие фракции могут быть использованы для любой подходящей цели, в том числе как ценное топливо. Кубовый остаток из стабилизационной колонны 110 по линии 114 поступает в деизогексанайзер 116. Боковой поток из деизогексанайзера рециркулирует по трубопроводу 118 в реактор изомеризации 106. Кубовый поток из деизогексанайзера 116 удаляется по линии 120. Верхний погон из деизогексанайзера 116 отводится по трубопроводу 122. Кубовый поток по линии 120 поступает на входную сторону мембранного сепаратора 124. Поток, имеющий пониженную концентрацию нормального гексана, удаляется из сепаратора 124 по трубопроводу 126, а продиффундировавшая фракция, которая содержит нормальный гексан, рециркулирует по трубопроводу 128 в реактор изомеризации 106.The drawing shows that the feedstock containing linear paraffins enters the isomerization unit through line 102. Hydrogen is supplied through line 104. The combined stream enters the isomerization reactor 106. The stream exiting from the isomerization reactor 106 is routed through a pipe 108 to a stabilization column 110 In this stabilization column 110, light fractions are removed via line 112 as overhead. These light fractions can be used for any suitable purpose, including as valuable fuel. The bottom residue from the stabilization column 110 via line 114 enters the deisohexanizer 116. The side stream from the deisohexanizer is recycled through line 118 to the isomerization reactor 106. The bottom stream from the deisohexanizer 116 is removed through line 120. The overhead from the deisohexanizer 116 is discharged through line 12. line 120 enters the inlet side of the membrane separator 124. A stream having a reduced concentration of normal hexane is removed from the separator 124 through line 126, and the diffused fraction, which is It contains normal hexane and is recycled through line 128 to the isomerization reactor 106.
Claims (11)
(a) изомеризацию исходного сырья в условиях изомеризации, включая наличие катализатора изомеризации, температуры реактора от 40 до 250°С, рабочем абсолютном давлении в реакторе от 100 кПа до 10 МПа и объемной скорости подачи жидкости от 0,2 до 25 л изомеризуемого углеводородного сырья в ч/л объема катализатора, чтобы получить продукт изомеризации, содержащий линейные парафины, но в меньшей концентрации, чем в исходном сырье,
(b) дистилляцию, по меньшей мере, части продукта изомеризации, чтобы получить низкокипящую фракцию, содержащую линейные парафины и вышекипящую фракцию, содержащую нормальный гексан, циклогексан, метилпентаны и метилциклопентан,
(c) контактирование, по меньшей мере, части фракции, содержащей нормальный гексан со стадии b), с входной стороной селективно проницаемой мембраны для того, чтобы получить удерживаемую фракцию, которая имеет пониженную концентрацию метилциклопентана чтобы получить на выходной стороне мембраны продиффундировавшую через нее фракцию, имеющую повышенную концентрацию нормального гексана и метилпентанов, причем указанная продиффундировавшая фракция содержит, по меньшей мере, 75 мас.% нормального гексана, содержащегося во фракции, содержащей нормальный гексан, контактировавшем с мембраной;
(d) удаление со стадии с) удерживаемой фракции.1. The method of isomerization of a feedstock containing paraffins having from 5 to 6 carbon atoms, in which at least 15 wt.% Of the feedstock are linear paraffins, to obtain an isomerization product containing isomerized paraffins, which includes:
(a) isomerization of the feedstock under isomerization conditions, including the presence of an isomerization catalyst, a reactor temperature of 40 to 250 ° C., an operating absolute pressure in the reactor of 100 kPa to 10 MPa, and a volumetric flow rate of 0.2 to 25 L of isomerizable hydrocarbon feed in h / l of catalyst volume to obtain an isomerization product containing linear paraffins, but at a lower concentration than in the feedstock,
(b) distilling at least a portion of the isomerization product to obtain a low boiling fraction containing linear paraffins and a higher boiling fraction containing normal hexane, cyclohexane, methyl pentanes and methyl cyclopentane,
(c) contacting at least a portion of the fraction containing normal hexane from step b) with the inlet side of the selectively permeable membrane in order to obtain a retained fraction that has a reduced concentration of methylcyclopentane to obtain a fraction diffused through it on the outlet side of the membrane, having an increased concentration of normal hexane and methyl pentanes, wherein said diffused fraction contains at least 75 wt.% normal hexane contained in the fraction containing n normal hexane in contact with the membrane;
(d) removing the retained fraction from step c).
a) реактор изомеризации, в котором имеются патрубки для приема исходного сырья на входе и выходной патрубок,
b) колонна удаления гексана, в которой вход жидкого флюида соединен с выходным патрубком реактора изомеризации, выходной патрубок низкокипящей фракции предназначен для удаления низкокипящей фракции по линии, выходной патрубок вышекипящей фракции для отбора боковой фракции и выходной патрубок для кубового остатка; и
(с) мембранный сепаратор, в котором боковой патрубок для входа жидкого сырья соединен с выходным патрубком кубового остатка, патрубок для выхода жидкости на выходной стороне сепаратора соединен с выходным патрубком вышекипящей фракции аппарата удаления гексана, и боковой патрубок для выхода сырья. 11. A device for a method of isomerizing a feedstock as claimed in claims 1 to 10, containing paraffins with a number of carbon atoms of 5 and 6, to obtain a gasoline fraction that includes:
a) an isomerization reactor in which there are nozzles for receiving the feedstock at the inlet and an outlet nozzle,
b) a hexane removal column, in which the liquid fluid inlet is connected to the outlet pipe of the isomerization reactor, the low-boiling fraction outlet pipe is used to remove the low-boiling fraction in line, the boiling fraction outlet pipe to select a side fraction and the outlet pipe for bottoms; and
(c) a membrane separator in which a side nozzle for entering the liquid feed is connected to an outlet nozzle of bottoms, a nozzle for leaving the fluid on the outlet side of the separator is connected to an outlet nozzle of a higher boiling fraction of the hexane removal apparatus, and a side nozzle for leaving the feed.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US66108405P | 2005-03-11 | 2005-03-11 | |
| US60/661,084 | 2005-03-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007137667A RU2007137667A (en) | 2009-04-20 |
| RU2382023C2 true RU2382023C2 (en) | 2010-02-20 |
Family
ID=36992036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007137667/04A RU2382023C2 (en) | 2005-03-11 | 2006-03-10 | Method for isomerisation of material containing paraffins with 5 to 7 carbon atoms, and device for realising said method |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1856014A4 (en) |
| KR (1) | KR100916617B1 (en) |
| CN (1) | CN101171211A (en) |
| AU (1) | AU2006223222B2 (en) |
| BR (1) | BRPI0609006A2 (en) |
| CA (1) | CA2600128C (en) |
| MX (1) | MX2007011164A (en) |
| RU (1) | RU2382023C2 (en) |
| WO (1) | WO2006099254A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2600452C1 (en) * | 2015-09-02 | 2016-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук | Catalyst (versions), preparation method thereof and method of producing acetaldehyde |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2368594C2 (en) * | 2005-03-11 | 2009-09-27 | Юоп Ллк | Method of isomerising normal butane to isobutane and device for realising said method |
| US7223898B2 (en) * | 2005-03-11 | 2007-05-29 | Uop Llc | Isomerization process |
| US7638675B2 (en) * | 2007-09-07 | 2009-12-29 | Uop Llc | Processes for the isomerization of normal butane to isobutane |
| US7638674B2 (en) * | 2007-09-07 | 2009-12-29 | Uop Llc | Processes for the isomerization of paraffins of 5 and 6 carbon atoms with methylcyclopentane recovery |
| CN103361121A (en) * | 2012-04-05 | 2013-10-23 | 中国石油天然气股份有限公司 | A kind of production method of high-octane gasoline blending component |
| US20150051431A1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-19 | Uop Llc | Methods and systems for producing gasoline |
| CN105820838B (en) * | 2015-01-07 | 2017-10-03 | 中国石油化工股份有限公司 | A kind of isomerization method for light hydrocarbon |
| CN105820839B (en) * | 2015-01-07 | 2017-11-03 | 中国石油化工股份有限公司 | A kind of isomerization method for light hydrocarbon |
| US20160311732A1 (en) * | 2015-04-27 | 2016-10-27 | Uop Llc | Processes and apparatuses for isomerizing hydrocarbons |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1088659A3 (en) * | 1972-05-12 | 1984-04-23 | Стандарт Ойл Компани (Фирма) | Process for isolating unsaturated c2-c8 aliphatic hydrocarbons |
| US4717784A (en) * | 1986-12-10 | 1988-01-05 | Shell Oil Company | Total isomerization process with mono-methyl-branched plus normal paraffin recycle stream |
| US5069794A (en) * | 1990-06-05 | 1991-12-03 | Mobil Oil Corp. | Separation of mixture components over membrane composed of a pure molecular sieve |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4982048A (en) * | 1989-02-24 | 1991-01-01 | Shell Oil Company | Isomerization process with preliminary normal paraffin and mono-methyl paraffin feed capture step |
| US6013852A (en) | 1997-11-21 | 2000-01-11 | Shell Oil Company | Producing light olefins from a contaminated liquid hydrocarbon stream by means of thermal cracking |
| FR2771419B1 (en) * | 1997-11-25 | 1999-12-31 | Inst Francais Du Petrole | HIGH-INDEX OCTANE ESSENCES AND THEIR PRODUCTION BY A PROCESS COMBINING HYDRO-ISOMERIZATION AND SEPARATION |
| FR2771418B1 (en) * | 1997-11-25 | 2001-02-02 | Inst Francais Du Petrole | PROCESS FOR SEPARATING A C5-C8 LOAD OR AN INTERMEDIATE LOAD, INTO THREE EFFLUENTS RESPECTIVELY RICH IN LINEAR, SINGLE-BRANCHED AND MULTI-BRANCHED PARAFFINS |
| FR2862311B1 (en) * | 2003-11-14 | 2008-05-30 | Inst Francais Du Petrole | PROCESS FOR PRODUCING HIGH OCTANE INDEXES FROM A C5 / C6 CUT USING A MENBRANE SEPARATION UNIT |
-
2006
- 2006-03-10 MX MX2007011164A patent/MX2007011164A/en active IP Right Grant
- 2006-03-10 CN CNA2006800158324A patent/CN101171211A/en active Pending
- 2006-03-10 AU AU2006223222A patent/AU2006223222B2/en not_active Ceased
- 2006-03-10 WO PCT/US2006/008819 patent/WO2006099254A1/en not_active Ceased
- 2006-03-10 BR BRPI0609006-0A patent/BRPI0609006A2/en not_active Application Discontinuation
- 2006-03-10 RU RU2007137667/04A patent/RU2382023C2/en not_active IP Right Cessation
- 2006-03-10 EP EP06737941A patent/EP1856014A4/en not_active Withdrawn
- 2006-03-10 CA CA2600128A patent/CA2600128C/en not_active Expired - Fee Related
-
2007
- 2007-10-11 KR KR1020077023364A patent/KR100916617B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1088659A3 (en) * | 1972-05-12 | 1984-04-23 | Стандарт Ойл Компани (Фирма) | Process for isolating unsaturated c2-c8 aliphatic hydrocarbons |
| US4717784A (en) * | 1986-12-10 | 1988-01-05 | Shell Oil Company | Total isomerization process with mono-methyl-branched plus normal paraffin recycle stream |
| US5069794A (en) * | 1990-06-05 | 1991-12-03 | Mobil Oil Corp. | Separation of mixture components over membrane composed of a pure molecular sieve |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2600452C1 (en) * | 2015-09-02 | 2016-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук | Catalyst (versions), preparation method thereof and method of producing acetaldehyde |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BRPI0609006A2 (en) | 2010-11-16 |
| RU2007137667A (en) | 2009-04-20 |
| CA2600128C (en) | 2011-03-15 |
| WO2006099254A1 (en) | 2006-09-21 |
| AU2006223222B2 (en) | 2009-06-18 |
| AU2006223222A1 (en) | 2006-09-21 |
| KR20070106592A (en) | 2007-11-01 |
| CA2600128A1 (en) | 2006-09-21 |
| CN101171211A (en) | 2008-04-30 |
| KR100916617B1 (en) | 2009-09-14 |
| EP1856014A4 (en) | 2012-12-12 |
| EP1856014A1 (en) | 2007-11-21 |
| MX2007011164A (en) | 2007-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100916617B1 (en) | Process for isomerization of feedstock comprising paraffins of 5 to 7 carbon atoms | |
| RU2368594C2 (en) | Method of isomerising normal butane to isobutane and device for realising said method | |
| US7981376B2 (en) | Processes for the isomerization of normal butane to isobutane | |
| US8071044B2 (en) | Processes for the isomerization of paraffins of 5 and 6 carbon atoms with methylcyclopentane recovery | |
| US7638676B2 (en) | Processes for the isomerization of feedstocks comprising paraffins of 5 to 7 carbon atoms | |
| RU2364583C2 (en) | Methods of isomerisation of paraffins having 5 and 6 carbon atoms, with nethylcyclopentane isolation and device for its realisation | |
| US7846322B2 (en) | Integrated refinery with enhanced olefin and reformate production | |
| CN101171216B (en) | Integrated refinery with enhanced olefin and reformate production |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200311 |