|
[ На предыдущую главу]
4. Разделение смесей предельных и непредельных углеводородов
мембранными контакторами
Высокие затраты на криогенные методы разделения смесей низших насыщенных и ненасыщенных углеводородов, например, этана и этилена, пропана и пропилена, играющих ключевую роль в нефтехимическом синтезе, определяют основную стоимость соответствующих процессов. Так как температуры кипения соответствующих пар предельных и непредельных углеводородов находятся в очень узком температурном интервале, обычная дистилляция оказывается чрезвычайно дорогим процессом. Недавний анализ, проведенный американским Департаментом по энергетике [10], показал, что ежегодные затраты на дистилляционное разделение смеси олефинов и парафинов составляют 10 15 БТЕ (британская единица теплоты, равная 1054 кДж).
Существенная трудность обычного мембранного разделения предельных и непредельных углеводородов заключается в низкой селективности и недостаточной стабильности многих полимерных мембран в атмосфере разделяемой смеси. В процессе мембранного разделения парогазовых смесей углеводородов происходит существенное изменение механических свойств мембраны.
Все это стимулирует интенсивный поиск принципиально новых систем разделения смесей насыщенных и ненасыщенных углеводородов. Одной из таких систем является мембранный контактор (МК). МК сочетает в себе преимущества мембранных методов разделения смесей с абсорбционными или экстракционными.
Южноафриканская нефтехимическая компания САСОЛ производит больше 150 различных наименований химических продуктов (включая синтетический бензин и дизельное топливо) из исходного каменноугольного сырья. Специфика химических процессов САСОЛ на основе реакции Фишер-Тропша такова, что продукты синтеза практически не имеют в своем составе ароматических соединений, а длина углеводородных цепей может варьироваться от С 2 до С90. Задача разделения предельных углеводородов от непредельных является достаточно важной для компании САСОЛ и не ограничивается разделением только легких фракций. Работа в этом направлении ведется в Университете Стелленбоша с 1993 года.
В частности, разработан мембранный контактор для разделения газообразных и жидких смесей предельных и непредельных углеводородов включая смеси н-декан/децен-1 [11-13]. Разработана математическая модель массопереноса алкенов и алканов в МС, и показана адекватная применимость этой модели для реального процесса разделения этилена и этана [14]. Модель учитывает стационарную диффузию газов через непористые мембраны абсорбера, химическое взаимодействие алкенов с ионами серебра в абсорбере, перенос раствора в десорбер и удаление продукта (т.е., алкена) через непористую мембрану десорбера.
Мембранный контактор имеет в своем составе непористую композиционную мембрану, селективный слой которой изготовлен на основе блок-сополимеров полидиметилсилоксана. Подкисленные растворы нитрата серебра в воде или этиленгликоле используются в качестве жидкого подвижного абсорбента. Раствор циркулирует между абсорбционным и десорбционным блоками устройства. Схематическое изображение такого мембранного контактора приводится на рис. 2.
Преимущества мембранных контакторов перед традиционными методами разделения состоят в следующем: необычайно большая контактная площадь мембраны по сравнению с общим объемом системы; в мембранных контакторах возможно осуществлять одновременный независимый контроль сразу двух фаз - жидкостной и газовой; эффективная площадь мембран в мембранных контакторах независима от изменения скорости протока жидкого абсорбента; возможность быстрого масштабирования системы; изоляция жидкой фазы от газовой и одновременное разделение газовых смесей; гибкость системы.
В мембранной технологии разделения смесей предельных и непредельных углеводородов чаще всего используется селективная и обратимая реакция двойной связи с ионами серебра. Процесс обратимого связывания непредельных углеводородов с ионами серебра может быть представлен следующим образом:
 (3)
Рассмотренная выше мембранная система (МК) для разделения смесей предельных и непредельных углеводородов является примером высокой, экологически чистой технологии и находится в стадии лабораторных испытаний.
Аналогичный мембранный контактор с неподвижным жидким слоем был использован для определения параметров растворимости алкенов в растворах этиленгликоля и 1,3-пропандиола, содержащих ионы серебра [15]. Изучалась также возможность использования мембранных контакторов с непористыми полимерными мембранами для насыщения воды кислородом и удаления из нее растворенного кислорода [16, 17].
Дальнейшее развитие мембранных контакторов для разделения алканов и алкенов может быть связано с интенсификацией процессов переноса электрическим током. Данное направление научной работы было относительно недавно инициировано в Университете Стелленбоша С.Ф. Тимашевым [18]. В основу процесса разделения алканов и алкенов предложено использовать катионообменную перфторированную мембрану типа Nafion, содержащую наночастицы платины и ионы меди [19]. В случае наложения электрического потенциала на мембрану и протекания электронного тока по частицам платины, находящимся в мембране, возможно частичное восстановление ионов меди на катоде до одновалентного состояния. При этом ионы одновалентной меди могут образовывать обратимый комплекс с алкенами аналогично реакции (3), повышая тем самым растворимость алкенов в мембране. Повышенная растворимость алкенов в мембране ведет к увеличению константы проницаемости, что потенциально можно использовать для разделения алкенов от алканов. На рис. 3 изображен принцип такого интенсифицированного переноса алкенов [18].
Не так давно при поддержке С.Ф. Тимашева на базе Университета Стелленбоша начались работы в области изучения влияния шероховатости мембран на их каталитические свойства [20].
[ На следующую главу] [На Содержание]
Copyright ї
|
