Эффективное разделение изомеров бутана с помощью ZIF

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4792 (2022) Цитировать эту статью

2726 Доступов

7 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

н-бутан и изобутан являются важным нефтехимическим сырьем. Их разделение является сложной задачей из-за схожих свойств, включая температуру кипения. Здесь мы сообщаем о суспензии цеолитового имидазолата каркаса-8 (ЗИФ-8)/N,N-диметилпропиленмочевины (ДМПУ)-воды в качестве сорбционного материала для разделения смесей бутана. Селективность изобутана/н-бутана в суспензиях ZIF-8/DMPU-вода достигает 890 с высокими кинетическими характеристиками, что превышает верхний предел различных разделительных материалов или мембран, описанных в литературе. Еще более обнадеживает то, что было создано пилотное устройство непрерывного разделения, и результаты испытаний показывают, что степень чистоты и степень извлечения изобутана составляют 99,46 мол.% и 87% соответственно, что превосходит соответствующие характеристики (98,56 мол.% и 54%). промышленной дистилляционной башни. Насколько нам известно, использование металлоорганических каркасов (МОФ) для разделения газов в пилотном масштабе остается недостаточно изученным, и, таким образом, эта работа представляет собой шаг вперед к коммерческому применению МОФ при разделении газов.

И н-бутан, и изобутан являются важным нефтехимическим сырьем, используемым для непосредственного применения или для синтеза других нефтехимических продуктов. Изомеры обычно сосуществуют в виде сжиженных нефтяных газов, получаемых путем конденсации природного газа или при переработке нефти, например, при каталитическом крекинге с флюидом (FCC). Следовательно, становится критически важным эффективно и экономично разделить изомеры бутана. Например, изобутан высокой чистоты можно использовать для1 (1) реакций с олефинами с получением алкилированного высокооктанового бензина, (2) совместного окисления с пропиленом с образованием оксида пропилена и трет-бутанола и (3) дегидрирования с получением изобутена. . С другой стороны, н-бутан можно использовать в качестве хладагента или для (1) окисления с получением малеинового ангидрида2 и (2) дегидрирования с получением бутадиена3. Однако разделение изомеров бутана считается сложным процессом4,5, поскольку их физические и химические свойства, такие как температуры кипения, давление паров и поляризуемость, схожи6. На сегодняшний день энерго- и дорогостоящие методы дистилляции по-прежнему широко применяются для разделения изомеров бутана в промышленности из-за отсутствия более эффективных альтернатив.

Адсорбционное разделение с селективным исключением размера/формы, обеспечиваемое неорганическими пористыми материалами, такими как цеолиты и активированный уголь, считается привлекательной альтернативой нынешним энергоемким и дорогостоящим разделениям на основе дистилляции7,8. Например, цеолиты типа MFI (силикалит-1 и ZSM-5) с многомерными эллиптическими порами диаметром 5,5 Å, наиболее широко используемые для разделения изомеров бутана9, позволяют отличить н-бутан от изобутана. Применение цеолитов MFI для мембранного разделения достаточно изучено10,11,12,13. Селективность мембран MFI по н-бутану/изобутану, испытанная при 20–100 °C, находилась в диапазоне от 4 до 705,12. Кроме того, Ву и др.14 подготовили мембрану со смешанной матрицей на основе MFI для улучшения проницаемости н-бутана, но самый высокий коэффициент разделения н-бутан/изобутан составил всего 6,64. В дополнение к мембранам на основе MFI, Лю и его коллеги15 синтезировали мембраны с металлоорганическим каркасом (MOF) с гранецентрированным кубическим (fcu) типом на подложках из стеклообразного полимера (6FDA-DAM), которые имели коэффициент разделения н-бутан/изобутан ~30 при 75 °С. Чжоу и др.5 подготовили высококачественные углеродные молекулярные ситовые мембраны на подложках из γ-оксида алюминия, и коэффициент разделения н-бутан/изобутан достиг 74. Тем не менее, несмотря на то, что во многих исследованиях утверждается об эффективном использовании мембранных технологий разделения изомеров бутана, разделения, коммерческое применение в этой области еще не наблюдалось. Причины заключаются в следующем: (1) производство мембран трудоемко и дорого15, а мембранные конструкции склонны к растрескиванию10. (2) Селективность разделения линейных/разветвленных изомеров низкая, а поглощающая способность адсорбентов низкая16. (3) Непрерывное многоступенчатое разделение трудно реализовать с помощью мембранной технологии.

890) for n-butane over isobutane are achieved. Subsequently, column breakthrough experiments are performed to show high kinetic separation performance of the slurry. More encouragingly, an industrial pilot apparatus is established to carry out continuous pilot separation tests, in which the feed gas is a multicomponent butane mixture from a Chinese refinery. To the best of our knowledge, the use of metal-organic frameworks for gas separation on a pilot scale remains underexplored, and thus this work provides a step forward in commercial application of MOFs in gas separation./p>99.6 mol%) was seen in the gas phase after one stage of separation. The separation results obtained for the slurry under different desorption conditions are listed in Supplementary Table 3./p>10, which led to high energy costs, while there was no reflux in the slurry method. In summary, the slurry method provided great improvements relative to the traditional distillation method in separation efficiency, energy cost, and equipment investment./p>