KR20060063911A - 막 분리 공정을 사용하는 유체 화합물의 선택적 분리 - Google Patents
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Abstract
선택성 막을 사용하여 유체 혼합물을 경제적으로 분리하는 장치와 방법이 기재되어 있다. 광범위하게는, 본원의 장치는, 고체 선택성 막을 포함하는 역류식 캐스케이드 배열로 된 다수의 막 모듈과 장치내의 선택 유체의 엔탈피를 제어하는 수단을 포함한다. 바람직하게는, 막 모듈은 제 1 생성물 그룹, 제 2 생성물 그룹, 및 1 이상의 중간 그룹에 배치된다. 본원의 장치는 특히, 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 2 종 이상의 화합물로 된 유체 혼합물로부터 매우 순수한 투과물 및/또는 소망하는 비투과물 스트림을 동시 회수하는데 유용하다.
막
Description
본 발명은 선택성 막 분리 장치 (perm-selective membrane separation apparatus) 에 의해 유체 혼합물로부터 정제된 생성물을 회수하기 위한 공정에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본원의 통합 장치는, 고체의 선택성 막을 갖는 다수의 막 모듈과, 장치내의 선택된 유체의 엔탈피를 제어하기 위한 수단을 포함한다. 본원의 장치는, 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 2 종 이상의 화합물로 된 유체 혼합물로부터 매우 순수한 투과물 및/또는 소망하는 비투과물 스트림을 동시 회수하는데 특히 유용하다.
가스 혼합물의 분리에 유용한 막 공정은, 막에 걸쳐서 일반적으로 압력 구배로서 사용되는 화학 포텐셜의 큰 편차를 이용하여 분리한다. 막의 투과측에서는, 일반적으로 압축기, 진공 펌프 또는 저온 응축기를 사용하여 저압을 유지한다. 막의 공급측에서는, 고압 또는 고온을 사용하여 구동력 (driving force) 을 높게 유지한다.
가스 혼합물의 분리에 유용한 막은 매우 상이한 2 가지 유형이 있는데, 일 유형은 미세 다공성이고, 다른 유형은 비다공성이다. 미세 다공성 막을 통하 여 유출하는 가스의 선택성을 지배하는 기본 법칙을 T. Graham 이 발견하였다. 미세 다공성 막의 기공 크기가 혼합물의 비응축성 가스 분자의 평균 자유 경로에 비하여 작으면, 저분자량의 가스에 투과물이 농축된다. 상기 기술로 달성가능한 실질적 및 이론적인 농축은 매우 미미한데, 그 이유는 대부분의 가스의 분자량비가 매우 크지 않고 또한 부수적인 선택성이 이 분자량비의 제곱근에 비례하기 때문이다. 따라서, 가스 혼합물로부터 소정의 가스를 효율적으로 분리하기 위해서는 많은 분리 단계를 필요로 하게 된다. 하지만, 상기 분리 방법은 유출물 (effusing species) 들간의 화학적 상이성이 아니라 단지 질량비에만 의존하기 때문에, 단지 막 기재 방법에 의해서만 소정 성분의 동위체를 분리할 수 있다. 이러한 이유로, 2 차 전쟁시 원자폭탄을 개발하기 위해 핵분열 동위체 235 에 우라늄을 농축하기 위해 상기 방법을 선택하였다. 하지만, 이러한 분리 방법은 필요한 대량의 가스를 처리하는데 요구되는 막대한 자본으로 인해 실질적으로 값비싸지고, 엄격한 막 사양 (specification) 은 고다공성, 작은 기공 크기, 및 작동에 필요한 고에너지를 요구한다.
비다공성 막 시스템에 있어서, 분자는 막을 통하여 투과한다. 비다공성 막을 가로질러 투과할 시, 막 매트릭스내에서의 확산성과 용해성의 차이로 인해 상이한 분자가 분리된다. 분자 크기는 매트릭스를 통과하는 각 시편의 이송률에 영향을 줄 뿐만 아니라 투과성 분자 및 폴리머 매트릭스 그 자체의 화학 특성에 영향을 준다. 따라서, 개념적으로 유용한 분리가 얻어진다.
증기 투과는 막 가스 분리와 매우 밀접하고, 전술한 가스 분리는 막 기술의 가장 광범위한 응용 중 하나이다. 예를 들어, Lee 및 Koros 저자의 "막, 합성, 응용" (2002년 아카데미 프레스에 의해 출판된 자연과학 백과사전 제 3 판 제 9권) 을 참고하면 된다.
공기로부터 질소를 생성하고 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하며 또한 수소를 정제하는 막 기재 기술은 상기 공정에 대한 시장을 상당히 점유하고 있다. 이러한 응용을 위해 막에 대한 대부분의 기술적 도전은 소망하는 성분을 선택적으로 제거할 수 있는 막 재료를 개발하는데 있다. 특정 막 재료에 대한 많은 특허가 발행되었지만, 막 장치 부근의 열 균형에 대해서는 거의 관심을 같지 않았는데, 그 이유는 주로 종래에는 막 기재 분리에서 고려되는 성분 (질소, 산소, 이산화탄소, 메탄, 수소) 이 일정한 가스이기 때문이다. 이러한 가스는 산업 공정의 통상적인 조건에서 액상 및 기상으로 공존하지 않는다.
종래에는 높은 선택성과 높은 플럭스로 처리하는 막을 제조하는 공정이 많았다. 충분히 높은 플럭스없이는 필요한 막 영역이 너무 크기 때문에 이 기술을 비경제적으로 만든다. 다수의 폴리머가 비극성 가스 (N2, O2, 및 CH4) 보다는 극성 가스 (예컨대 H2O, CO2, H2S, 및 SO2) 에 보다 더 투과성을 나타내고, 작은 분자 크기의 가스 (He, H2) 가 큰 분자 (CH4, C2H4) 보다 폴리머를 통하여 더 쉽게 투과한다는 것은 잘 알려져 있다.
투과기화법 (pervaporation) 은 막에 공급되는 공급물이 액체인 막 공정에 관한 것이다. 이 액체를 따뜻하게 하고 투과물을 저압으로 유지시킴으로써 높은 구동력이 유지된다. 물질이 막을 통과함에 따라, 공급물로부터 투과물로 에너지가 이동한다. 공급측의 에너지 손실로 이 공급물을 냉각시키고 막의 구동력을 낮추게 된다. 높은 구동력을 재설정하기 위해서는 액체를 재가열해야한다. 실제로, 이는 단간 (interstage) 재가열로 단계적으로 형성된 막 (staged membranes) 을 유발한다. 하지만, Rautenbach 와 Albrecht 저자의 "투과기화법의 분리 전위, 파트 2: 공정 설계 및 경제" (1985년 막학회지의 제 25 권 25 쪽 ~ 54 쪽에 발간) 라는 제목의 문헌에서, 다단 투과기화법 공정의 복잡성으로 상업적으로 적용하기에 바람직하지 않다.
투과기화법을 산업 규모에서 실시하기에 충분히 효율적인 경우가 있다. Baker 저자의 "막 기술 및 응용" (2000년 McGraw-Hill 에서 발간) 에서는, 투과기화법의 가장 큰 응용 중 하나는 에탄올의 탈수이다. Hendrikus 등에게 허여된 미국특허 제 4,925,562 호에는, 여러가지 알코올의 투과에 유용한 투과기화 막이 기재되어 있다. Shucker 등에게 허여된 유럽특허출원공보 제 045798 A1 호에는 다단 투과기화법 공정이 기재되어 있다. 투과기화법은 다른 분리 기술과 함께 사용될 때 또한 바람직하게 보인다. Lipnizki 등에 의해 발간된 "투과기화법을 기초로 하는 합성 공정: 공정 설계, 응용 및 경제에 대한 고찰" (1999년 막학회지의 제 153 권 183 쪽 ~ 22 쪽) 에서는 여러가지 투과기화 막 혼합을 시험하였다.
막의 공급측에서 구동력을 높게 유지시키는 일방법으로는, 투과로 인한 에너지 손실이 상당하지 않도록 공급 스트림의 에너지를 증가시키는 것이다. 공급물을 기화시키도록 공급물에 에너지를 부가함으로써 기화 투과법이라고 불리는 공정을 수행하게 된다. 종래 기술에는 기화 투과법에 대한 기재가 거의 없다. Friesen 등에게 허여된 유럽특허출원공보 제 0701856 A1 호에는 증기 혼합물을 분리하는데 유용한 공정이 기재되어 있다.
중합 막에서는, 이 막을 가로지르는 큰 압력 구배로 투과를 위한 구동력을 보강해준다. 이러한 구동력은 저압 투과물을 형성하도록 막 (양의 줄-톰슨 계수를 가진 재료) 내에서 냉각을 유도한다. 이러한 영향은 향상된 이송 막에 나타나지 않고 또한 이전의 막 기재 공정에 포함되지 않는다. 대부분의 이러한 작업은, 시장의 요구조건을 충족하는 생성물을 제조하는 공정에 이 막을 포함시키는 방법이 아니라, 향상된 이송 막 장치의 내부의 상세부에 촛점을 맞춘다.
석유화학산업에서 가장 어려운 몇몇 분리는, 다른 유기 화합물로부터 방향족 화합물 중 하나의 이성체, 예를 들어 크실렌 및 에틸벤젠의 이성체의 분리와 관련 있다. 혼합 크실렌으로부터 파라-크실렌 (PX) 의 분리 및 정제는 에너지 및 자본 집약적인 공정이다. 오늘날 사용되는 산업 공정은 고순도의 PX 를 생성하기 위해 에너지 집약적인 극저온 분리 또는 자본 집약적인 흡수제 기술을 사용한다. 파라-크실렌의 제조 중 공급원료 (feedstock) 의 비용 다음으로 정제 부분이 가장 값비싼 부분임은 광범위하게 알려져 있다.
따라서, 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 혼합물로부터 선택된 화합물을 분리하기 위해 압력 구동식 (퓨개시티 (fugacity) 구동식) 막을 형성하는 열집적 막 장치를 제공하기 위해 선택성 막을 사용하는 공정과 장치에 대한 필요성이 대두되었다. 바람직하게는, 새로운 공정은 투과기화법에서 나 타나는 막 냉각에 의해 부여되는 회수 한계를 극복해야 한다.
개선된 장치는, 적절한 선택성 막, 바람직하게는 적절한 구동력차가 가해질시 소망하는 생성물의 선택성 투과도를 갖는 고체의 선택성 막을 사용하여 가스 및/또는 액체 상태로 실시되는 통합 시컨스를 제공하고, 즉 압력 구동식 (퓨개시티 구동식) 막을 현존하는 분리 자산과 통합시켜야 한다.
광범위한 양태에 있어서, 본 발명은 통합된 막 분리 장치에 관한 것이고 유체 혼합물을 경제적으로 분리하기 위해 이를 사용한다. 보다 자세하게는, 본원의 장치는 고체의 선택성 막을 갖는 다수의 막 모듈과 장치내에서 선택된 유체의 엔탈피를 제어하는 수단을 포함한다. 본원의 장치는, 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 2 종 이상의 화합물로 된 유체 혼합물로부터 매우 순수한 투과물 및/또는 소망하는 비투과물 스트림을 동시 회수하는데 특히 유용하다.
바람직하게는, 막 모듈은 제 1 생성물 그룹, 제 2 생성물 그룹, 및 1 이상의 중간 그룹에 배치된다. 각 모듈은, 적절한 구동력차가 가해지면 공급원료중 한 화합물에 대하여 적어도 0.1 Barrer 의 투과도를 갖는 고체의 선택성 막에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 영역을 포함한다. 각각의 제 1 영역은 막과 접촉하는 유체 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하고, 상기 막의 반대편 면에 접속하여 있는 제 2 영역은 투과 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비한다. 바람직하게는, 본원의 장치는 유기 화합물을 포함하는 혼합물로부터 매우 순수한 투과물 및 다른 소망하는 생성물을 동시 회수하는데 사용된다.
일양태에 있어서, 본원은 화합물의 유체 혼합물로부터 투과물 및 소망하는 비투과물을 동시 회수하기 위해 선택성 막을 사용하는 방법을 제공하고, 이 방법은, (a) 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 2 종 이상의 화합물로 된 유체 혼합물을 포함하는 공급원료를 제공하는 단계, (b) 선택된 유체의 엔탈피를 제어하는 수단과, 적절한 구동력차가 가해지면 공급원료 중 한 화합물에 대하여 적어도 0.1 Barrer 의 투과도를 갖는 고체의 선택성 막에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 영역을 각각 포함하는 1 이상의 막 모듈을 포함하는 장치를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 영역은 막과 접촉하는 유체 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하고, 상기 막의 반대편 면에 접속하여 있는 제 2 영역은 투과물의 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하는 상기 단계, (c) 투과에 적절한 조건에서 1 이상의 모듈의 제 1 영역에 공급원료를 유입시켜, 모듈로부터 투과물 및 비투과물 스트림을 얻는 단계, 및 (d) 비투과물 유체의 막 효율 지수 (Membrane Efficiency Index) 를 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지시키도록 엔탈피를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, "막 효율 지수 (MEI)" 는, 막 장치로 들어오는 공급물 스트림의 비엔탈피 (specific enthalpy) 와 배출되는 비투과물 유체의 비엔탈피간의 차와, 공급물 스트림의 비엔탈피와 비투과물의 압력과 조성에서 비투과물 유체의 비등점에서의 비엔탈피간의 차의 비로 규정한다.
다른 양태에 있어서, 본원은 유체 혼합물로부터 소망하는 비투과물 및 정화된 투과물을 동시 회수하기 위해 다중 그룹의 선택성 막을 사용하는 방법으로서, 상기 방법은, (ⅰ) 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 2 종 이상의 화합물로 된 혼합물을 포함하는 공급원료를 제공하는 단계, (ⅱ) 선택된 유체의 엔탈피를 장치 내부에서 제어하는 수단과, 제 1 생성물 그룹, 제 2 생성물 그룹, 및 1 이상의 중간 그룹에 배치된 다수의 막 모듈을 포함하는 장치를 제공하는 단계로서, 각 모듈은 적절한 구동력차가 가해지면 공급원료 중 한 화합물에 대하여 적어도 0.1 Barrer 의 투과도를 갖는 고체의 선택성 막에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 1 영역은 막과 접촉하는 유체의 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하고, 상기 막의 반대편 면에 접속하여 있는 제 2 영역은 투과 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하는 상기 단계, (ⅲ) 투과에 적절한 조건에서 1 이상의 제 1 생성물 모듈의 제 1 영역에 공급원료를 유입시켜, 제 1 생성물 모듈로부터 투과물 및 비투과물 스트림을 얻는 단계, (ⅳ) 제 1 생성물 모듈로부터의 투과물을 투과에 적절한 조건에서 1 이상의 중간 모듈의 제 1 영역안으로 분배시켜서, 중간 모듈로부터 투과물 및 비투과물 스트림을 얻는 단계, (ⅴ) 투과에 적절한 조건에서 중간 모듈로부터의 비투과물의 적어도 일부를 1 이상의 제 1 생성물 모듈의 제 1 영역안으로 복귀시키는 단계, (ⅵ) 투과에 적절한 조건에서 중간 그룹의 모듈의 제 2 영역으로부터의 투과물을 제 2 생성물 그룹 모듈의 제 1 영역안으로 분배시켜서, 제 2 생성물 모듈로부터 비투과물 스트림 및 최종 투과물 스트림을 얻는 단계, (ⅶ) 투과에 적절한 조건에서 제 2 생성물 모듈로부터의 비투과물의 적어도 일부를 1 이상의 중간 모듈의 제 1 영역안으로 복귀시키는 단계, 및 (ⅷ) 1 종 이상의 비투과물 유체의 막 효율 지수를 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지시키도록 엔탈피를 제어하는 단계를 포함한다.
일양태에 있어서, 본원은 적어도 제 2 생성물 모듈로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수를 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지시키는 통합 분리 장치를 제공한다. 바람직하게는, 제 2 생성물 모듈 및 중간 모듈 및/또는 제 1 생성물 모듈로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수를 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지한다.
본원은 유체 공급원료, 예를 들어 다양한 유형의 유기 물질, 특히 석유 화합물의 유체 혼합물의 처리에 관한 것이다. 일반적으로, 유체 공급원료는 보다 선택적인 투과 성분과 덜 투과성 성분을 포함하는 가스 혼합물이다. 1 이상의 모듈 유입 스트림은 액체 및 응축가능한 증기의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 본 장치는 투과물 챔버안으로 "스윕 (sweep)" 스트림을 분포시키기 위한 수단을 더 포함할 수 있지만, 통상적으로 스윕은 필요하지 않다.
본원의 장치는 방향족 화합물 중 보다 선택적인 투과성 이성체, 예를 들어 크실렌 및/또는 에틸벤젠의 1 이상의 이성체를 포함하는 가스 혼합물을 처리하기 위한 공정에 특히 유용하다.
다른 양태에 있어서, 본원은 유체 혼합물로부터 소망하는 비투과물 및 순수한 투과물을 동시 회수하기 위해서 다중 그룹의 선택성 막을 사용하는 통합 분리 장치로서, 상기 장치는: 제 1 생성물 그룹, 제 2 생성물 그룹, 및 1 이상의 중간 그룹을 포함하는 다수의 막 모듈로서, 각 모듈은 적절한 구동력차가 가해지면 공급원료 중 한 화합물에 대하여 적어도 0.1 Barrer 의 투과도를 갖는 고체의 선택성 막에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 영역을 포함하고, 상기 각각의 제 1 영역은 막과 접촉하는 유체의 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하고, 상기 막의 반대편 면에 접속하여 있는 제 2 영역은 투과 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하는 다수의 막 모듈; 투과에 적절한 조건에서 제 1 생성물 모듈로부터의 투과물을 1 이상의 중간 모듈의 제 1 영역안으로 분배시켜서, 중간 모듈로부터의 비투과물 스트림을 제 1 생성물 모듈의 입구로 복귀시키는 수단; 투과에 적절한 조건에서 중간 모듈로부터의 투과물을 1 이상의 제 2 생성물 모듈의 제 1 영역안으로 분배시켜서, 제 2 생성물 모듈로부터의 비투과물 스트림을 중간 모듈의 입구로 복귀시키는 수단; 및 1 종 이상의 비투과물 유체의 막 효율 지수를 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지시키도록 장치내의 선택된 유체의 엔탈피를 제어하는 수단을 포함한다.
본원은 분별 결정법 (fractional crystallization) 등의 종래의 수단으로 분리하기에 어려운 유기 화합물, 특히 화합물을 포함하는 분리에 특히 유용하다. 통상적으로, 유기 화합물을 포함하는 이러한 방법은 예를 들어 혼합 크실렌으로부터 파라-크실렌을 분리 및 정제하기 위한 공정과 화학적으로 관련있다. 파라-크실렌 정제를 위한 현재의 기술과 비교하여, 본원에 기재된 막 공정으로부터 생성된 크실렌은 자본, 운용, 및 에너지 비용을 상당히 감소시킨다. 또한, 본원은 파라-크실렌 순도 필요조건을 동시에 충족할 수 있고 또한 종래의 파라-크실렌 정제 공정보다 더 많은 파라-크실렌을 회수할 수 있다. 유사한 끓는점을 가지는 간단한 증류법은 C8 방향족으로부터 파라-크실렌을 정제하는 비용이 많이 드는 방법이다.
본원의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된 실시형태를 참조하고 이하 본원을 예시로 형태로 설명한다.
도 1 은 매우 순수한 투과물 및 1 이상의 소망하는 비투과물을 동시 회수하기 위한 본원의 막 분리 방법과 장치의 양태를 도시한 개략적인 순서도.
본원은 이하, 매우 순수한 투과물 및 1 이상의 소망하는 비투과물을 동시 회수하기 위한 본원의 막 분리 방법과 장치의 양태를 도시한 개략적인 순서도인 첨부의 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도면에서는 화합물의 혼합화합물을 개질시키기 위해 다수의 막 분리 장치를 사용하는 본원의 일실시형태를 도시하였다.
적절한 구동력차하에서 투과물 및 소망하는 분리에 적절한 다른 특성이 존재하는 어떠한 고체의 선택성 막을 본원에 따라 사용할 수 있다. 적절한 막으로는 균질한 막, 복합 막, 또는 예를 들어 겔, 고체, 또는 액체 층을 포함할 수 있는 비대칭 막 형태일 수 있다. 광범위하게 사용되는 폴리머는 실리콘과 천연고무, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리술폰, 및 폴리이미드를 포함한다.
본원의 증기 분리 실시형태에 사용하기 위한 바람직한 막은 일반적으로 2 가지 유형이다. 첫번째 유형은 미세다공성 지지부를 포함하는 복합 막이고, 이 복합막에 초박판 코팅으로서 선택성 층이 증착된다. 복합 막은 선택성 물질로서 고무성 폴리머를 사용할 때 바람직하다. 두번째 유형은 얇고 밀집한 스킨이 선택성 층이 되는 비대칭 막이다. 복합 막 및 비대칭 막 둘다 종래에 알려져 있다. 본원에 사용되는 막의 형태는 중요하지 않다. 이 막은 예를 들어 편평한 시트나 디스크, 코팅된 중공 섬유, 나선형으로 권취된 모듈, 또는 다른 어떠한 편리한 형태로서 사용될 수 있다.
막 투과성으로 증기 성분을 분리하기 위한 구동력은 멤브레인의 제 1 및 제 2 측간의 부분 압력차를 압도적으로 포함한다. 막을 가로지른 압력 저하는 제 1 영역을 가압함으로써, 제 2 영역을 비우고 스윕 스트림을 유입시킴으로써, 또는 이들을 결합함으로써 달성될 수 있다.
모듈의 각 그룹에 사용되는 막은 동일한 유형 또는 다른 유형일 수 있다. 양 유닛이 분리될 소망하는 성분에 선택적인 막을 포함하더라도, 막의 선택성은 상이할 수 있다. 예를 들어, 중간 모듈이 유체 공급원료의 벌크를 처리할 때, 이 모듈은 높은 플럭스와 적절한 선택성을 가진 막을 포함할 수 있다. 더 적은 스트림을 처리하는 모듈 그룹은 높은 선택성을 가지지만 낮은 플럭스를 가진 막을 포함할 수 있다. 유사하게, 중간 모듈은 일 유형의 막을 포함할 수 있고, 생성물 모듈은 다른 유형을 포함할 수 있으며, 또는 모든 세 그룹은 상이한 유형을 포함할 수 있다. 또한, 유용한 실시형태는 중간 모듈과 생성물 모듈에서 선택성이 다른 막을 사용할 수 있다.
적절한 유형의 막 모듈은 중공 미세 섬유, 모세관 섬유, 나선형 권취형, 판과 프레임, 및 관형을 포함한다. 특정 막 분리에 가장 적절한 막 모듈 유형의 선택은 다수의 인자의 균형을 맞춰야 한다. 결정되어야 하는 주요 모듈 설 계 파라미터는, 고압 작동, 투과측 압력 저하, 농도 분극 하울링 (fouling) 제어, 선택적 스윕 스트림의 투과성, 및 최소한의 제조 비용이 아니라 마지막 제조 비용 등에 적합한 특정 유형의 막 재료로 제한된다.
중공 섬유 막 모듈은 2 가지 기본 형상으로 사용된다. 일 유형은 수소 분리 시스템 및 역삼투 시스템에 사용되는 쉘측 공급 구성이다. 이러한 모듈에 있어서, 고리 또는 밀폐된 다발로 된 섬유는 압력 용기에 담겨진다. 이 시스템은 셀측으로부터 가압되고, 투과물이 섬유 벽을 통과하여 섬유의 개방 단부를 통하여 빠져나온다. 이러한 구성은 대량의 막 영역이 경제적인 시스템에 담겨지는 것을 용이하도록 해준다. 섬유 벽이 상당한 정역학적 압력을 지지하여야 하기 때문에, 이 섬유는 통상적으로 매우 작은 직경과 두꺼운 벽, 예컨대 100 mm 내지 200 mm 의 외경, 및 통상적으로 외경의 약 1/2 의 내경을 가진다.
중공 섬유 모듈의 제 2 유형은 보어측 공급 유형이다. 이러한 유형의 유닛에서 섬유는 양단부가 개방되고 공급 유체는 섬유의 보어를 통하여 순환된다. 섬유측의 압력 저하를 최소화하기 위해, 직경은 일반적으로 쉘측 공급 시스템에 사용되는 미세 섬유의 직경보다 더 크고 용액 방사 (solution spinning) 에 의해 일반적으로 형성된다. 상기 소위 모세관 섬유는 고여과, 투과기화법, 및 몇몇 저압 내지 중간압 가스의 적용에 사용된다.
농도 분극은 보어측 공급 모듈에서 잘 제어된다. 공급 용액은 막의 활성면을 가로질러 직접 통과하고 정체된 무효 공간이 형성되지 않는다. 이는, 상당한 농도 분극 문제점을 야기하는 섬유들간의 정체 영역 및 유로를 방지하기 어려 운 쉘측 공급 모듈의 경우와는 거리가 멀다. 공급 용액내의 어떠한 현탁 미립자 물질이 막의 비가역적인 하울링을 유발하면서 상기 정체 영역에서 쉽게 포획된다. 공급 유동 방향으로 배플이 사용되었지만 광범위하게 사용되지는 않는다. 농도 분극을 최소화하는 보다 일반적인 방법은 공급 유동을 중공 섬유의 방향에 수직하게 배향하는 것이다. 이는 섬유 표면에 걸쳐 비교적 양호한 유동 분포를 가진 단면 유동 모듈을 형성한다. 몇몇 막 모듈은 높은 공급 용액 속도를 사용할 수 있도록 일렬로 연결될 수 있다. 이러한 기본 구성에 대한 다수의 변수는, 예를 들어 본원에 참조된 Fillip 등에게 허여된 미국특허 제 3,536,611 호, Sticker 등에게 허여된 미국특허 제 5,169,530 호, Parsed 등에게 허여된 미국특허 제 5,352,361 호, 및 Beckman 에게 허여된 미국특허 제 5,470,469 호에 기재되어 있다. 중공 섬유 모듈의 가장 큰 하나의 장점은 매우 큰 막 영역을 단일 모듈로 포장할 수 있는 것이다.
파라-크실렌은 폴리에스테르 섬유 및 수지의 제조시 최종적으로 사용되는 화학 상품으로써 석유 및 화학 공급원료로부터 생성 또는 분리된다. 대부분의 석유에서 파생된 공급원료로부터 파라-크실렌을 분리할 때, 파라-크실렌은 다른 C8 방향족, 즉 메타-크실렌 (mX), 오르토-크실렌 (oX), 및 에틸벤젠 (EB) 과의 혼합물에서 발견된다. 3 개의 크실렌 이성체는 PX : mX : oX 가 대략 1 : 2 : 1 의 평형비를 가지고, 소스 (source) 에 따라, 에틸벤젠은 최대 약 20 중량% 의 C8 방향족 혼합물과 나머지는 통상적으로 약 80 내지 약 99 중량% 의 크실렌을 포함할 수 있다. 바람직하게는 본원의 공정은 거의 평형 혼합물로부터 정제된 파 라-크실렌을 효율적으로 회수하고, 또한 평형상태를 재설정하기 위해 나머지 스트림을 이성체화 반응기 (isomerization reactor) 로 유입시킨다.
도면의 우측을 참조하면, 막 장치 (20) 가 본원의 바람직한 양태에 따라 배치되어 있다. 막 장치 (20) 는, 적절한 구동력차가 가해지면 적어도 0.01 Barrer 의 투과도를 갖는 선택성 막과, 막의 일면과 접촉하는 유체 유동을 위한 1 이상의 입구와 하나의 출구를 구비한 채널과, 상기 막의 반대편 면에 접속하여 있는 투과물 유동을 위한 1 이상의 출구를 갖춘 투과물 챔버를 포함한다. 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 2 종 이상의 화합물의 혼합물이 도관 (18) 을 통하여 들어온다. 공급물의 엔탈피는 적절한 수단, 예를 들어 교환기 (10) 에 의해, 도관 (22) 을 통하여 배출되는 비투과물 유체의 막 효율 지수가 약 0.5 내지 약 1.5 범위에 있도록 조절된다. 투과물은 도관 (24) 을 통하여 배출된다.
많은 산업적 용도를 위해 이용가능한 막 장치의 선택성은 필요한 생성물의 순도 및/또는 생성물의 회수율을 충족하기에 불충분하다. 이러한 경우에 있어서, 여러 그룹의 선택성 막을 사용하는 방법이 유체 혼합물로부터 소망하는 비투과물과 정제된 투과물을 동시 회수하기 위해 필요하다. 예를 들어, 본원에 따르면, 다수의 막 모듈이 2 이상의 그룹, 예를 들어 제 1 생성물 그룹과 제 2 생성물 그룹 및 선택적인 1 이상의 중간 그룹으로 배치된다.
도면에 도시된 장치에 있어서, 막 모듈 (20, 50, 80) 이 본원의 일 양태에 따라 배치된다. 분리될 적절한 혼합물은 공급원 (12) 으로부터 도관 (14) 과 매니폴드 (16) 를 통하여 교환기 (10) 로 공급된다. 모듈 (50) 로부터의 비투과물을 포함하는 혼합물은 도관 (18) 을 통하여 입구를 경유하여 막 모듈 (20) 안으로 유입된다. 비투과물은 막 모듈 (20) 로부터 도관 (22) 을 통하여 저장기 (비도시) 로 이송된다. 투과물은 막 모듈 (20) 로부터 도관 (24) 과 교환기 (30) 를 통하여 배출된다. 열교환기 (30) 는 막 모듈 (20) 에서의 투과에 적절한 구동력을 발생시키기에 충분히 낮은 압력을 발생시키는 저온에서 작동된다.
교환기 (30) 로부터 도관 (32) 을 통하여 배출된 유체를 가압하고 이 유체의 스트림을 도관 (36) 을 통하여 매니폴드 (38) 안으로 이송하기 위해 펌프 (34) 를 사용한다. 본원의 다른 실시형태에 있어서, 분리될 혼합물의 전부 또는 일부는 매니폴드 (38) 를 통하여 도입된다. 모듈 (80) 로부터의 비투과물을 포함하는 혼합 스트림은 교환기 (40) 와 도관 (42) 을 통하여 입구를 경유하여 막 모듈 (50) 에 도입된다. 비투과물은 막 모듈 (50) 로부터 도관 (52) 을 통하여 매니폴드 (16) 에 이송된다. 투과물은 막 모듈 (50) 로부터 도관 (54) 및 교환기 (60) 를 통하여 배출된다. 열교환기 (60) 는 막 모듈 (50) 에서의 투과에 적절한 구동력을 발생시키기에 충분히 낮은 압력을 발생시키는 저온에서 작동된다.
교환기 (60) 로부터 도관 (62) 을 통하여 배출된 유체를 가압하고 이 유체의 스트림을 도관 (66), 교환기 (70), 도관 (72) 을 통하여 매니폴드 (74) 안으로 이송하기 위해 펌프 (64) 를 사용한다. 본원의 다른 실시형태에 있어서, 분리될 혼합물의 전부 또는 일부는 공급원 (112) 으로부터 도관 (114) 을 통하여 공급되고 매니폴드 (74) 를 통하여 도입된다. 모듈 (80) 로부터의 비투과물은 도관 (82) 및 매니폴드 (38) 를 통하여 막 모듈 (50) 로 복귀된다. 투과물은 막 모듈 (80) 로부터 도관 (84) 및 교환기 (90) 를 통하여 배출된다. 열교환기 (90) 는 막 모듈 (80) 에서의 투과에 적절한 구동력을 발생시키기에 충분히 낮은 압력을 발생키는 저온에서 작동된다. 교환기 (90) 로부터 도관 (92) 을 통하여 배출된 유체를 가압하고 정제된 생성물의 스트림을 도관 (96) 을 통하여 저장기 (비도시) 안으로 이송하기 위해 펌프 (94) 를 사용한다.
본원의 일실시형태에 따르면, 선택성 막 분리 모듈의 양태들간의 협동작용과 상호작용으로, 막 장치안에 분배된 압축된 배출물의 엔탈피가 유리하게 제어되어, 막 장치로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수가 약 0.5 내지 약 1.5, 바람직하게는 약 0.7 내지 약 1.1, 보다 바람직하게는 약 0.8 내지 약 1.05 의 범위로 유지된다.
본 발명의 바람직한 일실시형태에 있어서, 펌프 (34, 64), 열교환기 (10, 40, 70), 및 예를 들어 공급원 (12 및/또는 112) 으로부터의 분리될 혼합물의 엔탈피는, 막 모듈 (20) 로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수가 약 0.5 내지 약 1.5 범위에 있도록 동시에 조절된다. 본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 펌프 (64), 열교환기 (70), 및/또는 공급원 (112) 로부터의 유체 혼합물의 엔탈피는, 막 모듈 (80) 로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수가 약 0.5 내지 약 1.5 범위에 있도록 조절된다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 펌프 (34), 열교환기 (40), 및/또는 공급 혼합물의 엔탈피는, 도관 (52) 내의 유체의 막 효율 지수가 약 0.5 내지 약 1.5 범위에 있도록 조절되고, 열교환기 (40) 및/또는 다른 공급 혼합물의 엔탈피는, 막 모듈 (50) 로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수가 약 0.5 내지 약 1.5 범위에 있도록 조절된다.
(본원의 예)
이하의 예는 본원에 개시된 어떠한 특정 실시형태를 설명하기 위해 사용된다. 하지만, 이 예는, 신규한 본원의 범위를 제한하지 않고, 본원의 요지를 벗어나지 않는 한 다양한 변형을 포함함을 당업자라면 알 수 있다.
이러한 예는 크실렌 이성체의 혼합물로부터 파라-크실렌의 분리 및 정제를 위한 다른 처리 단계에 결합되어 퓨개시티 구동형 막을 이용하는 처리 방식의 바람직한 양태를 나타낸다. 상기 예에서, 상업적으로 구입가능한 화학 공정 모델링 프로그램 (예를 들어, Aspen Technology, Inc.로부터 구입가능한 Aspen Plus) 을 사용하여 수행되는 컴퓨터 계산으로부터 결과를 얻었고, 단열 막의 모델은 표준 화학 공정 장치 모델과 통합되었다. 막 모델은 BP 에 의해 개발되었고 일반적으로 허용되는 가스 투과식을 기초로 한다. (Shindo 등의 "투과에 의한 다중성분 가스 분리를 위한 계산 방법" (1985년 Sep. Sci. Technol. 20 의 445 ~ 459 쪽), Kovvali 등의 "막 가스 투과기의 모델 및 분석" (1992년 J. Memb. Sci. 73 의 1 ~ 23 쪽), Coker 등의 "중공 섬유 막 접촉기를 사용한 다중성분 가스 분리 모델링" (1998년 AIChE J. 44 의 1289 ~ 1302 쪽) 참조)
7% 에틸벤젠, 22% 파라-크실렌, 50% 메타-크실렌, 및 22% 오르토-크실렌을 포함하는 혼합 크실렌 공급물로 계산을 수행하였다. 모든 계산은 110℉ 에서 작동하는 투과물 응축기를 사용하여 수행하였다. 이는 대략 25 Torr 의 투과 압력을 발생시키기에 충분하다. 막의 최대 작동 온도는 300℉ 로 제한되었다.
본 발명의 목적을 위해, 막을 통과하는 가스의 투과도는, 10-10 [cm3(STP)cm/(cm2·sec·cm Hg)] 으로 정의되고 R. M. Barrer 에서 이름을 따온 "Barrer" 로 측정되었다. 막 투과도는 가스를 투과시키는 막의 능력의 측정치이다. "막의 선택도" 는 2 종 가스의 투과도의 비로 규정되고 2 종 가스를 분리시키는 막의 능력의 측정치이다. (예를 들어, Baker, Richard W. 의 "막 기술 및 응용" (2000년 뉴욕에 소재하는 McGraw-Hill 의 290 ~ 291 쪽) 참조)
예 1
50 의 파라-크실렌 선택도 및 5 Barrer 의 파라-크실렌 투과도를 사용하여 도면에 도시된 모듈 (20) 만으로 이루어진 장치를 시뮬레이팅하였다. 도관 (18) 내의 유체는 300℉ 에서 막 모듈에 유입되었다 (대략 18 psia 에서). 막 모듈 (20) 에 사용된 면적이 변하였고, 공급물 압력은 도관내의 유체에 대한 MEI 가 1 이 되도록 동시에 조절되었다. 결과는 표 1 에 도시하였다.
| 막 면적 | 투과물 PX 함량 | 투과물 PX 회수율 | MEI | 막 공급물 증기 |
| (x10-3 ft2) | (중량%) | (중량%) | 몰 분율 | |
| 300 | 89 | 63 | 1.0 | 0.03 |
| 390 | 87 | 78 | 1.0 | 0.12 |
| 650 | 81 | 93 | 1.0 | 0.22 |
표 1 의 결과로부터 투과물 회수율이 증가함에 따라 투과물의 순도가 감소됨을 알 수 있다. 동시에, 막 면적이 증가함에 따라 더 많은 물질이 막을 통과하였고 막의 냉각이 증가되었다. 막의 냉각이 증가함에 따라, MEI 를 1 로 유지시키기 위해 공급물을 더 기화시킬 필요가 있었다.
본 발명에서는 투과기화법 및 증기 투과법을 결합하였고, 공급물이 부분적으로 기화되거나 이슬점 근방에 이르도록 공급물을 가열하면, 구동력이 높게 유지되며 회수율의 한계가 관찰되지 않았다. 이는, 공급물을 많이 가열하지 않고도 분리 목적을 달성할 수 있기 때문에 증기 투과법보다 더 에너지 효율적이다.
MEI 가 1 에서, 비투과물은 비등점에 있는 액체로서 막 모듈을 나왔다. 비투과물이 가압 (다른 처리를 위해 또는 저장기 등에 보내지기 위해) 될 필요가 없다면, 그 후 추가 냉각없이 펌핑될 수 있다. 이는 처리 비용을 낮추기 때문에 바람직하다.
예 2
이 예는 비투과물의 과냉각이 막 성능에 미치는 효과를 보여준다. 이 예에서는 예 1 에 사용된 동일한 막 면적으로 계산을 수행하였고, 막 공급물 증기 분율은 0.02 로 유지하였다. 50 의 파라-크실렌 선택도, 5 Barrer 의 파라-크실렌 투과도, 및 300℉ 의 막 공급물 온도를 재사용하였다.
이 예에서, 막은 증기 투과 및 투과기화 모드 둘 다에서 작동하였다. 표 2 에 도시된 결과에 나타난 바와 같이, 막 면적이 증가함에 따라 비투과물의 과냉각도 증가하였다. 따라서, 투과물의 회수율은 예 1 에서 만큼 높지 않은데, 그 이유는 막의 과냉각이 투과 구동력을 저하시키기 때문이다. 이는 상당한 과냉각이 일어나지 않도록 막을 작동시키는 것이 유리하다는 것을 보여준다.
| 막 면적 | 투과물 PX 함량 | 투과물 PX 회수율 | MEI | 비투과물의 과냉각 |
| (x10-3 ft2) | (중량%) | (중량%) | (℉) | |
| 300 | 89 | 61 | 1.1 | 3 |
| 390 | 88 | 67 | 1.8 | 24 |
| 650 | 86 | 77 | 4.2 | 50 |
예 3
이 예는 비투과물이 증기-액체 혼합물이 되도록 막 공급물을 가열하는 경우의 효과를 보여준다. 이 예에서는 예 1 에 사용된 동일한 막 면적으로 계산을 수행하였고, 막 공급물 증기 분율은 0.3 으로 유지하였다. 50 의 파라-크실렌 선택도, 5 Barrer 의 파라-크실렌 투과도, 및 300℉ 의 막 공급물 온도를 재사용하였다.
상기 계산 결과를 표 3 에 나타내었다. 막 면적이 증가함에 따라, 투과물 회수율 및 막 냉각이 증가하였다. 그 결과, 비투과물의 증기 함량이 감소하였다. 필요하다면, 비투과물이 펌프로 가압될 수 있기 전에 이 비투과물을 완전히 응축시키기 위해 냉각기가 필요할 수 있다. 하지만, 이는 추가의 장비 및 에너지 비용을 유발한다. 표 3 에 도시된 결과에 나타난 바와 같이, 이 예에서 투과물의 회수율이 예 1 에서 보다 더 나은데, 그 이유는 구동력이 본 예서 더 크기 때문이다.
| 막 면적 | 투과물 PX 함량 | 투과물 PX 회수율 | MEI | 비투과물 증기 |
| (x10-3 ft2) | (중량%) | (중량%) | 몰분율 | |
| 300 | 89 | 65 | 0.29 | 0.29 |
| 390 | 87 | 77 | 0.42 | 0.22 |
| 650 | 81 | 93 | 0.68 | 0.11 |
예 4
섬유 등급의 파라-크실렌 생산을 위해 현재 상업적으로 구입가능한 공급원은99.8% 파라-크실렌의 파라-크실렌 생성물 순도 사양을 충족하도록 되어 있다. 결정화 기술을 사용하여 파라-크실렌을 정제하는 유닛은 대략 67% 의 회수율을 달성하였다. 파라-크실렌 정제를 위해 막을 사용하는 공정은 이러한 성능 목표를 충족시켜야 한다. 예 1 의 단일 막 장치를 사용하여 이 목표를 충족시키기 위해서는 파라-크실렌의 선택도를 약 200 으로 증가시킬 필요가 있었다. 이러한 높은 성능 목표는 본원의 도면에 도시된 장치에 의해 유리하게 달성된다. 99.8% 파라-크실렌의 순도 사양을 충족하고 동시에 종래의 결정화 공정에서 얻은 67% 의 파라-크실렌 회수율을 갖는 투과물을 도관 (96) 에서 얻기 위해 도면에 도시된 공정을 시뮬레이팅하여 계산을 수행하였다. 이 예에 있어서, 새로운 혼합 크실렌 공급물이 공급원 (12) 으로부터만 도관 (14) 을 통해서 유입되었다. 각 막 모듈에서는 15 의 파라-크실렌 막 선택도와 0.5 Barrer 의 파라-크실렌 투과도를 채택하였다.
장치 (80) 에서 막 면적 크기는 도관 (96) 내의 투과물이 섬유 등급의 파라-크실렌 생성물 사양을 충족하도록 조절되었다. 동시에, 막 장치 (20) 에 사용된 막 면적은 이 장치의 파라-크실렌 회수율이 67% 가 되도록 조절되었다. 막 장치 (50) 에서 막 면적 크기는 열교환기 (40, 70) 의 크기와 전체 듀티 (total duty) 를 최소화하도록 선택되었다. 도관 (74, 42) 내의 스트림의 엔탈피는 도관 (22) 내의 비투과물의 MEI 지수가 1 이 되도록 조절되었다. 동시에, 냉각기 (10) 를 사용할 필요가 없도록 도관 (14) 내의 공급물의 엔탈피를 조절할 수 있었다.
표 4 에 도시된 결과에 나타난 바와 같이, 도면에 도시된 공정을 사용하여 99.8% 의 파라-크실렌을 함유하고 동시에 67% 의 파라-크실렌 회수율을 갖는 파라-크실렌 생성물을 얻을 수 있다. 이는, 섬유 등급의 파라-크실렌 정제 기술의 성능 요건과 일치하는 어떠한 막 공정의 처음 알려진 예이다.
| 투과물 Pdt 96 | PX 회수율 | 막 면적 (x10-3 ft2) | ||
| PX 함량 (중량%) | (중량%) | 모듈 20 | 모듈 50 | 모듈 80 |
| 99.8 | 67 | 1580 | 485 | 121 |
예 5
75% 파라-크실렌 회수율을 달성하고 동시에 섬유 등급의 순도 사양이 99.8% 파라-크실렌을 만족하는 투과물을 도관 (96) 에서 얻는 도면에 도시된 공정을 증명하기 위해 이 예에 대한 계산을 수행하였다.
새로운 혼합 크실렌 공급물이 도관 (14) 을 통해서만 재유입되었다. 각각의 막 모듈에서 15 의 파라-크실렌 막 선택도와 0.5 Barrer 의 파라-크실렌 투과도를 사용하였다. 장치 (80) 에서 막 면적 크기는 도관 (96) 내의 투과물이 섬유 등급의 파라-크실렌 생성물 사양을 충족하도록 조절되었다. 동시에, 막 모듈 (20) 에서 사용된 막 면적은 장치의 파라-크실렌 회수율이 75% 가 되도록 조절되었다. 막 장치 (50) 에서 막 면적 크기는 열교환기 (40, 70) 의 크기와 전체 듀티를 최소화하도록 선택되었다. 도관 (74, 42) 내의 스트림의 엔탈피는 도관 (22) 내의 비투과물의 MEI 지수가 1 이 되도록 조절되었다. 동시에, 냉각기 (10) 를 사용할 필요가 없도록 공급원 (12) 으로부터의 공급물의 엔탈피를 조절할 수 있었다.
표 5 에 도시된 시뮬레이션 결과에 나타난 바와 같이, 도면에 도시된 본원의 공정을 사용하여 99.8% 의 파라-크실렌을 함유하고 동시에 75% 의 파라-크실렌 회수율을 갖는 파라-크실렌 생성물을 얻을 수 있었다. 이는, 종래의 파라-크실렌 정제 기술의 성능 요건을 초과하는 막 공정의 처음 알려진 예이다. 파라-크실렌의 회수율을 증가시키면서 동시에 파라-크실렌 순도 요건을 충족시킬 수 있는 기술의 파급 효과는 굉장한 것으로 기대된다. 이러한 기술은 기존 설비의 "병목현상(debottleneck)" 을 해소하는데 사용될 수 있어서, 제조 비용을 저감시키고, 또는 새로운 파라-크실렌 설비를 짓기 위해 필요한 자본을 저감시켜, 관련된 반응 및 분리 섹션의 상대 크기와 비용을 감소시킬 수 있다. 표 5 에 도시된 결과에 나타난 바와 같이, 보다 엄격한 사양을 충족시키기 위해는 좀더 큰 막 면적이 필요하였다.
| 투과물 Pdt 96 | PX 회수율 | 막 면적 (x10-3 ft2) | ||
| PX 함량 (중량%) | (중량%) | 모듈 20 | 모듈 50 | 모듈 80 |
| 99.8 | 75 | 2420 | 605 | 157 |
예 6
낮은 막 선택도가 도면에 도시된 장치의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해, 10 의 파라-크실렌 선택도와 0.4 Barrer 의 파라-크실렌 투과도를 사용하여 본 예에 대한 계산을 수행하였다. 장치 (80) 에서 막 면적의 크기는 도관 (96) 내의 투과물이 섬유 등급의 파라-크실렌 생성물 사양을 충족하도록 조절되었다. 동시에, 막 장치 (20) 에서 사용된 막 면적은 장치의 파라-크실렌 회수율이 67% 가 되도록 조절되었다. 막 장치 (50) 에서 막 면적의 크기는 열교환기 (40, 70) 의 크기와 전체 듀티를 최소화하도록 선택되었다. 도관 (74, 42) 내의 스트림의 엔탈피는 도관 (22) 내의 비투과물의 MEI 지수가 1 이 되도록 조절되었다. 동시에, 냉각기 (10) 를 사용할 필요가 없도록 공급원 (12) 으로부터의 공급물의 엔탈피를 조절할 수 있었다.
표 6 에 도시된 결과에 나타난 바와 같이, 파라-크실렌의 선택도가 10 일 때 도면에 도시된 본원의 공정을 사용하여 99.8% 의 파라-크실렌을 함유하고 동시에 67% 의 파라-크실렌 회수율을 갖는 파라-크실렌 생성물을 얻을 수 있었다.
| 투과물 Pdt 96 | PX 회수율 | 막 면적 (x10-3 ft2) | ||
| PX 함량 (중량%) | (중량%) | 모듈 20 | 모듈 50 | 모듈 80 |
| 99.8 | 67 | 3620 | 966 | 241 |
전술한 예로부터, 효과적인 파라-크실렌 공정을 만들기 위해 폴리머 막의 조합물을 사용할 수 있는 많은 공정이 있음을 당업자에게 명백하다. 이하의 예는 파라-크실렌과 에틸벤젠에 대해 선택적인 막과 에틸벤젠에 대해 선택적인 막을 조합한 것을 설명한다. 파라-크실렌과 에틸벤젠 막은 크기에 따라 분리하는 것이고, 에틸벤젠 선택성 막은 용해도에 따라 분리한다. 상기 2 개의 막은 별개로 사용될 수 있고 또는 단일 막 모듈로 결합될 수 있다. 별개로 처리되는 것이 도면에 도시되었지만, 이 스트림은 또한 에틸벤젠 변환 및 이성체화가 동일한 반응기에서 실시되는 이성체화 반응기로 재순환될 수 있다.
본 발명에서, "비응축성" 은, 냉각에 의해 용이하게 응축되지 않는 화학 또는 석유 처리 유닛으로부터 발생된 가스, 예를 들어 질소, 이산화탄소, 산소, 및 이들로 대부분 이루어진 혼합물을 뜻한다.
본 발명에서, "응축성" 은, 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 액체가 되는 가스 또는 증기를 뜻한다.
본 발명에서, "막 분리 모듈" 은, 막 장치를 형성하도록 배치된 다수의 선택성 막으로 규정된다.
본 발명에서, "압도적으로" 는 약 50% 이상을 뜻한다. "실질적으로" 는 충분히 빈번하게 나타나거나 관련된 화합물이나 시스템의 거시적 특성에 다소 영향을 주는 비율로 존재하는 것을 뜻한다. 이러한 영향에 대한 빈번함 또는 비율이 명확하지 않은 경우에는 "실질적으로" 대략 20% 이상으로 간주된다.
"본질적으로" 는 거시적 품질과 최종 결과에 미치는 단지 무시할만한 영향이 허용되는 경우는 제외하고 통상적으로 대략 최대 1% 를 뜻한다.
본원의 어떠한 양상을 보다 잘 전달하기 위해 본원에 예들이 기재되었고 또한 가설이 설정되었다. 본원의 관점은 첨부된 청구항의 관점에 의해서만 결정된다.
Claims (20)
- 화합물의 유체 혼합물로부터 투과물 및 소망하는 비투과물을 동시 회수하기 위해 선택성 막을 사용하는 방법으로서,(1-a) 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 2 종 이상의 화합물로 된 혼합물을 포함하는 공급원료를 제공하는 단계,(1-b) 선택된 유체의 엔탈피를 제어하는 수단과, 적절한 구동력차가 가해지면 공급원료 중 한 화합물에 대하여 적어도 0.1 Barrer 의 투과도를 갖는 고체의 선택성 막에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 영역을 각기 포함하는 1 이상의 막 모듈을 포함하는 장치를 제공하는 단계로서, 각각의 제 1 영역은 막과 접촉하는 유체 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하고, 상기 막의 반대편 면에 접속하여 있는 제 2 영역은 투과물의 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하는 상기 단계,(1-c) 투과에 적절한 조건에서 1 이상의 모듈의 제 1 영역에 공급원료를 유입시켜, 모듈로부터 투과물 및 비투과물 스트림을 얻는 단계, 및(1-d) 비투과물 유체의 막 효율 지수를 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지시키도록 엔탈피를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 공급원료는 액체 및 응축가능한 증기의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 공급원료는 유기 화합물의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 유기 화합물의 혼합물은 방향족 화합물의 1 종 이상의 이성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 유기 화합물의 혼합물은 크실렌의 1 종 이상의 이성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 유기 화합물의 혼합물은 에틸벤젠을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 유체 혼합물로부터 소망하는 비투과물 및 순수한 투과물을 동시 회수하기 위해 다중 그룹의 선택성 막을 사용하는 방법으로서,(7-a) 온도 및/또는 압력이 적절하게 변경되면 비등하게 되는 2 종 이상의 화합물로 된 혼합물을 포함하는 공급원료를 제공하는 단계,(7-b) 선택된 유체의 엔탈피를 제어하는 수단과, 제 1 생성물 그룹, 제 2 생성물 그룹, 및 1 이상의 중간 그룹에 배치된 다수의 막 모듈을 포함하는 장치를 제공하는 단계로서, 각 모듈은 적절한 구동력차가 가해지면 공급원료 중 한 화합 물에 대하여 적어도 0.1 Barrer 의 투과도를 갖는 고체의 선택성 막에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 영역을 포함하고, 각각의 제 1 영역은 막과 접촉하는 유체의 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하고, 상기 막의 반대편 면에 접속하여 있는 제 2 영역은 투과 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하는 상기 단계,(7-c) 투과에 적절한 조건에서 1 이상의 제 1 생성물 모듈의 제 1 영역에 공급원료를 유입시켜, 제 1 생성물 모듈로부터 투과 및 비투과물 스트림을 얻는 단계,(7-d) 투과에 적절한 조건에서 제 1 생성물 모듈로부터의 투과물을 1 이상의 중간 모듈의 제 1 영역안으로 분배시켜서, 중간 모듈로부터 투과물 및 비투과물 스트림을 얻는 단계,(7-e) 투과에 적절한 조건에서 중간 모듈로부터의 비투과물의 적어도 일부를 1 이상의 제 1 생성물 모듈의 제 1 영역안으로 복귀시키는 단계,(7-f) 투과에 적절한 조건에서 중간 그룹의 모듈의 제 2 영역으로부터의 투과물을 제 2 생성물 그룹 모듈의 제 1 영역안으로 분배시켜서, 제 2 생성물 모듈로부터 비투과물 스트림 및 최종 투과물 스트림을 얻는 단계,(7-g) 투과에 적절한 조건에서 제 2 생성물 모듈로부터의 비투과물의 적어도 일부를 1 이상의 중간 모듈의 제 1 영역안으로 복귀시키는 단계, 및(7-h) 1 종 이상의 비투과물 유체의 막 효율 지수를 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지시키도록 엔탈피를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 공급원료는 액체 및 응축가능한 증기의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 공급원료는 유기 화합물의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 9 항에 있어서, 유기 화합물의 혼합물은 방향족 화합물의 1 종 이상의 이성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 9 항에 있어서, 유기 화합물의 혼합물은 크실렌의 1 종 이상의 이성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 11 항에 있어서, 유기 화합물의 혼합물은 에틸벤젠을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 제 2 생성물 모듈로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수는 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 공급원료는 크실렌의 1 종 이상의 이성체를 포함하는 유기 화합물의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 유기 화합물의 혼합물은 에틸벤젠을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 제 1 생성물 모듈로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수는 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16 항에 있어서, 공급원료는 크실렌의 1 종 이상의 이성체를 포함하는 유기 화합물의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17 항에 있어서, 유기 화합물의 혼합물은 에틸벤젠을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 18 항에 있어서, 제 1 생성물 모듈로부터의 비투과물 유체의 막 효율 지수는 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 유체 혼합물로부터 소망하는 비투과물 및 순수한 투과물을 동시 회수하기 위해서 다중 그룹의 선택성 막을 사용하는 분리 장치로서,제 1 생성물 그룹, 제 2 생성물 그룹, 및 1 이상의 중간 그룹에 배치된 다수의 막 모듈로서, 각 모듈은 적절한 구동력차가 가해지면 공급원료 중 한 화합물 에 대하여 적어도 0.1 Barrer 의 투과도를 갖는 고체의 선택성 막에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 영역을 포함하고, 상기 각각의 제 1 영역은 막과 접촉하는 유체의 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하고, 상기 막의 반대편 면에 접속하여 있는 제 2 영역은 투과 유동을 위한 1 이상의 입구와 출구를 구비하는 다수의 막 모듈;투과에 적절한 조건에서 제 1 생성물 모듈로부터의 투과물을 1 이상의 중간 모듈의 제 1 영역안으로 분배시켜서, 중간 모듈로부터의 비투과물 스트림을 제 1 생성물 모듈의 입구로 복귀시키는 수단;투과에 적절한 조건에서 중간 모듈로부터의 투과물을 1 이상의 제 2 생성물 모듈의 제 1 영역안으로 분배시켜서, 제 2 생성물 모듈로부터의 비투과물 스트림을 중간 모듈의 입구로 복귀시키는 수단; 및1 종 이상의 비투과물 유체의 막 효율 지수를 약 0.5 내지 약 1.5 범위로 유지시키도록 장치내의 선택된 유체의 엔탈피를 제어하는 수단을 포함하는 분리 장치.
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