RU2368594C2 - Method of isomerising normal butane to isobutane and device for realising said method - Google Patents

Method of isomerising normal butane to isobutane and device for realising said method Download PDF

Info

Publication number
RU2368594C2
RU2368594C2 RU2007137661/04A RU2007137661A RU2368594C2 RU 2368594 C2 RU2368594 C2 RU 2368594C2 RU 2007137661/04 A RU2007137661/04 A RU 2007137661/04A RU 2007137661 A RU2007137661 A RU 2007137661A RU 2368594 C2 RU2368594 C2 RU 2368594C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
isobutane
normal butane
isomerization
membrane
fraction
Prior art date
Application number
RU2007137661/04A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007137661A (en
Inventor
Дейвид Дж. ШЕКТЕРЛ (US)
Дейвид Дж. ШЕКТЕРЛ
Дейл Дж. ШИЛДЗ (US)
Дейл Дж. ШИЛДЗ
Original Assignee
Юоп Ллк
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юоп Ллк filed Critical Юоп Ллк
Publication of RU2007137661A publication Critical patent/RU2007137661A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2368594C2 publication Critical patent/RU2368594C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C5/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
    • C07C5/22Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by isomerisation
    • C07C5/27Rearrangement of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D61/00Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/145Ultrafiltration
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D61/00Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/36Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
    • B01D61/362Pervaporation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C5/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
    • C07C5/22Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by isomerisation
    • C07C5/27Rearrangement of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton
    • C07C5/2767Changing the number of side-chains
    • C07C5/277Catalytic processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/12Purification; Separation; Use of additives by adsorption, i.e. purification or separation of hydrocarbons with the aid of solids, e.g. with ion-exchangers
    • C07C7/13Purification; 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/144Purification; Separation; Use of additives using membranes, e.g. selective permeation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10GCRACKING 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
    • C10G2400/00Products obtained by processes covered by groups C10G9/00 - C10G69/14
    • C10G2400/20C2-C4 olefins

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry. ^ SUBSTANCE: invention relates to a method of isomerising normal butane containing initial material, containing at least 50 wt % normal butane to an isomerate which contains isobutane, involving: (a) isomerisation of the initial material under isomerisation conditions, involving presence of isomerisation catalyst, until an output isomerisation stream is obtained, containing normal butane, but with less concentration than in the initial isomerisation material; (b) distillation of at least part of the output isomerisation stream until a low-boiling fraction is obtained, containing isobutane and light paraffins, where at least 80 wt % of the low-boiling fraction is isobutane, and a high-boiling fraction, containing normal butane and at least 10 wt % isobutane; (c) bringing at least part of the fraction containing normal butane from stage (b) into contact with medium at the retentate side of a permeation-selective membrane, with efficiency index of flow of C4 permeate equal to at least 0.01 and pressure difference between media on both sides of the membrane, which allows for obtaining a retentate fraction containing at least 80 wt % isobutane, and for obtaining a permeate fraction at the permeate side, after passage through the membrane, with high concentration of normal butane; and (d) tapping off retentate fraction from stage (c). ^ EFFECT: simplification of method. ^ 10 cl, 2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Данное изобретение относится к улучшенным способам изомеризации нормального бутана до получения изобутана при использовании колонны для отгонки изобутана в комбинации с мембраной, которая селективно проницаема для нормального бутана в сопоставлении с изобутаном, и к улучшенным способам, использующим мембрану для извлечения, по меньшей мере, части изобутана, содержащегося в исходном сырье для изомеризации, содержащем нормальный бутан. Способы изомеризации нормального бутана до получения изобутана широко используют на практике. В способе изомеризации реакция протекает в направлении термодинамического равновесия. Таким образом, изомерат все еще будет характеризоваться существенной концентрацией нормального бутана, обычно соответствующей диапазону молярных соотношений между изобутаном и нормальным бутаном от 1,2:1 до 2:1. Искомый изобутановый продукт, обычно характеризующийся степенью чистоты, равной, по меньшей мере, 80, зачастую, по меньшей мере, 90 или более, например, находящейся в диапазоне от 95 до 99 мол.% изобутана, получают в результате перегонки (колонна для отгонки изобутана), обеспечивающей получение относительно чистого изобутанового продукта в виде дистиллята и фракции, содержащей нормальный бутан, которую отправляют на рецикл в реактор изомеризации.This invention relates to improved methods for isomerizing normal butane to isobutane using an isobutane distillation column in combination with a membrane that is selectively permeable to normal butane in comparison to isobutane, and to improved methods using a membrane to recover at least a portion of isobutane contained in the isomerization feedstock containing normal butane. Methods for isomerizing normal butane to isobutane are widely used in practice. In the isomerization process, the reaction proceeds in the direction of thermodynamic equilibrium. Thus, the isomerate will still be characterized by a significant concentration of normal butane, usually corresponding to a range of molar ratios between isobutane and normal butane from 1.2: 1 to 2: 1. The desired isobutane product, usually characterized by a degree of purity equal to at least 80, often at least 90 or more, for example, in the range from 95 to 99 mol% of isobutane, is obtained by distillation (isobutane distillation column ), which provides a relatively pure isobutane product in the form of a distillate and a fraction containing normal butane, which is recycled to the isomerization reactor.

Поскольку температуры кипения нормального бутана и изобутана относительно близки, и желателен относительно чистый изобутановый продукт, колонну для отгонки изобутана обычно эксплуатируют при высоком флегмовом числе. Таким образом, потребляемая мощность на нагревание в колонне для отгонки изобутана представляет собой существенный компонент эксплуатационных расходов в способе изомеризации бутана, и потребляемая мощность на нагревание становится еще более значительной тогда, когда потребуются потоки изобутанового продукта, характеризующиеся повышенной степенью чистоты. В соответствии с этим проводится поиск улучшенных способов изомеризации нормального бутана, которые характеризуются улучшенными затратами основного капитала и эксплуатационными расходами.Since the boiling points of normal butane and isobutane are relatively close, and a relatively pure isobutane product is desirable, the isobutane distillation column is usually operated at a high reflux ratio. Thus, the power consumption for heating in the isobutane distillation column is an essential component of the operating costs in the butane isomerization process, and the power consumption for heating becomes even more significant when isobutane product streams with a higher degree of purity are required. In accordance with this, a search is made for improved methods for isomerizing normal butane, which are characterized by improved fixed capital and operating costs.

Уровень техникиState of the art

Выделение линейных парафинов из разветвленных парафинов, например, разделение нормального бутана и изобутана было предложено, но пока мембраны все еще должны найти себе сферу практического, коммерческого применения. В документе US 5069794 описывают микропористые мембраны, содержащие материал кристаллических молекулярных сит. В столбце 8, в строках 11 и далее описываются потенциальные сферы применения мембран, включающие разделение линейных и разветвленных парафинов. Смотрите также документ US 6090289, описывающий слоистый композит, содержащий молекулярные сита, который можно было бы использовать в качестве мембраны. В число потенциальных разделений, в которых можно использовать мембрану, и которые описываются, начиная от столбца 13, строки 6 патента, включается выделение нормальных парафинов из разветвленных парафинов. В документах US 6156950 и US 6338791 обсуждаются методики разделения за счет различия в проницаемости, которые могут найти себе применение для выделения нормальных парафинов из разветвленных парафинов, и описываются определенные схемы разделения в связи с изомеризацией. В документе US 2003/0196931 A1 описывается двухстадийный способ изомеризации для улучшения качества углеводородных исходных подаваемых материалов, содержащих от 4 до 12 атомов углерода. В качестве подходящей для использования методики выделения линейных молекул предложено использование цеолитных мембран. Смотрите, например, абзацы 0008 и 0032. В документе US 6818333 описываются тонкие цеолитные мембраны, которые, как утверждается, характеризуются проницаемостью по н-бутану, равной, по меньшей мере, 6·10-7 моль/м2·сек·вПа, и селективностью в отношении превращения н-бутана в изобутан, равной, по меньшей мере, 250.Isolation of linear paraffins from branched paraffins, for example, the separation of normal butane and isobutane, was proposed, but so far the membranes still have to find a scope of practical, commercial application. US 5,069,794 describes microporous membranes containing crystalline molecular sieve material. Column 8, lines 11 and further describe the potential applications of membranes, including the separation of linear and branched paraffins. See also US Pat. No. 6,090,289 for a layered composite containing molecular sieves that could be used as a membrane. Among the potential divisions in which the membrane can be used, and which are described starting from column 13, line 6 of the patent, is the separation of normal paraffins from branched paraffins. US 6156950 and US 6338791 discuss separation methods due to differences in permeability, which can be used to isolate normal paraffins from branched paraffins, and describes specific separation schemes due to isomerization. US 2003/0196931 A1 describes a two-stage isomerization process for improving the quality of hydrocarbon feeds containing 4 to 12 carbon atoms. The use of zeolite membranes has been proposed as a suitable method for isolating linear molecules. See, for example, paragraphs 0008 and 0032. US 6818333 describes thin zeolite membranes that are claimed to have n-butane permeability of at least 6 · 10 −7 mol / m 2 · sec · vPa, and selectivity for the conversion of n-butane to isobutane equal to at least 250.

Вследствие объемов исходных подаваемых материалов, содержащих нормальный бутан, которые подвергают переработке в установках изомеризации бутана промышленного масштаба, для достижения искомого выделения линейных парафинов необходимо было бы иметь большие площади поверхностей мембран. Например, мембраны ZSM-5/силикалит (MFI) (просеивающая мембрана), доступные в компании NGK Insulators, Ltd., Япония, которые демонстрируют селективность в отношении проницаемости по линейным парафинам в сопоставлении с разветвленными парафинами, в рабочих условиях характеризуются проницаемостью в диапазоне от 0,1 до 1,0 миллиграмм-моль в секунду на квадратный метр при разности давлений в диапазоне от 15 до 500 кПа. Таким образом, затраты на коммерческое внедрение такой системы мембранного разделения, использующей данные мембраны или мембраны, относящиеся к типу, описанному в документе US 6818333, делают ее неконкурентоспособной в сопоставлении с системой адсорбционного разделения или с разделением по способу перегонки, таким как с использованием колонны для отгонки изобутана.Due to the volumes of feed materials containing normal butane that are processed in industrial butane isomerization plants, to achieve the desired isolation of linear paraffins, it would be necessary to have large membrane surface areas. For example, ZSM-5 / silicalite (MFI) membranes (sieving membrane), available from NGK Insulators, Ltd., Japan, which exhibit linear paraffin permeability selectivity compared to branched paraffins, under operating conditions have permeabilities ranging from 0.1 to 1.0 milligram mol per second per square meter with a pressure difference in the range of 15 to 500 kPa. Thus, the cost of commercializing such a membrane separation system using these membranes or membranes of the type described in US 6818333 makes it uncompetitive in comparison with an adsorption separation system or with separation by distillation method, such as using a column for distillation of isobutane.

Авторы Bourney, et al. в документе WO 2005/049766 недавно описали способ получения высокооктанового бензина при использовании мембраны для удаления, помимо прочего, н-пентана из подвергнутого изомеризации потока, полученного из дистиллята колонны для отгонки изогексана. Беговой погон из колонны для отгонки изогексана выступает в роли отдувочной текучей среды на стороне пермеата мембраны. Смесь пермеата и отдувочной текучей среды отправляют на рецикл в реактор изомеризации. Результаты компьютерного моделирования, базирующегося на использовании мембраны в виде MFI на оксиде алюминия, приведенные в примере 1 публикации, свидетельствуют о том, что для удаления 95 мас.% н-пентана из дистиллята перегонной колонны для отгонки изогексана требуются 5000 квадратных метров площади поверхности мембраны. При расходе исходного материала, подаваемого в мембранный разделитель (75000 кг/час, при наличии в нем 20,6 массовых процентов н-пентана), величина потока н-пентана, используемого при моделировании, по-видимому, имеет порядок 0,01 грамм-моль/м2·сек при 300°С.Authors Bourney, et al. WO 2005/049766 recently described a process for producing high octane gasoline using a membrane to remove, inter alia, n-pentane from an isomerized stream obtained from a distillate of an isohexane distillate column. The running run from the isohexane stripping column acts as a stripping fluid on the membrane permeate side. The mixture of permeate and stripping fluid is recycled to the isomerization reactor. The results of computer simulations based on the use of a membrane in the form of an MFI on alumina, shown in Example 1 of the publication, indicate that 5,000 square meters of membrane surface are required to remove 95% by weight of distillate from the distillation column to distill off isohexane. With the consumption of the source material supplied to the membrane separator (75000 kg / h, if it contains 20.6 weight percent of n-pentane), the value of the n-pentane flow used in the simulation, apparently, is of the order of 0.01 grams mol / m 2 · sec at 300 ° C.

Для целей следующего далее обсуждения изобретения определяются следующие далее свойства мембран.For the purposes of the following discussion of the invention, the following membrane properties are defined.

МикропористыйMicroporous

Термины «микропористый» и «микропористость» относятся к порам, характеризующимся эффективными диаметрами в диапазоне от 0,3 до 2 нанометров.The terms “microporous” and “microporosity” refer to pores characterized by effective diameters ranging from 0.3 to 2 nanometers.

МезопористыйMesoporous

Термины «мезопористый» и «мезопористость» относятся к порам, характеризующимся эффективными диаметрами в диапазоне от 2 до 50 нанометров.The terms “mesoporous” and “mesoporosity” refer to pores characterized by effective diameters ranging from 2 to 50 nanometers.

МакропористыйMacroporous

Термины «макропористый» и «макропористость» относятся к порам, характеризующимся эффективными диаметрами, большими, чем 50 нанометров.The terms “macroporous” and “macroporosity” refer to pores characterized by effective diameters greater than 50 nanometers.

НаночастицаNanoparticle

Наночастицами являются частицы, характеризующиеся основным размером, доходящим вплоть до 100 нанометров.Nanoparticles are particles characterized by a basic size reaching up to 100 nanometers.

Молекулярные ситаMolecular sieves

Молекулярными ситами являются материалы, характеризующиеся наличием микропористости, и они могут быть аморфными, частично аморфными или кристаллическими и могут быть цеолитными, полимерными, металлическими, керамическими или углеродными.Molecular sieves are materials characterized by the presence of microporosity, and they can be amorphous, partially amorphous or crystalline and can be zeolite, polymer, metal, ceramic or carbon.

Просеивающая мембранаScreening membrane

Просеивающая мембрана представляет собой композитную мембрану, содержащую непрерывную или дискретную среду для селективного разделения, включающую барьерный слой из молекулярных сит. Барьерный слой представляет собой структуру, которая присутствует для селективного блокирования течения текучей среды в мембране. В непрерывной просеивающей мембране сами молекулярные сита образуют непрерывный слой, который стремятся сделать не имеющим дефектов. Непрерывный барьерный слой может содержать и другие материалы, такие как те, что присутствовали бы в случае мембран со смешанными матрицами. Дискретная просеивающая мембрана представляет собой дискретную сборную структуру барьерного слоя из молекулярных сит, в которой между частицами или областями молекулярных сит присутствуют свободные пространства или пустоты. Данные свободные пространства или пустоты могут содержать другой твердый материал или могут быть им заполнены. Частицы или области молекулярных сит представляют собой барьерный слой. Разделение, осуществляемое при использовании просеивающих мембран, может базироваться на стерических свойствах разделяемых компонентов. На проницаемость могут оказывать влияние также и другие факторы. Одним является наличие сорбционной способности или ее отсутствие у компонента и у материала молекулярных сит. Еще одним является взаимодействие между разделяемыми компонентами в микропористой структуре молекулярных сит. Например, в случае некоторых цеолитных молекулярных сит присутствие в поре молекулы, скажем, н-гексана, может воспрепятствовать проникновению в данную пору 2-метилпентана в большей степени, чем еще одной молекулы н-гексана. Таким образом, цеолиты, которые, по-видимому, не демонстрируют большой селективности в отношении разделения нормальных и разветвленных парафинов исключительно с точки зрения молекулярного размера, на практике могут обеспечить достижение повышенных селективностей в отношении разделения.A screening membrane is a composite membrane containing a continuous or discrete medium for selective separation, including a molecular sieve barrier layer. The barrier layer is a structure that is present to selectively block the flow of fluid in the membrane. In a continuous sieving membrane, the molecular sieves themselves form a continuous layer, which they strive to make free from defects. The continuous barrier layer may contain other materials, such as those that would be present in the case of membranes with mixed matrices. A discrete screening membrane is a discrete prefabricated molecular sieve barrier layer structure in which free spaces or voids are present between particles or regions of molecular sieves. These spaces or voids may contain other solid material or may be filled with it. Particles or regions of molecular sieves represent a barrier layer. Separation using sieving membranes can be based on the steric properties of the components to be separated. Other factors can also affect permeability. One is the presence of sorption ability or its absence in the component and in the material of molecular sieves. Another is the interaction between the shared components in the microporous structure of molecular sieves. For example, in the case of some zeolite molecular sieves, the presence of, say, n-hexane molecules in the pore can prevent the penetration of 2-methylpentane into this pore to a greater extent than another n-hexane molecule. Thus, zeolites, which, apparently, do not show a high selectivity for the separation of normal and branched paraffins solely from the point of view of molecular size, in practice can ensure the achievement of increased selectivity in relation to separation.

Индекс эффективности течения C4 пермеатаPermeate C 4 Flow Efficiency Index

Проницаемость просеивающей мембраны, то есть скорость, с которой заданный компонент проходит через заданную толщину мембраны, зачастую варьируется в зависимости от условий, таких как температура и давление, абсолютные и дифференциальные. Таким образом, например, различные скорости проникновения можно определить тогда, когда абсолютное давление на стороне пермеата будет составлять 1000 кПа, и тогда, когда данное давление будет равно 5000 кПа, при сохранении всех других параметров, включающих разность давлений, постоянными. В соответствии с этим для описания просеивающих мембран в настоящем документе используют индекс эффективности течения C4 пермеата. Индекс эффективности течения С4 пермеата для заданной мембраны определяют при измерении скорости (грамм-моли в секунду), с которой, по существу, чистый нормальный бутан (предпочтительно, по меньшей мере, 95 мас.% нормального бутана) проникает через мембрану при приблизительно 150°С при давлении на стороне ретентата 1000 кПа абсолютного давления и давлении на стороне пермеата 100 кПа абсолютного давления. Индекс эффективности течения C4 пермеата отражает скорость проникновения на один квадратный метр площади поверхности на стороне ретентата, но его не приводят к единице толщины мембраны. Таким образом, индекс эффективности течения C4 пермеата для заданной мембраны будет выражаться в единицах грамм-молей нормального бутана, проникающих в секунду через квадратный метр площади поверхности мембраны на стороне ретентата.The permeability of the screening membrane, that is, the speed at which a given component passes through a given membrane thickness, often varies depending on conditions such as temperature and pressure, absolute and differential. Thus, for example, different penetration rates can be determined when the absolute pressure on the permeate side is 1000 kPa, and then when this pressure is 5000 kPa, while all other parameters, including the pressure difference, are kept constant. Accordingly, a C 4 permeate flow efficiency index is used herein to describe screening membranes. The C 4 permeate flow efficiency index for a given membrane is determined by measuring the speed (gram moles per second) at which substantially pure normal butane (preferably at least 95 wt.% Normal butane) penetrates the membrane at about 150 ° C at a pressure on the retentate side of 1000 kPa absolute pressure and a pressure on the permeate side of 100 kPa absolute pressure. The C 4 permeate flow efficiency index reflects the penetration rate per square meter of surface area on the retentate side, but it does not lead to a unit thickness of the membrane. Thus, the efficiency index of the flow of C 4 permeate for a given membrane will be expressed in units of gram moles of normal butane penetrating per second through a square meter of membrane surface area on the retentate side.

Соотношение эффективностей течения C4 пермеатовThe ratio of the effectiveness of the flow of C 4 permeates

Соотношение эффективностей течения C4 пермеатов для заданной просеивающей мембраны представляет собой соотношение между индексом эффективности течения The ratio of the flow efficiencies of C 4 permeates for a given sieving membrane is the ratio between the flow efficiency index

С4 пермеата (н-бутана) и индексом эффективности течения изо-C4 пермеата, где индекс эффективности течения изо-C4 пермеата определяют тем же самым образом, что и индекс эффективности течения C4 пермеата, но при использовании, по существу, чистого изобутана (предпочтительно, по меньшей мере, 95 мас.% изобутана).With 4 permeate (n-butane) and the iso-C 4 permeate flow efficiency index, where the iso-C 4 permeate flow efficiency index is determined in the same way as the C 4 permeate flow efficiency index, but when using substantially pure isobutane (preferably at least 95 wt.% isobutane).

Краткое изложение изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Данным изобретением вносятся усовершенствования в способы изомеризации нормального бутана для исходного сырья, содержащего нормальный бутан, где способы используют перегонку (колонна для отгонки изобутана) для извлечения из отходящего потока изомеризации очищенного изобутанового продукта. Способы данного изобретения предусматривают интеграцию мембранного разделения с колонной для отгонки изобутана для уменьшения потребляемой мощности в ребойлере колонны для отгонки изобутана и получения возможности устранения узких мест в колонне для отгонки изобутана или наличия у нее уменьшенных диаметра и количества ректификационных тарелок для заданных производительности по изобутановому продукту и его степени чистоты.This invention improves the isomerization methods of normal butane for feedstocks containing normal butane, where the methods use distillation (isobutane distillation column) to recover the purified isobutane product from the isomerization effluent. The methods of this invention include the integration of membrane separation with an isobutane distillation column to reduce power consumption in the reboiler of the isobutane distillation column and to be able to eliminate bottlenecks in the isobutane distillation column or to have a reduced diameter and number of distillation plates for a given isobutane product and its degree of purity.

Во многих случаях перегонку используют для получения фракции, содержащей нормальный бутан, предназначенной для отправления на рецикл в реакторы изомеризации. В соответствии с данным изобретением колонну для отгонки изобутана эксплуатируют при флегмовом числе, достаточно низком для получения фракции, содержащей нормальный бутан, которая характеризуется значительной концентрацией изобутана, зачастую равной, по меньшей мере, 10, а иногда, по меньшей мере, 25 мас.% изобутана, и более низкокипящей фракции, характеризующейся уровнем содержания изобутана, равным, по меньшей мере, 80, предпочтительно, по меньшей мере, 90, а иногда находящимся в диапазоне от 95 до 99 мас.%.In many cases, distillation is used to produce a fraction containing normal butane intended for recycling to isomerization reactors. In accordance with this invention, the isobutane distillation column is operated at a reflux ratio low enough to produce a fraction containing normal butane, which is characterized by a significant concentration of isobutane, often equal to at least 10, and sometimes at least 25 wt.% isobutane, and a lower boiling fraction characterized by an isobutane content of at least 80, preferably at least 90, and sometimes in the range from 95 to 99 wt.%.

Таким образом, потребляемая мощность на нагревание и, таким образом, эксплуатационные расходы для перегонки можно существенно уменьшить для заданных производительности по изобутановому продукту и его степени чистоты. Например, массовое соотношение между флегмой и исходным подаваемым материалом в некоторых случаях может быть уменьшено, по меньшей мере, на 20%. Обычно соотношения между количествами флегмы и исходного подаваемого материала для таких перегонных колонн соответствуют порядку соотношений в диапазоне от 2,5 до 4:1. При использовании способов данного изобретения соотношения между количествами флегмы и исходного подаваемого материала можно уменьшить до соотношения в диапазоне от 0,5:1 до 3:1, предпочтительно от 0,5:1 до 3:1, скажем, от 0,5 до 2:1, а более предпочтительно до соотношения в диапазоне от 0,75:1 до 1,3:1 для одинаковых производительности по изобутану и его степени чистоты.Thus, the power consumption for heating and, thus, the operating costs for distillation can be significantly reduced for a given capacity for the isobutane product and its degree of purity. For example, the mass ratio between reflux and the feed material may in some cases be reduced by at least 20%. Typically, the ratios between the amounts of reflux and the feed feed for such distillation columns correspond to an order of ratios ranging from 2.5 to 4: 1. When using the methods of this invention, the ratio between the amounts of reflux and the feed material can be reduced to a ratio in the range from 0.5: 1 to 3: 1, preferably from 0.5: 1 to 3: 1, say, from 0.5 to 2 : 1, and more preferably, to a ratio in the range of 0.75: 1 to 1.3: 1 for the same isobutane performance and purity.

В способах данного изобретения получаемую при перегонке фракцию, содержащую нормальный бутан, вводят в контакт со средой на стороне ретентата селективно проницаемой мембраны для получения пермеата, обогащенного нормальным бутаном, и ретентата, содержащего, по меньшей мере, 80 мас.% изобутана. Поскольку объем фракции, содержащей нормальный бутан, представляет собой только часть отходящего потока из реактора изомеризации, необходимая площадь поверхности мембраны будет меньшей, чем то, что потребуется в случае использования мембранного разделения для выделения изобутана из отходящего потока из реактора изомеризации. Кроме того, несмотря на присутствие изобутана в исходном материале, подаваемом на мембрану, его концентрация в потоке, который представляет собой долю отходящего потока из реактора изомеризации, незначительна. Таким образом, с проникновением определенного количества изобутана через мембрану можно смириться, поскольку абсолютное количество изобутана в потоке, отправляемом на рецикл в реактор изомеризации, будет оказывать незначительное влияние на достижение высокой степени однократного превращения нормального бутана в свежем исходном сырье. Следовательно, подходящие для использования мембраны включают не только те из них, которые характеризуются высокими селективностями в отношении выделения нормального бутана из изобутана, но также и те из них, которые демонстрируют высокий индекс эффективности течения C4 пермеата даже и при сопутствующем низком соотношении эффективностей течения C4 пермеатов.In the methods of the invention, the distillation fraction containing normal butane is contacted with the medium on the retentate side of the selectively permeable membrane to produce normal butane enriched permeate and a retentate containing at least 80% by weight of isobutane. Since the volume of the fraction containing normal butane is only part of the effluent from the isomerization reactor, the required membrane surface area will be less than what would be required if membrane separation was used to isolate isobutane from the effluent from the isomerization reactor. In addition, despite the presence of isobutane in the feed to the membrane, its concentration in the stream, which is a fraction of the effluent from the isomerization reactor, is negligible. Thus, the penetration of a certain amount of isobutane through the membrane can be reconciled, since the absolute amount of isobutane in the stream sent for recycling to the isomerization reactor will have little effect on achieving a high degree of single conversion of normal butane in fresh feedstock. Consequently, suitable membranes for use include not only those that are highly selective for the isolation of normal butane from isobutane, but also those that exhibit a high C 4 permeate flow efficiency index even with a concomitant low C flow efficiency ratio 4 permeates.

В одном широком аспекте способов данного изобретения, относящихся к использованию перегонки для получения продукта, содержащего очищенный изобутан, они включают:In one broad aspect of the methods of this invention related to the use of distillation to obtain a product containing purified isobutane, they include:

(a) изомеризацию исходного материала, подаваемого на изомеризацию и содержащего, по меньшей мере, 50 мас.% нормального бутана, в условиях проведения изомеризации, включающих присутствие катализатора изомеризации, до получения отходящего потока изомеризации, содержащего изобутан и содержащего нормальный бутан, но с концентрацией, меньшей, чем в исходном материале, подаваемом на изомеризацию;and less than in the starting material fed to isomerization;

(b) перегонку, по меньшей мере, части предпочтительно, по меньшей мере, 90% (масс.), а наиболее предпочтительно, по существу, всего количества, отходящего потока изомеризации до получения (i) более низкокипящей фракции, содержащей изобутан и более легкие парафины, где, по меньшей мере, 80 предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.% более низкокипящей фракции представляют собой изобутан, и (ii) более высококипящей фракции, содержащей нормальный бутан, которая содержит нормальный бутан и, по меньшей мере, 10 мас.% изобутана;(b) distilling at least a portion, preferably at least 90% (mass.), and most preferably substantially the total amount, of the isomerization effluent to obtain (i) a lower boiling fraction containing isobutane and lighter paraffins, where at least 80 preferably at least 90 wt.% of the lower boiling fraction are isobutane, and (ii) a higher boiling fraction containing normal butane, which contains normal butane and at least 10 wt. .% isobutane;

(c) введение, по меньшей мере, части предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.%, а наиболее предпочтительно, по существу, всего количества, фракции, содержащей нормальный бутан, со стадии (b) в контакт со средой на стороне ретентата селективно проницаемой мембраны в условиях, включающих площадь поверхности мембраны и разность давлений с обеих сторон мембраны, достаточные для получения фракции ретентата, содержащей, по меньшей мере, 80 предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.% изобутана, и для получения после прохождения через мембрану на стороне пермеата фракции пермеата, характеризующейся повышенной концентрацией нормального бутана, при этом упомянутая фракция пермеата предпочтительно содержит, по меньшей мере, 90 мас.% нормального бутана, содержавшегося во введенной в контакт с мембраной фракции, содержащей нормальный бутан; и(c) introducing at least a portion, preferably at least 90 wt.%, and most preferably, substantially the entire amount, of a fraction containing normal butane, from step (b), selectively contacting the medium on the retentate side a permeable membrane under conditions including a membrane surface area and a pressure difference on both sides of the membrane sufficient to obtain a retentate fraction containing at least 80 preferably at least 90 wt.% isobutane, and to obtain after passing through the membrane on side n rmeata permeate fraction, characterized by an increased concentration of normal butane, said permeate fraction preferably comprises at least 90 wt% of the normal butane contained in the input into contact with a membrane fraction containing normal butane.; and

(d) отбор со стадии (c) фракции ретентата предпочтительно для объединения с более низкокипящей фракцией со стадии (b).(d) selecting from the retentate fraction from step (c) preferably for combining with the lower boiling fraction from step (b).

Исходный материал, подаваемый на изомеризацию, может представлять собой исходное сырье, содержащее нормальный бутан, или им может быть поток, полученный из исходного сырья, содержащего нормальный бутан, из которого, по меньшей мере, часть любого количества изобутана, содержавшегося в нем, удалили, например, в результате проведения перегонки или мембранного разделения, включающего мембранное разделение по еще одному широкому аспекту данного изобретения. Таким образом, исходное сырье, содержащее нормальный бутан, может содержать всего лишь 30 мас.% нормального бутана, но все еще быть подходящим для использования в способах данного изобретения. В предпочтительных вариантах реализации способов данного изобретения на стадию (a) перепускают, по меньшей мере, часть предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.%, а наиболее предпочтительно, по существу, все количество, фракции пермеата со стадии (c).The feedstock for isomerization may be feedstock containing normal butane, or it may be a stream obtained from feedstock containing normal butane, from which at least a portion of any amount of isobutane contained therein has been removed, for example, by distillation or membrane separation, including membrane separation according to another broad aspect of the present invention. Thus, a feedstock containing normal butane may contain as little as 30 wt.% Normal butane, but still be suitable for use in the methods of this invention. In preferred embodiments of the methods of the invention, at least a portion, preferably at least 90 wt.%, And most preferably substantially all, of the permeate fraction from step (c) is bypassed to step (a).

Предпочтительно более низкокипящая фракция со стадии (b) содержит, по меньшей мере, 25 предпочтительно от 30 до 95, а в некоторых случаях от 30 до 80 мас.% изобутана отходящего потока изомеризации. В общем случае для заданного соотношения между количествами флегмы и исходного подаваемого материала увеличение степени чистоты изобутана в продукте будет приводить к уменьшению концентрации изобутана в более низкокипящей фракции.Preferably, the lower boiling fraction from step (b) contains at least 25, preferably from 30 to 95, and in some cases from 30 to 80% by weight of isobutane isomerization effluent. In the general case, for a given ratio between the amounts of reflux and the feed material, an increase in the degree of purity of isobutane in the product will lead to a decrease in the concentration of isobutane in the lower boiling fraction.

В предпочтительных вариантах реализации данного изобретения, по меньшей мере, 50 мас.% изобутана, содержавшегося во введенной в контакт с мембраной фракции, содержащей нормальный бутан, остается во фракции ретентата. Концентрация нормального бутана во фракции пермеата зачастую составляет, по меньшей мере, 50 предпочтительно, по меньшей мере, 70 мас.%.In preferred embodiments of the invention, at least 50% by weight of isobutane contained in the normal butane containing fraction contacted with the membrane remains in the retentate fraction. The concentration of normal butane in the permeate fraction is often at least 50, preferably at least 70 wt.%.

Еще один широкий аспект способов данного изобретения относится к проведению, по меньшей мере, для части исходного сырья, содержащего нормальный бутан, мембранного разделения для удаления изобутана и, таким образом, получения более высокой концентрации нормального бутана в исходном материале, подаваемом в реактор изомеризации. Зачастую исходные подаваемые материалы, содержащие нормальный бутан, содержат значительные количества изобутана, например, от 5 или 10 мас.% и более вплоть до 50 или 60 мас.%. Поскольку изомеризация определяется достижением равновесия, присутствие изобутана в исходном материале, подаваемом на изомеризацию, будет оказывать неблагоприятное воздействие на степень превращения нормального бутана в изобутан, а также приведет к увеличению расхода исходного сырья через зону реакции изомеризации. Таким образом, обычно такое исходное сырье, содержащее изобутан, подвергают перегонке для удаления, по меньшей мере, части изобутана. Например, исходное сырье, подаваемое в установку изомеризации, можно вводить в колонну для отгонки изобутана. Несмотря на то, что колонна для отгонки изобутана действительно обеспечивает извлечение изобутана из исходного сырья и, таким образом, увеличение концентрации нормального бутана в текучей среде, подаваемой в зону реакции изомеризации, у колонны для отгонки изобутана не только должен иметься размер, соответствующий переработке дополнительного объема текучей среды, но также у колонны для отгонки изобутана увеличится и потребляемая мощность на нагревание.Another broad aspect of the methods of the present invention relates to conducting at least a portion of the normal butane containing feedstock by membrane separation to remove isobutane and thereby obtaining a higher concentration of normal butane in the feed fed to the isomerization reactor. Often, starting materials containing normal butane contain significant amounts of isobutane, for example, from 5 or 10 wt.% Or more up to 50 or 60 wt.%. Since isomerization is determined by the achievement of equilibrium, the presence of isobutane in the feed to isomerization will adversely affect the degree of conversion of normal butane to isobutane, and will also lead to an increase in the consumption of feedstock through the isomerization reaction zone. Thus, usually such an isobutane-containing feedstock is distilled to remove at least a portion of the isobutane. For example, the feedstock fed to the isomerization unit can be introduced into the isobutane distillation column. Despite the fact that the isobutane distillation column does indeed provide isobutane extraction from the feedstock and thus increases the concentration of normal butane in the fluid supplied to the isomerization reaction zone, the isobutane distillation column must not only have a size corresponding to processing additional volume fluid, but also the isobutane stripping column will also increase the power consumption for heating.

В соответствии с одним аспектом данного изобретения мембранное разделение используют для удаления изобутана из исходного сырья. В наиболее широких терминах данного аспекта изобретения перегонка отходящего потока изомеризации не является существенной. Широкие аспекты способов изомеризации нормального бутана данного аспекта изобретения включают: (a) введение, по меньшей мере, части предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.%, а наиболее предпочтительно, по существу, всего количества исходного сырья, содержащего нормальный бутан, а также содержащего, по меньшей мере, 5, зачастую, по меньшей мере, 10 мас.% изобутана, в контакт со средой на стороне ретентата селективно проницаемой мембраны в условиях, включающих площадь поверхности мембраны и разность давлений с обеих сторон мембраны, достаточные для получения фракции ретентата, содержащей, по меньшей мере, 80 предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.% изобутана, и для получения после прохождения через мембрану на стороне пермеата фракции пермеата, характеризующейся повышенной концентрацией нормального бутана, при этом упомянутая фракция пермеата предпочтительно содержит, по меньшей мере, 80 мас.% нормального бутана, содержавшегося в исходном сырье, введенном в контакт с мембраной; и (b) воздействие на фракцию пермеата условий проведения изомеризации, включающих присутствие катализатора изомеризации, до получения отходящего потока изомеризации, содержащего нормальный бутан, но с концентрацией меньшей, чем концентрация в исходном сырье.In accordance with one aspect of the invention, membrane separation is used to remove isobutane from the feed. In the broadest terms of this aspect of the invention, distillation of the isomerization effluent is not essential. Broad aspects of the isomerization methods of normal butane of this aspect of the invention include: (a) introducing at least a portion, preferably at least 90 wt.%, And most preferably, substantially the entire amount of the feedstock containing normal butane, and containing at least 5, often at least 10 wt.% isobutane, in contact with the medium on the retentate side of the selectively permeable membrane under conditions including a membrane surface area and a pressure difference on both sides of the membrane, sufficient to obtain a retentate fraction containing at least 80, preferably at least 90 wt.% isobutane, and to obtain, after passing through the membrane on the permeate side, a permeate fraction characterized by an increased concentration of normal butane, wherein said permeate fraction preferably contains at least 80 wt.% normal butane contained in the feedstock contacted with the membrane; and (b) exposing the permeate fraction to isomerization conditions, including the presence of an isomerization catalyst, to obtain an isomerization effluent stream containing normal butane but with a concentration lower than the concentration in the feedstock.

В одном варианте реализации ретентат со стадии (a) объединяют с отходящим потоком изомеризации, и, таким образом, он может обеспечить получение изобутанового продукта, характеризующегося надлежащей степенью чистоты даже и без перегонки для удаления нормального бутана. В альтернативном варианте сам ретентат можно использовать в качестве потока продукта или его можно объединять с более низкокипящей фракции, полученной при перегонке.In one embodiment, the retentate from step (a) is combined with the isomerization effluent, and thus, it can provide an isobutane product of an appropriate degree of purity even without distillation to remove normal butane. Alternatively, the retentate itself can be used as a product stream or it can be combined with the lower boiling fraction obtained by distillation.

Предпочтительно отходящий поток изомеризации обогащают для получения потока продукта, содержащего, по меньшей мере, 80 предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.% изобутана, и потока, содержащего нормальный бутан, по меньшей мере, часть которого можно отправлять, а можно и не отправлять на рецикл для изомеризации. Зачастую во фракции ретентата содержится, по меньшей мере, 50 предпочтительно, по меньшей мере, от 60, по существу, до 100 мас.% изобутана, содержавшегося в исходном сырье.Preferably, the isomerization effluent stream is enriched to produce a product stream containing at least 80, preferably at least 90 wt.% Isobutane, and a stream containing normal butane, at least some of which may or may not be sent recycling for isomerization. Often, the retentate fraction contains at least 50, preferably at least 60, substantially up to 100% by weight of isobutane contained in the feed.

Предпочтительно в обоих широких аспектах изобретения мембрана представляет собой просеивающую мембрану, характеризующуюся индексом эффективности течения C4 пермеата, равным, по меньшей мере, 0,01, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,02, и соотношением эффективностей течения C4 пермеатов, соответствующим, по меньшей мере, 1,25:1, более предпочтительно, по меньшей мере, 1,3:1, а зачастую соответствующим соотношению в диапазоне от 1,35:1 до 5:1 или 6:1.Preferably, in both broad aspects of the invention, the membrane is a sieving membrane characterized by a C 4 permeate flow efficiency index of at least 0.01, more preferably at least 0.02, and a C 4 permeate flow efficiency ratio corresponding to at least 1.25: 1, more preferably at least 1.3: 1, and often an appropriate ratio in the range of 1.35: 1 to 5: 1 or 6: 1.

Изобретение также относится к аппаратуре для реализации способов изобретения. В широком аспекте аппаратура для изомеризации исходного сырья, содержащего нормальный бутан, включает:The invention also relates to apparatus for implementing the methods of the invention. In a broad aspect, apparatus for isomerizing a feedstock containing normal butane includes:

a. реактор изомеризации (106), адаптированный для проведения изомеризации нормального бутана до получения изомерата, содержащего изобутан, и имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие для изомерата;a. an isomerization reactor (106) adapted to perform isomerization of normal butane to produce an isomerate containing isobutane and having an inlet and an outlet for isomerate;

b. перегонную колонну (116), имеющую впускное отверстие, через текучую среду находящееся в сообщении с выпускным отверстием реактора изомеризации (106), канал выпускного отверстия для более низкокипящей фракции (118) и канал выпускного отверстия для более высококипящей фракции (122), при этом упомянутая перегонная колонна (116) адаптирована для перегонки, по меньшей мере, части изомерата, содержащего изобутан, до получения более низкокипящей фракции, в сопоставлении с изомератом обогащенной изобутаном, и более высококипящей фракции, в сопоставлении с изомератом обогащенной нормальным бутаном, при этом упомянутая фракция содержит изобутан; иb. a distillation column (116) having an inlet through fluid in communication with the outlet of the isomerization reactor (106), an outlet channel for a lower boiling fraction (118) and an outlet channel for a higher boiling fraction (122), wherein the distillation column (116) is adapted to distill at least a portion of the isobutane-containing isomerate to obtain a lower boiling fraction, in comparison with the isobutane-enriched isomerate, and a higher boiling fraction, in comparison with an isomerate enriched with normal butane, wherein said fraction contains isobutane; and

c. мембранный разделитель (124), имеющий впускное отверстие на стороне исходного подаваемого материала, через текучую среду находящееся в сообщении с каналом для более высококипящей фракции (122), выпускное отверстие на стороне исходного подаваемого материала, через текучую среду находящееся в сообщении с линией (118) от выпускного отверстия перегонной колонны для более низкокипящей фракции (116), и выпускное отверстие для пермеата, через текучую среду находящееся в сообщении с впускным отверстием реактора изомеризации (106).c. a membrane separator (124) having an inlet on the side of the feed source through a fluid in communication with the channel for the higher boiling fraction (122), an outlet on the side of the feed inlet through a fluid in communication with the line (118) from the outlet of the distillation column for a lower boiling fraction (116), and the outlet for permeate, through the fluid in communication with the inlet of the isomerization reactor (106).

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 демонстрирует схематическое представление способов, соответствующих данному изобретению и использующих стабилизационную колонну перед колонной для отгонки изобутана.Figure 1 shows a schematic representation of the methods of this invention using a stabilization column in front of the isobutane distillation column.

Фиг.2 демонстрирует схематическое представление способов, соответствующих данному изобретению, где исходное сырье, содержащее нормальный бутан, подвергают мембранному разделению до получения отходящего потока, содержащего изобутан, который объединяют с отходящим потоком изомеризации до получения продукта без появления необходимости отгонки изобутана из нормального бутана.Figure 2 shows a schematic representation of the methods of this invention, wherein the normal butane-containing feedstock is subjected to membrane separation to obtain an isobutane-containing effluent that is combined with the isomerization effluent to form a product without the need for distilling off isobutane from normal butane.

Подробное описаниеDetailed description

ИЗОМЕРИЗАЦИЯISOMERIZATION

В способах данного изобретения можно использовать любое подходящее исходное сырье, содержащее нормальный бутан. Исходное сырье можно получать из любого подходящего для использования источника, включающего нижеследующее, но не ограничивающегося только им: фракционирование или ожижение газообразных или при нормальных условиях жидких нефтяных материалов, из синтетических парафинов, таких как из способов Фишера-Тропша, крекинг более высокомолекулярных углеводородов и тому подобное. Состав исходного сырья будет зависеть от источника исходного сырья. Предпочтительное исходного сырье будет содержать, по меньшей мере, 30, скажем, от 50 до, по существу, 100 мас.% нормального бутана. Другие компоненты, которые могут присутствовать, включают изобутан, бутены и более легкие и более тяжелые углеводороды. В общем случае более легкие, углеводороды присутствуют в количествах, меньших, чем 20 предпочтительно меньших, чем 5 мас.%, а более тяжелые углеводороды присутствуют в количествах, меньших, чем 10, предпочтительно меньших, чем 5 мас.%. В том случае, если исходное сырье будет содержать C5 или более тяжелые углеводороды, то тогда обычно предпочитается, чтобы исходное сырье было бы подвергнуто воздействию типового физического процесса химической технологии, такого как перегонка (например, в колонне для отгонки изобутана), для уменьшения концентрации C5 и более тяжелых углеводородов до уровня, меньшего, чем 1, предпочтительно меньшего, чем 0,5 мас.%.In the methods of this invention, any suitable starting material containing normal butane can be used. The feedstock can be obtained from any suitable source for use, including the following, but not limited to: fractionation or liquefaction of gaseous or under normal conditions liquid petroleum materials, from synthetic paraffins, such as from Fischer-Tropsch processes, cracking of higher molecular weight hydrocarbons and the like like that. The composition of the feedstock will depend on the source of feedstock. Preferred feedstocks will contain at least 30, say, from 50 to substantially 100% by weight of normal butane. Other components that may be present include isobutane, butenes, and lighter and heavier hydrocarbons. In general, lighter hydrocarbons are present in amounts of less than 20, preferably less than 5 wt.%, And heavier hydrocarbons are present in amounts of less than 10, preferably less than 5 wt.%. In the event that the feed contains C 5 or more heavy hydrocarbons, then it is usually preferred that the feed be subjected to a typical physical process of chemical technology, such as distillation (for example, in an isobutane distillation column), to reduce the concentration C 5 and heavier hydrocarbons to a level less than 1, preferably less than 0.5 wt.%.

Исходное сырье совместно с материалом, отправляемым на рецикл, в случае его наличия, извлеченным из отходящего потока реакции изомеризации, перепускают в качестве исходного материала, подаваемого на изомеризацию в одну или несколько зон изомеризации. Исходное сырье и материал, отправляемый на рецикл, обычно перемешивают до введения в зону изомеризации, но при желании их введение можно проводить и по отдельности. В альтернативном варианте исходное сырье можно объединять с отходящим потоком изомеризации в колонне для отгонки изобутана, а после этого перепускать в зоны изомеризации в комбинации с материалом, отправляемым на рецикл. Данная последняя методика служит для извлечения из исходного сырья, по меньшей мере, части изобутана, содержавшегося в нем. В каждом случае совокупный исходный материал, подаваемый в зону изомеризации, в настоящем документе называют исходным материалом, подаваемым на изомеризацию. Материал, отправляемый на рецикл, может поступать в виде одного или нескольких потоков. Как обсуждается далее, материал, отправляемый на рецикл, содержит нормальный бутан.The feedstock, together with the material sent for recycling, if any, recovered from the isomerization reaction effluent, is passed as feed to isomerization in one or more isomerization zones. The feedstock and the material sent for recycling are usually mixed before being introduced into the isomerization zone, but if desired, they can be introduced separately. Alternatively, the feedstock may be combined with the isomerization effluent in the isobutane distillation column, and then transferred to isomerization zones in combination with the material sent for recycling. This latter technique serves to extract from the feedstock at least a portion of the isobutane contained therein. In each case, the total feed to the isomerization zone is referred to herein as the feed to isomerization. Material sent for recycling can come in the form of one or more flows. As discussed below, material sent for recycling contains normal butane.

Концентрация нормального бутана в исходном материале, подаваемом на изомеризацию, будет зависеть не только от концентрации нормального бутана в исходном сырье, но также и от его концентрации в материале, отправляемом на рецикл, в случае его наличия, и относительного количества материала, отправляемого на рецикл, в сопоставлении с исходным сырьем, которое может находиться в широком диапазоне. Зачастую исходный материал, подаваемый на изомеризацию, характеризуется концентрацией нормального бутана, равной, по меньшей мере, 50, скажем, находящейся в диапазоне от 60 до 100, предпочтительно от 75 до 90 мас.%.The concentration of normal butane in the feed to isomerization will depend not only on the concentration of normal butane in the feed, but also on its concentration in the material sent for recycling, if available, and the relative amount of material sent for recycling, in comparison with the feedstock, which can be in a wide range. Often the starting material supplied for isomerization is characterized by a concentration of normal butane equal to at least 50, say, in the range from 60 to 100, preferably from 75 to 90 wt.%.

В зоне изомеризации исходный материал, подаваемый на изомеризацию, подвергают воздействию условий проведения изомеризации, включающих присутствие катализатора изомеризации, предпочтительно в присутствии ограниченного количества водорода. Изомеризацию нормального бутана в общем случае считают обратимой реакцией первого порядка. Таким образом, отходящий поток реакции изомеризации будет характеризоваться большей концентрацией изобутана и меньшей концентрацией нормального бутана в сопоставлении с тем, что имеет место для исходного материала, подаваемого на изомеризацию. В предпочтительных вариантах реализации данного изобретения условия проведения изомеризации являются достаточными для изомеризации, по меньшей мере, 20, предпочтительно от 30 до 60 мас.% нормальных парафинов в объединенных исходном сырье и материале, отправляемом на рецикл. В общем случае условия проведения изомеризации позволяют достичь, по меньшей мере, 70 предпочтительно, по меньшей мере, 75, скажем, от 75 до, по существу, 100 процентов от равновесных величин для C4 парафинов, присутствующих в исходном материале, подаваемом на изомеризацию. Во многих случаях отходящий поток реакции изомеризации характеризуется массовым соотношением между изобутаном и нормальным бутаном, соответствующим, по меньшей мере, 1,2:1, предпочтительно соответствующим соотношению в диапазоне от 1,4 до 2:1.In the isomerization zone, the feed to the isomerization is subjected to isomerization conditions including the presence of an isomerization catalyst, preferably in the presence of a limited amount of hydrogen. Isomerization of normal butane is generally considered a first order reversible reaction. Thus, the effluent of the isomerization reaction will be characterized by a higher concentration of isobutane and a lower concentration of normal butane in comparison with what is the case for the starting material fed to the isomerization. In preferred embodiments of the invention, the conditions for isomerization are sufficient to isomerize at least 20, preferably 30 to 60% by weight of normal paraffins in the combined feed and recyclable material. In general, the conditions for isomerization can achieve at least 70, preferably at least 75, say, 75 to substantially 100 percent of the equilibrium values for the C 4 paraffins present in the isomerization feed. In many cases, the isomerization reaction effluent is characterized by a mass ratio between isobutane and normal butane corresponding to at least 1.2: 1, preferably corresponding to a ratio in the range from 1.4 to 2: 1.

Для широких аспектов способов данного изобретения катализатор изомеризации не является критичным моментом, и любой подходящий для использования катализатор изомеризации сможет найти себе применение. Подходящие для использования катализаторы изомеризации включают кислотные катализаторы, использующие хлорид для поддержания искомой активности. Катализатор изомеризации может быть аморфным, например на основе аморфного оксида алюминия, или цеолитным. Цеолитный катализатор обычно еще будет содержать аморфное связующее. Катализатор может содержать металл платиновой группы на оксиде алюминия, обработанном хлоридом.For broad aspects of the methods of this invention, the isomerization catalyst is not critical, and any suitable isomerization catalyst can be used. Suitable isomerization catalysts include acid catalysts that use chloride to maintain the desired activity. The isomerization catalyst may be amorphous, for example based on amorphous alumina, or zeolite. The zeolite catalyst will usually still contain an amorphous binder. The catalyst may contain a platinum group metal on chloride-treated alumina.

Введение в контакт в зонах изомеризации можно осуществлять при использовании катализатора в системе с неподвижным слоем, системе с движущимся слоем, системе с псевдоожиженным слоем или в операции периодического типа. Система с неподвижным слоем является предпочтительной. Реагенты можно вводить в контакт со слоем частиц катализатора при перетоке снизу вверх, сверху вниз или в радиальном направлении. При введении в контакт с частицами катализатора реагенты могут находиться в жидкой фазе, смешанной парожидкостной фазе или паровой фазе, при этом превосходные результаты получают при применении настоящего изобретения к, главным образом, парофазной операции. Зона изомеризации может находиться в одном реакторе или в двух или более отдельных реакторах, оборудованных подходящими устройствами, обеспечивающими выдерживание на входе в каждую зону желательной температуры изомеризации. Предпочтительными для обеспечения улучшенной изомеризации являются два или более реактора, расположенные в последовательности, благодаря контролю температур индивидуальных реакторов и в связи с частичной заменой катализатора без остановки технологического процесса.Contacting in isomerization zones can be carried out using the catalyst in a fixed bed system, a moving bed system, a fluidized bed system, or in a batch type operation. A fixed bed system is preferred. Reagents can be brought into contact with a bed of catalyst particles when flowing from bottom to top, top to bottom or in the radial direction. When brought into contact with the catalyst particles, the reactants can be in the liquid phase, the mixed vapor-liquid phase or the vapor phase, with excellent results obtained when applying the present invention to a mainly vapor-phase operation. The isomerization zone may be located in one reactor or in two or more separate reactors equipped with suitable devices that maintain the desired isomerization temperature at the entrance to each zone. Preferred to provide improved isomerization are two or more reactors arranged in sequence, due to the temperature control of the individual reactors and due to the partial replacement of the catalyst without stopping the process.

Условия проведения изомеризации в зоне изомеризации включают температуры реактора, обычно находящиеся в диапазоне от 40 до 250°С. В общем случае предпочтительными являются пониженные температуры реакции, что благоприятствует получению равновесных смесей, характеризующихся максимальной концентрацией изобутана, и сводит к минимуму прохождение крекинга исходного подаваемого материала с образованием более легких углеводородов. В настоящем изобретении предпочтительными являются температуры в диапазоне от 100 до 200°С. Рабочие давления в реакторе в общем случае находятся в диапазоне от 100 кПа до 10 МПа абсолютного давления, предпочтительно от 0,5 до 4 МПа абсолютного давления. Часовые объемные скорости жидкости находятся в диапазоне от 0,2 до 25 объемов изомеризуемого углеводородного исходного подаваемого материала в час на объем катализатора, при этом предпочтительным является диапазон от 0,5 до 15 ч-1.Isomerization conditions in the isomerization zone include reactor temperatures, typically in the range of 40 to 250 ° C. In general, lower reaction temperatures are preferred, which favors the production of equilibrium mixtures with a maximum concentration of isobutane and minimizes cracking of the feed material to form lighter hydrocarbons. In the present invention, temperatures in the range of 100 to 200 ° C. are preferred. The operating pressures in the reactor are generally in the range from 100 kPa to 10 MPa absolute pressure, preferably from 0.5 to 4 MPa absolute pressure. The hourly space velocities of the liquid are in the range of 0.2 to 25 volumes of isomerizable hydrocarbon feed material per hour per volume of catalyst, with a range of 0.5 to 15 h -1 being preferred.

К подаваемым в зону изомеризации объединенным исходному сырью и материалам, отправляемым на рецикл, водород примешивают или в них сохраняют, добиваясь получения мольного соотношения между водородом и углеводородным исходным подаваемым материалом в диапазоне от 0,01 до 20. Водород можно подавать целиком из системы, внешней для способа, или его можно пополнять водородом, отправляемым на рецикл в исходный подаваемый материал после выделения из отходящего потока реактора изомеризации. В водороде могут присутствовать легкие углеводороды и небольшие количества инертных материалов, таких как азот и аргон. Из водорода, подаваемого из системы, внешней для способа, воду необходимо удалить, предпочтительно при использовании адсорбционной системы, известной на современном уровне техники. В предпочтительном варианте реализации молярное соотношение между водородом и углеводородом в отходящем потоке реактора составляет величину, равную или меньшую 0,05, что в общем случае устраняет необходимость отправления водорода из отходящего потока реактора на рецикл в исходный подаваемый материал.Hydrogen is mixed or stored in the combined feedstock and materials sent to the isomerization zone and recycled to obtain a molar ratio between hydrogen and the hydrocarbon feed material in the range of 0.01 to 20. Hydrogen can be supplied entirely from an external system for the method, or it can be replenished with hydrogen sent for recycling to the original feed material after separation from the isomerization reactor effluent. Light hydrocarbons and small amounts of inert materials such as nitrogen and argon may be present in hydrogen. Water must be removed from the hydrogen supplied from a system external to the process, preferably using an adsorption system known in the art. In a preferred embodiment, the molar ratio of hydrogen to hydrocarbon in the reactor effluent is equal to or less than 0.05, which generally eliminates the need for hydrogen to be recycled from the reactor effluent to the feed.

В особенности в случае использования для изомеризации катализатора, обработанного хлоридом, отходящий поток реакции изомеризации вводят в контакт с сорбентом для удаления любых хлоридных компонентов или подвергают перегонке или десорбированию для удаления хлоридных компонентов, а также легких фракций.Particularly when a chloride-treated catalyst is used for isomerization, the isomerization effluent is contacted with the sorbent to remove any chloride components, or distilled or stripped to remove chloride components as well as light fractions.

ОБРАБОТКА ИСХОДНОГО СЫРЬЯPROCESSING OF RAW MATERIALS

В тех аспектах данного изобретения, в которых исходное сырье подвергают мембранному разделению, предпочтительное исходное сырье содержит, по меньшей мере, 5 мас.% изобутана. По меньшей мере, часть предпочтительно, по меньшей мере, 80, а более предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.% исходного сырья подвергают мембранному разделению до введения в зону реакции изомеризации. Исходное сырье можно подвергать мембранному разделению непосредственно перед подачей в установку изомеризации или можно подавать в установку изомеризации, расположенную по ходу технологического процесса до мембранного разделителя, используемого для извлечения изобутана из потока, содержащего нормальный бутан. Например, исходное сырье можно подавать в колонну для отгонки изобутана или на участок в промежутке между колонной для отгонки изобутана и мембранным разделителем, используемым для извлечения изобутана из отправляемой на рецикл в зону реакции изомеризации фракции, содержащей нормальный бутан.In those aspects of the present invention in which the feedstock is subjected to membrane separation, the preferred feedstock contains at least 5% by weight of isobutane. At least a portion of preferably at least 80, and more preferably at least 90 wt.% Of the feedstock is subjected to membrane separation prior to the introduction of isomerization into the reaction zone. The feedstock can be subjected to membrane separation immediately before being fed to the isomerization unit, or it can be fed to the isomerization unit located upstream of the membrane separator used to extract isobutane from a stream containing normal butane. For example, the feedstock may be fed to an isobutane distillation column or to a portion between the isobutane distillation column and a membrane separator used to recover isobutane from the fraction containing normal butane sent to the isomerization reaction zone for recycling to the isomerization reaction zone.

Исходное сырье вводят в контакт со средой на стороне ретентата селективной мембраны для получения фракции ретентата отходящего потока реакции изомеризации, которая содержит, по меньшей мере, 80 мас.% изобутана, и для получения после прохождения через мембрану на стороне пермеата фракции пермеата, характеризующейся повышенной концентрацией нормального бутана. Для проведения желательного разделения при подходящих для использования скоростях проникновения на мембране выдерживают величину падения давления. Мембрана может относиться к любому подходящему для использования типу, включающему диффузионный и просеивающий, и ее можно изготовить из неорганических, органических или композитных материалов. В случае диффузионных мембран движущая сила представляет собой разность парциальных давлений между средами на сторонах ретентата и пермеата. В случае просеивающих мембран вне зависимости от парциальных давлений или концентраций существенным компонентом движущей силы становится падение абсолютного давления. Предпочтительными мембранами являются просеивающие мембраны, характеризующиеся индексом эффективности течения C4 пермеата, равным, по меньшей мере, 0,01, и соотношением эффективностей течения C4 пермеатов, соответствующим, по меньшей мере, 1,25:1. Далее просеивающие мембраны обсуждаются более подробно.The feedstock is contacted with the medium on the retentate side of the selective membrane to obtain a retentate fraction of an isomerization effluent stream that contains at least 80 wt.% Isobutane, and to obtain, after passing through the membrane on the permeate side, a permeate fraction characterized by an increased concentration normal butane. To achieve the desired separation at a suitable penetration rate, a pressure drop is maintained on the membrane. The membrane can be of any suitable type, including diffusion and screening, and can be made from inorganic, organic, or composite materials. In the case of diffusion membranes, the driving force is the difference in partial pressures between the media on the sides of the retentate and permeate. In the case of sieving membranes, regardless of partial pressures or concentrations, a drop in absolute pressure becomes an essential component of the driving force. Preferred membranes are sieving membranes characterized by a C 4 permeate flow efficiency index of at least 0.01 and a C 4 permeate flow efficiency ratio corresponding to at least 1.25: 1. Further sieving membranes are discussed in more detail.

При мембранных разделениях падение давления зачастую находится в диапазоне от 0,1 до 10, предпочтительно от 0,2 до 2 МПа. На практике фракцию, содержащую нормальный бутан, будут вводить в контакт со средой на стороне ретентата мембран без дополнительного компримирования, что сводит к минимуму затраты основного капитала и эксплуатационные расходы. Температура мембранного разделения будет отчасти зависеть от природы мембраны и от температуры исходного сырья. Зачастую температура находится в диапазоне от 25°С до 150°С. Условия проведения мембранного разделения могут обеспечить наличие на стороне ретентата мембраны жидкой или паровой, или смешанной фазы (термины «смешанная фаза», используемые в настоящем документе, обозначают смешанную жидкую и паровую фазу). Пермеат может образовывать паровую, жидкую или смешанную фазу. Если текучая среда на стороне ретентата мембраны будет представлять собой жидкую фазу, то тогда пермеат может образовывать жидкую, паровую или смешанную фазу.With membrane separations, the pressure drop is often in the range from 0.1 to 10, preferably from 0.2 to 2 MPa. In practice, a fraction containing normal butane will be brought into contact with the medium on the retentate side of the membranes without additional compression, which minimizes the cost of fixed capital and operating costs. The temperature of the membrane separation will partly depend on the nature of the membrane and the temperature of the feedstock. Often the temperature is in the range from 25 ° C to 150 ° C. Membrane separation conditions may ensure that a liquid or vapor or mixed phase is present on the retentate side of the membrane (the terms “mixed phase” used herein mean a mixed liquid and vapor phase). Permeate can form a vapor, liquid or mixed phase. If the fluid on the retentate side of the membrane is a liquid phase, then permeate can form a liquid, vapor or mixed phase.

В аппаратуре и способах данного изобретения можно использовать любую подходящую селективно проницаемую мембрану. Предпочтительными мембранами являются просеивающие мембраны. Мембраны, используемые в способах данного изобретения, являются высокопроницаемыми, то есть характеризуются индексом эффективности течения C6 пермеата, равным, по меньшей мере, 0,01. Мембраны могут иметь любую подходящую для использования форму, такую как у полых волокон, листов и тому подобного, которые можно компоновать до получения модуля разделителя, такого как мембраны, включающие жгуты полых волокон или плоские пластины или спирально смотанные листы. Физическая структура мембран при компоновке в модуле разделителя должна сделать возможным получение на мембране падения давления, достаточного для достижения желательной проницаемости. В случае мембран, включающих полые волокна, среда стороны с высоким давлением (стороны ретентата) обычно будет находиться вне полого волокна. Течение пермеата может быть сонаправленным, противонаправленным или перекрестненаправленным по отношению к течению текучей среды на стороне ретентата мембраны. Предусматривается достаточная площадь поверхности мембраны, такая, чтобы в стационарных условиях во фракции ретентата была бы получена желательная концентрация изобутана.Any suitable selectively permeable membrane may be used in the apparatus and methods of the present invention. Preferred membranes are screening membranes. The membranes used in the methods of the present invention are highly permeable, that is, characterized by a flow index C 6 of permeate equal to at least 0.01. The membranes can take any suitable shape, such as for hollow fibers, sheets, and the like, which can be assembled to form a separator module, such as membranes including hollow fiber bundles or flat plates or spirally wound sheets. The physical structure of the membranes during assembly in the separator module should make it possible to obtain a pressure drop on the membrane sufficient to achieve the desired permeability. In the case of membranes comprising hollow fibers, the medium of the high pressure side (retentate side) will usually be outside the hollow fiber. The permeate flow can be co-directional, counter-directional, or cross-directional with respect to the fluid flow on the retentate side of the membrane. A sufficient membrane surface area is provided such that, under stationary conditions, the desired concentration of isobutane is obtained in the retentate fraction.

ОТХОДЯЩИЙ ПОТОК ИЗОМЕРИЗАЦИИ И ПЕРЕГОНКАWASTE FLOW ISOMERIZATION AND REMOTE

Отходящий поток изомеризации подвергают воздействию одной или нескольких операций разделения для удаления компонентов, таких как водород, низшие алканы и, в особенности в случае катализаторов, обработанных хлоридом, соединения галогенов.The isomerization effluent is subjected to one or more separation operations to remove components such as hydrogen, lower alkanes and, especially in the case of chloride-treated catalysts, halogen compounds.

В соответствии с аспектами данного изобретения, где перегонку используют для получения изобутанового продукта, отходящий поток изомеризации перепускают либо непосредственно, либо с включением описанных выше промежуточных типовых физических процессов химической технологии в перегонный агрегат в сборе (который для цели следующего далее обсуждения называют колонной для отгонки изобутана) с целью получения более низкокипящей фракции, содержащей изобутан, и более высококипящей фракции, содержащей нормальный бутан. Поскольку условия проведения изомеризации имеют тенденцию приводить к получению более легких компонентов, таких как метан, этан и пропан, данные компоненты либо удаляют в стабилизационной колонне, либо удаляют в виде дистиллята из колонны для отгонки изобутана. Там, где легкие фракции будут, по существу, удалены из отходящего потока изомеризации до введения в колонну для отгонки изобутана, более низкокипящая изобутановая фракция может представлять собой дистиллят. Исходный материал, подаваемый в колонну для отгонки изобутана, может образовывать паровую, жидкую или смешанную фазу.In accordance with aspects of the present invention, where distillation is used to produce an isobutane product, the isomerization effluent is bypassed either directly or by incorporating the above typical intermediate physical processes of chemical technology into a distillation assembly (which is called an isobutane distillation column for the purpose of the discussion that follows). ) in order to obtain a lower boiling fraction containing isobutane and a higher boiling fraction containing normal butane. Since isomerization conditions tend to produce lighter components such as methane, ethane and propane, these components are either removed in a stabilization column or removed as a distillate from the isobutane distillation column. Where light fractions will be substantially removed from the isomerization effluent prior to introduction of isobutane into the distillation column, the lower boiling isobutane fraction may be a distillate. The feed to the isobutane stripping column may form a vapor, liquid, or mixed phase.

Наиболее часто колонну для отгонки изобутана адаптируют для получения в качестве бокового потока потока, содержащего нормальный бутан, и получения кубового потока, содержащего C5 компоненты, такие как нормальный пентан и изопентан. Колонна для отгонки изобутана может представлять собой насадочную или тарельчатую колонну, и обычно ее эксплуатируют при давлении верха колонны в диапазоне от 100 до 1000 кПа (избыточного давления) и кубовой температуре в диапазоне от 60 до 170°С. Соотношение между количествами флегмы и исходного подаваемого материала в колонне для отгонки изобутана будет оказывать влияние на концентрацию изобутана во фракции, содержащей нормальный бутан. В общем случае с точки зрения уменьшения потребляемой мощности на нагревание в колонне для отгонки изобутана предпочтительными являются более низкие флегмовые числа. Таким образом, предпочтительными являются флегмовые числа (соотношения между количествами флегмы и исходного подаваемого материала при расчете на моли) в диапазоне от 0,5:1 до 3:1. Когда флегмовые числа будут уменьшаться, более низкокипящая фракция для заданной степени чистоты изобутана станет содержать меньшую часть изобутана, который будут подавать в колонну для отгонки изобутана. Подобным же образом, для достижения более высоких концентраций изобутана в более низкокипящем отходящем потоке потребуются более высокие флегмовые числа при сохранении всех других параметров идентичными.Most often, the isobutane distillation column is adapted to produce a stream containing normal butane as a side stream and to produce a bottoms stream containing C 5 components such as normal pentane and isopentane. The isobutane distillation column may be a packed or plate column, and is usually operated at a column top pressure in the range of 100 to 1000 kPa (gauge pressure) and bottoms temperature in the range of 60 to 170 ° C. The ratio between the amounts of reflux and the feed in the isobutane distillation column will affect the concentration of isobutane in the fraction containing normal butane. In the general case, from the viewpoint of reducing the power consumption for heating in the isobutane distillation column, lower reflux numbers are preferred. Thus, reflux numbers are preferred (ratios between the amounts of reflux and the starting feed when calculated per mole) in the range of 0.5: 1 to 3: 1. When the reflux numbers are reduced, the lower boiling fraction for a given degree of isobutane purity will contain a smaller portion of isobutane, which will be fed to the isobutane distillation column. Similarly, to achieve higher isobutane concentrations in the lower boiling effluent, higher reflux numbers will be required while keeping all other parameters identical.

Более низкокипящая фракция из колонны для отгонки изобутана обычно содержит, по меньшей мере, 80, а предпочтительно, по меньшей мере, 90, мас.% изобутана. Для некоторых операций, проводимых по ходу технологического процесса далее, могут оказаться желательными фракции, характеризующиеся более высокой степенью чистоты, и способы данного изобретения при проведении экономичных операций способны обеспечить получение фракций при уровне содержания, большем, чем 95 или 97 мас.%, и даже доходящем вплоть до 99 мас.%, все еще при одновременном получении преимущества в виде пониженной потребляемой мощности на нагревание в колонне для отгонки изобутана.The lower boiling fraction from the isobutane stripping column typically contains at least 80, and preferably at least 90, wt.% Of isobutane. For some operations carried out further down the process, fractions with a higher degree of purity may be desirable, and the methods of the present invention when carrying out economical operations can provide fractions with a content level greater than 95 or 97 wt.%, And even reaching up to 99 wt.%, while still obtaining benefits in the form of reduced power consumption for heating in the isobutane distillation column.

При использовании колонны для отгонки изобутана можно получить одну или несколько других фракций, в том числе фракцию, содержащую нормальный бутан. Данная фракция, содержащая нормальный бутан, также содержит и изобутан вследствие пониженных соотношений между количествами флегмы и исходного подаваемого материала, допускаемых при использовании мембранного разделения в соответствии с данным изобретением. Зачастую фракция, содержащая нормальный бутан, будет содержать, по меньшей мере, 10 предпочтительно от 20 до 50 мас.% изобутана, при этом балансовое количество, по существу, составляет нормальный бутан. В случае наличия колонны для отгонки изобутана, имеющей кубовый поток, в данной точке будут удаляться С5 углеводороды, в противном случае они будут дополнительными компонентами в потоке, содержащем нормальный бутан.When using the isobutane distillation column, one or more other fractions can be obtained, including a fraction containing normal butane. This fraction containing normal butane also contains isobutane due to the reduced ratios between the amounts of reflux and the feed material allowed when using membrane separation in accordance with this invention. Often, the fraction containing normal butane will contain at least 10, preferably from 20 to 50% by weight of isobutane, with the balance amount essentially being normal butane. If there is a column for the distillation of isobutane having a bottoms stream, C 5 hydrocarbons will be removed at this point, otherwise they will be additional components in the stream containing normal butane.

В контакт со средой на стороне ретентата селективной мембраны вводят, по меньшей мере, часть предпочтительно, по меньшей мере, 80, а более предпочтительно от, по меньшей мере, 90 мас.% до, по существу, всего количества фракции, содержащей нормальный бутан, из колонны для отгонки изобутана. Получают фракцию ретентата, которая содержит, по меньшей мере, 80, а предпочтительно, по меньшей мере, 90 мас.% изобутана, и после прохождения мембраны на стороне пермеата получают фракцию пермеата, характеризующуюся повышенной концентрацией нормального бутана.At least a portion of preferably at least 80, and more preferably at least 90 wt.%, To substantially the total amount of the fraction containing normal butane is contacted with the medium on the retentate side of the selective membrane. from the isobutane distillation column. A retentate fraction is obtained which contains at least 80, and preferably at least 90% by weight of isobutane, and after passing through the membrane on the permeate side, a permeate fraction is obtained, characterized by an increased concentration of normal butane.

Несмотря на то, что операция перегонки при пониженном количестве флегмы в результате будет приводить к получению в виде более низкокипящей фракции меньшего количества изобутана (при заданной концентрации изобутана в более низкокипящей фракции), мембранное разделение, соответствующее данному аспекту изобретения, будет приводить к извлечению во фракции ретентата дополнительных количеств изобутана, который может характеризоваться степенью чистоты, подходящей для использования в коммерческих целях или для объединения с более низкокипящей фракцией из колонны для отгонки изобутана. В одном варианте реализации изобретения ретентат может характеризоваться повышенной концентрацией изобутана в сопоставлении с концентрацией в более низкокипящей фракции, и ретентат используют для обогащения объединенного потока ретентата и более низкокипящей фракции.Although the distillation operation with a reduced amount of reflux will result in a smaller amount of isobutane being obtained as a lower boiling fraction (at a given concentration of isobutane in the lower boiling fraction), the membrane separation corresponding to this aspect of the invention will lead to recovery in the fraction retentate of additional isobutane, which may be characterized by a degree of purity suitable for commercial use or for combining with lower boiling point fraction from the isobutane distillation column. In one embodiment of the invention, the retentate may be characterized by an increased concentration of isobutane in comparison with the concentration in the lower boiling fraction, and the retentate is used to enrich the combined stream of retentate and lower boiling fraction.

На мембране выдерживают величину падения давления в целях проведения желательного разделения при подходящих для использования скоростях проникновения. Мембрана может относиться к любому подходящему для использования типу, включающему диффузионный и просеивающий, и ее можно изготовить из неорганических, органических или композитных материалов. В случае диффузионных мембран движущая сила представляет собой разность парциальных давлений между средами на сторонах ретентата и пермеата. В случае просеивающих мембран вне зависимости от парциальных давлений или концентраций существенным компонентом движущей силы становится падение абсолютного давления. Предпочтительными мембранами являются просеивающие мембраны, характеризующиеся индексом эффективности течения C4 пермеата, равным, по меньшей мере, 0,01, и соотношением эффективностей течения C4 пермеатов, соответствующим, по меньшей мере, 1,25:1. Просеивающие мембраны обсуждаются более подробно далее.The pressure drop is maintained on the membrane in order to achieve the desired separation at suitable penetration rates. The membrane can be of any suitable type, including diffusion and screening, and can be made from inorganic, organic, or composite materials. In the case of diffusion membranes, the driving force is the difference in partial pressures between the media on the sides of the retentate and permeate. In the case of sieving membranes, regardless of partial pressures or concentrations, a drop in absolute pressure becomes an essential component of the driving force. Preferred membranes are sieving membranes characterized by a C 4 permeate flow efficiency index of at least 0.01 and a C 4 permeate flow efficiency ratio corresponding to at least 1.25: 1. Screening membranes are discussed in more detail below.

При мембранных разделениях падение давления зачастую находится в диапазоне от 0,1 до 10, предпочтительно от 0,2 до 2 МПа. На практике фракцию, содержащую нормальный бутан, будут вводить в контакт со средой на стороне ретентата мембран без дополнительного компримирования, что сводит к минимуму затраты основного капитала и эксплуатационные расходы. Температура мембранного разделения будет отчасти зависеть от природы мембраны и от температуры фракции. Таким образом, в случае полимерсодержащих мембран температуры должны быть достаточно низкими, так чтобы на прочность мембраны не было бы оказано нежелательное неблагоприятное воздействие. В большинстве случае температура разделения представляет собой температуру фракции из колонны для отгонки изобутана. Зачастую температура находится в диапазоне от 25°С до 150°C. Таким образом, условия проведения мембранного разделения могут привести к получению на стороне ретентата мембраны жидкой или паровой, или смешанной фазы. Пермеат может образовывать газовую, жидкую или смешанную фазу. Если текучая среда на стороне ретентата мембраны будет представлять собой жидкую фазу, то тогда пермеат может образовывать жидкую, газовую или смешанную фазу.With membrane separations, the pressure drop is often in the range from 0.1 to 10, preferably from 0.2 to 2 MPa. In practice, a fraction containing normal butane will be brought into contact with the medium on the retentate side of the membranes without additional compression, which minimizes the cost of fixed capital and operating costs. The temperature of the membrane separation will partly depend on the nature of the membrane and the temperature of the fraction. Thus, in the case of polymer-containing membranes, the temperatures should be sufficiently low so that an undesirable adverse effect would not be exerted on the membrane strength. In most cases, the separation temperature is the temperature of the fraction from the isobutane distillation column. Often the temperature is in the range of 25 ° C to 150 ° C. Thus, the conditions for conducting membrane separation can lead to a liquid or vapor or mixed phase on the retentate side of the membrane. Permeate can form a gas, liquid or mixed phase. If the fluid on the retentate side of the membrane is a liquid phase, then permeate can form a liquid, gas, or mixed phase.

Мембраны могут иметь любую подходящую для использования форму, такую как у полых волокон, листов и тому подобного, которые можно компоновать до получения модуля разделителя, такого как мембраны, включающие жгуты полых волокон или плоские пластины или спирально смотанные листы. Физическая структура мембран при компоновке в модуле разделителя должна сделать возможным получение на мембране падения давления, достаточного для достижения желательной проницаемости. В случае мембран, включающих полые волокна, среда стороны с высоким давлением (стороны ретентата) обычно будет находиться вне полого волокна. Течение пермеата может быть сонаправленным, противонаправленным или перекрестненаправленным по отношению к течению текучей среды на стороне ретентата мембраны. Предусматривается достаточная площадь поверхности мембраны, такая, чтобы в стационарных условиях во фракции ретентата была бы получена желательная концентрация изобутана.The membranes may take any suitable shape, such as for hollow fibers, sheets, and the like, which can be assembled to form a separator module, such as membranes including hollow fiber bundles or flat plates or spirally wound sheets. The physical structure of the membranes during assembly in the separator module should make it possible to obtain a pressure drop on the membrane sufficient to achieve the desired permeability. In the case of membranes comprising hollow fibers, the medium of the high pressure side (retentate side) will usually be outside the hollow fiber. The permeate flow can be co-directional, counter-directional, or cross-directional with respect to the fluid flow on the retentate side of the membrane. A sufficient membrane surface area is provided such that, under stationary conditions, the desired concentration of isobutane is obtained in the retentate fraction.

По меньшей мере, часть фракции пермеата отправляют на рецикл на стадию изомеризации.At least a portion of the permeate fraction is recycled to the isomerization step.

ПРОСЕИВАЮЩИЕ МЕМБРАНЫRESISTING MEMBRANES

Предпочтительные просеивающие мембраны могут относиться к различным типам, например к молекулярноситовым, поросодержащим керамическим, металлическим, полимерным или углеродным мембранам, или композитным мембранам, имеющим высокопористый полимерный, металлический, молекулярноситовый, керамический или углеродный носитель с тонким просеивающим слоем или барьерным слоем (молекулярные сита), например цеолитным, полимерным, металлическим, керамическим или углеродным, характеризующимся наличием микропористости.Preferred sieving membranes can be of various types, for example molecular sieve, porous ceramic, metal, polymer or carbon membranes, or composite membranes having a highly porous polymer, metal, molecular sieve, ceramic or carbon carrier with a thin sieving layer or barrier layer (molecular sieves) for example zeolite, polymer, metal, ceramic or carbon, characterized by the presence of microporosity.

Мембраны могут быть непрерывными или дискретными. Дискретная мембрана включает скопление частиц небольших размеров, образующих микропористый барьерный слой, в то время как непрерывная мембрана включает непрерывный слой микропористого барьерного слоя. Мембраны можно получать из одного материала, или же они могут представлять собой композиты, включающие микропористый барьерный слой и носитель и необязательно другую структуру. По мере того, как при получении тонкого непрерывного барьерного слоя толщина просеивающего слоя будет уменьшаться, трудности в получении бездефектного слоя будут возрастать. Поскольку в способах данного изобретения высокая селективность не требуется, мембраны могут иметь незначительные дефекты. Обычно непрерывные мембраны изготавливают в результате осаждения на мезо-/макропористую структуру или выращивания на ней непрерывного тонкого слоя микропористого барьерного слоя. Дискретные скопления, образованные частицами микропористого барьерного слоя нанометрового размера, делают возможным получение очень небольших толщин проникновения, но при наличии потенциала возникновения байпаса. В дискретных мембранах используют мезо-/макропористую структуру, с которой комбинируют микропористый барьерный слой.Membranes can be continuous or discrete. A discrete membrane includes a collection of small particles forming a microporous barrier layer, while a continuous membrane includes a continuous layer of microporous barrier layer. The membranes can be obtained from one material, or they can be composites, including a microporous barrier layer and a carrier and, optionally, a different structure. As the thickness of the screening layer decreases as a thin continuous barrier layer is obtained, difficulties in obtaining a defect-free layer will increase. Since high selectivity is not required in the methods of this invention, membranes may have minor defects. Typically, continuous membranes are made by depositing on a meso / macroporous structure or by growing a continuous thin layer of a microporous barrier layer on it. Discrete clusters formed by particles of a microporous barrier layer of nanometer size make it possible to obtain very small penetration thicknesses, but with the potential for bypass. Discrete membranes use a meso / macroporous structure with which a microporous barrier layer is combined.

Примеры цеолитного барьерного слоя включают молекулярные сита с небольшими порами, такие как SAPO-34, DDR, A1PO-14, A1PO-17, A1PO-18, A1PO-34, SSZ-62, SSZ-13, цеолит 3A, цеолит 4A, цеолит 5A, цеолит KFI, H-ZK-5, LTA, UZM-9, UZM-13, ERS-12, CDS-1, филлипсит, МСМ-65 и МСМ-47; молекулярные сита со средними порами, такие как силикалит, SAPO-31, MFI, BEA и MEL; молекулярные сита с большими порами, такие как FAU, OFF, NaX, NaY, CaY, 13X и цеолит L; и мезопористые молекулярные сита, такие как МСМ-41 и SBA-15. Несколько типов молекулярных сит, таких как A, X, L, OFF, MFI и SAPO-34, доступны в коллоидной форме (частицы нанометрового размера). Цеолиты могут быть, а могут и не быть подвергнуты металлообмену.Examples of the zeolite barrier layer include small pore molecular sieves such as SAPO-34, DDR, A1PO-14, A1PO-17, A1PO-18, A1PO-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, phillipsite, MCM-65 and MCM-47; medium pore molecular sieves such as silicalite, 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. Several types of molecular sieves, such as A, X, L, OFF, MFI, and SAPO-34, are available in colloidal form (nanoscale particles). Zeolites may or may not be subjected to metal exchange.

Другие типы просеивающих материалов включают углеродные сита; полимеры, такие как PIM (полимеры с собственной микропористостью), такие как описанные в работе 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) и Budd, et al., Chem. Commun., 230 (2004); полимеры, в которые пористость вводят при помощи порообразователей, такие как поли(алкиленоксид), поливинилпирролидон; циклические органические матрицы-хозяева, такие циклодекстрины, каликсарены, краун-эфиры и сферанды; микропористые металлорганические каркасы, такие как MOF-5 (или IRMOF-1); стеклянные, керамические и металлические формы, в которые была введена микропористость.Other types of screening materials include carbon sieves; polymers such as PIM (intrinsic microporosity polymers) 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 into which porosity is introduced using blowing agents, such as poly (alkylene oxide), polyvinylpyrrolidone; cyclic organic host matrices such cyclodextrins, calixarenes, crown ethers and spherands; microporous organometallic scaffolds such as MOF-5 (or IRMOF-1); glass, ceramic and metal forms into which microporosity has been introduced.

В композитных мембранах используют мезо-/макропористую структуру. Мезо-/макропористую структуру используют в одной или нескольких функциях в зависимости от типа мембраны. Она может являться носителем для композита мембраны, она может являться неотъемлемой частью при получении микропористого барьерного слоя, она может являться структурой, на которой или в которой размещается микропористый барьерный слой. Мезо-/макропористая структура может быть непрерывной или дискретной, и, таким образом, мезо-/макропористость может представлять собой каналы через материал мезо-/макропористой структуры, или она может быть сформирована между частицами, которые образуют мезо-/макропористую структуру. Примеры последнего варианта представляют собой неорганические фильтрационные мембраны AccuSep™, доступные в компании Pall Corp., имеющие слой диоксида циркония на пористом металлическом носителе, где диоксид циркония присутствует в форме сферических кристаллов.Composite membranes use a meso / macroporous structure. The meso / macroporous structure is used in one or more functions depending on the type of membrane. It can be a carrier for a composite membrane, it can be an integral part in the preparation of a microporous barrier layer, it can be a structure on which or in which a microporous barrier layer is placed. The meso / macroporous structure may be continuous or discrete, and thus, the meso / macroporosity may be channels through the material of the meso / macroporous structure, or it may be formed between particles that form the meso / macroporous structure. Examples of the latter are AccuSep ™ inorganic filtration membranes available from Pall Corp. having a zirconia layer on a porous metal support, where zirconia is present in the form of spherical crystals.

Мезо-/макропористая структура предпочтительно определяет каналы или поры с диаметрами в диапазоне от 2 до 500, предпочтительно от 10 до 250, более предпочтительно от 20 до 200 нанометров и является высокопроницаемой. В более предпочтительных вариантах реализации индекс эффективности течения C4 пермеата мезо-/макропористой структуры составляет, по меньшей мере, 1, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 10 и иногда, по меньшей мере, 1000. Мезо-/макропористая структура может быть изотропной или анизотропной. Мезо-/макропоры могут быть относительно прямыми или извилистыми.The meso / macroporous structure preferably defines channels or pores with diameters ranging from 2 to 500, preferably from 10 to 250, more preferably from 20 to 200 nanometers, and is highly permeable. In more preferred embodiments, the efficiency index of the course of the C 4 permeate of the meso / macroporous structure is at least 1, and most preferably at least 10 and sometimes at least 1000. The meso / macroporous structure can be isotropic or anisotropic. Meso- / macropores can be relatively straight or winding.

Мезо-/макропористая структура может состоять из неорганического, органического или смешанного неорганического и органического материала. Выбор материала будет зависеть от условий проведения разделения, а также от типа образованной мезо-/макропористой структуры. Материал мезо-/макропористой структуры может быть тем же самым или другим в сопоставлении с материалом молекулярных сит. Примеры композиций пористых структур включают металл, оксид алюминия, такой как альфа-оксид алюминия, гамма-оксид алюминия и переходные оксиды алюминия, молекулярные сита, керамику, стекло, полимер и углерод. В предпочтительных вариантах реализации перед получением барьерного слоя или предшественника барьерного слоя исправляют дефекты в субстрате. В еще одном варианте реализации субстрат можно обработать золем диоксида кремния для частичного окклюдирования пор и облегчения осаждения барьерного слоя или предшественника барьерного слоя. Частицы диоксида кремния будут еще обеспечивать наличие достаточного свободного пространства между своими междоузлиями, что позволит добиться достижения высокой проницаемости. Еще одна методика заключается в нанесении на носитель покрытия из силоксанового каучука или другого полимера, что сделает возможной высокую проницаемость, но приведет к окклюдированию дефектов в носителе или в барьерном слое.The meso / macroporous structure may consist of an inorganic, organic or mixed inorganic and organic material. The choice of material will depend on the conditions of the separation, as well as on the type of meso- / macroporous structure formed. The material of the meso / macroporous structure may be the same or different in comparison with the molecular sieve material. Examples of the compositions of the porous structures include metal, alumina such as alpha alumina, gamma alumina and transition aluminas, molecular sieves, ceramics, glass, polymer and carbon. In preferred embodiments, prior to forming the barrier layer or barrier layer precursor, defects in the substrate are corrected. In yet another embodiment, the substrate can be treated with a silica sol to partially occlude the pores and facilitate deposition of the barrier layer or barrier layer precursor. Silicon dioxide particles will still provide sufficient free space between their internodes, which will achieve high permeability. Another technique consists in applying a coating of siloxane rubber or another polymer to the carrier, which will allow high permeability, but will lead to the occluding of defects in the carrier or in the barrier layer.

Если мезо-/макропористая структура данную функцию не исполняет, то тогда мембрана может содержать пористый носитель для мезо-/макропористой структуры. Пористый носитель обычно выбирают, исходя из прочности, переносимости условий проведения предполагаемого разделения и пористости.If the meso / macroporous structure does not fulfill this function, then the membrane may contain a porous carrier for the meso / macroporous structure. The porous carrier is usually selected based on strength, tolerance of the conditions for the intended separation and porosity.

Неорганические фильтрационные мембраны AccuSep™, доступные в компании Pall Corp., и подобные типы мезо-/макропористых структур являются в особенности выгодными, поскольку мезо-/макропористая структура может быть тонкой, тем самым позволяя избежать излишних толщин выращиваемых молекулярных сит. Кроме того, диоксид циркония является относительно инертным по отношению к растворам предшественников, образующих цеолит, и условиям проведения синтеза и прокаливания, что делает его предпочтительной мезо-/макропористой структурой для данных типов просеивающей мембраны.AccuSep ™ inorganic filtration membranes available from Pall Corp. and similar types of meso / macroporous structures are particularly advantageous since the meso / macroporous structure can be thin, thereby avoiding excessive thicknesses of the grown molecular sieves. In addition, zirconia is relatively inert with respect to the solutions of the zeolite precursors and the conditions for synthesis and calcination, which makes it a preferred meso / macroporous structure for these types of sieving membrane.

Высокая проницаемость достигается при использовании, по меньшей мере, одной из следующих методик: во-первых, использование пор, больших, чем необходимые для прохождения нормального алкана; и во-вторых, использование чрезвычайно тонкого поросодержащего слоя. В случае достижения высокой проницаемости при использовании в микропористом барьерном слое менее селективных микропор большего размера можно будет добиться получения надлежащего разделения. Зачастую поры данных типов мембран характеризуются средним диаметром пор, большим, чем 5,0 Å, (средняя величина для длины и ширины), скажем, находящимся в диапазоне от 5,0 до 7,0 или 8 Å. Предпочтительно структуры характеризуются аспектным отношением (длина к ширине), меньшим, чем 1,25:1, например, соответствующим отношению в диапазоне от 1,2:1 до 1:1. Что касается мембран, содержащих молекулярные сита, то примерами структур являются USY, ZSM-12, SSZ-35, SSZ-44, VPI-8 и канкринит. В некоторых случаях проникающая молекула в микропоре может способствовать увеличению селективности. Например, нормальный углеводород в поре может уменьшить скорость, с которой в пору сможет поступать разветвленный углеводород в сопоставлении с еще одним нормальным углеводородом.High permeability is achieved using at least one of the following methods: firstly, the use of pores larger than those necessary for the passage of a normal alkane; and secondly, the use of an extremely thin porous layer. If high permeability is achieved when less selective micropores of larger size are used in the microporous barrier layer, proper separation can be achieved. Often the pores of these types of membranes are characterized by an average pore diameter greater than 5.0 Å (average value for length and width), say, in the range from 5.0 to 7.0 or 8 Å. Preferably, the structures are characterized by an aspect ratio (length to width) of less than 1.25: 1, for example, a corresponding ratio in the range of 1.2: 1 to 1: 1. As for membranes containing molecular sieves, examples of structures are USY, ZSM-12, SSZ-35, SSZ-44, VPI-8 and cancrinite. In some cases, a penetrating molecule in a micropore can increase selectivity. For example, a normal hydrocarbon in a pore can reduce the rate at which a branched hydrocarbon can enter a pore in comparison with another normal hydrocarbon.

Высокая проницаемость также может быть получена и при использовании очень тонкого микропористого барьерного слоя либо в непрерывной, либо в дискретной мембране. Микропористый барьерный слой при желании можно выбирать из просеивающих структур, имеющих микропоры, которые, по существу, непроницаемы для фрагмента, который требуется сохранить в среде на стороне ретентата. В общем случае поры для данных типов мембран характеризуются средним диаметром пор, доходящим вплоть до 5,5 Å, например, находящимся в диапазоне от 4,5 до 5,4 Å. Аспектное отношение для пор данных мембран может варьироваться в широких пределах и обычно находится в диапазоне от 1,5:1 до 1:1. Что касается мембран, содержащих молекулярные сита, то примерами структур являются ZSM-5, силикалит, ALPO-11, ALPO-31, ферриерит, ZSM-11, ZSM-57, ZSM-23, MCM-22, NU-87, UZM-9 и CaA.High permeability can also be obtained by using a very thin microporous barrier layer in either a continuous or discrete membrane. The microporous barrier layer can optionally be selected from sieving structures having micropores that are substantially impermeable to the fragment that needs to be stored in the medium on the retentate side. In the general case, pores for these types of membranes are characterized by an average pore diameter reaching up to 5.5 Å, for example, in the range from 4.5 to 5.4 Å. The aspect ratio for the pores of these membranes can vary within wide limits and usually ranges from 1.5: 1 to 1: 1. As for membranes containing molecular sieves, 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 дискретное скопление частиц, образующих микропористый барьерный слой, отличаются тем, что барьерный слой характеризуется основным размером, меньшим, чем 100 нанометров, и микропористый барьерный слой комбинируют с мезо-/макропористой структурой, определяющей поры для течения текучей среды, где барьерный слой размещают для воспрепятствования течению текучей среды через поры мезо-/макропористой структуры. Молекулярноситовый барьерный слой «комбинируют» с мезо-/макропористой структурой, когда его размещают на или в структуре, связывая его со структурой или нет. Таким образом, в качестве барьерных слоев в мембранах используют частицы или островки молекулярных сит нанометрового размера. Дискретный микропористый барьерный слой размещают для воспрепятствования течению текучей среды через каналы для течения текучей среды, определенные мезо-/макропористой структурой. Барьерный слой может, по меньшей мере, частично окклюдировать отверстие канала для течения текучей среды мезо-/макропористой структуры и/или область внутри канала для течения текучей среды. Вследствие небольшого размера частиц или островков, образующих дискретное скопление микропористого барьерного слоя, может быть достигнута определенная селективность в отношении разделения несмотря на дискретность.Membranes containing a discrete cluster of particles forming a microporous barrier layer are characterized in that the barrier layer is characterized by a main size smaller than 100 nanometers, and the microporous barrier layer is combined with a meso / macroporous structure defining pores for the flow of a fluid, where the barrier layer placed to obstruct the flow of fluid through the pores of the meso- / macroporous structure. The molecular sieve barrier layer is “combined” with the meso / macroporous structure when it is placed on or in the structure, linking it to the structure or not. Thus, particles or islands of molecular sieves of nanometer size are used as barrier layers in membranes. A discrete microporous barrier layer is placed to obstruct the flow of fluid through the fluid flow paths defined by the meso / macroporous structure. The barrier layer may at least partially occlude the opening of the fluid flow channel of the meso / macroporous structure and / or the region within the fluid flow passage. Due to the small size of the particles or islands forming a discrete accumulation of microporous barrier layer, a certain selectivity for separation can be achieved despite the discreteness.

При выборе компонентов просеивающих мембран во внимание обычно будут приниматься размер и конфигурация частиц молекулярных сит и размер, и конфигурация мезо-/макропор в мезо-/макропористой структуре. В случае более сферических частиц молекулярных сит, таких как у силикалита, предпочитается выбирать мезо-/макропористую структуру, имеющую поры, которые близки к тому же самому эффективному диаметру. Таким образом, частицы молекулярных сит при размещении в порах или частично в порах мезо-/макропористой структуры будут формировать минимальное свободное пространство полостей для возникновения байпаса. Большая гибкость существует в случае пластинок и частиц молекулярных сит неправильной формы, поскольку они могут перекрываться при незначительном свободном пространстве полостей или вообще без него. В некоторых случаях может оказаться желательной комбинация конфигураций молекулярных сит. Например, сферические молекулярные сита можно втянуть в поры мезо-/макропористой структуры с последующим введением в большей степени пластинчатоподобных частиц молекулярных сит меньшего размера. Дополнительные функции заключаются в том, что сфера служит в качестве носителя для пластинчатоподобных частиц, а пластинчатоподобные частицы перекрываются, уменьшая вероятность возникновения байпаса. Несмотря на то, что молекулярные сита, вероятно, будут характеризоваться различными составами, и, таким образом, будут демонстрировать различные размер и конфигурацию микропористости, преимуществом будет являться улучшенное разделение без излишней утраты проницаемости.When choosing the components of the sieving membranes, the size and configuration of the molecular sieve particles and the size and configuration of the meso / macropores in the meso / macroporous structure will usually be taken into account. In the case of more spherical particles of molecular sieves, such as silicalite, it is preferable to choose a meso / macroporous structure having pores that are close to the same effective diameter. Thus, particles of molecular sieves, when placed in the pores or partially in the pores of the meso / macroporous structure, will form the minimum free space of the cavities for the bypass to occur. Greater flexibility exists in the case of plates and particles of molecular sieves of irregular shape, since they can overlap with little or no cavity space. In some cases, a combination of molecular sieve configurations may be desirable. For example, spherical molecular sieves can be pulled into the pores of the meso- / macroporous structure, followed by the introduction of smaller plate-like particles of molecular sieves. Additional functions are that the sphere serves as a carrier for the plate-like particles, and the plate-like particles overlap, reducing the likelihood of a bypass. Although molecular sieves are likely to be characterized by different compositions, and thus exhibit different sizes and configurations of microporosity, improved separation without excessive loss of permeability will be an advantage.

При получении высокой проницаемости в дискретном микропористом барьерном слое в случае использования цеолитных молекулярных сит важным является получение небольших частиц. У многих цеолитов доступными являются частицы зерен, основной размер которых составляет величину, меньшую, чем 100 нанометров. Большинство молекулярных сит получают при использовании органических шаблонов, которые для получения доступа к ячейкам необходимо будет удалить. Обычно данное удаление проводят в результате прокаливания. Как обсуждается далее, прокаливание можно проводить тогда, когда молекулярные сита, содержащие шаблон, будут размещены в макропоре таким образом, который позволит избежать излишнего агломерирования просто вследствие ограничения количества частиц, которые располагаются по соседству. Еще одна методика предотвращения агломерирования частиц цеолита во время прокаливания заключается в проведении силилирования поверхности цеолита, например, при использовании аминоалкилтриалкоксисилана, аминоалкилалкилдиалкоксисилана или аминоалкилдиалкилалкоксисилана. Требуемая степень силилирования будет зависеть от размера цеолита и от его состава, а также от условий, используемых для проведения прокаливания. В общем случае используют от 0,1 до 10 миллимолей силана на один грамм цеолита.When obtaining high permeability in a discrete microporous barrier layer in the case of using zeolite molecular sieves, it is important to obtain small particles. In many zeolites, grain particles are available whose main size is less than 100 nanometers. Most molecular sieves are obtained using organic templates, which will need to be removed to gain access to the cells. Typically, this removal is carried out by calcination. As discussed below, calcination can be carried out when the molecular sieves containing the template are placed in the macropore in such a way that avoids excessive agglomeration simply due to the limitation of the number of particles located in the vicinity. Another technique to prevent agglomeration of zeolite particles during calcination is to silylate the surface of the zeolite, for example, using aminoalkyltrialkoxysilane, aminoalkylalkyl dialkoxysilane or aminoalkyl dialkylalkoxysilane. The degree of silylation required will depend on the size of the zeolite and its composition, as well as on the conditions used for calcining. Generally, 0.1 to 10 millimoles of silane are used per gram of zeolite.

Существуют различные методики получения частиц молекулярных сит на или в мезо-/макропористом носителе таким способом, который обеспечивает, по меньшей мере, частичное окклюдирование мезо- или макропор в носителе. Конкретная используемая методика будет зависеть от размера и конфигурации частиц молекулярных сит, размера и конфигурации мезо-/макропор в мезо-/макропористой структуре и желательного размещения молекулярных сит в или на мезо-/макропористой структуре.There are various techniques for preparing molecular sieve particles on or in a meso / macroporous support in a manner that provides at least partial occluding of the mesos or macropores in the support. The particular technique used 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 sieves in or on the meso / macroporous structure.

Мезо-/макропористую структуру можно увлажнить раствором или суспензией молекулярных сит нанометрового размера, в особенности в случае размещения молекулярных сит на поверхности мезо-/макропористой структуры для окклюдирования, по меньшей мере, части отверстий пор. Концентрация молекулярных сит в суспензии должна быть достаточно низкой для того, чтобы после высушивания получающийся в результате слой молекулярных сит не был бы излишне толстым. В выгодном случае, во время нанесения покрытия на мезо-/макропористой структуре выдерживают, по меньшей мере, незначительную величину падения давления, такую, чтобы существовала бы движущая сила для втягивания молекулярных сит в любые поры в мезо-/макропористой структуре, которые не были окклюдированы. Обычно суспензия будет представлять собой водную суспензию, хотя в выгодном случае могут быть использованы и суспензии в спиртах и в других относительно инертных жидкостях при концентрации в диапазоне от 2 до 30, скажем, от 5 до 20 массовых процентов. В случае использования разности давлений разность давлений в общем случае будет находиться в диапазоне от 10 до 200 кПа. Может быть использовано одно или несколько нанесенных покрытий из молекулярных сит, предпочтительно при проведении высушивания между нанесениями покрытий. Высушивание обычно проводят при повышенной температуре, например, в диапазоне от 30°С до 150°С, в течение периода времени продолжительностью от 1 до 50 часов. Для содействия высушиванию можно использовать вакуум. В случае использования в качестве молекулярных сит цеолитов фиксации молекулярных сит на мезо-/макропористой структуре в некоторых случаях может поспособствовать прокаливание, например, при температуре в диапазоне от 450°С до 600°С. Прокаливание также можно использовать для агломерирования частиц молекулярных сит и, таким образом, уменьшения количества полостей и их размера. Само собой разумеется, что в широких аспектах данного изобретения прокаливание не является существенным моментом, и оно необходимо только тогда, когда, например, шаблон размещается в микропорах.The meso / macroporous structure can be wetted with a solution or suspension of nanometer-sized molecular sieves, especially when molecular sieves are placed on the surface of the meso / macroporous structure to occlude at least a portion of the pore openings. The concentration of molecular sieves in the suspension should be low enough so that after drying the resulting layer of molecular sieves would not be excessively thick. Advantageously, during coating on the meso / macroporous structure, at least an insignificant pressure drop is maintained such that there is a motive force for drawing molecular sieves into any pores in the meso / macroporous structure that have not been occluded . Typically, the suspension will be an aqueous suspension, although it may be advantageous to use suspensions in alcohols and other relatively inert liquids at a concentration in the range from 2 to 30, say, from 5 to 20 weight percent. In the case of using the pressure difference, the pressure difference in the General case will be in the range from 10 to 200 kPa. One or more molecular sieve coatings may be used, preferably during drying between coatings. Drying is usually carried out at elevated temperatures, for example, in the range from 30 ° C to 150 ° C, for a period of time from 1 to 50 hours. A vacuum may be used to facilitate drying. In the case of using zeolites as molecular sieves, the fixation of molecular sieves on the meso / macroporous structure can in some cases contribute to calcination, for example, at temperatures in the range from 450 ° C to 600 ° C. Calcination can also be used to agglomerate molecular sieve particles and thus reduce the number of cavities and their size. It goes without saying that in the broad aspects of the present invention, calcination is not an essential point, and it is necessary only when, for example, the template is placed in micropores.

В случае размещения дискретного скопления частиц молекулярных сит нанометрового размера вне пор мезо-/макропористой структуры может оказаться желательным связывание, по меньшей мере, части частиц с поверхностью структуры. Этого можно добиться несколькими способами. Например, поверхность структуры можно функционализовать при помощи гидроксильных групп или других фрагментов, которые будут вступать в реакцию с цеолитными молекулярными ситами. В случае полимерных молекулярных сит поверхность можно функционализовать при помощи фрагментов, которые вступают в реакцию, такую как присоединение или конденсация, с функциональными фрагментами на полимере. Данные методики хорошо известны на современном уровне техники для других сфер применения.If a discrete cluster of nanoscale molecular sieve particles is placed outside the pores of the meso / macroporous structure, it may be desirable to bond at least a portion of the particles to the surface of the structure. There are several ways to achieve this. For example, the surface of a structure can be functionalized with hydroxyl groups or other fragments that will react with zeolite molecular sieves. In the case of polymeric molecular sieves, the surface can be functionalized using fragments that react, such as addition or condensation, with functional fragments on the polymer. These techniques are well known in the art for other applications.

Подобные методики получения можно использовать при желательности включения, по меньшей мере, части частиц молекулярных сит в поры мезо-/макропористой структуры. Для попадания в мезо-/макропоры частицы молекулярных сит должны иметь надлежащий размер. Для втягивания частиц барьерного слоя в поры может быть использована разность давлений или для содействия попаданию частиц барьерного слоя в поры мезо-/макропористого носителя может быть использована обработка ультразвуком. Глубина расположения частиц молекулярных сит в порах мезо-/макропористой структуры не должна быть настолько большой, чтобы излишне уменьшать проницаемость. Зачастую любые молекулярные сита, осажденные на поверхность, удаляют, например, в результате промывания.Similar production techniques can be used if it is desired to include at least a portion of the molecular sieve particles in the pores of the meso / macroporous structure. To enter the meso- / macropores, the molecular sieve particles must be of the proper size. The pressure difference can be used to draw the particles of the barrier layer into the pores, or ultrasound can be used to facilitate the entry of the particles of the barrier layer into the pores of the meso / macroporous carrier. The depth of molecular sieve particles in the pores of the meso / macroporous structure should not be so large as to unnecessarily reduce the permeability. Often, any molecular sieves deposited on the surface are removed, for example, by washing.

При желании цеолитные молекулярные сита можно выращивать по месту в порах мезо-/макропористой структуры до получения дискретной мембраны. Синтез может привести к получению дискретных частиц или островков среди другой структуры, такой как мезо-/макропористая структура, или среди других частиц.If desired, zeolite molecular sieves can be grown locally in the pores of the meso / macroporous structure to form a discrete membrane. Synthesis may result in discrete particles or islands among another structure, such as a meso / macroporous structure, or among other particles.

Пример использования других частиц при получении дискретных мембран цеолитных молекулярных сит включает обеспечение наличия в или на мезо-/макропористой структуре диоксида кремния, который может характеризоваться размером частиц в диапазоне от 5 до 20 нанометров. Диоксид кремния вследствие наличия на его поверхности активных гидроксилов используют в качестве центра зародышеобразования для раствора предшественника, образующего цеолит, и слои цеолита можно будет выращивать на частицах диоксида кремния или между ними.An example of the use of other particles in the preparation of discrete membranes of zeolite molecular sieves includes the presence of silicon dioxide in or on the meso / macroporous structure, which may have a particle size in the range of 5 to 20 nanometers. Silicon dioxide, due to the presence of active hydroxyls on its surface, is used as a nucleation center for a solution of a precursor forming a zeolite, and zeolite layers can be grown on or between silica particles.

В качестве центров зародышеобразования можно использовать материалы, отличные от частиц диоксида кремния, в том числе другие молекулярные сита или затравочные кристаллы того же самого цеолита. Поверхность мезо-/макропористой структуры можно функционализовать для обеспечения селективного размещения мест роста цеолита. Некоторые цеолиты обнаруживают характеристики самозародышеобразования, и, таким образом, их можно использовать и в отсутствие центров зародышеобразования. Примерами данных цеолитов являются FAU и MFI. В данных ситуациях может оказаться желательным до введения раствора предшественника в контакт с мезо-/макропористой структурой выдержать раствор предшественника в условиях образования цеолита в течение промежутка времени, достаточного для начала роста цеолита.As nucleation centers, 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 to provide selective placement of zeolite growth sites. Some zeolites exhibit characteristics of self-nucleation, and, thus, they can be used in the absence of nucleation centers. Examples of these zeolites are FAU and MFI. In these situations, it may be desirable before the precursor solution is brought into contact with the mesoporous / macroporous structure to withstand the precursor solution under conditions of zeolite formation for a period of time sufficient to initiate zeolite growth.

Например, один способ получения барьерного слоя заключается в размещении жидкого предшественника цеолитных молекулярных сит на мезо-/микропористой структуре. Предшественнику дают возможность закристаллизоваться в условиях проведения гидротермальной кристаллизации, после чего мембрану промывают и нагревают для удаления остаточного органического материала. Материал молекулярных сит остается, главным образом, в порах пористого субстрата и окклюдирует их.For example, one way to obtain a barrier layer is to place a liquid precursor of zeolite molecular sieves on a meso / microporous structure. The precursor is allowed to crystallize under hydrothermal crystallization conditions, after which the membrane is washed and heated to remove residual organic material. The molecular sieve material remains mainly in the pores of the porous substrate and occludes them.

Молекулярные сита могут относиться к любой подходящей для использования комбинации элементов, обеспечивающей получение искомой пористой структуры. В качестве структурных элементов молекулярных сит, таких как молекулярные сита на основе диоксида кремния-оксида алюминия, в том числе цеолиты; силикалит; A1PO; SAPO; и боросиликаты, использовали алюминий, кремний, бор, галлий, олово, титан, германий, фосфор и кислород. Предшественник включает вышеупомянутые элементы, обычно в виде оксидов или фосфатов, совместно с водой и органическим структурирующим агентом, который обычно представляет собой полярное органическое соединение, такое как гидроксид тетрапропиламмония. Также могут быть использованы и другие вспомогательные вещества, такие как амины, простые эфиры и спирты. Массовое соотношение между материалами полярного органического соединения и структурного элемента в общем случае находится в диапазоне от 0,1 до 0,5 и будет зависеть от конкретных используемых структурных элементов. Для того, чтобы получить в мембранах тонкие слои молекулярных сит, в общем случае предпочитается, чтобы раствор предшественника был бы обогащен водой. Например, в случае молекулярных сит на основе диоксида кремния-оксида алюминия мольное соотношение между водой и диоксидом кремния должно соответствовать, по меньшей мере, 20:1, а в случае алюмофосфатных молекулярных сит мольное соотношение должно соответствовать, по меньшей мере, 20 молям воды на один моль алюминия.Molecular sieves may refer to any suitable combination of elements to provide the desired porous structure. As structural elements of molecular sieves, such as molecular sieves based on silicon dioxide-alumina, including zeolites; silicalite; A1PO; SAPO and borosilicates, used aluminum, silicon, boron, gallium, tin, titanium, germanium, phosphorus and oxygen. The precursor includes the above elements, 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. Other excipients such as amines, ethers and alcohols may also be used. The mass ratio between the materials of the polar organic compound and the structural element is generally in the range from 0.1 to 0.5 and will depend on the specific structural elements used. In order to obtain thin layers of molecular sieves in the membranes, it is generally preferred that the precursor solution be enriched in water. For example, in the case of molecular sieves based on silica-alumina, the molar ratio between water and silica should correspond to at least 20: 1, and in the case of aluminophosphate molecular sieves, the molar ratio should correspond to at least 20 moles of water per one mole of aluminum.

Условия проведения кристаллизации зачастую представляют собой температуру в диапазоне от 80°С до 250°С при давлениях в диапазоне от 100 до 1000, зачастую от 200 до 500 кПа абсолютного давления. Время кристаллизации ограничивают таким образом, чтобы не получить излишне толстого слоя молекулярных сит. В общем случае время кристаллизации составляет величину, меньшую, чем 50, скажем, продолжительностью от 10 до 40 часов. Предпочтительно время является достаточным для получения кристаллов, но меньшим, чем то, что требуется для получения слоя молекулярных сит с толщиной, равной 200 нанометрам, скажем, находящейся в диапазоне от 5 до 50 нанометров. Кристаллизацию можно проводить в автоклаве. В некоторых случаях микроволновое нагревание может привести к прохождению кристаллизации за более короткий период времени. После этого мембрану промывают водой, а после этого прокаливают при температуре в диапазоне от 350°С до 550°С для удаления любой органики.The crystallization conditions often represent a temperature in the range from 80 ° C to 250 ° C at pressures in the range from 100 to 1000, often from 200 to 500 kPa absolute pressure. The crystallization time is limited so as not to get an excessively thick layer of molecular sieves. In general, the crystallization time is less than 50, say, lasting from 10 to 40 hours. Preferably, the time is sufficient to obtain crystals, but less than what is required to obtain a layer of molecular sieves with a thickness equal to 200 nanometers, say, in the range from 5 to 50 nanometers. Crystallization can be carried out in an autoclave. In some cases, microwave heating can lead to crystallization in a shorter period of time. After that, the membrane is washed with water, and then calcined at a temperature in the range from 350 ° C to 550 ° C to remove any organics.

Получение частиц с размерами, меньшими, чем 100 нанометров, является проблематичным, в особенности в случае некоторых цеолитных молекулярноситовых материалов. Кроме того, даже при использовании затравочных кристаллов размер частиц может быть большим желательного. Еще один вариант реализации при получении мембраны, включающей дискретный барьерный слой, заключается в синтезе цеолита в незамкнутых областях между частицами (частицами субстрата), характеризующимися основным размером, меньшим, чем 100 нанометров. В соответствии с этим основной размер микропористого барьерного слоя может быть меньшим, чем 100 нанометров. Частицы субстрата используют в качестве центра зародышеобразования при получении цеолита и, таким образом, их выбирают из материалов, обладающих способностью зародышеобразования при росте цеолита. Примерами таких материалов являются диоксид кремния, в особенности, диоксид кремния, характеризующийся основным размером в диапазоне от 5 до 50 нанометров, и другие цеолиты, характеризующиеся основными размерами, меньшими, чем 100 нанометров. Использование в качестве частиц субстрата коллоидального диоксида кремния является в особенности подходящим для использования при получении микропористого барьерного слоя A1PO.The production of particles with sizes smaller than 100 nanometers is problematic, especially in the case of some zeolite molecular sieve materials. In addition, even when using seed crystals, the particle size may be large as desired. Another implementation option when producing a membrane including a discrete barrier layer is the synthesis of zeolite in open areas between particles (substrate particles), characterized by a main size of less than 100 nanometers. Accordingly, the main size of the microporous barrier layer may be less than 100 nanometers. Particles of the substrate are used as the nucleation center in the preparation of the zeolite and, thus, they are selected from materials with the ability to nucleate in the growth of the zeolite. Examples of such materials are silicon dioxide, in particular, silicon dioxide, characterized by a main size in the range of 5 to 50 nanometers, and other zeolites, characterized by a main size of less than 100 nanometers. The use of colloidal silicon dioxide as substrate particles is particularly suitable for use in the preparation of the microporous A1PO barrier layer.

Рост цеолита на частицах субстрата может происходить до или после использования частиц субстрата при получении композита мембраны.The growth of zeolite on the particles of the substrate can occur before or after the use of the particles of the substrate upon receipt of the composite membrane.

В выгодном случае рост цеолита на частицах субстрата происходит во время протягивания раствора для синтеза через композит. Данная методика способствует обеспечению прохождения роста не только в виде слоя поверх частиц, но и в междоузлиях между частицами. По мере прохождения роста цеолита увеличивается падение давления, и падение давления можно использовать в качестве индикатора должного прохождения формирования цеолита.In a favorable case, the growth of zeolite on the particles of the substrate occurs during the pulling of the solution for synthesis through the composite. This technique contributes to the passage of growth not only in the form of a layer on top of particles, but also in interstitials between particles. As the zeolite growth progresses, the pressure drop increases, and the pressure drop can be used as an indicator of the proper passage of the zeolite formation.

В мезо-/макропористой структуре можно синтезировать полимерные молекулярные сита. Один способ синтеза небольших полимерных молекулярных сит заключается в функционализации наночастиц и/или мезо-/макропористой структуры при помощи группы, которая может вступать в реакцию с олигомером, так, как в результате прохождения реакции конденсации или присоединения. Например, функциональные группы могут обеспечить наличие гидроксильного, аминового, ангидридного, диангидридного, альдегидного фрагмента, фрагмента аминовой кислоты, карбоксильного, амидного, нитрильного или олефинового фрагмента для прохождения реакции присоединения или конденсации с реакционно-способным фрагментом олигомера. Подходящие для использования олигомеры могут характеризоваться молекулярными массами в диапазоне от 30000 до 500000 или более и могут представлять собой реакционно-способные олигомеры полисульфонов; поли(стиролов), в том числе стиролсодержащих сополимеров; целлюлозных полимеров и сополимеров; полиамидов; полиимидов; простых полиэфиров; полиуретанов; сложных полиэфиров; акриловых и метакриловых полимеров и сополимеров; полисульфидов, полиолефинов, в особенности винильных полимеров и сополимеров; полиаллилов; поли(бензимидазола); полифосфазинов; полигидразидов; поликарбодиидов и тому подобного.Polymeric molecular sieves can be synthesized in the meso / macroporous structure. One way to synthesize small polymer molecular sieves is to functionalize the nanoparticles and / or the meso- / macroporous structure with a group that can react with the oligomer, such as through a condensation or addition reaction. For example, functional groups may provide a hydroxyl, amine, anhydride, dianhydride, aldehyde moiety, an amino acid moiety, a carboxyl, amide, nitrile or olefin moiety to undergo an addition or condensation reaction with a reactive oligomer moiety. Suitable oligomers for use may have molecular weights in the range of 30,000 to 500,000 or more and may be reactive polysulfone oligomers; poly (styrenes), including styrene-containing copolymers; cellulosic polymers and copolymers; polyamides; polyimides; polyethers; polyurethanes; polyesters; acrylic and methacrylic polymers and copolymers; polysulfides, polyolefins, in particular vinyl polymers and copolymers; polyallyl; poly (benzimidazole); polyphosphazines; polyhydrazides; polycarbodiids and the like.

Синтез молекулярных сит, будь то неорганических или органических, по месту можно проводить в подходящих условиях. Предпочтительная методика включает проведение синтеза при одновременном протягивании раствора реагента, например, раствора предшественника или раствора олигомера, через мезо-/макропористую структуру. Данная методика обеспечивает достижение преимущества, заключающегося в направлении раствора реагента в полости, которые не были окклюдированы, а также ограничивает степень роста молекулярных сит, поскольку, как только молекулярные сита окклюдируют мезо- или макропору, свежий реагент утратит способность поступления к реакционному центру.The synthesis of molecular sieves, whether inorganic or organic, locally can be carried out under suitable conditions. A preferred technique involves carrying out the synthesis while simultaneously drawing a reagent solution, for example, a precursor solution or an oligomer solution, through a meso / macroporous structure. This technique ensures the advantage of directing the reagent solution into cavities that have not been occluded, and also limits the growth rate of molecular sieves, because once the molecular sieves have occluded meso- or macropore, the fresh reagent will lose its ability to enter the reaction center.

Молекулярные сита на мембранах, включающих полимерный носитель, или на самих полимерных носителях также можно подвергнуть пиролизу в вакуумной печи до получения углеродной мембраны. В случае таких мембран, содержащих молекулярные сита, пористая структура углеродного носителя предпочтительно характеризуется диаметром, достаточным для сведения к минимуму сопротивления течению текучих сред при проведении разделения на структуре молекулярных сит. Температура пиролиза будет зависеть от природы полимерного носителя и будет меньшей температуры, при которой пористость будет излишне уменьшаться. Примеры полимерных носителей включают полиимиды, полиакрилонитрил, поликарбонаты, полиэфиркетоны на основе простого эфира, полиэфирсульфоны на основе простого эфира и полисульфоны, и перед проведением пиролиза носители имеют поры или отверстия с размерами в диапазоне от 2 до 100, предпочтительно от 20 до 50 нанометров.Molecular sieves on membranes comprising a polymeric carrier or on the polymeric carriers themselves can also be pyrolyzed in a vacuum oven to form a carbon membrane. In the case of such membranes containing molecular sieves, the porous structure of the carbon carrier is preferably characterized by a diameter sufficient to minimize resistance to the flow of fluids during separation on the structure of molecular sieves. The pyrolysis temperature will depend on the nature of the polymer carrier and will be lower than the temperature at which the porosity will unnecessarily decrease. Examples of polymeric carriers include polyimides, polyacrylonitrile, polycarbonates, ether-based polyether ketones, ether-based polyethersulfones and polysulfones, and before pyrolysis, the carriers have pores or openings ranging in size from 2 to 100, preferably from 20 to 50 nanometers.

Непрерывные мембраны можно получать при использовании любой подходящей методики. Обычно толщина микропористого барьерного слоя будет соотноситься с продолжительностью осаждения или роста микропористого барьерного слоя на мезо-/макропористой структуре. Микропористый барьерный слой можно получать в результате уменьшения размера пор ультрафильтрационной мембраны (эффективные диаметры пор в диапазоне от 1 до 100 нанометров) или микрофильтрационной мембраны (эффективные диаметры пор в диапазоне от 100 до 10000 нанометров) за счет, например, нанесения органического или неорганического покрытия на канал либо на внутренней поверхности, либо предпочтительно, по меньшей мере, частично поблизости от отверстия канала. Осажденный материал служит для получения локализованного уменьшения пор или отверстий через носитель до размера, который сделает возможным желательное просеивание без излишнего уменьшения диаметра оставшейся пористой структуры в носителе. Примеры материалов, осаждаемых из паровой фазы, включают силаны, параксилилен, алкиленимины и алкиленоксиды. Еще одна методика уменьшения размера пор заключается в осаждении на мезо-/макропористой структуре слоя кокса. Например, карбонизуемый газ, такой как метан, этан, этилен или ацетилен, можно ввести в контакт со структурой при температуре, достаточно повышенной для того, чтобы привести к коксообразованию. Предпочтительные пористые носители представляют собой ультрафильтрационные мембраны, характеризующиеся размерами пор в диапазоне от 1 до 80, предпочтительно от 2 до 50 нанометров.Continuous membranes can be obtained using any suitable technique. Typically, the thickness of the microporous barrier layer will correlate with the duration of deposition or growth of the microporous barrier layer on the meso / macroporous structure. A microporous barrier layer can be obtained by reducing the pore size of the ultrafiltration membrane (effective pore diameters in the range from 1 to 100 nanometers) or microfiltration membrane (effective pore diameters in the range from 100 to 10,000 nanometers) by, for example, applying an organic or inorganic coating to the channel is either on the inner surface, or preferably at least partially in the vicinity of the channel opening. The precipitated material serves to obtain a localized reduction of pores or holes through the carrier to a size that will enable the desired sieving without unduly reducing the diameter of the remaining porous structure in 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 layer of coke on the meso / macroporous structure. For example, a carbonizable gas, such as methane, ethane, ethylene or acetylene, can be brought into contact with the structure at a temperature high enough to lead to coke formation. Preferred porous supports are ultrafiltration membranes characterized by pore sizes ranging from 1 to 80, preferably from 2 to 50 nanometers.

В случае цеолитных непрерывных мембран одна методика получения включает введение поверхности мезо-/макропористой структуры в контакт с предшественником молекулярных сит и выращивание молекулярных сит в течение периода времени, достаточного для получения искомой толщины пленки. Для синтеза молекулярных сит может быть использована методика, описанная выше. В некоторых случаях может оказаться желательным окклюдирование, например, при помощи воска, мезо-/макропор носителя для предотвращения излишнего роста цеолита в данных порах. Впоследствии воск можно будет удалить.In the case of zeolite continuous membranes, one preparation procedure involves contacting the surface of the mesoporous / macroporous structure with a molecular sieve precursor and growing molecular sieves for a period of time sufficient to obtain the desired film thickness. For the synthesis of molecular sieves, the procedure described above can be used. In some cases, it may be desirable to occlude, for example, using wax, meso- / macropores of the carrier to prevent excessive growth of zeolite in these pores. Subsequently, the wax can be removed.

Доступны различные методики улучшения селективности высокопроницаемых мембран. Существуют многочисленные методики исправления дефектов в непрерывных или дискретных мембранах. Поскольку для того, чтобы быть подходящими для использования во многих сферах применения, мембраны не обязательно должны демонстрировать высокие величины соотношений эффективностей течения C4 пермеатов, для улучшения эксплуатационных характеристик мембраны будет использоваться любая методика, которая приводит к увеличению сопротивления течению через дефекты. Например, вне зависимости от того, как мембрану получают, для окклюдирования отверстий в междоузлиях между кристаллами молекулярных сит или оставшихся больших пор в носителе можно использовать покровное покрытие, образованное из золя диоксида кремния.Various techniques are available to improve the selectivity of highly permeable membranes. There are numerous techniques for correcting defects in continuous or discrete membranes. Since in order to be suitable for use in many fields of application, membranes do not have to demonstrate high values of flow efficiency ratios C 4 permeates, any technique that will increase the resistance to flow through defects will be used to improve membrane performance. For example, regardless of how the membrane is prepared, a coating formed from a silica sol can be used to occlude openings in the internodes between crystals of molecular sieves or the remaining large pores in the carrier.

Еще одна методика окклюдирования больших пор заключается в обеспечении наличия на одной стороне барьерного слоя большой реакционно-способной молекулы, которая неспособна проникать в микропоры барьерного слоя, а на другой стороне - сшивателя. Главные дефекты и в некоторой степени второстепенные дефекты становятся заполненными большими реакционно-способными молекулами, которые фиксируются благодаря сшиванию. После этого не вступивший в реакцию компонент, образованный большой молекулой, а также не вступивший в реакцию сшиватель можно будет удалить. Большой молекулой может являться олигомер или большая молекула.Another technique for occluding large pores is to ensure that there is a large reactive molecule on one side of the barrier layer that is unable to penetrate the micropores of the barrier layer and a crosslinker on the other side. Major defects and to some extent minor defects become filled with large reactive molecules, which are fixed due to crosslinking. After this, the unreacted component formed by the large molecule, as well as the non-reactive crosslinker, can be removed. The large molecule may be an oligomer or a large molecule.

В случае дискретных мембран, по меньшей мере, в части полостей между частицами или островками микропористого барьерного слоя и между микропористым барьерным слоем и мезо-/микропористой структурой можно предусмотреть наличие твердой фазы.In the case of discrete membranes, at least in the part of the cavities between the particles or islands of the microporous barrier layer and between the microporous barrier layer and the meso / microporous structure, a solid phase can be provided.

Одна характерная методика улучшения селективности просеивающей мембраны заключается в агломерировании примыкающих друг к другу частиц молекулярных сит для уменьшения или, по существу, устранения полостей между частицами и между частицами и стенками пористой структуры в мезо-/макропористой структуре. Поскольку частицы характеризуются нанометровыми размерами, а количество примыкающих друг к другу частиц может оказаться относительно небольшим, агломерирование может происходить при одновременном сохранении желательных скоростей течения пермеата. В случае полимерных молекулярных сит, которые являются термопластичными, агломерирование может происходить в результате нагревания до температуры, при которой агломерирование происходит, но такой высокой, которая приведет к утрате ими либо своей микропористой структуры, либо своей способности обеспечивать получение желательного окклюдирования мезо- или макропор мезо-/макропористой структуры. Агломерирование также можно осуществить и в результате прокаливания цеолитных молекулярных сит. Прокаливание имеет тенденцию приводить к агломерированию небольших частиц цеолита, в особенности частиц, которые не подвергнуты ни силилированию, ни какой-либо другой обработке для уменьшения тенденции к агломерированию. Температура и продолжительность прокаливания будут зависеть от природы цеолитных молекулярных сит. Обычно используют температуры в диапазоне от 450°С до 650°С в течение периода времени продолжительностью от 2 до 20 часов.One characteristic technique for improving the selectivity of a screening membrane is to agglomerate adjoining particles of molecular sieves to reduce or essentially eliminate cavities between particles and between particles and walls of a porous structure in a meso / macroporous structure. Since the particles are characterized by nanometer sizes, and the number of particles adjacent to each other can be relatively small, agglomeration can occur while maintaining the desired permeate flow rates. In the case of polymer molecular sieves that are thermoplastic, agglomeration can occur as a result of heating to a temperature at which the agglomeration occurs, but so high that they lose either their microporous structure or their ability to provide the desired occlusion of the meso or macropores of the meso - / macroporous structure. Agglomeration can also be carried out as a result of calcination of zeolite molecular sieves. Calcination tends to agglomerate small zeolite particles, especially particles that are not silylated or otherwise treated to reduce the tendency to agglomerate. The temperature and duration of calcination will depend on the nature of the zeolite molecular sieves. Typically, temperatures in the range of 450 ° C. to 650 ° C. are used for a period of time from 2 to 20 hours.

Методику агломерирования можно использовать в отношении частиц молекулярных сит, которые находятся на поверхности мезо-/макропористой структуры, а также тех из них, которые находятся в порах структуры. Наиболее предпочтительно агломерирование используют тогда, когда частицы молекулярных сит располагаются внутри мезо- или макропор мезо-/макропористой структуры таким образом, чтобы основной размер агломерата составлял бы величину, меньшую, чем 200, предпочтительно меньшую, чем 100 нанометров. Агломерирование можно осуществить при наличии или в отсутствии разности давлений на мембране. Предпочтительно разность давлений используют для содействия уменьшению полостей, через которые текучая среда может обходить молекулярные сита по байпасу.The agglomeration technique can be used in relation to particles of molecular sieves that are on the surface of the meso / macroporous structure, as well as those that are in the pores of the structure. Most preferably, agglomeration is used when the molecular sieve particles are located inside the meso- or macropores of the meso- / macroporous structure so that the main size of the agglomerate is less than 200, preferably less than 100 nanometers. Agglomeration can be carried out in the presence or absence of a pressure difference across the membrane. Preferably, the pressure difference is used to help reduce the cavities through which the fluid can bypass the molecular sieves.

Еще одна характерная методика, в которой полости определяет дискретное скопление частиц барьерного слоя, заключается, по меньшей мере, в частичном окклюдировании, по меньшей мере, части полостей при помощи твердого материала в них. Предпочтительно твердым материалом является полимерный или неорганический материал. Твердый материал может просто располагаться в полости, или может склеиваться, или связываться с молекулярными ситами или мезо-/макропористой структурой. Твердым материалом могут являться частица или олигомер, которые можно подвергнуть предварительному формованию, а после этого ввести в полости, или их можно формовать по месту.Another characteristic technique in which the cavity determines a discrete accumulation of particles of the barrier layer is to at least partially occlude at least a portion of the cavities using solid material in them. Preferably, the solid material is a polymeric or inorganic material. The solid material may simply be located in the cavity, or may adhere, or bind to molecular sieves or a meso / macroporous structure. The solid material may be a particle or oligomer, which can be preformed, and then introduced into the cavity, or they can be molded in place.

В одном аспекте твердый материал вместе с частицами микропористого барьерного слоя формирует «цементирующий состав». Цементирующий состав предпочтительно представляет собой подходящий для использования полимерный материал, который может противостоять воздействию условий проведения разделения. Такие полимеры включают полисульфоны; поли(стиролы), в том числе стиролсодержащие сополимеры; целлюлозные полимеры и сополимеры; полиамиды; полиимиды; простые полиэфиры; полиуретаны; сложные полиэфиры; акриловые и метакриловые полимеры и сополимеры; полисульфиды, полиолефины, в особенности винильные полимеры и сополимеры; полиаллилы; поли(бензимидазол); полифосфазины; полигидразиды; поликарбодииды и тому подобное. Предпочтительными полимерами являются те из них, которые характеризуются наличием пористости, такие как PIM (смотрите документ WO 2005/012397), и полимеры, в которые пористость вводят при помощи порообразователей. Данные полимеры имеют поры, которые могут характеризоваться основным размером, равным 0,3 или более, предпочтительно, по меньшей мере, 1 нанометру, и, таким образом, делают возможным течение текучей среды в направлениях к частицам барьерного слоя и от них.In one aspect, the solid material, together with the particles of the microporous barrier layer, forms a “cementitious composition”. The cementitious composition is preferably a suitable polymeric material that can withstand the effects of separation conditions. Such polymers include polysulfones; poly (styrenes), including styrene-containing copolymers; cellulosic polymers and copolymers; polyamides; polyimides; polyethers; polyurethanes; polyesters; acrylic and methacrylic polymers and copolymers; polysulfides, polyolefins, in particular vinyl polymers and copolymers; polyallyls; poly (benzimidazole); polyphosphazines; polyhydrazides; polycarbodiids and the like. Preferred polymers are those which are characterized by the presence of porosity, such as PIM (see document WO 2005/012397), and polymers into which porosity is introduced using pore-forming agents. These polymers have pores that can have a basic size of 0.3 or more, preferably at least 1 nanometer, and thus make it possible for the fluid to flow in and out of the particles of the barrier layer.

Нет никакой необходимости в заключении в цементирующий состав всех частиц. Зачастую средняя толщина слоя цементирующего состава составляет величину, меньшую, чем 100 нанометров, а предпочтительно не большую, чем основной размер частиц. При использовании слишком большого количества цементирующего состава результатом может стать получение мембраны со смешанной структурой, и проницаемость будет излишне ухудшена. Таким образом, массовое соотношение между количествами частиц барьерного слоя и цементирующего состава зачастую находится в диапазоне от 1:2 до 100:1, предпочтительно от 3:1 до 30:1.There is no need for cementing all particles. Often, the average thickness of the cementitious layer is less than 100 nanometers, and preferably not greater than the main particle size. If you use too much cementitious composition, the result may be a membrane with a mixed structure, and permeability will be unnecessarily impaired. Thus, the mass ratio between the amounts of particles of the barrier layer and the cementitious composition is often in the range from 1: 2 to 100: 1, preferably from 3: 1 to 30: 1.

Цементирующий состав и частицы могут быть перемешаны, например, до получения суспензии, а после этого размещены в комбинации с микропористой структурой, или же подачу можно провести после осаждения частиц. Полимер можно получить по месту в области, содержащей частицы барьерного слоя. Частицы барьерного слоя могут быть инертны по отношению к полимеризации или могут иметь активные центры для фиксации полимера. Например, частицы можно функционализовать при помощи реакционно-способной группы, которая может связываться с полимером или с мономером, претерпевающим полимеризацию, скажем, по механизму конденсации или присоединения, такому как обсуждавшийся выше.The cementitious composition and particles can be mixed, for example, to obtain a suspension, and then placed in combination with a microporous structure, or the filing can be carried out after the deposition of particles. The polymer can be obtained locally in the region containing the particles of the barrier layer. Particles of the barrier layer may be inert with respect to polymerization or may have active sites for fixing the polymer. For example, the particles can be functionalized using a reactive group that can bind to a polymer or to a monomer undergoing polymerization, say, by a condensation or addition mechanism, such as discussed above.

Проблема заключается в том, что цементирующий состав окклюдирует микропоры молекулярных сит. В случае высокопористого полимера, такого как PIM, влияние окклюдирования можно ослабить. Зачастую количество полимера, использованного для цементирующего состава, и его молекулярная масса, и конфигурация таковы, что для инкапсулирования всех частиц молекулярных сит полимера присутствует недостаточно. Зачастую массовое соотношение между количествами полимера и молекулярных сит находится в диапазоне от 0,01:1 до 0,3:1. Среднемассовая молекулярная масса полимера иногда находится в диапазоне от 20000 до 500000, предпочтительно от 30000 до 300000.The problem is that the cementitious compound occludes the micropores of molecular sieves. In the case of a highly porous polymer such as PIM, the effect of occluding can be reduced. Often the amount of polymer used for the cementitious composition, and its molecular weight, and configuration are such that not enough is present to encapsulate all particles of the polymer molecular sieves. Often the mass ratio between the amounts of polymer and molecular sieves is in the range from 0.01: 1 to 0.3: 1. The weight average molecular weight of the polymer is sometimes in the range from 20,000 to 500,000, preferably from 30,000 to 300,000.

Цементирующий состав может быть отличным от полимерного. Например, если молекулярные сита представляют собой цеолит, то тогда с цеолитом можно ввести в реакцию тетраалкоксид кремния и в результате гидролиза между частицами молекулярных сит можно получить каркас или массу из диоксида кремния. Обычно для обеспечения распределения используют разбавленный водный раствор тетраалкоксида кремния, например, содержащий от 0,5 до 0,25 массового процента тетраалкоксида кремния. Функционализация цеолита при помощи тетраалкоксида кремния также является подходящей для использования при получении центра сшивания с органическим полимером, в особенности с теми из них, которые содержат функциональные группы, такие как гидроксильные, аминовые, ангидридные, диангидридные, альдегидные группы или группы аминовой кислоты, которые могут образовывать ковалентные связи с кремнийорганическим алкоксидом. Кроме того, при использовании описанных выше методик между частицами цеолита и частицами цеолита и мезо-/макропористой структурой может быть выращен тот же самый или другой цеолит.The cementitious composition may be different from the polymer. For example, if the molecular sieves are zeolite, then silicon tetraalkoxide can be reacted with the zeolite and, as a result of hydrolysis between the particles of the molecular sieves, a framework or mass of silicon dioxide can be obtained. Typically, a dilute aqueous solution of silicon tetraalkoxide is used to ensure distribution, for example, containing from 0.5 to 0.25 weight percent silicon tetraalkoxide. The functionalization of zeolite with silicon tetraalkoxide is also suitable for use in the preparation of a crosslinking center with an organic polymer, especially those containing functional groups such as hydroxyl, amine, anhydride, dianhydride, aldehyde groups or amine acid groups, which may form covalent bonds with organosilicon alkoxide. In addition, using the techniques described above, the same or different zeolite can be grown between zeolite particles and zeolite particles and a meso / macroporous structure.

Еще один подход к уменьшению эффективности возникновения байпаса заключается в использовании при получении слоя, включающего барьерный слой, частиц с двумя или более размерами. Если, например, частицы микропористого барьерного слоя в общем случае будут сферическими при номинальном основном размере 60 нанометров, то тогда области между частицами могут иметь значительный размер и сделают возможным возникновение байпаса. Включение в данные области конфигурационно совместимых частиц может затруднить течение текучей среды и, таким образом, в результате привести к направлению большей части текучей среды на частицы барьерного слоя для проведения селективного разделения. Конфигурация частиц барьерного слоя будет зависеть от типа использованных частиц барьерного слоя. Частицы микропористых цеолитных молекулярных сит, характеризующиеся основным размером, меньшим, чем 100 нанометров, вероятно, будут иметь определенную конфигурацию вследствие своей кристаллической структуры. Некоторые цеолиты имеют тенденцию к наличию конфигурации, относящейся к типу пластинок, в то время как другие, такие как A1PO-14, обладают стержнеобразной структурой. Подобным же образом, частицы полимерных, керамических, стеклянных и углеродных молекулярных сит могут иметь конфигурации, которые будет нелегко изменить. Таким образом, конфигурация незамкнутых областей между частицами может варьироваться в широких пределах.Another approach to reducing the efficiency of the bypass is to use particles with two or more sizes when producing a layer including a barrier layer. If, for example, the particles of the microporous barrier layer are generally spherical at a nominal basic size of 60 nanometers, then the areas between the particles can be of a significant size and make bypass possible. The inclusion of configurationally compatible particles in these regions can impede the flow of the fluid and, as a result, result in the directing of most of the fluid to the particles of the barrier layer for selective separation. The configuration of the particles of the barrier layer will depend on the type of particles used in the barrier layer. Particles of microporous zeolite molecular sieves, characterized by a basic size of less than 100 nanometers, are likely to have a certain configuration due to their crystalline structure. Some zeolites tend to have a plate type configuration, while others, such as A1PO-14, have a rod-like structure. Similarly, particles of polymer, ceramic, glass and carbon molecular sieves can have configurations that will not be easy to change. Thus, the configuration of open regions between particles can vary widely.

Иногда конфигурационно совместимые частицы выбирают обеспечивающими достижение, по меньшей мере, частичного окклюдирования области. Таким образом, в случае сферических частиц барьерного слоя желательными могут оказаться стержнеобразные или намного менее конфигурационно совместимые частицы. Конфигурационно совместимые частицы могут иметь любой состав, подходящий для использования при заданном размере и условиях проведения операции. Частицы могут быть полимерными, в том числе олигомерными; углеродными; и неорганическими, таким как коллоидальный диоксид кремния, цеолит, оксид алюминия и тому подобное.Sometimes, configurationally compatible particles are selected to achieve at least partial occlusion of the region. Thus, in the case of spherical particles of the barrier layer, rod-like or much less configurationally compatible particles may be desirable. Configurationally compatible particles can have any composition suitable for use with a given size and operation conditions. Particles can be polymeric, including oligomeric; carbon; and inorganic, such as colloidal silicon dioxide, zeolite, alumina and the like.

Если обратиться к фиг.1, то можно сказать, что исходное сырье, содержащее бутан, подают в установку изомеризации через линию 102. Как показано, исходное сырье вводят в линию 122 между колонной для отгонки изобутана 116 и мембранным разделителем 124. В альтернативном варианте исходное сырье можно вводить в установку изомеризации через колонну для отгонки изобутана 116, как это описывается далее. Водород подают через линию 104 и в линии 126 объединяют с фракцией пермеата, содержащей нормальный бутан. Объединенный поток в качестве исходного материала, подаваемого на изомеризацию, перепускают в реактор изомеризации 106. Отходящий поток реактора изомеризации 106 через линию 108 направляют в стабилизационную колонну 110. В стабилизационной колонне 110 легкие фракции и хлоридсодержащие компоненты удаляют в виде дистиллята через линию 112. Легкие фракции можно использовать для любой подходящего назначения, в том числе и с учетом их энергетической ценности. Кубовый поток из стабилизационной колонны 110 перепускают через линию 114 в колонну для отгонки изобутана 116. Через линию 118 из колонны для отгонки изобутана 116 получают дистиллят. Кубовый поток из колонны для отгонки изобутана 116 удаляют через линию 120. Боковой поток, содержащий нормальный бутан, из колонны для отгонки изобутана 116 через линию 122 перепускают на сторону ретентата мембранного разделителя 124. Поток, обогащенный изобутаном, из разделителя 124 удаляют через линию 128 и объединяют с дистиллятом в линии 118. Фракцию пермеата отправляют на рецикл через линию 126 в реактор изомеризации 106.Referring to FIG. 1, it can be said that the butane-containing feedstock is fed to the isomerization unit via line 102. As shown, the feedstock is introduced into line 122 between the isobutane stripping column 116 and the membrane separator 124. Alternatively, the feedstock the feed can be introduced into the isomerization unit through an isobutane distillation column 116, as described below. Hydrogen is supplied via line 104 and combined in line 126 with a permeate fraction containing normal butane. The combined isomerization feed stream is passed to the isomerization reactor 106. The effluent of the isomerization reactor 106 is sent via a line 108 to a stabilization column 110. In the stabilization column 110, light fractions and chloride-containing components are removed as distillate via line 112. The light fractions can be used for any suitable purpose, including taking into account their energy value. The bottoms stream from the stabilization column 110 is passed through line 114 to the isobutane 11 distillation column. A distillate is obtained from line 118 from the isobutane distillation column 116. The bottoms stream from the isobutane stripping column 116 is removed through line 120. The side stream containing normal butane from the isobutane stripping column 116 is passed through line 122 to the retentate side of the membrane separator 124. The isobutane enriched stream from separator 124 is removed through line 128 and combined with the distillate in line 118. The permeate fraction is recycled through line 126 to the isomerization reactor 106.

Если обратиться к фиг.2, то можно сказать то, что исходное сырье, содержащее нормальный бутан, подают через линию 202 на сторону ретентата мембранного разделителя 204. Пермеат, характеризующийся повышенной концентрацией нормального бутана, перепускают через линию 206 в реактор изомеризации 208 для получения отходящего потока изомеризации, который отбирают через линию 210. Не показана стабилизационная колонна для удаления из отходящего потока изомеризации хлоридных компонентов и легких фракций. Ретентат из мембранного разделителя 204 перепускают через линию 212 на объединение с отходящим потоком изомеризации для получения изобутанового продукта. В порядке примера можно сказать то, что в предположении содержания в исходном сырье 50 мас.% нормального бутана и 50 мас.% изобутана и в предположении содержания в потоке ретентата 75% изобутана исходного сырья при степени чистоты 95 мас.% и достижении при изомеризации равновесного распределения в виде 60 мас.% изобутана на 40 мас.% нормального бутана объединенный поток продукта будет характеризоваться концентрацией изобутана, равной приблизительно 75 мас.%.If we turn to figure 2, we can say that the feedstock containing normal butane is fed through line 202 to the retentate side of the membrane separator 204. Permeate, characterized by an increased concentration of normal butane, is passed through line 206 to the isomerization reactor 208 to obtain waste the isomerization stream, which is taken through line 210. A stabilization column is not shown to remove chloride components and light fractions from the isomerization effluent. The retentate from the membrane separator 204 is passed through line 212 to combine with the isomerization effluent to produce an isobutane product. As an example, we can say that under the assumption that the starting material contains 50 wt.% Normal butane and 50 wt.% Isobutane and assuming that the retentate stream contains 75% isobutane of the feedstock with a purity of 95 wt.% And equilibrium is achieved during isomerization distribution in the form of 60 wt.% isobutane to 40 wt.% normal butane, the combined product stream will have an isobutane concentration of approximately 75 wt.%.

Claims (10)

1. Способ изомеризации исходного сырья, содержащего нормальный бутан, подаваемого на изомеризацию, содержащего, по меньшей мере, 50 мас.% нормального бутана, до получения изомерата, содержащего изобутан, включающий:
(a) изомеризацию подаваемого исходного материала в условиях проведения изомеризации, включающих присутствие катализатора изомеризации, до получения отходящего потока изомеризации, содержащего нормальный бутан, но с концентрацией, меньшей, чем в исходном материале, подаваемом на изомеризацию;
(b) перегонку, по меньшей мере, части отходящего потока изомеризации до получения более низкокипящей фракции, содержащей изобутан и более легкие парафины, где, по меньшей мере, 80 мас.% более низкокипящей фракции представляют собой изобутан, и более высококипящей фракции, содержащей нормальный бутан, которая содержит нормальный бутан и, по меньшей мере, 10 мас.% изобутана;
(c) введение, по меньшей мере, части фракции, содержащей нормальный бутан, со стадии (b) в контакт со средой на стороне ретентата селективно проницаемой мембраны, имеющей индекс эффективностей течения С4 пермеата, равный, по меньшей мере, 0,01, и разность давлений между средами с обеих сторон мембраны, обеспечивающих получение фракции ретентата, содержащей, по меньшей мере, 80 мас.% изобутана, и для получения после прохождения через мембрану на стороне пермеата фракции пермеата, имеющей повышенную концентрацию нормального бутана; и
(d) отбор со стадии (с) фракции ретентата.
1. The method of isomerization of a feedstock containing normal butane, fed to isomerization, containing at least 50 wt.% Normal butane, to obtain an isomerate containing isobutane, including:
(a) isomerization of the feed starting material under isomerization conditions, including the presence of an isomerization catalyst, to obtain an isomerization effluent containing normal butane but with a concentration lower than that in the feed to isomerization;
(b) distilling at least a portion of the isomerization effluent to obtain a lower boiling fraction containing isobutane and lighter paraffins, where at least 80 wt.% of the lower boiling fraction are isobutane, and a higher boiling fraction containing normal butane, which contains normal butane and at least 10 wt.% isobutane;
(c) introducing at least a portion of the fraction containing normal butane from step (b) into contact with a retentate-side medium of a selectively permeable membrane having a flow efficiency index C 4 of permeate equal to at least 0.01, and the pressure difference between the media on both sides of the membrane, providing a retentate fraction containing at least 80 wt.% isobutane, and to obtain, after passing through the membrane on the permeate side, a permeate fraction having an increased concentration of normal butane; and
(d) selection from step (c) of the retentate fraction.
2. Способ по п.1, в котором, по меньшей части, часть фракции пермеата отправляют на рецикл на стадию (a) в виде части исходного материала, подаваемого на изомеризацию.2. The method according to claim 1, in which at least a portion of the permeate fraction is recycled to step (a) as a portion of the starting material fed to isomerization. 3. Способ по п.2, в котором перегонка стадии (b) включает использование соотношения между количествами флегмы и исходного подаваемого материала в диапазоне от 0,5:1 до 3:1.3. The method according to claim 2, in which the distillation of stage (b) involves the use of a ratio between the amounts of reflux and the feed material in the range from 0.5: 1 to 3: 1. 4. Способ по п.2, в котором концентрация нормального бутана во фракции пермеата со стадии (с) составляет, по меньшей мере, 50 мас.%.4. The method according to claim 2, in which the concentration of normal butane in the permeate fraction from step (c) is at least 50 wt.%. 5. Способ по п.1, в котором мембрана представляет собой просеивающую мембрану, характеризующуюся индексом эффективности течения C4 пермеата, равным, по меньшей мере, 0,01, и соотношением эффективностей течения C4 пермеатов, соответствующим, по меньшей мере, 1,25:1.5. The method according to claim 1, in which the membrane is a sieving membrane, characterized by a flow efficiency index of C 4 permeate equal to at least 0.01, and a ratio of flow efficiencies of C 4 permeate corresponding to at least 1, 25: 1. 6. Способ по п.5, в котором просеивающая мембрана характеризуется средним диаметром пор в диапазоне от 5,0 до 7,0
Figure 00000001
.
6. The method according to claim 5, in which the sieving membrane is characterized by an average pore diameter in the range from 5.0 to 7.0
Figure 00000001
.
7. Способ по п.5, в котором просеивающая мембрана характеризуется средним диаметром пор в диапазоне от 4,5 до 5,4
Figure 00000002
.
7. The method according to claim 5, in which the sieving membrane is characterized by an average pore diameter in the range from 4.5 to 5.4
Figure 00000002
.
8. Способ по п.2, в котором исходное сырье, содержащее нормальный бутан, подают, по меньшей мере, в одну позицию, выбираемую из стадии (b) и стороны ретентата мембраны со стадии (с).8. The method according to claim 2, in which the feedstock containing normal butane is fed to at least one position selected from step (b) and the side of the membrane retentate from step (c). 9. Способ изомеризации нормального бутана, включающий:
дистилляцию, по меньшей мере, части нормального бутана, содержащегося в исходном сырье, включающего изобутан с обеспечением более низкокипящей фракции, содержащей изобутан, и более высококипящей фракции, содержащей нормальный бутан и, по меньшей мере, 10 мас.% изобутана;
(a) введение в контакт, по меньшей мере, части более высококипящей фракции, содержащей нормальный бутан, со средой на стороне ретентата селективно проницаемой мембраны в условиях, включающих индекс эффективности течения C4 пермеата, равный, по меньшей мере, 0,01, соотношение эффективностей течения пермеатов, по меньшей мере, 1,25:1 и разность давлений с обеих сторон мембраны от 10 до 200 кПа для получения фракции ретентата, содержащей, по меньшей мере, 80 мас.% изобутана, и для получения после прохождения через мембрану на стороне пермеата фракции пермеата, имеющей повышенную концентрацию нормального бутана, причем фракция пермеата содержит, по меньшей мере, 80 мас.% нормального бутана, который содержится в исходном сырье, введенном в контакт с мембраной; и
(b) воздействие на пермеатную фракцию условий проведения изомеризации, включающий присутствие катализатора изомеризации для получения отходящего потока изомеризации, содержащего нормальный бутан, с концентрацией, меньшей, чем концентрация в исходном сырье.
9. A method of isomerizing normal butane, including:
distillation of at least a portion of the normal butane contained in the feed, including isobutane, providing a lower boiling fraction containing isobutane and a higher boiling fraction containing normal butane and at least 10 wt.% isobutane;
(a) contacting at least a portion of the higher boiling fraction containing normal butane with the medium on the retentate side of a selectively permeable membrane under conditions including a flow efficiency index of C 4 permeate of at least 0.01, the ratio the permeate flow efficiencies of at least 1.25: 1 and the pressure difference on both sides of the membrane from 10 to 200 kPa to obtain a retentate fraction containing at least 80 wt.% isobutane, and to obtain after passing through the membrane to side permeate fraction lane EATA having an increased concentration of normal butane, said permeate fraction contains at least 80 wt% of the normal butane contained in the feedstock contacted with the membrane.; and
(b) exposing the permeate fraction to isomerization conditions, including the presence of an isomerization catalyst to produce an isomerization effluent containing normal butane, with a concentration lower than that in the feedstock.
10. Установка для изомеризации исходного сырья, содержащего нормальный бутан, в соответствии с пп.1-9, включающая:
(a) реактор изомеризации, адаптированный для проведения изомеризации нормального бутана до получения изомерата, содержащего изобутан, и имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие для изомерата;
(b) перегонную колонну, имеющую впускное отверстие, через текучую среду находящееся в сообщении с выпускным отверстием реактора изомеризации, канал выпускного отверстия для более низкокипящей фракции и канал выпускного отверстия для более высококипящей фракции, при этом упомянутая перегонная колонна адаптирована для перегонки, по меньшей мере, части изомерата, содержащего изобутан, до получения более низкокипящей фракции, в сопоставлении с изомератом обогащенной изобутаном, и более высококипящей фракции, в сопоставлении с изомератом обогащенной нормальным бутаном, при этом упомянутая фракция содержит изобутан; и
(c) мембранный разделитель, имеющий впускное отверстие на стороне исходного подаваемого материала, через текучую среду находящееся в сообщении с каналом для более высококипящей фракции, выпускное отверстие на стороне исходного подаваемого материала, через текучую среду находящееся в сообщении с линией от выпускного отверстия перегонной колонны для более низкокипящей фракции, и выпускное отверстие для пермеата, через текучую среду находящееся в сообщении с впускным отверстием реактора изомеризации.
10. Installation for isomerization of feedstock containing normal butane, in accordance with paragraphs.1-9, including:
(a) an isomerization reactor adapted to carry out isomerization of normal butane to produce an isomerate containing isobutane and having an inlet and an outlet for isomerate;
(b) a distillation column having an inlet through fluid in communication with the outlet of the isomerization reactor, an outlet channel for a lower boiling fraction and an outlet channel for a higher boiling fraction, wherein said distillation column is adapted to distill at least , parts of isobutane-containing isomerate to obtain a lower boiling fraction, in comparison with isobutane-enriched isomerate, and a higher boiling fraction, in comparison with about enriched with normal butane, wherein said fraction contains isobutane; and
(c) a membrane separator having an inlet on the side of the feed source through a fluid in communication with the channel for the higher boiling fraction, an outlet on the side of the feed inlet through a fluid in communication with the line from the outlet of the distillation column for lower boiling fraction, and the outlet for permeate, through a fluid in communication with the inlet of the isomerization reactor.
RU2007137661/04A 2005-03-11 2006-03-10 Method of isomerising normal butane to isobutane and device for realising said method RU2368594C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US66114305P 2005-03-11 2005-03-11
US60/661,143 2005-03-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007137661A RU2007137661A (en) 2009-04-20
RU2368594C2 true RU2368594C2 (en) 2009-09-27

Family

ID=36992065

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007137661/04A RU2368594C2 (en) 2005-03-11 2006-03-10 Method of isomerising normal butane to isobutane and device for realising said method

Country Status (8)

Country Link
EP (1) EP1856016A4 (en)
KR (1) KR100945405B1 (en)
CN (1) CN101171213A (en)
AU (1) AU2006222911B2 (en)
BR (1) BRPI0608998A2 (en)
CA (1) CA2601219C (en)
RU (1) RU2368594C2 (en)
WO (1) WO2006099566A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016036434A1 (en) * 2014-09-03 2016-03-10 Uop Llc Process for the recovery of paraffins from an isomerization effluent
RU2604735C1 (en) * 2012-11-08 2016-12-10 Юоп Ллк Methods and apparatus for isomerisation of paraffins

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8864952B2 (en) * 2012-12-14 2014-10-21 Uop Llc Apparatuses and methods for separating paraffin isomerization-zone effluents
CN107304157A (en) * 2016-04-22 2017-10-31 中国石化工程建设有限公司 It is a kind of to be hydrogenated with the combination unit and method that iso-butane is produced with isomerization
CN107304155A (en) * 2016-04-22 2017-10-31 中国石化工程建设有限公司 The process units and method of a kind of iso-butane
CN107304153A (en) * 2016-04-22 2017-10-31 中国石化工程建设有限公司 It is a kind of to be hydrogenated with the device and method that iso-butane is prepared with isomerization
CN107304152A (en) * 2016-04-22 2017-10-31 中国石化工程建设有限公司 A kind of iso-butane process units and method
CN107304151A (en) * 2016-04-22 2017-10-31 中国石化工程建设有限公司 A kind of device and method for preparing iso-butane
CN107304158B (en) * 2016-04-22 2021-08-27 中国石化工程建设有限公司 Combined device and method for producing isobutane
CN107304156A (en) * 2016-04-22 2017-10-31 中国石化工程建设有限公司 A kind of device and method for producing iso-butane
CN107304154A (en) * 2016-04-22 2017-10-31 中国石化工程建设有限公司 It is a kind of to be hydrogenated with the device and method that iso-butane is produced with isomerization
CN109265308A (en) * 2018-11-07 2019-01-25 厦门大学 A kind of production method of the normal butane isomerization using solid acid bifunctional catalyst
CN111171856A (en) * 2018-11-13 2020-05-19 中国科学院大连化学物理研究所 Application of carbon molecular sieve membrane to C4-C6Process for separating n-isoparaffin
CN110344171A (en) * 2019-06-20 2019-10-18 南通明富纺织品有限公司 A kind of simulating hemp-simulating surfacing material and preparation method thereof that moisture absorption is warming
CN113277927B (en) * 2021-05-28 2022-08-16 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 Application of microporous molecular sieve in adsorption and separation of n-butane and isobutane

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4347399A (en) * 1981-06-03 1982-08-31 Uop Inc Isomerization of normal butane
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
FR2695635B1 (en) * 1992-09-14 1994-11-04 Inst Francais Du Petrole Isomerization process for n-butane combining a deisobutanization step and an adsorption step.
GB9413863D0 (en) * 1994-07-08 1994-08-24 Exxon Chemical Patents Inc Molecular sieves and processes for their manufacture
US6818333B2 (en) * 2002-06-03 2004-11-16 Institut Francais Du Petrole Thin zeolite membrane, its preparation and its use in separation
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
KR100945406B1 (en) * 2005-03-11 2010-03-04 유오피 엘엘씨 Processes for the isomerization of paraffins of 5 and 6 carbon atoms with methylcyclopentane recovery
CN101171211A (en) * 2005-03-11 2008-04-30 环球油品公司 Processes for the isomerization of feedstocks comprising paraffins of 5 to 7 carbon atoms

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2604735C1 (en) * 2012-11-08 2016-12-10 Юоп Ллк Methods and apparatus for isomerisation of paraffins
WO2016036434A1 (en) * 2014-09-03 2016-03-10 Uop Llc Process for the recovery of paraffins from an isomerization effluent
US9567271B2 (en) 2014-09-03 2017-02-14 Uop Llc Process for the recovery of paraffins from an isomerization effluent

Also Published As

Publication number Publication date
EP1856016A4 (en) 2015-01-21
CA2601219A1 (en) 2006-09-21
AU2006222911A1 (en) 2006-09-21
CN101171213A (en) 2008-04-30
RU2007137661A (en) 2009-04-20
AU2006222911B2 (en) 2009-06-04
EP1856016A1 (en) 2007-11-21
WO2006099566A1 (en) 2006-09-21
CA2601219C (en) 2011-10-25
KR100945405B1 (en) 2010-03-04
KR20070106590A (en) 2007-11-01
BRPI0608998A2 (en) 2010-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2368594C2 (en) Method of isomerising normal butane to isobutane and device for realising said method
KR100916617B1 (en) Processes for the isomerization of feedstocks comprising paraffins of 5 to 7 carbon atoms
KR20070106050A (en) High flux, microporous, sieving membranes and separators containing such membranes and processes using such membranes
US7981376B2 (en) Processes for the isomerization of normal butane to isobutane
KR100945406B1 (en) Processes for the isomerization of paraffins of 5 and 6 carbon atoms with methylcyclopentane recovery
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
US7846322B2 (en) Integrated refinery with enhanced olefin and reformate production
KR20070104950A (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