Separazione efficiente degli isomeri del butano tramite ZIF

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4792 (2022) Citare questo articolo

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n-butano e isobutano sono importanti materie prime petrolchimiche. La loro separazione è complessa a causa delle loro proprietà simili, compreso il punto di ebollizione. Qui, riportiamo un liquame zeolitico di imidazolato quadro-8 (ZIF-8)/N,N-dimetilpropileneurea (DMPU)-acqua come materiale di assorbimento per separare le miscele di butano. La selettività isobutano/n-butano dei fanghi ZIF-8/DMPU-acqua arriva fino a 890 con prestazioni cinetiche elevate, che trascendono il limite superiore di vari materiali di separazione o membrane riportati in letteratura. In modo più incoraggiante è stato creato un dispositivo di separazione pilota continua e i risultati del test mostrano che la purezza e il rapporto di recupero del prodotto isobutano sono rispettivamente del 99,46% in moli e dell'87%, superiori alle prestazioni corrispondenti (98,56% in moli e 54%) della torre di distillazione industriale. Per quanto ne sappiamo, l’uso di strutture metallo-organiche (MOF) per la separazione del gas su scala pilota rimane sottoesplorato e quindi questo lavoro fornisce un passo avanti verso l’applicazione commerciale dei MOF nella separazione del gas.

Sia l'n-butano che l'isobutano sono importanti materie prime petrolchimiche utilizzate in applicazioni dirette o per sintetizzare altri prodotti petrolchimici. Gli isomeri solitamente coesistono come gas di petrolio liquefatto prodotti dalla condensazione del gas naturale o nella lavorazione del petrolio, come nel caso del cracking catalitico fluido (FCC). Pertanto, diventa fondamentale separare gli isomeri del butano in modo efficiente ed economico. Ad esempio, l'isobutano ad elevata purezza può essere utilizzato per1 (1) reazioni con olefine per produrre benzina alchilata ad alto numero di ottano, (2) coossidazione con propilene per coprodurre ossido di propilene e terz-butanolo e (3) deidrogenazione per produrre isobutene . D'altra parte, l'n-butano può essere utilizzato come refrigerante o per (1) l'ossidazione per produrre anidride maleica2 e (2) la deidrogenazione per produrre butadiene3. Tuttavia, la separazione degli isomeri del butano è considerata un processo impegnativo4,5 poiché le loro proprietà fisiche e chimiche, come punti di ebollizione, pressioni di vapore e polarizzabilità, sono simili6. Ad oggi, le tecniche di distillazione ad alta intensità energetica e di costi sono ancora ampiamente applicate per la separazione degli isomeri del butano nel settore a causa della mancanza di alternative più efficienti.

La separazione per adsorbimento con esclusione selettiva di dimensione/forma fornita da materiali porosi inorganici, come zeoliti e carbone attivo, è considerata un'alternativa interessante alle attuali separazioni basate sulla distillazione, ad alta intensità energetica e costosa7,8. Ad esempio, come agenti più ampiamente utilizzati per la separazione dell'isomero butano, le zeoliti di tipo MFI (silicalite-1 e ZSM-5) con pori ellittici multidimensionali da 5,5 Å9 possono distinguere l'n-butano dall'isobutano. L'applicazione delle zeoliti MFI alle separazioni basate su membrana è stata sufficientemente studiata10,11,12,13. La selettività n-butano/isobutano delle membrane MFI testate a 20–100 °C variava da 4 a 705,12. Inoltre, Woo et al.14 hanno preparato una membrana a matrice mista basata su MFI per migliorare la permeabilità del n-butano, ma il fattore di separazione più elevato di n-butano/isobutano era solo 6,64. Oltre alle membrane basate su MFI, Liu e colleghi15 hanno sintetizzato membrane a struttura metallo-organica (MOF) di tipo cubico a facce centrate (fcu) su supporti polimerici vetrosi (6FDA-DAM), che mostravano un fattore di separazione n-butano/isobutano di ~30 a 75 °C. Zhou et al.5 hanno preparato membrane di setacciatura molecolare del carbonio di alta qualità su substrati di γ-allumina e il fattore di separazione n-butano/isobutano ha raggiunto 74. Tuttavia, anche se molti studi hanno affermato che l'uso efficace delle tecnologie di separazione basate su membrana nell'isomero del butano separazioni, l’applicazione commerciale in questo campo non è stata ancora vista. Le ragioni sono le seguenti: (1) la produzione delle membrane è complessa e costosa15 e le strutture delle membrane sono soggette a fessurazioni10. (2) Le selettività di separazione per gli isomeri lineari/ramificati sono basse e le capacità di assorbimento degli adsorbenti sono basse16. (3) La separazione continua a più stadi è difficile da realizzare con la tecnologia basata su membrana.

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