Очистка жидких смесей с использованием перегонно-мембранного разделения

Очистка жидких смесей с использованием перегонно-мембранного разделения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к процессам восстановления очищенных продуктов из жидких смесей посредством интегрированной фракционной перегонки и устройства разделения с перманентно-селективной мембраной. Более детально, интегрированное устройство по данному изобретению включает колонну фракционной перегонки и одно или более устройств, использующих перманентно-селективные мембраны для восстановления очищенных продуктов. Устройство по настоящему изобретению особенно полезно для одновременного восстановления очень чистых проникающих продуктов, одного или более продуктов перегонки, и/или желательного непроницаемого пара, из жидких смесей, содержащих, по крайней мере, два соединения с различными температурами кипения.

Предпосылки к созданию изобретения

Существует два типа мембран, используемых для разделения газовых смесей: микропористые и непористые. Исследование основных законов, управляющих селективностью эффузии газа через микропористую мембрану, приписывается Т.Грехему. Когда размер поры микропористой мембраны мал по сравнению со средней свободной траекторией неконденсирующихся молекул газа в смеси проникание в газе с меньшим молекулярным весом увеличивается. Практическая и теоретическая степень обогащения, достигаемая за счет данной технологии, очень невелика потому, что отношения молекулярных весов большинства газов не очень большие, а соответствующие селективности пропорциональны квадратным корням этих отношений. Поэтому требуется выполнять большое количество фаз разделения для осуществления результативного разделения данных газов из газовой смеси. Однако в связи с тем, что данный способ разделения относится исключительно к соотношению масс и не относится к химическим отличиям испускаемых молекул, он является единственным способом, использующим мембрану, способную разделить изотопы данных элементов. По этой причине данный метод был выбран для обогащения урана в расщепляемом изотопе 235 для производства атомной бомбы во время Второй Мировой войны. Однако данный способ разделения в действительности очень дорогой в связи с большими капиталовложениями, требуемыми для обработки большого объема газа, жесткими техническими требованиями к мембране, а именно высокой пористости и малому размеру пор, а также высокими энергозатратами для производства.

В системах с непористыми мембранами молекулы проникают через мембрану. Во время такого проникновения через мембрану различные молекулы разделяются за счет различий их коэффициентов диффузии и растворимости внутри мембранной матрицы. На скорость переноса молекул через матрицу влияет не только их размер, но также и химическая природа как проникающих молекул, так и самой полимерной матрицы. Таким образом, достигается концептуально полезное разделение.

В настоящее время существует большое количество способов производства мембран, обладающих как высокой селективностью, так и высокой скоростью потоков. Без достаточно большой скорости течения потоков требуемые площади мембран будут настолько большими, что это сделает их использование абсолютно неэкономичным. Сейчас хорошо известно, что многие полимеры намного лучше пропускают полярные газы (например Н₂О, CO₂, HS и SO₂), чем неполярные газы (N₂, О₂ и CH₄) и что газы с небольшим размером молекул (Не, H₂) проникают через полимер быстрее, чем большие молекулы (СН₄, С₂Н₄).

Использование мембранного разделения занимает важное место в химической технологии и используется в широком круге приложений. Разделение газа стало основной областью промышленного использования мембранной технологии за последние 15 лет. Мембранная технология для получения азота из воздуха, удаление углекислого газа из природного газа и ректификация водорода занимают существенную часть данного рынка.

Некоторые наиболее сложные разделения, используемые в нефтехимической промышленности, включают в себя разделение легких олефинов и парафинов. В результате их сходной относительной летучести энергоемкие дистилляционные колонны со множеством тарелок используются для очистки легких олефинов. На протяжении многих лет использование мембран вызывало большой интерес для разделения олефинов и парафинов. Патенты США №3,758,603 и 3,864,418 на имя Роберта Д. Хьюза и Эдварда Ф. Стейгельмана описывают мембраны, используемые в комбинации с методами образования металлического комплекса для содействия выделению этилена из этана и метана. Подобные металлические комплексы и мембранно-гибридные процессы, называемые облегчающими перенос мембранами, были описаны в Патенте США №4,060,566 на имя Роберта Л. Янки и Патенте США №4,614,524 на имя Менхема А. Крауса. Большая часть этих работ сфокусирована на деталях внутренних частей облегчающих перенос мембранных устройств, но не описывают, каким образом объединить их в процесс, который производит продукты, удовлетворяющие рыночным требованиям.

Процессы очистки олефинов с помощью мембран используют облегчающие перенос мембраны в комбинации с дистилляционными колоннами. A.Sungpet и др. в статье "Separation of Ethylene from Ethane Using Perfluorosulfonic Acid Ion-Exchange Membranes" («Выделение этилена из этана с использованием перфторосульфоновой кислоты ионообменных мембран»), опубликованной в ACS Sympoium Series "Chemical Separations with Liquid Membranes", 270-285 (1996), утверждают, что селективность и проницаемость мембран при выделении олефинов из парафинов слишком медленная, чем требуется; что, в свою очередь, привело к объединению процессов, использующих мембраны с другими видами разделения для получения требуемой сепарации. Мы полагаем, что объединение мембран с дистилляцией интересно также и по другой причине: оно позволяет максимально использовать большое количество построенных дистилляционных емкостей для очистки олефинов.

Одно из первых исследований в области комбинирования облегчающих перенос мембран с дистилляцией для выделения олефинов и парафинов было опубликовано D.Gooschlich и D.Roberts в статье по проекту SRI Project 6519 и контракта Департамента Энергетики США (DOE Contract Number DE-AC07-76ID01570), озаглавленной "Energy Minimization of Separation Process Using Conventional/Membrane Systems" (1990) («Минимизация энергозатрат при сепарации с использованием традиционных/мембранных систем»). Они изучили применение облегчающих перенос мембран в нижних частях дистилляционных колонн для выделения пропилена и пропана. Поскольку пропилен (олефин) является как предпочтительным проникающим компонентом, так и легким компонентом, присутствующим в низкой концентрации в нижней части колонны, то недостатком этого способа является то, что слабая движущая сила действует на очень большие зоны мембраны.

Работа, выполненная R.Noble и соавторами в двух статьях, озаглавленных "Analysis of a Membrane/Distillation Column Hybrid Process" («Анализ гибридного мембранно-дистилляционного процесса»), опубликованной в J. Memb. Sci. 93, 31-34 (1994) и "Design Methodology for a Membrane/Distillation Column Hybrid Process" (Методология проектирования колонн для гибридного мембранно-дистилляционного процесса»), опубликованной в J. Memb. Sci. 99, 259-272 (1995), исследует аспекты проектирования и оптимизации нескольких вариантов объединенных облегчающих перенос мембран и дистилляционных процессов для разделения пропилена и пропана. Их работа сконцентрирована на размещении мембраны вокруг дистилляционной колонны для того, чтобы получить результативный процесс, который обеспечит требуемую сепарацию. Они пришли к выводу, что расположение облегчающих перенос мембран в верхней части колонны предпочтительнее, так как это положение использует преимущество сильной движущей силы пропилена (за счет высокой концентрации пропилена).

Более ранняя работа, изложенная в Патенте США №5,057,641 на имя Ronald J. Valus и др. и опубликованная J. Davis и др. в статье, озаглавленной "Facilitated Transport Membrane Hybrid Systems For Olefin Purification" («Гибридная облегчающая перенос мембранная система для очистки олефинов»), опубликованной в Sep. Sci. Tech 28, 463-476 (1993), также описывает размещение облегчающих перенос мембран в верхней части дистилляционной колонны. Эта работа также описывает размещение облегчающих перенос мембран на отводе перегоночной колонны.

Работа с облегчающими перенос мембранами на основе серебра, начатая R. Hughes в 1973 году, описана в Патенте США №3,758,603 и продолжается до сих пор. Однако недавно опубликованная A.Morisato и др. в журнале Desalination 145, 347-351 (2002) статья, озаглавленная "Transport properties of PA12-PTMO/AgBF4 solid polymer electrolyte membranes for olefin/paraffin separation" («Свойства переноса PA12-PTMO/AgBF4 твердополимерной электролитической мембраны для разделения олефинов/парафинов»), указывает, что использование облегчающих перенос мембран продолжает сталкиваться с трудностями, включающими слабую химическую стабильность из-за отравления носителя.

Успехи в области разработок полимерных мембран сделали их привлекательными для использования в процессах разделения олефинов/парафинов, так как они не зависят от легко отравленных металлических комплексов для достижения разделения. Например, R.Burns и W.Koros представили несколько полимерных материалов, которые могут использоваться для разделения пропилена и пропана, в недавно опубликованной статье, озаглавленной "Defining the Challenges for C3H6/C3H8 Separation Using Polymeric Membranes" («Постановка задач для C3H6/C3H8 разделения с использованием полимерных мембран»), J. Memb. Sci. 211, 299-309 (2003).

Для полимерных мембран высокие градиенты давления вдоль тела мембраны, обеспечивают движущую силу для проникновения. Эти движущие силы вызывают охлаждение в мембране (для материалов с положительными коэффициентами Джоуля-Томсона) для того, чтобы получить проницаемость при низком давлении. Этот эффект отсутствует в облегчающих перенос мембранах и не использовался в процессах, описанных выше.

Незначительное внимание было уделено тепловому балансу вокруг мембранного устройства в среде специалистов по мембранам в первую очередь потому, что компоненты, которые в прошлом предполагались для разделения с помощью мембранных технологий (азот, кислород, углекислый газ, метан, водород), являются сорбированными газами. По мере изучения свойств компонентов для мембранного разделения, которые могут находиться как в жидком, так и в газообразном состоянии при стандартных производственных условиях, возникает потребность понять влияние фазовых преобразований на характеристики мембранных устройств.

Таким образом, в настоящий момент существует потребность в способе и устройстве, использующих перманентно-селективные мембраны для снабжения теплом интегрированных мембранных устройств, в которых мембраны разделения под давлением (по летучести) были бы интегрированы с другими этапами разделения смесей.

Усовершенствованное устройство должно обеспечивать интегрированную последовательность операций, выполняемых за счет потоков в газе и/или жидкости, с использованием перманентно-селективной мембраны, предпочтительнее твердой перманентно-селективной мембраны, которая под действием соответствующих производных от движущих сил обеспечит выборочную проницаемость требуемого продукта, т.е. объединит мембраны разделения под давлением (по летучести) с существующими техническим средствами.

Краткое изложение изобретения

В широком аспекте настоящее изобретение относится к устройствам интегрированного мембранного и дистилляционного разделения и использования его для экономичного разделения жидких смесей. Точнее, настоящее изобретение относится к устройствам, содержащим колонну фракционной перегонки и мембранное устройство, включающее твердую перманентно-селективную мембрану, которые находятся в потоковой связи. Преимущественно устройство по данному изобретению используется для одновременного восстановления продуктов с низкой проницаемостью и других нужных продуктов из смесей, содержащих органические составляющие.

Изобретение рассматривает обогащение жидкого промышленного сырья, например органических материалов различного типа, особенно смесь жидких компонентов, происходящих из нефти. В общем случае жидкое промышленное сырье является газообразной смесью, содержащей компоненты с большей и меньшей селективной проницаемостью. Использование устройства по данному изобретению особенно полезно в процессах обогащения газовой смеси, содержащей олефиновый компонент с большей селективной проницаемостью и соответствующий парафиновый компонент, например, в процессе выделения пропилена из пропана.

С одной стороны, настоящее изобретение представляет собой устройство интегрированного разделения, включающее колонну фракционной перегонки и, по крайней мере, одно перманентно-селективное мембранное устройство, пригодное для одновременного восстановления продукта с очень низкой проницаемостью и другого продукта из жидкой смеси двух или более составляющих, имеющих различные температуры кипения. Устройство включает колонну фракционной перегонки, имеющую отверстие для выпуска паров вверху колонны в потоковой связи с компрессором, и внутреннюю или внешнюю поверхность теплопередачи, по стороне которой происходит контакт жидкости в нижней части колонны и противоположной стороне, по которой происходит контакт сжатых паров; компрессор в потоковой связи со средствами пропорционального сжатия пара между поверхностью теплопередачи колонны, дефлегматора колонны и мембранного холодильника находится в потоковой связи с перманентно-селективным мембранным устройством; мембранное устройство, включающее твердую перманентно-селективную мембрану, которая под действием соответствующих производных от движущих сил обеспечивает проницаемость не менее 0,1×10^-10 [см³ при стандартных температуре и давлении (STP) см/(см²·сек·см Hg)] (0.1 Баррер), каналы, имеющие, по крайней мере, одно вводное и одно выпускное отверстия для потока текучей среды, контактирующей с одной стороной мембраны и соприкасающейся с противоположной стороной этой разделительной камеры, имеющей, по крайне мере, одно отверстие для выпуска проницаемого потока; и средства для потоковой связи между противоположной стороной поверхности теплопередачи колонны и колонной фракционной перегонки.

В рамках настоящего изобретения термин «мембранное устройство» определяется как любая часть оборудования или устройства, предназначенная для использования перманентно-селективной мембраны для разделения одного или более компонентов из жидкой смеси, состоящей из двух или более составляющих. Средства для сбора и/или распределения текучей среды во вводные отверстия каналов мембранного устройства преимущественно содержат компрессор и/или насос, предпочтительнее компрессор.

В зависимости от вида разделения, требуемого для одновременного восстановления продукта с очень низкой проницаемостью и другого продукта из питающего потока в конкретном приложении, предпочтительным вариантом реализации устройства интегрированного разделения, согласно настоящему изобретению, является вариант, включающий средства для потоковой связи между выходами каналов мембранного устройства и колонной фракционной перегонки.

С другой стороны, настоящее изобретение содержит способ разделения очищенных продуктов из жидких смесей за счет использования устройства, интегрирующего фракционную перегонку и перманентно-селективную мембрану, который включает: использование устройства интегрированного разделения, содержащего колонну фракционной перегонки и мембранное устройство, предназначенные для использования перманентно-селективной мембраны для разделения одного или более компонентов из жидкой смеси, состоящей из двух или более составляющих; извлечение из колонны потока текучей среды, выводимого за счет фракционной перегонки первичного сырья, содержащего две или более составляющих, имеющих различные температуры кипения; распределение всего или части потока, выводимого из колонны внутрь мембранного устройства для выделения из потока проницаемых и непроницаемых текучих сред, содержащих различное количество, по крайней мере, одного из составляющих компонентов; и систематический контроль энтальпии для поддержания Показателя Эффективности Мембраны для непроницаемых текучих сред в нужном диапазоне, например от 0.5 до 1.

В рамках настоящего изобретения термин «Показатель Эффективности Мембраны» (ПЭМ) определяется как отношение разности между характерной энтальпией питающего потока, входящего в мембранное устройство, и характерной энтальпией вытекающей непроницаемой текучей среды к разности между указанной энтальпией питающего потока и температурой кипения характерной энтальпии непроницаемой жидкости при давлении непроницаемого продукта и смеси.

Предпочтительный процесс, использующий устройство интегрированного разделения, согласно настоящему изобретению контролирует энтальпию для поддержания ПЭМ внутри диапазона примерно от 0.5 до 1.5, предпочтительнее от 0.7 до 1.1, а для получения лучших результатов самым предпочтительным является диапазон от 0.8 до 1.05. Предпочтительно, чтобы текучая среда, извлекаемая из колонны, была в основном испарениями и только небольшая часть непроницаемой текучей среды возвращалась в колонну в основном как жидкость.

В зависимости от требуемого качества разделения способ по данному изобретению дополнительно должен включать извлечение очищенного проницаемого потока из мембранного устройства и один или более потоков с очищенными продуктами, извлекаемыми из колонны фракционной перегонки, например, в которых преобладающим компонентом очищенной проницаемой жидкости будет пропилен. Полезным эффектом является то, что поток текучей среды, извлекаемый из колонны фракционной перегонки, в основном является потоком паров, отводимых из верхней части колонны, часть которых используется в качестве источника оттока жидкости из колонны.

С другой стороны, изобретение представляет способ разделения очищенных продуктов из жидкой смеси за счет использования устройства, интегрирующего перегонку и мембранное разделение, который включает: использование устройства разделения, включающего колонну фракционной перегонки, обеспечивающую соответствующее число фаз контактирования пара с жидкостью, вводные и выпускные отверстия, включающие, по крайней мере, одно выпускное отверстие в потоковой связи с мембранным устройством, включающим большое количество (множество) перманентно-селективных мембран, которое под действием соответствующих производных от движущих сил обеспечивает проницаемость не менее 0.1 Баррера, каналы, имеющие, по крайней мере, одно вводное и одно выпускное отверстие для потока текучей среды, контактирующего с одной стороной мембраны и соприкасающегося с противоположной стороной этой разделительной камеры, имеющей, по крайне мере, одно отверстие для выпуска проницаемого потока; разделяющее с помощью фракционной перегонки сырье, содержащее жидкую смесь, состоящую из низкокипящего компонента и высококипящего компонента, и таким образом снабжает колонну потоком, обогащенным одним компонентом относительно другого; распределение потока колонны, напрямую или опосредовано полученного из нее, во входные отверстия каналов мембранного устройства и разделение распределенного потока посредством селективной проницаемости и таким образом получение очищенной проницаемой текучей среды и непроницаемой текучей среды, при этом контролируя энтальпию распределенного потока для поддержания Показателя Эффективности Мембраны непроницаемой текучей среды в диапазоне от 0.5 до 1.5.

В зависимости от требуемого качества разделения устройство разделения дополнительно должно включать средства отделения потока паров, отводимых в верхней части колонны, по крайней мере, в первую часть для оттока в колонну фракционной перегонки и вторую часть, и средства для использования первой части в виде жидкого оттока. Преимущественно вторая часть парового потока распределяется во вводные отверстия каналов мембранного устройства.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, по крайней мере, часть непроницаемой жидкости возвращается в колонну фракционной перегонки, и/или включает этап извлечения из колонны очищенного дистилляционного продукта, обогащенного одним компонентом относительно другого компонента исходного сырья.

Способ по настоящему изобретению особенно пригоден для разделения очищенных продуктов из исходного сырья, которое содержит в качестве преобладающего компонента исходного сырья смесь из составляющих ее алканов, имеющих от 2 до 4 атомов углерода, и составляющих алкенов, имеющих такое же число атомов углерода. Преимущественно смесь имеет определенный жидкостный коэффициент соотношения алканов и алкенов, который находится в диапазоне от 1.5 до 4.0.

Способ по данному изобретению особенно полезен при обработке смеси текучей среды, содержащей большее количество селективно проницаемого алкенового компонента и соответствующего алканового компонента, например, при выделение пропилена из пропана. Предпочтительно, чтобы очищенный проницаемый поток содержал, по крайней мере, 90 процентов пропилена, более предпочтительно, чтобы уровень содержания пропилена в очищенном проницаемом потоке был не менее 95 процентов, а наиболее предпочтительным вариантом является содержание пропилена, равное 99.5 процентов.

Еще один аспект настоящего изобретения представляет способ выделения очищенных продуктов из смесей текучих сред, использующий устройство, интегрирующее фракционную перегонку и перманентно-селективную мембрану, который включает: использование устройства разделения, включающего (а) колонну фракционной перегонки, имеющую выпусконое отверстие для отвода пара из верхней части в потоковой связи с компрессором, и внутреннюю или внешнюю поверхность теплопередачи, одна сторона которой расположена для контакта с текучей средой в нижней части колонны, а противоположная сторона расположена для контакта с сжатыми парами в верхней части колонны, (б) компрессор в потоковой связи со средствами пропорционального сжатия пара между поверхностью теплопередачи колонны, дефлегматором колонны и прибором охлаждения мембраны, который находится в потоковой связи с перманентно-селективным мембранным устройством, (в) мембранное устройство, включающее твердую перманентно-селективную мембрану, которая под действием соответствующих производных от движущих сил, обеспечивает проницаемость не менее 0.1 Баррера, каналы, имеющие, по крайней мере, одно вводное и одно выпускное отверстие для потока текучей среды, контактирующего с одной стороной мембраны и соприкасающегося с противоположной стороной этой разделительной камеры, имеющей, по крайне мере, одно отверстие для выпуска проницаемого потока, и (г) средства в потоковой связи между противоположной стороной поверхности теплопередачи колонны и колонной фракционной перегонки; разделение с помощью фракционной перегонки исходного сырья, содержащего смесь текучей среды, содержащую низкокипящий компонент и высококипящий компонент, и обеспечение, таким образом, компрессора паровым потоком, обогащенным низкокипящим компонентом; сжатие паров в верхней части колонны и распределение этой части между противоположной стороной поверхности теплопередачи колонны, дефлегматором колонны, и, напрямую или опосредованно, перманентно-селективным мембранным устройством; и выделение из потока, распределенного в мембранное устройство, непроницающего потока с помощью селективной проницаемости, при котором контролируется энтальпия распределенного потока для поддержания Показателя Эффективности Мембраны непроницаемой текучей среды в диапазоне от 0.5 до 1.5.

В зависимости от требуемого качества разделения, способ по данному изобретению дополнительно должен включать извлечение из колонны очищенного дистилляционного продукта, обогащенного одним компонентом относительно другого компонента исходного сырья, и/или извлечение из колонны очищенного дистилляционного продукта, обогащенного низкокипящим компонентом относительно исходного сырья. Преимущественно, по крайней мере, часть непроницаемой жидкой среды возвращается в колонну фракционной перегонки. Как вариант, устройство может дополнительно содержать средства для распределения «очищающего» потока в разделительную камеру, хотя обычно никакой чистки не требуется.

Настоящее изобретение особенно полезно по отношению к разделениям, включающим органические компоненты, особенно составляющие, которые трудно разделить традиционными средствами, такими как фракционная перегонка. Обычно такие органические составляющие химически зависимы, как, например, алканы и алкены с одинаковым углеродным номером.

Для более полного понимания настоящего изобретения должна быть сделана ссылка на его реализацию, иллюстрирующую детали, сопровождаемые чертежами, которые приведены ниже в виде вариантов данного изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение, детально описанное ниже, со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые представляют собой схематические диаграммы последовательности процессов, представляет предпочтительные аспекты способа и устройства, интегрирующего процессы фракционной перегонки и мембранного разделения для одновременного восстановления слабопроницаемого продукта, интегрированного непроницаемого потока и одного или более потоков с конечными продуктами из дистилляционной колонны.

На Фиг.1 представлен схематический чертеж, показывающий вариант осуществления настоящего изобретения, в котором пары, выводимые в верхней части колонны фракционной перегонки, сжимаются и разделяются для получения потоков для мембранного разделения, тепла для колонны-ребойлера и возврата жидкого оттока в колонну.

На Фиг.2 представлен схематический чертеж, показывающий вариант осуществления настоящего изобретения, в котором пары, выводимые в верхней части колонны фракционной перегонки, разделяются для получения потоков для мембранного разделения и возврата жидкого оттока в колонну без сжатия паров, выводимых из верхней части колонны фракционной перегонки.

На Фиг.3 представлен схематический чертеж, показывающий вариант осуществления настоящего изобретения, в котором жидкий поток для мембранного разделения отводится из колонны фракционной перегонки, и, таким образом, получают слабопроницаемый продукт, интегрированный непроницаемый поток и потоки с конечными продуктами из перегоночной колонны.

Общее описание изобретения

Любая твердая перманентно-селективная мембрана, которая под действием соответствующих производных от движущих сил проявляет проницаемость и характеристики, пригодные для требуемой сепарации, может быть использована в соответствии с настоящим изобретением. Пригодные мембраны могут принимать форму однородных мембран, композиционных мембран или асимметричных мембран, которые, например, могут включать гель, ацетат целлюлозы, полисульфоны и полиамиды.

Предпочтительные мембраны для вариантов осуществления настоящего изобретения при разделении пара могут быть двух типов. Первый тип - это композитная мембрана, содержащая микропористое основание, на котором размещен перманентно-селективный слой в виде ультратонкого покрытия. Композитные мембраны предпочтительнее, когда каучукоподобные полимеры используются как перманентно-селективные материалы. Второй тип - это асимметричные мембраны, в которых тонкая, плотная оболочка асимметричной мембраны является перманентно-селективным слоем. Оба типа мембран, как композитная, так и асимметричная, хорошо известны в данной области знаний. Форма, в которой мембраны используются в настоящем изобретении, не является критичной Например, они могут быть использованы в виде плоских листов, дисков, покрытых полых волокон, модулей со спиральной навивкой или любой другой удобной формы.

Движущие силы разделения компонентов испарения за счет проницаемости мембраны включают преимущественно их частичную разницу давления между первой и второй сторонами мембраны. Падение давление по ширине мембраны может быть достигнуто с помощью наддува первой зоны, за счет освобождения содержимого второй зоны, введения очистительного потока или любой комбинации из указанных способов

Мембраны, используемые в каждой группе модулей, могут быть одного типа или разного типа. Также оба элемента могут содержать мембраны, отбирающие только требуемый компонент, а селективность мембран может быть разной. Например, когда промежуточные модули обрабатывают большое количество жидкого сырья, эти модули могут содержать мембраны, обеспечивающие высокую текучесть и среднюю селективность. Группа модулей, которая работает с малыми потоками, может содержать мембраны высокой селективности, но низкой текучести. Подобно этому, промежуточные модули могут содержать один тип мембраны, а продуктивные модули могут содержать другой тип, или все три группы могут содержать различные типы мембран. В полезных реализациях возможно также использование мембран с отличной селективностью в промежуточных модулях и продуктивных модулях.

Соответствующий тип мембранных модулей включает тонкие полые волокна, капиллярные волокна, спирально-навинчатые, рамные и плоские типы. Процесс выбора наиболее подходящего типа мембранного модуля для конкретного вида мембранной сепарации должен уравновешивать множество факторов. Принципиальными параметрами, которые надо принимать во внимание при проектировании модуля, являются ограничение специфических типов мембранных материалов, пригодность для работы в условиях высокого давления, падение давления вдоль проницаемой стороны, контроль загрязнения концентрационной поляризацией, проницаемость необязательного очистительного потока и последний, но не менее важный параметр - стоимость производства.

Мембранные модули из тонких полых волокон используются в двух основных геометрических вариантах. Первый тип - это модель внетрубной зоны питающего теплообменника, которая была использована в системах выделения водорода и реверсивных осмотических системах. В таких модулях кольцо или замкнутая связка волокон содержится в баллоне со сжатым газом. Система герметична со стороны внетрубной зоны теплообменника; проницающий поток проходит через стенку волокна и выходит через открытые концы волокон. Это простая схема для реализации, которая позволяет использовать очень большие мембранные площади в экономичной системе. Так как стенка волокна должна поддерживать значительное гидростатическое давление, волокна обычно имеют малый диаметр и толстые стенки; например, их внешний диаметр составляет от 100 мкм до 200 мкм, а внутренний обычно равен примерно половине внешнего диаметра.

Второй тип мембранных модулей из тонких полых волокон - это модули двухстороннего питающего типа. В данном типе устройства волокна открыты с обоих концов и питающая текучая среда циркулирует через отверстия волокон. Для минимизации падения давления внутри волокон диаметр волокон обычно делают большим, чем у тонких волокон, используемых в системах с внетрубной зоной питающего теплообменника, которые изготавливаются с помощью формования из раствора. Такие так называемые капиллярные волокна используются в ультрафильтрации, диффузионном испарении и в некоторых приложениях обработки газа при низком и среднем давлениях.

Концентрационная поляризация хорошо контролируется в модулях двухстороннего питающего типа. Питающий раствор проходит напрямую сквозь активную поверхность мембраны, не создавая застойных мертвых пространств. Это сильно отличается от модулей внетрубной зоны питающего теплообменника, в которых тяжело избежать передачи по каналу и образование застойных мест, которые вызывают существенные проблемы для концентрационной поляризации. Любые взвешенные твердые частицы в питающем растворе легко захватываются в этих застойных местах, что приводит к невозможности очистки мембраны. Были попытки использования разделительных перегородок для направления питающего потока, но широкого применения это не получило. Более распространенный способ минимизации концентрационной поляризации заключается в направлении питающего потока перпендикулярно направлению полых волокон. Это образует модуль поперечного потока с относительно хорошим распределением потока по всей ширине поверхности мембраны. Несколько мембранных модулей могут быть последовательно соединены таким образом, чтобы было возможно использовать высокоскоростные питающие потоки. Существует несколько вариантов базовой схемы такого решения, которые описаны, например, в Патенте США №3,536,611 на имя Филлип и др., №5,169,530 на имя Стикера и др., №5,352,361 на имя Парседа и др. и №5,470,469 на имя Бэкмена, которые включены здесь как ссылки на каждый патент во всей полноте. Самым большим достижением модуля из тонких волокон является возможность укладывать очень большие по площади мембраны в единый модуль.

Описание предпочтительного варианта изобретения

Для лучшего понимания настоящего изобретения несколько предпочтительных аспектов процессов интегрированной фракционной перегонки и мембранного разделения, а также устройства по данному изобретению для одновременного восстановления слабопроницаемых продуктов, интегрированного непроницаемого потока и одного или более конечных продуктов дистилляции схематически представлены на Фиг.1-3. В этих предпочтительных вариантах изобретения сырьем для дистилляции служит смесь, содержащая более селективно проницаемый алкеновый компонент и соответствующий алкановый компонент, например пропан и пропен (пропилен). Другие примеры легких углеводородных составляющих, которые трудно разделить традиционными методами сепарации, такими как фракционная перегонка, показаны в таблице 1.

Таблица 1
Нормальная температура кипения легких углеводородных составляющих
ТЯЖЕЛЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ	ТЕПЕРАТУРА КИПЕНИЯ, °С	ЛЕГКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ	ТЕПЕРАТУРА КИПЕНИЯ, °С
Этан	-88.5	Этен (этилен)	-102.4
Пропан	-42.2	Пропен (пропилен)	-47.7
Аллен	-34.5	Пропан	-42.2
Бутан	-0.6	Метилпропен	-6.6
Бутан	-0.6	1-Бутен (α-бутилен)	-6.47
Бутан	-0.6	1,3-Бутадиен	-4.75
2-Бутен (β-бутилен)	3.37	Бутан	-0.6
n-Бутан	-0.6	Изобутан	-12
1-Бутен (α-бутилен)	-6.47	Метилпропен (изобутилен)	-6.6
2-Бутен (β-бутилен)	3.73	Метилпропен (изобутилен)	-6.6

Конфигурация интегрированной колонны фракционной перегонки и модулей мембранного разделения для специфической сепарации зависит от многих факторов. Эти факторы включают: (1) концентрацию интересующего компонента в питающем потоке; (2) физические и химические свойства компонентов, подлежащих разделению; (3) требуемую чистоту продуктовых потоков; (4) относительные значения продуктов, которые определяют приемлемое восстановление; (5) компромисс между стоимостью мембраны и стоимостью насоса или компрессора; и (6) каким образом мембрана интегрирована с другими этапами процесса обработки. При разделении смесей с использованием интегрированной фракционной перегонки и мембранного разделения требуемая восстанавливаемость и чистота продукта должны достигаться при приемлемых финансовых затратах. Для целей настоящего изобретения термин «модуль мембранного разделения» трактуется как множество перманентно-селективных мембран, формирующих мембранное устройство.

На Фиг.1 колонна фракционной перегонки 120 и устройство мембранного разделения 140 располагаются в соответствии с предпочтительными аспектами изобретения. Сырье, содержащее два или более компонентов, имеющих различные точки кипения, подается из источника 112 через трубопровод 114, в зависимости от производственных условий, с помощью насоса или испарителя и компрессора (не показан), в колонну фракционной перегонки 120. Согласно данному варианту изобретения более селективно-проницаемые компоненты сырья имеют более низкую температуру кипения относительно других компонентов сырья. Такие асп