СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ МЕТА-КСИЛОЛА ОТ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ И АДСОРБЕНТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SEPARATING META-XYLENE FROM AROMATIC HYRDOCARBONS AND ADSORBENT FOR ITS REALISATION

Область техники, к которой относится изобретение
8
Настоящее изобретение относится к адсорбентам и способам сорбционного выделения мета-ксилола из смеси, содержащей, по меньшей мере, один отличный от мета-ксилола С алкилароматический углеводород (например, смесь орто-ксилола, мета-ксилола, пара-ксилола и этилбензола).
Известный уровень техники
8
C алкилароматические углеводороды обычно рассматриваются как ценные продукты для извлечения пользующихся большим спросом как мета-ксилол, так и пара-ксилол. Мета-ксилол является сырьем для производства очищенной изофталевой кислоты (PIA). Он также используется в инсектицидах, как промежуточный продукт производства ненасыщенных полиэфиров более высокого качества и как модификатор для полиэтилентерефталатных (PET) смол. Главным источником мета-ксилола является поток смешанных ксилолов, получаемый при переработке сырой нефти.
8
8
В частности, в обычных процессах формирования C алкилароматических углеводородов продукт реакции содержит смесь этилбензола, орто-ксилола, мета-ксилола и пара-ксилола. В связи с этим требуемый изомер С алкилароматического углеводорода должен быть выделен из смеси. Исторически в промышленности занимались поиском способов выделения пара-ксилола, традиционно самого требуемого соединения в смеси, и для этих способов существуют многочисленные патенты. Например, были использованы цеолиты Х и Y для селективной адсорбции пара-ксилола (например, US 3,903,187, US 4,313,015, US 4,899,017, US 5,171,922, US 5,177,295, US 5,495,061 и US 5,948,950). US 4,940,830 описывает разделение пара-ксилола от других изомеров ксилола и этилбензола с использованием натриевого цеолита Y или натриевого цеолита Y, замещенного элементами IB или VII групп. Процесс в газовой фазе с использованием адсорбционного разделения для извлечения пара-ксилола из смеси ксилолов, с адсорбентом, содержащим кристаллические молекулярные сита со средним размером кристаллов 0,5-20 микрон, описан в WO 2008/033200.
Также было предложено извлекать мета-ксилол, например, из смесей углеводородов, богатых по ароматическим веществам, таких как продукт риформинга лигроина адсорбцией таким же путем, как извлекают в настоящее время пара-ксилол. Кроме того, было предложено извлекать мета-ксилол из технологических потоков, циркулирующих в установках изомеризации ксилола до или после извлечения других требуемых изомеров ксилола. Примеры таких предложений, которые используют фракционирование и кристаллизацию, описаны в US 3,700,744, US 3,729,523 и US 3,773,846. Использование экстрактивной дистилляции для извлечения мета-ксилола описано в US 4,585,526. В целом, извлечение мета-ксилола этими способам не было коммерчески успешным, и большая часть мета-ксилола в этих источниках просто превращалась в другие материалы, такие как бензол или пара-ксилол.
8
С ростом интереса к мета-ксилолу патенты, направленные на отделение мета-ксилола, становятся более многочисленными. Например, US 6,137,024 описывает отделение мета-ксилола от других изомеров ксилола, с использованием цеолита бета. US 2007/0038012 описывает сорбционное отделение мета-ксилола с использованием цеолита фожазитного типа. US 5,900,523 и US 5,382,747 описывают адсорбцию мета-ксилола, с натрий- или натрий- и литийзамещенным цеолитом Y, для выделения мета-ксилола из смеси ароматических углеводородов С, включающей другие изомеры ксилола в жидкой фазе. US 4,368,347 описывает выделение мета-ксилола, используя калийзамещенный цеолит Y.
8
Однако потребность в улучшенных адсорбентах и способах для эффективного выделения мета-ксилола из относительно загрязненной смеси C алкилароматических углеводородов все еще сохраняется.
Сущность изобретения
8
Изобретение относится к адсорбентам, которые селективно адсорбируют мета-ксилол по сравнению с, по меньшей мере, одним другим C алкилароматическим соединением, присутствующим в смеси. Из-за существующих ограничений равновесие реакции/селективность, а так же испарительного (дистилляционного) отделения, обычные смеси, полученные в процессах риформинга нефти, содержат другие изомеры ксилола, орто-ксилол и пара-ксилол (в дополнение к мета-ксилолу), в меняющихся количествах и также обычно содержат этилбензол. Такие смеси будут обычно составлять потоки сырья, используемые в способах, связанных с изобретением.
8
Соответственно, осуществления изобретения относятся к способам выделения мета-ксилола из относительно загрязненной смеси одного или более C алкилароматических углеводородов, отличных от требуемого мета-ксилола. Смесь контактирует в условиях адсорбции с адсорбентом, содержащим натрийзамещенный цеолит Y. Положения изобретения связаны с обнаружением того, что "натриевый наноцеолит Y" (то есть цеолит Y с наноразмерными кристаллитами в натриевой форме и со средним размером кристаллитов менее одного микрона) обеспечивает очень благоприятные технологические характеристики, при включении в адсорбенты, используемые в адсорбционном отделении мета-ксилола. В частности, скорость массопередачи мета-ксилола в поры цеолита значительно выше, относительно натриевого цеолита Y, синтезированного обычными способами (и обычно со средним размером кристаллитов порядка 1-3 микрона).
Это увеличение скорости массопереноса в свою очередь уменьшает количество адсорбента, необходимого для получения заданного расхода продукта (например, поток экстракционного продукта) из данного потока сырья, для любого требуемого набора производственных параметров (например, чистота мета-ксилола и извлечение). В связи с этим улучшена экономика процесса. Кроме того, у адсорбентов, использующих "натриевый наноцеолит Y", емкость по мета-ксилолу может быть больше или селективность мета-ксилол/толуол, мета-ксилол/этилбензол, мета-ксилол/пара-ксилол, и мета-ксилол/орто-ксилол может быть выше, относительно обычных адсорбентов на основе натриевого цеолита Y с большим средним размером кристаллитов цеолита. Другие преимущества наноразмерного цеолита Y, как полагают, заключаются в наблюдаемых эксплуатационных преимуществах.
Обычные размеры кристаллитов натриевого наноцеолита Y составляют 50-700 нанометров (нм), и часто 50-300 нанометров. Натриевый наноцеолит Y может быть использован в твердых адсорбентах, применяемых в адсорбционных процессах разделения со стационарным слоем, движущимся слоем или псевдодвижущимся слоем, использующими обычные условия адсорбции. Адсорбция может быть выполнена в жидкой или газовой фазе, обычно предпочтительно в условиях адсорбции в жидкой фазе.
8
2
2
Отдельные осуществления изобретения относятся таким образом к способу выделения мета-ксилола из смеси, содержащей, по меньшей мере, один другой C алкилароматический углеводород, обычно вместе с изомерами ксилола орто- и пара-ксилолом, а также этилбензолом. Способ включает контактирование смеси с адсорбентом, содержащим натриевый цеолит Y со средним размером кристаллитов цеолита, раскрытым выше. Обычная температура адсорбции составляет 60-250°С, 120-150°С, что традиционно для работы в жидкой фазе. Адсорбционное давление может немного превышать атмосферное давление, например 1 бар (15 фунт/дюйм) - 40 бар (580 фунт/дюйм).
2
2
3
У наноразмерного цеолита Y, используемого для составления рецептур адсорбентов для таких адсорбционных разделений, обычно мольное отношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SiO/АlO) будет составлять 4,0-6,5, соответственно атомное отношение Si/Al будет составлять 2,0-3,25. Цеолит также обычно находится в своей натриевой форме (то есть натриевый наноцеолит Y), в котором, по меньшей мере, 80% и обычно, по меньшей мере, 95% или по существу все (по меньшей мере, 99%) его ионообменных центров, замещены натрием. Натрийзамещенные кристаллиты наноразмерного цеолита могут быть сформированы в более крупные частицы адсорбента, скрепленные подходящим связующим, таким как глина, оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид циркония, или смесями этих аморфных материалов. Связующее обычно присутствует в количестве 5-25 мас.% относительно общей массы адсорбента.
8
8
8
Контакт между смесью C алкилароматических углеводородов, описанной выше (например, поток сырья непрерывного или периодического процесса) вызывает или приводит к адсорбции мета-ксилола порами натриевого наноцеолита Y более предпочтительной, чем, по меньшей мере, одного другого С алкилароматического углеводорода и обычно более предпочтительной, чем всех таких углеводородов, присутствующих в смеси. Поэтому адсорбированная фаза (то есть в порах цеолита) будет селективно обогащена по содержанию мета-ксилола, относительно смеси C алкилароматических соединений (например, потока сырья). Если смесь будет содержать орто-ксилол, мета-ксилол, пара-ксилол и этилбензол, то мета-ксилол будет присутствовать в адсорбированной фазе, в большем количестве относительно смеси, и орто-ксилол, пара-ксилол и этилбензол будет присутствовать в неадсорбированной фазе, в большем количестве относительно смеси. Затем неадсорбированная фаза может быть удалена (или быть смыта) с адсорбента, например, в потоке рафината. Адсорбированная фаза, обогащенная по мета-ксилолу, может быть отдельно десорбирована с адсорбента, например, в экстракционный поток.
Поток десорбента, содержащий десорбент, такой как толуол, бензол, индан или их смесь, может быть использован и для смывки и для десорбции. Положения изобретения связаны с отдельными преимуществами, полученными в способах адсорбционного отделения мета-ксилола с использованием адсорбента, содержащего натриевый наноцеолит Y и индан в качестве десорбента. Индан является относительно слабым десорбентом по сравнению с другими ароматическими углеводородами. В связи с этим индан позволяет адсорбенту проявлять большую емкость по требуемому извлекаемому компоненту, а именно, мета-ксилолу. Комбинация адсорбента, содержащего натриевый наноцеолит Y с десорбентом, содержащим индан, не только приводит к более быстрому производственному циклу, но и также улучшает общую эффективность выделения требуемого мета-ксилола.
8
Обычный адсорбционный способ отделения, использующий адсорбенты, обсужденные выше, может быть выполнен непрерывно в условиях псевдодвижущегося слоя. Согласно этому осуществлению поток сырья C алкилароматических углеводородов, как описано выше, и поток десорбента непрерывно подают в стационарный слой адсорбента, в то время как экстракционный поток и поток рафината непрерывно удаляют из слоя.
В ходе работы в режиме псевдодвижущегося слоя или другого типа адсорбционного разделения, необходимо контролировать содержание воды в выходящем потоке, например, экстракционном потоке или потоке рафината, чтобы определять содержание воды или степень гидратации адсорбента. В случае необходимости, вода может быть добавлена к входящему потоку, например, потоку сырья и/или потоку десорбента, или непрерывно, или периодически, для поддержания требуемого уровня гидратации адсорбента (например, соответствующего потере веса при прокаливании 1,0-3,5%). Альтернативно, вода может быть добавлена для получения абсолютного содержания воды в экстракционном потоке и/или потоке рафината, например, 20-120 частей масс. на млн., соответствующего уровню гидратации этого адсорбента или другому требуемому уровню гидратации адсорбента.
Эти и другие аспекты и особенности, относящиеся к настоящему изобретению, очевидны из следующего детального описания.
Краткое описание чертежа
Фиг.1 представляет микрограф, полученный сканирующим электронным микроскопом (SEM), наноразмерных кристаллитов цеолита Y, в соответствии с описанием.
Осуществление изобретения
8
Как описано выше, изобретение относится к выделению мета-ксилола из смеси, содержащей, по меньшей мере, один другой C алкилароматический углеводород. Термин выделение относится к извлечению мета-ксилола в поток (например, поток продукта) или фракцию, обогащенную по мета-ксилолу (то есть содержание мета-ксилола выше первоначального содержания в смеси). Выделения достигают контактированием смеси с адсорбентом, содержащим натриевый цеолит Y со средним размером кристаллитов менее одного микрона, обычно в диапазоне 50-700 нанометров и часто в диапазоне 50-300 нанометров.
th
Структура цеолита Y была описана, и дополнительные ссылки приведены в Meier, W. М, et al. Atlas of Zeolite Structure Types (Атлас структурных типов цеолитов), 4 Ed., Elsevier: Boston, pp.62-63 and 104-105 (1996), а также US 4,940,830 и US 3,130,007. Состав и структура цеолита Y дополнительно обсуждаются в Breck, D. W., Zeolite Molecular Sieves: Structure, Chemistry, and Use (Цеолитные молекулярные сита: структура, химия, и применение); John Wiley & Sons: New York, pp.93, 97, and 177 (1974).). Мольное отношение диоксид кремния:оксид алюминия в структуре цеолита Y обычно составляет 4,0:1-6,5:1 и часто менее 5,5:1.
Наноразмерный цеолит Y со средним размером кристаллитов менее одного микрона (например, менее 700 нанометров, менее 500 нанометров, или менее 300 нанометров) синтезируют по методикам, описанным в публикации заявки US 2007/0224113, полностью включенной в описание ссылкой. Кристаллиты цеолита относятся к отдельным кристаллам в противоположность агрегированным кристаллам, которые обычно относят к частицам цеолита. Средний размер кристаллита может быть определен сканирующей электронной микроскопией (SEM) кристаллитов цеолита Y.
Обычно наноразмерные цеолиты, которые могут быть синтезированы, включают любой из цеолитов с составом, представленным эмпирической формулой:
x
1-x
2
(AlSi)O,
где Аl и Si являются элементами структуры в виде кислородных тетраэдров и значение "x" составляет от более 0 до 0,5. Определенные структурные типы цеолитов, которые могут быть получены, включают цеолит Y, а так же много других структурных типов цеолитов, включающих, но не ограниченных, цеолитом X, структурами типа BEA, FAU, MFI, MEL, MTW, MOR, LTL, LTA, EMT, ERI, FER, MAZ, MEI, TON и MWW. Одной необходимой частью процесса синтеза наноразмерного цеолита является инициатор. Инициатором является концентрированный раствор алюмосиликата с высоким рН, который может быть прозрачным или мутным и имеет состав, представленный эмпирической формулой:
2
3
2
2/m
2
АlО: a SiO: b МО: с НO
где значение "а" составляет 4-30, значение "b" составляет 4-30, и значение "с" составляет 50-500, "m" является валентностью М и имеет значение +1 или +2, и М является металлом, выбранным из группы, состоящей из щелочных металлов, щелочноземельных металлов и их смесей, предпочтительными металлами являются литий, натрий, калий и их смеси. Инициатор получают смешиванием реакционно-способных источников l, Si и М и воды.
Соответственно источники алюминия включают, но не ограничены, алкоксидами алюминия, осажденным оксидом алюминия, гидроксидом алюминия, солями алюминия и металлическим алюминием. Определенные примеры алкоксидов алюминия включают, но не ограничены ортовтор-бутоксидом алюминия и ортоизопропоксидом алюминия. Источники диоксид кремния включают, но не ограничены тетраэтилортосиликатом кремния, пирогенным диоксидом кремния, осажденным диоксидом кремния и коллоидным диоксидом кремния. Источники металлов М включают, но не ограничены галогенидами, нитратами, ацетатами и гидроксидами соответствующих щелочных или щелочноземельных металлов. Когда М является натрием, предпочтенными источниками являются алюминат натрия и силикат натрия. Алюминат натрия получают in situ, взаимодействием гиббсита с гидроксидом натрия. Как только инициатор сформирован, его состаривают при температуре 0-100°С в течение времени, достаточного для проявления инициатором эффекта Тидаля. Обычно время варьируется от 1 часа до 14 дней и предпочтительно от 12 часов до 10 дней.
Вторым компонентом процесса синтеза наноразмерного цеолита является реакционный раствор, в котором будет синтезирован требуемый цеолит. Состав этого раствора представлен эмпирической формулой:
2
3
2
2/m
2/p
2
АlO: d SiO: e MO: f RO: g НО
где значение "d" составляет 4-30, значение "e" составляет 4-30, значение "f" составляет 0-30 и значение "g" составляет 5-500, "р" является валентностью R и имеет значение +1 или +2, R является органоаммонийным катионом, выбранным из группы, состоящей из ионов четвертичного аммония, протонированных аминов, протонированных диаминов, протонированных алканоламинов, дичетвертичных ионов аммония, квартернизованных алканоламинов и их смесей; реакционный раствор формируют объединением реакционно-способных источников Al, Si, М и R и воды. Источники алюминия, кремния и М описаны выше, в то время как источники R включают, но не ограничены гидроксидными, хлоридными, бромидными, йодидными и фторидными соединениями. Определенные примеры включают без ограничения гидроксид этилтриметиламмония (ЕТМАОН), гидроксид диэтилдиметиламмония (DEDMAOH), гидроксид пропилэтилдиметиламмония (PEDMAOH), гидроксид триметилпропиламмония, гидроксид триметилбутиламмония (ТМВАОН), гидроксид тетраэтиламмония, бромид гексаметония, хлорид тетраметиламмония, гидроксид N,N,N,N',N',N'-гексаметил-1,4-бутандиаммония и гидроксид метилтриэтиламмония. Источником 'R также могут быть нейтральные амины, диамины и алканоламины. Определенными примерами являются триэтаноламин, триэтиламин и N,N,N',N' тетраметил-1,6-гександиамин.
Реакционную смесь далее формируют смешиванием инициатора и реакционного раствора. Обычно инициатор медленно добавляют к реакционному раствору и перемешивают в течение некоторого времени для обеспечения однородности. Полученную реакционную смесь далее загружают в автоклав и проводят реакцию под автогенным давлением при температуре 25-200°С в течение от 1 часа до 40 дней. Реакция может быть проведена с перемешиванием или без перемешивания. После завершения реакции твердый цеолит отделяют от реакционной смеси средствами, известными из уровня техники, такими как фильтрация или центрифугирование, промывают деионизированной водой и высушивают на воздухе при температуре до 100°С.
Обмениваемые катионы М и R могут быть обменены на другие требуемые катионы и в случае R могут быть удалены нагревом для создания водородной формы наноразмерных цеолитов. Эти цеолиты могут быть использованы в различных способах конверсии углеводородов или как адсорбенты. Фиг.1 представляет микрограф, полученный сканирующей электронной микроскопией (SEM), образца кристаллитов наноразмерного цеолита Y, полученных по методикам, описанным выше. Как показано на этом изображении, репрезентативные геометрические размеры или размеры кристаллитов, полученных по методике синтеза, составляют 575,6 нм, 199,1 нм, 116,7 нм и 335,0 нм, со средним размером кристаллитов в диапазонах, описанных выше.
Наноразмерный цеолит, полученный, как описано выше, и в частности, наноразмерный цеолит Y, может быть в натриевой форме или может быть превращен в натриевую форму (натриевый наноцеолит Y) использованием известных методов ионного обмена. Например, наноразмерный цеолит Y синтезированный, по меньшей мере, с некоторыми из его ионообменных центров в форме иона аммония, может быть погружен в раствор хлорида натрия (например, содержащим 1-10 мас.% NaCl) на время и при температуре (например, 0,5-10 ч при 20-125°С), что может вызвать по существу полный ионный обмен или замену ионов аммония ионами натрия. Фильтрация цеолита, удаление из раствора и повторное погружение в новый раствор могут быть повторены многократно, пока требуемая степень обмена не будет достигнута. Обычно у натриевого наноцеолита Y, используемого в адсорбентах, описанных в изобретении, по меньшей мере, 95% его ионообменных центров обменены на натрий. Обычно ионы других металлов не занимают ионообменные участки в количестве, приводящем к изменению адсорбционных свойств цеолита.
При необходимости незначительная часть ионообменных участков (например, 5-15%) наноразмерного цеолита Y может быть замещена ионами лития. Это может быть выполнено, например, начиная с натриевого наноцеолита Y, полученного, как описано выше, проведением обмена с использованием раствора с ионами лития для замены 5-15 мол.% ионов натрия на ионы лития.
Как правило, кристаллиты натриевого наноцеолита Y объединены с подходящим связующим (например, аморфная неорганическая матрица, такая как глина, оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид циркония или их смеси) в адсорбирующие частицы значительно большего размера (например, в диапазоне сита номер 16-60 по американскому стандарту) для использования в адсорбционном разделении. Глина, содержащая и диоксид кремния и оксид алюминия (например, минугель глина), является обычным материалом нецеолитного, аморфного связующего адсорбента, который присутствует в гомогенной смеси с кристаллитами цеолита. Это связующее или материал матрицы могут быть дополнением способа производства цеолита (например, от преднамеренно неполной очистки цеолита при его изготовлении), или оно может быть добавлено к относительно чистому цеолиту. Так или иначе, обычная функция связующего состоит в содействии преобразования кристаллитов наноразмерного цеолита в твердые частицы адсорбента, такие как экструдаты, агрегаты, таблетки, макросферы или гранулы, с требуемым диапазоном размера частиц.
Цеолит обычно присутствует в частицах адсорбента в количестве 75-95%, относительно массы композиции адсорбента без летучих компонентов. Композиции без летучих компонентов получают кальцинацией адсорбента, например, при 900°С.
8
Специалисты в данной области техники знают, что на характеристики адсорбента (например, чистота мета-ксилола и извлечение в экстракционный поток) влияют многие параметры способа, включая эксплуатационные режимы, состав потока сырья, содержание воды и тип, и композиция десорбента. В связи с этим оптимальная композиция адсорбента зависит от многих взаимосвязанных переменных. Обычно способы адсорбционного отделения мета-ксилола от смеси, содержащей, по меньшей мере, один другой С алкилароматический углеводород, как описано в изобретении, позволяют достичь высокой чистоты мета-ксилола (например, по меньшей мере, 99 мас.% или даже, по меньшей мере, 99,5 мас.%) в экстракционном потоке продукта с высоким общим извлечением мета-ксилола из потока сырья (например, по меньшей мере, 90%, по меньшей мере, 92% или даже, по меньшей мере, 95%).
Одним фактором, связанным с общей характеристикой адсорбента, является содержание в нем воды, которое может быть определено тестом потери при прокаливании (LOI), который определяет изменение веса, полученное высушиванием образца неиспользованного адсорбента при 500°С в токе инертного газа, такого как азот, за время (например, 2 часа), достаточное для достижения постоянного веса. Образец сначала кондиционируют при 350°С в течение 2 часов. Процент потери веса относительно начального веса образца является LOI при 500°С. LOI в 1,0-3,5 мас.% обычно является необходимым для адсорбентов, включающих натриевый наноцеолит Y. Для контроля LOI адсорбента в ходе адсорбционного разделения, может быть необходимо определить содержание воды подходящего выходящего потока такого процесса, например потока рафината и/или экстракционного потока. Кроме того, LOI адсорбента может регулироваться или поддерживаться, при необходимости, непрерывным или периодическим добавлением или впрыском воды в подходящий входящий поток, например, поток сырья или поток десорбента. Согласно одному обычному осуществлению LOI адсорбента обеспечивают контролем содержания воды в экстракционном потоке и/или потоке рафината. Например, характерный диапазон содержания воды в одном или в этих обоих потоках, соответствующий необходимому LOI адсорбента, составляет 20-120 мас. част. на млн. Часто необходимое содержание воды в одном или в этих обоих выходящих потоках составляет 40-80 мас. част. на млн. Вода может быть добавлена или к потоку сырья, или к потоку десорбента, как описано выше, непрерывно или периодическим впрыском для поддержания определенного содержания воды в экстракционном потоке, потоке рафината или в обоих потоках.
Считается, что LOI является косвенным или относительным показателем уровня гидратации адсорбента (или содержания воды), поскольку другие летучие компоненты (например, органические материалы) также удаляются в ходе анализа. В связи с этим, необходимое содержание воды в адсорбенте просто соответствует LOI 1,0-3,5 мас.%, определенной, как описано выше. В случае необходимости, абсолютное количество воды в образце цеолитного адсорбента может быть определено известными аналитическими методами, такими как метод Карла Фишера (ASTM D1364).
8
2
2
2
Хотя адсорбционное отделение мета-ксилола от другого C алкилароматического соединения может быть проведено или в жидкой фазе, или в паровой фазе, преобладающим использованием является работа в жидкой фазе. Условия адсорбции могут включать диапазон температур 60-250°С, и часто 120-150°С. Условия адсорбции также могут включать диапазон давления от атмосферного до 600 фунт/дюйм, с обычным давлением 1 бар (15 фунт/дюйм) - 40 бар (580 фунт/дюйм). Условия десорбции часто включают по существу те же температуру и давление, что используется для адсорбции.
8
8
8
Выделение мета-ксилола выполняют контактированием смеси мета-ксилола и, по меньшей мере, одного другого C алкилароматического углеводорода с адсорбентом, и в условиях адсорбции, которые описаны выше. Например, поток сырья, содержащий смесь C алкилароматических углеводородов, можно приводить в контакт со слоем адсорбента для селективной адсорбции, с получением в адсорбированной фазе, предпочтительно мета-ксилола по отношении к орто-ксилолу, пара-ксилолу и этилбензолу. Эти другие C алкилароматические компоненты потока сырья могут селективно проходить через зону адсорбции как несорбированная фаза.
8
8
8
Потоки сырья, содержащие смеси C алкилароматических углеводородов, могут быть выделены из различных технологических потоков нефтеперегонного завода (например, продукт риформинга), включая продукты сепарационных установок. Также разделение не является полным и рассчитано на то, что сырье содержит ограниченное количество (например, менее 5 мол.%, и часто менее 2 мол.%) других соединений, таких как С алкилароматические углеводороды. В большинстве случаев сырье в основном будет C алкилароматическими углеводородами и содержать в общей сложности менее 10 мол.%, обычно менее 5 мол.%, и в некоторых случаях менее 1 мол.% других типов соединений. В одном типе разделения, после достижения сорбционной емкости адсорбента, входящий поток сырья к адсорбенту останавливают, и затем сорбционную зону промывают для прекращения контакта несорбированной фазы, первоначально окружающей адсорбент, с адсорбентом. Адсорбированная фаза, обогащенная требуемым мета-ксилолом, затем может быть десорбирована из пор адсорбента, обработкой адсорбента десорбентом, обычно включающим циклический углеводород (например, ароматический углеводород), такой как толуол, бензол, индан или их смеси. Этот же десорбент обычно используют и для (i), смывки несорбированной фазы в поток рафината, включающий десорбент, и для (ii) выделения адсорбированной фазы в экстракционный поток, также содержащий десорбент. В связи с тем, что экстракционный поток содержит адсорбированную фазу, которая обогащена по мета-ксилолу, экстракционный поток также будет обогащен по мета-ксилолу, относительно потока сырья без учета десорбента.
В соответствии с использованием в описании "поток сырья" является смесью, содержащей требуемый извлекаемый компонент (мета-ксилол) и один или более компонентов рафината, которые будут отделены адсорбцией. Термин "сырьевая смесь" (включая "компоненты сырьевой смеси") включает компоненты экстракционного потока рафината, такие как смесь ксилолов (орто-ксилол, мета-ксилол и пара-ксилол, как описано выше) и этилбензол. Поток сырья является входящим потоком по отношению к адсорбенту (в форме одного или более слоев адсорбента) используемому в способе. Термин "извлекаемый компонент "означает соединение или класс соединений, которые селективно адсорбируются адсорбентом. "Компонент рафината" является соединением или классом соединений, которые адсорбируются менее селективно (или селективно отделяются). "Десорбент" обычно является любым материалом, способным к выделению извлекаемого компонента из адсорбента, и "поток десорбента" является выходящим потоком по отношению к адсорбенту, и содержит десорбент. "Поток рафината" является выходящим потоком по отношению к адсорбенту, из которого удаляют рафинат. Состав потока рафината может меняться по существу от 100% десорбента до по существу 100% компонентов рафината, с незначительным количеством одного или более извлекаемых компонентов. "Экстракционный поток" является выходящим потоком по отношению к адсорбенту, из которого удаляют извлекаемый компонент. Состав экстракционного потока может меняться от по существу 100% десорбента до по существу 100% извлекаемых компонентов, с незначительным количеством одного или более компонентов рафината.
Как правило, по меньшей мере, некоторую часть экстракционного потока и потока рафината очищают (например, дистилляцией) для удаления десорбента и получения таким образом потока извлекаемого продукта и потока продукта рафината. "Поток извлекаемого продукта" и "поток рафината" относится к продуктам, полученным адсорбционным разделением, и содержит, соответственно, извлекаемый компонент и компонент рафината в более высокой концентрации, чем в экстракционном потоке и потоке рафината соответственно и также в более высокой концентрации, чем в потоке сырья.
Сорбционная емкость адсорбента по извлекаемому компоненту является важной характеристикой, поскольку повышенная емкость позволяет снизить количество адсорбента (и, следовательно, стоимость), необходимого для отделения извлекаемого компонента из определенного количества сырьевой смеси. Хорошая начальная емкость по извлекаемому компоненту, так же как полная сорбционная емкость, должна поддерживаться во время фактического использования в адсорбционном способе отделения свыше экономически требуемого срока службы.
Скорость обмена извлекаемого компонента (мета-ксилол) с десорбентом обычно может характеризоваться шириной огибающей пика на полувысоте, построением кривых зависимости состава элюента в сорбционной зоне, полученных во время импульсного теста, от времени. Чем уже ширина пика, тем выше скорость десорбции. Скорость десорбции также может характеризоваться расстоянием между центром огибающей пика индикатора и точкой исчезновения извлекаемого компонента, который только что был десорбирован. Это расстояние зависит от времени и таким образом определяет объем десорбента, использованного за этот период времени. Индикатором обычно является относительно несорбируемое соединение, которое проходит по сорбционной колонке быстрее, чем разделяемые материалы.
Скорость, с которой один ингредиент смеси входит и выходит из слоя адсорбента, также может быть представлена как количество по отношению к времени стадии. Время стадии вычисляют по полуширине пика компонента и оно служит для корректировки измерений в других случаях, основанных на эффективном удерживаемом объеме индивидуальных веществ. Расчет времени стадии описан в "Principles of Adsorption and Adsorption Processes (Принципы адсорбции и адсорбционных процессов)" by Douglas M. Ruthven, published by John Wiley & Sons, 1984". Более короткое время стадии не указывает, что у компонента более короткое время нахождения в адсорбционной зоне.
Время стадии, однако, является точным указанием количества адсорбента, необходимого для выполнения данного разделения. Короткое время стадии необходимо для любой системы, предназначенной для коммерциализации, и поэтому привлекает большие инвестиции для завода, оборудования, адсорбента и т.д. Чрезмерно высокое время стадии делает рентабельное разделение с псевдодвижущимся слоем коммерчески невыгодным, в случае, если для него существует практическая альтернатива.
Селективность ((3), по извлекаемому компоненту относительно компонента рафината может характеризоваться отношением расстояния между центром огибающей пика извлекаемого компонента и огибающей пика индикатора (или другой реперной точкой) к соответствующему расстоянию между центром огибающей пика компонента рафината и огибающей пика индикатора. Селективность соответствует отношению двух компонентов в адсорбированной фазе, разделенному на отношение тех же двух компонентов в несорбированной фазе в условиях равновесия. Селективность может быть рассчитана как:
A
A
U
u
Селективность = (мас.% С/ мас.% D)/(мас.% С/ мас.% D)
где С и D - два компонента сырьевой смеси, представленные массовыми процентами, и подстрочные индексы А и U представляют сорбированные и несорбированные фазы, соответственно. Условия равновесия наступают, когда сырье, проходящее по слою адсорбента, не изменяет состав, другими словами, когда отсутствует фактическая массопередача, происходящая между несорбированными и сорбированными фазами. В вышеуказанном уравнении, селективность более 1,0 указывает на предпочтительную адсорбцию компонента С. Наоборот, селективность менее 1,0 указывает, что компонент D предпочтительно адсорбируется, оставляя несорбированную фазу обогащенной по компоненту С и адсорбированную фазу, более богатой по компоненту D.
При селективности двух компонентов, близкой к 1,0, отсутствует предпочтительная адсорбция одного компонента относительно другого (то есть они оба адсорбируются приблизительно в той же степени друг относительно друга). Чем больше селективность отклоняется от 1,0, тем больше предпочтительная адсорбция одного компонента относительно другого. Селективность может быть выражена не только для одного соединения потока сырья относительно другого (например, селективность мета-ксилола по пара-ксилолу), но также может быть выражена между любым соединением потока сырья и десорбентом (например, селективность мета-ксилола по толуолу).
Хотя выделение извлекаемого компонента из рафината теоретически возможно при селективности адсорбции извлекаемого компонента по рафинату только немного более 1 по экономическим соображениям, предпочтительно, чтобы эта селективность составляла, по меньшей мере, 2. Аналогично относительной испаряемости компонента в смеси для ректификации, чем выше селективность, тем легче осуществлять адсорбционное разделение. Более высокая селективность непосредственно позволяет использовать меньшее количество адсорбента, так же, как более высокие относительные испаряемости компонента в смеси требуют меньшего числа теоретических тарелок ректификации (и меньшую колонну) для проведения заданного разделения ректификацией для данного сырья.
Десорбент для адсорбционного процесса разделения должен быть выбран так, чтобы удовлетворять нескольким критериям. Десорбент должен идеально замещать извлекаемый компонент из адсорбента с приемлемой массовой скоростью потока, без собственной прочной адсорбции, препятствующей замещению десорбента извлекаемым компонентом на следующем цикле адсорбции. В отношении селективности предпочтительно, чтобы адсорбент был более селективным по извлекаемому компоненту относительно рафината, чем по десорбенту относительно рафината. Кроме того, десорбент должен быть совместимым с адсорбентом так же, как с сырьевой смесью. В частности, десорбент не должен ухудшать требуемую селективность адсорбента по извлекаемому компоненту относительно рафината. Кроме того, десорбент должен быть по существу химически инертным относительно извлекаемого компонента и рафината, поскольку и экстракционный поток, и поток рафината обычно удаляются из адсорбента в смеси с десорбентом. Любая химическая реакция, включающая десорбент и извлекаемый компонент или рафинат, усложнили бы или возможно ограничили бы извлечение продукта.
В связи с этим эксплуатационным параметром, учитываемым для десорбента, является его скорость обмена с извлекаемым компонентом сырья или, другими словами, относительная скорость десорбции извлекаемого компонента. Этот параметр непосредственно относится к количеству десорбента, который должен быть использован в адсорбционном процессе разделения для выделения извлекаемого компонента из адсорбента. Более быстрый обмен снижает количество необходимого десорбента и поэтому уменьшает эксплуатационные расходы, связанные с большими технологическими потоками, содержащими десорбент, включая выделение и возвращение в цикл десорбента из этих потоков. Селективность десорбента, равная 1 или немного ниже по извлекаемому компоненту, гарантирует, что весь извлекаемый компонент выделяется с приемлемым расходом десорбента и также, что извлекаемые компоненты могут заместить десорбент в последующей стадии адсорбции. В качестве заключительного замечания, десорбент обычно должен быть легкодоступным и обладает приемлемой стоимостью.
В процессах сорбционного выделения мета-ксилола с использованием адсорбента, содержащего натриевый наноцеолит Y, в соответствии с изобретением, определенные эксплуатационные преимущества достигаются при использовании потока десорбента, содрежащего индан. Комбинация натриевого наноцеолита Y и индана в качестве десорбента приводит к очень эффективному разделению из-за повышенного массопереноса и более короткого времени цикла, связанного с адсорбентом, вместе с подходящей скоростью обмена индана с мета-ксилолом, что приводит к вышеописанным преимуществам. Относительно слабая адсорбция индана, по сравнению с другими ароматическими десорбентами, приводит к соответственно более быстрой десорбции мета-ксилола (то есть более острый пик десорбции) и, следовательно, улучшению эффективности отделения мета-ксилола. Для работы в псевдодвижущемся слое, как описано более подробно далее, характеристики десорбции индана приводят к снижению образования "хвостов" (образование размытых фронтов) или загрязнению экстракционного потока компонентами (например, орто-ксилолом) "хвоста" пика рафината.
8
Кроме того, поскольку и поток рафината, и экстракционный поток обычно содержат десорбент, десорбент также должен легко отделяться от смеси компонентов экстракционного потока и рафината, находящихся в потоке сырья. Без способа отделения десорбента в экстракционном потоке и потоке рафината, концентрация извлекаемого компонента в экстракционном потоке и концентрация компонентов рафината не были бы коммерчески приемлемыми, и при этом десорбент не был бы доступен для повторного использования в процессе. Поэтому, по меньшей мере, часть десорбента обычно извлекают из экстракционного потока и потока рафината адсорбционного процесса разделения ректификацией или испарением, хотя другие способы разделения, такие как обратный осмос, также могли быть использованы отдельно или в комбинации с ректификацией или испарением. В этом отношении, десорбент индан является "тяжелым" десорбентом, который легко отделяется как кубовый остаток ректификации C алкилароматических углеводородов в экстракционном потоке и потоке рафината адсорбционного процесса выделения мета-ксилола. Нормальная точка кипения индана, 176,5°С, выше на 30°С, чем самого высококипящего ксилола (орто-ксилол).
3
"Импульсный тест" может быть использован для проверки адсорбентов определенной сырьевой смесью и десорбентом для определения таких адсорбционных свойств, как сорбционная емкость, селективность, разрешение и скорость обмена. Основной аппарат импульсного теста включает трубчатую колонку с адсорбентом объемом 70 кубических сантиметров (см) с вводом и выводом в противоположных концах колонки. Колонка оборудована для работы при постоянных заданных температуре и давлении.
Оборудование для количественного и качественного анализа, такое как рефрактометры, поляриметры и хроматографы, может быть подсоединено к выходной линии резервуара и использовано для количественного и/или качественного определения одного или более компонентов в выходящем потоке из колонки с адсорбентом. Во время импульсного теста адсорбент сначала заполняют до равновесия определенным десорбентом, подавая десорбент через колонку с адсорбентом. Некоторый объем сырьевой смеси, которая может быть разбавлена десорбентом, затем впрыскивают в течение одной или более минут. Возобновляют поток десорбента и компоненты сырьевой смеси элюируют как в жидкостно-твердофазной хроматографии. Элюент может быть проанализирован непрерывно в потоке или, альтернативно, образцы элюента могут периодически собираться и анализироваться отдельно (офлайн) и график огибающих соответствующих пиков концентрации компонентов строят в зависимости от количества элюента.
Информация, полученная из импульсного теста, может быть использована для определения свободного объема адсорбента, объема удерживания извлекаемого компонента или рафината, селективности одного компонента относительно другого, времени стадии разрешения по компонентам и скорости десорбции извлекаемого компонента десорбентом. Объем удерживания извлекаемого компонента или рафината может быть определен по расстоянию между центром огибающей пика извлекаемого компонента или рафината и огибающей пика компонента индикатора или некоторого другого известного стандарта. Он выражается объемом в кубических сантиметрах десорбента, прокачанного за интервал времени, соответствующий расстоянию между огибающими пиков.
Объемы удерживания хороших возможных систем находятся в пределах диапазона, установленного экстраполяцией на промышленные установки. Очень низкий объем удерживания указывает, что разделение между этими двумя компонентами незначительно (то есть один компонент не достаточно сильно адсорбируется). Большие объемы удерживания извлекаемого компонента указывают, что десорбент с трудом удаляет удерживаемый извлекаемый компонент. В соответствии с импульсным тестом, описанным выше, обычно требуемые объемы удерживания составляют 30-90 кубических сантиметров.
Обычные аппараты, применяемые при контактировании жидкая-твердая фаза с неподвижным слоем, могут быть использованы в процессах адсорбционного разделения, включающего адсорбент, содержащий натриевый наноцеолит Y, как описано выше. Адсорбент может быть использован в форме одного стационарного слоя, который поочередно контактирует с потоком сырья и потоком десорбента. Адсорбент может использоваться в виде единственного неподвижного слоя, на котором поочередно проводятся стадии адсорбции и десорбции в дискретном (например, периодическом) процессе. Также возможен режим работы со сменными слоями, при котором несколько слоев периодически используются для данной операции или стадии. Альтернативно, набор двух или более неподвижных слоев может быть использован с соответствующими линиями/клапанами для обеспечения непрерывного прохода потока сырья через любой из неподвижных слоев адсорбента, в то время как поток десорбента подают на один или более других слоев набора. Подача потока сырья и десорбента может быть осуществлена или вверх, или вниз через адсорбент.
Режим движущегося в противотоке слоя обеспечивает другой возможный режим работы, в котором может быть достигнут стационарный профиль концентрации компонентов сырьевой смеси, обеспечивающий непрерывную работу со стационарными точками ввода потока сырья и потока десорбента, а так же вывода экстракционного потока и потока рафината. Движущийся в противотоке слой или системы псевдодвижущихся в противотоке слоев имеют значительно большую эффективность разделения, чем системы со стационарным адсорбентом, и поэтому очень часто используются в промышленном адсорбционном разделении. В процессе с псевдодвижущимся слоем адсорбцию и десорбцию выполняют непрерывно в псевдодвижущимся слое, обеспечивая и непрерывное получение (вывод) экстракционного потока и потока рафината (оба выходящие потоки), и непрерывное использование (ввод) потока сырья и потока десорбента (оба входные потоки).
Принципы работы и последовательность стадий проточной системы с псевдодвижущимся слоем описаны в US 2,985,589, US 3,310,486 и US 4,385,993, включенные в описание ссылкой в отношении раскрытия в них проточной системы с псевдодвижущимся слоем. В таких системах существует постепенное движение нескольких точек ввода вдоль колонки с адсорбентом, которое моделирует движение адсорбента (движение по отношению к точкам ввода жидкости), содержащегося в одном или более колонках. Обычно только четыре из многих (16-24 или больше) подающих линий колонки(ок) работают одновременно и передают: поток сырья, поток десорбента, поток рафината и экстракционный поток. Совмещенное с этим имитируемое движение (например, движение вверх) твердого адсорбента является движением (например, движение вниз) среды, заполняющей свободный объем слоя адсорбента. Циркуляция потока этой среды (например, жидкости) может поддерживаться с использованием насоса. Поскольку при циклической работе точки ввода жидкости перемещаются сверху вниз по колонке, циркуляционный насос колонки обеспечивает различный расход.
Запрограммированный регулятор расхода может входить в состав установки и регулировать этот расход.
Активные точки ввода эффективно делят колонку с адсорбентом на отдельные зоны, у каждой из которых различная функция. Обычно имеется три рабочие зоны для осуществления процесса, хотя, в некоторых случаях, используется дополнительная четвертая рабочая зона. Число зон, используемых в следующем описании процесса с псевдодвижущимся слоем, соответствует представленным в US 3,392,113 и US 4,475,954, также включенных в описание ссылкой в отношении раскрытия в них функционирования псевдодвижущегося слоя.
Адсорбционная зона (зона 1) определяется как часть адсорбента, расположенная между вводом потока сырья и выходом потока рафината. В этой зоне сырьевая смесь контактирует с адсорбентом, извлекаемый компонент сорбируется, и поток рафината удаляется. Общий поток через зону 1 состоит из потока сырья, который входит в зону и потока рафината, который выходит из зоны, и обычно подразумевается, что поток в этой зоне проходит по направлению от ввода потока сырья к выводу потока рафината.
Непосредственно перед зоной 1, по ходу потока в зоне 1 находится зона очистки (зона 2). Зона очистки определяется как часть адсорбента между выводом экстракционного потока и вводом потока сырья. Основными операциями в этой зоне являются замещение в неселективном свободном объеме адсорбента всех компонентов рафината, попавших в зону 2, и десорбция всех компонентов рафината, сорбированных в селективном поровом объеме адсорбента или сорбированных поверхностью частиц адсорбента. Очистка достигается проходом части экстракционного потока, проходящего из зоны 3 в зону 2 на ее верхней границе, выводом экстракционного потока, для проведения замещения компонентов рафината. Поток в зоне 2 течет вниз от вывода экстракционного потока до ввода потока сырья. Затем этот материал соединяется с потоком сырья и протекает через зону 1.
Непосредственно перед зоной 2, по ходу потока среды в зоне 2, находится зона десорбции (зона 3). Зона десорбции определяется как часть адсорбента между вводом потока десорбента и выводом экстракционного потока. Функция зоны десорбции состоит в обеспечении замещения десорбентом, который входит в эту зону, извлекаемого компонента, который был сорбирован адсорбентом во время предыдущего контакта с сырьевой смесью в зоне 1, в предшествующем цикле операции. Поток среды в зоне 3 по существу идет в том же направлении, что в зонах 1 и 2.
В некоторых случаях может быть использована дополнительная буферная зона (зона 4). Эта зона определяется как часть адсорбента между выводом потока рафината и вводом потока десорбента, если она используется, и расположена непосредственно перед зоной 3 по ходу потока среды в зоне 3. Зона 4 может быть использована для стабилизации количества десорбента, необходимого для десорбции, так как часть потока рафината, который удаляют из зоны 1, можно подать в зону 4, чтобы переместить десорбент из этой зоны в зону десорбции. Зона 4 будет содержать достаточно адсорбента для того, чтобы можно было предотвратить вхождение в зону 3 компонентов рафината, находящихся в потоке рафината, проходящем из зоны 1 в зону 4, которые могут загрязнить экстракционный поток, выводимый из зоны 3. Если четвертая рабочая зона не используется, поток рафината прошедший из зоны 1 в зону 4, должен тщательно контролироваться, чтобы поток, протекающий из зоны 1 непосредственно в зону 3, мог быть остановлен, когда заметное количество компонентов рафината, которые присутствуют в потоке рафината, проходящем из зоны 1 в зону 3, не загрязняет выходящий экстракционный поток.
Циклическое движение входящих (сырье и десорбент) потоков и выходящих (экстракционный и рафината) потоков через один или более стационарных слоев адсорбента для обеспечения непрерывного процесса, выполняемого в псевдодвижущемся слое, может быть достигнуто с использованием системы линий, в которой клапанами в системе управляют так, чтобы производить переключение входящих и выходящих потоков, обеспечивая таким образом поток среды относительно твердого адсорбента, имитирующей противоток. Другой режим работы, который может имитировать противоток твердого адсорбента, включает использование поворотного клапана, в котором входящие и выходящие потоки каждый направляются клапаном к одной из многих линий, связанных с колонкой с адсорбентом, и посредством которого место, в котором входящий поток сырья, выходящий экстракционный поток, входящий поток десорбента и выходящий поток рафината, вводятся или выводятся из колонки, перемещается в том же направлении вдоль слоя адсорбента. И система линий, и поворотный дисковый клапан известны из уровня техники. Устройство с многоходовым клапаном подробно описано в US 4,434,051. Поворотные дисковые клапаны, которые могут быть использованы на этой операции, описаны в US 3,040,777, US 4,632,149, US 4,614,204 и US 3,422,848. Эти патенты раскрывают клапан поворотного типа, в котором может быть легко осуществлено подходящее движение различных входящих и выходящих потоков из стационарных источников.
Во многих случаях одна рабочая зона процесса псевдодвижущегося слоя будет содержать намного большее количество адсорбента, чем другая рабочая зона. Например, в некоторых операциях буферная зона может содержать незначительное количество адсорбента по сравнению с адсорбентом, присутствующим в зонах очистки и адсорбции. В качестве другого примера, в случаях, когда используется десорбент, который легко десорбирует извлекаемый компонент с адсорбента, будет необходимо относительно небольшое количество адсорбента в зоне десорбции, по сравнению с адсорбентом, необходимым в буферной зоне, зоне адсорбции, зоне очистки или во всех этих зонах. Кроме того, не требуется, чтобы адсорбент находился в одной колонке или сосуде, и часто используются две сорбционные колонки (например, каждая, снабженная 12 входящими линиями). Также предусмотрены дополнительные колонки.
Обычно, по меньшей мере, часть выходящего экстракционного потока направляют на разделение, например, в ректификационную колонну для извлечения части десорбента (например, для возврата в цикл в адсорбционный процесс разделения в качестве рециркуляционного потока десорбента) и получения очищенного экстракционного потока продукта (например, содержащего пониженное количество десорбента). Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть потока рафината также подавалась на процесс разделения для извлечения другой части десорбента (например, также для возврата в цикл в адсорбционный процесс разделения) и потока продукта рафината (например, также содержащего пониженную концентрацию десорбента). В крупномасштабных нефтехимических установках по существу весь десорбент извлекают для повторного использования. Конструкция ректификационных установок для его извлечения будет зависеть от разделяемых материалов, состава десорбента и т.д.
Другим типом системы псевдодвижущегося слоя, подходящей для использования в адсорбционных процессах разделения, описанных выше, является прямоточная система с псевдодвижущимся слоем высокой производительности, описанная в US 4,402,832 и US 4,478,721, включенных ссылкой в описание относительно раскрытого в них альтернативного режима работы. Преимуществом этого процесса является энергоэффективность и снижение капитальных затрат, в случаях, когда продукты немного более низкой чистоты являются приемлемыми для производителя.
Масштаб установки адсорбционного разделения для очистки мета-ксилола может меняться от пилотной (см., например, US 3,706,812) до установки промышленного масштаба и может давать выход продукта от всего нескольких миллилитров в час до многих сотен кубических метров в час.
В целом, положения изобретения направлены на использование уникальных свойств натриевого наноцеолита Y в адсорбционном разделении и, в частности, в промышленном применении псевдодвижущегося слоя. Принимая во внимание настоящее раскрытие, видны преимущества, которые достигнуты, и те, которые могут быть получены дополнительно. Специалисты в данной области техники, ознакомившись с настоящим раскрытием, признают, что возможны различные изменения в композициях вышеуказанных адсорбентов и в способах с использованием этих композиций, не выходящих за рамки объема притязаний настоящего раскрытия. Химические процессы, механизмы, способы взаимодействия и т.д., используемые для объяснения теоретических или наблюдаемых явлений или результатов, следует интерпретировать только как иллюстративные и не ограничивающие любым образом объем притязаний прилагаемой формулы изобретения.
Следующие примеры представлены в качестве образца настоящего изобретения. Эти примеры не должны рассматриваться как ограничение объема притязаний изобретения, поскольку эти и другие эквивалентные осуществления являются очевидными, принимая во внимание настоящее раскрытие и прилагаемую формулу изобретения.
Пример 1
Синтез наноразмерного цеолита Y
2
2
Контейнер, содержащий 1784 г 50 мас.%. раствора NaOH, нагревают и в него добавляют 313 г оксида алюминия в виде гиббсита. Контейнер прекращают нагревать и в него добавляют 2206,6 г деионизированной воды (DI-НО) и раствор алюмината натрия, охлаждают до комнатной температуры. В отдельном контейнере 2206,6 г DI-HO добавляют к 6604 г силиката натрия и при перемешивании добавляют раствор алюмината натрия. Полученный инициатор состаривают в течение ночи при 50°С. Эмпирическая формула инициатора:
2
3
2
2
2
АlO: 16 SiO: 16 NaO: 238 HO.
Реакционный раствор готовят смешением тетраэтилортосиликата (TEOS) с три-втор-бутоксидом алюминия и гидроксидом диэтилдиметиламмония (DEDMA) для получения реакционного раствора с эмпирической формулой:
2
3
2
2
АlO: 10,26 SiO: 2,74 (DEDMA)20: 230 HO
Инициатор медленно добавляют к реакционному раствору при перемешивании. Полученную реакционную смесь перемешивают, переносят в автоклав, где она реагирует при 100°С в течение 4 дней. После охлаждения до комнатной температуры цеолит Y отделяют от жидкости центрифугированием, промывают и высушивают. Si/Al цеолита Y составляет 3,1 и средний размер кристаллитов менее 200 нанометров.
Пример 2
Получение натриевого наноцеолита Y ионным обменом
Образец наноразмерного цеолита Y, полученный в примере 1, в аммонийной форме подвергают ионному обмену с ионами натрия с заданным отношением обмена 1 грамм NaCl на грамм цеолита Y с использованием 6 мас.% раствора NaCl.
2
2
2
2
1
В 2 литровом стеклянном стакане растворяют 35 граммов NaCl в 548,3 грамма DI-HO для получения раствора для ионного обмена на натрий. 35 граммов образца наноразмерного цеолита Y добавляют к этому раствору при перемешивании на плитке с перемешиванием/нагревом. Температуру получаемой суспензии повышают до 75°С и выдерживают в течение 1-1/ часов с непрерывным перемешиванием. Затем стакан, содержащий суспензию, снимают с плитки с перемешиванием/нагревом, и суспензию отфильтровывают на воронке Бюхнера на фильтровальной бумаге. Собранный осадок на фильтре промывают 1 литром DI-НО. Промытый осадок на фильтре добавляют к свежеприготовленному раствору для ионного обмена на натрий (6 мас.% NaCl), как описано выше, чтобы снова сформировать суспензию и выполнить вторую стадию ионного обмена на натрий, при условиях температура/время/перемешивание, как описано выше. Третью стадию ионного обмена на натрий выполняют на наноразмерном цеолите Y, после которой полученный осадок на фильтре промывают три раза DI-НО, переносят в емкость для высушивания и высушивают при 100°С в течение ночи.
2
2
3
На образце полученного натриевого наноцеолита Y проводят элементный анализ (ICP) и LOI тест, как описано выше. Образец содержит 30,2 мас.% Si, 12,1 мас.% Аl и 9,8 мас.% Na и LOI составляет 8,23%. На основе элементного анализа у натриевого наноцеолита Y мольное отношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SiO/АlО) составляет 4,8 (мольное отношение Si/Al=2,4) и мольное отношение Na/Al=0,95.
Пример 3
Получение адсорбента, содержащего нанонатриевый цеолит Y
В лабораторную мельницу загружают 86,5 грамма натриевого наноцеолита Y, полученного, как описано в примере 2. 8,1 грамма связующего в виде минугель глины, вместе с 1,5 грамма кристаллической метилцеллюлозы и 2,5 грамма DISPEX™ N-40 также добавляют в мельницу. Эти сухие компоненты смешивают в мельнице в течение 20 минут. 35,6 грамма воды добавляют в мельницу и смешивание продолжают в течение 30 минут. Несколько граммов воды дополнительно добавляют для получения легко экструдируемого теста. Затем тесто экструдируют через фильеру диаметром 0,063 дюйма поршневым экструдером. Полученный экструдат высушивают при 100°С в течение 2 часов. Высушенный экструдат кальцинируют нагреванием до 300°С один час, выдерживанием при 300°С в течение одного часа, нагреванием до 550°С один час, и выдерживанием при 550°С в течение 2 часов.
Пример 4
Сравнительное тестирование адсорбентов
2
2
3
2
2
3
Адсорбент содержит натриевый наноцеолит Y, приготовленный, как описано в примерах 1-3, у которого мольное отношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SiO/АlO) составляет 5,0 (мольное отношение Si/Al=2,5). Адсорбент содержит 13,5 мас.% глины в качестве связующего и LOI составляет 2,15%. Обычный адсорбент, с кристаллитами большого размера (LCS) (то есть не содержащий кристаллиты наноразмера натриевого цеолита Y) используют в качестве стандарта (сравнительный) при оценке характеристик в адсорбционном разделении мета-ксилола. Мольное отношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SiO/АlO) LCS составляет 5,0 (мольное отношение Si/Al=2,5), содержание глины в качестве связующего 13,5 мас.% и LOI составляет 2,39%.
3
9
Хроматографическое разделение (тест на проскок) выполняют с использованием этих адсорбентов, первоначально загруженных в 70 см колонку в пара-диэтилбензол, на образце, содержащем сырьевую смесь 29,2 мас.% мета-ксилола, 13,3 мас.%. пара-ксилола, 14,9 мас.% орто-ксилола и 13,3 мас.% этилбензола. Образец также содержит индикатор 23,5 мас.% толуола и 5,8 мас.% п-С (нонан). Температура колонки поддерживается равной 100°С. Емкость адсорбента по мета-ксилолу, полную сорбционную емкость и селективность по мета-ксилолу, как описано выше, определяют по пикам компонентов, полученных из анализа проскока. Кроме того, скорость массопереноса мета-ксилола вычисляют по "наклону кривой адсорбции при проскоке", как описано в US 4,886,929, включенном в описание ссылкой в части раскрытия ее вычисления (в виде объема), которая делится на объемный расход, создаваемый для получения пика мета-ксилола, чтобы получить величину в единицах времени.
3
3
9
Стандартные импульсные тесты, как описано выше, также выполняют с использованием адсорбента, содержащего натриевый наноцеолит Y и стандарт, с загрузкой каждого первоначально в 70 см колонку с толуолом в качестве десорбента. Впрыскивают 2,0 см, содержащие равные количества п-С (нонан) индикатора, этилбензола и каждый из трех изомеров ксилола. Температуру колонки поддерживают равной 100°С. Селективность мета-ксилола и время стадии, как описано выше, определяют по пикам компонентов, полученных из анализа импульсного теста.
Результаты анализа на проскок и импульсного теста представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты проскока и импульсного теста (LCS относительно натриевого наноцеолита Y)
Тест
Адсорбент
Емкость MX (мл)
Общая емкость (мл)
MX/Tol
MX/EВ
МХ/РХ
VDC/OX
Доля МХ наклон. (с)
Доля MX, время стадии (с)
Проскок
LCS
5,27
11,25
1,3
5,88
2,23
2,19
722
Проскок
Нано-NaY
5,28
11,5
1,3
5,76
2,37
2,33
373
Импульс
LCS
4
1,75
1,95
13,64
Импульс
Нано- NaY
4,16
1,94
2,07
9,95
Вышеуказанные результаты показывают, что скорость массопереноса мета-ксилола значительно увеличена, на основе меньшего времени стадии и наклона (кривой) проскока для адсорбента, содержащего наноразмерный натриевый цеолит Y. Кроме того, характеристики этого адсорбента относительно емкости и селективности по мета-ксилолу относительно орто-ксилола, пара-ксилола и этилбензола сопоставимы или лучше, чем цеолита сравнения, LCS. Одинаковая селективность мета-ксилол/толуол рассчитана для обоих тестированных адсорбентов.
Пример 5
Тестирование десорбента с использованием адсорбента с натриевым наноцеолитом Y
2
z
3
Адсорбент, содержащий натриевый наноцеолит Y, готовят, как описано в примерах 1-3. В нанонатриевом цеолите Y этого адсорбента мольное отношение диоксида кремния к оксиду алюминия (SiO/AlO), содержание связующего в виде глины и LOI, как описано в примере 4.
3
9
Хроматографическое разделение (тест проскока) выполняют с использованием этих адсорбентов, первоначально загруженных в 70 см колонку в пара-диэтилбензоле, на образце, содержащем смесь, подобную описанной в примере 4, и содержащую толуол в качестве десорбента и п-С (нонан) в качестве индикатора. Второй тест проскока выполняют идентично во всех отношениях за исключением замены толуола на индан в качестве десорбента. Температуру колонки поддерживают равной 150°С в каждом тесте. Сорбционную емкость по мета-ксилолу, общую сорбционную емкость и селективность по мета-ксилолу, как описано выше, определяют по пикам компонентов, полученных при анализе проскока.
Результаты анализа теста проскока представлены ниже в таблице 2.
Таблица 2
Результаты анализа теста проскока (Толуол относительно индана в качестве десорбента)
Десорбент
Емкость MX (мл)
Общая емкость (мл)
MX/ Десорбент
МХ/ЕВ
МХ/РХ
МХ/ОХ
Толуол
4,29
10,65
1,01
1,79
3,55
1,63
Индан
5,89
11,56
2,56
1,82
3,4
1,59
Вышеуказанные результаты показывают эффект использования индана в качестве десорбента в комбинации с адсорбентом, содержащим нанонатриевый цеолит Y, и, в частности, большую емкость по мета-ксилолу и общую сорбционную емкость, получаемые от использования индана в качестве десорбента.