Separação eficiente de isômeros de butano via ZIF

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4792 (2022) Cite este artigo

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n-butano e isobutano são importantes matérias-primas petroquímicas. Sua separação é desafiadora por causa de suas propriedades semelhantes, incluindo o ponto de ebulição. Aqui, relatamos uma pasta zeolítica de imidazolato-8 (ZIF-8)/N,N-dimetilpropilenoureia (DMPU)-água como material de sorção para separar misturas de butano. A seletividade de isobutano/n-butano das pastas ZIF-8/DMPU-água chega a 890 com alto desempenho cinético, que transcende o limite superior de vários materiais de separação ou membranas relatados na literatura. Mais encorajador, um dispositivo de separação piloto contínuo foi estabelecido e os resultados do teste mostram que a pureza e a taxa de recuperação do produto isobutano são 99,46 mol% e 87%, respectivamente, que são superiores ao desempenho correspondente (98,56 mol% e 54%) da torre de destilação industrial. Até onde sabemos, o uso de estruturas metal-orgânicas (MOFs) para separação de gases em escala piloto permanece pouco explorado e, portanto, este trabalho fornece um passo à frente para a aplicação comercial de MOFs na separação de gases.

Tanto o n-butano quanto o isobutano são importantes matérias-primas petroquímicas usadas em aplicações diretas ou para sintetizar outros petroquímicos. Os isômeros geralmente coexistem como gases liquefeitos de petróleo produzidos pela condensação de gás natural ou no processamento de petróleo, como no craqueamento catalítico fluido (FCC). Portanto, torna-se crítico separar os isômeros de butano de forma eficiente e econômica. Por exemplo, o isobutano de alta pureza pode ser usado para 1 (1) reações com olefinas para produzir gasolina alquilada de alta octanagem, (2) co-oxidação com propileno para co-produzir óxido de propileno e terc-butanol e (3) desidrogenação para produzir isobuteno . Por outro lado, o n-butano pode ser usado como refrigerante ou para (1) oxidação para produzir anidrido maleico2 e (2) desidrogenação para produzir butadieno3. No entanto, a separação de isômeros de butano é considerada um processo desafiador4,5, uma vez que suas propriedades físicas e químicas, como pontos de ebulição, pressões de vapor e polarizabilidades, são semelhantes6. Até o momento, técnicas de destilação intensivas em energia e custo ainda são amplamente aplicadas para a separação de isômeros de butano na indústria devido à falta de alternativas mais eficientes.

A separação por adsorção com exclusão seletiva de tamanho/forma fornecida por materiais porosos inorgânicos, como zeólitas e carvão ativado, é considerada uma alternativa atraente para as atuais separações baseadas em destilação de alto custo e energia7,8. Por exemplo, como os agentes mais amplamente utilizados para separação de isômeros de butano, os zeólitos do tipo MFI (silicalita-1 e ZSM-5) com poros elípticos multidimensionais de 5,5 Å podem distinguir n-butano de isobutano. A aplicação de zeólitos MFI a separações baseadas em membranas foi suficientemente estudada10,11,12,13. As seletividades n-butano/isobutano das membranas MFI testadas a 20–100 °C variaram de 4 a 705,12. Além disso, Woo et al.14 prepararam uma membrana de matriz mista baseada em MFI para melhorar a permeabilidade do n-butano, mas o maior fator de separação n-butano/isobutano foi de apenas 6,64. Além das membranas baseadas em MFI, Liu e colaboradores15 sintetizaram membranas de estrutura metal-orgânica (MOF) do tipo cúbico centrado na face (fcu) em suportes de polímero vítreo (6FDA-DAM), que exibiram um fator de separação n-butano/isobutano de ~30 a 75 °C. Zhou et al.5 prepararam membranas de peneiramento molecular de carbono de alta qualidade em substratos de γ-alumina, e o fator de separação n-butano/isobutano atingiu 74. No entanto, embora muitos estudos tenham reivindicado o uso eficaz de tecnologias de separação baseadas em membrana no isômero butano separações, a aplicação comercial ainda não foi vista neste campo. As razões são as seguintes: (1) a produção de membrana é incômoda e cara15, e as estruturas de membrana são propensas a rachaduras10. (2) As seletividades de separação para isômeros lineares/ramificados são baixas e as capacidades de absorção de adsorventes são baixas16. (3) A separação contínua de vários estágios é difícil de realizar com a tecnologia baseada em membrana.

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