CN1422326A - 纯化烃类液体燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

纯化含有5％(重量)或更少高分子量杂质的烃类液体燃料的方法，其中燃料与憎水的无孔膜或纳米过滤膜接触，而纯化的产品物流作为渗透物被回收。

Description

纯化烃类液体燃料的方法
本发明涉及一种通过除去高分子量杂质来纯化烃类液体燃料的方法。
烃类液体燃料特别是汽油可能含有高分子量杂质，例如聚合的烯烃或低聚的(高级)烯烃、聚芳烃和含硫化合物。
聚合的烯烃或低聚的烯烃以及聚芳烃可能是汽油生产方法的固有结果。催化裂化汽油含有大量烯烃，它们可能在实际的裂化过程以后的分馏过程中低聚。此外，在最后的汽油产品中，烯烃还可能在铜催化的氧化反应中聚合。
在运输燃料例如汽油中，这些高分子量杂质例如在燃烧室和喷射阀中引起沉积。这些沉积物对车辆的性能和排放有不良影响。
按液体燃料的总重计，高分子量杂质通常有至多5％(重量)的比较少的数量。但是，低至3％(重量)或更少或者甚至1％(重量)或更少的数量常常会引起上述问题。
通常，基于分子量差别从实际的产品中分离杂质的技术中已知几种分离技术。一种已知的和采用的技术是蒸馏，其中分离在不同组分之间的沸点差基础上发生，沸点差与各组分之间的挥发性差别有关。但是，高分子量杂质以这样少的数量存在使得蒸馏处理是一种相对昂贵的纯化产品的方法。也就是说，在这样的蒸馏处理中，大部分要处理的物流形成的实际产品必需汽化，作为气态塔顶馏分回收，随后冷凝以便进一步使用，而高分子量杂质必需作为液体塔底馏分回收。除了这一处理的高能耗性质外，为了进行蒸馏处理还需要许多设备。而且，通常在蒸馏中使用的高温使烃类产品(热)分解的危险增加。这可造成产品损失和设备结垢。应当认识到，从经济的观点看，这些因素使蒸馏处理没有吸引力。
本发明旨在提供一种有效地和费用低地除去高分子量杂质的方法。
这些目的和其他一些目的通过使用膜分离处理从烃类液体燃料中除去高分子量杂质来实现。
因此，本发明涉及一种纯化含有5％(重量)或更少的高分子量杂质的烃类液体燃料的方法，其中燃料与憎水的无孔膜或纳米过滤膜接触，以及纯化的产品流作为渗透物被回收。
使用膜分离的优点在于，与蒸馏相比，不需要改变要处理的烃类燃料的相。这样节省了能源和消耗较少的金属构件。与吸附相比，膜分离不需要脱附步骤或者不会得到大量由已吸附的吸附剂构成的废料，它也是吸附的一种可能结果。与在多孔膜上的膜分离相比，现在提出的膜分离具有这样的优点：不出现膜孔的堵塞，因为渗透物的传送通过溶解-扩散机理进行(见下文)。
本发明方法的分离旨在将产品分成两个馏分：渗透物和滞留物。就其污染水平已下降来说，渗透物已得到改质。因此，当用于燃烧发动机中时，形成沉积物的危险减到最小。
分段馏分(定义为通过膜的原燃料的重量百分数并作为渗透物回收)可在宽的范围内变化：30-99％(重量)、优选50-95％(重量)。
按燃料的总重计，要处理的烃类液体燃料含有5％(重量)或更少的高分子量杂质。但是，当要处理的烃类液体燃料含有3％(重量)或更少、更宜1％(重量)的高分子量杂质时，本方法是特别适合的。甚至在高分子量杂质的含量为0.1％(重量)或更少时，本发明的方法是高效的。
要处理的烃类液体燃料优选为运输燃料，例如汽油、煤油或柴油。例如，煤油可经处理，以便提高冷流动性能。本发明的方法适用于从煤油中除去分子量大于300、更宜大于400的杂质。更优选的是，要处理的燃料为汽油。在汽油中，引起沉积的高分子量杂质的分子量通常为200-900。应当理解，如果在汽油中存在分子量大于900的杂质，那么它们也同时被本发明的方法除去。
本发明的另一优点在于，它提供了对大部分燃料和小部分燃料改质的机会。小部分燃料处理的典型例子是在燃料仓库或在零售端安装小型膜分离装置，也就是刚好在燃料输送给用户以前。
在本发明的方法中，这一分子量范围中所有的杂质中至少50％(重量)被除去，宜至少60％(重量)和更宜至少80％(重量)被除去。
使用的膜为憎水的，可为无孔膜，也可为纳米过滤膜。膜应为憎水的，因此要处理的物流为烃类燃料，它应该能通过所述的膜。膜的厚度宜为0.5-30微米、更宜1-10微米。通常将膜支承在至少一基材层上，以便得到必要的机械强度。这样的膜常常称为复合膜或薄膜复合材料。通常，复合膜可由支承在微滤膜或超滤膜或其他多孔材料上的无孔膜或纳米过滤膜组成。这一基材反过来可支承在另一多孔支承物上，以便得到所需的机械强度。无孔膜或纳米过滤膜也可在没有基材的情况下使用，但应当认识到，在这样的情况下，膜的厚度应足以经受住施加的压力。因此可能需要大于10微米的厚度。从方法经济学观点出发，这不是优选的，因为这样厚的膜明显限制了膜的生产能力，从而降低了单位时间和单位膜面积可回收的纯化产品的数量。
憎水的纳米过滤膜在本专业中是已知的，所描述的(可能)应用例如是废物流处理、从有机溶剂中分离溶解的润滑油、从有机溶剂中分离有机催化剂络合物或分离油漆废料中溶于有机溶剂中的低分子量低聚物。
一般来说，适用于本发明的纳米孔过滤膜应有200-2000道尔顿分子量的切断值。在膜分离法的技术中，膜的切断值通常以道尔顿表示，基于使用聚苯乙烯校正标准样的凝胶渗透色谱(GPC)测定的。适合的憎水纳米孔过滤复合膜及其制备方法例如在U.S.-A-5 205 934和US-A-5 265 734中公开。这些复合膜包含下面的多孔基材膜，例如微滤膜或超滤膜，所述的基材在用随后交联的硅酮层涂覆以前可用孔保护剂处理。适合基材的例子是聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、聚醚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺。孔保护剂可为羟基端接的聚硅氧烷。最后的硅酮涂层和孔保护硅酮层的厚度通常为50-500纳米。适合的憎水纳米过滤复合膜的另一例子在US-A-5 151 182中公开，含有厚度小于1微米的交联层，所述的层包括支承在溶剂稳定的多孔膜基材上的聚砜型聚合物和/或聚环氧乙烷型聚合物以及至少一种氯甲基化的或溴甲基化的聚苯醚型聚合物。通过胺用作交联剂进行交联。基材宜为不增溶的聚丙烯腈。
经涂覆的基材膜可支承在多孔支承物上，以便提高机械强度。适合的支承材料的例子包括聚乙烯、聚丙烯、尼龙、氯乙烯聚合物、芳族聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚砜、聚酯例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纤维和基于氧化铝和/或氧化硅的无机支承物。复合膜可为任何所希望的形状，例如圆筒形或平板形。
在使用无孔膜的情况下，渗透物的传送通过溶解-扩散机理发生：要渗透的烃类溶于膜基质中，并通过选择性膜薄层扩散，此后它们在渗透物侧解吸。渗透的主要推动力是静压。
与使用纳米过滤膜相比，使用憎水的无孔膜的优点在于没有堵塞作用，也就是没有堵塞在孔中的较大的分子使膜堵塞的可能性。这种现象可在多孔膜中发生，因此更难以恢复流通量。所以，对于本发明来说，使用无孔膜是优选的。但是，应当强调，纳米过滤膜也可用于本发明的方法。
在本专业中，无孔膜本身也是已知的，原则上任何一种能保留烃类燃料中50％(重量)或更多高分子量杂质以及如上所述通过它的烃类燃料可通过溶解-扩散机理传送的憎水无孔膜都可使用。通常，这样的膜经交联，以便为避免所述的膜一旦与烃类液体产品接触而溶解所必要的网络结构。在本专业中，经交联的无孔膜是大家熟悉的。通常，可用几种方法进行交联，例如与交联剂反应，并可任选用照射使交联增强。
目前可得到的适合的交联无孔膜的一个例子为含交联硅橡胶的膜，其中聚硅氧烷膜是特别适用的一类膜。通常，聚硅氧烷含有重复单元-Si-O-，其中硅原子连接氢或烃基。优选的是，重复单元为式(I)
        -[Si(R)(R′)-O-]n-        (I)
在上述分子式中，R和R′可为相同的或不同的，表示氢或选自烷基、芳烷基、环烷基、芳基和烷芳基的烃基。优选的是，R和R′中至少一个为烷基，最优选R和R′都为甲基。对于本发明来说，十分适合的聚硅氧烷为-OH或-NH2封端的聚二甲基硅氧烷。然后通过聚硅氧烷的反应性端基-OH或-NH2进行交联。优选的聚硅氧烷膜为交联的弹性体聚硅氧烷膜。其他橡胶状无孔膜也可使用。通常，橡胶状膜可规定为有一种聚合物或聚合物组合物无孔顶层的膜，其中至少一种聚合物的玻璃化转变温度大大低于操作温度，也就是进行实际分离的温度。另一组潜在适合的无孔膜为所谓的超玻璃状聚合物。这样材料的例子为聚三甲基甲硅烷基丙炔。
适合的交联弹性体聚硅氧烷膜的一个例子是在US-A-5 102 551中广泛公开的。例如，适合的膜由上述的分子量为550-150000、优选550-4200(在交联以前)的聚硅氧烷聚合物组成，它作为交联剂与(i)多异氰酸酯或(ii)聚碳酰氯或(iii)R4-aSi(A)a交联，式中A为-OH、-NH2、-OR或-OOCR，a为2、3或4，而R为氢、烷基、芳基、环烷基、烷芳基或芳烷基。有关适合的聚硅氧烷膜的其他详细内容可在US-A-5102 551中找到。
对于本发明来说，优选的无孔膜为交联的聚二甲基硅氧烷膜。
正如前面所述，无孔膜可按原样使用，但也可支承在另一材料的基材层上。这样的基材层可为如上所述的与纳米过滤膜有关的微孔基材，也就是它例如可为聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、聚醚酰亚胺或聚酰胺酰亚胺制成的基材。
无孔膜优选应保留至少50％(重量)但最优选至少80％(重量)高分子量杂质。应当理解，对于要处理的不同燃料来说，杂质的分子量也不同。对于汽油处理来说，可宜使用能保留至少50％(重量)分子量为200或更高的化合物的膜。膜保留的高分子化合物的分数取决于膜的交联程度，分段馏分、温度和要分离的流体与膜之间的相互作用。在较高的温度下，较高分子量组分的保留会变差。此外，因为无孔膜没有明显的切断数值，所以较低分子量的化合物比较高分子量的化合物更容易通过无孔膜。
优选的是，烃类液体燃料与憎水的无孔膜或纳米孔过滤膜在跨膜压2-80巴、更优选10-50巴，流通量200-5000公斤/米2膜·天，更优选250-2500公斤/米2膜·天和温度10-80℃，更优选10-40℃下接触是优选的。
用以下实施例进一步说明本发明，本发明的范围不限于这些具体的实施方案。
实施例1
使用支承在超滤聚醚酰亚胺(PEI)膜上的厚度为2微米的无孔的交联聚二甲基硅氧烷(PDMS)层组成的憎水膜来进行实验。将所述的膜安装在有进料入口、渗透物出口和滞留物出口的流动室中。有效的膜面积为100厘米2。
用进料泵将没有添加剂的成品汽油从贮罐送入流动室中，并在膜上循环。渗透物作为产品被回收，而将滞留物循环到贮罐。
试验过程中的温度和压力分别为21℃和10巴。试验运转时间为700分钟，此后66％(重量)送入的汽油作为渗透物回收(也就是分段馏分为66％)。平均流通量为2200公斤/米2·天。
用气相色谱法(ASTM D6293-98)分析了进料和在66％回收率下的渗透物。正如高分子量杂质的数量表明的那样，在进料和渗透物中测定了未洗涤的胶质数量(ASTM D381-94)。结果列入表1。
表1  进料和渗透物分析
  组分     汽油进料     渗透物
  环烷烃(％(重量))     4.01     4.16
  异构烷烃(％(重量))     32.28     32.15
  正构烷烃(％(重量))     9.38     9.03
  环状烯烃(％(重量))     1.57     1.77
  异构烯烃(％(重量))     8.53     9.02
  正构烯烃(％(重量))     4.09     4.14
  芳烃(％(重量))     35.69     35.72
  未洗涤的胶质(毫克/100毫升)     15     2
从表1可以看出，在渗透物馏分中高分子量杂质的含量明显低于膜分离前汽油进料。此外，表1表明，所有的汽油组分都无选择性地通过膜。
用GC-MS分析未洗涤的胶质。未洗涤的胶质看来主要是C13-C30烃类。
实施例2
使用支承在超滤聚丙烯腈(PAN)膜上的厚度为2微米的无孔交联聚二甲基硅氧烷(PDMS)层组成的憎水膜来进行另一实验。膜如实施例1中公开的安装在流动室中。有效膜面积为100米2。
如实施例1中公开的，将不含添加剂的成品汽油送入流动室。
试验过程中的温度和压力分别为21℃和10巴。平均流通量为500公斤/米2·天。
测定了进料和66％回收率下的渗透物的未洗涤胶质(ASTMD381-94)、铜和颜色(ASTM D1500-98)。结果列入表2。
表2  进料和渗透物分析
组分     汽油进料     渗透物
未洗涤的胶质(毫克/100毫升)     24     8
铜(ppb)     22     4
颜色     2.5     1
从表2可以看出，渗透物中的高分子量杂质(未洗涤的胶质)和铜的浓度明显低于膜分离前的汽油。
通过本发明的方法，烃类液体燃料中铜浓度的下降的优点在于，出现较少的铜催化的聚合反应。

Claims (6)

1.一种纯化含有5％(重量)或更少高分子量杂质的烃类液体燃料的方法，其中燃料与憎水的无孔膜或纳米过滤膜接触，然后纯化的产品物流作为渗透物被回收。
2.根据权利要求1的方法，所述的方法为纯化含有分子量范围为200-900的杂质的汽油燃料的方法。
3.根据权利要求1或2的方法，其中使用憎水的无孔膜。
4.根据权利要求3的方法，其中憎水的无孔膜为交联的聚硅氧烷膜。
5.根据权利要求4的方法，其中交联的聚硅氧烷膜为交联的聚二甲基硅氧烷膜。
6.根据上述权利要求中任一项的方法，其中烃类液体燃料与膜在跨膜压力为2-80巴，流通量200-5000公斤/米2膜·天以及温度10-80℃下接触。
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