使用混合蒸气-液体进料的改进的膜分离方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用渗透汽化膜分离汽油进料流的寿命改进的膜系统。例如，如在美 国专利7803275中说明的，这样的系统具有应用于多种燃料进料的"机载（on-board) "分离 系统的潜力。
【背景技术】
[0002] 渗透汽化是公知的膜方法。已经并且正在考虑将渗透汽化用于从料流中低能耗地 分离芳烃。多组分液体进料可以基于选择性溶解扩散机理进行分离，其中渗透物作为蒸气 除去，保留物通常仍为液体。
[0003] 汽油是脂族烃和芳族烃的复杂混合物，经常有含氧化合物例如乙醇，具有宽的沸 程。芳烃和含氧化合物例如乙醇可以通过渗透汽化从汽油进料分离以得到更高辛烷值的燃 料。然而，市售汽油的宽沸程、多变的组成和挥发性使得用简单的渗透汽化膜系统分离困难 和低效。保持足够的膜通量和选择性是个挑战。常规的汽油通常含有添加剂，和其他高沸 成分，它们可以有益于汽油在常规内燃机中的使用，但对持久的膜性能具有有害效应。
[0004] 其他分离系统已经使用包括预分馏、多级膜处理、和/或伴后分馏的再循环的复 杂系统来解决这些问题，但对于有效或商业上成本有效的膜系统而言通常是不理想的。
[0005] 例如，当分离宽沸程进料例如具有常规添加剂的汽油时，本发明能够可观地简化 所述渗透汽化方法。这些简化可引起成本和系统复杂性降低，同时增加渗透汽化膜的寿命， 从而使得能够商业化这种应用。
【发明内容】
[0006] 本发明涉及用于增加渗透汽化膜的寿命和效率的方法和设备，所述渗透汽化膜用 于汽油分离或例如类似的宽沸烃进料例如石脑油。所述汽油进料在指定的温度和压力下部 分蒸发，然后借助于闪蒸罐分离器、旋风分离器或其他合适的装置分离成饱和蒸气馏分和 更高沸液体馏分。所述饱和蒸气馏分接触所述膜，同时使含有潜在结垢组分的液体馏分绕 过以避免与所述主渗透汽化膜接触，从而延长所述分离系统的寿命。
[0007] 本发明的实施方式使用旋风分离器以将所述燃料基本分离成蒸气和液体组分，将 饱和的汽油蒸气引导到整体膜结构的多个选定通道，同时引导剩下的液体馏分以有效绕过 所述主渗透汽化膜。所述绕过的液体馏分与处理通过所述渗透汽化膜的饱和蒸气馏分得到 的保留物合并。
[0008] 当用作机载汽油分离系统时，所述主渗透汽化膜的周界产生HiRON燃料，同时所 述主膜的旁路物和保留物产生LoRON燃料。
【附图说明】
[0009] 图1图解式地说明了本发明的简单实施方式。
[0010] 图2显示了用于利用混合蒸气-液体进料的寿命改进的膜分离的分离设备的示意 图。
[0011] 图3显示了用于寿命改进的膜分离系统的一体化的旋风分离设备的横截面示意 图，图3B显示了膜载体和旁路通道的内部构造。
[0012] 图4显示了常规膜系统的通量衰减图。
[0013] 图5显示了所述膜寿命改进的系统对照常规膜系统的性能。
[0014] 图6显示了有具有一体化旋风器的水平单块（horizontal monolith)的完全一体 化旋风分离器的性能。
【具体实施方式】
[0015] 借助于在利用混合相蒸气-液体进料的渗透汽化膜法中分离液体和饱和蒸气，可 改进从汽油或类似的宽沸混合物例如石脑油中分离芳烃。在接近绝热的操作中，可使持久 的更高芳烃渗透物收率成为可能。用本发明可使得能够有持久的较长膜通量和简化的系统 构造。
[0016] 常规燃料例如汽油的部分汽化浓缩了进料的液体馏分中的较高沸点成分。它们的 较高沸组分可含有进料添加剂和显示出对渗透汽化膜的持久通量有害的其他成分。在本发 明中，包含分离装置例如旋风器的分离级可将饱和蒸气与液体基本分离。所述饱和蒸气可 被引导到第一渗透汽化膜系统，而所述液体可被引导到第二系统以容纳有害的成分，从而 当与处理全进料相比时，改进了所述主渗透汽化膜系统的持久通量和性能。
[0017] 此外，通过给所述膜应用混合相蒸气-液体进料，可改进所述渗透汽化膜分离法 的绝热操作。蒸气相的逐渐冷凝可对所述膜提供热量，从而最小化由所述吸热渗透汽化过 程产生的膜温度变化。利用混合相进料，可使得有可能从接近绝热操作中得到显著的渗透 物收率增益。因此，可减少所需要的膜面积。混合相蒸气/液体进料可使得能够明显简化 所述工艺方案，即，可避免进料中较低沸组分的预蒸馏以及相关的泵和控制。可减少或消除 用于保持渗透汽化温度的中间级和/或内部换热器的使用。
[0018] 所述寿命改进的膜系统可以用于制造 HiRON和LoRON燃料，其中HiRON或高辛烷 值定义为燃料的研宄法辛烷值高于约97、例如高于约100,和LoRON或低辛烷值是指研宄法 辛烷值低于约95。它可以作为"机载"系统使用，用于将常规汽油分离成低和高辛烷值燃料 以对发动机运行需要定制发动机燃料进料，从而显著提高燃料经济性、发动机排放物和发 动机性能。
[0019] 参考图1，其显示了本发明的寿命改进的膜分离系统的非常简化的示意图。进料储 器（1)可包含旨在用于膜分离的宽沸程物质，例如常规汽油或石脑油。术语"宽沸程"在汽 油或石脑油背景下是指通过ASTM方法D86-05测定，从初沸点至终沸点的沸程大于约50°C， 例如大于约150°C。根据这种方法，从约30°C至约200°C的汽油沸程可以是典型的。芳族 成分可见于在高于约80°C沸腾的馏分中。加热器装置（2)可用于将进料可控地加热至部 分蒸气相，由此在分离装置（4)的入口处的进料（3)可以是饱和蒸气和液体。任选的泵装 置（未显示）可以用于给加热器（2)的进料加压，以通过控制进料（3)的温度和压力，帮助 保持分离器的进料（3)为液体和蒸气相量的组合。期望的进给速率可以任选通过流量控制 阀（未显示）控制。期望的进料压力可以可选地通过对作用于保留物（9)的背压调节装置 (8)来控制。在优选实施方式中，可控制进料压力P f和进料温度TfW提供对分离器（5)最 佳的饱和蒸气和液体混合物比率。在这种情形下，说到最佳，我们是指蒸气液体混合物，其 中可在接触所述渗透汽化膜的饱和蒸气部分中保留进料中足够的高辛烷值芳烃和含氧化 合物组分，并且在分离的液流(6)中浓缩较高沸点进料组分和添加剂。在一种实施方式中， 进料（3)可以是约90%饱和蒸气、约10%液体，并且分离装置（4)可包含如图2所示的旋 风器，其可作用于将进料液相（6)与进料饱和蒸气相（7)分离。如图2所示，所述混合的蒸 气/液体进料（20)可基本上分离成两个料流，饱和蒸气流（22)和液流（24)。
[0020] 返回参考图1，饱和蒸气流（7)可被引导到渗透汽化膜（5)，所述渗透汽化膜适合 于将汽油进料中的芳烃和含氧化合物例如乙醇与较低辛烷值的脂族组分分离。合适的膜的 实例可以在美国专利8119006以及美国申请序号13/446488和61/476988中找到，它们全 部在此针对它们各自相关的公开内容作为参考并入本文中。所述饱和蒸气可在所述膜上冷 凝成液层，所述液层富含包含优选渗透物（10)的进料成分，同时使较不需要的进料成分作 为保留物（9)通过。术语"优选的渗透物"是指本发明的使用者希望从进料中作为渗透物 分离的进料成分。在所说明的系统中，高辛烷值燃料组分例如芳烃和乙醇可以是优选的渗 透物。这种料流显示为HiRON渗透物（11)。
[0021] 低辛烷值保留物（9)可以与较高沸分离液体（6)合并以得到LoRON产物（12)。在 该实施方式中，所述保留物可包含辛烷值比所述优选渗透物低的进料脂族成分，并且可以 基本上包含进料（1)中发现的较低浓度的包括添加剂的较高沸进料组分，它们可能对所述 膜的寿命有害。
[0022] 现在参考渗透汽化膜（5)的操作，饱和蒸气进料（7)可接触并可润湿所述渗透汽 化膜（5)。在所述膜的渗透物侧可保持适当的真空以满足使用者的通量需求。选择性地吸 附和扩散运送所述优选渗透物的分子可用来将