[发明专利]使用沸石咪唑酯骨架结构材料分离甲烷和较高碳数的烃

说明书

技术领域

本发明涉及使用沸石咪唑酯骨架结构(“ZIF”)材料选择性分离在含甲烷和较高碳数的烃(例如乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等)二者的物流中的甲烷(“CH₄”)和较高碳数的烃(“HHC”)。优选，待分离的物流以基本上气相被送到本发明工艺中。在优选实施方式中，本发明用于分离存在于天然气物流中的甲烷和较高碳数的烃的工艺。

背景技术

气体分离是重要的应用于各种工业中的方法，特别应用在燃料、化学品、石化产品和特殊产品的制造中。气体分离能够通过各种的由热、固体或其他手段协助的方法实现，通常利用待分离组分的物理和/或化学性质的差异。例如，通过部分液化、通过使用固体吸附剂材料或通过在工业中熟知的若干其他的气体分离技术能够实现气体分离，所述的固体吸附剂材料相对于气体混合物中不太容易吸附的组分优选保留或吸附更容易吸附的组分。一种这样的工业实施的气体分离方法是变压吸附(“PSA”)。PSA方法，当在一定条件下操作时，相对于气体混合物中的一种或多种第二组分，允许在气体混合物中选择性的一种或多种组分优先吸附在多孔吸附剂材料的孔结构内部。在材料中每一组分的总吸附量(即，吸附容量)和特定组分相对于另外组分的吸附选择性通常可以通过在特定的压力和温度条件下操作所述方法而改进，因为压力和温度都不同程度地影响组分的吸附负载量。PSA方法的效率可以通过工艺步骤的实施而进一步改进，例如使用具有最佳选择组成的吹扫气流、压力和温度。然而，具有分离选择性、吸附容量及其他有益的性能(例如化学和物理惰性和耐用性)以致于能在PSA方法中作为工业可行和有成本效益的吸附剂起作用的吸附剂材料相对较少。

一些吸附剂材料能够在一定条件下吸附比另外的组分更大量的一种组分。某些组分可能无法被选择性地吸附或可能无法被吸附到可接受的导致经济可行方法的水平。然而，如果在吸附剂材料中对于选择性的组分存在吸附性能的相当大的差异，那么PSA方法可用于有效地从混合物中分离某些组分气体。例如，如果气体混合物例如空气在一定压力和温度下通过包括选择吸附比氮更多的氧的吸附剂材料的容器时，包含在原料流中的至少一部分氧将停留在吸附剂中，从容器中出来的气体将富含氮。当床层达到其吸附氧总容量的选定分数时，它能够通过各种变压技术再生，由此释放吸附的氧(和任何其他的相关气体组分)，它们然后被收集并分离为单独的产物流。现在已经被“解吸”氧的吸附剂材料然后被再利用，重复PSA工艺循环的各个步骤以致于允许连续运行。

然而，很难发现适当的以不仅高效而且有效的方式(即，它们不仅具有良好的分离选择性而且具有高吸附容量)分离气体的能够区别其之间差异的材料。另外，本领域已知的许多吸附剂材料不能很好地拦截物流中另外的组分，或不能保持工艺要求的苛刻的压力和/或温度条件，包括循环条件。因此，工业适合的，而且更重要的，工业有价值的吸附剂材料不能非常容易地获得。该行业中的研究人员不断地寻找改进的吸附剂材料、工艺配置和运行条件以使这些分离工艺经济可行。

关于具有多床层体系的PSA工艺的早期教导见美国专利No.3,430,418，其中描述了具有至少四个床层的体系。该‘418专利描述了循环的PSA处理顺序，在每一床层中包括：(1)较高的压力吸附，从床层的产物端释放产物流出物；(2)顺流减压到中等压力，从其产物端释放空隙气体(void space gas)；(3)逆流减压到较低的压力；(4)吹扫；和(5)再加压。在顺流减压步骤过程中释放的空隙气体通常用于压力均匀化目的，并给位于较低脱附压力下的床层提供吹扫气体。使用三个吸附剂床层的另一种常规PSA工艺公开在美国专利3,738,087中。

另一种工业重要的气体分离工艺是变温吸附(“TSA”)。TSA工艺，当在一定的压力和温度条件下操作时，允许在吸附剂材料的孔结构内相对于其他的组分选择性地吸附一些组分。在该工艺中，包括待分离组分的物流流过吸附剂材料，其中相对于另外的一种或多种组分选择性地吸附一种或多种组分。在TSA方法的该吸附“阶段”或“步骤”中，得到了选择性吸附组分的浓度减少的流出物流。在该工艺中，在吸附剂材料吸附一定量的希望的组分之后，提高吸附剂的温度，在总的TSA工艺循环的该步骤中，选择性吸附的组分从吸附剂材料中被释放或解吸并能够从流出物流中单独收集。当使用相对于进料混合物包含的一种或多种不同物流组分选择性吸附进料混合物中的一种或多种物流组分的吸附剂时，通过周期性地改变吸附剂床层的温度，TSA工艺可用于分离混合物中的组分。