Sistemas y métodos para la separación de propileno y propano.

Un procedimiento para la separación de propano y propileno basada en membranas,

comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

- Alimentar una corriente de alimentación de propileno calidad refinería (301,401), la cual es un fluido de alimentación de 50% a 90% de propileno con propano como el componente principal, a la bomba (315,415), por lo que se produce una corriente de alimentación presurizada (320, 420);

- Transportar dicha corriente de alimentación presurizada de propileno calidad refinería (320, 420) a un intercambiador de calor (325, 425), por lo que se produce una alimentación al menos parcialmente gaseosa (330, 430);

- Alimentar dicha alimentación al menos parcialmente gaseosa (330, 430) que comprende propileno y propano a la primera membrana (335, 435), comprendiendo dicha primera membrana un puerto de alimentación, un puerto de residuo y un puerto de no-permeado, a una temperatura en el punto de rocío de propileno y a una presión entre 2.758 kPa y 4.136 kPa, teniendo dicha primera membrana una selectividad de propileno a propano superior a 10, por lo que al menos una porción de una primera corriente de nopermeado (340) se condensa sobre dicha primera membrana;

- Extraer una primera corriente enriquecida de propileno de permeado (390, 490), en donde dicha corriente de permeado se extrae a la misma temperatura que dicha corriente de alimentación.

- Transportar opcionalmente dicha corriente enriquecida de propileno (390) a un primer compresor (395), por lo que se produce una corriente de propileno con mayor presión (397);

- Alimentar dicha corriente de no-permeado (340, 440) a la segunda membrana (345, 445), comprendiendo dicha segunda membrana un puerto de alimentación, un puerto de residuo y un puerto de no-permeado, a una temperatura en el punto de rocío de propileno y a una presión entre 2.758 kPa y 4.136 kPa, teniendo dicha segunda membrana una selectividad de propileno a propano superior a 10, por lo que al menos una porción de una corriente enriquecida de propano de no-permeado (350, 450) se condensa sobre dicha segunda membrana;

- Extraer una segunda corriente enriquecida de propileno de permeado (360, 460), en donde dicha segunda corriente enriquecida de propileno de permeado se extrae a la misma temperatura que la corriente de alimentación,

- Presurizar dicha segunda corriente enriquecida de propileno (360, 460) en el interior de un segundo compresor (365, 465), por lo que se produce una segunda corriente enriquecida de propileno con mayor presión (370, 470);

- Transportar dicha segunda corriente enriquecida de propileno con mayor presión (370, 470) a un condensador (375, 475), por lo que se produce una corriente enriquecida de propileno líquida (380, 480) y

- Combinar dicha corriente enriquecida de propileno líquida (380, 480) con dicha corriente de alimentación (301, 401) formando una corriente combinada (310, 410).

Sistemas y métodos para la separación de propileno y propano

Las olefinas, particularmente etileno y propileno, son importantes cargas de alimentación. Típicamente, se encuentran en la naturaleza o se producen como productos primarios o subproductos en mezclas que contienen hidrocarburos saturados y otros componentes. Antes de poder usar las olefinas crudas, usualmente se deben purificar a partir de estas mezclas. Se han encontrado numerosas dificultades en este tipo de separación. Debido a sus volatilidades relativamente similares, se han usado típicamente columnas de destilación intensivas en energía, intensivas en capital y de múltiples bandejas para la purificación de olefinas ligeras.

En la Figura 1, se ilustra un ejemplo de una columna de destilación de la técnica anterior para la separación de propileno y propano. En un ejemplo de método de funcionamiento, se introduce una carga de alimentación cruda de propileno calidad refinería (RGP por sus siglas en inglés) que comprende 70% de propileno y 30% de propano, en la columna de destilación 205 a lo largo de la tubería o tuberías de alimentación 200. La columna de destilación 205 comprende, generalmente, múltiples bandejas o niveles. En una realización, la columna de destilación 205 comprende 135 bandejas. El funcionamiento de una columna de destilación se determina principalmente mediante una combinación del número de bandejas y la relación de reflujo. En general, cuantas más bandejas hay en una columna de destilación, mayor es la separación a una relación de reflujo constante, pero también es mayor el coste de capital. En cambio, se pueden usar menos bandejas si se aumenta el reflujo, pero aumenta el coste de capital. En la columna de destilación, los componentes más ligeros tienden a subir y los componentes más pesados tienden a bajar. Por consiguiente, es posible extraer una corriente de producto de propileno a lo largo de la tubería 235. En una realización, el propileno se extrae como propileno calidad comercial (CGP, por sus siglas en inglés, nominalmente 93% de propileno).

Una segunda corriente que comprende propileno y otros componentes más ligeros se puede extraer de la columna 205, recondensar e inyectar de vuelta en la columna 205 a lo largo de la tubería 210. Se puede extraer un producto de propano típicamente superior a 95% de propano, mediante la tubería 215. Los productos extraídos se pueden pasar a través de los intercambiadores de calor 245 y/o 225 para ayudar en el control o cambio de diversas corrientes dentro del procedimiento.

La columna 205 es meramente un ejemplo de columna de destilación de propileno y propano. Un experto en la técnica entenderá fácilmente, que son posibles muchas variaciones.

Los resultados típicos de una columna de destilación única, con una alimentación de propileno de 70%, produce un producto de propileno de 93% de pureza y un producto de propano de 95%. En consecuencia, un sistema mejorado produce resultados, por lo menos, tan buenos como los de una típica columna de destilación de la técnica anterior.

En el campo de la técnica se ha deseado usar un sistema basado en membrana. En las patentes de EE.UU. 3.758.603 y 3.864.418, a nombre de Robert D. Hughes y Edward F. Steigelmann, se describen membranas usadas en conjunción con técnicas complejantes de metales para facilitar la separación de etileno a partir de etano y metano. Complejos de metales y procedimientos híbridos de membrana similares, llamados membranas de transporte facilitado, se han descrito en la patente de EE.UU. 4.060.566 a nombre de Robert L. Yahnke y en la patente de EE.UU. 4.614.524 a nombre de Menahem A. Kraus.

Se han tomado en cuenta otras membranas para la separación de olefinas a partir de parafinas, como una alternativa a la destilación. Sin embargo, la separación es difícil mayormente debido a tamaños de moléculas y condensabilidad similares de los componentes que se desea separar. La membrana debe funcionar en un ambiente hidrocarbonado bajo condiciones de alta presión y temperatura, resultando con frecuencia en plastificación y puede causar pérdida de selectividad y/o velocidad de permeación. Dichas duras condiciones tienden a afectar adversamente la durabilidad y estabilidad en el rendimiento de la separación de muchos materiales de membrana. Es altamente deseable, un sistema de membrana con suficientemente alta selectividad olefina/parafina, alta productividad, y suficiente durabilidad en contacto a largo plazo con corrientes hidrocarbonadas bajo alta presión y temperatura.

La técnica está repleta de procedimientos para fabricar membranas que posean, tanto alta selectividad como altos flujos. Sin flujos suficientemente altos, las áreas de membrana requeridas serían tan grandes que harían que la técnica fuese poco económica. Es ahora bien conocido, que numerosos polímeros son mucho más permeables a gases polares (ejemplos incluyen H2O, C02, H2S y S02) que a gases no polares (N2, 02 y CH4), y que los gases de pequeño tamaño molecular (He, H2) permean más fácilmente a través de los polímeros que las moléculas grandes (CH4, C2H6).

Sin embargo, incluso considerando estas dificultades, la utilización de separación por membrana ha ocupado un importante lugar en la tecnología química para usar en una amplia gama de aplicaciones. En los últimos 15 años, la separación de gases se ha convertido en una importante aplicación industrial de la tecnología de membrana. La tecnología basada en membranas para la producción de nitrógeno a partir de aire, la eliminación de dióxido de

carbono del gas natural y la purificación de hidrógeno, ahora ocupa cuotas significativas de los mercados para estos procedimientos.

Se han expuesto sistemas y materiales de membrana para separar hidrocarburos olefínicos a partir de una mezcla de hidrocarburos olefínicos y saturados, pero ninguno se puede conformar de manera fácil y económica en membranas que ofrezcan la combinación única de alta selectividad y durabilidad en condiciones de procesamiento industrial para proporcionar una viabilidad económica.

Por ejemplo, se han estudiado varios materiales de membrana inorgánicos y polímero/ materiales inorgánicos con buena selectividad propileno/propano. Sin embargo, la técnica anterior ha encontrado difícil fabricar estas membranas en forma de membranas industriales prácticas. De modo similar, las membranas de transporte facilitado de líquido han demostrado tener un rendimiento de separación positivo en el laboratorio, pero han sido difíciles de llevar a mayor escala, y han exhibido un rendimiento en declive en ambientes típicos de una corriente industrial de propileno/propano.

Las membranas de transporte facilitado de electrolito polimérico sólido, han mostrado que es posible su fabricación en forma de membranas de película fina más estables para la separación de etileno/etano. (Véase, Ingo Pinnau y L. G. Toy, "Solid polymer electrolyte composite membranes for olefin/paraffin separation", J. Membrane Science, 184 (2001) pp. 39-48). Sin embargo, estas membranas están severamente limitadas por su estabilidad química en el ambiente Industrial de oleflna/paraflna.

Las membranas de fibra hueca de carbono han mostrado ser prometedoras en los ensayos de laboratorio ("Propylene/Propane Separation", información del producto de Carbón Membranes, Ltd., Israel), pero son vulnerables a la degradación causada por compuestos orgánicos condensables o agua presentes en las corrientes industriales. Asimismo, las membranas de carbono son frágiles y difíciles de conformar en módulos de membrana de relevancia comercial.

Las membranas basadas en polímeros gomosos tienen típicamente una selectividad olefina/parafina muy baja para una separación económicamente útil. Por ejemplo, Tanaka et al., informan que la selectividad propileno/propano de gas único es de sólo 1,7 para una membrana de polibutadieno a 50°C. (K. Tanaka, A. Taguchi, Jianquiang Hao, H. Kita, K. Okamoto, J. Membrane Science 121 (1996) pp. 197-207) e Ito informa de una selectividad propileno/propano sólo ligeramente superior a 1,0 en caucho de silicona a 40°C. (Akira Ito y Sun-Tak Hwang, J. Applied Polymer Science, 38 (1989) pp. 483-490).

Las membranas basadas en polímeros vitreos tienen el potencial de proporcionar una selectividad olefina/parafina útilmente alta, debido a la difusividad preferencial de la olefina, la cual tiene menor tamaño molecular que la paraflna.

Las películas de membrana de poll(óxldo de 2,6-dimetil-1,4-fenileno) exhibieron una selectividad propileno/propano de gas puro de 9,1 (Ito y Hwang, Ibld.). Illnltch et al., han Informado sobre una selectividad superior (J. Membrane Science 98 (1995) pp. 287-290, J. Membrane Science 82 (1993) pp. 149-155... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para la separación de propano y propileno basada en membranas, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

- Alimentar una corriente de alimentación de propileno calidad refinería (301,401), la cual es un fluido de alimentación de 50% a 90% de propileno con propano como el componente principal, a la bomba (315,415), por lo que se produce una corriente de alimentación presurizada (320, 420);

- Transportar dicha corriente de alimentación presurizada de propileno calidad refinería (320, 420) a un intercambiador de calor (325, 425), por lo que se produce una alimentación al menos parcialmente gaseosa (330, 430);

- Alimentar dicha alimentación al menos parcialmente gaseosa (330, 430) que comprende propileno y propano a la primera membrana (335, 435), comprendiendo dicha primera membrana un puerto de alimentación, un puerto de residuo y un puerto de no-permeado, a una temperatura en el punto de rocío de propileno y a una presión entre 2.758 kPa y 4.136 kPa, teniendo dicha primera membrana una selectividad de propileno a propano superior a 10, por lo que al menos una porción de una primera corriente de no- permeado (340) se condensa sobre dicha primera membrana;

- Extraer una primera corriente enriquecida de propileno de permeado (390, 490), en donde dicha corriente de permeado se extrae a la misma temperatura que dicha corriente de alimentación.

- Transportar opcionalmente dicha corriente enriquecida de propileno (390) a un primer compresor (395), por lo que se produce una corriente de propileno con mayor presión (397);

- Alimentar dicha corriente de no-permeado (340, 440) a la segunda membrana (345, 445), comprendiendo dicha segunda membrana un puerto de alimentación, un puerto de residuo y un puerto de no-permeado, a una temperatura en el punto de rocío de propileno y a una presión entre 2.758 kPa y 4.136 kPa, teniendo dicha segunda membrana una selectividad de propileno a propano superior a 10, por lo que al menos una porción de una corriente enriquecida de propano de no-permeado (350, 450) se condensa sobre dicha segunda membrana;

- Extraer una segunda corriente enriquecida de propileno de permeado (360, 460), en donde dicha segunda corriente enriquecida de propileno de permeado se extrae a la misma temperatura que la corriente de alimentación,

- Presurizar dicha segunda corriente enriquecida de propileno (360, 460) en el interior de un segundo compresor (365, 465), por lo que se produce una segunda corriente enriquecida de propileno con mayor presión (370, 470);

- Transportar dicha segunda corriente enriquecida de propileno con mayor presión (370, 470) a un condensador (375, 475), por lo que se produce una corriente enriquecida de propileno líquida (380, 480) y

- Combinar dicha corriente enriquecida de propileno líquida (380, 480) con dicha corriente de alimentación (301, 401) formando una corriente combinada (310, 410).

2. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de condensar dicha primera corriente de permeado (390, 490).

3. El procedimiento según la reivindicación 1, en donde se recupera propileno de una pureza superior a 93%.

4. El procedimiento según la reivindicación 1, en donde se recupera propano de una pureza de al menos 95%.

5. El procedimiento según la reivindicación 4, en donde la corriente de producto de propano se recoge como un líquido o como una corriente de dos fases gas/líquido que tiene una pureza de propano de al menos 95%.

6. El procedimiento según la reivindicación 1, en donde dicha corriente de alimentación comprende 70% de propileno.