利用介孔聚丙烯腈膜对原油进行分馏

《Nature》：Crude oil fractionation by means of mesoporous polyacrylonitrile membranes

　　

摘要

常压蒸馏和真空蒸馏每年消耗的能源超过1,100 TWh，同时产生的二氧化碳当量超过1.6亿吨^1，2，因此，基于膜的预分馏成为降低石油精炼能耗和碳强度的有效策略^{3，4，5，6，7，8，9，10}。我们证明，通常用作支撑层的多孔聚丙烯腈（PAN）膜能够在稳态条件下实现原油的有效分子级分馏。在切向流条件下，PAN膜的总原油渗透率可达到0.591?±?0.040?l?m^-2?h^-1?bar^-1，这一数值比之前的基准值（<0.1?l?m^-2?h^-1?bar^-1）高出23倍以上^1，11，从而选择性地得到石脑油和煤油等较轻的烃类组分。这种出乎意料的选择性源于重烃在最初约15纳米的表层介孔中的动态沉积，这种沉积使得孔径缩小到2纳米以下。通过深度分辨的化学分析发现，正烷烃在此过程中选择性地积累，这表明存在一种自我限制的孔径收缩机制，有助于维持选择性的传输路径。一旦正烷烃的沉积达到稳定状态，原始原油就能实现选择性富集，且这种稳定性可维持4周之久。工艺模拟表明，与传统的常压蒸馏相比，基于PAN膜的预分馏技术可减少31.6%的能源消耗、20.7%的冷却水使用量，以及37.6%的二氧化碳排放量。