SUPERVISOR
Mortaza Sadeghi,Ahmad Moheb
مرتضی صادقی (استاد راهنما) احمد محب (استاد راهنما)
STUDENT
Seyyed Mohammadreza Davoodi
سیدمحمدرضا داودی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Separation of ethylene/ethane and propylene/propane by polyimide-Silica Nanocomposite Membranes
Ethylene and propylene are two of the most important petrochemicals which their main sources are steam cracking and FCC processes. Currently, separation of olefin and paraffin gases is carried out using low temperature distillation process, which is very expensive and energy consuming.Due to the high costs and complexity of cryogenic distillation, using polymeric membrane separation processes is gradually growing in popularity for olefin/paraffin separation purposes. It has been found that polymeric membranes, e.g., polysulfone , cellulose acetate, and PDMS are not suitable for this kind of separation because of theirvery small separationfactors. On the other hand, much better olefin/paraffin separation characteristics were achieved by using polyimides as membrane materials. Undesirably, one problem identified with polyimide films for propylene/propane separations was plasticization effect.In this research, the separation of ethylene/ethane and propylene/propane by polyimide-silica nano-composite membranes was studied. To this aim, sol-gel method was used for preparation of polyimide nano-composite. Polyimide and polyimide-silica nano-composite membranes were prepared by thermal phase inversion method. The prepared membranes were characterized using FT-IR, SEM, and XRDanalyses. The obtained SEM micrographs and FT-IR spectras confirmed that the silica nanoparticles were homogenously distributed in polymer matrix. The performance of the prepared membranes in ethylene/ethane and propylene/propane separation was evaluated at pressure and temperature of 3bar and 310K, respectively. The obtained results showedincreasing in permeability of propylene and ethylene from 0.091 and 0.266 barrer, respectively, in pure polyimide to 0.159 and 0.411 barrer in the composite membrane containing 20%wt nanosilica particles. Increase in propylene and ethylene permeability is due to the enhanced solubility in polymer matrix. The obtained results indicated that selectivity values of 3.24 and 9 for C2H4/C2H6 and C3H6/C3H8 separation, respectively, by pure polyimide was increased to 6.13 and 17.9 for composite membrane containing 20%wt nanosilica particles .To investigate the effect of adding silica nanoparticles on plasticization phenomena, gas permeation of PI and PI-silica nanocomposite membranes was studied for propylene and propane single gases at pressure range of 1-8 bar and for ethylene and ethane single gases at pressures of 1, 3, and 5bar. Plasticization was observed for propylene and propane in pure PI at the feed pressure of 4 and 6 bar,respectively. These results indicated that in PI-nanocomposite membranes with silica contents of 5 and 10wt% plasticization resistant increased and the plasticization pressure became larger with increase in silica content of PI-nanocomposite membranes. However, with increasing the silica mass fraction plasticization resistance did not improve and plasticization pressure decreased in PI-nanocomposite membranes with silica content of 15 and 20%. In the case of propane, no plasticization was observed in PI-nanocomposite membranes for up stream pressures up to 8bar. Decreasing permeability for ethylene and ethane with increasing feed pressure indicated that no plasticization occurs in pure PI and composite membranes for up to 5bar feed pressure. Also, In this work, the effect of temperature on of separationethylene/ethane mixture was investigated. With increasing temperature, the permeability of the gases increased from 0.201 and 0.063barrer at 298K to 0.307 and 0.074 barerr at 310K,respectively. For propylene/propane mixture permeability increased from 0.115 barrer and .006barrer at 298K to 0.125 and 0.01barrer at 310K,respectively. Keywords: Olefin-paraffin separation ;Nanocomposite; Polyimide ; Silica; Gas permeatio
: اتیلن و پروپیلن از مهمترین محصولات پتروشیمی میباشند که دو روش عمده تولید آنها، روشهای شکست به وسیله بخار و شکست کاتالیزوری بستر سیال میباشد. جداسازی اولفین از پارافین معمولاً در فاز مایع و با روش تقطیر در دمای بسیار پایین صورت میگیرد که روشی بسیار گران و مشکل میباشد. به دلیل هزینه بالا و مشکلات روش تقطیر سرمایشی، جداسازی اولفین از پارافین به وسیله فرایند غشاییمورد توجه قرار گرفته است. پژوهشها نشان میدهند غشاهای پلیمری مانند پلی سولفون، سلولز استاتPDMS, در زمینه مخلوط اولفین/پارافین فاکتور جداسازی پایینی دارند. در حال حاضر بهترین پلیمر مورد استفاده در زمینه جداسازی اولفین/پارافین پلی ایمیدها میباشند. متأسفانه، مشکل اساسی پلی ایمیدها در این زمینه پدیده نامطلوب نرم شدن به هنگام تماس با گازهای پروپیلن/پروپان میباشد. در این پژوهش جداسازی اتیلن/اتان و پروپیلن/پروپان بهوسیله غشای نانو کامپوزیت پلی ایمید-سیلیکا مورد بررسی قرارگرفته است. نانو ذرات سیلیکا توسط روش سل-ژل تهیه گردیدند و غشاهای پلی ایمید و پلی ایمید-سیلیکا توسط روش وارونگی فازی گرمایی تهیه گردیدند. غشاهای نانو کامپوزیت ساخته شده توسط آزمونهایXRD ,SEM ,FT-IR مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج آزمونهای مشخصه یابی بیانگر توزیع مناسب نانو ذرات در زمینه پلیمری میباشند. عملکرد غشاهای ساخته شده در جداسازی اتیلن/اتان و پروپیلن/پروپان در فشار 3 بار و دمای 310 کلوین مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج نشان میدهد که تراوش پذیری اتیلن از 266/0 بارر در غشای خالص به 411/0 بارر در غشای حاوی 20 درصدنانو سیلیکا و تراوش پذیری پروپیلن از 091/0 بارر در غشای خاص تا 159/0 بارر در غشای حاوی 20 درصدنانو سیلیکا افزایش یافته است. این افزایش تراوش پذیری در پروپیلن و اتیلن موجب افزایش انتخاب پذیری ایده آل اتیلن نسبت به اتان و پروپیلن نسبت به پروپان از 24/3 و 9در غشای خالص به 13/6 و 9/17 در غشایحاوی 20 درصدنانو سیلیکامیشود. در مرحله بعد به منظور بررسی اثر نانو سیلیکا بر پدیده نرم شدگی، تراوش پذیری گازهای پروپان و پروپیلن در فشار 1 تا 8 بار و برای گازهای اتان و اتیلن در فشارهای 1,3 و 5 بار مورد بررسی قرار گرفتند. در غشای پلی ایمید خالص نرم شدگی در فشار 4 و 6 بار برای پروپیلن و پروپان به وقوع پیوست. در مورد غشاهای حاوی 5 و 10 درصدنانو سیلیکا مقاومت غشاها در برابر نرم شدگی و فشار نرم شدگی در برابر پروپیلن افزایش یافت. اما در غشاهای نانو کامپوزیت حاوی 15 و 20 درصد سیلیکا فشار نرم شدگی بار دیگر کاهش یافته است. در مورد پروپان در تمام غشاهای نانو کامپوزیت حاوی سیلیکا تا فشار خوراک8 بار نرم شدگی رخ نداده است. کاهش تراوش پذیری گازهای اتان و اتیلن با افزایش فشار نشان از عدم وقوع نرم شدگی در غشاها تا فشار 5 بار بوده است. در انتها اثر دما بروی جداسازی اولفین/پارافین در غشای حاوی 10 درصد نانو سیلیکا در فشار خوراک 3 بار بررسی شده است. افزایش دما برای اتیلن و اتان موجب افزایش تراوش پذیری از 201/0 و 063/0 بارر در دمای 298 کلوین به 307/0و 074/0 بارر در دمای 310 کلوین شده است. در مورد پروپیلن و پروپان نیز تراوش پذیری از 115/0و 006/0 بارر در دمای 298 کلوین تا 125/0 و 01/0 بارر در دمای 310 کلوین افزایش یافته است. کلمات کلیدی: جداسازی اولفین/پارافین، غشای نانو کامپوزیت، پلی ایمید،سیلیکا، جداسازی گازها