Development of a hexane and heptane (commercial grade) purification process with ionic liquids

Abstract

With increasing market demands when it comes to aliphatic solvents (hexane and heptane) purity, due to their use in polymer, food and pharmaceutical industries, oil refineries have to adapt to these demands in order to remain commercially competitive. The industry standard to remove olefinic and aromatic impurities are hydrogenation processes, yet these processes have high operation costs, high energy, temperature and pressure demands as well as employing heavy metals, thus having heavy costs both monetarily as well as environmentally. There have been other approaches presented by the scientific community to tackle the removal of aromatics and olefins from aliphatics, among them stands the use of ionic liquids as extraction solvents. These liquids are perceived as “green solvents” due to their negligible vapour pressure, have the capacity to solvate both organics and inorganics and being “design solvents”. To adequately select ionic liquids for a given purpose, COSMO-RS, a predictive thermodynamic model, has been widely reported, due to its ability to calculate liquid-liquid equilibrium without relying on binary interaction parameters which are not fully defined for all ionic liquids. Here, COSMO-RS will be employed to qualitatively select the best ionic liquids for the intended separation and statistical modelling will be performed to better understand what constitutes a good ionic liquid. Nonetheless, the use of ionic liquids for aliphatic purification still lacks industrial implementation, due to the high viscosity of the solvents and the fact that transport limitations would lead to unfeasible solvent volumes and separation unit sizes. To tackle this, the use of membrane contactors coupled with ionic liquids has been explored due to their large area of separation for a reduced volume, low solvent to feed rate and independent flow control. In this work the use of a membrane contactor unit is assessed for the possibility of performing the purification of aliphatics with ionic liquids as well as the ability of regenerating the ionic liquids and its scalability.

Com as crescentes exigências do mercado no que toca à pureza dos solventes alifáticos (hexano e heptano), devido ao seu uso nas indústrias de polímeros, alimentar e farmacêutica, as refinarias de petróleo precisam de se adaptar de modo a irem de encontro a esse requisito e se manterem comercialmente competitivas. O comum da indústria para remover impurezas olefínicas e aromáticas são processos de hidrogenação, no entanto, esses processos têm altos custos de operação, alta exigencia energética, de temperatura e pressão, além de empregar metais pesados, com altos custos monetários e ambientais. Existem outras abordagens apresentadas pela comunidade científica para combater a remoção de aromáticos e olefinas de solventes alifáticos, entre elas destaca-se o uso de líquidos iónicos como solventes de extração. Líquidos iónicos são vistos como “solventes verdes” devido à sua pressão de vapor desprezável, terem a capacidade de solvatar orgânicos e inorgânicos e serem “design solvents”. Para selecionar adequadamente líquidos iónicos para uma determinada finalidade, COSMO-RS, um modelo termodinâmico preditivo, tem sido amplamente divulgado, devido à sua capacidade de calcular o equilíbrio líquido-líquido sem depender de parâmetros de interação binária que não são totalmente conhecidos para todos os líquidos iónicos. COSMO-RS será utilizado para selecionar qualitativamente os melhores líquidos iónicos para a separação pretendida e modelação estatística será empregue para entender melhor o que constitui um bom líquido iónico. No entanto, o uso de líquidos iónicos para purificação alifática ainda carece de implementação industrial, devido à alta viscosidade dos solventes e ao facto de que as limitações de transporte de massa levariam a volumes de solventes e tamanhos de unidades de separação inviáveis. De modo a combater essa situação, o uso de contactores de membranas acoplados a líquidos iónicos tem sido explorado devido à sua grande área de separação para um volume reduzido, baixa taxa de solvente para alimentação e controle de fluxo independente. Neste trabalho foi estudado o uso de uma unidade de contactor de membranas pela possibilidade de realizar a purificação de alifáticos com líquidos iónicos, bem como a capacidade de regeneração dos líquidos iónicos e sua implementação à escala.