專利名稱：烯生產(chǎn)設(shè)備的制冷系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種可以滿足烯生產(chǎn)設(shè)備的冷卻要求的制冷系統(tǒng)。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種三級(jí)或三元制冷劑的應(yīng)用，這種制冷劑包括用于在乙烯生產(chǎn)設(shè)備中進(jìn)行冷卻的甲烷、乙烯和丙烯的混合物。
為從裂解加熱器餾分中分離出所要求的產(chǎn)品，乙烯生產(chǎn)設(shè)備就需要制冷。通常使用丙烯和乙烯制冷劑。一般來(lái)講，特別是在使用要求低溫的低壓脫甲烷塔的系統(tǒng)中，還要使用一個(gè)獨(dú)立的甲烷制冷系統(tǒng)。因此，就需要三個(gè)從最低溫度到最高溫度串接起來(lái)的獨(dú)立制冷系統(tǒng)。需要三個(gè)與吸氣鼓、獨(dú)立換熱器、管道等配套的壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。添加一個(gè)往復(fù)式或離心式甲烷制冷壓縮機(jī)會(huì)部分抵消因使用低壓脫甲烷塔所節(jié)省的資金成本。
幾十年來(lái)，混合制冷劑系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中是眾所周知的。在這些系統(tǒng)中，在單一制冷系統(tǒng)中使用多種制冷劑，以提供溫度范圍較寬的制冷作用，這樣就可以用一個(gè)混合制冷系統(tǒng)代替多級(jí)純組分的串接制冷系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)這些混合制冷系統(tǒng)廣泛用于以液化天然氣為基本負(fù)荷的設(shè)備中。在美國(guó)專利US5979177中描述了一種兩元混合制冷系統(tǒng)在乙烯設(shè)備中的應(yīng)用，在該系統(tǒng)中制冷劑是甲烷與乙烯或與乙烷的混合物。但是，這種兩元制冷系統(tǒng)相應(yīng)于一個(gè)獨(dú)立的丙烯制冷系統(tǒng)進(jìn)行串接，使制冷溫度范圍達(dá)到-40℃或更高一些。因此，需要兩個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于烯生產(chǎn)設(shè)備的單一簡(jiǎn)單制冷系統(tǒng)，特別是用于使用低壓脫甲烷塔的乙烯生產(chǎn)設(shè)備的制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用甲烷、乙烯和丙烯的混合物作為三元制冷劑。這種三元系統(tǒng)代替獨(dú)立的丙烯、乙烯和甲烷制冷系統(tǒng)，這些系統(tǒng)用低壓脫甲烷塔執(zhí)行回收處理。本發(fā)明包括從壓縮機(jī)級(jí)間排放物和末級(jí)壓縮機(jī)的排放物中分離出三元制冷劑，分離成富甲烷蒸汽級(jí)份和兩級(jí)富丙烯液體，從而在不同的熱交換級(jí)中得到不同的溫度和不同程度的制冷，同時(shí)使流回至壓縮機(jī)的制冷劑成分基本保持不變，而且制冷劑總回流量的大部分回流到第一級(jí)壓縮機(jī)吸氣口。這樣，根據(jù)熱力學(xué)原理，使三元制冷劑系統(tǒng)能夠優(yōu)于對(duì)于獨(dú)立制冷劑使用獨(dú)立壓縮機(jī)的系統(tǒng)，這種三元系統(tǒng)還可用于使用高壓脫甲烷塔的乙烯生產(chǎn)設(shè)備，此時(shí)三元系統(tǒng)只提供丙烯和乙烯的制冷溫度范圍。在下面的描述中將使本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的目的、布置和優(yōu)點(diǎn)更加清楚。


該圖是用于說(shuō)明本發(fā)明制冷系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的部分乙烯生產(chǎn)設(shè)備的流程示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的描述本發(fā)明涉及一種烯生產(chǎn)設(shè)備，在該設(shè)備中首先對(duì)熱解氣體進(jìn)行處理，以便除去甲烷和氫，然后用公知方法進(jìn)行處理，以便產(chǎn)生乙烯以及丙烯和其他一些副產(chǎn)品，并將它們進(jìn)行分離。下面結(jié)合一個(gè)主要用于生產(chǎn)乙烯的設(shè)備對(duì)該方法進(jìn)行描述。通過(guò)低溫冷凝和分餾對(duì)乙烯生產(chǎn)設(shè)備中的氣體進(jìn)行分離需要在一個(gè)比較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行制冷。乙烯生產(chǎn)設(shè)備的制冷系統(tǒng)中所花的資本成本可以占整個(gè)設(shè)備成本的很大部分。因此，節(jié)省制冷系統(tǒng)的資金將會(huì)對(duì)設(shè)備的整體成本有相當(dāng)大的影響。
使用高壓脫甲烷塔的乙烯生產(chǎn)設(shè)備的工作壓力大于2.76Mpa(400psi)，塔頂溫度通常在-85℃到-100℃之間。約為-100℃到102℃的乙烯制冷通常被用于冷卻和產(chǎn)生塔頂回流液。一個(gè)使用工作壓力低于約2.41Mpa(350psi)，通常為0.345-1.034Mpa(50-150psi)，塔頂溫度在-110℃到-140℃之間的低壓餾除器的乙烯生產(chǎn)設(shè)備要求甲烷溫度級(jí)的制冷效果來(lái)產(chǎn)生回流。使用低壓餾除器的好處在于所需要整體設(shè)備功率以及整體設(shè)備投資費(fèi)用較低，而其不足在于需要更低的制冷溫度，因此，除了乙烯和丙烯制冷系統(tǒng)之外，還必須有一個(gè)甲烷制冷系統(tǒng)。
本發(fā)明的三元制冷劑包括甲烷，乙烯和丙烯的混合物。根據(jù)乙烯設(shè)備的裂解原料、裂解難度和激冷系統(tǒng)壓力以及其他條件可以改變這些成分的百分比，但通常的百分比為甲烷為百分之7-20，乙烯為百分之7-30，丙烯為百分之50-85。對(duì)于使用低壓脫甲烷塔的乙烯生產(chǎn)設(shè)備來(lái)講，通常組成為甲烷10％、乙烯10％和丙烯80％。使用三元制冷劑可以滿足乙烯生產(chǎn)設(shè)備的所有制冷負(fù)荷及溫度的要求，而不需要兩個(gè)或三個(gè)獨(dú)立制冷系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是提供所要求的制冷以從原料氣體中分離出氫和甲烷，并為脫甲烷塔以及整個(gè)設(shè)備所需要的其他制冷提供進(jìn)料。對(duì)于附圖所描述本發(fā)明的具體實(shí)施方案，該實(shí)施方案適用于低壓脫甲烷塔，三元制冷系統(tǒng)被布置為系列熱交換器10，12，14，16，18和20，以提供用于乙烯生產(chǎn)設(shè)備所需的所有制冷等級(jí)。根據(jù)任一特定乙烯處理流程的具體要求，特別是根據(jù)具體原料氣體的組成，可以將這些熱交換器合并成更少單元，或是擴(kuò)充成更多個(gè)單元。這些熱交換器主要是散熱片型熱交換器，并且優(yōu)選將它們組裝在一個(gè)稱作冷箱的絕熱很好的結(jié)構(gòu)中，以便防止熱量增加，并使低溫運(yùn)行局限在局部。在描述三元制冷系統(tǒng)之前，僅僅是為了說(shuō)明，先用具體溫度作為例子對(duì)流過(guò)系統(tǒng)的原料氣體進(jìn)行描述。
加入的原料氣體22是根據(jù)需要被調(diào)節(jié)和冷卻過(guò)的熱解氣體，該原料氣體的溫度通常為15-20℃，壓力一般約為3.45MPa(500psi)，通常是一種蒸汽流。原料氣體中含有氫、甲烷和C2以及更高級(jí)組分包括乙烯和丙烯。原料氣體22在熱交換器10，12，14，16，18和20中被本發(fā)明的制冷系統(tǒng)逐漸冷卻，同時(shí)進(jìn)行合適的分離，產(chǎn)生脫甲烷塔的原料。原料氣體22首先在熱交換器10和12中在23處冷卻到約-35℃。在熱交換器14中，原料氣體從-35℃冷到-60℃(在23處)。原料氣體在熱交換器16中從-60℃冷到-72℃，并在28處將流出物26中的冷凝液25分離出來(lái)。冷凝液25是用于脫甲烷塔(未示出)的下部原料。而剩下的蒸汽30在熱交換器18中從-72℃冷到-98℃，并在36處將流出物34中的冷凝液32分離出來(lái)。冷凝液32是用于脫甲烷塔的中部原料。然后將蒸汽38在熱交換器20中進(jìn)一步從-98℃冷到-130℃，并在44處將流出物42中的冷凝液40分離出來(lái)。冷凝液40是用于脫甲烷塔的頂部原料。此后分離剩余蒸汽46(未示出)，從而產(chǎn)生氫流和低壓甲烷流50。冷卻回路52用于對(duì)低壓脫甲烷塔的塔頂餾分進(jìn)行冷卻和部分冷凝，以便產(chǎn)生回流。出自脫甲烷塔的剩余塔頂餾分蒸汽形成高壓甲烷流54。氫流48和低壓甲烷流50以及高壓甲烷流54在各熱交換器中提供附加冷卻。為了完成對(duì)原料氣體流的描述，是含有C2和較重組份的脫甲烷塔的底部用來(lái)回收乙烯和丙烯以及其他成分。
除了原料氣體流和三元制冷劑流以外，氣流55，56，57和58是溫度不同的不同乙烯生產(chǎn)設(shè)備氣流，這些氣流也通過(guò)各熱交換器以便回收冷量。僅僅作為例子，氣流55用于回收低壓脫甲烷塔側(cè)的再沸器的冷量。氣流56回收脫乙烷塔進(jìn)料和低壓脫甲烷塔底部再沸器的冷量。氣流57用于回收脫乙烷塔進(jìn)料、乙烷再循環(huán)、乙烯蒸餾器側(cè)再沸器和底部再沸器以及乙烯產(chǎn)品的冷量。最后的氣流58回收低壓脫乙烷塔進(jìn)料、乙烯產(chǎn)品、乙烷循環(huán)以及在雙壓脫丙烷塔系統(tǒng)中消耗的制冷的冷量。
當(dāng)溫差較低時(shí)，可以在熱流體和冷流體之間實(shí)現(xiàn)最大的傳熱效率。例如本發(fā)明提供的混合制冷劑在固定壓力下，其溫度隨蒸汽的增加而增高，這與固定壓力下在恒定溫度時(shí)蒸發(fā)的純組分制冷劑明顯不同。因此，當(dāng)方法的冷凝溫度不變或相對(duì)不變時(shí)，純組分制冷系統(tǒng)在冷卻期間可能更有效，但當(dāng)方法的冷凝溫度下降時(shí)，則純組分制冷系統(tǒng)在冷卻期間的效率可能相對(duì)較低。對(duì)于本發(fā)明提供的混合制冷系統(tǒng)來(lái)講，相關(guān)優(yōu)點(diǎn)倒置了。
在乙烯生產(chǎn)設(shè)備中，某些要求制冷的冷卻裝置處于相對(duì)恒定的溫度，而某些溫度在下降。在未決的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/862253、申請(qǐng)日為2001年5月22日、發(fā)明名稱為Tertiary Refrigeration Systemfor Ethylene Plants中描述了一種乙烯生產(chǎn)設(shè)備的混合制冷系統(tǒng)，該文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在整個(gè)系統(tǒng)組成恒定。所以，發(fā)現(xiàn)恒定溫度傳熱裝置中的效率有些低。本發(fā)明旨在通過(guò)改變用于這些恒定溫度傳熱裝置的混合制冷劑的組成來(lái)提高混合制冷系統(tǒng)的效率。本發(fā)明特別涉及用于從乙烷中分離乙烯的制冷系統(tǒng)，該分離要求非常大的制冷效果。該原理也可以用于其它傳熱負(fù)荷低的恒溫傳熱裝置，例如脫乙烷塔。
對(duì)于本發(fā)明來(lái)講，根據(jù)特殊的考慮在冷箱外控制乙烯蒸餾冷凝器59的總負(fù)荷。通常將殼管式熱交換器用作乙烯分餾冷凝器的傳熱裝置，當(dāng)然也可以使用例如在冷箱中的散熱片式熱交換器。根據(jù)熱力學(xué)知道，如果使用一個(gè)低壓塔，則在一個(gè)所用的制冷系統(tǒng)中汽化曲線隨溫度傾斜時(shí)，對(duì)像乙烯分餾塔塔頂餾分、脫乙烷塔塔頂餾分以及脫丙烷塔塔頂餾分之類恒溫處理氣流的冷凝效果較低。寬的冷端溫度差表明效率很低，并且造成三元制冷系統(tǒng)能量消費(fèi)更高。對(duì)于脫乙烷塔冷凝器來(lái)講，可以用乙烯分餾器側(cè)的再沸器使用近似恒定的溫度在兩側(cè)進(jìn)行制冷。但是，對(duì)于乙烯設(shè)備中制冷消耗最大的乙烯分餾器冷凝器來(lái)講，沒有其他任何解決方法。為了制造能與使用獨(dú)立壓縮機(jī)的系統(tǒng)在能耗方面能競(jìng)爭(zhēng)的三元系統(tǒng)，在本發(fā)明的三元系統(tǒng)中要求一種能接近傳統(tǒng)丙烯制冷效果那樣產(chǎn)生強(qiáng)制冷劑流的思路。
現(xiàn)在回到制冷系統(tǒng)本身，如上所述，三元制冷劑是甲烷、乙烯和丙烯的混合物，用多級(jí)制冷壓縮機(jī)60壓縮該三元制冷劑。在示例性實(shí)施方案中，有5個(gè)壓縮級(jí)61，62，64，66和68，并有兩個(gè)級(jí)間冷卻器。級(jí)間冷卻器70在第三級(jí)排氣口72處，而級(jí)間冷卻器74在第四級(jí)排氣口76處。在冷卻以后，將第四級(jí)排氣口中的液體在鼓78中進(jìn)行分離，以便得到重制冷劑80。鼓78中的剩余蒸汽82返回到第5壓縮級(jí)68，并作為第5級(jí)的最終流出物84被萃取。該最終流出物84在冷卻器86中冷卻并部分冷凝，然后在鼓88中分離，經(jīng)相分離后產(chǎn)生中間重量制冷劑90和輕制冷劑92。下面是壓縮機(jī)的各典型工作條件和各工作條件的范圍

從鼓88出來(lái)的輕制冷劑通過(guò)所有熱交換器10-20并在該過(guò)程中冷凝和過(guò)冷。在熱交換器20的出口94處該制冷劑被過(guò)冷到約-130℃，然后經(jīng)閥96閃蒸，得到最低制冷溫度-140℃--145℃。這種制冷程度使42處的原料氣流冷卻到-130℃或更低，并在回路52中提供足夠的冷卻，從而由脫乙烷塔的塔頂餾份產(chǎn)生回流。
通常通過(guò)控制在氣流98和100中的輕制冷劑的流量分別將氣流26和34中的原料氣體的溫度控制在-72℃和-98℃。通常，由氣流102提供的制冷可以滿足熱交換器20，18和16的制冷需要。輕制冷劑最后在熱交換器14中過(guò)熱到-45℃。當(dāng)該輕制冷劑與部分重制冷劑和中間重量制冷劑混合以返回第一級(jí)吸氣鼓104時(shí)，提供了所期望的過(guò)熱溫度5-15℃。
出自鼓88的液體90是中間重量制冷劑，該制冷劑在通過(guò)熱交換器10，12和14時(shí)被過(guò)冷。利用閥106和108對(duì)所述過(guò)冷制冷劑進(jìn)行閃蒸，該中間重量制冷劑就可控制23和24處的原料氣體的溫度。通過(guò)閥108，中間重量制冷劑經(jīng)熱交換器14和12回流，然后流回到用于壓縮機(jī)第1級(jí)61的吸氣鼓104。通過(guò)閥106，中間重量制冷劑經(jīng)熱交換器12和10回流，然后流回到用于壓縮機(jī)第3級(jí)64的吸氣鼓112。通過(guò)調(diào)節(jié)閥110和為熱交換器10提供有限的制冷，以此來(lái)控制鼓88中的液位。然后將這部分中間重量制冷劑輸送到用于壓縮機(jī)第4級(jí)66的吸氣鼓114。
出自鼓78的重制冷劑78約有88％是丙稀。該液體有兩個(gè)主要作用，即冷卻乙烯冷凝器59以及作為熱交換器10中的主要冷源，從而使三元制冷系統(tǒng)保持自冷。從熱交換器12出來(lái)的重制冷劑的過(guò)冷溫度在116處為-10℃--35℃。下面的表簡(jiǎn)單說(shuō)明了壓縮機(jī)的吸氣氣流和壓縮機(jī)的流量。

如上表所示，為了節(jié)省能量，先將制冷劑分離，再將制冷劑重新組合，特別是在壓縮機(jī)第1級(jí)中重新組合輕制冷劑和大部分重制冷劑以及某些中間重量制冷劑，使其在第一壓縮級(jí)中占到總流量的大約70％，這樣可以使壓縮機(jī)輪穩(wěn)定運(yùn)行。由于在第1壓縮級(jí)中占到總流量的70％，而且始終有比較均勻的摩爾重量，因此由第1級(jí)吸氣鼓壓力控制的葉輪正常速度同樣適用于三元制冷劑壓縮機(jī)，這與單一制冷劑壓縮機(jī)系統(tǒng)一樣。在從第4級(jí)氣流中萃取重制冷劑以后，第5級(jí)中的流量和摩爾重量基本上變得更小。但是，可以設(shè)計(jì)第5級(jí)壓縮，并且通過(guò)將氣流重新循環(huán)到第一級(jí)可以控制負(fù)載變化，以便減少影響。對(duì)于控制流程中的冷卻負(fù)荷來(lái)講，可以使用的變量包括控制臨界溫度，調(diào)節(jié)整體制冷劑組成，調(diào)節(jié)分離鼓78和88的溫度以及調(diào)節(jié)壓縮機(jī)操作條件。
本發(fā)明的閉合回路式三元制冷系統(tǒng)帶有從壓縮機(jī)級(jí)間的一側(cè)或多側(cè)提取物，使得該系統(tǒng)成為一種通用系統(tǒng)，其中在該系統(tǒng)中可以形成不同的制冷劑組成，并可以提供不同的制冷能力。這使得可以用經(jīng)濟(jì)有效的方法來(lái)精確地控制溫度。所以，只要單個(gè)閉合回路式三元制冷系統(tǒng)就足以為整個(gè)乙烯生產(chǎn)設(shè)備提供全部所需要的制冷，不論該乙烯生產(chǎn)設(shè)備使用低壓脫甲烷塔還是高壓脫甲烷塔均是如此，其能量消耗具有競(jìng)爭(zhēng)力，而且整體設(shè)備成本也低。
權(quán)利要求
1.在從原料氣體中生產(chǎn)烯的過(guò)程中利用制冷系統(tǒng)中的三元制冷劑對(duì)所述原料氣體和其它烯生產(chǎn)過(guò)程中的流體進(jìn)行冷卻的方法，所述原料氣體含有氫、甲烷、乙烯、其它C2以及更高級(jí)烴，其中用一個(gè)帶有一系列熱交換器的制冷系統(tǒng)冷卻所述原料氣體和其它烯生產(chǎn)過(guò)程中的流體，該方法包括如下步驟(a)在一個(gè)多級(jí)壓縮機(jī)中壓縮一種三元制冷劑，該制冷劑包含甲烷，乙烯和丙烯的選定混合物，所述多級(jí)壓縮機(jī)有一個(gè)第1級(jí)和一個(gè)最末級(jí)以及至少一個(gè)中間級(jí)；(b)從所述中間級(jí)的一個(gè)級(jí)中取出至少一部分所述的三元制冷劑蒸氣；(c)冷卻所述三元制冷劑蒸氣的被取出部分，以便形成剩余的三元制冷劑蒸氣和一種重液體制冷劑，該重制冷劑中丙烯所占比率比所述選定混合物大；(d)從所述剩余三元制冷劑蒸氣中分離出所述重液體制冷劑，并將所述剩余三元制冷劑蒸氣返送到所述最末級(jí)，而且使其通過(guò)該最末級(jí)；(e)從所述壓縮機(jī)的最末級(jí)萃取所述剩余三元制冷劑蒸氣，將其冷卻以至少使其一部分冷凝，由此形成一種中間重量制冷劑，并使其所有未被冷凝部分形成一種輕蒸汽制冷劑；(f)將所述重液體制冷劑、中間重量制冷劑和所有輕蒸氣制冷劑引入熱交換器進(jìn)行相互接觸，而且使它們與所述原料氣體以及其它烯生產(chǎn)過(guò)程中的流體在所述系列熱交換器中接觸，由此冷卻所述原料氣體以及其它烯生產(chǎn)設(shè)備過(guò)程中的流體，而加熱并蒸發(fā)所述重液體制冷劑和中間重量制冷劑，所述輕蒸氣制冷劑首先被冷卻并至少部分冷凝，然后使該輕蒸氣制冷劑蒸發(fā)；和(g)將所述輕、中和重的已蒸發(fā)的制冷劑返送到所述壓縮機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中從所述中間級(jí)的一個(gè)級(jí)中取出至少一部分所述三元制冷劑蒸氣的步驟包括從所述級(jí)中取出所述全部三元制冷劑蒸氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述中間級(jí)的所述一個(gè)級(jí)是倒數(shù)第2級(jí)。
全文摘要
一種用于乙烯生產(chǎn)設(shè)備的制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一種含有甲烷、乙烯和丙烯的閉合回路式三元制冷劑系統(tǒng)。將出自一個(gè)壓縮機(jī)的三元制冷劑分離成級(jí)間排放物和壓縮機(jī)末級(jí)排放物，從而產(chǎn)生富甲烷蒸氣級(jí)份和兩級(jí)富丙烯液體，以便在各個(gè)熱交換級(jí)中得到不同的溫度和不同程度的制冷，同時(shí)使流回至壓縮機(jī)中的制冷劑組分保持基本不變，使總回流制冷劑的大部分流回第1級(jí)壓縮機(jī)吸氣口。該三元系統(tǒng)也可以用于使用高壓脫甲烷塔的乙烯生產(chǎn)設(shè)備。
文檔編號(hào)C07C9/04GK1646455SQ03808014
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月11日
發(fā)明者V·T·韋, Q·馬, J·T·－C·吳 申請(qǐng)人:Abb拉默斯環(huán)球有限公司