專利名稱：乙烯裝置的冷凍系統(tǒng)的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及提供乙烯裝置冷卻之需的冷凍系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及采用包含甲烷-乙烯混合物的二元冷凍劑來冷卻乙烯裝置。
乙烯裝置需要利用冷凍從裂化爐流出物中分離出需要的產(chǎn)物。通常，采用C3冷凍劑，一般為丙烯，以及C2冷凍劑，典型的為乙烯。一般而言，尤其是在采用要求較低溫度的低壓脫甲烷塔的系統(tǒng)中，還常常使用單獨的甲烷冷凍系統(tǒng)。于是，需要3個單獨的冷凍系統(tǒng)，從最低溫度到最高溫度串聯(lián)布置。需要3臺壓縮機和驅(qū)動系統(tǒng)，再配上吸入罐、單獨的交換器、管線等等。還有，甲烷冷凍循環(huán)常常需要往復壓縮機，這又會部分地抵消因采用低壓脫甲烷塔而帶來的任何基本投資上的節(jié)省。
混合的冷凍劑系統(tǒng)在工業(yè)上已問世幾十年了。在這樣的系統(tǒng)中，設置采用多組分的單一冷凍系統(tǒng)，以便在較寬溫度范圍提供致冷，因此，一套混合冷凍系統(tǒng)就能代替多個純組分串聯(lián)的冷凍系統(tǒng)。這樣的冷凍系統(tǒng)已在基本負荷液態(tài)天然氣裝置中得到廣泛應用。已見到有關在乙烯裝置設計中應用混合冷凍系統(tǒng)的文章，但是由于冷凍劑中存在多種組分，它們在操作上都很復雜。而且，當丙烯冷凍壓縮機循環(huán)溫度等于或高于-40℃時它們的效率較低。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種乙烯裝置用的簡化冷凍系統(tǒng)，具有以甲烷和乙烯，或者替代地甲烷和乙烷，的混合物作為二元冷凍劑的低壓脫甲烷塔，以串聯(lián)配合丙烯，或替代地丙烷，冷凍系統(tǒng)一起工作。該系統(tǒng)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)裝置中配合丙烯冷凍系統(tǒng)使用的單獨的甲烷和乙烯冷凍系統(tǒng)。該冷凍劑的組成可沿整個系統(tǒng)保持恒定，或者可采用分離器將二元冷凍劑部分閃蒸，從而分為富甲烷流和富乙烯流，用于在一個或多個熱交換器中的獨立的循環(huán)。本發(fā)明冷凍系統(tǒng)的目的、布置和優(yōu)點在研讀了下面的描述之后將變得更加清楚。
附圖簡述

圖1是部分乙烯裝置的示意流程圖，說明本發(fā)明冷凍系統(tǒng)的一種圖2是類似于圖1的示意流程圖，但用于說明本發(fā)明的一種替代圖3是說明圖2實施方案的一種變換方案的示意流程圖。
優(yōu)選實施方案描述本發(fā)明涉及一種乙烯裝置，其中裂解氣體首先接受脫甲烷和氫氣處理，隨后按已知方式加工以生產(chǎn)和分離出乙烯和丙烯以及一些其他副產(chǎn)物。乙烯裝置通過低溫冷凝和分餾實現(xiàn)氣體分離的過程要求寬溫度范圍致冷。涉及乙烯裝置冷凍系統(tǒng)的基本投資可占到整個裝置投資的相當大一部分。因此，在冷凍系統(tǒng)的基本投資上的節(jié)約將顯著影響整個裝置的成本。
帶高壓脫甲烷塔的乙烯裝置操作在高于2.758MPa(400psi)的壓力下，并可通過純組分乙烯的致冷作用而冷凝，從而產(chǎn)生塔頂回流。此種系統(tǒng)的脫甲烷塔頂部溫度一般介于-85℃～-100℃。大約-101℃的乙烯致冷作用通常用于對塔頂冷凝器的冷卻。在低于2.758MPa的壓力下，塔頂溫度通常都太低，以致不宜使用乙烯冷凍，除非采用真空。然而，這是不理想的，因為基本投資將增加而且空氣漏入到系統(tǒng)中的潛在危險將導致安全隱患。
本發(fā)明涉及低壓脫甲烷塔和二元冷凍劑體系的應用。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，低壓脫甲烷塔操作在低于約2.41 MPa(350 psi)，一般介于0.345～1.034MPa(50～150psi)，其間塔頂溫度介于-200～-235℃。低壓脫甲烷塔的優(yōu)點是，裝置總功率要求較少，裝置總基本投資較少，而缺點是，要求的冷凍溫度較低，因此迄今為止需要單獨的甲烷冷凍壓縮機。
本發(fā)明的二元冷凍劑包含甲烷與乙烯的混合物。甲烷對乙烯的比例將取決于乙烯裝置的裂解原料、裂解深度、冷卻系列壓力(chillingtrain pressure)，以及冷凍劑的性質(zhì)等因素，然而一般介于10∶90～50∶50，更可能介于20∶80～40∶60。甲烷與乙烯或甲烷與乙烷二元冷凍劑配合丙烯或丙烷冷凍系統(tǒng)的使用，為帶有低壓脫甲烷塔的乙烯裝置提供所要求的冷凍負荷及溫度，同時避免對3種單獨的甲烷、乙烯和丙烯冷凍劑的需要。
二元冷凍劑將不用在高壓脫甲烷塔中，因為不需要提供這樣深度的冷凍。沒有必要用二元冷凍系統(tǒng)作為純組分乙烯冷凍系統(tǒng)的簡單替代物。這只能導致成本更高、更復雜。已有人建議用混合的冷凍系統(tǒng)代替乙烯和丙烯這2個冷凍系統(tǒng)，然而，它們要求至少1種比乙烯輕的組分，例如甲烷。因此，它將至少是三元體系。通常更經(jīng)濟的做法是再使用一種比丙烯重的組分，例如C4組分，這樣一來系統(tǒng)通常將成為四元冷凍劑系統(tǒng)了。
本發(fā)明的目的是為從進料氣體(裂解氣體)中大致分離出氫氣和甲烷提供所需要的冷凍，并提供脫甲烷塔的進料。參見圖1所示本發(fā)明的實施方案，進料氣體2，即按要求進行調(diào)節(jié)的并冷卻的裂解氣體，其具有介于約-35～-37℃的典型溫度以及約3.45MPa(500psi)典型壓力，此時一般將已經(jīng)出現(xiàn)部分液化。
進料氣體2在熱交換器4、6、8和10中由本發(fā)明的冷凍系統(tǒng)逐步冷卻并正如下面將解釋的，發(fā)生分離，生成脫甲烷塔進料。熱交換器4、6、8和10一般為銅焊的鋁質(zhì)交換器，亦稱為板翅(platefin)或芯式交換器，并可物理地組合成較少的單元，或者擴展為較多的單元數(shù)目。在脫甲烷塔12中，C1和更輕的組分，主要是甲烷和氫氣，與C2和更重的組分彼此分離。從脫甲烷塔12出來的凈塔頂物14用作冷凍系統(tǒng)中的冷卻流，正如下文將解釋的。從脫甲烷塔出來的塔底物16也可用作冷凍系統(tǒng)另一部分中的冷卻流，下文也將解釋。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向冷凍系統(tǒng)本身，二元冷凍劑，如同前面所提到的，以甲烷與乙烯混合物的形式由冷凍壓縮機18壓縮到高達約3.0～4.0MPa的壓力。下面給出的表格中，列出本發(fā)明一種實施例的具體溫度和壓力。壓縮的二元冷凍劑20在22和24中，受到例如冷卻水或其它冷物流的冷卻，并進一步在26，例如由丙烯冷凍劑冷卻到約-30～-40℃的溫度。液態(tài)二元冷卻劑被收集在接受器或收集器28中。
冷卻劑30從受槽28出來，可在32中與來自脫甲烷塔12的塔底物16或者其他在此受到加熱的冷物流進行熱交換從而進一步降溫。脫甲烷塔塔底物從熱交換器32的34處出來，送往傳統(tǒng)生產(chǎn)和分離乙烯、丙烯及其他副產(chǎn)物的脫乙烷塔。
從熱交換器32出來的二元冷凍劑36，隨后送往一系列熱交換器4、6、8、10以及11當中的第1個。熱交換器4～10對來自裂解爐的進料氣體實施冷卻。熱交換器11向脫甲烷塔提供回流。
首先來看熱交換器4，二元冷凍劑36流過熱交換器盤管46從而受到冷卻。隨后，部分二元冷凍劑作為48排出，其溫度通過膨脹閥50的減壓作用而下降。該冷卻的二元冷凍劑部分，隨后再反向通過熱交換器盤管52。膨脹閥50根據(jù)在熱交換器4中受到冷卻的進料氣流54的溫度來控制，從而控制熱交換器盤管52中冷凍劑的溫度。熱交換器盤管52中的二元冷凍劑吸熱并蒸發(fā)，進而過熱到比進來的流36低1～5℃的溫度。蒸發(fā)的二元冷凍劑56從盤管52出來，進入到吸入罐58中，由此，冷凍劑蒸汽流60喂入到二元冷凍劑壓縮機18中。吸入罐58以及下面將提到的其他吸入罐84、102和130，僅用來分離出在失常狀態(tài)下可能存在的任何液體，以防止可能對壓縮機造成的損壞。在系統(tǒng)正常操作期間不需要它們。
二元冷凍劑之所以首先通過熱交換器4接受冷卻，然后再在50中閃蒸，是為了降低固定閃蒸壓力下閃蒸出的蒸汽百分率。這樣，經(jīng)閃蒸后的液體將變得更冷，故可提供在更冷的溫度下的更強的致冷作用。在純組分冷凍劑的情況下，對任何給定閃蒸液體壓力而言，閃蒸液體溫度是固定的，因此，閃蒸前進行冷卻將得不到任何凈收益。同樣的原理適用于其他熱交換器6、8、10和11。
在熱交換器4以及其他熱交換器6、8及10中的進一步冷卻是由物流62、64和66提供的，它們分別是氫氣、低壓甲烷和高壓甲烷的低溫流。這些低溫流62、64和66來自低溫氫/甲烷分離系統(tǒng)68以及脫甲烷塔12的塔頂物14。凈塔頂物66還可為當作脫甲烷塔回流冷凝器的熱交換器11提供冷卻。
冷卻后的進料氣體54可進一步在70中冷卻并喂入到下一個熱交換器6中。交換器70中的冷卻可以是脫甲烷塔12的再沸和中間再沸(interboiling)作用。從熱交換器4出來的其余冷卻的二元冷凍劑72還喂入到下一個熱交換器6中。該熱交換器6的操作方式與熱交換器4相同，只是這時所有相關的溫度都更低，包括進入的二元冷凍劑流72、流出的二元冷凍劑流74、膨脹閥78以后的二元冷凍劑流76、從盤管81出來的蒸發(fā)二元冷凍劑流80以及流出的進料氣體流82的溫度。蒸發(fā)的二元冷凍劑80喂入到吸入罐84，再作為86喂入到二元冷凍壓縮機18。
進料氣體流82喂入到分離器88中，在其中，冷卻的進料氣體分離成揮發(fā)性較小的脫甲烷塔進料流90，以及揮發(fā)性較大的頂部流92，后者這時已含有進一步濃縮的甲烷和氫。頂部物92和二元冷凍劑74流入下一個熱交換器8，在此，繼續(xù)相同方式的冷卻過程，從而產(chǎn)生進一步冷卻的進料氣體94和二元冷凍劑96。一部分二元冷凍劑再次流過膨脹閥98和盤管100，進入到吸入罐102中。然后，蒸汽104喂入到二元冷凍劑壓縮機18中。熱交換器8還可利用來自熱交換器10的蒸發(fā)二元冷凍劑流106進一步冷卻。
從熱交換器8出來的進料氣體94喂入到分離器108中，在此，揮發(fā)性較大的組分作為110從頂部排出，并喂入到熱交換器10中。此時，該頂部物中所含氫氣和甲烷已得到更進一步濃縮。從分離器108出來的底部物作為112喂入到脫甲烷塔12中。
在熱交換器10中，冷卻過程依靠又一部分二元冷凍劑經(jīng)由膨脹閥114的膨脹以及盤管116中的蒸發(fā)而繼續(xù)進行，從而產(chǎn)生前面所提到的二元冷凍劑流106。流出的進料氣體118喂入到分離器120中，現(xiàn)在，分離器中的頂部物122已經(jīng)主要是氫氣和甲烷了。頂部物122喂入到氫氣/甲烷分離系統(tǒng)68中，在此，氫氣與甲烷經(jīng)過低溫分離產(chǎn)出氫氣流62和低壓甲烷流64。從分離器120出來的底部物作為124喂入到脫甲烷塔12中。這時，剩余的二元冷凍劑流126在熱交換器11中被脫甲烷塔凈塔頂物66進一步冷卻。二元冷凍劑流126在133中膨脹并反向通過熱交換器11中的盤管135，準備與來自閥114的冷凍劑混合。
從脫甲烷塔12出來的總塔頂流14進入到熱交換器11中，在此，它部分地冷凝。該部分冷凝的物流127流入到分離器128中。從分離器128出來的液體129返回到脫甲烷塔12中作為回流。從分離器128出來的頂部物66，這時已是凈脫甲烷塔塔頂物，主要含甲烷，通過反向流經(jīng)熱交換器11、10、8、6及4而被再加熱。脫甲烷塔12備有典型的再沸器和塔板間的中間再沸器(未表示出)。脫甲烷塔的塔底物16是C2以及更重組分。再沸以及中間再沸一般依靠進料氣體的冷卻作用，例如通過熱交換器70實現(xiàn)。
流106進入到吸入罐130，然后作為132進入到二元冷凍劑壓縮機18中。雖然圖1表示出4臺熱交換器4、6、8和10，然而，這些熱交換器的數(shù)目可根據(jù)任何具體乙烯工藝，特別是具體進料氣體情況作出變更。下表給出作為本發(fā)明一個具體實施方案，在圖1所示工藝流程中的，各個點處的，包括脫甲烷塔系統(tǒng)的二元冷凍劑以及進料氣體(工藝氣體)的溫度和某些壓力
本發(fā)明二元冷凍劑系統(tǒng)的某些優(yōu)點已在上面提到，包括壓縮機系統(tǒng)數(shù)目減少，以及能采用任何離心或軸流壓縮機來代替甲烷往復壓縮機。另一個優(yōu)點是，二元冷凍劑的組成比包含3或更多組分的更復雜的混合冷凍劑更容易維持。這在系統(tǒng)發(fā)生差錯或受到干擾，導致冷凍劑放空的情況下表現(xiàn)得尤其明顯。放空過程造成冷凍劑中輕組分比重組分損失得更多。這使組分比例改變，一旦重新開車必須予以矯正。冷凍劑組成越復雜，比例矯正起來越困難。
在圖1表示的本發(fā)明方法中，冷凍劑組成沿全過程維持恒定。然而在圖2表示的本發(fā)明替代方案中，將出現(xiàn)二元冷凍劑分離為二元富甲烷流和二元富乙烯流。
圖2僅大致表示出圖1中修改過的部分，圖中有一個膨脹閥136設置在管線36中。二元冷凍劑壓力下降，于是一部分蒸發(fā)。液體部分和蒸汽部分在閃蒸罐138中分離，借此，蒸汽部分140將富含甲烷，而液體部分142將富含乙烯或乙烷。在該圖2的實施方案中，富甲烷流140流過全部熱交換器4、6、8和10，然后在144處，一部分膨脹并作為流146反向流過全部熱交換器10、8、6和4。離開熱交換器10的流140的另一部分126在交換器11中冷卻，在133中膨脹并反向流過交換器11，然后在交換器10的進口與流146匯合。流出的富甲烷二元冷凍劑流146，隨后將返回到壓縮機18的第1級。富乙烯流142的處理與圖2中二元冷凍劑流有些相似，即，在流過頭3個熱交換器中每一個之后，分別排出一部分--148、150和152并在154、156和158中膨脹。膨脹的部分隨后分別反向流過這些熱交換器中一個或多個，從而產(chǎn)出流出的富乙烯或富乙烷二元冷凍劑流160、162和164，它們再返回喂到適當?shù)膲嚎s機級中。
圖2中二元冷凍劑發(fā)生分離的方案的優(yōu)點是，對壓縮機出口處的任何給定二元冷凍劑組成來說，壓縮機能夠以較高的壓力吸入。吸入壓力之所以較高，是因為冷凍劑組成中富含甲烷，因此在固定冷凍劑溫度的條件下，壓力將比較高。這就是說，壓縮機的壓縮比比較低，這將導致壓縮機成本的降低。
圖2的一個變換方案是在管線36中不設閥門136。這時，管線36中的壓力將降低，以致該物流不完全液化，蒸汽部分依然保留。分離器138將冷凝液部分與富甲烷蒸汽部分分開。這一變換方案允許壓縮機18在流36中的任何給定甲烷-乙烯(或甲烷-乙烷)組成條件下具有較低排出壓力。壓縮機18的總壓縮比降低了。流36的流率增加，以補償任何給定流36的組成。然而，壓縮機成本卻得以降低。這一方案對于小規(guī)模乙烯裝置，即，壓縮機18出口的實際壓縮機體積流量接近離心壓縮機的設計允許下限的情況，尤其有用。
圖3是類似于圖2所示的本發(fā)明另一種修改方案，但是它增加了一個二元冷凍劑的分離步驟。如圖所示，恰似圖2的方案，在138處設有一個第1分離。富甲烷二元冷凍劑蒸汽流140流經(jīng)熱交換器4而部分地液化，然后流經(jīng)管線166進入到附加冷凍劑分離器170，在此再次分離為第2富甲烷蒸汽流172和第2富乙烯或富乙烷液體流174。富甲烷流172將比流174和流140更富甲烷。富乙烯或富乙烷流142恰如圖2中的方案一樣流經(jīng)熱交換器。類似地，第2富甲烷流172流經(jīng)第2熱交換器6，然后如同其他方案一樣流入到較低溫度熱交換器中，在此它膨脹并反向流過熱交換器。第2富乙烯或富乙烷流174流經(jīng)第2熱交換器，在178膨脹并反向流過熱交換器。該圖3為簡單計僅表示出2臺熱交換器，然而實際上也可有另外的熱交換器和類似于分離器170的另外的分離器。
該圖3工藝方案的優(yōu)點在于，在任何給定冷凍溫度條件下，二元冷凍劑壓力比較高。這將降低二元冷凍劑壓縮機的壓縮比并可降低壓縮機基本投資。
權利要求
1．在由含氫、甲烷、乙烯和其他C2以及更重烴類的進料氣體生產(chǎn)乙烯的方法中，其中所述方法包括在低于2.41MPa(350psi)的壓力下操作的脫甲烷塔且其中所述進料氣體由一種冷凍系統(tǒng)冷卻，一種在所述冷凍系統(tǒng)中采用二元冷凍劑來冷卻所述進料氣體的方法，包括下列步驟甲烷與乙烯或甲烷與乙烷的混合物經(jīng)過壓縮產(chǎn)生一種二元冷凍劑，所述二元冷凍劑通過一系列熱交換器逐步膨脹和冷卻，所述逐步冷卻的二元冷凍劑與所述進料氣體在所述熱交換器中逐步進行熱交換接觸從而冷卻，并借此分離出所述氫和一部分所述甲烷，并產(chǎn)生濃集了所述乙烯和其他C2以及較重烴類的液態(tài)脫甲烷塔進料流，將所述液態(tài)脫甲烷塔進料流喂入到所述低壓脫甲烷塔中，并產(chǎn)出主要由甲烷組成的總脫甲烷塔塔頂流，所述總脫甲烷塔塔頂流與所述逐步冷卻的二元冷凍劑進行接觸，并分離出脫甲烷塔回流流，以及凈脫甲烷塔塔頂流，將所述脫甲烷塔回流流返回到所述脫甲烷塔中。
2．在權利要求1的方法中，其中所述凈脫甲烷塔塔頂流與所述進料氣體在所述熱交換器中進行熱交換接觸。
3．在權利要求1的方法中，其中從通過在所述熱交換器中冷卻的所述進料氣體中分離出來的所述氫與所述甲烷的所述部分，進行低溫分離，產(chǎn)出氫氣流和甲烷流，其中所述氫氣流和甲烷流各自在所述熱交換器中與所述進料氣體進行熱交換接觸。
4．在權利要求1的方法中，其中所述二元冷凍劑通過一系列熱交換器逐步膨脹和冷卻的過程包括下列步驟所述二元冷凍劑流經(jīng)所述熱交換器之一，所述二元冷凍劑的一部分在通過所述一個熱交換器之后進行膨脹，所述膨脹部分反向流過所述一個熱交換器，而所述二元冷凍劑的其余部分則送入并流經(jīng)所述熱交換器中的下一個，繼而重復下述所述步驟，即，使又一部分膨脹，然后所述又一部分反向流過所述熱交換器。
5．在權利要求4的方法中，其中所述二元冷凍劑的諸所述部分在反向流過所述熱交換器之后，返回到所述二元冷凍劑的壓縮步驟中。
6．在權利要求1的方法中，其中從每臺所述熱交換器分離出來的所述脫甲烷塔進料流各自喂入到所述脫甲烷塔的不同級(stage)中。
7．在權利要求1的方法中，還包括所述二元冷凍劑分離為富甲烷二元冷凍劑和富乙烯或富乙烷二元冷凍劑的步驟，其中所述逐步冷卻的二元冷凍劑與所述進料氣體之間逐步接觸的所述步驟包括下列步驟所述進料氣體與所述富甲烷二元冷凍劑和所述富乙烯或富乙烷二元冷凍劑各自的流在所述熱交換器中進行接觸。
8．在權利要求7的方法中，還包括所述富甲烷二元冷凍劑分離為第2富甲烷二元冷凍劑和第2富乙烯或富乙烷二元冷凍劑的步驟，且其中所述的所述進料氣體的接觸步驟還包括下列步驟所述進料氣體與所述第2富甲烷二元冷凍劑和所述第2富乙烯或富乙烷二元冷凍劑各自的流也進行接觸。
9．在權利要求7的方法中，其中甲烷與乙烯或甲烷與乙烷的所述混合物的壓縮步驟包括壓縮成液-汽混合物的步驟，且其中所述液-汽混合物又被分離成所述富甲烷二元冷凍劑和所述富乙烯或富乙烷二元冷凍劑。
全文摘要
一種乙烯裝置冷凍系統(tǒng),采用低壓脫甲烷塔(12)和含甲烷－乙烯或甲烷－乙烷混合物的二元冷凍劑(20)。該冷凍組成可沿整個系統(tǒng)保持恒定,或者可采用分離器(88、108、120、128)將冷凍劑分為富甲烷二元冷凍劑(140)和富乙烯或富乙烷二元冷凍劑(142)。
文檔編號C07C11/04GK1286671SQ98813860
公開日2001年3月7日 申請日期1998年12月29日 優(yōu)先權日1998年1月6日
發(fā)明者C·蘇穆納, V·T·韋, J·J·克勞福德, S·J·斯坦利, R·J·麥納布 申請人:Abb拉默斯環(huán)球有限公司