烯生產設備的制冷系統的制作方法

專利名稱：烯生產設備的制冷系統的制作方法
背景技術：
本發明涉及一種可以滿足烯生產設備的冷卻要求的制冷系統。具體地說，本發明涉及一種三級或三元制冷劑的應用，這種制冷劑包括用于在乙烯生產設備中進行冷卻的甲烷、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品，乙烯生產設備就需要制冷。通常使用丙烯和乙烯制冷劑。一般來講，特別是在使用要求低溫的低壓脫甲烷塔的系統中，還要使用一個獨立的甲烷制冷系統。因此，就需要三個從最低溫度到最高溫度串接起來的獨立制冷系統。需要三個與吸氣鼓、獨立換熱器、管道等配套的壓縮機和驅動器系統。添加一個往復式或離心式甲烷制冷壓縮機會部分抵消因使用低壓脫甲烷塔所節省的資金成本。
幾十年來，混合制冷劑系統在工業領域中是眾所周知的。在這些系統中，在單一制冷系統中使用多種制冷劑，以提供溫度范圍較寬的制冷作用，這樣就可以用一個混合制冷系統代替多級純組分的串接制冷系統。發現這些混合制冷系統廣泛用于以液化天然氣為基本負荷的設備中。在美國專利US5979177中描述了一種兩元混合制冷系統在乙烯設備中的應用，在該系統中制冷劑是甲烷與乙烯或與乙烷的混合物。但是，這種兩元制冷系統相應于一個獨立的丙烯制冷系統進行串接，使制冷溫度范圍達到-40℃或更高一些。因此，需要兩個獨立的制冷系統。
發明概述因此，本發明的目的是提供一種用于烯生產設備的單一簡單制冷系統，特別是用于使用低壓脫甲烷塔的乙烯生產設備的制冷系統，該系統使用甲烷、乙烯和丙烯的混合物作為三元制冷劑。這種三元系統代替獨立的丙烯、乙烯和甲烷制冷系統，這些系統用低壓脫甲烷塔執行回收處理。本發明包括從壓縮機級間排放物和末級壓縮機的排放物中分離出三元制冷劑，分離成富甲烷蒸汽級份和兩級富丙烯液體，從而在不同的熱交換級中得到不同的溫度和不同程度的制冷，同時使流回至壓縮機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壓縮機吸氣口。這樣，根據熱力學原理，使三元制冷劑系統能夠優于對于獨立制冷劑使用獨立壓縮機的系統，這種三元系統還可用于使用高壓脫甲烷塔的乙烯生產設備，此時三元系統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明的制冷系統的目的、布置和優點更加清楚。


該圖是用于說明本發明制冷系統的一個實施方案的部分乙烯生產設備的流程示意圖。
優選實施方案的描述本發明涉及一種烯生產設備，在該設備中首先對熱解氣體進行處理，以便除去甲烷和氫，然后用公知方法進行處理，以便產生乙烯以及丙烯和其他一些副產品，并將它們進行分離。下面結合一個主要用于生產乙烯的設備對該方法進行描述。通過低溫冷凝和分餾對乙烯生產設備中的氣體進行分離需要在一個比較寬的溫度范圍內進行制冷。乙烯生產設備的制冷系統中所花的資本成本可以占整個設備成本的很大部分。因此，節省制冷系統的資金將會對設備的整體成本有相當大的影響。
使用高壓脫甲烷塔的乙烯生產設備的工作壓力大于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生塔頂回流液。一個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設備要求甲烷溫度級的制冷效果來產生回流。使用低壓餾除器的好處在于所需要整體設備功率以及整體設備投資費用較低，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之外，還必須有一個甲烷制冷系統。
本發明的三元制冷劑包括甲烷，乙烯和丙烯的混合物。根據乙烯設備的裂解原料、裂解難度和激冷系統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。對于使用低壓脫甲烷塔的乙烯生產設備來講，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設備的所有制冷負荷及溫度的要求，而不需要兩個或三個獨立制冷系統。
本發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設備所需要的其他制冷提供進料。對于附圖所描述本發明的具體實施方案，該實施方案適用于低壓脫甲烷塔，三元制冷系統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設備所需的所有制冷等級。根據任一特定乙烯處理流程的具體要求，特別是根據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，或是擴充成更多個單元。這些熱交換器主要是散熱片型熱交換器，并且優選將它們組裝在一個稱作冷箱的絕熱很好的結構中，以便防止熱量增加，并使低溫運行局限在局部。在描述三元制冷系統之前，僅僅是為了說明，先用具體溫度作為例子對流過系統的原料氣體進行描述。
加入的原料氣體22是根據需要被調節和冷卻過的熱解氣體，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中被本發明的制冷系統逐漸冷卻，同時進行合適的分離，產生脫甲烷塔的原料。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。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。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。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)，從而產生氫流和低壓甲烷流50。冷卻回路52用于對低壓脫甲烷塔的塔頂餾分進行冷卻和部分冷凝，以便產生回流。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設備氣流，這些氣流也通過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的再沸器的冷量。氣流56回收脫乙烷塔進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料、乙烷再循環、乙烯蒸餾器側再沸器和底部再沸器以及乙烯產品的冷量。最后的氣流58回收低壓脫乙烷塔進料、乙烯產品、乙烷循環以及在雙壓脫丙烷塔系統中消耗的制冷的冷量。
當溫差較低時，可以在熱流體和冷流體之間實現最大的傳熱效率。例如本發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蒸發的純組分制冷劑明顯不同。因此，當方法的冷凝溫度不變或相對不變時，純組分制冷系統在冷卻期間可能更有效，但當方法的冷凝溫度下降時，則純組分制冷系統在冷卻期間的效率可能相對較低。對于本發明提供的混合制冷系統來講，相關優點倒置了。
在乙烯生產設備中，某些要求制冷的冷卻裝置處于相對恒定的溫度，而某些溫度在下降。在未決的美國專利申請No.09/862253、申請日為2001年5月22日、發明名稱為Tertiary Refrigeration Systemfor Ethylene Plants中描述了一種乙烯生產設備的混合制冷系統，該文獻強調了在整個系統組成恒定。所以，發現恒定溫度傳熱裝置中的效率有些低。本發明旨在通過改變用于這些恒定溫度傳熱裝置的混合制冷劑的組成來提高混合制冷系統的效率。本發明特別涉及用于從乙烷中分離乙烯的制冷系統，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荷低的恒溫傳熱裝置，例如脫乙烷塔。
對于本發明來講，根據特殊的考慮在冷箱外控制乙烯蒸餾冷凝器59的總負荷。通常將殼管式熱交換器用作乙烯分餾冷凝器的傳熱裝置，當然也可以使用例如在冷箱中的散熱片式熱交換器。根據熱力學知道，如果使用一個低壓塔，則在一個所用的制冷系統中汽化曲線隨溫度傾斜時，對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能量消費更高。對于脫乙烷塔冷凝器來講，可以用乙烯分餾器側的再沸器使用近似恒定的溫度在兩側進行制冷。但是，對于乙烯設備中制冷消耗最大的乙烯分餾器冷凝器來講，沒有其他任何解決方法。為了制造能與使用獨立壓縮機的系統在能耗方面能競爭的三元系統，在本發明的三元系統中要求一種能接近傳統丙烯制冷效果那樣產生強制冷劑流的思路。
現在回到制冷系統本身，如上所述，三元制冷劑是甲烷、乙烯和丙烯的混合物，用多級制冷壓縮機60壓縮該三元制冷劑。在示例性實施方案中，有5個壓縮級61，62，64，66和68，并有兩個級間冷卻器。級間冷卻器70在第三級排氣口72處，而級間冷卻器74在第四級排氣口76處。在冷卻以后，將第四級排氣口中的液體在鼓78中進行分離，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68，并作為第5級的最終流出物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，經相分離后產生中間重量制冷劑90和輕制冷劑92。下面是壓縮機的各典型工作條件和各工作條件的范圍

從鼓88出來的輕制冷劑通過所有熱交換器10-20并在該過程中冷凝和過冷。在熱交換器20的出口94處該制冷劑被過冷到約-130℃，然后經閥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生回流。
通常通過控制在氣流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中過熱到-45℃。當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吸氣鼓104時，提供了所期望的過熱溫度5-15℃。
出自鼓88的液體90是中間重量制冷劑，該制冷劑在通過熱交換器10，12和14時被過冷。利用閥106和108對所述過冷制冷劑進行閃蒸，該中間重量制冷劑就可控制23和24處的原料氣體的溫度。通過閥108，中間重量制冷劑經熱交換器14和12回流，然后流回到用于壓縮機第1級61的吸氣鼓104。通過閥106，中間重量制冷劑經熱交換器12和10回流，然后流回到用于壓縮機第3級64的吸氣鼓112。通過調節閥110和為熱交換器10提供有限的制冷，以此來控制鼓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第4級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保持自冷。從熱交換器12出來的重制冷劑的過冷溫度在116處為-10℃--35℃。下面的表簡單說明了壓縮機的吸氣氣流和壓縮機的流量。

如上表所示，為了節省能量，先將制冷劑分離，再將制冷劑重新組合，特別是在壓縮機第1級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，使其在第一壓縮級中占到總流量的大約70％，這樣可以使壓縮機輪穩定運行。由于在第1壓縮級中占到總流量的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，這與單一制冷劑壓縮機系統一樣。在從第4級氣流中萃取重制冷劑以后，第5級中的流量和摩爾重量基本上變得更小。但是，可以設計第5級壓縮，并且通過將氣流重新循環到第一級可以控制負載變化，以便減少影響。對于控制流程中的冷卻負荷來講，可以使用的變量包括控制臨界溫度，調節整體制冷劑組成，調節分離鼓78和88的溫度以及調節壓縮機操作條件。
本發明的閉合回路式三元制冷系統帶有從壓縮機級間的一側或多側提取物，使得該系統成為一種通用系統，其中在該系統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。這使得可以用經濟有效的方法來精確地控制溫度。所以，只要單個閉合回路式三元制冷系統就足以為整個乙烯生產設備提供全部所需要的制冷，不論該乙烯生產設備使用低壓脫甲烷塔還是高壓脫甲烷塔均是如此，其能量消耗具有競爭力，而且整體設備成本也低。
權利要求
1.在從原料氣體中生產烯的過程中利用制冷系統中的三元制冷劑對所述原料氣體和其它烯生產過程中的流體進行冷卻的方法，所述原料氣體含有氫、甲烷、乙烯、其它C2以及更高級烴，其中用一個帶有一系列熱交換器的制冷系統冷卻所述原料氣體和其它烯生產過程中的流體，該方法包括如下步驟(a)在一個多級壓縮機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，所述多級壓縮機有一個第1級和一個最末級以及至少一個中間級；(b)從所述中間級的一個級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，而且使其通過該最末級；(e)從所述壓縮機的最末級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行相互接觸，而且使它們與所述原料氣體以及其它烯生產過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設備過程中的流體，而加熱并蒸發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；和(g)將所述輕、中和重的已蒸發的制冷劑返送到所述壓縮機。
2.根據權利要求1的方法，其中從所述中間級的一個級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中取出所述全部三元制冷劑蒸氣。
3.根據權利要求2的方法，其中所述中間級的所述一個級是倒數第2級。
全文摘要
一種用于乙烯生產設備的制冷系統，該系統包括一種含有甲烷、乙烯和丙烯的閉合回路式三元制冷劑系統。將出自一個壓縮機的三元制冷劑分離成級間排放物和壓縮機末級排放物，從而產生富甲烷蒸氣級份和兩級富丙烯液體，以便在各個熱交換級中得到不同的溫度和不同程度的制冷，同時使流回至壓縮機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級壓縮機吸氣口。該三元系統也可以用于使用高壓脫甲烷塔的乙烯生產設備。
文檔編號C07C9/04GK1646455SQ03808014
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月9日 優先權日2002年4月11日
發明者V·T·韋, Q·馬, J·T·－C·吳 申請人:Abb拉默斯環球有限公司