способ деметанизации газовых смесей

Формула изобретения

1. СПОСОБ ДЕМЕТАНИЗАЦИИ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ, включающий последовательное ступенчатое охлаждение сжатой исходной газовой смеси посредством внешнего холодильного цикла и регенеративного теплообмена обратными потоками с образованием газо-жидкостной смеси, межступенчатую сепарацию последней на газовую и жидкую фазу, отвод продуктового потока газа после последней ступени сепарации обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью, подачу отсепарированных потоков жидкости на ректификацию с получением деметанизированной продуктовой жидкой фазы и газообразной метановой фракции, охлаждение последней посредством внешнего холодильного цикла с частичным образованием конденсата, сепарации на газовую и жидкую фазу и отвод после сепарации жидкой и газообразной метановой фракции обратными потоками на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью, отличающийся тем, что перед сепарацией метановую фракцию дополнительно охлаждают в регенеративном теплообмене с газообразной фракцией, отводимой после сепарации, поток жидкой метановой фракции после сепарации делят на два потока, первый из которых дросселируют с понижением температуры и подают обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью перед ее последней ступенью сепарации, второй поток дросселируют с понижением температуры и направляют на испарение с подводом тепла от охлаждаемой дополнительно метановой фракции, после испарения второй поток метановой фракции подают на смешение с первым потоком после его регенеративного теплообмена с исходной газовой смесью перед ее последней ступенью сепарации, при этом после смешения и ступенчатого регенеративного теплообмена метановую фракцию подают на рециркуляцию и компримирование в исходную газовую смесь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый поток жидкой метановой фракции перед дросселированием переохлаждают в регенеративном теплообмене с потоком жидкости, поступающей на ректификацию после последней ступени сепарации исходной газовой смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к разделению углеводородных газов, в частности, этиленсодержащих газов путем низкотемпературной ректификации и может найти применение в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности, преимущественно в производстве этилена.

Известен способ деметанизации газовых смесей, включающий глубокое охлаждение смеси перед разделением до температур (-120)-(-130^оС) [1] при этом охлаждение осуществляют ступенчато с выводом промежуточных частичных конденсатов на разделение в деметанизатор. Причем охлаждение до температур (-90)-(-95^оС) обеспечивают посредством использования внешнего каскадного холодильного цикла на пропилене и этилене в качестве хладагентов. Дальнейшее охлаждение смеси осуществляют внутренним холодильным циклом, основанным на использовании частичного конденсата следующим образом. Часть конденсата, образующегося при охлаждении газовой смеси до температур порядка (-100^оС), дросселируют до давления 3-4 ата (при этом его температура понижается), испаряют путем отбора тепла от газовой смеси, охлаждаемой в результате этого, и рециркулируют в исходную газовую смесь.

При соотношении водород/метан по объему 1:2 в исходной газовой смеси (газы пиролиза бензина) указанный конденсат представляет собой метан-этиленовую смесь, содержащую до 90 об. метана, и внутренний холодильный цикл обеспечивает охлаждение газовой смеси до (-120)-(-130^оС).

В качестве флегмы в способе деметанизации [1] используют фракцию, получаемую при охлаждении этиленом паров, отводимых после ректификации.

Недостатком способа [1] является низкая эффективность при работе с газовыми смесями, в составе которых преобладает водород. Так, для газов пиролиза этана (соотношение водород/метан по объему 4:1) углеводородный конденсат, образующийся при охлаждении этой газовой смеси до температур (-120)-(-130^оС), содержит до 65 об. этилена и этана, вследствие чего основное количество холода при испарении такого конденсата может быть получено при температурах выше (-100^оС), и таким образом, использование способа [1] для деметанизации газов пиролиза этана позволяет обеспечить охлаждение этих газов перед ректификацией только до температур порядка (-100)-(-105^оС), что обусловливает повышение потери целевого продукта этилена ввиду уменьшения количества поступающего на ректификацию конденсата и повышенных потерь этилена с остаточным газом.

Известен другой способ деметанизации газовых смесей [2] включающий ступенчатое охлаждение газовой смеси под давлением посредством внешних и внутренних холодильных циклов с образованием промежуточных частичных конденсатов компонентов газовой смеси, ректификацию частичных конденсатов с получением деметанизированной жидкой фазы и газообразной метановой фракции, при этом внутренний холодильный цикл образуют путем дросселирования хладагента, в качестве которого используют частичный конденсат, полученный из упомянутой метановой фракции посредством ее охлаждения внешним холодильным циклом, и рециркуляции указанного сдросселированного конденсата, отработавшего в качестве источника холода, в исходную газовую смесь.

Способ [2] более эффективен, чем [1] при работе с газовыми смесями, в составе которых относительно много водорода, например, с газовыми смесями продуктов пиролиза этана, благодаря достижению более низких, чем в [1] температур охлаждения газовой смеси перед ректификацией вследствие того, что во внутреннем холодильном цикле используют в качестве хладагента частичный конденсат, содержащий в [2] больше, чем в [1] низкокипящего компонента метана (70 и 35 об. соответственно).

Однако способ деметанизации газовых смесей [2] тоже не достаточно эффективен по причине как повышенных потерь целевого продукта этилена, уходящего с газовой фазой, оставшейся после получения из метановой фракции частичного конденсата-хладагента внутреннего холодильного цикла, так и вследствие недостаточно высокой удельной холодопроизводительности внутреннего холодильного цикла, что обусловливает излишние энергозатраты на деметанизацию газовых смесей.

Объясняются перечисленные недостатки способа [2] малой глубиной охлаждения метановой фракции при получении частичного конденсата-хладагента внутреннего холодильного цикла. При таком охлаждении в недостаточной степени происходит конденсирование низкокипящих компонентов, таких как этилен и метан, в результате чего имеется повышенная концентрация этилена в остаточном газе (составляющая 10-18 об.) и недостаточно высокое содержание метана в частичном конденсате хладагенте, что и обусловливает повышенные потери целевого продукта этилена и недостаточно высокую удельную холодопроизводительность внутреннего холодильного цикла соответственно.

Кроме того, недостаток способа [2] заключающийся в невысокой удельной холодопроизводительности внутреннего холодильного цикла, обусловлен и недостаточно низкой температурой его хладагента перед дросселированием, так как это приводит к большим потерям дросселирования.

Наиболее близким по совокупности признаков аналогом к предлагаемому изобретению является способ [2] который выбран в качестве прототипа.

Изобретение направлено на решение задачи по снижению потерь целевого продукта и энергозатрат при деметанизации газовых смесей. Это обеспечивается достижением следующих технических результатов, по отношению к прототипу [2] а именно:

1) уменьшением концентрации целевого продукта (этилена) в остаточном газе при получении частичного конденсата-хладагента внутреннего холодильного цикла из метановой фракции, образованной в результате ректификации промежуточных частичных конденсатов исходной газовой смеси (газов пиролиза этана);

2) увеличением содержания низкокипящего компонента смеси (метана) в упомянутом частичном конденсате-хладагенте;

3) снижением потерь дросселирования этого хладагента.

Перечисленные технические результаты достигаются тем, что по сравнению с известным способом, включающем:

последовательное ступенчатое охлаждение сжатой исходной газовой смеси посредством внешнего холодильного цикла и регенеративного теплообмена обратными потоками с образованием газо-жидкостной смеси, межступенчатую сепарацию последней на газовую и жидкую фазу, отвод продуктового потока газа после последней ступени сепарации обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью, подачу отсепарированных потоков жидкости на ректификацию с получением деметанизированной продуктовой жидкой фазы и газообразной метановой фракции, охлаждение последней посредством внешнего холодильного цикла с частичным образованием конденсата, сепарации на газовую и жидкую фазу и отвод после сепарации жидкой и газообразной метановой фракции обратными потоками на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью, перед сепарацией метановую фракцию дополнительно охлаждают в регенеративном теплообмене с газообразной фракцией, отводимой после сепарации, поток жидкой метановой фракции после сепарации делят на два потока, первый из которых дросселируют с понижением температуры и подают обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью перед ее последней ступенью сепарации, второй поток дросселируют с понижением температуры и направляют на испарение с подводом тепла от охлаждаемой дополнительно метановой фракции, после испарения второй поток метановой фракции подают на смешение с первым потоком после его регенеративного теплообмена с исходной газовой смесью перед ее последней ступенью сепарации, при этом после смешения и ступенчатого регенеративного теплообмена метановую фракцию подают на рециркуляцию и компремирование в исходную газовую смесь.

Кроме того, первый поток жидкой метановой фракции перед дросселированием переохлаждают в регенеративном теплообмене с потоком жидкости, поступающей на ректификацию после последней ступени сепарации исходной газовой смеси.

На фиг. 1 и 2 изображена схема установки, в которой осуществляется способ деметанизации газовых смесей. Номерам позиций на этой схеме соответствуют следующие элементы установки.

Исходную газовую смесь, представляющую собой сжатые до давления 37-38 ата и осушенные газы пиролиза углеводородного сырья, например, этана, последовательно пропускают (поток I, см. схему установки на фиг. 1) через рекуперативные теплообменники 1, 3, 5, 7 и холодильники-испарители 2, 4, 6, 8, в которых смесь охлаждается до температуры порядка минус 65^оС. При этом в указанных рекуперативных теплообменниках охлаждение осуществляется продуктовыми потоками II, III, циркуляционным потоком IV установки и испаренным этаном V, а в холодильниках-испарителях внешними (по отношению к данной установке) холодильными циклами: 2 пропиленовым (т.е. в качестве хладагента используется пропилен), 6 и 8 этиленовым (при двух температурах кипения). Кроме того, в холодильнике-испарителе 4 охлаждение газовой смеси производится за счет кипения жидкого этана продукта (поток V). Охлажденная в результате этого до температуры порядка минус 65^оС исходная газовая смесь претерпевает частичную конденсацию. В сепараторе 9 промежуточный частичный конденсат отделяют и направляют (поток VI) на ректификацию. Оставшаяся газовая фаза поступает (поток VII) на дальнейшее охлаждение в рекуперативный теплообменник 10, где ей отдают свой холод продуктовые II, III и циркуляционный IV потоки установки и затем в холодильник испаритель II (см. фиг. 2), в котором от нее отводят тепло внешним холодильным циклом (этиленовым при еще более низкой чем в 6 и 8, температуре кипения порядка минус 98^оС). Охлажденная в результате этого до температуры порядка минус 95^оС газовая смесь претерпевает частичную конденсацию. В сепараторе 12 образовавшийся промежуточный частичный конденсат отделяют и направляют (поток VIII) на ректификацию. Оставшаяся газовая фаза поступает (поток IX) на дальнейшее охлаждение в теплообменник 13, где от нее отводят тепло внутренним холодильным циклом посредством хладагента этого цикла, кипящего в трубном пространстве 14 теплообменника 13 после дросселирования в регулирующем вентиле 15, и продуктовым потоком III установки, движущимся в трубном пространстве 16 этого теплообменника. Охлажденная в результате такого отвода тепла до температуры порядка минус 130^оС газовая смесь претерпевает частичную конденсацию. В сепараторе 17 образовавшийся промежуточный частичный конденсат отделяют и после нагрева хладагентом внутреннего холодильного цикла в теплообменнике 18 направляют (поток Х) на ректификацию в колонну 19. Газовая фаза из сепаратора 17 представляет собой продуктовый поток III установки (водородная фракция), который поступает в трубное пространство 16 теплообменника 13. Ректификационная колонна 19 разделена глухой тарелкой 20 на две части верхнюю и нижнюю, массообмен между которыми по жидкости осуществляется через гидрозатвор 21, а по пару посредством перепускной линии 22, в которую включены холодильники испарители 23 и 24 внешнего этиленового холодильного цикла (при двух температурах кипения), обеспечивающих охлаждение отгонных паров из нижней части колонны 19, поступающих в верхнюю часть, до температуры порядка минус 65^оС.

В ректификационной колонне при давлении порядка 34 ата происходит фракционирование поступающего в виде потоков VI, VIII и Х в соответствующие зоны верхней части колонны 19 промежуточного частичного конденсата. Отгонные пары получают в нижней части колонны путем выпаривания из жидкости, скапливающейся внизу, низкокипящих компонентов посредством кипятильника 25. Деметанизированную таким образом жидкость, содержащую компоненты С₂ и выше, выводят из установки в качестве продукта (поток ХI). Отгонные пары предварительно укрепляются в нижней части колонны 19 в результате процессов теплообмена с жидкостью, поступающей через гидрозатвор 21 и окончательно укрепляются в верхней части колонны 19 как вследствие их охлаждения в холодильниках испарителях 23 и 24, при котором образуется частичный конденсат высококипящих компонентов, так и в результате процессов теплообмена с поступающим в колонну 19 более холодным, чем упомянутые пары, промежуточным частичным конденсатом (потоки VIII и Х). Укрепленные пары, представляющие собой метановую фракцию, выводят сверху ректификационной колонны 19 (поток XII).

Далее метановую фракцию последовательно охлаждают в холодильнике-испарителе 26 до температуры порядка минус 95^оС внешним этиленовым холодильным циклом и в теплообменнике 27, где от нее отводят тепло внутренним холодильным циклом посредством хладагента этого цикла, кипящего в трубном пространстве 28 теплообменника 27 после дросселирования в регулирующем вентиле 29, и продуктовым потоком II установки, движущимся в трубном пространстве 30 этого теплообменника. Охлажденная в результате такого отвода тепла до температуpы порядка минус 115^оС метановая фракция претерпевает частичную конденсацию. Образующуюся вследствие этого газожидкостную смесь разделяют в сепараторе 31. Газовый поток, выходящий из сепаратора 31, представляет собой продуктовый поток II установки с содержанием этилена всего 0,2-0,5 об. который поступает в трубное пространство 30 теплообменника 27, где осуществляет дополнительный отвод тепла от метановой фракции, а затем выводится из установки с регенерацией его холода исходной газовой смесью в рекуперативных теплообменниках 10, 7, 5, 3, 1. Конденсат метановой фракции, выходящий из сепаратора 31, используется в качестве хладагента упомянутого внутреннего холодильного цикла, для чего этот конденсат (метан-этилен) направляют на параллельное дросселирование до давления 2-3 ата в вышеуказанные регулирующие вентили 15 и 29. При этом перед регулирующим вентилем 15 конденсат-хладагент переохлаждают промежуточным частичным конденсатом в теплообменнике 18. В результате упомянутого дросселирования температура хладагента понижается и его направляют в качестве источника холода в вышеуказанные трубные пространства 14 и 28 теплообменников 13 и 27, соответственно, где он испаряется, производя охлаждение. После этого оба потока испаренного хладагента смешиваются, образуя циркуляционный поток IV, выводимый из установки с регенерацией его холода исходной газовой смесью в рекуперативных теплообменниках 10, 7, 5, 3, 1. В дальнейшем этот хладагент рециркулирует через компрессор в исходную газовую смесь, т.к. он содержит достаточно большое количество целевого продукта этилена.