УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС ДЛЯ ВЫСОКОЧИСТОГО КУБОВОГО ПРОДУКТА
PERFECTED HEAT PUMP FOR HIGH-PURITY BOTTOM PRODUCT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к разделению углеводородов. Конкретнее, настоящее изобретение относится к улучшению использования энергии для разделения углеводородных компонентов, которые при перегонке имеют близкие температуры кипения.
Уровень техники
Разделение углеводородов является базовым процессом в нефтяной промышленности. Нефть представляет собой смесь множества углеводородных соединений, и эти соединения разделяются и используются для различных целей, таких как топливо, смазочные материалы, сырье для полимерных установок и т.д. Одним из способов разделения в нефтяной промышленности является перегонка. Перегонка представляет собой способ разделения, который основан на разнице в относительной летучести компонентов в смеси и, следовательно, на разнице в составах жидкой смеси и пара, образующегося из жидкой смеси. В стандартном способе непрерывной перегонки, включающем множество ступеней, эта разница в составах создает возможность для частичного разделения на каждой ступени. Жидкая и паровая фазы направляются на разные ступени и далее дают новые жидкие и паровые фазы, все из которых имеют различные составы.
2
У перегонных систем имеется одна проблема, которая состоит в том, что они потребляют много энергии и неэффективны с точки зрения использования и потребления энергии. Усовершенствования в конструкции могут значительно снизить потребление энергии. При растущих ценах на энергию и возрастающих требованиях к снижению выбросов СО, связанных с потреблением энергии, существует настоятельная необходимость иметь более эффективные перегонные конструкции.
Краткое раскрытие изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает более эффективное использование энергии при перегонке смеси. Улучшение перегонки обеспечивает повышение чистоты кубового продукта, снижая в то же время количество внешней энергии, подводимой для повторного испарения кубового потока с целью образования пара для отгонки более легких компонентов от кубового потока.
Установка настоящего изобретения включает в себя перегонную колонну, верхний дефлегматор и ребойлер для кубового содержимого. Перегонная колонна имеет ректификационную секцию с впускным отверстием для доступа потока промежуточного пара. Установка, кроме того, содержит тепловой насос-компрессор для сжатия потока промежуточного пара и второй ребойлер-теплообменник. Второй ребойлер-теплообменник испаряет часть кубового потока, одновременно охлаждая сжатый поток промежуточного пара. Охлажденный сжатый поток промежуточного пара возвращается в ректификационную секцию колонны, а испаренный кубовый поток направляется обратно в низ выпарной секции перегонной колонны.
Другие цели, преимущества и области применения настоящего изобретения станут очевидными специалистам из приведенного ниже детального описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема одного из вариантов осуществления изобретения.
Фиг.2 - схема одного из вариантов осуществления с дополнительным тепловым насосом-компрессором для сжатия верхнего парового потока.
Фиг.3 - схема одного из альтернативных вариантов осуществления с мгновенным испарением кубовой жидкости.
Фиг.4 - альтернативная схема варианта осуществления с мгновенным испарением кубовой жидкости.
Детальное раскрытие изобретения
Разделение текучих сред хорошо известно в технике, а разделение перегонкой является распространенным способом разделения двух или более жидкостей. Процесс перегонки основан на том принципе, что разные компоненты жидкости в смеси обладают разной летучестью и, следовательно, возникает некое равновесие, при котором концентрация более летучих компонентов в паровой фазе выше, чем концентрация этих компонентов в жидкой фазе.
В процессе непрерывной перегонки базовое оборудование включает перегонную колонну с множеством тарелок, верхним конденсатором и ребойлером кубового содержимого. Как правило, перегонная колонна представляет собой вертикально ориентированную цилиндрическую емкость и содержит вход для приема предназначенной для разделения текучей среды, секцию ректификации, расположенную выше входами выпарную секцию, расположенную под текучей средой. Тарелки обычно представляют собой сетчатые тарелки или колпачковые тарелки, или иные тарелки, которые обеспечивают протекание через них жидкости и позволяют проникать через них восходящему пару.
В процессе перегонки существуют паровая фаза, которая поднимается вверх по колонне, и жидкая фаза, которая движется в низ колонны. Жидкость протекает через тарелки вниз к далее следующим тарелкам, в то время как пар проходит через тарелки в контакте с жидкостью. В результате этого происходит сдвиг в равновесии и, следовательно, в фазовом составе по ходу вверх или вниз по колонне. На дне колонны жидкость частично испаряется, образуя паровой поток, который непрерывно движется к верху колонны, в то время как остаток отводится в качестве потока кубового продукта. В верху колонны пар конденсируется, часть его возвращается в колонну, образуя непрерывный проходящий в низ колонны жидкий поток, а остальная часть отводится в виде конденсата или дистиллята.
Однако перегонка может поглощать много энергии и включать в себя множество ступеней или тарелок, в зависимости от свойств компонентов в разделяемой смеси. Это особенно важно для смесей жидкостей, которые имеют близкие температуры кипения, из-за увеличения количества ступеней для осуществления желаемого разделения.
Если от кубового продукта требуется высокая чистота, можно сэкономить энергию путем сжатия потоков промежуточных паров из секции ректификации для повторного испарения кубового потока. Настоящее изобретение обеспечивает эффективное повторное испарение кубового потока. Установка для дистилляционного разделения настоящего изобретения показана на фиг.1. Установка включает в себя перегонную колонну 10 с входом 12 для сырья, секцию 20 ректификации, расположенную над входом 12 для сырья и имеющую выход 22 для верхнего парового потока, и выпарную секцию 30, расположенную под входом 12 для сырья и имеющую выход 32 для кубового жидкого потока. Установка, кроме того, включает в себя ребойлер 40 кубового содержимого для повторного испарения кубового жидкого потока и верхнюю секцию 50 конденсации для конденсации верхнего парового потока. Установка также включает в себя боковой пароотвод 60 из секции 20 ректификации. Боковой пароотвод 60 ведет к тепловому насосу-компрессору 62, в котором производится сжатие пара из бокового пароотвода 60. Сжатый пар подается на паровую сторону второго ребойлера-теплообменника 64. Часть кубовой жидкости подается на жидкостную сторону второго ребойлера-теплообменника 64. Кубовая жидкость повторно испаряется, образуя пар и сырье, которое подается в низ выпарной секции 30 перегонной колонны 10. Сжатый пар преимущественно конденсируется и сконденсированный пар из ребойлера-теплообменника 64 направляется к входу в секции 20 ректификации перегонной колонны 10.
Из соображений эффективности, когда установка предназначена для производства кубового продукта с высокой степенью чистоты, секция 20 ректификации может быть уменьшена в размерах путем отвода пара через боковой пароотвод 60 и при этом боковой пароотвод 60 может быть помещен выше наиболее низко расположенной тарелки в секции 20 ректификации. Сырью дается возможность разделиться на жидкость и образующийся из сырья пар, а отвод части пара, проходящего через секцию 20 ректификации, уменьшает объемный поток пара и жидкости через секцию 20 ректификации выше бокового пароотвода. В результате отвода промежуточного потока на сжатие степень сжатия уменьшается, что экономит энергию благодаря тому, что компрессор работает при более низкой нагрузке.
Благодаря использованию сжатия промежуточных паровых потоков для повторного испарения кубового содержимого достигается значительное уменьшение необходимой для перегонной колонны внешней энергии. Сжатие промежуточных паровых потоков снижает степень сжатия и обеспечивает экономию энергии за счет уменьшения аппаратуры. Состав паровых потоков с верха колонны будет отличен и в этом случае степень сжатия будет более высокой. Изобретение будет особенно полезным в случае разделения близких компонентов, имеющих близкие температуры кипения. Например, при разделении пропан-пропиленовой смеси перегонку ведут при повышенных давлениях, а из-за близости в свойствах высокая степень разделения потребовала бы большое число ступеней или тарелок в перегонной колонне. Использование сжатия промежуточных потоков, отводимых из секции ректификации, может добавить значительный объем энергии для повторного испарения кубового потока. Если необходимо очистить только пропановый поток, секция ректификации может быть меньше в размере, а сжатые потоки, отведенные из секции ректификации, будут обладать достаточным теплом для того, чтобы повторно испарять часть кубового содержимого.
В другом варианте осуществления, который показан на фиг.2, установка включает в себя также второй тепловой насос-компрессор 52 для сжатия верхнего парового потока. Верхний паровой поток проходит через парожидкостный сепаратор 54, откуда пар направляется к компрессору 52. Часть жидкости из парожидкостного сепаратора направляется к продукту, в то время как другая часть направляется на жидкое орошение в колонне 10. В этом варианте осуществления ребойлер 40 кубового содержимого представляет собой ребойлер-теплообменник, сжатый верхний паровой поток поступает на паровую сторону теплообменника, а часть кубовой жидкости поступает на жидкую сторону теплообменника-ребойлера 40. Сжатый пар по крайней мере частично конденсируется и вновь направляется к верху колонны 10. Сконденсированная жидкость находится под давлением и проходит через редукционный клапан, после чего при поступлении в верх секции 20 ректификации колонны 10 жидкость частично мгновенно испаряется. Сконденсированная жидкость может либо поступать в отдельное отверстие в верху секции ректификации, либо может поступать через входное отверстие для орошения. Пар выходит через выход 22 секции 20 ректификации, а жидкость используется в качестве орошения для секции 20 ректификации. Избыток конденсированной жидкости из парожидкостного сепаратора 54 откачивается насосом 58 на хранение или на другие операционные установки в пределах нефтехимического предприятия.
Установка далее включает в себя третий ребойлер 42, известный также как концевой ребойлер. Третий ребойлер 42 производит дополнительное тепло, когда недостаточно тепла от первого ребойлера-теплообменника 40 и второго ребойлера-теплообменника 64.
Часть сжатого верхнего парового потока может быть пропущена через концевой конденсатор 56. Эта часть конденсируется и направляется к парожидкостному сепаратору после прохождения через редуцирующий клапан, понижающий давление до давления парожидкостного сепаратора. Конденсированная жидкость частично претерпевает мгновенное испарение, а оставшаяся жидкость добавляется к орошению в колонне 10.
Использование конечного конденсатора 56 зависит от количества сжатого верхнего пара, который не нужно подавать в ребойлер 40. Это определяется требованиями в отношении тепловой нагрузки ребойлера 40 и количеством сжатого верхнего пара, которое должно быть сконденсировано.
Изобретение предлагает также способ отделения менее летучего компонента в смеси, когда к кубовому продукту предъявляются высокие требования в отношении чистоты. При использовании теплового насоса-компрессора промежуточные паровые потоки могут быть использованы для подачи тепла на нагревание кубового потока для перегонной колонны. Способ включает в себя направление смеси к сырьевой секции перегонной колонны, у которой над сырьевой секцией имеется секция ректификации, а под сырьевой секцией - выпарная секция. В этом способе создаются верхний паровой поток и кубовый поток. Часть верхнего парового потока конденсируется, в результате чего образуется конденсированный верхний поток. Часть конденсированного верхнего потока направляется в верхнюю часть (головную часть) секции ректификации в качестве орошения (флегмы) для процесса перегонки. Часть кубового потока направляется к первому ребойлеру, где поток по крайней мере частично испаряется и испаренный кубовый поток направляется в нижнюю часть выпарной секции.
Способ, кроме того, включает в себя отвод бокового парового потока с промежуточной ступени секции ректификации и подачу бокового парового потока в тепловой насос-компрессор, где паровой поток сжимается с образованием сжатого бокового парового потока. Сжатый боковой паровой поток подается на паровую сторону второго ребойлера-теплообменника и используется для нагрева части кубового потока, который подается на жидкостную сторону второго теплообменника. Кубовый поток повторно испаряется, образуя паровой поток, который направляется в низ выпарной секции. Сжатый боковой паровой поток охлаждается и частично или полностью конденсируется, после чего направляется к входному отверстию секции ректификации колонны. Конденсированный сжатый боковой паровой поток проходит через редуцирующий клапан и при его пропускании к перегонной колонне подвергается частичному мгновенному испарению, в результате чего образуется боковой сырьевой поток, который состоит частично из жидкости и частично из пара.
В одном из альтернативных вариантов осуществления способа верхний паровой поток подается в парожидкостный сепаратор, в результате чего образуются паровой поток и жидкий поток, который используется в качестве орошения. Паровой поток подается в верхний насос-компрессор, в результате чего образуется сжатый верхний паровой поток. Сжатый верхний паровой поток в результате сжатия нагревается и используется для повторного испарения части кубового потока. В данном варианте осуществления первый ребойлер является теплообменником, на паровую сторону которого подается сжатый верхний паровой поток. Часть кубового потока подается на жидкостную сторону первого ребойлера, в результате чего часть кубового потока испаряется, образуя донный паровой поток. После этого донный паровой поток подается в низ выпарной секции. Сжатый верхний паровой поток охлаждается, и часть этого потока конденсируется. Предпочтительно, чтобы первый ребойлер имел размер и эксплуатировался в условиях, в которых конденсировался бы весь сжатый верхний паровой поток.
Сконденсированный верхний паровой поток находится при повышенном давлении и перед его подачей вверх (в головную часть) секции ректификации колонны проходит через редуцирующий клапан. Конденсированный поток во время его подачи в колонну претерпевает мгновенное испарение, и часть жидкости после мгновенного испарения выполняет роль потока орошения для секции ректификации. Образующийся при мгновенном испарении конденсированного потока пар подается в парожидкостный сепаратор.
В одном из альтернативных вариантов осуществления улучшенная очистка кубового потока включает в себя понижение давления кубового потока и повторное испарение кубового потока со сниженным давлением, в результате чего образуется донный паровой поток. Как следует из фиг.3, установка включает в себя колонну 10, имеющую секцию 20 ректификации с выходом 22 для верхнего парового потока, выпарную секцию 30 с выходом 32 для кубового жидкого потока и сырьевую секцию с входом 12 для сырья, которая расположена между секцией 20 ректификации и выпарной секцией 30. Установка, кроме того, включает в себя ребойлерную секцию, которая, в свою очередь, включает в себя устройство 46 для снижения давления жидкого кубового потока, первый ребойлер 40, жидкостная сторона которого сообщается по текучей среде с имеющим сниженное давление кубовым потоком, а паровая сторона сообщается по текучей среде с верхним паровым потоком, а также первый тепловой насос-компрессор 70, сообщающийся по текучей среде с жидкостной стороной первого ребойлера. Верхний паровой поток, который конденсируется в первом ребойлере 40, подается в парожидкостный разделительный барабан и сообщается по текучей среде с верхом секции 20 ректификации.
Установка далее включает в себя боковой отвод 60 для отвода парового потока из секции 20 ректификации. Боковой пароотвод 60 сообщается по текучей среде с паровой стороной второго ребойлера 64. Жидкостная сторона второго ребойлера 64 сообщается по текучей среде с имеющим сниженное давление жидким кубовым потоком. Жидкий кубовый поток со сниженным давлением может быть отведен от жидкого кубового потока, у которого уже было снижено давление при проходе через редуцирующее устройство 46, либо же он может быть отдельной частью жидкого кубового потока, которая пропускается через второе редуцирующее устройство (не показано). Второй тепловой насос-компрессор 72 сообщается по текучей среде с повторно испаренным кубовым потоком и образует сжатый донный паровой поток, который направляется в низ выпарной секции 30.
Редуцирующим устройством 46 может быть клапан Джоуля-Томсона или какое-либо другое устройство для снижения давления кубового жидкого потока. Другое устройство предполагает пропускание жидкости через турбину для приведения в действие мотора и рекуперации некоторой части энергии, которая расходуется в процессе снижения давления.
Способ для данного варианта осуществления включает подачу смеси в сырьевую секцию перегонной колонны 10. Перегонная колонна 10 эксплуатируется таким образом, чтобы создавались паровой поток, проходящий вверх по колонне 10, и жидкий поток, проходящий вниз по колонне 10, в процессе чего верхний паровой поток выходит через выход 22 секции 20 ректификации и кубовый жидкий поток выходит через выход 32 выпарной секции 30. Часть жидкого кубового потока пропускается через редуцирующее устройство 46 с образованием кубового потока со сниженным давлением. Кубовый поток со сниженным давлением подается в первый ребойлер 40 на жидкостную сторону ребойлера. Верхний паровой поток подается на паровую сторону первого ребойлера 40. Верхний паровой поток конденсируется, образуя в результате этого конденсированный поток, а кубовый поток со сниженным давлением испаряется, образуя донный паровой поток. Конденсированный верхний поток подается вверх (в головную часть) секции 20 ректификации в качестве орошения.
Кубовый поток со сниженным давлением повторно испаряется в ребойлере 40, образуя донный паровой поток. Оставшаяся не испаренной жидкость в кубовом потоке со сниженным давлением отделяется и собирается, после чего возвращается в низ выпарной секции 30. Поскольку жидкость находится при сниженном давлении, давление жидкости повышается с помощью насоса 74 до давления, достаточного для поступления жидкости в выпарную секцию 30. Разделение на жидкость и пар повторно нагретой жидкости служит для того, чтобы предотвратить попадание жидкости в тепловые насосы-компрессоры 70, 72. Донный паровой поток подвергается сжатию с помощью теплового насоса-компрессора 70 с образованием сжатого донного парового потока. Донный паровой поток направляется в низ выпарной секции 30 с выделением тепла и образованием пара для отгонки более летучих компонентов из текучей среды, движущейся вниз по перегонной колонне 10.
Вторая часть жидкого кубового потока пропускается через устройство для снижения давления жидкости. Для этой второй части может иметься отдельное редуцирующее устройство, например отдельный клапан, либо же эта часть может отводиться от первой части кубовой жидкости после ее пропускания через редуцирующее устройство. Регулирование движущей силы, которой является температура, которая необходима для теплопереноса и обусловленного им повторного испарения второй части жидкого кубового потока, обеспечивается вторым редуцирующим устройством. Вторая часть проходит через второй ребойлер 64, где эта вторая часть испаряется с образованием второго донного парового потока. Неиспарившаяся часть второй части жидкого кубового потока отделяется, собирается и закачивается обратно в низ выпарной секции 30 с помощью насоса 74. Второй донный паровой поток подвергается сжатию с помощью второго теплового насоса-компрессора 72, в результате чего образуется второй сжатый донный паровой поток. Второй сжатый донный паровой поток подается после этого в низ выпарной секции 30 с целью добавления дополнительного пара для процесса перегонки. Остатком жидкого кубового потока является кубовый продукт, который обладает повышенной чистотой.
Паровой боковой поток отводится через боковое отверстие 60 в перегонной колонне 10 и пропускается через паровую сторону второго ребойлера 64, где происходит конденсация парового бокового потока. Сконденсированный боковой поток подается после этого в перегонную колонну 10 как боковое жидкое сырье. Предпочтительно, чтобы паровой боковой поток отводился вблизи нижней части секции 20 ректификации.
На фиг.4 показана другая альтернатива указанного выше варианта осуществления. Установка включает в себя перегонную колонну 10, имеющую секцию 20 ректификации и выпарную секцию 30. Кроме того, установка включает устройство 46 для снижения давления жидкого кубового потока и первый ребойлер 40, имеющий жидкостную сторону, сообщающуюся по текучей среде с жидким кубовым потоком со сниженным давлением. Часть верхнего парового потока подается на паровую сторону первого ребойлера 40, где верхний паровой поток конденсируется, а жидкий кубовый остаток испаряется. Неиспарившаяся часть жидкого кубового потока отделяется, собирается и закачивается обратно в низ выпарной секции 30. Насос 74 повышает давление неиспарившейся жидкости, собранной из первого ребойлера 40, до по крайней мере давления нижней части выпарной зоны 30. Поток испарившегося кубового остатка сжимают с помощью теплового насоса-компрессора 70, производя таким образом сжатый паровой поток и подают его в низ (в куб) выпарной секции 30. Сконденсированный верхний паровой поток подается наверх секции 20 ректификации в качестве орошения. Предпочтительно, чтобы сконденсированный верхний паровой поток подавался вначале в парожидкостный разделительный бак 54. Часть собираемой в баке 54 жидкости забирается в качестве головного дистиллята, а остальная часть возвращается в верх секции 20 ректификации.
Установка далее включает отверстие 60 для отвода промежуточного жидкого потока из колонны 10. Предпочтительно, чтобы отверстие 60 находилось в выпарной секции 30 колонны. Промежуточный жидкий поток пропускается через второе редуцирующее устройство 66, в результате чего образуется промежуточный жидкий поток со сниженным давлением. Промежуточный жидкий поток со сниженным давлением сообщается по текучей среде с жидкостной стороной второго ребойлера 64, где происходит испарение по крайней мере части жидкости. Неиспарившаяся часть промежуточного жидкого потока отделяется, собирается и возвращается в отпарную секцию 30. Неиспарившаяся жидкая часть из второго ребойлера 64 пропускается через второй насос 76 до давления, достаточного для возврата жидкости в колонну 10. Неиспарившаяся жидкая часть может быть возвращена в секцию ректификации около или ниже выводного отверстия 60 для жидкости. В одном из вариантов осуществления эта часть возвращается вместе с жидкостью, выведенной из первого ребойлера. Вторая часть верхнего парового потока подается на паровую сторону второго ребойлера 64, где эта вторая часть по крайней мере частично конденсируется. Испарившийся промежуточный поток подвергается сжатию с помощью второго теплового насоса-компрессора 72, после чего сжатый промежуточный пар возвращается в колонну 10. Предпочтительно возвращение пара в колонну 10 в положение выше тарелки, с которой промежуточный жидкий поток выводится через отверстие 60. Конденсированный верхний паровой поток сообщается по текучей среде с верхом секции ректификации, откуда конденсированный поток будет возвращен в качестве орошения.
Способ включает в себя использование верхнего парового потока для повторного испарения жидкого кубового потока и промежуточного жидкого потока. Жидкие потоки пропускаются через редуцирующие устройства и испаряются при более низких температурах. Испарившиеся потоки после этого подвергаются сжатию, в результате которого пар нагревается. Нагретый и сжатый пар после этого возвращается в перегонную колонну для обеспечения восходящего пара для отгонки легких фракций движущейся вниз жидкости.
В указанном варианте осуществления смесь подается в сырьевую секцию перегонной колонны. Перегонная колонна имеет выход в верху секции 20 ректификации для верхнего парового потока и выход в низу выпарной секции 30 для жидкого кубового потока. Часть кубового потока пропускается через редуцирующий клапан 46 к первому ребойлеру 40, где осуществляется теплообмен с частью верхнего парового потока. Кубовый поток испаряется, а верхний паровой поток конденсируется. Испарившийся кубовый поток подвергается сжатию с помощью теплового насоса-компрессора 70 с образованием сжатого и нагретого кубового парового потока. Кубовый паровой поток подается в низ выпарной секции 30 для подвода тепла для отгонки компонентов из жидкости, опускающейся вниз по колонне 10. Конденсированный верхний паровой поток подается в верх секции 20 ректификации в качестве орошения.
Способ далее включает отвод жидкого потока из промежуточного отверстия 60 в колонне 10 и пропускание промежуточного жидкого потока через редуцирующий клапан 66, в результате чего образуется промежуточный жидкий поток со сниженным давлением, который подается во второй ребойлер 64. Жидкий поток со сниженным давлением подвергается теплообмену со второй частью верхнего парового потока, в результате чего жидкий поток со сниженным давлением испаряется, а верхний паровой поток конденсируется.
Повторно испаренный промежуточный паровой поток подвергается сжатию с помощью второго теплового насоса-компрессора 72 и направляется к промежуточному входному отверстию в колонне 10. Предпочтительно, чтобы пар поступал выше тарелки, с которой промежуточная жидкость выводится из колонны через отверстие 60. Вторая конденсированная часть верхнего парового потока подается в верх секции 20 ректификации в качестве дополнительного орошения.
Благодаря использованию тепла сжатого промежуточного потока энергия в процессе перегонки используется более эффективно, что может позволить дополнительно уменьшить размер перегонной колонны ниже промежуточного отвода, так как в этом случае через выпарную секцию ниже промежуточного отвода проходят уменьшенные паровой и жидкий потоки.
Хотя изобретение описано с помощью того, что в настоящей заявке рассматривается как предпочтительные варианты осуществления, должно быть понятно, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а рассчитано на охват различных модификаций и эквивалентных компоновок, входящих в объем прилагаемой формулы изобретения.