УЛУЧШЕННАЯ РЕКУПЕРАЦИЯ ТЕПЛА НА УСТАНОВКЕ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРАКСИЛОЛА
IMPROVED HEAT RECUPERATION AT PARAXYLENE PRODUCTION PLANT

Ссылка на родственную заявку
Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №61/917061, поданной 17 декабря 2013 г., которая таким образом включена ссылкой во всей своей полноте.
Область техники
Настоящее раскрытие относится к способам и устройствам для улучшенной рекуперации тепла при производстве параксилола. Такие способы и устройства включают боковой конденсатор, расположенный в таком месте, что жидкость, образованная из сконденсировавшегося пара, не содержит неконденсирующиеся низкомолекулярные газы.
Предшествующий уровень техники
Параксилол используют в производстве сложного полиэфира, который используют в виде волокон и полимерных смол. Параксилол можно производить из нескольких типов сырья, причем наиболее значимым на сегодня является продукт риформинга, полученный при риформинге нафты. В двух основных способах, используемых для производства параксилола, применяют кристаллизацию или селективную адсорбцию.
В обоих типах установок по производству параксилола используют тепло в подогревателе(ях) дистилляционной или фракционирующей колонны(колонн) для разделения сырья колонны на пригодные продукты, включая параксилол. Сырье для колонны может поступать из множества источников и подается в колонну(ы) в различных местах. Продукт фракционирования представляет собой поток, содержащий главным образом изомеры ксилола, включая параксилол, который направляют в секцию кристаллизации или селективной адсорбции для извлечения параксилола. Кристаллизация намного менее чувствительна к примесям в потоке продукта фракционирования, чем селективная адсорбция, где эти примеси могут приводить к проблемам при производстве. Следовательно, при фракционировании, используемом для кристаллизации, можно применять одну колонну, где поток продукта фракционирования можно отводить в виде бокового погона.
В обоих способах тепло, необходимое для запуска фракционирования, обычно получают в подогревателе, или в пламенном нагревателе, или посредством теплообмена с паром, и отводят в конденсаторе с головным продуктом колонны обычно посредством охлаждения воздухом и/или охлаждающей водой. Если фракционирующая колонна работает при условиях, близких к условиям окружающей среды, тепло, отведенное в находящемся наверху колонны конденсаторе, часто имеет слишком низкую температуру или имеет слишком низкое термодинамическое качество для использования. В обоих типах способов производства параксилола можно повышать давление во фракционирующей колонне так, чтобы температура или термодинамическое качество тепла, отводимого в находящемся наверху колонны конденсаторе, были выше и использовались в других частях установки производства параксилола. Однако, повышение давления в колонне повышает стоимость фракционирующего оборудования и снижает эффективность разделения. Таким образом, существует необходимость в рекуперации тепла при фракционировании, используемом при производстве параксилола, без повышения давления в колонне для увеличения температуры или термодинамического качества тепла.
Боковые конденсаторы, расположенные ниже находящегося наверху колонны конденсатора на фракционирующей колонне(ах), могут отводить тепло с высокой температурой. Важно отметить, что сырье для фракционирующей колонны(колонн) установок производства параксилола часто содержит низкомолекулярные газы. Одним недостатком боковых конденсаторов является то, что тепло, отводимое при конденсации продукта бокового конденсатора колонны, содержит низкомолекулярные газы. Существуют проблемы, связанные с воспламенением этих низкомолекулярных газов при использовании боковых конденсаторов. Таким образом, существует необходимость в способе и устройстве для эффективной рекуперации тепла без низкомолекулярных газов в способе производства параксилола.
Краткое раскрытие
Согласно одному аспекту обеспечивается способ рекуперации тепла в установке производства параксилола, причем способ предусматривает: подачу, по меньшей мере, первого сырьевого потока во фракционирующую колонну, подвод тепла к подогревателю фракционирующей колонны для разделения сырьевого потока на головной парообразный продукт, головной жидкий продукт, кубовый продукт и продукт бокового погона, содержащий ксилолы, и рекуперацию тепла при помощи бокового конденсатора, причем боковой конденсатор расположен ниже места подачи первого сырьевого потока.
Согласно другому аспекту обеспечивается способ рекуперации тепла в установке производства параксилола, причем способ предусматривает: подачу первого сырьевого потока и второго сырьевого потока во фракционирующую колонну, причем первый сырьевой поток подают через низкотемпературный сепарирующий ввод, а второй сырьевой поток подают через высокотемпературный сепарирующий ввод, и подвод тепла к подогревателю фракционирующей колонны для разделения первого и второго сырьевых потоков на головной парообразный продукт, головной жидкий продукт, кубовый продукт и продукт бокового погона. Способ дополнительно предусматривает подачу продукта бокового погона в секцию извлечения параксилола и рекуперацию тепла при помощи бокового конденсатора, причем боковой конденсатор расположен на одну-десять тарелок ниже места подачи второго сырьевого потока.
Согласно еще одному аспекту обеспечивается устройство для рекуперации тепла в установке производства параксилола, причем устройство содержит: низкотемпературный сепарирующий блок для подачи первого сырьевого потока во фракционирующую колонну, высокотемпературный сепарирующий блок для подачи второго сырьевого потока во фракционирующую колонну, причем фракционирующая колонна разделяет первый и второй сырьевые потоки на головной парообразный продукт, головной жидкий продукт, кубовый продукт и продукт бокового погона, и боковой конденсатор для рекуперации тепла, причем боковой конденсатор расположен ниже места подачи второго сырьевого потока.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 представлено устройство для получения параксилола, содержащее боковой конденсатор.
На фиг. 2 представлен боковой конденсатор в устройстве для получения параксилола.
Подробное раскрытие
Настоящее раскрытие обеспечивает способы и устройства для использования бокового конденсатора для рекуперации тепла в месте между подогревателем и находящимся наверху колонны конденсатором во фракционирующей колонне установки производства параксилола. Это приводит к рекуперации тепла с высокой температурой, давая тепло более высокого качества, которое можно использовать где-либо на нефтехимическом или нефтеперерабатывающем заводе. Это имеет значительные преимущества в энергосбережении по сравнению с предшествующим уровнем техники, поскольку тепло низкого качества, которое ранее сбрасывали в воздух и/или воду, теперь получают более высокого качества так, что оно пригодно для других применений.
На фиг. 1 показано устройство для получения параксилола с улучшенной рекуперацией тепла. Первый сырьевой поток 101, второй сырьевой поток 102 и третий сырьевой поток 103 можно подавать во фракционирующую колонну 104. Первый сырьевой поток 101 можно подавать через низкотемпературный сепарирующий блок, а второй сырьевой поток 102 можно подавать через высокотемпературный сепарирующий блок. Первый сырьевой поток 101 и второй сырьевой поток 102 могут содержать ксилолы, низкомолекулярные газы и тяжелые ароматические вещества. Например, первый сырьевой поток 101 и второй сырьевой поток 102 могут содержать от приблизительно 80 до 90% С8-ароматических веществ, от приблизительно 5 до 10% бензола и толуола и от приблизительно 5 до 10% С9+ароматических веществ, таких как триметилбензол и метилэтилбензол. Специалисты в данной области техники поймут, что обозначение «СХ» относится к соединению, содержащему X атомов углерода, «СХ+» относится к соединению, содержащему X или больше атомов углерода, а «СХ-» относится к соединению, содержащему X или менее атомов углерода. Существует три изомера ксилолов: ортоксилол (оХ), метаксилол (mX) и параксилол (рХ). С8-ароматические вещества содержат три изомера ксилола и этилбензол (ЕВ).
Первый сырьевой поток 101 может иметь температуру от приблизительно 125 до 175 градусов Цельсия, предпочтительно приблизительно 150 градусов Цельсия. Второй сырьевой поток 102 может иметь температуру больше 175 градусов Цельсия, предпочтительно приблизительно 200 градусов Цельсия. Третий сырьевой поток 103 представляет собой сырьевой поток в установку производства параксилола. Этот поток может состоять из нескольких источников, обычно тяжелого продукта риформинга из риформера нафты и кубового продукта толуольной колонны из установки переалкилирования. Смотри, например, «Handbook of Petroleum Refining Processes», R.A. Meyers, ed., Mc-Graw-Hill, 2004. Поток 103 может содержать приблизительно 60% С8-ароматических веществ и приблизительно 40% С9+ароматических веществ и может иметь температуру от приблизительно 200 до 250 градусов Цельсия, предпочтительно приблизительно 230 градусов Цельсия.
Фракционирующая колонна 104 может содержать множество тарелок, находящийся наверху колонны конденсатор 105, подогреватель 106 и боковой конденсатор 107. Фракционирующая колонна 104 может давать жидкий продукт 108 бокового погона, парообразный продукт 109 бокового погона, головной продукт 110 и кубовый продукт 111. Жидкий продукт 108 бокового погона и парообразный продукт 109 бокового погона могут содержать ксилолы, такие как параксилол. Жидкий продукт 108 бокового погона и парообразный продукт 109 бокового погона могут также содержать небольшие количества толуола и С9-ароматических веществ. Согласно некоторым вариантам осуществления жидкий продукт 108 бокового погона и парообразный продукт 109 бокового погона могут содержать от приблизительно 90 до приблизительно 98% С8-ароматических веществ (смешанных ксилолов). Головной продукт 110 можно разделять на головной парообразный продукт 112 и головной жидкий продукт 113. Головной парообразный продукт 112 может содержать бензол, водород, этан и другие легкие углеводородные газы. Головной парообразный продукт 112 можно подавать в подогреватель 106 в качестве топлива. Головной жидкий продукт 113 может содержать бензол, толуол и С8-ароматические вещества. Кубовый продукт 111 может содержать тяжелые ароматические вещества, такие как С9+ароматические вещества. Головной продукт 110 может иметь температуру от приблизительно 110 до 150 градусов Цельсия, предпочтительно приблизительно 130 градусов Цельсия. Кубовый продукт 111 может иметь температуру от приблизительно 210 до 260 градусов Цельсия, предпочтительно приблизительно 240 градусов Цельсия.
Головной продукт 110 может конденсироваться в находящемся наверху колонны конденсаторе 105 с получением сконденсировавшегося головного продукта 114. Сконденсировавшийся головной продукт 114 можно подавать в сепаратор 115 паровой и жидкой фазы с получением головного парообразного продукта 112 и головного жидкого продукта 113. Находящийся наверху колонны конденсатор 105 может иметь нагрузку менее чем приблизительно 35 миллионов ккал/ч, предпочтительно менее 20 миллионов ккал/ч. Боковой конденсатор 107 может рекуперировать тепло от парообразного продукта 109 бокового погона. Подача первого сырьевого потока 101 может находиться выше места подачи второго сырьевого потока 102, которая может находиться выше места подачи третьего сырьевого потока 103. Боковой конденсатор 107 может находиться ниже места подачи первого сырьевого потока 101. Например, боковой конденсатор 107 может располагаться между местами подачи второго сырьевого потока 102 и третьего сырьевого потока 103, предпочтительно на одну-десять тарелок ниже места подачи второго сырьевого потока 102, более предпочтительно на одну-пять тарелок ниже места подачи второго сырьевого потока 102. Когда второй сырьевой поток 102 поступает из высокотемпературного сепарирующего блока, он может содержать остаточные количества низкомолекулярных газов, таких как неконденсирующиеся углеводороды (например, водород, этан). Вследствие помещения бокового конденсатора 107 ниже места подачи второго сырьевого потока эти низкомолекулярные газы не будут присутствовать в парообразном продукте 109 бокового погона. Этот обеспечивает рекуперацию тепла в боковом конденсаторе без образования парообразного продукта, при этом исключая затраты на дорогостоящее сжатие или неэкономичный выброс газа.
Тепло 116, рекуперированное при помощи бокового конденсатора 107, может иметь температуру менее чем приблизительно 200 градусов Цельсия. Согласно альтернативным вариантам осуществления тепло 116, рекуперированное при помощи бокового конденсатора 107, может иметь температуру от приблизительно 190 до 210 градусов Цельсия. При рекуперации тепла 116 боковой конденсатор 107 конденсирует парообразный продукт 109 бокового погона с образованием сконденсированного жидкого продукта 117 бокового погона, который можно объединять с жидким продуктом 108 бокового погона с получением объединенного продукта 118 бокового погона. Тепло 116 можно использовать в любом способе, который находится выше по потоку относительно способа получения параксилола, например, в других местах в комплексе получения ароматических веществ, на нефтехимическом или нефтеперерабатывающем заводе. Например, если установка производства параксилола расположена в комплексе получения ароматических веществ, тепло 116 будет подходящим для подвода к колонне разделения продукта риформинга или толуольную колонну. Смотри, например, «Handbook of Petroleum Refining Processes)), R.A. Meyers, ed., Mc-Graw-Hill, 2004. Альтернативно, тепло 116 можно использовать для получения пара. Этот пар можно использовать на соседней установке или жилом комплексе для обогрева. Кроме того, этот пар можно использовать для запуска детандера и получения электроэнергии. Объединенный продукт 118 бокового погона можно подавать в секцию извлечения параксилола для извлечения параксилола. Секция извлечения параксилола может содержать установку кристаллизации.
На фиг. 2 показан боковой конденсатор настоящего раскрытия. Из фракционирующей колонны 201 парообразный поток 202 бокового погона подается в боковой конденсатор 203. Боковой конденсатор 203 может давать первый сконденсированный поток 204 бокового погона и полезное тепло. Первый сконденсированный поток 204 бокового погона можно подавать в емкость 205 сбора конденсата с получением сконденсированного потока 206 бокового погона. Сконденсированный поток 206 бокового погона можно перекачивать посредством насоса 207 и первого расходного клапана 208 в секцию извлечения параксилола.
Различные системы для конденсации можно использовать для регулирования давления во фракционирующей колонне 201. Примеры включают систему с затопленным конденсатором, систему с байпасом перегретого пара и систему с дросселированием охлаждающей воды. Смотри, например, Lieberman, N.P., and Lieberman, Е.Т., «А Working Guide to Process Equipment)), McGraw-Hill 1997. Давление зависит от площади поверхности бокового конденсатора 203, на которую воздействует насыщенный пар из потока 202 бокового погона. В системе с затопленным конденсатором емкость 205 сбора конденсата работает при полном заполнении, т.е. поток из насоса 207 обратного потока ограничен, при этом повышается уровень в боковом конденсаторе 203, снижается площадь теплопередающей поверхности, доступная для конденсации, и повышается давление во фракционирующей колонне 201.
Примеры
Результаты компьютерного моделирования Aspen Plus для установки получения параксилола показаны в примерах 1 и 2 ниже.
Пример 1: Влияние увеличения расхода парообразного бокового погона на нагрузки, температуры и концентрации
В этом примере показано влияние увеличения расхода парообразного бокового погона на нагрузки конденсатора и подогревателя, температуру конденсации и концентрацию толуола в жидком боковом погоне. Результаты показаны в таблице 1 ниже. Для базового моделирования нагрузки конденсатора и подогревателя колонны извлечения ксилола составляли приблизительно 34,6 и 55,9 миллионов ккал/ч, соответственно. В моделях с номерами 1, 2 и 3 использовали увеличенные расходы пара для конденсатора бокового погона. Поскольку расход пара увеличивался, повышалась нагрузка конденсатора парообразного бокового погона, что обеспечивало полезную работу. Кроме того, снижалась нагрузка находящегося наверху колонны конденсатора, снижая потребление электроэнергии. Поскольку увеличивался расход пара, нагрузка подогревателя колонны и концентрация толуола повышались лишь незначительно. Пар не проходил в верхнюю часть колонны, где удаляли толуол. Существуют пределы для того, как много тепла можно отвести. Было неожиданным, что большое количество тепла можно отводить из колонны и превращать в полезную работу без значительного увеличения нагрузки подогревателя колонны и концентрации толуола в жидком боковом погоне.
Пример 2: Влияние снижения места удаления парообразного бокового погона на температуру конденсации, нагрузку подогревателя и состав бокового погона
В этом примере показано влияние места отбора бокового погона на температуру парообразного бокового погона, нагрузку подогревателя колонны и состав жидкого бокового погона. Общее число ступеней колонны поддерживали постоянным в каждой модели. Результаты показаны в таблице 2 ниже. Эти результаты начинаются с места, которое на две ступени ниже места, где сырьевой поток 102 поступает в колонну. Очень неожиданно, что концентрация низкомолекулярных газов в паровой фазе была такой низкой уже в месте на две ступени ниже места, где сырьевой поток 102 поступает в колонну. Когда место отбора бокового погона располагалось еще ниже в колонне (т.е. на большее число ступеней ниже места отбора бокового погона и места подачи сырьевого потока из высокотемпературного сепаратора), температура повышалась, что улучшало качество доступного тепла. Однако, это также повышает нагрузку подогревателя колонны, поскольку отвод пара с еще более низкого места в колонне обеспечивает меньше ступеней для проведения разделения в нижней части колонны. Также возможно увеличение числа ступеней и исключение этого увеличения нагрузки подогревателя, но увеличение числа ступеней увеличивает капитальные затраты. Не ожидалось, что будет возможно удалять парообразный боковой погон с очень небольшим увеличением нагрузки подогревателя, поскольку ожидалось, что намного больше ступеней будет необходимо обеспечивать ниже того места, где сырьевой поток 102 поступает в колонну, для того, чтобы концентрация низкомолекулярных газов в паровой фазе была достаточно низкой.
В этом примере также показано, что количество С9+материала в жидком боковом погоне увеличивается, когда пар отводят с еще более низкого места в колонне. Снова это происходит, поскольку отвод пара с еще более низкого места в колонне обеспечивает меньше ступеней для проведения разделения в нижней части колонны. Таким образом, больше С9+ переносится в головной погон. Нижеописанные концентрации С9+ подходят для способа получения параксилола с использованием кристаллизации. Концентрации свыше приблизительно 2,4 масс. % С9+ будут значительно увеличивать капитальные и эксплуатационные затраты установки для получения параксилола. Важно отметить, что способы получения параксилола с использованием селективной адсорбции не могут допускать этих уровней С9+ароматических веществ в сырье для секции кристаллизации.