СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ ПУТЕМ ПОДАЧИ ВОДЯНОГО ПАРА В РЕБОЙЛЕР, СВЯЗАННЫЙ С КОЛОННОЙ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ
METHOD AND DEVICE FOR IMPROVED EXTRACTION DISTILLATION BY WATER STEAM SUPPLY INTO REBOILER, CONNECTED WITH EXTRACTION DISTILLATION COLUMN

Данная заявка заявляет приоритет на основе предварительной патентной заявки США 61/239272 от 9 сентября 2009 г. и патентной заявки США №12/706937 от 17 февраля 2010 г., каждая из которых включена в настоящее описание посредством отсылки во всей полноте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подача острого пара в дистилляционную колонну в качестве средства для отпаривания обычно позволяет проводить дистилляцию при более низких температурах, чем без добавки водяного пара. Острый пар можно также подавать в дистилляционную колонну, которая работает в качестве экстракционной дистилляционной колонны. Обычно острый пар подают непосредственно в секцию колонны, находящуюся ниже последней коллекторной тарелки.
Включение ребойлера в аппаратуру дистилляции для использования водяного пара в качестве источника нагрева дает много технологических преимуществ, в том числе саму возможность осуществления дистилляции. Хотя использование ребойлеров известно в практике дистилляции, одновременное использование ребойлера как для нагрева дистилляционной колонны, так и в качестве средства для отпаривания при экстракционной дистилляции до сих пор не было описано.
Ввиду сказанного усовершенствованные способы и устройства для экстракционной дистилляции с применением ребойлера как для нагрева, так и в качестве средства для отпаривания могли бы дать значительные преимущества. Кроме того, усовершенствованные ребойлеры, позволяющие интенсифицировать тепло- и массоперенос, могли бы обеспечить значительные преимущества описанной здесь аппаратуры и способов экстракционной дистилляции.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем описании описаны различные варианты устройства для экстракционной дистилляции экстракта из потока сырья. Это устройство включает колонну экстракционной дистилляции, ребойлер, соединенный с колонной экстракционной дистилляции, и линию подачи водяного пара. Ребойлер снабжен внутренним парораспределителем. Линия подачи водяного пара соединена с внутренним парораспределителем.
В настоящем описании также описаны другие варианты устройства для экстракционной дистилляции экстракта из потока сырья. Устройство включает колонну экстракционной дистилляции, котел-ребойлер, соединенный с колонной экстракционной дистилляции, линию подачи потока сырья, линию подачи растворителя, линию подачи водяного пара, линию отвода смеси дистиллята и растворителя и линию отвода пара. В котле-ребойлере имеется внутренний парораспределитель.
В других вариантах устройство для экстракционной дистилляции экстракта из потока сырья включает колонну экстракционной дистилляции, ребойлер, соединенный с колонной экстракционной дистилляции, и линию подачи водяного пара. Ребойлер имеет внутреннее пространство и внешнюю поверхность. Линия подачи водяного пара соединена с внутренним пространством ребойлера.
В следующих вариантах здесь описаны способы экстракционной дистилляции экстракта из потока сырья, содержащего по меньшей мере один углеводород. Эти способы включают а) экстракцию по меньшей мере одного углеводорода из потока сырья растворителем с образованием смеси углеводород/растворитель, b) подачу водяного пара непосредственно в ребойлер, с) подачу водяного пара в качестве теплоносителя в трубки ребойлера, d) смешение смеси углеводород/растворитель с водяным паром через парораспределитель, расположенный внутри ребойлера, и е) испарение смеси углеводород/растворитель. В некоторых вариантах эти способы также включают отделение по меньшей мере одного углеводорода от смеси углеводород/растворитель после стадии испарения.
Особенности настоящего изобретения были выше описаны в общем виде для лучшего понимания последующего подробного описания. Ниже приведены дополнительные особенности и преимущества изобретения, которые составляют предмет представленной формулы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ приводится последующее описание в сочетании с чертежом, где отражены конкретные варианты изобретения, среди которых:
на ФИГУРЕ 1 приведена схема аппаратуры экстракционной дистилляции, в которой водяной пар подают непосредственно в ребойлер.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последующем описании приведены некоторые подробности, такие как удельные количества, размеры и т.п., необходимые для полного понимания раскрытых здесь вариантов. Однако специалистам в данной области будет очевидно, что настоящее изобретение можно реализовать и без такой детализации. Во многих случаях такие и подобные им подробности, касающиеся такого описания, не указаны, поскольку они не являются необходимыми для полного понимания настоящего изобретения и известны квалифицированным специалистам в соответствующей области.
В целом понятно, что эти рисунки лишь иллюстрируют описание конкретных вариантов изобретения и не ограничивают его. Масштаб рисунков в данном случае не существенен.
В то время как большинство используемых терминов понятны специалистам в данной области, следует, однако, иметь в виду, что если это особо не оговорено, эти термины следует интерпретировать в том смысле, который принят у специалистов в данной области. В тех случаях, когда выражение могло бы быть понято как бессмысленное или в основном бессмысленное, его определение следует взять из Словаря Вебстера Webster's Dictionary, 3rd Edition, 2009. Не следует вводить определения и/или интерпретации из других относящихся или не относящихся патентных заявок, патентов или публикаций, если это особо не оговорено в данном описании или их использование является необходимым для сохранения смысла.
Используемый здесь термин «ароматический» относится к ароматичности, т.е. к химическому свойству, которое обеспечивает более сильную стабилизацию сопряженного цикла, содержащего ненасыщенные связи, неподеленные электронные пары или вакантные орбитали, чем это можно было бы ожидать в случае только одного сопряжения. Ароматичность можно также рассматривать как проявление циклической делокализации и резонансной стабилизации. Обычно считается, что этот эффект обусловлен свободными электронами в циклически расположенных атомах, которые связаны друг с другом альтернирующими ординарными и двойными связями.
Используемый здесь термин «алифатический» относится к соединениям с атомами углерода, способными соединяться друг с другом в неразветвленные цепи, разветвленные цепи или кольца (в этом случае они называются алициклическими). Они могут соединяться одинарными связями (алканы), двойными связями (алкены) или тройными связями (алкины).
В разных вариантах способы и устройства, описанные в данном изобретении, повышают эффективность экстракционной дистилляции, в частности экстракционной дистилляции ароматических соединений. В разных устройствах и способах, описанных здесь, для повышения эффективности используют подачу водяного пара в ребойлер, соединенный с колонной экстракционной дистилляции устройства экстракционной дистилляции. Такое устройство и способ использовали для выделения стирола из необработанного пиролизного газолина. Стирол, полученный описанными здесь способами и на предложенной аппаратуре, будет называться далее GT-стиролом. Специалисту в данной области будет важно то, что с помощью описанных здесь способов и устройства можно выделять из потока сырья наряду со стиролом и другие углеводороды. Например, другие углеводороды могут включать ВТХ (бензол/толуол/ксилол), изопрен, бутадиен и другие винилароматические соединения.
В способе экстракционной дистилляции GT-стирола поток сырья - среднюю фракцию пиролизного газолина, представляющую собой прошедшие гидроочистку углеводороды С8, включая стирол, направляют в колонну экстракционной дистилляции (EDC). В системе пар-жидкость растворитель селективно экстрагирует стирол, который направляется в нижнюю часть колонны EDC, а другие ароматические углеводороды С8 и неароматические компоненты (т.е. алифатические соединения) направляются в поток рафината в верхней части колонны EDC. Растворитель можно менять без ограничений. В различных вариантах EDC представляет собой насадочную колонну. В других вариантах EDC работает под вакуумом. Колонна EDC снабжается теплом из ребойлера, где в качестве теплоносителя используется водяной пар. Обогащенный стиролом растворитель отводят из нижней части колонны EDC и затем подают в колонну регенерации выделения растворителя (SRC). Стирол отделяют и после этого растворитель отправляют обратно в колонну EDC.
В разных вариантах здесь описано устройство для экстракционной дистилляции экстракта из потока сырья. Это устройство включает колонну экстракционной дистилляции, ребойлер, соединенный с колонной экстракционной дистилляции, и линию подачи водяного пара. Внутри ребойлера имеется парораспределитель. Линия подачи водяного пара соединена с внутренним парораспределителем.
В других вариантах устройство для экстракционной дистилляции экстракта из потока сырья включает колонну экстракционной дистилляции, ребойлер, соединенный с колонной экстракционной дистилляции, и линию подачи водяного пара. Ребойлер имеет внутреннее пространство и внешнюю поверхность. Линия подачи водяного пара соединена с внутренним пространством ребойлера.
В одних вариантах устройства экстракционная колонна представляет собой систему одностадийного испарения. Однако в других вариантах устройства с помощью колонны экстракционной дистилляции можно сформировать системы двух-, трех- или многостадийного испарения.
В некоторых вариантах устройства линия подачи водяного пара представляет собой контур системы генерации водяного пара. Такой контур системы генерации водяного пара обеспечивает баланс воды в данном варианте. Например, водяной пар, получаемый из системы баланса воды (контура системы генерации водяного пара), подают в нижнюю часть колонны EDC для участия в экстракционной дистилляции и снижения температуры в нижней части этой колонны. В некоторых вариантах подачу водяного пара в нижнюю часть колонны EDC для снижения температуры комбинируют с вакуумными эффектами. Воду затем переносят из EDC в фазу рафината, отделяют и возвращают в качестве технологического водяного пара в закрытом контуре для дальнейшей экстракционной дистилляции. Для описанной здесь экстракционной дистилляции GT-стирола снижение температуры особенно существенно, т.к. это препятствует или значительно уменьшает опасность полимеризации стирола в колонне EDC.
В разных вариантах водяной пар подают непосредственно в нижнюю часть внутреннего пространства ребойлера. Такой способ подачи пара имеет то преимущество, что обеспечивает наиболее высокую эффективность массо-/теплопереноса водяного пара. Другие способы подачи водяного пара во внутреннее пространство ребойлера также отвечают духу и объему настоящего изобретения. Например, подача водяного пара ниже последней тарелки колонны EDC (при отсутствии ребойлера) или выше ребойлера (ниже коллекторной тарелки) не обеспечивает такой высокой эффективности массо-/теплопереноса. В любых других вариантах для повышения эффективности способа экстракционной дистилляции можно, например, создавать перепад давления с помощью вакуума или повышать скорость подачи водяного пара.
В приведенных вариантах для облегчения экстракции ароматических углеводородов используют подачу водяного пара в ребойлер. В разных вариантах ароматическим углеводородом является стирол или другие винилароматические соединения. Однако описанные здесь способы и устройства можно использовать для экстракционной дистилляции других дистиллятов из потоков сырья, т.к. они отвечают духу и объему настоящего изобретения. Как указано выше, устройства и способы настоящего изобретения имеют то преимущество, что они работают при температурах, которые не способствуют полимеризации винилароматических соединений.
В различных вариантах настоящего изобретения используют котел-ребойлер. Однако любому специалисту в данной области будет понятно, что в описанных здесь способах и аппаратуре можно использовать любой тип ребойлера. Такие альтернативные ребойлеры включают, например, термосифонные ребойлеры и ребойлеры с принудительной циркуляцией. В описанных здесь вариантах котел-ребойлер имеет то преимущество, что он обеспечивает большое время контакта и малый унос в способе экстракционной дистилляции при введении водяного пара непосредственно во внутреннее пространство ребойлера.
Для повышения эффективности способа экстракционной дистилляции ребойлер можно модифицировать путем расчета эффективности массо- и теплопереноса дистиллята. Хотя в способах и аппаратах по настоящему изобретению можно использовать ребойлер любого размера, для максимальной эффективности предпочтительно, чтобы размер ребойлера был достаточным для обеспечения эффективного времени контакта при достаточном массопереносе между жидкой и газовой фазами. Эффективное время контакта зависит, например от состава потока перерабатываемого сырья, и специалист в данной области может легко определить эффективное время контакта в зависимости от конкретных требований способа. В разных вариантах ребойлеры по настоящему изобретению были модифицированы путем использования также внутреннего парораспределителя, что приводит к улучшенному распределению водяного пара во внутреннем пространстве ребойлера.
В других вариантах устройство для экстракционной дистилляции экстракта из потока сырья включает колонну экстракционной дистилляции, котел-ребойлер, соединенный с колонной экстракционной дистилляции, линию подачи потока сырья, линию подачи растворителя, линию подачи водяного пара, линию отвода смеси дистиллята и растворителя и линию отвода пара. Котел-ребойлер имеет внутренний парораспределитель. Линия подачи водяного пара соединена с внутренним парораспределителем.
В следующих вариантах здесь описаны способы экстракционной дистилляции экстракта из потока сырья, содержащего по меньшей мере один углеводород. Эти способы включают а) экстракцию растворителем по меньшей мере одного углеводорода из потока сырья с образованием смеси углеводород/растворитель, b) подачу водяного пара непосредственно в ребойлер, с) подачу водяного пара для подогрева трубок ребойлера, d) смешение смеси углеводород/растворитель с водяным паром через парораспределитель, расположенный внутри ребойлера и е) испарение смеси углеводород/растворитель. В некоторых вариантах эти способы также включают отделение по меньшей мере одного углеводорода от смеси углеводород/растворитель после стадии испарения. В некоторых вариантах оболочка ребойлера представляет собой котел-ребойлер.
Экспериментальный пример
Следующий пример предложен для более полной иллюстрации некоторых вариантов, раскрытых выше. Следует подчеркнуть для специалистов в данной области, что этот пример представляет собой один из способов реализации изобретения. Специалисты должны понимать, что в свете настоящего изобретения в конкретные раскрытые варианты можно вносить много изменений и получить такой же или аналогичный результат, не отклоняясь от духа и объема изобретения.
Пример 1: Устройство экстракционной дистилляции с ребойлером. Разные варианты настоящего изобретения можно будет лучше понять с помощью ФИГУРЫ 1. На ФИГУРЕ 1 показана схема аппарата экстракционной дистилляции 1, в котором водяной пар подают непосредственно в ребойлер. Как показано на ФИГУРЕ 1, поток сырья С8 (содержащего стирол) после гидроочистки является средней фракцией пиролизного газолина, и его подают в колонну экстракционной дистилляции 120 по линии подачи потока сырья 101. В данном примере средняя фракция С8 обогащена стиролом (~30 - ~40 масс.%). Колонна экстракционной дистилляции 120 является насадочной колонной, соединенной с линией подачи потока сырья 101 и линией подачи растворителя 102. В разных вариантах аппарат экстракционной дистилляции работает под вакуумом. В еще одних вариантах обедненный растворитель подают в колонну экстракционной дистилляции 120 по линии подачи растворителя 102 при температуре в интервале примерно 70°С - 100°С.
Колонна экстракционной дистилляции 120 соединена с котлом-ребойлером 135. Тепло поступает в котел-ребойлер 135 по линии подачи насыщенного водяного пара 106. Насыщенный водяной пар конденсируется внутри трубок ребойлера. В разных вариантах регулируют температуру нижней части колонны экстракционной дистилляции 120 с помощью котла-ребойлера 135 на уровне примерно 120°С или ниже. Такие температуры предпочтительны, т.к. они практически не вызывают полимеризации стирола в нижней части колонны.
В разных вариантах устройства для экстракционной дистилляции при работе в системе пар/жидкость растворитель экстрагирует стирол в нижнюю часть колонны экстракционной дистилляции 120, вытесняя рафинат (другие ароматические углеводороды С8 и неароматические углеводороды) в верхнюю часть колонны экстракционной дистилляции 120. Пары из верхней части колонны конденсируют в холодильнике 127 и направляют в сепаратор 130 по линии 125. В сепараторе 130 водную фазу удаляют путем разделения фаз и направляют по линии отвода воды 104. Декантируемую воду в линии отвода воды 104 прокачивают как техническую воду через контур системы генерации водяного пара (не показан) и направляют обратно в ребойлер 135. В ребойлере 135 воду сразу превращают в технологический водяной пар, который входит в нижнюю часть ребойлера 135 по линии водяного пара 107. В одном варианте углеводородную фракцию (рафинат), оставшуюся в сепараторе 130 после отделения воды, прокачивают обратно в колонну экстракционной дистилляции 120 через линю флегмы 105 при флегмовом числе примерно 1. Альтернативно рафинат можно удалить из системы по линии отвода рафината 103.
Водяной пар подают по линии водяного пара 107 внутрь ребойлера 135 и смешивают с жидким потоком 109 из колонны экстракционной дистилляции 120. После этого поток пара 108, образовавшийся из водяного пара внутри ребойлера 135, направляют обратно в колонну экстракционной дистилляции 135 ниже коллекторной тарелки 150. Паровой поток 108 поставляет обедненный стиролом растворитель для продолжения экстракционной дистилляции и, кроме того, обогревает колонну экстракционной дистилляции 120. Оставшуюся в ребойлере 135 жидкость, содержащую стирол и растворитель, направляют по линии ребойлера 110 в виде жидкого продукта в нижнюю часть колонны. Оттуда стирол плюс растворитель перекачивают по линии 111 в колонну выделения растворителя 160.
Ребойлер 135 специально сконструирован для способов экстракционной дистилляции по настоящему изобретению, с тем чтобы повысить ее эффективность. Как показано выше, водяной пар добавляют в ребойлер 135 по линии водяного пара 107. В ребойлере 135 водяной пар поступает во внутренний парораспределитель 140. Подача водяного пара снижает парциальное давление экстрагированного стирола. После ребойлера 135 стирол вместе с растворителем направляют в виде жидкого продукта по линии ребойлера 110 в нижнюю часть колонны экстракционной дистилляции 120.
Стирол вместе с растворителем в линии 111 направляют в колонну выделения растворителя 160, где от растворителя отделяют чистый стирол. Затем, если это необходимо, растворитель возвращают в колонну экстракционной дистилляции 120 по линии 102.
Как известно специалисту в данной области, эффективность операции массопереноса водяного пара определяют следующим образом:
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>v</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>л</mi><mi>ю</mi><mi>д</mi><mi>а</mi><mi>е</mi><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>ц</mi><mi>и</mi><mi>а</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>а</mi><mi>в</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>щ</mi><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>в</mi><mi>а</mi><mtext> </mtext><mi>н</mi><mi>а</mi><mtext> </mtext><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>е</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>ц</mi><mi>и</mi><mi>а</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>а</mi><mi>в</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>щ</mi><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>в</mi><mi>а</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>и</mi><mi>и</mi></mrow></mfrac></mrow>
Эффективность массопереноса в ребойлере обычно принимают за 100% (близко к одной теоретической тарелке). Однако 100%-ная эффективность массопереноса не применима при введении водяного пара непосредственно в ребойлер, особенно в случае вертикальных ребойлеров, где время контакта в зоне контакта (между поступающими в ребойлер паровой и жидкой фазами) недостаточно велико. Было установлено, что котел-ребойлер, описанный в настоящем варианте на ФИГУРЕ 1, дает то преимущество, что приводит к большому времени контакта (тесного контакта) между фазами. Была разработана модель для определения/расчета эффективности, которая послужила основой для расчета механических размеров ребойлера и парораспределителя.
На основании приведенного описания специалист в данной области может легко установить основные характеристики данного изобретения и, не отклоняясь от его духа и объема, внести различные изменения и модификации для адаптации описания к различным вариантам и условиям применения. Описанные выше варианты являются только иллюстративными и не служат для ограничения объема изобретения, который определен следующей формулой.