СПОСОБ РЕКОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДИСТИЛЛЯЦИИ МЕТАНОЛА
METHOD FOR RECONSTRUCTION OF METHANOL DISTILLATION UNIT

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу реконструкции установки для дистилляции метанола.
Уровень техники
2
2
2
4
Установка получения метанола вырабатывает водный раствор метанола, содержащий побочные продукты реакции, например, этанол и высшие спирты (например пропанол), кетоны (например ацетон), альдегиды и растворенные газы, преимущественно включающие Н, СО, СО, N, СН. Этот водный раствор называют метанолом-сырцом.
Метанол-сырец подвергают дистилляции для достижения показателей по чистоте, предъявляемых к коммерческому продукту. Например, класс чистоты АА предусматривает минимальную концентрацию метанола 99,85 мас. %, а весовое содержание этанола не более 10 ppm (частей на миллион).
Дистилляция осуществляется в секции очистки, содержащей одну или более очистную колонну. Обычно, в очистной колонне вверху отделяются один более легких продукта (т.е., имеющих относительно низкую температуру кипения, например метанол) от одного или более тяжелых продуктов (т.е., имеющих сравнительно высокую температуру кипения, например воды) внизу колонны.
Типовая секция очистки включает две очистные колонны, а именно колонну среднего давления (СД) и колонну низкого давления (НД), работающие, соответственно, при среднем давлении (например, около 7-10 бар) и при низком давлении (например, около 2 бар).
Колонна СД имеет ребойлер с паровым подогревом и конденсатор наверху колонны. В колонне СД получают верхний поток дистиллята метанола, который конденсируется в конденсаторе наверху колонны, и нижний жидкий поток, содержащий воду и метанол, направляемый в колонну НД для дальнейшей очистки.
Конденсатор наверху колонны СД является ребойлером колонны низкого давления (НД). В колонне НД вырабатывается верхний поток дистиллята метанола, нижний жидкий поток, состоящий преимущественно из воды, и одна или более боковых фракций, в совокупности именуемых "сивушными маслами", в основном состоящих из воды, остаточного метанола и побочных продуктов реакции синтеза, имеющих промежуточные точки кипения между температурами кипения метанола и воды, например высшие спирты. Расход сивушных масел и тарелка, из которой они выводятся, выбираются в соответствии с предъявляемыми требованиями к метаноловому продукту верхнего погона в части содержания этанола и других примесей. Эти сивушные масла обладают определенной теплотворной способностью и обычно используются в качестве топлива.
2
2
2
4
Секция очистки может также включать колонну предварительной обработки или отбензинивания (topping column) для отделения летучих соединений (например, Н, СО, СО, N, СН, ацетон) из метанола-сырца. Эта колонна работает в основном при атмосферном или слегка повышенном (например, 1,5 бар) давлении.
Конструкция с отбензинивающей колонной и двумя дистилляционными колоннами раскрыта в US 4210495.
В последнее время стала остро ощущаться потребность в повышении производительности (т.е., количества получаемого метанола) без чрезмерных капиталовложений. Однако существующая секция очистки с колонной СД и колонной НД ограничивают возможность значительного повышения производительности.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является повышение производительности секции очистки установки дистилляции метанола, содержащей дистилляционную колонну СД и дистилляционную колонну НД, при сохранении низкого энергопотребления и малых капиталовложений, и без перегрузки существующих дистилляционных секций среднего и низкого давлений.
Эти задачи решаются способом реконструкции секции очистки в соответствии с п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные признаки способа изложены в зависимых пунктах формулы.
В изобретении предложен способ реконструкции секции очистки, в которую подается поток метанола-сырца, и которая включает очистную колонну среднего давления (СД), выполненную с возможностью работы при первом давлении (p1) дистилляции, и очистную колонну низкого давления (НД), выполненную с возможностью работы при втором давлении (р2) дистилляции, где p1 больше р2, причем:
очистная колонна СД и очистная колонна НД каждая содержит по меньшей мере один кубовой кипятильник (ребойлер), подающий тепло дистилляции в колонну СД и колонну НД, соответственно,
очистная колонна СД содержит верхнюю выпускную линию (трубопровод) для газообразного потока дистиллята метанола и нижний выпускной трубопровод для содержащего метанол раствора,
верхний выпускной трубопровод подводится к по меньшей одному кубовому кипятильнику очистной колонны НД, где газообразный поток дистиллята метанола служит источником тепла, и
нижний выпускной трубопровод направляется к очистной колонне НД, в которой содержащий метанол раствор подвергается дальнейшей очистке, а
способ отличается тем, что при его осуществлении:
устанавливают очистную колонну высокого давления (ВД), выполненную с возможностью работы при третьем давлении (р3) дистилляции, где р3 больше p1;
устанавливают трубопровод подачи газообразного потока дистиллята метанола, выведенного от верха этой колонны ВД к по меньшей мере одному кубовому кипятильнику колонны СД, где газообразный поток метанола-дистиллята служит источником тепла, и
устанавливают нижний выпускной трубопровод для отведения жидкого потока, состоящего преимущественно из воды, из вновь установленной колонны ВД.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, в способе реконструкции дополнительно устанавливают по меньшей мере один боковой выпускной трубопровод для отведения сивушных масел из вновь установленной колонны ВД. Благодаря этому повышается чистота метанола, выходящего из верха колонны ВД при данном составе метанола-сырца и данном числе этапов дистилляции.
Термин "отведение" означает, что жидкий поток, состоящий преимущественно из воды и сивушных масел, соответственно, не направляется ни в один аппарат, образующий секцию очистки; напротив, они отводятся как продукты из самой секции очистки. Соответственно, жидкий поток, состоящий в основном из воды, не подается в существующие очистные колонны, благодаря чему в максимальной степени регенерируется тепло выведением газообразного потока сверху колонны ВД, и устраняются узкие места в секции очистки.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, в способе реконструкции дополнительно устанавливают по меньшей мере один кубовой кипятильник, выполненный с возможностью подведения тепла дистилляции к колонне очистки ВД, а газообразный поток дистиллята метанола, выведенный сверху этой колонны ВД, предпочтительно подается во вновь установленный кубовой кипятильник или, в случае использования более одного кипятильника, в по меньшей мере один из них. Этот кубовой кипятильник(-и) может быть установлен вместо существующего кубового кипятильника(-ов) или включен последовательно с ним.
Газообразные потоки дистиллята метанола, выведенные сверху колонн ВД и СД, состоят преимущественно из метанола с низким содержанием примесей, согласно предъявляемым требованиям (например, класс чистоты АА).
Таким образом, реконструированная секция очистки содержит по меньшей мере три очистные колонны, работающие при трех уровнях давления дистилляции, а именно, очистные колонны ВД, СД и НД, соответственно, работающие при давлениях р3, p1 и р2, где p3>p1>p2. Высокое давление дистилляции (р3) предпочтительно составляет 10-35 бар, например, по меньшей мере 20 бар в частном варианте осуществления.
Для вновь установленной колонны ВД требуется источник тепла высокой энергии, например, пар, конденсирующийся при давлении 10 бар или более. Соответственно, предложенный способ реконструкции предпочтительно также включает использование по меньшей мере одного нагревателя-кипятильника, приспособленного для вырабатывания тепла дистилляции для вновь установленной очистной колонны ВД.
Заявителем было обнаружено, что введение очистной колонны ВД увеличивает возможности регенерирования тепла внутри дистилляционного процесса, благодаря доступности газообразного потока дистиллята метанола при высокой температуре и высоком давлении. Было установлено, что более эффективное регенерирование тепла с избытком компенсирует необходимость подачи тепла высокого энергетического уровня.
Предпочтительно, газообразный поток дистиллята метанола, полученный из колонны ВД, обеспечивает теплом колонну СД путем непрямого теплообмена с раствором, содержащим метанол, выходящим из колонны СД. Этот раствор, например, отбирается с низа колонны СД и нагретый раствор снова вводится в низ этой колонны, подогревая тем самым всю колонну. Предпочтительно, этот раствор по меньшей мере частично испаряют за счет упомянутого теплообмена, и газообразный поток предпочтительно по меньшей мере частично конденсируется в ходе этого теплообмена с получением жидкого потока дистиллята метанола.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, в предложенном способе реконструкции устанавливают трубопровод, возвращающий часть сконденсированного жидкого потока в колонну ВД, и устанавливают трубопровод для отведения оставшейся части жидкого потока из секции очистки.
Аналогично, газообразный поток дистиллята метанола, извлеченный из колонны СД, снабжает теплом колонну НД предпочтительно непрямым теплообменом с раствором, содержащим метанол, выходящим из колонны НД, который предпочтительно по меньшей мере частично испаряется, и этот газообразный поток по меньшей мере частично конденсируется в жидкий поток дистиллята метанола.
Таким образом, каждый из упомянутых газообразных потоков дистиллята метанола передает тепло дистилляции в следующую колонну, т.е., в колонну СД и колонну НД, посредством непрямого теплообмена с соответствующим жидким раствором, содержащим метанол, извлеченным из колонны СД и НД, соответственно. Более предпочтительно, газообразный поток дистиллята метанола конденсируется, в то время как жидкий раствор испаряется. Конденсация и испарение, соответственно, происходят по меньшей мере частично, а в предпочтительном случае происходит полная конденсация и испарение.
т
т
В предпочтительном варианте осуществления, существующая секция очистки также включает отбензинивающую колонну, выполненную с возможностью удаления более летучих компонентов и для работы при давлении отбензинивания (р), где р не превышает р2. Отбензинивающая колонна содержит впускной трубопровод для метанола-сырца, верхний выпускной трубопровод для газообразного потока летучих компонентов и нижний выпускной поток для жидкого раствора, направляемого в очистную колонну СД, а способ реконструкции в соответствии с изобретением отличается установкой отводной трубы, направляющей часть жидкого раствора во вновь установленную очистную колонну ВД.
т
Давление (р) отбензинивания предпочтительно  к атмосферному давлению, более предпочтительно, составляет примерно 1-1,5 бар.
т
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, давление (р2) перегонки, при котором работает колонна НД, существенно выше давления (р) отбензинивания, отбензинивающая колонна содержит кубовой кипятильник, колонна НД содержит верхний выпускной трубопровод для газообразного потока дистиллята метанола, а способ реконструкции отличается установкой отводной трубы, направляющей часть газообразного потока дистиллята метанола в кубовой кипятильник отбензинивающей колонны, в результате эта часть газообразного потока играет роль источника тепла для этого нагревателя-кипятильника.
Часть газообразного потока, извлекаемого из колонны НД, предпочтительно по меньшей мере частично конденсируется в кубовом кипятильнике отбензинивающей колонны за счет непрямого теплообмена с раствором, содержащим метанол, выходящий с низа отбензинивающей колонны, и этот раствор предпочтительно по меньшей мере частично испаряется.
Колонна НД является последней колонной очистной секции. Она также называется исчерпывающей колонной, а давление р2 называется исчерпывающим давлением.
Использование исчерпывающего давления, величина которого существенно выше давления отбензинивания, способствует энергосбережению и оптимизации тепловых потоков за счет использования газообразного метанола, полученного дистилляцией в исчерпывающей колонне, для подачи тепла к отбензинивающей колонне.
В колонне НД также обычно вырабатывается кубовой раствор, преимущественно состоящий из воды и по меньшей мере одного бокового потока сивушных масел.
т
Предпочтительно, в варианте осуществления изобретения с регенерацией тепла от исчерпывающей колонны используются следующие давления: давление (р) отбензинивания, составляющее около 1,5 бар; давление р3 колонны ВД, составляющее примерно 30 бар; давление p1 колонны СД, составляющее примерно 15-20 бар; давление р2 колонны НД, составляющее по меньшей мере 2 бар, и предпочтительно примерно 5 бар.
т
3
Предпочтительно, в варианте осуществления изобретения без регенерации тепла из исчерпывающей колонны используются следующие давления: давление (р) отбензинивания и давление р2 колонны НД, составляющие около 1,5 бар; давление р колонны ВД, составляющее примерно 18-20 бар; давление p1 колонны СД, составляющее примерно 8-10 бар.
Способ реконструкции в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить энергетический выигрыш за счет тепловой интеграции при использовании теплоты конденсации газообразного потока дистиллята метанола, выводимого из вновь установленной колонны ВД, в качестве тепла дистилляции существующей колонны СД.
Этот способ реконструкции особенно предпочтителен, поскольку вновь установленная колонна позволяет повысить производительность секции очистки при сохранении низкого потребления пара и без затрагивания существующих колон СД и НД. Действительно, в изобретении требуется обработка меньшего количества жидкости в существующих колоннах СД и НД, поскольку вновь установленная колонна ВД уже вырабатывает кубовой поток, состоящий преимущественно из воды и, предпочтительно, также один или более боковых потоков сивушных масел. В то же время, установка колонны ВД и нижнего трубопровода для отведения жидкого потока, состоящего преимущественно из воды, позволяет достичь максимальной регенерации тепла.
Преимущества изобретения будут более понятны из приведенного ниже подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Краткое описание чертежей
на фиг. 1 представлена блок-схема секции очистки установки дистилляции метанола в соответствии с уровнем техники;
на фиг. 2 представлена блок-схема секции очистки, показанной на фиг. 1, после ее реконструкции в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание осуществления изобретения
т
т
т
Секция очистки на фиг. 1 включает отбензинивающую колонну 100 и две дистилляционные колонны 300, 400. Дистилляционная колонна 300 работает при давлении p1, а дистилляционная колонна 400 работает при давлении р2, где p1>p2. Отбензинивающая колонна 100 работает при давлении р примерно равном 1,5 бар; давление р2 колонны 400 в этом примере примерно равно давлению р отбензинивания, т.е., р2≈р.
Отбензинивающая колонна 100 содержит кубовой кипятильник/ребойлер 101 и верхний конденсатор 102. Колонны 300, 400 содержат соответствующие кубовые кипятильники/ребойлеры 301, 401. Кубовой ребойлер 401 колонны 400 также выполняет функцию верхнего конденсатора колонны 300, а колонна 400 имеет верхний конденсатор 402.
В отбензинивающую колонну 100 поступает поток метанола-сырца 103, и здесь происходит его разделение на газообразный поток 104, содержащий летучие компоненты, плотность которых меньше плотности метанола (легкие фракции), и кубовой раствор 105, содержащий метанол.
Первая часть 106 кубового раствора 105 нагревается, предпочтительно по меньшей мере частично испаряется и повторно направляется в колонну 100 через кубовой ребойлер 101. В эквивалентном варианте осуществления, вместо отделения этой части 106, жидкий поток отбирается с низа колонны 100, нагревается в соответствующем ребойлере 101 и возвращается в колонну 100. К ребойлеру 101 подводится тепло от внешнего источника тепла Q1, например водяного пара.
Вторая часть 107 кубового раствора подается к насосу 120, который закачивает поток 303 метанола в колонну 300. Поток 303 в основном имеет давление p1, не учитывая перепада давления на питающем трубопроводе колонны 300.
Газообразный поток 104 конденсируется в верхнем конденсаторе 102, и часть 110 сконденсированного потока рециркулирует в колонну 100. Оставшаяся часть 111 выпускается или удаляется.
В колонне 300 разделяются газообразный поток 304 дистиллята метанола при давлении р2 и кубовой раствор 305.
Кубовой раствор 305 проходит через дросселирующий клапан 320 или его эквивалент, с образованием потока 403 с давлением приблизительно р2. Этот поток 403 подается в следующую колонну 400 НД.
Жидкий поток 306 отбирается с низа колонны 300, нагревается в соответствующем ребойлере (кипятильник у основания колонны) 301 и рециркулирует в колонну 300, нагревая при этом низ колонны и поддерживая процесс дистилляции. В эквивалентном варианте осуществления, жидкий поток 306 является частью кубового раствора 305. Ребойлер 301 питается от внешнего источника Q3 тепла, например пара.
Газообразный поток 304 используется в процессе для нагревания колонны 400. Этот поток 304 подводится к горячей стороне ребойлера 401, где он по меньшей мере частично конденсируется с образованием потока конденсированного метанола 309. Часть 310 этого конденсата 309 возвращается обратно в колонну 300, а оставшаяся часть 311 отводится из процесса в виде дистиллята метанола. Ребойлер 401 также выполняет функцию верхнего конденсатора колонны 300, поскольку в нем конденсируется по меньшей мере часть дистиллята метанола 304, образующая верхний рециркуляционный поток 310. Поэтому этот ребойлер 401 также называется ребойлером/конденсатором.
В колонне 400 отделяется другой поток 404 газообразного метанола, который конденсируется в верхнем конденсаторе 402 с образованием потока конденсата. Часть 410 этого потока конденсата снова в водится в колонну 400, а остальная часть 411 выпускается или удаляется.
В колонне 400 НД также вырабатывается поток 420, состоящий в основном из воды, и боковой поток 430 сивушных масел.
Жидкий поток 406 отбирается с низа колонны 400, участвует в теплообмене с потоком газообразного метанола 304 в ребойлере 401, по меньшей мере частично испаряется и рециркулируется в колонну 400 для поддержания дистилляционного процесса.
Потоки 311, 411 объединяются с образованием общего потока 412 дистиллята метанола с требуемым классом чистоты (например АА).
Существующая секция очистки, показанная на фиг. 1, предпочтительно реконструируется для получения секции очистки, показанной на фиг. 2, выполнением следующих операций:
устанавливают очистную колонну 200, выполненную с возможностью работы при давлении р3, превышающем давление p1;
устанавливают отводную трубу 108, направляющую часть кубового раствора, выходящего из отбензинивающей колонны 100, во вновь установленную колонну 200 ВД;
устанавливают насос 121 в эту отводную трубу 108;
устанавливают кубовой ребойлер 501 вместо кубового ребойлера 301 очистной колонны СД;
устанавливают трубопровод 204, подающий газообразный поток дистиллята метанола, выведенного сверху вновь установленной колонны 200, в кубовой кипятильник 501, где этот газообразный поток дистиллята метанола выполняет функцию источника тепла;
устанавливают нижний выпускной трубопровод 205 для отведения из вновь установленной колонны 200 в качестве продукта жидкого потока, состоящего преимущественно из воды;
устанавливают боковой выпускной трубопровод 207 для отведения из вновь установленной колонны ВД в качестве продукта сивушных масел;
устанавливают кубовой кипятильник 201;
устанавливают паропровод Q2 и трубопровод 206, для извлечения жидкого раствора с низа колонны 200, причем паропровод Q2 и трубопровод 206 питают вновь установленный нагреватель-кипятильник 201, обеспечивая теплом дистилляции колонну 200.
Газообразный поток, подаваемый в кубовой кипятильник 501 через вновь установленный трубопровод 204, используется для нагревания колонны 300. Этот газообразный поток подается на горячую сторону ребойлера 501, где поток по меньшей мере частично конденсируется, а жидкий поток 306, отбираемый с низа колонны 300, подается на холодную сторону, где он по меньшей мере частично испаряется. В способе реконструкции устанавливают трубопровод 209 для отведения конденсата метанола из нагревателя-кипятильника 501, трубопровод 210 для рециркулирования части конденсата метанола в колонну 200 и трубопровод 211 для отведения оставшейся части конденсата метанола в качестве продукта.
Потоки 211, 311, 411 соединяются вместе для формирования общего потока 412 дистиллята метанола с требуемым классом чистоты (например АА).