УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА В СПОСОБЕ ПРОИЗВОДСТВА БУТАДИЕНА
HEAT RECOVERY IN BUTADIENE PRODUCTION METHOD

Данная заявка испрашивает приоритет на основании предварительной патентной заявки США № 62/252131, поданной 6 ноября 2015 года, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Областью техники, к которой относится изобретение, является способ утилизации тепла для образования водяного пара при производстве целевого бутадиена.
Уровень техники
При получении целевого бутадиена способом окислительного дегидрирования требуется большое количество разбавителей. Целевой бутадиен получают способом, в котором н-бутены могут быть конвертированы в бутадиен. Обычно в качестве разбавителя используют водяной пар для регулирования экзотермического повышения температуры в реакторе и обеспечения разбавления. Это предотвращает протекание нежелательных побочных реакций. Водяной пар можно использовать для поддержания активности катализатора. Как правило, молярное отношение водяного пара к бутену в реакторе находится в диапазоне от 5 до 20. Кроме того, в дополнение к водяному пару в способе получения бутадиена путем окислительного дегидрирования может образовываться вода. Атомы водорода, удаляемые в реакции, превращаются в воду при добавлении воздуха или обогащенного кислородом потока.
Объединенный водяной пар, подаваемый в способ, и водяной пар, образующийся во время способа, необходимо удалять из продукта для извлечения и очистки бутадиенового продукта. Как правило, водяной пар удаляется в виде воды с помощью конденсации. Однако любые тяжелые углеводороды и оксигенаты в выходящем из реактора потоке также будут конденсироваться вместе с водяным паром, и вода, которая выходит из реактора, содержит тяжелые углеводороды и оксигенаты.
Водный баланс способа благоприятствует рециркуляции водяного конденсата для образования водяного пара, необходимого для реактора. Обычно используется испаритель для образования водяного пара из водяного конденсата. Углеводороды, которые не испаряются, формируют углеводородный слой поверх испаряющейся воды и, в конечном счете, накапливаются со временем. Это приводит к загрязнению поверхности теплообмена в паровом котле, высокой температуре и потенциальным пробкам испарившегося углеводорода.
Соответственно, существует необходимость в усовершенствованном способе для повышения энергоэффективности и утилизации тепла в процессе окислительного дегидрирования. Кроме того, существует необходимость в усовершенствованном способе для образования водяного пара из воды, образующейся в реакции окислительного дегидрирования, который позволяет преодолеть указанные выше проблемы и нежелательные побочные реакции.
Раскрытие изобретения
Вариант осуществления изобретения представляет собой способ утилизации тепла при окислительном дегидрировании бутена в бутадиен, включающий пропускание сырьевого потока, содержащего бутен, вместе с водяным паром и предварительно нагретым воздухом в реактор окислительного дегидрирования. Сырьевой поток подвергается окислительному дегидрированию над катализатором дегидрирования в реакторе окислительного дегидрирования с образованием потока продукта, содержащего бутадиен. Поток продукта из реактора дегидрирования затем пропускают в теплообменник для охлаждения указанного потока. Охлажденный поток пропускают в башню гашения для образования охлажденного потока с пониженным содержанием воды и сконденсированного водного потока. Образованный водный поток после этого пропускают в разделительный барабан для получения водяного пара, циркуляционного водного потока и отводного потока.
Другой вариант осуществления изобретения представляет собой способ получения водяного пара с помощью утилизации тепла при окислительном дегидрировании бутена в бутадиен, включающий пропускание сырьевого потока, содержащего бутен, вместе с водяным паром и предварительно нагретым воздухом в реактор окислительного дегидрирования. Сырьевой поток подвергается окислительному дегидрированию над катализатором дегидрирования в реакторе окислительного дегидрирования с образованием потока продукта. Поток продукта из реактора дегидрирования затем пропускают в башню гашения для образования охлажденного потока продукта и водного потока. Образованный водный поток после этого пропускают в разделительный барабан для получения водяного пара, циркуляционного водного потока и отводного потока, содержащего углеводороды и оксигенаты. Отводной поток отводят из разделительного барабана. Образованный водяной пар пропускают в реактор окислительного дегидрирования.
Настоящее изобретение направлено на обеспечение оптимизированного способа получения водяного пара за счет утилизации тепла при окислительном дегидрировании бутена в бутадиен. Преимущество изобретения заключается в получении водяного пара из циркуляционной воды с использованием разделительного барабана для отделения и удаления любого углеводородного слоя. Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны при рассмотрении приведенного ниже подробного описания, чертежей и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлена схема технологического процесса способа настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Дегидрирование бутена в бутадиен требует большого количества разбавляющего водяного пара. Традиционно водяной пар образуется в процессах дегидрирования бутена или бутана в бутадиен за счет конденсирующейся воды при использовании испарителя. Недостаток этого традиционного способа заключается в том, что тяжелые углеводороды не испаряются и образуют углеводородный слой поверх испаряющейся воды и, в конечном счете, вызывают загрязнение поверхности теплообмена в паровом котле и потенциальные пробки испарившегося углеводорода.
Настоящее изобретение предлагает способ утилизации тепла при дегидрировании бутена в бутадиен с помощью пропускания воды в барабан для образования водяного пара и циркуляционного водного потока. Обычно для получения водяного пара используют паровой котел. Настоящее изобретение выгодным образом предлагает разделительный барабан для образования водяного пара и циркуляционного водного потока, который может использоваться для образования водяного пара за счет естественной конвекции. Использование разделительного барабана предотвращает накопление слоя тяжелых углеводородов и позволяет избежать удаления любого углеводородного слоя из барабана. Таким образом, настоящее изобретение эффективно обеспечивает предотвращение возникновения любого загрязнения при последующей обработке. Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является регулирование использования воды, которое может быть очень дорогостоящим на любой химической установке или нефтеперерабатывающем заводе. Предотвращение любого переноса загрязнения углеводородами ниже по потоку может быть достигнуто путем неполного или частичного испарения воды в системе регулирования воды.
Общее понимание способа селективной утилизации тепла при окислительном дегидрировании бутена в бутадиен может быть получено со ссылкой на фигуру. Фигура был упрощена путем удаления большого числа устройств, обычно используемых в способах данного типа, таких как внутрикорпусные устройства, системы регулирования температуры и давления, регулировочные клапаны расхода, рециркуляционные насосы и т.д., которые не требуются специально для иллюстрации результатов работы изобретения. Кроме того, иллюстрация способа данного изобретения на примере приведенного чертежа не предназначена для ограничения изобретения конкретными вариантами осуществления, изложенными в настоящем документе.
Настоящее изобретение, как показано на фигуре, включает пропускание сырьевого потока, содержащего бутен, в трубопроводе 12 вместе с водяным паром в трубопроводе 10 и воздухом в трубопроводе 8 в первую реакторную установку 20 дегидрирования. Указанный воздух обогащен кислородом и служит в качестве потенциального источника кислорода. Водяной пар в трубопроводе 10 может быть перегрет перед его пропусканием в первую реакторную установку 20 дегидрирования. Реакторные установки 20, 30 дегидрирования содержат катализатор и работают в условиях реакции дегидрирования с образованием выходящего потока в трубопроводе 32. Воздух в трубопроводе 8 может быть предварительно нагрет перед его пропусканием в реактор 20 дегидрирования. Смесь, содержащая сырьевой поток в трубопроводе 12 и водяной пар в трубопроводе 10, может быть перегрета до температуры по меньшей мере 205°C перед пропусканием указанной смеси в реакторную установку 20 дегидрирования.
Реактор дегидрирования может быть двухступенчатым реактором, включающим первый реактор 20 дегидрирования и второй реактор 30 дегидрирования. Промежуточный поток 22 может быть отведен из первого реактора 20 дегидрирования и направлен во второй реактор 30 дегидрирования. Промежуточный поток 22 может быть подвергнут теплообмену с водяным паром в трубопроводе 10 перед тем, как он будет подан во второй реактор 30 дегидрирования.
Реакторные установки могут быть расположены последовательно и могут быть размещены любым удобным образом, в частности, таким, который способствует переносу реагентов между реакторными установками и обеспечивает доступ для поступления или отведения технологических потоков.
В настоящем изобретении могут использоваться реакторы с неподвижным слоем или реакторы с движущимся слоем. Предпочтительным вариантом является использование реакторов с движущимся слоем, с поступлением свежего катализатора в первую реакторную установку. Катализатор из первого реактора может подаваться во второй реактор. Способ может также включать реакторные установки, которые содержат множество реакторных слоев.
Рабочие условия предпочтительной зоны дегидрирования, содержащей реакторные установки дегидрирования данного изобретения, как правило, будут включать рабочую температуру в диапазоне от 500°C до 700°C, рабочее давление от 100 кПа (абс.) до 450 кПа (абс.) и часовую объемную скорость жидкости от примерно 0,5 до примерно 50 для каждого слоя катализатора. Предпочтительная рабочая температура будет находиться в пределах диапазона от примерно 540°C до 660°C, и предпочтительное рабочее давление составляет от 100 кПа (абс.) до 250 кПа (абс.). Более предпочтительные рабочие условия включают температуру от 580°C до 645°C, рабочее давление от 100 кПа (абс.) до 170 кПа (абс.), и предпочтительно рабочие условия являются такими, что выходящий поток из каждой реакторной установки находится при температуре выше 500°С, и наиболее предпочтительно при 580°С, при рабочих температурах от 600°С до 645°С. Температуру можно регулировать с помощью потока водяного пара в реакторные установки. Когда температура выходящего потока является слишком высокой, водяной пар может выполнять функцию охлаждения, для доведения температуры сырья и окислителя на входе в следующий реактор до значения ниже 580°С.
Предпочтительный катализатор дегидрирования содержит металл VIII группы и, предпочтительно, компонент группы платины, предпочтительно платину, оловянный компонент и щелочнометалльный компонент, с материалом пористого неорганического носителя. Другим металлом, который может использоваться, является хром. При необходимости в данной зоне могут использоваться и другие каталитические композиции. Предпочтительный катализатор содержит щелочнометалльный компонент, выбранный из цезия, рубидия, калия, натрия и лития. Предпочтительный щелочной металл обычно выбирают из цезия и калия. Предпочтительные катализаторы дегидрирования содержит щелочной металл и галоген, например, калий и хлор, в дополнение к олову и компонентам платиновой группы. Получение и использование катализаторов дегидрирования хорошо известно специалистам в данной области техники, и дополнительные детали, касающиеся подходящих каталитических композиций, описаны в патентах, таких как цитированные выше, и в других стандартных источниках (патенты US 4486547 и US 4438288).
Сырьевой поток, содержащий бутен, подвергается окислительному дегидрированию над катализатором дегидрирования с образованием потока продукта, содержащего бутадиен, в трубопроводе 32. Поток продукта в трубопроводе 32 из реактора дегидрирования пропускают в теплообменник 34 для охлаждения указанного потока. Охлажденный поток в трубопроводе 36 из теплообменника пропускают в башню 50 гашения с образованием охлажденного потока с пониженным содержанием воды в трубопроводе 52 и сконденсированного водного потока в трубопроводе 58. Башня 50 гашения находится ниже по потоку в сообщении с реактором 30 дегидрирования. Водный поток из башни гашения отводится из кубовой части башни гашения в трубопровод 58 и направляется в разделительный барабан 60 для получения водяного пара в трубопроводе 62, циркулирующего водного потока в трубопроводе 66 и отводного потока в трубопроводе 64. Отводной поток отводится из разделительного барабана по трубопроводу 64. Отводной поток содержит углеводороды и оксигенаты. Разделительный барабан 60 находится ниже по потоку в сообщении с реактором 30 дегидрирования.
Водяной пар в трубопроводе 62 пропускают из разделительного барабана 60 в реактор 20 дегидрирования. Водяной пар в трубопроводе 62 может быть объединен с входящим водяным паром в трубопроводе 10, поступающим в реактор 20 дегидрирования. Поток продукта, содержащий бутадиен в трубопроводе 32, может быть охлажден водой в трубопроводе 66 из разделительного барабана 60. Теплообменник 34 может использоваться для испарения части циркулирующего водного потока в трубопроводе 66 с образованием водяного пара. Часть воды испаряется при каждом проходе воды из башни гашения в разделительный барабан. Поток продукта в трубопроводе 32 может использоваться для частичного испарения циркулирующего водного потока в трубопроводе 66 путем теплообмена, перед пропусканием циркулирующего водного потока в башню 50 гашения.
Поток продукта, содержащий бутадиен и обедненный водой, выходит из верхней части башни гашения в трубопровод 52. Поток продукта в трубопроводе 52 пропускают в компрессор 54 для сжатия потока продукта. Поток продукта может быть сжат до давления примерно от 1100 кПа до 1200 кПа. Сжатый поток продукта в трубопроводе 56 пропускают в скруббер 70 оксигенатов для образования очищенного потока в трубопроводе 72. Скруббер 70 оксигенатов находится ниже по потоку в сообщении с башней 50 гашения. Продукт реакции в трубопроводе 74 из головного потока скруббера 70 оксигенатов пропускают в кубовую часть абсорбера 90 C4. Очищенный поток в трубопроводе 72 из кубовой части скруббера 70 оксигенатов направляется в отпарную колонну 80 оксигенатов для образования подвергнутого отпариванию потока в трубопроводе 82 и парового потока в трубопроводе 84. Газы в паровом потоке в трубопроводе 84 выпускаются наружу. Отпарная колонна оксигенатов находится ниже по потоку в сообщении со скруббером 70 оксигенатов. Абсорбер 90 C4 находится ниже по потоку в сообщении со скруббером 70 оксигенатов.
Подвергнутый отпариванию поток в трубопроводе 82 из кубовой части отпарной колонны 80 оксигенатов пропускают в скруббер 70 оксигенатов. Продукт реакции в трубопроводе 74 из головного потока скруббера оксигенатов может быть направлен вместе с потоком абсорбционного масла в абсорбер 90 C4 для образования абсорбционного потока, содержащего бутадиен, в трубопроводе 92. Абсорбер 90 C4 находится ниже по потоку в сообщении с отпарной колонной 80 оксигенатов. Бутадиен и соединения C4 абсорбируются в поток абсорбционного масла. Абсорбционный поток в трубопроводе 92 пропускают в башенный дегазатор 100 для удаления отличных от C4 летучих компонентов и образования дегазированного потока в трубопроводе 102. Головной газовый поток в трубопроводе 104 из башенного дегазатора 100 может направляться для объединения с продуктом, содержащим бутадиен, в трубопроводе 52, для сжатия компрессором 54. Башенный дегазатор 100 находится ниже по потоку в сообщении с абсорбером 90 C4. Дегазированный поток в трубопроводе 102 направляется из башенного дегазатора в отпарную колонну 110 С4 для образования неочищенного бутадиенового продукта, который отводится в трубопроводе 112 из отпарной колонны C4. Соединения С4, включающие бутадиен, десорбируются из абсорбционного масла при пониженном давлении. Абсорбционный поток отводится в донной части отпарной колонны C4 в трубопроводе 114 и направляется в абсорбер 90 C4. Отпарная колонна 110 С4 находится ниже по потоку в сообщении с башенным дегазатором 100.
Хотя изобретение описано с использованием того, что в данном случае рассматривается как предпочтительные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, но предполагает охват различных модификаций и эквивалентных конфигураций, включенных в объем прилагаемой формулы изобретения.
Конкретные варианты осуществления
Хотя ниже следует описание в связи с конкретными вариантами осуществления, следует понимать, что данное описание предназначено для иллюстрации, а не для ограничения объема предшествующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
Первый вариант осуществления изобретения представляет собой способ утилизация тепла при окислительном дегидрировании бутена в бутадиен, включающий пропускание сырьевого потока, содержащего бутен, вместе с водяным паром и предварительно нагретым воздухом в реактор окислительного дегидрирования; окислительное дегидрирование сырьевого потока над катализатором дегидрирования в реакторе окислительного дегидрирования с образованием потока продукта, содержащего бутадиен; пропускание потока продукта из реактора окислительного дегидрирования в теплообменник для охлаждения указанного потока; пропускание охлажденного потока в башню гашения с образованием охлажденного потока с пониженным содержанием воды и сконденсированного водного потока; и направление указанного водного потока в разделительный барабан с образованием водяного пара, циркуляционного водного потока и отводного потока. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание образованного водяного пара из разделительного барабана в реактор окислительного дегидрирования. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя смешивание сырьевого потока, содержащего бутен, с водяным паром и перегревание указанной смеси до температуры по меньшей мере 205°С. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором поток продукта охлаждается водой из разделительного барабана. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание потока продукта в теплообменник для испарения части циркуляционного водного потока и образования водяного пара. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором циркуляционный водный поток частично испаряется за счет теплообмена с потоком продукта, содержащим бутадиен. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором реактор окислительного дегидрирования представляет собой двухступенчатый реактор с первой ступенью, образующей промежуточный поток и направляющей промежуточный поток ко второй ступени, дополнительно включающий теплообмен водяного пара с промежуточным потоком. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя перегрев водяного пара. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание перегретого водяного пара в реактор окислительного дегидрирования. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание потока продукта, содержащего бутадиен, в скруббер оксигенатов для образования очищенного потока. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание очищенного потока в отпарную колонну оксигенатов с образованием подвергнутого отпариванию потока и парового потока. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание десорбированного потока и абсорбционного масла в абсорбер C4 для образования абсорбционного потока. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание абсорбционного потока в башенный дегазатор для удаления отличных от C4 летучих компонентов и образования дегазированного потока. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание дегазированного потока в отпарную колонну C4 для образования неочищенного бутадиенового потока.
Второй вариант осуществления изобретения представляет собой способ получения водяного пара с помощью утилизации тепла при окислительном дегидрировании бутена в бутадиен, включающий пропускание сырьевого потока, содержащего бутен, вместе с водяным паром и предварительно нагретым воздухом в реактор окислительного дегидрирования; окислительное дегидрирование сырьевого потока над катализатором дегидрирования в реакторе окислительного дегидрирования с образованием потока продукта; пропускание потока продукта в башню гашения с образованием охлажденного потока продукта и водного потока; пропускание водного потока в разделительный барабан с получением водяного пара, циркуляционного водного потока и отводного потока, содержащего углеводороды и оксигенаты; удаление отводного потока в разделительном барабане; и пропускание водяного пара в реактор окислительного дегидрирования. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие ко второму варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя смешивание сырьевого потока, содержащего бутен, с водяным паром и перегревание указанной смеси до температуры по меньшей мере 205°С. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие ко второму варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя теплообмен циркулирующего водного потока с потоком продукта перед пропусканием потока продукта в башню гашения, для испарения части циркулирующего водного потока. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие ко второму варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание охлажденного потока продукта в компрессор, скруббер оксигенатов и отпарную колонну оксигенатов с образованием очищенного потока и пропускание очищенного потока в абсорбер C4 для образования абсорбционного потока. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие ко второму варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание абсорбционного потока в башенный дегазатор для удаления отличных от C4 летучих компонентов с образованием дегазированного потока. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие ко второму варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя пропускание дегазированного потока в отпарную колонну C4 для образования неочищенного бутадиенового потока.
Без дополнительного уточнения считается, что специалист с помощью предшествующего описания сможет использовать настоящее изобретение в его максимальной степени и сможет легко выявить существенные характеристики данного изобретения без отклонения от его сущности и объема, чтобы осуществить различные изменения и модификации изобретения и приспособить его к различным областям применения и условиям. Поэтому приведенные выше предпочтительные конкретные варианты осуществления следует рассматривать только как иллюстративные и не ограничивающие каким бы то ни было образом остальную часть описания, и что это предполагает охват различных модификаций и эквивалентных конфигураций, включенных в объем прилагаемой формулы изобретения.