СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАЩЕГО УГЛЕВОДОРОДЫ МАССОПОТОКА
METHOD OF LOW-TEMPERATURE SEPARATION OF MASS FLOW CONTAINING HYDROCARBONS

Настоящее изобретение относится к способу многостадийного низкотемпературного разделения поступающего из процесса дегидрирования, состоящего в основном из водорода, метана и тяжелых углеводородов исходного массопотока, при осуществлении которого выделенную при разделении исходного массопотока обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию (оборотный газ) примешивают к пропускаемому для производства холода через контур низкотемпературного разделения, обогащенному углеводородами, подаваемому в реактор дегидрирования жидкому потоку, нагревают вместе с ним за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками и в качестве так называемого комбинированного массопотока направляют в процесс дегидрирования, тогда как другую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию, а также выделенную при разделении исходного массопотока обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию после предварительного нагрева отбирают в качестве конечных продуктов из производственной установки, а еще одну обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию после предварительного нагрева возвращают в виде так называемого дроссельного газа в исходный массопоток.
В течение нескольких предыдущих десятилетий алкены, такие как пропилен и изобутен, получали в основном в качестве побочных продуктов таких технологических процессов, как, например, производство этилена на установке для крекинга углеводородов в паровой фазе. Однако отношение алкена к этилену при этом не должно превышать определенных значений. Так, например, отношение пропилена к этилену должно составлять не более 0,65. Поскольку в течение нескольких десятилетий рынок, например, пропилена развивался более интенсивно по сравнению с рынком этилена, для удовлетворения растущей потребности в пропилене необходимо искать новые методы его промышленного производства. Наряду с выделением алкенов из рафинированного крекинг-газа важное значение приобрел метод дегидрирования, т.е. отщепления водорода, позволяющий экономично получать, например, пропен из пропана и изобутен из изобутана.
В последнее время были разработаны и частично внедрены в производство несколько методов промышленного дегидрирования легких алканов. Согласно некоторым из подобных методов, например, в соответствии с разработанной фирмой UOP технологией Olflex, для подавления сажеобразования, происходящего в используемом для дегидрирования реакторе, к подаваемому на дегидрирование потоку веществ добавляют водород. Выяснилось, что сажеобразование можно подавить тем эффективнее, чем выше содержание водорода и ниже содержание олефинов в комбинированном потоке веществ, вводимом в используемый для дегидрирования реактор. Дополнительные вещества, например метан, представляют собой лишь ненужный балласт, который наряду с уменьшением производственной мощности обусловливает снижение экономичности технологии. В случае технологического процесса Olflex поток веществ, выходящий из используемого для дегидрирования реактора, направляют в качестве исходного массопотока в систему низкотемпературного разделения, в которой водород и метан отделяют от тяжелых углеводородов. Содержащегося в потоке исходных веществ водорода вполне достаточно, чтобы подаваемый на дегидрирование поток веществ мог быть разбавлен только этим водородом.
Полученный в результате низкотемпературного разделения, обогащенный углеводородами продукт (жидкий продукт) в основном состоит из алканов и олефинов, однако он содержит также незначительное количество водорода. Присутствующий в жидком продукте водород обусловливает сокращение выхода олефинов в качестве целевых продуктов процесса дегидрирования, а следовательно, снижение экономичности процесса, поскольку водород гидрирует часть олефинов, превращая их в алканы. В связи с этим концентрацию водорода в жидком продукте стремятся поддерживать на возможно более низком уровне.
Из патентов ЕР 0840079 и US 6333445 известны способы указанного в начале описания типа, используемые для многоступенчатого низкотемпературного разделения поступающего из узла дегидрирования исходного массопотока, состоящего главным образом из водорода, метана и тяжелых углеводородов. В соответствии с обоими способами обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию, образующуюся на первой ступени низкотемпературного разделения, подвергают расширению и направляют в узел разделения фаз. Фракции, полученные в результате разделения фаз, направляют к границам производственной установки и передают дальше в качестве дроссельного газа соответственно жидкого продукта.
Однако к чистоте массопотоков, прежде всего к содержанию водорода в жидком продукте, в настоящее время предъявляют повышенные требования, которые не могут быть реализованы известными способами или их реализация сопряжена с большими техническими и финансовыми издержками. Кроме того, сокращение содержания водорода в жидком продукте приводило бы к нежелательному увеличению количества дроссельного газа, поскольку большая часть дополнительно выделенного водорода переходила бы в этот газ.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать способ указанного в начале описания типа, обеспечив возможность экономичного снижения содержания водорода в жидком продукте с незначительными техническими затратами при соблюдении спецификаций на газообразный продукт и оборотный газ без превышения максимально допустимого количества дроссельного газа.
Указанная задача решается согласно изобретению благодаря тому, что образующуюся на первой стадии процесса низкотемпературного разделения обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию подвергают промежуточному расширению с последующим разделением фаз и полученную при этом обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию направляют далее по меньшей мере частично совместно с обогащенным водородом, содержащим углеводороды холодным массопотоком, имеющим по меньшей мере такое же содержание водорода и образующим в последующем часть газообразного продукта и/или оборотного газа, тогда как также полученную в результате промежуточного расширения обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию направляют на следующую стадию процесса низкотемпературного разделения, на которой путем разделения фаз получают дроссельный газ и жидкий продукт.
Охлаждение полученной в результате промежуточного расширения обогащенной водородом, содержащей углеводороды газовой фракции более целесообразно осуществлять путем ее смешивания с обогащенным водородом, содержащим углеводороды холодным потоком веществ или в теплообменнике за счет теплообмена с нагреваемыми технологическими потоками.
Для снижения содержания углеводородов в обогащенной водородом, содержащей углеводороды газовой фракции в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа предусматривается ее охлаждение до наступления частичной конденсации, приводящей к образованию смеси газовой и жидкой фракций. Затем эту смесь фаз (одну или совместно с обогащенным водородом, содержащим углеводороды холодным потоком веществ, с которым ее смешивают) разделяют. Полученную при этом обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию отводят в виде части газообразного продукта и/или оборотного газа. Обогащенный водородом, содержащий углеводороды поток веществ более целесообразно смешивать с потоком газообразного продукта и/или оборотным газом без предварительной частичной конденсации и разделения фаз, если это отвечает предъявляемым к их чистоте требованиям.
В соответствии с описанными в патентах ЕР 0840079 и US 6333445 способами на первой ступени низкотемпературного разделения из исходного массопотока выделяют обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию, охлаждают ее в теплообменнике за счет теплообмена с нагреваемыми технологическими потоками, частично конденсируют и направляют на разделение фаз, причем отделяют обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию, которая после расширения и отделения дроссельного газа образует часть жидкого продукта. В соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении усовершенствованным способом предусматривается, что эту обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию подвергают вторичному промежуточному расширению с последующим разделением фаз. Полученную при этом обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию расширяют и смешивают с обогащенным водородом, содержащим углеводороды холодным потоком веществ, который в дальнейшем образует по меньшей мере часть газообразного продукта и/или оборотного газа.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа предусматривается, что расширению подвергают все обогащенные углеводородами, содержащие водород жидкие фракции, полученные в результате низкотемпературного разделения из образующейся на первой ступени низкотемпературного разделения, обогащенной водородом, содержащей углеводороды газовой фракции, по меньшей мере часть их нагревают в теплообменнике за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками и предпочтительно вводят в образующуюся при первичном промежуточном расширении смесь фаз и/или в сепаратор, в котором в результате разделения фаз образуется дроссельный газ и жидкий продукт.
В соответствии с другим вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа предусматривается, что на первичное и/или вторичное промежуточное расширение поступает лишь отдельный поток обогащенной углеводородами, содержащей водород жидкой фракции, выделенной на непосредственно предшествующей каждому из промежуточных процессов расширения технологической стадии.
Первичное промежуточное расширение целесообразно выполнять таким образом, чтобы уровень давления в последовательно присоединенном сепараторе был достаточен для отведения отделенной в нем, обогащенной водородом, содержащей углеводороды газовой фракции без дополнительного сжатия. Кроме того, уровень давления подбирают таким образом, чтобы суммарная нагреваемая поверхность используемых для низкотемпературного разделения теплообменников, а также содержание водорода в жидком продукте были сведены к минимуму.
В соответствии с другим вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа предусматривается, что по меньшей мере часть холода, необходимого для осуществления технологического процесса, получают благодаря его выделению при расширении одного или нескольких газообразных технологических потоков в турбодетандерах, причем производимую в турбодетандерах работу посредством генераторов преобразуют в электрическую энергию и/или благодаря коммутации турбин/компрессоров используют для повторного сжатия дроссельного газа.
В потоке подвергаемых низкотемпературному разделению исходных веществ в некоторых случаях содержатся микрокомпоненты, которые при низких температурах могут образовывать твердые вещества, а следовательно, отложения внутри технологического оборудования. Для предотвращения образования подобных отложений в исходный массопоток согласно изобретению предлагается впрыскивать небольшую часть жидкого продукта или жидкого потока, подаваемого в реактор дегидрирования, благодаря чему растворимость указанных микрокомпонентов возрастает и существенно уменьшается опасность образования отложений внутри технологического оборудования.
Ниже предлагаемый в изобретении способ, а также другие варианты его осуществления более подробно рассмотрены на примерах, схематично проиллюстрированных на фиг.1-3.
На всех чертежах одни и те же компоненты и технологические потоки обозначены одними и теми же позициями и символами. На чертежах не показаны процесс дегидрирования, а также ступени сжатия и стадии предусматриваемой в некоторых случаях предварительной обработки исходного массопотока.
На фиг.1 показана схема процесса многостадийного низкотемпературного разделения исходного массопотока, поступающего из (не показанного на чертеже) процесса дегидрирования пропана и состоящего в основном из водорода, метана и тяжелых углеводородов. Газообразный сжатый исходный массопоток по трубопроводу 1 поступает в контур низкотемпературного разделения, соответственно в теплообменник Е01, в котором он охлаждается за счет теплообмена с нагреваемыми технологическими потоками и при этом частично конденсируется. Состоящая из газа и жидкости смесь фаз выходит из теплообменника Е01 по трубопроводу 2 и поступает в сепаратор D01, в котором происходит ее разделение на первую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию и первую обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию. Первая обогащенная водородом, содержащая углеводороды газовая фракция по трубопроводу 3 поступает в теплообменник Е03, в котором она охлаждается за счет теплообмена с нагреваемыми технологическими потоками и при этом частично конденсируется.
Первая обогащенная углеводородами, содержащая водород жидкая фракция отбирается из сепаратора D01 по трубопроводу 4, подвергается промежуточному расширению при прохождении через дроссельный орган а и поступает в сепаратор D10. В сепараторе D10 происходит разделение образовавшейся при промежуточном расширении смеси фаз на вторую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию и вторую обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию.
В результате охлаждения первой обогащенной водородом, содержащей углеводороды газовой фракции образуется смесь фаз, которая отбирается из теплообменника Е03 по трубопроводу 5 и поступает в сепаратор D02, в котором происходит ее разделение на третью обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию и третью обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию.
Отбираемую из сепаратора D02 по трубопроводу 6 обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию разделяют на два отдельных потока 7 и 8. Отдельный поток 7 подается через регулирующий клапан b в теплообменник Е03, нагревается в нем за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками и отбирается из него по трубопроводу 9, тогда как отдельный поток 8 подвергается расширению при прохождении через регулируемый дроссельный орган с. Расход отдельного потока 7, который можно регулировать с помощью регулирующего клапана b, зависит от потребности теплообменника Е03 в холоде.
Вторая обогащенная углеводородами, содержащая водород жидкая фракция отбирается из сепаратора D10 по трубопроводу 11 и подвергается расширению при прохождении через дроссельный орган d. Образующуюся при этом смесь фаз объединяют со смесями фаз, подаваемыми по трубопроводам 8 и 9, и с более подробно описанной ниже смесью фаз, подаваемой по трубопроводу 12, и полученную смесь подают по трубопроводу 13 в сепаратор D05.
В сепараторе D05 происходит отделение четвертой обогащенной водородом, содержащей углеводороды газовой фракции, которую отбирают из сепаратора D05 по трубопроводу 14, подвергают расширению при прохождении через дроссельный орган е и подают в теплообменник Е02. В теплообменнике Е02 газовую фракцию охлаждают за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками и возвращают по трубопроводу 15 в исходный массопоток в виде так называемого дроссельного газа. Давление в сепараторе D05 подбирают с таким расчетом, чтобы количество дроссельного газа на выходе из производственной установки не превышало максимально допустимого количества.
Четвертую жидкую фракцию, также выделенную в сепараторе D05, отбирают из него по трубопроводу 16 и насосом Р01 повышают ее давление. Далее четвертую жидкую фракцию подают по трубопроводу 17 в теплообменник Е02, в котором ее нагревают за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками, и затем в качестве жидкого продукта отбирают по трубопроводу 18 из контура низкотемпературного разделения. От подаваемой по трубопроводу 17 жидкой фракции отбирают отдельный поток 19, расход которого можно регулировать с помощью регулирующего органа f в зависимости от потребности теплообменников Е01 и Е02 в холоде и который подают в теплообменник Е01, в котором он нагревается за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками и из которого его отбирают по трубопроводу 20 и вновь примешивают к жидкому продукту, отбираемому по трубопроводу 18.
Для повышения растворимости микрокомпонентов, которые при низких температурах, преобладающих в ходе технологического процесса, могут образовывать твердые вещества, в исходный массопоток 1 по трубопроводу 21 через регулирующий клапан g добавляют небольшую часть жидкого продукта.
Третью обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию отбирают из сепаратора D02 по трубопроводу 22 и подают в турбодетандер Х01, в котором она расширяется с образованием смеси фаз и с производством холода. Эту смесь фаз подают по трубопроводу 23 в сепаратор D03, в котором происходит ее разделение на пятую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию и пятую обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию.
Пятую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию, которая соответствует спецификации на газообразный продукт, отбирают из сепаратора D03 по трубопроводу 24 и разделяют на два отдельных потока 25 и 28. Отдельный поток 25 последовательно пропускают через теплообменники Е03 и Е02, в которые он поступает по соответствующим трубопроводам 25 и 26, нагревают в этих теплообменниках за счет теплообмена с охлаждаемыми технологическими потоками и по трубопроводу 27 отбирают в качестве газообразного продукта из производственной установки. Отдельный поток 28, расход которого регулируют в зависимости от требуемого соотношения между водородом и углеводородами в рассмотренном ниже комбинированном массопотоке 40, подают в турбодетандер Х02, в котором он расширяется с производством холода. Образовавшуюся при таком расширении двухфазную смесь отбирают из турбодетандера по трубопроводу 29.
Вторую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию отбирают из сепаратора D10 по трубопроводу 30, подвергают расширению при прохождении через дроссельный орган h и вводят в отводимую из турбодетандера Х02 по трубопроводу 29 смесь фаз, в результате чего происходит ее охлаждение и частичная конденсация.
Пятую обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию отбирают из сепаратора D03 по трубопроводу 31 и подвергают расширению при прохождении через дроссельный орган i. Образовавшуюся при этом смесь фаз затем также объединяют со смесью фаз, отводимой из турбодетандера Х02 по трубопроводу 29.
Смесь фаз, образованная тремя потоками веществ 29, 30 и 31, по трубопроводу 32 поступает в сепаратор D04, в котором происходит ее разделение на шестую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию и шестую обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию. Поскольку чистота шестой газовой фракции соответствует предъявляемым к ней требованиям, то в качестве так называемого оборотного газа ее направляют из сепаратора D04 по трубопроводу 33 в теплообменник Е03, тогда как жидкую фракцию выводят по трубопроводу 12, подвергают расширению, пропуская через дроссельный орган j, и объединяют с потоками веществ 8, 9 и 11 в общий поток веществ 13, который направляют в сепаратор D05.
Предназначенный для дегидрирования пропана жидкий продукт направляют от границы производственной установки по трубопроводу 34 в узел разделения, соответственно в теплообменник Е02, охлаждают за счет теплообмена с нагреваемыми технологическими потоками, выводят из теплообменника Е02 по трубопроводу 35 и разделяют на два отдельных потока 36 и 37. Отдельный поток 36 направляют в теплообменник Е03, в котором он дополнительно охлаждается за счет теплообмена с нагреваемыми технологическими потоками, перемещают далее по трубопроводу 38, подвергают расширению при прохождении через дроссельный орган k и в заключение смешивают в трубопроводе 33 с потоком оборотного газа. Сформированный указанным образом поток испаряют и нагревают в теплообменнике Е03 за счет теплообмена с противотоком подвергаемых охлаждению технологических потоков и отводят по трубопроводу 39. Перед поступлением в теплообменник Е01 этот поток смешивают с отдельным потоком 37 жидкого продукта, расширенного при прохождении через дроссельный орган 1. После испарения и нагревания в теплообменнике Е01 за счет теплообмена с противотоком подлежащего охлаждению потока 1 смесь в качестве так называемого комбинированного потока по трубопроводу 40 подают в узел дегидрирования пропана.
На фиг.2 показан другой вариант осуществления способа низкотемпературного разделения исходного массопотока, поступающего из узла дегидрирования пропана и состоящего главным образом из водорода, метана и тяжелых углеводородов, который в основном идентичен показанному на фиг.1 варианту. Ниже рассмотрены лишь различия между двумя этими вариантами.
Каждый из отдельных потоков 7 и 8, под которыми подразумевается обогащенная углеводородами, содержащая водород смесь фаз, объединяют не с двумя потоками веществ 11 и 12, а со смесью фаз, образующейся в результате промежуточного расширения первой обогащенной углеводородами, содержащей водород жидкой фракции 4 при прохождении через дроссельный орган а. Общий поток 4' далее поступает в сепаратор D10, в котором происходит его разделение на вторую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию и вторую обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию.
Вторую обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию отбирают из сепаратора D10 по трубопроводу 30 и направляют в теплообменник Е03, в котором за счет теплообмена с нагреваемыми технологическими потоками происходит ее охлаждение с одновременной частичной конденсацией. После расширения при прохождении через дроссельный орган h' вторую газовую фракцию по трубопроводу 30' направляют к трубопроводу 29, объединяют со смесью фаз, поступающей из турбодетандера Х02, и смесью фаз, поступающей по трубопроводу 31, и по трубопроводу 32 вводят в сепаратор D04.
Показанный на фиг.3 вариант способа отличается от варианта, показанного на фиг.1, последовательностью осуществления дополнительной ступени промежуточного расширения. Обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию, отбираемую из сепаратора D02 по трубопроводу 6, подвергают промежуточному расширению, пропуская через дроссельный орган m, и вводят в сепаратор D11. Жидкую фракцию выводят из сепаратора D11 по трубопроводу 6' и разделяют на два отдельных потока 7 и 8. Обогащенную водородом, содержащую углеводороды газовую фракцию из сепаратора D11 подвергают расширению при прохождении через дроссельный орган n, отводят по трубопроводу 41 и объединяют с тремя потоками веществ 29, 30 и 31 в общий поток 32, который в связи с преобладанием низких температур частично конденсируется. Далее общий поток 32 поступает в сепаратор D04, в котором происходит его разделение на обогащенную углеводородами, содержащую водород жидкую фракцию и обогащенный водородом оборотный газ.