СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ДИСТИЛЛЯЦИИ МЕТАНОЛА С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА
METHOD AND APPARATUS FOR DISTILLATION OF METHANOL AND HEAT RECOVERY

Область настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и установке для дистилляции метанола.
Предпосылки создания настоящего изобретения
2
2
2
4
Известно, что продуктом установок для синтеза метанола, так называемым сырым метанолом, является водный раствор метанола, содержащий побочные продукты реакции синтеза, включающие этанол, кетоны, высшие спирты и некоторые растворенные газы, в основном включающие H, CO, CO, N, CH.
Сырой метанол подвергают дистилляции для соответствия показателям чистоты, установленным в ТУ для коммерческого метанола. Например, согласно ТУ, класс чистоты АА означает, что минимальная концентрация метанола составляет 99,85 мас.% и содержание этанола не превышает 10 мас. част./млн.
Известные процессы дистилляции в основном основаны на использовании одной или более очистных колонн. В основном очистная колонна способна разделить легкий (низкокипящий) продукт (например, газ) в верхней части и тяжелый (высококипящий) продукт (например, водный раствор) в нижней части или хвостовой части.
Первые широко распространенные процесс и соответствующая установка включают две колонны, которые эксплуатируют при атмосферном или близком к атмосферному давлении. Более подробно, указанный процесс включает колонну для предварительной обработки, известную как «отбензинивающая» колонна или предколонна, и вторую дистилляционную колонну. Основное назначение первой колонны заключается в отделении легколетучих компонентов, содержащихся в сыром метаноле, причем на указанную колонну поступает сырой метанол и в ее верхней части отделяются более легкие компоненты (предгон), а в нижней части отделяется водный раствор, при этом на второй колонне осуществляют истинную дистилляцию и получают очищенный метанол в верхней части, преимущественно водный поток в нижней части («кубовая вода»), боковой поток, известный как «сивушное масло», в основном содержащий воду, остаточный метанол (приблизительно 1% в расчете на весь продукт) и большинство побочных продуктов реакции синтеза. Указанные «сивушные масла» характеризуются определенной теплотворной способностью и обычно используются в качестве топлива.
Каждая колонна включает соответствующий кубовый нагреватель, который нагревает нижнюю часть колонны и поддерживает процесс дистилляции. Нагревание обеспечивается потоком низкого давления, или технологическим газом, если имеется, с пригодным тепловым уровнем. Более того, для каждой колонны требуется верхнее орошение, то есть, чтобы часть перегнанного метанола конденсировалась и снова поступала в верхнюю часть колонны. С этой целью каждая колонна оборудована соответствующим верхним конденсатором, который обычно представляет собой воздушный или водный конденсатор.
Такая конфигурация с двумя колоннами является простой с точки зрения конструкции установки, но ее основной недостаток заключается в значительном потреблении энергии за счет тепла, подаваемого в нижние нагреватели, и за счет потребления охлаждающей воды и/или электроэнергии верхними конденсаторами. Более того, колонны характеризуются относительном большим диаметром в отношении производительности и, следовательно, высокой стоимостью установки.
3
Более подробно, порядок величины потребления тепла двумя нижними нагревателями составляет приблизительно 0,8 Гкал на тонну очищенного метанола. Так как потребление энергии, необходимой для получения сырого метанола, составляет 6-8 Гкал, порядок потребления энергии для дистилляции будет составлять 10% от общего потребления энергии на установке. Потребляемое конденсаторами тепло сопоставимо с теплообменом в нагревателях. В теории, например, для удаления такого тепла исключительно с использованием охлаждающей воды требуется значительная скорость циркулирующего потока, то есть приблизительно 80 м/т метанола, и, следовательно, высокая стоимость насосов и т.п.
Существуют известные дистилляционные установки и процессы, которые были разработаны по крайней мере для частичного устранения таких недостатков.
В патенте US 4210495 описан способ с тремя очистными колоннами, то есть способ включает колонну предварительной обработки или «отбензинивающую» колонну и две дистилляционные колонны - колонну, эксплуатируемую при среднем давлении приблизительно 7-8 бар, и конечную дистилляционную колонну или «истощающую» колонну, соответственно. Отбензинивающую и конечную дистилляционную колонны эксплуатируют в основном при атмосферном давлении или незначительно повышенном давлении (например, 1,5 бар). Такая конфигурация позволяет конденсировать верхнюю паровую фракцию из колонны среднего давления в нижнем нагревателе конечной колонны при атмосферном давлении и тем самым регенерировать тепло. Однако необходимо нагревать обе отбензинивающую и промежуточную колонны, и такое специфическое потребление энергии является достаточно высоким, хотя и является сниженным по сравнению с конструкцией установки только с двумя колоннами.
В патенте US 4592806 описано усовершенствование указанного способа с тремя колоннами, согласно которому используют четвертую колонну для обработки двух боковых потоков сивушных масел, поступающих из двух очистных колонн. Такое решение позволяет регенерировать по крайней мере часть метанола, содержащегося в сивушных маслах, которое составляет, как было указано выше, 1-1,5% от общего содержания в сыром метаноле, и, следовательно, такое содержание не следует считать незначительным, однако такое усовершенствование незначительно повышает производительность, но в незначительной степени снижает энергозатраты. Прежде всего, новая колонна также включает нижний нагреватель и верхний конденсатор, которые соответственно потребляют тепло и охлаждающую воду или электроэнергию.
Описанные выше конфигурации все еще широко используются. В основном способы, известные в предшествующем уровне техники, все еще характеризуются недостатками, связанными со значительным энергопотреблением порядка 0,6-0,8 Гкал/т метанола. Существует насущная потребность в снижении указанного энергопотребления, а также в снижении тепла, расходуемого в верхних конденсаторах дистилляционных колонн. Другая проблема заключается в размере оборудования (колонн), который пропорционален стоимости установки.
Краткое изложение сущности настоящего изобретения
Целью настоящего изобретения являлось снижение затрат на энергию, охлаждающую воду и/или электроэнергию в способе дистилляции сырого метанола, включающем ступень предварительной обработки, известной как ступень отбензинивания, для удаления летучих компонентов, и исчерпывающую ступень.
Указанная цель достигается с помощью способа очистки потока сырого метанола, который включает следующие ступени:
- предварительная обработка указанного потока сырого метанола на ступени отбензинивания для отделения летучих компонентов, при этом получают поток легко летучих газов и раствор дегазированного сырого метанола, причем предварительную обработку проводят при определенном давлении отбензинивания,
- дистилляция метанола из указанного раствора дегазированного сырого метанола,
- где дистилляция метанола включает по крайней мере одну конечную ступень дистилляции метанола из потока дегазированного сырого метанола на конечной стадии дистилляции и при определенном конечном давлении дистилляции, причем указанное конечное давление дистилляции составляет величину ниже указанного давления дистилляции,
который отличается тем, что
- указанное давление на исчерпывающей ступени выше, чем указанное давление отбензинивания, а также
- газообразный поток перегнанного метанола, полученный на конечной ступени дистилляции при давлении на исчерпывающей ступени, используют в качестве источника тепла по крайней мере части теплового потока для предварительной ступени отбензинивания.
Способ может включать единственную ступень дистилляции или множество ступеней дистилляции в каскаде при снижающихся величинах давления. Указанная конечная ступень дистилляции также известна как «исчерпывающая» ступень, а соответствующее давление известно как «давление на исчерпывающей ступени», прежде всего, если способ включает множество ступеней дистилляции в каскаде.
Если используют более одной ступени дистилляции, на конечную ступень дистилляции (или исчерпывающую ступень) подают раствор метанола, уже частично перегнанного на ступени дистилляции (или одной из ступеней), расположенной выше по потоку.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения дистилляция метанола, например, включает:
- по крайней мере одну ступень дистилляции, расположенную выше по потоку от указанной конечной ступени дистилляции,
- где раствор частично перегнанного метанола, полученный на указанной по крайней мере одной ступени дистилляции, направляют на конечную ступень дистилляции,
- и где величина или величины давления на ступени или ступенях дистилляции, расположенных выше по потоку от конечной ступени дистилляции, выше, чем указанное давление на конечной ступени.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения указанная выше конечная ступень дистилляции представляет собой единственную ступень дистилляции, то есть дистилляция происходит при одной величине давления.
В предпочтительном варианте предлагается способ, в котором: раствор, содержащий метанол, выходит из ступени отбензинивания, указанный раствор нагревается посредством непрямого теплообмена с указанным газообразным потоком перегнанного метанола, выходящим из конечной ступени дистилляции или исчерпывающей ступени, нагретый раствор снова направляют на ступень отбензинивания, таким образом, обеспечивая нагревание указанной ступени отбензинивания.
Предпочтительно, указанный газообразный поток перегнанного метанола конденсируется по крайней мере частично посредством указанного теплообмена. Предпочтительно раствор, содержащий метанол, также испаряется, частично или полностью, и затем его направляют обратно на ступень отбензинивания в парообразной фазе или в смешанной фазе жидкость-пар.
Предпочтительно предварительную обработку проводят в отбензинивающей колонне и конечную дистилляцию проводят в соответствующей колонне, которую можно назвать исчерпывающей колонной. В этом случае указанный газообразный поток перегнанного метанола поступает из головной части дистилляционной колонны и служит источником тепла для раствора метанола, выходящего из нижней части отбензинивающей колонны, затем указанный раствор, после нагревания и частичного или полного испарения, снова направляют в ту же самую отбензинивающую колонну.
В прежде всего предпочтительном варианте теплообмен происходит в конденсаторе/испарителе, который действует в качестве конденсатора на конечной ступени дистилляции и в качестве нагревателя на ступени отбензинивания. Действительно, в указанном теплообменнике конденсируется по крайней мере часть верхнего газообразного потока из указанной ступени дистилляции, и в то же время испаряется часть нижнего раствора на ступени отбензинивания. Эту совмещенную стадию испарения и конденсации можно проводить в теплообменнике, например, в теплообменнике с трубным пучком или пластинчатом теплообменнике, где перегнанный метанол конденсируется на горячей стороне, а раствор испаряется на холодной стороне.
Предпочтительно давление отбензинивания примерно равно атмосферному давлению, например, 1-1,5 бар, а давление на конечной ступени дистилляции (исчерпывающее давление) составляет по крайней мере 2 бара. Более предпочтительно давление отбензинивания находится в интервале 1-1,5 бар, а конечное давление дистилляции находится в интервале 2-6 бар, и наиболее предпочтительно составляет приблизительно 5 бар.
Следует отметить, что в предшествующем уровне техники существует тенденция поддерживать давление конечной ступени дистилляции или давление истощения по возможности на более низком уровне и обычно на уровне, равном давлению отбензинивания. Заявителем было установлено, что, наоборот, установление значительно более высокого давления на исчерпывающей ступени обеспечивает энергосбережение и позволяет оптимизировать тепловые потоки. Действительно, за счет повышения давления на исчерпывающей ступени перегнанный метанол в газообразном состоянии, полученный на стадии истощения, находится при значительно более высокой температуре, чем температура на стадии отбензинивания, и достаточной, чтобы поток указанного перегнанного метанола можно было использовать в качестве источника тепла для предварительной ступени отбензинивания.
Следовательно, настоящее изобретение позволяет снизить или исключить потребление тепла (например, из конденсирующегося пара) для нагревания отбензинивающей ступени.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения включают дистилляцию дегазированного метанола, полученного на предварительной ступени отбензинивания и предназначенного для исчерпывающей ступени. Указанная дистилляция может включать единственный уровень давления или несколько уровней давления согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
На конечной исчерпывающей ступени дистилляции получают перегнанный метанол в газообразном состоянии, раствор, в основном состоящий из воды, а также можно получить боковой поток, представляющий собой так называемое «сивушное масло». Боковые потоки сивушного масла при необходимости можно также отводить из промежуточных ступеней дистилляции.
Термин «газообразный поток перегнанного метанола» означает поток, полученный в процессе дистилляции, например, отбираемый из верхней части колонны. Такой поток в основном состоит из метанола с низким содержанием примесей согласно требованиям, указанным в ТУ (класс чистоты АА).
Описанную выше предварительную обработку (отбензинивание) и ступени дистилляции предпочтительно можно проводить с использованием соответствующих очистных колонн. На каждой ступени можно использовать единственную колонну или при необходимости множество колонн, соединенных параллельно.
Объект настоящего изобретения также включает установку для осуществления способа, как описано в формуле изобретения.
Другой объект настоящего изобретения включает способ модификации дистилляционной установки, где
- установка включает по крайней мере одну предварительную ступень отбензинивания сырого метанола для отделения летучих компонентов от указанного сырого метанола при давлении отбензинивания,
- установка включает по крайней мере одну конечную ступень дистилляции метанола из раствора дегазированного сырого метанола при давлении, в основном равном давлению отбензинивания, причем перед указанной конечной ступенью дистилляции можно проводить другие ступени дистилляции при более высоком давлении,
и способ модификации включает следующие признаки:
- давление конечной дистилляции повышают до величины, значительно более высокой, чем давление отбензинивания, и
- газообразный поток перегнанного метанола, полученный из исчерпывающей колонны, снова направляют в нагреватель ступени отбензинивания, где его используют по крайней мере частично в качестве соответствующего источника тепла.
В некоторых случаях повышение давления на конечной ступени дистилляции может приводить к модификации или замене соответствующей дистилляционной колонны, если существующая колонна не выдерживает повышенное давление. Обычно установка включает нагреватель (или кипятильник) колонны отбензинивания, первоначально обогреваемый внешним источником тепла в отношении ступени дистилляции. Способ может включать модификацию существующего нагревателя, чтобы обеспечить его работу от нового источника тепла, представленного перегнанным метанолом при более высоких давлении и температуре, или даже замену на новый нагреватель. В последнем случае предпочтительно использовать трубчатый или пластинчатый теплообменник.
Основное преимущество настоящего изобретения заключается в энергосбережении и, следовательно, в снижении себестоимости метанола. Другое преимущество заключается в том, что по крайней мере часть газообразного метанола, поступающего из конечной дистилляционной колонны или исчерпывающей колонны, можно конденсировать в конденсаторе/испарителе, который нагревает отбензинивающую колонну. За счет этого можно исключить верхний конденсатор исчерпывающей колонны или по крайней мере снизить его нагрузку. Во многих случаях на местности с малодоступной охлаждающей водой в качестве указанного верхнего конденсатора используют воздушный конденсатор, который представляет собой дорогостоящий и крупногабаритный элемент, так как он характеризуется низким коэффициентом теплообмена и, следовательно, должен включать большие обменные поверхности, и более того, он сам по себе потребляет электроэнергию для принудительной циркуляции воздуха. Согласно настоящему изобретению существует возможность конденсировать по крайней мере часть верхнего потока в пластинчатом или трубчатом теплообменнике, который является более компактным и менее дорогостоящим, а также не требует принудительной циркуляции.
Эти и другие преимущества более подробно объяснены в следующем описании, в котором представлены предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, не ограничивающие его объем.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схема секции дистилляции метанола согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения
На фиг. 1 показан типичный вариант осуществления настоящего изобретения. По существу, показана секция дистилляции сырого метанола, включающая отбензинивающую колонну 100, дистилляционную колонну 200 и конечную дистилляционную колонну 400.
Указанную конечную дистилляционную колонну 400 также называют исчерпывающей колонной.
Подаваемый сырой метанол обозначен как поток 103, выходящий перегнанный метанол обозначен как поток 412.
В колонну 100 поступает сырой метанол 103 и в ней разделяются поток летучих веществ 104 и поток дегазированного метанола 105. Указанный дегазированный метанол 105 поступает в колонну 200 для дистилляции, а раствор 207, выходящий из указанной колонны 200, подвергается дополнительной дистилляции в исчерпывающей колонне 400.
Отбензинивающую колонну 100 эксплуатируют при давлении р1 отбензинивания, колонну 200 эксплуатируют при давлении р2, а исчерпывающую колонну 400 эксплуатируют при давлении р4 исчерпывающей ступени.
Указанное давление р4 значительно выше, чем давление p1 отбензинивания, и таким образом температура газообразного метанола, перегнанного в колонне 400, значительно выше, чем температура жидкости в нижней части колонны 100. Предпочтительно разница составляет по крайней мере 10°C, то есть температура газообразного метанола в верхней части колонны 400 по крайней мере на 10°C выше, чем температура жидкости в нижней части колонны 100.
В результате по крайней мере часть указанного газообразного метанола можно использовать, по крайней мере частично, для нагревания отбензинивающей колонны 100. В примере, представленном на фиг. 1, поток 440 перегнанного газообразного метанола, выходящего из колонны 400, обеспечивает нагревание раствора 106, выходящего из нижней части (или хвостовая фракция) колонны 100, затем указанный раствор 106 после нагревания и возможного испарения снова направляют (поток 106') в колонну.
Теплообменник 101 в основном действует в качестве конденсатора колонны 400 и в качестве нагревателя отбензинивающей колонны 100. Предпочтительно указанный нагреватель/конденсатор 101 представляет собой теплообменник с трубным пучком, например, раствор 106 испаряется на стороне кожуха, а дистиллят 440 конденсируется на стороне труб (или наоборот). В других вариантах осуществления настоящего изобретения можно использовать пластинчатый теплообменник с установленными внутри кожуха теплообменными пластинами.
Регенерация тепла из потока 440 позволяет исключить или по крайней мере снизить необходимость включения внешнего источника тепла для работы колонны 100. В примере, представленном на фиг. 1, все тепло для колонны 100 образуется в результате конденсации газообразного метанола 440, и единственным вводом тепла является источник тепла Q2 для нагревания колонны 200. Таким образом, улучшается энергетический коэффициент полезного действия процесса дистилляции.
Способ будет описан более подробно в следующем разделе со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения (фиг. 1).
В отбензинивающей колонне 100 отделяют верхний газообразный поток 104, который образуется их летучих компонентов, более летучих, чем метанол (предгон) и раствор 105, содержащий метанол. Верхний поток 104 конденсируется в конденсаторе 102, часть поступает в рециркуляционную систему, как показано линией 110, а остальную часть 115 сливают или удаляют. Раствор 105 подают через насос 120 в следующую дистилляционную колонну 200, работающую при давлении р2. Следует отметить, что указанное давление р2 согласно способу является максимальным давлением, то есть p2>p4>pl. Например, предпочтительно p1 составляет приблизительно 1 бар, давление р4 находится в интервале 2-6 бар, давление р2 составляет по крайней мере 8-10 бар или более.
В дистилляционной колонне 200 разделяются верхний поток 204, образующийся из перегнанного газообразного метанола при давлении р2, и нижний раствор 205. Часть нижнего раствора 205 нагревают и испаряют в нагревателе 201, и затем снова направляют в колонну 200 (линия 206). В указанный нагреватель 201 поступает тепло Q1 из внешнего источника тепла, например, такого как пар, конденсирующийся при пригодном давлении, если имеется, или другой источник. В некоторых вариантах в качестве источника тепла Q2 можно использовать технологический газ.
Остальную часть нижнего раствора 205 в виде потока 207 направляют в исчерпывающую колонну 400. Вентиль 220 снижает давление от р2 до р4. В указанной исчерпывающей колонне 400 получают поток перегнанного газообразного метанола 404, остаточный поток 420, в основном содержащий воду, поток 430 так называемых сивушных масел, которые могут содержать 1% остаточного метанола.
Поток 404 перегнанного метанола под действием относительно высокого давления в колонне 400 находится при высокой температуре, обычно приблизительно 100°C, и он представляет собой источник тепла для нагревателя 101 отбензинивающей колонны. В этом примере часть 440 указанного потока конденсируется в указанном нагревателе 101, обеспечивая теплом раствор 106. который испаряется по крайней мере частично (поток 106') и возвращается в нижнюю часть колонны 100. Поток 440 конденсируется за счет теплообмена, образуя жидкий метанол 415.
Остальная часть потока 404 конденсируется в верхнем конденсаторе 402. Метанол 415, выходящий из теплообменника 101, смешивают с конденсированным метанолом, выходящим из указанного верхнего конденсатора 402, и получают поток перегнанного жидкого метанола 416. Часть метанола (поток 410) снова подают в верхнюю часть колонны 400, а остальную часть (поток 411) удаляют.
Следует отметить, что согласно изобретению нагрузка конденсатора 402 снижается, так как в нем конденсируется только часть потока 404. Следовательно, в качестве конденсатора 402 можно использовать менее дорогостоящий аппарат меньшего размера. Такая схема представляет важное преимущество, прежде всего, если конденсатор охлаждается воздухом, и, следовательно, такой конденсатор характеризуется большими размерами и является дорогостоящим.
На чертежах показан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором тепло перегнанного газообразного метанола 204, которое генерируется в колонне 200, также регенерируют. Перегнанный метанол 204 конденсируется в теплообменнике 401, нагревая исчерпывающую колонну 400. Раствор 406, выходящий из нижней части указанной колонны 400, нагревается и испаряется в теплообменнике 401, затем снова направляется в колонну. Конденсированный метанол 209 частично снова направляют в колонну 200 (поток 210) и частично удаляют (поток 211). Поток 211 метанола вместе с потоком 411, выходящим из исчерпывающей колонны, образует поток 413 перегнанного метанола.
Теплообменник 401 можно также назвать нагревателем/конденсатором (аналогично теплообменнику 101). Он представляет собой нижний нагреватель колонны 400 и верхний конденсатор колонны 200.
Следует отметить, что в настоящем описании не рассматриваются локализация и распределение падений давления в трубопроводах, вентилях, в вспомогательных деталях и т.п. Символы p1, р2, р4 обозначают номинальное рабочее давление в колоннах 100, 200, 400, и, как известно специалисту в данной области техники, соответствующие величины давления верхнего газа и жидкости, поступающей из нижней части колонны, отличаются незначительно.
Преимущественно величины давления определяются как функция тепла и уровня температуры, требуемыми для нагревателей 101 и 401. Предпочтительно разность температур (ΔТ) обычно составляет по крайней мере 10°C: например, давление р2 определяют таким образом, чтобы температура газообразного потока 204 составляла величину по крайней мере на 10 градусов выше, чем температура кипения раствора 406.
На фиг. 1 представлена упрощенная схема способа, другие варианты могут включать дополнительные возможности регенерации тепла. Например, жидкий поток 211 находится при относительно высокой температуре (возможно более 100°C) и его можно использовать для предварительного нагревания раствора 203 перед его вводом в колонну 200, и таким образом снизить количество тепла Q2 для поддержания процесса дистилляции.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения предлагается дистилляция при нескольких уровнях давления между отбензинивающей колонной и исчерпывающей колонной. Например, можно установить дополнительную дистилляционную колонну при промежуточной величине давления в интервале от давления р2 до давления р4 в колонне 200 и исчерпывающей колонне 400, соответственно.
Особенно упрощенный вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 2. В указанном варианте используют единственную ступень дистилляции при давлении р4. Конечная дистилляционная колонна 400 представлена единственной дистилляционной колонной, в которую напрямую подают раствор 105 (через насос 120), выходящий из отбензинивающей колонны 100. Нагреватель 401 работает от внешнего источника питания, такого как конденсирующийся пар или технологический газ. Поток 411 представляет собой перегнанный метанол, удаленный и выходящий только из колонны 400.