Способ деметанизации газовых смесей

 

Использование: разделение компонентов газовых смесей. Деметанизация газовых смесей осуществляется путем подачи отсепарированных потоков жидкости на ректификацию с получением деметанизированной продуктовой жидкой фазы и газообразной метановой флакции, охлаждением последней посредством внешнего холодильного цикла и сепарацией на газовую и жидкую фазу. Перед сепарацией метановую фракцию дополнительно охлаждают. После сепарации поток жидкой метановой фракции делят на два потока, первый из которых дросселируют и подают обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью. Второй поток дросселируют и направляют на испарение с подводом тепла от охлаждаемой метановой фракции. После испарения второй поток подают на смешение с первым потоком. Затем метановую фракцию компримируют и подают на рециркуляцию в исходную газовую смесь. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к разделению углеводородных газов, в частности, этиленсодержащих газов путем низкотемпературной ректификации и может найти применение в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности, преимущественно в производстве этилена.

Известен способ деметанизации газовых смесей, включающий глубокое охлаждение смеси перед разделением до температур (-120)-(-130^оС) [1] при этом охлаждение осуществляют ступенчато с выводом промежуточных частичных конденсатов на разделение в деметанизатор. Причем охлаждение до температур (-90)-(-95^оС) обеспечивают посредством использования внешнего каскадного холодильного цикла на пропилене и этилене в качестве хладагентов. Дальнейшее охлаждение смеси осуществляют внутренним холодильным циклом, основанным на использовании частичного конденсата следующим образом. Часть конденсата, образующегося при охлаждении газовой смеси до температур порядка (-100^оС), дросселируют до давления 3-4 ата (при этом его температура понижается), испаряют путем отбора тепла от газовой смеси, охлаждаемой в результате этого, и рециркулируют в исходную газовую смесь.

При соотношении водород/метан по объему 1:2 в исходной газовой смеси (газы пиролиза бензина) указанный конденсат представляет собой метан-этиленовую смесь, содержащую до 90 об. метана, и внутренний холодильный цикл обеспечивает охлаждение газовой смеси до (-120)-(-130^оС).

В качестве флегмы в способе деметанизации [1] используют фракцию, получаемую при охлаждении этиленом паров, отводимых после ректификации.

Недостатком способа [1] является низкая эффективность при работе с газовыми смесями, в составе которых преобладает водород. Так, для газов пиролиза этана (соотношение водород/метан по объему 4:1) углеводородный конденсат, образующийся при охлаждении этой газовой смеси до температур (-120)-(-130^оС), содержит до 65 об. этилена и этана, вследствие чего основное количество холода при испарении такого конденсата может быть получено при температурах выше (-100^оС), и таким образом, использование способа [1] для деметанизации газов пиролиза этана позволяет обеспечить охлаждение этих газов перед ректификацией только до температур порядка (-100)-(-105^оС), что обусловливает повышение потери целевого продукта этилена ввиду уменьшения количества поступающего на ректификацию конденсата и повышенных потерь этилена с остаточным газом.

Известен другой способ деметанизации газовых смесей [2] включающий ступенчатое охлаждение газовой смеси под давлением посредством внешних и внутренних холодильных циклов с образованием промежуточных частичных конденсатов компонентов газовой смеси, ректификацию частичных конденсатов с получением деметанизированной жидкой фазы и газообразной метановой фракции, при этом внутренний холодильный цикл образуют путем дросселирования хладагента, в качестве которого используют частичный конденсат, полученный из упомянутой метановой фракции посредством ее охлаждения внешним холодильным циклом, и рециркуляции указанного сдросселированного конденсата, отработавшего в качестве источника холода, в исходную газовую смесь.

Способ [2] более эффективен, чем [1] при работе с газовыми смесями, в составе которых относительно много водорода, например, с газовыми смесями продуктов пиролиза этана, благодаря достижению более низких, чем в [1] температур охлаждения газовой смеси перед ректификацией вследствие того, что во внутреннем холодильном цикле используют в качестве хладагента частичный конденсат, содержащий в [2] больше, чем в [1] низкокипящего компонента метана (70 и 35 об. соответственно).

Однако способ деметанизации газовых смесей [2] тоже не достаточно эффективен по причине как повышенных потерь целевого продукта этилена, уходящего с газовой фазой, оставшейся после получения из метановой фракции частичного конденсата-хладагента внутреннего холодильного цикла, так и вследствие недостаточно высокой удельной холодопроизводительности внутреннего холодильного цикла, что обусловливает излишние энергозатраты на деметанизацию газовых смесей.

Объясняются перечисленные недостатки способа [2] малой глубиной охлаждения метановой фракции при получении частичного конденсата-хладагента внутреннего холодильного цикла. При таком охлаждении в недостаточной степени происходит конденсирование низкокипящих компонентов, таких как этилен и метан, в результате чего имеется повышенная концентрация этилена в остаточном газе (составляющая 10-18 об.) и недостаточно высокое содержание метана в частичном конденсате хладагенте, что и обусловливает повышенные потери целевого продукта этилена и недостаточно высокую удельную холодопроизводительность внутреннего холодильного цикла соответственно.

Кроме того, недостаток способа [2] заключающийся в невысокой удельной холодопроизводительности внутреннего холодильного цикла, обусловлен и недостаточно низкой температурой его хладагента перед дросселированием, так как это приводит к большим потерям дросселирования.

Наиболее близким по совокупности признаков аналогом к предлагаемому изобретению является способ [2] который выбран в качестве прототипа.

Изобретение направлено на решение задачи по снижению потерь целевого продукта и энергозатрат при деметанизации газовых смесей. Это обеспечивается достижением следующих технических результатов, по отношению к прототипу [2] а именно: 1) уменьшением концентрации целевого продукта (этилена) в остаточном газе при получении частичного конденсата-хладагента внутреннего холодильного цикла из метановой фракции, образованной в результате ректификации промежуточных частичных конденсатов исходной газовой смеси (газов пиролиза этана); 2) увеличением содержания низкокипящего компонента смеси (метана) в упомянутом частичном конденсате-хладагенте; 3) снижением потерь дросселирования этого хладагента.

Перечисленные технические результаты достигаются тем, что по сравнению с известным способом, включающем: последовательное ступенчатое охлаждение сжатой исходной газовой смеси посредством внешнего холодильного цикла и регенеративного теплообмена обратными потоками с образованием газо-жидкостной смеси, межступенчатую сепарацию последней на газовую и жидкую фазу, отвод продуктового потока газа после последней ступени сепарации обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью, подачу отсепарированных потоков жидкости на ректификацию с получением деметанизированной продуктовой жидкой фазы и газообразной метановой фракции, охлаждение последней посредством внешнего холодильного цикла с частичным образованием конденсата, сепарации на газовую и жидкую фазу и отвод после сепарации жидкой и газообразной метановой фракции обратными потоками на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью, перед сепарацией метановую фракцию дополнительно охлаждают в регенеративном теплообмене с газообразной фракцией, отводимой после сепарации, поток жидкой метановой фракции после сепарации делят на два потока, первый из которых дросселируют с понижением температуры и подают обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью перед ее последней ступенью сепарации, второй поток дросселируют с понижением температуры и направляют на испарение с подводом тепла от охлаждаемой дополнительно метановой фракции, после испарения второй поток метановой фракции подают на смешение с первым потоком после его регенеративного теплообмена с исходной газовой смесью перед ее последней ступенью сепарации, при этом после смешения и ступенчатого регенеративного теплообмена метановую фракцию подают на рециркуляцию и компремирование в исходную газовую смесь.

Кроме того, первый поток жидкой метановой фракции перед дросселированием переохлаждают в регенеративном теплообмене с потоком жидкости, поступающей на ректификацию после последней ступени сепарации исходной газовой смеси.

На фиг. 1 и 2 изображена схема установки, в которой осуществляется способ деметанизации газовых смесей. Номерам позиций на этой схеме соответствуют следующие элементы установки.

Исходную газовую смесь, представляющую собой сжатые до давления 37-38 ата и осушенные газы пиролиза углеводородного сырья, например, этана, последовательно пропускают (поток I, см. схему установки на фиг. 1) через рекуперативные теплообменники 1, 3, 5, 7 и холодильники-испарители 2, 4, 6, 8, в которых смесь охлаждается до температуры порядка минус 65^оС. При этом в указанных рекуперативных теплообменниках охлаждение осуществляется продуктовыми потоками II, III, циркуляционным потоком IV установки и испаренным этаном V, а в холодильниках-испарителях внешними (по отношению к данной установке) холодильными циклами: 2 пропиленовым (т.е. в качестве хладагента используется пропилен), 6 и 8 этиленовым (при двух температурах кипения). Кроме того, в холодильнике-испарителе 4 охлаждение газовой смеси производится за счет кипения жидкого этана продукта (поток V). Охлажденная в результате этого до температуры порядка минус 65^оС исходная газовая смесь претерпевает частичную конденсацию. В сепараторе 9 промежуточный частичный конденсат отделяют и направляют (поток VI) на ректификацию. Оставшаяся газовая фаза поступает (поток VII) на дальнейшее охлаждение в рекуперативный теплообменник 10, где ей отдают свой холод продуктовые II, III и циркуляционный IV потоки установки и затем в холодильник испаритель II (см. фиг. 2), в котором от нее отводят тепло внешним холодильным циклом (этиленовым при еще более низкой чем в 6 и 8, температуре кипения порядка минус 98^оС). Охлажденная в результате этого до температуры порядка минус 95^оС газовая смесь претерпевает частичную конденсацию. В сепараторе 12 образовавшийся промежуточный частичный конденсат отделяют и направляют (поток VIII) на ректификацию. Оставшаяся газовая фаза поступает (поток IX) на дальнейшее охлаждение в теплообменник 13, где от нее отводят тепло внутренним холодильным циклом посредством хладагента этого цикла, кипящего в трубном пространстве 14 теплообменника 13 после дросселирования в регулирующем вентиле 15, и продуктовым потоком III установки, движущимся в трубном пространстве 16 этого теплообменника. Охлажденная в результате такого отвода тепла до температуры порядка минус 130^оС газовая смесь претерпевает частичную конденсацию. В сепараторе 17 образовавшийся промежуточный частичный конденсат отделяют и после нагрева хладагентом внутреннего холодильного цикла в теплообменнике 18 направляют (поток Х) на ректификацию в колонну 19. Газовая фаза из сепаратора 17 представляет собой продуктовый поток III установки (водородная фракция), который поступает в трубное пространство 16 теплообменника 13. Ректификационная колонна 19 разделена глухой тарелкой 20 на две части верхнюю и нижнюю, массообмен между которыми по жидкости осуществляется через гидрозатвор 21, а по пару посредством перепускной линии 22, в которую включены холодильники испарители 23 и 24 внешнего этиленового холодильного цикла (при двух температурах кипения), обеспечивающих охлаждение отгонных паров из нижней части колонны 19, поступающих в верхнюю часть, до температуры порядка минус 65^оС.

В ректификационной колонне при давлении порядка 34 ата происходит фракционирование поступающего в виде потоков VI, VIII и Х в соответствующие зоны верхней части колонны 19 промежуточного частичного конденсата. Отгонные пары получают в нижней части колонны путем выпаривания из жидкости, скапливающейся внизу, низкокипящих компонентов посредством кипятильника 25. Деметанизированную таким образом жидкость, содержащую компоненты С₂ и выше, выводят из установки в качестве продукта (поток ХI). Отгонные пары предварительно укрепляются в нижней части колонны 19 в результате процессов теплообмена с жидкостью, поступающей через гидрозатвор 21 и окончательно укрепляются в верхней части колонны 19 как вследствие их охлаждения в холодильниках испарителях 23 и 24, при котором образуется частичный конденсат высококипящих компонентов, так и в результате процессов теплообмена с поступающим в колонну 19 более холодным, чем упомянутые пары, промежуточным частичным конденсатом (потоки VIII и Х). Укрепленные пары, представляющие собой метановую фракцию, выводят сверху ректификационной колонны 19 (поток XII).

Далее метановую фракцию последовательно охлаждают в холодильнике-испарителе 26 до температуры порядка минус 95^оС внешним этиленовым холодильным циклом и в теплообменнике 27, где от нее отводят тепло внутренним холодильным циклом посредством хладагента этого цикла, кипящего в трубном пространстве 28 теплообменника 27 после дросселирования в регулирующем вентиле 29, и продуктовым потоком II установки, движущимся в трубном пространстве 30 этого теплообменника. Охлажденная в результате такого отвода тепла до температуpы порядка минус 115^оС метановая фракция претерпевает частичную конденсацию. Образующуюся вследствие этого газожидкостную смесь разделяют в сепараторе 31. Газовый поток, выходящий из сепаратора 31, представляет собой продуктовый поток II установки с содержанием этилена всего 0,2-0,5 об. который поступает в трубное пространство 30 теплообменника 27, где осуществляет дополнительный отвод тепла от метановой фракции, а затем выводится из установки с регенерацией его холода исходной газовой смесью в рекуперативных теплообменниках 10, 7, 5, 3, 1. Конденсат метановой фракции, выходящий из сепаратора 31, используется в качестве хладагента упомянутого внутреннего холодильного цикла, для чего этот конденсат (метан-этилен) направляют на параллельное дросселирование до давления 2-3 ата в вышеуказанные регулирующие вентили 15 и 29. При этом перед регулирующим вентилем 15 конденсат-хладагент переохлаждают промежуточным частичным конденсатом в теплообменнике 18. В результате упомянутого дросселирования температура хладагента понижается и его направляют в качестве источника холода в вышеуказанные трубные пространства 14 и 28 теплообменников 13 и 27, соответственно, где он испаряется, производя охлаждение. После этого оба потока испаренного хладагента смешиваются, образуя циркуляционный поток IV, выводимый из установки с регенерацией его холода исходной газовой смесью в рекуперативных теплообменниках 10, 7, 5, 3, 1. В дальнейшем этот хладагент рециркулирует через компрессор в исходную газовую смесь, т.к. он содержит достаточно большое количество целевого продукта этилена.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ДЕМЕТАНИЗАЦИИ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ, включающий последовательное ступенчатое охлаждение сжатой исходной газовой смеси посредством внешнего холодильного цикла и регенеративного теплообмена обратными потоками с образованием газо-жидкостной смеси, межступенчатую сепарацию последней на газовую и жидкую фазу, отвод продуктового потока газа после последней ступени сепарации обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью, подачу отсепарированных потоков жидкости на ректификацию с получением деметанизированной продуктовой жидкой фазы и газообразной метановой фракции, охлаждение последней посредством внешнего холодильного цикла с частичным образованием конденсата, сепарации на газовую и жидкую фазу и отвод после сепарации жидкой и газообразной метановой фракции обратными потоками на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью, отличающийся тем, что перед сепарацией метановую фракцию дополнительно охлаждают в регенеративном теплообмене с газообразной фракцией, отводимой после сепарации, поток жидкой метановой фракции после сепарации делят на два потока, первый из которых дросселируют с понижением температуры и подают обратным потоком на регенеративный теплообмен с исходной газовой смесью перед ее последней ступенью сепарации, второй поток дросселируют с понижением температуры и направляют на испарение с подводом тепла от охлаждаемой дополнительно метановой фракции, после испарения второй поток метановой фракции подают на смешение с первым потоком после его регенеративного теплообмена с исходной газовой смесью перед ее последней ступенью сепарации, при этом после смешения и ступенчатого регенеративного теплообмена метановую фракцию подают на рециркуляцию и компримирование в исходную газовую смесь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый поток жидкой метановой фракции перед дросселированием переохлаждают в регенеративном теплообмене с потоком жидкости, поступающей на ректификацию после последней ступени сепарации исходной газовой смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2