Способ и установка для дистилляции метанола с регенерацией тепла
Изобретение предназначено для очистки сырого метанола. Способ очистки сырого метанола включает по крайней мере три ступени дистилляции, работающие в каскаде при соответственно снижающемся давлении, включающие по крайней мере первую ступень дистилляции при максимальном давлении (р2) дистилляции, вторую ступень дистилляции при среднем давлении (p3) дистилляции и конечную ступень дистилляции при минимальном давлении (р4) дистилляции. На первой и второй ступенях дистилляции получают по крайней мере один соответствующий газообразный поток перегнанного метанола и соответствующий раствор, содержащий метанол, который поступает на следующую ступень дистилляции. На конечной ступени получают по крайней мере один газообразный поток перегнанного метанола и раствор, в основном состоящий из воды. Один первый газообразный поток перегнанного метанола, полученный на первой ступени дистилляции, и второй газообразный поток перегнанного метанола, полученный на второй ступени дистилляции, используют в качестве источников тепла для нагревания по крайней мере указанной второй ступени дистилляции и указанной конечной ступени дистилляции соответственно. Установка для очистки сырого метанола включает по крайней мере три дистилляционных колонны, работающие в каскаде при соответственно снижающихся величинах давления. Первая и вторая колонны включают по крайней мере одну верхнюю выходную линию для газообразного потока перегнанного метанола и нижнюю выходную линию для подачи раствора, содержащего метанол, во вторую колонну и в конечную колонну соответственно. Верхние выходные линии первой колонны и второй колонны включают ответвление для направления по крайней мере одной части перегнанного метанола к нагревателям второй и третьей колонн соответственно. Технический результат: снижение энергозатрат. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 2 пр.
Область настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и установке для дистилляции метанола с регенерацией тепла.
Предпосылки создания настоящего изобретения
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 Н2, СО, CO2, N2, СН4.
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. ч./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 у атмосферному давлении. Более подробно, указанный процесс включает колонну для предварительной обработки, известную как «отбензинивающая» колонна или пред-колонна, 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, каждая колонна требует верхнего орошения, 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.
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 м3/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 являлется снижение затрат на энергию, охлаждающую воду и/или электроэнергию в процессе дистилляции сырого метанола.
Указанная цель достигается с помощью способа очистки потока сырого метанола, который включает следующие ступени:
- по крайней мере три ступени дистилляции, работающие в каскаде при соответственно снижающемся давлении, включающие по крайней мере одну первую дистилляционную ступень при максимальном давлении дистилляции, вторую ступень дистилляции при среднем давлении дистилляции и конечную ступень дистилляции при минимальном давлении дистилляции.
- где на указанных первой и второй ступенях дистилляции на каждой получают по крайней мере один соответствующий газообразный поток перегнанного метанола и соответствующий раствор, содержащий метанол, который поступает на следующую ступень дистилляции, а на указанной конечной ступени получают по крайней мере один газообразный поток перегнанного метанола и раствор, в основном состоящий из воды,
- где по крайней мере один соответствующий газообразный поток перегнанного метанола, полученный на первой ступени дистилляции, и второй газообразный поток перегнанного метанола, полученный на второй ступени дистилляции, используют в качестве источников тепла для нагревания по крайней мере указанной второй ступени дистилляции и указанной конечной ступени дистилляции соответственно.
В настоящем изобретении предлагаются по крайней мере три уровня давления дистилляции, и прежде всего перед первой ступенью дистилляции при высоком давлении проводят предварительную обработку (отбензинивающая колонна) для отделения летучих веществ от сырого метанола. Предпочтительно указанную первую ступень дистилляции проводят при номинальном давлении от 10 до 35 бар, и предпочтительно по крайней мере при 20 бар, согласно конкретному варианту осуществления.
Следует отметить, что в предшествующем уровне техники максимальное давление дистилляции не превышает величину приблизительно 8 бар. В настоящее изобретение включена ступень дистилляции, эксплуатируемая при относительно высоком давлении (например, 20 или 30 бар), и для этого требуется источник тепла с высоким уровнем энергии, например, пар, конденсирующийся при давлении 10 бар или более. Заявителями было установлено, что ступень дистилляции при высоком давлении повышает возможность регенерации тепла внутри процесса дистилляции самого по себе, за счет наличия газообразного потока перегнанного метанола при высоких температуре и давлении. Было установлено, что улучшенная регенерация тепла в избыточной степени компенсирует необходимость в подводе тепла с высоким уровнем энергии.
Термин «каскад» означает, что жидкий раствор, содержащий метанол, полученный на ступени дистилляции, снова подвергают дистилляции на следующей ступени. На общей промежуточной ступени дистилляции получают по крайней мере один поток перегнанного метанола в газообразном состоянии и раствор метанола, предназначенный для дальнейшей дистилляции на следующей ступени.
Последняя ступень дистилляции обычно является так называемой «истощающей» ступенью. На последней ступени обычно получают перегнанный метанол в газообразном состоянии, раствор, в основном состоящий из воды, и боковой поток, представляющий собой так называемые «сивушные масла». Боковые потоки сивушных масел при необходимости можно также отводить из промежуточных ступеней дистилляции.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предлагаются также более трех ступеней дистилляции, даже если три ступени являются предпочтительными.
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).
Предпочтительно давление устанавливают таким образом, чтобы указанные потоки перегнанного метанола можно было использовать в качестве источников всего тепла для соответствующей ступени дистилляции, расположенной в каскаде вниз по потоку. Например, поток перегнанного метанола, полученный на первой ступени дистилляции, является источником всего тепла для второй ступени и т.д.
Предпочтительно указанные газообразные потоки перегнанного метанола по крайней мере частично конденсируются в процессе теплообмена при давлении отбензинивания, при этом образуются соответствующие потоки перегнанного метанола в жидком состоянии. Например, каждый газообразный поток перегнанного метанола снабжает теплом следующую ступень дистилляции за счет непрямого теплообмена с соответствующим жидким раствором, содержащим метанол, предназначенный для дистилляции. Более предпочтительно газообразный поток перегнанного метанола конденсируется в процессе выпаривания жидкого раствора. Конденсация и выпаривание соответственно являются по крайней мере частичными и предпочтительно они являются полными.
Жидкий раствор, например, отбирают из нижней части дистилляционной колонны, а нагретый раствор (частично или полностью испаренный) снова подают в нижнюю часть колонны и таким образом нагревают колонну.
В этом случае совмещенную стадию испарения и конденсации реализуют соответственно для раствора метанола (на уровне давления дистилляции) и перегнанного метанола (на уровне более высокого давления).
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. Теплообменник работает как в качестве нижнего нагревателя дистилляционной колонны, так и в качестве верхнего испарителя в колонне высокого давления. Такая конструкция согласно одному из объектов настоящего изобретения характеризуется дополнительным преимуществом, которое заключается в устранении необходимости по крайней мере в некоторых верхних конденсаторах, как будет более подробно описано в разделе Примеры.
В способе предлагается предварительная отбензинивающая обработка для удаления более летучих компонентов. Указанную отбензинивающую ступень обычно проводят при атмосферном давлении, в типичном случае при 1-1,5 бар.
Другой объект настоящего изобретения включает повышение минимального давления дистилляции (или давления истощения) в отличие от предшествующего уровня техники, в котором существует тенденция поддерживать давление истощения по возможности на более низком уровне и обычно на уровне, равном давлению отбензинивания. Действительно, повышение давления отбензинивания представляет дополнительное преимущество в отношении энергии, так как поток перегнанного метанола, полученный на последней ступени дистилляции, находится при температуре, достаточной для его использования в качестве источника тепла для предварительной отбензинивающей ступени.
Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения давление отбензинивания примерно равно атмосферному давлению, а минимальное давление дистилляции составляет по крайней мере 2 бар и предпочтительно приблизительно 5 бар.
Другими словами заявителем было установлено, что, в отличие от предшествующего уровня техники, в котором в основном описана дистилляция при наиболее низком давлении истощения, и обычно при давлении, равном давлению отбензинивания, использование значительно более высокого давления истощения позволяет сберегать энергию и оптимизировать тепловые потоки, чтобы использовать газообразный метанол, перегнанный на истощающей ступени, для нагревания на предварительной отбензинивающей ступени.
Предпочтительно способ без регенерации тепла, полученного на конечной ступени дистилляции, характеризуется следующими величинами давления: давление отбензинивания и давление конечного истощения составляют приблизительно 1,5 бар, давление на ступени при высоком давлении составляет приблизительно 18-20 бар, на ступени при среднем давлении - приблизительно 8-10 бар.
Предпочтительно способ с регенерацией тепла, также полученного на конечной ступени дистилляции, проводят при следующих величинах давления: давление отбензинивания составляет приблизительно 1,5 бар, давление на ступени при высоком давлении составляет приблизительно 30 бар, на ступени при среднем давлении составляет приблизительно 20 бар, на ступени при минимальном давлении (истощение) - приблизительно 5 бар.
Следует отметить, что точный расчет величин давления можно осуществлять с учетом теплового баланса испарителей/конденсаторов и с учетом соответствующего минимального Dt теплообмена, температуры испарения раствора и т.п. Действительно, давление также определяют температура горячего газообразного потока метанола и, следовательно, температура конденсации метанола.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, подвод тепла для процесса дистилляции может быть представлен только теплом ступени при максимальном давлении и, возможно, теплом со ступени отбензинивания. В основном ступень отбензинивания требует низкотемпературного тепла (низкотемпературный уровень) и, следовательно, предпочтительно использовать газообразный перегнанный метанол при высоком/среднем давлении для нагревания ступени дистилляции при среднем давлении или ступени истощения. Предпочтительно ступень отбензинивания нагревают с использованием тепла, регенерированного согласно вариантам осуществления, в которых дистилляцию истощения проводят при более высоком давлении, как описано выше.
Описанные ступени отбензинивания и дистилляции в каскаде предпочтительно снабжены соответствующими очистными колоннами. На каждой ступени можно использовать единственную колонну или при необходимости множество колонн, соединенных параллельно. Каждая колонна соединена по крайней мере с одним нижним нагревателем и возможно также с верхним конденсатором. Некоторые дистилляционные колонны могут быть соединены с нагревателем/конденсатором, представляющими собой единый теплообменник, который выполняет функцию нижнего нагревателя для дистилляционной колонны и верхнего конденсатора для расположенной вверх по потоку колонны, эксплуатируемой при более высоком давлении.
Объект по настоящему изобретению также включает установку для очистки сырого метанола, которая включает:
- по крайней мере три дистилляционных колонны, работающих в каскаде при соответственно снижающихся величинах давления и включающих по крайней мере первую дистилляционную колонну (200), предназначенную для работы при максимальном давлении дистилляции (р2), вторую дистилляционную колонну (300), предназначенную для работы при среднем давлении дистилляции (p3), и конечную дистилляционную колонну (400), предназначенную для работы при минимальном давлении дистилляции (р4),
- где указанная первая колонна и указанная вторая колонна, каждая, включает по крайней мере одну верхнюю выходную линию для газообразного потока (204, 304) перегнанного метанола, и нижнюю выходную линию для подачи раствора, содержащего метанол, во вторую колонну и в конечную колонну соответственно,
- и где верхние выходные линии первой колонны и второй колонны включают ответвление для направления по крайней мере одной части перегнанного метанола к нагревателям второй и третьей колонн соответственно, и таким образом, указанная по крайней мере одна часть перегнанного метанола представляет собой источник тепла для указанных нагревателей.
Ниже представлены некоторые преимущества настоящего изобретения.
Согласно изобретению можно сберегать значительно количество энергии, которое может составлять приблизительно 0,20 Гкал/т метанола по сравнению с предшествующим уровнем техники, согласно которому энергосбережение составляет приблизительно 30%. Для установки с производительностью 5000 т/сут метанола, энергосбережение составляет приблизительно 40 Гкал/ч, что равно 3% от общего энергопотребления на установке, включая дистилляцию. Такое энергосбережение позволят снизить себестоимость метанола. Потребление охлаждающей воды для конденсаторов также снижается по сравнению с предшествующим уровнем техники.
Преимущество нового способа также заключается в снижении капиталовложений, прежде всего для крупномасштабных установок производительностью более 5000 т/сут. Так как получение перегнанного метанола разделено по крайней мере на три очистные колонны, каждая из указанных колонн имеет меньший диаметр, чем дистилляционные колонны известной установки, предназначенные для эксплуатации на одном или двух уровнях давления. Масса и стоимость колонн также снижена по сравнению с предшествующим уровнем техники за счет меньшего объема и поверхности дистилляционных тарелок, при одной и той же производительности дистилляции.
Другое преимущество заключается в возможности замены охлаждаемых воздухом верхних конденсаторов на более компактные теплообменники. Обычно охлаждаемые воздухом верхние конденсаторы используют на установках для получения метанола, расположенных на местности с малодоступной охлаждающей водой. Охлаждаемые воздухом конденсаторы являются громоздкими и, хотя и не потребляют воду, но потребляют электроэнергию. Следовательно, представляет преимущество их замена на теплообменники, предпочтительно с пучком труб, которые совмещают функции конденсаторов и нагревателей.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема секции дистилляции метанола согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 представлена схема секции дистилляции метанола согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, где нагреватель отбензинивающей колонны нагревается регенерированным теплом перегнанного метанола, полученного в исчерпывающей колонне.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения
На фиг. 1-2 представлены схемы процессов и установок согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
По существу, поток 103 сырого метанола подвергают предварительному отбезиниванию в колонне 100, при этом разделяют летучие компоненты 104 и первый раствор 105. Затем указанный раствор 105 подвергают дистилляции и получают метанол 412 требуемой степени чистоты (например, класс АА).
Дистилляция метанола в примерах, описанных на фиг. 1-3, включает три уровня давления, в колонне 200 при высоком давлении, в колонне 300 при среднем давлении и в колонне 400 (известной как исчерпывающая колонна) при низком давлении соответственно.
На промежуточных ступенях дистилляции, в колоннах 200 и 300, получают соответствующие газообразные потоки 204, 304 перегнанного метанола требуемой для способа степени чистоты (например, класс АА). Указанные потоки 204, 304 используют в процессе для нагревания колонны 300 и колонны 400, соответственно. На фиг. 2 представлен вариант, где поток перегнанного метанола, поступающий из исчерпывающей колонны 400, можно использовать для нагревания отбензинивающей колонны 100.
Следовательно, внешние подводы тепла представлены только теплом Q1 и Q2 согласно варианту, представленному на фиг. 1, и теплом Q2 согласно варианту, представленному на фиг. 2. Следует отметить, что тепло Q2 нельзя регенерировать внутри самого процесса, так как он находится при максимальной температуре.
Два варианта осуществления настоящего изобретения более подробно описаны ниже.
Первый вариант осуществления изобретения
На фиг. 1 представлена схема установки, которая включает отбензинивающую колонну 100, исчерпывающую колонну 400 и две дистилляционные колонны 200, 300. Дистилляционные колонны 200, 300 и 400 эксплуатируют в каскаде с понижающимися величинами давления р2>p3>р4. Отбензинивающую колонну 100 эксплуатируют при давлении p1, обычно равном приблизительно 1,5 бар, а давление р4 в колонне 400, в этом примере, в основном равно давлению p1 в отбензинивающей колонне, то есть p4=~p1.
В настоящем изобретении не рассматриваются локализация и распределение падений давления за счет трубопроводов, вентилей, вспомогательных деталей и т.п. Как известно специалистам в данной области техники, каждая колонна характеризуется номинальным давлением, причем давление газа в верхней части и давление жидкости, поступающей из нижней части, в незначительной степени отличаются.
Отбензинивающая колонна 100 включает нижний нагреватель 101 и верхний конденсатор 102. Колонны 200, 300 и 400 включают соответствующие нижние нагреватели 201, 301 и 401. Колонна 400 также включает верхний конденсатор 402.
В отбензинивающую колонну 100 поступает поток сырого метанола 103 и в ней разделяются газообразный верхний поток 104, образующийся из более летучих компонентов, чем метанол (легкие фракции), и нижний раствор 105, содержащий метанол. Часть 106 указанного раствора 105 нагревают, предпочтительно за счет по крайней мере частичного испарения и подают в рециркулирующую систему нижнего нагревателя 101. Остальную часть 107 указанного раствора 105 подают в нанос 120, который накачивает в колонну 200 высокого давления поток раствора метанола 203. Давление потока 203 в основном составляет р2 в отличие от падения давления в трубопроводе, питающем колонну 200.
Часть верхнего потока 104 конденсируется и поступает в рециркулирующую систему, как показано линией 110. Остальную часть 115 сбрасывают или удаляют.
В колонне 200 отделяют верхний поток 204 газообразного метанола, перегнанного при давлении р2, от нижнего раствора 205. Часть нижнего раствора 205 поступает через рециркулирующую систему (линия 206) в нижнюю часть колонны 200 через нагреватель 201, а остальная часть (линия 207) поступает в следующую вторую колонну 300. Поток 207 проходит через дроссельный клапан 220 или его эквивалент, при этом образуется поток 303 в основном при давлении p3, который подают в колонну 300 или даже на следующую ступень дистилляции.
Нагреватель 101 отбензинивающей колонны и нагреватель 201 колонны 200 при высоком давлении нагреваются внешними источниками тепла соответственно обозначенными символами Q1 и Q2. Указанные источники тепла могут представлять собой пар, конденсирующийся при пригодном давлении, если имеется, или другой источник тепла. В некоторых вариантах источник тепла может быть представлен технологическим газом.
Раствор метанола 303 снова подвергают дистилляции и получают поток газообразного метанола 304 и нижний раствор 305. Поток жидкого раствора 306, выходящий из нижней части колонны 300, нагревают в соответствующем нагревателе 301 с целью нагревания нижней части колонны 300 и поддержания процесса дистилляции. В эквивалентных вариантах поток 306 может также представлять собой часть потока 305.
Указанный нагреватель 301 нагревают за счет по крайней мере частичной конденсации потока газообразного метанола 204 при высокой температуре и высоком давлении, поступающего из верхней части колонны 200. Поток 204, по крайней мере частично, конденсируется на горячей стороне нагревателя 301, при этом получают поток конденсированного метанола 209, часть указанного конденсата 209 поступает через рециркулирующую систему в колонну 200 (линия 210), а остальная часть (линия 211) представляет собой перегнанный метанол, который направляют в поток конечного продукта.
В основном аналогичным образом поток газообразного метанола 304 нагревает колонну 400, при этом нагревается раствор 406 в нагревателе 401. Более подробно, раствор 305 расширяется при давлении р4 в вентиле (или его эквиваленте) 320, при этом образуется раствор метанола 403, который поступает в колонну 400. Поток 304, например, конденсируется в нагревателе 401, образуя жидкий поток 309, который частично поступает через рециркулирующую систему в колонну 300 (линия 310), а частично представляет собой перегнанный метанол 311.
Растворы 206, 306 и 406 предпочтительно испаряются, по крайней мере частично, в нагревателях.
В исчерпывающей колонне 400 происходит дальнейшее отделение потока газообразного метанола 410, часть 411 указанного потока представляет собой конечный поток перегнанного метанола, а остальную часть 410 снова подают в колонну 400. Общий поток перегнанного метанола 412 образуется из потоков 211, 311 и 411. Потоки 211 и 311 при высоком давлении можно расширить в дроссельных вентилях или их эквивалентах (не показаны). В колонне 400 также получают поток 420, в основном содержащий воду, и боковой поток 430 сивушных масел, содержащий примерно 1% остаточного метанола.
Как видно на фиг. 1, внешние вводы тепла в отношении процесса дистилляции представлены только источниками Q1 и Q2. Действительно, суммарное тепло для колонн 300 и 400 регенерируется внутри процесса за счет конденсации газообразных потоков перегнанного метанола 204, 304.
Следует также отметить, что нагреватель 301 эксплуатируют также в качестве верхнего конденсатора колонны 200, так как в нем конденсируется по крайней мере часть перегнанного метанола 204. при этом образуется верхний циркулирующий поток 210. Следовательно, его также можно назвать нагревателем/конденсатором. Аналогичным образом нагреватель 401 эксплуатируют в качестве верхнего конденсатора колонны 300. Предпочтительно указанные нагреватели/конденсаторы 301, 401 предпочтительно представлены теплообменником с трубным пучком, например, в котором происходит упаривание раствора 306, 406 на стороне кожуха и конденсация дистиллята 204, 304 на стороне труб (или наоборот). В других вариантах осуществления настоящего изобретения можно использовать пластинчатый теплообменник с теплообменными пластинами, расположенными внутри кожуха.
Следует понимать, что двойная функция нагревателя и конденсатора теплообменников 301, 401 является значительным преимуществом, так как позволяет исключить верхние конденсаторы, используемые в предшествующем уровне техники, например, для работы которых используют воду или воздух, и соответствующее потребление воды и/или электроэнергии для воздуходувок.
Преимущественно, величины давления р2 и p3 определяются как функция тепла и уровня температуры, требуемыми для нагревателей 301 и 401 соответственно. Действительно, давление дистилляции определяет температуру и необходимость в разности температур (ΔТ) в нагревателе обычно приблизительно 10°С. Таким образом, например, давление р2 определяют таким образом, чтобы температура газообразного потока 204 составляла величину на несколько градусов выше, чем температура кипения раствора 306.
В некоторых вариантах можно использовать дополнительную регенерацию тепла (не показана) по крайней мере из одного из потоков 211, 311, 411. Например, поток 211 находится при относительно высокой температуре (более 100°С) и в некоторых вариантах его можно использовать для предварительного нагревания раствора 203, чтобы таким образом снизить потребность в источнике тепла Q2, так как такая конфигурация представляет значительное преимущество, поскольку тепло Q2 является наиболее дорогостоящим с точки зрения энергопотребления.
Второй вариант осуществления настоящего изобретения
На фиг. 2 показан другой вариант осуществления изобретения. Компоненты, эквивалентные компонентам, указанным на фиг. 1, обозначены одинаковыми номерами.
Указанная на фиг. 2 конфигурация относится к варианту, в котором давление р4 в колонне 400 значительно выше, чем давление p1 в отбензинивающей колонне. Например, давление p1 составляет приблизительно 1-1,5 бар, а давление р4 составляет по крайней мере 2 бар, предпочтительно 3-5 бар. В этом случае газообразный поток 404 перегнанного метанола, поступающего из верхней части исчерпывающей колонны 400, находится при относительно высоких температуре и давлении (обычно 3-5 бар и более 100°С) и такой поток может представлять собой используемый источник тепла для нагревателя 101 отбензинивающей колонны.
Например, на фиг. 2 показано, что часть 440 указанного потока 404 направляется в нагреватель 101 и охлаждается, предпочтительно конденсируется в указанном нагревателе 101, в то время как остальную часть 414 направляют в верхний конденсатор 402. Конденсат 415, образующийся в нагревателе 101, смешивают с конденсатом, поступающим из конденсатора 402, при этом образуется поток перегнанного метанола, который частично снова направляют в исчерпывающую колонну (поток 410) и частично в поток конечного продукта (поток 411).
Примеры
Пример 1
Поток сырого метанола характеризуется следующим составом: 83% метанола СН3ОН, 15% Н2О, 1,9% растворенных газов, 0,1% примесей. Предполагается получать метанол класса АА с производительностью 5000 т/сут.
Стандартная конфигурация согласно предшествующему уровню техники включает отбензинивающую колонну при давлении 1,5 бар, исчерпывающую колонну при давлении 1,5 бар и дистилляционную колонну при давлении 8 бар и температуре приблизительно 130°С. Для этих условий можно рассчитать следующие показатели: суммарное энергопотребление в нижних нагревателях 0,63 Гкал/т (то есть на тонну перегнанного метанола), поглощенное тепло в верхних конденсаторах отбензинивающей колонны и исчерпывающей колонны 0,60 Гкал/т.
На установке, представленной на фиг. 1, были установлены следующие показатели давления и температуры.
Давление p1 в отбензинивающей колонне: 1,5 бар.
Температура в нижней части колонны (поток 105): 90°С.
Поток 204: 19 бар, 163°С.
Поток 205: 171°С.
Поток 304: 9 бар, 132°С.
Поток 305: 144°С.
Давление в исчерпывающей колонне: 1,5 бар.
Поток 404: 70°С.
Для этих условий были рассчитаны следующие показатели, указанные ниже в таблице.
Согласно настоящему изобретению, как показано в этом примере, энергосбережение составляет 0,10 Гкал (20%) на тонну метанола по сравнению с предшествующим уровнем техники, рассмотренным выше. Для установки с производительностью 5000 т/сут метанола энергосбережение составляет 21 Гкал/ч, что соответствует 1,5% суммарного энергопотребления на установке (включая дистилляцию). Для такой установки требуется источник тепла с более высоким термическим уровнем по сравнению с предшествующим уровнем техники, например, пар при давлении приблизительно 11 бар или эквивалентный источник, однако энергопотребление компенсирует такое требование.
Потребление охлаждающей воды для конденсаторов также снижено по сравнению с предшествующим уровнем техники. В типичном случае потребление охлаждающей воды составляет 46 м3/т метанола, причем энергосбережение составляет 14 м3/т метанола по сравнению с предшествующим уровнем техники (~22%).
Пример 2
На установке, представленной на фиг. 2, были использованы аналогичные условия, описанные в примере 1, за исключением следующих показателей:
Давление р4: 3,3 бар.
Температура потока 404: 100°С.
Поток 204: 29 бар, 183°С.
Поток 304: 17 бар, 158°С.
Как видно, перегнанный пар 404, выходящий из исчерпывающей колонны 400, теперь характеризуется достаточным термическим уровнем для нагревания теплообменника 101 и источника тепла Q1, который, как указано на фиг. 1, является внешним источником. Для этих условия можно рассчитать следующие показатели:
Как видно, этот вариант обеспечивает дополнительное энергосбережение.
В примерах показано, что преимущества настоящего изобретения количественном отношении заключаются в следующем: энергосбережение для нагревателей колонн составляет 35-40% по сравнению с предшествующим уровнем техники, сбережение охлаждающей воды для верхних конденсаторов колонн составляет 40-45% по сравнению с предшествующим уровнем техники (если используют охлажденную воду), снижение энергопотребления для дистилляции составляет приблизительно 40-45% (как для охлаждения с использованием воздухоохладителей, так и с использованием циркуляционной воды), снижение максимального диаметра очистных колонн и, следовательно, большая производительность одной технологической линии для одного и того же допустимого максимального диаметра колонны, снижение инвестиционных расходов, требуемых для системы энергоносителей: охлаждающая вода и электросистема, сбережение стоимости внутреннего оснащения колонн.
1. Способ очистки сырого метанола, включающий
- по крайней мере три ступени дистилляции, работающих в каскаде при соответственно снижающемся давлении, включающие по крайней мере первую ступень (200) дистилляции при максимальном давлении (р2) дистилляции, вторую ступень (300) дистилляции при среднем давлении (p3) дистилляции и конечную ступень (400) дистилляции при минимальном давлении (р4) дистилляции,
- где на указанных первой и второй ступенях дистилляции, на каждой, получают по крайней мере один соответствующий газообразный поток (204, 304) перегнанного метанола и соответствующий раствор, содержащий метанол, который поступает на следующую ступень дистилляции, а на указанной конечной ступени получают по крайней мере один газообразный поток перегнанного метанола и раствор, в основном состоящий из воды,
- где по крайней мере один первый газообразный поток перегнанного метанола (204), полученный на первой ступени дистилляции, и второй газообразный поток перегнанного метанола (304), полученный на второй ступени дистилляции, используют в качестве источников тепла для нагревания по крайней мере указанной второй ступени дистилляции и указанной конечной ступени дистилляции соответственно.
2. Способ по п. 1, где указанное максимальное давление дистилляции составляет от 10 до 35 бар, и предпочтительно составляет по крайней мере 20 бар.
3. Способ по п. 1, где указанный первый и указанный второй газообразные потоки перегнанного метанола являются источниками всего тепла, соответственно необходимого для указанной второй ступени дистилляции и указанной конечной ступени дистилляции.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный первый и указанный второй газообразные потоки перегнанного метанола снабжают теплом указанные ступени дистилляции посредством непрямого теплообмена с соответствующим потоком раствора, содержащего метанол (306, 406), предназначенный для дистилляции, и указанный раствор предпочтительно по крайней мере частично испаряется под действием указанного теплообмена.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что указанные газообразные потоки перегнанного метанола по крайней мере частично конденсируются в процессе указанного теплообмена, при этом получают соответствующие потоки перегнанного метанола в жидком состоянии (209, 309).
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что часть (210, 310) указанных потоков перегнанного жидкого метанола возвращается на соответствующую ступень дистилляции, а остальная часть (211, 311) представляет собой перегнанный метанол, полученный способом по изобретению.
7. Способ по п. 1, включающий ступень (100) предварительной обработки, названной отбензинивающей ступенью, работающей при давлении отбензинивания (p1), где указанный поток сырого метанола разделяют по крайней мера на один газообразообразный поток летучих компонентов и жидкий раствор, который поступает на указанную первую ступень дистилляции.
8. Способ по п. 7, где указанное минимальное давление дистилляции (р4) выше по сравнению с указанным давлением отбензинивания (p1), и газообразный поток (440) перегнанного метанола, полученный на последней ступени дистилляции, работающей при указанном минимальном давлении, используют по крайней мере для частичного нагревания указанной предварительной ступени отбензинивания.
9. Способ по п. 8, где указанный газообразный поток (440) перегнанного метанола, полученный на последней ступени дистилляции, по крайней мере частично конденсируют посредством непрямого теплообмена с раствором (106), содержащим метанол, при давлении отбензинивания, и предпочтительно указанный раствор по крайней мере частично испаряется в процессе указанного теплообмена.
10. Способ по п. 8, где давление отбензинивания примерно равно атмосферному давлению, а минимальное давление дистилляции составляет по крайней мере 2 бара и предпочтительно приблизительно 5 бар.
11. Способ по п. 1, включающий три ступени дистилляции при высоком давлении, среднем давлении и минимальном давлении, соответственно, и включающий предварительную ступень отбензинивания, где давление отбензинивания составляет приблизительно 1,5 бар, и
- минимальное давление дистилляции примерно равно давлению отбензинивания, причем указанное высокое давление составляет приблизительно 20 бар, а среднее давление составляет приблизительно 8-10 бар,
или
- минимальное давление дистилляции составляет по крайней мере 3 бара и предпочтительно 5 бар, причем указанное высокое давление составляет приблизительно 30 бар, а среднее давление составляет приблизительно 15-20 бар.
12. Способ по п. 1, где ступени дистилляции и предварительную ступень отбензинивания каждую проводят по крайней мере в одной соответствующей очистной колонне (100, 200, 300, 400).
13. Установка для очистки сырого метанола, включающая
- по крайней мере три дистилляционных колонны, работающих в каскаде при соответственно снижающихся величинах давления и включающих по крайней мере первую дистилляционную колонну (200), предназначенную для работы при максимальном давлении дистилляции (р2), вторую дистилляционную колонну (300), предназначенную для работы при среднем давлении дистилляции (p3), и конечную дистилляционную колонну (400), предназначенную для работы при минимальном давлении дистилляции (р4),
- где указанная первая колонна и указанная вторая колонна, каждая, включает по крайней мере одну верхнюю выходную линию для газообразного потока (204, 304) перегнанного метанола, и нижнюю выходную линию для подачи раствора, содержащего метанол, во вторую колонну и в конечную колонну соответственно,
- и где верхние выходные линии первой колонны и второй колонны включают ответвление для направления по крайней мере одной части перегнанного метанола к нагревателям второй и третьей колонн соответственно, и таким образом, указанная по крайней мере одна часть перегнанного метанола представляет собой источник тепла для указанных нагревателей.
