CN101798528B

CN101798528B - 用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的部分能量耦合分离系统及操作方法

Info

Publication number: CN101798528B
Application number: CN 201010100186
Authority: CN
Inventors: 罗祎青; 袁希钢; 龚超; 余爱平
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: CN101798528A

Abstract

本发明涉及一种用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的部分能量耦合分离装置及分离方法。针对原料中C₃组分含量较多，即原料中C₃组分含量分别大于C₄和C₅₊组分的情况，将前脱丙烷乙烯流程中低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行部分能量集成；在一个隔板塔中完成直接序列结构部分能量耦合精馏塔分离；或通过热力学等价的部分能量耦合的直接精馏塔序列完成分离，从而可以减少流程中换热器的数量，显著降低该混合物分离过程的设备投资和能耗。

Description

用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的部分能量耦合分离系统及操作方法

技术领域

本发明涉及精馏技术领域，特别是涉及一种用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五部分能量耦合分离装置及分离方法，可实现碳三、碳四及碳五组分在一个具有部分能量耦合的精馏塔或精馏塔序列中完成分离，可以显著降低该混合物分离过程的设备投资和能耗。

背景技术

在前脱丙烷乙烯流程(G.M.Clancy and R.W.Townsend，Ethylene Plant Fractionation，Chemical Engineering Progress，1971，67(2)：41-44)生产过程中，裂解气经过急冷、压缩、碱洗、干燥后，再经深冷进入高压脱丙烷塔，在提馏段乙烷及更轻组分与其它重组分分离，重组分在塔底液相流股主要为碳三、碳四及碳五组分。该碳三、碳四及碳五组分混合物进入低压脱丙烷塔，塔顶将碳三脱除，塔底的碳四及碳五混合物进入脱丁烷塔。脱丁烷塔塔顶得到碳四混合物，塔底为碳五混合物。上述流程中，低压脱丙烷塔和脱丁烷塔均采用传统精馏塔，每个塔分别需要一个冷凝器和一个再沸器，分离过程采用先分离轻组分再分离重组分的直接序列结构。

目前国内外对具有能量耦合的精馏塔(隔板塔)的研究较多，专利US1915681比较早的提出应用完全能量耦合隔板塔对石油裂化产物进行分离；专利US2471134应用完全能量耦合隔板塔对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷进行了分离；专利US5339648(CN1099472)使用完全能量耦合隔板塔设计了空气分离流程；专利CN1385408A应用完全能量耦合隔板塔设计了α，β-不饱和高碳醇的制备及分离流程；专利US7169267B3(CN1469765A)针对C₅₊切取馏分蒸馏分离提出了用完全能量耦合隔板塔的方法及装置；其他应用完全能量耦合隔板塔进行化合物分离的专利还有CN1169421、US6387222B1、US6417420B1、US654907B1、CN1427832A、US6726835B2、US6762334B1、CN1474794A、CN1484627A、US6846389B2、US6887434B2、US7132038B2、CN1867539A、CN1582266A、CN1609093A、CN1678600A、CN1288141A、CN1789223A、CN1809520A、CN1845890A、CN1896047A、US7211701B2、CN1918090A、CN101006073A、CN101244982、CN101298412A、CN101328119A、US7329330B2(CN1484627A)、CN101357887、CN101367723A、CN101367724A、CN10136773A、CN101417930A。对能量耦合隔板塔进行内部结构设计的专利有US5785819、US5914012、US5902460、US6250106B1、US6645350B1、US7234691B2。专利US4230533、US6551465B1、US6558515B1、US7267746B1对能量耦合隔板塔进行了控制设计。专利CN1609107A、CN101362692A、CN101367710A、CN101516830A、US6291734B1应用具有间接序列结构的部分能量耦合精馏塔进行分离操作。此外，专利CN1723065A和CN101028987应用直接序列结构部分能量耦合精馏塔进行了萃取分离。以上有关能量耦合隔板塔应用于实际工业乙烯流程中产品分离的，只有专利US6291734，其对乙烯流程中碳三、碳四及碳五的分离做了能量耦合精馏的设计，但该工艺仅应用了间接分离序列结构的部分能量耦合精馏塔。而该种间接分离序列结构只有当原料中C₅₊组分含量较多时才具有节能优势。

发明内容

本发明针对前脱丙烷乙烯流程中低压脱丙烷塔和脱丁烷塔，对进料组成中C₃组分含量较多的状况，给出了直接序列结构部分能量耦合精馏塔或与之热力学等价的部分能量耦合的直接精馏塔序列完成分离任务，以适应实际工业生产状况的需要。

本发明的技术方案如下：

本发明的用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的部分能量耦合分离系统，针对原料中C₃组分含量较多，即原料中C₃组分含量分别大于C₄和C₅₊组分含量的情况，将低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行部分能量集成；在一个隔板塔中完成直接序列结构部分能量耦合精馏塔分离；或通过热力学等价的部分能量耦合的直接精馏塔序列完成分离。

本发明的在一个隔板塔4中完成直接序列结构部分能量耦合精馏塔分离的系统是：隔板塔4内分为3个区域，在隔板塔4设置有一垂直壁5从塔顶开始至塔内区域3塔板处，垂直壁5将塔分成三个区域，区域1、区域2和区域3；区域1实现C₃组分与C₄和C₅₊组分的分离，原料从区域1进料，C₃组分从区域1顶部采出，区域2实现C₄组分的精馏分离，C₄组分从区域2顶部采出，区域3则实现C₅₊组分的提馏分离，C₅₊组分从区域3的底部采出；隔板塔4塔顶设有两个冷凝器分别用于区域1和区域2流出的气相物流冷凝，每个冷凝器连接有回流罐，回流罐分别为区域1和区域2提供回流液及塔顶产品，塔底设有一个再沸器13用于为全塔提供上升蒸汽。

直接序列结构部分能量耦合精馏塔分离系统的操作方法是，隔板塔塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，区域1的塔板数为45～60块板，顶部温度-5.2～6.0℃，回流比0.80～0.95，进料位置位于区域1的第25～30块板；区域2的塔板数为25～40块板，顶部温度38.0～47.0℃，回流比1.2～1.5，区域3的塔板数为20～35块板。

通过热力学等价的部分能量耦合的直接精馏塔序列完成分离的系统有多种形式，本发明采用如下设计系统：

用通过气、液相流股相互连接的两个部分能量耦合精馏塔替代隔板塔；精馏塔16设有塔顶冷凝器和塔底再沸器，精馏塔15仅设有塔顶冷凝器；每个冷凝器连接有回流罐；原料从精馏塔15进料，C₃组分从该塔顶部采出，塔底采出液相流股进入精馏塔16进料板，同时由精馏塔16进料板采出一气相流股作为精馏塔15的塔底上升蒸汽，精馏塔15作为区域1实现C₃组分与C₄和C₅₊的分离，C₃组分从区域1顶部采出；精馏塔16进料板至塔顶为区域2，实现C₄组分的精馏分离，C₄组分从塔顶部采出，精馏塔16进料板至塔底为区域3，实现C₅₊组分的提馏分离，C₅₊组分从塔底部采出。

精馏塔15塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，塔板数为45～60块板，塔顶温度-5.2～6.0℃，回流比0.80～0.95，进料位置位于第25～30块板；精馏塔16塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，塔顶温度38.0～47.0℃，塔板数为50～60块板，回流比1.2～1.5；进料位置及侧线气相采出位于第25～40块板。

本发明的各个区域的传质单元可以应用塔板，也可以应用规整填料或散堆填料。

本发明的用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五分离系统，并不仅限于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四及碳五的分离，对于具有相似组成分布的其他物系分离，也适宜采用本发明的方法。

本发明采用隔板结构或与之热力学等价的能量耦合精馏塔序列将传统乙烯流程中低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行能量集成，将低压脱丙烷塔与脱丁烷塔进行部分能量耦合。针对进料中C₃组分比例较大的情况，采用部分能量耦合精馏塔(如图1)或与图1热力学等价的部分能量耦合的直接精馏塔序列(如图2)完成C₃、C₄及C₅₊馏分的分离，从而可以减少流程中换热器的数量，显著降低该混合物分离过程的设备投资和能耗。

附图说明

图1为依据本发明所提供的直接分离序列结构部分能量耦合精馏塔分离流程图；

图2为热力学等价的部分能量耦合的直接精馏塔序列流程图。

其中：

1—区域1 10—区域2冷凝器

2—区域2 11—区域2回流罐

3—区域3 12—塔顶C₄产品管线

4—隔板塔 13—再沸器

5—隔板 14—塔底C₅₊产品管线

6—进料管线 15—直接序列第1精馏塔

7—区域1冷凝器 16—直接序列第2精馏塔

8—区域1回流罐 17—气相侧线管线

9—塔顶C₃产品管线 18—塔底液相管线

具体实施方式

本发明通过下面的设计实例详细说明具体效果。

实施例1：如图1，直接分离序列结构部分能量耦合隔板塔4，用于原料中碳三含量较大时的精馏分离，即原料中C₃的含量分别大于C₄和C₅₊组分含量，原料组成如表1。塔内含有一垂直壁，即隔板5从塔顶开始至塔内某一块塔板处，将塔分成三个区域，区域1、区域2和区域3。原料经进料管线6从区域1进入进料板上，区域1主要实现C₃和C₄、C₅₊组分之间的分离，C₃馏分从区域1塔顶部采出经冷凝器7进入回流罐8，一部分作为C₃产品由管线9采出，另一部分作为回流液返回区域1。通过区域1的分离作用，C₄和C₅₊组分进入区域2的底部(亦即区域3的顶部)，区域2主要实现C₄组分的精馏分离，C₄组分从区域2塔顶部采出，经冷凝器10进入回流罐11，一部分作为C₄产品由管线12采出，另一部分作为回流液返回区域2。区域3则实现C₅₊组分的提馏分离，C₅₊组分从区域3的塔底部采出，一部分作为C₅₊产品由管线14采出，另一部分经再沸器13返回区域3。在图1所示的各个区域可以应用塔板，也可以应用规整填料或散堆填料。

隔板塔塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，区域1的塔板数为45～60块板，顶部温度-5.2～6.0℃，回流比0.80～0.95，进料位置位于区域1的第25～30块板；区域2的塔板数为25～40块板，顶部温度38.0～47.0℃，回流比1.2～1.5，区域3的塔板数为20～35块板。

对于如表1的原料，根据本发明的方法，设计如图1所示的直接分离序列结构的部分能量耦合精馏塔4用于100万吨乙烯/年的乙烯装置中，并与传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行分离效果、能耗及设备的比较。

表1直接分离序列结构部分能量耦合精馏塔进料组成

进料组分摩尔分数

乙炔 0.000132

乙烯 0.000371

乙烷 0.00449

丙炔 0.0263

丙烯 0.354

丙烷 0.0516

1，2-丁二烯 0.163

1-丁烯 0.156

正丁烷 0.0170

C5烃 0.135

苯 0.0623

戊烷 0.0223

甲苯 0.00818

在传统前脱丙烷乙烯流程中，低压脱丙烷塔操作压力为0.850MPa，48块塔板，塔顶温度为12.1℃，塔顶冷凝器使用丙烯冷剂作为冷却介质，冷凝器热负荷为4.41MW；再沸器操作温度为92.0℃，低压蒸汽加热，再沸器热负荷5.45MW；脱丁烷塔操作压力为0.520MPa，55块塔板，塔顶温度为53.1℃，塔顶冷凝器使用工业冷却水作为冷却介质，冷凝器热负荷为8.43MW；再沸器操作温度为104.0℃，低压蒸汽加热，再沸器热负荷8.0MW。

使用直接分离序列结构部分能量耦合隔板塔4完成相同分离任务，塔的操作压力为0.720MPa，区域1为48块塔板，进料位置为区域1的第28块塔板，区域2为30块塔板，区域3为25块塔板。塔顶区域1的温度为5.8℃，塔顶冷凝器使用丙烯冷剂作为冷却介质，冷凝器热负荷3.41MW；塔顶区域2的温度为46.2℃，塔顶冷凝器使用工业冷却水作为冷却介质，冷凝器热负荷7.21MW；塔底温度120℃，低压蒸汽加热，再沸器热负荷11.38MW。

与传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔流程相比，冷凝器热负荷由12.84MW降低至10.62MW，再沸器热负荷由13.45MW降低至11.38MW，冷却和加热介质的品位没有发生变化，但消耗的公用工程量共减少了4.3MW，约减少了16.35％的能量消耗。此外根据本发明建立的分离流程，减少了设备数量，流程中使用一个精馏塔代替了传统流程中的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔，同时减少1台再沸器及相应的物料输送等辅助设备。

实施例2：如图2，部分能量耦合的直接精馏塔序列，用于原料中碳三含量较大时的精馏分离，原料组成如表1。包含两个精馏塔，直接序列第1精馏塔15和直接序列第2精馏塔16。这两个塔构成的分离流程在热力学上与图1中的直接分离序列结构部分能量耦合精馏塔4是等价的，塔15所对应的区域1主要实现C₃和C₄、C₅₊组分之间的分离，塔16的精馏段所构成的区域2主要实现C₄组分的精馏分离，塔16的提馏段所构成的区域3实现C₅₊组分的提馏分离。原料经进料管线6进入塔15进料板上，C₃馏分从塔顶部采出经冷凝器7进入回流罐8，一部分作为C₃产品由管线9采出，另一部分作为回流液返回塔15。塔15塔底采出液相流股经塔底液相管线18进入塔16的进料板，同时由塔16进料板采出一气相流股经管线17进入塔15塔底。C₄组分从塔16塔顶部采出，经冷凝器10进入回流罐11，一部分作为C₄产品由管线12采出，另一部分作为回流液返回塔16，C₅₊组分从塔16的塔底部采出，一部分作为C₅₊产品由管线14采出，另一部分经再沸器13返回塔16。在图2所示的各个区域可以应用塔板，也可以应用规整填料或散堆填料。

对于如表1的原料，根据本发明的方法，设计如图2所示的部分能量耦合的直接精馏塔序列用于100万吨乙烯/年的乙烯装置中，并与传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行分离效果、能耗及设备的比较。

使用部分能量耦合的直接精馏塔序列塔15和塔16完成分离任务，塔15的操作压力为0.720MPa，48块塔板，进料位置为第28块塔板。塔顶温度为5.7℃，塔顶冷凝器使用丙烯冷剂作为冷却介质，冷凝器热负荷3.41MW；塔16的操作压力为0.720MPa，55块塔板，液相进料位置为第29块塔板，气相侧线采出位置为第30块板。塔顶的温度为46.2℃，塔顶冷凝器使用工业冷却水作为冷却介质，冷凝器热负荷7.21MW；塔底温度120℃，低压蒸汽加热，再沸器热负荷11.38MW。

同样，与传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔流程相比，冷凝器总的热负荷由12.84MW降低至10.62MW，再沸器热负荷由13.45MW降低至11.38MW，冷却和加热介质的品位没有发生变化，但消耗的公用工程量共减少了4.3MW，约减少了16.35％的能量消耗。此外根据本发明建立的分离流程，减少了设备数量，流程中使用包含两个精馏塔的部分能量耦合的直接精馏塔序列代替传统流程中的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔，减少1台再沸器及相应的物料输送等辅助设备。

以上比较的结果表明，针对原料中碳三含量较大的情况，应用本发明的方法可显著减少传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔流程装置的能量消耗费用，同时可减少设备费用。对于已有装置精馏塔的利用，采用等价的精馏塔序列完成分离任务可作为经济上有利的备选方案。

Claims

1.用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的部分能量耦合分离装置，针对原料中C₃组分含量较多，即原料中C₃组分含量分别大于C₄和C₅₊组分的情况，其特征是将低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行部分能量集成；在一个隔板塔中完成直接序列结构部分能量耦合精馏塔分离：隔板塔内分为3个区域，在隔板塔设置有一垂直壁从塔顶开始至塔内区域3塔板处，垂直壁将塔分成三个区域，区域1、区域2和区域3；区域1实现C₃组分与C₄和C₅₊组分的分离，原料从区域1进料，C₃组分从区域1顶部采出，区域2实现C₄组分的精馏分离，C₄组分从区域2顶部采出，区域3则实现C₅₊组分的提馏分离，C₅₊组分从区域3的底部采出；隔板塔塔顶设有两个冷凝器分别用于区域1和区域2流出的气相物流冷凝，每个冷凝器连接有回流罐，回流罐分别为区域1和区域2提供回流液及塔顶产品，塔底设有一个再沸器用于为全塔提供上升蒸汽。

2.用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的部分能量耦合分离装置，针对原料中C₃组分含量较多，即原料中C₃组分含量分别大于C₄和C₅₊组分的情况，其特征是将低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行部分能量集成；通过热力学等价的部分能量耦合的直接精馏塔序列完成分离：用两个精馏塔替代隔板塔；精馏塔16设有塔顶冷凝器和塔底再沸器，精馏塔15仅设有塔顶冷凝器；每个冷凝器连接有回流罐；原料从精馏塔15进料，C₃组分从该塔顶部采出，塔底采出液相流股进入精馏塔16进料板，同时由精馏塔16进料板采出一气相流股作为精馏塔15的塔底上升蒸汽，精馏塔15作为区域1实现C₃组分与C₄和C₅₊的分离；精馏塔16进料板至塔顶为区域2，实现C₄组分的精馏分离，C₄组分从塔顶部采出，精馏塔16进料板至塔底为区域3，实现C₅₊组分的提馏分离，C₅₊组分从塔底部采出。

3.权利要求1的用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的部分能量耦合分离装置的操作方法，其特征是隔板塔塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，区域1的塔板数为45～60块板，顶部温度-5.2～6.0℃，回流比0.80～0.95，进料位置位于区域1的第25～30块板；区域2的塔板数为25～40块板，顶部温度38.0～47.0℃，回流比1.2～1.5，区域3的塔板数为20～35块板。

4.权利要求2的用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的部分能量耦合分离装置的操作方法，其特征是精馏塔15塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，塔板数为45～60块板，塔顶温度-5.2～6.0℃，回流比0.80～0.95，进料位置位于第25～30块板；精馏塔16塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，塔顶温度38.0～47.0℃，塔板数为50～60块板，回流比1.2～1.5；进料位置及侧线气相采出位置位于第25～40块板。

5.权利要求1或2的用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五分离装置，其特征是分离装置并不仅限于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四及碳五的分离，还应用于对于具有相似组成分布的其他物系分离。