CN102216710B - 使用扩展二元制冷系统的冷却方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种使用扩展二元制冷剂系统进行冷却的方法，所述扩展二元制冷剂系统包含甲烷和诸如丙烯和/或丙烷之类的C3碳氢化合物，将来自压缩机最终排放物的扩展二元制冷剂分离成富含甲烷的蒸气部分和富含至少一种C3的液体部分，使得在各种热交换级中提供各种温度以及制冷级别。可以在使用低压或高压脱甲烷塔的工厂中使用该方法和对应的制冷系统。

Description

使用扩展二元制冷系统的冷却方法
技术领域
这里所公开的实施例涉及制冷系统和制冷方法。
背景技术
乙烯厂需要制冷来从裂化炉流出物中分离出期望的产物。典型地，使用分离的丙烯和乙烯制冷系统。通常，特别是在需要较低温度的使用低压脱甲烷塔的系统中，还采用分离的甲烷制冷系统。因此，需要三种分离的制冷系统，从最低温度到最高温度级联。使用三个压缩机和驱动器系统连同吸鼓、分离交换器、流水线等等。
已知混合制冷剂系统。在这些系统中，在单制冷系统中利用多种制冷剂来提供覆盖更宽温度范围的制冷，使得一种混合制冷系统能够代替多个纯组分(component)级联制冷系统。这些系统的特征在于具有连续碳数的组分的混合物。已经发现这些混合制冷系统在基本负荷液态天然气厂中广泛使用。
在美国专利5,979,177中公开了将二元混合制冷系统应用于乙烯厂设计，其中，制冷剂是甲烷(碳数1)和乙烯或者乙烷中的任一个(碳数2)的混合物。二元制冷系统通常在给定温度和压力条件下利用固定组分进行工作。然而，这种二元制冷系统受限于系统可以工作的温度范围，并因此必须与分离的丙烯系统级联，该丙烯制冷系统在-40℃或更高温度的范围下提供制冷。因此，需要两个分离的制冷系统。
美国专利6,637,237示教了一种在乙烯厂中使用针对所有制冷要求的单制冷系统。所使用的制冷剂是甲烷、乙烯和丙烯(碳数1、2和3)的混合物。该系统能够在从低于-140℃温度级别到接近环境温度级别下提供制冷。
美国专利6,705,113示教了一种利用与美国专利6,637,237不同的过程配置利用三个组分的单制冷系统的使用。然而，美国专利6,637,237和6,705,113均需要三个组分来提供所需温度级别下的所需制冷功能。使用三个组分意味着在任何给定系统温度和压力下成分(composition)不对应于唯一成分，而是对应于成分范围。因此，系统中任何给定点处制冷混合物的成分可以改变。尽管这种变化较小并且不会极大降低制冷系统的性能，但是优选地，操作在给定温度和压力下不具有制冷剂成分变化的系统，以更容易适应乙烯厂工作条件的改变。
发明内容
这里所公开的实施例的目的是提供一种利用甲烷与C3碳氢化合物的混合物作为二元制冷剂的简化单制冷系统。由于该二元系统不是连续碳数的碳氢化合物混合物，而是仅具有C1和C3碳氢化合物组分，因此该系统被称作扩展二元制冷剂。该扩展二元系统可以用来代替与使用低压脱甲烷塔的恢复过程相关联的分离的丙烯、乙烯和甲烷制冷系统，或者利用具有连续碳数的碳氢化合物的二元或三元制冷系统。该系统的一个用途是在烯烃工厂中。
一个实施例是一种方法，包括：使用扩展二元制冷剂对进料气进行冷却，所述扩展二元制冷剂包含甲烷与选自由丙烯和丙烷组成的组的C3碳氢化合物的混合物，将所述扩展二元制冷剂压缩在具有第一级和末级的多级压缩机中，其中，末级具有包含至少60mol％(摩尔百分比)的C3碳氢化合物的末级排放物，并且在压缩之后将所述扩展二元制冷剂划分离成液体制冷剂流和气体制冷剂流。
优选地，C3碳氢化合物是丙烯。末级排放物典型地包含至少70mol％的丙烯，并且有时包含至少75mol％的丙烯。在一些情况下，末级排放物包含10-40mol％的甲烷和60-90mol％的C3碳氢化合物。
通常，至少90wt％的C3碳氢化合物是丙烯，其余的是丙烷。典型地，扩展二元制冷剂包含15-25mol％的甲烷，75-85mol％的丙烯，并且有时包含18-22mol％的甲烷和78-82mol％的丙烯。在许多情况下，进料气包含烯烃，并且所述方法包括通过分馏从冷却的进料气中移除烯烃。
另一实施例是一种利用扩展二元制冷剂冷却的方法，包括：(a)将包括10-40mol％的甲烷和60-90mol％的选自由丙烯和丙烷组成的组的至少一种C3碳氢化合物的混合物在压缩机中压缩，以产生扩展二元制冷剂蒸气；(b)对扩展二元制冷剂蒸气进行冷却，以冷凝所述扩展二元制冷剂蒸气的一部分，并且提供蒸气态的富含甲烷的二元制冷剂流和液态的富含C3碳氢化合物的二元制冷剂流；(c)采用富含甲烷的二元制冷剂流和富含C3碳氢化合物的二元制冷剂流来实现冷却；以及(d)将富含甲烷的二元制冷剂流和富含C3碳氢化合物的二元制冷剂流返回至压缩机。
有时，在(c)中，富含甲烷的二元制冷剂流和富含C3碳氢化合物的二元制冷剂流可以对包括氢、甲烷和乙烯的原料气(charge gas)进行冷却。原料气典型地用于产生乙烯。
另一实施例是一种在从原料气产生烯烃中使用的方法，所述原料气包含氢、甲烷、乙烯，并且可选地包括其他C2和更重的碳氢化合物，其中，原料气通过具有一系列热交换器的制冷系统来冷却。在方法中对原料气进行冷却包括：(a)将包括甲烷和选自由丙烯和丙烷组成的组的C3碳氢化合物的混合物的扩展二元冷却剂蒸气在多级压缩机中压缩，所述多级压缩机具有第一级和具有末级排放物的末级；(b)冷却以冷凝来自末级排放物的扩展二元制冷剂蒸气的一部分，从而形成剩余扩展二元制冷剂蒸气以及具有比选择的混合物更大百分比丙烯的重制冷剂流；(c)在分离器中将重制冷剂流与剩余扩展二元制冷剂蒸气分离；(d)冷却以冷凝来自分离器的剩余扩展二元制冷剂蒸气的至少一部分，从而形成轻制冷剂流；(e)使得重制冷剂流和轻制冷剂流与它们自身且彼此之间进热交换接触并且与一系列热交换器中的原料气进行热交换接触，从而对原料气进行冷却。对重制冷剂流进行冷却，然后进行加热和汽化，首先对轻制冷剂流进行冷却且至少部分冷凝，然后进行汽化；以及(f)将轻制冷剂流和重制冷剂流返回至压缩机。
在(c)中获得的重制冷剂流的一部分优选地用于(b)中的冷却。可以通过重制冷剂流对轻制冷剂流进行部分冷凝，并且通过自制冷(self refrigeration)进一步冷凝。在一些情况下，压缩机包括中间级。所述方法有时还包括：使用重制冷剂流用于乙烯分馏器、脱乙烷塔冷凝器和脱丙烷塔冷凝器中的至少一个的冷却。
压缩机末级排放物中丙烷的成分通常大于50mol％。重液体制冷剂流中丙烯的成分有时大于80mol％。在一些情况下，冷却方法用于增加采用级联制冷系统的现有烯烃工厂的总制冷能力，该级联制冷系统具有分离的丙烯和乙烯制冷系统。
在一些情况下，所述方法包括：使用轻液体流来提供额外制冷功能。在特定情况下，在低压下将轻制冷剂蒸气注入到进入阀的下游乙烯分馏器冷凝器的液体制冷剂流中，所述阀调整注入到乙烯分馏器冷凝器中的液体制冷剂流的流量。可选地，通过在所述分馏塔的底部产生的至裂化加热器的再循环乙烷在减压之后与从所述分馏塔的顶部流出的总顶馏分蒸气之间的热交换，减轻了所述扩展二元制冷剂的直接制冷任务。在另一实施例中，通过在所述分馏塔的底部产生的至裂化加热器的再循环乙烷在减压之后与流至乙烯分馏器冷凝器的所述制冷剂之间的热交换，减轻了所述扩展二元制冷剂的直接制冷任务。
在一些情况下，第一轻碳氢化合物分离塔是脱丙烷塔，并且将脱丙烷分到两个塔中，其中一个塔在较高压力下。有时，在中间再沸器中至少部分冷凝较高压力塔的顶馏分蒸气，以便为高压力塔提供回流(reflux)。
在一个实施例中，所述方法还包括：对原料气进行脱乙烷的步骤，其中，不提供脱乙烷塔冷凝器，并且在接近于脱乙烷塔总顶馏分进入分馏塔的进料塔板(feed tray)处，提取针对脱乙烷塔的回流。典型地，从精炼厂的废气、丙烷的催化氢化、或者碳氢化合物的蒸气裂化中获得原料气。
另一实施例是一种扩展二元制冷剂，包括甲烷和选自由丙烯和丙烷组成的组的C3碳氢化合物的混合物，所述扩展二元制冷剂包含10-40mol％的甲烷和60-90mol％的选自由丙烯和丙烷组成的组的至少一种C3碳氢化合物。制冷剂包含不多于约2mol％的氢，其中甲烷、C3碳氢化合物和氢的总mol％是100％。通常，扩展二元制冷剂可以在大约-136摄氏度到大约25摄氏度温度范围内提供制冷。
根据以下描述，制冷系统和方法的目的、布置和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是制冷系统的第一实施例的示意流程图，该制冷系统在由于烯烃工厂生产能力的扩大需要附加制冷能力时特别合适。
图2是扩展二元制冷原理的一般应用的示意流程图，该原理适于新烯烃工厂设计或者需要制冷供应显著提高的烯烃工厂大扩建。
图3是示出了在图2的实施例中使用的一些热交换原理的示意流程图。
图4是示出了附加热交换原理的示意流程图，附加热交换原理可以用作图2和3所示的特定原理的备选方案。
图5示出了当由于烯烃工厂产量的扩大需要额外制冷能力时特别适合的另一实施例。
图6是示出了可以在新烯烃工厂或现有烯烃工厂的大扩建中使用的扩展二元制冷系统的另一实施例的示意流程图。
具体实施方式
所公开的实施例涉及将来自压缩机末级的排放物的扩展二元制冷剂分离成甲烷含量大的至少一种蒸气和丙烯浓度高的至少一种液体，使得在各热交换级中提供变化的温度和制冷级别。有利的是，对压缩机排放物处分开的蒸气进行冷却和部分冷凝，以提供甲烷浓度更高的第二种蒸气。扩展二元系统不仅可以在采用低压脱甲烷塔的乙烯工厂中使用，而且可以应用于具有高压脱甲烷塔的乙烯工厂，在这种情况下，二元系统典型地仅在丙烯和乙烯温度级别下提供制冷。即，该系统提供从刚好低于环境温度到近似100℃的温度级别下的制冷，其中，在较低温度下制冷系统不直接提供制冷。扩展二元制冷系统还用于提供制冷，以从精炼厂废气中回收乙烯。此外，该系统可以用来提供制冷，以回收丙烷的催化去氢化所产生的丙烯和副产品乙烯，从而主要形成丙烯产物。该系统适合于针对制冷任务的温度范围从环境温度到大约-136摄氏度的任何过程。
结合主要用于乙烯和丙烯生产的烯烃工厂描述所述方法。在一些情况下，首先对裂解气进行处理，以移除甲烷和氢，然后对裂解气进一步进行处理，以产生和分离选择的烯烃。乙烯工厂中在低温温度下通过冷凝和分馏分离气体需要在宽温度范围上的制冷。乙烯工厂的制冷系统中所涉及的资金成本可能是总工厂成本的大部分。因此，针对制冷系统的资金节省可以显著降低总工厂成本。
如这里所使用的，“扩展二元制冷剂”是指制冷系统，该制冷系统包括碳数相差至少2的两种碳氢化合物，并且不包括中间碳氢化合物。例如，包含甲烷(C1碳氢化合物)和乙烯和/或丙烷(C3碳氢化合物)的扩展二元制冷剂不包含乙烯或乙烷(C2碳氢化合物)。
具有高压脱甲烷塔的乙烯工厂在高于2.76MPa(400psi)的压力下操作，其中顶馏分温度典型地在-85℃到-100℃范围中。近似-100℃到-102℃下的乙烯制冷典型地用于激冷(chill)总脱甲烷塔顶馏分(overhead)蒸气，以产生回流。利用低压脱甲烷塔和利用-110℃到-140℃范围内的顶馏分温度设计的乙烯工厂需要甲烷温度级别的制冷以产生回流，低压脱甲烷塔在低于大约2.41MPa(350psi)并且通常在0.345到1.034MPa(50到150psi)下操作。低压脱甲烷塔的优点是较低的总工厂功率要求以及较低的总工厂资金成本，而缺点是所需的较低制冷温度，并且因此除了乙烯和丙烯制冷系统乙烷还需要甲烷制冷系统。C3的分离需要从环境温度到-30℃范围的温度。这表示扩展二元温度范围的上限。
扩展二元制冷剂包括甲烷与丙烯和/或丙烷的混合物。根据甲烷原料气的来源和组成成分(makeup)，也可以存在少量的氢。甲烷和丙烯的浓度可以根据乙烯工厂裂化进料，裂化程度(severity)和激冷系统(chilling train)压力等因素而改变，但是在压缩机排放物处所测量到的值通常在10到30mol％的甲烷和70到90mol％的丙烯的范围内。针对具有低压脱甲烷塔的烯烃工厂的典型成分应当是大约20mol％的甲烷和大约80mol％的丙烯。单一扩展二元制冷剂的使用提供所有制冷负载，以及乙烯工厂所需的温度，而同时不需要两个或三个分离的制冷系统。制冷剂通常在闭环系统内循环。
所公开的实施例的目的是提供必需的制冷，以分离来自原料气的氢和甲烷，并且为脱甲烷塔提供进料(feed)。可选地，所述方法提供整个工厂的一些或全部其他制冷要求。
在描述扩展二元制冷系统之前，根据仅出于示意性目而包括的特定温度的示例，描述通过系统的原料气的流动。
图1示出了用于向正在加大生产量的现有烯烃生产工厂添加增长的制冷能力的增强二元制冷系统设计。激冷系统进料16或原料气(是根据需要调节且被冷却的热解原料气)典型地在大约15℃至20℃的温度下，并且在大约2至3.5MPa(近似280至500psi)压力下，并且典型地是蒸气流。在采用蒸气和液体碳氢化合物干燥剂的设计中，对激冷系统的进料是组合蒸气-液体混合物。该流包含氢、甲烷和C2和更重的组分(包括乙烯和丙烯)。在热交换器18、19、20和21中通过制冷系统逐步对激冷系统进料16进行冷却，进行适当的分离以产生脱甲烷塔进料。
除了激冷系统进料16和二元制冷剂流以外，在不同温度下还存在各种乙烯厂流，这些流也通过热交换器进行冷回流换热(recuperationof cold)，例如流13。
图1所示的系统利用两个压缩级来从环境温度下降到大约-136摄氏度以产生制冷。该设计是现有设计制冷系统的补充，现有设计制冷系统是经典的丙烯和乙烯制冷级联、经典的丙烯、乙烯和甲烷级联制冷系统，或混合制冷系统。所示的设计仅提供了用于原料气激冷和脱甲烷的制冷，但不提供用于C2和C3分离的分馏制冷。
激冷系统进料16在交换器18和19中进行激冷，并且被部分冷凝，然后在分离器26中被分离成蒸气流22和液体流24。液体流24流至脱甲烷塔。蒸气流22流至热交换器20，在热交换器20中对蒸气流22进行冷却并且部分冷凝，然后在分离器32中分离成蒸气流28和液体流30。液体流30然后作为中间温度液体流流至脱甲烷塔。蒸气流28然后流至热交换器21，在热交换器中，对蒸气流28进行冷却并且部分冷凝，然后在分离器28中分离成蒸气流34和液体流36。液体流36是最冷的脱甲烷塔进料。对蒸气流34进一步进行激冷(图1中未示出)，然后在分离器44中分离成富含氢的流40和富含甲烷的流42，然后分别返回至交换器21、20、19、18和17的二元制冷系统热交换网络，以进行冷恢复(recovery of cold)。
离开扩展二元制冷压缩机50的扩展二元压缩机排放流1通常包含至少50mol％的C3碳氢化合物，剩余的是甲烷。在一些情况下，流1包含60-90mol％的丙烯(或丙烷)和10-40mol％的甲烷成分。由于至压缩机系统的甲烷组成成分是从脱甲烷塔净顶馏分蒸气产物中提取的而未经进一步处理，因此，包含一些氢，并且在具有0.5mol％的氢含量的压缩机排放物中，甲烷含量少量减小，例如减小大约0.5mol％。注意，可能并有时期望例如通过制冷系统中的受控排气来控制减小氢含量。
在热交换器52中通过水或空气(优选地冷却水)对流1进行冷却并且部分冷凝，然后在分离器鼓54中分离成蒸气流2和液体流3。从分离器鼓54中提取富含甲烷的蒸气流2，然后在交换器17到21中对蒸气流2进行冷却，并且最终总体或多数冷凝，并且如果需要的话，在分离器鼓56中进行分离。然后通过控制阀81排出冷凝的轻制冷剂流4，并且可选地使用可选控制阀82通过膨胀至低压对任何未冷凝的蒸气5进行冷却。温度控制器91调整从控制阀81的压力释放。阀82提供将流5与来自控制阀81的排放蒸气相混合所需的压力下降。通过提高或降低来自控制阀81的排放物压力，提高或降低进入交换器21的温度，以便为流28提供所需的冷却，并且确保经由流36针对脱甲烷塔的最冷液体进料流。在一个实施例中，作为流4和5的组合的流6的温度在减压之后大约是-136摄氏度。
类似地，针对离开鼓32的蒸气流28的温度控制器92用来使一部分蒸气流8经过控制阀83，以混合到组合的部分再加热轻制冷剂流6，以便为冷凝碳氢化合物提供激冷，从而形成中间温度脱甲烷塔进料流30。
类似地，针对离开分离器26的蒸气流22的温度控制器93控制一些蒸气流10经过控制阀84与部分再加热流9相混合，以提供激冷，从而形成最热脱甲烷塔进料液体流24。
通过交换器19和20中的相互交换，流2的冷却形成流8和10。这些流的成分没有改变，因为流2冷却从而形成流8、10和15。对来自分离器56的蒸气和液体进行重新组合，并且成为流6、9和13的一部分。
离开分离器鼓54的重液体流3提供一定程度的制冷，以在交换器18中对激冷系统进料16进行激冷，并且在交换器17和18中对轻制冷流2进行激冷和部分冷凝。在热交换器17中，通过过程流的再加热以及通过将流3中激冷的重制冷剂的一部分降低至较低压力作为流11，对离开分离器鼓54的流3进行激冷。针对流13的剩余部分(即，流12)的温度控制器94控制流11经过控制阀85。在交换器17中被汽化的流11路由至鼓77，并且然后流至压缩机50的第二级吸入(suction)部。在交换器18中除了重制冷剂流以外剩余的液体流12进一步进行制冷。然后通过提供附加冷却的控制阀86将流12减低至最低制冷剂压力，并然后将流12与轻制冷剂流13相混合，以形成流14。轻制冷剂流13是总的轻制冷剂，并且由流6、8和10组成。流12与流13的混合降低了流12的温度，超过了通过减低压力所实现的温度降低。然后在交换器18中对流14进行再加热，并且流14流至第一级压缩吸入鼓76，然后作为第一级吸入流而流至压缩机50。
图1所示的过程利用单个压缩机以及基本上由甲烷和丙烯组成的制冷剂，来提供从正好低于环境温度下降到大约-136摄氏度温度的制冷。这超过了利用连续碳数的任何二元系统的范围。如上所述，图1示出了用于烯烃厂扩建的系统。利用该配置仅满足烯烃厂的一部分制冷要求。
图2示出了用于整个烯烃厂的扩展二元制冷系统。与烯烃厂(无论是完全的新厂还是扩建的厂)分离系统设计相关联的过程的所有制冷要求可以通过该配置来提供。图2示出了利用前端脱丙烷塔作为第一轻碳氢化合物分离蒸馏系统的烯烃厂设计。然而，扩展二元制冷原理还可以用于满足这样的烯烃厂的制冷要求，该烯烃厂具有脱甲烷塔或脱乙烷塔作为第一轻碳氢化合物分离塔系统，以及利用其他蒸馏或分馏原理对蒸气裂化装置的产物进行分离和提纯，对裂化装置提供碳氢化合物进料且从中产生裂化产品。
在热交换器152中通过环境温度冷却介质(例如，冷却水或空气，优选地冷却水)对离开压缩机150的蒸气流101进行冷却以接近环境温度。混合的蒸气和液体流然后流至分离器鼓154，在分离器鼓154中，将该流分离成蒸气流102和液体流103。在一个实施例中，蒸气流101具有大约10-40mol％的甲烷或大约20-30mol％的甲烷以及大约60-90mol％的丙烯或大约70-80mol％的丙烷的成分。该成分取决于至蒸气裂化加热器的进料，以及对碳氢化合物进行裂化的条件，并且还取决于包含任何附加烯烃的流是否流至烯烃厂以恢复产物。此外，尽管制冷剂主要是甲烷和丙烯的二元混合物，但是应当认识到，取决于至增强二元制冷系统的甲烷原料和组成成分，也可以包含一些氢，并且取决于对增强二元制冷系统的丙烯原料和组成成分，也可以包含一些丙烷。
在一些情况下，按照离开裂化加热器的0.50到0.55的丙烯乙烯重量比，离开分离器154的蒸气流102对于典型石脑油裂化器具有52-55mol％的标称甲烷浓度。对较轻碳氢化合物进料和较高裂化加热器裂化程度，甲烷浓度可以增加至65mol％。对于以较低程度裂化的更重进料，甲烷浓度有时可以降低至45mol％。
离开分离器154的液体流103有时具有80到90mol％的正常丙烯浓度。随着工艺条件的改变，丙烯浓度可以低至70-75mol％，并且高至90mol％。
典型地，在核心或铜焊铝交换器设计的热交换器117中对液体流103的一部分(流104)进行激冷。可以通过如下方式提供激冷：利用可用的过程再加热(包括过程流106)；通过在控制阀181上排出激冷的流104的一部分作为流111，利用后续的压力和温度降低，使用该流来提供用于流102和104的激冷，以及根据需要对其他过程负载进行激冷，包括流123。该汽化流111然后流至压缩机第二级排放鼓177。
在提取流111之后，流104的剩余是流112，在交换器118中对该流进行激冷。离开交换器118，通过阀182排出激冷的流119，导致压力和温度的降低，并且然后在流至压缩机第二级吸入鼓176之前，激冷的流119流回至交换器118，以进行汽化和再加热。激冷也可以通过可用的过程再加热来提供，例如，流125。所提供的制冷可以根据需要用于对过程流进行激冷，例如流127，从而对流102进行激冷。
在交换器119、120和121中通过连续激冷对已经在交换器117和118被激冷且部分冷凝的蒸气流102进行进一步激冷以使其完全或大部分冷凝。热交换器119中的激冷可以通过以下操作来提供：通过可用的过程再加热(process reheat)(例如，在流129中)，以及通过通过阀183上排出激冷的流102的第一部分作为流110，将压力减至接近扩展二元制冷压缩机150的吸入压力。流102的剩余部分是流107，并且在通过热交换器120之后，通过控制阀184排出该流的一部分作为流108。流107的剩余部分是流115，并且在热交换器121中对流115进行激冷。流115离开交换器121之后通过阀185被排出，降低了压力和温度。该流现在代表系统的最冷温度。如图1中的系统，该系统用于通过冷却流128来产生最冷脱甲烷塔进料，以形成液体流136。然后将该部分再加热的流115与流108相组合，以形成流109。图2中未示出的是针对流122、128和134的温度控制器，温度控制器调整减压阀183、184和185，以确保脱甲烷塔进料130和124的形成。
在热交换器120中使用可用的过程再加热(包括流133)对流109进行部分再加热，并且将流109与流110、热交换器119中正被再加热的组合的流113相组合。所提供的制冷用于对激冷系统进料116进行冷却和部分冷凝，然后该激冷系统进料116离开交换器119，且流至分离器鼓126。液体流124被分离且流至脱甲烷塔。离开分离器126的蒸气流122流至热交换器120，在热交换器120中对蒸气流122进行激冷和部分冷凝，并且该蒸气流122流至分离器鼓132。在鼓132中，将流122分离成液体流130和蒸气流128。液体流130流至脱甲烷塔作为中间温度进料。
蒸气流128离开分离器鼓132并且流至热交换器121，在热交换器121中，对该蒸气流128进一步进行激冷和部分冷凝。离开热交换器121之后，流在分离器鼓138中被分离成液体流136和蒸气流134。液体流136流至脱甲烷塔作为最冷进料。对蒸气流134进一步进行处理，以分离成富含氢的流和富含甲烷的流。流128的激冷可以通过可用的过程再加热(包括流131)以及通过阀185对流115减压来提供，并且在交换器121中对流128进行再加热和部分汽化。
在该设计中，由于将流136激冷至足够低的温度，使得不需要回流，因此不提供脱甲烷顶馏分冷凝器。因此，脱甲烷塔是汽提塔。该实施例还可以被配置为实现脱甲烷塔总顶馏分蒸气的冷却，以提供回流作为备选过程设计方法。
从流103中提取液体流105并且通过控制阀186减低压力，从而为低压脱丙烷塔冷凝器142提供激冷。在汽化之后，然后将流105与汽化的流112相组合作为流114。该流与流168相组合作为流169并且流至扩展二元制冷压缩机第二级吸入鼓176。
来自压缩机150的第二级排放蒸气153通过交换器140中的冷却水进行激冷，然后在流至扩展二元制冷第二级排放鼓177之前，与汽化流111相组合作为流154。流156离开鼓177，并且该流的一部分(流158)返回至扩展二元制冷压缩机150作为第三级吸入流。剩余部分160首先流至乙烯分馏器再沸器162，然后流至乙烯分馏器侧再沸器164，剩余部分160在流至分离器鼓166之前在乙烯分馏器侧再沸器164中大部分但不是完全被冷凝。
离开分离器鼓166的蒸气流168与再加热的流114相组合，并且流至扩展二元制冷压缩机第二级吸入鼓176。离开鼓176的蒸气流170是至压缩机150的第二级吸入流。
离开鼓166的液体流172在热交换器175中被加热，并且然后通过阀187排出，以接近扩展二元制冷压缩机第一级吸入的吸入压力。膨胀流然后与流113相组合以形成流174，流174是混合的蒸气和液体流。较高甲烷浓度的再加热的流113在被注入到膨胀流172中时还降低了组合的膨胀流174的温度。流174然后流至乙烯分馏器顶馏分冷凝器178，并且被汽化以提供激冷，从而冷凝回流以实现聚合级乙烯与乙烷的分离。由于将流113注入到流172中，流174的压力可以更高，而同时保持交换器175中符合经济效益的温度差。由于汽化流174流至鼓179，并且然后随后变成至扩展二元制冷压缩机150的吸入流，更高的压力减少了制冷压缩机150所需的功率。
图2中所示的过程设计利用一些便于扩展二元制冷压缩机中蒸气和液体流的平衡的热交换原理。来自乙烯分馏器的底部的再循环乙烷被减压，以接近裂化加热器入口压力，并且然后在交换器175中汽化，该再循环乙烷位于乙烯分馏器的顶馏分中，从而减轻了交换器178的任务，并且对流至交换器178的制冷剂172进行激冷。使用来自扩展二元制冷压缩机150的第二级的蒸气提取物160实现了附加的过程热灵活性，因此允许系统具有更宽的任务范围，来为新烯烃单位或与较小扩建相比更大的扩建提供制冷，如图2所示。
在图3中，C2分馏器系统将来自脱乙烷塔204的总进料202分离成乙烯产物206、乙烷再循环流208和回流210。乙烷再循环流208通过阀281通过，被减压以接近裂化加热器入口压力，并且然后通过热交换器212。在热交换器212中来自鼓166(图2)的流172’在通过阀214(187’)之前进行激冷，并且流至热交换器216(图2的178’)。在热交换器212中发生的子冷却(subcooling)降低了216(178’)中C2分馏器冷凝器任务所需的流172’的流速。
图3还示出了脱乙烷塔204与C2分馏器218的关系。重要地，不存在针对来自脱乙烷塔的顶馏分流222的顶馏分冷凝器。针对脱乙烷塔204的回流由流210提供，在来自脱乙烷塔204的总进料(流222)进入C2分馏器218的一点或刚好低于该点处，从C2分馏器排放流210。在热交换器216中对流219进行冷却，并且将其发送至鼓232。流219的一部分从鼓232返回至分馏器的顶部作为流230，并且移除剩余部分作为流206中的乙烯产物。脱乙烷塔204和C2分馏器218按照这种方式集成可以便于扩展二元制冷系统的设计和操作。
图3还示出了中间再沸器220。至该中间再沸器220的进料在塔中低于进料流222的进入点且高于排出至底部再沸器224的流225的点处从C2分馏器218中排出。在中间再沸器220中对来自脱丙烷塔的总顶馏分流226进行冷却和部分冷凝。通过按照这种方式与C2分馏器集成，降低了用于交换器142(图2)的负载。这为系统提供灵活性，并且减少了从重液体制冷剂流103提取且再循环至第二压缩级的流105的流量。这继而降低了压缩机150的功率要求。来自中间再沸器220的流228是蒸气和液体的混合物，并且被发送至鼓，以将蒸气产物与回流分离。附加地，在该蒸气-液体分离之前，可以在其他交换器中对流228进行冷却，以满足正常操作或启动要求或这二者。
图4示出了图3过程配置的变型。在这种配置中，通过阀330排出流308(从C2分馏器318的底部提取的再循环乙烷)，以接近裂化加热器入口压力，并且然后传送到热交换器316，在热交换器316中，通过对离开塔318的顶馏分的流319进行部分冷凝，来汽化再循环C2。由于交换器316的任务减少了交换器312的所需任务，因此减少了来自鼓366的流172”的流量。如图2所示，减少该流(图2上的172)减少了从第二级排放提取的作为流153的净蒸气。这降低了通过系统的二元制冷剂的总体流量以及压缩器150所需的功率。
使用图3和4中的热交换原理可以降低净制冷负载和功耗。该原理具有其他优点：通过降低扩展二元制冷系统的总流量并因此降低系统上特别是压缩机上平衡蒸气和液体负载的要求，来便于扩展二元制冷压缩机的过程设计和操作。
图5示出了图1方案的备选。在图5的过程方案中，蒸气流402和液体流403离开分离器鼓454。可以通过以下操作经过热交换对最后的压缩机排放物401进一步进行冷却：提取重液体流403的一部分作为流406、降低通过阀481的该提取液体的压力、以及在热交换器408中与部分冷却的流401的热交换，热交换器408在冷却水交换器452的下游。由于这种配置，进入鼓454的冷却流401的温度在离开冷却水交换器452时低于流401的温度。离开交换器408的汽化流406与流411相组合以形成流412，并且路由至第二级吸入鼓476，并且在第二吸入处进入压缩机450。来自分离器454的剩余液体流404通过热交换器417来传递。这种备选配置的优点在于，离开压缩机450的总流量较高，并且压力低于图1所示的过程，以实现与组合系统相同程度的过程制冷。因此极大地提高了体积流量，并且这在压缩机排放体积流量相对低且导致效率低的离心压缩机设计的情况下是有利的。
图6示出了图2的过程方案的备选方案，其中，对来自压缩机550的最后排放流501进行冷却、在鼓554中分离成液体流503和蒸气流502。通过以下方式来实现流501的附加冷却：提取重液体流503的一部分作为流506；通过阀581减小该提取液体的压力，并且在交换器508中与流501(在流501已经离开冷却水交换器552之后)热交换，使得进入鼓554的冷却流501的温度低于离开冷却水交换器552的流501的温度。然后流506与流511相组合以形成流507，流507作为流554的一部分路由至第二级排放鼓577，并且在第三级吸入处，流554的一部分在流513中进入压缩机550。离开鼓577的流554的其余部分形成流514，流514与流505和512相组合，在为乙烯分馏器再沸器和乙烯分馏器侧再沸器提供过程任务之后，在流570中形成对压缩机550的第二级的进料。来自分离器554的剩余液体流504通过热交换器517传递。这种备选配置的优点在于，离开压缩机550的总流量较高，并且压力低于图2方案中的压力。体积流量因此大大增加，并且这在压缩机排放体积流量在太低以至于不能提供有效压缩机设计的情况下是有利的。这种较高流量的压力比用于图5所示过程的压力更高，图5所示的过程要求两个压缩级，而不是如图2所示的三个压缩级。再循环流506最终路由至第二级排放鼓(第三级吸入部)。
示例
进行计算机化过程仿真，在该过程仿真中，由19mol％的甲烷和80.5mol％的丙烯形成的扩展二元制冷剂(还包含0.5mol％的氢气)用作图1所示过程中的制冷剂。在以下表1中示出了轻制冷剂流2、重制冷剂流3、以及压缩机的吸入级的压力和成分。扩展二元制冷剂成功地为具有低压脱甲烷塔的乙烯工厂提供制冷，并且还可以在采用高压脱甲烷塔的工厂中使用。
表1

Claims (38)

1.一种方法，包括：使用扩展二元制冷剂对进料气进行冷却，所述扩展二元制冷剂包含甲烷与选自由丙烯和丙烷组成的组的C3碳氢化合物的混合物，在具有第一级和末级的多级压缩机中压缩所述扩展二元制冷剂，其中，末级具有包含至少60mol％C3碳氢化合物的末级排放物，并且在压缩之后将所述扩展二元制冷剂分离成液体制冷剂流和气体制冷剂流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述C3碳氢化合物包括丙烯。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述C3碳氢化合物的至少90wt％是丙烯。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述末级排放物包含10-40mol％的甲烷和60-90mol％的C3碳氢化合物。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述末级排放物包含15-25mol％的甲烷和75-85mol％的丙烯。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述扩展二元制冷剂包含18-22mol％的甲烷和78-82mol％的丙烯。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扩展二元制冷剂提供-136摄氏度到25摄氏度温度范围内的制冷。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述进料气包含烯烃，所述方法包括通过分馏从冷却的进料气中移除所述烯烃。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述烯烃是乙烯。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述进料气还包括氢和甲烷。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述末级排放物包含10-40mol％的甲烷和60-90mol％的C3碳氢化合物。
12.一种利用扩展二元制冷剂进行冷却的方法，包括：
(a)将包括10-40mol％的甲烷和60-90mol％的选自由丙烯和丙烷组成的组的至少一种C3碳氢化合物的混合物在多级压缩机中压缩，以产生扩展二元制冷剂蒸气；
(b)对所述扩展二元制冷剂蒸气进行冷却，以冷凝所述扩展二元制冷剂蒸气的一部分，并且提供蒸气态的富含甲烷的二元制冷剂流和液态的富含C3碳氢化合物的二元制冷剂流；
(c)采用所述富含甲烷的二元制冷剂流和所述富含C3碳氢化合物的二元制冷剂流来实现冷却；以及
(d)将所述富含甲烷的二元制冷剂流和所述富含C3碳氢化合物的二元制冷剂流返回至所述多级压缩机。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述富含甲烷的二元制冷剂流和所述富含C3碳氢化合物的二元制冷剂流对包括氢、甲烷和乙烯的原料气进行冷却。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述原料气用于产生乙烯。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，扩展二元制冷剂提供在-136摄氏度到25摄氏度温度范围内的制冷。
16.一种在从原料气产生烯烃中使用的方法中，所述原料气包含氢、甲烷和乙烯，其中，所述原料气通过具有一系列热交换器的制冷系统来冷却，对原料气进行冷却的方法包括：
(a)在多级压缩机中压缩包含甲烷和选自由丙烯和丙烷组成的组的C3碳氢化合物的扩展二元制冷蒸气，所述多级压缩机具有第一级和具有末级排放物的末级；
(b)冷却以冷凝来自所述末级排放物的扩展二元制冷剂蒸气的一部分，从而形成剩余扩展二元制冷剂蒸气以及具有比所述扩展二元制冷剂蒸气更大百分比的丙烯的重制冷剂流；
(c)在分离器中将所述重制冷流剂与所述剩余扩展二元制冷剂蒸气分离；
(d)冷却以冷凝来自所述分离器的所述剩余扩展二元制冷剂蒸气的至少一部分，从而形成轻制冷剂流；
(e)使得所述重制冷剂流和所述轻制冷剂流与它们自身且彼此之间并且与原料气在所述一系列热交换器中进行热交换接触，从而对所述原料气进行冷却，对所述重制冷剂流进行冷却，然后进行加热和汽化，并且首先对轻制冷剂流进行冷却和至少部分冷凝，然后进行汽化；以及
(f)将所述轻制冷剂流和所述重制冷剂流返回至所述压缩机。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，冷却以冷凝所述二元制冷剂蒸气的至少一部分包括利用冷却水进行冷却。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，在(c)中获得的所述重制冷剂流的一部分用于(b)中的冷却。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述轻制冷剂流由所述重制冷剂流来部分冷凝，并且通过自制冷来进一步冷凝。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，压缩机还包括中间级。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：使用所述重制冷剂流的一部分用于乙烯分馏器再沸器、脱乙烷塔冷凝器和脱丙烷塔冷凝器中的至少一个的冷却。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述末级排放物中的丙烯含量大于50mol％。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，步骤(b)中形成的制冷剂流中的丙烯含量大于80mol％。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，扩展二元制冷剂提供在-136摄氏度到25摄氏度温度范围内的制冷。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，该方法用于增加采用级联制冷系统的现有烯烃工厂的总制冷能力，所述级联制冷系统具有分离的丙烯和乙烯制冷系统。
26.根据权利要求16所述的方法，还包括：使用在步骤(d)中形成的轻制冷剂流来执行额外制冷任务。
27.根据权利要求16所述的方法，其中，在低压下将步骤(d)中形成的轻制冷剂流注入到进入阀下游的乙烯分馏器冷凝器的液体制冷剂流中，所述阀调整进入所述乙烯分馏器冷凝器中的所述液体制冷剂流的流量。
28.根据权利要求16所述的方法，其中，通过在分馏塔的底部产生的至裂化加热器的再循环乙烷在减压之后与从所述分馏塔的顶部流出的总顶馏分蒸气之间的热交换，减轻了所述扩展二元制冷剂的直接制冷任务。
29.根据权利要求16所述的方法，其中，通过在分馏塔的底部产生的至裂化加热器的再循环乙烷在减压之后与流至乙烯分馏器冷凝器的所述制冷剂之间的热交换，减轻了所述扩展二元制冷剂的直接制冷任务。
30.根据权利要求16所述的方法，其中，所述分离器是脱丙烷塔，所述脱丙烷塔包括不同压力下的两个塔，并且在中间再沸器中至少部分冷凝较高压力的塔顶馏分蒸气，从而为较高压力塔提供回流。
31.根据权利要求16所述的方法，还包括：对所述原料气进行脱乙烷的步骤，其中，不提供脱乙烷塔冷凝器，并且在脱乙烷塔总顶馏分进入分馏塔的进料塔板附近，提取针对所述脱乙烷塔的回流。
32.根据权利要求16所述的方法，其中，离开所述压缩机的所述扩展二元制冷剂蒸气包括不多于1mol％的氢。
33.根据权利要求16所述的方法，其中，离开所述压缩机的所述扩展二元制冷剂蒸气包括不多于10mol％的丙烷。
34.根据权利要求20所述的方法，其中，所述扩展二元制冷剂被配置为，通过代替具有分离的丙烯和乙烯制冷系统的级联制冷系统，来增加现有烯烃工厂的总制冷能力。
35.一种扩展二元制冷剂，包括甲烷和选自由丙烯和丙烷组成的组的C3碳氢化合物的混合物，所述扩展二元制冷剂包含10-40mol％的甲烷、60-90mol％的选自由丙烯和丙烷组成的组的至少一种C3碳氢化合物、以及不多于2mol％的氢，甲烷、C3碳氢化合物和氢的总mol％是100％。
36.根据权利要求35所述的扩展二元制冷剂，其中，C3碳氢化合物是丙烯。
37.根据权利要求35所述的扩展二元制冷剂，其中，扩展二元制冷剂提供在-136摄氏度到25摄氏度的温度范围的制冷。
38.根据权利要求35所述的扩展二元制冷剂，其中，所述制冷剂包含15-25mol％的甲烷和75-85mol％的丙烯。
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