CN110312907B - 乙烯设备制冷系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过二元制冷剂冷却进料气体的制冷系统。所述制冷系统包括n个热交换器、n个压缩机级、至少一个分离器和脱甲烷塔。通过使减压的制冷剂流过所有随后的热交换器并安装级间冷却器，用于制冷系统的总能量降低。

Description

乙烯设备制冷系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月2日提交的欧洲专利申请号17150017.6的优先权的权益，通过整体引用将其并入本文。
技术领域
本发明涉及一种乙烯设备制冷系统。
背景技术
在乙烯设备中，通常通过脱甲烷塔处理进料气体如热解气体以除去甲烷和氢气，并以已知方式处理剩余物以分离乙烯。在乙烯设备中通过在低温下冷凝并分馏来分离气体需要在宽温度范围内制冷。乙烯设备的制冷系统中涉及的资本成本可能是总设备成本的重要部分。因此，制冷系统的资本节省将显著影响总的设备成本。
US5979177公开了一种在制冷系统中通过低压脱甲烷塔由含有氢气、甲烷、乙烯和其它C2和更重烃的进料气体生产乙烯的方法。包含甲烷和乙烯的混合物的二元制冷剂用于所述冷却。二元制冷剂通过一系列热交换器逐步膨胀并冷却。使进料气体与冷却的二元制冷剂在热交换器中接触以进行冷却。已在热交换器中使用的二元制冷剂的料流由单个压缩机压缩，并且随后进行膨胀以冷却，用于在所述热交换器系列中再使用。
已在热交换器中使用的二元制冷剂的压缩需要大量的能量。期望能够提供一种需要较少能量的制冷系统。
发明内容
在本发明的上下文中，现描述十五个实施方案。实施方案1是一种用于通过二元制冷剂冷却进料气体的制冷系统，所述制冷系统包含：用于通过二元制冷剂(2501)逐步冷却进料气体(2001)的n个热交换器(H-201、H-202、H-203、H-204)，其中n是至少2的整数，其中所述制冷剂(2501)被依次供给到第一个至第n个热交换器(H-201、H-202、H-203、H-204)，其中在所述n个热交换器的每个之后，所述制冷剂的一部分进行膨胀以降低温度，从而提供第一个至第n个膨胀的制冷剂(2502、2503、2504、2505)，其中，所述膨胀的制冷剂的每个被返送到所述热交换器系列，使得第k个膨胀的制冷剂(2502、2503、2504、2505)被依次返送到第k个至第一个热交换器(H-204、H-203、H-202、H-201)，以提供冷却并产生第k个加热的制冷剂(2410、2308、2206、2104)，其中k是1至n的整数，其中所述加热的制冷剂(2410、2308、2206、2104)具有0℃至25℃的温度；用于压缩所述加热的制冷剂(2410、2308、2206、2104)的n个压缩机级(K-211、K-212、K-213、K-214)，其被布置成使得来自第m个压缩机级(K-211、K-212、K-213)的输出物在由各自的级间冷却器(H-211、H-212、H-213)冷却之后被供给到第(m+1)个压缩机级(K-212、K-213、K-214)，其中m是1至(n-1)的整数，并且来自第n个压缩机级的输出物被供给到第n个级间冷却器(H-214)；在所述热交换器(H-202、H-203、H-204)中的一个之后的至少一个分离器(V-201、V-202、V-203)，其用于分离来自所述热交换器的冷却的进料气体，以产生待供给到随后的热交换器的顶部产物(2005、2008、2011)和底部产物(2004、2007、2010)；和脱甲烷塔(C-201)，其用于将来自所述至少一个分离器的底部产物(2004、2007、2010)分离成包含甲烷的顶部产物和包含C2+烃的底部产物。
实施方案2是如实施方案1所述的制冷系统，其中第k个加热的制冷剂(2410、2308、2206、2104)分别被供给到第(n-k+1)个压缩机级(K-211、K-212、K-213、K-214)。实施方案3是如实施方案1和2中任一项所述的制冷剂系统，其中来自第n个热交换器(H-204)的进料气体(2011)在不分离的情况下，优选在冷却之后，被依次返送到第n个至第1个热交换器。实施方案4是如实施方案1和2中任一项所述的制冷系统，其中来自第n个热交换器(H-204)的进料气体(2011)被分离成H2的料流和甲烷的料流，并且所述料流的每个，优选在H2的料流和/或甲烷的料流被冷却之后，被依次返送到第n个至第1个热交换器。实施方案5是如实施方案1和2中任一项所述的制冷系统，其中所述制冷系统进一步包含用于冷却来自第n个热交换器(H-204)的进料气体(2011)的进料气体热交换器(H-205)和用于将来自进料气体热交换器(H-205)的冷却的进料气体分离成H2的料流和甲烷的料流的分离器(V-204)，所述H2的料流和甲烷料流被返送到进料气体热交换器(H-205)并依次到第n个至第一个热交换器，其中甲烷的料流在被返送到进料气体热交换器(H-205)之前进行膨胀以降低温度。
实施方案6是如前述实施方案中任一项所述的制冷系统，其中所述制冷系统进一步包含制冷剂热交换器(H-206)，其用于通过来自第n个热交换器(H-204)的制冷剂将来自脱甲烷塔(C-201)的顶部产物冷却并部分冷凝，所述制冷剂在被供给之前已进行膨胀以降低温度，其中冷却的顶部产物的蒸气馏分被依次返送到第n个至第一个热交换器，并且冷却的顶部产物的液体馏分作为回流物被返送到所述脱甲烷塔(C-201)，其中来自制冷剂热交换器(H-206)的加热的制冷剂被依次返送到第n个至第一个热交换器，并且随后被返送到第一个压缩机级(K-211)。实施方案7是如前述实施方案中任一项所述的制冷系统，其中所述制冷系统进一步包含用于液化来自第n个级间冷却器(H-223)的二元制冷剂(2561)的冷却系统，以提供作为液体被供给到第一个热交换器(H-201)的制冷剂(2501)。
实施方案8是如实施方案7所述的制冷系统，其中所述用于液化来自第n个级间冷却器(H-223)的二元制冷剂(2561)的冷却系统包含用于通过丙烯制冷剂冷却二元制冷剂(2561)的冷却器系列(H-215、H-216、H-217)、用于再压缩在所述冷却器中使用的丙烯制冷剂的蒸气馏分的压缩机级系列(K-221、K-222、K-223)，和用于冷凝来自最终压缩机级(K-223)的丙烯制冷剂以供所述冷却器使用的冷凝器(H-223)。实施方案9是如前述实施方案中任一项所述的制冷系统，其中所述脱甲烷塔(C-201)在低于25bara、例如低于20bara、例如低于18bara、例如低于15bara的压力下操作。实施方案10是如前述实施方案中任一项所述的制冷系统，其中所述进料气体(2001)在进入第一个热交换器(H-201)时具有至多30bara、例如至多25bara、例如至多20bara、例如至多18bara的压力。实施方案11是如前述实施方案中任一项所述的制冷系统，其中所述级间冷却器(H-221、H-212、H-213、H-214)的每个由冷却水冷却。实施方案12是如前述实施方案中任一项所述的制冷系统，其中所述级间冷却器(H-221、H-212、H-213、H-214)的每个由来自吸收式冷冻器过程的冷冻水冷却。
实施方案13是如前述实施方案中任一项所述的制冷系统，其中在所述级间冷却器(H-311A)的每个之后是通过来自吸收式冷冻器的冷冻水冷却的另一冷却器(H-311B)。实施方案14是如实施方案12和13中任一项所述的制冷系统，其中所述吸收式冷冻器所需的热量是来自蒸气裂化器过程的废热量，如来自急冷塔的热急冷水。实施方案15是一种通过如前述实施方案中任一项所述的制冷系统由二元制冷剂冷却进料气体的方法。
当在权利要求和/或说明书中与术语“包含(comprising)”结合使用时，词语“一(a)”或“一(an)”的使用可以表示“一个”，但是它也与“一个或多个”“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。
在本申请全文中，术语“约”用于表示值包括用于确定该值的装置或方法的误差的标准偏差。
在权利要求中使用的术语“或”用于表示“和/或”，除非明确指出仅指替代物或替代物是互斥的，尽管本公开内容支持仅指替代物和“和/或”的定义。
如本说明书和权利要求中所使用的，词语“包含(comprising)”(和任何形式的包含，如“包含(comprise)”和“包含(comprises)”)、“具有(having)”(和任何形式的具有，如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包括(including)”(和任何形式的包括，如“包括(includes)”和“包括(include)”)或“含有(containing)”(和任何形式的含有，例如“含有(contains)”和“含有(contain)”)是包括性的或开放式的，不排除额外的、未列举的元素或方法步骤。
如本说明书和权利要求中所使用的，短语“依次返送到第k个至第一个热交换器”表示料流以如下顺序被供给到第k个、第(k-1)个、…、第二(第2)个和第一(第1)个热交换器，以依次对每个热交换器提供冷却。
如本文所用的，术语“C#烃”，其中“#”是正整数，意在描述所有具有#个碳原子的烃。C#烃有时仅表示为“C#”。此外，术语“C#+烃”意在描述所有具有#个或更多个碳原子的烃分子。
本发明的其它目的、特征和优点将从以下详细描述中变得明显。然而，应当理解，详细描述和具体实施例虽然表示了本发明的具体实施方案，但仅以说明的方式给出，因为由此详细描述，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员将变得明显。
附图说明
以下附图形成本说明书的一部分，并且被包括以进一步展示本发明的某些方面。通过参考这些附图中的一个或多个并结合本文所呈现的说明性实施方案的详细描述，可以更好地理解本发明。
图1示出了根据本发明的制冷系统的一个实例，
图2示出了不根据本发明的制冷系统的一个实例，和
图3示出了根据本发明的制冷系统的用于冷却加热的制冷剂的部分的另一个实例。
图1示出了一种用于通过二元制冷剂(2501)冷却进料气体(2001)的制冷系统。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种解决上述和/或其他问题的制冷系统和方法。特别地，本发明的目的是为进料气体提供必要的制冷，以提供用于脱甲烷塔的给料。
因此，本发明提供一种用于通过二元制冷剂冷却进料气体的制冷系统，其包含：
-用于通过二元制冷剂逐步冷却进料气体的n个热交换器，其中n是至少2的整数，其中所述制冷剂被依次供给到第一个至第n个热交换器，其中在所述n个热交换器的每个之后，所述制冷剂的一部分进行膨胀以降低温度，以提供第一个至第n个膨胀的制冷剂，其中，所述膨胀的制冷剂的每个被返送到所述热交换器系列，使得第k个膨胀的制冷剂被依次返送到第k个至第一个热交换器，以提供冷却并产生第k个加热的制冷剂，其中k是1至n的整数，其中所述加热的制冷剂具有0℃至25℃的温度；
-用于压缩所述加热的制冷剂的n个压缩机级，其被布置成使得来自第m个压缩机级的输出物在由各自的级间冷却器冷却之后被供给到第(m+1)个压缩机级，其中m是1至(n-1)的整数，并且来自第n个压缩机级的输出物被供给到第n个级间冷却器，
-所述热交换器中的一个之后的至少一个分离器，其用于分离来自所述热交换器的冷却的进料气体，以产生待供给到随后的热交换器的顶部产物以及底部产物，和
-脱甲烷塔(C-201)，其用于将来自所述至少一个分离器的底部产物分离成包含甲烷的顶部产物和包含C2+烃的底部产物。
根据本发明，所述膨胀的制冷剂被依次返送到所述系列中的所有在前的热交换器以提供冷却。例如，当所述系统包括至少四个热交换器时，来自第四个热交换器的第四个膨胀的制冷剂被返送到第四个热交换器，然后到第三个热交换器，然后到第二个热交换器，最后到第一个热交换器。应理解，来自第一个热交换器的第一个膨胀的制冷剂仅被返送到第一个热交换器。以这种方式，总共n个加热的制冷剂从第一个热交换器中出来。
经过热交换器以向这些热交换器提供冷却逐渐增加了膨胀的制冷剂的温度，提供从第一个热交换器出来的加热的制冷剂。所述加热的制冷剂具有至少0℃的温度。这允许加热的制冷剂在被压缩之后例如通过冷却水被冷却，如下所述。当加热的制冷剂更冷时，将不可能用冷却水进行级间冷却。所述加热的制冷剂优选具有至多25℃的温度。当加热的制冷剂更热时，所需的压缩机功率太高。所述加热的制冷剂优选具有0-25℃，例如1-20℃、2-15℃、3-10℃或4-7℃的温度。
在供给到压缩机级之前，可能仍然存在于加热的制冷剂中的任何液体优选地由容器分离，以确保仅蒸气被供给到压缩机级。
所述加热的制冷剂的每个被供给到各自的压缩机级。根据本发明的系统包括n个压缩机级的系列，在每个压缩机级之后有级间冷却器。这被布置成使得来自压缩机级的输出物在被各自的级间冷却器冷却之后被返送到随后的压缩机级(如果存在的话)。在本文中，术语“级间冷却器”理解为包括在第n个(最后的)压缩机级之后的冷却器。来自压缩机级的压缩的制冷剂可具有例如99℃的温度，并且由各自的级间冷却器冷却到例如30℃的温度。
优选地，第k个加热的制冷剂分别被供给到第(n-k+1)个压缩机级。因此，当n为4时，第四个加热的制冷剂被供给到第一个压缩机级，第三加热的制冷剂被供给到第二个压缩机级，第二个加热的制冷剂被供给到第三个压缩机级，并且第一的制冷剂被供给到第四个压缩机级。来自第一个压缩机级的制冷剂由第一个级间冷却器冷却，且随后被供给到第二个压缩机，第三个加热的制冷剂也被供给至第二个压缩机。来自第一个级间冷却器的制冷剂与第三个加热的制冷剂的混合物在第二个压缩机级中被压缩。在随后的压缩机级与级间冷却器的组对中以相同的方式进行压缩和冷却。最后，提供来自第n个级间冷却器的冷却的制冷剂，其在可能的进一步冷却之后可被再循环回到第一个热交换器。
根据本发明，膨胀的制冷剂被依次返送到所有在前的热交换器以提供冷却，并且待供给到压缩机级的使用过的制冷剂具有0-25℃的温度。这样的温度足够高，以由级间冷却器使用例如冷却水来冷却。这显著地降低了压缩机级提供系统所需的制冷剂所需的总能量。相反，在US5979177的系统中，膨胀的制冷剂不被返送到所有在前的热交换器，如其图1中的阀78、98和114之后的膨胀的制冷剂流所示。例如，在US5979177的系统中，阀78之后的流仅用于冷却热交换器6而不用于冷却热交换器2，并且具有-65℃的温度。在由于压缩而导致温度升高之后，压缩机级出口温度将仍然不足够高以由级间冷却器使用冷却水而冷却。级间冷却只能用另一种制冷剂来实现，从而导致没有来自应用级间冷却的总体益处。在US5979177的系统中，制冷剂由不包含级间冷却器的一个压缩机单元18压缩。
所述系统包括在热交换器中的一个之后的至少一个分离器，其用于分离来自热交换器的冷却的进料气体。所述分离器产生顶部产物和底部产物。所述顶部产物被供给到随后的热交换器。所述底部产物被供给到脱甲烷塔。脱甲烷塔将底部产物分离成主要为甲烷的顶部产物和C2+烃的底部产物。由此，根据本发明，从进料气体中分离出C2+烃。优选地，所述至少一个分离器包含在第(n-1)个热交换器之后的分离器。优选地，所述至少一个分离器包括(n-1)个分离器，每个分离器分别在第二个至第(n-1)个热交换器之后。
优选地，来自第n个热交换器的进料气体被依次返送到第n个至第1个热交换器。优选地，来自第n个热交换器的进料气体在被供给到第n个热交换器之前被冷却。来自第n个热交换器的进料气体在被供给到第n个热交换器之前可以被分离成H2的料流和甲烷的料流，或者可以不经分离而被供给到第n个热交换器。
因此，在一些实施方案中，来自第n个热交换器的进料气体在不分离的情况下，优选在冷却之后，被依次返送到第n个至第1个热交换器。在一些实施方案中，来自第n个热交换器的进料气体被分离成H2的料流和甲烷的料流，并且所述料流的每个，优选在H2的料流和/或甲烷的料流被冷却之后，被依次返送到第n个至第1个热交换器。
优选地，所述系统进一步包含用于冷却来自第n个热交换器的进料气体的进料气体热交换器和用于将来自进料气体热交换器的冷却的进料气体分离成H2的料流和甲烷的料流的分离器，所述H2的料流和甲烷的料流被返送到进料气体热交换器并依次到第n个至第一个热交换器，其中甲烷的料流在被返送到进料气体热交换器之前进行膨胀以降低温度。
在这个实施方案中，来自第n个热交换器的进料气体由进料气体热交换器冷却。冷却的气体由分离器分离成H2的料流和甲烷的料流。将H2的料流返送到进料气体热交换器，随后依次到第n个至第一个热交换器。因此，H2的料流对n个热交换器的系列提供额外的冷却。甲烷的料流进行膨胀以降低温度，并且随后到进料气体热交换器以对进料气体热交换器提供冷却。来自进料气体热交换器的甲烷的料流随后被依次供给到第n个至第一个热交换器。因此，甲烷的料流对n个热交换器的系列提供额外的冷却。
优选地，所述系统进一步包含制冷剂热交换器，其用于通过来自第n个热交换器的制冷剂将来自脱甲烷塔的顶部产物冷却并部分冷凝，所述制冷剂在被供给之前已进行膨胀以降低温度。
其中冷却的顶部产物的蒸气馏分被依次返送到第n个至第1个热交换器，并且冷却的顶部产物的液体馏分作为回流物被返送到所述脱甲烷塔。
其中来自制冷剂热交换器的加热的制冷剂被依次返送到第n个至第一个热交换器，并且随后被返送到第一个压缩机级。
在这个实施方案中，脱甲烷塔的顶部产物(H2和甲烷)由制冷剂热交换器冷却以提供蒸气馏分和液体馏分。所述冷却由来自第n个热交换器的制冷剂提供，所述制冷剂在被供给之前已进行膨胀以降低温度。冷却的顶部产物的蒸气馏分被依次返送到第n个至第一个热交换器。因此，冷却的顶部产物的蒸气馏分对n个热交换器的系列提供额外的冷却。对脱甲烷塔顶部产物提供冷却的制冷剂随后被依次返送到第n个至第一个热交换器。因此，来自制冷剂热交换器的制冷剂对n个热交换器的系列提供额外的冷却。由第一个热交换器得到的加热的制冷剂随后到第一个压缩机级。
优选地，所述系统进一步包含用于液化来自第n个级间冷却器的二元制冷剂的冷却系统，以提供作为液体被供给到第一个热交换器的制冷剂。
优选地，所述用于液化来自第n个级间冷却器的二元制冷剂的冷却系统包含用于通过丙烯制冷剂冷却二元制冷剂的冷却器系列、用于再压缩在所述冷却器中使用的丙烯制冷剂的蒸气馏分的压缩机级系列，和用于冷凝来自最终压缩机级的丙烯制冷剂以供所述冷却器使用的冷凝器。
优选地，n为2、3、4、5、6、7、8、9或10，更优选n为3、4或5，最优选4。
优选地，所述脱甲烷塔在低于25bara、例如低于20bara、例如低于18bara、例如低于15bara的压力下操作。
优选地，所述进料气体在进入第一个热交换器时具有至多30bara、例如至多25bara、例如至多20bara、例如至多18bara的压力。所述进料气体可被部分液化。
本发明的二元制冷剂包含甲烷和乙烯或甲烷和乙烷，优选甲烷和乙烯。甲烷与乙烯或乙烷的比例通常可在10:90至50:50的范围内，并更可能在20:80至40:60的范围内。
优选地，所述级间冷却器由冷却水冷却。
优选地，所述级间冷却器由来自吸收式冷冻器的冷冻水冷却。
优选地，在所述级间冷却器的每个之后是通过来自吸收式冷冻器的冷冻水冷却的另一冷却器。
优选地，所述吸收式冷冻器所需的热量是来自蒸气裂化器过程的废热量，如来自急冷塔的热急冷水。
本发明进一步涉及一种通过根据本发明的系统由二元制冷剂冷却进料气体的方法。
应注意，本发明涉及本文所述特征的所有可能组合，特别优选的是存在于权利要求中的那些特征的组合。因此，应理解，本文记载了与根据本发明的组合物有关的特征的所有组合，与根据本发明的方法有关的特征的所有组合，以及与根据本发明的组合物有关的特征与根据本发明的方法有关的特征的所有组合。
还应注意，术语“包含”不排除其他元素的存在。然而，还应理解，对包含某些组分的产品/组合物的描述也公开了由这些组分组成产品/组合物。由这些组分组成的产品/组合物可以是有利的，因为它提供了一种更简单、更经济的制备产品/组合物的方法。类似地，还应理解，对包括某些步骤的方法的描述也公开了由这些步骤组成的方法。由这些步骤组成的方法的可以是有利的，因为它提供了更简单、更经济的方法。
当提及参数的下限和上限的值时，由下限值和上限值的组合所形成的范围也应理解为被公开了。
通过以下附图来说明本发明，但本发明并不限于此。
如图1中所示，所述系统包含用于通过二元制冷剂(2501)逐步冷却进料气体(2001)的4个热交换器(H-201、H-202、H-203、H-204)，制冷剂(2501)被依次供给到第一个至第四个热交换器(H-201、H-202、H-203、H-204)以对其进行过冷，在4个热交换器(H-201、H-202、H-203、H-204)的每个之后，所述制冷剂的一部分(2501A、2501B、2501C、2501D)进行膨胀以降低温度，从而提供第一个至第四个膨胀的制冷剂(2502、2503、2504、2505)。
每个膨胀的制冷剂被返送到热交换器系列。第四个膨胀制冷剂(2505)被依次返送到第四个至第一个热交换器，以提供冷却并产生第四个加热的制冷剂(2410)。第三个膨胀制冷剂(2504)被依次返送到第三个至第一个热交换器，以提供冷却并产生第三个加热的制冷剂(2308)。第二个膨胀制冷剂(2503)被依次返送到第二至第一个热交换器，以提供冷却并产生第二个加热的制冷剂(2206)。第一个膨胀制冷剂(2502)被返送到第一个热交换器，以提供冷却并产生第一个加热的制冷剂(2104)。
第四个加热的制冷剂(2410)被供给到第一个压缩机级(K-211)，第三个加热的制冷剂(2308)被供给到第二个压缩机级(K-212)，第二个加热的制冷剂(2206)被供给到第三个压缩机级(K-213)，并且第一个制冷剂(2104)被供给到第四个压缩机级(K-214)。在供给到压缩机级(K-211、K-212、K-213、K-214)之前，可能仍然存在于加热的制冷剂蒸气(2410、2308、2206、2104)中的任何液体由容器(V-211、V-212、V-213、V-214)分离，以确保仅蒸气被供给到压缩机级。
来自第一个压缩机级(K-211)的制冷剂由第一个级间冷却器(H-211)冷却，且冷却的制冷剂(2552)随后被供给到第二个压缩机级(K-212)，第三个加热的制冷剂(2308)也被供给至第二个压缩机级(K-212)。冷却的制冷剂(2552)与第三个加热的制冷剂(2308)的混合物在第二个压缩机级(K-212)中被压缩。在随后的压缩机级与级间冷却器的组对(K-213和H-213；K-214和H-214)中以相同的方式进行压缩和冷却。最后，提供来自第四个级间冷却器(H-214)的冷却的制冷剂(2561)。
所述系统进一步包含用于液化来自第四个级间冷却器(H-214)的冷却的制冷剂(2561)的冷却系统，以提供待被供给到第一个热交换器(H-201)的制冷剂(2501)。
所述用于液化来自第n个级间冷却器(H-223)的二元制冷剂(2561)的冷却系统包含用于通过丙烯制冷剂冷却二元制冷剂(2561)的冷却器系列(H-215、H-216、H-217)、用于再压缩在所述冷却器中使用的丙烯制冷剂的蒸气馏分的压缩机级系列(K-221、K-222、K-223)，和用于冷凝来自最终压缩机级(K-223)的丙烯制冷剂以供所述冷却器使用的冷凝器(H-223)。
所述系统进一步包含分别在第二个、第三个和第四个热交换器(H-202、H-203、H-204)之后的三个分离器(V-201、V-202、V-203)。所述系统进一步包含脱甲烷塔(C-201)。
所述系统进一步包含用于冷却来自第四个热交换器(H-204)的进料气体的进料气体热交换器(H-205)和分离器(V-204)。
所述系统进一步包含用于将来自脱甲烷塔(C-201)的顶部产物冷却并部分冷凝的制冷剂热交换器(H-206)。
第一个分离器(V-201)分离来自第二个热交换器的冷却的进料气体以产生待供给到第三个热交换器(H-203)的顶部产物(2005)和待供给到脱甲烷塔(C-201)的底部产物(2004)。同样，第二个分离器(V-202)分离来自第三个热交换器的冷却的进料气体以产生待供给到第四个热交换器(H-204)的顶部产物(2008)和待供给到脱甲烷塔(C-201)的底部产物(2007)。第三个分离器(V-203)分离来自第四个热交换器的冷却的进料气体以产生顶部产物(2011)和待供给到脱甲烷塔(C-201)的底部产物(2010)。
来自第四个热交换器的顶部产物(2011)被供给到进料气体热交换器(H-205)以被冷却。来自进料气体热交换器(H-205)的冷却的进料气体由分离器(V-204)分离成H2的料流和甲烷的料流。将H2的料流返送到进料气体热交换器(H-205)，并随后依次到第四个至第一个热交换器(H-204、H-203、H-202、H-201)。甲烷的料流进行膨胀以降低温度，并且随后到进料气体热交换器(H-205)以对进料气体热交换器(H-205)提供冷却。来自进料气体热交换器(H-205)的甲烷的料流随后被依次返送到第四个至第一个热交换器(H-204、H-203、H-202、H-201)。
来自分离器(V-201、V-202、V-203)的底部产物(2004、2007、2010)由脱甲烷塔(C-201)分离成H2和甲烷的顶部产物和C2+烃的底部产物(2030)。
来自脱甲烷塔(C-201)的顶部产物由制冷剂热交换器(H-206)冷却。所述冷却由来自第四个热交换器的制冷剂提供，所述制冷剂在被供给之前已进行膨胀以降低温度。冷却的顶部产物由分离器(V-205)分离，冷却的顶部产物的一部分被依次返送到第四个至第一个热交换器(H-204、H-203、H-202、H-201)。冷却的顶部产物的其余部分作为回流物被返送到脱甲烷塔(C-201)。对脱甲烷塔顶部产物提供冷却的制冷剂随后被依次返送到第四个至第一个热交换器(H-204、H-203、H-202、H-201)。由第一个热交换器(H-201)得到的加热的制冷剂(2510)随后被供给到第一个压缩机级(K-211)。
图2示出了不根据本发明的制冷系统的一个实例。除了来自热交换器(H-101、H-102、H-103、H-104)的制冷剂的进行膨胀(1502、1503、1504、1505)并被返送以冷却热交换器的部分不被供给到所述系列中的所有在前的热交换器之外，图2与图1相同。来自制冷剂热交换器(H-206)的制冷剂(1506)也不被返送到所有热交换器。此外，所述系统在压缩机级(K-111、K-112、K-113、K-114)之后不包括级间冷却器。
在这个实例中，来自第二个热交换器(H-102)的膨胀的制冷剂(1503)仅被返送到第二个热交换器(H-102)。来自第三个热交换器(H-103)的膨胀的制冷剂(1504)仅被返送到第三个热交换器(H-103)。来自第四个热交换器(H-104)的膨胀的制冷剂(1505)仅被返送到第四个热交换器(H-104)和第三个热交换器(H-103)。来自制冷剂热交换器(H-206)的制冷剂(1506)仅被返送到第四个热交换器(H-104)和第三个热交换器(H-103)。因此，待供给到压缩机级(1410、1308、1206、1104、1510)的制冷剂尚未广泛地用于冷却且仍具有低的温度。这些制冷剂由于其低的温度而不能通过冷却水冷却。这与US5979177的图1的系统类似。
使用图1和2的系统进行模拟，其中进料气体料流2001或1001含有100t/h的乙烯和130.1t/h的氢气、甲烷、乙炔、乙烷、甲基乙炔、丙二烯、丙烯和丙烷。各自的量示于表1和4中。
在如表1和4所示的热交换器系列中冷却温度为-37℃的进料气体。所述进料气体从-37℃到-72℃、再到-91℃、再到-132℃的冷却与US5979177的系统中的进料气体的冷却相同。
表2和3中示出了通过图1的系统提供这样的冷却所需的二元制冷剂和丙烯制冷剂的计算数据。表5和6中示出了通过图2的系统提供这样的冷却所需的二元制冷剂和丙烯制冷剂的计算数据。
Figure BDA0002169243210000171
乙烯质量分数：0.77，甲烷质量分数：0.23
表3丙烯制冷剂数据
料流编号 2806 2817 2828 2836
压力 bar<sub>a</sub> 6.0 2.8 1.2 16.0
温度 ℃ 1 -23 -44 39
质量流量 t/h 82.7 53.8 88.7 225
二元制冷剂压缩机级K-211至214的负荷是11.1MWmech，而对于丙烯压缩机级K-221至K-223，负荷是7.2MWmech，总共18.3MWmech。
Figure BDA0002169243210000191
乙烯质量分数：0.77，甲烷质量分数：0.23
表6丙烯制冷系统数据
1806 1817 1828 1836
压力 bar<sub>a</sub> 6 2.8 1.2 16
温度 ℃ 1 -23 -44 39
质量流量 t/h 100 65 108 273
二元制冷剂系统所需的压缩机功率为11.5MWmech，丙烯压缩机为8.7MWmech，得出制冷所需的总负荷为20.2MWmech。
图1的系统与图2的系统和US5979177中所记载系统的不同在于：
-进入压缩机级(K-211、K-212、K-213、K-214)的二元制冷剂的较高入口温度；
-所述二元制冷系统中压缩机级间冷却器(H-211、H-212、H-213)的存在；
-热交换器(H-201、H-202、H-203、H-204、H-205)的较低的制冷剂需求。
-较高分数的热量在二元制冷剂系统中被压缩机级间冷却器(H-211、H-212、H-213)移除，这导致丙烯制冷压缩机(K-221、K222、K-223)的较低的功率要求。
因此，比较图1和2的系统，根据本发明的图1的系统节省了9％的压缩机功率(18.3MWmech相对于20.2MWmech)。
图3示出了根据本发明的二元制冷系统的用于冷却加热的制冷剂的部分的实例。
图3对应于图1的包括V-211、K-211、H-211、V-212和K-212的部分，其中图3和图1的元件之间的关系是：V-311＝V-211，K-311＝K-211，H-211＝K-311A，V-212＝V-312且K-212＝K-312。在图3的这个实例中，有一个附加元件，其是采用由吸收式冷冻器产生的冷冻水的次级级间冷却器H-311B。在这个实例中，来自压缩机抽吸鼓(V-311)的制冷剂(3551)进入压缩机级(K-311)，并在被供给到下一压缩机级之前，由初级级间冷却器(H-311A)使用冷却水冷却并且随后由次级级间冷却器(H-311B)使用冷冻水冷却。在其它级间冷却器之后可进行类似的附加。

Claims (9)

1.一种用于通过二元制冷剂冷却进料气体的制冷系统，其包含：
用于通过二元制冷剂逐步冷却进料气体的n个热交换器，其中n是至少2的整数，
其中所述制冷剂被依次供给到第一个至第n个热交换器，
其中在所述n个热交换器的每个之后，所述制冷剂的一部分进行膨胀以降低温度，从而提供第一个至第n个膨胀的制冷剂，
其中，所述膨胀的制冷剂的每个被返送到热交换器系列，使得第k个膨胀的制冷剂被依次返送到第k个至第一个热交换器，以提供冷却并产生第k个加热的制冷剂，其中k是1至n的整数，
其中所述加热的制冷剂具有0℃至25℃的温度，
用于压缩所述加热的制冷剂的n个压缩机级，其被布置成使得来自第m个压缩机级的输出物在由各自的级间冷却器冷却之后被供给到第(m+1)个压缩机级，其中m是1至(n-1)的整数，并且来自第n个压缩机级的输出物被供给到第n个级间冷却器，
在所述热交换器中的一个之后的至少一个分离器，其用于分离来自所述热交换器的冷却的进料气体，以产生待供给到随后的热交换器的顶部产物和底部产物，
脱甲烷塔，其用于将来自所述至少一个分离器的底部产物分离成包含甲烷的顶部产物和包含C2+烃的底部产物，和
用于液化来自第n个级间冷却器的二元制冷剂的冷却系统，以提供作为液体被供给到第一个热交换器的制冷剂。
2.根据权利要求1所述的制冷系统，其中第k个加热的制冷剂分别被供给到第(n-k+1)个压缩机级。
3.根据权利要求1所述的制冷系统，其进一步包含用于冷却来自第n个热交换器的进料气体的进料气体热交换器和用于将来自进料气体热交换器的冷却的进料气体分离成H2的料流和甲烷的料流的分离器，所述H2的料流和甲烷的料流被返送到进料气体热交换器并依次到第n个至第一个热交换器，其中所述甲烷的料流在被返送到进料气体热交换器之前进行膨胀以降低温度。
4.根据权利要求1所述的制冷系统，其进一步包含制冷剂热交换器，其用于通过来自第n个热交换器的制冷剂将来自脱甲烷塔的顶部产物冷却并部分冷凝，所述制冷剂在被供给之前已进行膨胀以降低温度，
其中冷却的顶部产物的蒸气馏分被依次返送到第n个至第一个热交换器，并且冷却的顶部产物的液体馏分作为回流物被返送到所述脱甲烷塔，
其中来自制冷剂热交换器的加热的制冷剂被依次返送到第n个至第一个热交换器，并且随后被返送到第一个压缩机级。
5.根据权利要求1所述的制冷系统，其中所述用于液化来自第n个级间冷却器的二元制冷剂的冷却系统包含用于通过丙烯制冷剂冷却二元制冷剂的冷却器系列、用于再压缩在所述冷却器中使用的丙烯制冷剂的蒸气馏分的压缩机级系列，和用于冷凝来自最终压缩机级的丙烯制冷剂以供所述冷却器使用的冷凝器。
6.根据权利要求1或2所述的制冷系统，其中每个所述级间冷却器由冷却水冷却。
7.根据权利要求1或2所述的制冷系统，其中每个所述级间冷却器由来自吸收式冷冻器过程的冷冻水冷却。
8.根据权利要求1或2所述的制冷系统，其中在每个所述级间冷却器之后是通过来自吸收式冷冻器的冷冻水冷却的另一冷却器。
9.一种通过根据权利要求1或2所述的系统由二元制冷剂冷却进料气体的方法。
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