CN111655610B - 用于改善的氢气利用的变压吸附和加氢处理的整合 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于向利用氢气的工艺提供氢气料流的方法，所述方法包括：获得包含氢气的气体料流并将所述气体料流压缩至至少600psig的压力，然后将所述压缩气体料流送至包括多个床的变压吸附单元，所述变压吸附单元具有至少5个压力均衡步骤以产生氢气料流。然后可压缩氢气料流并将其送至利用氢气的工艺。压缩气体料流可在进入变压吸附单元之前被冷却。

Description

用于改善的氢气利用的变压吸附和加氢处理的整合
背景技术
本发明提供了用于改善包括利用氢气的多个反应器的反应器联合装置的氢气回收率以及总体经济性的方法。
加氢裂化是一种加氢处理方法，其中烃在氢气和加氢裂化催化剂的存在下裂解成较低分子量的烃。根据所需的输出，加氢裂化单元可含有一个或多个相同或不同的催化剂床。氢化裂解可利用一个或两个氢化裂解反应器级进行。在单级氢化裂解中，仅使用单个氢化裂解反应器级。未转化的油可以从产物分馏塔再循环回到氢化裂解反应器级。在两级氢化裂解中，未转化的油从产物分馏塔进料到第二氢化裂解反应器级。浆液加氢裂化是一种浆液催化过程，用于将残渣进料裂解为瓦斯油和燃料。
由于环境问题和新颁布的规章制度，可销售燃料必须满足对污染物诸如硫和氮越来越低的限度。新法规要求从柴油中基本完全除去硫。例如，超低硫柴油(ULSD)要求硫通常少于10Wppm。
氢化处理是用于从烃流中除去杂原子诸如硫和氮以满足燃料规格并使烯属化合物饱和的加氢处理方法。氢化处理可在高压或低压下进行，但通常在比加氢裂化低的压力下操作。
加氢处理回收部分通常包括分离部分中的一系列分离器，以将气体与液体物质分离，并且冷却液体流并使之减压，以使其准备用于分馏成产物。回收氢气以再循环至加氢处理单元。在产物分馏之前，使用用于利用汽提介质诸如蒸汽对经加氢处理的流出物进行汽提的汽提器，以从液体流中除去不需要的硫化氢。
此外，在许多工厂中，存在附加单元，其根据需要采用氢气来进一步转化烃。
氢的有效使用对加氢处理单元的经济性至关重要。在当前项目中，持续需要更高的效率。例如，在由不包括变压吸附(PSA)单元的加氢裂化单元、催化重整单元和芳烃单元组成的联合装置中，希望通过减少设备数量并通过整合过程操作以提高效率来减少资金和操作费用两者。
有时，包括若干个单独单元的联合装置设置有PSA单元以得到用作加氢裂化单元的补充气体的纯氢(99.9摩尔％)。该PSA单元通常进料有300psig至400psig的催化重整净气体，并以85％至90％的回收率产生氢产物。由于氢值高，需要一种方法来增加从PSA单元的氢回收率。联合装置的总体经济性对氢平衡/利用率敏感，并且已发现增加PSA氢回收率可具有显著的有益效果。
本发明旨在通过在加氢裂化器的补充气体压缩系统中包括PSA单元来改善跨越联合装置的氢平衡，并且重要的是增加总体联合装置的值。在显著更高的压力(500psig至1000psig)下操作该PSA单元使氢回收率增加3至6个百分点，从而改善联合装置的总体经济性。除了改善的氢回收率之外，较高的压力还提供了消除与联合装置中其它单元相关联的增压压缩机并且减少设备数量的机会。本发明还可应用于其它类型的加氢处理单元。
在当前实践(现有技术)中，常规(低压)独立式PSA单元通常用于从炼油厂废气体料流(诸如催化重整净气体)中回收高纯度氢气。该纯化的氢气在联合装置中供应低压和高压消耗者两者。加氢处理单元通常是最大的氢气消耗者，并且它们在比当前实践常规(低压)PSA单元高的压力下操作。例如，加氢裂化器可在1500psig至2500psig下操作，并且加氢处理器可在500psig至1800psig下操作。高压氢气消耗者通常需要多个阶段的补充气体压缩以将较低压力的PSA氢气升高至反应体系压力。因此，如果可能的话，期望将高压PSA整合到加氢处理单元中以便利用较高的压力来实现增加的氢回收率。
本发明的一个重要且意想不到的特征是PSA单元的优选压力水平。已发现，例如在典型的第1压缩阶段和第2压缩阶段(500psig至1000psig)之间，在加氢处理单元补充气体压缩系统内包括PSA单元提供了经济且增加的氢回收率水平。在氢回收率方面，增加PSA压力大于1000psig，即介于典型的第2阶段和第3阶段压缩阶段之间，几乎不提供附加有益效果，并且大大增加成本。本发明通过整合PSA单元以提供常规独立式PSA单元不可能实现的协同有益效果来提供竞争性和商业优势。
此外，已发现通过使用冷却器(制冷器)将PSA进料气体温度降低至低于可用空气或水冷却器(当前实施的)实现的温度，提供了PSA性能的有益效果。PSA模拟结果显示，氢回收率随着进料气体温度的降低而增加并且床体积减小。用于该应用的优选进料气体温度在10℃至20℃的范围内。加氢处理单元的补充气体压缩系统中PSA整合的这种附加特征提供显著优点。本发明的一个重要方面是发现由于使用冷却器而增加的附加资金和操作成本由于下游压缩和具有较小尺寸PSA单元的能力而降低的成本而抵消。已发现，较低温度下的床可小至多25％。此外，由于压缩机入口温度较低，下游阶段2和PSA尾气压缩功率降低。加入冷却器的最终结果是成本略有降低，并且氢回收率增加了1.0个百分点。
发明内容
本发明提供了一种用于向利用氢气的工艺提供氢气料流的方法，所述方法包括：从催化重整器获得包含氢气的气体料流诸如净气体料流。然后将气体压缩至至少500psig的高压以产生压缩气体料流。然后将所述压缩气体料流送至包括多个床的变压吸附单元，所述变压吸附单元具有至少5个压力均衡步骤以产生氢气料流。可将氢气料流送至利用氢气的工艺，或送至压缩机系统以产生压缩氢气料流，然后将压缩氢气料流送至利用氢气的工艺。此外，在将压缩气体料流送至变压吸附单元之前，将压缩气体料流冷却至30℃至50℃的温度以产生冷却的压缩气体料流。然后可将冷却的压缩气体料流进一步冷却，诸如通过制冷至10℃至20℃的冷却温度，以在将压缩气体料流送至所述变压吸附单元之前产生冷却的压缩气体料流。冷却温度可为15℃。通常，回收气体料流中91％至95％的氢气。压缩气体料流可处于500psig至1,000psig的压力下，并且更具体地可处于600psig至900psig的压力下，并且更具体地可处于650psig至850psig的压力下。气体料流可以是来自催化重整单元的净气体料流。利用氢气的方法可选自氢化裂解、氢化处理、以及其它消耗氢气的方法。虽然可使用任何有效的冷却单元，但是冷却的压缩气体可由蒸气压缩单元或吸收式冷却器冷却。在一些实施方案中，压缩氢气料流可在被送至利用氢气的工艺之前被进一步压缩。变压吸附单元再生以产生尾气，然后尾气被压缩以变成燃料气体。变压吸附单元使用具有5至9个压力均衡步骤的循环，并且可使用6至8个压力均衡步骤。变压吸附单元包括12至20个床，并且在一些情况下，包括14至18个床。
附图说明
图1示出了由净气体料流产生氢气的基本流动方案。
图2示出了向PSA进料中加入冷却器的基本流动方案。
图3示出在不同PSA进料温度处所需的氢气回收率和相对床体积。
具体实施方式
图1示出了本发明的基本流动方案。净气体料流4从连续式催化重整器2送出。该净气体料流被压缩机6压缩，并且然后被热交换器8冷却，并且然后进入变压吸附单元10以产生氢气料流12和包含烃36的贫氢气料流，该贫氢气料流被送至压缩机38以产生燃料气体40。然后将氢气料流12分成若干料流，其中大部分氢气被压缩机30和32压缩以用于加氢裂化器34。氢气料流12的一部分可作为料流26被送至芳烃处理单元24或由压缩机16压缩，其中料流18被送至反应器20或22中的任一者，如图1所示。
图2示出向PSA进料中加入冷却器的基本流动方案。包含氢气和烃的气体进料流通过压缩机102送出，并且然后通过空气或水冷却器104冷却至45℃，之后通过冷却器106冷却至较低温度诸如15℃以产生被送至变压吸附单元108的冷却的进料气体。然后将氢气产物118送至压缩机120和124，并且然后送至加氢裂化器128。
图3示出氢气回收率随PSA进料温度的降低而增加，以及床体积随温度的降低而降低。
PSA循环和均衡步骤数
为了利用较高的操作压力，高压PSA循环使用大量压力均衡步骤(多于4个)。这是PSA单元设计的新特征，并且需要实现高水平的氢气回收(减少吹除损耗)。现有技术PSA单元目前使用4个或更少的压力均衡步骤(其中吸附压力通常小于400psig)。现有技术14床循环以及具有高压循环的本发明的两个实施方案如下所示(16-3-6和18-3-8)。这些循环用于下文所述的PSA中试工厂测试。
表1：PSA子循环图表
这些表示出了总体PSA循环的简化形式(称为子循环)，并且所述简化形式通常被从业者用来捕集最少量的所需信息以表示完整的多床PSA循环。这些子循环根据已知的工序(其中每行对应于一个床)进行复制，以便产生完整的循环图。应当理解，循环细节的其他变型也是可能的。例如，表2示出18床循环的另一个实施方案，并且表3示出18床单元中单个床的相应详细描述。
表2：18床循环，具有7个均衡步骤(18-4-7循环)
表3：表2中18-4-7循环的详细描述。
重要的是定义术语“压力均衡数目”。本领域从业者在“物理均衡步骤数”和“等效(或有效或实际)均衡数Neq”之间进行区分。在上表1所示的示例性循环中，物理均衡步骤数为4、6和8，并且在表2所示的循环中，物理均衡步骤数为7。这仅仅是循环期间发生的床间压力均衡事件的数量。对于任何给定的循环，等效均衡(Neq)的数量小于物理均衡的数量，因为一些压力均衡将是不完全的。这是必要的，这是由于液压限制(阀和上封头)并且可以是有意的，以便具有精确的压力截止水平以实现一致的操作性能和吹扫气体产生。本文引用的涉及物理均衡步骤的值包括使用5至9或6至8个压力均衡步骤；Neq的相应值将为“3.5至8.0，优选4.5至7.0”。Neq的值由测量的压力计算。下文所示的中试工厂数据基于Neq。
实施例
进行中试工厂测试以展示改善的性能(较高的氢气回收率和较小的床尺寸因数)，这是由于：(1)较高的吸附压力，(2)较低的进料温度，以及(3)较高的压力平衡数。使用如下所示的进料气体组合物进行测试。结果在下表中给出。
进料气体组合物
摩尔％
氢气 90.8
甲烷 3.0
乙烷 3.0
丙烷 2.0
正丁烷 0.84
正戊烷 0.21
正己烷 0.20
99.9摩尔％产物氢的PSA中试工厂数据
99.9摩尔％产物氢的PSA中试工厂数据
具体的实施方案
虽然结合具体的实施方案描述了以下内容，但应当理解，该描述旨在说明而不是限制前述描述和所附权利要求书的范围。
本发明的第一实施方案是向利用氢气的工艺提供氢气料流的方法，所述方法包括：(a)获得包含氢气的气体料流；(b)将所述气体料流压缩至500psig至1000psig的压力以产生压缩气体料流；(c)以至少5个压力均衡步骤将所述压缩气体料流送至包括多个床的变压吸附单元以产生氢气料流；以及(d)将所述氢气料流送至氢气消耗工艺。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，包括在将所述压缩气体料流送至所述变压吸附单元之前，将所述压缩气体料流冷却至30℃至50℃的温度以产生冷却的压缩气体料流。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，包括在将所述压缩气体料流送至所述变压吸附单元之前，将所述冷却的压缩气体料流冷却至10℃至20℃的冷却温度以产生冷却的压缩气体料流。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述冷却温度为15℃。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中回收所述气体料流中93％的氢气。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述压缩气体料流的压力为600psig至900psig。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述压缩气体料流的压力为650psig至800psig。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述气体料流是来自催化重整单元的净气体料流。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述利用氢气的方法选自氢化裂解、氢化处理、以及其它消耗氢气的方法。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述冷却的压缩气体通过蒸气压缩单元或吸收冷却器冷却。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述压缩氢气料流在送至利用氢气的工艺之前进一步压缩。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中再生变压吸附单元以产生尾气。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中压缩所述尾气以变成为燃料气体。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述变压吸附单元使用具有5至9个压力均衡步骤的循环。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述变压吸附单元使用具有6至8个压力均衡步骤的循环。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述变压吸附单元包括12至20个床。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，其中所述变压吸附单元包括14至18个床。本发明的实施方案是本段的前述实施方案直至本段的第一实施方案中的一个、任一个或所有实施方案，还包括将所述氢气料流送至压缩机以产生压缩氢气料流；并且然后将所述压缩的氢气料流送至氢气消耗工艺。
尽管没有进一步的详细说明，但据信，本领域的技术人员通过使用前面的描述可最大程度利用本发明并且可容易地确定本发明的基本特征而不脱离本发明的实质和范围以作出本发明的各种变化和修改，并且使其适合各种使用和状况。因此，前述优选的具体的实施方案应理解为仅例示性的，而不以无论任何方式限制本公开的其余部分，并且旨在涵盖包括在所附权利要求书的范围内的各种修改和等效布置。
在前述内容中，所有温度均以摄氏度示出，并且所有份数和百分比均按重量计，除非另外指明。

Claims (8)

1.一种用于向利用氢气的工艺提供氢气料流的方法，所述方法包括：
(a)获得包含氢气的气体料流；
(b)将所述气体料流压缩至500psig至1000psig的压力以产生压缩气体料流；
(c)将所述压缩气体料流冷却至30℃至50℃的温度以产生冷却的压缩气体料流，
(d)将所述冷却的压缩气体料流进一步冷却至10℃至20℃的冷却温度以产生进一步冷却的压缩气体料流，
(e)以至少5个压力均衡步骤将所述进一步冷却的压缩气体料流送至包括多个床的变压吸附单元以产生氢气料流；以及
(f)将所述氢气料流送至氢气消耗工艺；
其中所述变压吸附单元包括在加氢处理单元补充气体压缩系统中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中回收所述气体料流中93％的氢气。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述压缩气体料流的压力为600psig至900psig。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体料流是来自催化重整单元的净气体料流。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述利用氢气的方法选自氢化裂解、氢化处理、以及其它消耗氢气的方法。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述变压吸附单元使用具有5至9个压力均衡步骤的循环。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述变压吸附单元包括12至20个床。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述氢气料流送至压缩机以产生压缩氢气料流；并且然后将所述压缩的氢气料流送至所述氢气消耗工艺。
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