DE69500473T2 - Verfahren zur Rückgewinnung von Ethylen mit gemischtem Kühlmittelumlauf - Google Patents

Verfahren zur Rückgewinnung von Ethylen mit gemischtem Kühlmittelumlauf

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Rückgewinnung von Ethylen aus leichten Gasen bei niedrigen Temperaturen und insbesondere auf einen verbesserten gemischtem Kühlmittelumlauf, um eine effizientere Kühlung für die Rückgewinnung zu schaffen.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Rückgewinnung von Ethylen aus Rohgasmischungen leichter Kohlenwasserstoffe ist ein ökonomisch wichtiges, aber sehr energieintensives Verfahren. Im allgemeinen werden kryogenetische Trennverfahren verwendet, die große Mengen von Kälteerzeugung bei niedrigen Temperaturen benötigen, und die kontinuierliche Entwicklung von Verfahren zur Reduktion der Nettoleistung zur Bereitstellung dieser Kälteerzeugung ist in der petrochemischen Industrie wichtig.
  • Ethylen wird aus Leichtgasmischungen, wie beispielsweise Spaltgas aus Kohlenwasserstoffspaltanlagen, zurückgewonnen, die verschiedene Konzentrationen von Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen und geringe Mengen von höheren Kohlenwasserstoffen, Stickstoff und anderen Spurenkomponenten enthalten. Die Abkühlung zur Kondensation und Fraktionierung derartiger Mischungen wird im allgemeinen bei aufeinanderfolgenden niedrigeren Temperaturpegeln durch Umgebungskühlwasser, Propylen- und Ethylensysteme mit geschlossenen Kreisläufen, und Arbeitsausdehnung oder Joule-Thomson-Ausdehnung von unter Druck stehenden Leichtgasen in dem Trennverfahren geschaffen. Zahlreiche Ausführungen wurden über die Jahre unter Verwendung dieser Kühlungsarten entwickelt, wie sie in repräsentativen US-Patenten 3, 675,435, 4,002,042 4,163,652, 4,629,484, 4,900,347 und 5,035,732 charakterisiert sind.
  • Die Verwendung von geschlossenen gemischten Kühlmittelumlaufsystemen kann mit einer oder mehreren der oben erwähnten Kühlmethoden vereinigt werden, um die Gesamtenergieeffizienz der Ethylenrückgewinnung zu verbessern. Gemischte Kühlmittel für derartige Systeme umfassen typischerweise Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen und optionell andere leichte Komponenten. Gemischte Kühlmittel zeigen die gewünschte Eigenschaft des Kondensierens in einem Temperaturbereich, der den Entwurf von Wärmeaustauschsystemen erlaubt, die thermodynamisch effizienter sind als einzelne Kühlmittelsysteme.
  • U.S.-Patent 4,072,485 beschreibt einen gemischten Kühlmittelumlauf zum Schaffen einer niedrigpegeligen Kühlung in einer naturgasverarbeitenden Anlage oder in dem Tieftemperaturabschnitt einer Ethylenanlage, die eine oder mehrere Teilkondensationsstufen verwendet, um das zugeführte Gas zu kühlen. In diesem Umlauf wird das gemischte Kühlmittel teilweise mit Kühlwasser oder Luft bei ungefähr Umgebungstemperatur teilkondensiert und anschließend bei 10 ºC (50 ºF) insgesamt kondensiert und mit mehreren Stufen von Propan- oder Propylenabkühlung unterkühlt. In Ethylenanlagenbetrieb wird das gemischte Kühlmittel dann zum Schaffen einer Abkühlung in dem Temperaturbereich von -40 ºC (-40 ºF) bis -100 ºC (-148º F) verwendet; d.h. es ist auf den gleichen Temperaturbereich wie die Ethylenabkühlung beschränkt, die sie ersetzt. Ein genaueres Beispiel dieses Umlaufs für einen Ethylenanlagenbetrieb ist in einem Artikel von Victor Kaiser et al., "Gemischtes Kühlmittel für Ethylen" in der Ausgabe vom Oktober 1976 von Hydrocarbon Processing, Seiten 129 - 131 beschrieben.
  • U.S.-Patent 4,720,293 beschreibt ein Verfahren zum Rückgewinnen von Ethylen aus dem Abgas einer Mineralölraffinerie, die einen gemischen Kühlmittelumlauf verwendet. In diesem Verfahren wird das gemischte Kühlmittel in einem einzelnen Wärmetauscher in einem relativ warmen Temperaturbereich von 15,56 ºC (+60 ºF) bis -65 ºC (-85º F) verwendet. Die Abkühlung auf niedrigere Temperaturpegel wird durch die Verdampfung von separiertem Ethan bei niedrigem Partialdruck und hohem Gesamtdruck und durch die Arbeitsausdehnung der leichten Gase erzielt, die typischerweise zusammen mit dem Ethan dem Brennstoff zugeschlagen werden.
  • In der obenbeschriebenen Technologie konventioneller Verfahren muß das Abkühlen und Methanisieren des Zuführgases bei Drücken im Bereich von 31,026 bis 44,816 bar (450 - 650 psia) durchgeführt werden, um eine hohe Ethylenrückgewinnung (99 % oder mehr) zu erzielen, da das Propylen/Ethylen-Kaskadensystem keine kältere Abkühlung als -101,11 ºC (-150º F) zum Zuführgasabkühlen und zum Kondensierabkühlen der Demethanisiersäule liefern kann. Der Umfang der Abkühlung zum Kühlen des Zuführgases auf unterhalb 101,11 ºC (-150 ºF), die von anderen Prozeßströmen in einer Ethylenanlage erzeugt werden kann, ist durch Betriebsbedingungen begrenzt, wie beispielsweise die Menge des wiedergewonnenen Hochdruckwasserstoffs und des Brennstoffsystemdrucks (-drücke). Diese Bedingungen begrenzen die Größe der Ausdehnungsabkühlung, die erzeugt werden kann, was wiederum die Ethylenrückgewinnung begrenzt. Drücke zwischen 31,026 und 44,816 bar (450 und 650 psia) werden in der Zuführgaskühlstraße und der Demethanisiersäule benötigt, so daß der Großteil des Ethylens oberhalb von -101,11 ºC (-150 ºF) kondensiert werden kann, und so daß ausreichend Brennstoffgasexpansionsabkühlung bei kälteren Temperaturen verfügbar ist, um einen Großteil des verbleibenden Ethylens zu kondensieren und einen niedrigen Ethylenverlust in dem überschüssigen Dampf des Kopfes der Demethanisiersäule zu erzielen.
  • Die Vereinigung von verbesserten gemischten Kühlmittelumläufen mit konventioneller Abkühlung mittlerer und niedriger Temperatur hält das Versprechen zum weiteren Reduzieren des Energieverbrauchs in der Ethylenrückgewinnung. Insbesondere ist es wünschenswert, die Effizienz des Abkühlens bei dem niedrigsten Temperaturpegel zu verbessern, die für eine hohe Ethylenrückgewinnung benötigt werden.
  • Die in der folgenden Beschreibung und in den beifügten Ansprüchen definierte Erfindung schafft einen verbesserten gemischten Kühlmittelumlauf, der insbesondere für eine Ethylenrückgewinnung von mehr 99 % vorteilhaft ist.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Rückgewinnung des Ethylens aus dem Zuführgas, das Ethylen, Wasserstoff und C&sub1;- bis C&sub3;-Kohlenwasserstoffe enthält, umfaßt die Schritte des Komprimierens des Zuführgases, Kühlen des komprimierten Zuführgases zum teilweisen Kondensieren, Fraktionieren der kondensierten Zuführgasflüssigkeiten in einer oder mehreren Demethanisiersäulen, um ein leichtes Kopfdestillat wiederzugewinnen, das im wesentlichen Wasserstoff und Methan enthält, und Fraktionieren der Bodenströme der Demethanisiersäulen, um ein Ethylenprodukt und Ströme wiederzugewinnen, die C&sub2;- und schwerere Kohlenwasserstoffe enthalten. Typischerweise wird mindestens ein Teil des Wasserstoff-Methandampfstroms von dem letzten Wärmetauscher der Ethylenrückgewinnung zu einem Wasserstoffrückgewinnungsabschnitt geleitet, um ein hochreines Wasserstoffprodukt und einen oder mehrere methanreiche Ströme zu erzeugen.
  • Abkühlung für die Ethylenrückgewinnung wird in einem verbesserten Umlauf gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen, der aufweist: Komprimieren eines gemischten Kühlmitteldampfes, der zwei oder mehrere Komponenten enthält, die aus der Gruppe bestehend aus Methan, Ethan, Ethylen, Propan und Propylen ausgewählt werden, und Kühlen des sich ergebenden komprimierten Dampfes, um einen kondensierten gemischten Kühlmittelstrom zu erzeugen. Der kondensierte gemischte Kühlmittelstrom wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einem oder mehreren kalten Prozeßströmen unterkühlt, um ein unterkühltes gemischtes Kühlmittel zu erzielen. Ein erster Teil des unterkühlten gemischten Kühlmittels wird schnell entspannt und zum Schaffen einer Überkopfkondensatorabkühlung durch indirekten Wärmeaustausch für mindestens eine der Demethanisiersäulen verwendet, die sich erwärmt und mindestens teilweise den ersten Teil des unterkühlten gemischten Kühlmittels verdampft. Ein zweiter Teil des unterkühlten gemischten Kühlmittels wird entspannt und das sich ergebende Kühlmittel schafft mindestens einen Teil der Abkühlung, die zum Kühlen und teilweisen Kondensieren des Zuführgases durch indirekten Wärmeaustausch benötigt wird, das sich erwärmt und mindestens teilweise den zweiten Teil des unterkühlten gemischten Kühlmittels verdampft. Vorzugsweise werden das Kühlen und Kondensieren des Zuführgases in einem oder mehreren Dephlegmatorenen durchgeführt, aber alternativ können ein oder mehrere Teilkondensatoren verwendet werden. Die sich ergebenden erwärmten Dämpfe der ersten und zweiten Teile des gemischten Kühlmittels werden zusammengeführt und komprimiert, um den Abkühlumlauf zu komplettieren.
  • Einer der kalten Prozeßströme für das Unterkühlen des gemischten Kühlmittels kann durch Entspannen und Verdampfen eines dritten Teils des unterkühlten gemischten Kühlmittels bereitgestellt werden, und der warme Dampf wird mit den ersten und zweiten Teilen des gemischten Kühlmittels zusammengeführt, um einen gemischten Kühlmitteldampf zur Kompression zu schaffen, um den Abkühlungsumlauf zu komplettieren. Ein weiterer oder mehrere der kalten Prozeßströme können durch Arbeitsausdehnung der leichten Kopffraktion von einer oder mehreren der Demethanisiersäulen und/oder eines beliebigen Wasserstoffs oder Methans geschaffen werden, das nicht in dem Rückgewinnungsabschnitt bearbeitet wird. Zusätzliche kalte Prozeßströme, wie beispielsweise die wasserstoff- und methanreichen Ströme des Wasserstoffrückgewinnungsabschnitts, können ebenfalls für die gemischte Kühlmittelunterkühlung verwendet werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird unterkühltes gemischtes Kühlmittel für zwei hintereinander angeordnete Zuführgaskondensierzonen bereitgestellt, in denen teilweise verdampftes gemischtes Kühlmittel einer kalten Zuführgaskondensierzone einen Teil des Kühlmittels zu einer warmen Zuführgaskondensierzone schafft, um zwei kondensierte Zuführgasflüssigkeitsströme für die weitere Trennung bereitzustellen.
  • Vorzugsweise verwenden die zwei Kondensierzonen Dephlegmatoren, aber alternativ können Teilkondensatoren verwendet werden. Kombinationen von Teilkondensatoren und Dephlegmatoren können verwendet werden; falls gewünscht können mehr als zwei in Serie angeordnete Zuführgaskondensierzonen verwendet werden.
  • Ein Schlüsselmerkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die Zuführgaskühlstraße und die stromabwärtige Trennausrüstung vorteilhafterweise in dem Druckbereich von 10,342 bis 31,026 bar (150 - 400 psia) betrieben werden können, wodurch eine zufriedenstellende Ethylenrückgewinnung mit niedrigen Abkühlungsbedingungen und niedrigeren Kapitalkosten in der stromabwärtigen Trenneinrichtung erzielt wird.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein schematisches Flußdiagramm einer Ausführungsform des geschlossenen gemischten Kühlmittelumlaufs gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 ist ein schematisches Flußdiagramm einer alternativen Ausführungsform des geschlossenen gemischten Kühlmittelumlaufs der vorliegenden Erfindung.
    • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In einem typischen Ethylenrückgewinnungsprozeß wird ein Zuführgas, das Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen und kleine Mengen anderer leichter Komponenten enthält, komprimiert, gekühlt und teilweise in einstufigen Kondensatoren oder alternativ in einem oder mehreren Dephlegmatoren kondensiert, die verschiedene Stufen einer Trennung während des Kondensierschrittes durchführen. Das Kondensat wird von den leichteren Gasen separiert und wird über eine oder mehrere Demethanisiersäulen geführt, die einen Leichtgaskopfprodukt, das im wesentlichen Methan und Wasserstoff enthält, und einen Bodenstrom rückgewinnt, der reich an C&sub2; und C&sub3;-Kohlenwasserstoffen ist. Dieser Kohlenwasserstoffstrom wird weiter fraktioniert, um ein hochreines Ethylenprodukt, ein ethylenreiches Nebenprodukt und einen Strom von C&sub3; und schwereren Kohlenwasserstoffen zu erzeugen.
  • Im wesentlichen alle Ethylenanlagen verwenden ein Ethylen-/Propylenkaskadenabkühlsystem, um den Hauptanteil der Abkühlung zu liefern, der in der Ethylenanlage benötigt wird. Der Großteil der Propylenabkühlung (hoher Pegel) wird bei mehreren Druck-/Temperaturpegeln in den ursprünglichen Zuführvorkühlungs-und Fraktionierungsabschnitten der Anlage verwendet, um das Zuführgas von Umgebungstemperatur auf ungefähr -37,22 ºC (-35 ºF) zu kühlen, und um das Ethylenkühlmittel auf ungefähr -34,44 ºC (-30º F) zu kondensieren. In gleicher Weise wird die Ethylenabkühlung (niedriger Pegel) bei verschiedenen Druck-/Temperaturpegeln in dem Tiefsttemperaturabschnitt der Anlage eingesetzt, um das Zuführgas von -37,22 ºC (-35 ºF) auf ungefähr -92,33 ºC (-145 ºF), damit die Menge des Ethylens in der Form einer Flüssigkeitszufuhr zur Demethanisiersäule kondensiert wird, und in dem Kopfproduktkondensator der Demethanisiersäule auf ungefähr -101,11 ºC (-150 ºF) zu kühlen, um den Rückfluß zu der Säule zu liefern. Ethylen wird normalerweise nicht verwendet, um eine Abkühlung auf unterhalb -101,11 ºC (-150 ºF) zu schaffen, da dies in Unteratmosphärendruck an der Einsaugung des Ethylenkompressors resultieren würde. Abkühlung auf unterhalb -101,11 ºC (-150 ºF), um das verbleibende Ethylen des Zuführgases zu kondensieren, wird hauptsächlich durch Expansionsarbeit der unbrauchbaren leichten Gase, H&sub2; und Methan, und/oder durch Verdampfung des Methankühlmittels geschaffen, das durch das Ethylenkühlmittel kondensiert worden ist. Die arbeitsexpandierten Gase werden normalerweise als Brennstoff verwendet und bestehen primär aus dem Kopfproduktdampf der Demethanisiersäule, großteils Methan, und beliebigem nicht kondensierten Zuführgas, größtenteils H&sub2; und Methan, das nicht in dem H&sub2;- Rückgewinnungsabschnitt der Ethylenanlage verarbeitet wird.
  • Mit der oben beschriebenen konventionellen Prozeßtechnologie muß das Kühlen und Demethanisieren des Zuführgases bei Drucken in dem Bereich von 31,026 bis 44,816 bar (450 - 650 psia) ausgeführt werden, um eine hohe Ethylenrückgewinnung (99 % oder mehr) zu erzielen, da das Propylen-/Ethylenkaskadensystem keine Abkühlung kälter als -101,11 ºC (-150 ºF) zum Zuführgaskühlen und zur Abkühlung des Kondensators der Demethanisiersäule bereitstellen kann. Der Umfang der Abkühlung zur Zuführgaskühlung auf unterhalb -101,11 ºC (-150 ºF), die von anderen Prozeßströmen in einer Ethylenanlage erzeugt werden können, ist durch die Betriebsrandbedingung wie die Menge des rückgewonnenen Wasserstoffs unter hohem Druck und des Drucks (der Drücke) des Brennstoffsystems. Diese Randbedingungen begrenzen die Größe der Expansionsabkühlung, die erzeugt werden kann, was wiederum die Ethylenrückgewinnung begrenzt. Drücke zwischen 31,026 bis 44,816 bar (450 und 650 psia) werden in der Zuführgaskühlstraße und in der Demethanisiersäule benötigt, so daß der Großteil des Ethylens oberhalb von -101,11 ºC (-150 ºF) kondensiert werden kann, so daß ausreichende Brennstoffgasexpansionsabkühlung bei kälteren Temperaturen verfügbar ist, um den Großteil des verbleibenden Ethylens zu kondensieren und geringen Ethylenverlust in dem Kopfproduktdampf der Demethanisiersäule zu erzielen.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet einen verbesserten geschlossenen gemischten Kühlmittelumlauf, der eine effiziente niedrigpegelige Abkühlung unter Verwendung des Kühlmittels in einem unterkühlten Zustand für die Kopfproduktkondensatorleistung des Demethanisierers und zum Zuführgaskühlen und Kondensieren. Das gemischte Kühlmittel, das hauptsächlich aus Methan, Ethan oder Ethylen und Propan oder Propylen besteht, wird bei einer Temperatur von ungefähr -34,44 ºC (-30 ºF) bis -51,11 ºC (-60 ºF) und 1,034 bis 3,477 bar (15 - 50 psia) (vorzugsweise 1,379 bis 2,413 bar) (20 - 35 psia)) auf 17,237 bis 34,473 bar (250 bis 500 psia) (vorzugsweise 20,634 bis 31,026 bar) (300 - 450 psia)) komprimiert und mit Kühlwasser oder Luft auf Umgebungstemperatur gekühlt, wobei im wesentlichen keine Kondensation auftritt. Der gemischte Kühlmitteldampf wird dann auf ungefähr -28,89 ºC (-20 ºF) bis -45,56 ºC (-50 ºF) unter Verwendung verschiedener Pegel von Propan- oder Propylenkühlmitteln gekühlt, um mindestens 80 % des gemischten Kühlmitteldampfes, und vorzugsweise ihn insgesamt, zu kühlen. Die gemischte Kühlmittelflüssigkeit und, falls vorhanden der Dampf, wird dann auf -115 ºC (-157 ºF) bis -141,76 ºC (-225 ºF) gekühlt, wobei der hauptsächliche Anteil der Abkühlung durch kaltes H&sub2; und Methanströme geschaffen wird, die aus dem H&sub2;- Rückgewinnungsabschnitt der Ethylenanlage zurückkehren und durch expandierte leichte Gase des Kopfs der Demethanisiersäule und/oder unkondensiertem Zuführgas, das nicht in dem H&sub2;-Rückgewinnungsabschnitt verarbeitet wird. Diese Ströme werden typischerweise in dem Bereich von -115 ºC (-175 ºF) bis -148,33 ºC (-235 ºF) in den Unterkühler des gemischten Kühlmittels eintreten und werden soweit wie möglich für die maximale Abkühlungsrückgewinnung erwärmt werden. Ein Teil der unterkühlten gemischten Kühlmittelflüssigkeit kann auf niedrigen Druck expandiert werden, beispielsweise 1,034 bis 3,447 bar (15 - 50 psia), und in dem Unterkühler des gemischten Kühlmittels wiedererwärmt werden, falls notwendig, um effizient die Abkühlungsbelastung in dem Unterkühler auszugleichen oder um die Menge der erzeugten Abkühlung zu erhöhen.
  • Das Kühlen, Kondensieren und Trennen des Zuführgases kann vorteilhafterweise in dem Bereich von 10,347 bis 27,579 bar (150 - 400 psia) betrieben werden, und das Zuführgas kann in diesem Druckbereich ebenfalls bereitgestellt werden. Das Abkühlen und Kondensieren des Zuführgases wird vorzugsweise durch Dephlegmation in einem Dephlegmator durchgeführt, der ein rektifizierender Wärmetauscher ist, der teilweise das Zuführgas kondensiert und rektifiziert. Typischerweise erreicht ein Dephlegmator einen Grad der Trennung, der gleich dem einer Trennung mehrerer Stufen ist, typischerweise 5 bis 15 Stufen. Alternativ wird das Kühlen und Kondensieren des Zuführgases in einem konventionellen Kondensator durchgeführt, der hier als ein Teilkondensator definiert ist, in dem ein Zuführgas teilweise kondensiert wird, um eine Dampf- /Flüssigkeitsmischung zu ergeben, die in einem einfachen Trennbehälter in Dampf- und Flüssigkeitsströme getrennt wird. Eine einzelne Stufe der Trennung wird in einem Teilkondensator realisiert.
  • Das Unterkühlen der gemischten Kühlmittelflüssigkeit auf -115 ºC (-175 ºF) bis -142,78 ºC (-225 ºF) ist in Ethylenanlagen vorteilhaft, um eine ausreichend kalte Abkühlung zu schaffen, um das Zuführgas auf -112,22 ºC (-170 ºF) bis -140 ºC (-220 ºF) zu kühlen, welches der benötigte Temperaturbereich ist, der für eine hohe (99+%) oder ultrahohe (99,75+%) Ethylenrückgewinnung benötigt wird. Um diese hohen Ethylenrückgewinnungen zu erzielen, muß das Zuführgas typischerweise auf -123,33 ºC (-190 ºF) bis -140 ºF (-220 ºF) in Ethylenanlagen gekühlt werden, die konventionelle teilkondensierende Wärmetauscher verwenden, oder auf -112,22 ºC (-170 ºF) bis -123,33 ºC (-190 ºF) in Ethylenanlagen, die dephlegmatorische Wärmetauscher für das letzte Zuführgaskühlen verwenden.
  • Die Masse der unterkühlen gemischten Kühlmittelflüssigkeit wird in zwei Teile aufgeteilt. In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil dieses Kühlmittels auf 1,034 bis 3,447 bar (15 - 50 psia) entspannt und zumindest teilweise in einem kalten Teilkondensator oder kalten Dephlegmator verdampft, um den kältesten Pegel der Abkühlung, -177,78 ºC (-180 ºF) bis -145,56 ºC (-230 ºF) zum Kühlen und Kondensieren des Zuführgases zu schaffen. Der Rest der unterkühlten gemischten Kühlmittelflüssigkeit wird auf 1,034 bis 3,447 bar (15 - 50 psia) entspannt und zumindest teilweise in dem Kopfproduktkondensator der Demethanisiersäule verdampft, um einen Rückfluß zu dieser Säule zu schaffen. Diese zwei gemischten Kühlmittelströme bei ungefähr -77,33 ºC (-100 ºF) bis -101,11 ºC (-150 ºF), werden zusammengeführt und weiter erwärmt und in dem warmen Teilkondensator oder in dem warmen Dephlegmator vollständig verdampft, um einen wärmeren Pegel der Abkühlung zum Kühlen und Kondensieren des Zuführgases zu schaffen. Dieser erwärmte gemischte Kühlmitteldampfstrom, typischerweise bei -34,44 ºC (-30 ºF) bis -51,11 ºC (-60 ºF), wird mit dem Strom des gemischten Kühlmittels gemischt, das in den gemischten Kühlmittelunterkühlern verdampft wurde, falls einer vorhanden ist, und wird in den gemischten Kühlmittelkompressor bei 1,034 bis 3,447 bar (15 - 50 psia) (vorzugsweise 1,379 bis 2,431 bar) (20 - 35 psia)) zurückgeführt.
  • Es ist kritisch, eine Abkühlung mit dem gemischten Kühlmittelumlauf bei sehr viel niedrigeren Temperaturen als dem -101,11 ºC (-150 ºF)-Pegel zu schaffen, der mit einem konventionellen Ethylenabkühlungsumlauf erreichbar ist, da die Größenordnung der Abkühlung auf unterhalb -101,11 ºC (-150 ºF) die von anderen Prozeßströmen in der Ethylenanlage zum Zuführgaskühlen verfügbar sind, durch Betriebsrandbedingungen, wie die Menge des rückgewonnenen H&sub2; unter Hochdruck und des Kraftstoffsystemdrucks (drücke) begrenzt ist. Diese Randbedingungen begrenzen die Größe der Ausdehnungsabkühlung, die erzeugt werden kann, was wiederum die Ethylenrückgewinnung begrenzt. Mit dem gemischten Kühlmittelumlauf gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch die Menge der Abkühlung und der kälteste Temperaturpegel, bei dem sie bereitgestellt werden kann, nicht durch diese Randbedingungen begrenzt, und höhere Pegel der Ethylenrückgewinnung können erzielt werden. Zusätzliche und/oder kältere Abkühlung kann von dem gemischten Kühlmittelumlauf durch das Erhöhen der Menge des gemischten Kühlmittels bei niedrigem Druck erzeugt werden, das zum Unterkühlen der gemischten Kühlmittelflüssigkeit bei hohem Druck verwendet wird. Zusätzlich kann der gemischte Kühlmittelumlauf eine Abkühlung schaffen, die kälter als der -101,11 ºC (-150 ºF)-Pegel ist, der normalerweise dem Kopfproduktkondensator der Demethanisiersäule von einem Ethylenabkühlungsumlauf zugeführt wird. Die kältere Abkühlung kann die Menge des Ethylens reduzieren, die in dem Kopf der Demethanisiersäule verlorengeht und so die Ethylenrückgewinnung weiter steigern.
  • Mit dem Kaskadensystem des Propylen-/gemischten Kühlmittels unter Verwendung des geschlossenen gemischten Kühlmittelumlaufs gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Größe der Abkühlung und der kältesten Temperaturpegel, bei dem sie bereitgestellt werden kann, nicht durch die Menge des rückgewonnenen H&sub2; unter Hochdruck oder durch den Brennstoffsystemdruck(drücke) begrenzt. Daher können hohe Pegel der Ethylenrückgewinnung in der vorliegenden Erfindung mit viel niedrigeren Zuführgasdrücken im Bereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) erzielt werden. Die von dem gemischten Kühlmittelumlauf bereitgestellte kältere Abkühlung kann ebenfalls genutzt werden, um die Menge des Ethylens zu reduzieren, die in dem Kopfprodukt der Demethanisiersäule verlorengeht, und so weiter die Ethylenrückgewinnung erhöhen. Zusätzlich erlaubt die von dem gemischten Kühlmittelumlauf geschaffene kältere Abkühlung weiterhin, daß die Demethanisiersäule(n) bei Drücken betrieben wird, die niedriger als konventionelle Pegel bei 27,579 bis 34,473 bar (400 bis 500 psia) sind, die für eine hohe Ethylenrückgewinnung benötigt werden, wenn die Ethylenabkühlung als Kühlmittel des Kopfproduktkondensators verwendet wird. Bei niedrigeren Drücken, beispielsweise im Bereich von 10,342 bis 27,578 bar (150 bis 400 psia), wird die Trennung des Methans und leichterer Gase von dem Ethylen und schwereren Kohlenwasserstoffen einfacher, was in niedrigeren Abkühlungsanforderungen und niedrigeren Vorrichtungskosten des Demethanisiersäulensystems resultiert.
  • Dieses Zuführgaskühlkonzept bei niedrigem Druck mit einem Propylen/ gemischten Kühlmittelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls verwendet werden, um Ethylen, Ethan und/oder schwerere Kohlenwasserstoffe aus Mineralölraffinerien oder petrochemischen Abgasen rückzugewinnen. Andere Kühlmittel, wie beispielsweise Propan, Ammoniak oder verschiedene Freone, können verwendet werden, um eine Abkühlung hohen Niveaus anstelle des Propylens für das Vorkühlen des Zuführgases und zum Kondensieren des gemischten Kühlmittels zu schaffen. Ein Abkühlungssystem basierend auf Absorption kann ebenfalls eingesetzt werden, um eines dieser Kühlmittel hohen Niveaus zu ersetzen.
  • Falls drei oder mehr Teilkondensatoren oder Dephlegmatoren in Serie anstelle von zwei verwendet werden, kann die Abkühlung für den Kopfproduktkondensator der Demethanisiersäule von einem gemischten Kühlmittelstrom parallel mit der Abkühlung für die mittleren Teilkondensator oder mittleren Dephlegmatoren anstelle parallel mit dem kalten Teilkondensator oder kalten Dephlegmator erzeugt werden, falls die benötigten Abkühltemperaturpegel näher mit solch eine Ausführung übereinstimmen. Offensichtlich können Kombinationen ein oder mehrerer Teilkondensatoren und ein oder mehrerer Dephlegmatoren, die in Serie betrieben werden, ebenfalls verwendet werden. Zusätzlich könnte der Kopfproduktkondensator der Demethanisiersäule durch einen Dephlegmator ersetzt werden oder könnte aus einem Dephlegmator bestehen, der in Serie mit einem Teilkondensator arbeitet. In beiden Fällen würde die Abkühlung dieser Wärmetauscher von den geeigneten gemischten Kühlmittelströmen gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, um am besten die Temperaturpegel zu treffen.
  • Der gemischte Kühlmittelumlauf kann ebenfalls zur Rückgewinnung von Ethylen, Ethan oder schwere Kohlenwasserstoffe aus einer Mineralölraffinerie oder petrochemischen Abgas verwendet werden. Andere Kühlmittel, wie beispielsweise Ammoniak oder verschiedene Freone, können anstelle des Propans oder Propylens verwendet werden, um eine Abkühlung hohen Niveaus für die Vorkühlung des Zuführgases und zum Kondensieren des gemischten Kühlmittels zu schaffen.
  • Die bevorzugte Kühlmittelzusammensetzung wird von den spezifischen Temperaturpegeln, bei denen die Abkühlung erzeugt wird, dem Systemdruck und der Zuführgaszusammensetzung abhängen. Repräsentative Kühlmittelzusammensetzungsbereiche umfassen 5 bis 30 Mol-% Methan, 20 bis 55 Mol-% Ethylen und/oder Ethan und 20 bis 50 Mol-% Propylen und/oder Propan. Niedrigere Konzentrationen von leichten Gasen, beispielsweise Wasserstoff oder Stickstoff, und schwereren Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Butan, können ebenfalls eingeschlossen sein.
  • Eine erste Ausführungsform der Erfindung kann im Detail unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben werden. Warmer gemischter Kühlmitteldampf 1 wird auf 17,237 bis 34,473 bar (250 - 500 psia), vorzugsweise 20,687 bis 31,026 (300 - 450 psia), im Kompressor 101 komprimiert und gegenüber Luft oder Kühlwasser im Wärmetauscher 103 auf Umgebungstemperatur gekühlt. Das komprimierte Kühlmittel wird gekühlt und kondensiert, vorzugsweise vollständig kondensiert, unter Verwendung mehrerer Pegel von Propan oder Propylenabkühlung in einem konventionellen Abkühlungssystem 105. Kondensiertes gemischtes Kühlmittel 3 bei -28,29 ºC bis -45,56 ºC (-20 º bis -50 ºF) wird in einem Unterkühler 107 des gemischten Kühlmittels unterkühlt, um ein gemischtes unterkühltes Kühlmittel 5 bei -115 ºC bis 142,78 ºC (-175 bis -225 ºF) zu erzielen. Der Großteil des Unterkühlens wird durch indirekten Wärmeaustausch mit kalten Prozeßströmen 7, 8 und 9 aus anderen Abschnitten der Ethylenrückgewinnungsanlage bewerkstelligt. Diese kalten Ströme können arbeitsexpandiertes Leichtgaskopfprodukt der Demethanisiersäule als auch kaltes Methan und Wasserstoffströme des Wasserstoffrückgewinnungsabschnitts der Anlage umfassen. Zusätzlich kann ein Teil 11 des unterkühlten gemischten Kühlmittels 5 auf 1,034 bis 3,447 bar (15 - 50 psia) mittels eines Expansionsventils 109 expandiert werden und durch einen gemischten Kühlmittelunterkühler 107 geleitet werden, um zusätzliche Abkühlung zu schaffen. Der Fluß des Kühlmittelteils 11 wird gesteuert, um die Gesamtgröße der Abkühlung auszugleichen, die zum Unterkühlen des gemischten Kühlmittels unter hohem Druck benötigt wird, und um Schwankungen in der Eigenschaften der kalten Prozeßströme 7, 8 und 9 Eigenschaften der kalten Prozeßströme 7, 8 und 9 auszugleichen. Zusätzliche kalte Prozeßströme (nicht dargestellt) können verwendet werden, um Abkühlung durch die beschriebenen kalten Prozeßströme 7, 8 und 9 zu ergänzen. Typischerweise wird ungefähr 80 bis 100 % der totalen Abkühlung für den Wärmetauscher durch kalte Prozeßströme und der Rest durch expandierte unterkühlte gemischte Kühlmittel 13 bereitgestellt.
  • Ein zweiter Teil 15 des unterkühlten gemischten Kühlmittels 5 wird auf 1,034 bis 3,447 bar (15 - 50 psia) über ein Expansionsventil 11 expandiert, um Kühlung auf -117,78 ºC (-180 ºF) bis -145,56 ºC (-230 ºF) für den Kopfproduktkondensator 113 der Demethanisiersäule zu liefern, um ein gemischtes Kühlmittel 17 zu schaffen, das zumindest teilweise verdampft ist. Ein dritter Teil 19 des unterkühlten gemischten Kühlmittels 5 wird über ein Expansionsventil 115 auf 1,034 bis 3,447 bar (15 - 50 psia) expandiert, um eine Abkühlung auf -117,78 ºC (-180 ºF) bis -145,56 ºC (-230 ºF) als Strom 21 zum Kühlen und teilweise Kondensieren des Zuführgases 23 bei so niedrigen Druckpegeln wie 150 psia zu schaffen. Dies wird in der kalten Zuführgaskondensierzone 117 bewerkstelligt, um Leichtgas 25 und flüssige Kondensate 27 zu ergeben, die ein Zuführgas für eine Demethanisiersäule (nicht dargestellt) bereitstellt. Vorzugsweise wird ein kalter Dephlegmator 118 für die Zuführgaskondensation verwendet, der verschiedene Stufen der Rektifikation hervorbringt und dadurch den Trennbetrieb der Demethanisiersäule reduziert. Alternativ kann ein konventioneller Teilkondensator anstelle des kalten Dephlegmators 118 verwendet werden. Kühlmittelströme 17 und 29 werden kombiniert, um einen Kühlmittelstrom 31 bei ungefähr -34,44 ºC (-13 ºF) bis -51,11 ºC (-60 ºF) zu bilden, der wiederum mit einem verdampften gemischten Kühlmittel 33 des gemischten Kühlmittelunterkühlers 107 kombiniert wird, um einen gemischten Kühlmittelstrom 1 bei 1,034 bis 3,447 bar (15 bis 50 psia), vorzugsweise 1,379 bis 2,431 bar (20 - 35 psia) für den Kompressor 101 bereitzustellen. Jeder der Ströme 1, 17, 29, 31 oder 33, die teilweise verdampft sind, kann an anderer Stelle in der Anlage verwendet werden, um zusätzliche Abkühlung durch weitere Verdampfung zu schaffen.
  • Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig. 2 dargestellt, worin ein gemischtes Kühlmittel in einer zusätzlichen Zone der Zuführgaskühlung und -kondensation eingesetzt wird. Der gemischte Kühlmittelumlauf ist ähnlich demjenigen der oben in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform. In dieser alternativen Ausführungsform wird die Abkühlung für den Kondensator 113 der Demethanisiersäule und der kalten Zuführgaskondensierzone 117 derart geschaffen, daß der vereinigte gemischte Kühlmittelstrom 31 bei ungefähr -73,33 ºC (-100 ºF) bis -101,11 ºC (-51 ºF) sich befindet und teilweise verdampft ist. Zuführgas 23 wird zuerst bei so niedrigen Drücken wie 10, 342 bar (150 psia) unter Verwendung des gemischten Kühlmittelstroms 31 in der Kondensierzone 119 des warmen Zuführgases gekühlt und kondensiert, um warme kondensierte Zuführgasflüssigkeit 35 und einen mittleren Dampfstrom 37 zu erzeugen, die das Zuführgas der kalten Zuführgaskondensierzone 117 bereitstellt. Vorzugsweise wird das Kondensieren in der warmen Zuführkondensierzone 119 durch den warmen Dephlegmator 120 bewirkt. Verdampfte gemischte Kühlmittelströme 33 und 39 werden kombiniert, um einen gemischten Kühlmitteldampf 1 für den Kompressor 101 zu schaffen. Das zweistufige Zuführgaskühlen und -kondensieren durch die Dephlegmatoren 118 und 120 schafft daher eine signifikante Präfraktionierung des Zuführgases in Leichtgas 25, kalte kondensierte Zuführgasflüssigkeit 27 und warme kondensierte Zuführgasflüssigkeit 35. Die zwei kondensierten Zuführgasflüssigkeiten 27 und 35 können weiter in einzelnen oder mehrfachen Demethanisiersäulen von reduzierter Größe fraktioniert werden, da eine signifikante Präfraktionierung von dem zweistufigen Dephlegmatorsystem geschaffen wird. Alternativ können Zuführgaskondensierzonen 117 und 119 konventionelle Teilkondensatoren anstelle der Dephlegmatoren 118 und 120 verwenden, oder eine Kombination eines Dephlegmators und eines Teilkondensators kann eingesetzt werden.
  • Es ist möglich, das Abkühlungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung mit mehr als zwei Dephlegmatoren oder Teilkondensatoren in Serie zu verwenden, wie dies früher beschrieben wurde. In solch einer Alternative kann Abkühlung auf einen mittleren Temperaturpegel parallel zu den mittleren Dephlegmator(en) oder partiellen Kondensator(en) und dem Demethanisiererkondensator 113 geschaffen werden. Andere Anordnungen sind möglich, um das unterkühlte gemischte Kühlmittel gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
    • BEISPIEL
  • Energie- und Materialbilanzen wurden für die Ausführungsform der Fig. 2 erstellt, in der ein gemischter Kühlmitteldampfstrom 1 (1407 kg (3102 lb) Mol pro Stunde), der 22 Vol-% Methan, 42 Vol-% Ethylen und 36 Vol-% Propylen enthält, von -45,56 ºC (-50 ºF), 1,655 bar (24 psia), auf 32,060 bar (465 psia) komprimiert und auf 37,78 ºC (100 ºF) mit Kühlwasser gekühlt wird. Gemischter Kühlmitteldampf 2 wird dann auf -37,22 ºC (-35 ºF), 31,371 bar (455 psia) mit mehreren Stufen des Propylenkühlmittels in 105 gekühlt, um den gemischten Kühlmittelstrom insgesamt zu kondensieren. Die gemischte Kühlmittelflüssigkeit 3 wird auf -128,89 ºC (-200 ºF) in dem gemischten Kühlmittelunterkühler 107 gegenüber dem kalten H&sub2;, Methan und expandierten Strömen 7, 8 und 9 unterkühlt, die in der Ethylenanlage vorhanden sind. Ungefähr 1 % der unterkühlten gemischten Kühlmittelflüssigkeit 5 wird über ein Expansionsventil 109 auf 27 psia expandiert, um ein Kühlmittel 13 zu erzeugen, das auf -38,89 ºC (-38 ºF) in dem gemischten Kühlmittelunterkühler 107 erwärmt wird, um effizient die Abkühlungsbelastung des Systems auszugleichen. Ungefähr 32 % der unterkühlten gemischten Kühlmittelflüssigkeit 5 wird auf 2,68 bar (30 psia) über das Expansionsventil 111 expandiert, und wird teilweise verdampft und auf -87,22 ºC (-125 ºF) in dem Kopfproduktkondenssator 113 der Demethanisiersäule erwärmt, um einen Rückfluß zu dieser Säule zu schaffen. Die verbleibenden 67 % unterkühlte gemischte Kühlmittelflüssigkeit 5 wird auf 2,068 bar (30 psia) über das Expansionsventil 115 entspannt und wird teilweise verdampft und auf -91,67 ºC (-133 ºF) in dem kalten Dephlegmator 118 erwärmt, um eine Abkühlung zum Kühlen und Kondensieren des mittleren Zuführgasdampfstroms 37 von -80 ºC (-112 ºF) auf -114,44 ºC (-174 ºF) zu schaffen entsprechend der 99,8 %-igen Ethylenrückgewinnung. Das heißt, 99,8 % des Ethylens der Zuführgasstroms 23 wird kondensiert und in den zwei kondensierten Zuführgasflüssigkeitsströme 35 und 27 rückgewonnen, und 0,2 % geht in dem Leichtgasstrom 25 verloren.
  • Gemischte Kühlmittelströme 17 und 29 werden dann in dem Strom 31 vereinigt, der total verdampft und auf -45,56 ºC (-50 ºF) in dem warmen Dephlegmator 120 erwärmt wird, um eine Abkühlung zum Kühlen und Kondensieren des Zuführgases 23 von -36,11 ºC (-33 ºF) auf -80 ºC (-112 ºF) zu schaffen. Zuführgas 23 (3638 kg (8120 lb) Mol pro Stunde), das 24 Mol-% Wasserstoff, 38 Mol-% Methan, 31 Mol-% Ethylen, 4 Mol-% Ethan und 3 Mol-% C&sub3; und schwere Kohlenwasserstoffe enthält, ist von einem konventionellen Propylenabkühlungssystem und anderen Kühlmittelströmen (nicht dargestellt) auf -36,11 ºC (-33 ºF), 33,784 bar (490 psia) vorgekühlt worden. Der erwärmte gemischte Kühlmittelstrom 39 wird mit dem kleinen Strom des gemischten Kühlmittels 33 des gemischten Kühlmittelunterkühlers 107 gemischt und wird zu dem gemischten Kühlmittelkompressor 101 bei -45,56 ºC (-50 ºF) und 1,655 bar (24 psia) zurückgeführt, um den Abkühlungsumlauf zu komplettieren.
  • In diesem Beispiel benötigt das gemischte Kühlmittel- Propylenabkühlungssystem ungefähr 20 % weniger Kompressionsleistung bei der gleichen Ethylenrückgewinnung von 99,8 % wie ein konventionelles Ethylen- /Propylenkaskadenabkühlungssystem, um das gleiche Ausmaß der Abkühlung zum Kühlen des Zuführgases bei -36,11 ºC (-33 ºF) auf -114,44 ºC (-174 ºF) bereitzustellen. In diesem Beispiel wird die gesamte Leistungsersparung in dem Propylenkompressor als Ergebnis des Verschiebens eines Großteils der niedrigpegeligen Kühlmittelkondensierlast von dem niedrigsten und am energieintensivsten Pegel des Propylenkühlmittels zu höheren Pegeln erreicht. Ethylenkühlmittel kondensiert bei einem einzigen Temperaturpegel, typischerweise -34,44 ºC (-30 ºF) oder -36,11 ºC (+35 ºF), was die Kondensierabkühlungslast in dem niedrigsten Druckpegel des Propylenkühlmittels konzentriert. Das gemischte Kühlmittel kondensiert über einen Bereich einer Temperatur, +23,89 ºC (+75 ºF) bis -36,11 ºC (-35 ºF) in diesem Beispiel, der die Kondensierabkühlungslast über mehrere Druckpegel des Propylenkühlmittels ausdehnt und signifikant die Propylenkompressionsleistung reduziert.
  • Mit weniger als 5 % Zunahme der Kompressionsleistung konnte die Ethylenrückgewinnung von 99,8 % auf 99,9 % unter Verwendung des gemischten Kühlmittel- Propylenabkühlungssystems erhöht werden. Dieser Pegel der Ethylenrückgewinnung würde mit dem Ethylen- Propylenabkühlungssystem innerhalb der Betriebsbedingungen der Ethylenanlage in diesem Beispiel nicht möglich sein.
  • Daher verwendet der Abkühlungsumlauf gemäß der vorliegenden Erfindung ein unterkühltes gemischtes Kühlmittel, um eine Abkühlung auf so niedrige Temperaturen wie -115 ºC bis -141,78 ºC (-175 ºF bis -225 ºF) für die Rückgewinnung des Ethylens mit hoher Effizienz und verringertem Leistungsverbrauch im Vergleich mit der bekannten Technologie zu schaffen. Das unterscheidende Merkmal der Erfindung ist, daß kalte Prozeßströme und optional ein Teil eines entspannten unterkühlten gemischten Kühlmittels verwendet werden, um das unter hohem Druck verflüssigte gemischte Kühlmittel zu unterkühlen, das nachfolgend entspannt wird, um eine sehr niedrigpegelige Abkühlung die Zuführgaskondensation und der Kopfproduktkondensatorleistungen der Demethanisiersäule zu schaffen.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist eine signifikante Verbesserung gegenüber den früher beschriebenen gemischten Kühlmittelumläufen des Standes der Technik. Der in dem Technip zuerkannten U.S.-Patent 4,072,485 beschriebene gemischte Kühlmittelumlauf ist dazu bestimmt, eine niedrigpegelige (unterhalb -40 ºC) (-40 ºF) Abkühlung in einem Erdgasverarbeitungswerk oder in einem Tieftemperaturabschnitt einer konventionellen (Krackgas)- Ethylenanlage zu schaffen, die einen oder mehrere Teilkondensationsstufen zum Kühlen und Kondensieren des Krackgases verwendet, das der Demethanisiersäule zugeführt wird. In dem '485-Kühlumlauf ist mehr als die Hälfte des gemischten Kühlmittels nahe der Umgebungstemperatur von Wasser oder Luft kondensiert und wird insgesamt bei -10 ºC (-50 ºF) mit einem oder mehreren Pegeln von warmem Propan oder Propylenkühlmittel kondensiert. Die gemischte Kühlmittelflüssigkeit wird auf -32,22 ºC (-26 ºF) mit einem oder mehreren Pegeln eines kälteren Propan- oder Propylenkühlmittels unterkühlt. In einer Ethylenanlagenanwendung wird diese unterkühlende gemischte Kühlmittelflüssigkeit dann in zwei Teile aufgeteilt. Ein Teil wird weiter auf -50 ºC (-58 ºF) in einem "zweiten" oder "sonstigen" Wärmetauscher gegenüber kalten Prozeßströmen unterkühlt und der verbleibende Teil wird weiter auf -100 ºC (-148 ºF) in dem "Haupt"-Tauscher gegenüber rückfließendem unter niedrigem Druck stehenden gemischten Kühlmittel unterkühlt. Die zwei unterkühlten gemischten Kühlmittelströme werden vereinigt, auf niedrigen Druck entspannt und dazu verwendet, Abkühlung über den Temperaturbereich von -40 ºC (-40 ºF) bis zu 100 ºC (-148 ºF) zu schaffen; d.h. das gemischte Kühlmittel ist auf exakt den gleichen Temperaturbereich beschränkt wie die Ethylenabkühlung, die es ersetzt. Die Zufuhr der Abkühlung zu dem Kopfproduktkondensator der Demethanisiersäule in der Ethylenanlage ist nicht spezifisch in dem '485er-Patent angesprochen.
  • Ein spezifischeres Ethylenanlagenbeispiel des '485er- Umlaufs wird in dem früher zitierten Artikel von Kaiser et al. beschrieben und zeigt eine Leistungsreduzierung von 9 % für das '485er gemischte Kühlmittel-Propylensystem im Vergleich zu einem konventionellen Ethylen- Propylenkaskadensystem. Dies wird verglichen mit einer 20 %-igen Leistungserniedrigung in dem Beispiel für das gemischte Kühlmittel-Propylensystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich schafft das '485er-Beispiel nur ein Zuführgaskühlen auf einem Pegel von -92,22 ºC (-134 ºF), was nicht ausreichend für eine moderne Ethylenanlage mit hoher Rückgewinnung ist, und nicht die Versorgung mit Kühlung für den Kopfproduktkondensator der Demethanisiersäule berücksichtigt, der normalerweise eine Kühlung auf den -101,11 ºC (-150 ºF)-Pegel benötigt. Mit diesem '485er gemischten Kühlmittelumlauf ist die Ethylenrückgewinnung darauf begrenzt, was mit dem entsprechenden Ethylenabkühlungsumlauf erzielt werden würde, was weit unterhalb der 99+ % Ethylenrückgewinnung der meisten modernen Ethylenanlagen und weit unterhalb der 99,75+ % Ethylenrückgewinnung liegt, die bei den Ethylenanlagen mit Dephlegmatoren erzielbar ist.
  • Der gemischte Kühlmittelumlauf gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere gut geeignet zum Schaffen einer niedrigpegeligen Kühlung (unterhalb -40 ºC (-40 ºF)) insbesondere in dem Tiefsttemperaturabschnitt einer Ethylenanlage, die zwei oder mehrere Teilkondensatorstufen oder vorzugsweise zwei oder mehrere Dephlegmatoren oder Kombinationen der Teilkondensatoren und Dephlegmatoren in Serie verwendet, die unterhalb -28,85 ºC (-20 ºF) arbeiten, um die kondensierende Krackgaszuführung zu präfraktionieren, bevor sie die Demethanisiersäule betritt. In diesem Umlauf ist das gemischte Kühlmittel mindestens zu 80 % kondensiert und vorzugsweise insgesamt kondensiert bei -28,89 ºC (-28 ºF) bis -45,56 ºC (-50 ºF) unter Verwendung eines oder mehrerer Pegel vom Propan- oder Propylenkühlmittel. Die gemischte Kühlmittelflüssigkeit wird dann auf ungeführ -128,89 ºC (-200 ºF) unterkühlt, wobei der Hauptteil der Abkühlung von den kalten Prozeßströmen durchgeführt wird. Nichts des gemischten Kühlmittels wird in den Zuführgasteilkondensatoren oder Dephlegmatoren unterkühlt. Die gemischten Kühlmittelströme niedrigen Drucks des kalten Dephlegmators und des Kopfproduktkondensators der Demethanisiersäule werden dann vereinigt und eingesetzt, um eine Kühlung auf die mittleren (falls vorhanden) und warmen Dephlegmatoren oder Teilkondensatoren zu schaffen. Abkühlung des Kopfproduktkondensators der Demethanisiersäule könnte alternativ parallel mit einem mittleren Dephlegmator oder Teilkondensator durchgeführt werden.
  • In dem Umlauf gemäß der vorliegenden Erfindung wird das gemischte Kühlmittel nicht bei 10 ºC (+50 ºF) total kondensiert wie in dem '485er-Umlauf, da dies in ineffizienten Hochdruckpegeln für den gemischten Kühlmittelstrom resultiert, beispielsweise auf 49,987 bar (725 psia) in dem '485-Umlauf. Stattdessen wird das gemischte Kühlmittel gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest zu 80 % kondensiert und vorzugsweise bei -18,89 ºC (-20 ºF) bis zu -45,56 ºC (-50 ºF) bei Drücken unterhalb von 34,473 bar (500 psia) insgesamt kondensiert. Zusätzlich wird das gemischte Kühlmittel in nur einem Wärmetauscher unterkühlt, anstelle in sowohl dem "Neben"- als auch dem "Haupt"-Austauscher des '485er, was den Betrieb des Umlaufs vereinfacht. Der gemischte Kühlmittelumlauf gemäß der vorliegenden Erfindung berücksichtigt speziell ebenfalls die Versorgung des Kopfproduktkondensators der Demethanisiersäule mit Kühlung, der eine signifikante Menge von Abkühlung niedrigen Pegels (typischerweise -95,56 ºC (-140 ºF) bis zu 101,11 ºC (-150 ºF)) benötigt.
  • Der gemischte Kühlmittelumlauf des im vorangegangenen zitierten U.S.-Patents 4,720,293, das Air Products and Chemicals, Inc. zugeteilt wurde, schafft eine relativ hochpegelige Abkühlung (15,56 ºC bis zu -65 ºC (+60 bis -85 ºF)) für einen einzelnen Wärmetauscher und hängt von der Verdampfung des abgetrennten Ethans bei einem niedrigen Partialdruck ab, um eine mittlere Pegelabkühlung (-65 ºC bis zu -112,22 ºC (-85 ºF bis zu -170 ºF)) primär in dem Kopfproduktkondensator der Demethanisiersäule zu schaffen. Dies setzt voraus, daß das abgetrennte Ethan mit dem arbeitsexpandierten H&sub2; und Methan (das den niedrigsten Abkühlungspegel schafft) kombiniert wird, und das dann typischerweise dem Brennstoff nach der Abkühlungsrückgewinnung zugeschlagen wird. Dies ist sehr vorteilhaft beim Verarbeiten von Raffinerieabgasen, wenn Ethan außer als Brennstoff keinen Wert hat, aber würde normalerweise nicht in Ethylenanlagen praktisch sein, in denen das separierte Ethan einen höheren Wert als Rohstoff denn als Brennstoff hat, und für die Kracköfen in einem relativ reinen Zustand recycelt werden muß.
  • Zusätzlich zu den größeren Stromeinsparungen und der signifikant höheren Ethylenrückgewinnung, die von dem gemischten Kühlmittelumlauf gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen wird, gibt es signifikante Kapitalersparnisse aufgrund der Vereinfachung der Geräte bei dem gemischten Kühlmittelumlauf im Vergleich zu dem konventionellen Ethylenkühlungsumlauf. Beispielsweise hat der gemischte Kühlmittelkompressor gemäß der vorliegenden Erfindung nur einen Ansaugstrom, eine Ansaugtrommel und eine Rücklaufsteuerschleife. Der typische Ethylenkühlmittelkompressor hat mindestens drei Ansaugströme, drei Ansaugtrommel und drei Rücklaufsteuerschleifen, also eine wesentlich teurere Anordnung. Zusätzlich kann der gemischte Kühlmittelkompressor gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Saugtemperatur von -45,56 ºC (-50 ºF) oder wärmer eine weniger teuere Metallurgie als der Ethylenkühlmittelkompressor verwenden, der typischerweise eine Ansaugtemperatur von -101,11 ºC (-150 ºF) an der ersten Kompressionstufe hat. Im Vergleich mit dem konventionellen Ethylenumlauf gibt es weniger Vorrichtungsteile und weniger Verbindungsrohre bei dem gemischten Kühlmittelumlauf, was in niedrigeren Gesamtkosten resultiert.
  • Bei dem propylengemischten Kühlmittelkaskadenprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung ist es günstig, die Zuführgaskühlstraße einer Ethylenanlage oder einer anderen Ethylenrückgewinnungseinheit bei ungefähr 10,342 bis 27,576 bar (150 - 400 psia) zu betreiben, was eine oder zwei Stufen der Zuführgaskompression und die damit verbundenen Kapitalkosten dieser Kompressionsstufen eliminiert. Eine äquivalente Menge von Kompressionsenergie muß dem Propylen und den gemischten Kühlmittelkompressoren zusätzlich zugeführt werden, aber dies sind nur inkrementale Zunahmen in den Kompressionsstufen mit viel kleineren, damit verbunden Kapitalkosten. Keine zusätzlichen Kühlkompressionsstufen werden benötigt.
  • Zuführgaskühlen und auch optionales Demethanisieren kann bei diesen niedrigen Druckpegeln ausgeführt werden, wobei eine hohe Ethylenrückgewinnung erzielt wird, da das Propylen/gemischtes Kühlmittelkaskadensystem all die notwendige Abkühlung bei Temperaturen kälter als -101,11 ºC (-150 ºF) bewerkstelligen kann, ungeachtet der verfügbaren Menge der Ausdehnungsabkühlung. Das Propylen/gemischte Kühlmittelsystem kann mit Brennstoffgasausdehnungsabkühlung unterstützt werden, aber die Menge der Ausdehnungsabkühlung ist nicht länger eine Begrenzung Zwang für die Ethylenrückgewinnung.
  • Eine Ethylenrückgewinnungseinheit mit einer Kühlstraße niedrigen Drucks, die in einem Bereich von 10,342 bis 27,576 bar (150 - 400 psia), wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, arbeitet, schafft zusätzliche Betriebsvorteile im Vergleich mit einem konventionellen Betrieb bei höheren Drücken. Diese Vorteile umfassen:
  • 1) weniger Methan und Wasserstoff werden mit dem Ethylen und schweren Kohlenwasserstoffen kondensiert, was in niedrigeren Flußraten und niedrigen Kühlanforderungen an die Demethanisiersäule(n) resultiert,
  • 2) eine größere Trennung des Ethylens und Ethans wird erzielt, wenn das Zuführgas kondensiert wird, insbesondere dort, wo ein oder mehrere Dephlegmatoren in der Zuführgaskühlstraße verwendet werden, was in weiteren Kühlungsersparnissen in der (den) Demethanisiersäule(n) resultiert,
  • 3) mehr Wasserstoff kann hinsichtlich der Reinheit zu einem höherwertigen Produkt veredelt werden, da es nicht notwendig ist, den Wasserstoff für die niedrigpegelige Kühlung zu expandieren, was einen niederwertigen Brennstoff erzeugt,
  • 4) falls ein Demethanisiersäulensystem mit Vielfachzonen verwendet wird, resultiert eine größere Trennung des Ethylens und Ethans in dem Zuführgaskühlabschnitt ebenfalls in einer Reduktion der Flüssigkeitsmenge, die in der De-Ethanisiersäule verarbeitet werden muß, was in einer niedrigeren Flußrate und einer Ersparnis in der Trennenergie in der De- Ethanisiersäule resultiert,
  • 5) wo ein Demethanisiersäulensystem mit Vielfachzonen verwendet wird, bewirkt eine höhere Trennung des Ethylens und Ethans in dem Zuführgaskühlabschnitt ebenfalls eine größere Vortrennung der zwei Zuführgasströme zu den Ethylen/Ethanauftrennsäulen, was weitere Einsparungen hinsichtlich der Trennenergie bringt,
  • 6) ein Großteil der Ausrüstung in dem Zuführgasvorbehandlung/Trocknungsabschnitt, der Zuführgaskühlstraße und, optional, der (den) Demethanisiersäule(en) wird bei einem wesentlich niedrigeren Druck betrieben, was sich in reduzierten Kapitalkosten niederschlägt, und
  • 7) aufgrund des niedrigeren Druckverhältnisses zwischen dem Zuführgas und dem Brennstoffgas werden eine oder mehrere Brennstoffgasexpandierer eliminiert, was weiter die Kapitalkosten reduziert.
  • Der in der Niederdruckkühlstraße verwendete geschlossene gemischte Kühlmittelumlauf schafft eine niedrigpegelige Abkühlung (unterhalb von -40 ºC (-40 ºF)) in dem Tieftemperaturabschnitt einer Ethylenanlage, das mehrere Teilkondensatorstufen oder vorzugsweise Dephlegmatoren oder Kombinationen der Teilkondensatoren und Dephlegmatoren in Serie verwendet, die unterhalb von -34,44 ºC (-30 ºF) arbeiten, um das kondensierte, gekrackte Gas zu präfraktionieren, das zugeführt wird, bevor es das Demethanisiersäulensystem betritt. Im Vergleich mit einem konventionellen Ethylenabkühlungsumlauf bewirkt der gemischte Kühlmittelumlauf eine signifikante Leistungseinsparung, höhere Ethylenrückgewinnung und ebenfalls signifikante Kapitaleinsparungen aufgrund der Vereinfachung der Ausrüstung. Beispielsweise hat der gemischte Kühlmittelkompressor nur einen Ansaugstrom, eine Ansaugtrommel und eine Rücklaufsteuerschleife. Der typische Ethylenkühlmittelkompressor hat mindestens drei Ansaugströme, drei Ansaugtrommeln und drei Rücklaufsteuerschleifen, also eine viel teurere Anordnung. Zusätzlich kann der gemischte Kühlmittelkompressor mit einer Ansaugtemperatur von -45,56 ºC (-50 ºF) oder wärmer eine billigere Metallurgie als der Ethylenkühlmittelkompressor verwenden, der typischerweise eine Ansaugtemperatur von -101,11 ºC (-115 ºF) in der ersten Stufe der Kompression aufweist. Im Vergleich mit dem konventionellen Kühlmittelethylenumlauf gibt es weniger Ausrüstungsteile und weniger Verbindungsrohre in dem gemischten Kühlmittelumlauf, was in niedrigeren Gesamtkosten resultiert.
  • Die wesentlichen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind vollständig in der vorangegangenen Beschreibung beschrieben. Der Fachmann kann die Erfindung verstehen und verschiedene Modifikationen vornehmen, ohne sich von den grundlegenden Prinzipien zu entfernen und ohne sich aus dem Rahmen der Ansprüche zu entfernen, die folgen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Rückgewinnung von Ethylen aus einem Zuführgas, das Ethylen, Wasserstoff und C&sub1;- bis C&sub3;-Kohlenwasserstoffe enthält, mit den Schritten:
Komprimieren und Kühlen des Zuführgases, um einen Teil davon zu kondensieren, Fraktionieren der kondensierten Zuführgasflüssigkeiten in einer oder mehreren Demethanisiersäulen, um ein leichtes Kopfprodukt wiederzugewinnen, das im wesentlichen Wasserstoff und Methan enthält, und
Fraktionieren eines oder mehrerer Demethanisiersäulen-Bodenstroms bzw. Bodenströme, um ein Ethylenprodukt und Ströme zurückzugewinnen, die C&sub2;- und schwerere Kohlenwasserstoffe enthalten, wobei die Abkühlung für die Rückgewinnung in einem Zyklus durchgeführt wird, der aufweist:
(a) Komprimieren eines gemischten Kühlmitteldampfes, der zwei oder mehr Komponenten aufweist, die aus der Gruppe bestehend aus Methan, Ethan, Ethylen, Propan und Propylen ausgewählt werden, und Kühlen des resultierenden komprimierten Dampfes, um einen kondensierten gemischten Kühlmittelstrom zu schaffen;
(b) Unterkühlen des kondensierten gemischten Kühlmittelstroms durch indirekten Wärmeaustausch mit einem oder mehreren kalten Prozeßströmen, um ein unterkühltes gemischtes Kühlmittel zu erzeugen;
(c) Schnelles Entspannen bzw. Flashen eines ersten Teils des unterkühlten gemischten Kühlmittels und Einsetzen des resultierenden Kühlmittels, um eine Kopfprodukt-Kondensatorabkühlung für mindestens eine der Demethanisiersäulen durch indirekten Wärmetausch zu schaffen, der den ersten Teil des unterkühlten gemischten Kühlmittels erwärmt und zumindest teilweise verdampft;
(d) Schnelles Entspannen bzw. Flashen eines zweiten Teils des unterkühlten gemischten Kühlmittels und Einsetzen des resultierenden Kühlmittels, um zumindest einen Teil der Abkühlung zu liefern, der zum Kühlen des Zuführgases durch indirekten Wärmeaustausch zum Kondensieren eines Teils davon benötigt wird, den zweiten Teil des unterkühlten gemischten Kühlmittels erwärmt und zumindest teilweise verdampft; und
(e) Vereinigen der resultierenden erwärmten Dampfströme von den ersten und zweiten Teilen der unterkühlten gemischten Kühlmittel der Schritte (c) und (d), um mindestens einen Teil des gemischten Kühlmitteldampfes zu liefern, und Wiederholen der Schritte (a) bis (e); wodurch das Zuführgas in einen Dampfstrom, der leichtere Zuführgaskomponenten enthält, und einen oder mehrere flüssige Kondensatströme getrennt wird, die mit schwereren Zuführgaskomponenten angereichert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlen, Kondensieren und Trennen des Speisegases in dem Druckbereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 - 400 psia) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer der kalten Prozeßströme im Schritt (b) durch das schnelle Entspannen bzw. Flashen eines dritten Teils des unterkühlten gemischten Kühlmittels bereitgestellt wird, und wobei der resultierende erwärmte und mindestens teilweise verdampfte dritte Teil des gemischten Kühlmittels mit den ersten und zweiten Teilen des gemischten Kühlmittels der Schritte (c) und (d) vereint wird, um den gemischten Kühlmitteldampf des Schrittes (a) zu liefern.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer oder mehrere der kalten Prozeßströme im Schritt (b) durch Arbeitsexpansion des leichten Kopfprodukts von einer oder mehreren Demethanisiersäulen bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer oder mehrere der kalten Prozeßströme im Schritt (b) durch weiteres Kühlen und teilweise Kondensieren von mindestens einem Teil des Dampfstromes bereitgestellt wird, der leichtere Zuführgaskomponenten enthält, um einen wasserstoffreichen Dampfstrom und einen oder mehrere methanreiche flüssige Ströme zu schaffen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kühlen des Zuführgases im Schritt (b) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem zweiten Teil des gemischten Kühlmittels durchgeführt wird durch die Verwendung von mindestens einem Dephlegmator oder mindestens einem Teilkondensator oder Kombinationen davon, wobei optional der gemischte Kühlmitteldampf auf ungefähr 17,237 bis 34,473 bar (250 - 500 psia) vor dem Kühlen und Kondensieren komprimiert wird, und/oder der resultierende komprimierte Dampf zumindest teilweise bei ungefähr -28,89 ºC bis -45,56 ºC (-20 ºF bis -50 ºF) vor dem Unterkühlen kondensiert wird, und/oder der kondensierte gemischte Kühlmittelstrom auf zwischen ungefähr -115 ºC (-175 ºF) und -142,78 ºC (-225 ºF) unterkühlt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der gemischte Kühlmitteldampf 5 bis 35 Mol-% Methan, 20 bis 55 Mol-% Ethan und 20 bis 50 Mol-% Propan enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zyklus zum Liefern der Kühlung bzw. Kälte für die Rückgewinnung die Schritte (a) bis (c) gemäß Anspruch 1 und weiter die folgenden Schritte aufweist:
(d) Schnelles Entspannen bzw. Flashen eines zweiten Teils des unterkühlten gemischten Kühlmittels und Verwenden des resultierenden Kühlmittels, um einen Zwischen-Dampfzuführstrom durch indirekten Wärmeaustausch in einer kalten Zuführgas-Kondensierzone zu kühlen und zu kondensieren, die den zweiten Teil des unterkühlten gemischten Kühlmittels erwärmt und zumindest teilweise verdampft;
(e) Vereinigen der ersten und zweiten Teile des erwärmten gemischten Kühlmittels der Schritte (c) und (d), und Verwenden zumindest eines Teils des resultierenden vereinigten gemischten Kühlmittelstroms, um das Zuführgas durch indirekten Wärmeaustausch in einer warmen Zuführgas- Kondensierzone zu kühlen und zu kondensieren, die den kombinierten gemischten Kühlmittelstrom erwärmt, verdampft und den Zwischen- Dampfzuführstrom für die kalte Zuführgas-Kondensierzone des Schrittes (d) bereitstellt; und
(f) Rückführen des resultierenden verdampften gemischten Kühlmittelstroms des Schrittes (e), um zumindest einen Teil des gemischten Kühlmitteldampfes des Schrittes (a) bereitzustellen, und Wiederholen der Schritte (a) bis (f).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kühlen, Kondensieren und Trennen bzw. Zerlegen des Zuführgases in einem Druckbereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Kühlen und Kondensieren in den warmen und kalten Zuführgas-Kondensierzonen von mindestens einem Dephlegmator, mindestens einem Teilkondensator oder Kombinationen hiervon durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei einer der kalten Prozeßströme im Schritt (b) durch das schnelle Entspannen bzw. Flashen eines dritten Teils des unterkühlten gemischten Kühlmittels geschaffen wird, und wobei der resultierende erwärmte und zumindest teilweise verdampfte dritte Teil des gemischten Kühlmittels mit den ersten und zweiten Teilen des gemischten Kühlmittels der Schritte (c) und (d) vereint wird, um den gemischten Kühlmitteldampf des Schrittes (a) zu liefern.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei einer oder mehrere der kalten Prozeßströme im Schritt (b) durch Arbeitsexpandieren des leichten Kopfproduktes von einen oder mehreren Demethanisiersäulen bereitgestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei einer oder mehrere der kalten Prozeßströme im Schritt (b) durch weiteres Kühlen und teilweises Kondensieren von mindestens einem Teil des Dampfstroms gebildet wird, der die leichteren Zuführgaskomponenten enthält, um einen wasserstoffreichen Dampfstrom und einen oder mehrere methanreiche flüssige Ströme zu erzeugen, wobei optional der gemischte Kühlmitteldampf auf 17,237 bis 34,473 bar (250 - 500 psia) vor dem Kühlen und Kondensieren komprimiert wird, und/oder der resultierende komprimierte Dampf mindestens teilweise bei -28,89 ºC bis -45,56 ºC (-20 ºF bis -50 ºF) vor dem Unterkühlen kondensiert wird, und/oder der kondensierte gemischte Kühlmittelstrom auf zwischen -115 ºC (-175 ºF) und -142,78 ºC (-225 ºF) unterkühlt wird, und/oder der gemischte Kühlmitteldampf 5 bis 30 Mol-% Methan, 25 bis 55 Mol-% Ethylen und 25 bis 50 Mol-% Propylen enthält.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der warme gemischte Kühlmitteldampf 5 bis 35 Mol-% Methan, 20 bis 55 Mol-% Ethan und 20 bis 50 Mol-% Propan enthält.
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