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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der
Effizienz von Wärmerückgewinnung und
zur Verbesserung von Wärmeintegration
mit direktem Produktquenschen bei der selektiven Umwandlung von
sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen (Oxygenaten) in Olefine.
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Hintergrund
der Erfindung
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Leichte
Olefine (hier als Ethylen, Propylen, Butene und Mischungen derselben
definiert) dienen als Einsatzmaterialien für die Herstellung zahlreicher
bedeutender Chemikalien und Polymere. Leichte Olefine werden traditionell
durch Cracken von Erdöleinsatzmaterialien
hergestellt. Aufgrund des begrenzten Vorrats und der steigenden
Kosten von Erdöleinsatzmaterialien
sind die Kosten der Herstellung von Olefinen aus Erdölquellen
stetig gestiegen. Die Anstrengungen zur Entwicklung und Verbesserung
von Olefinherstellungstechnologien, insbesondere Technologien zur
Herstellung von leichten Olefinen, auf Basis von alternativen Einsatzmaterialien
haben zugenommen.
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Eine
bedeutende Art von alternativen Einsatzmaterialien zur Herstellung
von leichten Olefinen sind Oxygenate wie Alkohole, insbesondere
Methanol und Ethanol, Dimethylether, Methylethylether, Methylformiat und
Dimethylcarbonat. Alkohole können
durch Fermentierung oder aus Synthesegas hergestellt werden, das aus
Erdgas, Erdölflüssigkeiten,
kohlenstoffhaltigen Materialien einschließlich Kohle, Recyclingkunststoffen, kommunalen
Abfällen,
landwirtschaftlichen Produkten oder den meisten organischen Materialien
stammt. Aufgrund der weiten Vielfalt von Rohmaterialquellen sind
Alkohol, Alkoholderivate und andere Oxygenate vielversprechend als
eine wirtschaftliche, ölunabhängige Einsatzmaterialquelle
für die
Olefinproduktion.
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Die
Umwandlung von Oxygenaten in Olefine findet bei einer relativ hohen
Temperatur statt, im Allgemeinen höher als etwa 250°C, vorzugsweise
höher als
etwa 300°C.
Da die Umwandlungsreaktion exotherm ist, weist der Ausfluss in der
Regel eine höhere
Temperatur als die Anfangstemperatur in dem Reaktor auf. Es sind
viele Verfahren und/oder Prozesssysteme zur Steuerung der aus der
Oxygenatumwandlungsreaktion innerhalb des Reaktors erzeugten Reaktionswärme vorgeschlagen
worden, um Temperaturanstiege und überhitzte Stellen zu vermeiden
und dadurch die Geschwindigkeit der Katalysatordeaktivierung zu
verringern und die Produktion von unerwünschten Produkten wie Methan,
Ethan, Kohlenmonoxid und kohlenstoffhaltigen Ablagerungen oder Koks
zu verringern.
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WO-A-93/24431
offenbart ein Verfahren zur katalytischen Umwandlung eines Oxygenatmaterials
in hochreine Olefine mit einem Molekularsiebkatalysator wie SAPO.
WO-A-93/24431 offenbart lediglich das allgemeine Verfahren zur Umwandlung
von Oxygenatmaterial, befasst sich jedoch nicht mit der Optimierung
der Wärmerückgewinnung.
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Es
wäre sehr
nützlich, über ein
Verfahren zu verfügen,
das von der in den Produkten enthaltenen Reaktionswärme effektiv
Gebrauch macht, die aus dem Oxygenatumwandlungsreaktor austreten,
Wärmerückgewinnung
optimiert und den gesamten Energieverbrauch bei der Umwandlung von
Oxygenaten in Olefine verringert. Ein solches Verfahren ist ökologisch,
wirtschaftlich und kommerziell attraktiver.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Umwandeln von sauerstoffhaltiger
organischer Verbindung (Oxegenat) in Olefine mit erhöhter Wärmerückgewinnung
und Wärmeintegration,
bei dem Einsatzmaterial erhitzt wird, das die sauerstoffhaltige
organische Verbindung umfasst, und das Einsatzmaterial bei einer
Temperatur von 200 bis 750°C
und einem Druck von 1 kPa bis 100 MPa mit Katalysator kontaktiert
wird, der Molekularsieb mit einem Durchmesser von kleiner als 10 Å umfasst,
der
Katalysator von dem Produkt abgetrennt wird und das Produkt mit
Quenschmittel gequenscht wird,
das gequenschte Produkt in eine
Leichtproduktfraktion und eine Schwerproduktfraktion getrennt wird
und
mindestens ein Teil der Schwerproduktfraktion verwendet
wird, um Wärme
für das
Einsatzmaterial zu liefern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist ein Fließdiagramm
einer bevorzugten Ausführungsform
zur Erhöhung
der Wärmerückgewinnung
in der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Erhöhen der
Wärmerückgewinnung
und Herabsetzen des Energie- und Nutzwertbedarfs während der
Umwandlung von Oxygenaten in Olefine. Das Verfahren beinhaltet die
Entnahme der Produktmischung, die jegliches nicht-umgesetztes Oxygenateinsatzmaterial
einschließt,
aus einem Oxygenatumwandlungsreaktor und, ohne Fraktionierung der
Produkte, das direkte Quenschen der Produktmischung mit einem geeigneten
Mittel, vorzugsweise Wasser. Diese Art des Quenschens wird nachfolgend
als "direktes Produktquenschen" bezeichnet. Das
direkte Produktquenschen entfernt Wärme aus der Produktmischung,
was höhersiedende
Komponenten hervorbringt, wie Wasser und nicht umgesetztes Oxygenateinsatzmaterial,
um eine Schwerproduktfraktion zu kondensieren und zu bilden. Die
Schwer produktfraktion wird von der Leichtproduktfraktion abgetrennt,
die gasförmige
Kohlenstoffkomponenten wie leichte Olefine, Methan, Ethan, Propan
und Butane umfasst. Die Schwerproduktfraktion kann ferner in mehrere
Fraktionen aufgeteilt werden. Die Schwerproduktfraktion oder eine
beliebige oder sämtliche
der mehreren Fraktionen können
verschiedenen Techniken oder Verfahren unterzogen werden, um das
Quenschmittel von anderen Komponenten abzutrennen. Die Schwerproduktfraktion
oder eine beliebige oder sämtliche
der mehreren Fraktionen oder Ströme,
die aus Quenschmitteltrennungen derselben erzeugt werden, können verwendet
werden, um zumindest einen Teil der wärme zu liefern, die benötigt wird,
um zu verdampfen oder andernfalls den Wärmeinhalt des Oxygenateinsatzmaterials, über eine
bis etwa 3 Stufen, zu erhöhen,
bevor es in den Oxygenatumwandlungsreaktor zum Kontaktieren des
Oxygenatumwandlungskatalysators eingebracht wird. Diese Stufen verleihen
dem Oxygenateinsatzmaterial einen aufeinanderfolgend höheren Wärmeinhalt.
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Die
meisten Katalysatoren, die in Oxygenatumwandlungsverfahren verwendet
werden, umfassen Molekularsiebe, sowohl zeolithische (Zeolithe)
als auch nicht-zeolithische Typen. Die vorliegende Erfindung sollte viele
der erwünschten
Verbesserungen erreichen, wobei im Wesentlichen ein beliebiger Molekularsiebkatalysator
mit einem Durchmesser von kleiner als 10 Å, unabhängig vom Strukturtyp, verwendet
wird. Mischungen von zeolithischen und nicht-zeolithischen Molekularsieben
können
ebenso verwendet werden. Bevorzugte Molekularsiebkatalysatoren für die Verwendung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen "klein-" und "mittelporige" Molekularsiebkatalysatoren. "Kleinporige" Molekularsiebkatalysatoren
werden als Katalysatoren mit einem Durchmesser von weniger als etwa
5,0 Å definiert. "Mittelporige" Molekularsiebkatalysatoren
werden als Katalysatoren mit Poren mit einem Durchmesser im Bereich
von etwa 5,0 bis etwa 10,0 Å definiert. "Großporige" Molekularsiebkatalysatoren
sind Katalysatoren mit Poren, die einen Durchmesser von größer als
etwa 10,0 Å aufweisen.
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Für die Verwendung
in der vorliegenden Erfindung geeignete zeolithische Molekularsiebkatalysatoren mit
verschiedenen Effektivitätsgraden
schließen
AEI, AFI, CHA, ERI, LOV, RHO, THO, MFI, FER und substituierte Beispiele
dieser Strukturtypen ein, wie in W. M. Meier und D. H. Olson, Atlas
of Zeolitic Structural Types (Butterworth, Heineman – 3. Ausgabe,
1997) beschrieben, worauf hier Bezug genommen wird, sind jedoch nicht
notwendigerweise auf diese beschränkt. Bevorzugte Zeolithkatalysatoren
schließen
Zeolith 3A, Zeolith 4A, Zeolith 5A (gemeinsam nachfolgend als Zeolith
A bezeichnet), ZK-5, ZSM-5, ZSM-34, Erionit, Chabazit, Offretit,
Silikalit, Borsilikate und Mischungen derselben ein, sind jedoch
nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Siehe Meier und Olson.
Diese Zeolithe können
von vielen Firmen und aus vielen kommerziellen Quellen bezogen werden,
wie Mobil, AMOCO, UCI, Engelhard, Aldrich Chemical Company, Johnson
Matthey Company, Union Carbide Corporation und andere.
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Silikoaluminophosphate
("SAPOs") sind eine Gruppe
von nicht-zeolithischen
Molekularsieben, die in der vorliegenden Erfindung brauchbar sind.
Geeignete SAPOs zur Verwendung in der Erfindung schließen SAPO-17,
SAPO-18, SAPO-34, SAPO-44 und Mischungen derselben ein, sind jedoch
nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Kleinporige SAPOs sind
zur Herstellung von leichten Olefinen bevorzugt. Ein bevorzugtes
SAPO ist SAPO-34, das gemäß US-A-4,440,871,
auf die hier Bezug genommen wird, und Zeolites, Band 17, S. 212–222 (1996)
hergestellt werden kann, worauf hier Bezug genommen wird. SAPO-18
kann gemäß J. Chen.
et al., Studies in Surface Sciences and Catalysis, Proceedings of
the Tenth International Catalysis Society, Band 84, Seiten 17–31 (1994)
hergestellt werden.
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Substituierte
Silikoaluminophosphate (substituierte SAPOs) bilden eine weitere
Klasse von als "MeAPSOs" bekannten nicht-zeolithischen Molekularsieben,
die zur Verwendung als Katalysatoren in der vorliegenden Erfindung
geeignet sind. MeAPSOs werden in US-A-4,567,029 und US-A-5,126,308
beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird. SAPOs mit Substituenten,
die nach der Synthese eingebaut werden, sind möglicherweise auch zur Verwendung
in der vorliegenden Erfindung geeignet. Geeignete Substituenten, "Me", schließen Nickel,
Kobalt, Mangan, Chrom, Eisen, Zink, Strontium, Magnesium, Barium
und Calcium ein, sind jedoch nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Bevorzugte
MeAPSOs schließen
NiSAPO-17, NiSAPO-34, Co-SAPO-17, Co-SAPO-34, Sr-modifiziertes SAPO-17
(SrAPSO-17), Sr-modifiziertes SAPO-18 (SrSAPO-18), Sr-modifiziertes
SAPO-34 (SrAPSO-34), SrAPSO-44 und Mischungen derselben ein, sind
jedoch nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Verschiedene Substituenten
können
während
oder nach der Synthese der Silikoaluminophosphate eingebaut werden.
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Als
MeAPOs bekannte substituierte Aluminophosphate (ALPO) können auch
als nicht-zeolithische Molekularsiebkatalysatoren für die vorliegende
Erfindung verwendet werden. MeAPOs schließen ZnAPO, ZrAPO, TiAPO und
Mischungen derselben ein, sind jedoch nicht notwendigerweise auf
diese beschränkt.
Diese Molekularsiebe können
gemäß US-A-4,861,743,
US-A-4,567,029 und US-A-5,126,308
synthetisiert werden.
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Weil
der Katalysator in einer Vielfalt von Oxygenatumwandlungsreaktoren
und/oder unter einer Vielfalt von Reaktionsbedingungen verwendet
werden kann, kann er Bindemittel, Füllstoffe oder weiteres Material
enthalten, um eine bessere katalytische Wirksamkeit, Abriebbeständigkeit,
Regenerierbarkeit und andere erwünschte
Eigenschaften für
einen speziellen Typ Reaktor zu liefern. Wenn der Katalysator in
einem Wirbelbettreaktor verwendet wird, sollte er unter den Reaktionsbedingungen
auf wirbelbar sein. Ein Katalysator kann ferner einer Vielfalt von
Behandlungen unterzogen werden, um die erwünschten physikalischen, mechanischen
und katalytischen Eigenschaften zu erreichen. Diese Behandlungen
schließen
Calcinierung, Mahlen, Kugelmahlen, Zerkleinern, Sprühtrocknung,
hydrothermale Behandlung mit Dampf bei erhöhten Temperaturen von 400°C bis 800°C, Säurebehandlung,
Basenbehandlung und Kombinationen derselben ein, sind jedoch nicht
notwendigerweise auf diese beschränkt.
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Das
Verfahren zum Umwandeln von sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen
in Olefine verwendet ein organisches Ausgangsmaterial – ein Einsatzmaterial –, das vorzugsweise "Oxygenate" umfasst. Wie hier
verwendet, soll der Begriff "Oxygenate" definitionsgemäß aliphatische
Alkohole, Ether, Carbonylverbindungen (Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Carbonate
und dergleichen) einschließen,
sind jedoch nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Der
aliphatische Anteil sollte vorzugsweise einen Bereich von etwa 1
bis 10 Kohlenstoffatomen und insbesondere einen Bereich von etwa
1 bis 4 Kohlenstoffatomen enthalten. Repräsentative Oxygenate schließen niedere
geradkettige oder verzweigte aliphatische Alkohole, ihre ungesättigten Gegenstücke und
ihre Stickstoff-, Halogen- und Schwefelanaloga ein, sind jedoch
nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Beispiele für geeignete
Verbindungen schließen
Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, C4-
bis C10-Alkohole, Methylethylether, Dimethylether,
Diethylether, Diisopropylether, Methylformiat, Methylacetat, Formaldehyd,
Dimethylcarbonat, Trimethylorthoformiat, Dimethylketon und Mischungen
derselben ein, sind jedoch nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Bevorzugte
Oxygenateinsatzmaterialien schließen Methanol, Dimethylether,
Dimethylcarbonat, Methylformiat und Mischungen derselben ein, sind
jedoch nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Der Begriff "Oxygenat" bezeichnet hier
nur das als Einsatzmaterial verwendete organische Material. Die
gesamte Einsatzmaterialcharge für
die Reaktionszone kann zusätzliche
Verbindungen wie Verdünnungsmittel
enthalten.
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Vorzugsweise
sollte das Oxygenateinsatzmaterial zumindest teilweise verdampft
und in einem geeigneten Oxygenatumwandlungsreaktor mit dem gewählten Molekularsiebkatalysator
unter Verfahrensbedingungen kontaktiert werden, die effektiv sind,
um die gewünschten
Olefine bei einem akzeptablen Umwandlungsgrad mit gewünschten
Selektivitäten
zu produzieren.
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Die
bei dem Umwandlungsverfahren verwendete Temperatur kann über einen
weiten Bereich in Abhängigkeit
zumindest teilweise von dem Druck, dem gewählten Katalysator, der Reaktoranordnung,
dem stündlichen
Massendurchsatz und anderen Reaktionsparametern variieren. Das Verfahren
wird bei Temperaturen im Bereich von 200°C bis 750°C, vorzugsweise im Bereich von
250 bis 650°C
und am meisten bevorzugt im Bereich von 300°C bis 600°C durchgeführt.
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Da
das Oxygenateinsatzmaterial normalerweise bei Umgebungstemperaturen
gelagert wird, bevor es in dem Umwandlungsverfahren verwendet wird,
muss das Einsatzmaterial auf eine höhere Temperatur mit einem viel
höheren
Wärmeinhalt
erhitzt werden, der zum Kontaktieren des Oxygenatumwandlungskatalysators geeignet
ist. Es ist bevorzugt, den Wärmeinhalt
und/oder die Temperatur des Einsatzmaterials über eine bis etwa 3 Zwischenstufen
zu erhöhen,
wobei jede Stufe einen aufeinanderfolgend höheren Wärmeinhalt aufweist. Viele verschiedene
Ströme
im Oxygenatumwandlungsverfahren können geeignete Quellen zur
Bereitstellung der erforderlichen Wärme sein, um die Wärmeinhalte
zu erhöhen.
Diese Ströme
einschließlich
jener, die aus der Schwerproduktfraktion aus dem Quenschturm stammen,
und der Ströme
aus dem Fraktionator, der Quenschmittel von anderen Komponenten
abtrennt, werden nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sollte angemerkt
werden, dass ein Strom nach einem Wärmeaustausch einen höheren Wärmeinhalt
aufweisen kann, obwohl er eine geringere Temperatur aufweist, was
vorwiegend aus Druckänderungen
und/oder Phasenänderungen
resultiert, wie Verdampfung einer Flüssigkeit. Die Druck- und/oder
Phasenänderungen
sind für das
Oxygenatumwandlungsverfahren erforderlich.
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Leichte
Olefinprodukte bilden sich – obwohl
nicht notwendigerweise in optimalen Mengen – in einem weiten Bereich von
Drücken,
die sub- und superatmosphärische
Drücke
und autogene Drücke
im Bereich von 1 kPa bis 100 MPa einschließen, jedoch nicht notwendigerweise
darauf begrenzt sind. Ein bevorzugter Druck liegt im Bereich von
5 kPa bis 50 MPa, am meisten bevorzugt im Bereich von 50 kPa bis
500 kPa. Die genannten Drücke
schließen
Verdünnungsmittel,
soweit vorhanden, aus und beziehen sich auf den Partialdruck des Einsatzmaterials,
sofern es Oxygenatverbindungen und/oder Mischungen derselben betrifft.
Es können
Drücke
außerhalb
der angegebenen Bereiche verwendet werden und sind vom Schutzumfang
der Erfindung nicht ausgeschlossen.
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Eine
stationäre
oder halbstationäre
Herstellung von leichten Olefinprodukten kann erreicht und/oder über einen
Zeitraum erhalten werden, der größtenteils
durch den Reaktortyp, die Reaktorkonstruktion, die Temperatur, den
Druck, den gewählten
Katalysator, die Menge an verbrauchtem rückgeführten Katalysator (falls vorhanden),
den Grad der Katalysatorregenerierung, die Menge an kohlenstoffhaltigen
Materialien, die auf dem regenerierten oder teilweise regenerierten
Katalysator zurückgeblieben
ist, den stündlichen
Massendurchsatz (WHSV), die Menge an verwendetem Quenschmittel und
weitere relevante Verfahrenskonstruktionscharakteristika bestimmt
wird.
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Ein
weiter Bereich des WHSV, der als Gewicht des gesamten Oxygenateinsatzmaterials
pro Stunde pro Gewicht Katalysator definiert ist, für das Einsatzmaterial
funktioniert in der vorliegenden Erfindung. In Abhängigkeit
von dem Reaktortyp, dem gewünschten
Umwandlungsgrad, der Einsatzmaterialzusammensetzung und anderen
Reaktionsparametern sollte der WHSV im Allgemeinen im Bereich von
0,01 h–1 bis
1000 h–1,
vorzugsweise im Bereich von 0,1 h–1 bis
500 h–1 und
am meisten bevorzugt im Bereich von 0,5 h–1 bis
etwa 200 h–1 liegen.
Da der Katalysator andere Materialien enthalten kann, die als Inertstoffe,
Füllstoffe
oder Bindemittel fungieren, wird der WHSV nur auf Gewichtsbasis
von Oxygenat und Molekularsiebanteil des Katalysators berechnet.
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Ein
oder mehrere Verdünnungsmittel
können
in die Reaktionszone mit den Oxygenaten eingespeist werden, so dass
die gesamte Einsatzmaterialmischung Verdünnungsmittel in einem Bereich
von etwa 1 Mol-% und etwa 99 Mol-% umfasst. Verdünnungsmittel, die in dem Verfahren
verwendet werden können,
schließen Helium,
Argon, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasser,
Paraffine, andere gesättigte Kohlenwas serstoffe
(wie Methan, Ethan, Propan und Mischungen derselben), aromatische
Verbindungen und Mischungen derselben ein, sind jedoch nicht notwendigerweise
auf diese beschränkt.
Bevorzugte Verdünnungsmittel
schließen
Wasser und Stickstoff ein, sind jedoch nicht notwendigerweise auf
diese beschränkt.
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Die
Oxygenatumwandlung sollte ausreichend hoch gehalten werden, um die
Notwendigkeit von kommerziell inakzeptablen Rückführungsgraden zu vermeiden.
100% Oxygenatumwandlung ist bevorzugt, um Einsatzmaterialrückführung vollständig zu
vermeiden. Jedoch wird eine Verringerung der unerwünschten
Nebenprodukte häufig
beobachtet, wenn der Umwandlungsgrad von Oxygenat, vor allem Methanol,
etwa 98% oder weniger beträgt.
Demzufolge gibt es üblicherweise
etwa 0,05 Mol-% bis etwa 50 Mol-% nicht umgesetztes Oxygenat in
dem Produktstrom zusammen mit den Oxygenatumwandlungsprodukten,
die Olefine, Wasser und/oder andere Nebenprodukte umfassen. Es ist
bevorzugt, soviel des nicht umgesetzten Oxygenats wie möglich für Rückführungszwecke
zu gewinnen. In jedem Fall muss der Oxygenatgehalt im Abwasser möglicherweise
auf einen ökologisch
akzeptablen Wert verringert werden, bevor das Nebenproduktwasser
eingeleitet werden kann.
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Daher
ist es erwünscht,
diese unvollständige
Oxygenatumwandlung in dem gesamten Wärmerückgewinnungs- und Wärmeintegrationssystem
zu berücksichtigen,
d. h. Wärmegewinnung
und Wärmeintegration zu
optimieren, wenn ein Fraktionator zur Gewinnung von nicht umgesetzten
Oxygenaten eingesetzt wird. wenn der Oxygenatumwandlungsgrad hoch
genug ist und/oder die Gewinnung von nicht umgesetztem Oxygenat aus
wirtschaftlichen oder ökologischen
Gründen
nicht gewährleistet
wird, erfordert diese Erfindung dann die Verwendung von Wärme direkt
aus der Schwerproduktfraktion oder einer beliebigen oder sämtlichen
der mehreren Fraktionen, in die die Schwerproduktfraktion aufgeteilt
werden kann.
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Nach
Kontaktieren des Oxygenateinsatzmaterials wird der Katalysator aufgrund
der Anhäufung
von kohlenstoffhaltigen Ablagerungen (auch Koks genannt) auf der
Katalysatoroberfläche
und/ oder innerhalb der Poren vollständig oder teilweise deaktiviert.
Der deaktivierte Katalysator mit den kohlenstoffhaltigen Ablagerungen
wird von den anderen Oxygenatumwandlungsprodukten abgetrennt. Vorzugsweise
wird mindestens ein Teil des deaktivierten Katalysators abgetrennt
und aus dem Oxygenatumwandlungsreaktor intermittierend, halb-kontinuierlich,
kontinuierlich oder chargenweise entnommen. Bevor der deaktivierte
Katalysator zu der Oxygenatumwandlung zurückgeführt wird und nochmals verwendet
wird, wird eine geeignete Regenerierung auf mindestens einem Teil
des entnommenen deaktivierten Katalysators durchgeführt, um
mindestens einen Teil der kohlenstoffhaltigen Ablagerungen im Bereich
von 0,1 Gew.-% bis 99,9 Gew.-% zu entfernen, vorzugsweise sollten
mindestens 1,0 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Ablagerungen entfernt
werden. Es kann auch eine vollständige
Regenerierung – wobei
100 Gew.-% der ursprünglichen
kohlenstoffhaltigen Ablagerungen auf dem gesamten deaktivierten
Katalysators entfernt werden – durchgeführt werden,
jedoch wird gefunden, dass vollständige Regenerierung eine Neigung
aufweist, zur Produktion von großen Mengen an unerwünschten
Nebenprodukten wie Methan und/oder Wasserstoff zu führen.
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Vorzugsweise
wird die Regenerierung in Gegenwart eines Gases durchgeführt, das
Sauerstoff oder andere Oxidationsmittel umfasst. Luft und mit Stickstoff,
Dampf und/oder CO2 verdünnte Luft sind bevorzugte Regenerierungsgase.
Die Katalysatorregenerierungstemperatur sollte im Bereich von 250°C bis 750°C, vorzugsweise
von 300°C
bis 700°C
liegen.
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Fast
jeder Reaktortyp liefert irgendwelche Umwandlungen der Oxygenate
in Olefine. Der Reaktortyp schließt Wirbelbettreaktor, Steigrohrreaktor,
Bewegtbettreaktor, Festbettreaktor, kontinuierlich gerührter Tankreaktor,
Zwitter und Kombinationen derselben ein, ist jedoch nicht notwendigerweise
auf diese beschränkt.
Erhöhte
Wärmerückgewinnung
und verbesserte Wärmeintegration
können
in der vorliegenden Erfindung mit beinahe allen Reaktortypen erreicht
werden. Ein bevorzugtes Reaktorsystem für die vorliegende Erfindung
ist ein zirkulierender Wirbelbettreak tor mit kontinuierlicher oder
halb-kontinuierlicher Katalysatorregenerierung, der einem modernen
katalytischen Wirbelcracker ähnlich
ist. Festbette können
verwendet werden, sind jedoch nicht bevorzugt.
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Weil
die Oxygenatumwandlungsreaktion stark exotherm ist, weist der Oxygenatumwandlungsreaktionsproduktausfluss
im Allgemeinen eine höhere
Temperatur als die Einsatzmaterialtemperatur unmittelbar vor dem
Kontaktieren des Katalysators auf. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird das Einsatzmaterial aus dem Vorratsbehälter, welches sich auf einer
ersten Temperatur befindet und einen ersten Wärmeinhalt aufweist, über mehrere
Zwischenstufen in Wärmeaustauschern
auf eine zweite gewünschte
Temperatur aufgeheizt, bevor es den Oxygenatumwandlungskatalysator
kontaktiert. Es ist bevorzugt, über
eine bis etwa drei Wärmeaustauschstufen
zu verfügen,
um Ströme
mit aufeinanderfolgend höheren
Wärmeinhalten
zu liefern. Verschiedene Ströme
aus dem Oxygenatumwandlungsverfahren bei verschiedenen Temperaturen
und externe Wärmequellen,
wie jene aus Dampf, können
als Wärmeaustauscherfluide
verwendet werden, um entweder den Wärmeinhalt, die Temperatur des
Einsatzmaterialoxygenats oder beides zu erhöhen.
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Nach
dem Kontaktieren des Oxygenateinsatzmaterials mit dem Oxygenatumwandlungskatalysator wird
der Olefinprodukte umfassende Oxygenatumwandlungsreaktionsproduktausfluss
durch Kontaktieren eines geeigneten Quenschmittels in einem Quenschturm
direkt gequenscht, ohne zuerst einen Produktfraktionierungsschritt
zu durchlaufen. Alternativ kann der Produktausfluss verwendet werden,
um Wärme
direkt für das
Oxygenateinsatzmaterial zu liefern. Die Temperatur und der Wärmeinhalt
des Produktausflusses werden danach auf mittlere Werte verringert.
Der Produktausfluss bei dieser geringeren Temperatur und diesem
geringeren Wärmeinhalt
wird in den Quenschturm zum direkten Quenschen geleitet.
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Die
Verbindungen im Ausflussstrom, die unter den Quenschbedingungen
gasförmig
sind, werden aus dem Quenschturm als Leichtproduktfraktion für die Olefinproduktgewinnung
und -reinigung abgetrennt. Die Leichtproduktfraktion umfasst leichte
Olefine, Dimethylether, Methan, CO, CO2,
Ethan, Propan und andere Nebenkomponenten wie Wasser und nicht umgesetztes
Oxygenateinsatzmaterial. Die Verbindungen im Ausflussstrom, die
unter Quenschbedingungen flüssig
sind, werden aus dem Quenschturm als Schwerproduktfraktion zur Wärmerückgewinnung
und möglichen
Aufteilung in mehrere Fraktionen und Trennung des Quenschmittels
abgetrennt. Die Schwerproduktfraktion umfasst Nebenproduktwasser,
einen Teil des nicht umgesetzten Oxygenateinsatzmaterials (außer jene
Oxygenate, die unter Quenschbedingungen Gase sind), einen kleinen
Teil der Oxygenatumwandlungsnebenprodukte, vor allem schwere Kohlenwasserstoffe
(C5+) und üblicherweise den größeren Teil
des Quenschmittels.
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Vorzugsweise
wird ein Quenschmittel aus einer Zusammensetzung ausgewählt, die
unter den Quenschbedingungen im Wesentlichen als Flüssigkeit übrig bleibt,
wodurch die Menge des Quenschmittels minimiert wird, die in der
Fraktion des leichten gasförmigen
Produktes vorhanden ist, die sich kostspieliger Verarbeitungsschritte
des gasförmigen
Produktes unterziehen muss, um kommerziell akzeptable Grade an leichten
Olefinprodukten zu gewinnen. Ein bevorzugtes Quenschmittel wird
aus der Gruppe bestehend aus Wasser und Strömen ausgewählt, die im Wesentlichen Wasser
sind. Insbesondere ist das Quenschmittel ein Strom, der im Wesentlichen
Wasser ist, und wird aus den mehreren Fraktionen der Schwerproduktfraktion
aus dem Quenschturm ausgewählt.
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Die
Menge an Quenschmittel, die in dem Quenschturm bei einer speziellen
Temperatur für
das Produktquenschen zirkuliert wird, sollte nicht größer als
jene sein, die zur Herstellung einer aus dem Quenschturm austretenden
Schwerproduktfraktion benötigt
wird, die eine Temperatur aufweist, die mindestens 5°C höher als die
erste Temperatur des Oxygenateinsatzmaterials aus dem Vorratsbehälter ist.
In einer weiteren Ausführungsform,
wie bereits erörtert,
wird der Oxygenatumwandlungsreaktorausflussstrom direkt als Wärmeaustauscherfluid
verwendet, um Wärme
für das
Oxygenateinsatzmaterial zu liefern, bevor es in den Oxygenatumwandlungsreaktor
eintritt, um den Oxygenatumwandlungskatalysator zu kontaktieren.
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Vorzugsweise
werden der Druck in dem Quenschturm und die Temperatur des Schwerproduktfraktionsausflusses
auf Niveaus gehalten, die zur Rückgewinnung
der höchsten
Menge und Qualität
von Prozesswärme
effektiv sind. Insbesondere liegt die Differenz zwischen dem Druck
des Schwerproduktfraktionsausflusses und dem Druck, bei dem das
Einsatzmaterial verdampft wird, unterhalb von 345 kPa, insbesondere
unterhalb von 207 kPa. Die Temperatur des Schwerproduktfraktionsausflusses
aus dem Quenschturm wird vorzugsweise auf nicht weniger als 30°C unterhalb
des Blasenbildungspunktes des Schwerproduktfraktionsausflusses gehalten.
Die Aufrechterhaltung einer Temperaturdifferenz zwischen dem Schwerproduktfraktionsausfluss
und seinem Blasenbildungspunkt liefert die höchstmögliche Bodenprodukttemperatur
im Quenschturm und die wirtschaftlichste praktikable Rückgewinnung
von Nutzwärme
aus dem Schwerproduktfraktionsausfluss.
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Vorzugsweise
wird der Schwerproduktfraktionsausfluss (Schwerproduktfraktion)
aus dem Quenschturm unter Druck gesetzt und zur Lieferung von Wärme für andere
Ströme
verwendet. In einer Ausführungsform
werden die Schwerproduktfraktion oder eine beliebige oder sämtliche
der mehreren Fraktionen, in die die Schwerproduktfraktion aufgeteilt
wird, oder Ströme
aus Quenschmitteltrennungen derselben direkt als Wärmeaustauscherfluid
verwendet, um den Wärmeinhalt
und/oder die Temperatur des Oxygenateinsatzmaterials in einer oder
mehreren der Stufen mit aufeinanderfolgend höheren Wärmeinhalten zu erhöhen. Ferner
kann ein(e) beliebige(r) der mehreren Fraktionen oder Ströme, die
aus den Quenschmitteltrennungen derselben produziert werden, verwendet
werden, um die Wärmeinhalte
von anderen Strömen
innerhalb des gesamten Oxygenatumwandlungsreaktions- und Produktgewin nungsverfahrens
zu erhöhen.
Das gekühlte
Quenschmittel, das aus diesen Fraktionen und Strömen gewonnen wird, kann in
den Quenschturm zurückgeführt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform,
insbesondere wenn die Oxygenatumwandlung nicht vollständig ist
und das Quenschmittel im Wesentlichen aus Wasser besteht, wird die
Schwerproduktfraktion in zwei Fraktionen, eine erste Fraktion und
eine zweite Fraktion, aufgeteilt. Die relativen Mengen der ersten
Fraktion und der zweiten Fraktion hängen von der gesamten Wärmemenge
ab, die aus dem Produktausflussstrom im Quenschverfahren abgeführt werden
muss, und der Temperatur des in den Quenschturm eingebrachten Quenschmittels
ab. Die relativen Mengen werden eingestellt, um Anlagenkosten für die Wärmerückgewinnung und
den Energieverbrauch zu optimieren. Die erste Fraktion wird auf
eine gewünschte
Temperatur abgekühlt und
in den Quenschturm als rückgeführtes Material,
d. h. Quenschwasser zurückgeleitet.
Die zur Abkühlung der
ersten Fraktion benötigte
Energie, z. B. Kühlwasser,
kann verringert werden, indem der Produktausflussstrom aus dem Oxygenatumwandlungsreaktor
als Wärmeaustauschfluid
zum Erhitzen des Oxygenateinsatzmaterials verwendet wird, bevor
das Einsatzmaterial in den Oxygenatumwandlungsreaktor eintritt und/oder
bevor der Produktausflussstrom in den Quenschturm eintritt.
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Die
zweite Fraktion des Schwerproduktfraktionsausflusses wird in einen
Fraktionator geleitet, um das Quenschmittel, das im Wesentlichen
aus Wasser besteht – ein
Teil von diesem kann als der rückgeführte Teil des
Nebenproduktwassers aus der Oxygenatumwandlungsreaktion stammen,
wenn das Einsatzmaterialoxygenat mindestens einen Sauerstoff aufweist –, von anderen
Verbindungen abzutrennen, wie nicht umgesetzte Oxygenate oder bestimmte
schwerere Kohlenwasserstoffe aus der Oxygenatumwandlungsreaktion,
welche in der Fraktion vorhanden sind. Wenn andere Ströme mit Zusammensetzungen,
die der zweiten Fraktion ähnlich oder
mit dieser kompatibel sind, in der Oxygenatumwandlung und dem verbundenen
Produktgewinnungsverfahren vorhanden sind, werden diese anderen
Ströme
mit der zweiten Fraktion zuerst kombiniert und der kombinierte Strom
in den Fraktionator geleitet.
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Im
Allgemeinen ist es erwünscht,
eine Mischung so scharf wie möglich
in Komponenten zu fraktionieren. In der vorliegenden Erfindung ist
es bevorzugt, dass die Überkopfoxygenatfraktion
und/oder die Schwerprodukte enthaltende Fraktion aus dem Fraktionator
eine Wasserzusammensetzung, wie in die zweite Fraktion der Schwerproduktfraktion
eingebracht, im Bereich von 15 Mol-% bis 99,5 Mol-%, vorzugsweise
von 25 Mol-% bis 90 Mol-% aufweisen. Eine Erhöhung der Wasserzusammensetzung
der Überkopffraktion
neigt zur Erhöhung
der Kondensationstemperatur und es kann mehr Wärme aus der Überkopffraktion
des Fraktionators wirtschaftlich rückgewonnen werden, um die Wärmeintegration
für das
gesamte Verfahren zu verbessern. Vorzugsweise enthält die gewonnene Überkopfoxygenatfraktion
mindestens 90 Mol-% des Oxygenats, das in der zweiten Fraktion der
schweren Fraktion enthalten ist. Insbesondere enthält die gewonnene Überkopfoxygenatfraktion
mindestens 99 Mol-% des Oxygenats, das in der zweiten Fraktion der
schweren Fraktion enthalten ist.
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Die Überkopffraktion
des Fraktionators wird in einem Wärmeaustauscher, d. h. einem
Kondensator, entgegen dem Oxygenateinsatzmaterial in einer der Stufen,
von einer bis etwa drei, kondensiert, wobei dem Oxygenateinsatzmaterial
aufeinanderfolgend höhere
Wärmeinhalte
verliehen werden. Es ist bevorzugt, dass die Überkopffraktion des Fraktionators
einen Druck aufweist, der mindestens 69 kPa höher als der Druck des Sauerstoffeinsatzmaterials
in dem Kondensator ist. Diese Druckdifferenz erhöht auch die Kondensationstemperatur
der Überkopffraktion,
was die Wärmerückgewinnung
aus der Überkopffraktion
wirtschaftlicher macht.
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Die
Bodenproduktfraktion des Fraktionators besteht im Wesentlichen aus
Nebenproduktwasser aus der Oxygenatumwandlungsreaktion. Vorzugsweise
wird diese Bodenproduktfraktion unter Druck gesetzt und verwendet,
um das Oxygenateinsatzmaterial in einer der Stufen, von einer bis
etwa drei, zu erhitzen, wobei dem Oxygenateinsatzmaterial aufeinanderfolgend
höhere
Wärmeinhalte
verliehen werden, bevor es in den Oxygenatumwandlungsreaktor eintritt.
Der Fraktionator wird so betrieben, dass die Temperatur der Bodenproduktfraktion
mindestens 5°C,
vorzugsweise mindestens 25°C
höher als
die erste Temperatur des Oxygenateinsatzmaterials aus dem Vorrat
ist. Die Betriebstemperatur innerhalb des Fraktionators wird durch
eine Reihe von Parametern bestimmt, die den Fraktionatorüberkopfdruck
und den gesamten Druckabfall innerhalb des Fraktionators einschließen, jedoch
nicht notwendigerweise auf diese beschränkt sind.
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Die
Figur zeigt eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrensflussdiagramms,
um Wärmerückgewinnung
zu erhöhen
und Wärmeintegration
zu verbessern. Flüssiges
Oxygenateinsatzmaterial 1 wie Methanol, mit einem ersten
Wärmeinhalt
und bei einer ersten Temperatur und einem ersten Druck wird durch Strom 35 in
Wärmeaustauscher 2 erhitzt.
Strom 35 ist Fraktionatorbodenproduktstrom 33 aus
Fraktionator 24, der durch Pumpe 34 unter Druck
gesetzt wird. Das Ergebnis ist ein erster erhitzter Oxygenateinsatzmaterialstrom 3 mit
einem höheren
Wärmeinhalt
als jener des flüssigen
Oxygenateinsatzmaterialstroms 1. Erster erhitzter Oxygenateinsatzmaterialstrom 3 wird
dann in einen weiteren Wärmeaustauscher 4 durch Überkopffraktion 26 aus
Fraktionator 24 erhitzt, um einen zweiten erhitzten Oxygenateinsatzmaterialstrom 5 mit
einem höheren
Wärmeinhalt
als jenem des Stroms 3 zu bilden. Wärmeaustauscher 4 ist
ein Kondensator oder ein teilweiser Kondensator für Fraktionator 24.
Zweiter erhitzter Oxygenateinsatzmaterialstrom 5 geht durch
Dampfvorerhitzer 6 hindurch, um einen dritten erhitzten
Oxygenateinsatzmaterialstrom 7 zu bilden, der weiter durch Oxygenatumwandlungsproduktausfluss 11 in
Wärmeaustauscher 8 erhitzt
wird, um einen vierten erhitzten Oxygenateinsatzmaterialstrom 9 unter
effektiven Bedingungen – Temperatur,
Druck und Anteil von Flüssigkeit und
Dampf – zu
bilden, die für
die Umwandlung des Oxygenateinsatzmaterials erwünscht sind. Oxygenatumwandlungsprodukt 11 ist
der Ausfluss von Oxygenatumwandlungsreaktor 10, nachdem
es von dem deaktivierten Oxygenatumwandlungskatalysator abgetrennt
worden ist, der kohlenstoffhaltige Ablagerungen aufweist. Alternativ
kann Wärmeaustauscher 8 eine
Vielfalt von Schlangen innerhalb von Oxygenatumwandlungsreaktor 10 umfassen.
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Vierter
erhitzter Oxygenateinsatzmaterialstrom 9 wird in Oxygenatumwandlungsreaktor 10 eingespeist,
der Katalysator enthält,
der für
die Umwandlung des Oxygenateinsatzmaterials in Olefine geeignet
ist. Oxygenatumwandlungsreaktor 10 kann verschiedene Anordnungen
annehmen – Festbett,
Wirbelbett, Steigrohr, Bewegtbett oder eine Kombination derselben,
mit oder ohne kontinuierlicher Katalysatorregenerierung. Ein Festbettreaktor
ist normalerweise aufgrund der Schwierigkeit der Entnahme von deaktiviertem
Katalysator für
die Regenerierung und der Zurückführung des
regenerierten Katalysators in den Reaktor normalerweise nicht bevorzugt.
Das Oxygenateinsatzmaterial wird in ein Produkt umgewandelt, das
leichte Olefine umfasst, und der Katalysator wird deaktiviert oder
teilweise deaktiviert, indem sich kohlenstoffhaltige Ablagerungen
ansammeln, die als Nebenprodukte der Oxygenatumwandlungsreaktion
gebildet werden.
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Oxygenatumwandlungsproduktausfluss 11 fließt durch
Wärmeaustauscher 8 und
wird zu gekühltem Oxygenatumwandlungsproduktausflussstrom 12,
der in Quenschturm 13 geleitet wird. Wechselweise kann Wärmeaustauscher 8 weggelassen
werden und Oxygenatumwandlungsproduktausfluss 11 wird direkt
ohne Zwischenkühlung
in Quenschturm 13 geleitet. In Quenschturm 13 kommt
Oxygenatumwandlungsproduktstrom 12 mit einem Quenschmittel,
das im Wesentlichen aus Wasser besteht, bei einer Anfangstemperatur über eine
Reihe von geeigneten Kontaktierungsvorrichtungen direkt in Kontakt.
Die Menge des in Quenschturm 13 benötigten Quenschmittels wird
durch eine Reihe von Faktoren bestimmt, die die Zusammensetzung des
Quenschmittels, die Temperatur des in Quenschturm 13 eingebrachten
rückgeführten Quenschmittels
und erwünschte
Temperaturdifferenzen und Druckdifferenzen zwischen verschiedenen
Strömen
einschließen,
jedoch nicht notwendigerweise auf diese beschränkt sind. Diese Differenzen
werden gegebenenfalls erör tert. Die
gasförmigen
Produkte werden als Leichtproduktfraktionsstrom 14 abgetrennt.
Schwerproduktfraktionsstrom 15, der aus dem Boden des Quenschturms
bei einer Austrittstemperatur austritt, umfasst den größeren Teil
des Nebenproduktwassers, einen Teil des nicht umgesetzten Oxygenateinsatzmaterials
(außer
jenen Oxygenaten, die unter den Quenschbedingungen gasförmig sind),
einen kleinen Teil der Oxygenatumwandlungsnebenprodukte, vor allem
schwere Kohlenwasserstoffe (C5+) und üblicherweise
den größeren Teil
des Quenschmittels.
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Ein
bevorzugtes Quenschmittel ist Wasser, das von Nebenproduktwasser
praktisch nicht unterscheidbar ist. Dies schließt die Notwendigkeit von Schritten
zur Abtrennung des Quenschmittels von Nebenproduktwasser in der
Schwerproduktfraktion aus. Im Falle, dass ein anderes Quenschmaterial
als Wasser verwendet wird und dieses Quenschmaterial unter Quenschbedingungen
im Wesentlichen in einem flüssigen
Zustand vorliegt, kann Schwerproduktfraktion 15 oder eine
beliebige oder sämtliche
der mehreren Fraktionen, in die die Schwerproduktfraktion aufgeteilt
wird, verarbeitet werden, um das Quenschmittel von Nebenproduktwasser abzutrennen.
Wenn das Quenschmittel beispielsweise ein hochsiedender Kohlenwasserstoff
wie Dieselbrennstoff oder ähnliche
Ströme
sind, ist es mit Nebenproduktwasser nicht mischbar. Ein solches
Quenschmittel kann durch ein genau ausgelegtes Wehrsystem in dem
Boden von Quenschturm 13 oder in einer API-Trennvorrichtung
oder anderen ähnlichen
Vorrichtungen an vielen verschiedenen Stellen des Verfahrens in
der vorliegenden Erfindung getrennt werden. Wenn ferner beliebige
schwere Kohlenwasserstoffe (C5+) in der
Oxygenatumwandlungsreaktion gebildet werden, können sie auch aus Nebenproduktwasser
in Strom 15 oder anderen Stellen in dem Verfahren auf im
Wesentlichen dieselbe Weise wie die oder zusammen mit der Entfernung des
Quenschmittels entfernt werden. Wenn das Quenschmittel ein relativ
leichtes Material ist, das unter den Quenschbedingungen im Wesentlichen
gasförmig
ist und daher in beträchtlichen
Mengen in der Leichtproduktfraktion vorhanden ist, kann ein solches
Quenschmittel in stromabwärts
liegenden Olefingewinnungsverfahren abge trennt werden, die das gesamte
Oxygenatumwandlungs- und Olefingewinnungs- und -reinigungsverfahren
umfassen.
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Unabhängig davon
sollte der Austrittsdruck von Schwerproduktfraktionsstrom 15 um
nicht weniger als 345 × 103 Pa (345 kPa) unterhalb des Drucks des flüssigen Oxygenateinsatzmaterials 1 liegen.
Vorzugsweise wird die Austrittstemperatur von Schwerproduktfraktionsstrom 15 auf
nicht weniger als 25°C
unterhalb des Blasenbildungspunktes von Nebenproduktwasser in Strom 15 gehalten.
Eine bevorzugte Druckdifferenz zwischen Schwerproduktfraktionsstrom 15 (geringerer
Druck) und flüssigem
Oxygenateinsatzmaterial 1 (höherer Druck) beträgt weniger
als 207 kPa.
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Schwerproduktfraktionsstrom
(Quenschturmbodenproduktstrom) 15 kann verwendet werden,
um Wärme
für das
Oxygenateinsatzmaterial in Wärmeaustauschern 2, 4 und/oder 6 zur
Erhöhung
des Wärmeinhalts
des Einsatzmaterials zu liefern. Das Oxygenateinsatzmaterial enthält aufeinanderfolgend
höhere
Wärmeinhalte
in diesen Stufen. Eine oder mehrere dieser Stufen können auch
weggelassen werden. Vorzugsweise wird Quenschturmbodenproduktstrom 15 in
zwei Fraktionen, Rückführungsfraktion 18 und
Fraktionatoreinspeisfraktion 21, aufgeteilt. Rückführungsfraktion 18,
ein Quenschwasserrückführungsstrom,
wird in Austauscher 19 abgekühlt und als Quenschstrom 20 zu
Quenschturm 13 zurückgeführt. Alternativ
kann Rückführungsfraktion 18 oder 20 weiter
in mehrere Fraktionen aufgespalten werden und diese Fraktionen können auf unterschiedliche
Temperaturen in unterschiedlichen Wärmeaustauschern abgekühlt werden.
Diese auf unterschiedlichen Temperaturen befindlichen Fraktionen
oder einige von diesen können
in Quenschturm 13 an verschiedenen Stellen eingebracht
werden, um Wärmerückgewinnung
besser auszunutzen und Energieverbrauch zu minimieren. Der Wärmeinhalt
von Fraktion 18 kann verwendet werden, um Wärme für das Oxygenateinsatzmaterial
in dem Wärmeaustauscher 2, 4 und/oder 6 oder
an verschiedenen Stellen des gesamten Oxygenatumwandlungs- und Olefingewinnungs-
und -reinigungsverfahrens zur Bereitstellung von Wärme und zur
Erhöhung
von Wärmerückgewinnung
zu liefern.
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Fraktionatoreinspeisfraktion 21,
die gegebenenfalls mit anderen wasserhaltigen Strömen 22 gemischt wird,
wird in Fraktionator 24 geleitet. Mindestens zwei Ströme, Fraktionatorüberkopfstrom 26 und
Fraktionatorbodenproduktstrom 33, werden aus Fraktionatoreinspeisfraktion 21 fraktioniert.
Fraktionatorüberkopfstrom 26 sollte
mindestens 15 Mol-%, vorzugsweise mindestens 25 Mol-% Wasser aus
der Oxygenatumwandlungsreaktion enthalten. Zusammen mit oder alternativ
zu dieser vorzugsweisen Zusammensetzung sollte die Temperatur von
Fraktionatorüberkopfstrom 26 mindestens
10°C höher als
die Siedetemperatur des Oxygenateinsatzmaterials unter den Bedingungen
von Wärmeaustauscher 4 sein.
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Es
wird Fraktionator 24 über
Aufkocher 25 ausreichend Wärme zugeführt, was bei der Verbindung
mit einer ausreichenden Anzahl von Böden in Fraktionator 24 zur
Herstellung von Fraktionatorbodenproduktstrom 33 führt, der
im Wesentlichen sämtliches
Nebenproduktwasser und mit Strom 23 eingebrachtes Quenschmittel umfasst.
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Vorzugsweise
ist das Quenschmittel Wasser. Wenn Wasser als Quenschmittel verwendet
wird, bestehen Bodenproduktstrom 33 im Wesentlichen aus
dem größeren Teil
von Nebenproduktwasser aus der Oxygenatumwandlungsreaktion und es
sind keine weiteren Schritte erforderlich, um Nebenproduktwasser
von dem Quenschmittel abzutrennen. Wenn das Quenschmittel ein anderes
Material als Wasser ist und nicht zuvor von Nebenproduktwasser vor
der Einbringung in den Quenschturm abgetrennt worden ist, kann dieses Quenschmaterial
von Nebenproduktwasser in Bodenproduktstrom 33 oder später im Verfahren
wie oben beschrieben abgetrennt werden. Wenn ferner beliebige schwere
Kohlenwasserstoffe (C5+) in dem Oxygenatumwandlungsverfahren
gebildet werden, können
sie auch aus Nebenproduktwasser in Strom 33 oder später im Verfahren
auf im wesentlichen dieselbe Weise wie die oder zusammen mit der
Entfernung des Quenschmittels entfernt werden.
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Fraktionatorbodenproduktstrom 33 befindet
sich, bevor er Fraktionator 24 verlässt, auf einer Temperatur,
die mindestens 5°C,
vorzugsweise mindestens 25°C
höher als
die erste Temperatur des Oxygenateinsatzmaterials ist, das aus Vorrat 1 in
Wärmeaustauscher 2 eingebracht
wird. Der Druck im oberen Bereich von Fraktionator 24 sollte
um mindestens 69 kPa höher
als der Druck in Wärmeaustauscher 4 sein,
um Wärmerückgewinnung
zu erhöhen.
Strom 35 wird verwendet, um flüssiges Oxygenateinsatzmaterial 1 in
Wärmeaustauscher 2 aufzuheizen.
Für eine
bessere Wärmerückgewinnung
weist Austrittsstrom 36 aus Wärmeaustauscher 2 vorzugsweise
eine Temperatur gleich der oder weniger als etwa die Temperatur
von Strom 21 auf.
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Eine
Methode zur weiteren Verbesserung der Wärmeintegration und zur Erhöhung der
Wärmerückgewinnung
liegt in der Verwendung von Fraktionatorüberkopfstrom 26 als
Wärmequelle
für Wärmeaustauscher 4.
Der gekühlte
Fraktionatorüberkopfstrom 27 kann
weiter in Separator 28 in Dampfabführstrom 29 und Flüssigkeitsrückfluss 30 fraktioniert
werden, der nach Druckregulierung mit Pumpe 31 zu Fraktionator 24 zurückgeleitet
wird. Es ist wichtig, gekühlten
Fraktionatorüberkopfstrom 27 auf
einer Temperatur oberhalb des Siedepunktes des ersten erhitzten
Oxygenateinsatzmaterials 3 zu halten, um vorteilhafte Wärmeübertragung
zu ergeben.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele besser
verstanden, die die vorliegende Erfindung illustrieren, jedoch nicht
als diese einschränkend
angesehen werden sollten.
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BEISPIEL I
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Ein
flüssiges
Methanoleinsatzmaterial 1 bei einem Druck von etwa 386,1
kPa und bei 38°C
absorbiert Wärme,
um seinen Wärmeinhalt
in Wärmeaustauscher 2 aus
Strom 35, bei 158°C
und einem Druck von 1.276 kPa, aus Methanol/Wasser-Fraktionator 24 zu
erhöhen,
um den ersten erhitzten Methanoleinsatzmaterialstrom 3 bei
einer Temperatur von etwa 100°C
und einem Druck von 351,6 kPa zu bilden. Der erste erhitzte Methanoleinsatzmaterialstrom 3 mit
einem Wärmeinhalt
von 4.722 kJ/Mol absorbiert Wärme
aus dem Fraktionatorüberkopfstrom 26 in
dem Wärmeaustauscher 4,
um den zweiten erhitzten Methanoleinsatzmaterialstrom 5 mit
einem Wärmeinhalt
von 6.521 kJ/Mol zu bilden. Strom 5 wird weiter durch Strom
in Wärmeaustauscher 6 erhitzt,
um den dritten erhitzten Methanoleinsatzmaterialstrom 7 zu
bilden, der sogar einen höheren Wärmeinhalt
als der dritte erhitzte Methanoleinsatzmaterialstrom 7 aufweist – 7.390
kJ/Mol. Der dritte erhitzte Methanoleinsatzmaterialstrom 7 wird
in Wärmeaustauscher 8 erhitzt,
um den vierten erhitzten Methanoleinsatzmaterialstrom 9 mit
dem Methanolumwandlungsproduktausfluss 11 aus dem Oxygenatumwandlungsreaktor 10 zu
bilden. Der vierte erhitzte Methanoleinsatzmaterialstrom 9,
der einen viel höheren
Wärmeinhalt
von 17.102 kJ/Mol aufweist, ist zum Kontaktieren eines Katalysators
in dem Oxygenatumwandlungsreaktor 10 geeignet, um einen
deaktivierten Oxygenatumwandlungskatalysator mit kohlenstoffhaltigen
Ablagerungen und ein Produkt 11 zu bilden, das Olefine,
vor allem leichte Olefine umfasst. Der Oxygenatumwandlungsreaktor 10 ist
ein Wirbelbettreaktor mit kontinuierlicher Katalysatorregenerierung
und -rückführung (nicht
dargestellt). Das Oxygenatumwandlungsprodukt 11 wird vom
deaktivierten Oxygenatumwandlungskatalysator mit kohlenstoffhaltigen
Ablagerungen abgetrennt und verwendet, um den Strom 9 zu
erhitzen und einen gekühlten
Methanolumwandlungsproduktstrom 12 zu bilden. Ein Teil
des deaktivierten Katalysators wird für die Regenerierung entnommen
und entfernt (nicht dargestellt). Es ist bevorzugt, mindestens 1,0
Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Ablagerungen aus dem deaktivierten
Katalysator während
der Regenerierung zu entfernen. Es ist auch bevorzugt, weniger als
98,0 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Ablagerungen aus dem deaktivierten
Katalysator während
der Regenerierung zu entfernen. Der regenerierte Katalysator wird
in den Oxygenatumwandlungsreaktor 10 zum Kontaktieren des
Oxygenateinsatzmaterials zurückgeführt. 99,8
Gew.-% des Methanols in Strom 9 werden in dem Reaktor 10 umgewandelt,
wobei der nicht umgewandelte Rest in dem Strom 11 austritt.
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Der
gekühlte
Methanolumwandlungsproduktstrom 12, der aus dem Wärmeaustauscher 8 austritt,
wird zum Quenschturm 13 geleitet, wobei er ein Quenschmittel
direkt kontaktiert, das im Wesentlichen aus Wasser besteht. Der
Quenschturm 13 ist innen mit geeigneten Kontaktierungsvorrichtungen
ausgestattet. Die meisten Kohlenwasserstoffprodukte werden als gasförmiger Produktstrom 14 abgetrennt.
Schwerere Produkte, Wasser und nicht umgesetztes Methanol werden
aus dem Quenschturm 13 als Quenschturmbodenproduktstrom 15 bei
einer Temperatur von 116°C
und einem Druck von 262 kPa abgeführt. Der Quenschturmbodenproduktstrom 15 wird
durch die Pumpe 16 unter Druck gesetzt, um den unter Druck
gesetzten Quenschturmbodenproduktstrom 17 bei 689,5 kPa
zu bilden. 83 Mol-% des unter Druck stehenden Quenschturmbodenproduktstroms 17 bilden
die Rückführungsfraktion 18 und
werden durch den Kühlaustauscher 19 geleitet,
um den Quenschstrom 20 bei einer geringeren Temperatur
zu bilden. Der Quenschstrom 20 wird in den Quenschturm 13 zurückgeleitet.
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Der
Rest des unter Druck stehenden Quenschturmbodenproduktstroms 17,
17 Mol-%, wird zu der Fraktionatoreinspeisfraktion 21.
Die Fraktionatoreinspeisfraktion 21 wird mit einem anderen
Methanol/Wasser-Strom 22 kombiniert, einem kleinen Strom,
der aus anderen Quellen innerhalb des gesamten Oxygenatumwandlungs-
und Produktgewinnungsverfahrens gewonnen wird. Der kombinierte Strom 23 wird
in den Fraktionator 24 geleitet. Der Fraktionatorüberkopfstrom 26,
der 89 Mol-% Wasser und 10,5 Mol-% Methanol bei einer Temperatur
von 152°C
und einem Druck von 551,6 kPa enthält, wird zum Wärmeaustauscher 4 geleitet. Das
Bodenprodukt aus Fraktionator 24 wird mit Dampf im Wärmeaustauscher 25 erhitzt,
um den Fraktionatorbodenproduktstrom 33 bei 158°C und 585,4
kPa zu produzieren, der vorwiegend Wasser mit lediglich Spuren von
anderen Komponenten enthält.
Der Fraktionatorbodenproduktstrom 33 wird bei 1.274,8 kPa
unter Druck gesetzt und der resultierende Strom 35 wird
für den
Wärmeaustauscher 2 verwendet,
um das flüssige
Methanoleinsatzmaterial 1 zu erhitzen. Nach dem Wärmeaustausch
weist der Nebenproduktwarmwasserstrom 36 eine Temperatur
von 46°C
und einen Druck von 861,2 kPa auf.
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Tabelle
1 zeigt die Produktselektivität
und die Zusammensetzung von Produktstrom 11 der Methanolumwandlung,
die zum Erzielen der in Tabelle 2 und Tabelle 3 aufgeführten Ergebnisse
verwendet wird. Die Einspeisgeschwindigkeiten, Zusammensetzungen,
Drücke
und Temperaturen von verschiedenen Strömen wie in Beispiel I beschrieben
werden in Tabelle 2 aufgeführt.
Die Leistungen von Hauptaustauschern 2, 4 und 25 werden
in Tabelle 3 tabelliert.
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass bei dem Oxygenatumwandlungsverfahren die
externe Wärme,
die benötigt
wird, um das Oxygenateinsatzmaterial auf Bedingungen zu bringen,
die für
das Kontaktieren des Katalysators erwünscht sind, dargestellt in
der bevorzugten Ausführungsform
von Wärmeaustauscher 6,
als Ergebnis von erhöhter
Wärmegewinnung
und verbesserter Wärmeintegration
des Verfahrens verringert wird.