JP2006520784A - エチレン回収における分配型蒸留の低資本実装 - Google Patents

Abstract

炭化水素供給流からエチレンを回収するための装置。装置は上部領域及び下部領域を内包する単一の蒸留塔圧力シェルである。上部領域はエチレン分配器精留区域を収容し、下部領域はC2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域を収容する。蒸気は下部領域から上部領域に通過し、液体は上部領域から下部領域に通過する。エチレンを回収するためのプロセスもまた開示される。炭化水素供給流はC2分配器区域に導入され、一連のストリッピング工程及び還流工程の後、異なる炭化水素生成物がC2分配器区域、エチレン分配器ストリッピング区域及びエチレン分配器精留区域からそれぞれ回収される。

Description

分配型蒸留は、製油所システム、エチレン回収システム及び他の商業的化学、石油及び石油化学分離システム操作の設計の基礎として、長年にわたり示唆されている。分配型蒸留は、シャープスプリット蒸留（sharp split distillation）と対比することにより最もよく理解される。シャープスプリット蒸留において、分離は、分離中の混合物の揮発性曲線において互いに隣接する軽質成分及び重質成分の間でなされる。すなわち、混合物中には、軽質成分と重質成分との中間に位置する揮発性を有する化合物はない。

たとえば、エチレン回収システムにおける典型的なシャープスプリット脱エタン装置塔は、エタンとプロピレンとの間の厳格な分離を行う。塔頂物はプロピレンを本質的に含まず、塔底物はエタンを本質的に含まない。したがって、塔頂物は軽質キー成分(例えば、エチレン、メタンなど)よりも軽い全ての成分を含み、塔底物は重質成分(例えば、プロパン、C4類など)よりも重いすべての成分を含む。

分配型蒸留操作において、シャープスプリットは揮発性曲線上で隣接する成分間でなされない。脱エタン装置に類似する分配型蒸留は「C2類分配器」である。C2類分配器塔は、メタン及びC3成分との間を厳格に分離し、エタン及びエチレンを塔頂物及び塔底物の間で分配する。C2類分配器塔において、軽質成分はメタンであり、重質成分はプロピレンである。これらの成分は揮発性曲線上で互いに隣接しておらず、エタン及びエチレンはメタン及びプロピレンの中間に位置する揮発性を有する。この場合、次いで、エタン及びエチレンは、塔頂物及び塔底物の間で「分配」される。塔頂物はメタン及び軽質成分ばかりでなく、いくらかのエタン及びエチレンを含むが、本質的にプロピレンを含まない。塔底物もまた、プロピレン及びより重い成分ばかりでなく、いくらかのエタン及びエチレンを含むが、本質的にメタンを含まない。もちろん、下流側の塔内で成分のさらなる精製を行わなければならない。

分配型蒸留システムの一つの利点は、最終的に精製された成分を製造するために要する総エネルギー量が類似の「シャープスプリット」蒸留シーケンスよりも少ないことである。分配型蒸留により提供されるエネルギー節約を理解する一つの方法は、より少ない全体的な相変化で成分の分離を達成することである。相変化（凝縮又は気化)はエネルギーを要し、相変化の数を減少させることは系のエネルギー消費を減少させることでもある。

塔の熱的結合は、蒸留型システムの全体的なエネルギー効率を改良するための別の方法である。塔間の熱的結合は、下流塔からの液体サイド抜き出し流での液体還流を１の塔へ提供すること、又は下流塔からの蒸気サイド抜き出し流で１の塔へストリッピング蒸気を提供することからなる。この方法で、塔頂部での還流液体の組成は、典型的な凝縮器により製造され得るよりも、塔の頂部で流出する平衡組成にもっと近い。同様に、塔底に送られるストリッピング蒸気の組成は、慣用の再沸器で発生した蒸気よりも塔底から流出する平衡組成にもっと近い。この熱的結合は、塔底に「再混合（remixed）」されるより重い成分の量及び塔頂部に「再混合（remixed）」されるより軽い成分の量を減少させる。これは、塔の熱力学効率を改良し、還流及び再沸速度を減少させ、よってエネルギーを節約する。

加えて、分割壁塔は、単一の圧力シェル内で異なる蒸留プロセスを組み合わせるための方法として従来技術に記載されている。Wright(米国特許US 2,471,134号明細書)は、1949年に、複合流体の成分を分離するための分割型分留塔（partitioned fractionating column）を開示する。Petlyukら(Int. Chem.. Eng. 5, pp 555-561,1965)は、1965年に、分割壁塔の系統だった議論を開示する。初期の分割壁塔設計は、塔の中間区域内の分割壁と、塔頂部及び塔底部にそれぞれ開放型全直径精留区域とストリッピング区域とを含んでいた。Oginsy（米国特許US 5,709,780号明細書）は、垂直な分割壁が塔の中間区域から塔底に向かうすべての経路に延在する分割壁塔を開示する。したがって、分割壁は塔に２つのストリッピング又は吸着区域を提供する。Oginsy(米国特許US 5,755,933号明細書)は、垂直な分割壁が塔の中間区域から塔頂部に向かうすべての経路に延在する分割壁塔をさらに開示する。この場合、分割壁は塔に２つの別個の精留区域を提供する。

Stork(米国特許US 6,077,985号明細書)は、オレフィン類プラント分離列の脱エタン機能及び脱エチレン機能を組み合わせるために分割壁塔を用いることを開示する。この塔設計は、塔の中間区域から塔底に向かうすべての経路に延在する分割壁を含む。したがって、塔は２つの塔底区域に分割される。供給物は、脱エタン装置塔として作用するこれらの区域の一つの中間に入る。塔の全直径精留区域はエチレン精留区域として作用し、分割壁の他方の側の区域はエチレンストリッパーとして作用する。しかし、Storkにより開示された蒸留機能の両者とも、分配型蒸留よりはむしろシャープスプリットを利用する。

Manley(米国特許US 5,675,054号明細書)は、種々の供給物タイプについて分解ガス混合物からのエチレン回収のためにC2類分配器及びエチレン分配器を組み合わせて用いることを開示する。Manley及びHahesy (Hydrocarbon Processing, April 1999, p 117)は、別個の精留区域を単一のシェルに組み合わせ、別個のストリッピング区域を単一のシェルに組み合わせるが、２つの別個の分配型蒸留塔からの精留区域とストリッピング区域を単一のシェルに組み合わせないことを教示する。

本発明は、２つの異なる熱的結合したエチレン回収精製用分配型蒸留機能を単一のシェルに組み合わせる蒸留塔に関する。単一のシェル内の分離壁は、異なる蒸留機能が生じるゾーンに塔を分割する。本発明は、エチレンの回収及び部分精製における分配型蒸留の資本効果的改良を可能とする装置を提供する。本発明は、さらに、分配型蒸留を用いることによる、特にC2類分配器及びエチレン分配器の使用を組み合わせることによる分解ガス流からのエチレンの回収に関する。

従来技術の設計は、C2類分配器機能及びエチレン分配器機能のために別個の蒸留塔を利用する。２個の別個の圧力容器、基礎及び支持構造体が従来技術のシステムを構築し運転するために必要である。本発明は、両方の蒸留機能を単一の圧力シェルに組み合わせる点で従来技術を凌駕する改良である。したがって、本発明の設計を用いれば、ただ１個の圧力容器、基礎及び支持構造体が必要となる。この結果、従来技術に比較して、材料及び設備費用が大幅に削減される。

本発明は、炭化水素供給流からエチレンを回収及び部分精製する装置に関する。単一の蒸留塔圧力シェルは、エチレン分配器精留区域を有する上部領域と、C2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域を有する下部領域と、を内包する。装置は、エチレン分配器精留区域を下方向に流通する液体を収集し、液体をC2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域に搬送する手段を有する。C2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域は分離されて、両方の区域の間での液体もしくは蒸気の通過を防止する。蒸気は下部領域から上部領域へ通過して、供給物はC2分配器区域に導入される。

本発明は、さらに、エチレンの回収及び部分精製プロセスに関する。少なくとも１の炭化水素供給流は、エチレン分配器精留区域を収容する上部領域と、C2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域を収容する下部領域と、を内包する蒸留塔圧力シェルに導入される。供給流は、C2分配器区域に導入される。ストリッピング蒸気もまた、C2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域に導入される。C2分配器及びエチレン分配器ストリッピング区域から上方向に流通する蒸気は、エチレン分配器精留区域に導入される。エチレン分配器精留区域は還流され、別異の炭化水素生成物が、C2分配器区域、エチレン分配器ストリッピング区域及びエチレン分配器精留区域から回収される。

数種の実施形態に関してのみ、説明の目的で、装置及び方法を記載する。しかし、説明された実施形態に対して本発明の範囲内で当業者により種々の変更、追加、改良及び変形がなされてもよいことが認識される。

好ましい実施形態

図１は、単一の蒸留塔圧力シェルと組み合わせたC2類分配器及びエチレン分配器塔を示す。単一の塔をC101で示す。C101の下部区域は、一方のサブ区域から他方のサブ区域への液体もしくは蒸気の搬送を防止する不浸透性の壁によって２個のサブ区域に分割されている。サブ区域を図１において区域A及び区域Bとする。区域を分割する壁は、典型的には、２個のサブ区域の間での熱移動量を減少させるように断熱されている。区域A及び区域Bの両者は、各区域での液体と蒸気との接触を強める接触棚段又は充填材などの機械的デバイスを含む。各区域は、当業者に公知であるように、異なるタイプの機械的蒸気／液体接触デバイス、異なる数又は設計のこのようなデバイスを含んでいてもよい。

分割壁上方のC101上部区域は、図１において区域Cとして示され、この区域内での液体と蒸気との接触を増強させるように設計されている接触棚段又は充填材などの機械的デバイスをも含む。C101の塔頂生成物はE101内で少なくとも部分的に凝縮され、液体はドラムD101内で未凝縮蒸気から分離される。回収された液体の少なくとも一部は塔C101の区域Cの頂部に入る還流液体を与えるために用いられる。凝縮された液体の幾分かは流105を介して塔頂液体生成物として除かれる。C101の区域CもまたE102として示される１以上の中間凝縮器を有していてもよい。当業者は、図１においてE101及びD101により概略的に示される塔頂凝縮システム及びE102により示される中間凝縮システム用の多くの潜在的な設計があることを認めるであろう。これらのシステム用の特定の設計は本発明の本質に影響を与えない。

区域Cを出る下降流液体は区域A及びBの間で分配され、区域A及びBを出る上昇流蒸気は一緒になってから区域Cに入る。本発明の本質を制限するものではないが、液体の分配及び蒸気の組み合わせを達成するための典型的な配置は、図１に示されるように、区域Cの下方で分割壁の頂部の真上に位置づけられた総液体 トラップアウト煙突（trap-out chimney）棚段を位置づけるものである。このような設計において、区域Cを出る液体の全量は煙突（chimney）棚段の上に捕捉され、よって、区域A及び／又はBに直接入ることが防止される。煙突棚段に捕捉された液体は流106を介して除かれ、流量制御のために必要な圧力を提供するポンプP101に送られる。ポンプ出口からの物質は２つの流107及び108に分割される。流107は区域Aの頂部に送られ、一方、流108は区域Bの頂部に送られる。流107及び108の流量は流量制御弁V101を用いることによって制御され得る。区域A及び区域Bへの液体の流れを分割し制御するための他の手段を用いることもでき、このような手段は当業者に周知である。所望であれば、追加の凝縮器を区域Aの頂部又は頂部近くに位置づけて、この区域へのより多くの液体流量及び／又はより高度の制御を与えてもよい。このような凝縮器は図１においてE103として示されている。

区域A及びBからの蒸気を、たとえば、分割壁の頂部の上の開放空間及び総液体トラップアウト煙突棚段の下方において一緒にする。次いで、煙突棚段を通過して、煙突棚段の上で区域Cの下方の第２の開放空間に入る。次いで、蒸気は上向きに流通して、区域C内の蒸気／液体接触デバイスに入る。

脱プロパン装置塔の塔頂生成物などの供給流は、流101を介して塔C101に入り区域Aの中間近くのポイントに入る。本発明の本質を変えることなく、多種の濃度を有する多種供給流が区域Aに入ることができることに留意すべきである。図１において、区域Aへの単一の供給流は、供給ポイントの下方で区域底部の上方に位置づけられているストリッピング区域と、供給ポイントと分割壁の頂部との間に位置づけられている精留区域と、に区域Aを分割する。区域Aの塔底流は交換器E104を用いて再沸される。区域Aからの塔底生成物は流103を介して出る。区域Bの塔底流は交換器E105を用いて再沸される。区域Aからの塔底生成物は流104を介して出る。

本発明によれば、区域AはC2分配器として機能し、区域Bはエチレン分配器のストリッピング区域として機能し、区域Cはエチレン分配器の精留区域として機能する。

図１に示された本発明を象徴する装置は、1000KTAエチレンプラント用に設計されたものであった。本実施例の設計は、交換器E102及びE103を含まず、液体塔頂生成物(流105)が製造されない。本実施例に対する供給物は脱プロパン装置塔(図示せず)の塔頂からの蒸気であり、水素、メタン、エチレン、エタン、プロピレン及びプロパンを含む。本実施例において、区域Cは70理論段数を含み、区域Aは34理論段数を含み、区域Bは30理論段数を含む。供給物は、区域Aの塔底の上方20理論段数のポイントで区域Aに入る。

本実施例における組み合わせた塔の直径は13.5フィート（4.1m）であり、高さは222フィート（67.7m）であり、500psigのトップ圧力で運転する。Manley '054特許のC2類分配器は、上部区域直径が11フィート（3.4m）で下部区域直径が6.5フィート（2.0m）で、全体の高さが約100フィート（30.5m）の二重直径塔であり、500psigのトップ圧力で運転する。Manley'054のエチレン分配器は、直径が約13フィート（4.0m）で、高さが240フィート（73.2m）であり、500psigのトップ圧力で運転する。本発明の単一の塔とMantey'054特許の２つの塔とについて、組み込んだ機材の費用を比較すると、本発明の単一の塔はManley'054特許よりも約US $2500000を節約することができる。

Table 1は、本実施例での組成物及び条件を示す。供給物は供給流101を介してC101に入る。十分なストリッピング蒸気がE104により発生し、液体塔底生成物（流103）からメタン及びより軽い成分のすべてを取り除く。したがって、流103は、プロパン、プロピレン、エタン及びエチレンだけを本質的に含む。

十分な液体は、区域Cから区域Aの上段に供給されて、プロピレン及びより重い成分のすべてを区域 Aを出る蒸気から取り除く。したがって、区域Aを出る蒸気は、エチレン、エタン及びエチレンよりも軽い成分だけを本質的に含む。十分な液体は区域Cの上部に供給され(交換器E101により発生した)、区域Cの頂部を出る蒸気からエタンのすべてを取り除く。したがって、塔頂生成物流102は、エチレン及びエチレンよりも軽い成分だけを本質的に含む。

区域Aの頂部に送液されない区域Cを出る液体は、区域Bの頂部に送液される。十分なストリッピング蒸気がE105において発生し、メタン及びより軽い成分の全量を区域Bの塔底を出る液体から分離する。したがって、区域Bの塔底液体である流104は本質的にエタン及びエチレンだけを含む。

図１は、２種の蒸留機能を分割壁が組み込まれている単一のシェルと組み合わせる本発明の一実施形態を示す。

Claims (9)

1. エチレン、エタン、エチレンよりも軽い1種又は複数種の成分及び場合によってはC3以上の重い成分を含む少なくとも１種の供給流からのエチレンの回収及び部分精製用装置であって、
   （a）エチレン分配器精留区域を含む上部領域と、C2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域を含む下部領域と、を内包する単一の圧力シェル；
   （b）該エチレン分配器精留区域を下方向に流通する液体を収集して、該液体を別個に該C2分配器区域及び該エチレン分配器ストリッピング区域のそれぞれに搬送するための手段；
   （c）該C2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域を分離し、それらの間を直接的に液体もしくは蒸気が通過することを防止する手段；
   （d）該下部領域内において、該上部領域への蒸気の通過を可能とする手段；及び
   （e）該供給流を該C2分配器区域に導入する供給物導入手段
   を具備する装置。
2. エチレン及び該エチレン分配器精留区域からのエチレンよりも軽い成分を含む塔頂流を少なくとも分縮し、回収された液体を該エチレン分配器精留区域に環流させるために用いる、請求項１に記載の装置。
3. 該C2分配器区域は、該供給流の導入部よりも上方に位置づけられている精留区域を含む、請求項１に記載の装置。
4. 該C2分配器区域は、該供給流の導入部よりも下方に位置づけられているストリッピング区域を含む、請求項１に記載の装置。
5. エチレン分配器精留区域を含む上部領域とC2分配器区域及びエチレン分配器ストリッピング区域を含む下部領域とを内包する蒸留塔圧力シェルに導入された少なくとも１種の供給流からエチレンを回収及び部分精製する方法であって、該供給流はエチレン、エタン、エチレンよりも軽い1種の成分又は複数種の成分及び場合によってはC3以上の重い成分を含み、
   （a）該供給流を該C2分配器区域に導入する工程；
   （b）ストリッピング蒸気を該C2分配器区域に導入する手段を準備する工程；
   （c）該C2分配器区域及び該エチレン分配器ストリッピング区域から上方向に流通する蒸気を該エチレン分配器精留区域に導入する工程；
   （d）ストリッピング蒸気を該エチレン分配器ストリッピング区域に導入する手段を準備する工程；
   （e）該エチレン分配器精留区域から下方向に流通する液体を該C2分配器区域及び該エチレン分配器ストリッピング区域に導入する工程；
   （f）該エチレンを分配器精留区域に環流させる工程；
   （g）該C2分配器区域の底部からのエチレン、エタン及びC3+成分の流を回収する工程；
   （h）該エチレン分配器ストリッピング区域の底部からのエタン及びエチレンの流を回収する工程；及び
   （i）該エチレン分配器精留区域の塔頂からのエチレン及びエチレンよりも軽い成分の流を回収する工程
   を含む方法。
6. １枚の壁が該C2分配器区域及び該エチレン分配器ストリッピング区域を分離する、請求項５に記載の方法。
7. 該C2分配器区域、該エチレン分配器精留区域及び該エチレン分配器ストリッピング区域は、それぞれ上方向に流通する蒸気と下方向に流通する液体との接触を強める機械的手段を含む、請求項５に記載の方法。
8. 該蒸留塔圧力シェルは、約400psia〜約550psiaの圧力で作動する、請求項５に記載の方法。
9. 該下部領域の上方で該上部領域の下方に位置づけられた液体分離装置は、該上部領域から流出する液体が該C2分配器及び該エチレン分配器ストリッピング区域に直接流入することを防止する、請求項５に記載の方法。

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