JP2019525107A - 冷媒通気精留器及び効率増進器 - Google Patents

冷媒通気精留器及び効率増進器 Download PDF

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Abstract

エチレン生成施設等の石油化学施設で使用する冷却システムは、冷媒通気精留器を含む。精留器は、低分子量不活性物質を除去することによって冷媒を浄化する。冷却システムは、より効率的で、エネルギーをあまり消費せず、施設の能力を増大させる。【選択図】図２

Description

本発明は、工業施設のための閉ループ冷却システムの動作を向上させる、液体窒素の使用に関する。
多くの工業プロセスでは、冷却システムを必要とする。例えば、オレフィンをガス混合物から回収することは経済的に重要であるが、高度のエネルギー集約型石油化学プロセスである。一般に、ガス混合物は、蒸気の存在下（熱分解、流動接触分解又はフルード・コーキング法を介して）、炭化水素の熱分解によって生成する。その後、一般に、極低温分離法を使用してオレフィンを回収するが、そのような方法は、低温での多量の冷却を必要とする。
より特定の例は、エチレン生成施設である。冷却は、分離加熱器の溶出物から所望の生成物を分離するために必要である。冷却は、水冷、閉サイクル・プロピレン・エチレン・システム、又は分離工程からの加圧軽ガスの仕事量を拡張することによってもたらすことができる。
また、この種の施設において、ガス窒素が必要であり、施設内で多用される。極低温液体として窒素を施設に送ることが一般的である。液体窒素は、窒素ガスを使用可能な温度及び圧力で供給するには、気化させ、加熱しなければならない。典型的には、このことは、窒素を気化させ、加熱する周囲条件で空気を使用して行われる。窒素は、−１４７℃を下回ると気化する。気化及び加熱は、多量のエネルギーの使用を必要とし得る。例えば、窒素を３５℃まで加熱する周囲条件は、窒素１グラム当たり約８３カロリーを必要とする。１００キロワットの冷却を必要とする施設は、一般に１，０００ｋｇ／時の窒素を必要とする。したがって、窒素の加熱に必要なエネルギーは、例えば１時間当たり８，３００万カロリーの範囲内にあり、相当な量である。
図１は、従来技術で公知の冷却システムを示す。図１に示すシステムにおいて、第２の段の冷媒圧縮器の排出物は、冷媒蓄積器に入る前に冷媒凝縮器において凝縮される。冷媒液体は、より低い圧力までフラッシュされ、次に、第２の段の冷媒使用器で部分的に気化させる。次に、冷媒は、液体を除去する第２の段の吸込みドラムに入り、次に、冷媒をより低い圧力までフラッシュし、完全に気化させる第１の段の冷媒使用器に送られる。第２の段の吸込みドラムからの蒸気は、第２の段の冷媒圧縮器に戻される。第１の段の冷媒使用器からの蒸気は、第１の段の吸込みドラムで処理され、含有されるあらゆる液体を除去し、次に、第１の段の冷媒圧縮器上に送られる。
エチレン施設で使用するための典型的な閉ループ冷却システムを図１で示す。冷却システムに対する固有の制限は、施設の生成能力を制限することが多く、このことは、当業界では「ボトルネック」と呼ばれる。このボトルネックを軽減するために、冷却能力の追加が必要であることがあり、この場合、圧縮器、熱交換器、ドラム等に対する高額な修正又は取替えを必要とするおそれがある。冷却システムが施設のボトルネックではない場合であっても、冷却システムに冷却任務を追加し、冷媒の回収により不活性物質を除去すると、冷媒圧縮器の動力需要を著しく低減させ、したがって、エネルギー消費及び関連する動作費用を著しく低減させる。
当技術分野には、石油化学施設等の工業施設で使用する冷却システムを改善する必要が依然としてある。
本発明をより完全に理解するため、例示的実施形態に対する以下の説明を参照することができる。例示的実施形態は、添付の図面に関連付けて考慮する。
当技術分野で公知の冷却システムを示す従来技術の概略図である。 本発明の第１の実施形態による冷却システムを示す概略図である。 本発明の第２の実施形態による冷却システムを示す概略図である。
本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、適用の際、添付の図面に示す部品の構造及び配置の詳細に限定するものではないことを理解されたい。そうではなく、本発明は、他の実施形態を様々な方法で実施又は実行させることができる。また、本明細書で使用する語法又は用語は、説明の目的であり、限定の目的ではないことを理解されたい。図面は、本発明を示す目的であり、一定の縮尺を意図するものではない。
本発明による冷却システムは、以下でより十分に説明するように、冷却システム又は施設の他の場所で再利用するため、冷媒を回収する手段を提供するという点で有利である。追加の冷却は、より高い冷却能力の必要性に起因するボトルネック状況に関連する問題を緩和することができる。より高い冷却能力は、施設の機械設備に対する追加又は修正の必要性を低減又はなくし、したがって、資本支出を低減することができる。回収した冷媒を使用し、冷却圧縮器の電力需要を低減し、これによりエネルギー消費及び関連する運転費用を低減させることができる。
更に、低分子量不純物は、除去しないと冷媒内に蓄積されるが、本発明の冷却システムは、こうした低分子量不純物を除去し得るという利益を有する。これらの不純物は、漏れ、低品質の構成要素材料、不十分な浄化及び不十分な排出シールにより、閉ループ冷媒システムに進入することが多い。「不活性物質」と呼ばれる不純物は、使用される通常の冷媒よりもかなり低い沸点を有し、いくつかの悪影響を生じさせるおそれがある。
例えば、不活性物質は、冷媒の吐出圧力を増大させ、これにより、圧縮器の電力消費量を上昇させることがある。不活性物質は、より重量のある通常の冷媒に取って代わることによって冷却システムの能力も低減させることがある。更に、不活性物質は、冷媒凝縮器の上部に凝縮不可能な蒸気の気泡を生じさせるおそれがあり、この気泡は、到来する冷媒蒸気と、凝縮器の冷たい表面との接触を妨げる「ブランケット」を形成するため、冷却効率を低減させる。不活性物質の存在は、冷媒フラッシュ温度も低下させ、冷媒と冷却システムの最小設計金属温度との間の安全裕度を低下させる。不活性物質は、余分な不活性物質を除去するために冷却システムを通気しなければならない際に、高価な冷媒を拡散させるという損失も生じさせる。
本発明の冷却システムの使用により、不活性物質は、蒸留作用を介して冷媒から容易に除去することができ、この蒸留作用は、気化液体窒素との熱交換を使用して冷媒を冷やすことによって達成される。窒素は、典型的な冷却システムの温度を下回る温度に到達させることができ、気化窒素は、典型的な使用のオレフィン施設内で使用することができる。
図２を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。図２は、冷却システムのために上記で説明した図１の構成要素の全てを含む。特に、本発明の冷却システムは、第１の段の冷媒圧縮器及び第２の段の冷媒圧縮器、第１の段の吸込みドラム及び第２の段の吸込みドラム、冷媒凝縮器、並びに冷媒蓄積器を含み、これらは、上記のように動作し、第１の段の冷媒使用器及び第２の段の冷媒使用器に冷媒を供給する。
本発明の冷却システムの動作を説明する目的で、以下の説明は、エチレン生成施設での使用を指す。本発明による冷却システムは、図２に示すように冷媒通気精留器１を含む。精留器１は、全体的に円筒形の断面を有し、精留器１に分流させた第２の段の吸込みドラムからの蒸気の一部を処理するために使用される。分流した蒸気は、精留器１の下側区分に供給され、充填区分２を上方に通過する。充填区分２において、蒸気は、充填区分２を通って落下する液体に直接接触する。この液体は、精留器１の最上区分３において熱交換器６上で凝縮により生成され、熱交換器６では、窒素を加熱し、気化させる。液体は、蒸気からエチレンを洗浄する一方で、同時に、蒸気は、液体から不活性物質（メタン等）を除去する。次に、精留器の上部に達した蒸気は、拡散部４に通気される。この蒸気は、エチレンをほぼ含有しない。蒸気から洗浄されたエチレンは、代わりに、弁５を通って底部から精留器１を出る。このエチレンは、不活性物質をほぼ含まない。
図２に示すように、精留器で使用する窒素は、熱交換器６から出る。この窒素は、施設で使用するには十分に暖かいものでないため、使用前に温める必要がある。したがって、本発明の第２の実施形態によれば、図３に示すように、窒素は、窒素の温度を上昇させるため更に処理される。熱交換器６を離れた窒素は、冷却工程に接して加熱され、更なる電力を削減するようにする。第２の段の冷媒圧縮器からの蒸気の一部分は、窒素加熱器内で、熱交換器６からの窒素に接して減温され、凝縮される。第２の段の冷媒圧縮器からの冷媒は、窒素を十分に加温するのに十分に熱いため、窒素加熱器を離れた窒素を施設内の他の場所で使用することができる。窒素加熱器を出た冷媒は、第２の段の吸込みドラムと第１の段の冷媒使用器との間の工程に戻される。
場合によっては、冷媒は不活性物質の除去を必要としない。この場合、精留器通気部４（図３を参照）を閉鎖し、凝縮した冷媒の全てを第１の段の冷媒使用器に戻すことができる。
本発明の冷媒システムは、いくつかの利点を提供する。本発明のシステムは、閉ループ冷却システムからの不活性物質の除去を可能にする。このことは、冷却圧縮器の吐出圧力を低減する効果を有し、圧縮力の節約をもたらす。更に、循環する冷媒は、軽量不純物を含有せず、このことは、気化する冷媒が、１キログラム当たり及び１リットル当たりより多くのエネルギーを吸収し、これにより冷却システムの能力を増大し得ることを意味する。更に、不活性物質蒸気のポケットがあると、凝縮器等の機器の上側区分を塞ぐが、このポケットがない。したがって、本発明の適用により、システムをより効率的に動作、機能させることを可能にする。圧力低下後の冷媒のフラッシュ温度はより暖かく、不活性物質は存在しないため、冷媒温度と最小設計金属温度との間の設計裕度を維持可能にする。
本発明による冷媒通気精留器の使用により、通気される蒸気は浄化され、高価な冷媒の損失を低減する一方で、不活性物質を除去する。不活性物質通気凝縮器は、低圧冷媒を凝縮し、最も冷たい液体冷媒を使用器に供給するようにも働く。このことは、冷却システムの動作を向上させる。
不活性物質をシステムから除去する必要がない場合であっても、本発明の冷媒通気精留器の使用により、施設全体の効率を向上させることができる。
上記の説明は、エチレン生成施設における本発明の使用に言及する。そのようなエチレン施設では、本発明は、あらゆるメタン、エチレン又はプロピレン閉ループ冷却システムにおいて冷媒を浄化するために使用することができる。しかし、本発明はそのように限定するものではない。本発明は、あらゆる閉ループ冷却システム（例えばメタン、エチレン、プロピレン）において冷媒を浄化するために使用することもできる。本発明のシステムは、エチレン生成施設又は他の生成施設において使用する混合冷却システムに使用することもできる。典型的な混合冷却システムは、メタンを含有し、システムから、凝縮不可能な水素及び窒素といった不活性物質を可能な限り除去することが望ましい。そのようなシステムの場合、メタン組成物は、典型的には水素及び窒素の不純物を含有する。本発明のシステムは、メタンの過度の損失を伴わずに水素及び窒素をシステムから除去する。
本発明のシステムは、天然ガス液化施設、空気調整ユニット及び冷蔵ユニットで使用するもの等、他の閉ループ冷却システムにおいても使用することができる。ここでも同様に、そのような閉ループ・システムから（窒素等の）不活性物質を除去すると、上記の多くの利点がもたらされる。
本明細書で説明する実施形態は例にすぎず、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく変形及び修正を行い得ることは理解されよう。そのような変形及び修正の全ては、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲内に含むことを意図する。上記の実施形態は、代替としてではなく、組み合わせ得ることを理解されたい。

Claims (14)

  1. 工業施設のための冷却システムであって、前記冷却システムは、
    入口及び出口を有する第１の段の冷媒使用器；
    入口及び出口を有する第２の段の冷媒使用器；
    入口及び出口を有する第１の段の吸込みドラム；
    入口、液体出口及び蒸気出口を有する第２の段の吸込みドラム；
    入口及び出口を有する第１の段の冷却圧縮器；
    第１の入口、第２の入り口及び出口を有する第２の段の冷却圧縮器；
    入口及び出口を有する冷媒凝縮器；
    入口及び出口を有する冷媒蓄積器；並びに
    冷媒通気精留器
    を備え、
    前記第１の段の冷媒使用器の前記入口は、前記第２の段の吸込みドラムの前記液体出口に流体接続し、前記第１の段の冷媒使用器の前記出口は、前記第１の段の吸込みドラムの前記入口に流体接続し、
    前記第１の段の吸込みドラムの前記出口は、前記第１の段の冷却圧縮器の前記入口に流体接続し、
    前記第１の段の冷却圧縮器の前記出口は、前記第２の段の冷却圧縮器の前記第１の入口に流体接続し、
    前記第２の段の冷却圧縮器の前記出口は、前記冷媒凝縮器の前記入口に流体接続し、
    前記冷媒凝縮器の前記出口は、前記冷媒蓄積器の前記入口に流体接続し、
    前記冷媒蓄積器の前記出口は、前記第２の段の冷媒使用器の前記入口と流体接続し、
    前記第２の段の冷媒使用器の前記出口は、前記第２の段の吸込みドラムの前記入口に流体接続し、
    前記第２の段の吸込みドラムの前記蒸気出口は、前記第２の段の冷却圧縮器の前記第２の入口に流体接続し、
    前記第２の段の吸込みドラムの前記蒸気出口は、前記冷媒通気精留器の入口にも流体接続し、
    前記冷媒通気精留器は、前記入口を有し充填区分を収容する下側部分、熱交換器を収容する上側部分、及び前記冷媒通気精留器の上部における通気部を備え、前記通気部は、前記冷媒通気精留器の内部と通じている、冷却システム。
  2. 前記冷却システムは、閉ループ冷却システムである、請求項１に記載の冷却システム。
  3. 前記第１の段の冷媒使用器は、前記工業施設の熱交換器であり、前記第２の段の冷媒使用器は、前記工業施設の熱交換器である、請求項１に記載の冷却システム。
  4. 窒素入口、窒素出口、冷媒入口及び冷媒出口を有する窒素加熱器を更に備え、前記冷媒通気精留器の前記熱交換器の出口は、前記窒素加熱器の前記窒素入口に流体接続し、また、前記第２の段の冷却圧縮器の前記出口は、前記窒素加熱器の前記冷媒入口に流体接続し、前記窒素加熱器の前記冷媒出口は、前記第１の段の冷媒使用器の前記入口に流体接続する、請求項１に記載の冷却システム。
  5. 前記工業施設は、エチレン生成施設である、請求項１に記載の冷却システム。
  6. 冷媒を工業施設に供給する方法であって、前記方法は、
    第１の段の冷媒使用器、第２の段の冷媒使用器、第１の段の吸込みドラム、第２の段の吸込みドラム、第１の段の冷却圧縮器、第２の段の冷却圧縮器、冷媒凝縮器、冷媒蓄積器及び冷媒通気精留器を有する冷媒システムを確立すること；
    前記第２の段の吸込みドラムを出た冷媒蒸気の一部分を、前記通気精留器の下側区分に分流させること；
    前記通気精留器の最上区分に収容した熱交換器上での凝縮によって液体を生成すること；
    前記分流冷媒蒸気を、前記通気精留器の充填区分を通して上方に通過させること；
    前記液体を、前記通気精留器の前記充填区分を通して下方に通過させること；
    前記充填区分において、前記分流冷媒蒸気と前記液体を接触させることにより前記分流冷媒蒸気からエチレンを洗浄すること；
    前記充填区分において、前記液体と前記分流冷媒蒸気とを接触させることにより前記液体から不活性物質を除去すること、並びに
    前記通気精留器の前記最上区分に到達した前記分流冷媒蒸気を通気すること
    を含む、方法。
  7. 前記冷却システムは、閉ループ冷却システムである、請求項６に記載の方法。
  8. 前記第１の段の冷媒使用器は、前記工業施設の熱交換器であり、前記第２の段の冷媒使用器は、前記工業施設の熱交換器である、請求項６に記載の方法。
  9. 前記第２の段の冷媒圧縮器からの冷媒蒸気の一部分を使用して、前記通気精留器の前記熱交換器を出た窒素を窒素加熱器において加熱すること
    を更に含む、請求項６に記載の方法。
  10. 前記工業施設は、エチレン生成施設である、請求項６に記載の方法。
  11. 冷媒システムのための通気精留器であって、前記精留器は、全体的に円筒形の断面を有し、冷媒を受ける下側区分、前記下側区分の上の充填区分、前記充填区分の上の最上区分であって、前記上側区分は熱交換器を収容する、最上区分、及び前記最上区分の上の通気部を備える、通気精留器。
  12. 閉ループ冷却システムにおいて冷媒蒸気からエチレンを除去する方法であって、
    前記冷却システムから通気精留器に冷媒蒸気の一部分を分流させることであって、前記通気精留器は、全体的に円筒形の断面を有し、前記分流冷媒蒸気を受ける下側区分、前記下側区分の上の充填区分、前記充填区分の上の最上区分であって、前記上側区分は熱交換器を収容する、最上区分、及び前記最上区分の上の通気部を有する、分流させること；
    前記通気精留器の前記最上区分において前記熱交換器上での凝縮によって液体を生成すること；
    前記分流冷媒蒸気を、前記通気精留器の前記充填区分を通して上方に通過させること；
    前記液体を、前記通気精留器の前記充填区分を通して下方に通過させること；並びに
    前記充填区分において、前記分流冷媒蒸気と前記液体を接触させることにより前記分流冷媒蒸気からエチレンを洗浄すること
    を含む方法。
  13. 前記充填区分において、前記液体と前記分流冷媒蒸気とを接触させることにより前記液体から不活性物質を除去することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記通気精留器の前記最上区分に到達した前記分流冷媒蒸気があれば通気することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
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