RU2039329C1

RU2039329C1 - Method and device for cryogenic separation of gas mixtures

Info

Publication number: RU2039329C1
Application number: SU904831984A
Authority: RU
Inventors: Гарольд Маккью Ричард (младший); Лесли Пикеринг Джон (младший)
Original assignee: Мобил Ойл Корпорейшн; Стоун энд Вебстер Инджиниринг Корпорейшн
Priority date: 1989-04-05
Filing date: 1990-12-04
Publication date: 1995-07-09

Abstract

FIELD: cryogenic engineering. SUBSTANCE: initial raw containing methane, ethylene and ethane is cooled and separated by mass exchange method into gas and liquid condensate which is fed to the first fraction system wherein the vapor methane fraction is extracted from it. The vapor fraction is cooled up to a cryogenic temperature and separated into two portions. One portion of methane fraction is directed to sprinkling of the first fraction system. The other portion is cooled additionally up to the cryogenic temperature lower than the temperature of cooling of the total fraction and is directed to the second fraction system wherein the portion is separated into liquid enriched with ethylene and vapor stream. EFFECT: enhanced efficiency. 8 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к криогенному разделению газовых смесей. The invention relates to cryogenic separation of gas mixtures.

Криогенная технология используется в широком масштабе для извлечения газообразных углеводородных компонентов, таких как С₁-С₂ алканы и алкены, из различных источников, включая природный газ, продукты очистки нефти, уголь и другое ископаемое топливо. Основным источником химического сырья при производстве пластмасс стало выделение этилена высокой чистоты из других газовых компонентов, вытекающих потоков крекинг-углеводородов. Этилен для получения полимеров, содержащий обычно менее 1% других веществ, можно получить из многочисленных потоков продуктов промышленных процессов. При очистке нефти и использовании С₂ ⁺ конденсируемого влажного газа из природного газа (или подобного) широко используют термический крекинг и гидрокрекинг углеводородов. Для получения ценных сланцевых продуктов таких (пиролизный бензин) низшие олефины и сжиженный нефтяной газ, наряду с сопутствующими продуктами в виде метана и водорода обычно осуществляют крекинг дешевых углеводородов при высокой температуре. Путем последовательного ожижения, дистилляции, сорбции и т.д. многие компоненты вытекающих продуктов крекинга можно извлекать обычными методами разделения. Однако выделение метана и водорода из более ценных С₂ ⁺ алифатических углеводородов, особенно этилена и этана, требует относительно дорогого оборудования и значительных энергетических затрат.Cryogenic technology is used on a large scale to extract gaseous hydrocarbon components, such as C ₁ -C ₂ alkanes and alkenes, from various sources, including natural gas, petroleum refined products, coal and other fossil fuels. The main source of chemical raw materials in the plastics industry was the separation of high purity ethylene from other gas components resulting from cracked hydrocarbon streams. Ethylene for the production of polymers, usually containing less than 1% of other substances, can be obtained from numerous product streams of industrial processes. When refining oil and using C ₂ ⁺ condensed moist gas from natural gas (or the like), thermal cracking and hydrocracking of hydrocarbons are widely used. To obtain valuable shale products such as (pyrolysis gasoline), lower olefins and liquefied petroleum gas, along with related products in the form of methane and hydrogen, usually crack cheap hydrocarbons at high temperature. By sequential liquefaction, distillation, sorption, etc. many components of the cracked effluent can be recovered by conventional separation methods. However, the separation of methane and hydrogen from the more valuable _C2 ⁺ aliphatic hydrocarbons, particularly ethylene and ethane, requires relatively expensive equipment and significant energy expenditures.

В настоящее время в промышленности использованы входящие в холодильные агрегаты ректификационные блоки дефлегматорного типа и дефлегматорные устройства для деметанизации газовых смесей. At present, distillation units of reflux condenser type and reflux condenser devices for demethanization of gas mixtures included in refrigeration units are used in industry.

Для подходящего разделения С₁-С₂ двойных смесей или более сложных составов типичные прежние деметанизаторные блоки требуют очень большой подпитки хладагентом при очень низкой температуре.For suitable separation of C ₁ -C ₂ double mixtures or more complex formulations, typical prior demethanizing units require very large refrigerant charge at very low temperature.

Известно, что в лучших блоках для выделения этилена с повышенной эффективностью можно использовать колонны со множеством деметанизаторов. Для извлечения по крайней мере 99% этилена требуется полная конденсация С₂ ⁺ фракции в холодильном агрегате для подпитки дистилляторных колонн. Известно, что более тяжелые С₃ ⁺ компоненты, такие как пропилен, можно извлекать из переднего конца деэтанизатора, однако возможно, что этот прием менее эффективен, чем предлагаемый более предпочтительный метод разделения.It is known that in the best blocks for the separation of ethylene with increased efficiency, columns with many demethanizers can be used. Extraction of at least 99% ethylene requires complete condensation of the C ₂ ⁺ fraction in the refrigeration unit to feed distillation columns. It is known that the heavier C ₃ ⁺ components, such as propylene, can be removed from the front end deethanizer, however, possible that this technique is less effective than the proposed separation method is more preferred.

Цель изобретения обеспечение улучшенной системы холодного фракционирования для разделения легких газов при низкой температуре, являющейся энергосберегающей и требующей более низких капитальных вложений для криогенного оборудования. The purpose of the invention is the provision of an improved cold fractionation system for the separation of light gases at low temperature, which is energy-saving and requires lower capital investment for cryogenic equipment.

С одной стороны изобретение относится к методу криогенного разделения при извлечении этилена из газообразного углеводородного сырья, включающего метан, этилен и этан, где потоки охлажденного газа под давлением разделяют во множестве последовательно расположенных разделительных блоков. Каждый из указанных разделительных блоков оперативно присоединяются для накопления сконденсированной жидкости в нижней части накопителя жидкости за счет идущего самотеком потока из верхней части вертикального сепаратора, через который газ из нижней части накопителя проходит вверх и охлаждается. Тем самым газ, текущий вверх, частично конденсируют в указанной части сепаратора для получения орошающей жидкости, находящейся в непосредственном контакте с текущим вверх потоком газа. Предложенный метод включает следующие этапы:
введение газообразного сырья в зону для первоначального разделения, где имеется множество расположенных сериями последовательных блоков для холодного разделения газообразного сырья в первичный обогащенный метаном газовый поток, который извлекают при низкой температуре, и по крайней мере в один первичный поток жидкого конденсата, обогащенный С₂ углеводородными компонентами и содержащий малое количество метана;
пропускание по крайней мере одного первичного потока жидкого конденсата из зоны для первоначального разделения в систему для фракционирования, где имеются соединенные по сериям деметанизаторные зоны, где для извлечения основного количества метана из первичного потока жидкого конденсата как парового потока верхнего погона первого деметанизатора используют умеренно низкую криогенную температуру, впрочем как и для извлечения обогащенного этаном и этиленом и не содержащего метан парового потока нижнего погона первого деметанизатора;
дальнейшее отделение по крайней мере части от парового потока верхнего погона первого деметанизатора в зоне с очень низкой температурой второго деметанизатора для извлечения первого потока обогащенного этиленом жидкого С₂ углеводородного сырья и не содержащего С₂ углеводородов парового потока верхнего погона второго деметанизатора с очень низкой температурой.On the one hand, the invention relates to a cryogenic separation method for the extraction of ethylene from a gaseous hydrocarbon feed comprising methane, ethylene and ethane, where the flows of chilled gas under pressure are separated in a plurality of sequentially arranged separation blocks. Each of these separation blocks is quickly connected to accumulate condensed liquid in the lower part of the liquid accumulator due to gravity flow from the upper part of the vertical separator, through which the gas from the lower part of the accumulator passes up and cools. Thereby, the gas flowing upward is partially condensed in the indicated part of the separator to obtain an irrigation liquid in direct contact with the gas flowing upward. The proposed method includes the following steps:
introducing gaseous feed into the initial separation zone, where there are a plurality of consecutive blocks arranged in series for cold separation of the gaseous feed into the primary methane-rich gas stream that is recovered at low temperature and into at least one primary liquid condensate stream enriched in C ₂ hydrocarbon components and containing a small amount of methane;
passing at least one primary liquid condensate stream from the initial separation zone to a fractionation system where series-demethanizing zones are provided, where a moderately low cryogenic temperature is used to extract the bulk methane from the primary liquid condensate stream as the overhead stream of the first demethanizer however, as well as for the extraction of the bottom stream of the first demethanizer enriched in ethane and ethylene and not containing methane;
further separation of at least a portion of the overhead stream of the first demethanizer in the very low temperature zone of the second demethanizer to recover the first stream of ethylene-rich liquid C ₂ hydrocarbon feed and the C ₂ hydrocarbon-free steam stream of the overhead of the second very low temperature demethanizer.

С другой стороны, изобретение относится к системе криогенного разделения для извлечения этилена из газообразного углеводородного сырья, включающего метан, этан и этилен. On the other hand, the invention relates to a cryogenic separation system for recovering ethylene from a gaseous hydrocarbon feed comprising methane, ethane and ethylene.

Указанная система включает источники хладагентов при умеренно низкой и очень низкой температурах, последовательный холодильный агрегат, включающий блок первичного дефлегматора, оперативно соединяемый потоками в соответствующих соотношениях с промежуточным и конечным дефлегматорными блоками. Каждый из указанных дефлегматорных блоков имеет устройства для накопления в нижнем дефлегматорном барабане сконденсированной богатой высококипящим компонентом жидкости из верхнего дефлегматорного теплообменника. Текущий в нем вверх поток газа частично конденсируют для получения орошаемой жидкости, находящейся в непосредственном контакте с текущим вверх потоком газа, с тем, чтобы обеспечить текущий вниз поток охлажденного конденсата и тем самым постепенно обогащать С₂ углеводородами сконденсированную в дефлегматоре жидкость;
устройства для подпитки сырьем под давлением первичного блока дефлегматора для последовательного охлаждения, чтобы разделить сырьевую смесь на поток богатого метаном первичного газа, извлекаемого при примерно первоначальной температуре охлаждения, и поток первичного жидкого конденсата, богатого С₂ углеводородами и содержащего малое количество метана;
манипуляторы жидкостью для пропускания потока первичного жидкого конденсата из блока первичного дефлегматора в низкотемпературную фракционирующую систему деметанизатора, чтобы извлечь из сконденсированной жидкости низкокипящие компоненты. Указанная фракционирующая система имеет первую зону для фракционирования, включающую первые конденсаторные устройства для орошающей жидкости, оперативно соединенные с источником хладагента с умеренно низкой температурой для извлечения основного количества низкокипящего компонента из потока первичного жидкого конденсата в паровой поток верхнего погона первой фракционирующей колонны и для извлечения потока жидкости нижнего погона первой фракционирующей колонны, не содержащей низкокипящего компонента.The specified system includes sources of refrigerants at moderately low and very low temperatures, a serial refrigeration unit, including a primary reflux condenser unit, operatively connected by flows in appropriate proportions with the intermediate and final reflux condenser units. Each of these reflux units has devices for accumulating in the lower reflux condenser drum a condensed liquid rich in a high boiling component from the upper reflux condenser. The gas flowing upward in it is partially condensed to obtain an irrigated liquid in direct contact with the gas flowing upward, so as to provide a downward flow of cooled condensate and thereby gradually enrich the condensed liquid condensed in the reflux condenser with C ₂ hydrocarbons;
pressurized primary reflux condenser feed devices for sequential cooling to separate the raw material mixture into a stream of methane-rich primary gas recovered at approximately the initial cooling temperature and a stream of primary liquid condensate rich in C ₂ hydrocarbons and containing a small amount of methane;
liquid manipulators for passing the stream of primary liquid condensate from the primary reflux condenser unit to the low-temperature fractionating demethanizer system to extract low boiling components from the condensed liquid. The specified fractionation system has a first fractionation zone, including first condenser devices for irrigation liquid, operatively connected to a medium temperature refrigerant source for extracting the main amount of the low boiling component from the primary liquid condensate stream to the overhead vapor stream of the first fractionation column and for extracting the liquid stream the bottom of the first fractionation column that does not contain a low boiling component.

Указанная фракцинирующая система имеет вторую фракционирующую зону, которая включает вторые конденсаторные устройства для орошающей жидкости, оперативно соединенные с источником хладагента с очень низкой температурой для извлечения потока жидкого продукта, состоящего из высококипящего компонента и парового потока верхнего погона второй фракционирующей колонны при очень низкой температуре. The specified fractionation system has a second fractionation zone, which includes second condenser devices for the irrigation liquid, operatively connected to a very low temperature refrigerant source to extract a liquid product stream consisting of a high boiling component and an overhead vapor stream of the second fractionation column at a very low temperature.

Система также содержит устройства для пропускания потока промежуточной жидкости, сконденсированной из по крайней мере одного блока промежуточного дефлегматора на средней ступени второй фракционирующей зоны. The system also includes devices for passing a stream of intermediate liquid condensed from at least one block of the intermediate reflux condenser in the middle stage of the second fractionation zone.

В данных технических условиях сделаны ссылки на источники постепенно охлаждаемых до умеренно низкой температуры и до очень низкой температуры хладагентов, чьи температуры обычно берут соответственно как среднее в интервале ≈235-290К и менее ≈235К. Основные очистители могут иметь 4-8 петель в пределах или при перекрывании этих температурных интервалов, тогда как в наиболее предпочтительных примерах реализации этого изобретения использованы по крайней мере три разные охлаждающие петли. In these specifications, references are made to sources of refrigerants gradually cooled to a moderately low temperature and to a very low temperature, whose temperatures are usually taken respectively as an average in the range of ≈235-290K and less than ≈235K. Basic cleaners can have 4-8 loops within or when these temperature ranges overlap, while in the most preferred embodiments of this invention at least three different cooling loops are used.

Этот процесс полезен для разделения главным образом С₁-С₂ газовых смесей, содержащих большое количество этилена, этана и метана. Наряду с малым количеством С₃ ⁺ углеводородов, азота, СО₂ и ацетилена газообразным крекинг-углеводородам обычно сопутствует большое количество водорода. Ацетилен можно удалять до- или после охлаждения, однако целесообразно каталитическим путем гидрировать деэтанизированный поток С₂ углероводородов для превращения ацетилена перед фракционированием полученного этилена. Для удаления любых кислотных газов отходящие после очистки нефти типичные газы или вытекающие потоки крекинг-парафинов обычно предварительно обрабатываются и сушат на поглащающих воду молекулярных ситах до точки росы ≈145К для приготовления смеси криогенного сырья. Газообразное сырье обычно состоит из крекинг-газа, содержащего в молярных долях: этилен 10-50% этан 5-20% метан 10-40% водород 10-40% и С₃ углеводородов до 10%
В предпочтительных примерах реализации изобретения сжатое сухое газообразное крекинг-сырье при температуре окружающей среды (или ниже) под рабочим давлением по крайней мере 2500 кПа (350 фунтов/кв.дюйм), а желательно при ≈3700 кПа (37,1 кг/см², 520 фунтов/кв.дюйм) разделяют в холодильном агрегате при криогенных условиях на несколько потоков жидкости и газообразных потоков метана и водорода. Поток более ценного этилена извлекают при высокой чистоте, приемлемой для использования в процессе обычной полимеризации.This process is useful for the separation of mainly C ₁ -C ₂ gas mixtures containing a large amount of ethylene, ethane and methane. Along with a small amount of C ₃ ⁺ hydrocarbons, nitrogen, CO ₂ and acetylene, a large amount of hydrogen is usually accompanied by cracked gaseous hydrocarbons. Acetylene can be removed before or after cooling, however, it is advisable to catalytically hydrogenate the deethanized stream of C ₂ hydrocarbons to convert acetylene before fractionating the obtained ethylene. To remove any acidic gases, typical gases or cracked paraffin streams after refining are usually pretreated and dried on water absorbing molecular sieves to a dew point of ≈145K to prepare a mixture of cryogenic feedstock. The gaseous feed usually consists of cracking gas containing in molar fractions: ethylene 10-50% ethane 5-20% methane 10-40% hydrogen 10-40% and C ₃ hydrocarbons up to 10%
In preferred embodiments of the invention, compressed dry gaseous cracked feed at ambient temperature (or lower) at a working pressure of at least 2500 kPa (350 psi), and preferably at ≈3700 kPa (37.1 kg / cm ² , 520 psi) is divided in a refrigeration unit under cryogenic conditions into several liquid flows and gaseous flows of methane and hydrogen. A stream of more valuable ethylene is recovered at a high purity acceptable for use in conventional polymerization.

На фиг. 1 схематично представлена структурная схема процесса, где для типичной установки для переработки углеводородов, использующей крекинг и холодное фракционирование этиленовых продуктов, приведено расположение рабочих блоков; на фиг. 2 это подробная схема процесса и оборудования, где показаны агрегат со множественным охлаждением и двойная деметанизаторная фракционирующая система, использующая дефлегматоры. In FIG. 1 is a schematic structural diagram of a process where, for a typical hydrocarbon processing plant using cracking and cold fractionation of ethylene products, the arrangement of working blocks is shown; in FIG. 2 is a detailed process and equipment diagram showing a multiple-cooling unit and a dual demethanizing fractionation system using reflux condensers.

На фиг. 1 схематически изображена криогенная разделительная система для извлечения очищенного этилена из газообразного углеводородного сырья. В обычном блоке 10 для крекинга углеводородов превращают такое свежее сырье, как этан, пропан, лигроин или тяжелое сырье 12, а также произвольные рециркулирующие углеводороды 13, для получения вытекающего потока крекинг-углеводородов. Вытекающий из блока для крекинга поток разделяют обычными способами в разделительном блоке 15 для получения жидких продуктов 15L, С₃-С₄ нефтяных газов 15Р и потока легкого крекинг-газа 15G, состоящего главным образом из метана, этилена и этана с разным количеством водорода, ацетилена и С₃ ⁺ компонентов. Легкий крекинг-газ сжимают до рабочего давления с помощью компрессорных устройств 16 и охлаждают до температуры ниже, чем в окружающей среде, в теплообменных устройствах 17, 19 для обеспечения сырья для криогенного разделения.In FIG. 1 schematically depicts a cryogenic separation system for recovering purified ethylene from gaseous hydrocarbon feedstocks. In a conventional hydrocarbon cracking unit 10, fresh feedstocks such as ethane, propane, naphtha or heavy feedstocks 12, as well as arbitrary recycle hydrocarbons 13 are converted to produce a cracked hydrocarbon effluent. The effluent from the cracking unit is separated by conventional methods in the separation unit 15 to produce liquid products 15L, C ₃ -C _{4 of} petroleum gas 15P and a light cracked gas stream 15G, consisting mainly of methane, ethylene and ethane with different amounts of hydrogen, acetylene and C ₃ ⁺ components. Light cracked gas is compressed to operating pressure using compressor devices 16 and cooled to a temperature lower than in the environment in heat exchange devices 17, 19 to provide raw materials for cryogenic separation.

Потоки охлажденного газа под давлением далее охлаждают в холодильном агрегате и частично конденсируют в расположенных сериями ректификационных блоках. Каждый из этих блоков оперативно соединяют для накопления сконденсированной жидкости в нижней части накопителя этой жидкости за счет текущего самотеком потока из верхней части вертикальной ректификационной колонны, через которую газ из нижней части накопителя проходит вверх для непосредственного газо-жидкостного контактного обмена внутри указанной части ректификационной колонны. Текущий вверх обогащенный метаном газ частично конденсируется в указанной части ректификационной колонны при помощи холодной жидкости для орошения, находящейся в непосредственном контакте с текущим вверх потоком газа, с тем, чтобы обеспечить текущий вниз поток жидкого конденсата и тем самым постепенно обогатить сконденсированную жидкость этиленом и этаном. Желательно, чтобы по крайней мере один из ректификационных блоков включал ректификационный блок дефлегматорного типа. Однако в холодильном агрегате могут быть заменены насадочная колонка или блок контактных тарелок. Теплообменные блоки дефлегматора обычно имеют конструкцию из алюминиевого каркаса в виде внутренних вертикальных труб, полученных формовкой и пайкой металла с применением известных способов конструирования. The chilled gas flows under pressure are further cooled in a refrigeration unit and partially condensed in a series of distillation units. Each of these blocks is operatively connected to accumulate condensed liquid in the lower part of the accumulator of this liquid due to the gravity flow from the upper part of the vertical distillation column through which gas from the lower part of the accumulator flows upward for direct gas-liquid contact exchange inside the specified part of the distillation column. The methane-rich gas flowing upward is partially condensed in the indicated part of the distillation column using cold irrigation liquid in direct contact with the gas flowing upward so as to provide a downward flowing liquid condensate and thereby gradually enrich the condensed liquid with ethylene and ethane. It is desirable that at least one of the distillation units include a distillation unit of the reflux type. However, in the refrigeration unit, a nozzle column or contact plate assembly can be replaced. The heat exchanging units of the reflux condenser are usually constructed of an aluminum frame in the form of internal vertical pipes obtained by molding and soldering metal using known construction methods.

Поток охлажденного газообразного сырья под давлением обычно разделяют в совокупности последовательно расположенных ректификационных блоков дефлегматорного типа 20, 24. Каждый из этих ректификационных блоков оперативно соединяют с накопленной сконденсированной жидкостью в нижней части барабана 20D, 24D посредством потока, текущего самотеком из верхней теплообменной части ректификационной колонны 20R, 24R, включающей совокупность вертикально расположенных проходов для косвенного теплообмена, через которые газ из нижней части барабана проходит в верхнюю для охлаждения имеющим более низкую температуру жидким хладагентом или другой охлаждающей средой посредством косвенного теплообмена внутри теплообменных проходов. Текущий вверх обогащенный метаном газ частично конденсируют на вертикальной поверхности теплообменных проходов для получения орошающей жидкости, находящейся в непосредственном контакте с текущим вверх потоком газа, с тем, чтобы обеспечить текущий вниз поток охлажденного жидкого конденсата и тем самым постепенно обогатить сконденсированную жидкость этиленом и этаном. The stream of cooled gaseous feedstock under pressure is usually separated in a series of sequentially distilled distillation units of reflux type 20, 24. Each of these distillation units is operatively connected to the accumulated condensed liquid in the lower part of the drum 20D, 24D by means of a stream flowing by gravity from the upper heat exchange part of the distillation column 20R , 24R, including a set of vertically arranged passages for indirect heat transfer, through which gas from the lower part of the drum passes dit for cooling the upper having a lower temperature liquid refrigerant or other coolant via indirect heat exchange within the heat exchange passages. The upstream methane-enriched gas is partially condensed on the vertical surface of the heat exchange passages to produce an irrigation fluid in direct contact with the upward flow of gas, so as to provide a downward flow of cooled liquid condensate and thereby gradually enrich the condensed liquid with ethylene and ethane.

Улучшенная система обеспечивает способы ввода сухого газообразного сырья в первичную ректификационную зону или холодильный агрегат, имеющий множество соединенных по сериям ректификационных блоков с последовательным охлаждением для разделения газообразного сырья в поток 20 обогащенного метаном первичного газа, извлекаемого при низкой температуре, и по крайней мере в один поток 22 первичного жидкого конденсата, обогащенного С₂ углеводородными компонентами и имеющего малое количество метана.The improved system provides methods for introducing dry gaseous feed into a primary distillation zone or refrigeration unit having a plurality of sequentially cooled distillation units for separating gaseous feed into stream 20 of methane-rich primary gas recovered at low temperature and into at least one stream 22 primary liquid condensate enriched in C ₂ hydrocarbon components and having a small amount of methane.

Для удаления метана сконденсированную жидкость 22 очищают, пропуская по крайней мере один поток жидкого конденсата из первичной ректификационной зоны в фракционирующую систему, имеющую соединенные по сериям деметанизаторные зоны 30, 34. В теплообменнике 31 используют умеренно низкую криогенную температуру для охлаждения верхнего погона из первой фракционирующей зоны 30 деметанизатора с тем, чтобы извлечь основное количество метана из потока первичного жидкого конденсата в паровой поток 32 верхнего погона первого деметанизатора и чтобы извлечь богатый этаном и этиленом и без метана первый поток 30L жидкости нижнего погона деметанизатора. Благоприятнее охлаждать паровой поток верхнего погона первого деметанизатора хладагентом при умеренно низкой температуре, поступающим из пропиленовой охлаждающей петли, с тем, чтобы обеспечить подачу орошающей жидкости 30R для рециркуляции в верхнюю часть первой деметанизаторной зоны 30. To remove methane, the condensed liquid 22 is purified by passing at least one stream of liquid condensate from the primary distillation zone into a fractionation system having series-connected demethanizer zones 30, 34. A moderately low cryogenic temperature is used in the heat exchanger 31 to cool the overhead from the first fractionation zone 30 demethanizer in order to extract the main amount of methane from the stream of primary liquid condensate in the steam stream 32 of the overhead of the first demethanizer and so from lie rich in ethane and ethene and methane without first liquid stream 30L lower demethanizer. It is more advantageous to cool the vapor stream of the overhead of the first demethanizer with refrigerant at a moderately low temperature coming from a propylene cooling loop, so as to provide an irrigation fluid 30R for recirculation to the upper part of the first demethanizer zone 30.

Обогащенный этиленом поток получают дальнейшим разделением по крайней мере части парового потока верхнего погона первого деметанизитора в имеющей очень низкую температуру зоне 34 конечного деметанизатора для извлечения первого потока 34L, обогащенного этиленом жидкого углеводородного сырья и парового потока 34V верхнего погона конечного деметанизатора с очень низкой температурой. Любой оставшийся этилен извлекают, пропуская паровой поток 34V верхнего погона первого деметанизатора через теплообменник 36 с очень низкой температурой к конечному ректификационному блоку 38, с тем, чтобы получить окончательный поток 38R орошающей жидкости с очень низкой температурой для рециркуляции в верхней части конечного деметанизатора фракционирующей колонны. Обогащенный метаном паровой поток 38V верхнего погона конечного деметанизатора извлекают, по-существу, без С₂ ⁺ углеводородов. Если использовать способ двойного деметанизатора, то основное количество нагрузки при теплообмене во время деметанизации обеспечивают за счет хладагента с умеренно низкой температурой в блоке 31 и уменьшают общую потребность в энергии для охлаждения, используемой при отделении С₂ ⁺ углеводородов от метана и более легких компонентов. Желаемую чистоту полученного этилена достигают дальнейшим фракционированием потока 30L жидких С₂ ⁺ углеводородов нижнего погона из зоны первого деметанизатора в фракционирующей колонне 40 деэтанизатора для удаления С₃ и более тяжелых углеводородов в потоке 40L этих С₃ углеводородов и для получения второго потока 40V неочищенного этилена.The ethylene-rich stream is obtained by further separating at least a portion of the overhead steam stream of the first demethanizer in the very low temperature zone 34 of the final demethanizer to recover the first ethylene-rich liquid hydrocarbon stream 34L and the overhead stream 34V of the very low temperature final demethanizer. Any remaining ethylene is recovered by passing the overhead overhead vapor stream 34V of the first demethanizer through a very low temperature heat exchanger 36 to the final distillation unit 38, so as to obtain a final very low temperature reflux stream 38R for recirculation at the top of the final demethanizer of the fractionation column. The methane-enriched vapor stream 38V of the overhead of the final demethanizer is recovered substantially without C ₂ ⁺ hydrocarbons. If you use the double demethanizer method, the bulk of the heat transfer load during demethanization is provided by a moderately low temperature refrigerant in unit 31 and the overall cooling energy requirement used to separate C ₂ ⁺ hydrocarbons from methane and lighter components is reduced. The desired purity of the obtained ethylene is achieved by further fractionation of a stream of 30L liquid C ₂ ⁺ hydrocarbons from the bottom of the first demethanizer in the fractionation column 40 of a deethanizer to remove C ₃ and heavier hydrocarbons in a stream 40 L of these C ₃ hydrocarbons and to obtain a second stream 40V of crude ethylene.

Чистый этилен извлекают из С₂ продукта верхнего погона 50V колонны для расщепления 50 путем совместного фракционирования второго потока 40V неочищенного этилена и первого потока 34L богатых этиленом неочищенных углеводородных продуктов. Наряду с потоком 40L С₂ ⁺ углеводородов, поток 50L этана нижнего погона можно повторно подавать в блок 10 для крекинга с извлечением тепла посредством косвенного теплообмена с умеренно охлажденным сырьем в теплообменниках 17, 18 и/или 20R.Pure ethylene is recovered from the C ₂ product of the overhead of a 50V cleavage column 50 by co-fractionating a second stream of crude ethylene 40V and a first stream 34L of ethylene-rich crude hydrocarbon products. Along with the 40L C ₂ ⁺ hydrocarbon stream, the bottoms ethane stream 50L can be fed back to the cracking unit 10 with heat recovery by indirect heat exchange with moderately cooled feed in heat exchangers 17, 18 and / or 20R.

Обогащенный метаном верхний погон 24V обычно посылают в блок (не показан) для извлечения водорода, используемого в качестве газообразного топлива и т.д. Как описано далее, для удаления остатков этилена этот поток газов полностью (или частично) вместе с парами метана можно затем охладить до очень низкой температуры в ректификационном блоке 38. При такой модицикации процесса соединенные по сериям ректификационные блоки включают по крайней мере один промежуточный ректификационный блок для частичной конденсации промежуточного потока 24L жидкости из паров 20V верхнего погона первичной ректификационной колонны, который расположен перед конечным серийным ректификационным блоком. Значительные затраты тепла во время теплообмена при низкой температуре можно сохранить посредством контакта по крайней мере части парового потока 32 верхнего погона первого деметанизатора с указанным промежуточным потоком 24L жидкости. Это можно осуществить в блоке 30Н для косвенного теплообмена, изображенном на фиг. 1. Эти потоки можно также привести в непосредственный контакт в контактной зоне с противотоком, оперативно соединяющей первичную и вторичную зоны деметанизатора. При этом обедненную метаном жидкость из указанной контактной зоны с противотоком направляют в нижнюю часть второй зоны деметанизатора, а обогащенный метаном пар из указанной зоны с противотоком направляют в верхнюю часть вторичной зоны деметанизатора. Methane-enriched overhead 24V is typically sent to a unit (not shown) to recover hydrogen used as gaseous fuel, etc. As described below, in order to remove ethylene residues, this gas stream completely (or partially) together with methane vapor can then be cooled to a very low temperature in the distillation unit 38. With this modification of the process, series-distilled distillation units include at least one intermediate distillation unit for partial condensation of the intermediate liquid stream 24L from the vapors 20V of the overhead of the primary distillation column, which is located in front of the final serial distillation unit. Significant heat costs during heat transfer at low temperature can be maintained by contacting at least a portion of the vapor stream 32 of the overhead of the first demethanizer with said intermediate liquid stream 24L. This can be done in the indirect heat exchange unit 30H shown in FIG. 1. These flows can also be brought into direct contact in the contact zone with the countercurrent, which quickly connects the primary and secondary zones of the demethanizer. In this case, methane-depleted liquid from the specified contact zone with the counterflow is directed to the lower part of the second zone of the demethanizer, and methane-enriched steam from the specified zone with the counterflow is sent to the upper part of the secondary zone of the demethanizer.

В рамках концепции изобретения можно использовать разное расположение стандартных рабочих блоков. Например, первичный холодильный агрегат 20, 24 и т.д. можно расширить до четырех и более соединенных по сериям дефлегматорных блоков с постепенно снижающейся температурой конденсации. Для получения окончательного потока орошающей жидкости с очень низкой температурой с целью рециркуляции в верхней части конечной деметанизаторной фракционирующей колонны последний серийный ректификационный блок дефлегматорного типа оперативно соединяют в качестве окончательного деметанизаторного ректификационного блока, когда на последнем этапе ректификации паровой поток 24F верхнего погона последовательно посылают во вторую линию 38F. Within the framework of the concept of the invention, a different arrangement of standard work units can be used. For example, the primary refrigeration unit 20, 24, etc. can be expanded to four or more series-connected reflux units with a gradually decreasing condensation temperature. To obtain a final stream of irrigation liquid with a very low temperature for recycling in the upper part of the final demethanizer fractionating column, the last serial distillation unit of the reflux condenser type is operatively connected as the final demethanizer distillation unit, when at the last stage of rectification the overhead vapor stream 24F is sequentially sent to the second line 38F.

Для удаления тяжелых компонентов перед их вводом в криогенный холодильный агрегат в некоторых разделительных системах 15 на этапе предварительного разделения используют передний конец деэтанизаторного блока. При такой конструкции произвольный поток 22А жидкости из первичного холодильника обеспечивает жидкость, обогащенную этаном и этиленом, для рециркуляции в качестве орошающей в верхней части переднего конца деэтанизаторной колонны. Такой способ позволяет исключить деэтанизатор с потоком вниз, такой как блок 40, поэтому поток 30L нижнего погона первичного деметанизатора можно направить в устройство 50 для расщепления продуктов. To remove heavy components before they enter the cryogenic refrigeration unit, some separation systems 15 use the front end of the deethanizer unit at the preliminary separation stage. With this design, an arbitrary fluid stream 22A from the primary cooler provides ethane and ethylene enriched liquid for recirculation as an irrigation at the top of the front end of the deethanizer column. This method eliminates the downstream deethanizer, such as block 40, so the primary demethanizer bottom stream 30L can be directed to the product splitting device 50.

Другой обычной особенностью данной технологической схемы является блок 60 для гидрирования ацетилена, присоединенный с тем, чтобы принимать по крайней мере один богатый неизвлеченным этиленом поток, который до окончательного фракционирования полученного этилена можно каталитически гидрировать. Another common feature of this process flow diagram is acetylene hydrogenation unit 60, coupled to receive at least one ethylene-rich stream that can be catalytically hydrogenated prior to the final fractionation of the ethylene obtained.

На фиг. 2 показан улучшенный холодильный агрегат, где используют совокупность последовательно расположенных дефлегматоров вместе с многозоновой деметанизирующей фракционирующей системой. Цифры на этом рисунке отвечают номерам аналогичного оборудования на фиг. 1. В этом примере реализации изобретения используют несколько источников хладагентов с низкой температурой. Из-за большой доступности подходящих охлаждающих жидкостей для типичных очистных установок, наиболее предпочтительной внешней охлаждающей петлей с умеренно низкой температурой является замкнутая система с циркулирующим пропиленом (С₃R), у которой температура охлаждения ниже ≈235К/-37F/. Использование С₃R охлаждающей петли экономически выгодно из-за относительно малого потребления энергии при сжатии, конденсации и испарении такого хладагента, а также с точки зрения конструкционных материалов, используемых в таком оборудовании. При создании колонны первичного деметанизатора и связанного с орошением оборудования можно использовать обычную углеродистую сталь. В соответствии с изобретением эти устройства являются самыми большими рабочими блоками в подсистеме двойного деметанизатора. Хладагент С₃R служит наиболее удобным источником энергии для повторно кипящих нижних погонов первичной и вторичной зон деметанизатора, причем сравнительно холодный пропилен извлекают из вторичного блока для повторного кипения. Напротив наиболее предпочтительной наружной охлаждающей петлей с очень низкой температурой служит замкнутая система с циркуляцией этилена (С₂R), температура охлаждения которой ниже ≈172К (-150F), а для сохранения конструкционных материалов при такой низкой температуре требуется блок конденсации при очень низкой температуре и очень дорогие стальные сплавы Cr-Ni. Если выделить требования к температуре и материалам для вторичной деметанизации при очень низкой температуре, то наиболее дорогие рабочие блоки имеют меньшие размеры, за счет чего достигается заметная экономия в общей стоимости криогенного разделения. На первоначальных этапах в дефлегматорном холодильном агрегате можно использовать обычные замкнутые системы охлаждения. Полученный холодный этилен или холодный этан, выделенный из полученного этилена с помощью газообразного сырья, благополучно подают в первичный ректификационный блок для извлечения из них тепла.In FIG. 2 shows an improved refrigeration unit where a plurality of sequentially located reflux condensers is used together with a multi-zone demethanizing fractionation system. The numbers in this figure correspond to the numbers of similar equipment in FIG. 1. In this example embodiment, several low temperature refrigerant sources are used. Due to the large availability of suitable coolants for typical treatment plants, the most preferred external cooling loop with a moderately low temperature is a closed system with circulating propylene (C ₃ R), which has a cooling temperature below ≈235K / -37F /. The use of a C ₃ R cooling loop is economically advantageous due to the relatively low energy consumption during compression, condensation and evaporation of such a refrigerant, as well as from the point of view of structural materials used in such equipment. When creating a primary demethanizer column and irrigation related equipment, ordinary carbon steel can be used. In accordance with the invention, these devices are the largest working units in the dual demethanizer subsystem. C ₃ R refrigerant serves as the most convenient source of energy for the re-boiling lower strips of the primary and secondary demethanizer zones, with relatively cold propylene being recovered from the secondary unit for re-boiling. On the contrary, the most preferred external cooling loop with a very low temperature is a closed system with ethylene circulation (C ₂ R), the cooling temperature of which is lower than ≈172K (-150F), and to maintain structural materials at such a low temperature, a condensation unit at a very low temperature and very expensive Cr-Ni steel alloys. If we single out the requirements for temperature and materials for secondary demethanization at a very low temperature, then the most expensive work units are smaller, thereby achieving significant savings in the total cost of cryogenic separation. In the initial stages, conventional closed-loop cooling systems can be used in the reflux condenser unit. The obtained cold ethylene or cold ethane, isolated from the obtained ethylene with the help of gaseous raw materials, is safely supplied to the primary distillation unit to extract heat from them.

Если обратиться к фиг. 2, то видно, что через серию теплообменников 117, 118 пропускают сухое и сжатое сырье при рабочем давлении (3700 кПа), а затем подают в холодильный агрегат. Каждый из соединенных по сериям ректификационных блоков 120, 124, 126, 128 имеет соответствующую нижнюю барабанную часть 120D, 124D и 12D и т.д. Наиболее предпочтительный холодильный агрегат включает по крайней мере два промежуточный ректификационных блока для частичной конденсации первого и второго постепенно охлаждаемых промежуточных потоков жидкости соответственно из парового потока 120V верхнего погона первичного ректификатора, находящегося перед конечным серийным ректификационным блоком 128. Благоприятно фракционировать первый промежуточный поток 124L жидкости в первичной деметанизаторной зоне 130, а затем фракционировать второй промежуточный поток 126L жидкости во вторичной деметанизаторной зоне 134. Последовательность дефлегматоров и двойного деметанизатора аналогична приведенной на фиг. 1, однако такая колонна 133 для контакта промежуточной жидкости и газа, как насадочная, предусматривает операции теплообмена и массопереноса в режиме противотока между промежуточным потоком жидкости 126L и первичным паром 132 верхнего погона деметанизатора с тем, чтобы обеспечить поток 133L обогащенной этиленом жидкости, подаваемой к средней ступени вторичной деметанизаторной колонны 134, где происходит ее дальнейшее обеднение метаном. Обогащенный метаном паровой поток 133V пропускают через теплообменник 133Н с очень низкой температурой для предварительного охлаждения перед фракционированием на более высоких ступенях колонны 134. Referring to FIG. 2, it can be seen that dry and compressed raw materials are passed through a series of heat exchangers 117, 118 at a working pressure (3700 kPa), and then fed to a refrigeration unit. Each of the series-connected distillation units 120, 124, 126, 128 has a corresponding lower drum portion 120D, 124D and 12D, etc. The most preferred refrigeration unit includes at least two intermediate distillation units for partially condensing the first and second gradually cooled intermediate liquid flows, respectively, from the steam stream 120V of the overhead of the primary distillation unit, which is located before the final serial distillation unit 128. It is favorable to fractionate the first intermediate liquid flow 124L in the primary demethanizer zone 130, and then fractionate the second intermediate fluid stream 126L to the secondary Second demethanizer zone 134. The sequence of dephlegmators and dual demethanizer similar to that shown in FIG. 1, however, such an intermediate liquid and gas contacting column 133, such as a packed one, provides for heat exchange and mass transfer operations in countercurrent mode between the intermediate liquid stream 126L and the primary steam 132 of the overhead stream of the demethanizer so as to provide a stream 133L of ethylene-rich liquid supplied to the middle steps of the secondary demethanizer column 134, where it is further depleted in methane. The methane-enriched vapor stream 133V is passed through a very low temperature heat exchanger 133H for pre-cooling before fractionation at higher stages of the column 134.

В дополнении к конденсации паров 134V при очень низкой температуре в теплообменнике 136 для обеспечения вторичного потока 138R орошающей жидкости деметанизатора в дефлегматорном блоке 138 конденсирует все остатки этилена для обеспечения окончательного верхнего погона 138V деметанизатора, который объединяют с метаном и водородом из потока 128V и подают в связи с теплообменом при помощи потоков холодильного агрегата в промежуточные дефлегматоры 126R, 124R. Этилен извлекают из окончательного конденсата 128L холодильного агрегата, подавая его к верхней ступени вторичного деметанизатора 134, после его подачи в качестве дополнительного хладагента в ректификационную часть блока 138. Из фракционирующей системы извлекают поток 134L относительно чистых жидких С₂ углеводородов, состоящих обычно из этилена и этана в молярном соотношении (3: 1)-(8:1), а предпочтительно по крайней мере 7 молей этилена приходится на 1 моль этана. Из-за высокого содержания этилена экономичнее этот поток можно очистить в меньшей колонне для расщепления С₂ продуктов. Без какого-либо количества пропилена или других высококипящих компонентов обогащенный этиленом поток 134L может обходить обычный этап деэтанизирования и направляться непосредственно к конечной колонне для фракционирования продуктов. Если к колонне для получения этилена постоянно подавать два отдельных потока сырья, то ее размер и требования к ее снабжению заметно снижаются по сравнению с обычными фракционирующими колоннами с подачей одного потока сырья. Последние обычно требуют значительно больших энергетических затрат на охлаждение, когда входят в современную установку для извлечения олефинов.In addition to condensing vapors 134V at a very low temperature in the heat exchanger 136 to provide a secondary demethanizer irrigation fluid stream 138R in the reflux unit 138, it condenses all ethylene residues to provide the final overhead stream 138V of the demethanizer, which is combined with methane and hydrogen from the 128V stream and fed in communication with heat exchange using the flows of the refrigeration unit into intermediate reflux condensers 126R, 124R. Ethylene is recovered from the final condensate 128L of the refrigeration unit, feeding it to the upper stage of the secondary demethanizer 134, after it has been supplied as additional refrigerant to the distillation unit of block 138. A stream 134L of relatively pure liquid C ₂ hydrocarbons, usually consisting of ethylene and ethane, is recovered from the fractionation system in a molar ratio of (3: 1) to (8: 1), and preferably at least 7 moles of ethylene per mole of ethane. Due to the high ethylene content, this stream can be cleaned economically in a smaller column to cleave C ₂ products. Without any amount of propylene or other high boiling components, ethylene enriched stream 134L can bypass the conventional deethanization step and go directly to the final column to fractionate the products. If two separate streams of raw materials are constantly supplied to the ethylene production column, then its size and requirements for its supply are noticeably reduced in comparison with conventional fractionation columns with the supply of one stream of raw materials. The latter usually require significantly higher energy costs for cooling when they are included in a modern installation for the extraction of olefins.

В рамках концепции изобретения можно осуществить многочисленные модификации такой системы. Например, для проведения всех деметанизаторных операций в одной многоразовой дистилляционной колонне можно использовать блочную конструкцию. Такой способ применим для переоснащения известных криогенных установок или для новых местных установок. Для некоторых установок желательны блоки, смонтированные на салазках. Within the framework of the concept of the invention, numerous modifications of such a system can be made. For example, for all demethanizer operations in a single reusable distillation column, a block structure can be used. This method is applicable for the conversion of known cryogenic plants or for new local plants. For some installations, skid mounted units are desirable.

В таблице приведен материальный баланс процесса, описанного на фиг. 2. Все блоки основаны на условии непрерывных установившихся потоков, а относительное количество компонентов в каждом потоке основано на 100 кг-молей этилена в первичном сырье. Приведенные величины энтальпии потоков обеспечивают также требования к энергетическим затратам для основных операций в блоках. The table shows the material balance of the process described in FIG. 2. All blocks are based on the condition of continuous steady-state flows, and the relative amount of components in each stream is based on 100 kg-moles of ethylene in the feedstock. The values of the enthalpy of flows also provide requirements for energy costs for the basic operations in the blocks.

Такое расположение рабочих блоков позволяет снизить требования к орошающей жидкости во вторичной зоне деметанизатора по сравнению с конфигурациями деметанизатора с одним орошением, отвечающими предшествующему уровню технологии. Использование хладагента С₂R с очень низкой температурой уменьшается, а для некоторых видов сырья и полностью исключается при самом низком уровне температуры 172К.This arrangement of the working units allows to reduce the requirements for the irrigation fluid in the secondary zone of the demethanizer compared with the configurations of the demethanizer with one irrigation, corresponding to the prior art. The use of C ₂ R refrigerant with a very low temperature is reduced, and for some types of raw materials it is completely eliminated at the lowest temperature level of 172K.

Claims

1. The method of cryogenic separation of gas mixtures by cooling under pressure a feedstock containing methane, ethylene and ethane, introducing it into the primary reflux zone, where the feedstock is additionally cooled with partial condensation and separated by mass transfer into a primary gas stream enriched in methane and a primary stream condensate liquid comprising C ₂ hydrocarbon components and supplying the latter in a first demethanizer fractionation system, extracting therefrom a methane vapor fraction and a liquid fraction enriched in ethane and ethylene ohm, and the methane vapor fraction is cooled by the first cryoagent to a cryogenic temperature with partial condensation and divided into two parts, one part is directed to the irrigation of the first fractional demethanization system, characterized in that the second part is additionally cooled by the second cryogen to a lower cryogenic temperature than the cooling temperature the whole fraction, and sent to the second fractional demethanization system, where it is separated into a liquid enriched in ethylene and a vapor stream.

2. The method according to p. 1, characterized in that the liquid fraction enriched in ethane and ethylene after the first fractional demethanization system and the liquid enriched in ethylene after the second fractional demethanization system are separated into purified ethylene and ethane in an additional fractional system.

3. The method according to claim 2, characterized in that the liquid fraction enriched in ethane and ethylene after the first fractional demethanization system is purified from heavy hydrocarbons before being fed to the additional fractional system.

4. The method according to p. 1, characterized in that the primary gas stream enriched in methane, after the primary reflux zone, is cooled and separated in the intermediate reflux zone to obtain liquid condensate, which is used as the second cryoagent cooling the second part of the methane fraction, this the condensate is sent to the lower zone of the second fractional demethanization system, and the second part of the methane fraction to the upper zone of the specified system.

5. The method according to claim 1, characterized in that the steam stream from the second fractional demethanization system is sent to the final reflux zone, where it is divided into a steam stream enriched in methane and the liquid supplied for irrigation of the second fractional demethanization system.

6. The method according to claim 1, characterized in that the temperature of the first cryoagent is maintained at 235,290 K, and the temperature of the second cryoagent is lower than 235K.

7. The method according to claim 1, characterized in that the first cryoagent contains propylene, and the second cryoagent ethylene.

8. The method according to claim 1, characterized in that the feedstock contains 10 to 50 mol. ethylene, 5 20 mol. ethane, 10 40 mol. methane, 10 40 mol. hydrogen and up to 10 mol. heavy hydrocarbons.

9. A device for cryogenic separation of gas mixtures, containing a device for supplying compressed raw materials connected to the primary reflux zone, a device for supplying liquid from the primary reflux zone to the first fractional demethanization system, including a device for condensing the irrigation liquid associated with the source of the first refrigerant, the reflux zone is made in the form of a drum and is equipped with a condensed liquid storage device located in the lower part of the drum and a tubular heat exchanger laid in the upper part of the drum, characterized in that the device for cryogenic separation of gas mixtures further comprises at least one intermediate and final reflux zone, connected to one another, a second fractional demethanization system, including a second device for condensation of the irrigation liquid, connected with the source of the second refrigerant, and a device for supplying liquid from an intermediate reflux zone to a second fractional demethanization system.