TWI478897B - 排氣流直接接觸冷凝器 - Google Patents

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Description

排氣流直接接觸冷凝器
本發明大體上關於來自脫氫反應器系統之排氣的處理。
苯乙烯單體為製造聚合物聚苯乙烯及聚苯乙烯(如高衝擊型聚苯乙烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯)之共聚物的單體。苯乙烯之聚合物為常見且有價值的塑膠，其可用在電子裝置外殼至玩具再到拋棄式盤子和杯子之項目的製造。苯乙烯單體之化學式為C6 H5 C2 H3 ，且其結構由帶有附接之乙烯基的苯環構成。苯乙烯一般係經由乙基苯之脫氫製造。乙基苯具有C6 H5 C2 H5 之化學式，且其結構由帶有附接之乙基的苯環構成。
乙基苯脫氫在脫氫反應器系統中進行，該反應器系統包含一系列脫氫反應室及下游處理設備。過度加熱之蒸汽及乙基苯進入該等反應室，如以至少4：1之蒸汽對烴的莫耳比，其中脫氫觸媒催化乙基苯變成苯乙烯之轉化反應。該反應一般於大約300℃至650℃的溫度及大氣壓力至低於大氣壓力(如大約5至20 psia)下進行。該脫氫反應的機制涉及自該乙基失去兩個氫原子以形成碳-碳雙鍵。因此，離開該系列反應室之化學品一般包含苯乙烯、氫氣及蒸汽，以及未反應之乙基苯和其他化合物，該未反應之乙基苯和其他化合物可被稱作苯乙烯排氣。
自該等反應室，將該等產物冷卻並分離成排氣(也稱作排出氣體)、冷凝物及有機化合物如芳族物質。一般將該苯乙烯排氣供至壓縮器，並接著冷卻及冷凝以獲得富含氫之氣體，該富含氫之氣體可用於多種用途，如提供反應器系統中所用之蒸汽的過度加熱用之燃料來源。
該排氣壓縮器提供使該脫氫反應能於低於大氣壓力或低氣壓下進行之真空。由於牽引較大量之水和有機物質/芳族物質蒸氣連同氫氣造成增加之抽吸量，較低壓力之運用將提高該排出氣體壓縮器的工作。苯乙烯排氣可能含有氫、水蒸氣、甲烷、乙烯、一氧化碳及二氧化碳，以及芳族物質如乙基苯蒸氣和甲苯、苯及苯乙烯蒸氣。特別困擾的是苯乙烯之存在，其容易在暴露於高溫或長滯留時間(如該排氣處理流中所遇到者)時聚合。
因此，需要用於自脫氫排氣流(如苯乙烯排氣流)移除有機化合物、水蒸氣及其他有害的化合物之經濟的解決辦法。
本發明的許多具體實施例中涉及在排氣流中，在移除會負面增加壓縮器工作之化合物用的排氣壓縮器之上游使用直接接觸冷凝器。
該直接接觸冷凝器可運用於許多反應系統，特別是脫氫反應系統之排氣流的處理。本發明適用之一反應系統為製造苯乙烯的乙基苯反應系統。脫氫反應系統之排氣可能含有有機化合物及蒸汽，該等有機化合物及蒸汽會增加該排氣壓縮器之工作並降低其真空抽吸。該直接接觸冷凝器可在該排氣流進入該排氣壓縮器之前自該排氣流大量移除蒸汽及有機化合物。文中所列之具體實施例各者可單獨或與其他具體實施例合倂採用且沒有限制。
有一個具體實施例中，在苯乙烯排氣處理流之分離筒中安裝該直接接觸冷凝器。有一個具體實施例中，該直接接觸冷凝器中所用之冷卻介質包含冷卻的水。在另一個具體實施例中，該冷卻介質包含冷卻的水及乙基苯。有一個具體實施例中，該直接接觸冷凝器具有一個理論分離階。在另一個具體實施例中，該直接接觸冷凝器具有多於一個理論分離階。
有一個具體實施例中，本發明為自脫氫反應器排氣移除有機化合物及蒸汽之方法，該方法包含下列步驟：將該排氣供入直接接觸冷凝器；使該排氣與冷卻介質接觸；於該冷凝器底部收集經冷凝之有機化合物及蒸汽；及於該冷凝器頂部收集該不可冷凝的蒸氣。該方法可另外包含下列步驟：將該經冷凝之有機化合物及蒸汽送至該脫氫反應系統的主要加工分離器及將該等不可冷凝的蒸氣送至排氣壓縮器。有一個具體實施例中，該脫氫反應系統係用於將乙基苯脫氫以製造苯乙烯，及包括苯乙烯及乙基苯之有機化合物的冷凝。
該方法可包括以至少4：1之蒸汽對烴的莫耳比把蒸汽供應至該反應，及使該脫氫反應於至少300℃之溫度運轉。
本發明之一具體實施例為脫氫反應系統，其包括能將烴類脫氫之脫氫反應器。能自該脫氫反應器系統移除蒸氣之排氣壓縮器能壓縮排氣流並保持該脫氫反應器系統內之壓力。直接接觸冷凝器係位於該反應器與該排氣壓縮器之間，該直接接觸冷凝器能在該排氣流離開該冷凝器並進入該排氣壓縮器之前使該排氣流與驟冷流接觸。該驟冷流將該排氣流冷卻並使該排氣流內所含之有機化合物及蒸汽能冷凝。
該冷凝器可安裝在排氣壓縮器抽吸分離筒(offgas compressor suction knock out drum)中。該系統可用於將乙基苯脫氫以製造苯乙烯或任意將異戊烯脫氫以製造異戊二烯。該排氣可含有蒸汽、苯乙烯及非可聚合之有機化合物如芳族物質，彼等係藉以該冷凝器予以大量移除。該驟冷流可為冷卻的水並可包括乙基苯。該冷凝器可具有一或多個理論分離階。
替代性具體實施例為用於烴類脫氫之方法，該方法包括使烴進料與脫氫觸媒於反應器內在能有效使該烴進料之至少一部分脫氫的反應條件下接觸。移除排氣流，該排氣流包括該反應器所產生之氫。使用能使冷卻介質循環及使該排氣流與該冷卻介質接觸之直接接觸冷凝器將該排氣流冷卻並使來自該排氣流之有機化合物及蒸汽能冷凝。自該直接接觸冷凝器移除經冷卻之排氣流，該排氣流具有減少含量之有機化合物及蒸汽。
該脫氫反應器可於減壓條件之下運轉，其中實質上所有烴類係於蒸氣相中並可自包括經脫氫之產物的脫氫反應器回收蒸氣產物。
該冷卻介質可為冷卻的水並可包括乙基苯。該等經冷凝之化合物可包括苯乙烯、乙基苯、甲苯及苯。該等經冷凝之化合物可摻入該烴進料。該經冷卻之排氣流可在排氣壓縮器中被壓縮，該排氣壓縮器能保持該反應器內之壓力。
本發明的許多具體實施例涉及在排氣流中，在排氣壓縮器之上游安裝直接接觸冷凝器。該直接接觸冷凝器可自該排氣流移除有機化合物及含水冷凝物以降低該壓縮器之工作量，同時保持經濟可行性。
直接接觸冷凝器在此技藝中為已知。直接接觸冷凝器可達成該冷卻介質與該蒸氣之間較大量的熱傳，因為該冷卻介質與該蒸氣互相直接接觸，沒用中間表面吸收該熱傳之一部分。在習用熱交換器中，熱傳發生於管壁表面之間及該冷卻介質與該蒸氣之間，加上溫度會在冷卻水循環中上升。因此，習用熱交換器招致冷凍單元較大的功率需求，對於特定應用(如排氣處理，像是在苯乙烯排氣處理中)造成直接接觸冷凝器更經濟。本發明中所用之直接接觸冷凝器類型可為任何此技藝中習知者，包括噴凝器、噴灑冷凝器、氣壓冷凝器。
有一個具體實施例中，該直接接觸冷凝器第1圖所示的類型。該直接接觸冷凝器所用之裝置可安裝在該排氣壓縮器抽吸分離筒，或KO筒1，中並添加習用冷凍單元2。該KO筒1內之裝置包括驟冷填料3、集流器擋板4及溢流管5。離開該主要苯乙烯加工分離器的苯乙烯排氣經由管道10行至該直接接觸冷凝器中之入口，在此案例中含於該KO筒1內。已經在該冷凍單元2中冷卻過之冷卻水經由管道11進入該KO筒1並與該排氣接觸。乙基苯可藉著經由管道15進入該冷凍單元2任意加至該冷卻水。在接觸區中該冷卻水加熱同時將該排氣冷卻。在與該冷卻的水接觸時，存在於該排氣中之芳族物質蒸氣及蒸汽(水蒸氣)會冷凝並朝該KO筒1的底部行進。包含氫氣之非冷凝物質上升並於頂部離開該KO筒1，並接著經由管道12行至真空壓縮器(未顯示)，其中以普通方式處理該等非冷凝物質。包括再循環水、來自蒸汽之經冷凝的水及芳族物質液體之冷凝物質受重力落下並收集在該集流器擋板4上。自該擋板4中之開口，合倂液體先流下去並接著側向跨過該KO筒1之底部以引起較輕的芳族物質液體與較重的水之重力分離。透過該溢流管5引導倒出之芳族物質液體及實質等同於該經冷凝之排氣流的水流。彼等經由管道14離開該冷凝器並返回該主要苯乙烯加工分離器(未顯示)。該循環冷卻水可經由管道13離開該KO筒1以返回該冷凍單元2。
第1圖揭示本發明之特定具體實施例，且許多替代例也可行而不會悖離本發明之範圍。例如，該直接接觸冷凝器可就其操作參數之觀點改變，該等操作參數包括溫度、壓力及流速。被該直接接觸冷凝器所移除之有機化合物的百分比也可隨加工需求及經濟方面變動。再者，該直接接觸冷凝器可經設計以使該驟冷接觸區中具有多於一個理論分離階，以引起有機化合物自該排氣之較大量分離。較大量之分離階可，例如，藉由增加冷卻水入口數目實行。
本發明也可應用於具有乙基苯以外之反應物的脫氫反應系統。藉由相應之C2 或C3 烷基芳族化合物的觸媒脫氫反應可製造多種不同乙烯基芳族化合物。此等反應包括單烷基或多烷基芳族物質(如二乙基苯)之觸媒脫氫反應或經烷基取代之多核芳族化合物(如乙基萘)之脫氫反應。至於實例，正丙基苯可被脫氫以製造β-甲基苯乙烯，及對-異丙基苯可被脫氫以製造α-甲基苯乙烯。其他反應包括但不限於將乙基甲苯脫氫以製造乙烯基甲苯及將二乙基苯脫氫以製造二乙烯基苯。在另一個實例中可藉由異戊烯之脫氫反應製造異戊二烯或藉由正戊烯之脫氫製造戊二烯。所有這些反應均產生氫排氣，該氫排氣可被送至真空壓縮器。就像乙基苯之脫氫，該排氣將會含有可能對該真空壓縮器有害之有機蒸氣。因此，這些反應可根據本發明藉由在該排氣處理流中使用直接接觸冷凝器而有所助益。
有一個具體實施例中，本發明為自脫氫反應系統之排氣移除有機化合物及蒸汽之方法。該方法包含在排氣壓縮器上游把該排氣流供入直接接觸冷凝器。該方法另外包含把冷卻介質，如水或水和乙基苯之組合，供入該直接接觸冷凝器，其中該冷卻介質及該排氣形成熱傳之接觸區。該方法另外包含於該直接接觸冷凝器底部收集經冷凝之蒸汽及有機化合物及將彼等送回該脫氫反應系統之主要加工分離器。該方法另外包含於該直接接觸冷凝器頂部收集包含氫及其他氣體之不可冷凝的蒸氣及將彼等送至該排氣壓縮器。
在多個具體實施例中該方法將來自該排氣流之大部分有機化合物及蒸汽冷凝。在替代性具體實施例中該方法將來自該排氣流之有機化合物及蒸汽的至少60%、至少70%、至少80%、至少90%、至少95%冷凝。
該方法可包括以至少4：1，任意至少5：1，任意至少8：1，任意至少10：1之蒸汽對烴的莫耳比將蒸汽供應至該反應。該脫氫反應於至少300℃，任意至少350℃，任意至少400℃，任意至少450℃，任意至少500℃之溫度運轉。該脫氫反應可於任何適合壓力下運轉，如高於大氣壓力至低於大氣壓力。在多個具體實施例中，該反應可於2至30 psia，任意5至20 psia運轉。
有一個具體實施例，該脫氫反應系統係用於將乙基苯脫氫以製造苯乙烯，及將包括苯乙烯及乙基苯之有機化合物冷凝。
本發明之許多具體實施例對於該脫氫反應系統會產生數個可能益處。一個益處可為進入該氫排氣壓縮器之有機化合物(如芳族物質)的縮減，使得該壓縮器之工作可以減少並使該脫氫反應系統可於較低且更經濟之壓力下運轉。
本發明之直接接觸冷凝器的另一個益處可為比起其他可能存在於氫排氣中的非可聚合之有機化合物(如芳族物質，包括乙基苯、甲苯及苯)能使苯乙烯單體芳族物質優先冷凝。呈液態之苯乙烯單體傾向於該真空壓縮器之設備中聚合及積垢。苯乙烯聚合偏好較高溫度及少被非可聚合之有機化合物稀釋。該直接接觸冷凝器可藉由於冷卻器驟冷溫度下運轉，藉由在該冷卻水包括外加之乙基苯，及藉由在該驟冷接觸區中具有多個理論分離階，促進該排氣之苯乙烯單體的優先冷凝。
本發明之直接接觸冷凝器的另一個益處可為比起習用熱交換器，該氫排氣之較低壓降。較低壓降由於需要較低之壓縮器抽吸壓力會降低該壓縮工作量。
本發明之直接接觸冷凝器的另一個益處可為較低之投資成本。由於前文已指明之理由該冷凍系統可以用較低成本。該冷凍系統為直接接觸或熱交換器排氣冷卻系統中主要之成本項目。該直接接觸冷凝器之其他投資成本也可能比習用熱交換器冷凝器之投資成本低。
該措辭“烷基”表示只由經單鍵結之碳和氫原子組成的官能基或側鏈(例如甲基或乙基)。
該措辭“芳族物質”表示基本上由一或多個經任意取代之苯環所組成的那些化學物質。關於乙基苯之脫氫，該苯乙烯排氣中之芳族物質可包括苯乙烯、乙基苯、苯、甲苯及其他可能之物。
該措辭“可冷凝物質”表示當透過熱交換器處理時冷凝並進入液態之化學物質。該措辭“冷凝物”更明確地說表示以液態離開熱交換器之水。關於直接接觸冷凝器，根據本發明，該冷凝物可包含使原先為冷卻水之再循環水及原先為該排氣中之蒸汽的水。
該措辭“直接接觸冷凝器”表示熱交換器之類型，其中該冷卻介質與該蒸氣接觸。
該措辭“非可冷凝物質”表示當透過熱交換器處理時不會冷凝並因此保持蒸氣態的化學物質。
文中所用之措辭“排氣”表示以蒸氣態離開該主要加工分離器之脫氫反應產物。
根據內文，文中關於本“發明”的所有參考資料在一些案例中可僅表示特定之具體實施例。在其他案例中其可表示一或多個，但是不一定是所有申請專利範圍所引用之標的。儘管前述係關於本發明之具體實施例、版本及實例，當本專利與可取得之資訊和技術合倂時將彼等包括在內以使普通熟悉此技藝者能完成並利用本發明，但是本發明並不僅限於這些特定具體實施例版本及實例。本發明之其他及另外的具體實施例、版本及實例可被想出而不會悖離其基本範圍且其範圍係由後續申請專利範圍決定。
1‧‧‧排氣壓縮器抽吸分離筒
2‧‧‧冷凍單元
3‧‧‧驟冷填料
4‧‧‧集流器擋板
5‧‧‧溢流管
10‧‧‧管道
11‧‧‧管道
12‧‧‧管道
13‧‧‧管道
14‧‧‧管道
15‧‧‧管道
FC‧‧‧流體控制器
TC‧‧‧溫度控制器
CW‧‧‧冷卻水
第1圖例示苯乙烯排氣處理流中所安裝之直接接觸冷凝器的具體實施例。
1‧‧‧排氣壓縮器抽吸分離筒
2‧‧‧冷凍單元
3‧‧‧驟冷填料
4‧‧‧集流器擋板
5‧‧‧溢流管
10‧‧‧管道
11‧‧‧管道
12‧‧‧管道
13‧‧‧管道
14‧‧‧管道
15‧‧‧管道
FC‧‧‧流體控制器
TC‧‧‧溫度控制器
CW‧‧‧冷卻水

Claims (26)

  1. 一種脫氫反應系統，其包含：脫氫反應器，該脫氫反應器能將烴類脫氫；排氣壓縮器，該排氣壓縮器能經由排氣流自該脫氫反應器移除蒸氣及保持該脫氫反應器內之壓力；及直接接觸冷凝器，該直接接觸冷凝器位於該脫氫反應器與該排氣壓縮器之間，能在該排氣流離開該直接接觸冷凝器並進入該排氣壓縮器之前使該排氣流與驟冷流接觸，其中把該直接接觸冷凝器設置於排氣壓縮器抽吸分離筒(offgas compressor suction knock out drum)：其中該驟冷流冷卻該排氣流並使化合物能在該排氣流內冷凝，且其中該驟冷流包含冷卻的水及乙基苯。
  2. 如申請專利範圍第1項之脫氫反應系統，其中該排氣壓縮器由該排氣壓縮器抽吸分離筒接收不可冷凝的蒸氣。
  3. 如申請專利範圍第1項之脫氫反應系統，其中以該脫氫反應系統用於乙基苯之脫氫以製造苯乙烯、或用於異戊烯之脫氫以製造異戊二烯、或用於正戊烯之脫氫以製造戊二烯。
  4. 如申請專利範圍第1項之脫氫反應系統，其中該直接接觸冷凝器包含集流器擋板及出口管道，且其中該驟冷流能使該排氣流內之芳族化合物及蒸汽冷凝、收集在該集流器擋板中之芳族物質液體及水、及倒出之芳族物質液體及水經由該出口管道離開。
  5. 如申請專利範圍第4項之脫氫反應系統，其中該直接接觸冷凝器更包含用於將該倒出之芳族物質液體及水從該集流器擋板引導至該出口管道之溢流管。
  6. 如申請專利範圍第1項之脫氫反應系統，其中大部分的蒸汽、苯乙烯及非可聚合之有機化合物冷凝且藉由該直接接觸冷凝器由該排氣流移除。
  7. 如申請專利範圍第1項之脫氫反應系統，其中該直接接觸冷凝器另外包含驟冷填料。
  8. 如申請專利範圍第7項之脫氫反應系統，其另外包含：在該直接接觸冷凝器中之冷卻水及乙基苯入口管道，能使該冷卻的水及乙基苯進入該直接接觸冷凝器；在該直接接觸冷凝器中之冷卻水及乙基苯出口管道，能使該冷卻的水及乙基苯離開該直接接觸冷凝器；及與該冷卻水及乙基苯出口管道及該冷卻水及乙基苯入口管道流體連接之冷凍單元。
  9. 如申請專利範圍第1項之脫氫反應系統，其中該冷凝器包含一或多個理論分離階。
  10. 如申請專利範圍第1項之脫氫反應系統，其中該直接接觸冷凝器為噴凝器、噴灑冷凝器或氣壓冷凝器。
  11. 一種用於烴類脫氫之方法，其包含：使烴進料與脫氫觸媒於反應器內在能有效在脫氫反應中使該烴進料之至少一部分脫氫的反應條件下接觸；自該反應器移除包含氫之排氣流； 提供能使冷卻介質循環及使該排氣流與該冷卻介質接觸之直接接觸冷凝器，其中該冷卻介質包含冷卻的水及乙基苯，且其中把該直接接觸冷凝器設置於排氣壓縮器抽吸分離筒；在該直接接觸冷凝器中冷卻該排氣流以使來自該排氣流之化合物可以冷凝；及自該直接接觸冷凝器移除所含可冷凝化合物含量比起在與該冷卻介質接觸之前的排氣流所含者為低之經冷卻的排氣流。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其另外包含：以至少4：1之蒸汽對烴的莫耳比把蒸汽供應至該脫氫反應；及使該反應器於至少300℃之溫度運轉。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，其另外包含：使該反應器於真空條件運轉，其中實質上所有烴類係均呈蒸氣相；及自包含經脫氫之產物的反應器回收蒸氣產物。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該排氣流包含來自乙基苯反應系統之苯乙烯排氣。
  15. 如申請專利範圍第11項之方法，其中冷卻在該直接接觸冷凝器中的排氣流能使該排氣流中的芳族化合物及蒸汽冷凝。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其另外包含收集在該直接接觸冷凝器之集流器擋板中的芳族物質液體及 水，及使倒出之芳族物質液體及水經由該直接接觸冷凝器之出口管道流出該集流器檔板。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中來自該排氣流之芳族化合物及蒸汽的冷凝形成經冷凝之化合物，該等經冷凝之化合物包含苯乙烯、乙基苯、甲苯及苯中之一或多者。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其另外包含把該等經冷凝之化合物混入該烴進料。
  19. 如申請專利範圍第11項之方法，其另外包含使該經冷卻之排氣流由該直接接觸冷凝器傳送至排氣壓縮器及使該經冷卻之排氣流壓縮於該排氣壓縮器中，其中該排氣壓縮器能保持該反應器內之壓力。
  20. 一種自脫氫反應器排氣移除芳族物質及蒸汽之方法，其包含：把排氣流供入直接接觸冷凝器，其中把該直接接觸冷凝器設置於排氣壓縮器抽吸分離筒；在該直接接觸冷凝器中使該排氣流與冷卻介質接觸，其中該冷卻介質包含冷卻的水及乙基苯；在該直接接觸冷凝器中使來自該排氣流之有機化合物及蒸汽冷凝；自該直接接觸冷凝器移除經冷凝之有機化合物及蒸汽；及自該直接接觸冷凝器移除不可冷凝之蒸氣。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該排氣流 包含來自乙基苯反應系統之苯乙烯排氣。
  22. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該經冷凝之有機化合物為有機芳族化合物。
  23. 如申請專利範圍第22項之方法，其另外包含收集在該直接接觸冷凝器中集流器擋板上該經冷凝之有機芳族化合物及蒸氣，及經由出口管道從該直接接觸冷凝器移除倒出之經冷凝之有機芳族化合物及蒸汽。
  24. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該等經冷凝之有機化合物包含苯乙烯、乙基苯、甲苯及苯中之一或多者。
  25. 如申請專利範圍第20項之方法，其另外包含把該等經冷凝之有機化合物送至主要加工分離器。
  26. 如申請專利範圍第20項之方法，其另外包含把該等不可冷凝之蒸氣送至排氣壓縮器。
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