WO2007045364A2 - Rückgewinnungssystem für die weiterverarbeitung eines spaltqasstroms einer ethylenanlage - Google Patents

Rückgewinnungssystem für die weiterverarbeitung eines spaltqasstroms einer ethylenanlage Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a recovery system and a process for recovering hydrogen and methane from a cracked gas stream in the low temperature part of an ethylene plant.
  • Ethylene plants usually have a feed for oil or natural gas, a cracking furnace for splitting the long chains of these substances and various
  • a conventional methane pre-separator has three regions in which the partially condensed C2 (minus) stream is separated into its gas phase and its liquid phase after each cooling step.
  • the condensates of the higher regions of the methane pre-separator are led to the next lower region, which serves as a gas barrier for gas coming from lower regions.
  • the bottom of the methane pre-separator leads to a methane separator (eg T4101) in which the remaining dissolved hydrogen and methane are stripped off the C2 fraction (stripped off).
  • the bottom product of the methane separator is then usually fed to a C2 separator (C2 splitter).
  • the overhead current (overhead stream) of the C2 absorber is free of C2 components.
  • FIG. 1 shows an example of the prior art described here. The following additional components are shown there:
  • Object of the present invention is to achieve an improvement in terms of energy requirements and cost in the separation of hydrogen and methane of C2 components in the low temperature part of an ethylene plant over the prior art.
  • a recovery system for the recovery of hydrogen and methane from a cracked gas stream in the low-temperature part of an ethylene plant comprising the following components:
  • a C1 / C2 low-pressure column wherein the multi-condensate separator has at least two different areas, which are acted on with differently composed split gas streams.
  • a multi-condensate separator may be considered as a combination of a gas liquefier and a distillation apparatus for separating hydrogen and methane.
  • the multi-condenser is formed as a drum having three areas (A, B and C), each area separating gas and liquid at a different temperature level.
  • this object is achieved by a process for the recovery of hydrogen and methane from a cracked gas stream in the low-temperature part of an ethylene plant, comprising the following steps: a C2 fraction is fed from an ethane separation device (deethanizer) via a heat exchanger (E1) to a first region (A) in a multi-condensate separator (D1),
  • Gas from the second region (B) of the multi-condenser (D1) is fed to an expansion device (X1) in which the gas is expanded and then to the methane separator (T1), and - the C2 fraction from the bottom of the Methane Separator (T1) is based on the pressure of a
  • the methane (T1) is advantageously operated at a pressure in the range of 13 bar. It receives the condensate flows from the multi-condensate separator (D1) and from the expansion device (X1). The sediment is boiled again by condensation of HP ethylene (high pressure ethylene) from the third stage of the ethylene compressor to be free of methane.
  • HP ethylene high pressure ethylene
  • the heat exchanger (E3) serves as a kind of side condenser which condenses the entire C2 material present in the gas phase. This heat exchanger or side condenser is attached to the top of the column, which allows the condensate to flow back to the column by gravity.
  • Inside the column are two liquid barriers (siphons) attached, which allow liquid to flow down and prevent gas from flowing up.
  • the heat exchangers can all be mounted in a coil box, which has the advantage that this coil box can be prefabricated and thus the outlay for the construction of the system on site is reduced.
  • a multi-condensate (D1) is used for the invention, which has more than two areas (A, B).
  • the gas stream remaining there after separation in the second region (B) of the multi-condensate separator (D1) is further cooled and fed to a third region (C) of the multi-condensate separator (D1) and gas from the third region (C) of the multi-condensate separator (D1).
  • Kondesatabscheider (D1) is supplied to an expansion device (X1), in which the gas is expanded, and then to the Methaneabscheider (T1) is guided.
  • An advantageous development of the invention provides for the use of a multi-condensate (D1) having four or more areas (A, B, C, ).
  • the invention is particularly useful for separating and recovering the C2 components from a C2-minus stream of an ethylene plant with ethane or ethane / propane as fissions for cleavage.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device according to the invention with the components already described.
  • the list of the reference numbers used is intended to facilitate orientation:
  • E1, E2 and E3 heat exchangers
  • the integration of the residual gas expansion device eliminates the need for a separate methane compressor, resulting in further savings.
  • connection of the methane separator with the heat exchangers E2 and E3 and the expansion devices X1 and X2 has the advantage of the so-called Recontactor technology, resulting in an extremely high recovery rate.
  • ethylene losses into the residual gas stream are in the range of 300 ppm or 27 kg / h, which corresponds to about 0.035% of ethylene production.
  • Another advantage of the present invention is the achievement of high purity.
  • the feed stream entering the cryogenic area is free of any material that could cause fouling or clogging of the equipment, therefore, the use of Plate-fin heat exchangers and fully welded columns and pipe arrangements can be accepted without compromise. Even a prefabricated design for the CoId Box is possible in order to minimize the effort on the construction site when setting up the system.
  • two pressure control valves are sufficient to supply the gas to the turbo- Deliver expansion devices.
  • Condensates from the multi-condensate D1 are fed to the column via a level control or regulating device.
  • the services of the reheater (reboiler) are controlled by the temperature of the column.
  • cryogenic part has a high availability compared to other systems. There are no pumps and the maintenance requirements are very low. Especially at very low temperatures, the use of pumps would cause high costs and these pumps would be very prone to failure.
  • the system can advantageously continue to operate without major disturbances.
  • the gas flow through a bypass valve is released, which leads to an increase in the ethylene losses in the residual gas flow of several hundred kg / h in case of failure of an expansion device. If both expansion devices fail, the loss of ethylene only increases to a few t / h.
  • the simple and compact design of the device according to the invention is of particular advantage, not least because it is accompanied by a significant reduction of the necessary investment costs.
  • the reduced number of system parts saves space, minimizes heat losses from the cold process and enables a prefabricated coil box design.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rückgewinnungssystem und ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wasserstoff und Methan aus einem Spaltgasstrom im Tieftemperaturteil einer Ethylenanlage. Das Rückgewinnungssystem weist dabei folgende Komponenten auf: einen integrierten Multi-Kondensatabscheider; einen C2-Absorber; eine Wasserstoff/Methan Expansionsvorrichtung und eine C1/C2-Niederdruckkolonne (Demethanizer), wobei der Multi-Kondensatabscheider mindestens zwei verschiedene Bereiche aufweist, die mit verschieden zusammengesetzten Spaltgasströmen beaufschlagt werden.

Description

Beschreibung
Rückgewinnungssystem für die Weiterverarbeitung eines Spaltqasstroms einer
Ethylenanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückgewinnungssystem und ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wasserstoff und Methan aus einem Spaltgasstrom im Tieftemperaturteil einer Ethylenanlage.
Ethylenanlagen weisen in der Regel eine Zuspeisung für Erdöl oder Erdgas, einen Spaltofen zur Aufspaltung der langen Ketten dieser Stoffe sowie verschiedene
Einrichtungen zur Fraktionierung und weiteren Stoffumwandlung der Produkte auf. Im Tieftemperaturteil wird die C2(minus)-Fraktion, die aus der Hydrierung kommt, üblicherweise schrittweise heruntergekühlt bis die C2-Komponenten im Spaltgas größtenteils von Wasserstoff und von Methan getrennt sind. Die verbleibenden C2- Komponenten in der Wasserstoff/Methan-Fraktion werden beispielsweise in einem sog. C2-Absorber (z. B. aus der Linde-Baureihe T4002) zurückgewonnen. Um den Methanabscheider (z. B. T4101) zu entladen, werden die sich während des Kühlprozesses ansammelnden Kondensate in der Regel in einen Methan- Vorabscheider (z. B. T4001) geleitet. Dort werden gelöster Wasserstoff und Methan zum Teil herausgelöst (stripped off). Ein herkömmlicher Methan-Vorabscheider weist drei Bereiche auf, in denen der teilweise kondensierte C2(minus)-Strom nach jedem Abkühlschritt in seine Gasphase und seine flüssige Phase getrennt wird. Die Kondensate der höheren Bereiche des Methan-Vorabscheiders werden zum nächst niedrigeren Bereich geführt, was als Gasbarriere für von niedrigeren Bereichen kommendes Gas dient. Der Boden des Methan-Vorabscheiders führt zu einem Methanabscheider (z. B. T4101), in dem der verbliebene gelöste Wasserstoff und verbliebenes Methan von der C2-Fraktion abgestreift werden (stripped off). Das Bodenprodukt des Methanabscheiders wird dann üblicherweise einem C2-Trenner (C2-Splitter) zugeführt. Der Overhead-Strom (Overhead Stream) des C2-Absorbers ist frei von C2-Komponenten. Er enthält lediglich Wasserstoff und Methan und wird über zwei Expansionsschritte in den sog. Restgas-Expansionsvorrichtungen (z. B. X4001/X4002) den Gegenstrom-Wärmetauschem im Tieftemperaturteil einer Ethylenanlage und in der Vorkühleinrichtung zur Wärmerückgewinnung zugeführt. Nach einer Wiederverdichtung im Restgas-Druckerhöher wird das Restgas dem Regenerierungs- und Brenngassystem zugeführt. Der Bodensatz des C2-Absorbers wird als Rückfluss zum Methan-Vorabscheider (z. B. T4001) recycled. Die Figur 1 zeigt ein Beispiel für den hier beschriebenen Stand der Technik. Folgende weitere Komponenten sind dort gezeigt:
10: von der Hydrierung kommender Einsatzstrom, 11 : Strom zur Vorkühlung, 12: Strom zum C2-Splitter, 13: Restgasstrom von der Vorkühlung kommend und 14: Restgasstrom zum Brenngassystem.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbesserung hinsichtlich Energiebedarf und Kostenaufwand bei der Abtrennung von Wasserstoff und Methan von C2-Komponenten im Tieftemperaturteil einer Ethylenanlage gegenüber dem Stand der Technik zu erreichen.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch ein Rückgewinnungssystem für die Rückgewinnung von Wasserstoff und Methan aus einem Spaltgasstrom im Tieftemperaturteil einer Ethylenanlage gelöst, das folgende Komponenten aufweist:
- einen integrierten Multi-Kondesatabscheider,
- einen C2-Absorber,
- eine Wasserstoff/Methan Expansionsvorrichtung und
- eine C1/C2-Niederdruckkolonne (Demethanizer), wobei der Multi-Kondensatabscheider mindestens zwei verschiedene Bereiche aufweist, die mit verschieden zusammengesetzten Spaltgasströmen beaufschlagt werden. Ein derartiger Multi-Kondensatabscheider kann als Kombination von einem Gasverflüssiger und einer Destillationsvorrichtung zur Abtrennung von Wasserstoff und Methan angesehen werden. Beispielsweise ist der Multi-Kondesatabscheider als Trommel ausgebildet, die drei Bereiche (A, B und C) aufweist, wobei jeder Bereich Gas und Flüssigkeit auf einem anderen Temperaturniveau trennt.
Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wasserstoff und Methan aus einem Spaltgasstrom im Tieftemperaturteil einer Ethylenanlage gelöst, das folgende Schritte aufweist: - eine C2-Fraktion wird von einer Ethanabscheidevorrichtung (Deethanizer) kommend über einen Wärmetauscher (E1) einem ersten Bereich (A) in einem Multi- Kondensatsbscheider (D1) zugeführt,
- Kondensat wird aus dem ersten Bereich (A) des Multi-Kondensatabscheiders (D1) abgezogen und einem Methanabscheider (T1) zugeführt, .
- Gas wird aus dem Multi-Kondensatabscheiders (D1) einem weiteren Wärmetauscher (E2) zugeführt und dort weiter abgekühlt,
- das weiter abgekühlte Gas wird einer Gas/Flüssigkeitstrennung in einem zweiten Bereich (B) des Multi-Kondensatabscheiders (D1) unterzogen, - das dabei entstehende Kondensat wird erneut dem Methanabscheider (T1) zugeführt,
- Gas aus dem zweiten Bereich (B) des Multi-Kondesatabscheider (D1) wird einer Expansionsvorrichtung (X1) zugeführt, in der das Gas expandiert wird, und dann zum Methanabscheider (T1) geführt wird, und - die C2-Fraktion vom Boden des Methanabscheiders (T1) wird auf den Druck eines
C2-Splitters gedrosselt und wird teilweise im Wärmetauscher (E1) verdampft und zum C2-Splitter geführt.
Der Methanabscheider (T1) wird vorteilhaft bei einem Druck im Bereich von 13 bar betrieben. Er erhält die Kondensatströme vom Multi-Kondensatabscheider (D1) und von der Expansionsvorrichtung (X1). Der Bodensatz wird erneut zum Sieden gebracht durch Kondensation von HP Ethylen (high pressure ethylene) aus der dritten Stufe des Ethylenverdichters, um frei von Methan zu sein. Im oberen Bereich der Kolonne werden zwei gasförmige Nebenströme abgezogen und weiter im Wärmetauscher (E3) gekühlt. Der Wärmetauscher (E3) dient als eine Art Seitenkondensator, der das gesamte in der Gasphase vorliegende C2-Material kondensiert. Dieser Wärmetauscher oder Seitenkondensator ist am oberen Ende der Kolonne angebracht, was das Rückfließen des Kondensats zur Kolonne durch die Gravitation erlaubt. Im Inneren der Kolonne sind zwei Flüssigkeitssperren (Siphons) angebracht, die erlauben, dass Flüssigkeit hinunter fließt und verhindern, dass Gas hinauf strömt. Der Overhead-
Strom der Kolonne, der die Restgas-Fraktion darstellt, wird zur Expansionsvorrichtung geführt, in der er auf ca. 5 bar entspannt wird, und eine Kühlaufgabe im Wärmetauscher (E3) übernehmen kann. Die Arbeitsenergie der Expansionsvorrichtungen X1 und X2 wir zurückgewonnen um den Restgas-Strom wieder zu verdichten.
Die Wärmetauscher können alle in einer CoId Box angebracht sein, was den Vorteil hat, dass diese CoId Box vorgefertigt werden kann und somit der Aufwand für den Aufbau der Anlage vor Ort reduziert wird.
Mit besonderem Vorteil wird für die Erfindung ein Multi-Kondensatabscheider (D1) eingesetzt, der mehr als zwei Bereiche (A, B) aufweist. Der nach der Abtrennung im zweiten Bereich (B) des Multi-Kondensatabscheiders (D1) dort verbliebene Gasstrom wird weiter abgekühlt und einem dritten Bereich (C) des Multi-Kondensatabscheiders (D1) zugeführt und Gas aus dem dritten Bereich (C) des Multi-Kondesatabscheider (D1) wird einer Expansionsvorrichtung (X1) zugeführt, in der das Gas expandiert wird, und dann zum Methanabscheider (T1) geführt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht den Einsatz eines Multi- Kondensatabscheiders (D1) vor, der vier oder mehr Bereiche (A, B, C, ...) aufweist. Die Erfindung eignet sich besonders für die Trennung und Rückgewinnung der C2- Komponenten aus einem C2minus-Strom einer Ethylenanlage mit Ethan oder Ethan/Propan als Einsätze für die Spaltung.
Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand des in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den bereits beschriebenen Komponenten. Die Auflistung der verwendeten Bezugszeichen soll die Orientierung erleichtem :
20: C2-Strom vom Ethanabscheider (Deethanizer) kommend, 21 : C2-Strom zum C2-Splitter,
22a, b, c: Restgas-Strom,
23: Ethan-Strom,
E1 , E2 und E3: Wärmetauscher,
24: Cold-Box, die E1 , E2 und E3 enthält, 25: Kühlmittel, D1 : Multi-Kondensatabscheider, X1 , X2: Expansionsvorrichtung und T1 : Methanabscheider.
Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:
Es wird ein gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduzierter Energieverbrauch bei geringeren Investitionskosten erreicht. Es werden weniger Bauteile benötigt (z. B. Wegfall der kalten Pumpen), wodurch die Investitionskosten, der Wartungsaufwand und der Verbrauch an Betriebsmittel gesenkt werden konnten. Die mehrfache Durchführung verschieden zusammengesetzter Gasströme durch den Multi- Kondensatabscheider ermöglicht diese Vorteile.
Zusätzlich macht die Integration der Restgas-Expansionsvorrichtung einen separaten Methan-Verdichter überflüssig, wodurch weitere Einsparungen erzielt werden.
Mit der Erfindung wird eine hohe Ethylen-Rückgewinnung erreicht. Die Verbindung des Methanabscheiders mit den Wärmetauschern E2 und E3 und den Expansionsvorrichtungen X1 und X2 weist den Vorteil der sog. Recontactor- Technologie auf, was zu einer extrem hohen Rückgewinnungsrate führt. Die
Ethylenverluste in den Restgasstrom bewegen sich beispielsweise im Bereich von 300ppm oder 27 kg/h, was in etwa 0,035% der Ethylenproduktion entspricht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt im Erzielen einer hohen Reinheit. In Kombination mit einer vorgeschalteten C(3plus)-Rückgewinnung und einer Acetylen- Umwandlung ist der Einsatzstrom (feed stream), der in den kryogenen Bereich eintritt, frei von jeglichem Material, das ein Verschmutzen oder Verstopfen der Anlagenteile verursachen könnte, weshalb die Verwendung von Platten-Lamellen-Wärmetauschem (plate-fin heat exchangers) und vollständig geschweißte Kolonnen und Rohranordnungen kompromißlos akzeptiert werden können. Es ist sogar ein vorgefertigtes Design für die CoId Box möglich, um den Aufwand an der Baustelle bei der Errichtung der Anlage zu minimieren.
Vorteilhaft ist auch das besonders einfache Steuer- und Regelsystem der Erfindung. Es genügen im Wesentlichen zwei Druck-Regel-Ventile, die Gas an die Turbo- Expansionsvorrichtungen abgeben. Kondensate aus dem Multi-Kondensatabscheider D1 werden der Kolonne über eine Niveau-Steuer- oder Regeleinrichtung zugeführt. Die Dienste des Rückerwärmers (reboiler) werden über die Temperatur der Kolonne gesteuert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Tieftemperaturteil eine im Vergleich zu anderen Systemen hohe Verfügbarkeit aufweist. Es gibt dort keine Pumpen und die Wartungsanforderungen sind sehr gering. Besonders bei sehr tiefen Temperaturen würde die Verwendung von Pumpen hohe Kosten verursachen und diese Pumpen wären sehr störungsanfällig.
Im Falle eines Ausfalls einer Expansionsvorrichtung kann die Anlage vorteilhafterweise ohne größere Störungen weiter betrieben werden. In diesem Fall wird der Gasstrom über ein Bypass-Ventil entspannt, was zu einem Anstieg der Ethylenverluste in den Restgasstrom von einigen hundert kg/h beim Ausfall einer Expansionsvorrichtung führt. Falls beide Expansionsvorrichtungen ausfallen sollten, steigt der Ethylenverlust lediglich auf wenige t/h an.
Es sei hier nochmal betont, dass das einfache und kompakte Design der erfindungsgemäßen Vorrichtung von besonderem Vorteil ist, nicht zuletzt deshalb, weil damit eine deutliche Reduzierung der nötigen Investitionskosten einhergeht. Die reduzierte Zahl an Anlagenteilen ist platzsparend, minimiert Wärmeverluste aus dem kalten Prozeß und ermöglicht ein vorgefertigtes CoId Box Design.

Claims

Patentansprüche
1. Rückgewinnungssystem für die Rückgewinnung von Wasserstoff und Methan aus einem Spaltgasstrom im Tieftemperaturteil einer Ethylenanlage, das folgende Komponenten aufweist: - einen integrierten Multi-Kondensatabscheider,
- einen C2-Absorber,
- eine Wasserstoff/Methan Expansionsvorrichtung und
- eine C1/C2-Niederdruckkolonne (Demethanizer), wobei der Multi-Kondensatabscheider mindestens zwei verschiedene Bereiche aufweist, die mit verschieden zusammengesetzten Spaltgasströmen beaufschlagt werden.
2. Verfahren zur Rückgewinnung von Wasserstoff und Methan aus einem Spaltgasstrom im Tieftemperaturteil einer Ethylenanlage, das folgende Schritte aufweist:
- eine C2-Fraktion wird von einer Ethanabscheidevorrichtung (Deethanizer) kommend über einen Wärmetauscher (E1) einem ersten Bereich (A) in einem Multi- Kondensatabscheider (D1) zugeführt,
- Kondensat wird aus dem ersten Bereich (A) des Multi-Kondensatabscheiders (D1) abgezogen und einem Methanabscheider (T1) zugeführt,
- Gas wird aus dem Multi-Kondensatabscheiders (D 1) einem weiteren Wärmetauscher (E2) zugeführt und dort weiter abgekühlt,
- das weiter abgekühlte Gas wird einer Gas/Flüssigkeitstrennung in einem zweiten Bereich (B) des Multi-Kondensatabscheiders (D1) unterzogen, - das dabei entstehende Kondensat wird erneut dem Methanabscheider (T1) zugeführt,
- Gas aus dem zweiten Bereich (B) des Multi-Kondesatabscheider (D1) wird einer Expansionsvorrichtung (X1) zugeführt, in der das Gas expandiert wird, und dann zum Methanabscheider (T1) geführt wird, und - die C2-Fraktion vom Boden des Methanabscheiders (T1) wird auf den Druck eines
C2-Splitters gedrosselt und wird teilweise im Wärmetauscher (E1) verdampft und zum C2-Splitter geführt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der nach der Abtrennung im zweiten Bereich (B) des Multi-Kondensatabscheiders (D1) dort verbliebene Gasstrom weiter abgekühlt und einem dritten Bereich (C) des Multi-Kondensatabscheiders (D1) zugeführt wird und das Gas aus dem dritten Bereich (C) des Multi-Kondesatabscheider (D1) einer
Expansionsvorrichtung (X1) zugeführt wird, in der das Gas expandiert wird, und dann zum Methanabscheider (T1) geführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Multi-Kondensatabscheider (D1) eingesetzt wird, der vier oder mehr Bereiche (A, B, C, ...) aufweist.
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