一种用于生产乙苯的乙烯冷储汽化系统及方法与流程

本发明属于化工领域，具体涉及用于乙苯生产所需原料乙烯的冷储汽化的工艺及设备系统，主要包括低温乙烯气体压缩、乙烯汽化输送、冷量回收等工艺方法，使用该工艺方法及设备可以在能耗最低的条件下，稳定运行、满足乙苯生产原料需要、装置冷量需要。
背景技术：
：乙苯是重要的化工原料,主要用于脱氢生产制造化工原料单体苯乙烯，目前世界上生产乙苯基本采用苯与乙烯烷基化的工艺路线，根据原料乙烯来源不同，乙苯的生产工艺分为纯乙烯工艺（原料乙烯为聚合级乙烯）及稀乙烯（原料为含乙烯的干气）工艺，由于目前后者供应量有限，目前90%的乙苯采用聚合级乙烯为原料进行生产，生产的乙苯进一步脱氢反应生产苯乙烯。乙苯生产的常规工艺流程如图1所示，原料苯及乙烯在烃化反应器中进行烃化反应生成乙苯，反应物料进入分离单元的苯回收塔、乙苯回收塔、多乙苯回收塔系统，分离得到产品乙苯。装置需要的原料苯为液相，经过循环苯泵增压后进入烃化反应器；装置需要的原料乙烯为气相，由于烃化反应器的入口压力为3.8mpag左右，所以原料乙烯需要达到压力4.0mpag满足进入反应器反应要求。罐区的乙烯液体在常压低温（-103.7℃）条件下储存，由此可见，乙苯生产的原料乙烯需要经历增压汽化至4.0mpag气相的工艺过程，来满足生产乙苯需要。本发明即为实现原料乙烯的汽化增压而设置。目前工业化乙苯生产的原料乙烯汽化增压工艺方案与专利cn102213361b报道类似，液态乙烯储罐内乙烯通过低温乙烯潜液泵增压，带压的乙烯经过蒸汽汽化器汽化后，进入乙烯压缩机，进一步增压后，送至下游乙苯装置。其中蒸汽汽化器的壳侧使用导热媒介传递蒸汽与乙烯之间的能量，专利报道的工艺流程方框图如图2。该报道的内容国内装置普遍使用，工艺不完善地方较多，导致装置能耗高：首先，使用蒸汽汽化低温乙烯，消耗高能耗的蒸汽；其次，乙烯增压使用乙烯压缩机的工艺，由于气相压缩电耗远大于液相增压电耗，导致总的电耗增加；另外，乙烯本身的冷量未充分利用，带来冷量的损失，进一步增加化工装置能耗；最后，由于使用蒸汽作为热源，当操作不当时，蒸汽的凝液有被冷冻结晶的可能性，导致损坏设备，乙烯泄露，带来安全风险。国内其他专利有关于低温乙烯冷储汽化工艺系统的报道，但均未能在乙苯装置上使用，主要原因分析如下。专利cn201410186491及cn201420227457公开一种采用经济器/再冷凝器的节能型低温乙烯汽化工艺系统，该系统中，低温乙烯泵设置在低温液态乙烯储罐内，经济器与低温液态乙烯储罐相连接，低温乙烯泵将低温液态乙烯储罐内的低温乙烯加压输送至经济器，低温液态乙烯储罐中的bog经bog压缩机组压缩后在经济器中冷凝成乙烯，进一步进入乙烯增压泵入口，增压后的乙烯通过乙烯蒸发器汽化输出。该专利未考虑bog气相组分量大的情况，此时通过经济器冷凝气体乙烯的同时，可能导致部分液体乙烯汽化，汽化的乙烯进入乙烯增压泵时会导致泵汽蚀，而无法正常运行，当乙烯储罐的的装卸方式为槽车时，更容易出现此问题。另外，由于乙苯装置的乙烯输出是根据产能确定的，低温乙烯输出量有限，而bog压缩机是乙烯储罐压力控制需要，当下游装置乙烯需要量少或不需要此低温乙烯输送时，bog气体将不能实现冷凝，所以该方法存在一定安全隐患。专利cncn201521101583发明涉及一种液态乙烯气化热利用的节能装置，包括乙烯增压输送泵、乙烯换热器和乙烯气化器，乙烯换热器的壳程介质为冷冻液，是凝固点在-100℃以下的特殊物质，乙烯作为管程介质，管程液态乙烯吸收壳程冷冻液的热量而汽化升温。此系统只适合冷冻液为冰点-100℃以下的物质，而乙苯装置所用的冷冻液为冰点-25℃的乙二醇水溶液，乙二醇水溶液与低温-103.7℃乙烯接触可能出现结冰，带来安全隐患，因此不适合用于乙苯装置生产的乙烯汽化。而且该工艺未考虑乙烯冷储系统的气相乙烯处理、乙烯来源等问题，不具备工业化实施可能性。专利cn201620203850及cn201620204162公开提供了一种低温乙烯汽化、冷能回收装置。该装置将低温液态乙烯从低温乙烯储罐送入到乙烯气化器中，低温液态乙烯与来自换热气化器内的中间热媒介质换热释放出大量冷能，液态乙烯被气化，气态中间热媒介质被液化后返回换热气化器的下部空间与换热器底部物料进行换热，由此通过实现了对低温乙烯部分冷能的回收；中间热媒介质在将冷能传递后，温度再次升高而被气化，循环使用。由此既实现了回收低温乙烯的冷能，又可减少对其加热所消耗的能量。该技术利用中间热媒来传递热量，为保证两个换热器换热需要温差，冷冻液需要与乙烯汽化温度保持一定温差，因此只能应用到低压汽化系统回收冷量，例如应用到eo装置作为案例，因为eo装置需要的乙烯汽化压力为2.0mpag左右，冷冻液与乙烯汽化温度相差20℃以上，汽化容易实现。当乙烯汽化压力3.0mpag以上时，该型式无法满足使用要求，而乙苯装置需要的乙烯汽化压力为4.0mpag。专利cn201820802578公开本发明公开了一种乙烯法氯乙烯装置乙烯低温冷量利用系统，充分利用了低温原料乙烯的冷量，使大部分的丙烯气体在第一丙烯冷凝器内则被乙烯液体冷凝，从而可大大减少丙烯压缩机的负荷，节约电耗和第二丙烯冷凝器中循环水用量，同时节约了乙烯气化的蒸汽消耗。该系统与cn201410186491及cn201420227457类似，用于氯乙烯装置可节省部分能耗，不适合乙苯装置生产。专利cn201821074397公开本发明公开了一种新型循环水回水水浴式乙烯气化器装置，包括依次串联的循环水回水增压管道泵、水浴式乙烯气化器和乙烯缓冲罐，所述循环水回水增压管道泵外部通过循环水回水外来管提供循环水，循环水回水增压管道泵增压后送入水浴式乙烯气化器作为加热热源。本新型采用循环水回水作为加热热源，操作温和，易于控制；采用循环水回水作为加热热源，设备结构紧凑，减少装置占地面积；采用循环水回水作为加热热源，相比于使用蒸汽，大幅降低装置能耗，降低了运行费用，提高装置运行经济效益.但是工艺选择直接用循环水与乙烯换热，换热器中局部温度过低，存在误操作的水结晶成冰的风险。乙苯装置即以乙烯为原料的生产装置，在装置生产时需要低温原料乙烯汽化增压为常温4.0mpag气体；乙苯脱氢生产苯乙烯装置的低温冷冻水采用5℃左右的乙二醇水溶液，该冷冻水一般通过冰机制冷获取；因此，从乙苯装置能量综合利用角度考虑，乙苯装置所用乙烯最优的方案为采用乙二醇水溶液汽化回收-103℃乙烯冷量，一方面乙烯被汽化达到4.0mpag压力要求，另一方面乙二醇水溶液回收乙烯冷量而降温，代替冰机，降低能耗。但是该最优方案技术难度较大，一方面，乙二醇水溶液的冰点-25℃，当直接接触低温乙烯时，有结冰的风险；两一方面如果采用专利cn201620203850及cn201620204162公开的中间冷媒换热时，由于聚合级乙烯压力与温度基本一一对应，在4.0mpag条件下乙烯汽化温度1℃，与要求的5℃乙二醇水溶液的温差太小，无法实现换热汽化。因此，现有报道均无法实现乙烯汽化及冷量回收同时实现，工业化乙苯装置采用水蒸汽间接汽化乙烯或压缩机增压的方式运行，虽然运行稳定，蒸汽消耗多，装置能耗高。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有乙苯装置的原料乙烯汽化系统只能使用蒸汽汽化或气相压缩机增压的现状，提出一种低能耗的用于生产乙苯的乙烯冷储汽化系统及方法，其采用液相增压的冷量回收汽化工艺，可实现乙苯装置用乙烯的最优汽化及能量利用方案。为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种用于生产乙苯的乙烯冷储汽化系统，包括低压或常压乙烯储罐，还包括联动式换热器、乙烯气化器、乙烯缓冲罐和乙苯装置；所述低压或常压乙烯储罐通过乙烯泵与联动式换热器的上层换热筒体的原料进口相连；所述上层换热筒体的原料出口与乙烯气化器的管侧进口相连；乙烯气化器的管侧出口与乙烯缓冲罐进口相连；所述乙烯缓冲罐为乙苯装置提供所需乙烯；所述乙烯气化器的壳侧进口原料由乙苯装置提供；所述乙烯气化器的壳侧出口与下层换热筒体的管侧进口相连，所述下层换热筒体的管侧出口冷却液供给乙苯装置使用；其中，所述联动式换热器包括上层换热筒体和下层换热筒体，所述上层、下层换热筒体之间设有联通管相连；所述上层换热筒体包括上隔板、上法兰、若干上换热管、左、右侧导流板和溢流板；所述上法兰将上层换热筒体分成进出口区和换热区，所述进出口区通过隔板分成进口区和出口区；对应进口区和出口区所述上层换热筒体上分别设有原料进口和出口；所述换热区顶部设有冷媒物料放空口；所述若干上换热管通过法兰固定在换热区，且上换热管的进口端穿过法兰与进口区连通，其出口端穿过法兰与出口区相连；所述左、右侧导流板竖直固定在换热区并在两板之间形成与联通管纵向对应的对流通道，所述左、右侧导流板上、下两端分别与上层换热筒体的壳体之间留有间距；所述若干上换热管分布在左、右侧导流板的两侧；所述溢流板设在在上层换热筒体底部位于联通管两侧位置，且与同侧导流板之间留有过流间隙；所述下层换热筒体包括下隔板、下法兰、若干下换热管、左、右侧定向导流板；所述下法兰将下层换热筒体分成进出口腔和换热腔，所述进出口腔通过下隔板分成进口腔和出口腔；对应进口腔和出口腔所述下层换热筒体上分别设有物流进口和出口；所述换热腔底部设有冷媒物料排净口，所述换热腔上部设有冷媒物料进口；所述若干下换热管通过法兰固定在换热腔内，且下换热管的进口端穿过法兰与进口腔连通，其出口端穿过法兰与出口腔相连；所述若干下换热管集中固定在下层换热筒体的中间位置；所述左、右侧定向导流板通过弯折将若干下换热管两侧包围并与下层换热筒体内壁之间形成导流通道；在形成导流通道的同时左、右侧定向导流板上端两板之间通过弯折形成与联通管纵向对应的气流通道。利用上述系统，本发明涉及的一种用于生产乙苯的乙烯冷储汽化方法，具体为：（1）、通过冷媒物料进口向联动式换热器加入冷媒气体，在上层换热筒体内壳侧的冷媒气体与上换热管内的低温乙烯进行换热，使低温乙烯升温至-24度以上，换热后冷媒气体凝成冷媒液体下降进入下层换热筒体内；（2）、利用乙苯装置使用的冷冻水作为换热源进入乙烯气化器的壳侧换热，进一步提升管侧内乙烯的温度使其上升至0度以上，其中冷冻水的进入温度不低于8度，出口温度不低于6度；（3）、不低于6度的冷冻水再次作为换热源进入下换热管内与壳侧的冷媒液体进行换热，使冷媒液体气化形成冷媒气体进入上层换热筒体内进行循环换热；控制下换热管内出口的冷冻水不低于3度供给乙苯装置使用。作为本发明的进一步改进为：所述冷冻水为乙二醇水溶液。如
背景技术：
中所述：乙苯脱氢生产苯乙烯装置的低温冷冻水采用5℃左右的乙二醇水溶液，因此，从乙苯装置能量综合利用角度考虑，乙苯装置所用乙烯最优的方案为采用乙二醇水溶液汽化回收-103℃乙烯冷量。作为本发明的进一步改进为：为了避免冷冻水结冰，降低乙二醇水溶液的冰点，所述乙二醇水溶液的质量浓度不低于40%。作为本发明的优选实施例：所述冷媒物料为丙烷和丁烷的混合物。其中优选混合物料中不凝气（空气、氮气、氢气、甲烷等）的含量小于1%。上层换热筒体换热区顶部设有的冷媒物料放空口用于开车阶段时冷媒物料填充阶段产生的不凝气、及正常操作时累积不凝气的排放。本发明采用乙二醇水溶液汽化回收-103℃乙烯冷量，一方面使用特殊结构的换热器加热汽化低温乙烯至4.0mpag，另一方面乙二醇水溶液回收乙烯冷量而降温，代替冰机，降低能耗。本发明不需要使用蒸汽或乙烯压缩机增压，乙烯冷储汽化输出系统运行稳定、能耗最低。附图说明图1为本发明中乙苯生产的常规工艺流程框图；图2为采用低压蒸汽为导热媒介的乙烯汽化系统框图；图3为本发明涉及的乙烯冷储汽化系统框图；图4为本发明中联动式换热器的结构示意图；图5为图4的a-a剖视结构示意图。具体实施方式为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。实施例一：如图4所示，其为本实施例中涉及的联动式换热器，其包括上层换热筒体11、下层换热筒体21和连通上层、下层换热筒体的联通管31。如图4和图5所示，上层换热筒体11包括上隔板112、上法兰111、若干上换热管116、左侧导流板120、右侧导流板121和溢流板122。上法兰111将上层换热筒体分成进出口区和换热区115，进出口区通过隔板分成进口区113和出口区114；进口区设有原料进口118，出口区设有原料出口119；换热区顶部设有冷媒物料放空口117；所述若干上换热管116通过法兰固定在换热区，且上换热管的进口端穿过法兰与进口区连通，其出口端穿过法兰与出口区相连。如图5所示，左、右侧导流板竖直固定在换热区并在两板之间形成与联通管纵向对应的对流通道123；左、右侧导流板上、下两端分别与上层换热筒体11的壳体之间留有间距；若干上换热管116分布在左、右侧导流板的两侧；所述溢流板122设在在上层换热筒体底部位于联通管31两侧位置，且与同侧导流板之间留有过流间隙。如图4和图5所示，下层换热筒体21包括下隔板212、下法兰211、若干下换热管216、左侧定向导流板221、右侧定向导流板222；下法兰211将下层换热筒体分成进出口腔和换热腔215，进出口腔通过下隔板分成进口腔213和出口腔214；对应进口腔和出口腔所述下层换热筒体上分别设有物流进口218和出口219；换热腔底部设有冷媒物料排净口217，所述换热腔上部设有冷媒物料进口220；所述若干下换热管216通过法兰固定在换热腔215内，且下换热管的进口端穿过法兰与进口腔连通，其出口端穿过法兰与出口腔相连；所述若干下换热管216集中固定在下层换热筒体的中间位置；所述左、右侧定向导流板通过弯折将若干下换热管216两侧包围并与下层换热筒体内壁之间形成导流通道223；在形成导流通道223的同时左、右侧定向导流板上端两板之间通过弯折形成与联通管纵向对应的气流通道224。本实施例中下层换热筒体21底部冷媒液体换热后汽化形成冷媒气体上升通过气流通道224、联通管31进入对流通道123；冷媒气体换热后形成冷媒液体下降，其越过溢流板122后沿壁进入联通管31后再沿着导流通道223返回下层换热筒体21底部，从而实现壳侧物料的对流传热，增强传热系数，使得换热器在低温差条件下，完成热量传递。本实施例利用冷媒液体、冷媒气体的密度差，实现物料循环流动，加强传热效率。如图3所示：其涉及本实施例中用于生产乙苯的乙烯冷储汽化系统，包括常压乙烯储罐2，低温乙烯压缩机，乙烯冷却器7，乙烯泵3，联动式换热器1、乙烯气化器4、乙烯缓冲罐5和乙苯装置6。其中常压乙烯储罐2通过乙烯泵3与联动式换热器的上层换热筒体的原料进口119相连；所述上层换热筒体的原料出口119与乙烯气化器4的管侧进口相连；乙烯气化器4的管侧出口与乙烯缓冲罐5进口相连；所述乙烯缓冲罐5为乙苯装置6提供所需乙烯；所述乙烯气化器4的壳侧进口原料由乙苯装置提供；所述乙烯气化器的壳侧出口与下层换热筒体的管侧进口218相连，所述下层换热筒体的管侧出口219冷却液供给乙苯装置使用。本实施中下层换热筒体中管侧为冷冻水，壳侧为冷媒液体，冷冻水通过加热汽化冷媒液体后温度降低至5℃；上层换热筒体中管侧为低温乙烯，壳侧为冷媒气体，乙烯通过换热将冷媒气体冷凝成液体，冷媒液体通过联通管壁回流至下层换热筒体中。本实施例中冷冻水选用50%质量浓度的乙二醇水溶液，与乙苯装置使用冷冻水的要求一致。本实施例中对应乙烯冷储汽化系统的工艺方法为：来自界外的低温乙烯进入常压乙烯储罐后，乙烯在接近常压和-103℃的条件下储存在乙烯罐中，当乙苯装置生产时，需由本设施向装置供应4.0mpag的气态乙烯，乙烯的供料汽化流程为：常压乙烯储罐中的低温乙烯经乙烯泵增压4.1mpag输送至联动式换热器的上层换热筒体的上换热管中，与来自通过冷媒物料进口进入联动式换热器中壳侧的冷媒气体换热升温至-20℃后进入乙烯气化器管侧中，在乙烯气化器中利用10度的乙二醇水溶液进入壳侧与乙烯进行换热产生出1度的乙烯气体；该乙烯气体与来自经低温乙烯压缩机、乙烯冷却器处理后的乙烯气体混合，然后进入乙烯缓冲罐，最后送入乙苯装置使用。其中联动式换热器中上层换热筒体壳侧内的冷媒气体经换热后自身冷凝成冷媒液体沿着管壁流入下层换热筒体底部；10度的乙二醇水溶液经乙烯气化器换热后形成8度的乙二醇水溶液进入下层换热筒体内的下换热管中，并与冷媒液体进行换热，使冷媒液体加热形成冷媒气体通过联通管进入上层换热筒体内，而8度的乙二醇水溶液通过与冷媒液体换热后形成5度的乙二醇水溶液进入乙苯装置中。本实施例采用乙烯液体增压的冷量回收汽化工艺，乙烯汽化及冷冻水冷量回收采用两级逆流换热的流程，进入乙烯界区的冷冻水利用乙苯装置的10℃乙二醇水回水，与-20℃低温乙烯换热汽化乙烯同时，冷冻水自身温度降低为8℃，然后进入联动式换热器的管侧，通过吸收冷媒液体的冷量自身温度降低至5℃。两级换热可以实现冷量回收同时汽化乙烯，而且两级换热工艺一方面可以增大乙烯汽化换热器的温差，实现能量传递，另一方面可以避免冷冻水结冰，与冷冻水接触的物料均为-20℃以上的物料，高于本实施例乙二醇水溶液的冰点-34℃。本实施例中冷媒物料为丙烷和丁烷的混合物，其中混合物中不凝气（空气、氮气、氢气、甲烷等）的含量小于1%。上层换热筒体换热区顶部设有的冷媒物料放空口用于开车阶段时冷媒物料填充阶段产生的不凝气、及正常操作时累积不凝气的排放。如图3所示：本系统常压乙烯储罐中乙烯气体通过压缩机抽出，当乙苯装置不生产时，此部分气体乙烯通过乙烯冷却器冷凝，返回乙烯储罐，防止物料损失及泄放。实施例二，利于实施例一中的装置应用于30万吨/年液相乙苯装置的生产。乙烯采用低温槽车运输卸车，-103℃的低温乙烯储存在7000m³低温乙烯储罐中，储罐操作压力6kpag，低温乙烯气体经过低温乙烯压缩机增压至4.0mpag进入乙烯缓冲罐。低温液体乙烯按计量的正常操作流量，8600kg/h液体乙烯经过乙烯泵增压至4.1mpag后，首先进入联动式换热器加热至-19℃，再经过乙烯气化器汽化至2℃、4.0mpag进入乙烯缓冲罐，最后送入乙苯装置作为反应原料，出界区的乙烯气体工艺条件如表1。乙烯汽化所用冷冻水为乙苯装置10℃冷冻水回水，正常操作流量为320t/h，经过与乙烯换热后降为5℃冷冻水供工艺装置使用。表1为经本体系汽化后的气体乙烯规格组份单位规格相态气体温度(20)℃2压力mpag4.0组成乙烯wt%99.95其他wt%0.005以上所述，仅用于说明本发明的技术方案而并非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页12