专利名称：乙烯回收中低成本的分配蒸馏设备和方法
无发明背景多年来分配蒸馏(Distributed distillation)已经作为炼油厂系统、乙烯回收系统、和其它商业化学、石油和石化分离系统的设计基础。可以通过将分配蒸馏与精确分离蒸馏(sharp split distillation)进行比较而更好地理解分配蒸馏。在精确分离蒸馏中，在被分离混合物的挥发性曲线上，在彼此邻近的轻质组分和重质组分之间进行分离。也就是说，在混合物中没有挥发性处于轻质组分和重质组分挥发性中间的化合物。
例如，乙烯回收系统中典型的精确分离脱乙烷塔在乙烷和丙烯之间进行精确分离。塔顶馏出基本上不含丙烯，而塔底流出基本上不含乙烷。因此，塔顶馏出包含比轻质关键组分更轻的所有组分(如乙烯、甲烷等)，而塔底流出包含比重质组分更重的所有组分(如丙烷、C4烃等)。
在分配蒸馏操作中，在挥发性曲线上邻近的组分之间不进行精确分离。类似于脱乙烷塔的分配蒸馏为“C2烃分配器”。C2烃分配器塔在甲烷和C3组分之间产生精确分离，同时在塔顶馏出和塔底流出之间分配乙烷和乙烯。在C2烃分配器塔中，轻质组分为甲烷，重质组分为丙烯。这些组分在挥发性曲线上彼此不邻近；乙烷和乙烯的挥发性在甲烷和丙烯中间。然后，在这种情况下，乙烷和乙烯在塔顶馏出和塔底流出之间“分配”。塔顶馏出包含一些乙烷和乙烯，以及甲烷和更轻的组分，但基本上没有丙烯。塔底流出也包含一些乙烷和乙烯，以及丙烯和重质组分，但基本上不含甲烷。当然，在下游的塔中必须进行组分的进一步纯化。
分配蒸馏设备的优点在于其比类似的“精确分离”蒸馏系统需要较少的总能量来产生最终纯化的组分。理解分配蒸馏节能的方法为其以更少的总相变完成组分的分离。相变(冷凝或汽化)需要能量，而减少相变数目还降低系统的能量消耗。
塔的热联合利用(Thermal coupling)是改进基于蒸馏的系统的总能量效率的另一个方法。塔的热联合利用包括用从下游塔汲取的液体方为塔提供液体回流，或用从下游塔汲取的蒸汽方为塔提供汽提蒸汽。这样，塔顶的回流液体的组成比典型的冷凝器产生的组成更接近于塔顶存在的平衡组成。同样，送到塔底的汽提蒸汽的组成比由常规的重沸器产生的蒸汽更接近于塔底存在的平衡组成。这种热联合利用降低了“再混合”到塔底中的更重质组分的量和“再混合”到塔顶中的更轻质组分的量。这改进了塔的热力学效率，降低回流和再沸腾速率，从而节约能量。
另外，在本领域中已经描述了以间壁式塔作为在单一压力壳体内合并不同蒸馏操作的方法。Wright(US 2,471,134)在1949年公开了用于分离复合流体的各组分的分配分馏塔。Petlyuk等人(Int.Chem.Eng.5，pp555-561，1965)在1965年公开了对间壁式塔的系统讨论。早期的间壁式塔设计包括在塔的中间区段内的隔离壁，而在塔的顶部和底部分别为开放的、全直径的精馏段和汽提段。Oginsy(US 5,709,780)公开了其中从塔的中间区段一直到塔底延伸的直立式隔离壁的间壁式塔。因此，隔离壁为塔提供两个汽提段或吸收段。Oginsy(US 5,755,933)另外公开了其中从塔的中间区段一直到塔顶延伸的直立式隔离壁的间壁式塔。在这种情况下，隔离壁为塔提供两个单独的精馏段。
Stork(US 6,077,985)公开了使用间壁式塔用于将烯烃工厂分离设备的脱乙烷功能和脱乙烯功能合并。这种塔的设计包含从塔的中间区段一直到塔底延伸的隔离壁。因此，将塔分为两个塔底区段。将进料物质加入到这些区段之一的中间，区段之一起到脱乙烷塔作用。塔的全直径精馏段起到乙烯精馏段的作用。隔离壁另一侧的区段起到乙烯汽提塔的作用。然而，Stork公开的两个蒸馏功能都利用了精确分离而不是分配蒸馏。
Manley(US 5,675,054)公开了将C2烃分配器与乙烯分配器组合使用，用于从多种进料物质类型的裂解气混合物回收乙烯。Manley和Hahesy(Hydrocarbon Processing 1999年4月，第117页)教导了将单独的精馏段合并到单一外壳体中、和将单独的汽提段合并到单一外壳体中，但是没有将两个单独的分配蒸馏塔的精馏段和汽提段合并到单一外壳体中。
本发明涉及其中将用于乙烯回收和纯化的两个不同的热联合利用分配蒸馏功能合并到单一外壳体中的蒸馏塔。单一外壳体中的隔离壁将塔分隔成其中进行不同蒸馏功能的区域。本发明提供了可低成本完成乙烯回收和部分纯化的分配蒸馏设备。本发明另外涉及通过使用分配蒸馏从裂解气流回收乙烯，特别是通过组合使用C2烃分配器和乙烯分配器从裂解气流回收乙烯。
现有技术的设计使用单独的蒸馏塔用于执行C2烃分配器和乙烯分配器的功能。构建和操作现有技术系统需要两个单独的压力容器、基座、和支承结构。本发明优于现有技术的改进之处在于将两个蒸馏功能合并到单一压力壳体中。因此，使用本发明的设计只需要一个压力容器、基座、和支承结构。这与现有技术相比显著降低了材料费用和施工费用。
发明概述本发明描述了用于从烃物料流回收并部分纯化乙烯的设备。单一的蒸馏塔压力壳体装有上部区域和下部区域，上部区域具有乙烯分配器精馏段，下部区域具有C2分配器段和乙烯分配器汽提段。该设备具有用于通过乙烯分配器精馏段收集向下流动的液体流和用于将该液体输送到C2分配器段和乙烯分配器汽提段的装置。C2分配器段和乙烯分配器汽提段被分隔，以防止液体或蒸汽在两个区段之间通行。蒸汽从下部区域进入上部区域，而进料物质被引入C2分配器段。
本发明另外描述回收和部分纯化乙烯的方法。将至少一种烃物料流引入到装有容纳乙烯分配器精馏段的上部区域和容纳C2分配器段和乙烯分配器汽提段的下部区域的蒸馏塔压力壳体中。将物料流引入到C2分配器段中。将汽提蒸汽也引入到C2分配器段和乙烯分配器汽提段中。从C2分配器和乙烯分配器汽提段向上流动的蒸汽被引入到乙烯分配器精馏段。使乙烯分配器精馏段回流，并从C2分配器段、乙烯分配器汽提段、和乙烯分配器精馏段回收不同的烃产物。
结合某些实施方案，将只是用于说明目的描述该设备和方法。然而，需要认识到，可由本领域技术人员对所述实施方案进行多种改变、添加、改进和修饰，其全部落入本发明的精神实质和范围内。
附图的简要说明
图1描述其中在具有隔离壁的单一外壳体中合并两种蒸馏功能的本发明的实施方案。
发明的详细说明图1描述了合并到单一蒸馏塔压力壳体中的C2烃分配器和乙烯分配器塔。单一的塔称为C101。C101的下部区段被防止液体或蒸汽从一个副区段向另一个副区段转移的防渗壁分隔成两个副区段。在图1中，两个副区段称为区段A和区段B。分开两个区段的壁为典型绝热的，以减少两个副区段之间的热传递。区段A和区段B都含有机械装置，如接触盘或填料，用于增加每个区段中液体和蒸汽的接触。如本领域技术人员已知的，每个区段可包含不同类型的机械式蒸汽/液体接触装置，或不同数目或设计的这种装置。
在图1中，隔离壁以上的C101的上部区段称为区段C，其也包含机械装置如用于在本区段内增加液体和蒸汽接触的接触盘或填料。C101的塔顶产物在E101中至少部分地冷凝并在桶D101中将液体与任何未冷凝的蒸汽分离。所回收液体的至少一部分用于提供进入塔C101的区段C顶部的回流液体。一些冷凝液体可通过物流105除去，作为塔顶馏出液体产物。C101的区段C也可具有一个或多个侧冷凝器，如E102所示。本领域技术人员会知道，在图1中由E101和D101示意表示的塔顶馏出冷凝系统和由E102表示的侧冷凝系统有许多可能的设计。这些系统的具体设计不影响本发明的性质。
从区段C离开的向下流动的液体在区段A和B之间分配，而从区段A和B离开的向上流动的蒸汽合并然后进入区段C。不限制本发明的性质，用于完成液体分配和蒸汽合并的典型布置为在区段C下面和紧接着隔离壁顶部的上面设置总液体截留升汽管型抽出盘，如图1中所示。在这种设计中，离开区段C的所有液体被截留在升汽管型抽出盘上，从而防止直接进入区段A和/或B。在升汽管型抽出盘上截留的液体通过物流106除去并进料到泵P101，其为流控制提供必要的压力。泵输出的物质被分成两股物流，107和108。物流107导向区段A的顶部，而物流108导向区段B的顶部。可以通过使用流控制阀V101控制物流107和108的流速。可使用分开并控制到区段A和区段B的液体流动的其它装置，并且其为本领域技术人员公知的。如果需要，可在位于或接近区段A的顶部布置另外的冷凝器，为本区段提供更多的液体流动和/或更大程度的控制。这种冷凝器在图1以E103表示。
在例如隔离壁顶部以上和总液体截留升汽管型抽出盘以下的空间中将来自区段A和B的蒸汽合并。然后它们穿过升汽管型抽出盘并进入升汽管型抽出盘以上和区段C以下的第二空间。然后蒸汽继续向上流动并进入区段C中的蒸汽/液体接触装置。
物料流例如脱丙烷塔的塔顶产物通过物流101在接近区段A中部的位置处进入塔C101。需要指出的是，可以使具有多种浓度的多种物料流进入区段A中，而不改变本发明的性质。在图1中，到区段A的单一进料物质将区段A分为位于进料物质下方和该区段底部上方的汽提段、和位于进料物质和隔离壁顶部之间的精馏段。用交换器E104使区段A的底部再沸腾。得自区段A的塔底产物通过物流103离开。用E105使区段B的塔底产物再沸腾。得自区段A的塔底产物通过物流104离开。
根据本发明，区段A起到C2分配器的作用，区段B起到乙烯分配器汽提段的作用，区段C起到乙烯分配器精馏段的作用。
实施例1设计类似于图1中所示的本发明的设备用于1000KTA乙烯厂。本实施例的设计不包括交换器E102和E103，并且不产生液体塔顶产物(物流105)。本实施例的进料物质为得自脱丙烷塔(在图中未表示)的塔顶馏出蒸汽，其包含氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、和丙烷。在本实施例中，区段C包含70个理论塔板数，区段A包含34个理论塔板数，区段B包含30个理论塔板数。在区段A底部以上20个理论塔板数的位置处进料。
在本实施例中，联合塔的直径为13.5英尺，高度为222英尺，并且在塔顶压力为500psig下操作。Manley的US 5,675,54的C2烃分配器为双直径塔，上部区段直径为11英尺，下部区段直径为6.5英尺，总高度为约100英尺，塔顶压力为500psi。Manley的US 5,675,54的乙烯分配器为约直径13英尺、高度240英尺，在500psig的塔顶压力下操作。比较本发明的单一塔与Manley的US 5,675,54的两个塔所涉及的设备费用，表明本发明的单一塔可比Manley的US 5,675,54的两个塔节约大约250万美元。
表1提供本实施例的组成和条件。进料物质经由物料流101进入C101。由E104产生足够的汽提蒸汽，用于从液体塔底产物提取全部的甲烷和轻质组分(物流103)。因此，物流103基本上只包含丙烷、丙烯、乙烷、和乙烯。
从区段C进料足够的液体到区段A的最上一级塔板，以从离开区段A的蒸汽除去全部的丙烯和重质组分。因此，离开区段A的蒸汽基本上只包含乙烯、乙烷、和比乙烯更轻的组分。将足够的液体进料到区段C的顶部(由交换器E101产生)，以从离开区段C顶部的蒸汽除去全部的乙烷。因此，塔的塔顶产物(物流102)基本上只包含乙烯和比乙烯更轻的组分。
将离开区段C但没有进料到区段A顶部的液体进料到区段B的顶部。在E105中产生足够的汽提蒸汽，以从离开区段B底部的液体中提取全部的甲烷和更轻的组分。因此，区段B的塔底液体(物流104)基本上只包含乙烷和乙烯。
表1图1中物流的流动和条件
权利要求
1.用于从包括乙烯、乙烷、比乙烯更轻的一种或多种组分、和选择性的C3组分和重质组分的至少一种物料流回收并部分纯化乙烯的设备，其包括a.装有上部区域和下部区域的单一压力壳体，上部区域包括乙烯分配器精馏段，下部区域包括C2分配器段和乙烯分配器汽提段；b.用于通过所述乙烯分配器精馏段收集向下流动的液体和用于将所述液体分别地输送到所述C2分配器段和所述乙烯分配器汽提段的每一个中的装置；c.用于分隔所述C2分配器段和乙烯分配器汽提段并用于防止液体或蒸汽在所述C2分配器段和乙烯分配器汽提段之间直接通行的装置；d.用于允许所述下部区域内的蒸汽进入所述上部区域的装置；和e.用于将所述物料流引入所述C2分配器段中的进料装置。
2.权利要求1的设备，其中来自所述乙烯分配器精馏段的包括乙烯和比乙烯更轻的组分的塔顶物流至少部分地冷凝，并且回收的液体用于使所述乙烯分配器精馏段回流。
3.权利要求1的设备，其中所述C2分配器段包括位于所述物料流引入位置上方的精馏段。
4.权利要求1的设备，其中所述C2分配器段包括位于所述物料流引入位置下方的汽提段。
5.用于从引入到装有上部区域和下部区域的蒸馏塔压力壳体中的至少一种物料流回收并部分纯化乙烯的方法，上部区域包括乙烯分配器精馏段，下部区域包括C2分配器段和乙烯分配器汽提段，所述物料流包括乙烯、乙烷、比乙烯更轻的一种或多种组分、和选择性的C3组分和重质组分，该方法包括a.将所述物料流引入到C2分配器段中；b.提供用于将汽提蒸汽引入到所述C2分配器段中的装置；c.将得自所述C2分配器段和所述乙烯分配器汽提段的向上流动的蒸汽引入到所述乙烯分配器精馏段中；d.提供用于将汽提蒸汽引入到所述乙烯分配器汽提段中的装置；e.将得自所述乙烯分配器精馏段的向下流动的液体引入到所述C2分配器段和所述乙烯分配器汽提段中；f.使所述乙烯分配器精馏段回流；g.从所述C2分配器段的底部回收乙烯、乙烷、和C3+组分的物流；h.从所述乙烯分配器汽提段的底部回收乙烷和乙烯的物流；和i.从所述乙烯分配器精馏段的塔顶馏出回收乙烯和比乙烯更轻的组分的物流。
6.权利要求5的方法，其中所述C2分配器段和所述乙烯分配器汽提段由壁分隔。
7.权利要求5的方法，其中所述C2分配器段、所述乙烯分配器精馏段、和所述乙烯分配器汽提段各自包括机械装置，用于增加向上流动的蒸汽和向下流动的液体的接触。
8.权利要求5的方法，其中所述蒸馏塔压力壳体在约400psia到约550psia的压力下操作。
9.权利要求5的方法，其中在所述下部区域以上和所述上部区域以下设置的液体分离装置防止离开所述上部区域的液体直接进入所述C2分配器和所述乙烯分配器汽提段。
全文摘要
本发明提供了用于从烃物料流回收乙烯的设备，其中该设备为装有上部区域和下部区域的蒸馏塔压力壳体。上部区域容纳有乙烯分配器精馏段，下部区域容纳有C2分配器段和乙烯分配器汽提段。蒸汽从下部区域进入上部区域，而液体从上部区域进入下部区域。本发明还公开了回收乙烯的方法。将烃物料流引入到C2分配器段中，在一系列汽提和回流步骤之后，分别从C2分配器段、乙烯分配器汽提段、和乙烯分配器精馏段回收不同的烃产物。
文档编号C07C7/04GK1761506SQ200480007624
公开日2006年4月19日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月20日
发明者里安·雷内克, 麦克尔·J·福拉尔, 李广中 申请人:Bp北美公司