专利名称：进料中<50%轻质组分的改进热泵蒸馏的制作方法
技术领域：
本发明领域涉及烃的分离。具体而言，本发明涉及改进用于通过蒸馏分离具有近似沸点的烃组分的能量使用。
背景技术：
烃的分离是石油工业中的基本方法。石油为许多烃化合物的混合物，将化合物分离并用于不同的目的，例如燃料、润滑剂、聚合物装置的原料等。石油工业中的一种分离方法是蒸馏。蒸馏是基于混合物中各组分的相对挥发度的不同和因此液体混合物与由液体混 合物形成的蒸气之间组成的不同的分离方法。在包括多个阶段的标准连续蒸馏方法中，组成的不同容许各个阶段的部分分离。使液相和蒸气相进入不同的阶段中，并进一步产生各自具有不同组成的新液相和蒸气相。标准蒸懼系统包括高塔，蒸气向上流动并与向下流动的液体接触。蒸气相通过加入足够的热以使液体在达到塔底部时沸腾或蒸发而形成，且蒸气在离开塔顶部时冷凝。该方法耗费大量能量以连续地加工烃料流，并通常使用多个塔以将进料流分离成多个产物流。蒸馏系统的问题在于它们是能量的大用户且对能量使用和消耗而言效率低。设计的改进可显著降低能量消耗。随着提高能量成本和提高降低与能量消耗有关的CO2排放的压力，迫切需要更有效的蒸馏设计。发明概述能量效率对能量密集型方法而言是重要的。用蒸馏分离烃化合物是能量密集的，并且分离具有接近沸点的组分的烃化合物，能量是显著的。本发明提供改进能量效率的烃分离。本发明为从烃混合物中分离轻质组分的方法。使烃进料流在精馏段与汽提段之间的位置进入蒸馏塔，且其中进料流包含具有少于50%轻质组分的混合物。蒸馏塔具有顶部蒸气流，该顶部蒸气流进入第一热泵压缩机中，产生压缩的顶部蒸气流。压缩的顶部蒸气流进入第一再沸器换热器的蒸气侧。将压缩的顶部蒸气流至少部分地冷凝。蒸馏塔具有底部料流，且第一部分底部料流进入第一再沸器换热器的液体侧，并至少部分蒸发。蒸气返回蒸馏塔。本发明进一步包括将侧蒸气流在出料口从精馏段中取出，由此产生侧出料流。侧出料流进入第二热泵压缩机，产生压缩的侧出料流。压缩的侧出料流进入第二再沸器换热器的蒸气侧，产生冷却的侧出料流。第二部分底部料流进入第二再沸器换热器的液体侧，在那里将第二部分至少部分蒸发。来自第二换热器的第二部分的蒸气返回蒸馏塔，冷却的侧出料流返回蒸馏塔的精馏段。在一个实施方案中，将侧出料流从蒸馏塔的精馏段的下半部分取出。本发明的其它目的、实施方案和细节可由以下附图
和发明详述得到。附图简述图I为用于降低接近沸点液体的分离中的能量需求的热泵的示意图。
图2显示作为塔板数的函数的蒸馏塔上的温度梯度。图3显示丙烷-丙烯分离塔的温度相对于焓的塔总组合曲线。图4显示丙烷-丙烯分离塔的阶段数相对于焓的塔总组合曲线。发明详述烃化合物分离的一个问题是具有接近沸点的化合物是高度能量密集型的。蒸馏是将烃液体分离成分开组分的最常用方法。这通常用于具有更窄组成的液体，但还可用于制备相对纯的各个组分。蒸馏也是非常能量密集的，并涉及每年数十亿美元的燃料费用。可使用热泵或机械蒸气再压缩以降低这些能量成本。热泵有效使用蒸气机械再压缩的能量并将蒸气中的能量热转移至另一流体。这意指热能由压缩蒸气转移至液体，其中液体沸腾且压缩蒸气部分或完全冷凝。这对烃混合物中接近沸点组分的分离特别真实。降低能量强度 的任何改进可显著地影响许多烃化合物制备的经济性。本发明旨在从烃混合物中分离轻质组分。在其中进料包含少于50重量％轻质组分的情况下，顶部蒸气流可用于将热单独地转移至再沸器。然而，通过取出侧出料流，存在较低的压缩比，因此较少的机械能推动侧出料至第二再沸器温度，由此改进塔的效率。图I为新方法的阐述。该方法包括使具有少于50%轻质组分的进料流10在精馏段24与汽提段26之间的位置22进入蒸馏塔20。蒸馏塔产生顶部蒸气流28和底部液流30。轻质组分是从烃混合物中分离的所需组分，将其回收到顶部蒸气流中。顶部蒸气流28进入第一热泵压缩机40中以产生压缩的顶部蒸气流42。压缩的顶部蒸气流进入第一再沸器换热器44的蒸气侧，在那里将压缩的顶部蒸气流冷却并至少部分冷凝46。优选，操作该方法以完全冷凝压缩的顶部蒸气流。一部分冷凝的压缩顶部蒸气流作为回流返回精馏段的顶部。第一部分底部液流32进入第一再沸器换热器44的液体侦U。将第一部分32蒸发成蒸气流34并返回蒸馏塔20的汽提段26的底部。一部分48冷凝的顶部料流46作为回流进入精馏段24的顶部用于蒸馏方法。该方法进一步包括将蒸气侧流从精馏段24中取出，产生侧出料流52，将其从侧出料口 53取出。将侧出料流52在第二热泵压缩机50中压缩以产生压缩的侧出料流54。压缩的侧出料流54进入第二再沸器换热器60的蒸气侧，产生冷却的压缩侧出料流56。冷却的侧出料流56返回蒸馏塔20的精馏段24。可将冷却的压缩侧出料流56部分或完全冷凝。在一个实施方案中，冷却的侧出料流在侧出料口 53附近的位置返回精馏段。在一个实施方案中，冷却且至少部分冷凝的侧出料流56进入精馏段24中侧出料口 53以下的位置。第二部分36底部液流进入第二再沸器换热器60的液体侧。将第二部分36加热至蒸气相38并进入蒸馏塔10的汽提段26的底部。侧出料口 53的优选位置在精馏段24中位于距具有较大温度梯度的塔板10个塔板内的塔板处。关于丙烷-丙烯分离塔的温度梯度曲线显示于图2中。在一个实施方案中，侧出料口 53位于塔20的精馏段24中与具有最大温度梯度的塔板最接近的塔板处。在另一实施方案中，侧出料口 53位于精馏段24下半部分中的塔板处。至再沸器的蒸气流会将来自蒸气的能量带入再沸器中。流程会分离蒸气出料，并将一些送离侧出料。侧出料具有较小的压缩比要求，因此与仅精馏顶部蒸气压缩的压缩相比会具有一些节约。模拟使用丙烷和丙烯的热学力数据运行。进料包含35%丙烯，标称操作压力为170psia(1172kPa)。蒸馏塔入口处的进料温度为87 0F (30. 6°C )。对于具有160个塔板的塔而言，进料塔板为114级(stage)，或理论塔板114，其中第一塔板为最顶部的塔板。精馏段24包含塔板1-113，汽提段26包含塔板115-160。术语塔板和理论级就关于蒸馏塔的该讨论而言可互换。蒸馏塔具有沿着塔高度的温度梯度，关于丙烷-丙烯分离塔的实例，这可参见图
2。蒸懼塔还具有塔总组合曲线(CGCC),该曲线显示出作为j含亏损(enthalpy deficit)的函数的温度，如图3所示。这也可显示为作为焓亏损的函数的塔级或理论塔板。在图3中，焓亏损曲线具有两部分曲线的第一或上部显示蒸馏塔的汽提段26中的焓亏损；曲线的第二或下部显示蒸馏塔的精馏段24中的焓亏 损。焓亏损得自导致非均衡体系中边界上能量耗散的熵效应。当进料包含少于50%轻馏分时，出料流的位置在精馏段中，在那里温度变化的速率作为精馏段的焓亏损的函数较大。焓亏损可相对于蒸馏塔中的级位置绘出，如图4所示。当寻找到出料口位置的合适塔时，最佳位置是在焓亏损相对于级数转向时的曲线附近。在该模拟中，最佳位置在塔板或理论级80附近。另一模拟关于用于丙烯制备中的典型商业操作的具有不同级的几个塔进行。该模拟用于生产500kMTA的商业装置。丙烯与丙烷的分离是非常能量密集的，添加设备可容易地通过能量成本的节约抵消。具有160个理论级的塔的模拟结果显示于下表中。基本情况是不具有侧出料口或热泵再沸器的标准装置，和具有热泵再沸器或级间再沸器的情况。表费用对比
SOOkMTA丙烯生产
基本情况丨改进情况一
PP分离塔进料烯烃浓度，摩尔％ __34_ 产物丙晞纯度，摩尔％99.5 I99.5
热泵压缩常 荷，KW/MTC3=298.4238,7 :
公用工程費用，$/年($0,116/KWHr> 17344800 13875840 差，$/年-3468960
热泵压缩机资本成本，$6226669 I 10000000
资本成本差，$3773331
投资收蓠顧年)IIM~该模拟表明以大约13个月的投资回收期，显著的操作节约。这些模拟都用于相同的产物纯度，其中丙烯产物流具有99. 5%纯度。能量节约随着产物纯度提高而提高。尽管已关于目前认为的优选实施方案描述了本发明，应当理解本发明不限于所公开的实施方案，而是它意欲涵盖包括在所附权利要求范围的各种改进和等效配置。
权利要求
1.从烃混合物中分离轻质组分的方法，其包括 使进料流在精馏段与汽提段之间的位置进入蒸馏塔，其中进料包含少于50%的轻质组分，且其中蒸馏塔具有顶部蒸气流和底部液流； 使顶部蒸气流进入第一热泵压缩机，由此产生压缩的顶部蒸气流； 使压缩的顶部蒸气流进入第一再沸器换热器的蒸气侧，由此产生部分冷凝的顶部料流； 在出料口将侧蒸气流从精馏段中取出，由此产生侧出料流； 使侧出料流进入第二热泵压缩机，由此产生压缩的侧出料流； 使压缩的侧出料流进入第二再沸器换热器的蒸气侧，由此产生冷却的压缩侧出料流； 使第一部分底部液流进入第一再沸器换热器的液体侧，由此产生第一蒸气底部料流；和 使第二部分底部液流进入第二再沸器换热器的液体侧。
2.根据权利要求I的方法，其中将压缩的顶部料流全部冷凝。
3.根据权利要求I的方法，其进一步包括使一部分冷凝的顶部料流进入精馏段的顶部。
4.根据权利要求I的方法，其进一步包括将压缩的侧出料流部分冷凝，由此产生部分冷凝的压缩侧出料流。
5.根据权利要求4的方法，其进一步包括使部分冷凝的压缩侧出料流返回精馏段。
6 根据权利要求I的方法，其进一步包括使冷却的压缩侧出料流返回精馏段。
7.根据权利要求6的方法，其中使冷却的压缩侧出料流在出料口以下进入。
8.根据权利要求I的方法，其中将侧出料流从精馏段中位于距具有最大温度梯度每塔板的塔板10个塔板内的塔板中取出。
9.根据权利要求8的方法，其中将侧出料流从精馏段中与具有最大温度梯度每塔板的塔板最接近的塔板中取出。
10.根据权利要求I的方法，其中将侧出料流从精馏段的下半部分中取出。
全文摘要
提出用于分离原料中具有少于50%轻质组分的烃混合物的方法。该方法通过将蒸气流从蒸馏塔的精馏段中取出，并使用蒸气的再压缩提供一部分热以将离开蒸馏塔的汽提段的一部分底部料流再沸而提供能量效率。
文档编号B01D3/14GK102959051SQ201180029142
公开日2013年3月6日 申请日期2011年6月29日 优先权日2010年6月30日
发明者P·A·瑟克里斯特, B·孙 申请人:环球油品公司