用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的完全能量耦合分离系统及操作方法

摘要

本发明涉及一种用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的完全能量耦合分离系统及分离方法。针对原料中C4组分含量较多，即原料中C4组分含量分别大于C3和C5+组分的情况，将前脱丙烷乙烯流程中低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行完全能量集成，在一个隔板塔中完成完全能量耦合精馏塔分离，或通过热力学等价的完全能量耦合精馏塔序列完成分离。从而可以减少流程中换热器的数量，显著降低该混合物分离过程的设备投资和能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及精馏技术领域，特别是涉及一种用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五的完全能量耦合分离系统及操作方法，可实现碳三、碳四及碳五馏分在一个具有完全能量耦合的精馏塔或精馏塔序列中完成分离，可以显著降低该混合物分离过程的设备投资和能耗。

背景技术

在前脱丙烷乙烯流程(G.M.Clancy and R.W.Townsend，Ethylene Plant Fractionation，Chemical Engineering Progress，1971，67(2)：41-44)生产过程中，裂解气经过急冷、压缩、碱洗、干燥后，再经深冷进入高压脱丙烷塔，在提馏段乙烷及更轻组分与其它重组分分离，重组分在塔底液相流股中主要为碳三、碳四及碳五组分。该碳三、碳四及碳五组分混合物进入低压脱丙烷塔，塔顶将碳三脱除，塔底的碳四及碳五混合物进入脱丁烷塔。脱丁烷塔塔顶得到碳四混合物，塔底为碳五混合物。上述流程中，低压脱丙烷塔和脱丁烷塔均采用传统精馏塔，每个塔分别需要一个冷凝器和一个再沸器，分离过程采用先分离轻组分再分离重组分的直接分离序列结构。

目前国内外对具有能量耦合的精馏塔(隔板塔)的研究较多，专利US1915681比较早的提出应用完全能量耦合隔板塔对石油裂化产物进行分离；专利US2471134应用完全能量耦合隔板塔对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷进行了分离；专利US5339648(CN1099472)使用完全能量耦合隔板塔设计了空气分离流程；专利CN1385408A应用完全能量耦合隔板塔设计了α，β-不饱和高碳醇的制备及分离流程；专利US7169267B3(CN1469765A)针对C₅₊切取馏分蒸馏分离提出了用完全能量耦合隔板塔的方法及装置；其他应用完全能量耦合隔板塔进行化合物分离的专利还有CN1169421、US6387222B1、US6417420B1、US654907B1、CN1427832A、US6726835B2、US6762334B1、CN1474794A、CN1484627A、US6846389B2、US6887434B2、US7132038B2、CN1867539A、CN1582266A、CN1609093A、CN1678600A、CN1288141A、CN1789223A、CN1809520A、CN1845890A、CN1896047A、US7211701B2、CN1918090A、CN101006073A、CN101244982、CN101298412A、CN101328119A、US7329330B2(CN1484627A)、CN101357887、CN101367723A、CN101367724A、CN10136773A、CN101417930A。对能量耦合隔板塔进行内部结构设计的专利有US5785819、US5914012、US5902460、US6250106B1、US6645350B1、US7234691B2。专利US4230533、US6551465B1、US6558515B1、US7267746B1对能量耦合隔板塔进行了控制设计。专利CN1609107A、CN101362692A、CN101367710A、CN101516830A、US6291734B1应用具有间接序列结构的部分能量耦合精馏塔进行分离操作。此外，专利CN1723065A和CN101028987应用直接序列结构部分能量耦合精馏塔进行了萃取分离。以上有关能量耦合隔板塔应用于实际工业乙烯流程中产品分离的，只有专利US6291734，其对乙烯流程中碳三、碳四及碳五的分离做了能量耦合精馏的设计，但该工艺仅应用了间接分离序列结构的部分能量耦合精馏塔。而该种间接分离序列结构只有当原料中C₅₊组分含量较多时才具有节能优势。否则直接分离序列的部分能量耦合结构或全部能量耦合结构会更有优势。

发明内容

本发明针对前脱丙烷乙烯流程中低压脱丙烷塔和脱丁烷塔，对进料组成中C₄组分含量较多的状况，给出了完全能量耦合精馏塔或与之热力学等价的完全能量耦合的精馏塔序列完成分离任务，以适应实际工业生产状况的需要。

本发明的技术方案如下：

本发明的用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五完全能量耦合的分离系统，针对原料中C₄组分含量较多，即原料中C₄组分含量分别大于C₃和C₅₊组分含量的情况，将低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行完全能量集成，在一个隔板塔中完成完全能量耦合精馏塔分离，或通过热力学等价的完全能量耦合精馏塔序列完成分离。

本发明的在一个隔板塔6中完成完全能量耦合精馏塔分离的系统是：隔板塔6内分为4个区域，塔内设置有一垂直壁5，将塔分成四个区域，区域1、区域2(包括区域2a和2b)、区域3和区域4；区域1是指进料一侧，从垂直壁5上端对应的塔板处至垂直壁下端对应的塔板处；区域2a是指侧线采出一侧，从垂直壁5上端对应的塔板处至侧线采出的塔板处；区域2b是指侧线采出一侧，从侧线采出的塔板处至垂直壁5下端对应的塔板处，区域2a和区域2b共同构成区域2；区域3是指从塔顶第一块板至垂直壁5上端对应的塔板处；区域4是指垂直壁5下端对应的塔板处至塔底最后一块塔板处。原料从区域1的塔板处进料，区域1实现C₃和C₅₊组分的分离；区域3和区域2a实现C₃和C₄组分的分离，C₃组分从区域3塔顶部采出；区域2b和区域4实现C₄组分和C₅₊组分的分离，C₄组分从区域2经侧线11采出，C₅₊组分从区域4的塔底部采出；隔板塔6塔顶设有一个冷凝器8用于区域3流出的气相物流冷凝，冷凝器8连接有回流罐9，为区域3提供回流液及塔顶产品，塔底设有一个再沸器12用于为全塔提供上升蒸汽。

完全能量耦合精馏塔分离系统的操作方法是，隔板塔塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，区域3的塔板数为10～25，顶部温度-6.0～5.0，回流比5.0～9.0；区域1和区域2的塔板数分别为15～30，区域4的塔板数为25～35；进料位置为区域1的第8～15块塔板处，C₄组分采出位置为区域2的第3～6块塔板处。

通过热力学等价的完全能量耦合精馏塔序列完成分离的系统有多种形式，本发明采用如下设计系统：

用通过气、液相流股相互连接的两个完全能量耦合精馏塔替代隔板塔，即预分馏塔18和主精馏塔19；仅有主精馏塔19设有塔顶冷凝器8和塔底再沸器12，塔顶冷凝器8连接有回流罐9；原料从预分馏塔18进料，塔顶采出一气相流股14、塔底采出液相流股17分别进入主精馏塔19相应的两个进料板，同时由主精馏塔19相应的两个进料板位置分别采出液相流股15和气相流股16作为预分馏塔18的塔顶回流和塔底上升蒸汽。预分馏塔18作为区域1实现C₃与C₅₊组分的分离；主精馏塔19塔顶第一块板至该塔上端进料板处为区域3，主精馏塔19上端进料板至侧线11产品采出位置为区域2a，区域3和区域2a实现C₃和C₄组分的分离，C₃组分从区域3塔顶部采出；主精馏塔19侧线11产品采出位置至下端进料板为区域2b，主精馏塔19下端进料板至塔底最后一块塔板为区域4，区域2b和区域4实现C₄组分和C₅₊组分的分离，C₄组分从区域2经侧线11采出，C₅₊组分从区域4的塔底部采出。

预分馏塔18塔顶操作压力为0.520～0.730MPa，塔板数为15～30块板，进料位置为第8～15块塔板处，塔顶温度32.0～45.0；主精馏塔19塔顶操作压力为0.5100.720MPa，塔顶温度-6.0～5.0，回流比6.0～9.0，塔板数为55～85，C₄组分采出位置为第10～30块塔板处。

本发明的各个区域的传质单元可以应用塔板，也可以应用规整填料或散堆填料；

本发明的用于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四和碳五分离系统，并不仅限于前脱丙烷乙烯流程中碳三、碳四及碳五的分离，对于具有相似组成分布的其他物系分离，也适宜采用本发明的方法。

本发明采用隔板塔结构或与之热力学等价的能量耦合精馏塔序列将传统乙烯流程中低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行能量集成，将低压脱丙烷塔与脱丁烷塔进行完全能量耦合。针对进料中C₄组分比例较大的情况，采用完全能量耦合精馏塔(如图1)或与之热力学等价的完全能量耦合的精馏塔序列(如图2)完成C₃、C₄及C₅₊馏分的分离，从而可以减少流程中换热器的数量，显著降低该混合物分离过程的设备投资和能耗。

附图说明

图1为依据本发明所提供的完全能量耦合精馏塔分离流程简图，用于原料中碳四含量较大时的精馏分离。

图2为与图1热力学等价的完全能量耦合的精馏塔序列。

其中：

1—区域1       10—塔顶C₃产品管线

2—区域2       11—侧线C₄产品管线

3—区域3       12—再沸器

4—区域4       13—塔底C₅₊产品管线

5—隔板        14—预分馏塔18塔顶气相采出管线

6—隔板塔      15—主精馏塔19液相侧线采出管线

7—进料管线    16—预分馏塔18塔底液相采出管线

8—冷凝器      17—主精馏塔19气相侧线采出管线

9—回流罐      18—预分馏塔18

                   19—主精馏塔19

具体实施方式

本发明通过下面的设计实例详细说明具体效果。

实施例1：如图1，完全能量耦合隔板塔6，用于原料中碳四含量较大(如表1)时的精馏分离，即原料中C₄的含量分别大于C₃和C₅₊组分含量，其内部垂直壁5将塔分成四个区域，区域1、区域2、区域3和区域4。区域1作为初馏塔段主要实现C₃和C₅₊组分的分离，原料经管线7从区域1的塔板处进料，C₃组分和部分C₄组分进入区域3的底部(亦即区域2a的顶部)，C₅₊组分和部分C₄组分进入区域4的顶部(亦即区域2b的底部)。区域3实现C₃组分和C₄组分之间的精馏分离，C₃组分从区域3顶部采出，经冷凝器8进入回流罐9，一部分作为C₃产品经管线10采出，另一部分作为回流液返回区域3。区域2a主要实现C₃组分和C₄组分之间的提馏分离，C₄组分产品从区域2a的底部经侧线11采出，区域2b主要实现C₄组分和C₅₊组分之间的精馏分离，C₄组分产品从区域2b的顶部经侧线11采出，区域4实现C₄组分和C₅₊组分之间的提馏分离，C₅₊组分从区域4的底部采出，一部分作为产品经管线13采出，另一部分经再沸器12返回区域4。在图1所示的各个区域可以应用塔板，也可以应用规整填料或散堆填料。

隔板塔塔顶操作压力为0.520～0.720MPa，区域3的塔板数为10～25，顶部温度-6.0～5.0，回流比5.0～9.0；区域1和区域2的塔板数分别为15～30，区域4的塔板数为25～35；进料位置为区域1的第8～15块塔板处，C₄组分采出位置为区域2的第3～6块塔板处。

对于如表1的原料，根据本发明的方法，设计如图1所示的完全能量耦合隔板塔6用于100万吨乙烯/年的乙烯装置中，并与传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行分离效果、能耗及设备的比较。

表1 完全能量耦合精馏塔进料组成

                                  

进料组分            摩尔分数

                                  

乙炔                0.000132

乙烯                0.000371

乙烷                0.00449

丙炔                0.0263

丙烯                0.244

丙烷                0.0116

1，2-丁二烯         0.263

1-丁烯              0.206

正丁烷              0.0170

C5烃                0.135

苯                  0.0623

戊烷                0.0282

甲苯                0.00228

                                  

在传统前脱丙烷乙烯流程中，低压脱丙烷塔操作压力为0.850MPa，48块塔板，塔顶温度为10.9℃，塔顶冷凝器使用丙烯冷剂作为冷却介质，冷凝器热负荷为3.75MW；再沸器操作温度为88.5℃，低压蒸汽加热，再沸器热负荷5.2MW；脱丁烷塔操作压力为0.520MPa，50块塔板，塔顶温度为54.1℃，塔顶冷凝器使用工业冷却水作为冷却介质，冷凝器热负荷为10.11MW；再沸器操作温度为103.6℃，低压蒸汽加热，再沸器热负荷9.53MW。

应用本发明中的完全能量耦合精馏塔流程，完成相同分离任务塔6的操作压力为0.520MPa，塔板数共63块，塔内隔板5的位置为从塔6的第14块板至第38块板，进料位置在区域1的第11块板(亦即塔6的第25块板)，侧线采出位置在区域2的第4块板(亦即塔6的第18块板)；塔顶温度为-6℃，冷凝器由丙烯冷剂对塔顶物料进行冷凝，冷凝器热负荷为11.77MW；塔底温度104℃，低压蒸汽加热，再沸器热负荷为12.47MW。

与传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔流程相比，冷凝器热负荷由13.86MW降低至11.77MW，再沸器热负荷由14.73MW降低至12.47MW，消耗的公用工程量共减少了4.32MW，约减少了15.1％的能量消耗。此外根据本发明建立的分离流程，减少了设备数量，流程中使用一个精馏塔代替了传统流程中的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔，同时减少了1台再沸器、1台冷凝器、1台回流罐及相应的物料输送等辅助设备。

实施例2：如图2，完全能量耦合的精馏塔序列，用于原料中碳四含量较大(如表1)时的精馏分离，包含两个精馏塔，预分馏塔18和主精馏塔19。这两个塔构成的分离流程在热力学上与图1中的完全能量耦合精馏塔6是热力学等价的，预分馏塔18所对应的区域1主要实现C₃和C₅₊组分之间的分离，主精馏塔19的区域3和区域2a实现C₃和C₄组分的分离，区域2b和区域4实现C₄组分和C₅₊组分的分离。原料经进料管线7从预分馏塔18进料，塔顶采出一气相流股14、塔底采出液相流股17分别进入主精馏塔19相应的两个进料板，同时由主精馏塔19相应的两个进料板位置分别采出液相流股15和气相流股16作为精馏塔18的塔顶回流和塔底上升蒸汽。主精馏塔19塔顶设有一个冷凝器8用于区域3流出的气相物流冷凝，塔底设有一个再沸器12用于为全塔提供上升蒸汽，C₃组分从主精馏塔19区域3顶部采出，经冷凝器8进入回流罐9，一部分作为C₃产品经管线10采出，另一部分作为回流液返回区域3。C₄组分从主精馏塔19区域2侧线11采出，C₅₊组分从主精馏塔19区域4的塔底部采出，一部分作为产品经管线13采出，另一部分经再沸器12返回区域4；在图2所示的精馏塔各个区域可以应用塔板，也可以应用规整填料或散堆填料。

预分馏塔18塔顶操作压力为0.520～0.730MPa，塔板数为15～30块板，进料位置为第8～15块塔板处，塔顶温度32.0～45.0；主精馏塔19塔顶操作压力为0.51～0.72MPa，塔顶温度-6.0～5.0，回流比6.0～9.0，塔板数为55～85，C₄组分采出位置为第10～30块塔板处。

对于如表1的原料，根据本发明的方法，设计如图2所示的完全能量耦合的精馏塔序列用于100万吨乙烯/年的乙烯装置中，并与传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔进行分离效果、能耗及设备的比较。

使用完全能量耦合的精馏塔序列预分馏塔18和主精馏塔19完成分离任务，预分馏塔18的操作压力为0.520MPa，20块塔板，进料位置为第11块塔板，塔顶温度为32℃；主精馏塔19的操作压力为0.510MPa，63块塔板，气相进料位置为第14块塔板，液相进料位置为第39块塔板，气相侧线采出位置为第38块板，液相侧线采出位置为第15块板。塔顶的温度为-6℃，冷凝器由丙烯冷剂对塔顶物料进行冷凝，冷凝器热负荷为11.77MW；塔底温度104℃，低压蒸汽加热，再沸器热负荷为12.47MW。

同样，与传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔流程相比，冷凝器热负荷由13.86MW降低至11.77MW，再沸器热负荷由14.73MW降低至12.47MW，消耗的公用工程量共减少了4.32MW，约减少了15.1％的能量消耗。此外根据本发明建立的分离流程，减少了设备数量，流程中使用两个能量耦合的精馏塔代替了传统流程中的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔，同时减少了1台再沸器、1台冷凝器、1台回流罐及相应的物料输送等辅助设备。

以上比较的结果表明，针对原料中碳四含量较大的情况，应用本发明的方法可显著减少传统前脱丙烷乙烯流程中实现相同分离任务的低压脱丙烷塔和脱丁烷塔流程装置的能量消耗费用，同时可减少设备费用。对于已有装置精馏塔的利用，采用等价的精馏塔序列完成分离任务可作为经济上有利的备选方案。