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DE69501043T2 - Verfahren zur Rückgewinnung von Ethylen mit offenem Umlauf von einem gemischten Kühlmittel - Google Patents

Verfahren zur Rückgewinnung von Ethylen mit offenem Umlauf von einem gemischten Kühlmittel

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DE69501043T2
DE69501043T2 DE69501043T DE69501043T DE69501043T2 DE 69501043 T2 DE69501043 T2 DE 69501043T2 DE 69501043 T DE69501043 T DE 69501043T DE 69501043 T DE69501043 T DE 69501043T DE 69501043 T2 DE69501043 T2 DE 69501043T2
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DE
Germany
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cooling
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ethylene
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mixed refrigerant
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Lee Jarvis Allentown Pa 18103 Howard
Howard Charles Center Valley Pa 18034 Rowles
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Original Assignee
Air Products and Chemicals Inc
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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die Rückgewinnung von Ethylen aus Leichtgasen bei kryogenen Temperaturen, und insbesondere einen Mischkältemittelzyklus mit offenem Umlauf zur Bereitstellung von Kühlung für die Rückgewinnung.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Rückgewinnung von Ethylen aus rohen, leichten Kohlenwasserstoff-Gasgemischen ist ein wirtschaftlich wichtiges, aber sehr energieintensives Verfahren. Herkömmlicherweise werden kryogene Zerlegungsverfahren verwendet, welche große Kältemengen bei niedrigen Temperaturen erfordern, und die Entwicklung von Verfahren zur Reduktion des Energieverbrauchs für diese Kühlung ist in der petrochemischen Industrie von bleibender Wichtigkeit.
  • Ethylen wird aus Leichtgasgemischen zurückgewonnen, wie z.B. Crackgas aus Kohlenwasserstoffcrackern, welche verschiedene Wasserstoffkonzentrationen, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen und geringe Mengen höherer Kohlenwasserstoffe, Stickstoff und andere Spurenelemente enthalten. Die Kühlung zum Kondensieren und Fraktionieren solcher Gemische wird üblicherweise mit fortlaufend sinkenden Temperatumiveaus durch umgebungsgekühltes Wasser, Propylen- und Ethylen-Systeme mit geschlossenem Umlauf und Arbeitsexpansion oder Joule-Thomson-Expansion von unter Druck stehenden leichten Gasen bereitgestellt, die im Zerlegungsprozeß erzeugt werden. Über die Jahre sind viele Ausgestaltungen entwickelt worden, die diese Typen der Kühlung verwenden, wie sie in den repräsentativen US-Patenten 3,675,435,4,002,042,4, 163,652,4,629,484, 4,990,347, und 5,035,732 aufgezeigt sind.
  • Die Verwendung von Mischkühlmittelsystemen kann in eines oder mehrere der oben genannten Kühlungsverfahren integriert werden, um den Gesamtenergiewirkungsgrad der Ethylenrückgewinnung zu verbessern. Mischkältemittel flir solche Systeme umfassen typischerweise Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen und optional andere leichte Komponenten. Mischkühlmittel zeigen die wünschenwerte Eigenschaft des Kondensierens über einen gewissen Temperaturbereich, was die Ausgestaltung von Wärmetauschsystemen gestattet, welche thermodynamisch leistungsfähiger sind als Einzelkühlsysteme.
  • Das US-Patent 4,072,485 beschreibt einen Mischkühlmittelzyklus mit geschlossenem Umlauf zur Bereitstellung von Kühlung auf niedrigem Niveau in einer Erdgasverarbeitungsanlage oder für die kryogene Sektion einer Ethylenanlage, welche eine oder mehrere Teilkondensierungszonen zur Kühlung von Speisegas verwendet. In diesem Zyklus wird das Mischkühlmittel zur Hälfte mit Kühlwasser oder Luft in der Nähe der Umgebungstemperatur kondensiert und dann vollständig bei +10ºC (+50ºF) kondensiert und auf ungefähr -31,67ºC (-25ºF) unterkühlt, und zwar bei mehreren Propan- oder Propylenkühlungsniveaus. Beim Einsatz in Ethylenanlagen wird das Mischkühlmittel dann verwendet, um eine Kühlung über den Temperaturbereich von -40ºC (-40ºF) bis -100ºC (-148ºF) bereitzustellen, d.h. es wird auf den gleichen Temperaturbereich beschränkt wie die Ethylenkühlung, die es ersetzt. Ein spezifischeres Beispiel dieses Zyklus beim Einsatz in einer Ethylenanlage wird in einem Artikel von Victor Kaiser, u.a. "Mixed Refrigerant for Ethylene" in der Oktoberausgabe 1976 von Hydrocarbon Processing, Seiten 129-131 beschrieben.
  • Das US-Patent 4,720,293 offenbart ein Verfahren zur Rückgewinnung von Ethylen aus emem Raifmerleabgas, welches einen Mischkältemittelzyklus mit geschlossenem Umlauf verwendet. Bei diesem Verfahren wird das Mischkältemittel in einem einzigen Wärmetauscher dazu eingesetzt, Kühlung über einen relativ warmen Temperaturbereich von +15,56ºC (+60ºF) bis -65ºC (-85ºF) zur Verfügung zu stellen. Die Kühlung bei niedrigen Temperaturniveaus wird durch das Verdampfen separaten Ethans bei niedrigem Partialdruck und hohem Gesamtdruck bereitgestellt sowie durch Arbeitsexpansion leichter Gase, welche typischerweise zusammen mit dem Ethan keine Verwendung als Brennstoff finden.
  • Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrenstechnologle muß das Kühlen des Speisegases und das Entmethanisieren bei Drücken im Bereich von 31,026 bis 44,816 bar (450 bis 650 psia) durchgeführt werden, um eine hohe Ethylenwiedergewinnung (99 % oder höher) zu erreichen, weil das Propylen/Ethylen-Kaskadensystem zum Kühlen des Speisegases und für die Entmethanisierkolonnen-Kondensierkühlung lediglich eine Kühlung zur Verfügung stellen kann, die nicht kälter ist als -101,11ºC (-150ºF). Die Kältemenge zur Kühlung der Speisung auf unter -101,11ºC (-150ºF), welche aus anderen Verfahrensströmen in einer Ethylenanlage gewonnen werden kann, ist durch Betriebsbeschränkungen, wie z.B. die Menge des zurückgewonnenen Hochdruckwasserstoffes und dem Kraftstoffsystemdruck eingeschränkt. Diese Beschränkungen begrenzen die Menge der Expandiererkühlung, die erzeugt werden kann, was wiederum die Ethylenrückgewinnung einschränkt.
  • Drücke zwischen 31,026 und 44,816 bar (450 und 650 psia) werden beim Kühlen des Speisegases und in der Entmethanisierkolonne benötigt, so daß der Großteil des Ethylens auf über -101,11ºC (-150ºF) kondensiert werden kann, und so, daß eine ausreichende Kraftstoffgas-Expansionskühlung bei kalter Temperatur vorhanden ist, um einen Großteil des verbleibenden Ethylens zu kondensieren und einen geringen Ethylenverlust im Entmethanisierkolonnen-Kopfdampf zu erzielen.
  • Die Integration von verbesserten Mischktühlnittelzyklen mit herkömmlicher Zwischenund Niedertemperaturkühlung verspricht eine weitere Reduktion des Energieverbrauchs bei der Ethylenrückgewinnung. Insbesondere ist es wünschenswert, den Kühlungswirkungsgrad bei den niedrigsten Temperaturniveaus, die für eine hohe Ethylenrückgewinnung benötigt werden, zu verbessern. Die in der folgenden Beschreibung erörterte und in den anhängenden Ansprüchen definlerte Erfindung stellt einen einzigartigen Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf für die leistungsfahige Ethylenrückgewinnung zur Verfügung.
  • Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist durch den Anspruch 1 definiert, während vorteilhafte Ausführungsformen durch die Unteransprüche beschrieben werden.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellte vorliegende Erfmdung ist ein Kühlungsverfahren zur Rückgewinnung von Ethylen, bei dem ein ethylenhaltiger Mischgasstrom, der Wasserstoff, Methan, Ethan und Ethylen enthält, in einer Kaltspeisungs-Kondensierungszone (101) gekühlt wird, um mindestens ein kaltes Speisekondensat (5) und einen leichten Gasstrom (3) hervorzubringen. Das kalte Speisekondensat (5) wird durch indirekten Wärmetausch in einer Mischkühlmittel-Kühlzone (107) mit einem oder mehreren kalten Verfahrensströmen unterkühlt, um ein unterkühltes Kondensat (11) hervorzubringen. Ein erster Anteil (13) des unterkühlten Kondensats (11) wird geflasht und der resultierende geflashte Strom (15) stellt Kopfkondensatorkulilung für mindestens eine der Entmethanisierkolonnen durch indirekten Wärmetausch zur Verfügung, das sich erwärmt und den resultierenden geflashten Strom (15) zumindest teilweise verdampft, um einen Entmethanisier-Kopfkondensator-Kühlmittelauslaßstrom (17) hervorzubringen. Ein zweiter Anteil (19) des unterkühlten Kondensators (11) wird geflasht, um mindestens einen Anteil der Kühlung bereitzustellen, die notwendig ist, um den Ethylen enthaltenden Mischgasstrom zu kühlen und einen Anteil davon durch indirekten Wärmetausch in der Kaltspeisungskondensierungszone (101) zu kondensieren, welche sich erwärmt und den zweiten Anteil (19) des unterkühlten Kondensats zumindest teilweise verdampft, um einen Kaltspeisungs-Kondensierungszonen-Kältemittelauslaßstrom (9) hervorzubringen.
  • Der ethylenhaltige Mischgasstrom enthält typischerweise Ethylen, Wasserstoff und C&sub1;- bis C&sub3;-Kohlenwasserstoffe. Die Kaltspeisungskondensierungszone (101) umfaßt mindestens einen Dephlegmator oder mindestens einen Teilkondensierer oder eine Kombination dieser beiden.
  • Optional wird ein dritter Anteil (21) des unterkühlten Kondensats (11) geflasht und verwendet, um zumindest einen Anteil der Kühlung bereitzustellen, die notwendig ist, um das Kaltspeisungskondensat (5) durch indirekten Wärmetausch in der Mischkühlmittel- Kühlzone (107) zu unterkühlen, was das resultierende, geflashte, unterkühlte Kondensat (23) erwärmt und mindestens teilweise verdampft. Das Kühlen in der Mischkältemittelzone (107) wird vorzugsweise durch Arbeitsexpansion mindestens eines Anteils des leichten Kopfproduktes aus der einen oder den mehreren Entmethanisierkolonne(n) bereitgestellt. Weitere Kühlung wird optional durch einen wasserstoffreichen Dampfstrom und einen oder mehrere methanreiche Ströme bereitgestellt, welche durch ein weiteres Kühlen und Teilkondensieren mindestens eines Anteils des leichten Gasstroms (3) erhalten werden.
  • Kühlung im offenen Umlauf wird für den Entmethanisierkopfkondensator (111) und die Speisungskühlungs- und -kondensierungsschritte durch das Komprimieren eines oder mehrerer Mischkühlmitteldampfströme in einer Mischkühlmittelkompressionszone (117) und durch das Kühlen des resultierenden komprimierten Stromes bereitgestellt, um einen teilweise kondensierten Mischkühlmittelstrom (33) hervorzubringen, sowie ferner durch das Kondensieren des Stromes durch indirekten Wärmetausch mit einem oder mehreren kalten Verfahrensströmen in der Mischkühlmittel-Kühlzone (107). Ein erster Anteil (39) des resultierenden, weiter kondensierten Mischkühlmittels (35) wird mit dem Kaltspeisungskondensator (5) aus der Kaltspeisungskondensierungszone (101) kombiniert. Ein zweiter Anteil (41) des weiter gekiihlten Mischkühlmittels (35) wird geflasht, in der Mischkmittelkühlzone (107) erwärmt, um Kühlung zur Verfügung zu stellen, und wird dann verdampft, um einen zweiten Mischkühlmittel-Kühlzonenauslaßdampf (43) hervorzubringen. Ein dritter Anteil (37) des weiter kondensierten Mischkühlmittels (35) wird zur Ethylen-Produktrückgewinnung abgezogen.
  • Niederdruck-Einlaßkühlmittel für die Mischkhlmittel-Kompressionszone (117) wird durch den Kaltspeisungs-Kondensierungszonen-Kühlmittelauslaßstrom (9) bereitgestellt und optional durch den ersten Mischkmittel-Kühlzonenauslaßdampf (18). Zwischendruck- Einlaßkühlmittel für die Mischkühlmittel-Kompressionszone (117) wird durch den zweiten Mischkühlmittel-Kühlzonenauslaßdampf (43) und optional durch den ersten Mischkühlmittel-Kühlzonenauslaßdampf (18) bereitgestellt.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform wird der ethylenhaltige Mischgasspeisestrom (150) für die Kaltspeisungs-Kondensierungszone (101) optional durch das Kühlen des Speisegasgemisches (1) und das Kondensieren eines Anteils davon in einer Warmspeisungskondensierungszone (125) bereitgestellt, um einen ethylenhaltigen Mischgasspeisestrom (51) und ein Warmspeisungskondensat (49) hervorzubringen. Die Dampfspeisungs Kondensierungszone (125) umfaßt mindestens einen Dephlegmator oder mindestens einen Kondensierer oder eine Kombination dieser beiden. Das Warmspeisungskondensat (49) wird geflasht, um mindestens einen Anteil der Kühlung zum Kühlen und Kondensieren des Speisegasgemisches (1) durch indireketen Wärmetausch mit dem resultierenden Warmspeisungskondensat bereitzustellen, wodurch das geflashte Speisekondensat verdampft wird, um einen Warmspeisungs-Kondensierungszonen-Kühlmitteldampf (53) hervorzubringen. Zusätzliches Zwischendruckspeisekühlmittel wird der Mischkühlmittel- Kompressionszone (117) durch den Warmspeisungs-Kondensierungszonen-Kühlmitteldampf (53) zur Verfügung gestellt.
  • Optional wird mindestens ein Anteil (20) des Entmethanisier-Kopfkondensator-Kühlmittelauslaßstromes (17) mit dem resultierenden geflashten Warmspeisungskondensat (50) kombiniert, um zusätzliche Kühlung für die Warmspeisungskondensierungszone (125) zur Verfügung zu stellen.
  • Ein Schlüsselmerkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß der Speisekühlungszug, der Kühlzyklus mit offenem Umlauf und die stromabwärtige Ausstattung zur Zerlegung der kondensierten Speiseflüssigkeiten im Druckbereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) betrieben werden können, wodurch eine befriedigende Ethylenrückgewinnung mit geringen Kühlanforderungen und geringeren Kapitalkosten für die stromabwärtige Zerlegungsausstattung im Vergleich mit dem Betrieb bei herkömmlichen Drücken im Bereich von 31,026 bis 44,816 bar (4450 bis 600 psia) erzielt werden.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet somit ein effizientes Mischkühlmittelsystem zur Ethylenspeisungskondensierung, wobei das System in einem Modus mit offenem Umlauf arbeitet, bei dem das Mischkühlmittel durch Komponenten im ethylenhaltigen Speisegas bereitgestellt wird.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm der vorliegenden Erfindung, welche ein Mischkühlmittel mit offenem Umlauf mit einer Speisungskühlungs- und -kondensierungszone verwendet.
  • Fig. 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm der vorliegenden Erfindung, welche ein Mischkühlmittel im offenen Umlauf mit zwei Speisungskühlungs- und Kondensierungszonen verwendet.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im wesentlichen alle Ethylen-Anlagen und eimge Ethylen-Rückgewinnungsverfahren verwenden ein Ethylen-Propylen-Kaskadenkühlungssystem, um den Hauptanteil der in der Ethylenanlage benötigten Kühlung zur Verfügung zu stellen. Der Hauptteil der Propylenkühlung (auf hohem Niveau) wird bei verschiedenen Druck/Temperaturniveaus bei der anfänglichen Speisungsvorkühlung und in Fraktionierungsabschnitten der Anlage verwendet, um das Speisegas von der Umgebungstemperatur auf ungefähr -37,22ºC (-35ºF) abzukühlen und das Ethylenkühlmittel bei ungefähr -34,44ºC (-30ºF) zu kondensieren. Ebenso wird die Ethylenkühlung (auf niedrigem Niveau) bei verschiedenen Druckltemperaturnlveaus in der kryogenen Sektion der Anlage verwendet, um die Einspeisung von -32,22ºC (-35ºF) auf ungefähr -98,33ºC (-145ºF) abzukühlen, um ihren Ethylenanteil in Form von flüssiger Speisung für eine oder mehrere Entmethanlsierkolonnen zu kondensieren, und wird in mindestens einer der Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensatoren bei ungefähr -73,33ºC (-100ºF) bis -148,33ºC (-235ºF) benutzt, um Rückfluß für die Kolonnen zur Verfügung zu stellen. Ethylen wird normalerweise nicht verwendet, um Kühlung unterhalb von -101,11ºC (-150ºF) bereitzustellen, da dies zu einem unteratmosphärischen Druck bei der Ansaugung des Ethylenkompressors führen würde. Kühlung unterhalb von -101,11ºC (-150ºF) zur Kondensierung des Restethylens aus dem Speisegas wird primär durch Arbeitsexpansion von wasserstoff- und methanhaltigen Leichtgasströmen bzw. durch die Verdampfüng von Methankühlmittel bereitgestellt, welches durch das Ethylenkühlmittel kondensiert worden ist. Die arbeitsexpandierten Gase werden normalerweise als Brennstoff verwendet und bestehen primär aus dem Kopfdampf aus der Entmethanerkolonne, hauptsächlich Methan, und jedwedem unkondensierten Speisegas, hauptsächlich H&sub2; und Methan, welches nicht in einer H&sub2;-Rückgewinnungssektion der Ethylen-Anlage oder des Ethylen-Rückgewinnungsverfahrens verarbeitet wurde. Kälte kann ebenfalls aus einem oder mehreren der wasserstoffreichen und methanreichen Ströme zurückgewonnen werden, die in einer Wasserstoffrückgewinnungssektion erzeugt werden.
  • Das Kühlen und Kondensieren des Speisegases wird vorzugsweise durch Dephlegmieren in einem Dephlegmator durchgeführt, welcher ein rektifizierter Wärmetauscher ist und das Speisegas teilweise kondensiert und rektifiziert. Typischerweise erreicht ein Dephlegmator einen Zerlegungsgrad, der mehreren Zerlegungsstufen entspricht, typischerweise 5 bis 15 Stufen. Alternativ wird das Kühlen und Kondensieren des Speisegases in einem herkömmlichen Kondensator durchgeführt, der im weiteren als Teilkondensator definiert wird, in welchem Speisegas teilweise kondensiert wird, um ein Dampf-Flüssigkeits-Gemisch hervorzubringen, welches in einem Einfach-Abscheidungsbehälter in Dampf- und Flüssigkeitsströme zerlegt wird. Eine einzelne Stufe der Zerlegung wird in einem Teilkondensator realisiert.
  • Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrenstechnologle müssen die Gaskühlung und das Entmethanisieren bei Drücken im Bereich von 31,026 bis 44,816 bar (450 bis 650 psia) durchgeführt werden, um eine hohe Ethylen-Rückgewinnung (99 % oder höher) zu erreichen, weil das Propylen/Ethylen-Kaskadensystem eine Kühlung von nicht mehr als -101,11ºC (-150ºF) für das Speisegaskühlen und für die Entmethanisierkolonnen-Kondensiererkühlung bereitstellen kann. Die Kältemenge zur Speisungskühlung unterhalb von -101,11ºC (-150ºF), welche aus anderen Verfahrensströmen in einer Ethylen-Anlage erhalten werden kann, ist durch die Betriebsbeschränküngen begrenzt, wie z.B. durch die Menge des rückgewonnenen Hochdruckwasserstoffes und den Kraftstoffsystemdruck. Diese Beschränkungen begrenzen die Menge der Expandiererkühlung, die erzeugt werden kann, was wiederum die Ethylen-Rückgewinnung einschränkt. Drücke zwischen 31,026 bis 44,816 bar (405 bis 650 pisa) sind im Speisegaskühlzug und in der Entmethanisierkolonne notwendig, so daß das meiste Ethylen oberhalb von -101,11ºC (-150ºF) gekühlt werden kann und eine ausreichende Kraftstoffgas-Expansionskühlung bei kälteren Temperaturen zur Verfügung steht, um den Hauptteil des verbleibenden Ethylens zu kondensieren und einen geringeren Ethylenverlust im Entmethanisierkolonnen-Kopfdampf zu erreichen. Die vorliegende Erfmdung umfaßt einen Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf, der so ausgestaltet ist, daß er Kühlung zur Verfügung stellt, die notwendig ist, um Ethylenanlagen- oder andere Ethylenrückgewinnungsverfahren-Speisungsgase im Bereich von -28,89ºC (-20ºF) bis -140ºC (-220ºF) zu külllen. Speisegas wird gekühlt und teilweise in einer oder mehreren Kühlungs/Kondensierungszonen kondensiert, und vorzugsweise ist mindestens eine der Kühlungs/Kondensierungszonen ein Dephlegmator. Alternativ ist mindestens eine der Kühlungs/Kondensierungszonen ein Teilkondensierer. Alternativ kann eine Kombination eines oder mehrerer Dephlegmatoren und Teilkondensierer in den Kühlungs/Kondensierungszonen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform mit zwei Kühlungs/Kondensierungszonen wird in einer wärmeren Kühlungs/Kondensierungszone (beispielsweise einem Teilkondensierer) kondensierte Flüssigkeit optional unterkühlt, auf einen Zwischendruck (3,447 bis 17,235 bar (50 bis 250 psia)) geflasht, verdampft und erwärmt, um die Warmiüveaukühlung bereitzustellen, die für das Verfahren benötigt wird. In der kalten Kühlungs/Kondensierungszone (beispielsweise im Dephlegmator) kondensierte Flüssigkeit wird optional unterkühlt, auf einen niedrigen Druck von 1,034 bis 3,447 bar (15 bis 50 psia) geflasht, verdampft und erwärmt, um die Kaltniveaukühlung bereitzustellen, die für das Verfahren benötigt wird. Eine oder mehrere Zwischenniveau-Speisekühlungs/Kondensierungszonen können hinzugesetzt werden, um zusätzliche kondensierte Speiseflüssigkeitsströme herzustellen, die verdampft und erwärmt werden (bei zusätzlichen Druckniveaus, wenn erwünscht), um Zwischenniveaukühlung für das Verfahren bereitzustellen. Jedweder dieser kondensierten Speiseflüssigkeitsströme kann, wenn notwendig, mit zusätzlichen Mischkältemitteln aus dem Zyklus mit offenem Umlauf ergänzt werden, um die Menge der Kühlung zu steigern, die für jede Speisungsoder Mischkältemittelkühlungs/Kondensierungszone zur Verfügung steht oder um die Menge der Kühlung zu steigern, die für einen Entmethanisierkondensierer bereitsteht. Kühlung für einen oder mehrere Entmethanisierkolonnenkondensierer kann durch jedweden der kondensierten Speiseflüssigkeitsströme in Reihe und/oder parallel in jeder der Speisekühlungs/KondensierungszonenoderMischkühlmittelkühlungs/Kondensierungszonen bereitgestellt werden. Alle aus dem Speisegas kondensierten Flüssigkeiten werden letztendlich aus dem Zyklus mit offenem Umlauf entfernt, um ein Ethylenprodukt zurückgewinnen, und sie werden normalerweise in einer Fraktionierungseinheit abgetrennt, typischerweise nachdem sie zunächst in einer oder mehreren Entmethanerkolonnen behandelt wurden, um Methan und andere leichte Gase zu entfernen.
  • Die Schritte der Kühlung, der Kondensation und der Kühlung mit offenem Umlauf können vorteilhafterweise im Bereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) durchgeführt, und das Speisegasgemisch kann bei Drücken von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) bereitgestellt werden. Kühlung und Kondensation des Speisegases werden vorzugsweise durch Dephlegmierung in einem Dephlegmator erzielt, welcher ein rektifizierender Wärmetauscher ist, der das Speisegas teilweise kondensiert und rektifiziert. Typischerweise erreicht ein Dephlegmator einen Abtrennungsgrad, der mehreren Zerlegungsstufen entspricht, typischerweise 5 bis 15 Stufen. Alternativ wird das Kühlen und Kondensieren des Speisegases in einem herkömmlichen Kondensator durchgeführt, der im weiteren als Teilkondensator bezeichnet werden, in welchem Speisegas teilweise kondensiert wird, um ein Dampfflüssigkeitsgemisch zu erhalten, welches in einem einfachen Abscheiderbehälter in Dampf- und Flüssigkeitsströme getrennt wird. Eine Einzelstufe der Zerlegung wird in einem Teilkondensator realisiert.
  • Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird im Detail durch das schematische Ablaufdiagramm der Figur 1 beschrieben. Ein Speisegasgemisch 1, das beispielsweise durch anfangliches Kühlen und Zerlegung von gecrackten Gasen aus einer Kohlenwasserstoffcrackeinheit erhalten wurde, liegt typischerweise bei -28,89ºC (-20ºF) bis -63,22ºC (-80ºF) und 13,790 bis 41,368 bar (200 bis 550 psia), aber kann auch im Bereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) bereitgestellt werden. Das Speisegas enthält typischerweise Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen und andere Nebenkomponenten mit geringen Konzentrationen. Die tatsächliche Zusammensetzung wird von dem Kohlenwasserstoff-Crackvorrat und dem Grad der Vorbehandlung abhängen; typische Zusammensetzung liegen im Bereich von 5 bis 40 Mol.-% Wasserstoff, 5 bis 40 Mol.-% Methan, 5 bis 40 % Ethylen, 5 bis 30 Mol.-% Ethan, geringere Konzentrationen an Propan, Propylen und höheren Kohlenwasserstoffen sowie geringeren Konzentrationen von Stickstoff und Kohlenmonoxid. Das Speisegasgemisch 1 wird gekühlt und teilweise in der Kaltspeisungs-Kondensierungszone 101 kondensiert, vorzugsweise unter Verwendung eines Dephlegmators, um ein leichtes Gas 3 hervorzubringen, das hauptsächlich Wasserstoff und Methan aufweist, sowie ein Zuführkondensat 5, das bezüglich C&sub2;- und höheren Kohlenwasserstoffen angereichert ist. Die Zone 101 ist als Dephieginator 103 und Flüssigkeitssammler 105 gezeigt. Der Kühimitteistrom 7, der später beschrieben wird, stellt Kühlung bei -117,78 bis -148,33ºC (-180 bis 235ºF) durch indirekten Wärmetausch im Dephlegmator 103 zur Verfügung und wird zumindest teilweise verdampft, um den Kaltspeisungs-Kondensierungszonen-Kühlmittelauslaßstrom 9 hervorzubringen. In der Kaltspeisungs-Kondensierungszone 101 rektifiziert der Dephlegmator 103 das Speisegasgemisch 1 äquivalent zu 5 bis 15 Zerlegungsstufen, was Ethylenverluste im leichten Gasstrom 3 sowie den Gehalt an leichten Komponenten (hauptsächlich Methan) des Speisekondensats 5 reduziert, wodurch die Gesamtethylenrückgewinnung und -reinheit erhöht wird. Das Speisekondensat bei ungefähr -31,67ºC (-25ºF) bis -73,33ºC (-100ºF) wird in der Mischkühlmittel-Kühlungszone 107 durch indirekten Wärmetausch mit später definierten kalten Strömen unterkühlt, um das unterkühlte Kondensat 11 bei ungefähr -115 bis -142,78ºC (-175 bis -225ºF) hervorzubringen. Alternativ ist die Kaltspeisungs-Kondensierungszone 101 ein Einzelstufen-Teilkondensator.
  • Ein erster Anteil 13 des unterkühlten Kondensators 11 wird auf 1,034 bis 17,235 bar (15 bis 250 psia) über das Druckreduktionsventil 109 geflasht, um Kühlmittel als resultierenden geflashten Strom 15 bei ungefähr -73,33ºC (-100ºF) bis -148,33ºC (-235ºF) für den Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator 111 zur Verfügung zu stellen, wodurch ein mindestens teilweise verdampfter Entmethanisier-Kopfkondensator-Kühlmittelauslaßstrom 17 entsteht. Ein zweiter Anteil 19 des unterkühlten Kondensats 11 wird auf 1,034 bis 3,447 bar (15 bis 50 psia) über das Druckreduktionsventil 113 geflasht, um den Kältemittelstrom 7 bei 117,78 bis -148,33ºC (-180 bis 235ºF) für den Dephlegmator 103 zur Verfügung zu stellen. Optional wird ein dritter Anteil 21 des unterkühlten Kondensats 11 über das Druckreduktionsventil 115 auf 1,034 bis 3,447 bar (15 bis 50 psia) geflasht, um geflashtes, unterkühltes Kondensat 23 als Kühlmittel bei -117,78 bis -148,33ºC (-180 bis 235ºF) für die Mischkühlmittelkühlzone 107 zur Verfügung zu stellen. Zusätzliche Kühlung wird durch kalte Verfahrensströme 25, 26 und 27 für die Mischkühlmittelkühlzone 107 zur Verfügung gestellt, die typischerweise bei -115 bis -148,33ºC (-175 bis -235ºF) bereitstehen und den Hauptanteil der Kühlung für die Mischkühlmittelkühlzone 107 besorgen. Diese kalten Ströme, welche in anderen Sektionen der Ethylenanlage (nicht gezeigt) hergestellt werden, können arbeitsexpandiertes, leichtes Kopfgas aus der Entmethanisierkolonne, arbeitsexpandiertes leichtes Gas, welches aus dem Speisegas abgetrennt wurde, sowie kalte Methan- und Wasserstoffströme aus der Wasserstoffrückgewinnungssektion der Anlage umfassen. Die Strömungsrate des geflashten unterkühlten Kondensats 23 wird so eingestellt, daß sie mit der Gesamtmenge des Kühlmittels im Gleichgewicht ist, das benötigt wird, um das Hochdruckmischkühlmittel zu unterkühlen und Änderungen in den Eigenschaften der kalten Verfahrensströme 25, 26 und 27 zu kompensieren. Zusätzliche kalte Verfalirensströme (nicht gezeigt) können verwendet werden, um die Kühlung der beschriebenen kalten Verfalirensströme 25, 26 und 27 zu ergänzen. Typischerweise ungefahr 60 bis 100 % der Gesamtkühlung für die Mischkühlmittelkühlzone 107 wird durch kalte Verfalirensströme 25, 26 und 27 bereitgestellt; der Rest wird durch geflashtes unterkühltes Kühlmittel 23 und den ergänzenden gefiashten Kühlmittelstrom 42 zur Verfügung gestellt.
  • Die Mischkühlmittelkühlzone 107 umfaßt einen oder mehrere Kühlungs- und Kondensationswärmetauscher vom herkömmlichen Typ.
  • Der Rest des Kühlzyklus dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Mischkühlmittelsystem mit offenem Umlauf, das durch die Mischkühlmittelkompressionszone 117 betrieben wird, welche eine oder mehrere Kühlmitteldampfströme komprimiert, die Methan, Ethan, Ethylen und schwerere Kohlenwasserstoffe umfassen, welche aus dem Speisegas kondensiert wurden. Die Mischkühlmittelkompressionszone 117 umfaßt einen Einzelstufen- oder vorzugsweise einen Mehrstufenkompressor vom Axial- oder Zentrifugaltyp. Vorzugsweise ist der Kompressor ein Mehrstufenkompressor, welcher mit mehreren Einlaßströme arbeitet, typischerweise mit einem Niederdruckdampfstrom, der in eine erste Stufe eingebracht wird, und einem Zwischendruckdampfstrom, der bei einer Zwischenstelle eingebracht wird. Der Niederdruckmischkühlmitteldampf 29 bei 1,034 bis 3,447 bar (15 bis 50 psia) und optional der Zwischendruck-Mischkühlmitteldampf 31 bei 3,447 bar bis 17,235 bar (50 bis 250 psia) werden auf 13,79 bis 41,368 bar (200 bis 550 psia) komprimiert, oder alternativ auf 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) in dem Kühlwassertauscher 119 gekühlt, um ein gekühltes, komprimiertes Kühlmittel 32 hervorzubringen, und weiter im Propan- oder Propylenkühlsystem 121 gekühlt und teilweise kondensiert. Der resultierende teilweise kondensierte Mischkühlmittelstrom 33, nunmehr ungefahr bei -28,89ºC (20ºF) bis -45,56ºC (-50ºF), wird weiter in der Mischkühlmittelkühlzone 107 gekühlt und kondensiert, um ein Mischkähimittel 35 bei ungefahr -45,56ºC (-50ºF) bis -87,22ºC (-125ºF) hervorzubringen.
  • Die Kühlung für den kondensierenden Mischkühlmittelstrom 33 wird teilweise durch das Erwärmen eines verdampften Entmethanisierkopfkondensator-Kühlmittelauslaßstromes 17 in der Mischkühlmittelkühlzone 107 bereitgestellt, um einen ersten Mischkühlmittel- Kühlzonenauslaßdampf 18 hervorzubringen. Zusätzliche Kühlung wird durch vorher definierte kalte Verfahrensströme bereitgestellt.
  • Ein Anteil 37 des Mischkühlmittels 35, der bezüglich der Strömung des Speisekondensat 5 entspricht, wird zur Rückgewinnung von Ethylenprodukt und zur weiteren Reinigung in der Fraktionierungssektion der Anlage abgezogen. Ein anderer Anteil 39 wird optional mit Zufuhrkondensat 5 kombiniert, um zusätzliches Kühlmittel für die Kaltspeisungs-Kondensierungszone 101 und den EntMethanisier-Kopfkondensator 111 bereitzustellen. Ein dritter Anteil 41 wird optional auf 1,034 bis 17,235 bar (50 bis 250 psia) über das Druckreduktionsventil 125 geflasht, um zusätzliche Kühlung für die Mischkühlmittelkühlzone 107 zur Verfügung zu stellen. Die Verdampfüng des geflashten Anteils 42 bringt einen zweiten Mischkühlmittel-Kühlzonenauslaßdampf 43 hervor, welcher mindestens einen Anteil des Zwischendruckmischkühlmitteldampfes 31 flir die Mischkühlmittelkomprimierungszone 117 zur Verfügung stellt.
  • Optional wird Kühlmittel 23 der Mischkühlmittelkühlzone 107 erwärmt, um zusätzliche Kühlung bereitzustellen, wodurch verdampftes Mischkühlmittel 24 hervorgebracht wird. Verdampftes Mischkühlmittel 24 wird mit dem Kaltspeisungs-Kondensierungszonen- Kühlmittelauslaßstrom 9 kombiniert, um Niederdruckmischkühlmitteldampf 29 für die Mischkühlmittelkompressionszone 117 bereitzustellen. Wenn unterkühltes Kondensat 13 über das Druckreduktionsventil 119 auf einen Zwischendruck von 1,034 bis 17,235 bar (50 bis 250 psia) geflasht wird, wird der erste Mischkühlmittel-Kühlzonenauslaßdampf 18 mit einem Zwischenmischkühlmittel-Kühlzonenauslaßdampf 43 kombiniert, um einen Zwischendruck-Mischkühlmitteldampf 31 für die Mischkühlmittelkompressionszone 117 bereitzustellen. Wenn unterkühltes Kondensat 13 über das Druckreduktionsventil 109 auf einen niedrigen Druck von 1,034 bis 3,447 bar (15 bis 50 psia) geflasht wird, wird der erste Mischkühlmittel-Kühlzonenauslaßdampf 18 mit dem Kaltspeisungs-Kondensierungszonen-Kühlmittelauslaßstrom 9 kombiniert (nicht gezeigt), um Niederdruck-Mischkühlmittelspeisung 29 für die Mischkühlmittelkompressionszone 117 zur Verfügung zu stellen.
  • Optional kann mindestens ein Anteil 45 des Kaltspeisungs-Kondensierungszonen-Kühlmittelauslaßstromes 9 mit teilweise verdampftem Entmethanisierkondensator-Kühlmittelauslaßstrom kombiniert werden, um zusätzliche Kühlung für die Mischkühlmittelkühlzone 107 bereitzustellen. Diese Option wird dann bevorzugt, wenn der Auslaßstrom 19 nur teilweise verdampft wird.
  • Eine alternative Ausführungsform der Erfmdung ist in Fig. 2 angegeben, bei welcher der Kaltspeisungs-Kondensierungszone 101 die Warmspeisungs-Kondensierungszone 125 vorangeht. Zufuhrgasgemisch 1 liegt typischerweise bei -28,89ºC (-20ºF) bis -62,22ºC (-80ºF) und 13,79 bis 41,368 bar( 200 bis 550 psia), kann aber auch im Bereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) bereitgestellt werden. Das Speisegasgemisch 1 wird anfänglich auf -45,56ºC (-50ºF) bis -87,22ºC (-125ºF) gekühlt und wird in der Warmspeisungs-Kondensierungszone 125 teilweise kondensiert, welche ein Teilkondensator sein kann, der aus einem Kühltauscher 127 und Abscheider 129 besteht. Teilweise kondensierte Speisung 47 wird in warmes Zufhhrkondensat 49 und den ethylenhaltigen Mischgasstrom 51 aufgeteilt. Der Strom 51 stellt die Speisung für die Kaltspeisungs- Kondensierungszone 101 bereit, welche vorzugsweise ein Dephlegmator 103 ist, wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 beschrieben wurde. Warmes Zufulirkondensat 49 wird auf 3,447 bis 17,235 bar (50 bis 250 psia) über das Druckreduktionsventil 131 geflasht, um geflashtes, warmes Speisekondensat 50 bereitzustellen, welches zumindest einen Anteil der Kühlung zur Verfügung stellt, die benötigt wird, um das Speisegasgemisch 1 durch indirekten Wärmetausch in der Warmspeisungs-Kondensierungszone 125 zu kühlen. Der verdampfte Kühlmittelstrom 53 stellt zusätzlichen Zwischendruck-Mischkühlmitteldampf 31 für die Mischkühlmittelkompressionszone 117 zur Verfügung.
  • Optional wird zusätzliche Kühlung für die Warmspeisungs-Kondensierungszone 125 durch das Flashen eines weiteren Anteils 55 der Mischkühlmittelflüssigkeit 35 über das Druckreduktionsventil 133 bereitgestellt, und durch das Kombinieren des geflashten Kühlmittels mit geflashtem Speisekondensat 55 stromabwärts des Druckreduktionsventils 131. Optional wird zusätzliche Kühlung für die Warmspeisungs-Kondensierungszone 125 durch das Kombinieren mindestens eines Anteils 20 des teilweise verdampften Entmethanisier- Kopfkondensator-Kühlmittelauslaßstromes 17 mit geflashtem Speisekondensat 50 bereitgestellt. Der verbleibende Anteil des Mischkühlmittelzyklus der Fig. 2 ist im wesentlichen derselbe wie der entsprechende Anteil aus Fig. 1.
  • Das Unterkühlen der Mischkülllmittelflüssigkeit 11 auf ungefähr -115 ºC (-175 ºF) bis -142,78ºC (-225ºF) nach der vorliegenden Erfmdung ist sehr vorteilhaft für Ethylenanlagen, um eine ausreichende Kühlung bereitzustellen, um das Speisegas auf 112,22ºC (-170ºF) bis -140ºC (-220ºF) abzukühlen, welches der Temperaturbereich ist, der für hohe (99 + %) oder ultrahohe (99,75 + %) Ethylenrückgewinnung erforderlich ist. Um diese hohen Ethylenrückgewinnungen zu erreichen, muß Speisegas typischerweise auf -123,33ºC (-190ºF) bis -140ºC (-220ºF) in Ethylenanlagen, die herkömmliche Teilkondensierer verwenden, gekühlt werden, oder auf -112,22ºC (-170ºF) bis -123,33ºC (-190ºF) in Ethylenanlagen, die Dephlegmatoren verwenden.
  • Während die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eine Kombination eines Teilkondensators und eines Dephlegmators zum Kublen der Speisung und zur Kondensierung verwendet, kann jedwede Kombination dieser beiden Typen von Kondensierungssystemen verwendet werden. Alternativ könnten Kombinationen eines oder mehrerer Kondensatoren und eines oder mehrerer Dephlegmatoren verwendet werden, die in Reihe betrieben werden. Beispielsweise können drei Teilkondensatoren oder Dephlegmatoren in Reihe verwendet werden; bei dieser Option könnte die Kühlung für den Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator 111 durch einen Mischkühlmittelstrom parallel zur Kühlung für den Zwischenteilkondensator oder den Zwischendephlegmator oder parallel mit dem Kühlungsteilkondensator oder Kühlungsdephlegmator bereitgestellt werden, um die erforderlichen Kühlungstemperaturniveaus am besten einzuhalten. Zusätzlich könnte der Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator 111 durch einen Dephlegmator ersetzt werden oder könnte aus einem Dephlegmator bestehen, der in Reihe mit einem Teilkondensator oder anderen Kombinationen arbeitet. In jeden Fall würde die Kühlung für diese Wärmetauscher durch die geeigneten Mischkühlmittelströme mit offenem Umlauf vorgesehen werden, um die Temperaturniveaus am besten einhalten zu können.
  • Optional könnten einer oder mehrere der verschiedenen Flüssigkeitsströme, die aus dem Speisegas kondensiert werden, vollständig im Kühlmittelzyklus mit offenem Umlauf abgetrennt werden und in einem separaten Kompressor komprimiert werden, um zwei oder mehrere Flüssigkeitsströme verschiedener Zusammensetzung als Speisung für die verschiedenen stromabwärtigen Verarbeitungseinheiten herzustellen, wie z.B. zwei Entmethanisierkolonnen oder eine Entmethanisierkolonne und eine Entmethanisierkolonne. Jeder der Kühlmittelströme 9, 18, 29, 31, 43 und 53, der nicht vollständig verdampft wird, kann weiter erwärmt werden, um Kühlung in anderen Teilen des Ethylenrückgewinnungsverfahrens bereitzustellen, wie beispielsweise in einem zweiten Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator oder einen Warmspeisungs-Kondensierungswärmetauscher.
  • Bei der Propylenkühlung und beim Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf nach der vorliegenden Erfindung sind die Kühlungsmenge und das kälteste Temperaturniveau, bei welchem sie bereitgestellt werden kann, nicht durch die Menge des nun zurückgewonnenen Hochdruck-H&sub2; oder durch den Brennstoffsystemdruck beschränkt. Deshalb können hohe Niveaus der Ethylenrückgewinnung bei der vorliegenden Erfindung mit viel geringeren Speisegasdrücken im Bereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) als bei herkömmlichen Ethylenrückgewinnungssystem erreicht werden. Die kältere Abkühlung, die durch den Mischkühlmittelzyklus bereitgestellt wird, kann ebenfalls verwendet werden, um die Menge des Ethylens zu verringern, das im Kopf der Entmethanisierkolonne verlorengeht, und damit die Ethylenrückgewinnung weiter zu steigern. Zusätzlich gestattet die kältere Abkühlung, die durch den Mischkühlmittelzyklus bereitgestellt wird, den Betrieb der stromabwärtigen Entmethanisierkolonne bei Drücken, die geringer sind als das herkömmliche Niveau von 27,579 bis 34,47 bar (400 bis 500 psia), welches für hohe Ethylenrückgewinnung benötigt wird, wenn Ethylenkühlung als Kopfkondensatorkühlmittel eingesetzt wird. Bei niedrigeren Drücken ist die Trennung von Methan und leichteren Gasen aus dem Ethylen und höheren Kohlenwasserstoffen leichter, was in geringeren Kühlungsanforderungen und niedrigeren Ausstattungskosten für das Ent- Methanisierkolonnensystem resultiert.
  • Dieses Niederdruckspeisegaskühlungskonzept mit Propylenkühlung und dem Mischkühlmittelsystem mit offenem Umlauf kann ebenfalls verwendet werden, um Ethylen, Ethyn bzw. höhere Kohlenwasserstoffe aus Raffinerie oder petrochemischen Abgasen zurückzugewinnen. Andere Kühlmittel, wie z.B. Propan, Ammoniak oder verschiedene Freone könnten anstelle von Propylen verwendet werden, um Kühlung auf hohem Niveau bereitzustellen, und zwar für die Speisegaskühlung und zum Kondensieren des Mischkühlmittels. Ein Absorptionskühlsystem könnte jedenfalls verwendet werden, um jedwedes dieser Hochleistungskühlmittel zu ergänzen.
  • Dieser Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf kann verwendet werden, um Ethylen, Ethan oder höhere Kohlenwasserstoffe aus einem Raffinerie- oder petrochemischen Abgas zurückzugewinnen. Andere Kühlmittel, wie z.B. Ammoniak und verschiedene Freone könnten anstelle von Propan oder Propylen verwendet werden, um eine Kühlung auf hohem Niveau für die Speisegaskühlung und zum Kondensieren des Mischkühlmittels bereitzustellen.
    • BEISPIEL
  • Eine Massen- und Energiebilanz wurde durchgeführt, um die Ausführungsform der Erfindung, wie sie durch die Fig. 2 beschrieben wird, zu erläutern. Ein Ethylenanlagen- Speisegasgemisch 21 bei einer Strömungsrate von 5,963 kg (13,147 lb) Mol pro Stunde und 34,47 bar (500 psia) mit 18 Mol.-% Wasserstoff, 35 Mol.-% Methan, 36 Mol.-% Ethylen und 11 Mol.-% Ethan plus schwerere Kohlenwasserstoffe wird von -35,56ºC (-32ºF) auf -59,44ºC (-75ºF) in der Warmspeisungs-Kondensierungszone 125, welche ein Teilkondensator ist, gekühlt. Der teilkondensierte Speisestrom 47 wird in den Dampfstrom 51 und den Flüssigkeitsstrom 59 aufgeteilt. Der Dampfstrom 51, der 31,5 Mol.-% Wasserstoff, 45,5 Mol.-% Methan, 19 Mol.-% Ethylen und 4 Mol.-% Ethan enthält, wird weiter auf -113,33ºC (-172ºF) in der Kaltspeisungs-Kondensierungszone 101 gekühlt, welche ein Dephlegmator ist, um den Hauptteil des verbleibenden Ethylens zu kondensieren und zu rektifizieren, welches im Speisekondensat 5 zurückgewonnen wird. Insgesamt werden mehr als 99,75 % des Ethylens im Speisegas in den beiden flüssigen Strömen 5 und 49 zurückgewonnen. Dies bedeutet, daß weniger als 0,25 % des Ethylens im Speisegasstrom 1 im Dephlegmator-Kopfleichtgasstrom 3 verlorengehen.
  • Der flüssige Strom 49, der im Speisewärmetauscher 127 kondensiert wurde, wird auf 12,411 bar (180 psia) geflasht, um den geflashten Strom 50 bei -73,33ºC (-100ºF) hervorzubringen, welcher im Speisewärmetauscher 127 verdampft und auf -37,22ºC (-35 ºF) und erwärmt und als Strom 53 zusammen mit einem Mischkühlmitteldampfstrom 43 bei -37,22ºC (-35ºF) als kombinierter Strom 31 bei 12,27 bar (178 psia) zur Mischkühlmittelkompressionszone 117 geschickt wird. Das Speisekondensat 5 aus dem Dephlegmator 103 bei -67,78ºC (-90ºF) wird mit zusätzlichem Mischküllmittel 39 bei -62,2ºC (-80ºF) kombiniert, auf -117,78ºC (-180ºC) im Mischkülmittelkühler 107 unterkühlt, um unterkühltes Mischkühlmittel 11 hervorzubringen, welches verwendet wird, um die für den Dephlegmator 103 der Kaltspeisungskondensierungszone 101 und dem Ent- Methanisier-Kopfkondensator 111 notwendige Kaltniveaukühlung zur Verfügung zu stellen. Der verdampfte Mischkühlmittelstrom 9 bei -69,44ºC (-93ºF) und die Ströme 18 und 24 bei -37,22ºC (-35ºF) werden als kombimerter Strom 29 bei 1,931 bar (28 psia) zur Mischkühlmittelkompressionszone 117 geschickt.
  • Der Mischkühlmitteldampfstrom 29 im offenen Umlauf (1687 kg (3720 lb) Mol pro Stunde) bei -56,11 ºC (-69ºF) und 1,931 bar (28 psia) und der Mischkühlmitteldampfstrom 31 (3372 kg (7435 lb) Mol pro Stunde) bei 37,22ºC (-35ºF) und 12,27 bar (178 psia) werden auf 34,681 bar (503 psia) komprimiert, und der Kompressorabstrom wird durch Kühlwasser im Wärmetauscher 119 auf 37,78ºC (100ºF) gekühlt. Gekühlter Mischkühlmitteldampfstrom 32, welcher 1 Mol.-% Wasserstoff, 24 % Methan, 57 % Ethylene und 18 % Ethan plus höhere Kohlenwasserstoffe enthält, wird weiter auf -35,56ºC (-32ºF) mit verschiedenen Propylenkühlmittelniveaus in der Kühlzone 121 gekühlt, um ungefähr 83 % des Mischkühlmittels zu kondensieren, um den Strom 33 hervorzubringen. Der Strom 33 wird dann weiter auf -62,22ºC (-18ºF) bei 34,130 bar (495 psia) gekühlt und vollständig in dem Mischkühlmittelkühler 107 gegen sich erwarmendes H&sub2; gekühlt, sowie gegen die Methanströme 25 und 26, die aus der H&sub2;-Rückgewinnungssektion der Ethylenanlage zur Verfügung stehen, gegen den Expanderstrom 27, den Mischkühlmittelstrom 42 und den Mischkühlmittelstrom 17 aus dem Entmethanisierkopfkondensator 111.
  • Ungefahr 74 % des Mischkühlmittelflüssigkeitsstromes 35, entsprechend der Gesamtmenge, die anfanglich aus dem Speisegas 1 in Strömen 5 und 49 kondensiert wurde, werden entnommen und als Strom 37 einer Entmethanisierkolonne (nicht gezeigt) zugeführt. Der Strom 41, der ungefähr 13 % der Mischkühlmittelflüssigkeit 35 beträgt, wird auf 12,411 bar (180 psia) geflasht, verdampft und auf -37,22ºC (-35ºF) im Mischkühlmittelkühler 107 erwärmt, um den Dampfstrom 43 hervorzubringen. Die restlichen 13 % der Mischkühlmittelflüssigkeit 35, im Strom 39, werden mit Speisekondensat 5 vom Dephlegmator 103 der Kaltspeisungs-Kondensierungszone 101 kombinlert und auf -117,78ºC (-180ºF) im Mischkühlmittelkühler 107 gegen sich erwärmendes H&sub2;, Methan und die Expanderströme 25, 26 und 27 unterkühlt, um ein unterkühltes Mischkühlmittel 11 hervorzubringen. Ungefähr 59 % der unterkühlten Mischkühlmittelflüssigkeit 11, im Strom 19, werden auf 2,069 bar (30 psia) und -128,89ºC (-200ºF) geflasht, und im Dephlegmator 103 der Kaltspeisungskondensierungszone 101 verdampft und auf -69,44ºC (-93 ºF) erwärmt, um einen Kühlmittelauslaßstrom 9 hervorzubringen. Die verbleibenden 41 % der unterkühlten Mischkühlmittelflüssigkeit 11, im Strom 13, werden auf 2,206 bar (32 psia) geflasht und verdampft und auf -92,78ºC (-135ºF) in dem Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator 111 erwärmt, um Rückfluß für die Kolonne bereitzustellen. Der resultierende Niederdruck-Mischkühlmitteldampf 17 wird weiter auf -37,22ºC (-35ºF) im Mischkühlmittelkühler 107 erwärmt, um Dampf 18 hervorzubringen, welcher mit dem Kaltspeisungs-Kondensierungszonen-Kühlmittelauslaßstrom 9 kombiniert, und der kombinierte Strom 29 wird zur Mischkühlmittelkompressionszone 117 bei -56,11 ºC (-69ºF) und 1,931 bar (28 psia) geschickt. Der zusätzliche Mischkühlmittelstrom 43, welcher in der Mischkühlmittelkühlzone 107 verdampft und auf -37,22ºC (-35ºF) erwärmt wird, und der Strom 53, welcher in der Warmspeisungs-Kondensierungszone 125 verdampft und auf -37,22ºC (-35ºF) erwärmt wird, werden als Strom 31 kombiniert und bei 37,22ºC (-35ºF) und 12,72 bar (178 psia) zur Mischkühlmittelkompressionszone 117 geschickt. Bei diesem Beispiel werden der Niederdruck-Mischkühlmittelstrom 23 und die zusätzlichen Mischkühlmittelströme 20, 45 und 55 nicht verwendet.
  • Bei diesem Beispiel erfordert das Mischkühlmittel-Propylenkühlungssystem mit offenem Umlauf ungefahr 10 % weniger Kompressionsenergie bei der gleichen Ethylenrückgewinnung von 99,75 % als ein herkömmliches Ethylen-Propylen-Kaskadenkühlungssystem mit geschlossenem Umlauf, um dieselbe Menge an Kühlung zum Abkühlen des Speisegases von -35,56ºC (-32ºF) bis 113,33 ºC (-172ºF) bereitzustellen. Mit einer relativ geringen Steigerung der Kompressionsenergie könnte die Ethylenrückgewinnung von 99,75 % auf 99,9 % bei der Verwendung des Mischkühlmittel-Propylenkühlungssystems mit offenem Umlauf gesteigert werden. Dieses Niveau der Ethylenrückgewinnung wurde bei herkömmlichen Ethylen-Propylen-Kühlsystemen innerhalb der Betriebsbeschränkungen der Ethylenanlage nach diesem Beispiel nicht möglich sein.
  • Der Mischkühlmittelzyklus mit geschlossenem Umlauf, der im vorher zitierten US-Patent 4,072,485 von Technip beschrieben wird, soll eine Niederniveau-(unter - 40ºC (-40ºF))Kühlung in einer Erdgasverarbeitungsanlage oder einer kryogenen Sektion einer herkömmlichen (Crackgas)-Ethylenanlage bereitstellen, welche eine oder mehrere Teilkondensierungszonen einsetzt, um gecracktes Speisegas durch Entmethanisierkolonne zu kühlen und zu kondensieren. Im Zyklus nach dem '485-Patent wird das Mischkühlmittel mehr als zur Hälfte bei nahezu Umgebungstemperatur mit Wasser oder Luft kondensiert und vollständig bei + 10ºC (+50ºF) mit einem oder mehreren Niveaus von warmem Propan und Propylenkühlmittel kondensiert und die Mischkühlmittelflüssigkeit wird auf -31,67 ºC (-25 ºF) mit kälterem Propan- oder Propylen-Kthllmittel auf einen oder mehrerer Niveaus unterkühlt. Bei einem Ethylenanlageneinsatz wird diese unterkühlte Mischklmittelflüssigkeit dann in zwei Anteile aufgespalten. Ein Anteil wird weiter auf -50ºC (-58ºF) in einem "sekundären" oder "Zusatz"-Wärmetauscher gegen kalte Verfahrensströme unterkühlt und der Restanteil wird weiter auf -100ºC (-148ºF) im "Haupt-"Tauscher gegen zurückgeführtes Niederdruckmischkühlmittel unterkühlt. Die beiden unterkühlten Mischkühlmittelströme werden dann kombimert, auf niedrigen Druck geflasht und verwendet, um Kühlung über den Temperaturbereich von -40ºC (-40ºF) bis -100ºC (-148ºF) bereitzustellen, d.h. das Mischkühlmittel ist exakt auf denselben Temperaturbereich beschränkt wie die Ethylenkühlung, die es ersetzt. Die Zuflilir von Kühlung für den EntMethanisierkolonnen-Kopfkondensator in der Ethylenanlage wird im Patent nicht speziell angesprochen.
  • Das speziellere Beispiel für eine Ethylenanlage nach dem Zyklus aus dem '485-Patent, das im vorher zitierten Artikel von Kaiser u.a. beschrieben wurde, deutet eine Energieverringerung von 9 % für das '485-Mischkühlmittel-Propylensystem mit geschlossenem Umlauf im Vergleich mit dem herkömmlichen Ethylen-Propylen-Kaskadensystem an. Jedoch sieht das '485-System Speisegaskühlung nur bis zu einem Niveau von -92,22ºC (-134ºF) vor, was für eine moderne Hochrückgewinnungs-Ethylenanlage nicht ausreicht, und es spricht ebenfalls die Kühlungsversorgung für den Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator nicht an, welche normalerweise eine Kühlung beim Niveau von -101,11 ºC (-150ºF) erfordern wurde. Beim '485-Mischkühlmittelzyklus mit geschlossenem Umlauf ist die Ethylenrückgewinnung auf diejenige beschränkt, die mit dem entsprechenden Ethylenkühlungszyklus erreicht werden könnte und welche weit unterhalb der 99+%-igen Ethylenrückgewinnung der neuesten modernen Ethylenanlagen liegt, und sehr weiter unter der 99,75+%-igen Rückgewinnung, die mit Ethylenanlagen vom Dephlegmatortyp erreicht werden kann.
  • Für hohe Ethylenrückgewinnungsniveaus über 99 % ist es notwendig, Kühlung bei sehr viel niedrigeren Temperaturen als -101,11ºC (-150ºF) vorzusehen, wie sie mit einem herkömmlichen Ethylenkühlungszyklus oder mit dem '485-Mischkühlmittelzyklus mit geschlossenem Umlauf erreicht werden kann. Die Kühlungsmenge für Speisungskühlung unterhalb von -98,33ºC (-145ºF), die aus Verfahrensströmen in einer Ethylenanlage erzielbar ist, ist durch Betriebsbeschränkungen wie die Menge des zurückgewonnenen Hochdruck-H&sub2; um die Brennstoffsystemdrücke eingeschränkt. Diese Beschränkungen schränken die Menge der Expanderkühlung ein, die hergestellt werden kann, was wiederum die Ethylenrückgewinnung einschränkt. Beim Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf nach der vorliegenden Erfindung sind die Kühimenge und das kälteste Temperaturniveau, bei welcher sie bereitgestellt werden kann, nicht durch diese Beschränkungen emgegrenzt und hohe Ethylenrückgewinnungsniveaus bis zum 99,9 % können wirtschaftlich erreicht werden. Zusätzliche oder noch kältere Kühlung kann durch den Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf durch das Erhöhen der Menge an zusätzlicher Nieder- oder Zwischendruckmischkühlmittel bereitgestellt werden, welches verwendet wird, um die Hochdruckmischkühlmittelströme zu kühlen. Zusätzlich kann der Mischkühlmittelstrom mit offenem Umlauf eine Kühlung bereitstellen, die kälter ist als das -101,11ºC (-150ºF)-Niveau, das normalerweise einem Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator durch einen Ethylenkühlungszyklus zur Verfügung gestellt wird. Diese kältere Abkühlung kann die Menge des Ethylenverlustes im Kopf der Entmethanisierkolonne reduzieren und die Ethylenrückgewinnung weiter erhöhen.
  • Der Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf nach der vorliegenden Erfindung stellt für die kryogene Sektion einer Ethylenanlage oder für einen anderen Ethylenrückgewinnungsprozess eine viel kältere Kühlung zur Verfügung als der Mischkühlmittelzyklus mit geschlossenem Umlauf nach dem '485-Patent. Die kryogene Speisungskühlungssektion (unterhalb von -28,89ºF (-20ºF)) verwendet vorzugsweise mindestens zwei getrennte Kondensierungszonen, und vorzugsweise wenigstens eine dieser Kondensierungszonen ist ein Dephlegmator zur Vorfraktionierung der kondensierten Speiseflüssigkeit, bevor sie in eine stromabwärtige Fraktionierungseinheit, wie z.B. eine Entmethanisierkolonne, eintritt. In dem Zyklus nach der vorliegenden Erfindung wird ein Hauptanteil des Mischkühlmittels im offenen Umlauf bei -28,89º (-20ºF) bis -45,56ºF (-50ºF) durch Kühlung kondensiert, die durch ein Propan-Propylen- oder ähnliches Kühlmittel bei einem oder mehreren Niveaus bereitgestellt wird, und vorzugsweise weiter kondensiert bzw. unterkühlt auf -45,56ºC (-50ºF) bis -87,22ºC (-125ºF), wobei die Kühlung mindestens teilweise durch Ethylenanlagen-Kaltverfahrensströme bereitgestellt wird. Ein Anteil der Mischkühlflüssigkeit wird vorzugsweise auf ungefähr -115ºC (-175ºF) bis -142,78ºC (-225ºF) unterkühlt, wobei der Hauptanteil dieser Kühlung durch Ethylenanlagen-Verfahrensströme bereitgestellt wird. Ein Anteil der Mischkühlmittelflüssigkeit wird vorzugsweise auf ungefähr -115ºC (-175ºF) bis -172,78ºC (-225ºF) unterkühlt, wobei der Hauptanteil dieser Kühlung durch Ethylenanlagenverfahrensströme bereitgestellt wird. Zusätzliche Kühlung für Mischkühlmittelkühlung, Kondensierung und Unterkühlung kann durch das Verdampfen von Zwischen- bzw. Niederdruck-Mischkühlmittelströmen bereitgestellt werden, um die Kühllasten im Zyklus am effektivsten auszugleichen bzw. die erzeugte Kühlungsmenge zu steigern. Die kälteste Mischkühlmittelflüssigkeit bei -115ºC (-175ºF) bis -142,78ºC (-225ºF) wird verwendet, um Kühlung für die Kaltspeisungskondensierungszone(n) bereitzustellen und um Kühlung für den Entmethanisierkolonnen- Kopfkondensator bereitzustellen, wenn dies notwendig ist. Das wärmere Mischkühlmittel bei -28,89ºC (-2ºC) bis -78,22ºC (-125ºF) wird verwendet, um Kühlung für die Warm speisungs-Kondensierungszone(n) bereitzustellen.
  • Beim Zyklus der vorliegenden Erfindung wird das Mischküknittel nicht vollständig bei +10ºC (+50ºF) kondensiert wie beim '485-Zyklus, da dies in uneffizientem Hochdruckniveaus für den Mischkühlmittelstrom resultiert, beispielsweise bis zu 49,989 bar (725 psia) im '485-Zyklus. Stattdessen wird bei der vorliegenden Erfmdung ein Hauptanteil des Mischkühlmittels bei -28,89ºC (-20ºF) bis -45,56ºC (-50ºF) bei Drücken unterhalb von 41,368 bar (550 psia) kondensiert. Dieser Mischkühlmittelzyklus stellt ebenfalls Kühlung für einen Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator zur Verfügung, welcher eine bedeutende Menge an Kühlung auf niedrigem Niveau (z.B. -87,22ºC (-125ºF)) bis -101,11 ºC (-150ºF) bei einer typischen Ethylenanlage benötigt. Der vorher zitierte Mischkühlmittelzyklus mit geschlossenem Umlauf nach dem US-Patent 4,720,293 von Air Products and Chemicals, Inc. stellt eine Kühlung auf relativ hohem Niveau (15,56ºC (+60ºF) bis -65ºC (-85ºF)) für einen Einzelwärmetauscher zur Verfügung und beruht auf der Verdampfüng abgetrennten Ethans bei niedrigem Partialdruck zur Bereitstellung von Zwischenniveaukühlung (-65ºC (-85ºF) bis -112,22ºC (-170ºF)), und zwar primär im Entmethanisierkolonnen-Kopfkondensator. Dies erfordert, daß das abgetrennte Ethan mit dem arbeitsexpandierten H&sub2; und Methan kombiniert wird (welche die Kühlung auf niedrigstem Niveau bereitstellen), das dann typischerweise nach der Kühlungsrückgewinnung zum Brennstoff geschickt wird. Dies kann bei der Verarbeitung von Raffinerieabgasen von hohem Vorteil sein, wenn das Ethan nur als Brennstoff einen Wert hat, wurde aber normalerweise in Ethylenanlagen nicht praktisch sein, wo das abgetrennte Ethan als Vorrat einen höheren Wert hat als Brennstoff und in relativ reinem Zustand zu den Cracköfen zurückgeführt werden muß.
  • Zusätzlich zu den Energieeinsparungen und den wesentlich höheren Ethylenrückgewinnungen, die durch den Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf nach der vorliegenden Erfmdung bereitgestellt wird, können wesentliche Kapitaleinsparungen wegen der Vereinfachung der Ausstattung mit dem Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf realisiert werden, und zwar im Vergleich zu einem herkönmilichen Ethylen-Kühlungszyklus. Im Vergleich mit dem herkömmlichen Ethylen-Zyklus benötigt der Zyklus mit offenem Umlauf nach der vorliegenden Erfindung weniger Ausstattungsteile und weniger Verbindungsrohrleitungen, was in geringeren Gesamtkosten resultiert. Zusätzlich ist beim Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf kein Kühlmittelzusatz notwendig, wie er beim Zyklus mit geschlossenem Umlauf notwendig ist. Ebenso muß die Mischkühlmittelzusammensetzung nicht verändert werden, wenn sie die Speisegaszusammensetzung ändert, wie es bei Mischkühlmittelzyklus mit geschlossenem Umlauf notwendig werden kann. Wenn die Speisegaszusammensetzung sich ändert, ändert sich die Mischkühlmittelzusammensetzung beim Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf automatisch.
  • Bei der Propylenkühlung und beim Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf nach der vorliegenden Erfindung kann der Speisegas-Kühlungszug einer Ethylenanlage oder einer anderen Ethylenrückgewinnungseinheit im Bereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) betrieben werden, wodurch eine oder zwei Stufen der Speisegaskompression und die hiermit verbundenen Kapitalkosten dieser Kompressionsstufe eliminiert werden. Eine äquivalene Menge an Kompressionsenergie muß den Propylen- und Mischkühlmittelkompressoren zugeführt werden, aber dies sind inkrementale Steigerungen der Kompressionsstufen mit sehr viel geringern damit verbundenen Kapitalkosten. Keine zusätzlichen Kühlungskompressionsstufen werden benötigt.
  • Speisegaskühlung und optional ebenfalls das Entmethanen können bei diesen niedrigeren Druckniveaus durchgeführt werden, während hohe Ethylenrückgewinnungen erzielt werden, weil das Propylen/Mischkühlmittel-Kaskadensystem die gesamte notwendige Kühlung bei Temperaturen bereitstellen kann, die niedriger sind als -101,11 ºC (-150ºF) und zwar völlig unabhängig von der Menge der zur Verfügung stehenden Expanderkühlung. Das Propylen/Mischkühlmittel-System kann mit Kraftstoffgasexpanderkühlung ergänzt werden, aber die Menge der Expanderkühlung ist nicht länger eine Beschränkung für die Ethylenrückgewinnung.
  • Eine Ethylenrückgewinnungseinheit, die einen Niederdruck-Kühlzug verwendet, der im Bereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) betrieben wird, mit dem Propylen- Mischkühlmittelsystem mit offenem Umlauf nach der vorliegenden Erfindung stellt zusätzliche Vorteile im Vergleich mit herkömmlichen Ethylenrückgewinnungsverfahren zur Verfügung. Diese Vorteile umfassen:
  • 1) Weniger Methan und Wasserstoff werden mit dem Ethylen und höheren Kohlenwasserstoffen kondensiert, was in geringeren Strömungsraten und niedrigeren Kühlungsanforderungen in der/den Entmethanisierkolonne(n) resultiert.
  • 2) Eine bessere Trennung von Ethylen und Ethan wird beim Kondensieren des Speisegases erzielt, insbesondere wo einer oder mehrere Dephelgmatoren im Speisekühlungszug verwendet werden, was in weiteren Kühlungseinsparungen in der/den Entmethanisierkolonne(n) resultiert.
  • 3) Mehr Wasserstoff kann bezüglich der Reinheit zu einem hochwertigen Produkt angereichtert werden, da es nicht notwendig ist, etwas von dem Wasserstoff flir die Niederniveaukühlung zu expandieren, wobei ein Kraftstoff von niedrigerem Wert hergestellt wird.
  • 4) Wo ein Mehrzonenentmethanisierkolonnensystem verwendet wird, resultiert eine bessere Trennung von Ethylen und Ethan in der Speisegaskühlungssektion ebenfalls in einer Reduktion der Flüssigkeitsmenge, die in der Entmethanisierkolonne verarbeitet werden muß, was zu einer niedrigeren Strömungsrate und zu Einsparungen bei der Zerlegungsenergie in der Entethanerkolonne führt.
  • 5) Wo ein Mehrzonen-Entmethanisierkolonnensystem verwendet wird, stellt eine bessere Trennung von Ethylen und Ethan in der Speisegaskühlungssektion ebenfalls eine bessere Vortrennung der beiden Speiseströme zur Ethylen/Ethan-Zerlungskolonne zur Verfügung, was zu weiteren Einsparungen bei der Zerlegungsenergie führt.
  • 6) Ein hoher Anteil der Ausrüstung in der Speisungs-Vorbehandlungs/Trocknungssektion, dem Speisegaskühlungszug und optional der/den Ent- Methanisierkolonne(n) wird bei wesentlich niedrigerem Druck betrieben, was in reduzierten Kapitalkosten resultiert.
  • 7) Aufgrund des niedrigeren Druckverhältnisses zwischen dem Speisegas und dem Brennstoffgas, werden einer oder mehrere Gasexpander eliminiert, wodurch die Kapitalkosten weiter gesenkt werden.
  • Der Mischkühlmittelzyklus mit offenem Umlauf, der im Niederdruck-Kühlzug verwendet wird, stellt Niederniveaukühlung (unterhalb von -40ºC (-40ºF)) in der kryogenen Sektion einer Ethylenaulage zur Verfügung, welche mehrteilige Kondensationsstufen oder, vorzugsweise Dephlegmatoren oder Kombinationen von Teilkondensierern und Dephlegmatoren im Reihe verwendet, die unterhalb von -34,44ºC (-30ºF) arbeiten, um die kondensierende Crackgasspeisung vorzufraktionieren, bevor sie in das Entmethanisierkolonnensystem eintritt. Im Vergleich mit einem herkömmlichen Ethylenkühlungszyklus stellt der Mischkühlmittelzyklus wesentliche Energieeinsparungen, höhere Ethylenrückgewinnung und ebenfalls wesentliche Kapitaleinsparungen aufgrund der Vereinfachung der Ausrüstung zur Verfügung. Beispielsweise hat der Mischkühlmittelkompressor nur einen oder zwei Ansaugströme, Ansaugtrommeln und Rückführungregelungsumläufe. Der typische Ethylenkühlmittelkompressor hat mindestens drei Ansaugströme, drei Ansaugtrommeln und drei Rückführungsregelungsumläufe, was eine sehr viel teuerere Anordnung darstellt. Zusätzlich kann der Mischkühlmittelkompressor mit Ansaugtemperaturen von -45,65ºC (-50ºF) oder wärmer eine billigere Metallurgie als der Ethylenkühlmittelkompressor verwenden, welcher typischerweise eine Ansaugtemperatur von -101,11ºC (-150ºF) aufweist, und zwar in der ersten Stufe der Kompression. Im Vergleich mit dem herkömmlichen Ethylenkühlmittelzyklus sind weniger Ausrüstungsstücke vorhanden und weniger Verbindungsrohrleitung für den Mischkühlmittelzyklus, was in niedrigeren Gesamtkosten resultiert.
  • Somit setzt die vorliegende Erfmdung die Ethylen-Kühlungszyklen mit mehrfachen Druckund Temperaturniveaus, die verwendet werden, um Niederniveaukühlung in der kryogenen Sektion eines Ethylenrückgewinnungssystems bereitzustellen, und zwar durch einen Kühlmittelzyklus mit offenem Umlauf, welcher bezüglich der Kompressorleistung effizienter ist, eine höhere Ethylenrückgewinnung gestattet und weniger Kapitaleinsatz erfordert.
  • Die wesentlichen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind in der vorangehenden Offenbarung vollständig beschrieben und in den anliegenden Zeichnungen dargestellt worden. Fachleute sind dazu in der Lage, die Erfindung zu verstehen und verschiedene Modifikationen an ihr auszuführen, ohne vom Grundgedanken abzuweichen, und ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims (21)

1. Verfahren zur Rückgewinnung von Ethylen aus einem Speisegasgemisch mit Ethylen, Wasserstoff und C&sub1;- bis C&sub3;-Kohlenwasserstoffen, wobei die Rückgewinnung die folgenden Schritte umfaßt: Komprimieren und Kühlen des Speisegases zum Kondensieren eines Anteils davon, Fraktionieren der kondensierten Speiseflüssigkeiten in einer oder im mehreren Entmethanisier-Kolonnen zur Rückgewinnung eines leichten Kopfproduktes, das hauptsächlich Wasserstoff und Methan aufweist, und Fraktionieren des Bodenstroms aus der einen oder den mehreren Entmethanisier-Kolonnen zur Rückgewinnung eines Ethylenproduktes und von Strömen, die C&sub2;- und schwerere Kohlenwasserstoffe enthalten, wobei die Kühlung für die Rückgewinnung des Ethylens durch einen Zyklus bereitgestellt wird, der folgende Schritte umfaßt:
(a) Kühlen eines ethylenhaltigen gemischten Gasstromes, der Wasserstoff, Methan, Ethan und Ethylen aufweist, in einer Kaltspeisungs-Kondensierungszone (101), so daß sich mindestens ein Speisekondensat (5) und ein leichter Gasstrom (3) ergeben;
(b) Unterkühlen des Speisekondensats (5) durch indirekten Wärmetausch in einer Mischkältemittel-Kühlzone (107) mit einem oder mit mehreren kalten Verfahrensströmen, woraus sich ein unterkühltes Kondensat (11) ergibt;
(c) Flashen eines ersten Anteils (13) des unterkühlten Kondensats (11) und Verwenden des resultierenden Stromes (15) zur Bereitstellung von Kopf-Kondensator-Kühlung für mindestens eine der Entmethanisier-Kolonnen durch indirekten Wärmetausch, der den resultierenden Strom (15) erwärmt und zumindest teilweise verdampft, woraus sich ein Entmethanisier-Kopfkondensator-Kühlmittelauslaßstrom (17) ergibt; und
(d) Flashen eines zweiten Anteils (19) des unterkühlten Kondensats (11) und Verwenden des resultierenden Kühlmittelstroms (7) zur Bereitstellung mindestens eines Teils der Kühlung, die notwendig ist, um den ethylenhaltigen gemischen Gasstrom zu kühlen und einen Teil davon durch indirekten Wärmetausch in der Kaltspeisungs-Kondensierungszone (101) zu kondensieren, was den zweiten Anteil (19) des unterkühlten Kondensats (11) erwärmt und zumindest teilweise verdampft, woraus sich ein Kaltspeisungs-Kümittelauslaßstrom (9) aus der Kondensierungszone ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der ethylenhaltige gemischte Gasstrom das Speisegasgemisch (1) ist, welches Ethylen, Wasserstoff und C&sub1;- bis C&sub3;-Kohlenwasserstoffe aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Speisegasgemisch (1) bei einem Druck von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) zur Verfügung gestellt wird und die Schritte (a) bis (d) in dem Bereich von 10,342 bis 27,579 bar (150 bis 400 psia) durchgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Kaltspeisungs-Kondensierungszone (101) zumindest einen Dephlegmator oder mindestens einen Teilkondensator oder eine Kombination aus diesen aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner das Flashen eines dritten Anteils (21) des unterkühlten Kondensators (11) umfaßt, sowie das Verwenden des resultierenden geflashten unterkühlten Kondensats (23) zur Bereitstellung mindestens eines Anteils der Kühlung, die benötigt wird, um das Speisekondensat (5) durch indirekten Wärmetausch in der Mischkühlmittel-Kühlzone (107) zu unterkühlen, was das geflashte, unterkühlte Kondensat (23) erwärmt und zumindest teilweise verdampft.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem einer der kalten Verfahrensströme im Schritt (b) durch Arbeitsexpansion mindestens eines Anteils des leichten Kopfproduktes aus der einen oder den mehreren Entmethanisier-Kolonnen zur Verfügung gestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem einer der kalten Verfahrensströme aus Schritt (b) durch Arbeitsexpansion von mindestens einem Anteil des leichten Gasstromes (3) aus der Kaltspeisungs-Kondensierungszone (101) zur Verfügung gestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem einer der kalten Verfahrensströme aus Schritt (b) ausgewählt wird aus einem wasserstoffreichen Dampfstrom und einem oder mehreren methanreichen Stromen, welche durch das weitere Kühlen und teilweise Kondensieren mindestens eines Anteils des leichten Gasstroms (3) erhalten werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Speisekondensat (5) optional auf zwischen ungefähr -115ºC (-175ºF) und -142,78ºC (-225ºF) unterkühlt wird, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:
(e) Komprimieren eines oder mehrerer der gemischten Kältemitteldampfströme in einer Mischkältemittel-Komprimierungszone (117) und Kühlen des resultierenden komprinüerten Stromes, woraus sich ein teilweise kondensierter Mischkältemittelabstrom (33) ergibt;
(f) weiteres Kondensieren des teilweise kondensierten Mischkältemittelstromes (33) durch indirekten Wärmetausch mit einem oder mit mehreren zusätzlichen kalten Verfahrensströmen in der Mischkältemittel-Kühlzone (107); und
(g) Kombinieren eines ersten Anteils (39) des resultierenden weiter kondensierten Mischkältemittels (35) aus Schritt (f) mit dem Speisekondensat (5) aus der Kaltspeisungs-Kondensierungszone (101).
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der teilweise kondensierte gemischte Kältemittelstrom (33) zwei oder mehrere Komponenten umfaßt, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen, C&sub4;-Kohlenwasserstoffen, Stickstoff und Wasserstoff.
11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem einer der zusätzlichen kalten Verfahrensströme mindestens ein Anteil des Entmethanisier-Kopfkondensator-Kühlmittelauslaßstromes (17) ist, welcher in der Mischkältemittel-Kühlzone (107) erwärmt wird, und bei dem ein erster Auslaßdampf (18) der Mischkältemittel-Kühlzone daraus entnommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem einer der zusätzlichen kalten Verfahrensströme durch das Flashen eines zweiten Anteils (41) des weiter gekühlten Mischkühlmittels (35) zur Verfügung gestellt wird, wobei der zweite Anteil (41) verdampft wird, woraus sich ein zweiter Auslaßdampf (43) der Mischkältemittel- Kühlzone ergibt.
13. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem einer der zusätzlichen kalten Verfahrensströme im Schritt (b) ausgewählt wird aus einem wasserstoffreichen Dampfstrom und einem oder mehreren methanreichen Strömen, welche durch weiteres Kühlen und teilweise Kondensieren zummdest eines Anteils des leichten Gasstromes (3) erhalten werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem ein dritter Anteil (37) des weiter gekühlten Mischkältemittels (35) zur Ethylen-Produktrückgewinnung abgezogen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der Druck des teilweise kondensierten Mischkältemittelstroms (33) optional zwischen ungefahr 17,235 und 37,921 bar (250 und 550 psia), insbesondere zwischen ungefahr 10,342 bis 27,579 bar (150 und 400 psia) liegt, und bei dem der eine oder die mehreren Mischkältemittel-Dampfströme den Kaltspeisungs-Kondensierungszonen-Kältemittelauslaßstrom (9) umfassen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der eine oder die mehreren Kältemitteldampfströme den ersten Auslaßdampf (18) der Mischkältemittel-Kühlungszone oder den zweiten Auslaßdampf (43) der Mischkältemittel-Kühlungszone umfassen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, welches ferner das Bereitstellen des ethylenhaltigen Mischgasstromes für die Kaltspeisungs-Kondensierungszone (101) durch das Kühlen des Speisegasgemisches (1) umfaßt, das Ethylen, Wasserstoff und C&sub1;- bis C&sub3;-Kohlenwasserstoffe enthält, sowie das Kondensieren eines Anteils davon in einer Warmspeisungs-Kondensierungszone (125), woraus sich der ethylenhaltige Mischgas-Speisestrom (51) und ein warmes Speisekondensat (49) ergeben.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Warmspeisungs-Kondensierungszone (125) mindestens einen Dephlegmator oder mindestens einen Teilkondensator oder eine Kombination aus diesen aufweist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, welches ferner das Flashen des Warmspeisungskondensats (49) umfaßt, um mindestens einen Anteil der Kälte für die Kühlung und das Kondensieren des Speisegasgemisches (1) durch indirekten Wärmetausch mit dem resultierenden geflashten Warmspeisungskondensator (50) zur Verfügung zu stellen, wodurch das geflashte Speisekondensat verdampft wird, um einen Warmspeisungs-Kondensierungszonen-Kältemitteldampf (53) zu ergeben.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der eine oder die mehreren Mischkältemittel-Dampfströme den Warmspeisungs-Kondensierungszonen-Kältemitteldampf (53) aufweisen, wobei optional mindestens einer oder mehrere der Mischkältemittel-Dampfströme bei einem Druck von zwischen ungefahr 1,034 und 3,447 bar (15 und 50 psia) oder bei einem Druck von zwischen ungefahr 3,447 bar und 17,235 bar (50 und 250 psia) liegt.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem mindestens ein Anteil (20) des Entmethanisier-Kopfkondensator-Kältemittelauslaßstromes (17) mit dem resultierenden geflashten Warmspeisungskondensator (50) kombiniert wird, um zusätzliche Kälte für die Warmspeisungs-Kondensierungszone (125) zur Verfügung zu stellen,
wobei optionäl ein vierter Anteil (55) des weiter kondensierten Mischkältemittels (35) geflasht und mit dem resultierenden geflashten Warmspeisungskondensat (50) kombiniert wird, um zusätzliche Kälte für die Warmspeisungs-Kondensierungszone (125) zur Verfügung zu stellen.
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