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KR0144701B1 - 에틸렌 회수용 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클 - Google Patents

에틸렌 회수용 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클

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Publication number
KR0144701B1
KR0144701B1 KR1019950002001A KR19950002001A KR0144701B1 KR 0144701 B1 KR0144701 B1 KR 0144701B1 KR 1019950002001 A KR1019950002001 A KR 1019950002001A KR 19950002001 A KR19950002001 A KR 19950002001A KR 0144701 B1 KR0144701 B1 KR 0144701B1
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KR
South Korea
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mixed refrigerant
feed
stream
ethylene
refrigeration
Prior art date
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KR1019950002001A
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KR950025404A (ko
Inventor
자르비스 하워드 리
챨스 로울레스 하워드
Original Assignee
윌리엄 에프. 마쉬
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 윌리엄 에프. 마쉬, 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드 filed Critical 윌리엄 에프. 마쉬
Publication of KR950025404A publication Critical patent/KR950025404A/ko
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Abstract

본 발명은 에틸렌 회수 공장에서 혼합 냉매로서 에틸렌-함유 공급가스내에 존재하는 성분을 이용하는 개방 루우프의 혼합 냉동 사이클에 의해 냉동을 제공하는 방법에 관한 것이다. 냉동은 탈메탄화기 상부의 응축기 및 에틸렌-함유 공급 가스의 초기 냉각 및 응축을 위해 -175℉ 내지 -225℉에서 차냉각된 혼합 냉매에 의해 제공된다. 99.9%까지의 총 에틸렌 회수는 종래의 에틸렌 회수 사이클과 비교하여 감소된 전력소비에서 획득될 수 있다. 추가로, 150 내지 400psia 사이의 압력에서 유리하게 가동될 수 있는 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클을 사용하는 장치의 단순화에 기인하여 현저한 자본절약이 실현될 수 있다.

Description

에틸렌 회수용 개방 루우프의 혼합 냉매사이클
제1도는 1개의 공급 냉각 및 응축 구역을 갖는 개방 루우프의 혼합 냉매를 사용하는 본 발명의 도식적 흐름도이다.
제2도는 2개의 공급 냉각 및 응축 구역을 갖는 개방 루우프의 혼합 냉매를 이용하는 본 발명의 도식적 흐름도이다.
본 발명은 1994. 2. 4에 출원된 일련번호 제08/192,025호의 CIP출원이다.
본 발명은 저온에서 경가스로부터 에틸렌의 회수에 관한 것이며, 구체적으로 이런 회수용 냉동을 제공하기 위한 개방 루우프의 혼합 냉매사이클에 관한 것이다.
조 경 탄화수소 가스 혼합물로 부터 에틸렌의 회수는 경제적으로 중요하나 매우 에너지 집약적인 공정이다. 저온에서 다량의 냉동이 필요한 저온성 분리법이 통상 사용되고 있고, 이 냉동용 전력 소비를 감소시키는 방법의 개발은 석유화학 산업에서 계속 중요한 문제이다.
에틸렌은 다양한 농도의 수소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌 및 소량의 고급 탄화수소 및 기타 미량 성분을 포함하는 탄화수소 분해기로 부터의 분해 가스 같은 경 가스 혼합물로부터 회수한다. 이런 혼합물을 응축 및 분별을 위한 냉동은, 주위 냉각수, 폐쇄 사이클 프로필렌 및 에틸렌 시스템, 및 분리공정중 생성된 압축된 경 가스의 일 팽창 또는 주울-톰슨(Joule-Thomson) 팽창에 의한 잇따른 저온 수준에서 통상 제공된다. 대표적인 미합중국 특허 제3,675,435호, 제4,002,042호, 제4,163,652호, 제4,629,484호, 제4,900,347호 및 제5,035,732호에 특징지워진 이들 유형의 냉동을 사용하는 기간동안 많은 디자인이 수년간 개발되어 왔다.
혼합 냉매 시스템은 사용방법은 에틸렌 회수의 총 에너지 효율을 개선하기 위해 상기한 1개 이상의 냉동법과 병합할 수 있다. 이런 시스템용 혼합 냉매는 전형적으로 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌 및 임의로 기타 경성분을 포함한다. 혼합 냉매는 온도범위에서 바람직한 응축 특성을 나타내며, 단일 냉매 시스템 보다 열역학적으로 더 효과적인 열교환 시스템을 구성한다.
미합중국 특허 제4,072,485호는 천연 가스 처리 공장 또는 공급 가스를 냉각하기 위한 1개 이상의 부분적인 응축 구역을 이용하는 에틸렌 공장의 저온 부분에서 저수준의 냉동을 제공하기 위한 폐쇄 루우프의 혼합 냉매 사이클을 기술한다. 이 사이클에서, 혼합 냉매는 거의 주위 온도에서 냉각수 또는 냉각 공기와 부분적으로 1/2이 응축한 후, +50℉ 에서 전체적으로 응축하고 프로판 또는 프로필렌 냉동의 몇몇 수준을 사용하여 약 -25℉ 차냉각시킨다. 에틸렌 공장 서비스에서, 혼합된 냉매는 -40℉ 내지 -148℉의 온도범위에 걸쳐 냉동을 제공하기 위해 이용되며, 즉 그것이 대체하는 에틸렌 냉동과 같은 동일한 온도범위로 한정된다. 이 에틸렌 공장 서비스의 사이클의 더 구체적인 예는 문헌(참조; Victor Kaiser등, Mixed Refrigerant for Ethylene, Hydrocarbon Proessing p 129-131, 1976. 10월 출판)에 기술되어 있다.
미합중국 특허 제4,720,293호는 정련소 배 가스로부터 에틸렌을 회수하기 위해 폐쇄 루우프 혼합 냉매 사이클을 이용하는 방법을 기술한다. 이 방법에서, 혼합 냉매는 단일 열교환기내에서 이용되어 상대적으로 고온 범위인 60℉ 내지 -85℉에 걸쳐서 냉동을 제공한다. 저온 수준에서의 냉동은 저분압 내지 고총압에서 분리된 에탄의 증발에 의해 제공되며, 에탄을 따라 연료로 전형적으로 반환하는 경 가스의 일 팽창에 의해 제공된다.
상기한 종래의 처리 기술을 사용하면, 공급 가스 냉각 및 탈메탄화는 에틸렌의 고 회수율(99% 또는 그 이상)을 획득하기 위해 450 내지 650 psia 범위의 압력에서 수행 되어야만 한다. 왜냐하면, 프로필렌/에틸렌 다단 시스템은 공급 가스 냉각 및 탈메탄화기 컬럼의 응축기 냉동을 위해 -150℉ 보다 낮은 온도의 냉동을 제공할 수 없기 때문이다. 에틸렌 공장에서 기타 처리 흐름으로부터 제조될 수 있는 -150℉ 이하의 공급 냉각을 위한 냉동량은 회수된 고압 수소량 및 연료 시스템 압력 같은 작동 제한에 의해 제한된다. 이들 제한은 생성될 있는 팽창기 냉동의 양을 제한하며, 에틸렌 회수를 차례로 제한한다. 대부분의 에틸렌을 -150℉ 이상에서 응축될 수 있고, 더 찬 온도에서 충분한 연료 가스 팽창 냉동이 대부분의 잔존 에틸렌을 응축하기에 유용하고, 탈메탄화가 컬럼의 상부 증기에서 낮은 에틸렌 손실을 획득하기 위해서 450 내지 650 psia 사이의 압력이 공급 가스 냉각 트레인 및 탈메탄화기 컬럼내에서 필요로 한다.
개선된 혼합 냉매 사이클과 종래의 중 및 저온 냉동의 통합은 에틸렌 회수에서 에너지 소비의 감소를 추가로 보장한다. 구체적으로, 에틸렌의 고회수율을 위해 요구되는 최저 온도수준에서 냉동의 효과를 개선시키는 것이 바람직하다. 하기한 발명의 상세한 설명 및 첨부한 특허청구범위에 기술한 본 발명은 효율적인 에틸렌 회수를 위한 유일한 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클을 제공한다.
첨부한 도면에 예시한 바와같이 본 발명은 수소, 메탄, 에탄, 및 에틸렌을 포함하는 에틸렌-함유 혼합 가스 흐름을 냉 공급 응축 구역(101)에서 냉각하여 1개 이상의 냉 공급 응축물(5) 및 1개의 경 가스 흐름(3)을 형성하는 에틸렌 회수용 냉동법이다. 냉 공급 응축물(5)은 1개 이상의 냉 처리 흐름을 사용하는 혼합 냉매 냉각 구역(107)에서 간접 열교환에 의해 차냉각되어 차냉각된 응축물(11)이 생성된다. 차냉각된 응축물(11)의 제1부분(13)은 플래시되고 이어서 생성되는 플래시된 흐름(15)은 플래시된 흐름(15)을 가열 및 적어도 부분적으로 증발시키는 간접 열교환에 의해 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼을 위한 상부 응축기 냉동을 제공하여 탈메탄화기의 상부 응축기 냉매 방출 흐름(17)을 생성한다. 차냉각된 응축물(11)의 제2부분(19)은 에틸렌-함유 혼합 가스 흐름을 냉각하고 차냉각된 응축물의 제2부분(19)을 가열 및 적어도 부분적으로 증발시키는 냉 공급 응축 구역(101)에서 간접 열교환에 의행 이의 일부부분을 응축시키기 위해 필요한 적어도 일부분의 냉동을 제공하기 위해 프래시되어 냉 공급 응축 구역의 냉매 방출 흐름(9)을 생성한다.
에틸렌-함유 혼합 가스 흐름은 전형적으로 에틸렌, 수소, 및 C1내지 C3탄화수소를 포함한다. 냉 공급 응축 구역(101)은 1개 이상의 분류기 또는 1개 이상의 부분 응축기, 또는 이의 조합을 포함한다.
임의로, 차냉각된 응축물(11)의 제3부분은 플래시되어 결과로 생성되는 플래시된 차냉각된 응축물(23)을 가열 및 적어도 부분적으로 증발시키는 혼합된 냉매 냉각 구역(107)에서 간접 열교환에 의해 냉 공급 응축물(5)을 차냉각시키기에 필요한 냉동의 적어도 일부분을 제공한다. 혼합된 냉매 냉각 구역(107)내의 냉각은 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼으로부터의 상부 경생성물의 적어도 일부분을 일 팽창하므로써 제공됨이 바람직하다. 임의로 냉각은 경 가스 흐름(3)의 적어도 일부분을 추가로 냉각하고 부분적으로 응축하므로써 수득되는 수소-풍부한 증기 흐름 및 1개 이상의 메탄-풍부한 흐름에 의해 제공된다.
개방 루우프 냉동은 1개 이상의 혼합 냉매 증기 흐름을 혼합된 냉매 압축 구역(117)내에서 압축하고, 이어서 생성되는 압축된 흐름을 냉각하므로써 탈메탄화기 상부 응축기(111)와 공급 냉각 및 응축 단계를 위해 제공되어 부분적으로 응축된 혼합 냉매 시스템(33)을 생성하고, 혼합 냉매 냉각 구역(107)내에서 1개 이상의 추가의 냉 처리 흐름을 사용하는 간접 열교환에 의해 상기 흐름을 추가로 응축한다. 이어서 생성되는 추가로 응축된 혼합 냉매(35)의 제1부분(39)은 냉 공급 응축 구역(101)으로부터의 냉 공급 응축물(5)과 화합된다. 추가로 응축된 혼합 냉매(35)의 제2부분(41)은 플래시되고, 혼합 냉매 냉각 구역(107)에서 가온되어 냉동을 제공하고, 이로써 증발되어 혼합 냉매 냉각 구역의 제2방출 증기(43)를 생성한다. 상기한 추가로 응축된 혼합 냉매(35)의 제3부분(37)은 에틸렌 생성물 회수를 위해 제거하였다.
혼합 냉매 압축 구역(117)을 위한 저압 유입 냉매는 냉 공급 응축 구역 냉매 방출 흐름(9) 및 임의로 혼합된 냉매 냉각 구역의 제1방출 흐름(18)에 의해 제공된다. 혼합 냉매 압축 구역(117)을 위한 중압 유입 냉매는 혼합 냉각 구역의 제2방출 증기(43) 및 임의로 혼합 냉매 구역의 제1방출 증기(18)에 의해 제공된다.
선택적인 양태에서, 냉 공급 응축 구역(101)으로의 에틸렌-함유 혼합 가스 공급 흐름(51)은 임의로 공급 가스 혼합물을 냉각하므로써 제공되고 가온 공급 응축 구역(125)내에서 이의 일부분을 응축하여 에틸렌-함유 혼합 가스 공급 흐름(51)과 가온 공급 응축물(49)을 생성한다. 가온 공급 응축 구역(125)은 1개 이상이 분류기, 또는 1개 이상의 부분 응축기, 또는 이의 조합을 포함한다. 가온 공급 응축물(49)은 플래시되고, 이어서 생성되는 플래시된 가온 공급 응축물(50)을 사용하는 간접 열교환에 의해 공급 가스 혼합물(1)의 냉각 및 응축을 위한 냉동의 적어도 일부분을 제공하고, 이로써 플래시된 공급 응축물을 증발시켜 가온 공급 응축 구역의 냉매 증기(53)를 생성한다. 추가의 중압 유입 냉매는 가온 공급 응축 구역의 냉매 증기(53)에 의해 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 공급된다. 임의로, 탈메탄화기의 상부 응축기 냉매 방출 흐름(17)의 적어도 일부분(20)을 결과로 생성되는 플래시된 가온 공급 응축물(50)과 화합하여 가온 공급 응축 구역(125)에 추가의 냉동을 제공한다.
본 발명의 주된 특징은 공급 냉각 트레인, 개방 루우프의 냉동 사이클, 및 150 내지 400 psia의 압력 범위에서 가동될 수 있는 응축된 공급 액체의 분리용 하류 장치이며, 이로써 450 내지 600psia의 종래 압력 범위에서의 가동과 비교하여 하류 분리 장치에 냉동 필요성과 비용이 더 적은 만족스러운 에틸렌 회수를 획득하는 것이다.
이렇게, 본 발명은 시스템이 개방 루우프 유형내에서 가동하는 에틸렌 공급 응축을 위한 효율적인 혼합 냉매 시스템을 이용하며, 이때 혼합 냉매는 에틸렌-함유 공급 가스내의 성분에 의해 제공된다.
실질적으로 모든 에틸렌 공장 및 몇몇 에틸렌 회수 공정은 에틸렌-프로필렌 다단 냉동 시스템을 사용하여 에틸렌 공장에서 필요한 냉동의 대부분의 양을 제공한다. 대부분의 프로필렌(고수준) 냉동은 초기 공급 예냉 및 공장의 분류 부분 공급 가스를 주위 온도로부터 약 -35℉로 냉각하고 에틸렌 냉매를 약 -30℉에서 응축하기 위해 몇몇 압력/온도 수준에서 이용된다. 유사하게, 에틸렌(저수준) 냉동은 공장의 저온 부분에서 공급 가스를 -35℉ 에서 약 -145℉로 냉각하고 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼으로 액체 공급 형태의 에틸렌 벌크를 응축하기 위해 몇몇의 압력/온도 수준에서 이용되고, 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기(들)에서 컬름(들)으로 환류시키기 위해 약 -100℉ 내지 -235℉ 에서 사용된다. 에틸렌은 에틸렌 압축관에서 차-대기압으로 귀결되기 때문에 보통 -150℉ 이하의 냉동을 제공하기 위해 사용되지 않는다. 공급 가스로부터의 잔존 에틸렌을 응축하기 위한 -150℉ 이하의 냉동은 우선적으로 수소-및 메탄-함유 경 가스 흐름의 일팽창 및/또는 에틸렌 냉매에 의해 응축된 메탄 냉매의 증발에 의해 제공된다. 보통 일 팽창된 가스는 연료로서 사용되며 우선적으로 주로 메탄인 탈메탄화기 컬럼으로부터의 상부 증기 및 주로 H2및 메탄인, 에틸렌 공장 또는 에틸렌 회수 공정의 H2회수 구역에서 처리되지 않은 미응축된 공급 가스로 구성된다. 회수 부분에서 제조된 수소-풍부한 및 메탄-풍부한 1개 이상의 흐름으로부터 회수될 수 있다.
공급 가스의 냉각 및 응축은 공급 가스를 부분적으로 응축 및 정류하는 정류용 열교환기인 분류기내에서 분류에 의해 수행됨이 바람직하다. 전형적으로 분류기는 다수 분리 단계, 전형적으로 5 내지 15단계와 동일한 분리 정도를 형성한다. 선택적으로 공급 가스의 냉각 및 응축은 본 명세서에서 부분 응축기로서 정의된 종래의 응축기에서 수행되며, 여기서 공급 가스는 부분적으로 응축되어 단순한 분리기 용기내에서 증기와 액체 흐름으로 분리되는 증기-액체 혼합물을 생성한다. 분리의 단일 단계는 부분 응축기내에서 실현된다.
상기한 종래의 처리기술을 사용하면 공급 가스 냉각 및 탈메탄화는 높은 에틸렌 회수율(99% 또는 그이상)을 획득하기 위해서 450 내지 650 psia 범위의 압력에서 수행되어야만 한다. 왜냐하면 프로필렌/에틸렌 다단 시스템은 공급 가스 냉각의 탈메탄화기 컬럼 및 응축기 냉동을 위해 -150℉ 이상의 냉동을 제공할 수 있기 때문이다. 에틸렌 공장에서 기타 공정 흐름으로부터 제조될 수 있는 -150℉ 이하의 공급 냉각을 위한 냉동량은 회수된 고압 수소량 및 연료 시스템 압력 같은 가동 제한에 의해 제한된다. 이들 제한은 생성될 수 있는 팽창 냉동량을 제한하며, 차례로 에틸렌 호수를 제한한다. 대부분의 에틸렌이 -150℉ 이상에서 응축되기 위해서, 더 찬 온도에서 충분한 공급 가스 팽창 냉동이 대부분의 잔존 에틸렌을 응축할 수 있고 탈메탄화기 컬럼의 상부 증기에서 에틸렌 손실을 낮추기 위해서 450 내지 650 psia 사이의 압력이 공급 가스 냉각 트레인 및 탈메탄화기 컬럼내에서 필요하다.
본 발명은 약 -20℉ 내지 -220℉의 범위내에서 에틸렌 공장 또는 기타 에틸렌 회수 공정의 공급 가스를 냉각하기 위해 필요한 냉동을 제공하기 위해 구성된 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클을 포함한다. 공급 가스는 1개 이상의 공급 냉각/응축 구역에서 부분적으로 냉각 및 응축되며, 바람직하게는 1개 이상의 공급 냉각/응축 구역이 분류기이다. 선택적으로, 1개 이상의 냉각/응축 구역은 부분 응축기이다. 선택적으로, 1개 이상의 분류기 및 부분 응축기의 조합이 냉각/응축 구역에서 사용될 수 있다. 2개의 냉각/응축 구역을 갖는 양태에서, 더 가온된 냉각/응축 구역, 예를들어 부분 응축기에서 응축된 액체는 임의로 차냉각되고, 중압(50 내지 250 psia)으로 플래시되고, 증발되고, 및 가온되어 공정에 필요한 가온 수준의 냉동을 제공한다. 냉냉각/응축 구역, 예를들어 분류기내에서 응축된 액체는 임으로 차냉각되고 저압(15 내지 50psia)으로 플래시되고, 증발되고, 및 가온되어 공정에 필요한 냉 수준의 냉동을 제공한다. 1개 이상의 중간 수준의 공급 냉각/응축 구역은 증발되고 가온(바람직하다면 추가의 압력 수준에서)되어 공정을 위해 중간수준의 냉동을 제공할 추가의 응축된 공급 액체 흐름을 생성하기 위해서 첨가될 수 있다. 이들 응축된 공급 액체 수류중 임의의 것은 필요하다면 임의의 공급 또는 혼합 냉매 냉각/응축 구역 또는 탈메탄화기 응축기를 위해 유용한 냉동량을 증가시키기 위해 개방 루우프 사이클로부터 추가의 혼합된 용매를 사용하여 보충될 수 있다. 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼 응축기를 위한 냉동은 연속하는 및/또는 공급 냉각/응축 구역 또는 혼합 냉매 냉각/응축 구역 중 임의의 것과 병행하는 응축된 공급 액체 흐름 중 임의의 것에 의해 공급될 수 있다. 공급 가스로부터 응축된 모든 액체 에틸렌 생성물을 회수하기 위해 개방 루우프 사이클로부터 궁극적으로 제거되고 분류 유닛내에서 보통 분리되며, 전형적으로 메탄 및 기타 경 가스를 제거하기 위해 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼내에서 1차 가공된다.
냉각, 응축, 및 개방 루우프의 냉동 단계는 150 내지 400psia의 범위내에서 유리하게 가동될 수 있으며, 공급 가스 혼합물은 150 내지 400psia의 압력에서 공급될 수 있다. 공급 가스의 냉각 및 응축은 공급 가스를 부분적으로 응축 및 정류 하는 정류용 열교환기인 분류기내에서 분류에 의해 수행함이 바람직하다. 전형적으로 정류기는 다수 분리 단계, 전형적으로 5 내지 15 단계와 동일한 분리 정도를 형성한다. 선택적으로, 공급 가스의 냉각 및 응축은 본 명세서에서 부분 응축기로 정의한 종래의 응축기내에서 수행되며, 그내에서 공급 가스는 부분적으로 응축되어 단순한 분리기 용기내에서 증기와 액체 흐름으로 분리되는 증기-액체 혼합물을 생성한다. 분리의 단일 단계는 부분적인 응축기에서 실현된다.
본 발명의 제1양태는 제1도를 도식적 흐름도에 의해 상세히 기술된다. 탄화수소 분해 유닛으로부터 분해된 가스의 초기 냉각 및 분리에 의해 수득한 공급 가스 혼합물(1)은 전형적으로 -20℉ 내지 -80℉ 및 200 내지 550 psia에서 존재하나 150 내지 400 psia의 범위에서 공급될 수 있다. 전형적으로 공급 가스는 수소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌 및 저농도의 기타 소량의 성분을 포함한다. 실질적으로 조성은 탄화수소 분해 공급원료 및 전처리 정도에 의존하고; 전형적인 조성 범위는 5 내지 40몰%의 수소, 5 내지 40몰%의 메탄, 5 내지 40 몰%이 에틸렌, 5 내지 30 몰%의 에탄 및 저농도의 질소 및 일산화탄소이다. 공급 가스 혼합물(1)은 냉 공급 응축 구역 (101) 내에서, 바람직하게는 분류기를 이용하여 부분적으로 냉각 및 응축되어 주로 수소와 메탄을 포함하는 경 가스(3) 및 C2와 중 탄화수소가 풍부한 공급 응축물(5)을 생성한다. 구역(101)은 분류기(103) 및 액체 분류기(105)로서 도시된다. 후에 기술한 냉매 흐름(7)은 분류기(103)내에서 간접 열교환에 의해 -180 내지 -235℉에서 냉동을 제공하고 적어도 부분적으로 증발되어 냉 공급 응축 구역의 냉매 방출 흐름(9)을 생성한다. 냉 공급 응축 구역(101)에서, 분류기(103)는 경가스 흐름(3)내에서 에틸렌 손실을 감소시키고 공급 응축물(5)의 경성분 함량(주로 메탄)을 감소시키는 분리의 등량의 5 내지 15단계에서 공급 가스 혼합물(1)을 정류하므로써 총 에틸렌 회수 및 순도를 증가시킨다. 약 -25℉ 내지 -100℉에서 공급 응축물(5)은 이후에 정의하는 냉 흐름을 사용하는 간접 열 교환에 의해 혼합된 냉매 냉각 구역(107)내에서 차냉각되어 약 -175℉ 내지 -225℉에서 차냉각된 응축물(11)을 생성한다. 선택적으로, 냉 공급 응축 구역(101)은 단일 단계의 부분적인 응축기이다.
차냉각된 응축물(11)의 제1부분(13)은 감압 밸브(109)를 가로질러 15 내지 250psia로 플래시되어 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기(111)로 약 -100℉ 내지 -235℉에서 결과로 생성되는 플래시된 흐름(15)으로서 냉매를 제공하고, 적어도 부분적으로 증발된 탈메탄화기의 상부 응축기 냉매 방출 흐름(17)을 생성한다. 차냉각된 응축물(11)의 제2부분(19)은 감압 밸브(113)를 가로질러 15 내지 50psia로 플래시되어 분류기(103)로 -180℉ 내지 -235℉에서 냉매 흐름(7)을 공급한다. 임의로, 차냉각된 응축물(11)의 제3부분(21)은 냉매 흐름(7)을 공급한다. 임의로, 차냉각된 응축물(11)의 제3부분(21)은 감압 밸브(115)를 가로질러 15 내지 50psia로 플래시되어 -180℉ 내지 -235℉에서 냉매로서 플래시된 차냉각된 응축물(23)을 혼합 냉매 냉각 구역(107)으로 공급한다. 추가의 냉각은 전형적으로 -175℃ 내지 -235℉에서 유용하고, 혼합 냉매 냉각 구역(107)으로 냉각의 주부분을 공급하는 냉 처리 흐름(25), (26) 및 (27)에 의해 혼합 냉매 냉각 구역(107)으로 공급된다. 에틸렌 공장의 기타 부분(나타내지 않음)에서 생성된 이들 냉흐름은 탈메탄화기 컬럼으로부터의 일팽창된 경가스 상부, 공급 가스로부터 분리된 일팽창된 경가스 뿐아니라 공장의 수소 회수 부분으로부터 냉메탄 및 수소 흐름을 포함한다. 플래시된 차냉각된 응축물(23)은 유속은 고압의 혼합 냉매를 차냉각시키기에 필요한 냉매의 총량을 조절하고, 냉처리 흐름(25), (26) 및 (27)의 특성에서 변화를 보상기 위해 조절된다. 추가의 냉흐름(나타내지 않음)은 상기한 냉 처리 흐름(25), (26) 및 (27)으로부터의 냉동 보충에 사용될 수 있다. 전형적으로, 혼합된 냉매 냉각 구역(107)을 위한 총 냉동의 약 60 내지 100%는 냉 처리 흐름(25), (26) 및 (27)에 의해 공급되며; 나머지는 플래시된 차냉각된 냉매(23) 및 추가의 플래시된 냉매 흐름(42)에 의해 공급된다.
혼합된 냉매 냉각 구역(107)은 1개 이상의 종래 유형의 냉각 및 응축 열교환기를 포함한다.
발명의 본 양태에서 냉동 사이클의 잔류부는 메탄, 에탄, 에틸렌 및 공급 가스로부터 응축된 중탄화수소를 포함하는 1개 이상의 냉매 증기 흐름을 압축하는 혼합 냉매 압축 구역(117)에 의해 유도된 개방 루우프의 혼합 냉매 시스템을 포함한다. 혼합 냉매 압축 구역(117)은 축 또는 원심 유형의 단-단계 또는 바람직하게는 다-단계 압축기를 포함한다. 압축기는 전형적으로 제1단계를 유입되는 저압 증기 흐름과 단간 위치에서 유입되는 중압 증기 흐름을 갖는 다수 유입 흐름을 사용하여 가동하는 다-단계 유형이 바람직하다. 15 내지 50psia에서 저압의 혼합 냉매 증기(29) 및 임의로 50 내지 250psia에서 중압의 혼합 냉매 증기(31)는 200 내지 550psia 또는 선택적으로 150 내지 400psia로 압축되고, 냉각수 교환기(119)에서 냉각되어 냉각된 압축 냉매(32)를 생성하고, 프로판 또는 프로필렌 냉동 시스템(121)내에서 추가로 냉각되고 부분적으로 응축된다. -20℉ 내지 -50℉에서 부분적으로 응축된 결과적으로 생성되는 혼합 냉매 시스템(33)은 혼합 냉매 냉각 구역(107)내에서 추가로 냉각 및 응축되어 약 -50℉ 내지 -125℉에서 혼합 냉매(35)를 생성한다.
혼합 냉매 시스템(33)을 응축하기 위한 냉동은 혼합 냉매 냉각 구역(107)내에서 부분적으로 증발된 탈메탄화기의 상부 응축기 냉매 방출 흐름(17)을 가온하므로써 부분적으로 공급되어 혼합 냉매 냉각 구역의 제1 방출 증기(18)를 생성한다. 추가의 냉동은 이미 정의한 냉처리 흐름에 의해 공급된다.
공급 응축물(5)로의 흐름과 등량인 혼합 냉매(35)의 일부분(37)은 에틸렌 생성물의 회수를 위해 제거하고, 공장의 분류 부분에서 추가로 정제한다. 다른 부분(39)은 임의로 공급 응축물(5)과 화합하여 냉공급 응축 구역(101)과 탈메탄화기 상부 응축기(111)를 위한 추가의 냉매를 공급한다. 제3부분(41)은 임의로 감압 밸브(125)를 가로질러 50 내지 250psia로 플래시되어 혼합 냉매 냉각 구역(107)으로 추가의 냉매를 공급한다. 플래시된 부분(42)의 증발은 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 적어도 일부분의 중압의 혼합 냉매 증기(31)를 공급하는 혼합 냉매 냉각 구역의 제2방출 증기(43)를 생성한다.
임의로, 냉매(23)는 혼합 냉매 냉각 구역(107)내에서 가온되어 추가의 냉동을 제공하므로써 증발된 혼합 냉매(24)를 생성한다. 증발된 혼합 냉매(24)는 냉공급 응축 구역의 냉매 방출 흐름(9)과 화합하여 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 저압의 혼합 냉매 증기(29)를 제공한다. 차냉각된 응축물(13)이 감압 밸브(109)를 가로질러 50 내지 250psia의 중압으로 플래시되는 경우, 혼합 냉매 냉각 구역의 제1방출 증기(18)는 혼합 냉매 냉각 구역의 제2방출 증기(43)와 화합하여 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 중압의 혼합 냉매 증기(31)를 공급한다. 차냉각된 응축물(13)이 감압 밸브(109)를 가로질러 15 내지 50psia의 저압으로 플래시되는 경우, 혼합 냉매 냉각 구역의 제1방출 증기(18)는 냉 공급 응축 구역의 냉매 방출 흐름(9)와 화합(나타내지 않음)하여 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 저압의 혼합 냉매 공급(29)을 공급한다.
임의로, 냉 공급 응축 구역의 냉매 방출 흐름(9)의 적어도 일부분(45)은 부분적으로 증발된 탈메탄화기 응축기의 냉매 방출 흐름(17)과 화합하여 혼합 냉매 냉각 구역(107)으로 추가의 냉동을 제공하다. 이 선택은 방출 흐름(9)이 부분적으로 증발되는 경우에만 바람직하다.
본 발명의 선택적인 양태는 냉 공급 응축 구역(101)이 가온 공급 응축 구역(125)보다 선행되는 제2도에 부여된다. 공급 가스 혼합물(1)은 전형적으로 -20℉ 내지 -80℉ 및 200 내지 550psia에서 존재하나, 150 내지 400psia에서 공급될 수 있다. 공급 가스 혼합물(1)은 냉각 교환기(127) 및 분리기(129)로 구성되는 부분 응축기일 수 있는 가온 공급 응축 구역(125)내에서 초기에 -50℉ 내지 -125℉로 냉각되고 부분적으로 응축된다. 부분적으로 응축된 공급(47)은 가온 공급 응축물(49) 및 에틸렌-함유 혼합 가스 흐름(51)으로 분리된다. 흐름(51)은 바람직하게는 제1도에 부여한 본 발명의 제1양태에 기술한 바와 같이 분류기(103)인 냉 공급 응축 구역(101)으로 공급을 제공한다. 가온 공급 응축물(49)은 감압 밸브(131)를 가로질러 50 내지 250psia로 플래시되어 응축 구역(125)에서 간접 열교환에 의해 공급 가스 혼합물(1)을 냉각하기 위해 필요한 냉동의 적어도 일부를 공급하는 플래시된 가온 공급 응축물(50)을 생성한다. 증발된 냉매 흐름(53)은 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 추가의 중압의 혼합 냉매 증기(31)를 공급한다.
임의로, 가온 공급 응축 구역(125)을 위한 추가의 냉동은 감압 밸브(133)를 가로질러 혼합 냉매 액체(35)의 다른 부분(55)을 플래시하고, 플래시된 냉매와 감압 밸브(31)의 플래시된 공급 응축물(50)의 하류와 화합하므로써 공급된다.
임의로, 가온 공급 응축 구역(125)을 위한 추가의 냉동은 부분적으로 증발된 탈메탄화기 상부 응축기 냉매 방출 흐름(17)과 플래시된 공급 응축물(50)을 화합시키므로서 공급된다. 제2도의 혼합된 냉매 싸이클의 잔류부는 제1도의 상응하는 부분과 본질적으로 동일하다.
본 발명에서 혼합 냉매 액체(11)의 약 -175℉ 내지 -225℉로의 차냉각은 에틸렌 공장에서 에틸렌의 고(99+%) 회수율 또는 초고(99.75+%) 회수율을 위해 필요한 온도 범위닌 -170℉ 내지 -200℉로 공급 가스를 냉각시키기 위한 냉동을 충분히 제공하기 위해 매우 유익하다. 이렇게 높은 에틸렌 회수율을 획득하기 위해, 공급 가스는 전형적으로 종래의 부분 응축기를 이용하는 에틸렌 공장에서는 -190℉ 내지 -220℉로, 또는 분류기를 이용하는 에틸렌 공장에서는 -170℉ 내지 -190℉로 냉각되어야 한다.
제2도에서 예시한 양태가 공급 냉각 및 응축을 위해 부분 응축기 및 분류기의 조합을 이용하는 경우, 이들 2개 유형의 응축 시스템의 임의의 조합을 이용할 수 있다. 선택적으로, 1개 이상의 부분 응축기와 연속하여 가동되는 1개 이상의 분류기의 조합을 이용할 수 있다. 예를 들어, 3개의 부분 응축기 또는 분류기는 연속하여 사용될 수 있으며; 이 선택에서, 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기(111)를 위한 냉동은 혼합 냉매 흐름과 중간의 부분 응축기(들) 또는 중간의 분류기(들)를 위한 냉동과 병행하거나 필요한 냉동 온도 수준과 최상으로 부합되는 냉 부분 응축기(들) 또는 냉 분류기와 병행하므로써 공급된다. 추가로, 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기(111)는 분류기로 대체되거나 부분 응축기 또는 기타 조합물을 가진 연속하여 가동되는 분류기로 구성될 수 있다. 임의의 경우에서, 이들 열 교환기를 위한 냉동은 온도 수준과 최상으로 부합되는 적당한 개방 루우프의 혼합 냉매 흐름에 의해 제공된다.
임의로, 공급 가스로 부터 응축된 1개 이상의 다양한 액체 흐름은 2개의 탈메탄화기 컬럼 또는 1개의 탈에탄화기 컬럼 및 1개의 탈메탄화기 컬럼같은 다른 하류 처리 유닛에 공급을 위한 2개 이상의 다른 조성물의 액체 흐름을 제조하기 위해 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클내에서 완전히 분리될 수 있고 분리 압축기(들)내에서 압축될 수 있다. 완전히 증발되지 않은 가온된 냉매 흐름(9), (18), (29), (31), (43) 및 (53)중 임의의 것은 추가로 가온되어 제2탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기 또는 가온 공급 응축 열교환기 같은 에틸렌 회수 공정의 기타 부분에 냉동을 제공한다.
본 발명의 프로필렌 냉동 및 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클을 사용하면, 공급될 수 있는 냉동량 및 최냉 온도 수준은 회수된 고압 H2의 양 또는 연료시스템 압력에 의해 제한 받지 않는다. 그러므로, 본 발명에서 에틸렌 회수의 고수준은 종래 에틸렌 회수 시스템 보다 더 낮은 압력, 즉 150 내지 400psia 범위의 압력을 사용하여 획득될 수 있다. 또한, 혼합 냉매 사이클에 의해 공급되는 더 찬 냉동은 탈메탄화기 컬럼의 상부에서 에틸렌 손실량을 감소시키고 추가로 에틸렌 회수를 증가시키는데 사용될 수 있다. 추가로, 혼합 냉매 사이클에 의해 공급되는 더 찬 냉동은 에틸렌 냉동이 상부 응축기 냉매로서 이용될 경우 높은 에틸렌 회수를 위해 필요한 통상의 400 내지 500psia 수준 보다 더 낮은 압력에서 하류 탈메탄화기 컬럼(들)이 가동될 수 있도록 한다. 더 낮은 압력에서, 에틸렌 및 중탄화수수로부터 메탄 및 더 가벼운 가스의 분리가 용이할수록, 탈메탄화기 컬럼 시스템내에서 더 적은 냉동이 필요하며, 장치 비용도 더 적게 든다. 프로필렌 냉동 및 개방 루우프의 혼합 냉매 시스템을 사용하는 이 저압 공급 가스 냉각 개념은 정련소 또는 석유 화학 배 가스로부터 에틸렌, 에탄 및/또는 중탄화수소 회수를 위해 사용될 수 있다. 프로판, 암모니아 또는 다양한 프레온 같은 기타 냉매는 공급 가스 예냉 및 혼합 냉매의 응축을 위해 프로필렌 대신에 고수준의 냉도을 공급하는데 사용될 수 있다. 또한, 흡수 냉동 시스템은 이들 고수준의 냉매중 임의의 것을 보충하는데 사용될 수 있다.
또한, 이 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클은 정련소 또는 석유 화학 배 가스로부터 에틸렌, 에탄 또는 중 탄화수소를 회수하기 위해 사용될 수 있다. 암모니아 또는 다양한 프레온 같은 기타 냉매는 공급 가스 냉각 및 혼합 냉매의 응축을 위해 고수준의 냉동을 공급하기 위해 프레온 또는 프로필렌 대신에 사용될 수 있다.
[실시예]
질량 및 에너지 평형은 제2도에 기술한 바와 같은 본 발명의 양태를 예시하기 위해 수행하였다. 에틸렌 공장의 공급 가스 혼합물(1)은 1시간당 13, 147 1b 몰의 유속 및 500psia에서 18몰% 수소, 35몰% 메탄, 36몰% 에틸렌 및 11몰% 에탄과 더불어 중 탄화수소를 포함하는 부분 응축기인 가온 공급 응축 구역(125)내에서 -32℉ 내지 -75℉로 냉각하였다. 부분적으로 응축된 공급 흐름(47)은 증기 흐름(51)과 액체 흐름(49)으로 분리되었다. 31.5몰% 수소, 45.5몰% 메탄, 19몰% 에틸렌 및 4몰% 에탄을 함유하는 증기 흐름(51)은 공급 응축물(5)에서 회수된 대부분의 잔존 에틸렌을 응축 및 정류하는 분류기인 냉 공급 응축 구역(101)내에서 -172℉로 추가로 냉각하였다. 전체적으로, 공급 가스내 에틸렌의 99.75% 이상이 2개의 액체 흐름(5) 및 (49)내에서 회수되었다. 즉 공급 가스 흐름(1)내의 에틸렌의 0.25% 이하는 분류기 상부 경가스 흐름(3)내에서 손실되었다.
공급 열 교환기(127)내에서 응축된 액체 흐름(49)은 180psia로 플래시되어 -100℉에서 플래시된 흐름(50)을 생성하고, 이것은 공급 열교환기(127)내에서 증발 및 -35℉로 가온되고 흐름(53)으로서 -35℉에서 혼합된 냉매 증기 흐름(43)을 따라 178psia에서 화합된 흐름(31)으로 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 전달되었다. -90℉에서 분류기(103)로부터의 공급 응축물(5)는 -80℉에서 추가의 혼합 냉매(39)와 화합하고, 혼합 냉매 냉각기(107)내에서 -180℉로 차냉각되어 냉 공급 응축 구역(101) 및 탈메탄화기의 상부 응축기(111)의 분류기(103)를 위해 필요한 냉 수준의 냉동을 공급하기 위해 사용되는 차냉각된 혼합 냉매(11)를 생성하였다. -93℉에서 증발된 혼합된 냉매 흐름(9) 및 -35℉에서 흐름(18) 및 (24)를 28psia에서 화합된 흐름(29)으로서 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 전달하였다.
-69℉ 및 28psia에서 개방 루우프의 혼합 냉매 증기 흐름(29)(1시간당 3720 1b 몰) 및 -35℉ 및 178psia에서 혼합된 냉매 증기 흐름(31)(1시간당 7435 1b몰)은 503psia로 압축되었고 압축기 방출은 열교환기(119)내에서 냉각수에 의해 100℉로 냉각되었다. 1몰% 수소, 24몰% 메탄, 57몰% 에틸렌 및 18% 에탄과 더불어 중 탄화수소를 함유하는 냉각된 혼합 냉매 증기 흐름(32)은 혼합된 냉매의 약 83%를 응축하기 위해 냉동 구역(121)내에서 다수준의 프로필렌 냉매를 사용하여 -32℉로 추가로 냉각하여 흐름(33)을 생성하였다. 그후 흐름(33)을 495psia에서 -80℉로 추가로 냉각하고, 에틸렌 공장의 H2회수 부분으로부터 유용한 가온 H2및 메탄 흐름(25) 및 (26), 팽창기 흐름(27), 혼합 냉매 흐름(42) 및 탈메탄화기 상부 응축기(111)로부터의 혼합 냉매 흐름(17)에 대하여 혼합 냉매 냉각기(107)내에서 전체적으로 응축하였다.
흐름(5) 및 (49)내에서 공급 가스(1)로부터 초기에 응축된 총량과 동일한 혼합 냉매 액체 흐름(35)의 약 74%는 제거하여 흐름(37)으로서 탈메탄화기 컬럼(나타내지 않음)에 전달하였다. 혼합 냉매 액체(35)의 약 13%인 흐름(41)은 180psia로 플래시되고, 증발되고, 혼합 냉매 냉각기(107)내에서 -35℉로 가온되어 증기 흐름(43)을 생성하였다. 혼합 냉매 액체(35)의 잔존하는 13%는 흐름(39)으로서 냉 공급 응축 구역(101)의 분류기(103)로부터의 공급 응축물(5)과 화합되고 가온 H2, 메탄, 및 팽창기 흐름(25), (26), 및 (27)에 대해 혼합된 냉매 냉각기(107)내에서 -180℉로 차냉각되어 차냉각된 혼합 냉매(11)를 생성하였다. 흐름(19)으로서 차냉각된 혼합된 냉매 액체(11)의 약 59%는 30psia alc -200℉로 플래시되고, 증발되고, 냉 공급 응축 구역(101)의 분류기(103)내에서 -93℉로 가온되어 냉매 방출 흐름(9)를 생성하였다. 흐름(13)으로서 차냉각된 혼합된 냉매 액체(11)의 잔존하는 41%는 32psia로 플래시되고, 증발되고, 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기(111)내에서 -135℃로 가온되어 그 컬럼으로 환류를 공급하였다. 이어서 생성되는 저압의 혼합 냉매 증기(17)는 혼합 냉매 냉각기(107)에서 -35℉로 추가 가온되어 증기(18)를 생성하고, 이것은 냉 공급 응축 구역의 냉매 방출 흐름(9)과 화합하고, 화합된 흐름(29)은 -69℉ 및 28psia에서 혼합 냉매 압축 구역(117)으로 전달되었다. 혼합 냉매 냉각 구역(107)에서 증발되고 -35℉로 가온되는 보충의 혼합된 냉매 흐름(43) 및 가온 공급 응축 구역(125)내에서 증발되고 -35℉로 가온된 흐름(53)은 흐름(31)로 화합되고 -35℉ 및 178psia에서 혼합된 냉매 응축 구역(117)으로 전달되었다. 본 실시예에서, 저압의 혼합 냉매 흐름(23) 및 보충의 혼합 냉매 흐름(20), (45) 및 (55)는 이용하지 않았다. 본 실시예에서, 개방 루우프의 혼합 냉매-프로필렌 냉동 시스템은 -32℉에서 -172℉로 공급 가스를 냉각 하기 위한 동일한 냉동량을 공급하기 위해 종래의 폐쇄-루우프의 에틸렌-프로필렌 다단 냉동 시스템 보다 99.75%의 동일한 에틸렌회수를 위해 약 10%가 더 적은 압축력을 필요로 하였다. 압축력은 상대적으로 소량 증가시키면, 개방 루우프와 혼합 냉매-프로필렌 냉동 시스템을 사용하여 에틸렌회수를 99.75%로부터 99.9%로 증가시킬 수 있다. 이수준의 에틸렌 회수는 본 실시예의 에틸렌 공장의 제한을 운용하는 범위내에서 종래의 에틸렌-프로필렌 냉동 시스템에 의해서는 불가능하였다. 테크닢(Technip)에 양도된 이미 인용한 미합중국 특허 제4,072,485호에 기술된 폐쇄-루우프의 혼합 냉매 시스템은 그 목적이 탈메탄화기 컬럼으로 공급하기 위한 분해 가스를 냉각 및 응축하기 위하여 1개 이상의 부분 응축 단계를 사용하는 천연 가스 처리 공장 또는 종래의 (분해 가스)에틸렌 공장의 저온 부분에서 저수준의 냉동(-40℉이하)을 제공하기 위해서였다. '485 사이클에서, 혼합 냉매는 물 또는 공기를 사용하여 거의 주위 온도에서 1/2이상이 응축되고 1개 이상 수준의 가온 프로판 또는 프로필렌 냉매를 사용하고 +50℉에서 전체적으로 응축되었다. 혼합된 냉매 액체는 1개 이상의 수준의 더 찬 프로판 또는 프로필렌 냉매를 사용하여 -25℉로 차냉각되었다. 에틸렌 공장의 응용에서, 이 차냉각된 혼합 냉매 액체는 2개의 부분으로 나뉘어졌다. 한부분은 냉처리 흐름에 대한 제2 또는 보조 열교환기내에서 -58℉로 추가 차냉각되고, 나머지 부분은 돌아오는 저압의 혼합 냉매에 대한 주 교환기내에서 -148℉로 추가 차냉각되었다. 2개의 차냉각된 혼합 냉매 흐름은 그후 결합되고, 저압으로 플래시되고 -40℉ 내지 -148℉의 온도 범위에 걸쳐 냉동을 제공하는데 이용하였다. 즉, 혼합 냉매는 그것이 대체하는 에틸렌 냉동과 아주 동일한 온도 범위로 한정되었다. 에틸렌 공장에서 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기로의 냉동의 제공은 상기 특허에 특별히 제기되어 있지 않았다.
이미 인용한 카이저등의 논문에 기술된 '485사이클의 더 구체적인 에틸렌 공장의 예는 종래의 에틸렌-프로필렌 다단 시스템과 비교하는 경우, '485 폐쇄-루우프의 냉매-프로필렌 시스템에 대해 9%의 전력 감소를 나타냈다. 그러나, '485 시스템은 단지 -134℉의 수준까지만 공급 가스 냉각을 공급하나, 이것은 현대의 고-회수 에틸렌 공장을 위해 충분치 않으며, 또한, 보통 -150℉의 수준의 냉동이 필요한 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기로의 냉동 공급을 제시하지 않았다. '485 폐쇄-루우프의 혼합 냉매 사이클을 사용하면, 에틸렌 회수는 상응하는 에틸렌 냉동 사이클을 사용하여 수득될 수 있는 대부분의 현대의 에틸렌 공장의 회수율인 99+% 보다 약간 낮은 회수율 및 분류기-유형의 에틸렌 공장에서 수득할 수 있는 회수율인 99.75+% 보다 약간 더 낮은 회수율로 제한되었다.
99% 이상 고수준의 에틸렌 회수를 위해서는 종래의 냉동 사이클 또는 '485 폐쇄-루우프의 냉매 사이클을 사용하여 획득할 수 있는 -150℉수준보다 훨씬 더 낮은 온도로 냉동을 제공하는 것이 필요하였다. 에틸렌 공장에서 처리 흐름으로부터 유용한 -140℉ 이하의 공급 냉각을 위한 냉동량은 회수된 고압의 H2량 및 연료 시스템 아력 같은 제한을 운용하므로써 제한되었다. 이들 제한은 생성될 수 있는 팽창기 냉동량을 제한하며, 차례로 에틸렌 회수를 제한하였다. 본 발명의 개방 루우프의 혼합 냉매를 사용하면, 공급될 수 있는 냉동량 및 최냉 온도 수준은 이들 제한으로 부터 제한되지 않으며, 경제적으로 99.9%까지 고수준의 에틸렌 회수가 획득될 수 있었다. 추가의 및/또는 더 찬 냉동은 고압의 혼합 냉매 시스템을 냉각하기위해 사용되는 보충의 저 또는 중압의 혼합 냉매량을 증가시키므로써 개방 루우프의 혼합 냉매 시스템에 의해 공급될 수 있다. 추가로, 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클은 에틸렌 냉동 사이클에 의해 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기로 보통 공급되는 -150℉ 수준보다 더 찬 냉동을 제공할 수 있다. 이 더 찬 냉동은 탈메탄화기 컬럼의 상부내에서 에틸렌 손실량을 감소시킬 수 있으며 추가로 에틸렌 회수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 개방 루우프 혼합 냉매 사이클은 에틸렌 공장의 저온 부분 또는 기타 에틸렌 회수 공정을 위해 '485 폐쇄-루우프의 혼합 냉매 사이클 보다 훨씬 더 찬 냉동을 제공한다. 저온성 공급 냉각 부분(-20℉ 이하)은 2개 이상의 응축 구역을 사용함이 바람직하며, 이들 응축 구역중 1개 이상은 응축된 공급 액체가 탈메탄화기 컬럼같은 하류 분류 유닛으로 진입하기 전에 그것을 미리 분류하기 위한 분류기임이 바람직하다. 본 발명의 사이클에서, 개방 루우프의 혼합 냉매의 주된 부분은 1개 이상 수준의 프로판, 프로필렌 또는 유사 냉매에 의해 제공되는 냉동을 사용하여 -20℉ 내지 -50℉에서 응축되며, 에틸렌 공장 냉처리 흐름에 의해 적어도 일부 제공되는 냉동을 사용하여 -50℉ 내지 -125℉로 추가 응축 및/또는 차냉각됨이 바람직하다. 혼합 냉매 냉각, 응축 및 차냉각을 위한 보충 냉동은 사이클내에서 냉동 하중의 균형을 효율적으로 유지하고 및/또는 제조된 냉동량을 증가시키기 위한 중 및/또는 저압의 혼합 냉매 흐름을 증발시키므로써 제공될 수 있다. 최냉의 혼합 냉매 액체(-175℉ 내지 -225℉)를 사용하여 냉동 공급 응축 구역(들)에 냉동을 제공하고, 필요하다면 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기에 공급한다.
본 발명의 사이클에서, 혼합 냉매는 '485 사이클에서 처럼 +50℉에서 전체적으로 응축되지 않는다. 왜냐하면, 이것은 혼합 냉매 시스템을 위한 비효율적인 고압, 예를들어 '485 사이클에서 725psia 까지로 귀결되기 때문이다. 대신에, 본 발명에서 혼합 냉매의 주된 부분은 550psia 이하의 압력과 -20℉ 내지 -50℉의 온도에서 응축된다. 또한 이 혼합 냉매 사이클은 전형적인 에틸렌 공장에서 충분한 저수준(예를들어, -125℉ 내지 -150℉)의 냉동량을 필요로하는 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기에 냉동을 제공한다.
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스 인코포레이티드에 양도된 미합중국 특허 제4,720,293호의 이미 인용된 폐쇄-루우프의 혼합 냉매 사이클은 상대적으로 고수준(+60℉ 내지 -85℉)의 냉동을 단일 열교환기에 공급하며, 저분압에서 분리된 에탄의 증발화에 의존하여 주로 탈메탄화기 컬럼의 상부 응축기내에서 중간수준의 냉동(-85℉ 내지 -170℉)를 제공한다. 이것은 분리된 에탄이 일팽창된 H2및 메탄(최저수준의 냉동을 제공함)과 화합하고, 전형적으로 냉동 회수후 연료로 보내질 필요가 있다. 이것은 에탄이 연료이외의 가치가 없을 경우 정제 배가스를 처리하는데 매우 이로울수 있으나, 보통 분리된 에탄이 연료보다는 공급원료로서 매우 가치가 있고 상대적으로 순수한 상태로 분해로로 순환되어야만 하는 에틸렌 공장에서는 보통 실용적이지 못한다.
본 발명의 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클에 의해 제공되는 전력 절약 및 현저히 더 높은 에틸렌 회수에 추가하여, 종래의 에틸렌 냉동 사이클에과 비교하는 경우 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클을 사용하는 장치의 단순화에 기인하여 현저한 자본 절약이 실현될수 있다. 종래의 에틸렌 사이클과 비교하여, 본 발명의 개방 루우프 사이클은 장치 부품이 거의 없고 파이프 연결이 적어 총비용의 감소로 귀결된다. 추가로, 개방 루우프의 혼합 냉매를 사용하면, 폐쇄 루우프 사이클에서 필요한 냉매 구성의 필요성이 없다. 또한, 폐쇄 루우프의 혼합 냉매 사이클에서 필요할 수 있는, 공급 가스 조성이 변화할 경우의 혼합 냉매 조성의 변화 필요성이 없다. 공급 가스 조성이 변할 경우, 혼합 냉매 조성은 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클을 사용하여 자동적으로 변화한다.
본 발명의 프로필렌 냉동 및 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클을 사용하면, 에틸렌 공장 또는 에틸렌 회수 유닛의 공급 가스 냉각 트레인은 150 내지 400psia의 범위내에서 가동될 수 있으며, 1개 또는 2개의 공급 가스 압축 단계를 제거하며, 이들 압축 단계의 관련 비용을 배제할 수 있다. 등량의 압축 에너지가 프로필렌 및 혼합 냉매 압축기에 부가되어야하나, 이들은 훨씬 더 적은 관련 비용을 가진 압축 단계에서의 증분 증가량이다. 추가의 냉동 압축단계는 불필요하다.
공급 가스 냉각뿐아니라 임의의 탈메탄화는 고 에틸렌 회수를 획득하면서 이들 저압 수준에서 수행될 수 있다. 왜냐하면 프로필렌/혼합된 냉매 다단 시스템은 팽창기 냉동의 유용량에 관계없이 -150℉ 보다 더 낮은 온도에서 필요한 모든 냉동을 공급할 수 있기 때문이다. 프로필렌/혼합 냉매 시스템은 원료 가스 팽창기 냉동으로 보충되나 팽창기 냉동량은 더이상 에틸렌 회수에 대한 제한이 아니다.
본 발명의 프로필렌/개방 루우프의 혼합된 냉매 시스템을 사용하여 150 내지 400psia의 범위에서 가동되는 저압의 냉각 트레인을 이용하는 에틸렌 회수 유닛은 종래의 에틸렌 회수 공정과 비교하여 추가의 잇점을 제공한다.
이들 잇점은
1) 더적은 메탄 및 수소가 에틸렌 및 중탄화수소와 응축되어, 유속이 더 낮아지고 탈메탄화가 컬럼(들)내에서 필요한 냉동이 더 적어지며,
2) 공급 가스가 특히, 공급 냉각 트레인내에서 1개 이상의 분류기가 사용되는 곳에서 응축되어 에틸렌과 에탄의 더 많은 분리가 수득되어, 탈메탄화기 컬럼(들)에서 추가로 냉동되는 것이 절약되며,
3) 저수준의 냉동을 위한 일부 수소의 팽창이 불필요하기 때문에 더 많은 수소가 순도에서 더 높은 가치의 생성물로 개량될 수 있어 더 낮은 가치의 연료를 생산하며,
4) 다-구역 탈메탄화기 컬럼 시스템이 사용되는 곳에서, 공급 가스 냉각 부분내의 에틸렌과 에탄의 더 많은 분리는 탈에탄화기 내에서 가공되어야만 하는 액체량이 감소되어 유속이 더 낮아지고, 탈메탄화기 컬럼내에서 분리 에너지가 절약되며,
5) 다-구역 탈메탄화기 컬럼 시스템이 사용되는 곳에서, 공급 가스 냉각 부분내의 에틸렌과 에탄의 더 많은 분리는 또한 에틸렌/에탄 분리기 컬럼으로 2개의 공급 흐름의 더 많은 예비 분리를 제공하며, 분리 에너지를 추가로 절약하며,
6) 공급 선처리/건조 부분내의 많은 장치, 공급 가스 냉각 트레인 및 임의로 탈메탄화기 컬럼(들)은 현저히 낮은 압력에서 가동되어 비용을 감소시키며,
7) 공급 가스와 연료 가스 사이의 더 낮은 압력비로 기인하여 1개 이상의 연료 가스 팽창기가 제거되어, 추가로 비용을 감소시킴을 포함한다.
저압 냉각 트레인내에서 이용되는 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클은 다수의 부분 응축 단계, 또는 바람직하게는 약 -30℉ 이하에서 작동되는 분류기 또는 부분 응축기와 분류기의 연속적인 조합을 사용하는 에틸렌 공장의 저온 부분내에서 저수준의 냉동(약 -40℉ 이하)을 제공하여, 탈메탄화기 컬럼 시스템에 진입하기전에 응축되는 분해 가스 공급을 미리 분류한다. 종래의 에틸렌 냉동 사이클과 비교하면, 혼합 냉매 사이클은 현저한 전력 절약, 더 높은 에틸렌 회수 및 장치의 단순화에 따른 현저한 자본 절약을 제공한다. 예를 들어, 혼합 냉매 압축기는 단지 1개 또는 2개의 흡입 흐름, 흡입 드럼 및 순환 제어 루우프를 갖는다. 전형적인 에틸렌 냉매 압축기는 3개 이상의 흡입 흐름, 3개 이상의 흡입 드럼 및 3개 이상의 순환 제어 루우프를 가지며, 배치가 훨씬 더 비싸다. 추가로, 흡입 온도가 -50℉ 또는 그 이상인 혼합 냉매 압축기는 전형적으로 제1단계 압축에서 흡입 온도가 -150℉인 에틸렌 냉매 압축기 보다 더 값싼 야금술을 이용할 수 있다. 종래의 냉매 에틸렌 사이클과 비교하면, 장치의 부품들이 적고 혼합 냉매 사이클과 연결된 배관이 적으므로 총 비용이 절감된다.
이렇게, 본 발명의 에틸렌 회수 시스템의 저온 부분내에서 저수준의 냉동을 공급하기 위해 사용되는 종래의 다수 압력 및 온도 수준의 에틸렌 냉동 사이클을 압축기 파워가 더 효율적인 개방 루우프의 혼합 냉매 사이클로 대체하여 에틸렌 회수를 더 높이고 투자 자본을 절약한다.
본 발명의 주요한 특징들은 전술한 설명에 상세히 기술되어 있고. 첨부한 도면에 예시되어 있다. 당업자라면 본 발명을 이해할 수 있을 것이며 본 발명의 기본 취지 및 하기 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위내에서의 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (29)

  1. 에틸렌, 수소, 및 C1내지 C3탄화수소를 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 에틸렌 회수방법으로서, 이때 상기 회수는 이의 일부분을 응축하기 위해 상기 공급 가스를 압축 및 냉각시키는 단계, 주로 수소 및 메탄을 함유하는 상부 경 생성물을 회수하기 위한 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼내에서 응축된 공급 액체를 분별하는 단계, 및 에틸렌 생성물 및 C2및 중 탄화수소를 함유하는 흐름을 회수하기 위해 상기 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼으로부터 하부 흐름을 분류하는 단계를 포함하며, 상기 에틸렌의 회수를 위한 냉동은 (a) 수소, 메탄, 에탄 및 에틸렌을 포함하는 에틸렌-함유 혼합 가스 흐름을 냉 공급 응축 구역(101)내에서 냉각하여 1개 이상의 공급 응축물(5) 및 1개의 경 가스 흐름(3)을 생성하는 단계; (b) 상기 공급 응축물(5)을 1개 이상의 냉 처리 흐름을 갖는 혼합 냉매 냉각 구역(107)내에서 간접 열교환에 의해 차냉각하는 단계; (c) 상기 차냉각된 응축물(11)의 제1부분(13)을 플래시하고, 이어서 생성되는 흐름(15)을 사용하여, 상기 흐름(15)을 가온하고 적어도 부분적으로 증발시키는 간접 열교환에 의해 1개 이상의 상기 탈메탄화기 컬럼을 위한 상부 응축기 냉동을 제공하여 탈메탄화기 상부의 응축기 냉매 방출 흐름(17)을 생성하는 단계; 및 (d) 상기 차냉각된 응축물(11)의 제2 부분(19)을 플래시하고, 이어서 생성되는 냉매 흐름(7)을 사용하여, 상기 에틸렌-함유 혼합 가스흐름을 냉각하고 상기 차냉각된 응축물의 제2부분(19)을 가온하고 적어도 부분적으로 증발시키는 상기 냉 공급 응축 구역(101)내의 간접 열교환에 의해 이의 일부분을 응축하기 위해 필요한 냉동의 적어도 일부를 공급하여 냉 공급 응축 구역의 냉매 방출 흐름(9)을 생성하는 단계를 포함하는 에틸렌의 회수 방법.
  2. 제1항에 있어서, 에틸렌-함유 혼합 가스 흐름이 에틸렌, 수소 및 C1내지 C3탄화수소를 포함하는 공급 가스 혼합물(1)인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 공급 가스 혼합물(1)은 150 내지 400psia의 압력에서 공급되며, 단계(a) 내지 (d)는 150 내지 400psia의 범위에서 운용되는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 냉 공급 응축 구역(101)은 1개 이상의 분류기, 또는 1개 이상의 부분 응축기 또는 이의 조합을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 차냉각된 응축물(11)의 제3부분(21)을 플래시하고 이어서 생성되는 플래시된 차냉각된 응축물(23)을 사용하여, 상기 플래시된 차냉각된 응축물(23)을 가온하고 부분적으로 증발시키는 혼합 냉매 냉각 구역(107)내의 간접 열교환에 의해 상기 공급 응축물(5)을 차냉각하기 위해 필요한 냉동의 적어도 일부분을 공급하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 단계 (b)의 냉 처리 흐름 중 하나가 상기 1개 이상의 탈메탄화기 컬럼으로부터 상부 경 생성물의 적어도 일부분을 일 팽창시키므로써 공급되는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 단계 (b)의 냉 처리 흐름중 하나가 냉 공급 응축 구역(101)으로부터의 경 가스 흐름(3)의 적어도 일부분을 일 팽창시키므로써 공급되는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 단계 (b)의 냉 처리 흐름 중 하나가 경 가스 흐름(3)의 적어도 일부분을 추가로 냉각 시키고 부분적으로 응축시키므로써 수득되는 수소-풍부한 증기 흐름 및 1개 이상의 메탄-풍부한 흐름으로부터 선택되는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 공급 응축물(5)이 약 -175℉ 내지 -225℉로 사이의 온도로 차냉각되는 방법.
  10. 제4항에 있어서, (e) 혼합 냉매 압축 구역(117)내에서 1개 이상의 혼합 냉매 증기 흐름을 압축하고 이어서 생성되는 압축된 흐름을 냉각하여 부분적으로 응축된 혼합 냉매 흐름(33)을 생성하는 단계; (f) 부분적으로 응축된 혼합 냉매 흐름(33)을 상기 혼합 냉매 냉각 구역(107)내에서 1개 이상의 추가의 냉처리 흐름을 사용하는 간접 열교환에 의해 추가로 응축하는 단계; 및 (g) 단계 (f)의 추가로 응축된 혼합 냉매(35)의 제1부분(39)과 상기 냉 공급 응축 구역(101)으로부터의 공급 응축물(5)을 화합시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 부분적으로 응축된 혼합 냉매 흐름(33)이 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, C4탄화수소, 질소 및 수소로 구성되는 군에서 선택되는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 냉 처리 흐름 중 하나가 혼합 냉매 냉각 구역(107)내에서 가온되는 탈메탄화기의 상부 응축기 방출 흐름(17)의 적어도 일부분이며, 이때 혼합 냉매 냉각 구역의 제1 방출 증기(18)는 그것으로부터 제거되는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 추가의 냉처리 흐름중 하나가 추가로 응축된 혼합 냉매(35)의 제2부분(41)을 플래시하므로써 공급되고, 이때 상기 제2부분(41)은 증발되어 혼합 냉매 구역의 제2방출 증기(43)을 생성하는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 단계(b)의 상기 추가의 냉 처리 흐름 중 하나가 액체 가스 흐름(3)의 적어도 일부분을 추가로 냉각하고 부분적으로 응축시키므로써 수득되는 수소-풍부한 증기 흐름 및 1개 이상의 메탄-풍부한 흐름으로부터 선택되는 방법.
  15. 제10항에 있어서, 추가로 응축된 혼합 냉매(35)의 제3부분(37)은 에틸렌 생성물 회수를 위해 제거되는 방법.
  16. 제10항에 있어서, 부분적으로 응축된 혼합 냉매 흐름(33)의 압력이 약 250 내지 550psia인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 부분적으로 응축된 혼합 냉매 흐름(33)의 압력이 약 150 내지 400psia인 방법.
  18. 제10항에 있어서, 추가로 응축된 혼합 냉매 흐름(35)의 온도가 약 -50℉ 내지 -125℉인 방법.
  19. 제10항에 있어서, 상기한 1개 이상의 혼합 냉매 증기 흐름이 냉 공급 응축 구역의 냉매 방출 흐름(9)을 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기한 1개 이상의 혼합 냉매 증기 흐름이 혼합 냉매 냉각 구역의 제1방출 증기(18)를 포함하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기한 1개 이상의 혼합 냉매 증기 흐름이 혼합 냉매 냉각 구역의 제2방출 증기(43)를 포함하는 방법.
  22. 제10항에 있어서, 에틸렌, 수소 및 C1내지 C3탄화수소를 함유하는 공급 가스 혼합물(1)을 냉각하고, 가온 공급 응축 구역(125)내에서 이의 일부분을 응축하므로써 에틸렌-함유 혼합 가스 흐름을 냉 공급 응축 구역(101)으로 공급하여 에틸렌-함유 혼합 가스 공급 흐름(51) 및 가온 공급 응축물(49)을 생성하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 가온 공급 응축 구역(125)이 1개 이상의 분류기, 또는 1개 이상의 부분 응축기, 또는 이의 조합을 포함하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 가온 공급 응축물(49)을 플래시하고, 이어서 생성되는 플래시된 가온 공급 응축물(50)을 사용하는 간접 열교환에 의해 공급 가스 혼합물(1)의 냉각 및 응축을 위한 냉동의 적어도 일부분을 공급하고, 그것에 의해 플래시된 공급 응축물을 증발시켜 가온 공급 응축 구역의 냉매 증기(53)을 생성함을 추가로 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기한 1개 이상의 혼합 냉매 증기 흐름이 가온 공급 응축 구역의 냉매 증기(53)를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기한 1개 이상의 혼합 냉매 증기 흐름중 1개 이상이 약 15 내지 50psia 사이의 압력에서 존재하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기한 1개 이상의 혼합 냉매 증기 흐름 중 1개 이상이 약 50 내지 250psia 사이의 압력에서 존재하는 방법.
  28. 제24항에 있어서, 탈메탄화기의 상부 응축기 냉매 방출 흐름(17)의 적어도 일부분(20)과 플래시된 가온 공급 응축물(50)을 화합시켜 상기 가온 공급 응축 구역(125)에 추가의 냉동을 공급하는 방법.
  29. 제24항에 있어서, 추가로 응축된 혼합 냉매(35)의 제4부분(55)이 플래시되고, 이어서 생성되는 플래시된 가온 공급 응축물(50)과 화합되어 상기한 가온 공급 응축 구역(125)에 추가의 냉동을 공급하는 방법.
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