本发明关于在低温下自轻气体（light gas）中回收乙烯，特别是关于乙烯回收系统的双脱甲烷塔冷冻分馏段之进料预冷的改良方法。 自粗轻烃气体混合物中回收乙烯是一在经济上重要但是极能耗能源的工艺。需要在低的温度下大量冷却的冷冻分离方法普遍地被使用，对于石化工业而言持续的研发以求在烯烃回收时降低冷却能源是极为重要的。
乙烯是从轻气体混合物中回收，该混合物例如来自烃裂化装置之裂化气体，该混合物包含不同浓度的氢、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯和少量的碳数较高的烃、氮和其他微量的成分。这些混合物的冷凝和分馏的冷冻之进行通常是在连续较低温度水平下藉着周围冷却水，闭环丙烷/丙烯和乙烷/乙烯系统，以及分离工艺中的受压轻气体所产生的作工膨胀或焦耳-汤姆生（Joule Thomson）膨胀而被提供。历年来已有很多的设计使用这些冷冻型式，代表性的文献有美国专利3，675，435;4，002，042;4，163，652;4，629，484;4，900，347和5，035，732。
上面描述的冷冻分离方法之改良被披露在美国专利4，002，042，于该专利中进料气体在大约-75°F和-175°F之间地冷却和冷凝是在分凝器类型之热交换器中进行。因为与部分冷凝器类型的热交换器所提供的单一阶段分离相较之下，分凝器能提供5到15或更多阶段的分离，因此这种分凝器类型之热交换器由于含乙烯的液体自冷的进料气体中被冷凝出来而得到很高程度的预分馏。其结果为，显著地比较少的甲烷从进料气体中被冷凝下来及送到脱甲烷塔中，进料冷却和脱甲烷塔回流两者的能源需求因而得以降低。这个改良的工艺结合分凝器和脱甲烷塔而达到在乙烯装置的冷冻分离和冷分馏段均可能源节省。
传统工艺的冷冻分离和冷分馏段的进一步改良被描述在美国专利4，900，347中。在这些改良中，用于回收乙烯的所有在大约-30°F的进料气体冷却是在含至少二个分凝器的系列分凝器中进行，举例来说，温度较高的分凝器和温度较低的分凝器，而脱甲烷塔则被分成第一（温度较高的）脱甲烷塔和第二（温度较低的）脱甲烷塔，两者皆在高压力下操作。一些高于-30°F的进料冷却也可在分凝器中完成。温度较高的分凝器将残留在-30°F进料气体中之实质上所有的丙烯和较高碳数的烃连同大部分乙烷加以冷凝和预分馏，所获得的此液体被送到温度较高的脱甲烷塔。温度较高的脱甲烷塔的回流一般是通过使用在-40°F或更高温度之丙烯或丙烷冷冻来冷凝部分塔顶蒸气而提供的。来自温度较高的脱甲烷塔底部的液体被送到脱乙烷塔，在其中C3和碳数较高的烃（C3+）作为塔底产物而被回收。来自脱乙烷塔的塔顶C2烃被送到乙烯/乙烷分割塔。温度较低的分凝器将留在冷进料气体中的乙烯和乙烷加以冷凝和预分馏，所获得的此液体被送到温度较低的脱甲烷塔。温度较低的脱甲烷塔的回流一般是通过使用在大约-150°F之乙烯冷冻来冷凝部分塔顶蒸气而提供的。来自温度较低的脱甲烷塔之富乙烯的塔底液体实质上不含丙烯或丙烷并且被当作第二进料直接送至乙烯/乙烷分割塔，因此迂回过脱乙烷塔。
美国专利5，035，732描述了上述工艺的一种变化，其中第二（温度较低的）脱甲烷塔在低压，175psia或更低，的条件下操作。低压且温度较低的脱甲烷塔的回流是通过使用膨胀器和/或低于-150°F的其他过程流之冷冻来冷凝温度较低的脱甲烷塔的部分塔顶蒸气或温度较低的分凝器塔顶蒸气而提供的。
美国专利4，900，347和5，035，732的改良工艺多将分凝器与多区域脱甲烷塔系统结合以达到在乙烯装置的冷冻分离段节省能源，而且达到在乙烯装置的冷分馏段节省资本和能源。与传统的工艺相比：
（1）因为显著地较少的甲烷被冷凝下来，所以分凝器比传统的部分冷凝型热交换器需要较少的冷冻能源;
（2）因为温度较高的塔使用比较便宜的材料而使用比较贵的材料的温度较低的塔又比传统的单塔（温度较低的）脱甲烷器小，所以多区域脱甲烷塔系统比传统的单塔脱甲烷器系统便宜;
（3）因为较少的甲烷被冷凝下来及送到塔中以及还因为温度较高的塔使用温度较高、较不耗能源的冷冻及温度较低的塔又比传统的单塔（温度较低的）脱甲烷器使用较少之温度较低且较耗能源的冷冻，所以多区域脱甲烷塔系统需要较少的冷冻能源来进行回流;
（4）由于塔中需要处理的液体量较小，所以脱乙烷塔比较小并且需要较少之分离能源;而且
（5）由于被送到塔之二个进料提供了预分离，所以乙烯/乙烷分割塔较小而且需要比较少的分离能源。
美国专利4，002，042;4，900，347和5，035，732所描述的改良工艺能被用来自进料气体中回收乙烯，该进料气体来自裂化乙烷，乙烷/丙烷，或碳数较高的烃，例如液化石油气，石脑油或粗柴油所得到的产物。
因此，对于从包含乙烯的进料气体中回收乙烯，多区域脱甲烷器系统的使用是一有效率而且较适宜的操作模式。对此一系统进一步改进中为人所期望的，在以下说明书所叙述的和由所附权利要求书所限定的本发明对来自乙烷和乙烷一丙烷的裂化的含乙烯进料气体实施了此种改进。
本发明是对被送至乙烯回收工艺的被加压进料气体之预冷和冷凝的一种改良方法。自包含乙烯、氢和C1到C3烃的被加压进料气体中回收乙烯的公知工艺包括下列步骤：将被加压的进料气体预冷而且部分地冷凝，将被冷凝的进料气体在第一脱甲烷塔区域中分馏以产生一种中间蒸气和富C2+烃的第一脱甲烷塔液体，将中间蒸气在第二脱甲烷塔区域中分馏以产生一种轻塔顶产品和富C2烃的第二脱甲烷塔液体，和将第一和第二脱甲烷塔液体加以分馏分回收乙烯产品和含乙烷和C3+烃的流。本发明的将被加压进料气体预冷却和冷凝的改良方法包含在第一冷凝区域的部分冷凝中将该被加压进料气体进行最初冷却及部分冷凝，该部分冷凝器是在等于高于特性温度下操作的。将该部分冷凝的进料气体分成第一蒸气流和冷凝液体，通过在第二冷凝区域中的分凝而将该第一蒸气流冷却，部分地冷凝，和精馏而产生一种轻气体产品和一种分凝液体，该分凝之操作温度低于该特性温度。该冷凝液体被作为该第一脱甲烷塔区域的进料，该分凝液体作为该第二脱甲烷塔区域的进料。该特性温度是在大约-80°F和大约-120°F之间，被加压的进料气体较适宜地是包含低于大约1摩尔%的丙烷和丙烯，及低于大约25摩尔%的甲烷。
本发明的进料冷凝方法在维持先前技术系统使用多重分凝器和二个脱甲烷塔的能源效率和其他资本节省的优点之下，提供了装备简化和资本的节省。
本发明的唯一附图是本发明将进料预冷和冷凝的改良方法的示意流程图。
在以裂化丙烷或碳数较高的烃为基础的乙烯装置中，进料到冷冻分离段（或冷却串列）的裂化气体进料一般是大约-20°F到-40°F，大约350到550psia而且包含大约25到45摩尔%甲烷，25到45摩尔%乙烯/乙烷和2摩尔%或更多的丙烯/丙烷和碳数较高的烃，以及氢和其他的轻气体。在先前引用的美国专利4，900，347和5，035，732所描述的改良的冷冻分离和冷分馏工艺中，在应用此类型的裂化气体进料的第一冷凝区域中需要一个“温度较高的”分凝器以将被冷凝而且被送到二个脱甲烷塔的甲烷的量减到最少，同时还将进入第二冷凝区域的“温度较低的”分凝器的丙烯和丙烷的数量减少到小于大约0.05摩尔%。因此，在温度较低的分凝器中回收的乙烯和乙烯不通过脱乙烷塔。
然而，在以乙烷裂化，或在某些情况是乙烷/丙烷裂化，为基础的乙烯装置中，进料到冷冻分离段的裂化气体进料是在-20°F到-40°F，35到550psia而且一般包含只有5到20摩尔%甲烷，和低于大约1摩尔%的丙烯/丙烷和碳数较高的烃。使用这个类型的裂化气体进料时，已经发现在本发明中根据先前引用的美国专利4，900，347和5，035，732之冷冻分离段的第一冷凝区域中的“温度较高的”分凝器可用一个或多个部分冷凝器来取代以冷却流进料到大约-80°F到-120°F之间。使用这个类型的裂化气体进料时，部分冷凝器可将进入第二冷凝区域（温度较低的）的分凝器的丙烷和丙烯的浓度减少到小于0.05摩尔%而且不会增加冷凝的甲烷的量至足以在脱甲烷塔中导致明显的损失。因此，在温度较低的分凝器中回收的乙烯和乙烷不必通过脱乙烷塔。在乙烷/丙烷裂化中，在裂化气体进料中的甲烷的数量大部分取决于裂化的丙烷对裂化的乙烷的份数。
分凝器是一种将进料气体部分地冷凝并且精馏的精馏热交换器。典型的分凝器所产生的分离效果相当于多分离段，一般是5到15个段。部分的冷凝器在此被定义为一种传统的冷凝器，在其中进料气体在没有精馏之下被部分地冷凝以产生气一种液混合物，该气-液混合物在一个简单的分离容器中被分离成蒸气和液体流。在部分冷凝器中实施一个分离段。
本发明的概念还可用在使用一前端（front-end）脱乙烷塔（冷冻分离段的上游）的一些乙烯装置中，这是因为进入冷冻分离段的裂化气体进料将会典型地包含低于大约1摩尔%之丙烯和丙烷。除此之外，进入冷冻分离的裂化气体进料中的甲烷的数量较适宜地是小于大约25摩尔%和更适宜地是小于大约15摩尔%，以使得在第一冷凝区域之部分冷凝器中的被冷凝而且被送到温度较高的脱甲烷塔的甲烷的量减到最少。在此情况中，在裂化气体进料中的甲烷的数量取决于特定的裂化器原料。
参考唯一的附图本发明被详细地描述为，其中裂化气体1被压缩到大约350到550psia（未示出）并且在冷却器101和103中使用传统的丙烷或丙烯冷冻将其冷却到大约-30到-40°F。流3，此时被部分地冷凝，并流入分离器105并从分离器105中放出冷凝物5和蒸气7。
如所附的权利要求书中所定义的，蒸气7是本发明的被加压的进料气体，而且典型地包含30到60摩尔%氢，5到30摩尔%甲烷，10到40摩尔%乙烯，和5到20摩尔%乙烷。蒸气7较适宜地包含低于大约1摩尔%的C3和碳数较高的烃，较适宜地包含低于25摩尔%甲烷，而且一般是通过热裂化乙烷或乙烷/丙烷所获得。通过与在大约-25°F和-125°F之间供应的冻剂9的间接热交换，蒸气7在第一冷凝区域106中被进一步冷却和部分地冷凝。冷冻剂9一般包含一或多个阶段的乙烯冷冻剂或混合冷冻剂，而且可能由在乙烯装置产生的温度较低的流来补充。热交换器107是一壳管型或黄铜铝型的传统热交换器。温度在大约-80°F和-120°F之间的混合蒸气/冷凝物流11流入分离器109，并由其中放出蒸气13和液体15。第一冷凝区域106的热交换器107和分离器109作为一种部分冷凝器系统来进行操作，此系统提供相当于单段的分离，其中蒸气13和液体15是在大约处于热力学平衡状态。
一般包含50到80摩尔%氢，10到35摩尔%甲烷，5到20摩尔%乙烯，低于10摩尔%乙烷和低于0.5摩尔%丙烯/丙烷的蒸气13流到蓄储罐111，然后分凝器115中被进一步冷却以在第二冷凝区域113中同时地冷凝并且精馏蒸气13。与由热交换器107和分离器109所组成的只提供一个阶段的分离的部分冷凝器系统不同，分凝器115一般提供5到15阶段的分离。分凝器115被在大约-85°F和-235°F之间的冷冻剂17所冷却。冷冻剂17一般包含一个或多个等级的乙烯冷冻剂以及在乙烯装置产生的各种温度较低的流，或一种混合冷冻剂。将主要包含甲烷和氢的轻气体19从分凝器15放出，而其中的一部分一般是流到乙烯装置的氢回收段（未示出）。将分凝器液体21在大约-85°F到-130°F之间放出，其中一般包含5到15摩尔%甲烷，60到80摩尔%乙烯，15到30摩尔%乙烷和低于0.5摩尔%的丙烷和丙烯。
液流5和15包含实质上所有丙烷、丙烯和碳数较高的烃和大部分含于裂化气体流1中的乙烷。这些流作为第一脱甲烷塔区域117的进料，该第一脱甲烷塔区域包括一个蒸馏塔，塔顶冷凝器系统，和附加的本技术领域公知的操作设备部分。第一脱甲烷塔区域117典型地在+60°F到-40°F的温度范围中操作并且产生塔顶蒸气23，该塔顶蒸气23包含实质上所有氢和甲烷和来自原料流5和15的大部分乙烯。由其中放出的塔底液体25包含实质上所有丙烷，丙烯，和碳数较高的烃和来自原料流5和15的大部分乙烷。塔底液体25被导入脱乙烷塔121并且自其中放出包含实质上所有的丙烷，丙烯，和碳数较高的烃的塔底流31。被放出的塔顶蒸气33包含实质上在第一脱甲烷塔区域塔底液体25中的所有乙烷和乙烯。
典型地在+25°F到-230°F的温度范围中操作的第二脱甲烷塔区域119之进料在两个不同位置由分凝器液体21和第一脱甲烷塔区域塔顶蒸气23分别提供。氢-甲烷塔顶蒸气27和富乙烯的塔底液体29从该处被放出。最后温度较低的分馏在乙烷-乙烯分割塔123中完成以生产高纯度乙烯产品35和乙烷塔底产物37。
实施例
根据唯一的附图进行质能平衡以说明本发明。在冷却器101和103中应用几个阶段的C3冷冻剂以将裂化气体流1冷却到-26°F。如此产生了被冷却而且部分地冷凝的流3，该流3在容器105中于-26°F和508psia之下被分离成冷凝物5（主要为丙烯/丙烷和碳数较高的烃）和蒸气7。冷凝物5提供进料给第一（温度较高的）脱甲烷塔区域117。蒸气7是所附权利要求所限定的本发明的加压的进料气体，而且在本实施例中包含43摩尔%氢，11摩尔%甲烷，29.5摩尔%乙烯，16摩尔%乙烷和0.5摩尔%丙烷和丙烯。蒸气7在部分冷凝器型热交换器107中被冷却到-98°F以产生二相流11，该二相流11在容器109之内被分成冷凝物15和蒸气13。包含55.5摩尔的%乙烯，34摩尔%乙烷和7.5摩尔%甲烷的冷凝物15被当作第一脱甲烷塔区域117的另一个进料。将在-98°F的包含大约72.5摩尔%氢，13.5摩尔%甲烷，10.5摩尔%乙烯，3.5摩尔%乙烷和少于0.02摩尔%丙烷和丙烯蒸气流3，在第二冷凝区域113的分凝器115中冷却到-216°F以将残余的乙烯和乙烷冷凝和预分馏。从分凝器罐111中回收的在-105°F的富乙烯的液体21，包含大约67.5摩尔%乙烯，22.5摩尔%乙烷和8摩尔%甲烷，被作为第二（温度较低的）脱甲烷塔区域119的进料。
液流5和15包含实质上所有的丙烯、丙烷和碳数较高的烃和超过85%的冷凝自裂化气体1的乙烷，将液流5和15在温度较高的脱甲烷塔区域117中处理以排除第一脱甲烷塔塔顶馏出物23中的所有的氢，甲烷和其他的轻气体，该塔顶馏出物23还包含进入第一个脱甲烷塔的一部分乙烯和乙烷。剩余的乙烯和乙烷和所有的丙烯和丙烷和碳数较高的烃在塔底流25中除去并被送到脱乙烷塔121。以流21自分凝器115回收的富乙烯的液体和来自温度较高的脱甲烷塔区域117的富乙烯的塔顶蒸气流23在第二脱甲烷塔区域119中被处理以排除塔顶流27中的所有氢，甲烷和其他的轻气体。
来自第二脱甲烷塔区域119底部的富乙烯流29和来自脱乙烷塔121的塔顶的乙烯/乙烷流33在乙烯/乙烷分割塔123中被分馏以产生乙烯产品流35和底部乙烷流37，该底部乙烷流通常被再循环到裂化炉。图1所示的所有分馏器117，119，121和123通常都是以传统的再沸器和塔顶冷凝器被操作，这些装置为简化的理由未被示出。
二个或多个部分冷凝器可在冷冻分离段的第一冷凝区域106中串联使用以将被加压的进料气体冷却到大约-80°F到-120°F之间，例如，为了方便起见，利用在分开的热交换器中的几个温度水平的乙烯或其他冷冻剂。另一种方法是，如果使用混合冷冻剂，则单一的部分冷凝器将会是较适宜的。同样地，二个或多个分凝器可在第二冷凝区域113中串联使用以将进料气体冷却到低于大约-80°F到-120°F之间，以更进一步地增加被冷凝的乙烯液体的预分馏或便于使用不同的冷冻剂流。
为了增加工艺的能源效率，在冷冻分离段里面其他的变化也是可能的，例如分凝器液流21和第一脱甲烷塔区域顶蒸气流23之间的热交换或接触，和/或来自被冷凝液流5和/或15的回收冷冻（再加热）。第二脱甲烷塔区域塔顶蒸气流27也能在一个分凝器中被冷却以回收来自该轻气体的剩余乙烯。
典型地来自分凝器115的塔顶的氢-甲烷轻气体流19的至少一部分被送到氢回收段以产生高纯度的氢产品和一种或多种富甲烷的燃料流，这些燃料流在冷冻分离段热交换器中被再加热以供回收冷冻。同时，来自第二脱甲烷塔区域119的塔顶的氢-甲烷轻气体流27的至少一部分和来自分凝器115的塔顶的氢一甲烷流19的其余部分，典型地被送至一或多个膨胀器以在该工艺的冷冻分离段和选择性地在温度较低的分馏段中提供低于-150°F的冷冻。
本发明将部分冷凝器和分凝器组合的工艺维持了描述在美国专利4，900，347和5，035，732先前技术中实质上所有的能源和资本的节省，这些先有技术使用全部分凝器和多区域甲烷脱除塔的改进工艺，除此之外还提供显著的设备简化和资本的节省。这些先有技术工艺的第一冷凝区域中需要的“温度较高的”分凝器典型地由4到16个并联的热交换装置所组成以提供在那些分凝器里的对流蒸气/液体进料流的充份的截面流面积。代替先有技术的温度较高的分凝器之本发明使用的部分冷凝器，因为部分冷凝器中的同流蒸气/液体进料流之进料气体流速度可以比对流分凝器的进料气体流速度高很多，所以典型地只需要低于一半的截面流面积，也因此只需要低于一半的平行装置。与先有技术工艺的温度较高的分凝器相比，本发明通过由减少平行的热交换装置的数目和相关的管线而实现显著的资本节省。本发明第二冷凝区域113里面的分凝器115将会实质上是相同于先有技术之全分凝器工艺中的“温度较低的”分凝器。本发明的工艺仍然维持先有技术多分凝器工艺中的所降低之最低温和最耗能源的冷却量。在先有技术工艺中，由于进料气体流量低很多，“温度较低的”分凝器典型地由大约是“温度较高的”分凝器的一半的平行热交换单元所组成，因此这表示比温度较高的分凝器有低很多的资本成本。因此将先有技术的“温度较高的”分凝器以本发明的部分冷凝器取代可提供一简化的和十分便宜的进料冷却系统。
在上述实施例中，使用本发明部分的冷凝器/分凝器组合的工艺自裂化气体进料中冷凝出的甲烷总数量与先有技术的全分凝器改良工艺相比，前者增加了大约50%，但是自进料中冷凝出的液体总数量只增加了大约3%。因此在二个脱甲烷塔区域中处理的液体总数量只增加大约3%以及在脱乙烷塔和乙烯/乙烷分割塔中处理的液体数量实质上没有变化。因此本发明和先有技术全分凝器工艺两者在乙烯分离和分馏上的能源需求的差异是非常小的，而且在温度较低的分馏段（第一和第二脱甲烷塔，脱乙烷塔和乙烷/乙烯分割塔）的设备成本差是不显著的。因此，本发明的使用部分冷凝器/分凝器工艺降低了进料气体冷却和冷凝所需要的平行热交换装置的数目，因而比先有技术的全分凝器工艺有著明显的资本节省。
本发明的关键性需求包括（1）用于提供液体给温度较高的脱甲烷塔区域的在等于或高于一特性温度下发生的所有进料气体的冷却和冷凝必需在使用一个或多个部分冷凝器的冷凝区域中进行，和（2）用于提供液体给温度较低的脱甲烷塔区域的在低于该特性温度下发生的所有进料气体的冷却和冷凝必需在使用一个或多个分凝器的冷凝区域中进行。此特性温度是大约-80°F到大约-120°F的范围之间而且决定于被定义为蒸气7的被加压的进料气体中的甲烷和C3+烃的压力和浓度。
本发明的另一个关键性需求是被送到乙烯装置的冷冻分离段的进料气体，即是被定义为蒸气7的被加压的进料气体，应该较适宜地包含低于大约1摩尔%丙烷和丙烯，和更适宜为低于大约0.5摩尔%丙烷和丙烯，以使得在第一冷凝区域106中的部分冷凝器类型热交换器能减少进入第二冷凝区域113分凝器的丙烯和丙烷的数量到小于大约0.05摩尔%。这是合乎要求的因此在分凝器中回收的乙烯和乙烷就不需要在脱乙烷塔中处理。
本发明的工艺的额外关键性需求是被送至乙烯装置的冷冻分离段的被定义为蒸气7的被加压进料气体应该较适宜地包含低于约25摩尔%的甲烷，和更适宜的低于约15摩尔%的甲烷，以便将在第一冷凝区域106的部分冷凝器中冷凝出来的并当做流15被送到温度较高的脱甲烷塔区域的甲烷量减少到最低。
为了充分实现本发明提供的更多的设备简化和资本节省这些要求是必须的，并且不会失去由先有技术的全分凝器/多脱甲烷塔系统所提供的能源效率的优点和其他的资本节省。
本发明的必要特性已完全地描述于前面的叙述中。本技术领域中的技术人员能了解本发明并且可在没有背离其基本精神和不超出下述权利要求书的范围下进行各种改进。