用于获得丁烯产品的方法和设备与流程

1.本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分的用于制造丁烯产品的方法和设备。


背景技术：

2.丁烯(butene；下文中仅以单数形式使用术语“丁烯”，而不考虑可能存在的丁烯异构体)传统上主要通过烃原料的蒸汽裂化和炼油工艺中的其他转化方法生产。在这些情况下，丁烯是一种副产品，虽然存在但量相对较少。用于生产丁烯的替代工艺是丁烷脱氢。
3.丁烷(催化)脱氢是石化工业中众所周知的工艺，它与丙烷脱氢具有某些共同特征，如描述于ullmann's encyclopedia of industrial chemistry(2013年9月16日在线版)中的“propene(丙烯)”一文，doi:10.1002/14356007.a22_211.pub3，特别是第3.3.1节，“propane dehydrogenation(丙烷脱氢)”。
4.与丙烷脱氢一样，丁烷脱氢是通常在贵金属或重金属催化剂(例如铂或铬)上进行的吸热平衡反应。脱氢反应具有高选择性。对于市售工艺，引用的总产率约为90％。尽管有如此高的选择性，但除了裂解出的氢气外，典型地还会产生少量具有1个、2个和3个以及多于4个的碳原子的烃作为副产品。这些副产品以及在丁烷脱氢期间未转化的丁烷必须分离以获得丁烯产品。
5.文献中也广泛描述了其中形成丁烯的蒸汽裂化工艺和炼油工艺，例如ullmann's encyclopedia of industrial chemistry(2009年4月15日在线版)中的“ethylene(乙烯)”一文，doi:10.1002/14356007.a10_045.pub3；以及ullmann's encyclopedia of industrial chemistry(2007年1月15日在线版)中的"oil refining(炼油)"一文，doi:10.1002/14356007.a18_051.pub2。
6.在蒸汽裂化工艺和炼油工艺中也会形成含丁烯的组分混合物，因此必须对这些混合物进行相应的处理，以获得丁烯产品。本发明基本上适用于形成含有丁烯和特别是沸点低于丁烯的组分的组分混合物的所有方法和设备。
7.在丁烷脱氢的工业设备中，经过适当的制备(例如压缩和去除二氧化碳)后，对应组分混合物的处理典型地包括将具有两个碳原子的烃和较高沸点的化合物与具有三个或更多个碳原子的烃进行低温分离(所谓的脱乙烷)。进一步的分离步骤包括形成主要或仅含有丁烷和丁烯的部分和将该部分分离。类似的工艺也用于处理在蒸汽裂化工艺和炼油工艺中形成的组分混合物。
8.现有技术中已知的用于处理对应组分混合物的低温工艺的特点是投资支出相当高，这特别是由用于产生冷量的机器和用于冷量传输的设备产生的。由于(积极的)规模经济，对于生产率大的设备，低温工艺是首选的分离工艺。然而，对于生产率较低的设备，低温工艺的具体投资成本会不成比例地增加。
9.因此，有必要为丁烯和含有沸点低于丁烯的组分的组分混合物的分离工艺提供替代方案，特别是如果这些组分混合物在丁烷脱氢工艺中生产且量相对较少。


技术实现要素：

10.在此背景下，本发明提出了一种具有独立权利要求的相应特点的用于生产丁烯的方法和设备。优选实施方案是从属专利权利要求以及下列描述的主题。
11.如果一种或多种组分的基于摩尔、重量或体积的含量至少为50％、60％、70％、80％、90％、95％、99％或99.5％，则任何种类的流体在这里通常被称为“富含(rich)”一种或多种所含有的组分。在一种或多种组分的基于摩尔、重量或体积的含量不超过30％、20％、10％、5％、1％或0.5％时，则它们被称为“贫乏(poor)”一种或多种组分。在这里使用的语言中，它们可以“富集(enriched)”或“贫化(depleted)”一种或多种组分，其中这些术语指的是形成相应流体的源流体中的对应含量。如果流体中的一种或多种组分的含量相对于源流体来说至少是2、5、10、100或1000倍，则它被称为“富集”。但是，如果流体中一种或多种组分的含量相对于源流体而言最多为0.5倍、0.1倍、0.01倍或0.001倍，则它被视为贫化。“主要”含有一种或多种组分的流体富含上文定义的这种或这些组分。
12.如果一种流体(术语流体也用于指对应的流、部分等)至少具有包含在另一种流体(这里也称为初始流体)中或从初始流体中获得的一些组分，则这种流体从初始流体得到或形成。可以通过将一部分或一种或多种组分分离或分支，相对于一种或多种组分富集或贫化，使一种或多种组分发生化学或物理反应，加热、冷却、加压等方式从初始流体获得或形成在此意义上得到或形成的流体。例如，也可以简单地通过将其从储罐中取出或将其与另一材料流分离来形成材料流。
13.在下文中，术语“压力水平”和“温度水平”被用来表征压力和温度，据此要表达的是，压力和温度不一定要以精确的压力或温度值的形式提供。例如，压力水平或温度水平可以是平均值附近的
±
1％、5％、10％、20％或50％。多个压力和温度水平可以代表分隔的或重叠的区域。相同的压力或温度水平可能仍然存在，例如，如果压力和温度由于管道损失或冷却而降低。这里用巴表示的压力水平是绝对压力。
14.本发明特别基于已知的膜分离工艺(实际上)没有规模经济的认识，这就是为什么它们通常不是高生产率设备的经济解决方案，但往往是小型设备的成本效益好的解决方案。膜分离工艺与低温蒸馏工艺的根本区别在于，典型地它们只适合于粗(毛)分离，但不能提供高纯度产品。
15.在此背景下，本发明现在提出了一种简单且成本效益好的方法，用于从使用丁烷脱氢形成的组分混合物中分离出含丁烯的部分或丁烯产品，其中组分混合物特别地以比较小的生产量形成，或丁烷脱氢的生产能力比较低。这里，“小生产量”或“小生产能力”被理解为是指20至120kta(千吨/年)，特别是35至80kta，例如约50kta的生产量。
16.在本发明的背景下提出的分离被证明比传统的低温分离序列更有优势得多，特别是在对应的低生产能力的投资成本方面，因为可以省去复杂的仪器和机器。同时，如下文详细解释的，在本发明的框架内，可以在分离中提供含有适合于丁烷脱氢的量的丁烷和氢气的反应进料。因此可以省去外部加料。
17.本发明特别适用于小型丁烷脱氢设备，这些设备可进行改造以增加现有设备(例如蒸汽裂化设备)的产量。由于根据本发明提出的氢气分离，剩余的气体混合物可以在这种现有设备或在那里提供的分离设施中进行处理，并且不会使它们过载。因此，不需要进一步的改造措施。
18.本发明总体上提出了一种用于生产丁烯产品的方法，其中使用丁烷脱氢使包含丁烷和氢气的反应进料进行反应，提供包含丁烷、丁烯和氢气的组分混合物。如上所述，本发明的工艺可以集成到整体工艺或进行进一步的材料转换工艺步骤和分离步骤(例如一个或多个蒸汽裂化步骤和分配给它们的分离步骤)的设备中。特别是通过使用对应的进一步分离步骤，还可以获得根据本发明生产的丁烯产品。
19.本发明提供组分混合物或其一部分作为第一分离进料经历第一膜分离，通过第一膜分离形成与第一分离进料相比富集氢气的第一渗透物和与第一分离进料相比贫化了氢气且含有氢气、丁烷和丁烯的第一渗余物。有利的是，第一渗透物不含或仅含少量的丁烷和丁烯，它们是进给到第一膜分离的第一分离进料中所含有的。如上所述，膜分离工艺典型地不是为实现组分的完全分离而设计的，从而第一渗余物还含有第一分离进料中所含有的大量氢气。为了它的进一步分离，使用了下文描述的第二膜分离。
20.第一(和随后解释的第二)膜分离可以在本发明的范围内使用本领域已知的膜分离设备进行。关于进一步的细节，请参考技术文献。
[0021]“渗透物”在这里被理解为一种气体或气体混合物，它主要或仅含有不被用于膜分离阶段的膜保留或主要不被该膜保留的组分，即不受阻碍地穿过膜(基本上或至少优选)的组分。因此，“渗余物”是一种气体或气体混合物，它主要或仅含有在膜分离阶段完全或至少主要被膜保留的组分。
[0022]
在本发明中，第一渗余物或其一部分作为第二分离进料经历第二膜分离，其中形成了至少含有第二分离进料中的大部分氢气的第二渗透物和至少含有第二分离进料中的大部分丁烷和丁烯的第二渗余物。在第二膜分离中，换句话说，第二分离进料中的氢气被主要或完全去除，从而形成了基本上含有较重组分，特别是丁烷和丁烯的渗余物。然后，这种第二渗余物可以进一步处理，以获得丁烯产品。
[0023]
在本发明的背景下，可以使用两种不同的替代方法，根据具体情况，这些替代方法是有利的。这意味着第一膜分离可以使用含有丁烷的吹扫气体进行，且第一渗透物可作为充有来自吹扫气体的丁烷的渗透物获得。对应的吹扫气体在渗透物一侧沿着用于膜分离的膜被引导，并能在膜上获得更大的量或更大的比例，因为穿过膜的较轻组分可以被连续带出，因此可以保持膜上的浓度或分压梯度。作为含丁烷的吹扫气体，特别地使用丁烷或富含丁烷的气体或气体混合物，但在任何情况下都有利地氢气含量低或不含氢气，以便在膜分离中实现上述有利效果。在任何情况下，充有吹扫气体中的丁烷的渗透物中的丁烷来自吹扫气体，而不是或仅有小比例来自第一分离进料。
[0024]
替代地或另外地，在本发明的范围内也可以使用含有丁烷的吹扫气体进行第二膜分离，从而使第二渗透物作为充有吹扫气体中的丁烷的渗透物获得。在这方面，上文关于在第一膜分离中使用含丁烷的吹扫气体所说明的内容基本上也适用。
[0025]
最后，本发明提供了在反应进料的形成过程中使用充有吹扫气体中的丁烷的第一渗透物和/或充有吹扫气体中的丁烷的第二渗透物或其一个或多个部分。然而，如果其中一种渗透物，即第一或第二渗透物，不是作为充有吹扫气体中的丁烷的渗透物获得的，即如果在对应的第一或第二膜分离中没有使用对应的吹扫气体，这通常不用于反应进料的形成，但如下文所述，用于在一个或多个反应器中从下部燃烧或进给到对应设备的燃料气体网络。
[0026]
在形成反应进料的过程中使用充有含丁烷的吹扫气体中的丁烷的渗透物的特殊优点是，对应的充有丁烷的渗透物已经含有对应的反应进料中所需要的组分(丁烷和氢气)，因此无需单独添加。在本发明的背景下，使用吹扫气体的双重优点是，可以有利地影响对应的膜分离，同时可以提供可直接用于分离应用的气体混合物。特别是，由于在对应的反应应用中提供的氢气不是来自外部来源，而是来自膜分离，因此以其他方式可能需要的额外清洁步骤可以被省去。
[0027]
在本发明的背景下，经历丁烷脱氢的反应进料特别含有45至95体积百分比的丁烷和1至50体积百分比的氢气。根据本发明，适当比例的氢气可有利地被进入膜分离步骤中使用的渗透物的氢气部分或完全覆盖。
[0028]
在丁烷脱氢中形成的组分混合物和第一分离进料有利地含有40至60体积百分比的丁烷、20至30体积百分比的丁烯和25至30体积百分比的氢气。因此，在丁烷脱氢过程中，会形成额外的(过量的)氢气，其可有利地以未返回丁烷脱氢的比例用于其他目的。
[0029]
如前所述，在第一膜分离中，发生了第一分离进料中氢气的部分贫化，从而在本发明的背景下，第一渗余物和第二分离进料特别含有10至20体积百分比的氢气。
[0030]
使用第二膜分离会导致进一步的氢气贫化，从而第二渗余物仅具有5至15体积百分比的小比例的氢气。
[0031]
有利的是，在根据本发明的工艺中，经历第一膜分离的组分混合物或其一部分在经历膜分离之前经历冷却和压缩。在经历丁烷脱氢之前，特别是通过与反应进料或其一部分进行热交换来进行冷却。在这种配置中，根据本发明提出的方法允许特别有利的热回收。
[0032]
在本发明的范围内，在2至38巴、6至20巴、8至18巴、10至14巴、10至16巴或12至14巴的压力水平下，有利地对经历第一膜分离的组分混合物或其一部分进行压缩。这一压力水平特别取决于第二渗余物所需的输送压力，或取决于第二渗余物将经历的工艺的所需进口压力。压力水平还取决于来自丁烷脱氢的组分混合物中氢气的体积分数，因为第一和第二膜分离中有利的分离压力又取决于对应的体积分数。此外，如果氢气或富含氢气的部分作为在第一和第二膜分离中的渗透物获得，那么压力水平将用于热回收，即使在已经达到所需的压力之后，尤其是如果将发生向加热气体网络的进料。另一个影响因素是外部温度，因为具有三个或可能更多个碳原子的烃不应该在第一和第二膜分离中冷凝。根据第一和第二膜分离步骤中使用的膜的设计，伴随的加热也可能是有利的，这取决于对应组分的分压。最后，另一个影响压力的因素是使用的压缩机。有利的是，它不应该具有多于两个的中间冷却阶段。
[0033]
由电动机驱动的压缩机，特别是三级涡轮压缩机，有利地作为压缩机使用，因为电力驱动可以节省复杂的涡轮机和同样复杂的蒸汽系统连接。
[0034]
在进一步的工艺步骤中，特别是在蒸汽裂化或一个或多个这些下游分离步骤中，第二渗余物的进给有利地在1至38巴的压力水平下进行，从而如果来自丁烷脱氢的原料气体的压缩被合适地选择，则不需要进一步的压缩步骤。
[0035]
特别地，本发明允许使用含丁烷的吹扫气体仅进行第一膜分离，因此仅第一渗透物作为充有来自吹扫气体的丁烷的渗透物获得。替代地，可以使用含丁烷的吹扫气体仅进行第二膜分离，并且仅第二渗透物作为充有吹扫气体中的丁烷的渗透物获得。在这两种情况下，未充入吹扫气体中的丁烷的渗透物或其一部分可以被燃烧以在用于丁烷脱氢的一个
或多个反应器中进行加热。为此，例如，如前所述，可以发生向加热气体网络中的进料。替代地，也可以将对应的渗透物(特别是主要或仅含有氢气)用于不同的目的。在任何情况下，丁烷脱氢中形成的氢气都可以通过这种方式有利地使用。
[0036]
未充入吹扫气体中的丁烷的渗透物有利地在3至7巴的压力水平下提供以便在相应的第一或第二膜分离中适当使用，并且以这种方式可以特别地进给到在适当压力下操作的加热气体网络中。
[0037]
本发明还提供了一种设备，其特点在对应的独立专利权利要求中详细说明。关于本发明提出的设备的特征和优点，明确参考已经关于上述方法描述的特征和优点，以及已解释的其有利的实施方案的特征和优点。这一点特别适用于根据本发明特别优选的实施方案的设备，该设备具有为执行对应程序而设置的装置。
[0038]
下文参考附图对本发明进行更详细的解释，附图说明了本发明的一种优选形式。
附图说明
[0039]
图1以高度简化的示意图图示了根据本发明的一个实施方案设计的方法。
具体实施方式
[0040]
图1以高度简化的示意图图示了根据本发明的一个实施方案设计的方法，整体用100表示。
[0041]
方法100中，使用一个或多个装备为用于丁烷脱氢10的反应器，含丁烷的反应进料1被进给到该反应器中。一个或多个反应器被一个或多个燃烧器11加热。
[0042]
含有丁烷、丁烯和氢气的组分混合物2是通过一个或多个反应器形成的，因此使用其中进行的丁烷脱氢10，并由此在方法100中提供。例如，生产量约为50kta。组分混合物2，或仅组分混合物2的一部分，经历冷却过程20，特别是与输入混合物1进行热交换。
[0043]
在冷却器20或冷却之后，经历冷却的组分混合物2或其一部分，或同样仅其一部分经历压缩30，其中特别是通过电动机m驱动的三级涡轮压缩机可以用在包围着三个压缩机级的外壳中。压缩特别是在12至15巴的压力水平下进行。
[0044]
在压缩30之后，经历压缩30的组分混合物或其一部分，或同样仅其一部分，作为第一分离进料经历第一膜分离40。在该实施例中，形成了与第一分离进料相比富集氢气且贫乏或不含丁烷和丁烯的第一渗透物3和与第一分离相比贫化了氢气但仍含有氢气且另外含有丁烷和丁烯进料的第一渗余物4。在所示实施例中，第一膜分离是在不使用含有丁烷的吹扫气体的情况下进行的，因此第一渗透物3不是作为充有吹扫气体中的丁烷的渗透物获得的。然而，如上文所解释的，也正在考虑精确地这样做的程序变体。
[0045]
在所示实施例中，膜分离40是以这样的方式进行的，使得获得第一渗透物3的压力水平刚好足够高，以使第一渗透物3或仅其一部分可以被进给到燃烧器11而无需进一步压缩并在燃烧器中作为加热气体使用。如果第一渗透物3的量不足以通过一个或多个燃烧器11进行加热，可以特别提供用可燃的吹扫气体来吹扫第一膜分离器30，该吹扫气体特别是甲烷，或含有甲烷的气体混合物，特别是天然气。第一渗透物3也可以被进给到对应设备或对应设备组的加热气体网络中。
[0046]
第一渗余物4，或仅其一部分，作为第二分离进料经历第二膜分离50，其中，使用含
有丁烷的吹扫气体5，与第二分离进料相比，形成至少含有第二分离进料中含有的大部分氢气的第二渗透物6以及至少含有来自第二分离进料的大部分丁烷和丁烯的第二渗余物7。特别地，使用吹扫气体5使得进行足够的(即完全或基本完全的)氢气分离，而不论在第一膜分离40中已经实现的氢气分压的降低如何。
[0047]
第二渗透物6包含50吹扫气体5中的丁烷和来自第二分离进料的氢气，这是由于在第二膜分离中所述形成的。在所示实施例中，第二渗透物6因此是作为充有吹扫气体5中的丁烷的渗透物获得。因此，第二渗透物6，或仅其一部分，可以以特别有利的方式作为反应器10中反应进料1的一部分进行循环，因为在那里进行的丁烷脱氢典型地使用含有一定比例氢气的反应进料。关于其他实施方案，请参考上述解释。
[0048]
因此，在本发明的背景下，第二膜分离既可用于分离氢气以获得丁烯产品，也可用于将氢气添加到反应进料1中。返回到一个或多个反应器10作为反应进料1的一部分的第二渗透物6或其一部分，在这里添加，特别是主要或仅含有丁烷的新鲜进料8。
[0049]
在所示实施例中，第二渗余物7被添加到一个或多个进一步的工艺步骤60中，特别是分离丁烷和丁烯，如果有必要，还可以分离更重的组分。在进一步的工艺步骤60中，除了一个或多个在这里未单独说明的其他部分外，特别是，还可以形成主要或仅含有丁烯的丁烯产品9。此外，在进一步的工艺步骤60中还可以获得主要或仅含有丁烷的部分，该部分可作为吹扫气体5使用。进一步的工艺步骤60可以是蒸汽裂化工艺的一部分，其具有分别分配的分离步骤。