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裂解气深冷分离流程
第四节-裂解气深冷分离流程（共19页）
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第四节 裂解气深冷分离流程
思考题：
1.简述三种深冷分离流程并画简图，三种深冷分离流程有什么不同点和不同点脱丙塔塔底温度为什不能超过100℃
2.什么叫“前冷”流程，什么叫“后冷”流程？
前冷
3.
4.
流程有什么优缺点
5.脱甲烷塔在深冷分离中的地位和作用是什么脱甲烷塔的特点是什么
6.
7.脱甲烷过程有哪两种方法，各有什么优缺点
乙烯塔在深冷分离中的地位是什么？
乙烯塔应当怎样改进
．简述影响乙烯回收的诸因素。
一、深冷分离流程
生产流程的确定要考虑基建投资、能量消耗、运转周期、生产能力、产品成本以及安全生产等各方面的因素。
有了工艺以后，怎样实现工艺问题就属于工程上的问题。
1、三种深冷分离流程（思考题１）
典型的深冷分离流程，主要有顺序分离流程、前脱乙烷流程和前脱丙烷流程三种，以下分别介绍这三种流程。
（1）顺序分离流程
顺序分离流程见图1-34（P73）。
裂解气的预处理包括碱洗、压缩和脱水过程。
经预处理的裂解气在前冷箱中分离出富氢气体和馏分，富氢气体甲烷化作为加氢氢气；馏分经脱甲烷塔和脱乙烷塔分别脱去甲烷和C2馏分。
从脱乙烷塔塔顶出来的C2馏分经过气相加氢脱乙炔气，脱乙炔以后的气体进入乙烯塔，实现乙烷与乙炔的分离。
脱乙烷塔塔底的液体进入脱丙烷塔，在塔顶分出C3馏分，塔底的液体为C4以上馏分，液体里面含有二烯烃，二烯烃容易聚合结焦，所以脱丙烷塔塔底温度不宜超过100℃，并且必须加入阻聚剂。
为了防止结焦堵塞，脱丙烷塔一般有两个再沸器，以便轮换检修使用。
（思考题１）
脱丙烷塔塔顶蒸出的C3馏分，加氢脱除丙炔和丙二烯，再进入丙烯塔进行精馏。
脱丙烷塔的塔底液体脱丁烷及进行后续工作。
顺序分离流程的特点：
1）以轻油（60～200℃的馏分）为裂解原料，常用顺序分离流程法；
2）技术成熟，运转平稳可靠，产品质量好，对各种原料有比较强的适应性，流程比较长，分馏塔比较多，深冷塔（脱甲烷塔）消耗冷量比较多，压缩机循环量和流量比较大，消耗定额偏高；
3）按裂解气组成和分子量的顺序分离，然后再进行同碳原子数的烃类分离，例如乙烷和乙烯、丙烷和丙烯分开；
4）顺序分离流程采用后加氢脱除炔烃的方法。
（2）前脱乙烷分离流程（把脱乙烷塔放在最前面）
前脱乙烷分离流程以乙烷和丙烯为分离界限，前脱乙烷分离流程示意图见图1-35。
裂解气经过预处理进入脱乙烷塔。
脱乙烷塔塔顶出来的是C2以上的轻组分先加氢再进入脱甲烷塔。
脱甲烷塔塔顶出来的甲烷、氢气在冷箱中进行分离；脱甲烷塔塔底出来的C2馏分，则在乙烯塔中分离成乙烯和乙烷。
脱乙烷塔的塔底液体依次进入脱丙烷塔、脱丁烷塔、丙烯塔等，分离成丙烯、丙烷、C4馏分和C5以上馏分。
前脱乙烷分离流程的特点：
由于脱乙烷塔的操作压力比较高，这样势必造成塔底温度升高，结果可使塔底温度高达80～100℃以上，在这样高的温度下，不饱和重质烃及丁二烯等，容易聚合结焦，这样就影响了操作的连续性。
重组份含量越多，这种方法的缺点就越突出。
因此前脱乙烷流程不适合于裂解重质油的裂解气分离。
（3）前脱丙烷分离流程（把脱丙烷塔放在最前面）
前脱丙烷分离流程以丙烷和丁烯为分离界限，前脱丙烷分离流程示意图见图1-36。
裂解气经过三段压缩和预处理进入脱丙烷塔，塔底产品脱丁烷等后续处理。
脱丙烷塔塔顶出来的C3以下轻组分，进入压缩机四段，然后进行加氢脱炔再送往冷箱。
在冷箱中分离出富氢气体，其余馏分依次进入脱甲烷塔、脱乙烷塔、乙烯塔和丙烯塔等，依次分离出甲烷馏分、C2馏分、C3馏分、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷。
前脱丙烷分离流程的特点：
C4以上馏分不进行压缩，减少了聚合现象的发生，节省了压缩功，减少了精馏塔和再沸器的结焦现象，适合于裂解重质油的裂解气分离。
2、三种深冷分离流程的比较
上述三种深冷分离流程，比较起来，有共同之处，也有不同之处，各有优缺点。
三种流程的共同点：
（思考题１）
（1）先将不同碳原子数的烃类分开，再分离同一碳原子数的烯烃和烷烃，采取先易后难的分离顺序。
从表1-29（P71）的沸点数据可以看出，不同碳原子数的烃类易分，同碳原子数的烃类难分。
关于分离的难易程度，可以由相对挥发度的数据来分析，见表1-31（P74）。
表1-31塔的操作条件与相对挥发度
分离塔
关键组分
操作条件
平均相对挥发度
轻
重
温度，℃
压力，MPa
塔顶
塔釜
脱甲烷塔
脱乙烷塔
脱丙烷塔
C01
C02
C03
C=2
C=3
i-C04
-96
-12
4
6
76
70
脱丁烷塔
乙烯塔
丙烯塔
C04
C=2
C=3
C05
C02
C03
-70
26
-49
35
在丙烯塔中，丙烯与丙烷的相对挥发度很小，分离比较困难。
在乙烯塔中，乙烯和乙烷的相对挥发度也比较小，所以也比较难于分离。
而脱甲烷塔、脱乙烷塔和脱丙烷塔的关键组份及其相对挥发度是比较大的，分离比较容易。
流程都是采取先易后难的分离顺序，即先分离各容易分离的不同碳原子数的烃类，然后再进行C2的分离和C3的分离。
（2）最终出产品的乙烯塔和丙烯塔并联安排，并且排在最后，作为二元组分精馏处理。
并联安排，相互干扰比串联安排要少一些，有利于稳定操作，有利于提高产品质量。
乙烯塔和丙烯塔的塔底液体是乙烷和丙烷，都是中间产物，不是作为裂解原料，就是作为燃料，质量要求不严格，流量又比较小，这样，就能保证塔顶产品乙烯和丙烯产品质量。
三种流程的不同点：
（思考题１）
（1）精馏塔的排列顺序不同：
（原料的适用性不同）
顺序分离流程是按组份碳原子数顺序排列的，其顺序为：
1）脱甲烷塔2）脱乙烷塔3）脱丙烷塔
即顺序分离流程中的C1、C2、C3逐个脱除，按顺序分离。
排列顺序简称为［123］。
前脱乙烷流程的排列顺序是［213］。
前脱丙烷流程的排列顺序是［312］。
（2）加氢脱炔的位置不同：
在脱甲烷塔之前进行加氢脱炔的称为前加氢。
在脱甲烷塔之后进行加氢脱炔的称为后加氢。
图1-35（P74）前脱乙烷深冷分离流程和图1-36（P74）前脱丙烷深冷分离流程都是采用前加氢脱炔流程。
（3）冷箱位置不同：
在脱甲烷塔系统中有些冷凝器、换热器、节流膨胀阀和气液分离罐等设备的操作温度非常低，为了防止散冷，减少与环境接触的表面积，把这些冷设备集装在一起成箱，就称为冷箱。
比较三个流程图可以看出，图1-34的顺序分离流程和图1-36的前脱丙烷流程的冷箱是在脱甲烷塔之前。
而在图1-35的前脱乙烷流程的冷箱是在脱甲烷塔之后。
冷箱在脱甲烷塔以前的称“前冷流程”，冷箱在脱甲烷塔之后的称“后冷流程”。
（思考题２）
二、脱甲烷塔及操作条件
甲烷塔系统消耗冷量占分离部分总冷量消耗的42%。
由于脱甲烷塔的操作效果对产品（乙烯、丙烯）回收率、纯度以及经济性的影响最大，所以在分离设计中，对于工艺的安排、设备和材质的选择，都是围绕脱甲烷塔系统考虑的。
（思考题３）
脱甲烷塔的任务就是将裂解气中氢气、甲烷以及其它惰性气体与C2以上组份进行分离，脱甲烷塔的关键组份是甲烷和乙烯。
（思考题３）
在脱甲烷塔系统中，要求塔顶产品中少含乙烯，塔底产品中少含甲烷及惰性气体。
工业生产上脱甲烷过程有高压法与低压法之分。
（思考题４）
1.低压法
低压法分离效果好，乙烯收率高，操作条件为：
压力～（约18～25atm），塔顶温度-140℃左右，塔底温度-50℃左右。
由图1-37（P75）可以看出，操作压力高，甲烷与乙烯的相对挥发度a就比较低；相反，操作压力比较低，甲烷与乙烯的相对挥发度a就比较高。
低压法的优点：
甲烷与乙烯的相对挥发度a比较大，乙烯回收率比较高，适用范围比较宽。
（思考题４）
低压法的缺点：
例如要用到耐低温的钢材、多一套甲烷制冷系统、流程比较复杂等。
（思考题４）
2.高压法
高压法的脱甲烷塔塔顶温度为-96℃左右，不必采用甲烷制冷系统，只需要用液态乙烯制冷剂就可以。
高压法的优点：
由于脱甲烷塔塔顶气体产物（尾气）压力比较高，可借助脱甲烷塔塔顶的高压气体的自身节流膨胀来获得额外的降温，这种降温方法比甲烷冷冻系统要简单一些（流程简单、设备也简单）。
另外，提高压力可缩小精馏塔的体积（塔径），所以从总投资和材质的要求来看，高压法是比较有利的。
（思考题４）
高压法的缺点：
甲烷与乙烯的相对挥发度a比较低，塔板数较多，回流比较大。
（思考题４）
从上述两种方法的比较来看，高压法和低压法各有优缺点，工业生产上两种方法都有采用。
表1-32列出了几个脱甲烷塔的操作条件。
表1-32脱甲烷塔操作条件
厂
别
塔径
实际塔板数
塔压MPa
温度
回流比
精馏段
提馏段
合计
塔顶
塔釜
B
S
1400/2200
1100/1600
32
33
40
29
72
62
-91
-96
6
7
脱甲烷塔的塔顶产品是气相产品，主要甲烷和氢气，他们在塔顶的操作条件（温度、压力）下，是不能全部冷凝下来的，因此脱甲烷塔与一般的精馏塔是不相同的，一般的精馏塔塔顶产品都可以全部冷凝下来，脱甲烷塔的塔顶产品含有不凝气甲烷和氢气，所以塔顶回流的液体组成与气相产品的组成是不同的，这就是脱甲烷塔的特点。
也是脱甲烷塔的特殊性。
（思考题３）
三、乙烯塔和丙烯塔
（一）乙烯塔
C2馏分经过加氢脱炔之后，进入乙烯塔进行精馏，塔顶得到乙烯产品，塔底产品为乙烷。
乙烯塔的重要性：
乙烯的纯度要求要达到聚合级，冷量消耗大，乙烯塔在深冷分离装置中是一个比较关键的塔。
（乙烯塔是出乙烯产品的精馏塔）（思考题４）
1.操作条件
表1-33乙烯塔操作条件
厂别
塔径
实际塔板数
塔压MPa
温度
回流比
精馏段
提馏段
合计
塔顶
塔釜
L
B
S
Y
1300
3400
2300
1800
41
90
79
84
29
29
30
32
70
119
109
116
-70
-32
-29
-30
-49
-8
-5
-7
表1-33（P76）是乙烯塔的操作条件，从表中可以看出，乙烯塔的操作条件大体上可以分成两类，一类是低压法，塔的操作温度比较低；另一类是高压法，塔的操作温度比较高。
从图1-38（P77）
可以看出，随着操作压力的增加，乙烯和乙烷的相对挥发度将减小；随着操作温度的增加，乙烯和乙烷的相对挥发度也减小。
由此可见，操作压力对相对挥发度有较大的影响，一般可以采取降低操作压力的办法来增大相对挥发度，从而使精馏塔的塔板数和回流比降低,见图1-39。
操作压力降低以后，精馏塔的操作温度也降低，因而需要制冷剂的温度级位低，对精馏塔的材质有比较高的要求，从这些方面来看，操作压力低是不利的，还是高一些好。
操作压力的选择还要考虑乙烯的输送压力。
此外，压力的确定还要与整个流程相适应。
综上所述，乙烯塔操作压力的确定可有下列因素来决定：
制冷的能量消耗、设备投资、产品乙烯的输送压力以及脱甲烷塔的操作压力等因素来决定的。
2.乙烯塔的改进（思考题４）
由图1-40（P77）可以看出，精馏段靠近塔顶的塔板温度变化很小，而在提馏段各塔板的温度变化较大。
因此乙烯塔要求精馏段塔板数比较多，回流比也比较大。
乙烯塔的精馏段要求有较大的回流比，但是提馏段要求的回流比不大。
因此，近年来采用中间再沸器（或理解成中间换热器、中间加热器）的办法来回收冷量，见图1-41（P78），这种方法可以节省冷量约17%（占整个乙烯塔冷量的17%），这是乙烯塔的一个改进。
例如，乙烯塔的操作压力为，塔底温度为-5C，可以用丙烯蒸汽作为再沸器的热源，这样即可以将丙烯蒸汽冷凝成为丙烯液体，又可以回收了塔底的冷量。
乙烯进料中经常含有少量甲烷，经常在进入乙烯塔之前要进入设置的第二脱甲烷塔，脱去甲烷。
如果在乙烯塔的塔顶脱甲烷可以借用乙烯塔的大量回流，这种方法比设置第二脱甲烷塔还要有利得多。
带有中间再沸器和侧线出产品的乙烯塔示意图见图1-41。
（二）丙烯塔
丙烯和丙烷馏分的分离是在丙烯塔中完成的，塔顶得到丙烯产品，塔底得到丙烷馏分。
由于丙烯和丙烷的相对挥发度非常小，丙烯塔在整个分离过程中塔板数最多、回流比最大。
由于丙烯塔的操作压力不同，精馏塔的操作条件也有比较大的出入。
表1-34是丙烯塔的操作条件。
表1-34丙烯塔的操作条件
厂别
塔径
实际塔板数
塔压MPa
温度
回流比
精馏段
提馏段
合计
塔顶
塔釜
L
B
1600
4500
62
93
38
72
100
165
23
41
25
50
15
四、影响乙烯回收率诸因素
（一）影响乙烯回收率的因素分析
乙烯回收率=产物乙烯量/原料乙烯量*100%
为了分析影响乙烯回收率的因素，我们首先讨论乙烯分离的物料平衡，见图1-42（P78）。
由图中可见，回收率为97%。
乙烯损失有四处：
（1）冷箱中尾气（甲烷、氢气）带出的损失，占乙烯总量的%；
（2）乙烯塔底产品（乙烷馏分）中带出的损失，占乙烯总量的%；
（3）脱乙烷塔塔底液体产品（C3以上馏分）中带出的损失，占乙烯总量的%；
（4）压缩机各段之间冷凝液体带出的损失，约占乙烯总量的%。
总损失量，约占乙烯总量的3%。
正常操作
（2）（3）（4）项损失是很难避免的，而且损失量也比较小（占总损失量的%），因此影响乙烯回收率高低的关键是尾气中乙烯的损失。
影响尾气中乙烯损失的主要因素是原料气的组成（C1/H2）、操作温度和操作压力。
（思考题５）
1.原料气组成的影响
原料气中惰性气体、氢气等含量对尾气中乙烯含量影响很大，见图1-43。
惰性气体的加入，会影响气液相平衡，它们会降低分离产物的分压。
就好像分离是在低压（降低压力）下操作一样，要想达到一定的分离纯度，必须相应降低操作温度，或者提高操作压力,否则，乙烯冷凝不下来会造成损失。
因此在温度与压力条件一定的时候，原料气中C1/H2摩尔比越小，尾气中乙烯的损失就越大，反之则小。
2.压力和温度的影响
当C1/H2摩尔比值一定的时候，增大压力（操作温度一定）或者降低温度（操作压力一定）都有利于减少尾气中乙烯的损失，这种关系由图1-44（P79）可以明显看出。
理论上，只要降低温度或者增加压力都可以减少尾气中乙烯的损失，但实际上，增大压力和降低温度都有一定的限度。
升高压力要受到以下因素的限制：
（1）压力增大，相对挥发度减小，分离困难，需要增加塔板数或者增加回流比，因此要增加基建投资或者多消耗冷量。
（2）压力增大，使甲烷难于从塔底液体中蒸出。
一般当压力大于–的时候，就逐渐接近塔底组份的临界压力和临界温度，气液两相浓度相差很小，更难于进行分离。
降低操作温度要受到以下因素的限制：
操作温度越低，尾气中乙烯损失就越少。
但是塔顶温度首先受到制冷剂水平的限制，用乙烯做制冷剂时，为了保证它的安全操作，其最低蒸发温度为-101℃，考虑到传热设备的效率和传热温差，制冷温度约为-95℃，比蒸发温度低15℃左右。
用高压法是一般都采用乙烯作制冷剂，因此降低操作温度要受到制冷剂水平的限制。
综上所述，在一定量的条件下:
a）原料气中C1/H2摩尔比值越大，乙烯在尾气中的损失越少；
b）操作压力越高，乙烯的损失就越小，但是它受到设备材质和塔底组份的临界压力的限制；
c）塔顶温度越低，乙烯在尾气中的损失越小，但是它受到制冷剂温度水平的限制。
这三者的关系已由图1-44（P79）表明了。
（二）利用冷箱提高乙烯回收率
除了用乙烯制冷剂以外，还将脱甲烷塔塔顶出来的高压气体通过节流膨胀阀进行节流制冷，这就是冷箱部分的功能。
冷箱的原理是用节流膨胀阀来获得低温，它的用途是依靠低温来回收乙烯，制取富含氢气和富含甲烷的馏分。
由于冷箱在流程中的位置不同，可分为前冷和后冷两种流程，后冷流程是冷箱放在脱甲烷塔之后来处理塔顶气体；前冷是冷箱放在脱甲烷塔之前来处理脱甲烷塔的进料。
（思考题２）前冷流程后冷流程各有特点。
1.后冷
图1-45（P80）是后冷流程示意图。
经过预处理以后的裂解气，经脱甲烷塔、回流罐去第一冷箱换热的不凝气体中，含有3～4%的乙烯，通过冷箱把尾气中的乙烯含量降低到2%左右，可以多回收2%左右的乙烯；并且还能获得浓度为70～80%的富氢气体。
2.前冷（思考题２）
图1-46（P81）是前冷流程示意图。
脱甲烷塔前后的３股甲烷馏分，通过节流阀A、B、C获得了装置的最低温度，成为低温冷量的来源。
这样多股进料的脱甲烷塔流程，能节省低温级的冷剂；气液分离罐冷凝下来的液体温度有高有低，先冷凝下来的温度高，重组份含量多。
后冷凝下来的液体温度低，轻组分含量多。
裂解气在没有进入脱甲烷塔之前就进行了初步分离，减轻了脱甲烷塔的负荷；前冷流程分离出的氢气浓度高，氢气含量为90%左右（mol），后冷流程分离出的氢气纯度比较低，只有75%左右。
由于氢气大部分在前冷箱中已经分出，所以提高了脱甲烷塔进料的C1/H2的摩尔比，从而提高了乙烯回收率。
但是，前冷流程也有缺点：
脱甲烷塔的操作弹性比后冷要低一些（这是因为，在脱甲烷塔之前，已经把一部分轻组分出去了，例如把氢气已经分出去了，降低了脱甲烷塔的负荷，所以说，脱甲烷塔的操作弹性比较低），流程比较复杂，仪表自动化程度要求比较高。
因此，前冷流程适合于生产规模较大，自动化水平较高，原料气比较稳定以及需要获得纯度较高的富氢场合。
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