裂解气深冷分离流程青岛科技大学课程网站Word格式文档下载.docx
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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：
（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。
表1-29低级烃类的主要物理常数
名称
分子式
沸点，
摄氏度
临界温度，度
临界压力MPa
氢
H2
-252.5
-239.8
1.307
一氧
化碳
CO
-191.5
-140.2
3.496
甲烷
CH4
-161.5
-82.3
4.641
乙烯
C2H4
-103.8
9.7
5.132
乙烷
C2H6
-88.6
33.0
4.924
乙炔
C2H2
-83.6
35.7
6.242
丙烯
C3H6
-47.7
91.4
4.600
丙烷
C3H8
-42.07
96.8
4.306
异丁烷
i-C4H10
-11.7
135
3.696
异丁烯
i-C4H8
-6.9
144.7
4.002
丁烯
C4H8
-6.26
146
4.018
1，3-
丁二烯
C4H6
-4.4
152
4.356
正丁烷
n-C4H10
-0.50
152.2
3.780
顺-2-
丁烯
3.7
160
4.204
反-2-
0.9
155
4.102
从表1-29的沸点数据可以看出，不同碳原子数的烃类沸点相差比较大，而同一碳原子数的烯烃和烷烃沸点相差比较小。
所以不同碳原子数的烃类分离容易，而相同碳原子数的烃类分离比较困难。
例如，C1和C2、C2和C3的分离比较容易；
而乙烷和乙烯、丙烷和丙烯的分离是比较困难的。
（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。
I这种流程安排方法，物料比较单纯，容易保证产品纯度。
II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。
III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。
（创造了有利条件。
）
三种流程的不同点：
（1）精馏塔的排列顺序不同：
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。
前加氢的原料气中就含有氢气，不需要外加氢气，可以使流程简化。
但是加氢用的氢气用量不能控制，加氢气体中的组份也比较复杂。
图1-34（P73）顺序深冷分离流程是采用后加氢脱炔流程。
（3）冷箱位置不同：
在脱甲烷塔系统中有些冷凝器、换热器和气液分离罐的操作温度非常低，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”。
应当说明的是，上述三种流程的冷箱中位置，可以放在脱甲烷塔以前，也可以放在脱甲烷塔之后。
关于前、后冷流程的优点和缺点，在讨论脱甲烷塔的操作条件时再作论述。
上述三种流程是有代表性的深冷分离流程，各有优缺点，三种流程的优缺点见下表。
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,摄氏度
压力
MPa
塔顶
塔釜
脱甲
烷塔
脱乙
脱丙
脱丁
乙烯塔
丙烯塔
C4H10
C5H12
-96
-12
4
-70
26
6
76
70
-49
35
二、脱甲烷塔及操作条件
在深冷分离流程中，脱甲烷塔过程也就是脱甲烷塔系统是裂解气分离的关键，乙烯塔和丙烯塔是出产品的，也是很重要的。
因为脱甲烷塔温度最低，工艺复杂，原料预冷和脱甲烷塔系统在整个分离过程中，冷量消耗最大，也就是冷量消耗占的比重最大。
有的资料提出，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。
裂解气中氢气、甲烷最轻，沸点也最低，为了能分离出裂解气中的乙烯、丙烯等组份，得到合格产品乙烯、丙烯，首先要脱去氢气和甲烷。
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。
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。
塔顶产品中少含乙烯，是为了减少乙烯的损失；
塔底产品中少含甲烷及惰性气体，是为了保证产品乙烯的纯度和分离精度。
脱甲烷塔的分离温度比较低，一般在-100摄氏度左右。
在冷量消耗上则要求尽可能地少。
对于气液两相的平衡系统，根据相律F=C-P+2，一个有C组份的多元系统，系统的自由度等于C。
在脱甲烷塔塔顶的操作条件下，当组成规定以后（例如乙烯在尾气中的损失等），可以自由变化的参数只有１个，温度或压力，压力确定之后，温度就不能任意变化了。
那么怎样选择脱甲烷塔的操作温度和操作压力呢工业生产上脱甲烷过程有高压法与低压法之分。
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摄氏度左右，塔底温度-50摄氏度左右。
由图1-37可以看出，甲烷与乙烯的相对挥发度a随着操作压力的增高而降低：
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。
由于低压法脱甲烷塔的操作压力比较低，甲烷与乙烯的相对挥发度a比较大，分离效果比较好。
由于操作温度比较低，乙烯回收率比较高，因此对于含氢气和甲烷比较多的裂解气也能分离。
适用范围比较宽。
虽然要用到低温级的制冷剂，但是分离比较容易，回流比比较小，每吨乙烯的能量消耗并不大，低压法的能量消耗仅为高压法的70%多一点。
虽然低压法的能耗比较低，但是低压法也有缺点，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。
2.高压法
高压法的脱甲烷塔塔底温度为-96摄氏度左右，不必采用甲烷制冷系统，只需要用液态乙烯制冷剂就可以。
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。
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
温度
回
流
比
精馏段
提馏段
合计
B
S
1400/2200
1100/1600
32
33
40
29
72
62
-91
6
7
表中两个厂的脱甲烷塔都是前冷，有４股进料。
但是由于B塔的回流比比较小和有中间再沸器，所以塔板数比S塔的多10块塔板。
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。
三、乙烯塔和丙烯塔（自己看）
（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。
乙烯塔的塔顶产品为乙烯，乙烯的纯度要求要达到聚合级。
因此乙烯塔设计和操作的好坏，对乙烯产品的产量和质量有很大的关系。
乙烯塔的操作温度比脱甲烷塔的操作温度要高一点，冷量消耗占总制冷量的比例也很大，约占38~44%，消耗的冷量对产品的成本有较大的影响。
乙烯塔在深分离装置中是一个比较关键的塔。
1.操作条件：
表1-33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。
表1-33乙烯塔操作条件
厂别
L
B
S
Y
1300
3400
2300
1800
41
90
79
84
29
30
119
109
116
1.9
2.0
-32
-29
-30
-8
-5
-7
2.4
4.5
4.7
乙烯塔的进料中，乙烯和乙烷占有%以上，所以乙烯塔可以看作是二元精馏系统。
根据相律，乙烯和乙烷二元气液平衡系统的自由度为2。
如果规定了塔顶乙烯的纯度（根据产品质量要求来规定塔顶乙烯纯度），那么在操作温度和操作压力两个因素中只能规定一个，如果规定了精馏塔的操作压力，相应的操作温度也就确定了。
关于操作压力、操作温度以及乙烯液相浓度与相对挥发度的关系，见图1-38。
从图1-38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。
相对挥发度减小以后，为了保证产品的分离纯度，就要增加精馏塔的理论塔板数，或者增加精馏塔的回流比。
压力对回流比和理论塔板数的影响见图1-39。
图1-39（P77）的计算基准为：
乙烯:
乙烷=1:
1；
乙烯回收率为98%；
乙烯纯度为98~99%。
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。
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，如果乙烯产品有比较高的输送压力，则乙烯塔不能选用低压法操作，如果乙烯塔选择低压法操作，就要为产品再压缩或增加压力而耗费功率，还要增加低温设备，因此应当采用高压法，而不要采用低压法。
综上所述，乙烯塔的操作压力特别要经过详细的考虑，一般要经过技术经济的比较。
一般情况也可以根据经验来确定。
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。
根据综合比较来看，高压法和低压法消耗动力接近相等，高压法虽然塔板数比较多，但可以使用普通碳钢，优点多于低压法，如果脱甲烷塔采用高压法，则乙烯塔的操作压力也应采用高压法为好。
2.乙烯塔的改进
乙烯塔沿着塔板的温度分布和组成分布并不是线性关系。
图1-40是乙烯塔温度分布的实际生产数据。
进料板在第29块塔板，由图中可以看出，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。
温度分布曲线反映了组成分布的情况。
在提馏段温度变化很大，说明了乙烯在提馏段中沿塔板向下，乙烯的浓度下降很快；
而在精馏段沿塔板向上，温度下降很少，即乙烯浓度增大比较慢。
因此乙烯塔与脱甲烷塔不同，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（，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-5摄氏度，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。
中间再沸器引出物料的温度可达到-23摄氏度，用它可以冷却分离装置中的一些物料，相当于回收了-23摄氏度温度级的冷量。
乙烯进料中经常含有少量甲烷，在分离过程中，甲烷几乎全部进入塔顶产品中，这样必然要影响塔顶乙烯产品的纯度，所以乙烯的进料在进入乙烯塔之前要进入设置的第二脱甲烷塔，先脱去甲烷，然后再作为乙烯塔的进料。
近年来，深冷分离流程不再设置第二脱甲烷塔，在乙烯塔的塔顶脱甲烷，在乙烯塔的精馏段出侧线产品乙烯。
一个精馏塔提到两个精馏塔的作用（称为复合塔），由于乙烯塔的精馏段回流比比较大，所以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。
既节省了能量，又简化了流程。
带有中间再沸器和侧线出产品的乙烯塔示意图见图1-41（P78）。
（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
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%
现在乙烯工厂的分离装置，乙烯回收率的高低对工厂的经济性有很大的影响，塔是评价分离装置是否先进的一项重要经济技术指标。
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。
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%；
也就是说，尾气中的乙烯含量的大小，决定了乙烯损失率的大小；
（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。
1.原料气组成的影响：
对于脱甲烷过程，可以看作是甲烷与乙烯的分离，氢气等气体可以看作是惰性气体。
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。
从另一角度讲，在脱甲烷塔的塔顶由于氢气和其它惰性气体的存在，而降低了C1的分压，只有提高操作压力或者降低操作温度才能满足塔顶露点的要求。
这是有相平衡决定的，并不取决于塔板数的多少和回流比的多数。
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（这是因为，原料气中C1/H2摩尔比越小，惰性气体把C1的分压就降低的越厉害，就好像操作压力很低一样，这时如果不降低操作温度，乙烯的损失量就必然很大。
），反之则小。
图1-43中任何一条曲线都说明了这个结论。
2.压力和温度的影响
由图1-43（P79）可以看出，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。
由图1-43和图1-44都可以明显看出：
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，从理论上好像非常容易解决，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，还实际上，事情并不是这么简单，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，能降低甲烷与乙烯的相对挥发度（见图1-37，P75），相对挥发度减小以后，分离变的非常困难，要达到同样的分离效果，就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。
由图1-37（P75）可以看出，塔底的甲烷与乙烯的相对挥发度以塔顶的要小一些，因此增大操作压力，塔底的甲烷与乙烯的相对挥发度过小，要保证甲烷由他迪充分蒸出来就非常困难。
因此增加操作压力要受到以上两种因素的限制，不能过分增加压力，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摄氏度，考虑到传热设备的效率和传热温差，制冷温度约为-95摄氏度，比蒸发温度低15摄氏度左右。
如果要求更低的制冷温度，则需要用甲烷作制冷剂，这样要增加一套甲烷制冷设备，不仅增加了投资，而且，流程和操作也都复杂化。
因此，用高压法是一般都采用乙烯作制冷剂，这时，脱甲烷塔塔顶温度为-90摄氏度~-96摄氏度，在这个温度下，乙烯的损失是难以避免的，也就是说，肯定要损失一定量的乙烯。
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
由图1-42（P78）的物料平衡数据可以看出，脱甲烷塔塔顶出来气体中除了甲烷、氢气之外，还含有乙烯。
为了减少乙烯的损失，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。
从物料平衡图上可以看出，如果没有冷箱，塔顶尾气中的乙烯差不多要损失。
图中表明，没有冷箱时乙烯损失量为%，有冷箱时乙烯损失量为%。
冷箱是在-100摄氏度~-160摄氏度下操作的低温设备。
由于冷箱温度低，非常容易散冷，用绝热材料把高效板式换热器和气液分离器，还有节流膨胀阀等设备都放在一个箱子里，这就是冷箱，它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；
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