第四节-裂解气深冷分离流程

返回目录 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 流程有什么优缺点 3 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 4 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 5 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 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 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 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 关键组分操作条件 温度 分离塔 轻重 塔顶塔釜 压力 MPa 平均相 对挥发 度 脱甲烷塔 脱乙烷塔 脱丙烷塔 脱丁烷塔 乙烯塔 丙烯塔 C01 C02 C03 C04 C 2 C 3 C 2 C 3 i C04 C05 C02 C03 96 12 4 8 3 70 26 6 76 70 75 2 49 35 3 4 2 85 0 75 0 18 0 57 1 23 5 50 2 19 2 76 3 12 1 72 1 09 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 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 1 2 3 前脱乙烷流程的排列顺序是 2 1 3 前脱丙烷流程的排列顺序是 3 1 2 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 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 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 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 1 低压法 低压法分离效果好 乙烯收率高 操作条件为 压力 0 18 0 25MPa 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 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 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 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 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 实际塔板数温度厂 别 塔径 精馏段提馏段合计 塔压 MPa 塔顶塔釜 回流 比 B S 1400 2200 1100 1600 32 33 40 29 72 62 3 10 3 10 91 96 6 7 0 87 1 08 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 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 1 操作条件 表1 33 乙烯塔操作条件 实际塔板数温度 厂别塔径 精馏段提馏段合计 塔压 MPa 塔顶塔釜 回流 比 L B S Y 1300 3400 2300 1800 41 90 79 84 29 29 30 32 70 119 109 116 0 57 1 9 2 0 1 9 70 32 29 30 49 8 5 7 2 4 4 5 4 7 4 65 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 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1 9MPa 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 实际塔板数温度 厂别塔径 精馏段提馏段合计 塔压 MPa 塔顶塔釜 回流 比 L B 1600 4500 62 93 38 72 100 165 1 15 1 75 23 41 25 50 15 14 5 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 25 2 乙烯塔底产品 乙烷馏分 中带出的损失 占乙烯总量 的0 4 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0 284 4 压缩机各段之间冷凝液体带出的损失 约占乙烯总量的 0 066 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0 75 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 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4 0 4 5MPa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