第三章 裂解过程的工艺参数和操作指标

CoalChemicalTechnology,煤化工工艺学,.,第三章烃类热裂解,.,1、熟练掌握的内容烃类热裂解反应规律；原料烃组成对裂解结果的影响；裂解过程工艺参数；动力学裂解深度函数KSF对产物分布的影响；裂解气所含杂质的各种净化方法；裂解气顺序分离流程；深冷分离过程中，影响乙烯收率的因素分析；甲烷塔、乙烯塔的作用和特点。,.,2、理解的内容烃类热裂解的特点；管式裂解炉的主要炉型及其特点；热裂解工艺流程；压缩的目的；前脱氢（前冷）工艺流程。,.,2020/4/26,第二节裂解过程的工艺参数和操作指标,.,一、裂解原料原料选择：氢含量越高，获得C4以下烯烃收率越高，低碳烷烃是首选原料。裂解原料：国外：以轻烃C4（以下）和石脑油为主，几乎占90%左右。国内：重柴油、重质油的比例高达20%以上，有待优化。,第二节裂解过程的工艺参数和操作指标,.,影响一次产物分布热力学分析：在一定温度内，提高T有利于提高乙烯收率。,温度对产品分布的影响：（1）影响一次产物分布；（2）影响一次反应和二次反应的竞争。,二、裂解温度和停留时间,1、裂解温度,.,温度对一次产物分布的影响,.,如裂解目的产物是乙烯，则裂解温度可适当提高；如要多产丙烯，裂解温度可适当降低。,峰值收率,.,从裂解反应的化学平衡也可以看出，提高裂解温度有利于生成乙烯的反应，并相对减少乙烯消失的反应，因而有利于提高裂解的选择性。（Kp)根据裂解反应的动力学，提高温度有利于提高一次反应对二次反应的相对速度，提高乙烯收率。(k1/k2),裂解温度影响一次反应对二次反应的竞争,.,因此，应选择一个最适宜的裂解温度，发挥一次反应在动力学上的优势，而克服二次反应在热力学上的优势，即可得到较高的乙烯收率也可减少焦炭的生成。理论上适宜的裂解温度范围750900。实际T与裂解原料、产品分布、裂解技术和停留时间等有关。如某厂乙烷裂解炉的裂解温度是850870，石脑油的是840865，轻柴油的是830860。,.,2、停留时间,定义：原料从反应开始到达某一转化率时，在反应器中经历的时间，即经过辐射盘管的时间。裂解管式反应器特点：非等温非等容体积增大停留时间的计算,.,表观停留时间：VR、S、L反应器容积，裂解管截面积，管长。V单位时间通过裂解炉的气体体积，m3/s。进出口体积流率的算术平均值反映了所有物料（包括稀释蒸气）在裂解炉中的停留时间。,.,平均停留时间：近似计算时：V原料气平均体积流量av最终体积增大率，即所得裂解气的体积与原料气体积之比。,.,停留时间的选择主要取决于裂解温度，当停留时间在适宜的范围内，乙烯的生成量最大，损失较小，即有一个最高的乙烯收率。,停留时间对乙烷转化率和乙烯收率的影响,短停留时间有利,.,3、温度停留时间效应,石脑油在不同温度下裂解乙烯收率随停留时间的变化,高温-短停留时间最佳组合,不同温度-停留时间组合，裂解结果不同。,.,可以获得较高的烯烃收率，并减少结焦。抑制芳烃生成，所得裂解汽油的收率相对较低。使炔烃收率明显增加，并使乙烯/丙烯比及C4中的双烯烃/单烯烃的比增大，工业上利用此效应，适应市场需要。,对于给定原料，相同裂解深度时，提高温度，缩短停留时间的效应,温度-停留时间对产品收率影响,.,裂解温度停留时间的限制,裂解深度限定（动力学方程）工程中常以C5以上液相产品含氢量不低于8%为裂解深度的限度（XT、t）。温度限定炉管管壁温度受炉管材质限制热强度限定热强度:单位时间内单位炉管表面积传递的热量。炉管表面热强度越大，则完成相同热任务所需的传热面积越小。,Cr25Ni20Cr25Ni35,10501100极限温度T950,.,化学平衡分析,1、压力对裂解反应的影响,三、烃分压与稀释剂,n0时:增大反应压力，Kx下降，平衡向原料方向移动。,生成烯烃的一次反应n0烃聚合缩合的二次反应n2.3为深度裂解区一次反应停止，产物组成由于二次反应而发生变化。C5+以上馏分中原有的饱和烃经过裂解反应达到最低值，丙烯、丁烯，乙烯量达峰值。,乙烯,丙烯,丁烯,.,裂解深度的常用指标,3、裂解深度各参数关系,.,裂解深度的常用指标,（续表）,.,（1）KSF与X关系,（2）KSF与Tout关系,对于等温反应：,根据阿累尼乌斯方程,因此,裂解深度函数KSF与裂解炉出口温度的关系如图所示,.,裂解深度与炉出口温度和停留时间的关系,.,第三节管式裂解炉及裂解工艺过程,烃类热裂解过程的特点：,强吸热反应，需在高温下进行，反应温度一般在750以上；存在二次反应，为了避免二次反应发生，停留时间应短烃的分压要低；反应产物是复杂的混合物，除了氢、气态烃和液态烃外，还有固态烃。基本特征：高温、快速、急冷,.,要求：1、裂解装置在短时间内迅速大量供热。2、解决高温裂解气的急冷。关键：采用合适的裂解方法和先进的裂解设备。,.,SRT-III型炉基本结构,（1）构造,管式裂解炉由炉体和裂解管组成。炉体用钢构件和耐火材料砌筑，分为对流室和辐射室。,1、SRT型管式裂解炉,.,对流室,辐射室,.,对流室：安装原料预热管及蒸汽加热管。,用于预热裂解原料、稀释蒸汽等和回收烟气热量。,辐射室：在炉墙和底部安装燃烧器，裂解炉管垂直放置在辐射室中央。利用高温烟气辐射传热，预热原料在管内进行裂解反应。,.,对流室预热管排布,SRT-III:充分利用了低温位的热源，用以加热原料、稀释蒸汽、锅炉给水、高压蒸气等。,.,供热方式：烧嘴布置方案侧壁烧嘴侧壁烧嘴与底部烧嘴联合,a.侧壁：炉膛温度均匀，但结构复杂，投资大，且只可用气体燃料；b.底部：结构简单，经济，气体，液体燃料均可，但火焰高度有限，且温度分布不均匀；c.联合：侧壁用气体燃料，底部用气体，液体均可。,.,乙烯裂解炉管,（2）盘管结构,采用立式单排双面辐射,吉化乙烯厂乙烯裂解炉施工现场,.,适应多种原料的灵活性炉管热强度高，炉子热效率高炉膛温度分布均匀生产能力大运转周期长,裂解过程对管式炉的要求,.,SRT型裂解炉辐射盘管,HP-40铬镍钢（1100）,6,炉管材料,HK-40铬镍钢（1050）,变径,均径,.,炉管内结构光管(IV)内翅片(V),.,SRT-I采用均径炉管的主要缺点：反应初期通热量小；不适用于体积增大的反应（后部阻力大，烃分压大）。,SRT-II采用变径（先细后粗）炉管的主要特点：小管径有利于强化传热(传热面积增大),使原料升温快。后管径粗,利于减少P,降低烃分压,减少二次反应,焦少。,气体温度分布比较,烃分压分布比较,.,不同SRT炉型所得裂解产品收率（以质量计）,.,2、SRT型裂解炉的优化及改进措施,炉型：烧嘴侧壁无焰烧嘴侧壁烧嘴与底部烧嘴联合对流室预热管排布盘管结构炉管的排列、结构、管径、材质,实现了高温、短停留时间、低烃分压的原理,.,（1）减少管程，缩短停留时间。,（2）增大辐射盘管的传热强度。HK-40(10501080)HP-40(11001150),（4）改等径管为分支变径管。入口段用多根并联的小口径炉管，而出口段用大口径炉管。,多程（8P/6P/4P)双程,减少结焦，延长操作周期,降低管内热阻延长清焦周期,（3）光管带内翅片,盘管结构,.,变径管的分析,.,60年代初期SRT-型炉双辐射立管实现了高温、短停留时间60年代中期SRT-型炉分叉变径炉管降低烃分压70年代中期SRT-型炉材质炉内管排增加提高热强度提高生产能力80年代SRT-、型炉多分支变径管带内翅片2程停留时间缩短降低管内热阻延长清焦周期,SRT(ShortResidenceTime)管式裂解炉的发展,.,二、急冷、热量回收及清焦,1、急冷,.,目的：回收高温热能，产生高压蒸汽终止二次反应方法：直接急冷：冷却介质（水、油）与裂解气直接接触。间接急冷：急冷锅炉废热锅炉用换热器回收大量的热量，冷却介质用高压水。,.,急冷方式比较,一般工业上采用间接急冷,.,不同裂解原料的急冷方式,.,2、急冷换热器五大关键设备（裂解炉、急冷换热器、裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机）之一。作用：使裂解气在极短的时间（0.010.1s）内，由约800骤降到露点附近。露点：在一定压力下第一滴液体析出时的平衡温度.裂解气冷却温度控制不低于其露点，可减少急冷换热器结焦。一般控制停留时间在0.04s以下，也可减少结焦。,.,TB=1/5(T10+T30+T50+T90)T10、T30、T50、T90为馏出液体体积分数为10%，30%，50%，90%时的馏出温度。,:因裂解深度而异，裂解深度越深取值越大。T