裂解过程的工艺参数和操作指标ppt课件

1、Coal Chemical Technology,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,2021/2/1,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

2、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。（

3、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

4、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-

5、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 （X T、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,Cr25Ni20

6、Cr25Ni35, 1050 1100 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 n0 降低压力 有利于提高乙烯平衡组成 有利于抑制结焦过程,烃类聚合和缩合的二次反应多是高于一级的反应,一次反应多是一级反应,从反应速率分析,压力不能改变反应速度常数，但降低压力能降低反应物浓度,压力对反应速率的影响,分析可知，降低压力，可增大一次反应对于二次反应的相对速率，有利于提高一次反应选择性,减轻结焦,压力改变 浓度C改变 反应速度改变。 浓度，二次反应速度降低比一

7、次反应速度要大得多,压力对裂解过程中一次反应和二次反应的影响,降低压力可以促进乙烯的一次反应，抑制发生聚合的二次反应,工业上加入稀释剂，P烃，常压操作，从而乙烯量,稀释剂的降压作用,高温下，某些管件链接不严密，可能漏入空气，造成裂解原料和产物部分氧化而造成损失，空气与裂解气能形成爆炸性混合物。另外对后继分离部分的裂解气压缩增加负荷，即增加能耗,降低裂解压力利于生产,原因,生产中直接采用减压操作,目的：降低烃分压。 稀释剂种类：水蒸气、氢气、惰性气体。 优点：设备在常压或正压下操作，安全性高，不会对以后压缩操作增加能耗,2、稀释剂,易分离 热容量大 水蒸气汽升温时消耗热较多，可稳定炉管温度，防止

8、过热。 抑制原料中的S对镍铬合金炉管的腐蚀，由于高温蒸汽的氧化性。 脱除积碳 由于H2O(g)可氧化Fe、Ni，形成氧化膜，抑制铁镍催化烃类的生碳反应,稀释比G水蒸汽G烃,水蒸汽作稀释剂的优势,各种裂解原料的管式炉裂解的水蒸汽稀释比,水蒸气的稀释比过大，会使裂解炉生产能力下降，能耗增加，极冷负荷加大,2、裂解深度的衡量参数 原料转化率 甲烷收率 乙烯对丙烯的收率比 甲烷对乙烯或丙烯的收率比 液体产物的含氢量 裂解炉出口温度 裂解深度函数 动力学裂解深度函数,四、裂解深度,1、定义：指裂解反应的进行程度,1）原料转化率X 反应裂解原料的转化程度。 单一烃裂解 用转化率“X”表示 对于多组分烃裂解

9、 分别计算各组分的X 重质馏裂解 选某一当量组分计算X，表征裂解深度,2）甲烷收率y(C10) 裂解所得甲烷收率随裂解深度增加而提高。由于甲烷较稳定，基本不发生二次反应，可以用来衡量反应的深度,3）乙烯对丙烯的收率y(C2=)/y(C3=) 在一定裂解深度范围内，裂解深度增大，乙烯收率增高，而丙烯收率增加缓慢，至一定裂解深度后，丙烯收率由最高值开始下降,4）甲烷对乙烯或丙烯的收率比y(C10)/y(C2=) 或y(C10)/y(C3=) 甲烷收率随反应进行增加，乙烯收率和丙烯收率先增加后减小。裂解深度高时用此指标较为合适,5）液体产物的氢含量和氢碳比（H/C)L 裂解深度增加，C5和C5以上的

10、液体产品的氢含量和氢碳比下降,6）裂解炉出口温度,T裂解温度 停留时间； m0.06或0.027,7）裂解深度函数,690720 浅度裂解,720750 中深度裂解,750以上 深度裂解,生产操作常用Tout 表示裂解深度,S=Tm,虽然没有体现停留时间，较片面，但原料和炉型确定，一定程度上可表征裂解的深度,8）动力学裂解深度函数 KSF,KSF综合考虑了原料性质、停留时间和裂解温度影响,KSF定义,将原料裂解反应作为一级反应处理，原料转化率x和反应速度常数k及停留时间之间存在如下关系,不仅是T、分布的函数，也是原料性质的函数,将正戊烷裂解所得 定义为动力学裂解深度函数,式中：k5正戊烷裂解反

11、应的反应速度常数； A5正戊烷裂解反应的频率因子； E5正戊烷裂解反应的活化能,在裂解函数中选定正戊烷作为衡量裂解深度的当量组分，是因为: 在任何轻质油品中都有正戊烷； 在裂解过程中，正戊烷只减少不增加； 在裂解过程中易分析,KSF值的大小对裂解产物分布的影响可以用下图说明,应用,KSF=01是浅度裂解区 原料饱和烃（C5+）含量， 乙烯 、丙烯 、丁烯 。 KSF=12.3为中度裂解区 C5+含量继续下降，乙烯含 量 减慢，丙烯、丁烯在KSF=1.7左右达到峰值。 KSF2.3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，

12、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。

13、 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

14、：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

15、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。

16、 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(Short Residence Time)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+T3