第四节 裂解气深冷分离流程

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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 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C 2馏分。

从脱乙烷塔塔顶出来的C 2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C 3馏分，塔底的液体为C 4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C 3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

C 2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C 2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、C 4馏分和C 5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C 3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、C 2馏分、C 3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)。

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C 2的分离和C 3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［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

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

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

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C 1/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C 1/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C 1/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。