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1、第一章 烃类热裂解第四节 裂解气深冷分离流程一、深冷分离流程1、 三种深冷分离流程问题1：深冷分离流程包括哪些?如何定义？他们的共同点和不同点各是什么？问题2：画出顺序流程示意图，并作简要流程叙述。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：按碳原子的个数从低到高的顺序用精馏塔逐个分开的分离流程。 顺序分离流程见图1-34，裂解气经过离心式压缩机压缩后，送入碱洗塔，脱去硫化氢、二氧化碳等酸性气体。 碱洗后的裂解气经过压缩机去干燥器脱水，干燥后的裂解气在前冷箱中分离出富氢气体，再进入脱甲烷塔，塔顶脱去甲烷馏分，塔底的液体是C
2、2以上馏分，进入脱乙烷塔，脱乙烷塔的塔顶分出C2馏分，塔底的液体为C3以上馏分。从脱乙烷塔塔顶出来的C2馏分经过换热升温，进行气相加氢脱乙炔气，脱乙炔以后的气体进入绿油塔，在绿油塔内用乙烯塔来的侧线馏分洗去绿油，干燥，然后送去乙烯塔。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，易聚合结焦，所以脱丙烷塔塔底温度不宜超过一百度，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。脱丙烷塔塔顶蒸出的C3馏分，里面含有丙炔和丙二烯，进入加氢脱炔反应器，加氢脱除丙炔和丙二烯，然后进入绿油塔，脱除加氢带入的甲烷、氢气，再进
3、入丙烯塔进行精馏，丙烯塔的塔顶蒸出纯度为99.9%的丙烯产品，丙烯塔的塔底液体为丙烷馏分。脱丙烷塔的塔底液体进入脱丁烷塔，在脱丁烷塔内分成C4馏分和C5以上馏分，C4馏分和C5以上馏分分别送往下道工序，进一步分离加工和利用。(2)前脱乙烷分离流程：是以乙烷和丙烯为分离界限，将轻组分例如氢气、甲烷、乙烯、乙烷等，和重组份例如丙烯、丙烷、丁烯、丁二烯、丁烷和C5以上组分等在第一个精馏塔内首先分开的分离流程。前脱乙烷分离流程示意图见图1-35，裂解气经过压缩、碱洗、干燥等工序之后，在3.6MPa(36atm)左右首先进入脱乙烷塔。脱乙烷塔塔底出来的是C3以上的重组分，进入脱丙烷塔。脱乙烷塔塔顶出来的
4、是C2以上的轻组分，这股物流先送去加氢，然后再进入脱甲烷塔。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80100C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。(3)前脱丙烷分离流程：是以丙烷和丁烯为分离界限，轻组分例如氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等，
5、和重组份例如丁烯、丁二烯、丁烷和C5以上组分等在第一个精馏塔内首先分开的分离流程。前脱丙烷分离流程示意图见图1-36。裂解气经过三段压到0.96MPa(约为9.6atm)，经碱洗、干燥等工序之后，冷却到-15摄氏度，进入脱丙烷塔，C4以上馏分从脱丙烷塔塔底分出，然后进入脱丁烷塔，分离成C4馏分和C5以上馏分。脱丙烷塔塔顶出来的C3以下轻组分，进入压缩机四段，压缩升压到3.7MPa(36.6atm)，进入加氢脱炔反应器，然后送往冷箱。在冷箱中分离出富氢气体，其余馏分进入脱甲烷塔，甲烷馏分从脱甲烷塔的塔顶蒸出来，脱甲烷塔的塔底液体送到脱乙烷塔。在脱乙烷塔C2馏分和C3馏分分离开，塔顶出来的C2馏分
6、至乙烯塔中分离成乙烯和乙烷。C3馏分在丙烯塔中分离成丙烯和丙烷。前脱丙烷分离流程的特点：C2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：(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. 81. 307一氧化碳CO-191. 5-140. 23. 496甲 烷
7、CH4-161. 5 -82. 34. 641乙 烯C2H4-103. 8 9. 75. 132乙 烷C2H6- 88. 6 33. 04. 924乙 炔C2H2 -83. 6 35. 76. 242丙 烯C3H6 -47. 7 91. 44. 600丙 烷C3H8-42. 07 96. 84. 306异丁烷i-C4H10 -11. 7 1353. 696异丁烯i-C4H8 -6. 9 144. 74. 002丁 烯C4H8 -6. 26 1464. 0181，3-丁二烯C4H6 -4. 4 1524. 356正丁烷n-C4H10 -0. 50 152. 23. 780顺-2- 丁烯C4H8
8、3. 7 1604. 204反-2- 丁烯C4H8 0. 9 1554. 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
9、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
10、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
11、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烷塔脱丙烷塔脱丁烷塔乙烯塔丙烯塔CH4C2H6C3H8C4H10C2H4C3H6C2H4C3H6i-C4H10C5H12C2H6C3H8-96-12 48.3-70266767075.2-49353.42.850.750.180.571.235.502.192
12、.763.121.721.09二、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
13、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个，温度或压力，压力确定之后
14、，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0.180.25MPa (约1825atm)，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
