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1、word返回目录第五节 裂解别离系统的能量有效利用思考题:1. 能量回收在整个裂解工艺流程中,主要有哪三个途径?2. 脱甲烷塔和乙烯塔采用中间冷凝器和中间再沸器各有什么优缺点?3. 举例说明复迭制冷的原理。4. 多级循环制冷的原理是什么？应当采取哪些措施，才能使多级循环制冷的能量得到合理利用？5. 什么叫热泵？6. 精馏塔的热泵制冷方式有哪几种？一、急冷回收热能的利用能量回收和利用的好坏，表现了工艺流程与技术的先进水平。表1-36P82列出了一个乙烯工厂能量供应和回收的数据，是年产25万吨的乙烯工厂能量的供应和回收统计数据。表1-36 年产25万吨乙烯厂能量的供应和回收统计裂解原料乙 烷丙烷石
2、脑油轻柴油能量供给GJ/h原料预热和汽化辐射段升温和反响热稀释蒸汽裂解气压缩冷冻其它合计能量回收GJ/h急冷换热器138109222264初分馏塔1771109180热烟道气285268410452合计439448741896供应 - 回收 GJ/h能量回收在整个工艺流程中主要有三个途径：1)急冷换热器回收的能量约占三分之一，更重要的是它能产生高温位的能量，发生高压水蒸气，可用来驱动三机裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机；2)初馏塔与其附属系统回收的是低温位的能量，主要用于换热系统；3)烟道气热量一般是在裂解炉对流室内回收利用，用来预热原料、锅炉给水、过热水蒸气加热等。对于塔顶冷凝器来说，中
3、间再沸器和中间冷凝器是回收冷量。二、中间冷凝器和中间再沸器热量是能量，冷量也是能量。回收热量是回收能量，回收冷量同样也是回收能量。对于塔顶塔底温度差异比拟大的精馏塔，如果在精馏段中间设置冷凝器，如此可以用温度比塔顶冷凝器温度稍高一点的热载体作中间冷凝器的冷源。也就是说，应该在塔顶取的热量，移到精馏段中间来取，这样可以节省塔顶冷剂的用量。对塔底再沸器来说以塔底再沸器为基准，中间冷凝器是回收热量；而对于塔顶冷凝器来说以塔顶冷凝器为基准，中间冷凝器是节省冷量。对于脱甲烷塔，如果在精馏段中间设置冷凝器，如此可以用温度比拟高的冷剂来作为中间冷凝器的冷剂，把塔顶的冷量移到中间来取，使塔顶少消耗一些冷量，因
4、此中间冷凝器可用来代替一局部低温级的冷剂消耗，从而节省了低温级的冷剂，节省了能量消耗。同样，对于一般的精馏塔，如果在提馏段设置中间再沸器，如此可以用温度比塔底再沸器温度稍低一点的热载体，作中间再沸器的热源。也就是说，应该在塔底加的热量，移到精馏段中间来加，这样可以节省塔底热载体热剂的用量。对塔底再沸器来说以塔底再沸器为基准，中间再沸器是节省热量；而对于塔顶冷凝器来说以塔顶冷凝器为基准，中间冷凝器是回收冷量。对于脱甲烷塔和乙烯塔等精馏塔，它们的塔底温度都低于环境温度，塔底再沸器实际上就是用来回收冷量的，如果在提馏段设置中间再沸器，就可以回收比塔底温度更低的冷量。带有中间再沸器的乙烯塔见图1-41
5、(P78)。由于脱甲烷塔塔顶和塔底温度相差较大塔顶温度-94左右，塔底温度8左右，设置中间冷凝器和中间在尾气再沸器能明显地节省能量，估算能节省能量27%左右。中间冷凝器和中间再沸器的负荷如果比拟大，塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷会降低，这样会导致精馏段回流比和提馏段蒸气比气相回流比减少，回流比的减少，应当相应增加塔板数，才能保证产品的别离纯度，从而使设备投资费用增加。中间冷凝器和中间再沸器在精馏塔中的位置，要根据工艺要求和具体情况来确定，并比照各种因素的相互影响来进展权衡比照。根据经验，中间冷凝器和中间再沸器一般选择靠近加料口附近。1.中间冷凝器：采用中间冷凝器的脱甲烷塔流程图见图1-48(P
6、83)。该流程是逐级分凝、多股进料与中间冷凝也称中间回流相结合的流程。采用这种流程，还省略了复杂的制冷设备，将流程简化，可以降低设备投资。用温位比拟高的制冷剂，就可以满足脱甲烷塔精馏工艺的要求。同样可以达到从塔顶气中回收一局部乙烯，同样可以降低乙烯的损失。2.中间再沸器采用中间再沸器的脱甲烷塔流程图见图1-47(P83)。由图可以看出，脱甲烷塔塔顶温度为-94，塔底温度为8，最下一股进料温度为-33。由此可见脱甲烷塔的提馏段温度仍然比环境温度还要低，塔底再沸器的冷量可以用丙烯冷剂来回收，为了能回收比塔底再沸器温度更低的冷量，设置了中间再沸器。由脱甲烷塔的第32块塔板引出液体物料，进入中间再沸器
7、，温度为-37左右，与裂解气换热，物料被加热后，进入第42块塔板，温度为-19左右。裂解气作为热剂，它由进入的-13冷至-20，达到了回收冷量的目的。显然，中间再沸器回收的冷量温度，比塔底再沸器回收的冷量温度要低一些。由于增加了中间再沸器，提馏段气相回流比减小，必须要在提馏段增加几块塔板，才能保证别离准确度的要求。实际上，由于增加了中间再沸器，相应要增加脱甲烷塔的塔板数。三、深冷过程冷量的有效利用(一)冷冻剂的选择在深冷别离过程中，消耗的能量主要有：裂解气的压缩、塔顶冷凝、塔底再沸等。冷冻消耗的能量在深冷别离中，占有相当大的数量占有重要地位。在深冷别离过程中，脱甲烷塔等塔顶冷凝设备，都是在低温
8、下进展的，不能用一般冷却水作冷却剂，需要采用冷冻过程，来获得冷凝用的冷剂。因此，冷冻过程中的能量消耗，在深冷别离装置中占有重要地位。以裂解气压缩机、乙烯压缩机和丙烯压缩机三机所需要的功率来看，乙烯和丙烯制冷压缩机功率占三机总功率的50%至60%。在能量消耗中，脱甲烷塔进料的预冷和乙烯塔的能量消耗，在深冷别离中占的比例比拟大。关于深冷别离的冷量消耗，分配如下：占制冷功率的百分数，脱甲烷塔进料预冷32脱甲烷塔10脱乙烷塔分 9乙烯塔44脱丙烷塔 5合计 -100制冷是利用冷剂气体压缩冷凝液体蒸发，就得到不同温度级别的冷冻过程。常用的冷剂见表1-37。表中冷剂都是易燃易爆的，系统中不能漏入空气，制冷
9、应该在正压下进展。表中各冷剂的沸点，就决定了它的最低蒸发温度，因此要获得低温，就必须采用沸点低的冷剂。表1-37冷剂的性质冷剂分子式沸点凝固点蒸发潜热临界温度临界压力爆炸极限，v%下限上限氨NH3137327丙烷C3H8426丙烯C3H6乙烷C2H6490乙烯C2H4甲烷CH4510氢H2454在各种冷剂中，丙烯和乙烯是深冷别离过程中的产品，用它们作为冷剂可以就地取材，而且乙烯的沸点是，在正压下操作，也可以达到-100C的低温要求。甲烷和氢气也是脱甲烷过程中的产物，甲烷也可以作为冷剂，用甲烷作冷剂，可以获得更低的温度。各种冷剂的制冷温度X围与单位能量消耗的关系，见图1-49(P84)所示。由图
10、1-49(P84)可见，制冷温度越低，单位能量消耗就越大。所以在工程上，把冷剂分成不同等级，这样，在不需要深冷温度的场合下，尽量使用比拟高的温度等级的冷剂例如氨气、丙烯。因为深冷别离工艺中需要各种不同温度级别的制冷，所以在设计制冷系统时，要考虑到能提供各种温度等级的冷剂。(二)复迭制冷要获得温度比拟低的冷量，而又不希望冷剂在负压下蒸发，如此需要采用常压沸点很低的物质作为冷剂。但是这类物质的临界温度也很低，不可能在加压的情况下用水冷却将这些物质冷凝下来因为如果操作温度超过了物质的临界温度，再高的压力也不能把这种物质压缩成液体；如果操作压力超过了物质的临界压力，再低的温度也不能把物质冷凝成为液体。
11、为了获得-100C温度的冷量，需要采用乙烯作为冷剂。但是乙烯的临界温度为摄氏度，因此不能用冷却水把乙烯气体冷凝成液体。这时，就需要采用另一冷剂例如氨气或者丙烯，采用“压缩、冷凝、膨胀、蒸发制冷循环过程，使乙烯冷却到临界温度以下，发生冷凝过程吸收氨气或者丙烯的冷量，将热量排给氨气或者丙烯，使乙烯冷凝成液体，从而完成上述制冷循环过程。这样，氨气或者丙烯的制冷循环可以和乙烯的制冷循环复迭起来，组成复迭制冷或者称为串级制冷。图1-50是乙烯和丙烯的复迭制冷流程图。在复迭制冷流程中，循环水向丙烯提供冷量，丙烯向乙烯提供冷量制冷，乙烯向使用-100摄氏度冷冻级别的用户提供冷量制冷。以上说明的是，丙烯乙烯丙
12、烯二元复迭制冷的情况。如果冷冻温度低于-100摄氏度，为了防止乙烯在负压下操作，由表1-37可见，就需要采用甲烷作为冷剂。必须采用甲烷、乙烯、丙烯三元复迭制冷循环，通过两个复迭换热器，使循环冷水向丙烯供冷，丙烯向乙烯制冷，乙烯向甲烷制冷，甲烷向低于-100摄氏度冷量的用户制冷。(三)多级制冷上述复迭制冷见图1-50(P85)，只给最低温度等级的冷量用户提供冷量，而且还只能给一个用户提供冷量，例如脱甲烷塔塔顶冷凝器，这种供冷方式，在能量使用上是非常不合理的。由前面论述到的深冷别离流程可以知道，除了-100摄氏度温度等级的冷量用户以外，还需要-75、-55、-41、-24、3、18摄氏度等温度等级
13、的冷剂，以提供应不同冷量用户使用，所以复迭制冷应该能提供多温度等级的冷剂，才能合理利用能量，否如此，需要使用较高温度等级的冷剂的场合，只能用低温度等级的冷剂向较高温度等级提供冷量，这是“大马拉小车，在能量利用上是不合理的。考虑到在多级循环制冷中，压缩机各段之间都设有闪蒸别离罐，都是引出蒸气和分出液体。而且各段的温度也都不一样，很自然地形成了许多等级的冷剂和热剂，如果利用这些不同温度等级的冷剂和热剂，可采取如下措施，使能量得到合理利用:(1)尽可能地使各段引出的不同温度的蒸气，作不同温度等级的热剂，提供应工艺中相应温度等级的热量用户使用如再沸器等； (2)尽可能地使各段分出的不同温度的液体，作不
14、同温度等级的冷剂，提供应工艺中相应温度等级的冷量用户使用如精馏塔塔顶冷凝器等；(3)尽可能地组织热交换，把液态冷剂进展过冷，在过冷状态下进展节流膨胀，能多得到供冷的低温液态冷剂，少产生气相冷剂，使节流膨胀后的气化率降低，以提高制冷能力。(4)在实际生产中，使用乙烯丙烯复迭制冷流程时，闪蒸级数越多，制冷温度级位越多，如此能量利用率越好。多级制冷温度等级越多，能量利用越合理，但是设备费用也越大，操作也就越复杂。所以，闪蒸级数和制冷温度等级数多少最为合理，要根据工艺的具体要求来权衡比拟，它与出入精馏塔的物料组成、制冷方式以与别离流程有关系。图1-54P87是乙烯丙烯复迭多级制冷循环的冷剂与热剂分配流程示意图。表1-38是乙烯丙烯复迭制冷循环参数表。表1-38乙烯丙烯复迭制冷循环参数装置LBS参数压力MPa温度压力MPa温度压力Mpa温度乙烯压缩机一段入口-101-101-101二段入口-70
