烃类热裂解-第五节裂解分离系统的能量有效利用

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1、烃类热裂解 - 第五节裂解分离系统的能量有效利用第五节 裂解分离系统的能量有效利用 一、急冷回收热能的利用无论是在炼油厂 ,还是在化工厂 ,无论是大型工厂 ,还是小型工厂 ,能量的回收利 用都是工厂面临的重大问题和首要问题。能量消耗的增加 , 无疑于增加生产的成本 , 成本的增加 , 意味着经济效益的降低 , 直接影响工厂的经济效益 , 甚至影响工人的工 资和工厂的福利待遇。因此能量回收和利用的好坏 , 体现了工艺流程及技术的先进水平。表 1-36,P82 ，列出了一个乙烯工厂能量供给和回收的数据 , 是年产 25 万吨的乙 烯工厂能量的供给和回收统计数据。从表中的数据可以看出 ,原料越重 ,

2、 需要供给的 能量, 热能、动能、电能，也越大。这些消耗的大量能量 , 也可以尽可能地回收利 用。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）初馏塔及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。表 1-36 年产 25 万吨乙烯厂能量的供给和回收统计裂解原料 乙 烷 丙烷 石脑油 粗柴油原料预热和汽化 102.1 153.2 203.4 322

3、.7辐射段升温 237.8 239.4 340.7 380.1和反映热能量供给 稀释蒸汽 56.1 58.2 115.9 300.1，GJ/h 裂解气压缩 139.0164.1 133.9 133.9冷冻 154.0 188.4 136.9 137.3其它 15.9 89.6 44.4 44.4合计 704.9 892.9 975.3 1316.1急冷换热器 138 109 222 264 能量回收 初分馏塔 17 71 109 180GJ/h 热烟道气 285 268 410 452合计 439 448 741 896对塔底再沸器来说 , 是回收热量 , 而 对于塔顶冷凝器来说 , 中间再沸

4、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。 -133?C=2C1-94?C6-91?C12-89?C24-48?C32-37?C-33?C3342-19?C-13?C72 裂解气 8?C-20?C=3C32 大气压图 1-48 脱甲烷塔中间再沸器流程对于塔顶塔底温度差别比较大的精馏塔 ,如果在精馏段中间设置冷凝器 , 则可以 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

5、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 , 则可以用温度比较高的冷剂来作 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 此中间冷凝器可用来代替一部分低温级的冷剂消耗 , 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 ,则可以用温度比塔底 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

6、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(P78) 。由于脱甲烷塔塔顶和塔底温度相差较大 ,塔顶温度-94 摄氏度左右,塔底温度 8 摄氏度左右， , 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较大 , 塔顶

7、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 , 才能保证产品的分离纯度 , 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, 并对比各种因素的相互影响来进行权衡对比。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(P83) 。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。进料经过第一个气液分离罐进行分离 , 分离罐分离下来的凝液 (-29 摄

8、氏度 ), 作 为脱甲烷塔的第一股进料，第一个分离罐顶部分出的气体 , 进入第一个进料冷凝器 冷却以后,进入第个分离罐，第二级分离罐底部分出的凝液，-62摄氏度，作为脱 甲烷塔的第二股进料，第二个分离罐顶部分出的气体 ，进入第二个进料冷凝器冷却 ， 冷却到-96 摄氏度，成为气液混合 物，作为脱甲烷塔的第三股进料。同时 ， 从脱甲烷塔精馏段中间引出一股气体 ，进入 中间冷凝器 ， 与第二分离罐顶部分出的气体混合冷凝后 ， 成为气液混合物 ， 一起进入 脱甲烷塔。在这种情况下 ， 中间回流与第三股进料结合起来了 ， 而第二个进料冷凝器与中间 冷凝器结合为一个设备 ， 合而为一，。从塔顶气来看 ，

9、 塔顶气体经过节流膨胀阀以后 ， 自身制冷而降温到 -101 摄氏度。 自身制冷产生的冷量足可以作为塔顶冷凝器的冷量。这是因为采用了中间回流 ， 减 少了塔顶的回流量 ，节省了塔顶的冷量 ， 降低了塔顶冷凝器的负荷。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 温位比较高的制冷剂 ， 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 气中回收一部分乙烯 ， 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 摄氏度,塔底温度为 8摄氏度,最下一股 进料温度为 -33

10、 摄氏度。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 ,温度为-37 摄氏度左 右,与裂解气换热 ,物料被加热后 ,进入第 42块塔板,温度为-19 摄氏度左右。裂解 气作为热剂 ,它由进入的-13 摄氏度冷至 -20 摄氏度,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 才能保证分离精确度的要求。实

11、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分离过程中 , 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分离中 , 占有相当大的数量 ,占有重要地位，。因此 , 合理设计冷冻过程、合理选择冷冻剂 , 是深冷分离过程中 ,能量合理利用的有效途径。在深冷分离过程中 , 脱甲烷塔等塔顶冷凝设备 , 都是在低温下进行的 , 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 ,在深冷分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

12、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,在深冷分离中占的比例比较大。关于深冷分离的冷量消耗, 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 ,然后冷凝, 得到冷剂的液体 ,液体冷剂在不同 压力下蒸发 , 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 ,为了安全起见 ,在使用过程 中, 冷冻和制冷系统中不能漏入空气 , 因 此, 制冷应该在正压下进行。表中

13、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 沸点 凝固 蒸发 临界 临界 极 限 ,v%式 点 潜热 温度 压力 下 上限 限 氨 NH3 -33.4 -77.7 1373 132.4 11.2915.5 27丙烷 C3H8 -187.7 426 96.81 4.257 2.1 9.542.07丙烯 C3H6 -47.7 -437.91.89 4.600 2.0 11.1185.25 9 乙烷 C2H6 -88.6 -183.3 490 32.27 4.883 3.22 12.45乙烯 C2H4 -482.9

14、.5 5.116 3.05 28.6103.7 169.15 6甲烷 CH4 -510 -82.5 4.641 5.0 15.0161.5 182.48氢 H2 -259.2 454 -1.297 4.1 74.2252.8 239.9极限指与空气的爆炸极限。在各种冷剂中 , 丙烯和乙烯是深冷分离过程中的产品 , 用它们作为冷剂可以就地 取材，而且乙烯的沸点是-103.7C,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范围与单位能量消耗的关系 , 见图 1-49(P84) 所示。

15、由图 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 , 尽量使用比较高的温度等级的 冷剂, 例如氨气、丙烯，。因为深冷分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较低的冷量 ,而又不希望冷剂在负压下蒸发 , 则需要采用常压沸点 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，。由表 1-37,P84 ，、图 1-49,P85 ，可见, 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9.5摄氏度,因此 不能用冷却水把乙烯气体冷凝成液体 , 这样就不能构成乙烯蒸气的“压缩 , 压力升高 , 温度也升高，、冷冻 , 吸收冷量 , 将热量排出 , 冷凝成液体，、膨胀 , 压力降低 , 温度 也降低，、蒸发 , 吸收热量 , 排出冷量 , 蒸发成气体，”的制冷循环过程。这时 , 就需 要采用另一冷剂 , 例如氨气