第五节裂解分离系统地能量有效利用.docx

1、第五节裂解分离系统地能量有效利用返回目录第五节 裂解分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，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。 表1-36 年产25万吨乙烯厂能量的供给

2、和回收统计 裂解原料乙 烷丙烷石脑油轻柴油能量供给GJ/h原料预热和汽化102.1153.2203.4322.7辐射段升温和反应热237.8239.4340.7380.1稀释蒸汽56.158.2115.9300.1裂解气压缩139.0164.1133.9133.9冷冻154.0188.4136.9137.3其它15.989.644.444.4合计704.9892.9975.31316.1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 供给 - 回收 GJ/h 265.9444.9234.3420.1能量

3、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。对于塔顶冷凝器来说，中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

4、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，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

5、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(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较大，塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷会

6、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。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

7、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，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，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

8、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）。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机三机所需要的功率来看，乙烯和丙烯制冷压缩机功率占

9、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 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，制冷应该在正压下进行。 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NH3-

10、33.4-77.71373132.411.29815.527丙烷C3H8-42.07-187.742696.814.2572.19.5丙烯C3H6-47.7-185.25437.991.894.6002.011.1乙烷C2H6-88.6-183.349032.274.8833.2212.45乙烯C2H4-103.7-169.15482.69.55.1163.0528.6甲烷CH4-161.5-182.48510-82.54.6415.015.0氢H2-252.8-259.2454-239.91.2974.174.2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

11、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。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

12、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）。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

13、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，丙烯乙烯丙烯二元复迭制冷的情况。如果冷冻温度低于-100摄氏度，为了避免乙烯在负压下操作，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)

14、），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分离流程可以知道，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摄氏度等温度等级的冷剂，以提供给不同冷量用户使用，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，否则，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分离罐，都是引出蒸气和分出液体。而且各段的温度也都不相

15、同，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，可采取下列措施，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，提供给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，作不同温度等级的冷剂，提供给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，把液态冷剂进行过冷，在过冷状态下进行节流膨胀，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，

16、则能量利用率越好。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较，它与出入精馏塔的物料组成、制冷方式以及分离流程有关系。图1-54（P87）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0.118-1010.11-1010.108-101二段入口0.53-700.426-750.439-75三段入口0.88-560.91-550.74-62

17、四段入口1.49-40丙烯压缩机一段入口0.105-430.13-410.144-40二段入口0.265-210.26-240.29-23三段入口0.5700.6530.652四段入口1.12231.0181.0320四、热泵采用外来冷剂制冷是精馏塔的一般制冷方式，也有采用热泵制冷的。一般制冷只提供冷量而不提供热量，而在深冷分离中，所习惯称为热泵的，即提供冷量又提供热量。将塔顶低温处的热量，通过热泵传递到塔底高温处。在精馏过程中，塔顶需要引入冷量（也就是引出热量，只是热量的温度比较低）；塔底需要引进热量（也就是引出冷量，只是冷量的温度比较高）。在精馏过程中，塔顶需要引入冷量。塔底需要加入热量。

18、最理想的办法是，把塔顶低温处的热量传递给塔底高温处。这种热量传递是从低温传递到高温，最简单的办法就是将精馏塔和制冷循环结合起来，这就是一个很好的热泵系统。图1-55（P88）是精馏塔的制冷方式。图（a）是一般制冷，制冷循环系统给精馏塔塔顶冷凝器提供冷剂，其它没有任何联系。图（b）是闭式热泵流程，冷剂与精馏塔塔顶物料换热以后，吸收热量蒸发为气体，气体经过压缩提高压力和温度后，送去塔底加热塔底的液体，冷剂本身凝结成液体。液体经过节流减压以后，再去塔顶换热，完成一个循环。图（c）为开式A型热泵流程，这个流程不用外来冷剂作媒介，直接以塔顶蒸出的低温烃蒸气作为制冷循环的冷剂，经压缩提高压力和温度后送去塔

19、底换热，放出热量而凝结成液体。冷凝的液体一部分出料作为产品，一部分节流降温后作为精馏塔塔顶回流进入塔内。既节省了能量，又节省了低温换热设备。图（d）为开式B型热泵流程，这个流程也不用外来冷剂作媒介，直接以塔底液体作为制冷循环的冷剂，塔底液体经过节流膨胀降低压力和温度后，送去塔顶换热，吸收热量而蒸发成气体。再经过压缩升温升压后，返回塔底。一般来说，开式热泵流程，能量利用比较好，但是操作不如闭式热泵流程稳定。丙烯塔采用低压法操作的时候，多采用热泵流程。为了合理利用能量，除了要进行合理设置能量的温度级位以外，还要对一切可以回收利用的能量，都要在工艺生产中加以利用，这是减小消耗，降低成本，多创造经济效益的重要途径之一。这也是近年来化学工业生产改进的一个方向。总结：一 热能的回收利用：1 回收途经：（1） 通过急冷器产生高压水蒸气；（2） 初馏塔及附属设备；（3） 烟道气用于各种物料予热。2 回收率：可高达75%二 分离过程：1 中间冷凝器和中间再沸器：2 节能原理：（1） 对于中间冷凝器，用比塔顶冷冻级别稍高的冷剂使塔内精馏段气相物料冷凝，从而节省了塔顶低温冷冻级别的冷剂，即节能。(2) 用比塔底温度低的加热剂加热塔内提馏段液相物料，使塔内部分液相物料吸热气化，加热（冷剂）剂温度下降，从而回收了冷量即回收了比塔釜温度更低的冷量，即节能。