第一章 烃类热裂解.docx
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第一章烃类热裂解
第一章烃类热裂解
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，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
能量供给
，GJ/h
原料预热和汽化
102.1
153.2
203.4
322.7
辐射段升温
和反映热
237.8
239.4
340.7
380.1
稀释蒸汽
56.1
58.2
115.9
300.1
裂解气压缩
139.0
164.1
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
能量回收
GJ/h
急冷换热器
138
109
222
264
初分馏塔
17
71
109
180
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２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，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
极
限，v%
下限
上
限
氨
NH3
-33.4
-77.7
1373
132.4
11.298
15.5
27
丙烷
C3H8
-42.07
-187.7
426
96.81
4.257
2.1
9.5
丙烯
C3H6
-47.7
-185.25
437.9
91.89
4.600
2.0
11.1
乙烷
C2H6
-88.6
-183.3
490
32.27
4.883
3.22
12.45
乙烯
C2H4
-103.7
-169.15
482.6
9.5
5.116
3.05
28.6
甲烷
CH4
-161.5
-182.48
510
-82.5
4.641
5.0
15.0
氢
H2
-252.8
-259.2
454
-239.9
1.297
4.1
74.2
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。
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（例如氨气或者丙烯），采用上述制冷循环过程，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（或者称为川级制冷）。
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。
由于丙烯的蒸发温度，在正压操作的时候，最低可达到-47.7摄氏度，而甲烷的冷凝温度最高为其临界温度-82.5摄氏度，显然不能用甲烷丙烯二元复迭制冷，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，如果复迭制冷只提供一个最低温度等级的冷剂，那么，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；
如图1-51、1-52（P86）所示（两图各点是相对应的）。
将某段闪蒸分离罐引出的蒸气，送入冷剂冷凝器４或者5（热量用户），给需要热量的用户供热，使分离罐引出的蒸气在此冷凝，凝液回到本段闪蒸分离罐或者进行节流降压（经过节流阀15）进入前一段的闪蒸分离罐，循环使用。
（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；
如图1-51（P86）所示。
将某段闪蒸分离罐分出的液体，送入冷剂蒸发器9或者11（冷量用户），给需要冷量的用户供冷，使分离罐引出的液体在此蒸发，蒸气回到本段闪蒸分离罐；或者闪蒸分离罐分出的液体，进行节流膨胀降温（经过节流阀12、14），再蒸发制冷，给中温冷剂用户或者低温冷剂用户提供冷量（冷剂蒸发器10（中温）、8（低温）），蒸气进入前一段的闪蒸分离罐，循环使用。
（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。
图1-52（P86）中S点即是过冷点，由S点节流膨胀到t点，产生气液相产物的比例为tu/tp，如果不过冷时，进行上述同样的压力条件下的膨胀，则气化率将大于前者，即气相产物比例大于前者，制冷能力将小于过冷到S点的情况。
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，则能量利用率越好。
图1-53（P86）是乙烯丙烯复迭制冷温度与单位能量消耗的关系。
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
L
B
S
参数
压力
温度
压力
温度
压力
温度
乙
烯
压
缩
机
一段
入口
0.118
-101
0.11
-101
0.108
-101
二段
入口
0.53
-70
0.426
-75
0.439
-75
三段
入口
0.88
-56
0.91
-55
0.74
-62
四段
入口
1.49
-40
丙
烯
压
缩
机
一段
入口
0.105
-43
0.13
-41
0.144
-40
二段
入口
0.265
-21
0.26
-24
0.29
-23
三段
入口
0.57
0
0.65
3
0.65
2
四段
入口
1.12
23
1.0
18
1.03
20
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。
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。
按照常规，塔顶用外来冷剂制冷，从塔顶移出热量；塔底又要用外来热剂供热。
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，如果不采取措施是不可能实现的，要实现从低温到高温的能量传递，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。
于是塔顶低温处的热量，通过冷剂的媒介而传递到塔底高温处。
在这个流程中，制冷循环中的冷剂冷凝器与精馏塔塔底再沸器合为一个设备，在这个设备中，冷剂冷凝放热变成液体，而塔底液体吸收热量蒸发为气体，给精馏塔的提馏段提供气相回流。
同样，在这个流程中，制冷循环中的冷剂蒸发器与精馏塔塔顶冷凝器合为一个设备，在这个设备中，冷剂吸收热量蒸发为气体，而塔顶气体冷凝放热变成液体，给精馏塔的精馏段提供液相回流。
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。
这个流程从精馏过程的角度来看，可理解为塔顶冷凝器和塔底再沸器合为１个设备。
从制冷循环的角度来看，可理解为节省了塔顶冷凝器，将以外来冷剂作媒介的间接换热改为直接换热（按照精馏塔一般的制冷流程，塔顶气体将间接与冷剂换热，采用热泵流程后，采用塔顶气体作冷剂，可以理解为塔顶气体与冷剂直接换热），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。
这个流程从精馏过程的角度来看，可理解为塔底再沸器与塔顶冷凝器合为１个设备。
从制冷循环的角度来看，可理解为节省了塔底再沸器，将以外来冷剂作媒介的间接换热改为直接换热（按照精馏塔一般的换热流程，塔底液体将间接与热剂换热，采用热泵流程后，采用塔底液体作冷剂，可以理解为塔底液体与热剂直接换热）。
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。
在深冷分离中，由于产品和制冷循环的冷剂都是乙烯、丙烯。
为了就地取材，所以乙烯塔、丙烯塔可用开式A型热泵流程，省去了低温换热器设备。
但是，因为产品与冷剂合为一体，要严格防止产品被污染，一般被污染，一时难于恢复正常。
（例如，冷剂压缩机要采用无油润滑压缩机，在工艺流程方面，采用稳定可靠的自动控制仪表，还要采取其它的措施等，来保证开式热泵流程的产品不被污染和流程操作的稳定性）
丙烯塔采用低压法操作的时候，多采用热泵流程。
当采用高压法操作的时候，由于操作温度的提高，冷凝器可以用冷却水作为冷剂，所以不需要热泵。
近年来丙烯塔大多采用高压操作，塔顶产品冷凝改用循环水冷却系统。
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。
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。
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