第五节裂解分离系统地能量有效利用.docx
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第五节裂解分离系统地能量有效利用
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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
102.1
153.2
203.4
322.7
辐射段升温
和反应热
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
供给-回收GJ/h
265.9
444.9
234.3
420.1
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。
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℃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
-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
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）。
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）），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，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
L
B
S
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
-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。
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。
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。
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