乙烷原料制乙烯分離流程乙烷塔模擬研究

于晨

（惠生工程（中國）有限公司北京設計中心，北京 100102）

1 概述

乙烯作為重要的石油化學工業基礎原料，天然氣加工過程中得到的碳二以上烷烴及原油加工中得到的石腦油、柴油、加氫裂化尾油等都是乙烯生產的良好原料。其中輕質烷烴由于乙烯收率高，同乙烯產量原料消耗少、副產品少、投資低、能耗低，被認為是最理想的乙烯裂解原料。[1]

自2000 年，美國的頁巖氣開發飛速發展。我國頁巖氣儲量也十分豐富，且我國頁巖氣開發大幕也已經拉開。頁巖氣中分離出的乙烷是優質的乙烯裂解原料，因此，頁巖氣開發的蓬勃發展將為乙烯工業提供大量廉價優質的裂解原料。[2，3]

乙烯裝置的分離流程可分為順序分離流程、前脫乙烷流程和前脫丙烷流程。一般觀點認為前脫丙烷流程和順序分離流程適用于裂解原料較重的乙烯裝置，而前脫乙烷裝置適用于裂解原料較輕的乙烯裝置。[4]

前脫乙烷技術是指對裂解氣物流進行精餾分離的第一順序塔為脫乙烷塔，首先將裂解氣中C2 及更輕的組分與C3 及更重的組分分離。為解決低壓塔，塔頂溫度低，對冷劑級別要求高；高壓塔塔釜溫度高易結焦的矛盾，工業上乙烯裝置第一順序塔常采用雙塔分離流程。[5]但以乙烷為原料得到的裂解氣中，由于C3 及以上的組分含量過小(5.44wt%)，低壓塔進料量過小。本文將對100 萬噸/年乙烷裂解制乙烯裝置，雙塔脫乙烷流程及單塔脫乙烷流程進行模擬對比。

2 流程描述

2.1 雙塔脫乙烷流程

雙塔脫乙烷流程見圖1。在雙塔脫乙烷流程中，裂解氣經壓縮機壓縮至20.15kg/cm2g，后經水冷后進行氣液分離，液相返回壓縮機四段吸入罐，氣相加熱至50℃后進入堿洗塔除去酸性氣體。堿洗塔頂裂解氣繼續被壓縮壓縮至37.10kg/cm2g，后經循環水和丙烯冷劑冷卻至15℃后進行氣液分離，液相返回壓縮機四段排出罐，氣相送入干燥器。干燥后的氣相經丙烯冷劑冷卻后送入高壓脫乙烷塔。高壓脫乙烷塔頂氣經乙炔加氫反應器出料及低壓蒸汽加熱后送入乙炔加氫反應器，乙炔加氫反應器出料經循環水及乙炔加氫反應器進料冷卻后送入深冷分離系統。高壓脫乙烷塔釜液相送入低壓脫乙烷塔。低壓脫乙烷塔頂氣相循環回裂解氣壓縮機四段，塔釜液相送入熱分離區。

圖1 雙塔脫乙烷流程

2.2 單塔脫乙烷流程

對于單塔脫乙烷流程，提出下述兩方案：

2.2.1 塔頂氣直接冷凝單塔脫乙烷流程。塔頂使用乙烯冷劑的單塔脫乙烷流程見圖2。在塔頂采用乙烯冷劑的單塔脫乙烷流程中，裂解氣經壓縮機壓縮至21.15kg/cm2g，后經水冷后進行氣液分離，液相返回裂解氣壓縮機四段吸入罐，氣相加熱至50℃后進入堿洗塔除去酸性氣體。脫除酸性氣體后，經循環水和丙烯冷劑冷卻至15℃后進行氣液分離，液相返回壓縮機四段排出罐，氣相送入干燥器，干燥后的氣相經丙烯冷劑冷卻后送入脫乙烷塔。脫乙烷塔頂氣與乙炔加氫反應器出料換熱后繼續被壓縮至34.00kg/cm2g，后經水冷至乙炔加氫反應溫度后，送入乙炔加氫反應器，乙炔加氫反應器出料經水冷及裂解氣壓縮機五段進料冷卻后，送入深冷分離系統。脫乙烷塔釜液送入熱分離區。

圖2 單塔脫乙烷乙烯冷劑流程

2.2.2 塔頂氣壓縮后冷凝單塔脫乙烷流程。塔頂氣經壓縮后冷凝的單塔脫乙烷流程見圖3。裂解氣經壓縮機壓縮至21.15kg/cm2g，后經水冷后進行氣液分離，液相返回裂解氣壓縮機四段吸入罐，氣相加熱至50℃后進入堿洗塔除去酸性氣體。脫除酸性氣體后，裂解氣經循環水和丙烯冷劑冷卻至15℃后進行氣液分離，液相返回壓縮機四段排出罐，氣相送入干燥器，干燥后的氣相經丙烯冷劑冷卻后送入脫乙烷塔。塔頂氣與裂解氣壓縮機五段出料換熱后繼續被壓縮至35.54kg/cm2g。裂解氣壓縮機五段出料先后與循環水，脫乙烷塔回流罐頂氣，裂解氣壓縮機五段進料及丙烯冷劑換熱后，進入脫乙烷塔回流罐。回流罐液相作為脫乙烷塔回流，經減壓后送回脫乙烷塔，回流罐頂氣相先后與裂解氣壓縮機五段出料，乙炔加氫反應器出料換熱，換熱后用低壓蒸汽加熱至乙炔加氫反應溫度后送入乙炔加氫反應器，反應器出料經水冷和乙炔加氫反應器進料冷卻后，送入深冷分離系統。脫乙烷塔釜液送入熱分離區。

圖3 單塔脫乙烷壓縮后冷凝流程

3 模擬結果分析

三種工況下裂解氣壓縮機五段及脫乙烷塔主要操作參數見表1。

表1 不同脫乙烷塔方案裂解氣壓縮機及脫乙烷塔操作參數

由表1 可以看出，單塔脫乙烷流程與雙塔脫乙烷流程相比，裂解氣四段壓縮機壓縮比有所增加，裂解氣五段壓縮機壓縮比有所減小。與雙塔脫乙烷流程相比，單塔脫乙烷流程中需要由冷劑提供的冷凝負荷略低。三種工況下裂解氣壓縮機總功率，丙烯機功率及乙烯機功率總結見表2。

由表2 可以看出，對于裂解氣壓縮機功率，塔頂采用乙烯冷劑的單塔脫乙烷流程裂解氣壓縮機的功率有所下降，這是由于采用乙烯冷劑的單塔脫乙烷流程中，C3 及以上餾分不進入裂解氣五段壓縮機，同時，五段壓縮機壓縮比有所減小，入口溫度較低，導致了裂解氣五段壓縮機功率有了相當程度的下降。即使裂解氣壓縮機四段壓縮比有所上升，總體來看，采用乙烯冷劑的單塔脫乙烷流程中，裂解氣壓縮機的功率相對雙塔脫乙烷流程稍微有所下降。但在壓縮后冷凝的單塔脫乙烷流程中，進入裂解氣五段壓縮機的氣體包括脫乙烷塔的回流，雖然五段壓縮比有所下降，但五段功率下降不大，同時四段壓縮比上升，總體上看，壓縮后冷凝的單塔脫乙烷流程裂解氣壓縮機總功率較雙塔脫乙烷流程增加了3.6%。

表2 不同脫乙烷塔方案三機功耗統計

對于制冷系統壓縮機功率，采用乙烯冷劑的單塔脫乙烷流程，由于塔頂需采用乙烯冷劑，丙烯機功率增加7.6%，乙烯機功率增加19.1%。在壓縮后冷凝的單塔脫乙烷流程中，由于冷量的回收利用，同時無低壓塔丙烯冷劑用量，丙烯機功率較雙塔脫乙烷流程下降了3.9%。由于乙烯冷劑用戶無變化，乙烯機功率基本不變。

綜合三機總功率，采用乙烯冷劑的單塔脫乙烷流程雖然降低了裂解氣壓縮機的功率，但增加了乙烯機和丙烯機的功率，三機總功率較雙塔脫乙烷流程增加了6%。采用壓縮后冷凝的單塔脫乙烷流程雖然增加了裂解氣壓縮機的功率，但丙烯機的功率有所下降，三機總功率較雙塔脫乙烷流程增加了1%。

4 結論

綜上所述，采用單塔脫乙烷流程在操作投資上并無優勢。從設備角度來講，由于單塔脫乙烷流程裂解氣干燥設置在了裂解氣壓縮機四段后，將導致進入干燥器的體積流量增加，增加了干燥器的體積，但減少一臺塔器將相應減少再沸器，冷凝器及回流罐等設備。因此，采用單塔脫乙烷流程在減小設備投資及占地方面小有優勢。