原料多元化對乙烯分離系統的影響

李 琰

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

蒸汽裂解工藝仍是我國乙烯工業的主流工藝，裂解原料的選擇和優化直接關系到乙烯裝置的正常運轉和經濟效益[1-6]。目前，我國裂解原料中，輕柴油、石腦油所占比重顯著下降，加氫尾油、輕烴所占比重大幅上升。不同裂解原料通過裂解爐得到的產品收率不同。隨著輕質料、優質料為主的多元化原料投入，裂解產物組成可能偏離原始設計組成，從而導致乙烯裝置急冷、壓縮、分離、制冷等后系統可能會面臨不匹配的情況，對后續系統操作的影響也不容忽視。目前的研究集中于對裂解原料輕質化、重質化過程中裂解爐、急冷單元的裝置運行情況進行分析[7-14]，對乙烯分離系統的影響開展定量分析的研究不多。

本工作基于順序分離技術路線，采用Aspen Plus軟件建立了乙烯分離系統模型。在總投料量不變、其他裂解原料進料比例固定的情況下，改變石腦油和液化氣（LPG）的投料比例，研究了原料變化對乙烯分離系統的影響。

1 實驗部分

1.1 乙烯分離流程

典型的乙烯分離工藝有：順序分離技術路線、前脫丙烷分離技術路線和前脫乙烷分離技術路線[15]。圖1為順序分離流程。由圖1可知，裂解氣經壓縮機將壓力提高到約3.6 MPa，干燥脫水后進入深冷系統，經過冷箱和脫甲烷塔分離出氫氣和甲烷；再將脫甲烷塔釜液混合組分按照由輕到重的次序進行分離。為了降低冷量的消耗，采用降低脫甲烷塔操作壓力的技術，增加體系的相對揮發度，使脫甲烷塔冷凝器負荷降低，從而實現低壓脫甲烷工藝。脫甲烷塔釜物料含有C2及以上組分，依次進入脫乙烷塔、脫丙烷塔、脫丁烷塔，從塔頂分出C2，C3，C4組分。C2，C3分別經加氫脫炔后進入乙烯精餾塔和丙烯精餾塔，精餾后得到乙烯和丙烯產品。

圖1 順序分離流程Fig.1 The sequential separation process.

1.2 乙烯裂解原料

本工作設計了一個基準工況（工況1），總投料量380 t/h，石腦油、LPG、輕石腦油、富乙烯氣、富乙烷氣、加氫尾油的投料量（w）分別為48.64%，8.46%，13.99%，1.72%，5.50%，21.69%。以此投料比為基準開展了全流程計算，確定了物料平衡及能耗的基準值。在總投料量（不包含循環乙烷、循環丙烷）不變、其他原料占比不變的情況下，改變石腦油和LPG的投料比例，逐漸增加LPG的含量，降低石腦油含量，研究原料變化對乙烯分離系統的影響。工況2、工況3、工況4中LPG含量（w）分別為15%，25%，35%。

2 結果與討論

2.1 壓縮區

表1為進壓縮區的裂解氣的主要組成。由表1可知，在總投料量不變的情況下，隨著LPG投料比例的增加，裂解氣中輕組分（氫氣、甲烷、丙烯和丙烷）的含量逐漸增加。這就導致了壓縮區進料負荷、壓縮機所需有效功率均有所增大，同時返回裂解爐的循環丙烷量大量增加。

表1 進壓縮區的裂解氣的主要組成Table 1 Main compositions of cracking gas entering the compression unit

圖2為不同工況下壓縮區進料流量、壓縮機功率以及乙烯、丙烯流量變化。由圖2可知，當LPG含量為35%（w）時（工況4），壓縮機進料負荷、壓縮機所需有效功率分別增加了4.15%和7.44%。

圖2 不同工況下壓縮區進料流量、壓縮機功率以及乙烯、丙烯流量變化Fig.2 Changes in the feed flow rate，compressor power，ethylene and propylene flow rates in the compression unit under different working conditions.

2.2 冷分離區

冷分離區包括脫甲烷系統和C2分離系統。裂解氣經過冷箱換熱預冷后，再經過閃蒸分離構成脫甲烷塔的四股進料（1#，2#，3#，4#）自下而上進入脫甲烷塔不同位置。表2為不同工況下脫甲烷塔進料情況。由表2可知，隨著LPG投料比例的增加，脫甲烷塔進料中甲烷的含量逐漸上升，可知甲烷/氫的質量比逐漸上升。

表2 不同工況下脫甲烷塔進料情況Table 2 Feed condition of demethanizer under different working conditions

圖3為不同工況下脫甲烷塔和乙烯精餾塔的負荷變化。由圖3a可知，隨著LPG投料比例的增加，脫甲烷進料、塔頂冷凝負荷、塔頂高壓甲烷流量均增加；當LPG含量為35%（w）時（工況4），脫甲烷進料流量、塔頂冷負荷、塔頂高壓甲烷流量分別增加了7.85%，8.31%，10.09%。由于脫甲烷塔塔頂冷負荷增加較大，且該塔冷量品位要求較高，企業若要改變裂解原料，需要核算制冷系統冷量富裕情況。由圖3b可知，由于乙烯精餾塔進料基本為乙烯和乙烷，裂解原料中LPG增大，導致循環丙烷增大，裂解產生的乙烯和乙烷量增多，乙烯精餾塔的處理負荷增大；當LPG含量為35%（w）時（工況4），乙烯產品、塔頂冷凝器熱負荷、塔釜再沸器熱負荷分別增加了3.21%，2.89%，3.09%。

圖3 不同工況下脫甲烷塔（a）和乙烯精餾塔（b）的負荷變化Fig.3 Load change of demethanizer(a) and ethylene rectifying column(b) under different working conditions.

2.3 熱分離區

熱分離區包括脫丙烷塔和脫丁烷塔等。表3為不同工況下高壓脫丙烷塔進料組成。由表3可知，隨著LPG投料比例的增加，進料中C3的含量增加，其中丙烷含量增加較大，同時，隨著LPG投料比例的增加，丁二烯的含量逐漸降低。

表3 不同工況下高壓脫丙烷塔進料組成Table 3 Feed composition of high pressure depropanizator under different working conditions

由于脫丙烷塔進料中，在保證一定的C3回收率情況下，C3含量增加，會影響該塔的操作參數。工況2，3，4下高壓脫丙烷塔塔頂冷凝器熱負荷分別增加了3.10%，10.33%，15.16%（基于工況1，下同）；塔釜再沸器熱負荷分別增加了2.98%，10.41%，15.54%。可見，隨著LPG投料比例的增加，高壓脫丙烷塔操作負荷變化相對較大。而隨著LPG投料比例的增加，裂解產物中丙烯、丙烷的比例均有所增加，但丙烷比例增幅較大，從而導致丙烯精餾塔進料中丙烯/丙烷的比值下降，工況1，2，3，4下丙烯含量（w）分別為87.89%，85.05%，81.82%，78.50%；丙烷含量（w）分別為11.76%，14.55%，17.80%，21.19%。為了保證丙烯產品的純度，所需的回流比不斷增加，導致丙烯精餾塔的負荷迅速增加。圖4為不同工況下丙烯精餾塔負荷變化。

圖4 不同工況下丙烯精餾塔負荷變化Fig.4 Load change of propylene rectifying column under different working conditions.

由圖4可知，當LPG含量為35%（w）時（工況4），丙烯產量、塔頂冷凝器熱負荷、塔釜再沸器熱負荷分別增加了8.09%，16.56%，17.13%。由于高壓脫丙烷塔和丙烯精餾塔冷凝器、再沸器負荷變化均較大，而且丙烯、丙烷分離難度大，如果LPG增加量較大，這兩個塔的運行將成為瓶頸之一。

2.4 制冷區

乙烯裝置的制冷方式主要有丙烯制冷、二元制冷等。圖5為不同工況下制冷系統負荷變化。由圖5可知，隨著LPG投料量的增加，裂解產物中氫氣、甲烷、乙烯、丙烯的收率均有所提高，輕組分比例顯著增加，增加了制冷區的負荷。當LPG含量為35%（w）時（工況4），丙烯制冷壓縮機、二元制冷壓縮機負荷分別增加了4.55%，6.91%。

圖5 不同工況下制冷系統負荷變化Fig.5 Load change of refrigeration system under different conditions.

2.5 不同工況下的產品收率

表4為不同工況下的產品收率。圖6為不同工況下的產量變化。

圖6 不同工況下產量變化Fig.6 The change of output under different conditions.

表4 不同工況下產品收率Table 4 Product yield under different conditions

結合表4和圖6可知，隨著LPG投料比例的增加，乙烯、丙烯、雙烯、高附加值產品的收率均有所增加。當LPG含量為35%（w）時（工況4），乙烯、丙烯、雙烯的產量分別增加了3.22%，8.08%，4.75%；雙烯總收率從49.24%增加至51.58%。

3 結論

1）基于乙烯裝置順序分離工藝，研究了原料變化對乙烯分離系統的影響。在總投料量一定的情況下，隨著乙烯原料中LPG投料量的增加，乙烯原料輕質化逐步提高，產品中雙烯收率有所提高。當LPG含量為35%（w）時（工況4），乙烯、丙烯、雙烯的產量分別增加了3.22%，8.08%，4.75%；雙烯總收率從49.24%增加至51.58%。但乙烯分離系統中裂解氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機、二元制冷壓縮機的負荷分別增加了7.44%，4.55%，6.91%，脫甲烷塔、高壓脫丙烷塔、丙烯精餾塔負荷增加相對也較大，這些單元可能是制約乙烯裝置穩定運行的瓶頸所在。

2）乙烯原料的選擇和優化直接影響乙烯裝置的經濟效益。原料的裂解性能直接決定了裂解產物分布、生產成本、工藝路線的選擇等，在優化原料結構的同時，需要及時消除各單元的運行瓶頸，保持裝置穩定運行，以確保裝置效益的最大化。