乙烷原料制乙烯分离流程乙烷塔模拟研究

于晨

（惠生工程（中国）有限公司北京设计中心，北京 100102）

1 概述

乙烯作为重要的石油化学工业基础原料，天然气加工过程中得到的碳二以上烷烃及原油加工中得到的石脑油、柴油、加氢裂化尾油等都是乙烯生产的良好原料。其中轻质烷烃由于乙烯收率高，同乙烯产量原料消耗少、副产品少、投资低、能耗低，被认为是最理想的乙烯裂解原料。[1]

自2000 年，美国的页岩气开发飞速发展。我国页岩气储量也十分丰富，且我国页岩气开发大幕也已经拉开。页岩气中分离出的乙烷是优质的乙烯裂解原料，因此，页岩气开发的蓬勃发展将为乙烯工业提供大量廉价优质的裂解原料。[2，3]

乙烯装置的分离流程可分为顺序分离流程、前脱乙烷流程和前脱丙烷流程。一般观点认为前脱丙烷流程和顺序分离流程适用于裂解原料较重的乙烯装置，而前脱乙烷装置适用于裂解原料较轻的乙烯装置。[4]

前脱乙烷技术是指对裂解气物流进行精馏分离的第一顺序塔为脱乙烷塔，首先将裂解气中C2 及更轻的组分与C3 及更重的组分分离。为解决低压塔，塔顶温度低，对冷剂级别要求高；高压塔塔釜温度高易结焦的矛盾，工业上乙烯装置第一顺序塔常采用双塔分离流程。[5]但以乙烷为原料得到的裂解气中，由于C3 及以上的组分含量过小(5.44wt%)，低压塔进料量过小。本文将对100 万吨/年乙烷裂解制乙烯装置，双塔脱乙烷流程及单塔脱乙烷流程进行模拟对比。

2 流程描述

2.1 双塔脱乙烷流程

双塔脱乙烷流程见图1。在双塔脱乙烷流程中，裂解气经压缩机压缩至20.15kg/cm2g，后经水冷后进行气液分离，液相返回压缩机四段吸入罐，气相加热至50℃后进入碱洗塔除去酸性气体。碱洗塔顶裂解气继续被压缩压缩至37.10kg/cm2g，后经循环水和丙烯冷剂冷却至15℃后进行气液分离，液相返回压缩机四段排出罐，气相送入干燥器。干燥后的气相经丙烯冷剂冷却后送入高压脱乙烷塔。高压脱乙烷塔顶气经乙炔加氢反应器出料及低压蒸汽加热后送入乙炔加氢反应器，乙炔加氢反应器出料经循环水及乙炔加氢反应器进料冷却后送入深冷分离系统。高压脱乙烷塔釜液相送入低压脱乙烷塔。低压脱乙烷塔顶气相循环回裂解气压缩机四段，塔釜液相送入热分离区。

图1 双塔脱乙烷流程

2.2 单塔脱乙烷流程

对于单塔脱乙烷流程，提出下述两方案：

2.2.1 塔顶气直接冷凝单塔脱乙烷流程。塔顶使用乙烯冷剂的单塔脱乙烷流程见图2。在塔顶采用乙烯冷剂的单塔脱乙烷流程中，裂解气经压缩机压缩至21.15kg/cm2g，后经水冷后进行气液分离，液相返回裂解气压缩机四段吸入罐，气相加热至50℃后进入碱洗塔除去酸性气体。脱除酸性气体后，经循环水和丙烯冷剂冷却至15℃后进行气液分离，液相返回压缩机四段排出罐，气相送入干燥器，干燥后的气相经丙烯冷剂冷却后送入脱乙烷塔。脱乙烷塔顶气与乙炔加氢反应器出料换热后继续被压缩至34.00kg/cm2g，后经水冷至乙炔加氢反应温度后，送入乙炔加氢反应器，乙炔加氢反应器出料经水冷及裂解气压缩机五段进料冷却后，送入深冷分离系统。脱乙烷塔釜液送入热分离区。

图2 单塔脱乙烷乙烯冷剂流程

2.2.2 塔顶气压缩后冷凝单塔脱乙烷流程。塔顶气经压缩后冷凝的单塔脱乙烷流程见图3。裂解气经压缩机压缩至21.15kg/cm2g，后经水冷后进行气液分离，液相返回裂解气压缩机四段吸入罐，气相加热至50℃后进入碱洗塔除去酸性气体。脱除酸性气体后，裂解气经循环水和丙烯冷剂冷却至15℃后进行气液分离，液相返回压缩机四段排出罐，气相送入干燥器，干燥后的气相经丙烯冷剂冷却后送入脱乙烷塔。塔顶气与裂解气压缩机五段出料换热后继续被压缩至35.54kg/cm2g。裂解气压缩机五段出料先后与循环水，脱乙烷塔回流罐顶气，裂解气压缩机五段进料及丙烯冷剂换热后，进入脱乙烷塔回流罐。回流罐液相作为脱乙烷塔回流，经减压后送回脱乙烷塔，回流罐顶气相先后与裂解气压缩机五段出料，乙炔加氢反应器出料换热，换热后用低压蒸汽加热至乙炔加氢反应温度后送入乙炔加氢反应器，反应器出料经水冷和乙炔加氢反应器进料冷却后，送入深冷分离系统。脱乙烷塔釜液送入热分离区。

图3 单塔脱乙烷压缩后冷凝流程

3 模拟结果分析

三种工况下裂解气压缩机五段及脱乙烷塔主要操作参数见表1。

表1 不同脱乙烷塔方案裂解气压缩机及脱乙烷塔操作参数

由表1 可以看出，单塔脱乙烷流程与双塔脱乙烷流程相比，裂解气四段压缩机压缩比有所增加，裂解气五段压缩机压缩比有所减小。与双塔脱乙烷流程相比，单塔脱乙烷流程中需要由冷剂提供的冷凝负荷略低。三种工况下裂解气压缩机总功率，丙烯机功率及乙烯机功率总结见表2。

由表2 可以看出，对于裂解气压缩机功率，塔顶采用乙烯冷剂的单塔脱乙烷流程裂解气压缩机的功率有所下降，这是由于采用乙烯冷剂的单塔脱乙烷流程中，C3 及以上馏分不进入裂解气五段压缩机，同时，五段压缩机压缩比有所减小，入口温度较低，导致了裂解气五段压缩机功率有了相当程度的下降。即使裂解气压缩机四段压缩比有所上升，总体来看，采用乙烯冷剂的单塔脱乙烷流程中，裂解气压缩机的功率相对双塔脱乙烷流程稍微有所下降。但在压缩后冷凝的单塔脱乙烷流程中，进入裂解气五段压缩机的气体包括脱乙烷塔的回流，虽然五段压缩比有所下降，但五段功率下降不大，同时四段压缩比上升，总体上看，压缩后冷凝的单塔脱乙烷流程裂解气压缩机总功率较双塔脱乙烷流程增加了3.6%。

表2 不同脱乙烷塔方案三机功耗统计

对于制冷系统压缩机功率，采用乙烯冷剂的单塔脱乙烷流程，由于塔顶需采用乙烯冷剂，丙烯机功率增加7.6%，乙烯机功率增加19.1%。在压缩后冷凝的单塔脱乙烷流程中，由于冷量的回收利用，同时无低压塔丙烯冷剂用量，丙烯机功率较双塔脱乙烷流程下降了3.9%。由于乙烯冷剂用户无变化，乙烯机功率基本不变。

综合三机总功率，采用乙烯冷剂的单塔脱乙烷流程虽然降低了裂解气压缩机的功率，但增加了乙烯机和丙烯机的功率，三机总功率较双塔脱乙烷流程增加了6%。采用压缩后冷凝的单塔脱乙烷流程虽然增加了裂解气压缩机的功率，但丙烯机的功率有所下降，三机总功率较双塔脱乙烷流程增加了1%。

4 结论

综上所述，采用单塔脱乙烷流程在操作投资上并无优势。从设备角度来讲，由于单塔脱乙烷流程裂解气干燥设置在了裂解气压缩机四段后，将导致进入干燥器的体积流量增加，增加了干燥器的体积，但减少一台塔器将相应减少再沸器，冷凝器及回流罐等设备。因此，采用单塔脱乙烷流程在减小设备投资及占地方面小有优势。