原料多元化对乙烯分离系统的影响

李 琰

（中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

蒸汽裂解工艺仍是我国乙烯工业的主流工艺，裂解原料的选择和优化直接关系到乙烯装置的正常运转和经济效益[1-6]。目前，我国裂解原料中，轻柴油、石脑油所占比重显著下降，加氢尾油、轻烃所占比重大幅上升。不同裂解原料通过裂解炉得到的产品收率不同。随着轻质料、优质料为主的多元化原料投入，裂解产物组成可能偏离原始设计组成，从而导致乙烯装置急冷、压缩、分离、制冷等后系统可能会面临不匹配的情况，对后续系统操作的影响也不容忽视。目前的研究集中于对裂解原料轻质化、重质化过程中裂解炉、急冷单元的装置运行情况进行分析[7-14]，对乙烯分离系统的影响开展定量分析的研究不多。

本工作基于顺序分离技术路线，采用Aspen Plus软件建立了乙烯分离系统模型。在总投料量不变、其他裂解原料进料比例固定的情况下，改变石脑油和液化气（LPG）的投料比例，研究了原料变化对乙烯分离系统的影响。

1 实验部分

1.1 乙烯分离流程

典型的乙烯分离工艺有：顺序分离技术路线、前脱丙烷分离技术路线和前脱乙烷分离技术路线[15]。图1为顺序分离流程。由图1可知，裂解气经压缩机将压力提高到约3.6 MPa，干燥脱水后进入深冷系统，经过冷箱和脱甲烷塔分离出氢气和甲烷；再将脱甲烷塔釜液混合组分按照由轻到重的次序进行分离。为了降低冷量的消耗，采用降低脱甲烷塔操作压力的技术，增加体系的相对挥发度，使脱甲烷塔冷凝器负荷降低，从而实现低压脱甲烷工艺。脱甲烷塔釜物料含有C2及以上组分，依次进入脱乙烷塔、脱丙烷塔、脱丁烷塔，从塔顶分出C2，C3，C4组分。C2，C3分别经加氢脱炔后进入乙烯精馏塔和丙烯精馏塔，精馏后得到乙烯和丙烯产品。

图1 顺序分离流程Fig.1 The sequential separation process.

1.2 乙烯裂解原料

本工作设计了一个基准工况（工况1），总投料量380 t/h，石脑油、LPG、轻石脑油、富乙烯气、富乙烷气、加氢尾油的投料量（w）分别为48.64%，8.46%，13.99%，1.72%，5.50%，21.69%。以此投料比为基准开展了全流程计算，确定了物料平衡及能耗的基准值。在总投料量（不包含循环乙烷、循环丙烷）不变、其他原料占比不变的情况下，改变石脑油和LPG的投料比例，逐渐增加LPG的含量，降低石脑油含量，研究原料变化对乙烯分离系统的影响。工况2、工况3、工况4中LPG含量（w）分别为15%，25%，35%。

2 结果与讨论

2.1 压缩区

表1为进压缩区的裂解气的主要组成。由表1可知，在总投料量不变的情况下，随着LPG投料比例的增加，裂解气中轻组分（氢气、甲烷、丙烯和丙烷）的含量逐渐增加。这就导致了压缩区进料负荷、压缩机所需有效功率均有所增大，同时返回裂解炉的循环丙烷量大量增加。

表1 进压缩区的裂解气的主要组成Table 1 Main compositions of cracking gas entering the compression unit

图2为不同工况下压缩区进料流量、压缩机功率以及乙烯、丙烯流量变化。由图2可知，当LPG含量为35%（w）时（工况4），压缩机进料负荷、压缩机所需有效功率分别增加了4.15%和7.44%。

图2 不同工况下压缩区进料流量、压缩机功率以及乙烯、丙烯流量变化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 冷分离区

冷分离区包括脱甲烷系统和C2分离系统。裂解气经过冷箱换热预冷后，再经过闪蒸分离构成脱甲烷塔的四股进料（1#，2#，3#，4#）自下而上进入脱甲烷塔不同位置。表2为不同工况下脱甲烷塔进料情况。由表2可知，随着LPG投料比例的增加，脱甲烷塔进料中甲烷的含量逐渐上升，可知甲烷/氢的质量比逐渐上升。

表2 不同工况下脱甲烷塔进料情况Table 2 Feed condition of demethanizer under different working conditions

图3为不同工况下脱甲烷塔和乙烯精馏塔的负荷变化。由图3a可知，随着LPG投料比例的增加，脱甲烷进料、塔顶冷凝负荷、塔顶高压甲烷流量均增加；当LPG含量为35%（w）时（工况4），脱甲烷进料流量、塔顶冷负荷、塔顶高压甲烷流量分别增加了7.85%，8.31%，10.09%。由于脱甲烷塔塔顶冷负荷增加较大，且该塔冷量品位要求较高，企业若要改变裂解原料，需要核算制冷系统冷量富裕情况。由图3b可知，由于乙烯精馏塔进料基本为乙烯和乙烷，裂解原料中LPG增大，导致循环丙烷增大，裂解产生的乙烯和乙烷量增多，乙烯精馏塔的处理负荷增大；当LPG含量为35%（w）时（工况4），乙烯产品、塔顶冷凝器热负荷、塔釜再沸器热负荷分别增加了3.21%，2.89%，3.09%。

图3 不同工况下脱甲烷塔（a）和乙烯精馏塔（b）的负荷变化Fig.3 Load change of demethanizer(a) and ethylene rectifying column(b) under different working conditions.

2.3 热分离区

热分离区包括脱丙烷塔和脱丁烷塔等。表3为不同工况下高压脱丙烷塔进料组成。由表3可知，随着LPG投料比例的增加，进料中C3的含量增加，其中丙烷含量增加较大，同时，随着LPG投料比例的增加，丁二烯的含量逐渐降低。

表3 不同工况下高压脱丙烷塔进料组成Table 3 Feed composition of high pressure depropanizator under different working conditions

由于脱丙烷塔进料中，在保证一定的C3回收率情况下，C3含量增加，会影响该塔的操作参数。工况2，3，4下高压脱丙烷塔塔顶冷凝器热负荷分别增加了3.10%，10.33%，15.16%（基于工况1，下同）；塔釜再沸器热负荷分别增加了2.98%，10.41%，15.54%。可见，随着LPG投料比例的增加，高压脱丙烷塔操作负荷变化相对较大。而随着LPG投料比例的增加，裂解产物中丙烯、丙烷的比例均有所增加，但丙烷比例增幅较大，从而导致丙烯精馏塔进料中丙烯/丙烷的比值下降，工况1，2，3，4下丙烯含量（w）分别为87.89%，85.05%，81.82%，78.50%；丙烷含量（w）分别为11.76%，14.55%，17.80%，21.19%。为了保证丙烯产品的纯度，所需的回流比不断增加，导致丙烯精馏塔的负荷迅速增加。图4为不同工况下丙烯精馏塔负荷变化。

图4 不同工况下丙烯精馏塔负荷变化Fig.4 Load change of propylene rectifying column under different working conditions.

由图4可知，当LPG含量为35%（w）时（工况4），丙烯产量、塔顶冷凝器热负荷、塔釜再沸器热负荷分别增加了8.09%，16.56%，17.13%。由于高压脱丙烷塔和丙烯精馏塔冷凝器、再沸器负荷变化均较大，而且丙烯、丙烷分离难度大，如果LPG增加量较大，这两个塔的运行将成为瓶颈之一。

2.4 制冷区

乙烯装置的制冷方式主要有丙烯制冷、二元制冷等。图5为不同工况下制冷系统负荷变化。由图5可知，随着LPG投料量的增加，裂解产物中氢气、甲烷、乙烯、丙烯的收率均有所提高，轻组分比例显著增加，增加了制冷区的负荷。当LPG含量为35%（w）时（工况4），丙烯制冷压缩机、二元制冷压缩机负荷分别增加了4.55%，6.91%。

图5 不同工况下制冷系统负荷变化Fig.5 Load change of refrigeration system under different conditions.

2.5 不同工况下的产品收率

表4为不同工况下的产品收率。图6为不同工况下的产量变化。

图6 不同工况下产量变化Fig.6 The change of output under different conditions.

表4 不同工况下产品收率Table 4 Product yield under different conditions

结合表4和图6可知，随着LPG投料比例的增加，乙烯、丙烯、双烯、高附加值产品的收率均有所增加。当LPG含量为35%（w）时（工况4），乙烯、丙烯、双烯的产量分别增加了3.22%，8.08%，4.75%；双烯总收率从49.24%增加至51.58%。

3 结论

1）基于乙烯装置顺序分离工艺，研究了原料变化对乙烯分离系统的影响。在总投料量一定的情况下，随着乙烯原料中LPG投料量的增加，乙烯原料轻质化逐步提高，产品中双烯收率有所提高。当LPG含量为35%（w）时（工况4），乙烯、丙烯、双烯的产量分别增加了3.22%，8.08%，4.75%；双烯总收率从49.24%增加至51.58%。但乙烯分离系统中裂解气压缩机、丙烯制冷压缩机、二元制冷压缩机的负荷分别增加了7.44%，4.55%，6.91%，脱甲烷塔、高压脱丙烷塔、丙烯精馏塔负荷增加相对也较大，这些单元可能是制约乙烯装置稳定运行的瓶颈所在。

2）乙烯原料的选择和优化直接影响乙烯装置的经济效益。原料的裂解性能直接决定了裂解产物分布、生产成本、工艺路线的选择等，在优化原料结构的同时，需要及时消除各单元的运行瓶颈，保持装置稳定运行，以确保装置效益的最大化。