乙烯装置简介和重点部位及设备

　　一、装置简介

　　(一)装置发展及其类型

　　1．装置发展

　　乙烯是石油化工的重要基础原料，乙烯装置是石油化工生产有机原料的基础，是石油化工的龙头，它的规模、产量、技术，标志着一个国家的石油化学工业的发展水平。乙烯生产装置起源于1940年，美孚公司建成了第一套以炼厂气为原料的乙烯生产装置，开创了以乙烯装置为中心的石油化工历史。50年代，德国、日本、英国、前苏联、意大利等国家相继建立了石油化工企业。

　　1960年世界乙烯产量为2910kt，1970年为19760kt，1980年达到34020kt，1990年为56300kt，到1997年世界乙烯生产能力接近86900kt，产量达78500kt。目前世界上乙烯生产的主要技术是管式炉蒸汽热裂解和深冷分离流程。

　　我国第一套乙烯装置是1962年兰州化学工业公司合成橡胶厂5．25kt／a的乙烯生产装置，以炼厂气为原料，采用方箱管式裂解炉，油吸收法分离，生产化学级乙烯。1962年底由我国自行建设了高桥化工厂2．0kt／a乙烯装置，1964年试车成功。70年代，我国先后从国外引进了一批技术先进、规模较大的乙烯装置，分别建成了燕山、大庆、齐鲁、扬子、金山等年产300kt／a的乙烯装置。特别是近几年来，全国乙烯行业有了飞跃性的发展，原有老装置经过配套平衡、技术改进，生产能力进一步发挥，2004年我国乙烯生产能力已达到6266kt。随乙烯工业的迅速发展，原料种类和加工工艺均有了巨大的变化。根据地域和资源的不同，原料分布从乙烷、丙烷、天然气、石脑油到柴油甚至到HAGO、HVAO和常三减一线油和蜡下油等。加TI．艺有管式炉裂解制乙烯、甲醇制乙烯、甲烷制乙烯、催化裂解和由合成气制乙烯等方法。其中以管式炉裂解制乙烯工艺最为成熟，世界乙烯产量的99％左右均由管式炉裂解法生产。

　　2．装置的主要类型

　　乙烯装置主要由裂解和分离两部分组成。管式裂解法可以分为鲁姆斯裂解法、斯通—韦伯斯特裂解法、凯洛格裂解法、三菱油化裂解法、福斯特—惠勒裂解法和西拉斯裂解法等。分离部分根据分离形式可以分为顺序分离法、前端脱乙烷、前端脱丙烷和渐进分离流程。

　　典型分离流程比较见表3—1。

　　(二)装置的单元组成与工艺流程

　　1．组成单元

　　乙烯装置的基本组成单元为：裂解炉单元、急冷单元、裂解气压缩单元、深冷分离单元、脱甲烷单元、脱乙烷与乙烯精制单元、乙烯产品外送单元、脱丙烷与丙烯精制单元、脱丁烷单元、脱戊烷单元、火炬单元、制冷压缩单元和污水处理单元。各单元作用介绍如下：

　　(1)裂解炉单元

　　原料油与稀释蒸汽按比例混合，进入裂解炉发生高温断链反应，生成氢气、甲烷、乙烯丙烯、碳四等目的产物，同时副产超高压蒸汽。此单元属高温单元。

　　(2)急冷单元

　　裂解气在此单元先后经油洗、水洗，温度降低至40℃，同时将较重组分如渣油、重汽油分离出来。

　　(3)裂解气压缩单元

　　利用超高压蒸汽作动力驱动汽轮机将裂解气升压，分离其中较重组成，减少进入冷箱系统的物料量，同时将裂解过程中产生的酸性气体用碱中和脱除。过程中产生废碱、含硫污水。

　　(4)深冷分离单元

　　将压缩后的裂解气干燥后，依次降温最终达到氢气的分离。利用镍基催化剂将氢气中的杂质脱除。

　　(5)脱甲烷单元

　　进行甲烷与碳二以上组分的切割。

　　(6)脱乙烷与乙烯精馏单元

　　进行碳二与碳三以上组分的切割，并将碳二在钯系催化剂作用下选择加氢，使乙炔加氢生成乙烯，分离乙烯与乙烷，乙烷循环裂解。

　　(7)乙烯产品外送单元

　　进行乙烯储存和汽化外送，为下游装置提供不同压力等级的气相乙烯。

　　(8)脱丙烷与丙烯精制单元

　　进行碳三与碳四以上组分的切割，并将碳三在催化剂作用下选择加氢，使MAPD加氢生成丙烯，分离丙烯与丙烷，丙烯送下游加工，丙烷循环裂解或外送。

　　(9)脱丁烷单元

　　进行碳四与碳五以上组分的切割。

　　(10)脱戊烷单元

　　将碳五与汽油分离，碳五送制苯抽提。

　　(11)火炬单元

　　提供可燃气体安全排放燃烧或回收，是事故状态下的安全防护措施。

　　(12)制冷单元

　　为裂解气顺序分离提供不同等级的冷剂，是乙烯装置的心脏部位。

　　(13)污水处理单元

　　预处理装置产生的废碱等污水，间断处理，有H₂S等剧毒物料。

　　2．工艺流程

　　从界区外来的HGO、石脑油、加氢尾油原料分别储存在进料罐，原料经过泵加压后，用急冷水预热送至裂解炉。经预热后裂解原料进入裂解炉对流段原料预热段预热后与稀释蒸汽按比例混合后，经裂解炉混合预热段预热至起始反应温度(即横跨温度)，进入裂解炉辐射段进行裂解。裂解气先进入废热锅炉尽快冷却以防止二次反应的发生，并回收裂解气的显热，然后进入急冷器用急冷油进一步冷却后送人汽油分馏塔。

　　裂解气在汽油分馏塔中用循环急冷油进一步冷却，重组分通过塔釜采出作为裂解燃料油(PF0)产品，较轻的组分通过侧线采出作为裂解柴油(PGO)产品，裂解汽油和更轻的组分在塔顶以汽相采出。急冷油带走的热量经过稀释蒸汽发生系统、工艺水汽提塔再沸器、对去工艺水汽提塔及稀释蒸汽发生器的工艺水加热进行回收。

　　急冷水塔塔顶汽相经带有段间冷却和分离的五段裂解气压缩机压缩。裂解气压缩机五段出口裂解气经冷却水、丙烯冷剂和脱乙烷塔进料激冷后进入裂解气干燥器。过程中分离的汽油送出界区，凝液汽提塔釜出料送至脱丙烷系统。在三段和四段之间，裂解气经过碱洗除去H₂S和C0₂。

　　裂解气经过脱水干燥，进入冷箱，依次经丙烯冷剂、乙烯冷剂、甲烷节流降温冷凝分离，最终气相降温至—165℃从低压甲烷中分离出氢气，氢气经甲烷化精制后提供给乙炔、丙炔加氢用。

　　低压脱甲烷塔接收深冷分离单元来的各股液体进料，塔顶用二元冷剂部分冷凝，分离出的高压甲烷产品在冷箱中回收冷量后去再生气、燃料气系统，中压甲烷产品去燃料气系统。塔釜物料经塔釜泵加压后依次经回收冷量至作为脱乙烷塔进料。塔釜再沸器用—37℃裂解气和二元冷剂作为热源。

　　脱乙烷塔进行碳二与碳三以上组分的切割分离。塔釜再沸器采用来至急冷水塔的急冷水加热，釜液经冷却水换热器和脱砷反应器去高压脱丙烷塔，塔顶气体经—24℃丙烯冷剂部分冷凝，气体去乙炔转化器。加氢后的碳二馏分中乙炔浓度要求小于5X10^—6。加氢后的气体经冷却后经绿油吸收塔、乙烯干燥器进入乙烯精馏塔，由侧线采出液态乙烯产品送人乙烯产品贮罐，塔釜乙烷循环裂解。

　　乙烯产品经乙烯泵送出，用气体丙烯加热蒸发、液体丙烯过热，然后以30℃、1。8MPa(表)的气相产品送出界区。

　　脱丙烷塔系统采用双塔脱丙烷，一个带CDHYDBO加氢催化剂的高压脱丙烷塔和一个低压脱丙烷塔组成。首先经过碳三脱砷保护床脱除砷。而后用干燥后的氢气进入在塔上部的催化剂床层中与碳三中的MAPD反应，将甲基乙炔和丙二烯加氢为丙烯。将碳三馏分精制分离，聚合级丙烯产品液相送出，丙烷循环裂解或作为液化气外送。低压塔釜将碳四以上馏分送至脱丁烷塔。

　　脱丁烷塔系统采用两个并联的塔操作，塔顶物料一部分作回流，一部分作为碳四产品送出界区。塔釜物料一部分去脱戊烷塔，另一部分直接作为裂解汽油送出界区。脱丁烷塔塔釜来的物料进入脱戊烷塔，塔顶气相经冷凝后作为碳五产品送出界区。塔釜液则作为裂解汽油送至界区。

　　火炬系统分为第一火炬系统、第二火炬系统和火炬气回收系统。用以将正常时的低压甲烷排放和无组织泄漏物安全燃烧，并将工艺紊乱时的安全排放燃烧。火炬头上有三股中压蒸汽，其目的是为了保护火炬头，消烟和助燃。在装置操作稳定，提高排放系统的压力，投用火炬气回收压缩机，回收火炬气人燃料气系统。

　　制冷压缩机由丙烯制冷压缩机、乙烯制冷压缩机和二元制冷压缩机构成，其中乙烯机和丙烯机构成复叠式制冷，为分离过程中裂解气等提供多种等级的冷剂。本单元是乙烯装置的心脏，一旦停车，系统无法正常运行。

　　将裂解气压缩单元中碱洗的废碱和含硫污水利用二氧化碳中和处理，使之合格排放，减少环境污染。

　　(三)化学反应过程

　　1．乙烯装置反应类型

　　乙烯装置的反应包括几个部分：高温热裂解、甲烷化、炔烃加氢、碱洗等。

　　(1)烃的裂解反应

　　裂解原料的组成有的比较简单，但多数是各种烃的复杂混合物，各种烃在高温裂解的条

　　件下又能发生多种反应，因此说裂解反应过程是相当复杂的。

　　①正烷烃的裂解反应

　　其裂解反应主要进行的是脱氢反应和断链反应。

　　a．脱氢反应：是指C—H键断裂反应，产物分子中碳原子数不变。

　　反应通式：

　　b．断链反应：

　　反应通式：

　　②异构烷烃的裂解反应

　　各种异构烷烃由于结构各异，其裂解反应没有简单规则可循。

　　a．异丁烷：主要是通过断链反应或脱氢反应获得少一个或同碳原子的烯烃。

　　b．新戊烷(2，2—二甲基丙烷)：主要是通过断链反应获得少一个碳原子的烯烃。

　　c．2，3—甲基丁烷：主要是通过断链反应获得少一个碳原子的烯烃。

　　以上几种异烷烃其分子结构是对称的，反应较简单，如分子结构不对称，则反应要复杂

　　些，在此不在叙述。

　　③烯烃的裂解反应

　　烯烃的裂解反应可分为以下几种情况。

　　a．断链反应：较大分子的烯烃可以断链为两个较小分子的烯烃。

　　反应通式：

　　式中，n=i+m

　　由于烯烃分子中有双键存在，因此断链主要发生在双键β位置的C—C键上。

　　b．脱氢反应：烯烃进一步脱氢生成二烯烃或炔烃。

　　c．岐化反应：两分子的同一烯烃可岐化为两个不同的烃分子。

　　d．二烯合成反应：二烯烃与烯烃进行二烯合成而成环烯烃，进一步脱氢成芳烃。

　　e．芳构化反应：六个或更多碳原子的烯烃，可以发生芳构化反应生成芳烃。

　　总之，烯烃的反应的特点是即有由大分子烯烃生成乙烯、丙烯的反应，又有乙烯、丙烯进一步消失的反应。

　　④环烷烃的裂解反应

　　环烷烃的裂解反应可分解反应和脱氢反应(及断键、断链反应)。。

　　⑤芳烃的裂解反应

　　由于芳环的稳定性，芳烃在裂解过程中不易发生裂开芳核的反应，而能发生下列反应：

　　烷基芳烃的断碳键反应和脱氢反应。

　　a．芳烃的侧链脱烷基或断键生成烯烃。

　　反应通式：

　　式中Ar——芳基；n=i+m

　　芳烃的侧链脱氢生成烯基芳烃。

　　反应通式：

　　b．环烷基芳烃的反应。

　　(a)脱氢和异构脱氢；

　　(b)缩合脱氢。

　　c．芳烃的缩合反应。

　　无烷基和无环烷基的芳烃在反应中，芳环并不裂开而是经缩合而成多环芳烃，同时脱出氢，且分子量增大。

　　芳烃由于其分子结构中芳环的稳定性，在裂解温度下不易发生裂开芳环的反应，主要发生两类反应，一是烷基芳烃的侧链发生断碳键反应和脱氢反应，另是芳烃的缩合反应而使产物芳烃分子中的芳环增多、分子量增大，直到生成焦油甚至结焦。

　　原料烃在裂解过程中所发生的反应是复杂的，一种烃可以平行的发生很多种反应，又可以连串地发生许多后继反应。所以说裂解反应是一个平行反应和连串反应交叉的反应系统。在原料烃分子在裂解过程中生成目的产物乙烯、丙烯的反应称为一次反应；而乙烯、丙烯消失，生成分子量较大的液体产物以致结焦生成碳的反应称为二次反应。一次反应指向目的产物，而二次反应则反向进行，因此需要抑制二次反应的发生。

　　(2)甲烷化反应

　　(3)炔烃加氢反应

　　

 　　反应温度过高时，有利于上述副反应的发生。

　　(4)碱洗反应

　　鲁姆斯碱洗法是用NaOH溶液洗涤裂解气，在洗涤过程中NaOH与裂解气中的酸性气体发生化学反应，生成的碳酸盐和硫化物溶于废碱液中，方程式如下：

　　2．乙烯装置反应的特点：

　　(1)烃类热裂解的特点是高温、低烃分压、短停留，以取得更高的目的产物，减少副反应的二次反应产品，影响裂解炉的运行周期。同时裂解温度的控制又是根据不同原料、不同的乙烯丙烯比而定的。

　　(2)烃类加氢的特点是物料在催化剂床层经过，被催化剂选择吸附，发生反应后向外扩散。反应应有起始温度，温度越高活性越强，但选择性下降，此反应属放热反应。

　　(四)主要操作条件及工艺技术特点

　　1．主要工艺操作条件

　　因选择不同的裂解和分离工艺且原料品质等不尽相同，工艺条件皆有所不同，表3—2中列出顺序分离的主要工艺操作条件。

 

 　　2．工艺技术特点

　　工艺技术路线采用管式炉蒸汽裂解、顺序分离流程，压缩机采用电子调速器控制，裂解炉采用KTl6X10⁴t／a的GK—V型裂解炉、中石化和LUMMUS合作开发的10X10⁴t／a裂解炉(SL—I型)、CBL—Ⅲ6X10⁴t／a的裂解炉、SRT—Ⅳ—HC型6X10⁴t／a的裂解炉。在世界乙烯工业中首次采用了二元制冷和催化精馏脱除MAPD技术，在裂解气压缩机上采用了注水工艺替代注油防垢，在制冷压缩机上采用了干气密封技术。

　　(五)催化剂和助剂

　　1．催化剂

　　乙烯装置的催化剂有碳二加氢催化剂、甲烷化催化剂、碳三加氢催化剂，还有脱砷保护床用的脱砷剂。其中碳二加氢催化剂可以再生，其余均不可再生。碳二加氢催化剂以前采用高活性催化剂，操作稳定，选择性差，不经济，后采用高选择性催化剂，周期一般为8—14个月。催化剂规格如表3—3所示。

　　2。助剂

　　乙烯装置根据各自的工艺路线，各自的原料性质，选择不同的助剂，来避免生产过程中的不利因素。有急冷油减黏剂、黄油抑制剂、缓蚀剂、结焦抑制剂、阻聚剂等。见表3—4。

　　(六)原料及产品性质

　　1．原料

　　各乙烯装置使用的原料各不相同，现将一般使用的原材料主要性质汇总如表3—5。

　　2．产品

　　乙烯装置一般产品规格如表3—6所示。

  　　二、重点部位及设备

　　从装置的平稳生产和安全角度进行分类：

　　(一)重点部位

　　1．裂解炉区

　　裂解炉是乙烯装置的日常管理重点，其运行情况直接反映一个装置的负荷。包括裂解炉、燃料供应、废热回收设备、引风机、开工锅炉等。裂解炉是乙烯装置的关键设备。该设备运行的正常与否直接影响乙烯装置的物耗、能耗的高低和“安全、稳定、长周期”运行情况。该部位为明火区域，有着高温高压、易燃易爆等危险。若出现炉管堵塞、破裂等虽不至于装置停工，但影响装置负荷。

　　2．压缩区

　　压缩机是装置的心脏，负责裂解气的压缩或给分离系统提供冷量。因此无论压缩机本身还是其附属的油系统、蒸汽系统、密封系统故障，将直接造成装置的全面停工。并且如果由于压缩机本身部件故障，需倒空、置换，开盖检修，时间较长，影响较大。

　　3．分离系统

　　(1)急冷区

　　汽油分馏塔易出现急冷油黏度大，系统循环不良，停车倒空困难，尤其是冬季，如果在黏度较高时期停车处理，需要费大量的时间，且开车困难。

　　(2)冷区、热区

　　精馏塔是分离系统的主体，直接影响产品质量。有碳四存在的热区各塔易出现聚合物堵塞塔盘，严重时需局部停车处理。冷区系统有严格的水含量要求，超标易水合冻堵。一旦以上情况出现或管线阀门泄漏都将造成停车，严重时可能发生火灾爆炸事故，损坏设备、电缆等。

　　(3)废碱处理系统

　　该系统间断处理，可以随时停车，一般不致影响装置运行。但系统中存在大量的H2S等有毒物品，一旦泄漏可能造成的安全影响和社会影响较大，并且碱有强腐蚀性，此处管线、部件易腐蚀泄漏，应加以注意防范。

　　(4)乙烯球罐区

　　乙烯球罐是乙烯装置应重点防范的部位，日常操作不多，但由于每个球罐均存储了大量的乙烯，且其与系统相连的阀门管线常年无法检修，所以一旦出现泄漏或其他火灾爆炸事故，则势必威胁到其他各罐，后果严重。

　　(5)火炬系统

　　火炬系统在乙烯及其他装置正常运行期间，排放燃烧无组织泄漏的可燃物料，达到合格排放。一旦系统故障，大量物料需要及时排放燃烧，否则将会超压泄漏至装置区内，引起更大的事故。必须保持火炬常明线长期处于燃烧状态或自动点火系统处于受控状态，否则一旦问题出现，无法控制。火炬系统属低压系统，不能憋压。排放物料时应缓慢，并应防止大量碳五进入火炬总管，以防火炬下“火雨”。应经常检查火炬总管上的集液槽液面和水封罐冷凝的油要及时回收，以防总管憋压和火炬下“火雨”。

　　(二)重点设备

　　乙烯装置由于流程复杂，设备量巨大，仅选取最重点的设备说明。乙烯装置的重点设备应为压缩机、加氢反应器、乙烯球罐、冷箱。此外，还有许多切断阀，这些阀门出现问题也会造成装置停车，动作失误还会引起恶性事故发生。

　　1．压缩机

　　乙烯装置有裂解气压缩机、丙烯压缩机、乙烯压缩机、二元制冷压缩机。

　　(1)裂解气压缩机

　　裂解气压缩机将裂解气升压，以达到分离各组分需要的条件。一般功率较大，采用超高压蒸汽驱动汽轮机带动压缩机，如出现故障停机，则后系统进料停止，冷区系统全面停车。系统中存在碱洗过程，一旦泄漏会有H2S泄放大气中，有爆炸的可能，还应注意防止中毒。

　　(2)丙烯压缩机

　　丙烯压缩机为分离系统提供基础冷剂，与乙烯压缩机、二元制冷压缩机形成复迭制冷系统。它的故障停车，将直接造成乙烯压缩机、二元制冷压缩机的停车，分离系统无冷剂，物料无法降温，系统全面停车。

　　(3)乙烯压缩机

　　乙烯压缩机停车，将直接造成二元制冷压缩机的停车，分离系统缺乏—55℃以下冷剂，氢气分离不好，甲烷化停工，加氢无氢气，无合格乙烯产出，停车。

　　(4)二元制冷压缩机

　　二元制冷压缩机停车，短时间低负荷下可以维持系统继续运转，保证氢气合格，系统不至于停车。如停工，则必须及时将装置负荷降至60％以下，时间过长，高压甲烷中乙烯含量严重超标，影响干燥剂的使用寿命，另外负荷过低，干燥器再生用甲烷量不足，再生效果差。

　　2．加氢反应器

　　乙烯装置中有碳二、碳三两种加氢反应器。碳二加氢反应器如果催化剂中毒失活或运行后期，将影响乙烯产品质量，大量不合格乙烯无处存放。由于加氢反应为放热反应，操作不当易造成飞温，严重时会烧坏设备、管线，发生火灾爆炸等恶性事故。碳三加氢不开，靠丙烯精馏塔精馏也可以维持产品质量，但是如果MAPD积聚量超高，则会发生爆炸事故。加氢反应器必须严格控制重烃的带入，以防结焦而使催化剂失活，要特别注意氢气的泄漏问题，氢气外漏着火火焰为淡蓝色不易被发现。

　　3。阀门

　　裂解炉的燃料、原料切断阀和各系统的加热热源控制阀、压缩机的最小流量返回阀、喷淋阀等均采用气动阀控制，在联锁动作时，要么严密切断，要么全开保护设备安全。是装置安全保护的重点设备。

　　4，冷箱

　　冷箱是多元物料的特殊换热器，各物料之间温差大，压力等级各不相同。由于干燥器处；理效果不好或干燥剂粉化，水或杂物易在此处造成冻堵，系统造成停车。由于是板翅式换热：器，处理困难。处理不当，物料易泄漏，一方面换热器为多台联合，存储了大量的可燃物料，另一方面由于多元物料使流程复杂，泄漏发生后不易切断，后果严重。