乙烯装置分离全流程模拟

国内乙烯工业始于1961年，乙烯装置分离过程模拟起步于20世纪70年代，迄今已有50多年的历史。当前化工过程模拟软件已非常普及，乙烯装置分离过程模拟已取得显著成绩和跨越式发展，国内已利用它开发了多个具有自主知识产权的乙烯装置轻烃分离流程。一批乙烯装置专家、学者通过发表论文和编写专著较系统地阐述了乙烯分离技术，这适应了20世纪我国乙烯装置的科研、设计、生产和教育需要，为21世纪乙烯装置逐步国产化和乙烯工业的跨越发展打下了坚实的基础。
作者运用自己掌握的热能动力机械与装置专业的理论知识，将压缩机、涡轮机等原理联系裂解气压缩机、制冷压缩机及其汽轮机等的实际运行操作实践；运用掌握的工程热物理专业的理论知识，将化工热力学、传热传质及流体力学等理论知识联系各种分离单元操作实践。既消化掌握了乙烯装置技术，又积累了大量的乙烯装置生产运行操作经验。作者自1992年开始从事乙烯装置的技术工作，亲身经历过160kt·a-1顺序分离技术乙烯装置的建设和投产运行及230kt·a-1扩能脱瓶颈改造，1000kt·a-1前脱乙烷前加氢技术乙烯装置的建设和投产运行及1100kt·a-1扩能脱瓶颈改造，调研学习过国内大部分乙烯装置，自学了反应动力学及裂解理论知识，熟练运用PRO/Ⅱ及Aspen Plus两种化工过程模拟软件模拟研究过乙烯装置的一些分离单元操作。作者从事乙烯工艺技术工作28年来，一直致力于乙烯工艺技术的消化和创新工作，既基本消化掌握了乙烯装置技术，又积累了大量乙烯装置生产运行操作经验，特别是较深入研究掌握了顺序分离、前脱乙烷和前脱丙烷分离三种乙烯分离技术。在2010年前后开始考虑撰写本书，一直在做知识积累及国内外文献调研工作。
2000年以来，国内开始建设百万吨级乙烯装置。“十三五”期间，有1200～1500kt·a-1乙烯装置投产。作者考虑到乙烯装置规模化、大型化的趋势，以及裂解原料趋向轻质化，把本书乙烯装置规模定为1200kt·a-1，定义了重质裂解原料和轻质裂解原料两个工况，便于研究分析裂解原料的轻质化对乙烯装置运行的影响，以及不同分离技术对乙烯装置运行的影响，可为不同裂解原料乙烯装置运行、改造及其分离技术的选择提供指导。
关于一套乙烯装置的过程模拟，一般会经历四个阶段：第一是原始设计阶段，第二是开车阶段，第三是正常生产运行阶段，第四是停车阶段，后续可能会回到改造设计阶段，依此类推。本书涉及第一和第三阶段的部分内容，从乙烯装置分离过程模拟涉及的基础物性方法和模型出发，基于1200kt·a-1乙烯装置的重质裂解原料和轻质裂解原料两个模拟基础工况，用Aspen Plus V8.8模拟研究乙烯装置自汽油分馏塔系统接收裂解炉区废热锅炉出口的裂解气始至脱丁烷塔采出碳四馏分和粗裂解汽油组分止的分离流程，研究三种典型分离技术的分离过程，侧重于概括顺序分离后加氢、前脱乙烷前加氢和前脱丙烷前加氢三种分离技术的特点与差异，有利于乙烯生产者更加透彻地理解不同的乙烯分离技术，便于乙烯生产者根据特定裂解原料选择较优的分离技术。至于乙烯装置的分离技术基础理论，请读者参阅邹仁鋆、王松汉等前辈的著作，本书尽可能不重复。
本书内容共分11章。第1章简要介绍乙烯装置常用的传质分离过程；第2章主要介绍乙烯装置分离过程模拟常用的基础物性方法和模型；第3章规定本书模拟计算的基础及统一规定；第4章介绍急冷系统不同技术差异与模拟计算结果；第5章介绍裂解气压缩系统的模拟计算结果；第6章主要介绍裂解气脱除酸性气、乙炔、甲基乙炔、丙二烯和一氧化碳的模拟计算结果；第7章介绍三种不同深冷分离技术的差异与模拟计算结果；第8章介绍脱乙烷和乙烯精馏系统的三种不同分离技术差异与模拟计算结果；第9章介绍脱丙烷和丙烯精馏系统、脱丁烷及汽油系统的三种不同分离技术差异与模拟计算结果；第10章介绍给三种乙烯分离技术配套的复叠制冷系统及其模拟计算结果；第11章在模拟计算公用工程消耗的基础上比较三种分离技术的综合能耗。
提升乙烯装置分离系统全流程模拟技术水平需要大家一起努力。虽然目前乙烯装置的分离过程模拟计算已相当准确、可靠和成熟，已达到稳态模拟计算结果可直接用于乙烯装置设计的程度，并与实际运行工艺参数相符，但作者在乙烯装置分离系统全流程模拟过程中，因相关技术水平有限，影响因素较多，模拟计算结果难免存在不足，必然有一定的误差，恳请读者不吝赐教。作者会虚心接受不同意见，并不胜感激，择机在本书再版时修订。

著 者 
2021年2月于独山子

卢光明，中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司科技信息处，副处长、教授级高级工程师，著者自1987年工作以来，一直在独山子石化公司技术部门从事炼化一体化生产技术工作，主要在科技攻关、技术改造、科研开发、规划发展和发明创新等方面积累炼化专业知识，历任科技管理科科长、新产品管理科科长、技术管理科科长、副主任工程师、主任工程师、副处长。独立撰写炼化科技论文18篇，取得科技进步成果11项。在解决工艺技术难题的过程中，善于改进创新，已获得授权的发明专利3项、实用新型专利2项，其中与乙烯装置工艺技术有关的专利4项。从事乙烯工艺技术工作28年来，既消化掌握了乙烯装置技术，又积累了大量乙烯装置生产运行操作经验，特别是较深入研究掌握了顺序分离、前脱乙烷和前脱丙烷分离三种乙烯分离技术。

本书从乙烯装置分离过程模拟涉及的基础物性方法和模型出发，基于1200kt·a-1乙烯装置的重质裂解原料和轻质裂解原料两个模拟基础工况，用Aspen Plus V8.8模拟研究乙烯装置自汽油分馏塔系统接收裂解炉区废热锅炉出口的裂解气始至脱丁烷塔采出碳四馏分和粗裂解汽油组分止的分离流程。全流程模拟研究三种典型分离技术的分离过程，侧重于概括顺序分离后加氢、前脱乙烷前加氢和前脱丙烷前加氢三种分离技术的特点与差异，分析其模拟计算结果，并在模拟计算公用工程消耗的基础上比较这三种分离技术的综合能耗，有利于乙烯设计和生产者等更加透彻地理解不同的乙烯分离技术。
本书特别适用于乙烯生产单位开展乙烯分离技术培训和乙烯分离过程模拟，还适合设计单位开展乙烯装置的分离工艺包优化设计工作。可供乙烯行业设计、科研开发和生产技术人员，以及高等院校热能或化工类专业师生参考阅读。

第1章 绪论 001
1.1 概述 002
1.2 乙烯装置常用的传质分离过程 003
1.2.1 平衡分离过程 003
1.2.2 机械分离过程 007
1.2.3 速率分离过程 007
1.3 本书的主要任务和内容 007
参考文献 009

第2章 物性方法和模型 011
2.1 Aspen Plus?推荐的物性方法和模型 012
2.2 有关基本概念 013
2.2.1 理想气体 013
2.2.2 临界常数 013
2.2.3 压缩因子和偏心因子 014
2.2.4 汽液相平衡 014
2.2.5 理想溶液 015
2.3 热力学性质方法和模型 016
2.3.1 立方型状态方程 016
2.3.2 液体逸度关联式 020
2.3.3 蒸汽表 020
2.4 传递性质方法和模型 020
参考文献 021

第3章 模拟基础 022
3.1 裂解原料性质 023
3.2 裂解原料的产物分布 023
3.3 乙烯装置工况 026
3.4 裂解气参数 027
3.5 统一规定 028
参考文献 033

第4章 急冷系统 034
4.1 急冷系统的模拟 035
4.1.1 汽油分馏塔和急冷水塔系统模拟 036
4.1.2 稀释蒸汽发生系统模拟 047
4.2 物料和热量平衡 052
4.2.1 物料平衡 052
4.2.2 热量平衡 054
4.3 汽油分馏塔系统 056
4.3.1 高中温热回收 057
4.3.2 结垢和阻垢 060
4.3.3 急冷油黏度升高机理与减黏 069
4.3.4 除焦 073
4.3.5 典型案例分析 073
4.4 急冷水塔系统 076
4.4.1 低温热回收 076
4.4.2 粗裂解汽油不足 079
4.4.3 乳化与破乳 081
4.5 稀释蒸汽发生系统 082
参考文献 083

第5章 裂解气的压缩 086
5.1 热力学参数 087
5.2 主要性能参数 088
5.2.1 流量 088
5.2.2 压缩比 088
5.2.3 能量头 088
5.2.4 多变效率 089
5.3 压缩过程的模拟 089
5.3.1 工艺描述 089
5.3.2 工艺流程特点 094
5.3.3 模拟说明 095
5.3.4 模拟结果分析 095
5.4 结垢及腐蚀机理 102
5.4.1 结垢及腐蚀位置 103
5.4.2 化学机理 104
5.4.3 腐蚀 106
5.4.4 物理夹带 106
5.4.5 溶解力 107
5.5 结垢控制与防腐 107
5.5.1 注洗油 107
5.5.2 注水 109
5.5.3 注化学助剂 110
5.5.4 涂层 111
5.5.5 其它方法 112
5.6 有关工艺参数 113
5.6.1 裂解气摩尔质量 113
5.6.2 一段入口的体积流量 114
5.6.3 一段入口压力 115
5.6.4 末段出口压力 116
5.6.5 每段允许的最大出口温度 117
5.6.6 段间的压力降 117
5.6.7 其它参数 117
参考文献 118

第6章 裂解气的净化 120
6.1 酸性气体的脱除 121
6.1.1 碱洗系统的模拟 121
6.1.2 模拟结果分析 125
6.1.3 黄油生成和抑制 126
6.2 干燥 128
6.2.1 模拟说明 129
6.2.2 裂解气的干燥 129
6.2.3 裂解气凝液的干燥 130
6.2.4 碳二组分的干燥与裂解气的保护干燥 131
6.2.5 碳三组分的干燥 132
6.2.6 氢气的干燥 132
6.3 乙炔的脱除 133
6.3.1 碳二加氢反应系统的模拟 133
6.3.2 模拟结果分析 137
6.4 甲基乙炔和丙二烯的脱除 139
6.4.1 碳三加氢反应系统的模拟 139
6.4.2 模拟结果分析 142
6.5 CO的脱除 143
6.5.1 甲烷化反应系统的模拟 143
6.5.2 模拟结果分析 145
6.6 脱砷 146
参考文献 146

第7章 深冷分离系统 148
7.1 深冷分离系统的模拟 149
7.1.1 工艺描述 149
7.1.2 工艺流程特点 157
7.1.3 模拟说明 160
7.2 模拟结果分析 160
7.2.1 预冷段 160
7.2.2 脱甲烷系统 162
7.2.3 低温分离罐 165
7.2.4 冷箱 166
7.2.5 氢气与甲烷分离系统 167
7.2.6 碳二吸收系统 168
7.2.7 热集成精馏系统 169
7.3 气相乙烯产品输出量的变化 170
7.4 乙烯回收率 171
7.5 氢气回收率 172
参考文献 172

第8章 碳二精馏系统 174
8.1 脱乙烷系统的模拟 175
8.1.1 工艺描述 175
8.1.2 工艺流程特点 177
8.1.3 模拟说明 178
8.1.4 模拟结果分析 178
8.2 乙烯精馏系统的模拟 182
8.2.1 工艺描述 182
8.2.2 工艺流程特点 186
8.2.3 模拟说明 187
8.2.4 模拟结果分析 188
8.2.5 热泵的应用 190
参考文献 190

第9章 热分离系统 192
9.1 脱丙烷系统的模拟 193
9.1.1 工艺描述 193
9.1.2 工艺流程特点 196
9.1.3 模拟说明 197
9.1.4 模拟结果分析 197
9.1.5 聚合和阻聚 200
9.2 丙烯精馏系统的模拟 201
9.2.1 工艺描述 201
9.2.2 工艺流程特点 204
9.2.3 模拟说明 206
9.2.4 模拟结果分析 206
9.3 脱丁烷及汽油系统的模拟 208
9.3.1 工艺描述 208
9.3.2 工艺流程特点 210
9.3.3 模拟说明 210
9.3.4 模拟结果分析 211
9.3.5 增殖聚合和鉴别 213
参考文献 215

第10章 制冷系统 216
10.1 丙烯制冷系统的模拟 217
10.1.1 工艺描述 221
10.1.2 工艺流程特点 225
10.1.3 模拟说明 226
10.1.4 模拟结果分析 228
10.2 乙烯制冷系统的模拟 236
10.2.1 工艺描述 236
10.2.2 工艺流程特点 240
10.2.3 模拟说明 241
10.2.4 模拟结果分析 242
10.3 甲烷制冷系统的模拟 249
10.3.1 工艺描述 250
10.3.2 工艺流程特点 252
10.3.3 模拟说明 252
10.3.4 模拟结果分析 253
10.4 综合分析 256
参考文献 257

第11章 公用工程及综合能耗 259
11.1 蒸汽及其凝液系统 260
11.1.1 工艺描述 260
11.1.2 模拟说明 264
11.1.3 蒸汽平衡 265
11.1.4 凝液系统 267
11.1.5 蒸汽系统个性化 267
11.2 循环水系统 267
11.2.1 概述 267
11.2.2 循环水消耗量 269
11.3 分离系统综合能耗 270
11.3.1 电消耗量 270
11.3.2 综合能耗 270
11.4 总体评价 271
参考文献 272

附录 设备位号编制说明 273

后记 284