由图1-43和图1-44都可以明显看出:增大压力(操作温度一定)或者降低温度(操作压力一定)都有利于减少尾气中乙烯的损失,从理论上好像非常容易解决,只要降低温度或者增加压力都可以减少尾气中乙烯的损失,还实际上,事情并不是这么简单,增大压力和降低温度都有一定的限度。 升高压力要受到以下因素的限制: (1)压力增大,能降低甲烷与乙烯的相对挥发度(见图1-37,P75),相对挥发度减小以后,分离变的非常困难,要达到同样的分离效果,就需要增加塔板数或者增加回流比,因此要增加基建投资或者多消耗冷量。 (2)压力增大,使甲烷难于从塔底液体中蒸出。由图1-37(P75)可以看出,塔底的甲烷与乙烯的相对挥发度 以塔顶的要小一些,因此增大操作压力,塔底的甲烷与乙烯的相对挥发度过小,要保证甲烷由他迪充分蒸出来就非常困难。
因此增加操作压力要受到以上两种因素的限制,不能过分增加压力,一般当压力大于4.0~4.5MPa的时候,就逐渐接近塔底
组份的临界压力和临界温度,气液两相浓度相差很小,更难于进行分离。
降低操作温度要受到以下因素的限制: 操作温度越低,尾气中乙烯损失就越少。但是塔顶温度首先受到制冷剂水平的限制,用乙烯做制冷剂时,为了保证它的安全操作,其最低蒸发温度为-101摄氏度,考虑到传热设备的效率和传热温差,制冷温度约为-95摄氏度,比蒸发温度低15摄氏度左右。如果要求更低的制冷温度,则需要用甲烷作制冷剂,这样要增加一套甲烷制冷设备,不仅增加了投资,而且,流程和操作也都复杂化。因此,用高压法是一般都采用乙烯作制冷剂,这时,脱甲烷塔塔顶温度为-90摄氏度~-96摄氏度,在这个温度下,乙烯的损失是难以避免的,也就是说,肯定要损失一定量的乙烯。
因此降低操作温度要受到制冷剂水平的限制。
综上所述,在一定量的条件下:
a)原料气中C1/H2摩尔比值越大,乙烯在尾气中的损失越少;
b)操作压力越高,乙烯的损失就越小,但是它受到设备材质和塔底组份的临界压力的限制;
c)塔顶温度越低,乙烯在尾气中的损失越小,但是它受到制冷剂温度水平的限制。
这三者的关系已由图1-44(P79)表明了。
(二)利用冷箱提高乙烯回收率
由图1-42(P78)的物料平衡数据可以看出,脱甲烷塔塔顶出来气体中除了甲烷、氢气之外,还含有乙烯。为了减少乙烯的损失,除了用乙烯制冷剂以外,还将脱甲烷塔塔顶出来的高压气体通过节流膨胀阀进行节流制冷,这就是冷箱部分的功能。从物料平衡图上可以看出,如果没有冷箱,塔顶尾气中的乙烯差不多要损失。图中表明,没有冷箱时乙烯损失量为4.47%,有冷箱时乙烯损失量为2.25%。
冷箱是在-100摄氏度~-160摄氏度下操作的低温设备。由于冷箱温度低,非常容易散冷,用绝热材料把高效板式换热器和气液
分离器,还有节流膨胀阀等设备都放在一个箱子里,这就是冷箱,它的原理是用节流膨胀阀来获得低温,它的用途是依靠低温来回收乙烯,制取富含氢气和富含甲烷的馏分。
由于冷箱在流程中的位置不同,可分为前冷和后冷两种流程,后冷流程是冷箱放在脱甲烷塔之后来处理塔顶气体;前冷是冷箱放在脱甲烷塔之前来处理脱甲烷塔的进料。前冷流程后冷流程各有特点。 1.后冷:
图1-45(P80)是后冷流程示意图。 经过预处理以后的裂解气,进入脱甲烷塔(设备号为1)进行分离,脱甲烷塔塔顶气体经过冷却、换热进入回流罐(设备号为2),回流罐分出的液体作为脱甲烷塔的塔顶回流,回流罐分出的不凝气体去第一冷箱换热器(设备号为3),这部分气体中,除了含有甲烷、氢气之外,还含有3~4%的乙烯,通过冷箱把尾气中的乙烯含量降低到2%左右,可以多回收2%左右的乙烯;并且还能获得浓度为70~80%的富氢气体。
第一冷箱换热器中(设备号为3),回流
罐(设备号为2)来的气体中的部分乙烯和甲烷被冷凝液化,然后进入分离罐5,进行气液分离。由分离罐5出来的气体再进入第2冷箱换热器4,在第二冷箱换热器中,又有部分乙烯和甲烷冷凝下来,在分离罐6进行气液分离。
分离罐5和6种的液体进行节流膨胀,节流阀是C、D、E。分离罐6中的液体温度是-133C,压力是3.34MPa,经过节流阀C,膨胀到压力为0.70MPa,温度降低到-140摄氏度,然后进入第二冷箱换热器4作为冷剂,使进入第二冷箱换热器4的甲烷、氢气等气体被冷却冷冻到-133摄氏度左右,冷剂温度也降低到-133摄氏度左右。
分离罐5冷凝下来的液体,一部分返回脱甲烷塔以回收其中所含的乙烯,另一部分冷凝液体,经过节流阀E,压力由3.37MPa膨胀到0.50MPa,温度由-103摄氏度降低到-129摄氏度左右,作为第一冷箱换热器的冷剂,使脱甲烷塔塔顶来的气体被冷冻,以回收其中所含的乙烯。经过冷箱作用,乙烯回收率可提高2%左右,使装置的乙烯回收率由