辽宁石油化工大学职业技术学院毕业设计
（1）原料的转化率 原料转化率X反映了裂解反应时裂解原料的转化程度。因此常用原料转化率衡量裂解深度。
以单一烃为原料时（如乙烷或丙烷等），裂解原料的转化率X可由裂解原料反应前后的物质的量n0、n计算。
X=（n0-n）/n0=1-n/n0
混合轻烃裂解时，可分别计算各组分的转化率。馏分油裂解时，则以某一当量组分计算转化率，表征裂解深度。
（2）甲烷收率 裂解所得甲烷收率y(C1o)随着裂解深度的提高而增加。由于甲烷比较稳定，基本上不因二次反应而消失。因此，裂解产品中甲烷收率可以在一定程度上衡量反应的深度。
在管式炉裂解条件下，芳烃裂解基本上不生成气体产品。为消除芳烃含量不同的影响，可扣除原料中的芳烃而以烷烃和环烷烃的质量为计算甲烷收率的基准，称为无芳烃甲烷收率。
y(C1o)P+N=y(C1o)/mP+N 式中 y(C1o)P+N —中无芳烃甲烷收率； y(C1o) —甲烷收率；
mP+N —烷烃与环烷烃质量分数之和。
（3）乙烯对丙烯的收率比 在一定裂解深度范围内，随着裂解深度的增大，乙烯收率增高，而丙烯收率增加缓慢。到一定裂解深度后，乙烯收率尚进一步随裂解深度增加而上升，丙烯收率将由最高值而开始下降。因此，在一定裂解深度范围内，可以用乙烯与丙烯收率之比y(C2=)/y(C3=)作为衡量裂解深度的指标。但在裂解深度达到一定水平后，乙烯收率也将随裂解深度的提高而降低。此时，收率比y(C2=)/y(C3=)已不能正确反映裂解的深度。
（4）甲烷对乙烯或丙烯的收率比 由于甲烷收率随反应进程的加深总是增大的，而乙烯或丙烯收率随裂解深度的增加在达到最高值后开始下降。因此，在高深度裂解时，用甲
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烷对乙烯或丙烯的收率比
（y(C)/y(C)或y(C)/y(C)）衡量裂解深度是比较合理的。
o
=
o
=
1
2
1
3
（5）液体产物的氢含量和氢碳比 随着裂解深度的提高，裂解所得氢含量高的C4和C4
以下气体产物的产量逐渐增大。根据氢的平衡可以看出，裂解所得C5和C5以上的液体产物的氢含量和氢碳比（H/C）L将随裂解深度的提高而下降。馏分油裂解时，其裂解深度应以所得液体产物的氢碳比（H/C）L不低于0.96（或氢含量不低于8%）为限。当裂解深度过高时，可能结焦严重而使清焦周期大大缩短。
（6）裂解炉出口温度 在炉型已定的情况下，炉管排列及几何参数已经确定。此时，对给定裂解原料及负荷而言，炉出口温度在一定程度上可以表征裂解的深度，用于区分浅度、中深度及深度裂解。温度高，；裂解深度大。
（7）裂解深度函数 考虑到温度和停留时间对裂解深度的影响，有人将裂解温度T与停留时间θ按下式关联。
S=Tθm
式中m可采用0.06或0.027；S称为裂解深度函数。
（8）动力学裂解深度函数 如果将原料的裂解反应的作为一级反应处理，则原料转化率X和反应速率常数k及停留时间θ之间存在如下关系：
∫kdθ=ln (1/1-X)
∫kdθ
可以表示温度分布和停留时间分布对裂解原料转化率或裂解深度的影响，在一定
程度可以定量表示裂解深度。但是，∫kdθ不仅是温度和时间分布的函数，同时也是裂解原料性质的函数。为避开裂解原料性质的影响，将正戊烷裂解所得∫kdθ定义为动力学裂解深度函数（KSF）.
KSF=∫k5dθ=∫A5exp(-E5/RT)dθ 式中 k5—正戊烷裂解反应速率常数； A5—正戊烷裂解反应的频率因子； E5—正戊烷裂解反应的活化能。
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在表1-3的裂解深度各项指标中，科研和设计最常用的有动力学裂解深度函数KSF和转化率X，在生产上最常用的有出口温度Tout,它们之间最在着一定的关系，可以进行彼此的换算。
表1-3 裂解深度的常用指标
裂解深度指数 原料转化率X
适用范围 特点 轻烃
容易分析测定
局限
对于重馏分油原料由于反应复杂，不易确定代表组分
甲烷收率y(C1)
=
=
o
各种原料 容易分析测定 反应初期甲烷收率低 不宜用于裂解深度极高时 裂解深度较浅时不敏感
乙烯对丙烯收率比y(C2)/y(C3) 各种原料 容易分析测定
甲烷对丙烯收率比 y(C1)/y(C3)
液体产物氢碳原子比
（H/C）L 出口温度 Tout 裂解深度函数S 动力学裂解深度函数
KSF
各种原料 计算简单
各种原料 结合原料性质、温度和停留
时间三个因素
较重烃
o
=
各种原料 容易分析测定，在裂解温度
高时，特别灵敏 可作为液相脱氢程度和引起结焦倾向的度量
各种原料 测量容易
轻烃裂解，液体产物不多时，用此指标无优点
不能用于不同炉型和不同操作条件的比较
不能用于停留时间过长情况 不能用于停留时间过长情况
1.4.2 超选择性管式裂解炉（USC炉）的简介
早在20世纪30年代就开始研究用管式裂解炉高温法裂解石油烃。20世纪40年代美国首先建立裂解炉裂解乙烯的工业装置。进入20世纪50年代后，由于石油化工的发展，世界各国竞相研究提高乙烯生产水平的工艺技术，并找到通过高温短停留时间的技术措施可以大幅度提高乙烯收率。本设计使用的是USC炉即超选择性管式裂解炉，下面以斯通-韦伯斯特（S&W）公司为例进行简单的介绍。
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S&W公司早期大多使用西拉斯裂解炉，1966年在西拉斯裂解炉的基础上开发了USC型裂解炉（超选择性裂解炉）。USC型裂解炉是根据停留时间、裂解温度和烃分压条件的选择，使生成的产品中乙烷等副产品较少，乙烯收率很高而命名的。
S&W公司的USC型裂解炉为单排双辐射立管式裂解炉，辐射盘管为W型或U型盘管。由于采用的炉管管径较小，因而单台裂解炉盘管组数较多（16~18组）。每2组或4组辐射盘管配一台USX型（套管式）一级废热锅炉，多台USX废热锅炉出口裂解气再汇总送入一台二级废热锅炉。近期开始采用双程套管式废热锅炉（SLE），将两级废热锅炉合并为一级。
USC型裂解炉对流段设置在辐射段上部一侧，对流段顶部设置烟道与引风机。对流段内设置进料和稀释蒸汽、锅炉给水及超高压蒸汽过热等热量回收设施。大多数USC型裂解炉为一个对流段对应一个辐射段，也有两个辐射段对应一个对流段的情况。
当装置燃料全部采用气体燃料时，USC型裂解炉多采用侧壁无焰烧嘴；如装置需要使用部分液体燃烧时，则采用侧壁烧嘴与底部烧嘴联合布置方案。底部烧嘴可烧气也可烧油，其热量可占总热负荷的60%~70%。由于USC型裂解炉辐射盘管为小管径、短管长炉管，胆单管处理能力低，每台裂解炉盘管数较多。为保证对流段进料能均匀地分配到没跟辐射盘管，在辐射盘管入口设置了文丘里喷管。
S&W公司从20世纪60年代后期开发的USC型裂解炉采用的炉管构型有W型、U型和M型，其中W型与U型都是小管径、短管长炉管。W型炉管相对较长，处理能力较大；U型炉管管长较短，处理能力较小，但裂解选择性较高；近期多采用U型管。而M型炉管则采用较大口径的炉管，此种炉管多采用六程管，其处理能力大，停留时间长，通常用于乙烷、丙烷裂解。
20世纪80年代中期，S&W公司又推出了新式的USC型裂解炉，仍然是“W”型。但管径变细，以轻柴油为原料，裂解炉出口温度为808℃，停留时间为0.3s，乙烯收率为27.7%（质），丙烯收率为13.05%（质）。20世纪80年代末90年代初该公司推出了U型裂解炉，第一程管径为45mm,第二程为56mm,每程长10.5m,停留时间为0.2~0.25s，乙烯收率进一步提高。
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USC型裂解炉不同炉管的数据比较如表1-4所示。
表1-4 USC型裂解炉不同炉管的数据比较
管内径/mm
炉型
炉管构型
第一程 63.5
USC-W
四程
63.5 51
USC-U
双程
第二程 69.9 73 63.5
35~65
第三程 76.2 82.6 —
第四程 82.9 89 —
管长/m 43.9 43.9 26.9 20—30
停留时间/s
0.35 0.304 0.2~0.25 0.15~0.25
USC-M 四程 100~125 60—80 0.5~0.6
1.4.3新型裂解炉与裂解技术
S&W公司开发了超高温裂解乙烯的陶瓷炉，裂解温度超过1000℃，且不宜结焦，实现了超高温裂解。该炉乙烷制乙烯转化率超过95%，而传统炉管仅为65%~70%，对乙烯的选择性高达73.5%。Nova和IFP计划采用该陶瓷炉建一套10kt/a示范装置。
韩国LG石油化学公司开发了石脑油催化裂化新工艺，催化剂为特定的金属氧化物，可降低裂解温度50~100℃，与传统水蒸气裂解新工艺相比，能耗大幅度减少，炉管结焦率下降，并延长了连续运行时间和炉管寿命。该工艺可大幅度提高烯烃产率，乙烯收率提高20%，丙烯收率提高10%，操作成本降低。LG公司正在韩国丽川一套装置上进行试验。
日本化学工业协会与工业技术研究所组织出光石油化学等5个公司，研究开发成功了一种新的催化剂裂解制乙烯、丙烯技术。该技术以石脑油为原料，用2%P和10%La载于ZSM-5分子筛上，在反应温度650℃，蒸汽/原料比为0.64、原料含量9.6%的条件下，乙烯和丙烯的收率为61%，乙烯/丙烯比为0.7.与传统水蒸气裂解技术相比，该新技术增加了乙烯和丙烯收率40%~50%，乙烯生产成本大幅度下降，但尚未解决大型反应器催化剂频繁再生困难问
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