《典型化工工艺》专题六 脱甲烷和乙烯产出与回收-讲义

山东省《典型化工工艺》 举一反三考点练 专题六 -脱甲烷和乙烯产出与回收-讲义 1. 理解脱甲烷塔的操作条件。 2. 理解乙烯塔、丙烯塔的操作条件。 3. 掌握影响乙烯回收率的因素。 知识点一 脱甲烷塔 脱甲烷过程即脱甲烷塔系统是裂解气分离的关键。因为脱甲烷塔温度最低 冷量占分离部分总冷量消耗的42%,脱甲烷塔的任务就是将裂解气中CH4、H₂以及其他惰性气体与C₂以上组分进行分离，关键组分是甲烷与乙烯的分离。 1.低压法 低压法分离效果好，乙烯收率高。操作条件为：压力0.18～0.25MPa, 顶温-140℃左右，釜温-50℃左右。 由于压力低，甲烷/乙烯的相对挥发度α值较大，分离效果好。乙烯回收率高，对于含氢及甲烷较多的裂解气也能分离，回流比较小。低压法不利之处，需要耐低温钢材，多套甲烷制冷系统，流程比较复杂。 压力对甲烷/乙烯相对挥发度的影响： 2.高压法 高压法脱甲烷，塔顶温度为-96℃左右，不必采用甲烷制冷系统，只需用液态乙烯冷剂即可。由于脱甲烷塔塔顶尾气压力高，可借助高压尾气的自身节流膨胀获得额外的降温，比甲烷冷冻系统简单。此外提高压力可缩小 精馏塔的容积，所以从投资和材质要求来看高压法有利。 脱甲烷塔的塔顶产品是气相产品，主要甲烷和氢气，他们在塔顶的操作条件(温度、压力)下，是不能全部冷凝下来的，因此脱甲烷塔与一般的精馏塔是不相同的，一般的精馏塔塔顶产品都可以全部冷凝下来，脱甲烷塔的塔顶产品含有不凝气甲烷和氢气，所以塔顶回流的液体组成与气相产品的组成是不同的，这就是脱甲烷塔的特点。也是脱甲烷塔的特殊性。 关于脱甲烷塔系统的描述，正确的选项是（ ） A. 低压法操作压力约0.2 MPa，塔顶温度-140℃，需甲烷制冷系统 B. 高压法利用尾气节流膨胀降温，可减少制冷设备投资 C. 脱甲烷塔塔顶回流液组成与气相产品（CH₄/H₂）相同 D. 低压法中甲烷/乙烯相对挥发度（α）更高，利于乙烯回收 E. 脱甲烷塔的冷量消耗占分离总冷量的30%左右 【答案】A、B、D 【解析】A：正确，低压法的典型条件及配套需求。 B：正确，高压法利用高压尾气节流制冷是核心优势。 C：错误，塔顶含不凝气（CH₄/H₂），回流液组成不同。 D：正确，低压下α值增大，分离效果更优。 E：错误，实际冷量占比为42%。 1.低压法脱甲烷塔（0.18~0.25 MPa）相比高压法的主要优势是（ ） A. 设备投资成本更低 B. 甲烷/乙烯相对挥发度（α）更高，分离效果更好 C. 无需使用耐低温钢材 D. 塔顶温度只需-96℃ 【答案】B 【解析】 低压下甲烷与乙烯的相对挥发度（α）显著增大，分离效率更高，乙烯回收率提升。 2.高压法脱甲烷塔不依赖甲烷制冷系统的原因是（ ） A. 塔顶温度较高（-96℃），仅需乙烯冷剂 B. 通过塔底再沸器提供全部冷量 C. 裂解气本身携带足够冷量 D. 采用特殊吸附剂替代制冷 【答案】A 【解析】 高压法塔顶温度-96℃可用液态乙烯制冷，且高压尾气节流膨胀可补充降温。 3.脱甲烷塔与常规精馏塔的关键区别在于（ ） A. 塔顶产品可全部冷凝为液体 B. 塔顶含不凝气（CH₄/H₂），回流液与气相组成不同 C. 无需控制回流比 D. 塔底不产出任何产品 【答案】B 【解析】 因含不凝的CH₄/H₂，脱甲烷塔回流液组成与气相产品不同，这是其独特之处。 1.脱甲烷塔系统的冷量消耗约占整个分离过程总冷量的（ ） A. 20% B. 35% C. 42% D. 50% 【答案】C 【解析】 脱甲烷塔因需要深度制冷（-140℃至-96℃），其冷量消耗占分离总冷量的42%，是能耗最大的环节。 2.低压法脱甲烷塔（-140℃）必须采用的特殊材质是（ ） A. 普通碳钢 B. 不锈钢304 C. 耐低温钢（如9Ni钢） D. 钛合金 【答案】C 【解析】 极端低温工况下，普通钢材会脆化，必须使用耐低温钢（如9Ni钢或奥氏体不锈钢）。 3.高压法脱甲烷塔的典型操作压力为（ ） A. 0.2~0.5 MPa B. 1.0~1.5 MPa C. 2.5~3.7 MPa D. 5.0 MPa以上 【答案】C 【解析】高压法通常操作在2.5~3.7 MPa，以降低制冷难度并利用尾气节流制冷。 4.关于脱甲烷塔回流，下列说法正确的是（ ） A. 回流液组成与塔顶气相组成相同 B. 需要设置全凝器将所有气相冷凝 C. 回流比越大分离效果越好 D. 回流液不含氢气但气相含氢 【答案】D 【解析】 因氢气不凝，回流液不含氢，但塔顶气相含氢，这是脱甲烷塔的特殊性。 1. 核心功能：分离CH₄/H₂与C₂⁺，关键控制甲烷与乙烯的分离。冷量消耗占比42%，是深冷分离的核心设备。 2. 两种工艺对比 项目 低压法 高压法 条件 0.18~0.25 MPa，-140℃（顶温） 2.5~3.7 MPa，-96℃（顶温） 优势 乙烯收率高（α值大） 设备简单，无需甲烷制冷 劣势 需耐低温钢，流程复杂 分离效果稍差（α值小） 3. 关键特点 塔顶含不凝气（CH₄/H₂），回流液与气相组成不同。 冷量来源：低压法：多级甲烷制冷。 高压法：尾气节流膨胀制冷。 4. 选择依据：优先低压法：需高乙烯收率（如高附加值产品）。 优先高压法：投资受限或原料CH₄/H₂含量低。 口诀记忆："低压高收耗能多，高压省投效果弱；不凝气是特色，冷量四成要记得。" 知识点二 乙烯塔和丙烯塔 乙烯塔和丙烯塔是出产品的。 1.乙烯塔：消耗冷量约为38%～44%。 乙烯塔的结构特点：在提馏段温度变化很大，即乙烯在提馏段中，沿塔板向下，乙烯的浓度下降很快；而在精馏段，沿塔板向上，温度下降很少，即乙烯浓度增大较慢。因此，乙烯塔与脱甲烷塔不同，乙烯塔精馏段塔板数较多，回流比大。较大的回流比，对乙烯精馏塔的精馏段是必要的，但是对提馏段来说并非必要。 乙烯塔的改进：乙烯塔采用中间设再沸器的办法来回收冷量，塔顶出甲烷，侧线出乙烯产品，一塔两用。 2.丙烯塔：因为丙烯、丙烷相对挥发度甚小，丙烯塔是整个分离过程中塔板数最多、回流比最大的一个塔。 丙烯塔的操作条件： 关于乙烯塔和丙烯塔的叙述，正确的选项是（ ） A. 乙烯塔精馏段塔板数多，因乙烯浓度上升慢需大回流比 B. 丙烯塔采用高压（1.7~2.0 MPa）以增大丙烯/丙烷相对挥发度 C. 乙烯塔冷量消耗占比约40%，主要因深冷分离甲烷 D. 丙烯塔回流比（15~20）远高于乙烯塔，因其α值接近1 E. 乙烯塔可通过侧线采出同时分离甲烷和乙烯 【答案】A、D、E 【解析】A：正确，乙烯塔精馏段需高回流比补偿缓慢的浓度提升。B：错误，高压会减小α值（但可减少塔径）。C：错误，乙烯塔冷量消耗高是因乙烯/乙烷分离需低温，与甲烷无关。D：正确，丙烯塔高回流比直接源于α≈1的难分离性。E：正确，改进型乙烯塔可整合脱甲烷功能。 1.乙烯塔精馏段需要较大回流比的主要原因是（ ） A. 提馏段温度变化过快 B. 乙烯浓度沿塔板上升缓慢 C. 塔顶甲烷含量过高 D. 再沸器热负荷不足 【答案】B 【解析】乙烯在精馏段浓度上升慢，需高回流比维持分离效率（A项是现象非原因，C/D无关）。 2.丙烯塔采用高压（1.7~2.0 MPa）的主要目的是（ ） A. 提高丙烯/丙烷相对挥发度 B. 减少塔板数量以降低投资 C. 避免使用低温冷剂 D. 增加侧线采出产品纯度 【答案】B 【解析】高压虽降低α值，但可减少塔径和塔板数（A错误，高压实际减小α；C/D非主要目的）。 3.下列哪种节能技术更适用于乙烯塔而非丙烯塔（ ） A. 热泵精馏 B. 中间再沸器 C. 高效规整填料 D. 多效蒸发 【答案】B 【解析】乙烯塔提馏段冷量可回收，适合中间再沸器；丙烯塔更需热泵（A）或高效填料（C）。 1.乙烯塔精馏段塔板数较多的主要原因是（ ） A. 乙烯和乙烷的相对挥发度在精馏段突然增大 B. 乙烯浓度沿塔板上升缓慢，需要更多分离级数 C. 塔顶需要同时分离甲烷和乙烯 D. 提馏段的温度变化过快影响分离效率 【答案】B 【解析】乙烯在精馏段浓度梯度变化小（每块塔板分离效果有限），故需更多塔板和高回流比保证纯度。A错误（α值基本恒定），C/D与精馏段设计无关。 2.某工厂将丙烯塔压力从1.8MPa升至2.0MPa，最可能产生的影响是（ ） A. 丙烯/丙烷相对挥发度提高 B. 塔顶冷凝器可改用循环水冷却 C. 理论塔板数需求减少约15% D. 回流比可降低至10以下 【答案】C 【解析】压力升高会降低α值（A错），但能减少塔板数（C正确）。B错（压力变化不影响冷却介质选择），D错（α值减小需更高回流比）。 3.乙烯塔中间再沸器通常设置在（ ） A. 精馏段中部（乙烯浓度50%处） B. 进料板下方3-5块塔板处 C. 塔顶冷凝器出口管线 D. 提馏段温度骤变区域 【答案】D 【解析】提馏段中部（-30~0℃）温度变化最大，此位置设置再沸器可最大化冷量回收。A/B位置温度过高，C不符合工艺。 4.发现丙烯产品中丙烷含量超标，应优先调整（ ） A. 降低塔压至1.5MPa B. 增加回流比至25以上 C. 检查进料中C₄含量 D. 提高再沸器蒸汽压力 【答案】B 【解析】纯度不足时，增大回流比是最直接有效的手段。A会恶化分离（α值更小），C/D对纯度影响间接。 1. 乙烯塔 功能：分离乙烯/乙烷（α≈1.8~2.0） 特点：精馏段塔板多（乙烯浓度上升慢）；冷量消耗38~44%（深冷分离） 改进：中间再沸器节能 + 侧线采出乙烯 操作：低压（0.5~0.7 MPa），塔顶-30~-50℃ 2. 丙烯塔 功能：分离丙烯/丙烷（α≈1.08~1.12） 特点：全厂塔板数最多（150~200块）；回流比最大（15~20） 节能：热泵精馏/高效填料 操作：高压（1.7~2.0 MPa），塔顶40~50℃ 3. 关键对比： 参数 乙烯塔 丙烯塔 分离难度 较易 极难 能耗重点 冷量消耗 热能消耗 节能技术 中间再沸器 热泵精馏 口诀记忆："乙烯冷量耗，精馏慢板多；丙烯热难分，高压高回拼" 知识点三 影响乙烯回收率的因素 （一）影响因素分析 1.乙烯损失的四个方面：① 冷箱尾气中带出损失，占乙烯总量的2.25%; ②乙烯塔釜液乙烷中带出损失，占乙烯总量的0.40%; ③脱乙烷塔釜液C₃+馏分中带出损失，占乙烯总量的0.284%; ④压缩段间凝液带出损失，约为乙烯总量的0.066%。 尾气中乙烯含量： 因此，影响乙烯回收率高低的关键是冷箱尾气中带出的损失，影响尾气中乙烯损失的主要因素是原料气组成 (C₁0/H₂) 、操作温度和压力。 (1)原料气组成的影响在温度和压力条件一定是时，原料气中 (C₁0/H₂)摩尔比愈小，尾气中乙烯损失就愈大，反之则小。 (2)压力和温度的影响 ① 压力增大，能降低甲烷/乙烯的相对挥发度，相对挥发度减小，则分离困难，要达到同样分离效果，需要增加塔板数或增加回流比。因此，要增加基建投资或多耗冷量。 ②温度降低，尾气中乙烯损失减少。 在一定条件下，原料气中 C₁0/H₂摩尔比越大，乙烯在尾气中损失越小；操作压力越高，乙烯损失越小。塔顶温度越低，乙烯在尾气中损失越小。 (二)利用冷箱提高乙烯回收率 原理：用绝热材料把高效板式换热器和气液分离器等都放在一个箱子里。它的原理是用节流膨胀来获得低温。其用途是依靠低温来回收乙烯，制取富氢和富甲烷馏分。 由于冷箱在流程中位置不同，可分为后冷和前冷两种。后冷是冷箱放在脱甲烷塔之后处理塔顶气：前冷是冷 箱放在脱甲烷塔之前处理塔的进料。 1.后冷通过冷箱使乙烯回收率可提高2%左右，并能获得浓度为70～80%的富氢。 2. 前冷工业上采用冷箱在原料入塔之前把大部分氢分出，提高了脱甲烷塔进料的C₁0/H₂ 摩尔比，可提高乙烯回收率，同时前冷是逐级冷凝，把冷凝液分股送人脱甲烷塔，温度级别不等，可节省冷量。且在未入塔前即进行了初步分离，减轻了塔的负荷。 前冷四股进脱甲烷塔进料温度：第一股进料温度-37℃;第二股进料温度-65℃;第三股进料-96℃;第四股 进料- 102℃ 缺点：脱甲烷塔的操作弹性比后冷流程低，流程复杂，仪表自动化要求较高。 关于烃类裂解制乙烯过程中乙烯回收率的影响因素及冷箱技术，下列说法正确的是（ ） A. 冷箱尾气带出是乙烯损失的最大来源，占比约2.25%。 B. 原料气中C₁/H₂摩尔比越小，尾气中乙烯损失越小。 C. 提高脱甲烷塔操作压力可降低乙烯损失，但会增加分离能耗。 D. 前冷流程通过分级冷凝提高C₁/H₂比，但需更复杂的控制系统。 E. 后冷流程的冷箱位于脱甲烷塔前，可直接回收富氢气体。 【答案】A、C、D 【解析】A：正确。冷箱尾气带出损失占比最大（2.25%）。B：错误。C₁/H₂摩尔比越小，乙烯损失越大（原文明确相反）。C：正确。压力升高减少乙烯损失，但需增加塔板数或回流比。D：正确。前冷流程需分级冷凝和自动化控制，操作弹性低。E：错误。后冷流程的冷箱位于脱甲烷塔后，处理塔顶气。 1.在裂解气深冷分离中，对乙烯回收率影响最大的损失途径是（ ） A. 乙烯塔釜液乙烷带出 B. 冷箱尾气中乙烯带出 C. 脱乙烷塔釜液C₃⁺馏分带出 D. 压缩段间凝液带出 【答案】B 【解析】冷箱尾气带出损失占乙烯总量的2.25%，是四种损失中占比最高的，因此是影响回收率的关键因素。 2.原料气中（C₁/H₂）摩尔比越小，会导致（ ） A. 尾气中乙烯损失减少 B. 尾气中乙烯损失增大 C. 脱甲烷塔操作压力降低 D. 冷箱制冷负荷减小 【答案】B 【解析】C₁/H₂摩尔比越小，甲烷对氢气的稀释作用越弱，氢气分压越高，乙烯更易被携带至尾气中，导致损失增大。 3.题目： 关于前冷流程的叙述，错误的是（ ） A. 冷箱在脱甲烷塔前处理进料 B. 可提高进料的C₁/H₂摩尔比 C. 操作弹性比后冷流程更高 D. 采用多股进料节省冷量 【答案】C 【解析】前冷流程操作弹性低于后冷流程（因流程复杂，控制精度要求高），其他选项均为前冷的正确特点。 1.影响乙烯回收率最关键的因素是： A. 乙烯塔釜液乙烷带出 B. 冷箱尾气中乙烯损失 C. 脱乙烷塔釜液C₃⁺带出 D. 压缩段间凝液损失 【答案】B 【解析】冷箱尾气带出损失占比2.25%，是乙烯损失的最大来源（其他选项损失均＜0.5%）。 2.原料气中C₁/H₂摩尔比降低会导致（ ） A. 冷箱尾气乙烯损失减少 B. 脱甲烷塔负荷减轻 C. 冷箱尾气乙烯损失增大 D. 乙烯塔回流比可降低 【答案】C 【解析】C₁/H₂比越小，甲烷对乙烯的携带能力越弱，更多乙烯被尾气带出（损失增大）。 3.前冷流程（冷箱在脱甲烷塔前）相比后冷的主要优点是（ ） A. 操作弹性更大 B. 提前分氢提高C₁/H₂比，减少乙烯损失 C. 设备投资更低 D. 无需分级冷凝 【答案】B 【解析】前冷通过逐级冷凝分氢，提高进料C₁/H₂比，从而降低尾气乙烯损失（A错，实际弹性更低；D错，需分级冷凝）。 4.冷箱获得低温的核心方法是（ ） A. 外部电制冷机组供冷 B. 节流膨胀效应 C. 液氨蒸发吸热 D. 塔顶气直接冷凝 【答案】B 【解析】冷箱通过高压流体节流膨胀（J-T效应）实现自制冷，无需外部冷源（其他选项均为干扰项）。 1.乙烯损失来源：主要损失：冷箱尾气带出（2.25%） 次要损失：乙烷/C₃⁺馏分携带（共<1%） 2. 关键影响因素： 因素 影响规律 调控措施 C₁/H₂比↑ 尾气损失↓ 前冷提前分氢 压力↑ 损失↓（但能耗↑） 优化至1.8~2.2MPa 温度↓ 损失↓ 分级冷凝（-37℃~-102℃） 3.冷箱技术对比 类型 乙烯回收率 能耗 特点 前冷 更高（+2~3%） 更低 流程复杂，四股进料 后冷 较低 更高 操作简单，弹性大 4. 节能核心： 节流膨胀：等焓降温（J-T效应） 板翅式换热器：紧凑高效（温差≤3℃） 口诀记忆："尾气损失2.25，C₁/H₂压温控；前冷分氢四股进，板翅节流冷箱功" 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$