裂解炉后面：气体先压到三十多倍，再冷到零下一百度，才分得出乙烯

发布于 2027-02-27｜相关行业：化工

一句话说清这一段：炉子出来的是一锅混合气，要按沸点一个一个分开

裂解炉把石脑油、乙烷之类的原料烧到高温，断成小分子，出炉的是一锅混合气：氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁二烯，外加水蒸气、少量硫化氢和二氧化碳，还有炉子里冒出的焦油和重组分。乙烯只占其中一部分。

炉后这一段要做的事只有两件：先把气体冷、压、洗、干，让它能进低温；再按沸点的高低，一个一个分开。炉子本身怎么烧、炉管怎么挂，第 12 期已经讲过，这里只讲炉后。

先撇清几个名字：急冷、压缩、深冷、精馏、加氢

急冷——炉子出口的气体还在八百多度，裂解反应还没停，要在极短时间里把它降到四百度上下，把反应冻住。

压缩——把气体加压。压力越高，沸点越高，同样的温度下越容易冷凝，这是后面能用低温分离的前提。

深冷——温度在零下几十度以下的分离。乙烯的分离温度要降到零下一百度甚至更低，所以叫深冷。

精馏——靠多次蒸发和冷凝，让沸点不同的组分逐级分开。第 3 期讲过的 McCabe-Thiele 图，画的就是它。

加氢——用氢气把不饱和的小分子变成饱和的。乙炔加氢是为了去掉乙烯里混着的少量乙炔，它会毒化后面聚合用的催化剂。

急冷段：三台设备各管一件事，先冻住反应，再洗掉重组分

裂解反应是在高温下停留极短时间完成的。炉管出口之后，如果温度不降下来，乙烯会继续裂成甲烷和焦炭，或者互相结合生成二烯烃和重组分，产率就掉下来。所以出炉的气体要立即进入急冷设备，典型的停留时间是毫秒到零点几秒量级。

急冷锅炉（也叫传输线换热器）是第一台。它是一台管壳式换热器，裂解气走管内，管外是高压锅炉水，裂解气把热量交给水，水变成高压蒸汽。它的任务是把气体从八百多度降到四百度上下，同时回收热量。轻质原料（乙烷、丙烷、石脑油）产生的焦炭少，这一台是主力；重原料结焦快，要定期清焦，清焦周期是装置运行的硬约束。

急冷油塔是第二台，主要用于重原料。它用循环的急冷油直接喷淋裂解气，把气体降到两百度以下，同时把焦油和较重的重组分冲下来，油从塔底抽出，经过分离后再循环。急冷油塔的关键是不让焦油在塔内和换热器里结块，所以油的流量、温度和过滤都要严格控制。

水洗塔是第三台，主要用于轻原料，也用于重原料急冷油之后的最后降温。塔内用循环水逐级喷淋，把气体降到接近常温，同时把其中的水溶性物质洗下来。水洗塔里的凝液会带出稀释蒸汽，凝液分离后，蒸汽可以回到炉子里循环使用，这一点在节能上很重要。

三台设备的先后顺序不能颠倒：急冷锅炉先把气体从高温降下来，油塔再洗掉重组分，水洗塔最后把温度拉到常温。这是为了让每一级只做自己能做好的那件事，也让后面的压缩机入口是干净、常温的气体。

压缩：压比三十多倍，分四段，每段出口只到一百度上下

裂解气在急冷之后压力只有一个大气压左右，而后面的低温分离需要的压力是几兆帕。要把它升到约三点五兆帕（绝压），总压比约 35。

最直接的做法是一台压缩机一步压到底。算一算就知道不行：按绝热指数 1.3 计算，入口 35 ℃ 的气体一步压到 35 倍，出口温度约 438 ℃。裂解气里有二烯烃，这个温度下它们早就聚合成胶状物，结在压缩机和后面的管道里。

所以压缩要分段。典型的是四段，每段压比约 2.4，段间用冷却器把气体降回约 40 ℃，再用分液罐把冷凝下来的水和重组分分掉，然后进入下一段。按 0.10 兆帕起算，四段之后的绝压依次约为 0.24、0.59、1.44、3.50 兆帕，每段绝热出口温度都约 111 ℃，理想状态下这套做法的功只有一段直压的 72%，相当于省下 28%。

碱洗一般放在压缩机中段，常见是二段和三段之间。那时气体压力已经高到足以让酸性气的吸收效率更好，而温度还没高到让碱液失效。碱洗之后气体再进入三段和四段，直到干燥前都保持干净。

这个 28% 是理想绝热下的算术结果，真实机组要扣掉效率损失，但它的方向不会变：分段冷却既省功，又把温度压在安全范围里。

碱洗和干燥：脱掉酸性气和水，否则到零下一百度会堵管

压缩之后的气体还带着二氧化碳和硫化氢。它们遇到碱液会被吸收，所以要经过碱洗塔，用碱液把酸性气洗掉。碱洗的废碱液要单独处理，这也是装置里一项不小的环保成本。

二氧化碳的危险在低温段。它在一个大气压下约零下七十八度就直接升华成固体，也就是干冰，在阀门和换热器的低温面上结成块，堵住管路。所以二氧化碳必须在碱洗里尽量脱干净。

更要命的是水。水在零下几十度就会结成冰，在零下一百度的低温段里，哪怕只有几十个 ppm 的水也会在阀门和换热器里结冰堵管。所以气体要经过分子筛干燥器，把水脱到露点在零下七十度左右。分子筛干燥器通常两台并联，一台工作，一台加热再生，轮流切换，再生用的热气要求温度高、水分要尽快带走。

干燥器的切换是装置里最容易出事的一个环节。切换时如果再生没有做透，下一轮吸附就会穿透，水会一路带进冷箱。所以干燥器出口的露点要连续监测，露点一旦变差，就要立即降负荷，而不是等冻堵出现。

为什么必须降到零下一百度：甲烷的沸点是零下一百六十一度

分离的依据是沸点。一个大气压下，甲烷的正常沸点是零下 161.5 ℃，乙烯是零下 103.7 ℃，乙烷是零下 88.6 ℃，丙烯是零下 47.7 ℃，丙烷是零下 42.1 ℃。

要把甲烷、氢气从乙烯里先拿走，塔顶就得冷到零下一百度以下，甲烷才会在塔顶以气相走掉，乙烯留在液相里往下走。所以深冷段的起点，是由甲烷的沸点决定的。

压力也会移动沸点。这一段的塔都在几兆帕下操作，压力越高，同样的组分沸点越高，塔顶温度就能略高一点，省一部分冷量。这是工程上把压力定在两兆帕量级的原因之一，但压力越高，压缩功和设备壁厚又跟着上去，要两者权衡。

乙烯与乙烷为什么难分：沸点只差十几度，相对挥发度只有一点几

乙烯和乙烷是相邻的两个同系物，沸点只差 15.1 度。相对挥发度（两者在气液平衡时的比值）典型量级只有 1.1 到 1.2，也就是说一次蒸发冷凝，乙烯的富集程度只比乙烷高一成到两成。

精馏的板数由 Fenske 式决定：最少理论板数 N_min = ln[(xD/xD_HK)·(xB_HK/xB)] / ln α。取塔顶乙烯 99.9%、塔底乙烯 2%、进料乙烯 90% 这组典型指标，α 取 1.15 时 N_min 约 77 块，α 取 1.10 时约 113 块，α 取 1.20 时约 59 块。α 从 1.15 降到 1.10，理论板就多出 36 块左右。

实际塔板数还要除以板效率。板效率取 0.7 时，N_min 77 块对应的实际板数约 110 块，这就是这座塔要做得很高的原因。它不是为了好看，而是沸点只差十几度这件事本身决定的。

回流比也跟着涨：用 Underwood 式算最小回流，再乘上操作裕量

理论板数只是一方面，塔顶还要回流。对二元体系、饱和液体进料，Underwood 式给出最小回流比 R_min：α 取 1.10 时约 11.0，取 1.15 时约 7.3，取 1.20 时约 5.5。实际操作回流比要比最小值高，典型取 1.2 倍。

以 α 取 1.15 为例，操作回流比约为 1.2 乘以 7.3，即约 8.8。换句话说，α 小的时候，既要多板又要大回流，塔里的液体循环量很大，再沸器和冷凝器的负荷也跟着大。这一段的能耗，大头就出在这里。

这个算法是第 3 期讲过的那套精馏概念的延伸，只是这次组分多、温度低，而且要先算清楚沸点差到底有多小。

冷量从哪来：两级制冷叠起来用，越冷越贵

低温要靠制冷。深冷装置通常是几套制冷回路叠起来用：丙烯制冷把温度拉到零下四十度上下，乙烯制冷到零下一百度附近，甲烷或富甲烷的混合冷剂再往下。每一级只负责一段温度，用上一级的冷量去冷下一级的冷剂。

越冷越费功。把一份冷量从某个温度搬到 35 ℃ 的环境里，卡诺理想功等于 (T0 − Tc) / Tc。算出来，搬到零下四十度的理想功是 0.32，搬到零下一百度是 0.78，零下一百度的功是零下四十度的 2.4 倍，搬到零下一百六十度则是 5.4 倍。真实机组的效率只有卡诺的一半左右，但倍数关系不变。

这就是深冷段要专门配一套阶梯制冷，并且要尽量在低温区少用冷的原因：冷量越靠下，每一份都越贵。工程上常见的做法是先用丙烯把气体预冷到零下四十度，让乙烯制冷只负责最后一段。

冷箱：把低温换热集中到一个保温的大箱子里

低温换热器不能散在外面，否则保温和冷损失都很难控制。深冷装置通常把主要的低温换热器集中装进一个大型保温箱里，叫冷箱。箱里是一层层的板翅式换热器，铝制的薄翅片密密地排着，冷的气体和热的气体在相邻的通道里反向流动，互相换热。

冷箱的好处是把冷量尽量留在箱内，同时让一大批管路的热胀冷缩在一个可控的空间里完成。它也是整套深冷段最贵、最怕泄漏的部分。冷箱外面的管口要在投运前做低温标定，否则冷收缩会把接口拉开。

三种分离流程：第一刀切在哪，决定后面每一座塔干什么

混合气分开的顺序，通用上有三种思路。区别只有一件事：第一座塔在哪一个碳数之间切开。

前脱乙烷：第一座塔在碳二和碳三之间切开。碳二及更轻的全部从塔顶上去，碳三及更重的沉到底部，送去拆丙烯和丙烷。上去的那股碳二以下的混合物，再去脱甲烷、拆乙烯和乙烷。这样碳三及以上的物料很早就离开了低温段。

前脱丙烷：第一座塔在碳三和碳四之间切开。碳三及更轻的一起从塔顶上去，碳四及更重的留在底部。上去的物料里碳二和碳三都还在，之后再脱甲烷、脱乙烷，然后拆乙烯乙烷、丙烯丙烷。它的第一座塔要处理的物料更多，塔也更大，但碳二、碳三之间的分割推迟到了后面。

顺序分离：先把甲烷和氢气切走，再一座塔一座塔按沸点往外切，最后拆乙烯乙烷、丙烯丙烷。它每座塔都只切一刀，流程最直观，但塔的数目最多，每一座都要单独供热和制冷。

三种流程的取舍，核心是第一刀切在哪。第一刀切得越靠后，前面要处理的物料越多，塔径和能耗跟着上去；切得越早，后面的低温段要处理的量越少，但对前面塔的分割精度要求更高。具体选哪一种，取决于原料组成、乙烯和丙烯的比例、产品要求和能耗，没有一种对所有装置都最好。文中不涉及任何具体工艺包。

乙炔加氢：放在脱甲烷塔之前，还是之后

裂解气里的乙炔是要去掉的。它在乙烯聚合的催化剂上是毒物，哪怕只有几个 ppm 也会让催化剂失效。去掉乙炔的办法是加氢，把乙炔变成乙烯，C₂H₂ + H₂ → C₂H₄，每个乙炔要一个氢。

前加氢：加氢放在脱甲烷塔之前，直接用裂解气里原有的氢。典型的裂解气里氢约占干气的三成、乙炔约占千分之五，氢的摩尔数是乙炔的 60 倍左右，所以氢够用，不用另外补。前加氢的好处是后面的分离段都是干净的，但要求催化剂对乙烯的选择性很高，否则乙烯也会被加氢变成乙烷。

后加氢：加氢放在乙烯精馏塔之后，对已经分出来的乙烯产品做加氢。这时裂解气里的氢已经大部分被分走，需要另外补氢。按典型的乙炔含量算，每 100 摩尔乙烯大约要补 0.8 摩尔氢。后加氢的好处是前面的分离不受加氢影响，但补氢的控制和催化剂的寿命要单独管理。

工业上前加氢比较常见，但两种都有装置在用。选哪一种，取决于原料和催化剂体系，本期只讲通用路线，不讲具体的催化剂牌号。

三座主要的塔：脱甲烷塔、乙烯精馏塔、丙烯精馏塔

无论哪种流程，脱甲烷塔都在最冷的一端：塔顶出氢气和甲烷，塔底出碳二及以上。它的塔顶温度最低，冷凝器要靠阶梯制冷的最底一级提供冷量。

脱甲烷塔的回流很特别。它的进料是一股已经部分冷凝的物料，液相和气相在塔内逆流接触。塔顶的回流不是从外面另外送来的液体，而是塔顶冷凝器把甲烷冷凝下来，再送回塔顶当回流。这个冷凝器用的是阶梯制冷的最底一级，所以它的热负荷和冷剂温度直接决定了甲烷能不能全部冷凝，也决定了乙烯会不会被甲烷带走。

之后是乙烯精馏塔（也叫碳二分离塔），塔顶出高纯度乙烯，塔底出乙烷。因为乙烯和乙烷的沸点只差十几度，这座塔在图里是最高的一座，板数也多，塔底还要配一台再沸器，把液体再加热。

丙烯精馏塔（碳三分离塔）把丙烯和丙烷分开。两者沸点只差约 5.6 度（零下 47.7 ℃ 对零下 42.1 ℃），比乙烯和乙烷还要接近，同样需要很多块板，塔顶也要靠制冷。

甲烷和氢气去哪：一部分做燃料，一部分回头做甲烷化

脱甲烷塔顶出来的甲烷和氢气，大部分送进燃料系统，供炉子烧。但氢气也是有用的，前加氢、后面的各类加氢精制都要用，所以有的装置会把一部分氢气回收出来。

分离过程中残留的少量一氧化碳和二氧化碳，会毒害乙烯聚合的催化剂，所以通常在一个甲烷化单元里，用氢气把它们转化成甲烷，把杂质压到极低。甲烷化本身是放热反应，要有专门的换热和控温，否则局部温度一高，催化剂会烧结。

每一段的操作条件：给区间，标明是典型量级

图纸上的数字各装置都不一样，下面这些都是典型量级，不是设计值。急冷：出炉约八百多度，急冷锅炉出口约四百度，急冷油或水洗出口两百度以下、接近常温。压缩：入口接近常压，出口约三点五兆帕（绝压），每段出口约一百度，段间冷回约四十度。干燥：要求把水脱到露点在零下七十度左右，才能安全进入低温段。冷箱：冷端最低温度接近零下一百六十度，由甲烷一侧决定。乙烯精馏塔：压力约两兆帕量级，塔顶乙烯纯度 99.9% 以上。

这些区间不要从一个装置抄到另一个装置。压力和温度决定了沸点，沸点决定了板数和冷量，三者一改，后面全跟着变。

压缩机最怕的是结垢：二烯烃遇热会聚合

裂解气里的二烯烃，尤其是丁二烯，在温度高、停留久的时候会自己聚合，生成胶状物粘在叶轮和管壁上。压缩机的叶轮一旦结垢，效率下降，振动也会变大，严重时会引起喘振。

所以压缩段一般在段间注入少量阻聚剂，同时把每段出口温度压低，停留时间也尽量缩短。这也是前面坚持分段、不分段出口会到四百多度的另一层原因：温度不是只影响功，它还决定机器能不能长期稳定运行。

常见坏点：冻堵、乙烯损失和产品不合格，各从哪里来

冻堵是低温段最常见的事故。来源有三个：干燥器切换时再生不透，水穿透进冷箱；碱洗后二氧化碳残留，在低温面上升华结块；还有冷剂温度波动，局部低于某一组分的凝固点。处理办法是升温、切换备用的干燥器、把冷箱的局部管线吹扫干净，不能硬撬。

乙烯损失是这一段最要算的账。损失主要来自三处：塔顶不凝气里夹带的乙烯、废碱液和废水里溶解的乙烯，以及干燥和冷箱的泄漏。乙烯损失每多一个百分点，按百万吨产能就是一万吨每年。典型收率在 99% 以上，所以每降低零点几个百分点，对全厂都是大数。

产品不合格多半出在最后几座塔。聚合级乙烯要求纯度不低于 99.9%，乙炔和一氧化碳要压到 ppm 级，甲烷和乙烷也有上限。哪一项超了，就要看是哪座塔的分割出了问题：回流不够、塔板效率下降或者进料组成变了，都会让产品纯度往下掉。

流程图怎么看：从压缩机数起，再找冷箱和最高的塔

拿到一张乙烯流程图，可以按下面的顺序读。先数压缩机有几段，段间有没有冷却器和分液罐；再找碱洗塔和两台轮换的干燥器，它们一般紧跟在压缩机后面；然后找冷箱，它是一个保温大箱，箱里有没有叠起来的换热器；最后看精馏塔，哪一座最高，它大概率就是乙烯精馏塔。

读图时要注意箭头和虚线。冷剂回路一般用另一种线型画出，和工艺物料分开；塔底的再沸器和塔顶的冷凝器都是成对出现的，缺了一台，热量或冷量就有地方没交代。标题上别写工艺包商和专利，写通用路线名就够。

急冷之后的油和水去哪：循环使用，但要先除焦、除杂

急冷油塔底抽出的油，一部分循环回塔顶喷淋，另一部分要去除焦油和固体颗粒后，送到燃料油系统或做成副产品。循环油里的固体颗粒越多，喷嘴越容易堵，所以过滤器是这一段最需要人盯的设备之一。

水洗塔和稀释蒸汽系统的凝液，先分出油和烃，然后送去汽提，把溶解的有机物赶走，再回到稀释蒸汽发生器循环使用。凝液的水质直接影响炉管的结焦速度，所以凝液里的酸性物质和有机物要控制在规定的范围内。

冷箱的降温和停车：慢慢冷，慢慢暖，否则管子会被热应力拉坏

冷箱从常温降到低温，不能一下子通入冷剂。铝制的板翅式换热器和碳钢管路收缩量不一样，降温太快，接口和焊缝会因为热应力开裂。所以开车时要按规定的降温速率，一段一段地把温度往下压，每一段都要停下来看各处的温差是否在允许范围内。

停车的顺序反过来。先把进料切掉，让塔内物料慢慢走空，再用氮气把冷箱和管路吹干、升温。如果直接放空、直接升温，残留的水和冷凝的烃会在低温面上汽化或冻结，下一次开车就会堵。这一段的操作规程写得很长，原因就在这里。

乙烯塔和丙烯塔的能耗，各花在哪里

分离段的能耗大头在塔底的再沸器和塔顶的冷凝器，两者都是靠热或冷来完成分离。乙烯精馏塔因为板数多、回流比大，它的再沸器负荷在整个分离段里通常最大；丙烯精馏塔虽然沸点差也小，但它的操作压力和回流比有所不同，能耗的分布也随之变。

所以在换热网络里，工程上常把塔顶的冷凝热和塔底的再沸需求配对：一座塔顶放出的热正好给另一座塔的塔底用。这种配对能省下大量的外部蒸汽和冷量，是分离段节能的主要手段，也是每座装置设计时最花功夫的地方。

三段设备一屏：压缩、深冷、精馏各管一段

把前面几节串起来：急冷之后，压缩机组把气体升压、分段冷却；碱洗和干燥把酸性气和水拿掉；冷箱配合阶梯制冷，把气体降到零下一百度以下；最后几座精馏塔按沸点把乙烯、乙烷、丙烯、丙烷一个一个分开。三段设备各管一段，中间靠管线和换热器相连。

这一期的设备图用 AI3DTU 的设备图提示词规范出图：画的是设备本身和它连接的管线，标签只写名称，不画拆开的零件。

和前面几期的关系：从精馏、换热到低温

第 3 期讲过精馏和 McCabe-Thiele 图，这一期的乙烯精馏塔就是它的一个高难度版本。第 1 期讲的换热器，在冷箱里以板翅式的形式出现。第 12 期讲的裂解炉，是这一期的上游。第 23 期讲的甲醇同样要压缩、要分段换热，但那里的温度是常温高压，这里是低温。

工艺线里，第 17 期是用氢，第 19 期是产氢，第 23 期是造氢，这一期是把炉子里造出来的混合气，一层层拆开，把乙烯拿出来。

常见问题

本文图片版权归 ai3dtu.com 所有，转载请注明出处，侵权必究。