(完整版)第三章作业和参考答案解析

1. 什么是烃类热裂解？答：烃类的热裂解是将石油系烃类燃料（天然气、炼厂气、轻油、柴油、重油等）经高温作用，使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其他相对分子质量不同的轻质和重质烃类。

2.烃类热裂解制乙烯可以分为哪两大部分？答：烃类热裂制乙烯的生产工艺可以分为原料烃的热裂解、裂解产物的分离两部分。

3. 在烃类热裂解系统内，什么是一次反应？什么是二次反应？答：一次反应是指原料烃裂解（脱氢和断链），生成目的产物乙烯、丙烯等低级烯烃的反应，是应促使其充分进行的反应；二次反应则是指一次反应产物（乙烯、丙烯等）继续发生的后续反应，生成分子量较大的液体产物以至结焦生炭的反应，是尽可能抑制其进行的反应。

4. 用来评价裂解燃料性质的4个指标是什么？答：评价裂解燃料性质的4个指标如下：（1）族组成—PONA值，PONA值是一个表征各种液体原料裂解性能的有实用价值的参数。

P—烷烃（Paraffin）； O—烯烃（Olefin）；N—环烷烃（Naphtene）；A—芳烃（Aromatics）。

（2）氢含量，根据氢含量既可判断该原料可能达到的裂解深度，也可评价该原料裂解所得C4和C4以下轻烃的收率。

氢含量可以用裂解原料中所含氢的质量百分数表示，也可以用裂解原料中C 与H的质量比（称为碳氢比）表示。

（3）特性因数—K，K是表示烃类和石油馏分化学性质的一种参数。

K值以烷烃最高，环烷烃次之，芳烃最低，它反映了烃的氢饱和程度。

（4）关联指数—BMCI值，BMCI值是表示油品芳烃含量的指数。

关联指数愈大，则表示油品的芳烃含量愈高。

5. 温度和停留时间如何影响裂解反应结果？答：（1）高温：从裂解反应的化学平衡角度，提高裂解温度有利于生成乙烯的反应，并相对减少乙烯消失的反应，因而有利于提高裂解的选择性；根据裂解反应的动力学，提高温度有利于提高一次反应对二次反应的相对速度，提高乙烯收率。

（2）短停留时间：从化学平衡的角度：如使裂解反应进行到平衡，由于二次反应的发生，所得烯烃很少，最后生成大量的氢和碳。

为获得尽可能多的烯烃，必须采用尽可能短的停留时间进行裂解反应。

从动力学的角度：由于有二次反应的竞争，对每种原料都有一个最大乙烯收率的适宜停留时间。

温度--停留时间对产品收率影响（a）对于给定原料，相同裂解深度时，提高温度，缩短停留时间，可以获得较高的烯烃收率，并减少结焦。

（b）高温-短停留时间可抑制芳烃生成，所得裂解汽油的收率相对较低。

中的（c）高温-短停留时间可使炔烃收率明显增加，并使乙烯/丙烯比及C4双烯烃/单烯烃的比增大。

6.提高反应温度的技术关键在何处？应解决什么问题才能最大限度提高裂解温度？答：裂解反应的技术关键之一是采用高温-短停留时间的工艺技术。

提高裂解温度，必须提高炉管管壁温度，而此温度受到炉管材质的限制。

因此，研制新型的耐热合金钢是提高反应温度的技术关键。

当炉管材质确定后，可采用：（1）缩短管长（实际上是减少管程数）来实现短停留时间操作，才能最大限度提高裂解温度。

（2）改进辐射盘管的结构，采用单排分支变径管、混排分支变径管、不分支变径管、单程等径管等不同结构的辐射盘管，这些改进措施，采用缩小管径以增加比表面积来提高传热面积，使壁温下降，提高了盘管的平均传热强度，由此达到高温-短停留时间的操作条件。

7.为了降低裂解烃分压，通常加入稀释剂，试分析稀释剂加入量确定的原则是什么？答：工业上常用水蒸气作为稀释剂，加水蒸气量的原则：（1）水蒸气的加入量随裂解原料不同而异，一般是以能防止结焦，延长操作周期为前提。

（2）若加入过量的水蒸气，可使炉管的处理能力下降，增加了炉子热负荷，也增加了水蒸气的冷凝量和急冷剂用量，并造成大量废水。

8.裂解气出口的急冷操作目的是什么？可采取的方法有几种？你认为哪种好？为什么？若设计一个间接急冷换热器其关键指标是什么？如何评价一个急冷换热器的优劣？答：从裂解管出来的裂解气是富含烯烃的气体和大量水蒸汽，温度在727-927℃，由于烯烃反应性强，若在高温下长时间停留，仍会继续发生二次反应，引起结焦，并使烯烃收率下降，因此必须使裂解气急冷以终止反应。

采取的方法有两种：直接急冷和间接急冷。

一般认为间接急冷比较好，因为：（1）直接急冷的急冷剂是用油或水，急冷下来的油水密度相差不大，分离困难，污水量大，不能回收高品位的热能。

（2）间接急冷可回收高品位热能，产生高压水蒸汽作为动力能源以驱动三机等机械（三机：裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机），可减少对环境的污染程度。

设计一个间接急冷换热器的关键指标是：急冷换热器的运转周期应不低于裂解炉的运转周期。

为了减少裂解气在急冷换热器内的结焦倾向，使之能正常操作，控制指标：（1）增大裂解气在急冷换热器中的线速度，一般控制裂解气在急冷换热器中的停留时间小于0.04秒；（2）必须控制裂解气的出口温度要高于裂解气的露点。

评价急冷换热器的优劣：急冷换热器的结构必须满足裂解气急冷的特殊条件：急冷换热器管内通过高温裂解气，入口温度约827℃，压力约110KPa（表），要求在极短时间内（0.01~ 0.1s），将裂解气温度降到350-360℃，传热的热强度达400 103KJ/m2•h；管外走高压热水，温度约为320-330℃，压力8-13MPa。

由此可知，急冷换热器与一般换热器不同的地方是高热强度，管内外必须同时承受很大的温度差和压力差，同时又要考虑急冷管内的结焦操作操作条件极为苛刻。

9.裂解气进行预分馏的目的和任务是什么？裂解气中要严格控制是杂质有哪些？这些杂质存在的害处？用什么方法除掉这些杂质，这些处理方法的原理是什么？答：裂解气预分离的目的是：✓尽可能降低裂解气的温度，T<650℃时，二次反应基本终止✓尽可能分馏出裂解气的重组分✓在裂解气预分馏过程中将裂解气中的稀释蒸汽以冷凝水的形式分离回收，用以再发生稀释蒸汽✓降低压缩工段负荷✓继续回收裂解气低能位热量裂解气预分馏的作用是：✓保证裂解气压缩机的正常运转，并降低裂解气压缩机的功耗，减少压缩分离系统的进料负荷；✓大大减少污水排放量；✓合理的热量回收，由急冷油回收的热量用于发生稀释蒸汽，由急冷水回收的热量用于分离系统的工艺加热。

裂解气中含有H2S、CO2、H2O、C2H2、CO等气体杂质，若不脱除，进入到乙烯、丙烯产品中，影响产品质量，故必须脱除杂质。

（1）酸性气体的脱除裂解气中的酸性气体主要是指CO2和H2S，这些酸性气体含量过多时，会带来如下危害：H2S：能腐蚀设备管道，使干燥用的分子筛寿命缩短，还能使加氢脱炔和甲烷化用的催化剂中毒。

CO2：在深冷操作中会结成干冰，堵塞设备和管道，影响正常生产。

当乙烯、丙烯产品中的酸性气体含量不合格时，可使下游加工装置的聚合过程或催化剂中毒。

所以，必须将这些酸性气体脱除，要求将裂解气中的H2S和CO2的摩尔含量分别脱除至1* 10-6以下。

裂解气中的酸性气体，一般是用物理吸收法或化学吸收法脱除，应用最广泛的是以NaOH溶液作吸收剂的碱洗法，其次是以乙醇胺溶液作吸收剂的乙醇胺法。

（2）水分的脱除经压缩并分离段间凝水后的裂解气中饱和水含量为 600～700ppm，在低温分离系统会结冰，形成水烃合物白色结晶(如：CH4•6H2Ｏ，C2H6•7H2O等)，堵塞设备及管道。

为避免低温系统冻堵，要求将裂解气中水含量（质量分数）降至1* 10-6以下。

工业上应用最广泛的是分子筛、活性氧化铝硅胶为干燥剂的固体吸附法。

（3）少量炔烃的脱除：乙炔富集于C2馏分，甲基乙炔和丙二烯富集于C3馏分，若将它们混于乙烯、丙烯产品用于衍生物的生产过程，特别是用于聚合反应时，影响聚合催化剂寿命，产生不希望的副产品，恶化产品质量，形成不安全因素。

因此，必须脱除，使乙烯产品中的乙炔（摩尔分数）低于5 *10-6，丙烯产品中甲基乙炔低于5* 10-6，丙二烯低于1*10-5。

溶剂吸收法和催化加氢法。

溶剂吸收法是使用溶剂吸收裂解气中的乙炔以达到净化目的，同时也回收一定量的乙炔。

催化加氢法是将裂解气中乙炔加氢成为乙烯或乙烷，达到脱除乙炔的目的。

10. 脱除酸性气体有哪2种方法？各有什么优缺点？答：脱除酸性气体的方法有碱洗法和乙醇胺法两种。

其优缺点如下表：11. 裂解气的压缩和制冷的目的是什么？答：裂解气的压缩是为了节约冷量，因为裂解气中许多组分在常压下都是气体，其沸点很低，常压下进行各组分精馏分离，则分离温度很低，需要大量冷量。

为了使分离温度不太低，可通过压缩气体适当提高压力。

裂解气的制冷是为了在深冷分离过程中，利用制冷剂压缩和冷凝得到制冷剂液体，再于不同压力下蒸发以获得不同温度级位的冷冻过程。

12.压缩气的压缩为什么采用多级压缩？确定段数的依据是什么？答：目前，工业上一般认为经济上合理、技术上可行的裂解气压缩机出口压力约为3.7 MPa，而压缩机的入口压力一般为0.14 MPa，提高入口压力虽可节约压缩机功率，但对裂解反应不利，故为节约能量，采用多级压缩。

原因：（1）节约压缩功耗：绝热压缩功耗大于等温压缩，将压缩分段进行，段间冷却移热，可节约压缩功耗。

（2）降低出口温度；（3）实现段间净化分离，减少分离净化负荷。

段间冷凝除去大部分水，冷凝部分C3及C3以上的重组分，减少进入深冷系统的负荷，相应节约了冷量依据：压缩段数应满足工艺要求，必须控制每段压缩机出口的裂解气温度不高于100℃，以避免发生二烯烃的聚合，由此根据下式计算出每段压缩比，最终确定段数。

13. 什么是裂解气的前加氢和后加氢工艺？答：裂解气的前加氢是指在裂解气中氢气未分离出来之前，利用裂解气中H 2进行选择性加氢，以脱除其中的炔烃；后加氢是指裂解气分离出C2馏分、C3馏分后，再分别对C2和C3馏分进行催化加氢，以脱除乙炔、甲基乙炔和丙二烯。

14.裂解气分离流程各有不同，其共同点是什么？答：（1）在分离顺序上遵循先易后难的原则，先将不同碳原子数的烃分开，再分同一碳原子数的烯烃和烷烃；（2）将生产乙烯的乙烯精馏塔和生产丙烯的丙烯精馏塔置于流程最后，可确保这两个主要产品纯度，同时也减少分离损失，提高烯烃收率。

15.何谓非绝热精馏？何种情况下采用中间冷凝器或中间再沸器？分析其利弊？答：非绝热精馏——在塔中间对塔内物料进行冷却和加热的过程。

使用条件：对于顶温低于环境温度、底温高于环境温度，且顶底温差较大的精馏塔。

利：可降低分离过程的有效能损失，达到节省能量的目的。

对中间再沸器而言，还可减小提馏段塔径。

弊：由于中间冷凝器和中间再沸器的设置，在降低塔顶冷凝器和塔釜再沸器负荷的同时，会导致精馏段回流和提馏段上升蒸气的减少，故为了达到分离要求，就相应增加塔板数，从而增加设备投资。

16. 裂解气分离流程中能耗最大的两个是什么？答：裂解气分离流程中能耗最大的两个分别是“脱甲烷”和“乙烯精馏”。