乙烯生产工艺设计论文

摘要：
关键词：
前言
乙烯的生产主要采用蒸汽裂解法，其产量超过总产量的90％，因而，对其新工艺、新设备的研究、新材料的应用、过程的优化配置等方面倍受关注，不断推出原料适应性强、乙烯收率和热效率高的新型蒸汽裂解炉。

目前，石脑油裂解温度已提高到840～860℃，单程小直径炉管裂解温度巳提高到900℃，石脑油裂解单程乙烯收率提高到28％～35％。

由于蒸汽裂解法技术已日臻完善，可改进的余地并不大，加上该法反应温度高、所用耐高温合金材料昂贵、耗能高、易结焦、以及原料要求苛刻(轻质原料油)，所以近年来，催化工作者将更多的注意力转向用其他新技术生产乙烯的研究，包括催化裂解制乙烯技术、甲烷氧化偶联技术、乙烷氧化脱氢技术、炼厂干气选择氧化技术、天然气经甲醇或二甲醚制低碳烯烃技术等。

这些技术的目的在于优化乙烯原料资源配置，从天然气到重油(渣油)各种烃类都得到充分利用，并节能降耗，降低乙烯成本，提高乙烯收率。

催化裂解制乙烯是在高温蒸汽和酸性催化剂存在下，烃类裂解生成乙烯等低碳烯烃的技术。

该过程是以自由基反应为主，伴随着碳正离子反应，因而比蒸汽裂解反应温度低。

通过对固体酸催化剂的改性，可选择性地裂解生成以乙烯为主的低碳烯烃，收率在50％以上，从而突破传统的催化裂化生产液相产品为主的技术路线。

催化裂解制取低碳烯烃的研究始于上世纪60年代，到80年代仅有前苏联半工业化生产试验的报道，以及2000年日本工业化报道。

石油化工科学研究院从80年代中期开始了重油催化裂解制丙烯技术，近年来又开始研究重油催化裂解制乙烯技术，也有相当的进展。

洛阳石油化工工程公司炼制研究所于80年代末开展了对重油直接催化裂化制乙烯工艺和催化剂的研究工作，现已进入工业化试验阶段。

烃类催化裂解制轻烯烃是一种有吸引力的技术，到目前为止，国内外已发表了许多研究结果和专利，其研究的目标如下：
(1)提高烯烃的选择性以减少原料消耗；
(2)降低反应温度，降低烯烃生产的能耗；
(3)增加裂解反应产品分布的灵活性，不但可提高乙烯收率，亦可增加丙烯收率；
(4)提高乙烯装置对原料的适应性，提供能加工重质烃类馏分生产轻烯烃的技术，因为重烃直接用于管式炉热裂解是很困难的。

催化裂解主要致力于催化剂的开发，此类催化剂应具有高活性和选择性以及低的氢转移活性，既要保证比热裂解过程中的乙烯等低级不饱和化合物收率更高，甲烷和
液体产物更低，同时还要具有高稳定性和强度，而且应结焦少，以保证长周期运转。

国外催化裂解制乙烯专利中申请的催化剂大致可分为三大类：
(1)无定性和结晶型硅铝酸盐类常规裂解催化剂；
(2)碱或碱土金属铝酸盐化合物；
(3)在不同载体上载有不同金属氧化物的催化剂，载体有氧化铝、浮石及无定性和结晶型(沸石)硅酸铝等。

烃类裂解制乙烯非酸性催化剂
烃类裂解制乙烯研究工作始于二十世纪60年代，研究核心是开发合适的催化剂，揭示非均相裂解机理及载体与催化剂之间的相互影响。

各种催化剂在700～750℃间可获得高乙烯收率，重点是解决催化剂的稳定性和结焦后催化剂的再生问题。

有文献报道，以钒酸钾为催化剂，比表面积小(<1m2／g)、氧化硼改性的α—氧化铝大孔陶瓷(孔径10、15μm)为载体，所用的原料为沸程42～180℃的直馏汽油、汽油—催化重整抽余油(40～150℃)和宽馏份轻烃，进行了半工业试验研究。

结果表明：
(1)该催化剂适用于各种馏分和组成的气体和裂解原料。

(2)催化剂加速了烃类裂解，提高了乙烯选择性，与热裂解相比活化能降低60～
80kJ/mol。

(3)催化裂解按自由基机理和按均相—非均相机理进行，一次断裂键为均相和非均相，二次转化主要为非均相反应。

(4)汽油在空速3～3.5h-1、稀释蒸汽(质量分数)60％～75％条件裂解时，适宜的裂解温度为780～785℃，丙烯在760℃达到峰值；停留时间为0.1～0.2s时乙烯、丙烯收率最高。

可见，其最佳裂解温度比热裂解要低30～60℃。

(5)汽油裂解运行2000h，焦炭为12％(以催化剂计)，此结焦量可与热裂解过程的结焦情况相比拟。

(6)催化剂在最佳条件下运行5000h，未发现催化剂活性下降，可见稳定性很好。

(7)催化剂总使用寿命为3年，再生周期为1500～2000h，可用含少量氧的蒸汽—空气再生，再生时间为24～30h。

前苏联古比雪夫合成醇厂将原处理量为4t汽油/h的高温热裂解炉改为催化裂解炉后，裂解温度由830℃降为780～790℃，停留时间从O.6～0.7s缩短至0.1～0.2s，而乙烯收率从26％提高到34.5％，丙烯收率从14.6％增加到17.5％。

HCC工艺借鉴了成熟的重油催化裂化工艺技术，采用提升管反应器（或下行管式反应器）来实现高温(660～700℃)、短接触时间(<2s)的工艺要求，所用的催化剂可选自SiO2、Al203、MgO、CaO、BaO、ZrO2、MnO2、TiO2化合物及其混合物。

也可采用经
碱性或碱土金属氧化物改性的硅酸铝(天然的或人工的)。

此外，还可以加入部分八面沸石或经Ⅷ族、ⅦB族、ⅥB族金属离子交换的八面沸石。

为了满足HCC工艺的要求，该催化剂必须具有较好的裂化活性、裂解选择性和焦炭选择性，适当的孔体积、孔径分布和比表面积及较强的抗重金属污染的能力，良好的机械强度、水热稳定性和流态化性能。

在中型提升管试验装置上，用LCM-5放大样品考察四种重质原料油的裂解性能。

在优化工艺条件下的裂解试验结果表明，三种渣油中，ATB－1的裂解性能最好，在相对缓和的工艺条件下，乙烯产率25.95％，丙烯产率14.09％，C2～C4总烯烃产率达到46.64％。

另外两种渣油的裂解性能略差。

试验选用的直馏馏分油的乙烯和丙烯产率分别达到27.74％和15.77％，C2～C4总烯烃产率达到53.63％。

对照原料油性质可知，重油裂解与轻质油裂解相似，也存在原料油性质的影响，随着原料油BMCI值的增加，乙烯及总烯烃产率呈下降趋势。

烃类裂解制乙烯酸性催化剂研究
最近，日本材料与化学研究所和日本国家石油化学公司用负载于沸石上的镧催化剂，小试乙烯和丙烯的总收率达到61％，在3000t/a装置上的裂解条件为650℃和0.1～0.2MPa，裂解温度比传统热裂解的820℃低，能耗降低20％。

有文献将具有ZSM-5结构的沸石催化剂应用于催化裂解制乙烯工艺，并在此方面获得了有吸引力的较系统的研究结果。

由此看来，在催化剂中适当增加合适种类的沸石，再辅以金属或金属氧化物改性，是催化裂解制乙烯催化剂的发展方向。

有文献还报道说，进一步选用了具有MFI结构的五元环高硅沸石ZRP(具有与ZSM-5相同的结构)作为催化裂解催化剂的活性组分。

ZRP-1是一种含稀土的五元环沸石，已被成功应用在催化裂解制丙烯的DCC工艺中，ZRP-3是一种含稀土且硅铝比比ZBP-1高1倍左右的五元环沸石。

在小型固定流化床反应装置上，采用大庆蜡油为原料，在反应温度680℃、剂油比10、质量空速10h-1操作条件下，进行了含ZRP-3和ZRP-1催化剂的对比试验。

结果显示，含ZRP-3催化剂的乙烯产率、乙烯选择性和乙烯/丙烯比都明显高于ZRP-1对比剂。

这是由于ZRP－3沸石不含稀土，进一步降低了催化剂的氢转移反应活性，提高了催化剂的烯烃选择性。

因此，ZRP－3沸石适合作为催化热裂解催化剂的基础活性组分。

为了进一步提高催化剂的乙烯选择性，用钙和镁碱金属离子对ZRP－3沸石进行改性，对三种催化剂进行了对比评价。

结果表明，与ZRP－3相比，经钙改性的催化剂的乙烯产率、乙烯选择性和乙烯／丙烯比变化不明显，而经镁改性的催化剂的乙烯产率、乙烯选择性和乙烯／丙烯比明显提高。

ZRP-3沸石经碱土金属离子改性后，沸石的酸
性和酸中心分布发生了变化。

用吡啶—红外光谱法测定经800℃、100％水蒸气老化处理4h后沸石样品的酸性数据可知，钙离子改性ZRP-3沸石的L酸／B酸比与母沸石ZRP-3相近，但镁离子改性ZRP-3沸石的L酸／B酸比是母沸石ZRP-3的1.5倍。

这进一步证明了L酸对提高乙烯收率有显著作用。

将不同含量的氧化镁和一定量的基质、粘接剂和Mg／ZRP-3沸石混合制浆制备成催化剂，考察碱土金属含量对催化剂裂解性能的影响。

结果表明，随着催化剂中氧化镁含量的增加，乙烯和丙烯的产率也随之增加，其中乙烯的增加幅度更大。

这主要是因为氧化镁的加入，促进了自由基反应，从而使乙烯产率大幅度提高。

谢朝钢、潘仁南等认为，催化裂解催化剂有良好的水热稳定性、较多的L酸中心和低的氢转移活性。

选取了以L酸为主的3种分子筛催化剂，即CPC—I、CPC-2和CPC-3，作为催化裂解制乙烯催化剂，用一种石蜡基原料油进行了催化裂解对比试验。

结果证实，选择含有较多L酸中心而氢转移活性又低的分子筛催化剂可以突破常规以B酸为主的催化剂而增加自由基反应，多产乙烯。

在中型提升管反应装置上，以大庆蜡油掺30％减压渣油为原料，采用CEP催化剂，在提升管出口温度为620℃、剂油质量比为22.5、提升管停留时间为2.1s、再生催化剂与油接触前的温度为750℃条件下进行催化热裂解试验，可以得到24.27％的乙烯和14.70％的丙烯。

CEP的反应温度比洛阳和日本的反应温度有明显的下降，说明改性的ZSM-5沸石在降低反应温度提高乙烯方面确实效果显著。

有文献详细研究了ZSM-5沸石引入不同过渡金属对催化裂解制乙烯反应的影响。

他们将Ag、Co、Cr、Ti、Cu等以氧化物形式引入到HZSM-5沸石中，使催化剂具有氧化还原和酸性的双功能，并在轻油微反应活性评价装置上评价这些催化剂的催化裂解性能，反应温度为650℃，催化装置为5.0g，进油量1.56g，剂油质量比3.2g，质量空速16h-1。

结果表明，所有ZSM-5沸石的乙烯收率都高于石英砂的反应，与ZSM-5沸石相比，只有Co、Mn交换的ZSM-5沸石的乙烯产率较低，其他过渡金属交换的ZSM-5沸石的乙烯产率都高于HZSM-5沸石，以Ag交换的最高。

另外，所有过渡金属交换的ZSM-5沸石的丙烯产率均低于HZSM-5沸石。

作者认为，金属离子赋予沸石分子筛以氧化性，氧化性可以促使一部分碳正离子转变为自由基，所以金属离子氧化性越强，乙烯收率越高，丙烯收率应该越低，证明了在沸石中引入氧化还原性能，还可以提高乙烯收率。

综上所述，催化裂解制乙烯是一个以自由基反应为主的过程，该机理要求反应在高温水蒸气条件下进行，由于催化剂的存在，该过程可以在比蒸汽裂解低的温度下进行，但温度过低(例如低于600℃)，反应势必以碳正离子反应为主，不能生成乙烯。

自由基在反应中的主导地位决定了催化剂的化学性质应和常规催化裂化催化剂有明显的不同。

例如，虽然已证明，ZSM-5沸石也是催化裂解制乙烯过程的有效活性组分，但在此基础之上应引入氧化还原性能的过渡金属，并将整个催化剂改性为以L酸为主的酸催化剂。

因为L酸和氧化还原性能促进自由基的生成，降低反应温度，只在此基础之上才能有效发挥ZSM-5沸石孔道进一步将较大分子烃裂解成小分子烃的功能，提高乙烯收率。

目前该过程最低的反应温度在620～660℃。

石脑油催化裂解制乙烯催化剂开发的建议
根据催化裂解反应机理以及国内外已有的研究结果，石脑油催化裂解制乙烯催化剂应具有下面的制备特点和要求：
(1)八面大孔沸石的添加。

八面沸石(例如USY)的添加目的也是对较大分子烃的一次裂解。

同样，由于石脑油本身较轻，所以八面沸石的增加量不能多。

再者，八面沸石一般具有较强的氢转移性能，使产品中的烷／烯比增加，从这个角度说，催化裂解制乙烯，特别是以石脑油为原料时，不宜多加八面沸石。

具体加入量应由试验确定。

(2)ZSM-5沸石活性组分的改性。

分子筛固体酸的存在是催化裂解乙烯有望在较低温度下(与蒸汽热裂解相比)进行的必要条件。

但如果仅仅是HZSM-5沸石，那么催化裂解得到的低碳烯烃将是碳正离子反应的结果，即以丙烯为主。

ZSM-5沸石改性的目的是使催化剂能促进自由基的生成。

改性的手段主要有三：
一是添加过渡金属氧化物，使催化剂活性组分具有氧化还原性能；
二是对ZSM-5沸石进行碱土或过渡金属离子交换，使催化剂的酸性以L酸为主；
三是提高ZSM-5沸石的硅铝比，使之降低氢转移活性，提高对轻烃分子的裂解能力。

(3)催化剂孔尺寸分布梯度的改善。

ZSM-5是五元环小孔沸石，适当地加入ZSM-5沸石，使催化剂上二次裂解后的大于C4的轻烃进一步进入ZSM-5沸石的晶孔中进行二次裂解，生成低碳烯烃。

由于ZSM-5活性组分同时具有氧化性能，以及以L酸为主的酸性，此时在晶孔中得到的低碳烯烃大部分是自由基反应的结果，并以乙烯为主。

(4)热和水热稳定性。

由于催化剂要经受比催化裂化苛刻得多的操作条件，所以，此时催化剂应具有很高的热和水热稳定性，另外，要有良好的机械强度、耐磨性和流化性能。

(5)抗金属中毒能力。

由于石脑油中的金属杂质含量一般不会像重油和渣油中那么多，所以对催化剂的抗金属中毒能力要求不太高。