乙烯深冷分离工艺中 冷能的利用

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2. 1 LNG冷量用于乙烯深冷分离工艺的换 热网络参数条件
从表 2、表 3 可知 ,脱甲烷塔进料冷却 、预切割 塔顶流出物冷凝 、乙烯精馏塔顶尾气冷凝以及预切 割塔进料冷却所需冷量比较大 ;而甲烷冷剂的制冷 负荷很小 ,仅为 254 kW ,但由于 LNG的温度比乙烯 冷剂的温度低 ,可将甲烷冷剂在较低的压力下冷凝 , 从而减少甲烷冷剂的压缩功耗并替代原工艺中的乙 烯冷剂. 用 LNG冷量替代部分三机压缩制冷系统提 供的冷量将上述热物流冷却至所需温度 ,冷热物流 的换热网络运行条件如表 4 所示. 该网络中各工艺 热物流所需的冷量负荷总计为 22 472 kW ,为将上述 热物流冷却至所需温度 ,需 122 ×104 t/ a 的 LNG提 供 29 368 kW 的冷量负荷.
15 129
55. 4
- 40. 3
1 975
7. 2
- 40. 3
3 560
13. 0
- 23. 5
986
3. 6
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486
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2 319
8. 5
18. 4
323
表 2 乙烯制冷系统提供的冷量分配 Table 2 Cold energy distribution p rovided by ethylene refrigera2
tion system
冷置用户 乙烯精馏塔塔顶尾气冷凝 预切割塔塔顶流出物冷凝
脱甲烷塔进料冷却 脱甲烷塔进料冷却 脱甲烷塔进料冷凝 脱甲烷塔进料冷凝
乙烯深冷分离制冷工艺工序中的三机 (丙烯压 缩机 、乙烯压缩机 、甲烷压缩机 )制冷系统需要压缩 机做功提供从 - 167 ~18 ℃ 8 个不同温位的冷量 ,
将乙烯裂解气中的 C1 ~C3 烃依次分离 ,其中丙烯制 冷系统提供 - 40℃以上各温度级的冷量 ,乙烯制冷 系统提供 - 102 ~ - 40 ℃各温度级的冷量 [ 9 ]. 文中 通过深冷温位换热网络的集成 ,将 LNG冷能用于乙 烯深冷分离工艺过程 ,部分取代传统乙烯深冷分离 工艺中三机压缩制冷系统提供的冷量 ,以实现 LNG 冷能资源的综合利用和降低乙烯的能耗成本.
甲烷冷剂冷凝 总计
温度 / ℃ 冷量负荷 / kW 比例 / %
- 62. 1
72
2. 0
- 62. 1 1 270
35. 5
- 62. 1
254
7. 1
- 75. 2 1 172
32. 7
- 101. 3
379
10. 6
- 101. 3
181
5. 1
- 101. 3254 Nhomakorabea7. 0
3 582
100
表 3 丙烯制冷系统提供的冷量分配 Table 3 Cold energy distribution p rovided by p ropene refrigera2
甲烷冷剂
- 124. 1 2 800 - 128. 3 68. 3
287
脱甲烷塔进料 - 60. 0 38 082 - 72. 0 97. 7 1 172
预切割塔塔顶 - 44. 6 47 229 - 53. 5 142. 7 1 270
究 ,以降低 LNG气化成本和乙烯深冷分离的能耗. 上述流程分析 ,脱甲烷塔塔顶回流的返塔压力
为 1101M Pa,原工艺中将消耗 614 kW 的压缩功耗 , 将甲烷冷剂压缩至 319M Pa,经冷箱与脱甲烷塔塔顶 气 、乙 烯 冷 剂 换 热 后 , 再 经 节 流 膨 胀 降 压 降 温 至 1101M Pa、- 12813 ℃的工艺条件下回流返塔 ,该过 程需乙烯冷剂提供 254 kW 的冷负荷. 研究中只将甲 烷冷剂压缩至 1105M Pa (设 0104M Pa的流动阻力损 失 ) ,相比原工艺的 319M Pa,将减少压缩机的压缩 功耗 453 kW. 而压缩机出口的 1105M Pa的塔顶气经 脱甲烷塔塔顶甲烷冷却至 - 12411 ℃,然后用 LNG 冷量将其深冷至 - 12813 ℃、1101MPa,再经闪蒸回 流返塔 ,该过程不再需要乙烯冷剂提供冷量.
1 传统乙烯分离装置热负荷分析
文中以某 30 万 t/ a 乙烯的深冷分离系统为研 究背景 ,分析裂解气深冷系统 、分馏系统和三机压缩 制冷系统中需要甲烷冷剂 、乙烯冷剂和丙烯冷剂提 供的冷负荷大小. 以裂解气分离流程为例 ,质量流量 73131 t/ h的裂解气 (其组成如表 1 所示 )在 15 ℃、 3145M Pa的工艺条件下 ,冷却至一定温度后经预切 割塔将乙烷以上的轻烃从塔底分出后分两股进脱乙 烷塔 ,预切割塔塔顶出料进深冷系统深冷后分四股 进脱甲烷塔 ;脱甲烷塔塔顶出料经压缩后进入深冷 系统深冷裂解气 ,脱甲烷塔塔底出料经脱乙烷塔 、乙 烯精馏塔 、脱丙烷塔 、丙烯精馏塔和脱丁烷塔的顺序 流程将裂解气分离 ,得到乙烯和丙烯产品. 工艺流程 中需要乙烯制冷系统提供冷量的工艺物流为乙烯精
tion system
冷置用户 乙烯精馏塔塔顶尾气冷凝
预切割塔进料冷却 乙烯冷剂冷凝
预切割塔进料冷却 乙烯冷剂冷却 干燥器出料冷却
氢气干燥器进料冷却 甲烷蒸出塔回流罐放空冷凝
乙烯冷剂冷却 洗涤塔塔顶流出物冷凝 低压脱丙烷塔顶流出物冷凝
乙烯冷剂冷却 总计
温度 / ℃ 冷量负荷 / kW 比例 / %
- 40. 3
文章编号 : 10002565X (2009) 0320062205
乙烯深冷分离工艺中 LNG冷能的利用
李亚军 尹华
(华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室 , 广东 广州 510640)
摘 要 : 为解决传统乙烯深冷分离工艺中压缩制冷系统能耗高的问题 ,以 30万吨 /年乙 烯深冷分离装置为研究对象 ,将液化天然气 (LNG)冷能用于乙烯深冷分离工艺 ,取代部 分压缩制冷负荷. 研究结果表明 : LNG冷能在乙烯分离工艺中的利用率达 7615% ,可替代 原工艺中约 22 472 kW 的冷量负荷 ,节省约 11 968 kW 的冷剂压缩制冷系统功耗 ,大幅度降 低乙烯深冷分离装置的能耗成本. 关键词 : 液化天然气 ; 冷能利用 ; 乙烯 ; 深冷分离 ; 压缩制冷 中图分类号 : TQ 026. 4; TB 69 文献标识码 : A
表 4 各工艺物流在换热网络中的运行条件 Table 4 Operation conditions of stream s in heat exchanger net2
wo rk s
名称
物流进 、出换热网络的运行条件 热负
初始温 流量 / 目标温 平均热容 / 荷 / kW 度 / ℃ ( kg·h - 1 ) 度 / ℃ ( kW·K - 1 )
含量 / % 0. 12 42. 40 0. 38 0. 05 1. 12 0. 03
组分
CH4 C2 H6 1, 32C4 H6 N 2C4 H10 C5 H12
含量 / % 18. 50 8. 20 4. 99 0. 07 0. 08
流程模拟分析结果表明 ,该乙烯深冷分离工艺 中的开式甲烷制冷系统需将甲烷冷剂 (部分塔顶甲 烷气 )从 0161M Pa加压至 319M Pa (消耗压缩功耗约 614 kW ) ,经水冷后进入冷箱 ,压缩后的脱甲烷塔顶 气在 - 11118 ℃全部冷凝 ,然后再通过节流阀节流 膨胀降压降温 , 在 - 12813 ℃、1101 M Pa 下进闪蒸 罐. 经闪蒸罐后 ,液相返塔回流 ,气相进深冷系统为 裂解气提供冷量. 而乙烯制冷系统提供的冷量 5515%用于脱甲烷塔进料的深冷 ;丙烯制冷系统提 供的冷量除了 5514%用于乙烯精馏塔塔顶尾气冷 凝 ,还有约 17%用于乙烯冷剂的冷却和冷凝. 两系 统的冷量分配如表 2、表 3 所示. 根据表 2、表 3所示乙烯制冷系统和丙烯制冷 系统提 供 的 冷 量 分 配 , 利 用 化 工 流 程 模 拟 软 件 A spen Plus计算可知 ,从乙烯制冷系统和丙烯制冷 系统获得表 2、3中列出的冷量负荷 ,乙烯及丙烯冷 剂的压缩功耗分别为 2 360 kW 和 13 068 kW ,加上
组分
H2 C2 H2 C3 H6 C4 H8 C3 H4 C6 H12
表 1 裂解气组成 Table 1 Composition of cracking gas
含量 / % 1. 59 1. 20 16. 80 3. 17 1. 24 0. 003
组分
CO C2 H4 C3 H8 I2C4 H10 C5 H10 C6 H6
收稿日期 : 2008203231 作者简介 : 李亚军 (19692) ,女 ,副教授 ,主要从事化工过程能量优化 、天然气高效利用的研究. E2mail: liyajun@ scut. edu. cn
第 3期
李亚军 等 : 乙烯深冷分离工艺中 LNG冷能的利用
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馏塔塔顶尾气冷凝 、预切割塔塔顶流出物冷凝 、脱甲 烷塔进料冷却和进料冷凝以及甲烷冷剂冷凝 ;需丙 烯制冷系统提供冷量的工艺物流为乙烯精馏塔塔顶 尾气冷凝 、预切割塔进料冷却 、压缩制冷系统的乙烯 冷剂冷却和冷凝 、低压脱丙烷塔塔顶尾气冷凝等 ;开 式甲烷制冷系统则为裂解气深冷系统提供冷量 ,保 证脱甲烷塔进料温度.
乙烯制冷系统和丙烯制冷系统需为乙烯深冷分 离工艺提供 - 10113~18 ℃的冷量 ,从温位的角度来 看 ,可考虑用 LNG冷量全部替代乙烯和丙烯制冷系
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华 南 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
第 37卷
统的制冷负荷 ;但由表 2、表 3 的分析结果可见 ,有 些换热器的冷量负荷太小 ,故从投资和可操作性的 角度分析 ,用 LNG冷量完全替代两机压缩制冷的冷 量较困难. 文中仅考虑用 LNG冷量替代部分乙烯和 丙烯制冷系统提供的冷负荷.
常压下液化天然气 (LNG)是一种 - 16010 ℃的 低温液体 ,在供应给下游用户之前需将其气化并加 热至 010 ℃以上 ,通常利用海水或燃料来实现 , LNG 汽化时会放出大量的冷能 ,造成能源的极大浪 费 [ 122 ]. 按照目前的 LN G生产工艺 ,其动力消耗约为 850 kW ·h / t(以每吨 LNG计 ) ,而在接收终端 110 t LNG汽化大约可释放出约 230 kW ·h的冷能 [ 324 ]. 美 国 、日本等发达国家在 20世纪 80 年代起就开始了 LNG冷能利用技术的研究 [ 528 ] ,如发电 、空分 、液态 乙烯 贮 存 、干 冰 制 造 、冷 库 等 工 业 通 过 回 收 利 用 LNG的冷量 ,替代了大量用于制冷所消耗的电能. 根据我国的能源战略规划 ,将在长三角 、环渤海地 区 、泛珠三角地区建设 10个左右的 LNG接收站 ,到 2020年形成年进口 5000万吨以上规模的 LNG接收 设施. 充分利用好我国进口 LNG 所携带的冷能 ,已 成为 LNG产业节能降耗的战略任务之一. LNG冷量 的回收利用 ,不仅可以减少其气化费用 ,还可减少气 化带来的环境污染问题 ,对节约资源 、提高能源的利 用效率 、发展循环经济具有十分重要的意义.
第 37卷 第 3期 2009年 3月
华 南 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
J ou rna l of S ou th C h ina U n ive rsity of Techno logy (N a tu ra l S c ience Ed ition)
V o l. 37 N o. 3 M arch 2009
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甲烷冷剂 614 kW 的压缩功耗 ,三机压缩的总功耗为 16 042 kW.
2 LN G 冷 量 用 于 乙 烯 深 冷 分 离 工 艺 的集成
LNG加压至 7~8M Pa时 ,其温度为 - 145 ℃,在 送入高压管网之前需消耗燃料 (天然气 )将其加热 至 0 ℃左右气化 ,故有大量冷量释放 ,约 180 kW ·h / t (以每吨 LNG计 ). 根据上述裂解气分离所需冷量的 分析结果 ,以 LNG为冷源 、裂解气分离中的各工艺 物流为冷阱 ,进行以 LNG冷量部分替代三机压缩制 冷系统提供乙烯深冷分离工艺所需冷负荷的集成研
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