最新乙烯生产工艺路线盘点

http://www.chem.hc360.com2017年06月19日15:00 来源:化工进展T|T

    慧聪化工网讯:如果以1921年乙烯生产工业化作为开端,世界乙烯工业已走过90多年历程。2014年,世界乙烯产能为1.53亿吨,乙烯生产装置271套,平均规模为56.5万吨/年,同比增长4.3%。世界范围内,已建和在建生产能力在100万吨/年以上的裂解装置已达40多套。美国是世界大的乙烯生产国,2014年乙烯生产能力为2842.6万吨,占世界总产能的18.5%;中国排名第二,占世界总产能的13.4%。

    过去几年,中国乙烯产能和需求量均呈现增长态势,产能从2011年的1536.5万吨增至2015年的2137.5万吨,年均增幅为6.8%;产量从2011年的1553.6万吨增至2015年1730.3万吨,年均增幅为2.2%;当量需求量从2011年的3132.4万吨增至2015年的3733.0万吨,年均增幅为3.6%。

    截至2015年底,我国共有乙烯生产装置45套,石脑油裂解制乙烯和煤(包括MTO)制乙烯分别占乙烯总产能的84.7%和13.1%,另外,还有两套乙烯生产装置分别采用CPP和DCC技术。

    到目前为止,世界上约98%的乙烯生产采用管式炉蒸汽裂解工艺,还有2%的乙烯产能采用煤(甲醇)制烯烃等其他乙烯生产技术。另外,正在探索或研究开发的非石油路线制取乙烯的方法有:以甲烷为原料,通过氧化偶联(OCM)法或一步法无氧制取乙烯;以生物质乙醇为原料经催化脱水制取乙烯;以天然气、煤或生物质为原料经由合成气通过费-托合成(直接法)制取乙烯等。 

    1、石油路线乙烯工艺

    1.1管式炉蒸汽裂解制乙烯

    对于一套乙烯装置来说,裂解炉技术和可操作性是基石。大型化、提高裂解深度、缩短停留时间、提高裂解原料变化的操作弹性已成为裂解炉技术的主要趋势。近年来,各乙烯技术专利商在炉膛设计、烧嘴技术、炉管结构、炉管材料、抑制结焦技术等方面均取得了一些进展。已建的大石脑油裂解炉能力为20万吨/年,大的乙烷裂解炉能力为23.5万吨/年。

    分离过程是乙烯生产的核心过程,目前世界乙烯分离技术主要分为3大类,即顺序分离技术、前脱丙烷前加氢技术和前脱乙烷前加氢技术。为了降低分离装置的能耗和设备投资、改进操作工艺、减少设备腐蚀、延长操作周期和减少废弃物生成,各专利商开发了新的乙烯分离单元技术和分离设备。

    二元/三元制冷技术可用单一的制冷系统满足一套裂解装置中温度和压力变化所需的冷量,降低了投资成本,提高了可靠性。催化精馏技术将催化反应和精馏分离过程集成在一起,简化工艺流程,减少设备投资。热集成精馏系统将取代分凝分馏塔,成为第二代先进回收技术(ARS)的核心设备,大幅提高分离效率。

    分壁式精馏塔用于乙烯分离,不仅可提高分离效率,还能减少设备,节省投资。但分壁式精馏塔的应用难点在于它的控制方案较复杂,因此需要加强分壁式精馏塔的动态特性研究,确定优化控制方案。经过多年开发,管式炉蒸汽裂解工艺已经成熟,现有乙烯装置主要通过各种先进技术和流程的组合,不断地进行工艺整体优化。未来蒸汽裂解生产乙烯技术的发展方向仍是向低能耗、低投资、提高裂解炉对原料的适应性和延长运转周期方向发展。

    1.2石脑油催化裂解制乙烯

    石脑油催化裂解是结合传统蒸汽裂解和FCC技术优势发展起来的,表现出了良好的原料适应性和较高的低碳烯烃收率,多年来经过学术界和工业界的不懈努力,取得了许多进展。根据反应器类型,石脑油催化裂解技术主要分为两大类。

    一是固定床催化裂解技术,代表性技术有日本工业科学原材料与化学研究所和日本化学协会共同开发的石脑油催化裂解新工艺,以10%La/ZSM-5为催化剂,反应温度650℃,乙烯和丙烯总产率可达61%,P/E质量比约为0.7。另外还有俄罗斯莫斯科有机合成研究院与莫斯科古波金石油和天然气研究所共同开发的催化裂解工艺,韩国LG石化公司开发的石脑油催化裂解工艺以及日本旭化成公司等开发的工艺。尽管固定床催化裂解工艺的烯烃收率较高,但反应温度降低幅度不大,难以从根本上克服蒸汽裂解工艺的局限。

    另一类是流化床催化裂解技术,代表性技术有韩国化工研究院和SK能源公司共同开发的ACO工艺,该工艺结合KBR公司的Ortho-flow流化催化裂化反应系统与SK能源公司开发的高酸性ZSM-5催化剂,与蒸汽裂解技术相比,乙烯和丙烯总产率可提高15%~25%,P/E质量比约为1。

    我国也有多家机构从事相关研究。中国石化北京化工研究院从2001年开始进行石脑油催化裂解制低碳烯烃研究,在反应温度为650℃,水/油质量比为1.1,空速为1.97h–1的条件下,乙烯收率为24.18%,丙烯收率为27.85%。另外中国石化上海石油化工研究院、中国科学院大连化学物理研究所等研究机构也开发了石脑油催化裂解制烯烃技术。

    从理论上讲,石脑油催化裂解技术是降低反应温度、减少结焦、提高乙烯收率和节能降耗的有效技术,尽管各工艺在实验室研究阶段都取得了较理想的效果,然而由于种种技术和工程上的困难,工业化进程十分缓慢。

    1.3重油催化裂解制乙烯

    我国在重油催化裂解制乙烯领域进行了卓有成效的开发研究并取得了重要进展。中国石化洛阳石油化工工程公司开发的重油接触裂解技术(HCC),在提升管出口温度为700~750℃、停留时间小于2s的工艺条件下,以大庆常压渣油为原料,选用选择性好、水热稳定性和抗热冲击性能优良的LCM-5催化剂,乙烯产率可达19%~27%,总烯烃的产率可达到50%。2001年采用该工艺在中国石油抚顺石化分公司建设了工业试验装置。

    中国石化石油化工科学研究院在深度催化裂化技术(DCC)基础上开发的催化热裂解技术(CPP),采用具有正碳离子反应和自由基反应双重催化活性的专用催化剂CEP-1,在反应温度620~640℃,反应压力0.08~0.15MPa(表压),停留时间2s,剂油比20~25条件下,以大庆减压瓦斯油掺56%渣油为原料,按乙烯方案操作,乙烯收率为20.37%,丙烯收率为18.23%。2009年,该技术在沈阳化工集团50万吨/年CPP装置上实现工业化应用。

    1.4原油直接裂解制乙烯

    为避免依赖于炼油厂或气体加工厂提供原料,一些公司开发出直接裂解原油的工艺,其主要特点在于省略了传统原油炼制生产石脑油的过程,使得工艺流程大为简化。2014年,埃克森美孚公司在新加坡建成了全球首套原油直接裂解制乙烯装置,乙烯产能为100万吨/年。其主要工艺改进是在裂解炉对流段和辐射段之间加入一个闪蒸罐,原油在对流段预热后进入闪蒸罐,气液组分分离,气态组分进入辐射段进行裂解,液态组分则作为炼厂原料或者直接卖出。以原油价格为50美元/桶计,东南亚地区石脑油价格高于原油价格,该工艺将显著降低裂解原料成本。

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