乙烷裂解炉的模拟分析

郑云栋,杨松柏,鲁浩然,祁小娟,翟迎春,闫 飞

(1.北京圣金桥信息技术有限公司，北京市 100083；
2.中国石油独山子石化公司塔里木石化分公司，新疆 库尔勒 841000；
3.昆仑数智科技有限责任公司，北京市 100010)

随着多个乙烷裂解装置的建设，在装置生产过程中优化乙烷裂解炉操作也是提质增效的重点工作[1]，其中利用流程模拟作为工具成为提升产品质量、节能降耗的重要手段。利用SPYRO软件模拟某乙烷制乙烯装置乙烷裂解炉并分析工艺条件的影响。

提取一台乙烷裂解炉2021年某一运行周期数据对裂解炉进行建模并对收率准确性进行对比，在这个过程中进行校正以保证软件计算误差在接受范围内，确保软件计算准确可靠后进行模拟研究。经过模拟计算，裂解炉运行初期数据和计算结果见表1，软件计算结果和实际运行数据进行对比可以看出软件的计算结果比较可靠。

影响裂解反应的主要因素有原料组成、裂解温度、稀释比、裂解压力等，下文主要研究了裂解炉辐射段炉管出口温度(COT)、稀释比、输送管线换热器(TLE)出口压力、进料流量对裂解炉收率的影响。研究过程中为了尽量消除多因素的干扰，采用控制变量法。

2.1 COT对裂解反应的影响

烃类热裂解反应是强吸热反应，裂解温度越高，乙烷裂解生成乙烯的反应越占优势，但温度越高越容易结焦，同时对炉管材质的要求也越高，因此温度并不是越高越好[2]。模拟COT从826 ℃提高至850 ℃时对裂解反应的影响，产品收率见表2。

表1 乙烷裂解炉操作数据和模拟对标结果Table 1 Operating data of ethane cracking furnace and simulation results

表2 COT对产品收率的影响Table 2 Effect of COT on product yield w,%

由表2可以看出，随着COT的升高氢气、甲烷、乙烯和丙烯收率逐渐升高，尤其乙烯收率从48.92%提高到55.71%，COT每升高1 ℃，乙烯收率相对提高0.28百分点。图1为COT对乙烷转化率和反应选择性的影响。

图1 COT对乙烷转化率和反应选择性的影响Fig.1 Effects of COT on ethane conversion and reaction selectivity

由图1可以看出，在这个过程中乙烷的转化率提高较快从75.00%提高到83.70%，但是反应选择性逐渐降低，从46.09%降低到44.01%。同时从图2中COT对结焦速率的影响可以看出第 30天 管壁焦层厚度从6.372 mm提高到11.973 mm。在这个过程中可以看出,COT的提高可以提高乙烯、丙烯产品的收率，并且COT对提高乙烯收率比较明显，但是随着COT提高反应选择性也逐渐降低，乙烷发生副反应的速率增加，氢气和甲烷等副产品生成速率增加，降低了整体经济效益。同时较低COT也是不可取的，较低操作温度下，乙烷转化率较低，同时乙烷收率大会导致乙烷循环量较大，增大了急冷、水洗、裂解气压缩机和分离单元的能耗。因此乙烷炉COT要结合产品收率、转化率、选择性、裂解炉结焦速率和运行过程中绝压比变化情况等进行综合考虑。

图2 COT对结焦速率的影响Fig.2 Effect of COT on coking rate

2.2 稀释比对裂解反应的影响

模拟稀释比对裂解收率的影响见表3，随着稀释比从0.30增加到0.38，氢气、甲烷、乙烯和丙烯收率是逐渐降低的，尤其乙烯收率从51.71%降低到51.49%。同时从图3稀释比对乙烷转化率和反应选择性的影响可以看出,乙烷裂解反应的转化率从78.59%降低到78.16%，转化率在降低的同时，而选择性却从45.29%提高到45.45%。从化学平衡角度，烃类裂解的一次反应是一个分子数增多的过程，对于这样一个过程，降低烃分压有利于提高目标产物的收率。模拟结果出现了相反的现象，这是因为在生产状况下，固定进料流量的情况下提高稀释比，增加了物料的流速,降低了停留时间，国外也研究过同样的情况[3]。在稀释比提高过程中，出口物料的出口线速从167.121 m/s提高到175.913 m/s，停留时间从0.379 s降低到0.363 s，反应停留时间的影响超过了烃类分压的影响，因此反应选择性提高，收率和转化率降低。

表3 稀释比对裂解收率的影响Table 3 Effect of dilution ratio on cracking yield

水蒸气对炉管表面铁和镍有氧化作用，降低催化生焦，并且可以和焦层发生水煤气反应，从而抑制焦层的生成速度。稀释比对结焦速率的影响见图4，由于稀释比的提高和反应停留时间降低两个因素叠加的影响，第30天管壁焦层厚度从8.22 mm 降低到7.97 mm。目前该台裂解炉稀释比从设计值0.30增加到0.37，降低了结焦速率和增加了裂解炉运行周期，这个过程中产品收率略有降低，稀释蒸汽的消耗增大，从9 600 kg/h增加到12 160 kg/h，增加了急冷和水洗塔的能耗。同时增加了稀释蒸汽需要提高加热炉热辐射强度，增加了裂解炉的燃料消耗，燃料气消耗从 2 915 kg/h增加到2 936 kg/h。

图3 稀释比对乙烷转化率和反应选择性的影响Fig.3 Influence of dilution ratio on ethane conversionand reaction selectivity

图4 稀释比对结焦速率的影响Fig.4 Influence of dilution ratio on coking rate

2.3 TLE出口压力对裂解反应的影响

从化学平衡的角度讲，降低裂解炉出口压力有利于提高裂解反应的选择性，出口压力增大，烃分压增加，乙烯收率降低；
出口压力减小，烃分压降低，乙烯收率升高。模拟TLE出口压力对裂解收率的影响如表4所示，随着压力的逐渐提高，乙烯收率均逐渐降低，副产物氢气和甲烷收率提高，丙烯收率也逐渐提高。TLE出口压力从30 kPa提高到90 kPa，乙烯收率从51.52%降低到51.25%。图5为TLE出口压力对乙烷转化率和反应选择性的影响，可以看出随着压力的逐渐提高，乙烷的转化率从78.22%提高到79.65%，选择性逐渐降低，从45.43%降低到44.08%。

裂解炉压力提高后降低了一些容易生焦的结焦前兆体的生成，乙烯的质量收率从51.52%降低到51.25%。图6为TLE出口压力对结焦速率的影响，可以看出,随着压力的逐渐提高，乙烷炉结焦速率逐渐降低。

TLE出口压力的降低增加乙烯的收率，裂解炉出口压力一般由裂解气压缩机决定，当压力过低时，增加裂解炉气压缩机的功率， 需要综合考虑。

表4 TLE出口压力对裂解收率的影响Table 4 Influence of TLE outlet pressure on cracking yield w,%

图5 TLE出口压力对乙烷转化率和反应选择性的影响Fig.5 Effects of TLE outlet pressure on ethane conversion and reaction selectivity

图6 TLE出口压力对结焦速率的影响Fig.6 Influence of TLE outlet pressure on coking rate

2.4 进料流量对裂解收率的影响

裂解炉的特点是高温、短停留时间，在一定的反应温度下，停留时间越短二次反应越少，烯烃收率越高[4]。影响停留时间的两个因素是辐射室炉管长度和进料流量，对于实际装置而言只能改变炉管长度模拟进料流量对裂解收率的影响，这种情况下,乙烷和反应产物压力和浓度在一定程度上会受到影响。

模拟进料量对裂解反应的影响见表5，可以看出,随着乙烷进料流量的增加，氢气、甲烷、乙烯和丙烯的收率逐渐降低，进料量从31 t/h提高到38 t/h，乙烯的收率从51.79%降到了49.99%，进料每增加1 t，乙烯收率相对下降0.25%。进料量对乙烷转化率和反应选择性的影响见图7，反应转化率从78.55%降到了76.40%，反应选择性变化不大，从45.37%上升到45.77%。通过模拟可以发现,进料量从31 t/h提高到38 t/h过程中，停留时间由0.371 s缩短至0.336 s，在这个过程中，一次反应相较初始流量未完全进行，乙烷转化率下降较多，因此可以综合考虑燃料平衡、炉管外壁最高温度(TMT)和运行周期等因素提高COT，提高乙烯的收率。

一般情况而言，裂解炉进料量的增加会降低乙烷原料在炉管的停留时间，乙烷原料在炉管停留时间缩短，二次反应发生的概率越小，结焦速率也会降低。但是实际生产中,为了保持相同的转化率或保持恒定的COT，炉膛内需要提供更多的热量，炉管表面最大温度会增加，炉管压力降也相应增大，因此结焦速率会随着原料进料量的增加而提高，进料量对结焦速率的影响见图8，乙烷炉进料量从31 t/h提高到38 t/h，第30天管壁焦层厚度从7.87 mm增加到8.57 mm。

表5 进料量对裂解收率的影响Table 5 Influence of feed flow rate on cracking yield

图7 进料量对乙烷转化率和反应选择性的影响Fig.7 Effect of feed flow rate on ethane conversion and reaction selectivity

图8 进料量对结焦速率的影响Fig.8 Effect of feed flow rate on coking rate

(1)利用SPYRO搭建乙烷裂解炉模型，收率与装置实际对比分析误差较小，结果可靠。

(2)通过将COT从826 ℃模拟提高到850 ℃，乙烯收率从48.92%提高到55.71%，乙烷的转化率从75.00%提高到83.70%，反应选择性从46.09%降低到44.01%。

(3)随着稀释比从0.30增加到0.38，乙烯收率从51.71%降低到51.49%，乙烷裂解反应的转化率从78.59%降低到78.16%，选择性从45.29%提高到45.45%。

(4)TLE出口压力从30 kPa提高到90 kPa，乙烯收率从51.52%降低到51.25%。乙烷的转化率从78.22%提高到79.65%，选择性从45.43%降低到44.08%。

(5)进料量从31 t/h提高到38 t/h，乙烯的收率从51.79%降到了49.99%，反应转化率从78.55%降到了76.40%，反应选择性从45.37%上升到45.77%。