化学品生产工艺流程中的能效分析 1——乙烯
    ■丙烷裂解生产过程（Braun发明）
    这个过程以来自液化天然气的轻烃类如丙烷或乙烷为原料。但是，随着天然气价格的上涨，目前大多数新
建丙烷装置都是以石脑油或者汽油为原料。而该生产过程所需要的能量比理论最小需用能量大13倍（见图1）。
该过程的能量及有效能损失主要来自高温裂解、裂解产物的急冷以及产物和副产物低温下复杂的分离过程。热
交换器（过程换热器、中间冷却器、急冷换热器）和精馏塔（如C2分离塔）是主要的高能耗设备。损失主要来
源于各种物料的温度、成分以及压力的变换。事实上裂解和急冷过程中所有的有效能损失都是由于急冷交换器
不断冷却反应产生的气体引起的，而C2分离塔在产品分离过程中也有有效能的损失。大约有40%的能量是在气
体冷却过程中损失的，而另外27%的能量是由气体中间压缩冷却过程中的冷却水引起的(详见表1)。可回收的能
量足以生成高压蒸汽。

                        表1  丙烷裂解制乙烯能效分析           Btu/lb
   丙烷裂解制乙烯      能量损失  %  外部有效能损失  内部有效能损失  总有效能损失  %
（Braun）的单元操作                                            
裂解和急冷         425     6     38            1046        1084      21
压缩和脱酸        1879    27    208            590         798      15
脱乙烷            1294    18    231              65         296       6
脱甲烷            1402    20    554           1106        1660      32
产品分离        1296    18    255          306         561      11
热回收及致冷回收     761    11    520          287         808      16
合计            7055           1806         3402        5208    

　　■石脑油裂解过程（Kellogg发明）
    这个过程以石脑油或者汽油为原料，目前美国大多数新装置都如此。和丙烷裂解过程相反，能量-有效能的
最高消耗发生在生产过程的前几个操作单元中。石脑油裂解工艺放出的热量更多，需要较少的能量输入，但是
由于具有较高的压力（该过程压力为525磅/平方英寸，而丙烷裂解过程的压力仅为为140磅/平方英寸），石脑
油裂解过程在裂解和急冷的过程中损失能量是丙烷裂解过程的两倍。全过程的总能量需求比理论最小能量需求
量高12倍（见图2）。最主要的能量损失来自脱甲烷塔，这是因使用乙烷作为冷冻剂的冷凝器引起的。在裂解炉
以及裂解和急冷单元的大塔里，巨大的温差产生了很大的有效能损失。同时裂解气压缩机的中间冷却器也是较
大的损失源（详见表2）。

                     表2  丙烷裂解生产乙烯能效分析           Btu/lb
石脑油/汽油裂解制乙烯   能量损失   %   外部有效能损失   内部有效能损失  总有效能损失    %
(Kellogg)的单元操作                        
裂解和急冷          1851      24        183             1678        1861    39
压缩和脱酸          2958      38        208              540         748    16
脱甲烷              1712      22        614              359         974    20
脱乙烷               335       4         60              336         396     8
产品分离           109       1         17              184         201     4
热回收及致冷回收       842      11         84              554         638    13
合计              7807           1167             3651        4818    
     ■乙烷高温分解
     这个过程主要是以乙烷为原料裂解生成乙烯。随着乙烯原料天然气价格的上涨，美国大多数采用这工艺的
厂家都暂停生产，但是随后随着原油价格也开始上涨，这些厂家又恢复了生产。这个过程的总能量损失
（3632Btu/lb）（详见表3）大约是另外两种乙烯生产工艺的一半，而有效能的损失也明显比另外两种工艺要低。
不仅如此，以石脑油和丙烷为原料的生产过程能产生更多有价值的副产物，如丙烯、裂解汽油以及燃料气体等。
这其中有些差别可能是由模拟计算引起的，乙烷高温分解产乙烯的过程的模拟分析与另外两个过程相比于，采
用了更加详细的Aspen模拟进行分析（见图3）。最大的能量损失来自于冷凝段的丙烯冷凝器，它的每一次冷却
都与下一个冷却器的循环相对。最后一个冷凝器代表整个压缩机组的能量损失，这些能量仅有2%为有效能。另
外一个大的能量损失也来自于质量非常低的能量。内部有效能损失主要来自于裂解炉，当过程中的流体进入裂
解炉时，其温度与炉内炉气的温度差别非常大。

                      表3  乙烷高温分解生产乙烯能效分析          Btu/lb
  乙烷裂解制      能量损失   %   外部有效能损失  内部有效能损失   总有效能损失   %
乙烯的单元操作                               
热裂解            495        14           39          1602          1641    48
压缩           1245     34          120           338           459    13
冷却           1888        52           67           891           958    28
脱甲烷              0      0            0           103           103     3
脱乙烷              4         0            0           100           100     3
提纯              0         0            0           152           152     4
合计           3632       100          226          3186          4818     100
   
    单位换算：
        1桶原油＝5.8×106英热单位（Btu）    1吨标准煤=2.406×107英热单位（Btu）
        1磅（lb）=0.4536kg                  1英热单位（Btu）＝1055.06焦耳（J）

   （吴军  摘译自《Chemical Bandwidth Study——Exergy Analysis: A Powerful Tool for Identifying
Process Inefficiencies in the U.S. Chemical Industry》）