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（來源：中國化工信息周刊）

關鍵詞 | 甲烷氧化偶聯制乙烯分離流程對比

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乙烯是重要的石油化工原料，其產量、生產規模和生產技術是衡量一個國家石油化工水平高低的重要標志。近年來，我國乙烯需求量和產能增長量逐年上漲。整體上，我國乙烯行業處于擴張周期，2024年總產能為5839萬噸/年，2025—2028年，我國將新增產能2540萬噸/年，屆時產能將達到8 379萬噸/年。甲烷氧化偶聯制乙烯是甲烷與氧氣在催化劑表面發生選擇性偶聯，生成乙烯、乙烷等C2烴類產物的工藝過程，于1982年由Keller等首次提出。OCM工藝是一種將甲烷轉化為高附加值乙烯的重要工藝路線，對于拓寬乙烯原料來源，降低石油依賴，優化我國一次能源結構有重要作用。

OCM反應具有非常復雜的反應機理網絡，因此產物組成包含未反應甲烷、COx副產物、水蒸氣以及多種烴類組分，使得后續分離純化面臨巨大挑戰。當前研究顯示，優化反應器設計與催化劑配方可提升反應性能，但分離流程的效率往往成為制約工藝工業化應用的關鍵因素。在對OCM反應產物進行分離并制備聚合級乙烯產品時，成熟的工業方法是深冷分離法或油吸收法，深冷分離法是在低于-100 ℃溫位下，對產品氣進行逐級冷卻并使用精餾分離的方法；油吸收法一般是利用C3、C4、C5、芳烴油品作為吸收劑，利用吸收劑對產品氣中各組分的溶解度不同來實現目的，中國石化北京化工研究院從20世紀70年代就開始進行乙烯裂解氣的中冷油吸收的研究，該技術先后在丹陽化肥廠、常州化工廠、北京化工三廠等建立了10余套裝置。

利用流程模擬軟件Symmetry進行OCM工藝的產物分離方案研究，可以針對乙烯產品進行系統性對比，為碳足跡量化研究提供支撐數據，為OCM工藝的工業應用提供可靠決策依據。

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反應基礎及分離工藝

1.1 反應基礎

根據羅淑娟等研究結果，OCM經濟的分離工藝主要為深冷分離工藝和中冷油吸收工藝流程。在流程模擬時，根據前期實驗評價數據，2種方案的固定床反應器入口條件均設置為：催化劑床層入口溫度815 ℃；反應器恒溫850 ℃；進料烷氧比（甲烷/氧氣摩爾比）2.8∶1；進料烷水比(甲烷/水摩爾比)1∶1.9；反應壓力為0.08 MPa。反應器中發生的反應均設置為：甲烷的單程摩爾轉化率是35.3%。OCM反應網絡復雜，至少16個反應方程，但其中碳三及以上組分總量小于1%，為簡化計算，將復雜反應網絡進行簡化，設定產物為C2H6、C2H4、C3、CO、CO2，對應產物的收率分別為4.13%、13.7%、1.9%、6.9%、8.5%。同時設置甲烷化反應器，將OCM產物中的CO轉化為CH4以提高物料利用率，設定CO轉化率為100%。

1.2 深冷分離工藝

將甲烷、氧氣、水按照比例混合預熱后發生OCM反應，生成乙烯、乙烷等物質，將生成物中的水進行冷卻、分液、汽提并進行回用。合成氣經過三段壓縮后進行脫二氧化碳、脫水，再經過兩段壓縮后進行深冷分離，經過脫甲烷塔分離甲烷與碳二組分，分離后的甲烷氣含有大量一氧化碳。向甲烷氣中配入氫氣，使用低溫鎳基合金甲烷化催化劑，向甲烷氣中配制氫氣，將一氧化碳轉化成甲烷并循環利用。脫甲烷塔的液相經過乙烯塔精餾得到摩爾分數99.95%以上聚合級乙烯，副產C2+組分。深冷分離工藝的流程示意圖如圖1所示。

在深冷分離工藝中，低溫冷量的使用主要集中在脫甲烷塔的塔頂（操作溫度為-94.2 ℃）、乙烯塔頂（操作溫度為-23.6 ℃），因此裝置至少需要-100 ℃冷量。深冷分離系統的制冷系統根據需要使用的溫位不同有不同的制冷工藝，一般分為單制冷劑制冷系統、重疊式制冷系統、混合冷劑制冷系統，在GB/T 50441—2016《石油化工設計能耗計算標準》中并未規定-100 ℃溫位冷量的能耗折算系數，因此通過模擬乙烯-丙烯重疊式制冷系統將-100 ℃溫位冷量的耗能情況折算為-40 ℃溫位冷量、循環水、電耗量。

1.3 中冷油吸收分離工藝

與深冷分離流程不同的是，在中冷油吸收流程中，五段壓縮機出口的混合氣體與循環的C3吸收溶劑在吸收塔中逆流接觸，經過吸收后的甲烷、一氧化碳混合氣夾帶部分C3，為減少C3組分損失，混合氣與C6經過再吸收塔逆流吸收。向再吸收后的混合氣配入氫氣，設置甲烷化反應器將混合氣中的一氧化碳轉化為甲烷循環利用。C3經過碳三解吸塔解吸后的塔頂氣體進入乙烯塔，經過分餾即可得到摩爾分數99.95%以上聚合級乙烯產品。循環C6溶劑經過碳六解吸塔解吸后得到的C3循環再利用，中冷油吸收分離工藝的流程圖如圖2所示。由于需要使用C3、C6作為物理吸收溶劑，因此需要定期加入一定量新鮮C3、C6并抽出部分混合C3、C6以保證吸收溶劑的效果。在中冷油吸收分離工藝中，為保證乙烯和乙烷的吸收效果，裝置需要使用-40 ℃冷量。

E-1—換熱器；E-2—OCM反應器預熱器；E-3—OCM反應器；E-4—一段壓縮機入口冷卻器；E-5—分液器；E-6—水汽提塔；E-7—壓縮機（1~3段）；E-10—脫碳塔；E-11—再生塔；

E-12—脫水塔；E-13—壓縮機（4~5段）；E-15—脫甲烷塔；E-16—乙烯塔；E-17—甲烷化反應器

圖1 OCM反應深冷分離全流程示意圖

E-1—換熱器；E-2—OCM反應器預熱器；E-3—OCM反應器；E-4—一段壓縮機入口冷卻器；E-5—分液器；E-6—水汽提塔；E-7—壓縮機（1~3段）；E-10—脫碳塔；E-11—再生塔；

E-12—脫水塔；E-13—壓縮機（4~5段）；E-17—甲烷化反應器；E-31—吸收塔；E-32—碳三解吸塔；E-33—再吸收塔；E-34—碳六解吸塔；E-35—乙烯塔；E-36—乙烷塔

圖2 OCM反應中冷吸收分離全流程示意圖

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結果與討論

2.1 物料消耗與產品組成對比

從分離原理上，中冷油吸收工藝需要添加C3組分作為吸收劑，采用相似相溶原理回收反應氣中的C2，同時需要添加C6回收夾帶的C3，因此原料消耗中會比深冷分離流程增加C3、C6原料，所有原料和產品的物料平衡如表1所示。2種分離方案都按照獲取摩爾分數99.95%聚合級乙烯產品計算，中冷油吸收分離工藝的乙烯產品為1 422.8 kg/h，比深冷分離工藝低39.4 kg/h。按照OCM反應器中的乙烯收率計算，深冷分離方案的乙烯摩爾回收率為98%，中冷油吸收分離流程的乙烯摩爾回收率為95%。

表1 2種分離方案物料平衡對比 kg/h

2.2 主要設備操作參數對比

從分離流程上看，深冷分離流程主要在3.6 MPa、-100 ℃左右條件下進行深冷分離。中冷油吸收分離流程主要在2.7 MPa、-40 ℃左右條件下進行吸收分離，但需要增加吸收塔、碳三解吸塔、再吸收塔、碳六解吸塔、乙烷塔等塔設備，2種分離流程的主要設備的操作條件見表2所示。

表2 2種分離方案主要設備操作參數對比

2.3 能耗對比

首先對不同分離方案中的能量網絡進行部分優化，主要包括：①COM反應和甲烷化反應都是強放熱反應，進行反應器余熱回收以副產蒸氣，作為壓縮機動力源或者蒸氣管網補充。②將OCM反應器出口的氣體進行充分余熱回收，余熱用于較低溫度精餾塔再沸器熱源。③低溫精餾塔出口介質盡可能進行低溫冷量回用，以降低制冷系統熱負荷。④氣體降壓較多時進行膨脹節能，盡可能回收能量。⑤對-100 ℃乙烯-丙烯重疊制冷系統進行模擬計算，并將-100 ℃冷負荷轉換為電、循環水和-40 ℃冷負荷消耗量。

不同分離方案主要耗能工質是OCM反應器預熱燃料（僅開車工況使用）、循環水、電、低壓蒸氣、凈化空氣、氮氣、-40 ℃冷量等，對分離方案進行能量優化后可以副產10、0.3 MPa蒸氣和電、-40 ℃冷量。由于中冷油吸收流程比深冷分離流程多4臺塔設備系統，因此循環水和低壓蒸氣耗量更大。根據GB/T 50441—2016《石油化工設計能耗計算標準》分別計算2種分離方案的耗能情況。

不同分離方案耗能情況對比如表3所示。從表3中可以看出，深冷分離方案的綜合能耗是668.6 kgoe/t乙烯，中冷油吸收分離方案的能耗是629.9 kgoe/t乙烯，深冷分離方案的綜合能耗比中冷油吸收分離方案的綜合能耗比高6.1%。雖然中冷油吸收分離方案的乙烯產量更低，且塔系統數量比深冷分離方案多4臺套，裝置消耗的壓縮空氣和氮氣有所增加，同時有2臺設備需要使用低壓蒸氣作為塔釜再沸器能源，但-100 ℃下的乙烯-丙烯重疊制冷系統的能耗轉換為循環水、電和-40 ℃溫位能耗后，綜合能耗遠大于-40 ℃下的制冷系統綜合能耗。

表3 能耗計算匯總及單位產品能耗對比

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結 論

（1）分別采用深冷分離和中冷油吸收分離對OCM反應產物進行分離方案設計，2種分離方案均得到大于摩爾分數99.95%聚合級乙烯產品，深冷分離方案的摩爾回收率為98%，中冷油吸收分離方案的回收率為95%。

（2）對2種分離方案的物料消耗進行對比，當采用完全相同的進料量和反應轉化率時，深冷分離方案能得到1 462.2 kg/h的聚合級乙烯產品，中冷油吸收分離方案能得到1 422.8 kg/h聚合級乙烯產品。同時得到2種分離方案碳二及以上組分、甲烷氣等產品組分產量。

（3）對2種分離方案的綜合能量消耗進行對比，深冷分離方案的綜合能耗是668.6 kgoe/t乙烯，中冷油吸收分離方案的綜合能耗是629.9 kgoe/t乙烯，中冷油吸收分離方案的綜合能耗達到GB 30251—2024《煉化行業單位產品能源消耗限額》中對新建乙烯裝置能耗要求最低準入。雖然中冷油吸收分離方案的乙烯產量更低，精餾塔數量更多，但-100 ℃溫位綜合能耗遠大于-40 ℃溫位綜合能耗?；?種分離方案的物料消耗和能量消耗，需要進一步研究OCM分離工藝的全生命周期碳足跡水平，并研究低物耗反應工藝、低能耗分離工藝，為OCM反應工業化提供決策支撐數據。

來源：《現代化工》2026年第5期

作者：常大山，羅淑娟，韋力，陳光進