烃类热裂解
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3.3 烃类热裂解
T
1 5.6
V
规定：正己烷的BMCI为0，苯的为100
结论： 油品的BMCI越大，其含芳烃量越高；
烃类化合物的芳香性递增顺序
正构链烷烃<带支链烷烃<烷基单环烷烃<无烷基单环烷烃 <双环烷烃<烷基单环芳烃<无烷基单环芳烃<双环芳烃 <三环芳烃<多环芳烃
3.1.4 裂解反应的化学热力学和动力学
3.1.4.1 裂解反应的热效应
2.3262[1400
150FLeabharlann (H2 )], KJ / Kg
当裂解产物主要为烯烃、双烯烃和芳烃时
H
P
(1100K
)
2.3262[2500.25
228.59
P
(
H
2
)],
KJ
/
Kg
2) 用分子量估算生成热
H (298K ) 23262 104 M ( A M D AM )
26
24
22
2
4
3.1.4.2 裂解反应系统的化学平衡组成
由表3-13和表3-14得出的规律 1) 乙烯生成反应的KP1和KP1a远远大于乙烯生成乙炔的 KP2；随着温度升高KP增大，但KP1、KP1a与KP2的差 距更大；乙炔析碳反应的KP3虽远远高于KP1、KP1a， 但因KP2很小故乙炔析碳反应受乙炔生成反应的制约， 故提高反应温度对生成乙烯有利 2) 达到平衡时乙烯的组成很少，H2和CH4的量很大； 又反应达平衡需很长反应时间，故通常不要求反应 达平衡而求较高的反应速率，使未转化的C2H6循环 裂解；因此，短停留时间有利于乙烯收率增加
CH3 CH3 CH2 CH3 CH4 C3H7
烃类热裂解
§5 冷量的综合利用
获得相同的冷量，T↓，能耗↑。
冷剂选择：
>50℃，水冷 ～0℃，盐水冷（NH3冷换热） -30℃，直接NH3冷
C2 为冷剂
甲烷塔 乙烯塔 丙烯塔
操作温度：-100℃ 操作温度：-50℃ 操作温度：20℃
C3 为冷剂
NH3或冷冻盐水为冷剂
一．复迭制冷
2
5´′ -50º C
原料：重油
3、管式裂解炉
§4. 裂解气的分离
一．裂解气组成
目的物：烯烃、芳烃， 杂质：CO2、H2S、H2O、炔烃等。
聚合级烯烃对杂质（如C2≡、H2S、 H2O、CO2等）含量要求十分苛刻，需把烯 烃提纯。
二．裂解气分离过程 1．气体净化系统 碱洗除CO2、H2S（酸性气体）。
分子筛脱水（水会在深冷分离时冻结，堵塞管道）。 催化选择性加氢除C2≡、C3≡，丙二烯。 Cat.： Pd/Al2O3 ；Ni-Co/Al2O3 付反应： 乙炔聚合生成液体产物（绿油） 乙烯的进一步加H反应 乙炔分解生成C和H 加氢除CO（CO+3H2→CH4+H2O）→甲烷化法
五．冷箱 (P.330)
利用节流制冷，分离甲烷和氢气并回收乙烯的 一个装置，为防止散热，常装在一个绝热的方形 容器中，俗称冷箱。
提高裂解温度可增大链引发速率常数，产生 的自由基增多。β-断裂反应速率常数也增大，但 与前者相比增大的程度较小。对链终止反应， 温度升高则没有影响。链引发和β-断裂反应速率 常数的增大，都对增产乙烯有利。
（4）停留时间 裂解温度越高，允许停留的时间则越
短；反之，停留时间就要相应长一些。
目的：控制二次反应，让裂解反应停 留在适宜的裂解深度上。
2．压缩和冷冻系统 将裂解气加压、降温，为分离创造条件。
第六章_烃类热裂解
(2)、乙烷裂解反应的活化能
K E RT
可由速率常数K =A e
求得，故先求算速率常数K
从乙烷裂解反应的机理可知，其动力学方程：
d[C2 H 6 ] =K1[C2 H6 ] +K 2 [C 2 H 6 ][CH 3 ] dt
（K1、K 2、K 3、K 4、K 5 与基元反应有关）
自由基机理： 1934年美国F.O赖斯和K.F赫茨菲尔德首先提出。
1967年，美国S.B茨多尼克等人，对此作了较
详细的解释。虽然他们只能解释了C2-C6各种烃，在 低转化率裂解时所得到的产品的分布情况，但仍是
指导预见和关联裂解数据的有效工具。
（一）、烷烃裂解的自由基反应机理 1、乙烷裂解反应 (1)、乙烷裂解反应的类型 乙烷分子中 键能（kJ/mol） C-C 346 C-H 406
也叫石墨化过程。 结焦过程的△G0为一般是很大的负值，但是乙
烯生成苯的速度不大,所以乙烯结焦是可以避免的。
如何避免？是动力学问题。
＝＝＞ 由1、2、3、4讨论可知，二次反应产物有小分
子烯烃和烷烃、二烯烃和炔烃、还有比原料更重的 烃，如单环芳烃、稠环芳烃甚至有焦炭生成。其中， 只有小分子烯烃是有利的。在二次反应中，只有较 大分子烯烃的裂解增产小分子烯烃(类型1)，如乙 烯。其余二次反应，均消耗乙烯，使乙烯收率下 降。所以，应该防止二次反应的发生。
K1
E1=359.8，活化能(kJ/mol)
②、链传递 CH3· + C2H6
3
K2 CH4 + C2H5· ； E2=45.1
K 4H2 + C2H5· H· + C2H6
； E4=29.3
③、链终止
烃类热裂解
4.3裂解方法及裂解工艺过程
• 鲁姆斯SRT—Ⅲ型炉
裂解气 裂解气
裂解气
裂解原料
1
4
4
稀释蒸汽
2
3
3
辐射室左视图
图2 鲁姆斯SRT—Ⅲ型炉
1—对流室；2—辐射室；3—炉管组；4—急冷换热器
• 凯洛格毫秒裂解妒MSF炉型
去第二急冷器
原料烃
4
裂解气
1
5
4
3
3 2
6
原料烃
图3 凯洛格毫秒裂解妒MSF炉型
7
8
11
1
2
5
9
原料油
蒸汽 12
燃料油
10
裂解汽油
蒸汽
13
图5 鲁姆斯裂解工艺典型流程
1-原料预热器；2—裂解炉；3—急冷锅炉；4—汽包；5—油急冷器；6—汽油分馏塔；7—燃料油汽提塔； 8—水洗塔；9—油水分离器；10—水汽提塔；11—汽油分馏塔；12，13—交叉换热器
锅炉给水 原料烃
稀释蒸汽 过热
• 裂解气的预分馏： 裂解炉出口的高温裂解气经急冷换热器冷 却，温度降到200-300 ℃ ，进一步冷却至 常温，在冷却过程中分馏出重组分（如燃 料油、裂解汽油、水）叫预分馏。
裂解原料
（1）裂解汽油：
包括C5至沸点204 ℃以下的所有裂解副产物，作为乙烯装 置的副产品。 用途：可加氢为高辛烷值汽油成分，也可抽提芳烃等
1-对流室；2—辐射室；3—炉管组；4—第一急冷器；5—第二急冷器；6—尾管 流量分配器
• 斯通—韦勃斯特超选择性裂解炉USC
1
3 2
3 5
图4 斯通—韦勃斯特超选择性裂解炉USC
1—对流室；2—辐射室；3—炉管；4—第一急冷器；5—第二急冷器
化学工艺学
一、烃类热裂解1.烃类热裂解产物中的有害物质有哪些？存在哪些危害？如何脱除？答：烃类热裂解产物中的有害物质包括：硫化氢等硫化物，二氧化碳，炔烃和水。
硫化氢的危害：硫化氢会腐蚀设备和管道，使干燥的分子筛的寿命缩短，使脱炔用的加氢催化剂中毒并使烯烃聚合催化剂中毒。
二氧化碳的危害：在深冷分离裂解气时，二氧化碳会结成干冰，堵塞管道及设备，影响正常生产；对于烯烃聚合来说，是烯烃聚合过程的惰性组分，在烯烃循环时造成积累，使烯烃的分压下降，从而影响聚合反应速度和聚合物的分子量。
炔烃的危害：炔烃使乙烯和丙烯聚合的催化剂中毒。
水的危害：在深冷分离时，温度可达-100℃，水在此时会结冰，并与甲烷，乙烷等形成结晶化合物（CH4·6H2O，C2H6·7H2O，C4H10·7H2O），这些结晶会堵塞管道和设备。
脱除方法：硫化氢和二氧化碳用氢氧化钠碱液吸收来脱除；炔烃采用选择性加氢法来脱除。
水采用分子筛干燥法脱除。
2.类裂解发生的基元反应大部分为自由基反应哪三个阶段？链引发反应、链增长反应、链终止反应三个阶段。
链引发反应是自由基的产生过程；链增长反应时自由基的转变过程，在这个过程中一种自由基的消失伴随着另一种自由基的产生，反应前后均保持着自由基的存在；链终止是自由基消亡生产分子的过程。
3.各族烃类的裂解反应难易顺序为？正烷烃>异烷烃>环烷烃(六碳环>五碳环)>芳烃4.裂解气出口急冷操作的目的？裂解炉出口的高温裂解气在出口高温条件下将继续进行裂解反应，由于停留时间的增长，二次反应增加，烯烃损失随之增多。
为此，需要将裂解炉出口高温裂解气尽快冷却，通过急冷以终止其裂解反应。
当裂解气温度降至650℃以下时，裂解反应基本终止。
急冷有间接急冷和直接急冷之分。
5.在烃类热裂解的过程中，加入水蒸气作为稀释剂具有哪些优点？答：在烃类热裂解的过程中，加入水蒸汽作为稀释剂具有如下优点：（1）水蒸汽的热容较大，能对炉管温度起稳定作用，因而保护了炉管。
烃类热裂解
7.1.1 热裂解过程的化学反应
• 结论:在二次反应中,除了较大分子量的烯烃裂解, 可增加乙烯收率外,其余的二次反应均消耗乙烯, 降低乙烯收率,导致结焦和生碳。
7.1.2 烃类热裂解反应的特点与规律
烃类裂解反应的特点
➢ 无论断链还是脱氢反应，都是热效应很高的吸热反应
➢ 断链反应可以视为不可逆反应，脱氢反应则为可逆反应 ➢ 存在复杂的二次反应 ➢ 反应产物是复杂的混合物
7.1.3烃类热裂解的主要工艺因素
➢压力不能改变反应速率常数，但降低压力能降低 反应物浓度。 ➢压力对高于一级的反应比一级反应的影响要大， 即降低压力可增大一次反应对于二次反应的相对速 率，提高一次反应选择性。 ➢降低压力可减少结焦的程度
7.1.3烃类热裂解的主要工艺因素
稀释剂
为什么要加稀释剂？ 在高温下裂解，不宜用抽真空减压的方法降低烃分 压，因为高温密封不易，一旦空气漏入负压操作的裂 解系统，与烃气体形成爆炸混合物就有爆炸的危险。 稀释剂可用水蒸气、氢或任一种惰性气体，但常用 水蒸气作稀释剂。
7.1.2 烃类热裂解反应的特点与规律 烃类裂解的反应特点
7.1.2 烃类热裂解反应的特点与规律
烷烃的裂解反应规律： 同碳原子数的烷烃，C-H键能大于C-C键能，断链比脱氢容易
碳链的增长，分子热稳定性下降，碳链越长裂解反应越易进 行
脱氢能力与分子结构有关： 由易到难：叔碳氢＞仲碳氢＞伯碳氢
含有支链的烷烃容易发生裂解反应。乙烷生成乙烯。
④烯烃 大分子烯烃裂解为乙烯和丙烯; 脱氢生成炔烃、二烯烃，进而生成芳烃。
各类烃的热裂解反应的难易顺序: 正构烷烃>异构烷烃>环烷烃>芳烃
7.1.3烃类热裂解的主要工艺因素
裂解温度和停留时间 ➢裂解温度：温度高，有利生成乙烯。 ➢ 停留时间：指裂解原料经过辐射盘管的时间。 ➢裂解深度（转化率）取决于裂解温度和停留时间。 ➢相同裂解原料在相同转化率下，由于温度和停留时间
第三章烃类热裂解
第三章烃类热裂解引言：乙烯、丙烯和丁二烯等低级烯烃分子中具有双键，化学性质活泼，能与许多物质发生加成、共聚或自聚等反应，生成一系列重要的产物，是化学工业的重要原料。
工业上获得低级烯烃的主要方法是将烃类热裂解。
烃类热裂解是将烃类原料（天然气、炼厂气、石脑油、轻油、柴油、重油等）经高温（750℃以上）、低压（无催化剂）作用，使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应，生成分子量较小的烯烃、烷烃和其他分子量不同的轻质和重质烃类。
烃类热裂解非常复杂，具体体现在：（1）原料复杂：烃类热裂解的原料包括天然气、炼厂气、石脑油、轻油、柴油、重油甚至是原油、渣油等；（2）反应复杂：烃类热裂解的反应除了断裂或脱氢主反应外，还包括环化、异构、烷基化、脱烷基化、缩合、聚合、生焦、生碳等副反应；（3）产物复杂：即使采用最简单的原料乙烷，其产物中除了H2、CH4、C2H4、C2H6、外，还有C3、C4、等低级烷烃和C5以上的液态烃。
烃类热裂解按原料的变化可分为：在低级不饱和烃中，以乙烯最重要，产量也最大。
乙烯产量常作为衡量一个国家基本化学工业的发展水平的标志。
表3-l和表3-2列举了世界主要国家与地区的乙烯生产能力。
烃类热裂解制乙烯的生产工艺主要为原料烃的热裂解和裂解产物分离。
本章将分别予以讨论。
第一节热裂解过程的化学反应1.1烃类裂解的反应规律1.1.1烷烃的裂解反应（1）正构烷烃正构烷烃的裂解反应主要有脱氢反应和断链反应对于C5以上的烷烃还可能发生环化脱氢反应。
脱氢反应是C-H键断裂的反应，生成碳原子数相同的烯烃和氢，其通式为C5以上的正构烷烃可发生环化脱氢反应生成环烷烃。
如正己烷脱氢生成环己烷。
断链反应是C-C键断裂的反应，反应产物是碳原子数较少的烷烃和烯烃，其通式为相同烷烃脱氢和断链的难易，可以从分子结构中碳氢键和碳碳键的键能数值的大小来判断。
表3-3给出了正、异构烷烃的键能数据。
由表3-3的数据看出如下规律：①同碳原子数的烷烃C-H键能大于C-H键能，断链比脱氢容易；②随着碳链的增长，其键能数据下降，表明热稳定性下降，碳链越长裂解反应越易进行。
3.2 烃类热裂解
开环分解
环己烷
逐次脱氢 苯
脱氢反应 侧链断裂 开环脱氢反应
C2H4+C4H8
C2H4+C4H6+H2
2C3H6
C4H6+C2H6
3
3
2 C4H6+ 2H2
3.1.1.3 环烷烃的裂解反应
环烷烃的裂解规律：
侧链烷基比烃环易于断裂，长侧链的断裂反应一般从
中部开始，而离环近的碳键不易断裂；
带侧链环烷烃比无侧链环烷烃裂解所得烯烃收率高； 环烷烃脱氢生成芳烃的反应优于开环生成烯烃的反应； 五碳环烷烃比六碳环烷烃难于裂解； 环烷烃比链烷烃更易于生成焦油，产生结焦。
3.1.1.5 裂解过程中的结焦生碳反应
i. 烯烃经过炔烃中间阶段而生碳；
CH CH HCH CH HCH CH HCH C HC C
2
2
2
ii. 其它烃类经过芳烃中间阶段而结焦 Cn
单环或环数不多的芳烃 多环芳烃 稠环芳烃
沥青
其中C含量95%以上， 还含有少量氢
1) 断链反应
Cn+mH2（n+m） CnH2n+CmH2m
CH C H C H CH CH
2
2
2
3
离解能D=69KCal/mol
离解能D=91KCal/mol
CH C H CH
2
3
CH C H C H CH
3
3
CH C H CH
3
2
CH3
3.1.1.2 烯烃的裂解反应
2) 脱氢反应
C4H8 C4H6+H2 C2H4 C2H2+H2
环己烷
逐次脱氢 苯
脱氢反应 侧链断裂 开环脱氢反应
C2H4+C4H8
C2H4+C4H6+H2
2C3H6
C4H6+C2H6
3
3
2 C4H6+ 2H2
3.1.1.3 环烷烃的裂解反应
环烷烃的裂解规律：
侧链烷基比烃环易于断裂，长侧链的断裂反应一般从
中部开始，而离环近的碳键不易断裂；
带侧链环烷烃比无侧链环烷烃裂解所得烯烃收率高； 环烷烃脱氢生成芳烃的反应优于开环生成烯烃的反应； 五碳环烷烃比六碳环烷烃难于裂解； 环烷烃比链烷烃更易于生成焦油，产生结焦。
3.1.1.5 裂解过程中的结焦生碳反应
i. 烯烃经过炔烃中间阶段而生碳；
CH CH HCH CH HCH CH HCH C HC C
2
2
2
ii. 其它烃类经过芳烃中间阶段而结焦 Cn
单环或环数不多的芳烃 多环芳烃 稠环芳烃
沥青
其中C含量95%以上， 还含有少量氢
1) 断链反应
Cn+mH2（n+m） CnH2n+CmH2m
CH C H C H CH CH
2
2
2
3
离解能D=69KCal/mol
离解能D=91KCal/mol
CH C H CH
2
3
CH C H C H CH
3
3
CH C H CH
3
2
CH3
3.1.1.2 烯烃的裂解反应
2) 脱氢反应
C4H8 C4H6+H2 C2H4 C2H2+H2
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petrochemical industry
Boiling point and its use of various petroleum products
Petroleum gas Crude gasoline Petroleum ether Gasoline Solvent oil Kerosene Aviation kerosene Kerosene Diesel Machine oil Vaseline Paraffin wax Fuel oil Asphalt Petroleum coke
异构烷烃裂解规律 Cracking rules of isoalkanes
（1）比正构烷烃容易裂解或脱氢 The pyrolysis or dehydrogenation of the isoalkane is easier than that of the normal alkane. （2）脱氢能力与分子结构有关，难易顺序为叔氢＞仲氢＞伯氢
We studied the catalyst performance and utilization, and the mass balance calculation of the reaction process.
石油加工的两大体系 Two system of petroleum processing
3.1 热裂解过程的化学反应
（chemical reaction of thermal cracking process）
一、烃类裂解的反应规律 （Reaction rules of thermal cracking of hydrocarbon）
烃类热裂解过程是十分复杂的，即使是纯组分裂解，得到的产物也是很 复杂的。包括：脱氢、断裂、异构化、环化、岐化、聚合、焦化、二烯 合成等。 The process of hydrocarbon pyrolysis is very complex, and products are also very complex even if pure component is cracked. Thermal cracking of hydrocarbon contains the reactions of dehydrogenation, chain scission, isomerization, cyclization, disproportionation, polymerization, diene synthesis, etc.
石油化工包含的三大生产过程 Petrochemical industry contains three production process 基本有机化工生产过程 Basic organic chemical production process
八大基础原料 :
“三烯 ethene,propene,butadiene”，“三苯 benzene,toluene,xylene”， 乙炔 ethyne，萘 naphthalin。
有机化工生产过程 Organic chemical production process
十四种基本有机原料 :
甲醇methanol，甲醛formaldehyde，乙醇ethanol，乙醛aldehyde， 醋酸acetic acid，环氧乙烷epoxyethane，环氧氯丙烷epoxy chloropropane， 甘油glycerol，异丙醇isopropanol，丙酮acetone，丁醇butanol， 辛醇octanol，苯酚phenol，苯酐phthalic anhydride.
The dehydrogenation ability is related to the molecular structure, and the sequence is tertiary hydrogen > secondary hydrogen > primary hydrogen.
Dehydrogenation reaction ：
CnH2n+2
CnH2n+H2
（Cleavage of C—H bond ）
Chain scission reaction ：
CnH2n+2
CmH2m+ CkH2k+2
m＋k=n
Dehydrocyclization reaction
Comparison of various bond energy
1. 烷烃的裂解反应 Cracking reaction of alkanes
The cracking reactions of normal alkane contain mainly the dehydrogenation reaction and the chain scission reaction. The dehydrocyclization may occur for the alkanes with carbon atom number ≥ C5.
石油炼制
原油加工得到各种 油品
The various oil products can be obtained from crude oil processing
petroleum refining
石油化工
利用石油化工生产有 机化工原料、产品
Organic chemical materials and products can be produced from the petrochemical industry.
(2)碳链越长, 裂解反应越易进行。 The longer the carbon chain is, the easier the cracking reactions proceed. (3)烷烃裂解(脱氢或断链)是强吸热反应，脱氢反应比断链反应 吸热值更高。 The cracking reaction of the alkanes is strongly endothermic reaction, and the heat value of dehydrogenation reaction is higher than that of the chain scission reaction.
高分子化工生产过程 Polymeric chemical production process
三大合成材料:
纤维fibre、塑料plastic、橡胶rubber。
Chapter 3
烃类热裂解
Thermal Cracking of Hydrocarbon
Thermal Cracking of Hydrocarbon
Raw materials： 石油系烃类原料（natural gas, refinery gas, light oil, diesel, heavy oil, etc.） 低分子烷烃（ethane、propane） Main products： 三烯 （ethene、propene、butadiene） 三苯 （benzene、toluene、xylene）
(6)乙烷不发生断链反应，只发生脱氢反应，生成乙烯；而甲 烷在一般裂解温度下不发生变化。 The ethane can not proceed the chain scission reaction, proceed only dehydrogenation reaction to form ethene. The methane is not changeoncept of hydrocarbon thermal cracking 将石油烃原料经高温作用，使烃类分子发生脱氢或碳链断裂等反应，生成小 分子量的烯烃，烷烃及其它分子量不同的烃类过程。 Petroleum hydrocarbon raw materials are heated at high temperatures, so that hydrocarbon molecules proceed the dehydrogenation or chain scission reaction to generate small molecular weight alkenes, alkanes and other hydrocarbons with different molecular weight. This process is called thermal cracking of hydrocarbon.
1.各种键能比较
正构烷烃裂解规律 Cracking rules of normal alkanes
(1)同碳原子数的烷烃C-H键能大于C-C键能，断链比脱氢容易. The bond energy of C-H bond is higher than that of C-C bond for the alkanes with same carbon atom number. So the chain scission is easier than the dehydrogenation.
常减压精馏 Atmospheric and vacuum pressure rectification 催化裂化 Catalytic cracking 催化加氢 Catalytic hydrogenation 催化重整 Catalytic reforming 烃类热裂解
Hydrocarbon pyrolysis 基本有机化工生产过程 Basic organic chemical production process 有机化工生产过程 Organic chemical production process 高分子化工生产过程 Polymeric chemical production process
(4)断链反应是不可逆过程，而脱氢反应是可逆过程 The chain scission reaction is irreversible process, but the dehydrogenation reaction is reversible process. (5)C-C键断裂在分子两端的优势比断裂在分子中央要大。 The cracking of C-C bond is easier at the terminal position of the molecule than the central position of the molecule.