乙烯是最重要的石化中间体之一，也是多种产品的原料。以乙烯为原料生产的终端产品包括食品包装、薄膜、玩具、食品容器、瓶子、管道、防冻剂、地毯、保温材料、家居用品等。由乙烯制得的、用于生产这些终端产品的化学品包括聚乙烯、二氯乙烷、环氧乙烷、乙苯和醋酸乙烯酯等（仅列举部分）。
全球主要的乙烯工厂技术授权商有五家：KBR、Technip、Linde、Shaw Stone & Webster 和 Lummus。尽管不同授权商的乙烯生产工艺略有差异，但总体流程较为相似（见图 ）；此外，原料类型也会导致工艺存在部分不同，下文将重点说明这些差异。本文将介绍乙烯生产的一般步骤。
一、裂解炉
乙烯生产的两种主要原料为石脑油和天然气（乙烷、丙烷、丁烷等）。乙烯生产的第一步是将原料送入裂解炉，裂解生成乙烯及其他多种产品，该过程称为热解（Pyrolysis）。热解是指石油烃类与蒸汽的热裂解，又称蒸汽裂解。工业上常用的裂解炉类型包括ABB Lummus Global furnace, Millisecond furnace (KBR), Shaw furnace (ultraselective cracking furnace), Technip furnace和Linde PYROCRACK furnace.。乙烯裂解炉的通用示意图见图 。
烃类原料流经换热器预热后，与蒸汽混合，进一步加热至初始裂解温度（根据原料不同，为 500℃至 680℃），随后进入反应器（通常为管式加热反应器），加热至裂解温度（750℃至 875℃）。在此反应过程中，原料中的烃类裂解为小分子，生成乙烯和副产品。
裂解反应为强吸热反应，因此需要高能量输入。裂解炉管的设计旨在优化温度和压力分布，以最大化目标产品或高价值产品的收率。裂解炉内的短停留时间也至关重要 —— 可提高乙烯、丙烯等主产品的收率，而长停留时间则有利于副反应的发生。
要实现乙烯产量最大化，需满足以下条件：原料高度饱和、炉管出口温度高、烃类分压低、辐射段炉管内停留时间短，以及裂解气快速急冷。裂解炉区域的阀门对最大化乙烯产量和处理量起着关键作用。
裂解炉区域有三个关键的控制阀应用：稀释蒸汽比例控制、原料气控制和燃料气控制，下文将详细阐述。
（一）稀释蒸汽比例控制
蒸汽用量（蒸汽比例）随原料、裂解深度和裂解炉管设计而异。蒸汽稀释可降低烃类分压，从而提高烯烃收率。因此，获得合适的蒸汽比例并维持精确控制至关重要。蒸汽通过与焦炭反应生成二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）和氢气（H₂），有助于减少结焦沉积物；同时，蒸汽还能降低反应器炉管金属壁的催化作用（这种催化作用易促进焦炭生成）。蒸汽比例不当会降低裂解炉效率，增加除焦周期，进而缩短裂解炉运行时间。除焦需定期进行，通常采用蒸汽和空气的混合物燃烧去除焦炭；除焦周期取决于多种因素，包括但不限于裂解炉类型、工艺操作方式、原料类型和所用炉管类型。
稀释蒸汽控制阀的精确控制是维持合适蒸汽比例的关键，这对裂解炉效率影响显著。由于稀释蒸汽控制阀面临的工艺条件特殊，需使用石墨填料 —— 石墨填料的摩擦力通常高于聚四氟乙烯（PTFE）填料，额外的摩擦力会导致高死区和高波动性，可能使控制回路不稳定，难以实现阀门的精确控制，进而引发回路控制问题。此外，阀门位于裂解炉附近，可能面临高环境温度，因此选择执行机构及相关配件时需考虑这一因素。
（二）原料气控制
乙烯裂解炉的原料可为乙烷、丙烷、丁烷、瓦斯油或石脑油，原料类型的选择取决于供应情况。中东地区的工厂倾向于使用天然气原料（该地区天然气资源丰富且成本低廉）；亚洲地区石脑油供应充足，因此更常以石脑油为原料。部分工厂设计为可处理多种原料，以便根据供应情况和成本灵活调整。
原料气控制阀用于控制乙烯工厂的原料流量，其精确控制与稀释蒸汽阀同样关键，可确保裂解炉内维持合适的反应比例。原料与蒸汽的反应比例控制会影响反应效率和乙烯转化率。受工艺条件限制，原料气控制阀需使用石墨填料，同样存在摩擦力高、死区大、波动性强的问题，可能导致自动控制回路不稳定，难以实现精确控制。此外，阀门位于裂解炉附近，可能面临高环境温度，选择执行机构及相关配件时需考虑这一因素。与稀释蒸汽阀相比，原料气控制阀还需考虑另一变量：为满足环保和安全要求，需使用低排放填料以减少原料气排放。
（三）燃料气控制
燃料气通过控制燃烧器的燃料供应来调节裂解炉温度。裂解炉管沿程采用特殊的温度分布，以避免低温下的长停留时间 —— 低温易引发低聚反应，生成副产品（低聚反应是指单体转化为有限聚合度产物的化学过程，这类产物在乙烯生产中不受欢迎）。因此，裂解炉的温度控制至关重要，目标是维持最佳温度，以促进目标主反应发生，最大化乙烯产量。
由于燃料的特性，许多工厂采用低排放填料以限制燃料气排放，这既出于环保考虑，也为保障安全。与裂解炉区域的其他阀门类似，燃料气阀可能面临高环境温度，需根据具体应用的环境温度，谨慎选择执行机构及配件。
二、急冷塔
裂解气离开裂解炉时的温度为 750℃至 875℃，必须立即冷却，以保持气体的当前组成，防止发生不必要的副反应。急冷塔可采用急冷油或急冷水冷却：天然气基系统通常仅使用急冷水，而石脑油进料工厂则使用急冷油，部分也会配套急冷水塔。
对于石脑油进料工厂使用急冷油塔的场景，急冷油是极具腐蚀性的流体，通常含有夹带的碳颗粒。为获得长效解决方案，选择合适阀门时必须考虑流体的腐蚀性。
三、裂解气压缩机
裂解气经急冷塔冷却后，下一步工艺为裂解气压缩。通常采用涡轮驱动的离心式压缩机完成压缩，分为 4-5 个阶段，中间设有冷却步骤。所需的压缩阶段数主要取决于裂解气组成和冷却介质的温度水平。乙烯工厂的所有处理量均需通过裂解气压缩机，因此该设备的性能和可靠性尤为重要；同时，压缩机是极为昂贵的设备，占工厂总投资的很大比例。
防喘振控制系统用于保护这一关键资产，其设计目标是比调整涡轮转速更快地响应，防止喘振发生。控制器通过监测多个变量预防喘振，需要快速、准确的响应以避免喘振工况。喘振的特征包括快速流量反转（以毫秒为单位）、压缩机振动过大、介质温度升高、产生异常噪音，甚至可能导致压缩机跳闸。喘振的后果严重，包括缩短压缩机寿命、降低效率、减少输出量，以及损坏密封件、轴承、叶轮等机械部件。
防喘振控制阀面临诸多挑战，核心是确保阀门可靠性（维护周期长，需保证控制阀组件稳定运行）。防喘振阀是保护压缩机免受喘振损坏的主要设备，需快速冲程（通常仅向开启方向）—— 例如，行程达 20 英寸（50.8 厘米）的阀门需在仅 0.75 秒内完成冲程，这可能需要加大执行机构连接尺寸，并使用容积增压器和快速排气阀；配件选择不当会导致阀门性能不佳和调试困难。喘振事件中，阀门可能承受高压降和高流量，产生过度噪音（阀门选择时需考虑该因素，但无需在整个阀门行程范围内控制噪音）；部分情况下，阀门需从 0 至 100% 间歇节流，要求对增量步长具备快速、准确的控制能力，任何延迟都可能引发喘振；防喘振阀必须能够通过压缩机的最大输出容量，通常会对压缩机容量乘以一个系数，可能导致阀门选型过大，而容量过大的阀门往往存在可控性问题，引发运行不稳定。
四、酸性气脱除
酸性气脱除系统通常位于压缩机的第 3-4 级之间或第 4-5 级之间。在所有工艺配置中，酸性气脱除必须位于干燥单元上游，以避免后续分馏步骤中形成冰和水合物。酸性气脱除通常采用一次性洗涤或与再生化学品结合的方式：对于高硫原料，在最终氢氧化钠处理前先进行再生预洗涤，可降低氢氧化钠消耗量；再生洗涤可采用醇胺类物质，此时需使用富胺降压阀（见图）。
裂解气经入口洗涤器脱除游离液体后，进入吸收段，与向下流动的胺溶液逆流密切接触；净化后的气体从吸收塔顶部排出，贫胺从塔顶进入，流经塔板并逆着气体流动方向向下流动；吸收塔底部的富胺（含酸性气）通过液位控制器驱动的富胺降压阀排出，进入减压操作的闪蒸罐，大量物理吸收的气体在此脱气；随后，富胺经一系列工艺再生，循环使用。
富胺降压阀是极具挑战性的应用 —— 工艺流体中含有溶解的气体。当流体流经降压阀时，由于吸收塔与闪蒸罐之间的压差，会产生压力降，引发大量脱气（溶解的气体从溶液中逸出），导致阀门内形成两相流（一相为液态胺，另一相为逸出的二氧化碳（CO₂）和 / 或硫化氢（H₂S））。这种两相流可能产生过度振动，且液相高速冲击阀门内件，具有极强的腐蚀性。
脱气的影响与闪蒸极为相似，选择阀门、内件类型和材质时需特殊考虑，总体方案取决于压力降的严重程度。尽管部分 sizing 方法预测会发生气蚀，但该工况不应使用小孔防气蚀内件，原因有二：一是蒸汽可缓冲气蚀气泡的溃灭，不会造成气蚀损坏；二是气体快速逸出会加速液体流动，不可压缩流体的冲击会迅速侵蚀多通道内件结构。
五、干燥
裂解气在压缩前及每个中间冷却器阶段后均处于饱和含水状态，分馏前必须脱除水分，以防止形成水合物和冰（-100℃时会形成冰状物，可能堵塞管道和 / 或损坏设备）。干燥通常通过冷却和分子筛吸附实现，工艺类似于双床层变压吸附（PSA）撬块；老厂也采用乙二醇洗涤吸收或氧化铝吸附的方式。干燥工序安排在第一次分馏前，通常位于最后一个压缩阶段之后；多个吸附床层可实现连续脱水 —— 一个或多个吸附床层运行时，至少有一个单元进行再生。若因分子筛问题导致无法干燥，将导致工厂停产。
分子筛切换阀应用中，通常使用管线尺寸的蝶阀或四分之一转球阀。阀门可能存在选型过大的情况，且高循环要求会导致阀门磨损，进而引发轴承咬死和密封件磨损；若阀门输出扭矩过大、控制不良或开启过快 “脱离” 阀座，可能导致吸附床层的吸附珠被掀起，造成吸附珠损坏、相互摩擦产生粉尘，降低吸附珠的干燥效果；粉尘可能卡在轴承区域造成损坏，严重时导致阀门卡涩，还可能造成密封件磨损。
六、蒸馏塔
分馏段接收压力为 32-38 巴（464-551 磅 / 平方英寸）的压缩裂解气，通过一系列蒸馏塔和加氢反应器，进一步分馏为不同规格的产品和馏分。裂解气分离的主要方法为深冷分离 —— 尽管吸附、吸收或膜技术的气体分离工艺近年来取得了进展，但在乙烯行业尚未得到广泛应用。目前，三种工艺路线已实现工业化应用，其主要区别在于首次分离步骤和乙炔加氢的位置，分别为：先脱甲烷 + 尾端加氢、先脱乙烷 + 前端加氢、先脱丙烷 + 前端加氢。以下是各类蒸馏塔及其功能介绍：
- 脱甲烷塔：将裂解气中的甲烷作为塔顶组分，与 C₂及更重的塔底组分分离；同时，从裂解气中脱除氢气，可在脱甲烷前或脱甲烷后提纯作为产品；甲烷通常用作工厂燃料或对外销售；C₂及更重组分送至回收系统。
- 脱乙烷塔：将裂解气中的乙炔、乙烯、乙烷作为塔顶组分，与 C₃+ 塔底组分分离。
- 脱丙烷塔：将丙烷及更轻馏分作为塔顶组分，与 C₄+ 塔底馏分分离。
- C₂分离器（乙烯分馏塔）：将高纯度乙烯作为塔顶产品，与乙烷分离；乙烷与丙烷混合后循环回裂解炉。
- C₃分离器（丙烯分馏塔）：将丙烯作为化工级塔顶产品（更常为聚合级丙烯），与丙烷分离；丙烷循环回裂解炉。
- 初馏塔：对于液态热解原料（石脑油进料工厂），初馏塔是裂解气处理的第一步；裂解气进入塔内，与循环油接触，塔顶与后续急冷水塔产生的重热解汽油馏分接触；初馏塔塔顶排出的裂解气不含油，但仍含有全部稀释蒸汽；塔底收集用作载热体的热油，冷却后作为回流循环至初馏塔中段和传输线换热器下游的急冷喷嘴。
蒸馏塔广泛应用于各类化工厂，目标是将进料流分离为轻组分和重组分产品流，依赖进料流中各组分的相对挥发度 —— 高挥发度（轻质）组分的沸点低于低挥发度（重质）组分。因此，通过塔底再沸器加热时，轻质物质汽化并上升至塔顶，塔顶蒸气冷却后冷凝为液体，部分塔顶液体产品回流至塔顶（称为回流）。
蒸馏效率取决于上升蒸汽与下降液体的接触量：回流增加可提高塔顶产品纯度，但也需要再沸器提供更多热量，使回流流中的轻质组分重新汽化；部分蒸馏塔（如脱甲烷塔）也可配备侧线再沸器。蒸馏塔的操作需在产品纯度和能耗之间取得平衡：若塔内气液流量过大，会导致 “液泛”（过多回流、过多再沸热量导致过多蒸气，或两者共同作用均可引发），此时蒸馏塔效率大幅下降，产品纯度随之降低。
无论蒸馏塔的具体应用场景如何，控制阀解决方案均需提供准确可靠的控制，阀门会影响塔效率、稳定性、能耗及液泛风险等。
七、丙烯和乙烯制冷
乙烯工厂的制冷系统至关重要且成本高昂，制冷优化是工厂设计的关键。通常采用两套独立的制冷系统：除裂解气压缩机外，还包括丙烯制冷压缩机组和乙烯制冷压缩机组，这两类压缩机也配备防喘振系统和防喘振阀。
八、氢气提纯
氢气在工厂的深冷段生成，纯度通常为 80%-95%（体积分数），但含有约 1000ppm 的一氧化碳（CO）。由于一氧化碳是加氢工艺的毒物，因此需对氢气进行提纯 —— 加氢工艺包括乙炔转化为乙烯（乙烯规格通常要求乙炔含量低于 1ppm）和甲基乙炔（MAPD）与丙二烯转化为丙烯和丙烷（此举既出于经济考虑，也为了从丙烯产品中脱除这些组分）。氢气提纯最常用的工艺为变压吸附（PSA）。
变压吸附应用中的控制阀处于高循环工况，每年循环次数达 10 万 – 25 万次，阀门和执行机构需每三分钟冲程一次，冲程速度需快速且可控 —— 无控制的开启会导致压力 / 流量峰值。根据变压吸附撬块的类型和尺寸，控制阀的数量和类型会有所不同，可使用截止阀和 / 或旋转阀。控制阀的密封性能是关键问题（影响变压吸附单元效率），且存在双向流动工况；若阀门泄漏导致变压吸附床层间污染，会影响工业气体纯度。
九、动力 / 蒸汽涡轮机
与大多数工艺工厂一样，乙烯工厂也设有动力系统，该区域的阀门应用与传统发电厂非常相似 —— 工况可能不那么严苛，但应用场景和推荐解决方案基本一致。裂解气的热量通过余热锅炉（HRSG）回收，用于产生蒸汽；蒸汽用于驱动涡轮机和工厂其他工艺（如向热解炉提供蒸汽）。余热锅炉系统包含给水、冷凝水、减温减压和排污系统，关键阀门应用包括锅炉给水再循环、锅炉给水启动和调节、连续排污阀及冷凝水再循环。
锅炉给水系统始于除氧器，止于省煤器入口，主要组件包括除氧器、锅炉给水泵和高压给水加热器，核心目的是处理给水，使其适合进入锅炉：除氧器脱除给水中的有害氧气，防止整个管道系统腐蚀；锅炉给水泵提高给水压力；高压给水加热器提高给水温度。锅炉给水系统内的关键阀门包括锅炉给水再循环阀、给水启动阀和给水调节阀。
为保护给水泵，必须配备再循环系统：锅炉给水再循环阀从锅炉给水泵抽取给水，循环回除氧器，防止水泵气蚀和温度过高。锅炉给水泵再循环的基本方式有三种：连续再循环、开关式再循环和当前常用的调节式再循环（提供最小再循环流量以保护水泵并优化效率，需高性能再循环阀）。
再循环阀通常会面临气蚀问题，若阀门选择不当，将导致气蚀损坏；由于气蚀存在，需实现严密关闭 —— 任何泄漏的流体都会发生气蚀，损坏阀座；泄漏的再循环阀会导致装置容量下降、维护频繁和内件频繁更换；若给水不干净，还可能发生堵塞；所有给水应用的常见问题是材质选择不当导致的腐蚀（胺或肼处理的给水对 Alloy 6 具有腐蚀性，若给水经过处理，应避免使用该材质）。
十、火炬系统
乙烯工厂的多个单元操作（如急冷塔、蒸馏塔、蒸汽系统等）均设有排放至火炬的系统。排放阀用于装置降压，以实现安全停机（部分也用于启动）。由于高压降和高质量流量，该应用属于严苛工况，同时作为安全停机系统的一部分，对可靠性要求极高 —— 这些阀门平时关闭，仅在火炬排放场景下开启，工厂人员需确保工艺需要排放时阀门能够动作。