丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析

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丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析

第３９卷第７期２０１１年７月

化學ｔ程

ＣＨＥＭＩＣＡＬ

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ＥＮＣＩＮＥＥＲｌＮＣ（ＣＨＩＮＡ）

丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析

賈兆年，高海見

（中國石化集團寧波工程有限公司，浙江寧波３１５１０３）

摘要：為確立丙烷脫氫制丙烯工藝中低溫分離單元的最佳制冷流程，采用ＰＲｏ／Ⅱ８．２化工流程模擬軟件，對低溫

分離單元進行模擬計算，考察了溫度和壓力對低溫分離效果的影響，分析并確立了最佳分離溫度和壓力范圍；在分

離效果相同的前提下，分別比較了丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷、丙烯預冷＋混合制冷和丙烯預冷＋富氫氣膨脹制冷３種制冷流程的公用工程消耗以及各自的優(yōu)缺點。結果表明：產(chǎn)品壓縮機出口壓力對分離效果影響較小。在確保下游

裝置能夠正常操作的情況下，分離壓力應盡可能低；分離溫度是影響分離效果的主要因素，較為經(jīng)濟的分離溫度為一９０一一１００℃；相對于其他２種流程，丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷流程具有技術成熟、能耗低和操作簡單等優(yōu)點，更適合于丙烷脫氫制丙烯＿１＝藝。

關鍵詞：丙烯；丙烷脫氫；低溫分離中圖分類號：ＴＱ

２ｌｌ；ｒＩＥ０８

文獻標識碼：Ａ

文章編號：１００５鶘５４（２０１１）ｃｒ７舢３彤

ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｃｏＶｅｒｙｕＩｌｉｔｉＩｌｐｒｏｐａｎｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｍｐｙｌｅｎｅ；ｐｒｏｐａｎｅｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎ砒ｉｏｎ；ｌａｗ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕ陀嗽ｏｖｅｒｙ

目前已工業(yè)化的丙烷脫氫工藝均由反應、產(chǎn)品壓縮、低溫分離、產(chǎn)品精制等幾個部分組成，其中壓縮和低溫分離系統(tǒng)是保證下游產(chǎn)品分離單元正常操作和產(chǎn)品質量的關鍵環(huán)節(jié)，也是本裝置的主要耗能單元，“三機”（產(chǎn)品壓縮機、丙烯制冷機及乙烯制冷

丙烷脫氫制丙烯技術是在異丁烷脫氫制異丁烯

的基礎上發(fā)展而來的，作為—腫工業(yè)化生產(chǎn)工藝已

有近２０年的歷史，但由于歷史上丙烷原料的價格高、丙烯產(chǎn)品低廉，加上此類裝置投資較高，使其應

用受到限制。近些年來，隨著丙烯需求的不斷增長

以及丙烷脫氫工藝技術的發(fā)展帶來投資成本和操作費用的降低，使得丙烷脫氫制丙烯技術有著更為廣闊的市場前景。

收稿日期：２０ｌ

Ｉ旬ｌ?１３

機）能耗約占總耗能的７０％ｑＯ％。因此，本文將

重點分析低溫分離系統(tǒng)，并比較壓力、溫度以及制冷方式等因素對分離系統(tǒng)的影響。

作奢簡介：賈兆年（１９６４一），男。高級工程師．主要從事化工設計ｌ高海見．通訊聯(lián)系人，電話：（０５７４）盯９７４７７１．Ｅ－叫Ｉｉｌ：鼬ｊ．∞∽＠?ｉｎ?

ｏｐ∞－ｃ鋤ｏ

?９４?

化學工程２０１１年第３９卷第７期

ｌ工藝流程

度越低越有利于烴類分離，低溫分離排放氣中的丙烷和丙烯夾帶量越少，氫氣的純度越高。為達到較為理想的分離效果，減小下游產(chǎn)品精餾單元的負荷，低溫

典型的丙烷脫氫制丙烯流程可分為原料預處理、脫氫反應、產(chǎn)品壓縮干燥、低溫分離及產(chǎn)品精制（包括脫乙烷塔和脫丙烷塔）等單元，流程示意圖見圖ｌ。

Ｃｔ＋

分離溫度通常在一９卜一１００℃。在此溫度區(qū)間可

以選擇的制冷方式有丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷、丙烯預冷＋混合制冷及丙烯預冷＋富氫氣膨脹制冷。１．１丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷

丙烯、乙烯級聯(lián)制冷是石化Ｔ業(yè)上常用的制冷方式。乙烯、丙烯分別經(jīng)過各自的壓縮機壓縮后，再經(jīng)逐級冷卻冷凝，然后凝液在不同的壓力下閃蒸，為低溫分離冷箱提供不同溫度級別的冷劑。理論上，從提高冷量利用率看，閃蒸級數(shù)越多和制冷溫度級越多，冷量利用效率越高，但相應的設備投資費用相應增加，操作也越為復雜。圖２為丙烯、乙烯級聯(lián)制冷流程示意圖，ＣＷＳ，ＣＷＲ分別指循環(huán)冷卻水上水、回水。產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮機增壓后，分別經(jīng)過循環(huán)水和１３℃丙烯冷卻至１６℃進入分子篩脫水床層，脫水后的產(chǎn)品氣（水露點降低至一７０℃以下）進入到冷箱逐步冷卻至一９５℃左右。在此過程中丙烯制冷分別提供１３，Ｏ，一３８℃的冷量，乙烯制冷則提供一６５，一１００℃的冷量。

富氫氣至變爪吸附

液鑲轔：竺！，—志

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氫氣循環(huán)

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高純氫氣副產(chǎn)品

圈ｌ丙烷脫氫制丙烯流程

Ｆｉｇ．１

聊ｉｃａｌ

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ｔｏ

ｄｅｈｙｄｒｏ鏟ｆＩａｔｉｏｎｐｍｐｙｌｅｎｅ

反應器出口物料的壓力通常為微正壓（甚至負壓），需由壓縮機增壓至下游產(chǎn)品分離所需的壓力，在確定壓縮機出口壓力時需綜合考慮制冷方式、丙

髟丙烯收率、氫氣用戶所需壓力以及操作費用等因

素，力求找到最佳平衡點。低溫分離的目的則是為了將反應物中的氫氣、ｃＨ。等與輕烴最大程度地分離，盡可能多地回收丙烷、丙烯。一般，壓力越高、溫

圈２丙烯、乙烯級聯(lián)制冷流程

Ｆｉｇ．２

Ｐ】ｍ∞鶴ｆｌｄｗｄｉｑ辨ｍ０ｆ

ｐＩＤｐｙｌｅｌ艙越ｈｙｌｅｎｅ瑚Ｂｃ８ｄｅ尚群粕６∞

一級的冷劑，輕組分則繼續(xù)冷凝并依次分離、節(jié)流、蒸發(fā)，為熱物流提供不同溫度級的冷量。

１．了丙烯預冷＋富氫氣膨脹制冷

１．２丙烯預冷＋混合制冷

混合制冷工藝（ＭＲＣ）最早應用于天然氣液化裝置，是在級聯(lián)式工藝的基礎上演變而來的，采用烴類混合物（如：Ｎ２，Ｃ。，Ｃ：，Ｃ，，Ｃ。，Ｃ，）作為制冷劑，代替級聯(lián)式工藝中的多個純組分體系，以優(yōu)化與熱物流之間的傳熱溫差，達到提高傳熱效率的目的。其制冷劑組成根據(jù)原料氣的組成和壓力而定。丙烯預冷＋混合制冷則是在單級混合制冷工藝基礎上增加了丙烯預冷回路，使得流程更為節(jié)能。圖３為丙烯預冷＋混合制冷流程示意圖，經(jīng)冷卻干燥后的產(chǎn)品氣進人預冷冷箱，用丙烯產(chǎn)品氣和混合制冷劑預冷至一３５℃，混合冷劑中的重組分先冷凝，凝液經(jīng)分離減壓后作為下

富氫氣膨脹制冷則是利用冷箱分離出的高壓富氫氣經(jīng)等熵膨脹后產(chǎn)生的低溫氣體作為冷劑返回冷箱。圖４為丙烯預冷＋富氫氣膨脹制冷流程示意圖，首先利用丙烯將產(chǎn)品氣冷卻至一３５℃左右，再利用分離出的富氫氣膨脹提供更低溫度的冷量，將物流中的重組分冷凝下來，輕組分送入膨脹機，重組分則送人脫乙烷塔。。膨脹后的富氫氣能夠提供≤一１００℃的冷量。富氫氣的壓力可由膨脹機驅動的壓縮機增壓至—個合適的壓力，以滿足下游用戶需求。

賈兆年等丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析

富氫氣至變壓吸附

?９５?

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圈３丙烯預冷＋混合制冷流程

Ｆｉｇ．３

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ｐｍｐｙｌｅ∞ｐｍ?ｃ∞ｌｅｄ＆ＭＲＣ弛ｆｈ伊瑚畸∞

機

變壓吸附

圈４丙烯預冷＋富氯氣膨脹制冷流程

Ｆｉｇ．４

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定上游的脫氫反應單元和下游的產(chǎn)品精制單元采用相同的工藝和操作條件，且能耗相同的前提下，比較了３種制冷流程的經(jīng)濟性。各流程中主要工藝參數(shù)見表２。其中流程１，２，３分別代表丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷、丙烯預冷＋混合制冷和丙烯預冷＋富氫氣膨

脹制冷，以下相同。

裒ｌ產(chǎn)品壓縮機入口條件?

ＴａｂＩｅｌ

Ｓｕｃｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｃｈａ瑁ｅ齲ｓｃｏｍｐ他ｓ∞ｒＨ２

ＣＨ．１．２６

Ｃ２Ｈ４Ｏ．６３

Ｃ２Ｈ６Ｏ．４４

Ｃ３Ｈ６１８．７２

Ｃ３Ｈ８２１．８４

２模擬計算與分析

２．１流程模擬

．

為了便于分析，本文以表ｌ中的組成為例來對低溫分離單元進行模擬計算分析，此組分中未考慮Ｃ。＋和少量水，ＣＯ，ＣＯ：，Ｎ２等組分。模擬采用ＳＩＭ．ＳＣｌ公司的ＰＲｏ／Ⅱ８．２軟件。由于產(chǎn)品氣組成主要為輕烴，且涉及到氣液二相平衡，為保證較高的精確度，熱力學方法將采用ＳＲＩ（ｓ方程，氣、液相焓值計算采用Ｌｌ（Ｐ方程，液相密度采用ＣＯＳＴＡＬＤ方法。本文通過ＰＲ０／Ⅱ８．２軟件分別對上述３個低溫分離過程進行了模擬，分析了產(chǎn)品壓縮機出口壓力、低溫分離溫度等參數(shù)對分離效果的影響。在假

摩爾分數(shù)／％５７．１ｌ

?溫度４０℃．壓力一Ｏ．０３ＭＰａ（ｇ），流量ｌ∞∥ｈ。

裹２主要工藝參數(shù)’７Ｉ址ｌｅ２Ｐｍｃ姻ｓｐａｍｍｅｔｅ隋

?表中壓力均為表壓。

．９６?

化學工程２０１１年第３９卷第７期

為了保證流程模擬的合理性與準確性，模擬過程中充分考慮了冷箱在不同溫度段的冷損失，冷損失量取值如表３所示，壓縮機和膨脹機效率分別按８５％和８０％來考慮。

表３各溫度段冷箱冷損

’Ｉ’ａｂｌｅ３

Ａｓｓｕｍｅｄｈｅａｄｅａｋｆ如ｔｏｒｓａｔｄｉｆｆｂｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

溫度／℃

冷箱冷損／％

溫度／℃

冷箱冷損／％

９０—４０１．６００．３—５０１．９—１００．６—６５２．４—２００．９—７５２．７—２７

１．１

—１０ｌ

３．５

２．２結果與討論

２．２．１分離壓力和溫度的選擇

圖５為一７５℃分離溫度下不同產(chǎn)品壓縮機（ＣＧＣ）出口壓力對丙烯收率的影響圖，從圖中可

以看出：壓縮機出口壓力由０．８ＭＰａ（ｇ）增加至

３．６

ＭＰａ（ｇ）時，丙烯收率由９５．５７％增加至

９８．６６％，只增加了３．０９％，而壓縮機軸功率卻增

加了６

１１０．９６

ｋＷ，這說明壓力對分離效果的影響

較小，產(chǎn)品壓縮機出口壓力太大將大大增加壓縮功耗，在確保下游裝置正常操作的前提下，產(chǎn)品壓縮機的出口壓力應盡量低，以降低能耗。從圖５中還可以看出，壓力在１ＭＰａ（ｇ）左右最為經(jīng)濟，大于此值分離效果改善不明顯，能耗卻增加較快。本文將按照１．１ＭＰａ（ｇ）產(chǎn)品壓縮機出口壓力對流程ｌ和２的低溫分離系統(tǒng)進行分析；而對于流程３，由于采用膨脹機制冷，膨脹機上游需要更高的壓力，為了能夠提供足夠低的冷量，產(chǎn)品壓縮機出

口壓力定為２．２ＭＰａ（ｇ）。圖６為１．１ＭＰａ（ｇ）和

２．２

ＭＰａ（ｇ）壓力下不同溫度對丙烯收率的影響，從圖中可以看出：分離溫度由一３０℃降低至一１３０℃時，丙烯收率分別由６５％，８３％增加至

９９．２％，９９．６％，這說明溫度是決定分離效果的主要因素。但是當分離溫度降低至一定程度時，對分離效果的影響將逐漸減弱，此時若繼續(xù)降低分離溫度則會大大增加能耗。因此，分離溫度的確定十分關鍵，選擇的溫度太高則分離效果不理想，選擇過低的分離溫度則會大大地增加分離成本。工業(yè)上為了不至于采用更低能級的制冷系統(tǒng)，分離溫度一般選擇在一９０一一１００℃。

產(chǎn)品壓縮機出ｎ壓力／ＭＰａ（ｇ）

圖５產(chǎn)品壓縮機出口壓力對丙烯收率的影響

Ｆｉｇ．５

Ｅ玨融ｏｆｄｉ∞ｈａｒｇｅｐ嗍哦０ｆＣＧｃ蚰ｐｍｐｌｙｅ鵬ｙｉｅｌｄ

分離溫度，℃圈６

溫度對丙烯收率的影響

隱．６

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ｙｉｅｌｄ

２．２．２

３種制冷流程比較

低溫分離單元主要消耗的公用工程為循環(huán)水和電（壓縮機為電機驅動），本文對３種制冷方式分別進行了模擬計算，計算結果如圖７及表４。其中圖７為按照１００Ｌ／ｈ流量的產(chǎn)品氣計算的公用丁程消耗

量，從圖中可以看出３種流程循環(huán)水消耗較為接近，

流程２略微大些；而電力消耗有較大差別，流程２用電量最大，流程ｌ和３較為接近。

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圈７

３種淹程公用工程消耗■

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表４低溫分離單元每ｔ丙烯產(chǎn)品耗能

１曲ｌｅ４

Ｅｎｅｒｇｙ

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煎堡

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２

３

備注

賈兆年等丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析

?９７?

表４為單位丙烯產(chǎn)品的公用工程消耗量，并按

照ｓＨ／Ｔ３ｌｌＯ一２００ｌ《石油化工設計能力消耗計算

氣壓力很低，需要ｌ臺壓縮機進行增壓，因此，壓縮機數(shù)量也為３臺套，與前２個流程相比，流程３還增加一臺膨脹機，因而，操作也更為復雜。

裹５各流程設備數(shù)量

方法》將其折算為標油的計算結果。從表中可以看出流程２的能耗最高，其次為流程３，而流程ｌ最低。這說明對于丙烷脫氫制丙烯裝置采用丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷方式最為節(jié)能。對于流程３雖然產(chǎn)品壓縮機的功率較大，但由于產(chǎn)品氣中的氫氣含量較高，采用富氫氣膨脹能夠提供充足的冷量，可以節(jié)省一４０一一１００℃之間的制冷功率；另一方面由于產(chǎn)品壓縮機出口壓力較高，丙烯制冷的功率也能有所降低，因此，綜合來看流程３的能耗并不會太高。

表５為初步估算的各流程所需的設備數(shù)量。流程１和２分別采用了２個制冷系統(tǒng)，因此。壓縮機均需要３臺套，而靜設備數(shù)量二者基本接近，因而與流程１相比流程２并無經(jīng)濟優(yōu)勢可言，相反由于其采用多元制冷系統(tǒng)，反而會增加操作上的復雜性；流程３雖然只有一個制冷系統(tǒng)，但由于膨脹機出口富氫

１址ｌｅ丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析５

Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

ｎｕｒｒｄ塒ｏｆｔｈ陀ｅ

ｎｏｗ８

表６分別比較了３種制冷流程的優(yōu)缺點，從表中可以看出，丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷具有投資小、能耗低、技術成熟和操作簡單等特點，與其他２種流程相比更具優(yōu)勢。

裹６制冷流程優(yōu)缺點比較

Ｔｈｂｌｅ６

Ｍｅｒｉｔｓ蚰ｄ

ｄｅｒｎｅｒｉ塢ｏｆ１．Ｉｒｅｅ

ｎｏ啪

３結論［２］

［３］

肖錦堂．烷烴催化脫氫生產(chǎn)ｃ，一ｃ．烯烴工藝之二

［Ｊ］．天然氣工業(yè)，１９９４，１４（３）：６９－７１．

（１）采用冷劑制冷方式時，產(chǎn)品壓縮機出口壓

力ｌＭＰａ（ｇ）左右最為經(jīng)濟；采用富氫氣膨脹制冷

肖錦堂．烷烴催化脫氫生產(chǎn)Ｃ，一Ｑ烯烴工藝之三

［Ｊ］．天然氣工業(yè)，１９９４，１４（４）：７２．７６．

時，產(chǎn)品壓縮機出口壓力一般大于２ＭＰａ（ｇ）。

（２）分離溫度一般在一９０一一１００℃，這樣既能保證分離效果，又不至于采用能級更低的制冷系統(tǒng)。

（３）３種制冷流程中，丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷制冷流程最為節(jié)能，設備數(shù)量不會太多。操作上也更為簡單，具有較大的優(yōu)勢。因而丙烯＋乙烯級聯(lián)制冷方式最適合于丙烷脫氫制丙烯裝置。參考文獻：

［１］

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［４］

肖錦堂．烷烴催化脫氫生產(chǎn)Ｃ，一ｃ４烯烴工藝之四

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［５］［６］［７］

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［Ｊ］．天然氣工業(yè)，１９９４，１４（２）：“彤．

丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析

作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：

賈兆年，高海見， JIA Zhao-nian， GAO Hai-jian中國石化集團寧波工程有限公司,浙江寧波,315103化學工程

Chemical Engineering2011,39(7)1次

參考文獻(9條)

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8.余長林,葛慶杰,徐恒泳,李文釗丙烷脫氫制丙烯研究新進展[期刊論文]-化工進展 2006(9)9.王松漢乙烯裝置技術與運行 2009

引證文獻(1條)

1.張琦,隋志軍,顧雄毅,周興貴丙烷脫氫分離工藝的模擬與分析[期刊論文]-石油化工 2015(4)

引用本文格式：賈兆年.高海見.JIA Zhao-nian.GAO Hai-jian 丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析[期刊論文]-化學工程 2011(7)

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