1、第 39 卷 第 7 期2011 年 7 月化 学 工 程CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Vol39 No7Jul 2011收稿日期 : 2011-01-13作者简介 : 贾兆年 ( 1964) ， 男 ， 高级工程师 ， 主要从事化工设计 ; 高海见 ， 通讯联系人 ， 电话 : ( 0574) 87974771， E-mail: gaohj snec sin-opec com。丙烷脱氢制丙烯低温分离工艺分析贾兆年 ， 高海见( 中国石化集团 宁波工程有限公司 ， 浙江 宁波 315103)摘要 : 为确立丙烷脱氢制丙烯工艺中低温分离单元的最佳制冷流程 ， 采用 PR
2、O/ 8 2 化工流程模拟软件 ， 对低温分离单元进行模拟计算 ， 考察了温度和压力对低温分离效果的影响 ， 分析并确立了最佳分离温度和压力范围 ; 在分离效果相同的前提下 ， 分别比较了丙烯 + 乙烯级联制冷 、丙烯预冷 + 混合制冷和丙烯预冷 + 富氢气膨胀制冷 3 种制冷流程的公用工程消耗以及各自的优缺点 。结果表明 : 产品压缩机出口压力对分离效果影响较小 ， 在确保下游装置能够正常操作的情况下 ， 分离压力应尽可能低 ; 分离温度是影响分离效果的主要因素 ， 较为经济的分离温度为90100 ; 相对于其他 2 种流程 ， 丙烯 + 乙烯级联制冷流程具有技术成熟 、能耗低和操作简单等优
3、点 ， 更适合于丙烷脱氢制丙烯工艺 。关键词 : 丙烯 ; 丙烷脱氢 ; 低温分离中图分类号 : TQ 211; TE 08 文献标识码 : A 文章编号 : 1005-9954( 2011) 07-0093-05Analysis of low temperature recovery unit in propanedehydrogenation to propylene processJIA Zhao-nian， GAO Hai-jian( Sinopec Ningbo Engineering Co， Ltd， Ningbo 315103， Zhejiang Province， China)
4、Abstract: To determine the optimal refrigerating method for low temperature recovery ( LTR) unit in propanedehydrogenation to propylene process， the simulations of LTR unit were performed by PRO/82 The influencesof temperature and pressure on separation effection were analysed， and the optimal separ
5、ation temperature andpressure ranges were acquired On the premise of the same separation effection， the utility consumptions andfeatures of propylene + ethylene cascade refrigeration， propylene pre-cooled + Mixed Refrigerant Cycle ( MRC)refrigeration and propylene pre-cooled + hydrogen-expansion ref
6、rigeration were compared The result shows thatthe discharge pressure of Charge Gas Compressor ( CGC ) is not the important factor for the separation effection ofLTR unit， but the temperature has the significant influence on the separation result， and the economic separationtemperature is from 90 to
7、100 Compared with the other two refrigerating methods， propylene + ethylenecascade refrigeration has more advantages such as high reliability， low energy consumption and easy operating，etc ， so this method is more suitable for propane dehydrogenation to propylene processKey words: propylene; propane
8、 dehydrogenation; low temperature recovery丙烷脱氢制丙烯技术是在异丁烷脱氢制异丁烯的基础上发展而来的 ， 作为一种工业化生产工艺已有近 20 年的历史 ， 但由于历史上丙烷原料的价格高 、丙烯产品低廉 ， 加上此类装置投资较高 ， 使其应用受到限制 。近些年来 ， 随着丙烯需求的不断增长以及丙烷脱氢工艺技术的发展带来投资成本和操作费用的降低 ， 使得丙烷脱氢制丙烯技术有着更为广阔的市场前景 。目前已工业化的丙烷脱氢工艺均由反应 、产品压缩 、低温分离 、产品精制等几个部分组成 ， 其中压缩和低温分离系统是保证下游产品分离单元正常操作和产品质量的关键环节
9、 ， 也是本装置的主要耗能单元 ， “三机 ”( 产品压缩机 、丙烯制冷机及乙烯制冷机 ) 能耗约占总耗能的 70%80%。因此 ， 本文将重点分析低温分离系统 ， 并比较压力 、温度以及制冷方式等因素对分离系统的影响 。1 工艺流程典型的丙烷脱氢制丙烯流程可分为原料预处理 、脱氢反应 、产品压缩干燥 、低温分离及产品精制 ( 包括脱乙烷塔和脱丙烷塔 ) 等单元 ， 流程示意图见图 1。图 1 丙烷脱氢制丙烯流程Fig1 Typical schematic diagram of propanedehydrogenation to propylene反应器出口物料的压力通常为微正压 ( 甚至负压
10、 ) ， 需由压缩机增压至下游产品分离所需的压力 ，在确定压缩机出口压力时需综合考虑制冷方式 、丙烷 /丙烯收率 、氢气用户所需压力以及操作费用等因素 ， 力求找到最佳平衡点 。低温分离的目的则是为了将反应物中的氢气 、CH4等与轻烃最大程度地分离 ， 尽可能多地回收丙烷 、丙烯 。一般 ， 压力越高 、温度越低越有利于烃类分离 ， 低温分离排放气中的丙烷和丙烯夹带量越少 ， 氢气的纯度越高 。为达到较为理想的分离效果 ， 减小下游产品精馏单元的负荷 ， 低温分离温度通常在 90100 。在此温度区间可以选择的制冷方式有丙烯 +乙烯级联制冷 、丙烯预冷+混合制冷及丙烯预冷 +富氢气膨胀制冷 。
11、11 丙烯 + 乙烯级联制冷丙烯 、乙烯级联制冷是石化工业上常用的制冷方式 。乙烯 、丙烯分别经过各自的压缩机压缩后 ， 再经逐级冷却冷凝 ， 然后凝液在不同的压力下闪蒸 ， 为低温分离冷箱提供不同温度级别的冷剂 。理论上 ，从提高冷量利用率看 ， 闪蒸级数越多和制冷温度级越多 ， 冷量利用效率越高 ， 但相应的设备投资费用相应增加 ， 操作也越为复杂 。图 2 为丙烯 、乙烯级联制冷流程示意图 ， CWS， CWR 分别指循环冷却水上水 、回水 。产品气经压缩机增压后 ， 分别经过循环水和13 丙烯冷却至 16 进入分子筛脱水床层 ， 脱水后的产品气 ( 水露点降低至 70 以下 ) 进入到
12、冷箱逐步冷却至 95 左右 。在此过程中丙烯制冷分别提供 13， 0， 38 的冷量 ， 乙烯制冷则提供65， 100 的冷量 。图 2 丙烯 、乙烯级联制冷流程Fig2 Process flow diagram of propylene-ethylene cascade refrigeration12 丙烯预冷 + 混合制冷混合制冷工艺 ( MRC) 最早应用于天然气液化装置 ， 是在级联式工艺的基础上演变而来的 ， 采用烃类混合物 ( 如 : N2， C1， C2， C3， C4， C5) 作为制冷剂 ， 代替级联式工艺中的多个纯组分体系 ， 以优化与热物流之间的传热温差 ， 达到提高传热
13、效率的目的 。其制冷剂组成根据原料气的组成和压力而定 。丙烯预冷 + 混合制冷则是在单级混合制冷工艺基础上增加了丙烯预冷回路 ， 使得流程更为节能 。图 3 为丙烯预冷 + 混合制冷流程示意图 ， 经冷却干燥后的产品气进入预冷冷箱 ， 用丙烯产品气和混合制冷剂预冷至 35 ， 混合冷剂中的重组分先冷凝 ， 凝液经分离减压后作为下一级的冷剂 ， 轻组分则继续冷凝并依次分离 、节流 、蒸发 ， 为热物流提供不同温度级的冷量 。13 丙烯预冷 + 富氢气膨胀制冷富氢气膨胀制冷则是利用冷箱分离出的高压富氢气经等熵膨胀后产生的低温气体作为冷剂返回冷箱 。图 4 为丙烯预冷 +富氢气膨胀制冷流程示意图 ，
14、首先利用丙烯将产品气冷却至 35 左右 ， 再利用分离出的富氢气膨胀提供更低温度的冷量 ， 将物流中的重组分冷凝下来 ， 轻组分送入膨胀机 ， 重组分则送入脱乙烷塔 。膨胀后的富氢气能够提供 100 的冷量 。富氢气的压力可由膨胀机驱动的压缩机增压至一个合适的压力 ， 以满足下游用户需求 。49 化学工程 2011 年第 39 卷第 7 期2 模拟计算与分析21 流程模拟为了便于分析 ， 本文以表 1 中的组成为例来对低温分离单元进行模拟计算分析 ， 此组分中未考虑C4+和少量水 ， CO， CO2， N2等组分 。模拟采用 SIM-SCI 公司的 PRO/ 8 2 软件 。由于产品气组成主要
15、为轻烃 ， 且涉及到气液二相平衡 ， 为保证较高的精确度 ， 热力学方法将采用 SRKS 方程 ， 气 、液相焓值计算采用 LKP 方程 ， 液相密度采用 COSTALD 方法 。本文通过 PRO/ 8 2 软件分别对上述 3 个低温分离过程进行了模拟 ， 分析了产品压缩机出口压力 、低温分离温度等参数对分离效果的影响 。在假定上游的脱氢反应单元和下游的产品精制单元采用相同的工艺和操作条件 ， 且能耗相同的前提下 ， 比较了 3 种制冷流程的经济性 。各流程中主要工艺参数见表 2。其中流程 1， 2， 3 分别代表丙烯 + 乙烯级联制冷 、丙烯预冷 + 混合制冷和丙烯预冷 + 富氢气膨胀制冷
16、， 以下相同 。表 1 产品压缩机入口条件*Table 1 Suction conditions of charge gas compressorH2CH4C2H4C2H6C3H6C3H8摩尔分数 /% 5711 126 063 044 1872 2184* 温度 40 ， 压力 003 MPa( g) ， 流量 100 t/h。表 2 主要工艺参数*Table 2 Process parameters流程产品压缩机出口压力 /MPa富氢气压力 /MPa 温度 /粗产品压力 /MPa 温度 /丙烯压缩机出口压力 /MPa乙烯压缩机出口压力 /MPMRC 压缩机出口压力 /MPa膨胀机膨胀比1
17、110 080 30 080 10 17 1752 110 080 30 080 30 17 233 220 080 40 180 10 17 6备注多变效率按 85%多变效率按 85%多变效率按 85%效率按 80%* 表中压力均为表压 。59贾兆年等 丙烷脱氢制丙烯低温分离工艺分析为了保证流程模拟的合理性与准确性 ， 模拟过程中充分考虑了冷箱在不同温度段的冷损失 ， 冷损失量取值如表 3 所示 ， 压缩机和膨胀机效率分别按85%和 80%来考虑 。表 3 各温度段冷箱冷损Table 3 Assumed heatleak factors at different temperatures温度
18、 / 冷箱冷损 /% 温度 / 冷箱冷损 /%9 0 40 160 03 50 1910 06 65 2420 09 75 2727 11 101 3522 结果与讨论221 分离压力和温度的选择图 5 为 75 分离温度下不同产品压缩机( CGC) 出口压力对丙烯收率的影响图 ， 从图中可以看出 : 压缩机出口压力由 0 8 MPa( g) 增加至3 6 MPa( g) 时 ， 丙 烯 收 率 由 95 57% 增 加 至98 66% ， 只增加了 3 09% ， 而压缩机轴功率却增加了 6 110 96 kW， 这说明压力对分离效果的影响较小 ， 产品压缩机出口压力太大将大大增加压缩功耗
19、， 在确保下游装置正常操作的前提下 ， 产品压缩机的出口压力应尽量低 ， 以降低能耗 。从图 5中还可以看出 ， 压力在 1 MPa( g) 左右最为经济 ， 大于此值分离效果改善不明显 ， 能耗却增加较快 。本文将按照 1 1 MPa( g) 产品压缩机出口压力对流程 1 和 2 的低温分离系统进行分析 ; 而对于流程3， 由于采用膨胀机制冷 ， 膨胀机上游需要更高的压力 ， 为了能够提供足够低的冷量 ， 产品压缩机出口压力定为 2 2 MPa( g) 。图 6 为 1 1 MPa( g) 和2 2 MPa( g) 压力下不同温度对丙烯收率的影响 ，从图 中 可 以 看 出 : 分 离 温
20、度 由 30 降 低 至130 时 ， 丙烯收率分别由 65% ， 83% 增加至99 2% ， 99 6% ， 这说明温度是决定分离效果的主要因素 。但是当分离温度降低至一定程度时 ， 对分离效果的影响将逐渐减弱 ， 此时若继续降低分离温度则会大大增加能耗 。因此 ， 分离温度的确定十分关键 ， 选择的温度太高则分离效果不理想 ，选择过低的分离温度则会大大地增加分离成本 。工业上为了不至于采用更低能级的制冷系统 ， 分离温度一般选择在 90100 。222 3 种制冷流程比较低温分离单元主要消耗的公用工程为循环水和电 ( 压缩机为电机驱动 ) ， 本文对 3 种制冷方式分别进行了模拟计算 ，
21、 计算结果如图 7 及表 4。其中图 7为按照 100 t/h 流量的产品气计算的公用工程消耗量 ， 从图中可以看出 3 种流程循环水消耗较为接近 ，流程 2 略微大些 ; 而电力消耗有较大差别 ， 流程 2 用电量最大 ， 流程 1 和 3 较为接近 。图 7 3 种流程公用工程消耗量Fig7 Utility consumptions of three flows表 4 低温分离单元每 t 丙烯产品耗能Table 4 Energy consumption per ton propyleneproduct in LTR unit of three flows公用工程流程1 2 3备注循环水消耗
22、 /( th1) 5300 5551 5157电消耗 /( kWh) 42848 48723 44938折成标油 /kg 12647 14334 13224丙烯回收率均按 99%69 化学工程 2011 年第 39 卷第 7 期表 4 为单位丙烯产品的公用工程消耗量 ， 并按照 SH/T 31102001石油化工设计能力消耗计算方法 将其折算为标油的计算结果 。从表中可以看出流程 2 的能耗最高 ， 其次为流程 3， 而流程 1 最低 。这说明对于丙烷脱氢制丙烯装置采用丙烯 + 乙烯级联制冷方式最为节能 。对于流程 3 虽然产品压缩机的功率较大 ， 但由于产品气中的氢气含量较高 ，采用富氢气膨
23、胀能够提供充足的冷量 ， 可以节省40100 之间的制冷功率 ; 另一方面由于产品压缩机出口压力较高 ， 丙烯制冷的功率也能有所降低 ， 因此 ， 综合来看流程 3 的能耗并不会太高 。表 5 为初步估算的各流程所需的设备数量 。流程 1 和 2 分别采用了 2 个制冷系统 ， 因此 ， 压缩机均需要 3 台套 ， 而静设备数量二者基本接近 ， 因而与流程 1 相比流程 2 并无经济优势可言 ， 相反由于其采用多元制冷系统 ， 反而会增加操作上的复杂性 ; 流程3虽然只有一个制冷系统 ， 但由于膨胀机出口富氢气压力很低 ， 需要 1 台压缩机进行增压 ， 因此 ， 压缩机数量也为 3 台套 ，
24、 与前 2 个流程相比 ， 流程 3 还增加一台膨胀机 ， 因而 ， 操作也更为复杂 。表 5 各流程设备数量Table 5 Equipment number of three flows设备流程1 2 3备注压缩机 /台套 3 3 3膨胀机 /台 1冷箱 /台 1 1 1换热器 /台 11 8 9罐 /个 10 12 7不含冷箱中的换热设备表 6 分别比较了 3 种制冷流程的优缺点 ， 从表中可以看出 ， 丙烯 + 乙烯级联制冷具有投资小 、能耗低 、技术成熟和操作简单等特点 ， 与其他 2 种流程相比更具优势 。表 6 制冷流程优缺点比较Table 6 Merits and demerit
25、s of three flows制冷方式 优点 缺点丙烯 + 乙烯级联制冷能耗低 ; 制冷剂为纯物质 ， 无配比问题 ;技术成熟 ; 设备投资低 ; 操作简单 。只能提供 100 的冷剂 ， 温度调节范围小 。丙烯预冷 + 混合制冷技术成熟 ， 应用广泛 ; 温度调节范围大 。能耗比级联式流程高 ; 混合制冷剂的合理配比较为困难 ; 需增加制冷剂运输和贮存费用 ; 操作较为复杂 。丙烯预冷 + 富氢气膨胀制冷采用富氢气为制冷剂 ， 省去部分运输 、贮存冷冻剂的费用 ; 能耗较低 。富氢气回流压力低 ， 体积流量大 ， 因而换热面积增加 ，设备投资投入大 ; 由于膨胀气压力较低 ， 为满足下游用
26、户需求 ， 需增加富氢气增压机 ; 操作较为复杂 。3 结论( 1) 采用冷剂制冷方式时 ， 产品压缩机出口压力 1 MPa( g) 左右最为经济 ; 采用富氢气膨胀制冷时 ， 产品压缩机出口压力一般大于 2 MPa( g) 。( 2) 分离温度一般在 90 100 ， 这样既能保证分离效果 ， 又不至于采用能级更低的制冷系统 。( 3) 3 种制冷流程中 ， 丙烯 + 乙烯级联制冷制冷流程最为节能 ， 设备数量不会太多 ， 操作上也更为简单 ， 具有较大的优势 。因而丙烯 + 乙烯级联制冷方式最适合于丙烷脱氢制丙烯装置 。参考文献 : 1 肖锦堂 烷烃催化脱氢生产 C3 C4烯烃工艺之一 J
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