董忠哲，蘇佳林，郭鑫

（昱創(chuàng)（天津）化工科技有限公司，天津武清301705）

丙烯作為重要的石油化工產(chǎn)品，是僅次于乙烯的重要石化基礎(chǔ)原料，也是三大合成材料的基本原料，廣泛應(yīng)用于聚丙烯、環(huán)氧丙烷、丙烯腈、丙烯酸等的生產(chǎn)[1]。傳統(tǒng)的丙烯生產(chǎn)往往是作為蒸汽裂解、催化裂化工藝等的聯(lián)產(chǎn)或副產(chǎn)品，近年來隨著丙烯產(chǎn)品需求量的逐步增長，丙烷脫氫制丙烯工藝備受關(guān)注[2]。

丙烷脫氫工藝基于異丁烷脫氫工藝發(fā)展起來，當(dāng)前主要有UOP公司的Oleflex工藝、Lummus公司的Catofin工藝、Uhde公司的STAR工藝、Linde公司的PDH工藝、Yarsintez公司的FBD-3工藝[3]。其中UOP公司的Ole flex工藝、Lummus公司的Catofin工藝已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，應(yīng)用較廣泛。

某廠丙烷脫氫采用了UOP的Oleflex工藝，其中分離工段主要進(jìn)行丙烷原料的預(yù)處理及反應(yīng)產(chǎn)物的分離。該研究利用流程模擬軟件建立了丙烷脫氫分離工段模型，并在此基礎(chǔ)上對原工藝參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，以達(dá)到優(yōu)化工藝流程降低裝置能耗的目的，為實(shí)際工藝的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

1 流程介紹

丙烷脫氫分離工段的流程見圖1。該工段設(shè)置有脫丙烷塔、乙烷汽提塔、乙烷回收塔、丙烯丙烷分離塔，其中脫丙烷塔設(shè)有中間再沸器，丙烯丙烷分離塔采用了熱泵技術(shù)以降低能耗。

丙烷原料進(jìn)入脫丙烷塔中上部，塔頂為丙烷及以上組分，進(jìn)入反應(yīng)工段進(jìn)行脫氫反應(yīng)，脫丙烷塔塔底為C4+重組分，脫丙烷塔下部設(shè)置中間再沸器；來自反應(yīng)工段的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入脫乙烷汽提塔上部，脫出反應(yīng)產(chǎn)物中乙烷及以上組分，脫乙烷汽提塔塔底進(jìn)入后續(xù)丙烯丙烷分離塔，塔頂經(jīng)脫乙烷汽提塔塔頂空冷器部分冷凝后進(jìn)入脫乙烷回收塔塔底；脫乙烷回收塔塔底經(jīng)與脫乙烷回收塔塔頂不凝汽換熱冷卻后作為脫乙烷汽提塔塔頂回流，脫乙烷回收塔塔頂經(jīng)深冷冷凝后，不凝氣作為反應(yīng)工段加熱爐的燃料氣，冷凝后液相全部作為脫乙烷回收塔回流；來自脫乙烷汽提塔塔底的脫乙烷物料進(jìn)入丙烯丙烷分離塔中下部，丙烯丙烷分離塔塔底丙烷返回至脫丙烷塔，塔頂氣相進(jìn)入熱泵一級壓縮機(jī)，壓縮后氣相一部分作為丙烯丙烷再沸器熱源，冷凝后液相作為丙烯丙烷分離塔回流，另一部分塔頂氣相進(jìn)入熱泵二級壓縮機(jī)，壓縮后氣相作為脫丙烷塔中間再沸器熱源，冷凝后液相部分作為丙烯丙烷回流，部分作為丙烯產(chǎn)品出裝置。

圖1 丙烷脫氫分離工段流程

2 模型的建立及驗(yàn)證

2.1 熱力學(xué)方法的選擇和修正

丙烷脫氫分離過程主要組分有乙烯、乙烷、丙烷、丙烯及少量碳四、碳五，均屬于非極性或弱極性物質(zhì)，且該分離過程往往在高壓條件下，因此采用狀態(tài)方程較為合適。該研究選擇SRK方程作為熱力學(xué)模型，SRK方程對于烴類物系在臨界區(qū)甚至超臨界區(qū)都有較好的準(zhǔn)確性，但SRK方程對于液相密度的計(jì)算值要小于實(shí)測值（除甲烷外）[4]，因此在計(jì)算液相密度時(shí)采用Lee-Kesler方程進(jìn)行修正，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算烴類及其混合物的液體密度[5-6]。

2.2 精餾塔效率的確定

丙烷脫氫過程中主要為低碳碳?xì)浠衔?，精餾塔效率的確定對于分離過程的模擬至關(guān)重要，但精餾塔的效率不僅與分離物系有關(guān)，而且與精餾塔內(nèi)件的形式有關(guān)，得到準(zhǔn)確值并不容易，文獻(xiàn)中[7]提供了塔效率值作為參考，列于表1中。

表1 精餾塔全塔效率

2.3 原設(shè)計(jì)值與模擬值的對比

表2為丙烷脫氫分離段的模擬值與原設(shè)計(jì)值對比，經(jīng)對比表明，模擬計(jì)算值與設(shè)計(jì)值符合性較好，說明所建立模型比較準(zhǔn)確，可用于丙烷脫氫分離段的優(yōu)化。

表2 模擬值與原設(shè)計(jì)值對比

續(xù)表

3 流程的分析及優(yōu)化

3.1 脫丙烷塔

脫丙烷塔作用為從原料中脫出其中的丙烷及以上組分，該塔設(shè)置有中間再沸器以降低過程的能耗。圖2為進(jìn)料位置（自上而下）、中間再沸器相對位置與塔頂冷凝器負(fù)荷的關(guān)系。從圖2可以看出，隨著進(jìn)料位置的上移，塔頂冷凝器負(fù)荷減小，減小的趨勢逐漸變小；隨著進(jìn)料位置與中間再沸器相對位置的增大，塔頂冷凝器負(fù)荷先降低，隨后則趨于平緩，因此提高進(jìn)料位置、增大進(jìn)料位置與中間再沸器相對位置有利于降低塔頂冷凝器的負(fù)荷。

圖3為進(jìn)料位置（自上而下）、中間再沸器相對位置與塔底丙烷含量的關(guān)系，從圖3可以看出，隨著進(jìn)料位置的上移，塔底丙烷的含量降低，但降低的趨勢逐漸變小，因此提高進(jìn)料位置有利于降低冷凝器負(fù)荷，在高于34#理論板后提高進(jìn)料位置對冷凝器負(fù)荷變化影響不大，但會(huì)增加進(jìn)料泵的負(fù)荷；隨著進(jìn)料位置與中間再沸器相對位置的增大，塔底丙烷含量降低，在相對位置超過8#后則趨于平緩，相應(yīng)降低中間再沸器位置對冷凝器負(fù)荷變化影響不大，而由于中間再沸器采用熱虹吸再沸器，將會(huì)影響到中間再沸器的循環(huán)和安裝高度。綜合以上分析，脫丙烷塔進(jìn)料位置調(diào)整至34#理論板，中間再沸器位置調(diào)整至42#理論板較為合適。

圖2 進(jìn)料位置（自上而下）、中間再沸器相對位置與塔頂冷凝器負(fù)荷的關(guān)系

圖3 進(jìn)料位置（自上而下）、中間再沸器相對位置與塔底丙烷含量的關(guān)系

3.2 脫乙烷汽提塔、脫乙烷回收塔

丙烷脫氫分離段中脫乙烷塔采用了脫乙烷汽提塔和脫乙烷回收塔串聯(lián)操作，為降低脫乙烷過程中丙烷及丙烯的損失，脫乙烷回收塔塔頂采用深冷冷卻，在脫乙烷汽提塔塔頂采用了空冷器降低塔頂丙烷制冷負(fù)荷，脫乙烷汽提塔進(jìn)料位置位于脫乙烷汽提塔上段。圖4為脫乙烷汽提塔進(jìn)料位置（自上而下）與再沸器、冷凝器負(fù)荷的關(guān)系，從圖4可以看出，隨進(jìn)料位置下移，再沸器負(fù)荷先減小后增大，冷凝器負(fù)荷先減小后增大，因此脫乙烷汽提塔的進(jìn)料位置調(diào)整至7#理論板較為合適。

圖5為脫乙烷汽提塔塔頂空冷器出口液相分率與脫乙烷汽提塔、脫乙烷回收塔總負(fù)荷（脫乙烷汽提塔再沸器、脫乙烷汽提塔塔頂空冷器、脫乙烷回收塔冷凝器）及脫乙烷過程丙烷、丙烯收率的關(guān)系，從圖5可以看出隨空冷器出口液相分率的增大，總負(fù)荷先減小后增大，丙烷、丙烯收率降低，因此空冷器出口液相分率為0.53時(shí)較為合適。

圖4 脫乙烷汽提塔進(jìn)料位置（自上而下）與再沸器、冷凝器負(fù)荷的關(guān)系

圖5 空冷器出口液相分率與總負(fù)荷、丙烷/丙烯收率的關(guān)系

3.3 丙烯丙烷分離塔

由于丙烯丙烷的相對揮發(fā)度較小，且要求的分離精度較高，因此丙烯丙烷分離塔塔板數(shù)較多，回流比也較大，在丙烷脫氫分離工段中能耗最大。為降低該塔能耗，往往采用熱泵流程，該工藝中采用了兩級熱泵壓縮，第一級熱泵作為丙烯丙烷分離塔再沸器熱源，第二級熱泵作為脫丙烷塔中間再沸器熱源。

圖6為丙烯丙烷分離塔進(jìn)料位置（自上而下）與壓縮機(jī)總負(fù)荷的關(guān)系，在分析過程中保證塔頂丙烯、塔底丙烷純度為定值，從圖6可以看出，隨著進(jìn)料位置下移，壓縮機(jī)總負(fù)荷先減小后增大，因此進(jìn)料位置設(shè)為104#理論板較為合適。

圖6 丙烯丙烷分離塔進(jìn)料位置與壓縮機(jī)總負(fù)荷的關(guān)系

降低塔頂壓力有利于提高丙烯丙烷的相對揮發(fā)度，在相同的分離精度下可降低回流比，降低再沸器負(fù)荷，但降低塔頂壓力也使得熱泵壓縮機(jī)的負(fù)荷變大，且由于壓力降低氣相密度變小，造成塔直徑增大。為分析塔頂壓力的影響，規(guī)定丙烯丙烷分離塔再沸器傳熱系數(shù)為1 100 W/m2·K[8]，一級壓縮機(jī)出口壓力1.25 MPa，二級壓縮機(jī)出口壓力2.70 MPa，壓縮機(jī)效率按照85%計(jì)，塔頂丙烯及丙烷含量設(shè)為定值。圖7為塔頂壓力與壓縮機(jī)總負(fù)荷、再沸器面積的關(guān)系，從圖7可以看出，隨著塔頂壓力升高，壓縮機(jī)總負(fù)荷降低，再沸器面積增大，但再沸器設(shè)備僅屬于一次投資，因此提高塔頂壓力有利于降低裝置的整體費(fèi)用，但為了保證再沸器有足夠的傳熱溫差，因此塔頂壓力設(shè)為0.7 MPa較為合適。

圖7 塔頂壓力與壓縮機(jī)總負(fù)荷、再沸器面積的關(guān)系

綜合以上分析，對丙烷脫氫分離段進(jìn)行了優(yōu)化，確定了較優(yōu)的工藝參數(shù)：脫丙烷塔進(jìn)料位置調(diào)整為34#理論板，中間再沸器位置調(diào)整為42#理論板，脫乙烷汽提塔進(jìn)料位置調(diào)整為7#理論板，脫乙烷汽提塔塔頂空冷器出口液相分率調(diào)整為0.53；丙烯丙烷分離塔頂操作壓力調(diào)整為0.7 MPa，進(jìn)料位置調(diào)整為104#理論板，優(yōu)化前后工藝參數(shù)匯總列于表3中。

表3 優(yōu)化前后工藝參數(shù)

優(yōu)化后，脫丙烷塔塔底丙烷摩爾分?jǐn)?shù)降低了4.4%，脫乙烷過程丙烯丙烷收率提高了0.1%，丙烷脫氫分離段總負(fù)荷降低了1 094 kW，節(jié)能效果較好，優(yōu)化前后負(fù)荷對比及產(chǎn)品參數(shù)列于表4中。

丙烷脫氫原料主要來自外購，雖然大部分時(shí)間原料中丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較穩(wěn)定（95%），但在實(shí)際生產(chǎn)過程中丙烷含量也并非固定不變，因此該研究也利用優(yōu)化前后的參數(shù)針對丙烷原料中丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)-5%情況進(jìn)行了計(jì)算，其中反應(yīng)段丙烷轉(zhuǎn)化率按照34%，丙烯選擇性92.3%，對比結(jié)果列于表5中，從表5可以看出，相較于原設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化后，丙烷脫氫分離段總負(fù)荷降低了1 030 kW，而且也可以看出隨著原料中有效組分丙烷含量的降低，造成裝置總的丙烷循環(huán)量增大，相應(yīng)的各塔負(fù)荷均有所增大，且隨著乙烷等輕組分的增多，相應(yīng)丙烷丙烯收率有所降低。

表4 優(yōu)化前后的負(fù)荷對比及產(chǎn)品參數(shù)

表5 丙烷組成變化-5%時(shí)優(yōu)化前后負(fù)荷及產(chǎn)品參數(shù)

4 結(jié)論

利用流程模擬軟件建立了丙烷脫氫過程的模型，結(jié)果表明計(jì)算值與原設(shè)計(jì)值符合性較好。利用建立的模型，分析及優(yōu)化了脫丙烷塔進(jìn)料及中間再沸器位置、脫乙烷汽提塔進(jìn)料位置及塔頂空冷器出口液相分率、丙烯丙烷分離塔頂操作壓力及進(jìn)料位置，得到了較優(yōu)的操作參數(shù)。經(jīng)過優(yōu)化，脫丙烷塔塔底丙烷摩爾分?jǐn)?shù)降低了4.4%，脫乙烷過程丙烯丙烷收率提高了0.1%，丙烷脫氫分離段總負(fù)荷降低了1 094 kW，優(yōu)化節(jié)能效果較好。針對實(shí)際操作過程中丙烷原料組成的波動(dòng)情況，分析了丙烷原料中丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)-5%情況進(jìn)行了對比，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，丙烷脫氫分離段總負(fù)荷降低了1 030 kW。