齊劍舸(天津渤海石化有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著近年來丙烷脫氫技術(shù)的發(fā)展，對丙烷的需求量越來越大，生產(chǎn)成本也越來越低，丙烷脫氫制丙烯的應(yīng)用前景也越來越好。當(dāng)前，丙烷的工業(yè)生產(chǎn)過程包括反應(yīng)、產(chǎn)物壓縮、低溫分離、產(chǎn)品精制等多個方面，壓縮低溫分離是整個生產(chǎn)過程的重要組成部分，而產(chǎn)品壓縮機(jī)、丙烯制冷機(jī)、乙烯制冷機(jī)的“三機(jī)”能源消耗在整個生產(chǎn)過程中所消耗的能源總量的70%～80%。通過系統(tǒng)優(yōu)化，可以進(jìn)一步降低能耗，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。

1 丙烷脫氫丙烯分離技術(shù)流程

丙烷脫氫制丙烯工藝一般可分成原料預(yù)處理、脫氫反應(yīng)、產(chǎn)品壓縮干燥、低溫分離和產(chǎn)品提純，其中包含脫乙烯等化學(xué)成分。反應(yīng)器出口材料的壓強(qiáng)一般是微正壓(或負(fù))，即需要從壓氣機(jī)向下游產(chǎn)物進(jìn)行加壓所需要的壓強(qiáng)，而在計算壓氣機(jī)的出氣壓力時，必須考慮制冷方式、丙烷/丙烯收率、氫氣使用者要求的壓強(qiáng)和運(yùn)行成本等方面的考慮，尋求一個最優(yōu)的平衡。而在低溫下進(jìn)行的主要是將氫氣、CH4等從輕烴中剝離出來，盡量回收更多的丙烷和丙烯。通常情況下，壓力越高、溫度越低，越有利于油氣的分離，而在較低溫度下，氣體中的丙烷和丙烯夾持越小，則越能得到濃度越高的氫。為了獲得更好的分離結(jié)果，降低了下游產(chǎn)品蒸餾裝置的負(fù)載，一般采用-100～-90 ℃溫度區(qū)間。在這個范圍內(nèi)，可以選用丙烯+乙烯級聯(lián)制冷、丙烯預(yù)冷+混合制冷和丙烯預(yù)冷+富氫膨脹制冷。

(1)丙烯+乙烯級聯(lián)制冷。丙烯和乙烯級聯(lián)冷凍是石油化工行業(yè)中普遍采用的一種冷凍方法。乙烯和丙烯經(jīng)過相應(yīng)的壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，依次進(jìn)行降溫和凝結(jié)，并在一定的壓強(qiáng)下進(jìn)行閃蒸，從而為冷凍室輸送不同的冷媒。從理論上講，在冷量利用率的基礎(chǔ)上，隨著瞬發(fā)級數(shù)的增多，冷卻的溫度等級的增大，冷卻的利用率也會隨之提高。但是，相應(yīng)的設(shè)備投入也會隨之增大，運(yùn)行也會變得更加復(fù)雜。丙烯和乙烯級聯(lián)冷卻工藝，CWS和CWR則是對循環(huán)水的上水和回水的處理。在此過程中，產(chǎn)物氣體通過循環(huán)水、13 ℃的丙烯升溫到16 ℃，再送入分子篩的脫水層，再將脫水后的產(chǎn)物氣體(水分的露點(diǎn)降到-70 ℃)送入冷凍箱中逐漸降溫到-95 ℃。在這個工藝中，丙烯制冷劑的溫度為13、0、-38 ℃，而乙烯制冷劑的溫度為-65、-100 ℃。

(2)丙烯預(yù)冷+混合制冷?；旌现评浞?MRC)是基于串聯(lián)法技術(shù)發(fā)展起來的一種新型制冷法，它利用碳?xì)浠衔?例如：N2、C1、C2、C3、C4、C5)，取代了串聯(lián)法中多個單一成分系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)與熱流間的換熱差，從而獲得更好的換熱器效果。它的制冷劑成分與進(jìn)料氣體成分及加壓有關(guān)。而丙烯預(yù)冷卻+混凝冷卻技術(shù)，在單一的混凝過程中加入了丙烯預(yù)冷卻循環(huán)，從而提高了流程的能耗。丙烷預(yù)冷+混聯(lián)冷凍工藝，將經(jīng)過冷處理的產(chǎn)物氣體送入預(yù)冷冷凍室，用丙烷產(chǎn)物氣體和混合制冷劑預(yù)冷到-35 ℃，將混合物中的重組分進(jìn)行冷凝，分離、壓縮、壓縮，再將其用作下一階段的冷源，而輕組分則持續(xù)冷凝，依次分離、節(jié)流、蒸發(fā)，從而為熱流供給不同的冷流。

(3)丙烯預(yù)冷+富氫氣膨脹制冷。富氫膨脹制冷機(jī)是將丙烷脫氫制丙烯項(xiàng)目冷箱中的高壓富氫壓縮后，通過等熵變后所生成的低溫氣回到冷凍室。丙烯預(yù)冷+富氫膨脹制冷法，先將原料氣體降溫到-35 ℃，然后通過濃縮后的富氫進(jìn)行膨脹，使其降溫，然后將其濃縮，然后將其加入到膨脹器中，然后將其送入脫乙烷。富氫膨脹后可在-100 ℃下供應(yīng)低溫。利用膨脹機(jī)帶動的壓強(qiáng)將富氫氣體加壓到適當(dāng)?shù)膲簭?qiáng)，以適應(yīng)下游客戶的需要[1]。

2 丙烷脫氫丙烯分離設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 設(shè)備應(yīng)用概述

近年來，世界上丙烷—丙烯間的價格比不斷攀升，丙烷脫氫工程引起了業(yè)界廣泛的重視。我國目前已經(jīng)有20多個正在建設(shè)或批準(zhǔn)的丙烷脫氫工程。丙烷脫氫制丙烯項(xiàng)目冷箱是我國目前國內(nèi)生產(chǎn)的一個重要的工藝裝備，采用UOPOleflex技術(shù)包技術(shù)，采用UOPOleflex技術(shù)包技術(shù)，設(shè)備生產(chǎn)能力為年產(chǎn)丙烯60萬噸，年運(yùn)轉(zhuǎn)8000小時，主要包括丙烷原料預(yù)處理、丙烷脫氫、催化劑連續(xù)再生、冷箱分離、SHP反應(yīng)、產(chǎn)品精餾和PSA裝置7個部分。通過對丙烷脫氫制丙烯項(xiàng)目冷箱進(jìn)行了兩次改裝，調(diào)整改善設(shè)備的數(shù)量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形尺寸，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善設(shè)備的管路布局和溫控。第一次改進(jìn)和優(yōu)化達(dá)到了技術(shù)上的基本需求；第二次改進(jìn)，對二次板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，徹底地克服了在丙烯脫氫冷罐中存在的問題[2]。丙烷脫氫制丙烯項(xiàng)目冷箱分離技術(shù)通過反應(yīng)裝置進(jìn)行丙烷脫氫后的反應(yīng)液被REC加壓到1.29 MPa，其中含有C2、C3、H2等混合物，為了將混合氣中的氫進(jìn)行分離，利用高溫高壓技術(shù)進(jìn)行了處理。本發(fā)明的90%的冷量來自新鮮的丙烷原料的閃蒸，而10%的冷量則通過高壓膨脹機(jī)通過高壓膨脹機(jī)進(jìn)行冷卻而得到。

2.2 設(shè)備優(yōu)化措施

預(yù)處理階段，以 PDH反應(yīng)器區(qū)域的反應(yīng)物料的混合物為原材料，經(jīng)過換熱、除塵、壓縮等工藝，再進(jìn)行下一步的冷卻油的吸附。在此基礎(chǔ)上，冷油吸附步驟：將經(jīng)預(yù)處理步驟的原材料氣送入一個中冷油吸收裝置，該中冷油吸附器由中冷油吸附器的下部流入，并與該吸附器的上端的吸附劑進(jìn)行反向接觸，該吸附器的吸附液被抽吸到 PDH產(chǎn)物的分餾段進(jìn)行加工，再由冷油泵吸入裝置排出的富含氫氣的不凝結(jié)氣，再通過冷油抽吸裝置排出的富含氫氣的不凝結(jié)氣，再通過PSA進(jìn)行精制。PSA提氫法：從冷油吸附工藝中提取的含氫量較高的不凝結(jié)氣，經(jīng) PSA精制工藝后，經(jīng)PSA精制工藝后進(jìn)行精制。從PSA制氫裝置的塔頂部排出的氫氣，以再循環(huán)的形式回到 PDH反應(yīng)器區(qū)域進(jìn)行反應(yīng)，或在PDH產(chǎn)物的分餾段中進(jìn)行烷烴的選擇性加氫；從 PSA精制氫裝置柱底部排出的解吸氣體可直接用作燃料氣體，也可以用作天然氣生產(chǎn)的供氣，也可以將其加工成液態(tài)，然后再送入PDH產(chǎn)物分餾段進(jìn)行C2+的再利用。經(jīng)過預(yù)處理過程的原料氣體經(jīng)過濕式脫碳法除去 CO，然后再進(jìn)行冷油吸附過程。在加壓后送至中冷油吸附塔循環(huán)利用，再將剩余的部分用來進(jìn)行丙烷的再利用；從解吸塔塔頂排出的C2+富丙烯，經(jīng)過 PDH產(chǎn)物分餾段的工藝，得到產(chǎn)物丙烯[3]。工藝流程圖見圖1。

圖1 丙烷脫氫制丙烯流程圖

3 丙烷脫氫丙烯分離技術(shù)優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化分析

為方便分析，通過對丙烷脫氫丙烯分離技術(shù)優(yōu)化進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)分析、仿真分析，完成技術(shù)優(yōu)化，將使用SRKS方程，液相焓值和液相焓值分別按LKP方程和COSTALD法進(jìn)行。采用PRO/Ⅲ 8.2對低溫分離工藝進(jìn)行了仿真，并對壓縮機(jī)出口壓力、低溫分離溫度等因素進(jìn)行了研究。在假設(shè)的上游為脫氫反應(yīng)器，在下游為產(chǎn)物的提純裝置在同樣的生產(chǎn)過程和運(yùn)行工況下，在能源消耗基本一致的情況下，對三種不同的冷卻流程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)對比。根據(jù)各個生產(chǎn)過程的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，按照流程1、2、3中給出的技術(shù)進(jìn)行分析，是丙烯+乙烯級聯(lián)制冷、丙烯預(yù)冷+混合制冷、丙烯預(yù)冷+富氫膨脹制冷。為確保流程仿真的正確性和精確性，在仿真的時候，考慮到丙烷脫氫制丙烯項(xiàng)目冷箱在各個溫區(qū)的冷損耗計算結(jié)果，壓氣機(jī)和膨脹機(jī)的熱耗率分別是85%和80%[4]。

3.2 數(shù)據(jù)分析

在-75 ℃的分離條件下，不同的壓縮機(jī)(CGC)的出氣壓力對丙烯產(chǎn)量的影響曲線，壓縮機(jī)的出氣壓力從0.8 MPa升到3.6 MPa(g)時，其丙烯的產(chǎn)率從95.57%提高到98.66%，僅提高3.09%，而壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩則是3～5 Nm，制冷量為6110.96 kW左右，這表明壓力對分離的影響很小，如果壓縮機(jī)的出氣壓力過高，則會使壓縮機(jī)的工作效率大大提高，為了減少能源消耗，必須保證整個下游設(shè)備的運(yùn)行。最節(jié)省的是1 MPa(g)的壓力，如果超過這個數(shù)值，則沒有顯著提高，但是能源消耗的增長更迅速。本論文將根據(jù)1、2的冷凝分離體系，按1.1 MPa(g)的壓氣量進(jìn)行計算；而在工藝3中，因?yàn)槭褂昧伺蛎洐C(jī)械冷卻，所以在膨脹機(jī)的上方要求較高的壓強(qiáng)，因此，該產(chǎn)品的壓氣機(jī)的出口壓力設(shè)定在2.2 MPa(g)，以保證充分的低溫。在1∶1 MPa(g)和2.2 MPa(g)條件下，不同的反應(yīng)溫度對丙烯產(chǎn)率的作用，如曲線所示：從-30～130 ℃，分離反應(yīng)的丙烯產(chǎn)率從65%、83%提高到99.2%、99.6%，表明了溫度對丙烯的分離作用起重要作用。然而，隨著分離溫度的下降，對分離效率的作用將逐步減小，如果再進(jìn)一步降低，就會使能量消耗大幅上升。所以，如何確定分離溫度是一個非常重要的問題，如果選擇了較高的分離條件，那么，分離效率就會降低，而如果選擇了較高的分離溫度，就會導(dǎo)致分離的費(fèi)用大幅上升。在生產(chǎn)中，為了避免使用更低的能量等級，通常會將其確定為-90～100 ℃。

3.3 對比分析

低溫分離器所需的能源是循環(huán)用水和電能(其中的壓縮機(jī)是電動機(jī))，文中對三種不同的制冷模式進(jìn)行了仿真，并給出了相應(yīng)的計算公式。根據(jù)每小時100 t/h的產(chǎn)物氣體的能耗，三種工藝的耗水量相近，工藝2稍大；但能耗差異很大，其中工藝2能耗最高，工藝1和工藝3比較相近。以《石油化工設(shè)計能力消耗計算方法》為基礎(chǔ)，按照相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)計算分析丙烯制品的消耗率，并根據(jù)SH/T 3110—2001對該項(xiàng)目進(jìn)行了換算。工藝2的能量消耗是最大的，工藝3是第二，工藝1是最小的。由此可見，丙烷脫氫工藝中，以丙烯+乙烯串聯(lián)冷卻的方法是最節(jié)約能源的。至于工藝3，盡管產(chǎn)物壓氣機(jī)的動力很大，但是因?yàn)楫a(chǎn)物氣體中的氫成分比較高，所以使用富氫膨脹可以為生產(chǎn)氣體提供足夠的冷量，從而節(jié)約-100～-40 ℃的制冷量；而另一方面，由于壓氣機(jī)的出氣壓力大，可以減少丙烯的制冷量，所以整個過程3的耗電量不會很大。丙烷脫氫丙烯分離技術(shù)每個過程所需要的初步估計的裝備數(shù)目，流程1和2各自使用兩種制冷方式，所以每臺壓縮機(jī)都要3臺，但靜態(tài)裝置的數(shù)目幾乎相當(dāng)，所以與工藝1比較，工藝2沒有任何經(jīng)濟(jì)效益，相反，因?yàn)樗褂昧硕嘀乩鋮s，所以會增加運(yùn)行的復(fù)雜度；盡管工藝3僅有一套制冷劑，但因膨脹爐的出口處存在大量的氫氣。由于氣體壓力較小，所以必須使用1臺壓氣機(jī)進(jìn)行加壓，所以，該壓氣機(jī)的數(shù)目也是3臺，與前面2個工藝相比，工藝3又增設(shè)了一臺擴(kuò)壓器，所以，其運(yùn)行更加繁瑣。

4 結(jié)語

綜上所述，丙烯+乙烯串聯(lián)式制冷具有投資低、能耗低、技術(shù)成熟、運(yùn)行簡便等優(yōu)點(diǎn)。在使用冷卻液冷卻模式的情況下，在1 MPa(g)的產(chǎn)物壓縮機(jī)的出口壓力是最經(jīng)濟(jì)的；當(dāng)使用富氫氣體進(jìn)行冷卻時，壓縮機(jī)出液面通常會超過2 MPa。通常，在-100～-90 ℃的條件下，可以確保分離的結(jié)果，而且可以避免使用較低的能量等級。在三種不同的冷卻工藝中，以丙烯+乙烯串聯(lián)冷卻工藝效率最高，且裝置數(shù)目少、運(yùn)行簡便，優(yōu)點(diǎn)顯著。因此，用丙烷脫氫制丙烯的串聯(lián)式壓縮機(jī)是最適宜的。