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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
V01.39No.7Jul.20ll
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、產品壓縮、低溫分離、產品精制等幾個部分組成,其中壓縮和低溫分離系統(tǒng)是保證下游產品分離單元正常操作和產品質量的關鍵環(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?
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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、產品壓縮干燥、低溫分離及產品精制(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、丙烯分別經過各自的壓縮機壓縮后,再經逐級冷卻冷凝,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。產品氣經壓縮機增壓后,分別經過循環(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
或丙烷
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氫氣循環(huán)
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燃料氣+——壓玎市瓦司
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高純氫氣副產品
圈l丙烷脫氫制丙烯流程
Fig.1
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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,經冷卻干燥后的產品氣進人預冷冷箱,用丙烯產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等熵膨脹后產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
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圈3丙烯預冷+混合制冷流程
Fig.3
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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產品壓縮機入口條件?
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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。
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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℃。
產品壓縮機出n壓力/MPa(g)
圖5產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
EⅡ&tof
t唧畔礙lum仰pr叩ly蛐e
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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盾環(huán)水
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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丙烯產品耗能
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Energy
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公用工程
煎堡
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2
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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雖然產品壓縮機的功率較大,但由于產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
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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,產品壓縮機出口壓
力lMPa(g)左右最為經濟;采用富氫氣膨脹制冷
肖錦堂.烷烴催化脫氫生產C,一Q烯烴工藝之三
[J].天然氣工業(yè),1994,14(4):72.76.
時,產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:
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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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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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