丙烷脫氫分離段的模擬及優化

董忠哲，蘇佳林，郭鑫

（昱創（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品，是僅次于乙烯的重要石化基礎原料，也是三大合成材料的基本原料，廣泛應用于聚丙烯、環氧丙烷、丙烯腈、丙烯酸等的生產[1]。傳統的丙烯生產往往是作為蒸汽裂解、催化裂化工藝等的聯產或副產品，近年來隨著丙烯產品需求量的逐步增長，丙烷脫氫制丙烯工藝備受關注[2]。

丙烷脫氫工藝基于異丁烷脫氫工藝發展起來，當前主要有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工藝已實現工業化，應用較廣泛。

某廠丙烷脫氫采用了UOP的Oleflex工藝，其中分離工段主要進行丙烷原料的預處理及反應產物的分離。該研究利用流程模擬軟件建立了丙烷脫氫分離工段模型，并在此基礎上對原工藝參數進行了分析和優化，以達到優化工藝流程降低裝置能耗的目的，為實際工藝的優化提供了理論基礎。

1 流程介紹

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

丙烷原料進入脫丙烷塔中上部，塔頂為丙烷及以上組分，進入反應工段進行脫氫反應，脫丙烷塔塔底為C4+重組分，脫丙烷塔下部設置中間再沸器；來自反應工段的反應產物進入脫乙烷汽提塔上部，脫出反應產物中乙烷及以上組分，脫乙烷汽提塔塔底進入后續丙烯丙烷分離塔，塔頂經脫乙烷汽提塔塔頂空冷器部分冷凝后進入脫乙烷回收塔塔底；脫乙烷回收塔塔底經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深冷冷凝后，不凝氣作為反應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，塔頂氣相進入熱泵一級壓縮機，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入熱泵二級壓縮機，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，部分作為丙烯產品出裝置。

圖1 丙烷脫氫分離工段流程

2 模型的建立及驗證

2.1 熱力學方法的選擇和修正

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，且該分離過程往往在高壓條件下，因此采用狀態方程較為合適。該研究選擇SRK方程作為熱力學模型，SRK方程對于烴類物系在臨界區甚至超臨界區都有較好的準確性，但SRK方程對于液相密度的計算值要小于實測值（除甲烷外）[4]，因此在計算液相密度時采用Lee-Kesler方程進行修正，可以比較準確地計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氫化合物，精餾塔效率的確定對于分離過程的模擬至關重要，但精餾塔的效率不僅與分離物系有關，而且與精餾塔內件的形式有關，得到準確值并不容易，文獻中[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 原設計值與模擬值的對比

表2為丙烷脫氫分離段的模擬值與原設計值對比，經對比表明，模擬計算值與設計值符合性較好，說明所建立模型比較準確，可用于丙烷脫氫分離段的優化。

表2 模擬值與原設計值對比

續表

3 流程的分析及優化

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，該塔設置有中間再沸器以降低過程的能耗。圖2為進料位置（自上而下）、中間再沸器相對位置與塔頂冷凝器負荷的關系。從圖2可以看出，隨著進料位置的上移，塔頂冷凝器負荷減小，減小的趨勢逐漸變小；隨著進料位置與中間再沸器相對位置的增大，塔頂冷凝器負荷先降低，隨后則趨于平緩，因此提高進料位置、增大進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荷。

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

圖2 進料位置（自上而下）、中間再沸器相對位置與塔頂冷凝器負荷的關系

圖3 進料位置（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荷，脫乙烷汽提塔進料位置位于脫乙烷汽提塔上段。圖4為脫乙烷汽提塔進料位置（自上而下）與再沸器、冷凝器負荷的關系，從圖4可以看出，隨進料位置下移，再沸器負荷先減小后增大，冷凝器負荷先減小后增大，因此脫乙烷汽提塔的進料位置調整至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、丙烯收率的關系，從圖5可以看出隨空冷器出口液相分率的增大，總負荷先減小后增大，丙烷、丙烯收率降低，因此空冷器出口液相分率為0.53時較為合適。

圖4 脫乙烷汽提塔進料位置（自上而下）與再沸器、冷凝器負荷的關系

圖5 空冷器出口液相分率與總負荷、丙烷/丙烯收率的關系

3.3 丙烯丙烷分離塔

由于丙烯丙烷的相對揮發度較小，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料位置（自上而下）與壓縮機總負荷的關系，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，隨著進料位置下移，壓縮機總負荷先減小后增大，因此進料位置設為104#理論板較為合適。

圖6 丙烯丙烷分離塔進料位置與壓縮機總負荷的關系

降低塔頂壓力有利于提高丙烯丙烷的相對揮發度，在相同的分離精度下可降低回流比，降低再沸器負荷，但降低塔頂壓力也使得熱泵壓縮機的負荷變大，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，規定丙烯丙烷分離塔再沸器傳熱系數為1 100 W/m2·K[8]，一級壓縮機出口壓力1.25 MPa，二級壓縮機出口壓力2.70 MPa，壓縮機效率按照85%計，塔頂丙烯及丙烷含量設為定值。圖7為塔頂壓力與壓縮機總負荷、再沸器面積的關系，從圖7可以看出，隨著塔頂壓力升高，壓縮機總負荷降低，再沸器面積增大，但再沸器設備僅屬于一次投資，因此提高塔頂壓力有利于降低裝置的整體費用，但為了保證再沸器有足夠的傳熱溫差，因此塔頂壓力設為0.7 MPa較為合適。

圖7 塔頂壓力與壓縮機總負荷、再沸器面積的關系

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

表3 優化前后工藝參數

優化后，脫丙烷塔塔底丙烷摩爾分數降低了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荷降低了1 094 kW，節能效果較好，優化前后負荷對比及產品參數列于表4中。

丙烷脫氫原料主要來自外購，雖然大部分時間原料中丙烷質量分數比較穩定（95%），但在實際生產過程中丙烷含量也并非固定不變，因此該研究也利用優化前后的參數針對丙烷原料中丙烷質量分數波動-5%情況進行了計算，其中反應段丙烷轉化率按照34%，丙烯選擇性92.3%，對比結果列于表5中，從表5可以看出，相較于原設計參數，優化后，丙烷脫氫分離段總負荷降低了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量增大，相應的各塔負荷均有所增大，且隨著乙烷等輕組分的增多，相應丙烷丙烯收率有所降低。

表4 優化前后的負荷對比及產品參數

表5 丙烷組成變化-5%時優化前后負荷及產品參數

4 結論

利用流程模擬軟件建立了丙烷脫氫過程的模型，結果表明計算值與原設計值符合性較好。利用建立的模型，分析及優化了脫丙烷塔進料及中間再沸器位置、脫乙烷汽提塔進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料位置，得到了較優的操作參數。經過優化，脫丙烷塔塔底丙烷摩爾分數降低了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荷降低了1 094 kW，優化節能效果較好。針對實際操作過程中丙烷原料組成的波動情況，分析了丙烷原料中丙烷質量分數波動-5%情況進行了對比，經對比發現，經參數優化后，丙烷脫氫分離段總負荷降低了1 030 kW。