丙烷催化脫氫分離工藝的模擬與分析

阮雪華，劉佳鑫，鄢世陽，喬　亮，李甜琳（大連理工大學(xué)石油與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧盤錦 124221）

丙烷催化脫氫分離工藝的模擬與分析

阮雪華，劉佳鑫，鄢世陽，喬亮，李甜琳
（大連理工大學(xué)石油與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧盤錦 124221）

丙烷脫氫工藝作為重要的增產(chǎn)與增值丙烷工藝，為了提高此工藝裝置的建設(shè)水平，其分離工藝模擬與分析得到了人們的高度關(guān)注。本文分析了丙烷脫氫工藝的概況，重點探討了丙烷脫氫分離工藝的模擬與分析，旨在提高此工藝的產(chǎn)能，降低其能耗。

丙烷脫氫；分離工藝；模擬

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，為了滿足人們生活與生產(chǎn)的需求，石油化工行業(yè)積極生產(chǎn)，其最為重要的原料便是丙烯，它可合成多種材料，常見的有聚丙烯、丙烯酸、丙烯醛等。近幾年，丙烯需求量不斷增多，但傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)，制約著丙烯收率，未能滿足市場需求。在生產(chǎn)丙烯過程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)便是丙烷脫氫，雖然丙烯收率在80%左右，但面對增產(chǎn)、增值要求，社會各界均對丙烷脫氫給予了高度關(guān)注，通過創(chuàng)新與改革，不僅可解決丙烯供需失衡問題，還可保證低碳烷烴的高效利用。當(dāng)前，我國丙烷脫氫裝置超過10套，總產(chǎn)能高達百萬噸，為了進一步降低生產(chǎn)消耗，工藝裝置需不斷優(yōu)化，本文主要探討了丙烷脫氫分離工藝的模擬與分析，旨在為生產(chǎn)實踐提供可靠的理論保障。

1　丙烷脫氫工藝的概況

丙烯屬于石油化工原料，在常溫狀態(tài)下，為無色氣體。目前，在世界范圍內(nèi)，丙烯需求量呈上升趨勢，主要是由于它是合成聚丙烯、丙烯酸的重要原料，以聚丙烯為例，它可對多種材料進行替代，特別是價格偏高的聚乙烯ABS樹脂，在其增長量居高不下情況下，便對丙烯生產(chǎn)能力提出了更好的要求。但通過調(diào)查可知，丙烯的生產(chǎn)能力不足，未能滿足實際需求，特別是近幾年，丙烯供需矛盾十分嚴重，因此，相關(guān)行業(yè)十分關(guān)注丙烯增產(chǎn)技術(shù)的研究。

當(dāng)前，丙烯生產(chǎn)主要是借助蒸汽裂解裝置與催化裂化裝置實現(xiàn)的，前者作為主要的生產(chǎn)方式，其缺點明顯，主要為裂解原料直接影響著丙烯的收率，根據(jù)生產(chǎn)實踐可知，其收率差異顯著，通常情況下，當(dāng)原料為石腦油類溶體時，丙烯收率可達到30%，通過研究，增加了乙烯裝置，此時的原料為乙烷類氣體，改進后，增加了乙烯目的產(chǎn)物，而降低了丙烯產(chǎn)量；后者生產(chǎn)產(chǎn)品主要以石油為主，而丙烯僅為副產(chǎn)品，其回收率僅在5%左右。為了促進丙烯增產(chǎn)，相關(guān)學(xué)者積極探索新型增產(chǎn)技術(shù)。

丙烷脫氫反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，在高溫及低壓條件下，反應(yīng)可順序進行，經(jīng)檢驗，其壓力值應(yīng)為100kPa，溫度應(yīng)在550～700℃。對于丙烷分子而言，其具有一定的穩(wěn)定性，在實際反應(yīng)過程中，可選擇Pt系或Cr系催化劑。當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)，丙烷脫氫技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的有5種，而最為成熟與完善的為Oleflex與Catofin工藝。Oleflex源于長鏈烷烴脫氫工藝，其反應(yīng)器為徑向絕熱床、催化劑為Pt/Al2O3，原料為C3溶化石油氣，此工藝流程主要是由兩部分構(gòu)成的，分為反應(yīng)與產(chǎn)品回收部分；Catofin數(shù)低碳烷烴脫氫生產(chǎn)單烯烴技術(shù)，其反應(yīng)器為絕熱固定床、工藝反應(yīng)需在負壓與高溫條件下進行、催化劑為Cr系催化劑，具體的工藝流程包括反應(yīng)、產(chǎn)品壓縮與回收、丙烯精制[1]。

2　丙烷脫氫分離工藝的模擬與分析

2.1化工過程模擬

此模式主要分為兩類，一類為穩(wěn)態(tài)模擬，另一類為動態(tài)模擬，其中第一類較為常見，它是指借助計算機程序，再現(xiàn)化工生產(chǎn)過程，具體為：各生產(chǎn)過程被抽象，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，此后利用計算機，輸入實際生產(chǎn)所需的物料數(shù)據(jù)及設(shè)備參數(shù)，將其作為初始值，對上述模型進行求解，從而完成了模擬。穩(wěn)態(tài)模擬借助再現(xiàn)方式，掌握了實際生產(chǎn)的部分規(guī)律，從而利于提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

化工過程模擬的作用主要表現(xiàn)在以下幾方面：其一，利于科學(xué)研究、創(chuàng)新了生產(chǎn)工藝，在20世紀60年代，相關(guān)行業(yè)積極探索新型生產(chǎn)技術(shù)與生產(chǎn)工藝，嘗試了不同的設(shè)備與管線，在此過程中耗費了大量的時間、資金、人力與物力等，但研究成效難以保障，但自化工過程模擬出現(xiàn)后，在先進技術(shù)、軟件與設(shè)備支持下，減少了實驗次數(shù)、節(jié)約了研究成本，同時保證了生產(chǎn)工藝的科學(xué)與準(zhǔn)確研發(fā)[2]；其二，利于新裝置設(shè)計，隨著科學(xué)技術(shù)及化工生產(chǎn)的發(fā)展，化工過程模擬中的化工數(shù)據(jù)日漸豐富，同時計算機的相關(guān)技術(shù)、軟件與設(shè)備等，擁有更為顯著的先進性，從而增加了模擬結(jié)果的可信度，特別是將模擬結(jié)果擁有化工設(shè)備設(shè)計，保證了設(shè)計質(zhì)量[3]；其三，利于舊裝置改造，在化工生產(chǎn)實踐中，為了提高舊設(shè)備的利用率，需要對其進行改造，但改造后常出現(xiàn)各種問題，如：基礎(chǔ)設(shè)備難以有效運用，如果此時借助人工試驗，則具有較強復(fù)雜性，而采用化工過程模擬，則保證了上述問題的有效與及時處理；其四，利于生產(chǎn)裝置調(diào)整、優(yōu)化與維修，在模擬后，對裝置進行適當(dāng)?shù)牟僮?，保證了生產(chǎn)的有效性與經(jīng)濟性，特別是出現(xiàn)生產(chǎn)故障時，借助模擬結(jié)果可準(zhǔn)確、及時了解故障點，經(jīng)針對性處理，從而保證了整修效果。

Aspen Plus作為流程模擬軟件，其具有通用性、便捷性與先進性，將其用于化工領(lǐng)域，保證了穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬結(jié)果。在穩(wěn)態(tài)模擬方面，運用Aspen Plus，保證了化工過程參數(shù)的準(zhǔn)確優(yōu)化，同時對各過程也實現(xiàn)了經(jīng)濟分析，在實際操作時，其模塊較為完整，具體包括管路、閥門、壓縮機、反應(yīng)器與分離塔等。對于Aspen Plus而言，其構(gòu)成主要分為三部分，分別為物性數(shù)據(jù)庫、單元操作模塊與系統(tǒng)實現(xiàn)策略。

2.2模擬與分析

在模擬與分析丙烷脫氫分離工藝時，運用Aspen Plus化工過程模擬軟件，可保證此工藝各單元操作參數(shù)的準(zhǔn)確確定。在實際操作中應(yīng)構(gòu)建丙烷脫氫反應(yīng)器模型，并選擇適合的反應(yīng)動力學(xué)、熱力學(xué)機單元設(shè)備模塊等，此后，結(jié)合模擬結(jié)果，模擬與分析丙烷脫氫分離工藝的各單元，再利用模擬結(jié)果，分析、確定各單元的能耗，從而了解此工藝操作耗能最小的條件。

在實際研究過程中采用了丙烷脫氫Oleflex工藝，將干燥后的丙烷原料與富含氫氣的循環(huán)丙烷氣混合進行換熱，經(jīng)加熱器預(yù)熱后，將其送入到反應(yīng)器進行反應(yīng)，此時的反應(yīng)器分為脫氫室與燃燒室，前者主要行脫氫反應(yīng)，后者主要為流化床，反應(yīng)后，對混合氣體混合氣體內(nèi)進行壓縮、干燥與分離，最后獲得丙烯。在實際研究中具體的單元有預(yù)熱、反應(yīng)、壓縮、分離及精餾等。

首先，選擇動力學(xué)、熱力學(xué)、模塊等，在穩(wěn)態(tài)模擬中采用丙烷脫氫本征反應(yīng)動力學(xué)，此模型的催化劑為Pt-Sn/Al2O3，其中涉及的反應(yīng)主要有丙烷脫氫反應(yīng)、丙烷裂解與乙烯加氫反應(yīng)，經(jīng)計算以此獲得動力學(xué)模擬參數(shù)；對于丙烷脫氫工藝而言，其原料主要為富丙烷氣體，反應(yīng)產(chǎn)物有丙烯、乙烯與乙烷等，在實際反應(yīng)中稀釋劑為氫氣或水蒸氣，此體系應(yīng)為輕烴體系，結(jié)合Aspen Plus可知，應(yīng)開展氣溶與溶溶平衡計算，同時要借助NRTL活度系數(shù)模型；在單元設(shè)備模塊方面，主要包括脫氫反應(yīng)器、加熱爐、急冷塔、精餾塔等單元設(shè)備[7]。

其次，模擬丙烷脫氫反應(yīng)，構(gòu)建反應(yīng)器模型，應(yīng)考慮以下兩點，一是消除外擴散影響，二是模擬時利用穩(wěn)態(tài)動力學(xué)研究反應(yīng)器操作規(guī)律；確定反應(yīng)器操作參數(shù)，具體包括催化床層高度、反應(yīng)壓力與溫度、氫氣加入量等，在此參數(shù)支持下，探討模擬結(jié)果，其丙烯收率達到了91.9%。

最后，分析丙烷脫氫分離工藝各單元的能耗，主要有急冷單元、壓縮單元、精餾單元等，在明確各單元能耗基礎(chǔ)上，選擇最佳生產(chǎn)方案。

3　結(jié)束語

綜上所述，丙烷脫氫技術(shù)是促進丙烯生產(chǎn)增產(chǎn)與增值的堅實技術(shù)，為了充分發(fā)揮其技術(shù)的作用，本文簡單介紹了丙烷脫氫工藝即化工過程模式的概況，重點探討了其分離工藝的模擬與分析，相信，通過各生產(chǎn)裝置的優(yōu)化與改進，生產(chǎn)運行效果將更加顯著，同時節(jié)能降耗目標(biāo)也將有效達成，進而利于滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。

[1] 張琦，隋志軍，顧雄毅，等.丙烷脫氫分離工藝的模擬與分析[J].石油化工，2015，44（04）：421-428.

[2] 展寶瑞，李濤，馬宏方，等.前脫丙烷預(yù)切割分離MTO粗產(chǎn)品工藝的模擬與優(yōu)化[J].化工進展，2015，34（07）：2086-2091.

[3] 賈兆年，高海見.丙烷脫氫制丙烯低溫分離工藝分析[J].化學(xué)工程，2011，39（07）：93-97.

Ruan Xue-hua，Liu Jia-xin，Yan Shi-yang，Qiao Liang，Li Tian-lin

Propane dehydrogenation process as an important stimulation and proliferation of propane process，in order to improve the level of construction of this process means that the separation process simulation and analysis to get people's attention.This paper analyzes the general situation of propane dehydrogenation process，focus on the simulation and analysis of propane dehydrogenation separation process，aimed at improving the process of production capacity，reduce energy consumption.

propane dehydrogenation；separation technology；simulation

TQ221.212

B

1003-6490（2016）03-0102-02

2016-02-15

阮雪華（1982—），男，湖南長沙人，講師，博士，主要從事高效分離材料及工業(yè)化分離過程方面研究工作。