冷箱分離系統換熱器多段注入工藝分析

韋小雄* 茍文廣 錢寅國 陳環琴

（杭州中泰深冷技術股份有限公司）

0 引言

近年來，在丙烷脫氫（PDH）領域，國內許多工廠選擇了UOP工藝，其中冷箱分離系統則是整個裝置中承上啟下的關鍵單元。冷箱分離系統中包括冷箱、液體產品泵、膨脹機等重要設備；冷箱中又包括了分離器、換熱器和塔器等。各個設備在冷箱分離系統中都起到了很重要的作用，而鋁制板翅式換熱器則是重中之重。國內的學者們也對該領域冷箱分離系統進行了大量的研究和實踐工作[1-2]，從他們的研究結論中可以發現，板翅式換熱器的設計質量直接決定了整個丙烷脫氫裝置的產量和經濟效益[3-4]。本文對冷箱分離系統板翅式換熱器多段式注入工藝進行了模擬，闡述了各個模型的優、缺點，分析比較了多段注入工藝對換熱器設計參數的影響。

1 冷箱分離系統

UOP工藝中的冷箱分離系統在整個丙烷脫氫裝置中有兩個重要作用。首先是承接整個裝置的丙烷進料，丙烷在冷箱分離系統中與循環氫氣混合，混合氣可作為下游反應器的進料介質，該聯合進料在反應器中進行催化反應生成丙烯。其次，冷箱分離系統接收所有從反應器出來的產物（即反應產物），利用丙烷進料與循環氫氣混合給反應產物提供的冷量，并且讓反應產物降到足夠低的溫度，從而液化其中的烯烴。由此可見，丙烷進料和循環氫氣的混合過程是冷箱分離系統設計的關鍵工藝，而兩者是在板翅式換熱器中進行混合的，其混合方式就是板翅式換熱器設計的核心工藝。

2 多段注入工藝

針對多段注入工藝建立了五種不同方式的丙烷進料和循環氫氣混合工藝流程。

第一種是冷箱分離系統換熱器一段注入混合工藝流程。丙烷進料經過板翅式換熱器冷卻到-90 ℃后，節流降壓注入聯合進料通道，如圖1所示。

圖1 一段注入工藝流程

第二種是冷箱分離系統換熱器二段注入混合工藝流程。丙烷進料經過板翅式換熱器冷卻到-60 ℃后分成兩股。一股丙烷進料A從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，另一股丙烷進料B再進一步冷卻到-90 ℃后節流降壓注入聯合進料通道，如圖2所示。

圖2 二段注入工藝流程

第三種是冷箱分離系統換熱器三段注入混合工藝流程。丙烷進料經過板翅式換熱器冷卻到-30 ℃后分成兩股。一股丙烷進料A從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，另一股丙烷進料B再進一步冷卻到-60 ℃后再分成兩股。另一股丙烷進料C從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，另一股丙烷進料D再進一步冷卻到-90 ℃節流降壓注入聯合進料通道，如圖3所示。

圖3 三段注入工藝流程

第四種是冷箱分離系統換熱器四段注入混合工藝流程。丙烷進料經過板翅式換熱器冷卻到0 ℃后分成兩股。一股丙烷進料A從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，另一股丙烷進料B再進一步冷卻到-30 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料C從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，一股丙烷進料D再進一步冷卻到-60 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料E從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，一股丙烷進料F再進一步冷卻到-90 ℃，節流降壓注入聯合進料通道，如圖4所示。

圖4 四段注入工藝流程

第五種是冷箱分離系統換熱器五段注入混合工藝流程。丙烷進料經過板翅式換熱器冷卻到30 ℃后分成兩股。一股丙烷進料A從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，另一股丙烷進料B再進一步冷卻到0 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料C從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，另一股丙烷進料D再進一步冷卻到-30 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料E從換熱器中抽出后節流降壓，并注入聯合進料通道，另一股丙烷進料F再進一步冷卻到-60 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料G從換熱器中抽出后節流降壓注入聯合進料通道，一股丙烷進料H再進一步冷卻到-90 ℃節流降壓注入聯合進料通道，如圖5所示。

圖5 五段注入工藝流程

3 分析比較

根據以上5種冷箱分離系統流程，以60萬t/a丙烷脫氫裝置的參數為例，兩個進料（反應產物和丙烷進料）入口條件一致的情況下使用工藝模擬軟件HYSYS進行建模，分析主換熱器設計參數（對數平均溫差，最小溫差，熱負荷，UA值）的變化情況。UA值為換熱器的總傳熱系數U和換熱面積A的乘積。

主換熱器對數平均溫差LMTD和最小溫差的對比情況如圖6和圖7所示。

圖6 對數平均溫差對比圖（單位：℃）

圖7 最小溫差對比圖（單位：℃）

從圖6和圖7可以看出，一段模型中主換熱器的對數平均溫差和最小溫差數值是其中最小的，隨著注入段數增加，在二段、三段注入模型中兩個參數的數值逐步變大。然而，到了四段、五段注入模型時，其對數平均溫差開始變小，最小溫差數值不變。

對數平均溫差和最小溫差是主換熱器設計的關鍵參數，對數平均溫差越小，需要的換熱面積越大，換熱器的設備尺寸就越大，最小溫差數值越小換熱器越容易出現溫度交叉的現象（板翅式換熱器設計中通常選擇最小溫差≥3 ℃）。分析后可知，三段注入模型中主換熱器的兩個參數最佳。

主換熱器熱負荷的對比如圖8所示。隨著主換熱器分段注入的級數越多，換熱器的熱負荷越小。丙烷進料在一段注入模型中全部冷卻至-90 ℃，其熱負荷必然是最大的；而丙烷進料二段注入模型是當冷卻至-60 ℃時抽出一部分丙烷進料，另一部分繼續冷卻；同樣三段注入模型是在-30 ℃和-60 ℃時分別抽出兩股丙烷進料；而四段注入模型則是在0 ℃，-30 ℃和-60 ℃時分別抽出3股丙烷進料；五段注入模型是在30 ℃，0 ℃，-30 ℃和-60 ℃時分別抽出4股丙烷進料。因此，主換熱器的熱負荷隨著丙烷進料分段數量增加而變小，但到了五段模型時熱負荷減小的趨勢已經不顯著了。

圖8 熱負荷對比圖

換熱器的UA值是直接體現換熱面積的重要參數，在換熱系數相同的情況下，UA值越大換熱器設計時需要的換熱面積也就越多。從圖9中可知，四段注入模型UA數值最小，而三段注入模型中UA值也只比四段注入模型的數值大2%左右，到了五段注入模型UA值反而比四段模型增大了約10%。因此從圖9可以看出，三段、四段注入模型為優選模型。

圖9 UA值對比圖

4 結論

冷箱分離系統在UOP工藝的丙烷脫氫裝置到工藝要求的重要因素就是主換熱器應選擇合適的丙烷進料注入工藝。多段注入工藝是有利于主換熱器設計的工藝，且更有利于冷箱分離系統達到整個丙烷脫氫裝置的工藝目標。分析比較后可以得出以下結論：

（1） 一段和二段注入模型的熱負荷和UA值都比較大，并不利于冷箱分離系統及主換熱器的設計。

（2） 三段和四段注入模型中的熱負荷和UA值相差不大，有利于冷箱分離系統及主換熱器的設計。

（3） 五段注入模型雖然熱負荷最小，但溫差參數開始變小，所以其UA值比三段和四段模型都大，也不利于冷箱分離系統及主換熱器的設計。

綜上所述，三段和四段注入是多段注入工藝中最能體現換熱器設計優勢的工藝，在冷箱分離系統中三段和四段注入工藝應為優先選擇的工藝流程。