第39卷第7期2011年7月化学工程
CHEMICAL ENGINEERING （CHINA ）Vol．39No．7Jul．2011
丙烷脱氢制丙烯低温分离工艺分析
贾兆年，高海见
（中国石化集团宁波工程有限公司，浙江宁波315103）
摘要：为确立丙烷脱氢制丙烯工艺中低温分离单元的最佳制冷流程，采用PRO /Ⅱ8．2化工流程模拟软件，对低温分离单元进行模拟计算，考察了温度和压力对低温分离效果的影响，分析并确立了最佳分离温度和压力范围；在分分别比较了丙烯+乙烯级联制冷、丙烯预冷+混合制冷和丙烯预冷+富氢气膨胀制冷3种离效果相同的前提下，
制冷流程的公用工程消耗以及各自的优缺点。结果表明：产品压缩机出口压力对分离效果影响较小，在确保下游分离压力应尽可能低；分离温度是影响分离效果的主要因素，较为经济的分离温度为装置能够正常操作的情况下，
－90—－100ħ ；相对于其他2种流程，丙烯+乙烯级联制冷流程具有技术成熟、能耗低和操作简单等优点，更适合于丙烷脱氢制丙烯工艺。关键词：丙烯；丙烷脱氢；低温分离中图分类号：TQ 211；TE 08
文献标识码：A
9954（2011）07-0093-05文章编号：1005-
Analysis of low temperature recovery unit in propane
dehydrogenation to propylene process
JIA Zhao-nian ，GAO Hai-jian
（Sinopec Ningbo Engineering Co．，Ltd．，Ningbo 315103，Zhejiang Province ，China ）
Abstract ：To determine the optimal refrigerating method for low temperature recovery （LTR ）unit in propane dehydrogenation to propylene process ，the simulations of LTR unit were performed by PRO /Ⅱ8．2．The influences of temperature and pressure on separation effection were analysed ，and the optimal separation temperature and pressure ranges were acquired．On the premise of the same separation effection ，the utility consumptions and features of propylene +ethylene cascade refrigeration ，propylene pre-cooled +Mixed Refrigerant Cycle （MRC ）refrigeration and propylene pre-cooled +hydrogen-expansion refrigeration were compared．The result shows that the discharge pressure of Charge Gas Compressor （CGC ）is not the important factor for the separation effection of LTR unit ，but the temperature has the significant influence on the separation result ，and the economic separation temperature is from －90to －100ħ ．Compared with the other two refrigerating methods ，propylene +ethylene cascade refrigeration has more advantages such as high reliability ，low energy consumption and easy operating ，etc．，so this method is more suitable for propane dehydrogenation to propylene process．Key words ：propylene ；propane dehydrogenation ；low temperature recovery 丙烷脱氢制丙烯技术是在异丁烷脱氢制异丁烯的基础上发展而来的，作为一种工业化生产工艺已有近20年的历史，但由于历史上丙烷原料的价格高、丙烯产品低廉，加上此类装置投资较高，使其应用受到限制。近些年来，随着丙烯需求的不断增长以及丙烷脱氢工艺技术的发展带来投资成本和操作费用的降低，使得丙烷脱氢制丙烯技术有着更为广阔的市场前景。
目前已工业化的丙烷脱氢工艺均由反应、产品
压缩、低温分离、产品精制等几个部分组成，其中压缩和低温分离系统是保证下游产品分离单元正常操作和产品质量的关键环节，也是本装置的主要耗能，“三机”（产品压缩机、单元丙烯制冷机及乙烯制冷机）能耗约占总耗能的70%—80%。因此，本文将重点分析低温分离系统，并比较压力、温度以及制冷方式等因素对分离系统的影响。
01-13收稿日期：2011-E-mail ：gaohj．snec@sin-作者简介：贾兆年（1964—），男，高级工程师，主要从事化工设计；高海见，通讯联系人，电话：（0574）87974771，
opec．com 。
·94·1
化学工程2011年第39卷第7期
工艺流程
典型的丙烷脱氢制丙烯流程可分为原料预处理、脱氢反应、产品压缩干燥、低温分离及产品精制（包括脱乙烷塔和脱丙烷塔）等单元，流程示意图见图1
。
低温分离排放气中的丙烷度越低越有利于烃类分离，
氢气的纯度越高。为达到较为理和丙烯夹带量越少，
想的分离效果，减小下游产品精馏单元的负荷，低温
分离温度通常在－90—－100ħ 。在此温度区间可丙烯预冷以选择的制冷方式有丙烯+乙烯级联制冷、
+混合制冷及丙烯预冷+富氢气膨胀制冷。1．1
丙烯+乙烯级联制冷丙烯、乙烯级联制冷是石化工业上常用的制冷
方式。乙烯、丙烯分别经过各自的压缩机压缩后，再经逐级冷却冷凝，然后凝液在不同的压力下闪蒸，为
图1
Fig．1
丙烷脱氢制丙烯流程
Typical schematic diagram of propane dehydrogenation to propylene
低温分离冷箱提供不同温度级别的冷剂。理论上，从提高冷量利用率看，闪蒸级数越多和制冷温度级越多，冷量利用效率越高，但相应的设备投资费用相应增加，操作也越为复杂。图2为丙烯、乙烯级联制CWS ，CWR 分别指循环冷却水上水、冷流程示意图，
回水。产品气经压缩机增压后，分别经过循环水和13ħ 丙烯冷却至16ħ 进入分子筛脱水床层，脱水后的产品气（水露点降低至－70ħ 以下）进入到冷箱逐步冷却至－95ħ 左右。在此过程中丙烯制冷0，－38ħ 的冷量，分别提供13，乙烯制冷则提供
－65，－100ħ 的冷量
。
反应器出口物料的压力通常为微正压（甚至负
压），需由压缩机增压至下游产品分离所需的压力，在确定压缩机出口压力时需综合考虑制冷方式、丙
氢气用户所需压力以及操作费用等因烷/丙烯收率、
力求找到最佳平衡点。低温分离的目的则是为素，
CH 4等与轻烃最大程度地分了将反应物中的氢气、
离，尽可能多地回收丙烷、丙烯。一般，压力越高、温
图2
Fig．2
丙烯、乙烯级联制冷流程
Process flow diagram of propylene-ethylene cascade refrigeration
1．2
丙烯预冷+混合制冷
混合制冷工艺（MRC ）最早应用于天然气液化装是在级联式工艺的基础上演变而来的，采用烃类置，
C 1，C 2，C 3，C 4，C 5）作为制冷剂，混合物（如：N 2，代替
级联式工艺中的多个纯组分体系，以优化与热物流之间的传热温差，达到提高传热效率的目的。其制冷剂组成根据原料气的组成和压力而定。丙烯预冷+混合制冷则是在单级混合制冷工艺基础上增加了丙烯预冷回路，使得流程更为节能。图3为丙烯预冷+混合制冷流程示意图，经冷却干燥后的产品气进入预冷冷箱，用丙烯产品气和混合制冷剂预冷至－35ħ ，混合冷剂中的重组分先冷凝，凝液经分离减压后作为下一级的冷剂，轻组分则继续冷凝并依次分离、节流、蒸
发，为热物流提供不同温度级的冷量。1．3丙烯预冷+富氢气膨胀制冷
富氢气膨胀制冷则是利用冷箱分离出的高压富氢气经等熵膨胀后产生的低温气体作为冷剂返回冷箱。图4为丙烯预冷+富氢气膨胀制冷流程示意图，首先利用丙烯将产品气冷却至－35ħ 左右，再利用分离出的富氢气膨胀提供更低温度的冷量，将物流中的重组分冷凝下来，轻组分送入膨胀机，重组分则送入脱乙烷塔。膨胀后的富氢气能够提供≤－100ħ 的冷量。富氢气的压力可由膨胀机驱动的压缩机增压至一个合适的压力，以满足下游用户需求。
贾兆年等丙烷脱氢制丙烯低温分离工艺分析
·95·
22．1
模拟计算与分析流程模拟
且能耗相同的前提下，比较相同的工艺和操作条件，
了3种制冷流程的经济性。各流程中主要工艺参数2，3分别代表丙烯+乙烯级联见表2。其中流程1，
制冷、丙烯预冷+混合制冷和丙烯预冷+富氢气膨胀制冷，以下相同。
表1
Table 1
H 2
摩尔分数/%57．11
产品压缩机入口条件*CH 41．26
C 2H 40．63
C 2H 60．44
C 3H 6
C 3H 8
为了便于分析，本文以表1中的组成为例来对
低温分离单元进行模拟计算分析，此组分中未考虑C 4+和少量水，CO ，CO 2，N 2等组分。模拟采用SIM-SCI 公司的PRO /Ⅱ8．2软件。由于产品气组成主要为轻烃，且涉及到气液二相平衡，为保证较高的精确度，热力学方法将采用SRKS 方程，气、液相焓值计算采用LKP 方程，液相密度采用COSTALD 方法。
本文通过PRO /Ⅱ8．2软件分别对上述3个低温分离过程进行了模拟，分析了产品压缩机出口压力、低温分离温度等参数对分离效果的影响。在假定上游的脱氢反应单元和下游的产品精制单元采用
Suction conditions of charge gas compressor
18．7221．84
*温度40ħ ，压力－0．03MPa （g ），流量100t /h。
表2主要工艺参数*
Table 2Process parameters
产品压缩
流程123备注
*表中压力均为表压。
富氢气压力/MPa0．800．800．80
温度/ħ303040
粗产品压力/MPa0．800．801．80
温度/ħ103010
丙烯压缩机出口压力/MPa1．71．71．7多变效率按85%
乙烯压缩机出口压力/MP1．75
MRC 压缩机出口压力/MPa2．3
机出口压力/MPa1．101．102．20
膨胀机膨胀比
6
多变效率按85%
多变效率按85%
效率按80%
·96·
化学工程2011年第39卷第7期
为了保证流程模拟的合理性与准确性，模拟过冷损程中充分考虑了冷箱在不同温度段的冷损失，失量取值如表3所示，压缩机和膨胀机效率分别按85%和80%来考虑。
表3
Table 3各温度段冷箱冷损
Assumed heatleak factors at different temperatures
2．22．2．1
结果与讨论
分离压力和温度的选择
图5为－75ħ 分离温度下不同产品压缩机
（CGC ）出口压力对丙烯收率的影响图，从图中可以看出：压缩机出口压力由0．8MPa （g ）增加至3．6MPa （g ）时，丙烯收率由95．57%增加至98．66%，只增加了3．09%，而压缩机轴功率却增这说明压力对分离效果的影响加了6110．96kW ，
较小，产品压缩机出口压力太大将大大增加压缩功耗，在确保下游装置正常操作的前提下，产品压以降低能耗。从图5缩机的出口压力应尽量低，
中还可以看出，压力在1MPa （g ）左右最为经济，大能耗却增加较快。于此值分离效果改善不明显，
本文将按照1．1MPa （g ）产品压缩机出口压力对流程1和2的低温分离系统进行分析；而对于流程3，由于采用膨胀机制冷，膨胀机上游需要更高的压力，为了能够提供足够低的冷量，产品压缩机出口压力定为2．2MPa （g ）。图6为1．1MPa （g ）和2．2MPa （g ）压力下不同温度对丙烯收率的影响，从图中可以看
出：分离温度由－30ħ 降低至－130ħ 时，83%增加至丙烯收率分别由65%，99．2%，99．6%，这说明温度是决定分离效果的主要因素。但是当分离温度降低至一定程度时，对此时若继续降低分分离效果的影响将逐渐减弱，
离温度则会大大增加能耗。因此，分离温度的确定十分关键，选择的温度太高则分离效果不理想
，选择过低的分离温度则会大大地增加分离成本。工业上为了不至于采用更低能级的制冷系统，分离温度一般选择在－90—－100ħ 。
图7Fig．7
3种流程公用工程消耗量Utility consumptions of three flows
2．2．23种制冷流程比较
低温分离单元主要消耗的公用工程为循环水和电（压缩机为电机驱动），本文对3种制冷方式分别进行了模拟计算，计算结果如图7及表4。其中图7为按照100t /h流量的产品气计算的公用工程消耗量，从图中可以看出3种流程循环水消耗较为接近，流程2略微大些；而电力消耗有较大差别，流程2用
流程1和3较为接近。电量最大，
表4Table 4低温分离单元每t 丙烯产品耗能Energy consumption per ton propylene
product in LTR unit of three flows
流程
备注
123
－1
循环水消耗/（t ·h ）53．0055．5151．57
丙烯回收率
428．48487．23449．38电消耗/（kW ·h ）
均按99%
126．47143．34132．24折成标油/kg
公用工程
贾兆年等丙烷脱氢制丙烯低温分离工艺分析
·97·
表4为单位丙烯产品的公用工程消耗量，并按照SH /T3110—2001《石油化工设计能力消耗计算方法》将其折算为标油的计算结果。从表中可以看出流程2的能耗最高，其次为流程3，而流程1最低。这说明对于丙烷脱氢制丙烯装置采用丙烯+乙烯级联制冷方式最为节能。对于流程3虽然产品压缩机的功率较大，但由于产品气中的氢气含量较高，采用富氢气膨胀能够提供充足的冷量，可以节省－40—－100ħ 之间的制冷功率；另一方面由于产品压缩机出口压力较高，丙烯制冷的功率也能有所降低，因此，综合来看流程3的能耗并不会太高。
表5为初步估算的各流程所需的设备数量。流程1和2分别采用了2个制冷系统，因此，压缩机均而静设备数量二者基本接近，因而与流需要3台套，
程1相比流程2并无经济优势可言，相反由于其采反而会增加操作上的复杂性；流程用多元制冷系统，
3虽然只有一个制冷系统，但由于膨胀机出口富氢
表6Table 6
制冷方式丙烯+乙烯级联制冷
丙烯预冷+混合制冷
丙烯预冷+富氢气膨胀制冷
优点
能耗低；制冷剂为纯物质，无配比问题；技术成熟；设备投资低；操作简单。技术成熟，应用广泛；温度调节范围大。采用富氢气为制冷剂，省去部分运输、贮存冷冻剂的费用；能耗较低。
需要1台压缩机进行增压，因此，压缩气压力很低，
机数量也为3台套，与前2个流程相比，流程3还增加一台膨胀机，因而，操作也更为复杂。
表5
Table 5设备
压缩机/台套膨胀机/台冷箱/台换热器/台罐/个
11110
1812
各流程设备数量
Equipment number of three flows
流程13
23
331197
不含冷箱中的换热设备
备注
表6分别比较了3种制冷流程的优缺点，从表中可以看出，丙烯+乙烯级联制冷具有投资小、能耗低、技术成熟和操作简单等特点，与其他2种流程相比更具优势。
制冷流程优缺点比较
Merits and demerits of three flows
缺点
只能提供≥－100ħ 的冷剂，温度调节范围小。能耗比级联式流程高；混合制冷剂的合理配比较为困难；需增加制冷剂运输和贮存费用；操作较为复杂。富氢气回流压力低，体积流量大，因而换热面积增加，设备投资投入大；由于膨胀气压力较低，为满足下游用需增加富氢气增压机；操作较为复杂。户需求，
3
结论
（1）采用冷剂制冷方式时，产品压缩机出口压
［2］肖锦堂．烷烃催化脱氢生产C 3 C 4烯烃工艺之二
［J ］．天然气工业，1994，14（3）：69-71．
［3］肖锦堂．烷烃催化脱氢生产C 3 C 4烯烃工艺之三
［J ］．天然气工业，1994，14（4）：72-76．
［4］肖锦堂．烷烃催化脱氢生产C 3 C 4烯烃工艺之四
［J ］．天然气工业，1994，14（6）：64-67．
［5］陈建九，J ］．史海英，汪永．丙烷脱氢制丙烯工艺技术［
2000，1（12）：23-27．精细石油化工进展，
［6］苏建伟，J ］．化工牛海宁．丙烷脱氢制丙烯技术进展［
2006，14（4）：62-65．科技，
［7］郭洪辉，J ］．辽宁陈继华．丙烷脱氢制丙烯技术研究［
2007，36（4）：266-269．化工，
［8］余长林，葛庆杰，徐恒泳，等．丙烷脱氢制丙烯研究新
J ］．化工进展，2006，25（9）：977-981．进展［
［9］王松汉．乙烯装置技术与运行［M ］．北京：中国石化出
2009．版社，
力1MPa （g ）左右最为经济；采用富氢气膨胀制冷时，产品压缩机出口压力一般大于2MPa （g ）。（2）分离温度一般在－90—－100ħ ，这样既
又不至于采用能级更低的制冷能保证分离效果，
系统。
（3）3种制冷流程中，丙烯+乙烯级联制冷制冷流程最为节能，设备数量不会太多，操作上也更为简具有较大的优势。因而丙烯+乙烯级联制冷方单，
式最适合于丙烷脱氢制丙烯装置。参考文献：
［1］肖锦堂．烷烃催化脱氢生产C 3 C 4烯烃工艺之一
［J ］．天然气工业，1994，14（2）：64-69．