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丙烷脫氫技術(shù)(PDH)是丙烯生產(chǎn)的主流技術(shù)之一。目前，全世界已工業(yè)化的丙烷脫氫裝置主要采用UOP的Oleflex工藝和Lummus的Catofin工藝，前者丙烷脫氫反應(yīng)器采用移動(dòng)床技術(shù)，后者丙烷脫氫反應(yīng)器采用固定床技術(shù)[1，2]。隨著科技的進(jìn)步，各自技術(shù)都有了很大的改進(jìn)。本文僅對(duì)UOP的Oleflex工藝技術(shù)工業(yè)化裝置近年來采取的改進(jìn)措施和最新的Oleflex工藝技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 典型Oleflex丙烷脫氫工藝流程

典型Oleflex丙烷脫氫工藝流程見圖1。原料丙烷在冷箱分離系統(tǒng)配氫氣后，經(jīng)換熱進(jìn)入加熱爐加熱，然后進(jìn)入反應(yīng)器發(fā)生脫氫反應(yīng)，脫氫產(chǎn)物經(jīng)過壓縮、脫氯、干燥后進(jìn)入冷箱分離系統(tǒng)，分離出來的干氣，部分作燃料氣，部分作提升氣，部分進(jìn)PSA產(chǎn)氫氣。

冷箱分離出來的C2+液體產(chǎn)品，經(jīng)液體產(chǎn)品泵輸送至脫乙烷塔系統(tǒng)進(jìn)行C2/C3分離，脫乙烷汽提塔塔底液相進(jìn)入丙烯-丙烷分離塔，并采用熱泵系統(tǒng)得到丙烯產(chǎn)品。

按照工藝流程將Oleflex丙烷脫氫裝置分為反應(yīng)單元、分離單元、催化劑再生單元[3]。三個(gè)單元的工藝流程及設(shè)備都在過往工業(yè)化裝置中有所改進(jìn)。以下工藝參數(shù)主要以設(shè)計(jì)規(guī)模為60萬噸/年的Oleflex裝置進(jìn)行論述。

圖1 典型Oleflex丙烷脫氫工藝流程圖

2 反應(yīng)單元的改進(jìn)

反應(yīng)單元主要的設(shè)備包括加熱爐，反應(yīng)器，熱聯(lián)合換熱器，REC壓縮機(jī)，干燥器，冷箱，PSA，堿洗系統(tǒng)等。

2.1 降低反應(yīng)壓力和溫度

最初四臺(tái)丙烷脫氫反應(yīng)器的操作壓力范圍：0.15～0.4MPa(G)，操作溫度范圍：620～650℃。通過增加爐管的管徑，降低氫/烴比(0.5/0.2)，增大脫氫催化劑的粒徑(De-14/De-16/De-24/De-26)，使得目前四臺(tái)脫氫反應(yīng)器的操作壓力為：0.06～0.25MPa(G),操作溫度范圍：595～630℃。

通過降低反應(yīng)壓力和溫度，減少了燃料氣消耗和結(jié)焦量，提高丙烷轉(zhuǎn)化率和收率約1～3%，并延長(zhǎng)裝置運(yùn)行周期半年以上。

2.2 增大內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)外篩網(wǎng)縫隙

“反應(yīng)器內(nèi)外篩網(wǎng)縫隙”見表1。

表1 反應(yīng)器內(nèi)外篩網(wǎng)縫隙

內(nèi)外篩網(wǎng)的縫隙間距越大，反應(yīng)產(chǎn)物徑向經(jīng)過內(nèi)外網(wǎng)時(shí)的壓差越小[4]。同時(shí)可延長(zhǎng)反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)焦堵塞內(nèi)外網(wǎng)的時(shí)間。

2.3 反應(yīng)產(chǎn)物能量回收

為降低循環(huán)水消耗、溶劑補(bǔ)充量、低壓蒸汽消耗，改進(jìn)了反應(yīng)產(chǎn)物壓縮機(jī)(REC)系統(tǒng)的冷卻方式。

REC一段入口和一段出口先前均采用循環(huán)水冷卻，目前，改進(jìn)為洗油接觸式冷卻，一方面使得反應(yīng)產(chǎn)物中重組分進(jìn)入洗油系統(tǒng)，另一方面回收了反應(yīng)產(chǎn)物中的熱量約6MW。循環(huán)洗油可用于預(yù)熱脫丙烷塔的進(jìn)料。

2.4 冷箱分離系統(tǒng)

冷箱用于分離甲烷氫與C2+組分，UOP開始采用冷箱加膨脹機(jī)制冷流程，通過降低氫/烴比，取消膨脹發(fā)電機(jī)(發(fā)電量約1600kW)，改進(jìn)為由外部制冷系統(tǒng)提供冷量。

典型的外部制冷系統(tǒng)可采用混合冷劑壓縮機(jī)(MRC)，或采用乙烯機(jī)(冷劑含甲烷)加丙烯機(jī)的方案。改進(jìn)后可降低REC壓縮機(jī)的功率8400kW，MRC功率約為3900kW。

2.5 堿洗系統(tǒng)

此部分主要在堿洗塔的堿液循環(huán)和水洗水循環(huán)回路上增加聚結(jié)器，用以聚集循環(huán)堿液/水洗水中的油相介質(zhì)。

2.6 加熱爐對(duì)流段多產(chǎn)高壓蒸汽

在滿足煙氣排放環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的前提下，通過降低排煙溫度，多副產(chǎn)高壓蒸汽2～3t/h。

3 分離單元的改進(jìn)

分離單元包括原料的預(yù)處理，脫丙烷塔，脫乙烷塔，丙烯機(jī)，丙烯-丙烷分離塔及熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)。

3.1 REC二段出口反應(yīng)產(chǎn)物熱量回收

通過將REC二段出口溫度約為150℃的反應(yīng)產(chǎn)物作為脫乙烷塔再沸器的熱源，回收熱量，60萬t/a的PDH裝置大約可回收12.4MW熱量，循環(huán)水消耗量減少約1000t/h,低壓蒸氣消耗約減少30t/h。

3.2 丙烯-丙烷分離塔塔內(nèi)件

丙烯-丙烷分離塔塔內(nèi)件的形式由MD改為ECMD，MD的塔板間距為470mm，ECMD的塔板間距可以做到350mm，可降低丙烯-丙烷分離塔體高度。

3.3 高效換熱器

對(duì)脫丙烷塔塔頂冷凝器和丙烯-丙烷分離塔再沸器采用高通量管換熱器，有效減少換熱器臺(tái)數(shù)，減少了占地面積。

3.4 冷態(tài)進(jìn)料冷量回收

部分裝置的丙烷原料從冷庫輸送過來，可通過與脫乙烷精餾塔塔頂氣相換熱，回收原料丙烷中冷量，從而降低脫乙烷精餾塔塔頂冷凝器熱負(fù)荷，進(jìn)而減少冷凝器冷劑側(cè)丙烯冷劑的循環(huán)量，降低丙烯機(jī)功率。以操作溫度為-38℃的原料丙烷為例，丙烯機(jī)功率大約可降低28%。

3.5 空冷器和水冷器并用

對(duì)于冬季較寒冷的地區(qū)，或冬季和夏季溫差相差較大的地區(qū)，循環(huán)水消耗量較大的設(shè)備,如脫乙烷汽提塔塔頂冷凝器和脫丙烷塔，可采用空冷器和水冷器并行的方案。夏季環(huán)境溫度較高，采用水冷器方案；冬季環(huán)境溫度較低，采用空冷器方案。對(duì)于缺水且冬季溫度較低的地區(qū)可有效降低分離單元的能耗。

4 催化劑再生單元的改進(jìn)

催化劑再生單元主要包括催化劑的輸送系統(tǒng)、再生器及再生氣循環(huán)系統(tǒng)、注氯及尾氣處理系統(tǒng)。

4.1 注氯系統(tǒng)

氯氣注入到再生器中，可避免催化劑上金屬鉑的聚集，并將鉑均勻分散在氧化鋁載體上。

早期的PDH裝置只在氯化區(qū)進(jìn)行注氯，近幾年的裝置，在上部再生區(qū)也新增了注氯點(diǎn)，氯氣在再生器中的分布范圍更大，使得鉑在氧化鋁載體上分布得更均勻。

4.2 再生器材質(zhì)改進(jìn)

目前Oleflex丙烷脫氫裝置的再生器材質(zhì)由原來的合金鋼N06600，改為了316，降低了再生器生產(chǎn)制造成本。

4.3 再生氣循環(huán)系統(tǒng)

早期的再生器只有一臺(tái)再生氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，催化劑在再生器內(nèi)的停留時(shí)間為4h。

現(xiàn)在的Oleflex丙烷脫氫裝置，將再生器分為上部燒焦區(qū)和下部燒焦區(qū)，上部燒焦區(qū)由上部再生風(fēng)機(jī)循環(huán)再生氣，下部燒焦區(qū)由下部再生風(fēng)機(jī)循環(huán)再生氣，催化劑在再生器內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)至6h，可對(duì)催化劑上的焦炭進(jìn)行充分的“燃燒”，延長(zhǎng)催化劑循環(huán)周期，減少催化劑輸送摩擦損耗。

4.4 催化劑磨損

催化劑輸送管道上設(shè)置了無沖擊彎頭代替之前的大半徑彎頭，并在管道上使用Dual Lock接頭、L型提升閥組以降低催化劑輸送過程中的磨損，減少催化劑消耗，降低運(yùn)行費(fèi)用。

5 Oleflex技術(shù)改進(jìn)方向探討

隨著UOP的Oleflex丙烷脫氫工藝技術(shù)的應(yīng)用不斷增多，Oleflex工藝系統(tǒng)可改進(jìn)的主要方面包括：

(1)增大催化劑的直徑和內(nèi)外網(wǎng)篩網(wǎng)縫隙間

距，進(jìn)一步降低反應(yīng)器的操作溫度，減少燃料氣消耗，提高產(chǎn)品收率。

(2)降低氫烴比，減少循環(huán)氫氣量，降低REC壓縮機(jī)功率和冷箱所需外部冷劑的冷量，延長(zhǎng)裝置在線周期。

(3)冷箱外部制冷系統(tǒng)與脫乙烷精餾塔塔頂冷凝器冷劑制冷系統(tǒng)的優(yōu)化合并?？刹捎肕RC壓縮機(jī)或者丙烯機(jī)+乙烯機(jī)的方案對(duì)冷箱和脫乙烷精餾塔塔頂冷凝器同時(shí)提供冷量的方案，降低設(shè)備投資和運(yùn)行成本，并提高裝置運(yùn)行的可靠性。

(4)冷箱分離系統(tǒng)采用膨脹制冷流程時(shí)，可以考慮高壓膨脹機(jī)與PSA的尾氣壓縮機(jī)形成膨脹-再壓縮的工藝流程，進(jìn)而降低膨脹發(fā)電，電驅(qū)動(dòng)PSA尾氣壓縮機(jī)過程中的能量損耗。

(5)熱泵系統(tǒng)改進(jìn)

目前的PDH裝置都是丙烯-丙烷分離塔與熱泵壓縮機(jī)形成熱泵系統(tǒng)，丙烯機(jī)為脫乙烷精餾塔塔頂冷凝器提供低品位冷劑，可考慮借鑒乙烯裝置開式熱泵系統(tǒng)，將目前的熱泵壓縮機(jī)和丙烯機(jī)合并為一臺(tái)壓縮機(jī)，使熱泵壓縮機(jī)為脫乙烷精餾塔塔頂冷凝器提供低品位冷劑。

(6)副產(chǎn)C4產(chǎn)品

對(duì)于原料中丁烷組分較多，且C2-和干氣可滿足加熱爐燃料需求時(shí)，可通過增加脫丁烷塔，副產(chǎn)C4產(chǎn)品。