异丁烷脱氢分离工艺的模拟与分析

异丁烷脱氢分离工艺的模拟与分析

吴 萍

(上海河图工程股份有限公司 上海市)

摘要：对100 kt/a异丁烷脱氢装置的分离工艺流程，采用浅冷油吸收法，借助于化工流程模拟软件进行模拟。通过比较不同操作条件下各部分的模拟结果和能耗，确定各设备适宜的操作条件，并考察在已确定的操作条件下各部分的能耗分布。压缩机出口压力与吸收稳定系统相匹配，而压力高低直接影响整个装置能耗，也影响压缩机的段数。模拟结果表明，异丁烷脱氢分离工艺适宜操作条件为压缩机出口压力1.9～2.4 MPa、吸收塔操作压力 1.7～2.2 MPa。装置主要耗能是在吸收稳定部分，其能耗占分离工艺总能耗的61.7%，离心压缩机按4段设计为佳。

关键词：异丁烷脱氢 分离工艺 浅冷油吸收法 压缩机段数 操作压力 综合能耗

异丁烯是一种重要的有机化工原料，主要来源于石脑油蒸汽裂解和重油催化裂化副产。最有竞争力的异丁烯生产技术有异丁烷脱氢、正丁烯异构和新型催化裂化装置增产异丁烯。目前国内在建的异丁烷脱氢工艺装置年产能已达百万吨。

全球相对完善的异丁烷脱氢技术有5种:UOP的Oleflex工艺、Lummus的Catofin工艺、Linde A.G.的Linde工艺、Phillips的Star工艺和Snamprogetti-Yarsintez的FBD-4工艺[1]。脱氢反应产物分离采用冷箱分离工艺或吸收稳定分离工艺。从装置长周期运行来看，冷箱分离工艺除了电耗较高外，其他能耗均较低，要比吸收稳定分离工艺更经济。在同等能耗分析基础上对比，采用冷箱分离工艺每吨原料能耗6.7 kg标准油，采用吸收稳定分离工艺每吨原料能耗11.4 kg标准油。但冷箱分离工艺流程复杂、操作难度大、投资高，尤其是冷箱操作流道小，易堵塞，不耐腐蚀；而吸收稳定分离工艺流程相对简单，易操作维护[2]。要根据装置规模、投资估算等条件，来选择合适的分离工艺。

国内外在烷烃脱氢催化剂方面进行了深入的研究，在其催化反应机理和催化动力学方面也进行了较多的研究[3-4]，但对异丁烷脱氢工艺流程的模拟研究较少。进行流程模拟分析可以为装置的优化运行、节能减排提供重要技术支持。

1、异丁烷脱氢分离工艺流程

异丁烷脱氢分离工艺流程包括轻烃气压缩和吸收稳定两部分，工艺流程见图1。

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图1 异丁烷脱氢分离工艺流程示意

S1—反应油气；S2—压缩后反应油气；S3—吸收塔进料；S4—冷却后贫油；S5—塔顶尾气；S6—不凝气；S7—富含异丁烯的混合C4

油吸收法是利用吸收剂对原料气中各组分溶解度的差异使轻重关键组分得以分离的方法[5]。根据吸收温度不同分为3种：深冷油吸收法(低于-80 ℃)、中冷油吸收法(-20～-40 ℃)和浅冷油吸收法(高于0 ℃)。异丁烷脱氢装置产品主要为C4烃类，在一定压力下，C3以上的馏分可以在常温下分离，故采用浅冷油吸收法对反应油气进行分离。借助化工流程模拟软件，对异丁烷脱氢分离工艺流程进行模拟，确定各设备操作条件，重点考察不同压缩机出口压力以及相对应吸收稳定系统的操作压力下分离工艺各部分的能耗。

2、流程模拟

由于高纯度的异丁烷来源有限，异丁烷脱氢装置普遍在200 kt/a以下[6]。以100 kt/a新鲜异丁烷进料的异丁烷脱氢装置(加上循环的异丁烷量，脱氢反应器总进料量为200 kt/a)为例，对其分离工艺进行模拟，脱氢装置分离部分需要处理的反应油气流量约为26 t/h(以年开工时数 8 000 h 计)。

采用化工流程模拟软件进行流程模拟。由于产品气组成主要为轻烃类混合物，且涉及到气液两相平衡，操作压力不高，为保证较高的精确度，热力学方法采用SRK状态方程，气、液相焓值计算采用LKP方程，液相密度采用COSTALD方法。

在对异丁烷脱氢分离工艺各部分能耗进行分析时，首先计算各部分所消耗的公用工程，然后根据GB/T 50441—2016《石油化工设计能耗计算标准》，将各部分公用工程以一定的能耗换算指数换算成标准能耗[7]，便于统计对比。

3、结果与讨论

3.1 压缩部分的模拟结果

脱氢反应器的操作压力一般略高于常压，压缩机入口为微正压。在轻烃气体压缩的过程中，考虑到压缩效率和压缩气体温升效应，在0.9～3.4 MPa范围内，采用3～5段多级压缩，不同出口压力下适宜的压缩段数如表1所示。同时要求各级压缩段出口气体温度不大于92 ℃，段间用循环水冷却到40 ℃。各段间凝缩油由泵送至压缩机出口气液分离罐。

表1 不同出口压力下适宜的段数

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压缩机末段排出压力的高低直接关系到压缩部分、吸收塔的操作压力以及整个装置的能耗,需对综合能耗进行计算，确定合适的压力值。压缩部分的公用工程消耗为蒸汽和循环水，其在不同出口压力下的能耗见表2。由表2可见，当压缩机出口压力由0.9 MPa增至3.4 MPa时，压缩机能耗由 14 919 MJ/h增至20 253 MJ/h，随着出口压力的增加，能耗呈上升趋势。因此需要结合后续分离部分具体操作的能耗情况选择合适的压缩机出口压力。

表2 不同出口压力下压缩部分的能耗

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在高压段，压缩机的多变效率会变得很低。考虑到压缩机的段数越高，压缩比越大，系统配置方案越复杂，制造难度越大，相应投资也越高，因此建议将压缩机的压缩段数控制在4段以内。

反应油气压缩机采用离心式，其驱动机可采用2种方案：①由电动机驱动，电动机采用增安型，设变频调速，供电电压10 kV；②由背压式汽轮机驱动，汽轮机进汽压力3.5 MPa，排汽压力1.0 MPa。为便于比较，以下采用方案2统计能耗。

3.2 吸收稳定部分的模拟结果

为了研究异丁烷脱氢分离工艺中吸收塔、解吸塔和产品分离塔合适的操作压力，对不同操作压力下的3个塔进行模拟。规定产品分离塔异丁烯回收率大于98%，解吸塔塔底轻组分质量分数小于1.5%。吸收塔中段采用-5 ℃冷冻水把吸收油冷却至10 ℃左右，达到浅冷油吸收效果。在模拟过程中，随着压力的降低，要达到同样的吸收效果通常要增大吸收油的循环量。吸收剂循环泵电耗也逐渐增大，装置的操作运行费用也增加。压缩机不同出口压力下吸收稳定部分的具体能耗见表3。

表3 不同出口压力下吸收稳定部分的能耗

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由表3可看出，随着压缩机出口压力的增加，吸收塔中段冷却能耗逐渐降低，解吸塔塔底重沸器能耗则逐渐增加，产品分离塔的能耗整体呈下降趋势。整个装置中，虽然大部分产品集中在产品分离塔塔顶，该部位消耗大量的循环水，但是由于循环水能源折算值较低，所以占比不大，关键还是在两个塔底重沸器的蒸汽消耗。在满足装置生产要求下，应尽可能地降低蒸汽消耗。

3.3 工艺全流程的模拟结果

把压缩部分和吸收稳定部分的能耗合并统计成综合能耗，并与反应油气压缩机不同出口压力作对比，具体见图2。

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图2 不同出口压力下的综合能耗对比

由图2可知，压缩机出口压力控制在1.9～2.4 MPa，装置综合能耗相对较低。

在优化后选定的工艺操作条件下对异丁烷脱氢分离工艺进行模拟，得到的主要物流数据见表4。各部分的能耗见表5。目前有两套工业装置已投产运行，采用的是浅冷油吸收稳定分离工艺。

表4 异丁烷脱氢分离工艺关键物流数据

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表5 异丁烷脱氢分离工艺各部分能耗及能耗占比

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由表5可见，异丁烷脱氢分离工艺中主要能耗为吸收稳定部分，占比超过总能耗的60%以上。因此，降低装置能耗，应着重从吸收稳定部分入手，同时考虑选择合适的压缩比，既能达到工艺要求，也能降低装置总能耗，提高经济效益。

4、结 论

(1)异丁烷脱氢分离工艺适合低压操作，压缩机出口压力为1.9～2.4 MPa，吸收塔操作压力1.7～2.2 MPa。对于异丁烷脱氢装置，需根据装置规模、投资估算综合考虑，选用适宜的分离工艺。

(2)采用浅冷油吸收法的异丁烷脱氢分离工艺中主要能耗在吸收稳定部分，其能耗占总能耗的61.7%，此部分是降低装置能耗的重点。离心压缩机的压缩段数也要控制在4段以内为佳。