丙烷脱氢深冷液化流程的氢气膜分离改造优化

摘要

丙烷脱氢工艺是丙烯的重要新增来源，其反应产物含有大量不凝组分（主要是氢气），导致传统的深冷液化流程能耗巨大。具体地，高压丙烷脱氢工艺深冷液化流程中，大量氢气随反应产物压缩，压缩能耗大；氢气积累导致低压丙烷脱氢工艺深冷液化流程在-90℃以下进行，深冷负荷大。对此，本文提出了采用氢气膜分离对丙烷脱氢深冷液化流程进行改造，膜分离脱除反应产物中的大部分氢气，减少后续液化的处理量并提高碳三分压，改善深冷液化过程，提高液化流程的经济效益。以年产35万吨丙烯的丙烷脱氢装置为例，采用HYSYS软件对高、低压丙烷脱氢深冷液化流程的膜分离改造工艺进行模拟优化，确定经济效益最大的操作参数。 针对高压STAR工艺的深冷液化流程，本文提出在降温过程中嵌入膜分离单元实现梯级压缩。在浅冷单元之后嵌入膜分离单元，脱除大量氢气的同时实现梯级压缩。最优的浅冷压力为2.40MPa、浅冷温度为-24℃，膜面积为2680m2，总压缩能耗由7040kW降低至5890kW，节约公用工程约600万元/年；氢气浓度由82.8mol%提高到99.0mol%，回收率超过85%，综合考虑节能和氢气产出，年经济效益增加8700万元。基于氢气分离膜的高水通量，提出在预冷单元之后嵌入膜分离单元，在梯级压缩降低能耗、提高副产氢气的同时实现深度脱水。最优的预冷压力为3.00MPa，预冷温度为5℃，膜面积为3000m2。渗余气的水含量为0.9ppmw，省去干燥塔和解吸气增压190kW，梯级压缩降低能耗310kW，节约公用工程费用260万元/年；氢气浓度提高至95.9mol%，对应的回收率达到83.9%，年经济效益增加9040万元。 针对低压丙烷脱氢深冷液化流程，以Oleflex工艺为例进行氢气膜分离改造，原液化流程丙烷汽化的冷量可用于浅冷液化轻烃，与膜分离脱除氢气协同作用降低深冷处理量。单级膜分离/浅冷改造工艺的最优预冷压力为2.70MPa，预冷温度为5℃，膜面积为15000m2。深冷负荷为90kW，较改造前降低了96.4%；氢气浓度为97.8mol%，较改造前提高5.1mol%，但存在高浓度氢气回收率低、碳三损失大的问题。在此基础上设计了两级膜分离/浅冷改造工艺，最优的预冷压力为2.10MPa，第一、二级膜面积分别为7500m2、15000m2。深冷负荷为1280kW，较原流程工艺降低了48.3%；产品氢气浓度为99.0mol%，循环氢气浓度为96.5mol%，较改造前分别提高了7.3mol%、3.8mol%，总氢气回收率达到98.6%，年净收益增加1470万元。以上改造结果说明，氢气膜分离改造能够有效改善丙烷脱氢深冷液化过程，同时提高副产氢气浓度，从而提高经济效益。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 丙烯的主要生产工艺

1.2 丙烷脱氢工艺

1.2.1 Oleflex工艺

1.2.2 Catofin工艺

1.2.3 STAR工艺

1.3 丙烷脱氢工艺的深冷液化流程

1.3.1 高压丙烷脱氢工艺的深冷液化流程

1.3.2 低压丙烷脱氢工艺的深冷液化流程

1.4 氢气膜分离

1.4.1 氢气膜分离概述

1.4.2 氢气膜分离机理

1.4.3 氢气膜分离工艺

1.5 选题依据与研究内容

2 工艺设计与优化基础

2.1 化工流程模拟软件和物性方法的选择

2.1.1 流程模拟软件的选择

2.1.2 物性方法的选择

2.2 传统高压丙烷脱氢深冷液化流程的模拟

2.3 传统低压丙烷脱氢深冷液化流程的模拟

2.4 氢气分离膜的选择与计算

2.5 经济分析基础

2.6 本章小结

3 高压丙烷脱氢液化流程的膜分离/梯级压缩改造

3.1 膜分离脱氢/梯级压缩改造工艺

3.1.1 膜分离脱氢/梯级压缩改造对氢气分离效果的影响

3.1.2 膜分离脱氢/梯级压缩改造对压缩能耗的影响

3.1.3 膜分离脱氢/梯级压缩改造对碳三损失的影响

3.1.4 膜分离脱氢/梯级压缩改造工艺的经济分析

3.2 膜分离脱氢脱水/梯级压缩改造工艺

3.2.1 预脱水、粗氢气提浓效果的分析

3.2.2 膜分离脱氢脱水/梯级压缩改造对水含量的影响

3.2.3 膜分离脱氢脱水/梯级压缩改造对氢气分离效果的影响

3.2.4 膜分离脱氢脱水/梯级压缩改造对压缩能耗的影响

3.2.5 膜分离脱氢脱水/梯级压缩改造对碳三损失的影响

3.2.6 膜分离脱氢脱水/梯级压缩改造工艺的经济分析

3.3 本章小结

4 低压丙烷脱氢液化流程的多级膜分离/浅冷改造

4.1 单级膜分离/浅冷改造工艺

4.1.1 预冷温度的选取

4.1.2 单膜/浅冷改造对氢气分离效果的影响

4.1.3 单膜/浅冷改造对深冷负荷的影响

4.1.4 单膜/浅冷改造对碳三损失的影响

4.1.5 单级膜分离/浅冷改造工艺的经济分析

4.2 两级膜分离/浅冷改造工艺

4.2.1 两级膜/浅冷改造对氢气分离效果的影响

4.2.2 两级膜/浅冷改造对深冷负荷的影响

4.2.3 两级膜/浅冷改造对碳三损失的影响

4.2.4 两级膜分离/浅冷改造工艺的经济分析

4.3 本章小结

结论

创新点与展望

论文创新点

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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