丙烷脱氢制丙烯的技术经济性探讨

2022-11-09

丙烯是一种重要的石油化工中间体, 主要用来制造聚丙烯、丙酮、丁醇、辛醇、环氧、丙烷、丙烯酸、羧基醇和壬基酚等化工产品。近年来, 丙烯下游工业的迅猛发展, 带动了国内的丙烯消费量, 2008年, 国内丙烯消费量是1165.7t, 到2013年, 丙烯消费量更创新高, 达到了1948.6t, 平均年增长率为10.8%, 而与此对应的年平均生产增长率为9.4%, 丙烯的产能不能满足国内的消费量, 只能依靠进口解决问题。根据产业信息网发布的《2014-2019年中国丙烯产业全景调研及投资战略咨询报告》, 我国在2012年丙烯的纯进口量为215万吨, 这其中并不包括聚丙烯、丙烯腈这些下游产品的进口, 两者相加, 我过丙烯的缺口总量达到了700万吨。丙烯工业化生产工艺为传统工艺和新兴工艺, 传统工艺主要包括蒸汽裂解工艺和催化裂化工艺, 而丙烯均为副产品, 分别受制于主产品乙烯和成品油的生产。近年来, 北美页岩气革命导致北美裂解原料轻质化, 丙烯产量增速下滑;而全球成品油需求增速稳定在1%-2%左右, 丙烯产能不足问题严重。因此, 市场逐渐关注丙烯的替代生产工艺, 包括深度催化裂化、低碳烯烃裂解、烯烃复分解、甲醇制烯烃和丙烷脱氢等五种新兴工艺。相比较而言, 丙烷脱氢具有技术成熟、产品质量好、转化率高、副产物少等优点, 越来越成为市场追逐的生产工艺。

一、丙烷脱氢制丙烯工艺概况

丙烷脱氢制丙烯已经逐渐成为主流的制备丙烯的工业生产方法, 而且其市场占有率正在不断增加。由于丙烷脱氢制丙烯反应原料单一, 产物种类简单, 便于分离产物, 产物产率较高。目前比较成熟的丙烷脱氢制丙烯生产工艺是UOP公司的Oleflex工艺、ABB Lummus公司的Catofin工艺, 并且已经有多套的工业应用, 比如泰国、韩国和比利时等在90年代纷纷投产, 建立了自己的生产基地。

二、丙烷脱氢制丙烯技术

丙烷脱氢反应过程中会放出大量热, 升高反应温度和降低分压会促进反应进行, 但是温度太高会引起大量副反应, 而且有很多有机副反应是不受到热力学平衡的限制, 所以经过反复实验, 工业上生产的温度一般控制在650℃以下, 控制反应的绝对压力可以稍微高于大气压或采取稀释措施降低分压, 综合以上所有因素, 丙烷脱氢工艺单程转化率在32%-55%之间。以下主要介绍两种较为成熟的工艺。

1. Oleflex工艺

Oleflex工艺是UOP公司发明的一项专利, 反应条件:压力大于0.1 MPa、温度580-650℃、使用铂催化剂进行丙烷脱氢反应, 并分离和精馏, 得到聚合形态的丙烯。整个生产工艺分为三部分:反应, 回收产物和催化剂再生。丙烯单程转化率35%-40%, 总收率为86%左右。整个反应能耗小, 操作的复杂程度小。

2. Catofin工艺

美国公司ABB Lummus最先开发出了Catofin工艺, 使用C3-C5烷烃为原料脱氢生产单烯烃, 该技术分为4个部分:反应、压缩、回收和精制。在该技术中, 使用铬-铝催化剂, 采用热空气循环方式将丙烷转化为丙烯, 设置了多个反应器, 并且对催化剂实施了预热措施。该工艺中使用的催化剂无需再生, 丙烷单程转化率约为45%, 总转化率大于85%, 反应温度控制在593-649℃, 体系压力为33.86-50.79 k Pa。

三、Oleflex与Catofin工艺技术比较

两种工艺大致是相同的, 不同的部分在于脱氢和催化剂再生。

Oleflex工艺主要特点有:反应器是移动床, 反应过程稳定均匀, 铂催化剂活性高、活性时间持续较长还可以循环再生, 机械强度好, 在反应过程中产生了磨损较小。采用氢气降低体系组分的分压, 这样做的好处是可以抑制结焦, 并且可以维持脱氢反应的温度。为了达到最好的反应结果, UOP公司还专门为Oleflex工艺配套了专利的设备和系统, 处理原料的能力好, 包括从气田、炼厂或者乙烯装置来的原料都可以进入反应器参与生产过程。但缺点是前期需要较高的技术投资, 后期的生产中能耗较高, 增加了生产的成本。

Catofin工艺主要特点有:采用较为廉价的铬-铝非贵金属催化剂, 降低了生产成本, 催化剂有很好的选择性并且不需要再生处理, 采用循环多反应器系统, 可以容易地增加产能。此外, 整个生产过程的条件易于控制, 温度和压力都比较低, 容易实现, 降低了能耗和成本。但缺点是反应器的数量比较多, 在这个方面反而增加了能耗, 升高了费用。

四、工艺经济性探讨

Oleflex工艺和Catofin工艺是目前最成熟的技术, 所以建议从二者中选择。在早些年较多使用Oleflex工艺用作丙烷脱氢制丙烯, 而且是技术和设备一起购买, 所以在投产的初期, 资金投入非常高。最近几年, Catofin工艺也在不断加大推广力度, 所以对Oleflex工艺构成了一定的竞争力。从最早的丙烷脱氢装置工业化到现在已有二十多年, 两种工艺催化剂已经过多代更新, 但工艺本身并没有大的变化。现在包括我国在内的许多研究单位对丙烷的氧化脱氢及膜反应投入较多研究, 其相对于催化脱氢具有投资和消耗低、丙烯收率高的优点, 但离工业应用尚有一定距离, 引进技术商谈时需考虑其可持续性有竞争力的技术支持。

摘要：丙烯是一种重要的化工原料, 是三大合成材料的基本原料, 主要用于生产聚丙烯、丙烯腈、乙丙烯、丙酮和环氧丙烷等, 丙烯在酸性催化剂的存在下发生聚合反应, 生成多聚体的混合物, 可以用来提高汽油的辛烷值。通常采用丙烷催化脱氢制取丙烯, 丙烯的产率可达74%-86%。通过对比常见的几种丙烷脱氢制丙烯的技术, 再结合我国的基本情况, 进行该项技术经济性的分析和探讨。

关键词：丙烷,脱氢,丙烯,工艺,经济性