李麗(天津渤化石化有限公司,天津300452)
丙烷脫氫制丙烯的技術經(jīng)濟性探討
李麗(天津渤化石化有限公司,天津300452)
丙烯是一種重要的化工原料,是三大合成材料的基本原料,主要用于生產(chǎn)聚丙烯、丙烯腈、乙丙烯、丙酮和環(huán)氧丙烷等,丙烯在酸性催化劑的存在下發(fā)生聚合反應,生成多聚體的混合物,可以用來提高汽油的辛烷值。通常采用丙烷催化脫氫制取丙烯,丙烯的產(chǎn)率可達74%-86%。通過對比常見的幾種丙烷脫氫制丙烯的技術,再結合我國的基本情況,進行該項技術經(jīng)濟性的分析和探討。
丙烷;脫氫;丙烯;工藝;經(jīng)濟性
丙烯是一種重要的石油化工中間體,主要用來制造聚丙烯、丙酮、丁醇、辛醇、環(huán)氧、丙烷、丙烯酸、羧基醇和壬基酚等化工產(chǎn)品。近年來,丙烯下游工業(yè)的迅猛發(fā)展,帶動了國內(nèi)的丙烯消費量,2008年,國內(nèi)丙烯消費量是1165.7t,到2013年,丙烯消費量更創(chuàng)新高,達到了1948.6t,平均年增長率為10.8%,而與此對應的年平均生產(chǎn)增長率為9.4%,丙烯的產(chǎn)能不能滿足國內(nèi)的消費量,只能依靠進口解決問題。根據(jù)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2014-2019年中國丙烯產(chǎn)業(yè)全景調研及投資戰(zhàn)略咨詢報告》,我國在2012年丙烯的純進口量為215萬噸,這其中并不包括聚丙烯、丙烯腈這些下游產(chǎn)品的進口,兩者相加,我過丙烯的缺口總量達到了700萬噸。丙烯工業(yè)化生產(chǎn)工藝為傳統(tǒng)工藝和新興工藝,傳統(tǒng)工藝主要包括蒸汽裂解工藝和催化裂化工藝,而丙烯均為副產(chǎn)品,分別受制于主產(chǎn)品乙烯和成品油的生產(chǎn)。近年來,北美頁巖氣革命導致北美裂解原料輕質化,丙烯產(chǎn)量增速下滑;而全球成品油需求增速穩(wěn)定在1%-2%左右,丙烯產(chǎn)能不足問題嚴重。因此,市場逐漸關注丙烯的替代生產(chǎn)工藝,包括深度催化裂化、低碳烯烴裂解、烯烴復分解、甲醇制烯烴和丙烷脫氫等五種新興工藝。相比較而言,丙烷脫氫具有技術成熟、產(chǎn)品質量好、轉化率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點,越來越成為市場追逐的生產(chǎn)工藝。
丙烷脫氫制丙烯已經(jīng)逐漸成為主流的制備丙烯的工業(yè)生產(chǎn)方法,而且其市場占有率正在不斷增加。由于丙烷脫氫制丙烯反應原料單一,產(chǎn)物種類簡單,便于分離產(chǎn)物,產(chǎn)物產(chǎn)率較高。目前比較成熟的丙烷脫氫制丙烯生產(chǎn)工藝是UOP公司的Oleflex工藝、ABB Lummus公司的Catofin工藝,并且已經(jīng)有多套的工業(yè)應用,比如泰國、韓國和比利時等在90年代紛紛投產(chǎn),建立了自己的生產(chǎn)基地。
丙烷脫氫反應過程中會放出大量熱,升高反應溫度和降低分壓會促進反應進行,但是溫度太高會引起大量副反應,而且有很多有機副反應是不受到熱力學平衡的限制,所以經(jīng)過反復實驗,工業(yè)上生產(chǎn)的溫度一般控制在650℃以下,控制反應的絕對壓力可以稍微高于大氣壓或采取稀釋措施降低分壓,綜合以上所有因素,丙烷脫氫工藝單程轉化率在32%-55%之間。以下主要介紹兩種較為成熟的工藝。
1.O leflex工藝
Oleflex工藝是UOP公司發(fā)明的一項專利,反應條件:壓力大于0.1MPa、溫度580-650℃、使用鉑催化劑進行丙烷脫氫反應,并分離和精餾,得到聚合形態(tài)的丙烯。整個生產(chǎn)工藝分為三部分:反應,回收產(chǎn)物和催化劑再生。丙烯單程轉化率35%-40%,總收率為86%左右。整個反應能耗小,操作的復雜程度小。
2.Catofin工藝
美國公司ABB Lummus最先開發(fā)出了Catofin工藝,使用C3-C5烷烴為原料脫氫生產(chǎn)單烯烴,該技術分為4個部分:反應、壓縮、回收和精制。在該技術中,使用鉻-鋁催化劑,采用熱空氣循環(huán)方式將丙烷轉化為丙烯,設置了多個反應器,并且對催化劑實施了預熱措施。該工藝中使用的催化劑無需再生,丙烷單程轉化率約為45%,總轉化率大于85%,反應溫度控制在593-649℃,體系壓力為33.86-50.79 kPa。
兩種工藝大致是相同的,不同的部分在于脫氫和催化劑再生。
Oleflex工藝主要特點有:反應器是移動床,反應過程穩(wěn)定均勻,鉑催化劑活性高、活性時間持續(xù)較長還可以循環(huán)再生,機械強度好,在反應過程中產(chǎn)生了磨損較小。采用氫氣降低體系組分的分壓,這樣做的好處是可以抑制結焦,并且可以維持脫氫反應的溫度。為了達到最好的反應結果,UOP公司還專門為Oleflex工藝配套了專利的設備和系統(tǒng),處理原料的能力好,包括從氣田、煉廠或者乙烯裝置來的原料都可以進入反應器參與生產(chǎn)過程。但缺點是前期需要較高的技術投資,后期的生產(chǎn)中能耗較高,增加了生產(chǎn)的成本。
Catofin工藝主要特點有:采用較為廉價的鉻-鋁非貴金屬催化劑,降低了生產(chǎn)成本,催化劑有很好的選擇性并且不需要再生處理,采用循環(huán)多反應器系統(tǒng),可以容易地增加產(chǎn)能。此外,整個生產(chǎn)過程的條件易于控制,溫度和壓力都比較低,容易實現(xiàn),降低了能耗和成本。但缺點是反應器的數(shù)量比較多,在這個方面反而增加了能耗,升高了費用。
Oleflex工藝和Catofin工藝是目前最成熟的技術,所以建議從二者中選擇。在早些年較多使用Oleflex工藝用作丙烷脫氫制丙烯,而且是技術和設備一起購買,所以在投產(chǎn)的初期,資金投入非常高。最近幾年,Catofin工藝也在不斷加大推廣力度,所以對Oleflex工藝構成了一定的競爭力。從最早的丙烷脫氫裝置工業(yè)化到現(xiàn)在已有二十多年,兩種工藝催化劑已經(jīng)過多代更新,但工藝本身并沒有大的變化?,F(xiàn)在包括我國在內(nèi)的許多研究單位對丙烷的氧化脫氫及膜反應投入較多研究,其相對于催化脫氫具有投資和消耗低、丙烯收率高的優(yōu)點,但離工業(yè)應用尚有一定距離,引進技術商談時需考慮其可持續(xù)性有競爭力的技術支持。
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