丙烷脱氢制丙烯技术特点及经济性对比分析_罗凯.pdf

第 52 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.2 2023 年 2 月 Liaoning Chemical Industry February，2023 收稿日期收稿日期：2022-04-28 作者简介作者简介：罗凯（1986-），男，辽宁省锦州市人，工程师，硕士学位，2012 年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：港口油气储运项目及临港石化产业研究开发。丙烷脱氢制丙烯技术特点 及经济性对比分析 罗凯，袁艺（锦州港股份有限公司，辽宁 锦州 121000）摘 要：丙烷脱氢制丙烯技术工艺流程短，装置操作简单，投资及运营成本较低，已成为行业的重要研究对象，其中 Oleflex、Catofin 和 K-PRO工艺技术优势明显。首先对 3 种工艺进行了介绍，进而对比分析了 3 种工艺的技术特点和经济性，并结合分析得出结论，提出投资建议。关 键 词：丙烷脱氢；丙烯；技术特点；经济分析 中图分类号：TQ222.2+4 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）02-0223-04 丙烯是仅次于乙烯的重要有机化工原料，是生产聚丙烯、环氧丙烷、丙烯酸、丙烯腈、丁醇等下游产品的主要原料1。随着国内相关化工产业的迅速发展，化工行业对丙烯的需求量逐年上升，丙烯的生产技术已成为行业的重要研究对象。目前，生产丙烯的技术主要有蒸汽裂解制烯烃、催化裂化制烯烃、煤制烯烃、甲醇制丙烯、丙烷脱氢制丙烯等。丙烷脱氢工艺以丙烷为原料，在催化剂作用下脱氢生成聚合级丙烯产品，相比其他制丙烯工艺，因具有以下优势而受到了业界的广泛关注，一是丙烷在 600 左右的条件下经催化脱氢得到丙烯，该技术的特点是单一原料生产单一产品（主要是丙烯），跟传统的炼厂副产和蒸汽裂解工艺相比，工艺流程较短，装置简单，投资和运营成本较低；二是跟煤制烯烃相比，丙烷脱氢的投资低，能耗低，对环境相对友好；三是丙烷脱氢可以将低价值的丙烷转化为高价值的丙烯，并充分利用项目富余原料延伸产业链，生产多元化产品，提高产品附加值，延长增值链。目前，全世界范围内有 6 种丙烷脱氢技术，分别是 UOP 公司的 Oleflex 技术、LUMMUS 公司的Catofin 技术、KBR 公司的 K-PRO技术、Uhde 公司的 STAR 技术、Linde 公司的 PDH 技术和Snamproggetti-Yarsintez 公司的 FBD-3 技术2。根据目前在全球及国内的技术转让、应用以及装置投资等综合情况来看，UOP 公司的 Oleflex、LUMMUS公司的Catofin和 KBR公司的 K-PRO技术比较有优势，本文主要对这 3 种工艺的技术特点和经济性进行对比分析，为此类项目建设提供参考和建议。1 丙烷脱氢工艺简介 1.1 UOP 公司的 Oleflex 技术 UOP 公司的 Oleflex 催化脱氢工艺利用丙烷为原料，采用移动床反应器，催化剂为氧化铝基铂，通过催化剂连续再生系统保持催化剂活性，反应压力控制在 0.10.3 MPa，反应温度控制在 525 700 范围3。该反应为强吸热反应，因此设置进料加热器，并在移动床之间设有加热器，用于进料加热及维持反应器所需温度4。该工艺由反应区、催化剂连续再生区、产品压缩区和精馏区组成，其主要工艺流程为：反应出口的物料首先进行压缩干燥，之后进入低温系统分离出氢，烯烃产物则通过选择加氢单元去除二烯烃，之后脱除轻组分进入丙烯精馏塔，未发生反应的丙烷返回至脱丙烷塔，与新鲜丙烷和循环氢气一起进入反应器5。该工艺的丙烷单程转化率在 35%左右，生产 1 kg 丙烯大约需要消耗丙烷 1.22 kg。1.2 LUMMUS 公司的 Catofin 技术 Catofin 工艺是 LUMMUS 公司开发的 C3C5烷烃脱氢生产单烯烃技术6。该工艺采用固定床反应器，反应为吸热反应，通过多个并联反应器顺控操 作。使用 铬-铝 催 化 剂，反应 压 力 控制在 0.020.05 MPa，反应温度控制在 530620 范围。其工艺分为 4 个工序：丙烷脱氢制丙烯、产品气压缩、丙烷和丙烯的分离回收、产品的精制提纯7。该工艺的丙烷单程转化率在 40%左右，生产 1 kg 丙烯产品大约需要消耗丙烷 1.18 kg。DOI:10.14029/ki.issn1004-0935.2023.02.030224 辽 宁 化 工 2023年2月 1.3 KBR 公司的 K-PRO技术 KBR 公司于 2019 年 1 月推出的 K-PRO丙烷脱氢（PDH）技术是KBR基于炼油厂催化裂化（FCC）和催化转化烯烃技术（K-COT）领域 70 多年技术开发和许可经验。K-PRO丙烷脱氢技术采用了KBR 的 Orthoflow流化催化裂化（FCC）转换器技术，同时还利用了 KBR 在数十年的 SCORE蒸汽裂解和 K-COT 催化烯烃技术。该工艺采用流化床反应器，催化剂为二氧化钛、氧化锌、氧化锆，反应压力控制在 0.15 MPa 左右，反应温度控制在600625 条件下。该工艺的丙烷单程转化率在45%左右，生产1 kg丙烯大约需要消耗丙烷 1.20 kg。2 技术特点对比分析 2.1 Oleflex 工艺特点 Oleflex 工艺的优点是使用多个串联移动床反应器使得脱氢转化最优且均匀稳定，催化剂可连续再生，以氢气为稀释剂，通过氢的再循环抑制结焦，保持催化剂活性，类似炼厂的连续重整装置。为了增强竞争力，UOP 公司近些年对催化剂和工艺进行了多次改进，已有 DeH-8、DeH-10、DeH-12、DeH-14、DeH-16 五代工业化催化剂8，其中最新的DeH-16 催化剂使用寿命在 4 年左右，铂含量也大幅降低，并有效保障产量的稳定性。其缺点是使用了贵金属催化剂，对原料要求苛刻。另外，反应器在运行时容易结焦，装置运行稳定性低于 Catofin 工艺，且能耗相对较大9。2.2 Catofin 工艺特点 Catofin 工艺的优点是采用多个并联固定床反应器进行周期切换，以保证生产的连续性10，周期切换由计时仪表设定液压制动阀门的动作，设有联锁系统确保阀门安全操作，防止烃类和空气接触。其催化剂为非贵金属，对原料杂质要求低，能够承受原料中含有一定 C4以上重组分，并对含氯、含氮、含硫化合物有较好的承受能力，使用寿命在 4 年左右。催化剂不需要移出，从而使得操作简单、可靠，运行周期相对较长。此外，Catofin 工艺没有氢的再循环，使得能耗成本较低。低温回收区、产品精制、制冷系统设计特征为：丙烯机和乙烯机构成复迭式制冷系统，高效冷箱设计最大限度地压缩设备数和所需的制冷压缩功率，采用低压脱乙烷塔不再设置进料泵。其缺点是反应器台数多，占地面积大。2.3 K-PRO工艺特点 K-PRO工艺技术的主要特点是采用同轴式流化床反应器，催化剂连续再生，且不含贵金属（如铂）及有害金属（如铬），无移动床或切换反应器，操作稳定性好，系统内优化热平衡。K-PRO工艺没有氢的再循环，使得设备尺寸减小，能耗成本降低。低温回收区、产品精制、制冷系统设计特征为：丙烯机和乙烯机构成复迭式制冷系统，高效冷箱设计最大限度地压缩设备数和所需的制冷压缩功率。以上 3 种丙烷脱氢技术特点对比情况见表 1。表 1 3 种丙烷脱氢技术特点对比表 项目 Oleflex Catofin K-PRO 反应器形式 移动床 固定床 同轴式流化床 反应器结构 绝热 绝热 绝热 反应器台数 4 8 1 反应温度/525700 530620 600625 反应压力/MPa 0.10.3 0.020.05 0.15 选择性/%87 88 8790 转化率/%35 40 45 单耗 1.22 1.18 1.20 催化剂 Pt/Al2O3 Cr2O3/Al2O3 Ti02/ZnO/ZrO2 催化剂寿命/年 4 4-再生方式 连续再生 间歇 连续再生 稀释 H2 未稀释 未稀释 已投产装置 多套 多套-3 经济性对比分析 3.1 业绩方面 Oleflex 和 Catofin 技术均是在 PDH 领域发展了30 余年的成熟技术，各有优劣，难分伯仲。Oleflex工艺是 20 世纪 80 年代开发的，1990 年首先在泰国建成投产了一套 10 万 ta-1工业化丙烷脱氢装置。Catofin 工艺首套工业装置于 1991 年在比利时建成投产，丙烯生产能力 25 万 ta-1。目前，这两种技术最大的单套能力均是 75 万 ta-1。在国内，这两大技术的典型代表为天津渤化 60 万 ta-1和万华化学 75 万 ta-1 PDH 项目，这两家装置运行稳定，均未发生非计划停车事故。K-PRO技术在全球范围内尚无应用，该技术第一份商业合同将应用于亚洲一套60 万 ta-1丙烷脱氢装置，计划 2023 年启动11。3.2 投资方面 Oleflex 工艺反应装置较少，占地面积相对较小，但由于需要大量的高压蒸汽，因此在公用工程方面的投资较高；Catofin 工艺反应装置多，且固定床反应器规格较大，因此在用地面积及固定投资方面会有所增加；K-PRO工艺无移动床或切换反应器，占地面积小，固定投资低于以上两种工艺。以规模为 60 万第 52 卷第 2 期 罗凯，等：丙烷脱氢制丙烯技术特点及经济性对比分析 225 ta-1的丙烷脱氢装置为例，Oleflex 和 Catofin 工艺总体投资相差不大，投资估算在 30 亿元左右12，K-PRO工艺投资估算在 20 亿元左右。上述投资估算根据项目所在地土地价格和建材价格即时波动。3.3 物料及催化剂方面 原料单耗方面：Oleflex 技术生产 1 t 丙烯需要消耗丙烷原料 1.22 t，Catofin 技术生产 1 t 丙烯需要消耗丙烷原料 1.18 t，K-PRO技术生产 1 t 丙烯需要消耗丙烷原料 1.20 t，三者丙烷单耗量相差不大，均在 1.20 上下。催化剂方面：Oleflex 工艺催化剂为贵金属，可连续再生，催化剂对进料的杂质率要求较高，使用寿命在 4 年左右，平均催化剂费用为每吨丙烯 150 元；Catofin 工艺的催化剂为非贵金属，催化剂费用相对较低，能够承受硫、氮等杂质13，反应生成的重烃在催化剂上沉积并结焦，通过烧焦再生保持催化剂活性，使用寿命在 4 年左右，平均催化剂费用为每吨丙烯 100 元；K-PRO技术是一种创新的催化剂，不含贵金属（如铂）或有害金属（如铬），连续再生，高活性和稳定的催化剂以及最佳的反应温度、压力和停留时间可带来更高的转化率和选择性，与上述两种技术相比，环境也更加友好。3.4 运营维护方面 在项目运营维护方面，项目建设初期并不明显，一般在项目运行 23 年之后，关键配件需要更换维修，如 Oleflex 工艺反应丝网的维修清焦、Catofin工艺阀门更换备件等费用将逐步增加。通常，项目每年维修养护费用不会低于 1 000 万元。企业在项目筹建过程中，应充分考虑到后续项目运营维护这部分隐性成本费用。4 结论及建议 Oleflex 属于移动床技术，反应器为 4 台装置串联，占地面积较小，催化剂始终保持较好的活性状态，反应器结焦是操作运行中面临的较大限制；Catofin属于固定床技术，反应装置多，占地面积较大，其操作简单稳定，运行周期长，但随着装置的运行催化剂活性逐步降低；K-PRO属于流化床技术，无移动床或切换反应器，占地面积小，催化剂连续再生，操作较为繁琐，投资成本低于以上两种工艺。基于以上特点，建议项目尽可能进行规模化建设和规划，通过规模优势降低单位产品能耗。同时，建议充分利用丙烯、氢气等作为原料持续延伸产业链，生产多元化产品，如环氧丙烷、丙烯酸、丁辛醇、聚丙烯酸酯、己二腈、己内酰胺、可降解塑料 PBAT 和 PBS、合成氨及氢燃料等产品，走精细化工路线，提高产品附加值，形成产业集聚，以实现项目效益的最大化。企业在技术的选择过程中还应权衡考虑全厂工艺流程、用地余量、公用工程配套条件以及项目所在地电力、燃料成本等因素，再做选择。此外，丙烷脱氢相比其他类型生产工艺的竞争力主要在于原料丙烷与产