韋小雄* 茍文廣 錢寅國 陳環(huán)琴

（杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司）

0 引言

近年來，在丙烷脫氫（PDH）領(lǐng)域，國內(nèi)許多工廠選擇了UOP工藝，其中冷箱分離系統(tǒng)則是整個裝置中承上啟下的關(guān)鍵單元。冷箱分離系統(tǒng)中包括冷箱、液體產(chǎn)品泵、膨脹機等重要設(shè)備；冷箱中又包括了分離器、換熱器和塔器等。各個設(shè)備在冷箱分離系統(tǒng)中都起到了很重要的作用，而鋁制板翅式換熱器則是重中之重。國內(nèi)的學者們也對該領(lǐng)域冷箱分離系統(tǒng)進行了大量的研究和實踐工作[1-2]，從他們的研究結(jié)論中可以發(fā)現(xiàn)，板翅式換熱器的設(shè)計質(zhì)量直接決定了整個丙烷脫氫裝置的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益[3-4]。本文對冷箱分離系統(tǒng)板翅式換熱器多段式注入工藝進行了模擬，闡述了各個模型的優(yōu)、缺點，分析比較了多段注入工藝對換熱器設(shè)計參數(shù)的影響。

1 冷箱分離系統(tǒng)

UOP工藝中的冷箱分離系統(tǒng)在整個丙烷脫氫裝置中有兩個重要作用。首先是承接整個裝置的丙烷進料，丙烷在冷箱分離系統(tǒng)中與循環(huán)氫氣混合，混合氣可作為下游反應(yīng)器的進料介質(zhì)，該聯(lián)合進料在反應(yīng)器中進行催化反應(yīng)生成丙烯。其次，冷箱分離系統(tǒng)接收所有從反應(yīng)器出來的產(chǎn)物（即反應(yīng)產(chǎn)物），利用丙烷進料與循環(huán)氫氣混合給反應(yīng)產(chǎn)物提供的冷量，并且讓反應(yīng)產(chǎn)物降到足夠低的溫度，從而液化其中的烯烴。由此可見，丙烷進料和循環(huán)氫氣的混合過程是冷箱分離系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵工藝，而兩者是在板翅式換熱器中進行混合的，其混合方式就是板翅式換熱器設(shè)計的核心工藝。

2 多段注入工藝

針對多段注入工藝建立了五種不同方式的丙烷進料和循環(huán)氫氣混合工藝流程。

第一種是冷箱分離系統(tǒng)換熱器一段注入混合工藝流程。丙烷進料經(jīng)過板翅式換熱器冷卻到-90 ℃后，節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，如圖1所示。

圖1 一段注入工藝流程

第二種是冷箱分離系統(tǒng)換熱器二段注入混合工藝流程。丙烷進料經(jīng)過板翅式換熱器冷卻到-60 ℃后分成兩股。一股丙烷進料A從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，另一股丙烷進料B再進一步冷卻到-90 ℃后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，如圖2所示。

圖2 二段注入工藝流程

第三種是冷箱分離系統(tǒng)換熱器三段注入混合工藝流程。丙烷進料經(jīng)過板翅式換熱器冷卻到-30 ℃后分成兩股。一股丙烷進料A從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，另一股丙烷進料B再進一步冷卻到-60 ℃后再分成兩股。另一股丙烷進料C從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，另一股丙烷進料D再進一步冷卻到-90 ℃節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，如圖3所示。

圖3 三段注入工藝流程

第四種是冷箱分離系統(tǒng)換熱器四段注入混合工藝流程。丙烷進料經(jīng)過板翅式換熱器冷卻到0 ℃后分成兩股。一股丙烷進料A從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，另一股丙烷進料B再進一步冷卻到-30 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料C從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，一股丙烷進料D再進一步冷卻到-60 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料E從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，一股丙烷進料F再進一步冷卻到-90 ℃，節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，如圖4所示。

圖4 四段注入工藝流程

第五種是冷箱分離系統(tǒng)換熱器五段注入混合工藝流程。丙烷進料經(jīng)過板翅式換熱器冷卻到30 ℃后分成兩股。一股丙烷進料A從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，另一股丙烷進料B再進一步冷卻到0 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料C從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，另一股丙烷進料D再進一步冷卻到-30 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料E從換熱器中抽出后節(jié)流降壓，并注入聯(lián)合進料通道，另一股丙烷進料F再進一步冷卻到-60 ℃后再分成兩股。一股丙烷進料G從換熱器中抽出后節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，一股丙烷進料H再進一步冷卻到-90 ℃節(jié)流降壓注入聯(lián)合進料通道，如圖5所示。

圖5 五段注入工藝流程

3 分析比較

根據(jù)以上5種冷箱分離系統(tǒng)流程，以60萬t/a丙烷脫氫裝置的參數(shù)為例，兩個進料（反應(yīng)產(chǎn)物和丙烷進料）入口條件一致的情況下使用工藝模擬軟件HYSYS進行建模，分析主換熱器設(shè)計參數(shù)（對數(shù)平均溫差，最小溫差，熱負荷，UA值）的變化情況。UA值為換熱器的總傳熱系數(shù)U和換熱面積A的乘積。

主換熱器對數(shù)平均溫差LMTD和最小溫差的對比情況如圖6和圖7所示。

圖6 對數(shù)平均溫差對比圖（單位：℃）

圖7 最小溫差對比圖（單位：℃）

從圖6和圖7可以看出，一段模型中主換熱器的對數(shù)平均溫差和最小溫差數(shù)值是其中最小的，隨著注入段數(shù)增加，在二段、三段注入模型中兩個參數(shù)的數(shù)值逐步變大。然而，到了四段、五段注入模型時，其對數(shù)平均溫差開始變小，最小溫差數(shù)值不變。

對數(shù)平均溫差和最小溫差是主換熱器設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，對數(shù)平均溫差越小，需要的換熱面積越大，換熱器的設(shè)備尺寸就越大，最小溫差數(shù)值越小換熱器越容易出現(xiàn)溫度交叉的現(xiàn)象（板翅式換熱器設(shè)計中通常選擇最小溫差≥3 ℃）。分析后可知，三段注入模型中主換熱器的兩個參數(shù)最佳。

主換熱器熱負荷的對比如圖8所示。隨著主換熱器分段注入的級數(shù)越多，換熱器的熱負荷越小。丙烷進料在一段注入模型中全部冷卻至-90 ℃，其熱負荷必然是最大的；而丙烷進料二段注入模型是當冷卻至-60 ℃時抽出一部分丙烷進料，另一部分繼續(xù)冷卻；同樣三段注入模型是在-30 ℃和-60 ℃時分別抽出兩股丙烷進料；而四段注入模型則是在0 ℃，-30 ℃和-60 ℃時分別抽出3股丙烷進料；五段注入模型是在30 ℃，0 ℃，-30 ℃和-60 ℃時分別抽出4股丙烷進料。因此，主換熱器的熱負荷隨著丙烷進料分段數(shù)量增加而變小，但到了五段模型時熱負荷減小的趨勢已經(jīng)不顯著了。

圖8 熱負荷對比圖

換熱器的UA值是直接體現(xiàn)換熱面積的重要參數(shù)，在換熱系數(shù)相同的情況下，UA值越大換熱器設(shè)計時需要的換熱面積也就越多。從圖9中可知，四段注入模型UA數(shù)值最小，而三段注入模型中UA值也只比四段注入模型的數(shù)值大2%左右，到了五段注入模型UA值反而比四段模型增大了約10%。因此從圖9可以看出，三段、四段注入模型為優(yōu)選模型。

圖9 UA值對比圖

4 結(jié)論

冷箱分離系統(tǒng)在UOP工藝的丙烷脫氫裝置到工藝要求的重要因素就是主換熱器應(yīng)選擇合適的丙烷進料注入工藝。多段注入工藝是有利于主換熱器設(shè)計的工藝，且更有利于冷箱分離系統(tǒng)達到整個丙烷脫氫裝置的工藝目標。分析比較后可以得出以下結(jié)論：

（1） 一段和二段注入模型的熱負荷和UA值都比較大，并不利于冷箱分離系統(tǒng)及主換熱器的設(shè)計。

（2） 三段和四段注入模型中的熱負荷和UA值相差不大，有利于冷箱分離系統(tǒng)及主換熱器的設(shè)計。

（3） 五段注入模型雖然熱負荷最小，但溫差參數(shù)開始變小，所以其UA值比三段和四段模型都大，也不利于冷箱分離系統(tǒng)及主換熱器的設(shè)計。

綜上所述，三段和四段注入是多段注入工藝中最能體現(xiàn)換熱器設(shè)計優(yōu)勢的工藝，在冷箱分離系統(tǒng)中三段和四段注入工藝應(yīng)為優(yōu)先選擇的工藝流程。