摘要：目前全球丙烯及其衍生物需求量不断增长，为了满足对丙烯日益增长的需求，丙烷脱氢制丙烯技术越来越受到重视。本文介绍了各种丙烷脱氢工艺技术的现状，主要从工程的角度，对催化脱氢工艺从操作方式、供热方式、操作条件、反应器、催化剂以及能耗和固定投资等不同方面进行对比分析，指出了各种工艺的优点和不足，并提出了发展方向。
关键词：丙烷；丙烯；脱氢工艺技术
丙烯是一种重要的有机化工原料，用于生产聚丙烯、丙烯睛、丁醇、辛醇、环氧丙烷、异丙醇、丙苯、丙烯酸等产品[1]。目前，丙烯的供应主要来自石脑油裂解制乙烯和石油催化裂化过程的副产品，世界上有66%的丙烯来自烃类蒸汽裂解制乙烯装置，32%来自炼油厂催化裂化装置，少量由丙烷脱氢和其他的烯烃转化和裂化反应得到[2-3]。本文重点对各种丙烷脱氢制丙烯工艺从操作方式、供热方式、操作条件、反应器、催化剂以及能耗和固定投资等方面进行对比和评述。
目前已工业化的丙烷脱氢技术有UOP公司的Oleflex工艺、鲁姆斯公司的Catofin工艺、林德公司的Linde工艺、菲利浦石油公司的Star工艺、俄罗斯雅罗斯拉夫尔研究院与意大利Snamprogetti工程公司联合开发的FBD-3脱氢工艺[4，5]，下面将分别从不同角度对其进行对比介绍。
1 操作方式
丙烷催化脱氢各工艺按操作方式分为间歇式操作和连续式操作。其中，Oleflex和FBD-3工艺属于连续性工艺，Catofin、Linde和Star工艺属于间歇式生产工艺[6-9]。
连续式操作在反应性能上要比间歇式操作优越。连续式操作，无论是移动床还是流化床反应器，都能够保持反应均匀稳定，催化剂的活性和反应温度不随反应时间的推移而改变，可以通过连续补充催化剂的方式维持催化剂的稳定。从装置结构上，连续式操作只需要一些小型控制阀门安装在再生器管路上，减少了操作人员和维修人员的工作量。从安全角度上，间歇式操作需要周期性的反应器的切换，其装置设计的安全系数要求比较高。连续式操作也有其不可避免的缺点，如对催化剂的要求比较高，催化剂要有较强的抗烧结能力和抗磨损能力。
2 供热方式
这五种工艺的供热方式可分为内加热式和外加热式。Oleflex、Catofin和FBD-3工艺采用内加热式供热，而Star和Linde工艺则是采用外加热式供热。内加热过程中，无论是采用固定床还是移动床反应器，随着反应的进行，沿催化剂床层剖面，反应温度是不断下降的。而采用外加热方式，反应所需热量由安装在加热炉燃烧室顶板上烧嘴喷出燃烧气流提供。烧嘴的设计使热流在炉内的分布与反应器中进行的反应状况相匹配，保证了在靠近催化剂床层顶部，由于反应刚开始，反应物浓度高，反应进行得最快，提供的热量亦最多，而在催化剂床层出口处（反应管底部），反应几乎已进行完毕，烟气和管壁温度为最低。通过仔细设计管式炉，可使整个反应在很接近等温的条件下进行，从而大大改善了产品的选择性。
3 操作条件
操作条件主要是反应温度和压力。丙烷催化脱氢是强吸热反应，反应后体积增大。就温度而言，温度高反应的转化率就高，但是温度过高会导致反应物裂解和催化剂结焦严重，降低选择性和催化剂活性，所以，实际操作温度不能太高。因此，压力就成为起支配作用的操作参数。上述五种工艺中，只有Catofin工艺是采用负压操作的，其余四种都采用接近常压的条件下反应。Catofin工艺负压条件确实得到了接近60%的转化率，但这也使得下游产品的分离回收系统压缩机的压缩比增大，导致能量消耗增大。另外，各阀门的切换处在一种负压、高温的条件下，这就带来了安全隐患。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在正压条件下，虽然转化率不能那么高，但原料体积流率比较低，设备管线的尺寸也减少，从而节省了投资费用，减少了下游压缩机操作的压缩比，操作也比较安全。
4 反应器
Catofin、Linde和Star工艺采用固定床反应器，Oleflex工艺采用移动床反应器，FBD-3工艺采用流化床反应器。采用固定床反应器可以在接近等温的条件下运行，要求频繁切换，这就降低了热利用率又使系统复杂化。移动床反应器操作连续，负荷均匀，但温度难以控制，级间加热方式如果控制不好，对选择性影响很大。流化床反应器工艺连续，传热效率高，传热过程几乎瞬间完成，转化率稳定，能够稳定地控制好床层温度均匀，提高了选择性，存在的不足就是催化剂磨损大的问题。所以，在开发新工艺过程中，如果解决了催化剂磨损的问题，采用流化床反应器将是一个重点研究方向。
5 催化剂
丙烷催化脱氢催化剂分为铂系催化剂和铬系催化剂。Oleflex和Star工艺采用铂系催化剂，Catofin、Linde和FBD-3工艺采用铬系催化剂。由于各工艺的催化剂涉及到保密性信息，所查到的有关催化剂的信息尚不全面，但各工艺催化剂的寿命大都在两年左右，只是操作周期上有所不同。铂系催化剂具有高活性、高选择性、低磨损率的显著特点，但是价格昂贵，而且传统的负载型催化剂的制备方法很难使其性能稳定。铬系催化剂对低碳烷烃的脱氢具有良好的活性且对原料中杂质的要求比较低，有较强的抗中毒能力、抗烯烃、抗含氧化合物，价格便宜，且无催化剂损失。但此类催化剂易积碳失活，稳定性较差，而且由于重金属Cr污染环境，导致其使用受到限制。
6 能耗和固定投资
能耗方面，从供热方式上，内加热的能耗要低于外加热，另外，采用负压、间歇操作，多反应器轮换操作等都是很主要的耗能指标。投资方面，丙烷催化脱氢各工艺的投资是比较高的，由于工艺条件的不同，建设地点的不同都会给投资费用带来巨大的差别。
7结论
通过对比可以看出，每种工艺都有它的优缺点。工艺上，采用流化床反应器可以实现反应-再生的连续操作，并且反应温度均匀稳定，能耗低，投资少，且较安全。剩下的问题就是要采用合理的反应-再生系统和解决催化剂磨损的问题，该问题可以通过在催化剂制备过程中表面覆盖一层耐磨物质得到解决。在催化剂的选择上，铬系催化剂单程转化率高，虽然因为结焦存在失活快的缺点，但是据有关文献报道，在加入碱金属等助剂后，其稳定性显著提高。如果配以循环流化床反应器，控制好反应周期，使反应和再生分开进行从而实现连续生产，完全可以实现更好的工业化效果，再加上其在价格上的优势，铬系催化剂拥有更广阔的市场前景。
随着全球范围内对丙烯需求量的增长，开发新型丙烷脱氢技术，扩大生产规模迫在眉睫。但高额的产前费用严重阻碍了国内丙烷催化脱氢工业的发展，因此，开发出具有自主知识产权的生产工艺以及与之配套的高活性催化剂是当前丙烷脱氢制丙烯工作的重点。
参考文献：
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[6] 肖锦堂.烷烃催化脱氢生产C3―C4烯烃工艺（之一）[J].天然气工业，1994，14（2）：64-69
[7] 肖锦堂.烷烃催化脱氢生产C3―C4烯烃工艺（之二）[J].天然气工业，1994，14（3）：69-73
[8] 肖锦堂.烷烃催化脱氢生产C3―C4烯烃工艺（之三）[J].天然气工业，1994，14（4）：72-76
[9] 肖锦堂.烷烃催化脱氢生产C3―C4烯烃工艺（之四）[J].天然气工业，1994，14（6）：64-68
论文作者:李恒允,张坤鹏
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/7
标签：催化剂论文; 工艺论文; 丙烷论文; 反应器论文; 丙烯论文; 操作论文; 烷烃论文; 《建筑模拟》2018年第11期论文;