冷箱分离系统换热器多段注入工艺分析

韦小雄* 苟文广 钱寅国 陈环琴

（杭州中泰深冷技术股份有限公司）

0 引言

近年来，在丙烷脱氢（PDH）领域，国内许多工厂选择了UOP工艺，其中冷箱分离系统则是整个装置中承上启下的关键单元。冷箱分离系统中包括冷箱、液体产品泵、膨胀机等重要设备；冷箱中又包括了分离器、换热器和塔器等。各个设备在冷箱分离系统中都起到了很重要的作用，而铝制板翅式换热器则是重中之重。国内的学者们也对该领域冷箱分离系统进行了大量的研究和实践工作[1-2]，从他们的研究结论中可以发现，板翅式换热器的设计质量直接决定了整个丙烷脱氢装置的产量和经济效益[3-4]。本文对冷箱分离系统板翅式换热器多段式注入工艺进行了模拟，阐述了各个模型的优、缺点，分析比较了多段注入工艺对换热器设计参数的影响。

1 冷箱分离系统

UOP工艺中的冷箱分离系统在整个丙烷脱氢装置中有两个重要作用。首先是承接整个装置的丙烷进料，丙烷在冷箱分离系统中与循环氢气混合，混合气可作为下游反应器的进料介质，该联合进料在反应器中进行催化反应生成丙烯。其次，冷箱分离系统接收所有从反应器出来的产物（即反应产物），利用丙烷进料与循环氢气混合给反应产物提供的冷量，并且让反应产物降到足够低的温度，从而液化其中的烯烃。由此可见，丙烷进料和循环氢气的混合过程是冷箱分离系统设计的关键工艺，而两者是在板翅式换热器中进行混合的，其混合方式就是板翅式换热器设计的核心工艺。

2 多段注入工艺

针对多段注入工艺建立了五种不同方式的丙烷进料和循环氢气混合工艺流程。

第一种是冷箱分离系统换热器一段注入混合工艺流程。丙烷进料经过板翅式换热器冷却到-90 ℃后，节流降压注入联合进料通道，如图1所示。

图1 一段注入工艺流程

第二种是冷箱分离系统换热器二段注入混合工艺流程。丙烷进料经过板翅式换热器冷却到-60 ℃后分成两股。一股丙烷进料A从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，另一股丙烷进料B再进一步冷却到-90 ℃后节流降压注入联合进料通道，如图2所示。

图2 二段注入工艺流程

第三种是冷箱分离系统换热器三段注入混合工艺流程。丙烷进料经过板翅式换热器冷却到-30 ℃后分成两股。一股丙烷进料A从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，另一股丙烷进料B再进一步冷却到-60 ℃后再分成两股。另一股丙烷进料C从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，另一股丙烷进料D再进一步冷却到-90 ℃节流降压注入联合进料通道，如图3所示。

图3 三段注入工艺流程

第四种是冷箱分离系统换热器四段注入混合工艺流程。丙烷进料经过板翅式换热器冷却到0 ℃后分成两股。一股丙烷进料A从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，另一股丙烷进料B再进一步冷却到-30 ℃后再分成两股。一股丙烷进料C从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，一股丙烷进料D再进一步冷却到-60 ℃后再分成两股。一股丙烷进料E从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，一股丙烷进料F再进一步冷却到-90 ℃，节流降压注入联合进料通道，如图4所示。

图4 四段注入工艺流程

第五种是冷箱分离系统换热器五段注入混合工艺流程。丙烷进料经过板翅式换热器冷却到30 ℃后分成两股。一股丙烷进料A从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，另一股丙烷进料B再进一步冷却到0 ℃后再分成两股。一股丙烷进料C从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，另一股丙烷进料D再进一步冷却到-30 ℃后再分成两股。一股丙烷进料E从换热器中抽出后节流降压，并注入联合进料通道，另一股丙烷进料F再进一步冷却到-60 ℃后再分成两股。一股丙烷进料G从换热器中抽出后节流降压注入联合进料通道，一股丙烷进料H再进一步冷却到-90 ℃节流降压注入联合进料通道，如图5所示。

图5 五段注入工艺流程

3 分析比较

根据以上5种冷箱分离系统流程，以60万t/a丙烷脱氢装置的参数为例，两个进料（反应产物和丙烷进料）入口条件一致的情况下使用工艺模拟软件HYSYS进行建模，分析主换热器设计参数（对数平均温差，最小温差，热负荷，UA值）的变化情况。UA值为换热器的总传热系数U和换热面积A的乘积。

主换热器对数平均温差LMTD和最小温差的对比情况如图6和图7所示。

图6 对数平均温差对比图（单位：℃）

图7 最小温差对比图（单位：℃）

从图6和图7可以看出，一段模型中主换热器的对数平均温差和最小温差数值是其中最小的，随着注入段数增加，在二段、三段注入模型中两个参数的数值逐步变大。然而，到了四段、五段注入模型时，其对数平均温差开始变小，最小温差数值不变。

对数平均温差和最小温差是主换热器设计的关键参数，对数平均温差越小，需要的换热面积越大，换热器的设备尺寸就越大，最小温差数值越小换热器越容易出现温度交叉的现象（板翅式换热器设计中通常选择最小温差≥3 ℃）。分析后可知，三段注入模型中主换热器的两个参数最佳。

主换热器热负荷的对比如图8所示。随着主换热器分段注入的级数越多，换热器的热负荷越小。丙烷进料在一段注入模型中全部冷却至-90 ℃，其热负荷必然是最大的；而丙烷进料二段注入模型是当冷却至-60 ℃时抽出一部分丙烷进料，另一部分继续冷却；同样三段注入模型是在-30 ℃和-60 ℃时分别抽出两股丙烷进料；而四段注入模型则是在0 ℃，-30 ℃和-60 ℃时分别抽出3股丙烷进料；五段注入模型是在30 ℃，0 ℃，-30 ℃和-60 ℃时分别抽出4股丙烷进料。因此，主换热器的热负荷随着丙烷进料分段数量增加而变小，但到了五段模型时热负荷减小的趋势已经不显著了。

图8 热负荷对比图

换热器的UA值是直接体现换热面积的重要参数，在换热系数相同的情况下，UA值越大换热器设计时需要的换热面积也就越多。从图9中可知，四段注入模型UA数值最小，而三段注入模型中UA值也只比四段注入模型的数值大2%左右，到了五段注入模型UA值反而比四段模型增大了约10%。因此从图9可以看出，三段、四段注入模型为优选模型。

图9 UA值对比图

4 结论

冷箱分离系统在UOP工艺的丙烷脱氢装置到工艺要求的重要因素就是主换热器应选择合适的丙烷进料注入工艺。多段注入工艺是有利于主换热器设计的工艺，且更有利于冷箱分离系统达到整个丙烷脱氢装置的工艺目标。分析比较后可以得出以下结论：

（1） 一段和二段注入模型的热负荷和UA值都比较大，并不利于冷箱分离系统及主换热器的设计。

（2） 三段和四段注入模型中的热负荷和UA值相差不大，有利于冷箱分离系统及主换热器的设计。

（3） 五段注入模型虽然热负荷最小，但温差参数开始变小，所以其UA值比三段和四段模型都大，也不利于冷箱分离系统及主换热器的设计。

综上所述，三段和四段注入是多段注入工艺中最能体现换热器设计优势的工艺，在冷箱分离系统中三段和四段注入工艺应为优先选择的工艺流程。