现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (7) : 233-239. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.07.040

工业技术

蒸气透平驱动的丙烯热泵精馏系统优化

陈心浩 ¹ ,
宋慧慧 ¹ ,
岳金彩 ¹^,^* ,
李刚 ²

作者信息 +

Optimization of steam turbine-driven propylene heat pump distillation system

CHEN Xin-hao ¹ ,
SONG Hui-hui ¹ ,
YUE Jin-cai ¹^,^* ,
LI Gang ²

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2025-10-21		2026-07-20
Issue Date	Revised Date
2026-07-10	2025-10-21

PDF (2458K)

摘要

为了节能某丙烷脱氢(PDH)装置的丙烯-丙烷分离塔采用了热泵精馏工艺,使用二级抽汽凝汽式透平驱动热泵,透平进口蒸气压力为9.9 MPa,抽取部分4.1 MPa蒸气,其余蒸气做功后冷凝回收冷凝水,冷凝压力为0.013 3 MPa,运行过程中存在蒸气费用高的问题。采用Aspen Plus建立了热泵精馏工艺模型,系统考察了塔板数、回流比以及进料位置等关键操作参数对再沸器热负荷的影响,确定了最优工艺条件,并给出了热泵驱动系统的年总操作成本(AOC)。以AOC为评价指标,针对热泵系统的驱动单元提出了3种不同的优化方案,并与当前工艺进行对比分析。结果表明,抽取25 t/h的4.1 MPa蒸气、排出 1.1 MPa蒸气的抽汽背压式透平方案具有最佳经济性,可使AOC降低至9 955万元/a,相较于现装置抽汽凝汽式透平节省 7 397万元/a,降幅达42.6%,为PDH装置节能降耗与增效运行改造提供依据。

Abstract

To improve the energy efficiency of the propylene-propane separation column in a propane dehydrogenation (PDH) unit,a heat pump distillation process is employed.This process employs a two-stage extraction condensing turbine to drive the heat pump,with turbine inlet steam pressure at 9.9 MPa.Steam at 4.1 MPa is extracted,while the remaining steam is condensed after performing work,with condensate recovered at a condensing pressure of 0.013 3 MPa.However,the operation suffers from high steam costs.A heat pump distillation process model was established using Aspen Plus.The study systematically examined the influence of key operating parameters—including number of trays,reflux ratio,and feed position—on the reboiler heat load.Optimal process conditions were determined,and the annual operating cost (AOC) for the existing plant’s heat pump drive system was provided.Using AOC as the evaluation criterion,three optimization schemes for the drive unit of the heat pump system were proposed and compared with the current process.Results indicate that the extraction back-pressure turbine scheme,extracting 25 t/h of 4.1 MPa steam and exhausting at 1.1 MPa,delivers the best economic performance.This configuration reduces the AOC to 99.55 million CNY/year,saving of 73.97 million CNY/year compared to the existing extraction-condensing turbine,corresponding to a reduction of 42.6%,providing a basis for energy conservation,consumption reduction,and enhanced operational efficiency upgrades within the PDH facility.

Graphical abstract

关键词

丙烯-丙烷分离 / 热泵精馏 / 蒸气透平 / 过程优化 / 节能

Key words

propylene-propane separation / heat pump distillation / steam turbine / process optimization / energy conservation

引用本文

引用格式 ▾

陈心浩,宋慧慧,岳金彩,李刚. 蒸气透平驱动的丙烯热泵精馏系统优化[J]. 现代化工, 2026, 46(7): 233-239 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.07.040

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

丙烯作为一种基础化学工业原料,应用极为广泛,是生产聚丙烯、环氧丙烷、丙烯腈、丙烯醛、苯酚、丁辛醇、丙酮和各种高价值化学品、中间体的基本原料^[1-2]。2016—2020年,全球丙烯新增产能近2 500万t/a,较2011—2015年新增产能近40%;2021—023年新增产能超1 900万t/a,全球丙烯产能扩张规模空前^[3]。丙烯主要有石油蒸气裂化、重质油催化裂化(FCC)、甲醇制丙烯(MTP)和丙烷脱氢(PDH)等生产工艺^[4-6]。其中,丙烷脱氢工艺(PDH)以低成本、高效性和对丙烯的高选择性脱颖而出。据统计,目前全球约有27%的丙烯来自PDH工艺^[7-9]。

当今PDH工艺产业化的主要有Oleflex和Catofin 2大技术路线,某工厂PDH装置采用的是UOP公司的Oleflex工艺,该工艺采用移动床反应器与催化剂连续再生技术^[10]。无论采用哪种PDH工艺,丙烯-丙烷分离都是不可避免的重要环节,丙烷、丙烯物理性质相似,常温常压下它们的沸点分别为 -47.6、-42.1℃,相对挥发度很小,采用传统精馏方式回流比大,能耗成本难以承受,普遍采用热泵技术降低能耗。

关于热泵精馏工艺的研究甚多,Abolghasem等^[11]提出底部闪蒸热泵精馏工艺,并应用在异丁烷/正丁烷分离领域,实现了年总成本节约达19.0%的显著效果。Li等^[12]构建了一种包含5种常见热泵配置的热泵超结构(HPS)方法。Gao等^[13]提出了一种结合机械蒸气再压缩热泵(MVRHP)与双效蒸馏(MED)的耦合分离系统,比常规精馏降低了47.76%的TAC。这些成果表明,热泵精馏技术在节能降耗方面具有巨大潜力,热泵精馏在丙烯-丙烷分离体系中的研究也很多,李金弢^[14]研究发现在丙烯-丙烷分离体系中热泵精馏相比于常规精馏能节省能耗34.1%。赵建章等^[15]研究了7种不同压力下A型热泵精馏的稳态模拟。高桐^[16]对3种不同的蒸气加压式热泵精馏方式进行模拟研究,发现采用塔釜液体闪蒸再沸式热泵精馏的节能效率最高。然而,当前研究多集中于热泵循环本身与精馏塔的集成优化,对热泵驱动单元的能耗特性与系统整合研究仍相对薄弱。方智聪等^[17]提出了汽电动力混合热泵系统可有效节约能源,但商业化难度较高。基于此,以某工厂PDH装置中丙烯-丙烷分离系统为研究对象,依托Aspen Plus软件建立热泵精馏流程模型,对丙烯-丙烷分离塔的关键操作参数进行优化。在此基础上将优化重点扩展至热泵的驱动侧蒸气透平系统,以年度操作成本(AOC)为综合评价指标,将不同透平驱动方案与现装置实际AOC进行对比分析得出最佳方案,为装置节能改造提供参考。

1 丙烷脱氢制丙烯Oleflex工艺简介

1.1 化学反应

丙烷脱氢主反应如式(1)所示,丙烷脱氢生成丙烯,高度吸热的同时伴随着体积膨胀。Oleflex工艺采用移动床反应器和催化剂连续再生技术,催化剂持续在反应器和再生器之间缓慢流动,采用相对较低的操作温度抑制裂解、聚合及深度脱氢结焦等副反应,具有操作平稳、催化剂失活慢、丙烯选择性高等优点。尽管选择性较高,但仍有少量的脱氢反应生成丙二烯或丙炔,裂解反应生成甲烷、乙烷、乙烯,聚合反应生成重组分,丙烯选择性大约为85%。高选择性的同时必然伴随着低单程转化率,约为34%,反应器出口物流含有大量未反应的丙烷,高效分离以实现丙烯提纯和丙烷循环成为丙烷脱氢装置中重要工序,对于提升PDH的整体能效至关重要^[18]。

(1)

1.2 丙烯-丙烷热泵精馏分离工艺

某工厂丙烷脱氢装置原料为外购丙烷,设计开工时数8 000 h,年产75万t丙烯产品。由储藏库来的丙烷原料经过预处理、选择性加氢、脱重塔脱除重组分后,经脱氢工序、脱乙烷工序进入核心产品精制单元丙烯-丙烷分离塔。如图1所示,丙烷丙烯分离采用的是塔顶直接压缩式热泵精馏工艺,主要由丙烯-丙烷分离塔(P-P塔)、热泵压缩机入口罐(Drum)、热泵压缩机(Comp)3部分构成。P-P塔设置185层实际塔盘,待分离物料与P-P塔塔底物料换热后由127层塔盘进料。Comp由抽汽凝汽式透平(extraction condension steam turbine,ECST)驱动。P-P塔的塔顶气相丙烯进入Drum,经过Comp一段压缩,一路送至P-P塔塔底作为再沸器热源,释放潜热冷凝后回流至P-P塔塔顶;另一路经二段压缩后为脱重塔塔底再沸提供热量,实现能量的系统集成(图1中再沸器简化为E3),冷凝后返回Drum罐。罐中的液体一路回流至P-P塔,一路作为产品输出。

1.3 热泵驱动侧抽汽凝汽式透平系统

图2为图1中所示的抽汽凝汽式透平(ECST)的具体工艺流程,该透平以9.9 MPa高压蒸气S98作为驱动动力源,在B1高压缸膨胀做功后从中段抽出流量为67.7 t/h的4.1 MPa蒸气S40,供本装置使用25 t/h,余量42.7 t/h送至园区管网外售。其余61.2 t/h蒸气在B2低压缸继续做功,排出压力为0.013 3 MPa的负压乏汽进入表面冷凝器H冷凝,所用循环水流量为2 700 t/h,冷凝液输送至园区凝液回收管网,未产生回收效益。现行抽汽凝汽式透平通过抽汽实现了部分能量的梯级利用,并依托真空冷凝条件提高焓降,提高了热效率,但乏气冷凝过程会释放巨大的冷凝潜热,这部分能量未被有效利用,同时冷凝过程消耗大量循环水,导致装置能耗与运营成本较高,存在显著的优化空间。

**2 现工艺模拟优化与年度操作费用(AOC)**

2.1 热力学模型的选择

研究涉及的物质主要为丙烷和丙烯,属于典型的非极性轻烃体系。Peng-Rob状态方程能够准确预测非极性至弱极性混合物的热力学性质,适用于烃类及轻气体体系的气液平衡计算,并且在高压条件下仍能保持良好的计算精度^[19]。故选取Peng-Rob方程作为本研究流程模拟中气液平衡计算的热力学方法。

2.2 热泵精馏流程模拟

根据表1进料组成、表2操作条件等基础数据,采用Aspen Plus软件搭建了丙烷-丙烯分离热泵精馏的工艺模拟流程,如图3所示。P-P代表丙烷丙烯分离塔;从精馏塔的第二块塔板引出虚拟流股S21代表塔顶气相出料,对S21进行热泵加压为塔底提供换热;COMP1表示一段压缩,COMP2表示二段压缩;虚拟流股S11表示再沸器入口物流,E2为塔底再沸器,其热负荷通过设计规定实现与E104热负荷相等,以此来表示热泵压缩机一段压缩出料作为P-P塔塔底再沸器热源。使用设计规定调节回流比使P-P塔塔顶丙烯产品S17纯度等于99.6%,以满足产品质量要求。E3为二段压缩出料为脱重塔再沸器提供部分热源的换热器,以省略脱重塔,简化模拟流程。能流S22表示塔底物流为进料流股冷却提供的冷量。

表3给出了模拟得到的工艺参数和流股信息,包括塔顶塔底的丙烷、丙烯纯度以及回流量,并将模拟数据与现场数据进行比较,符合良好,证明模拟的准确性。

**2.3 抽汽凝汽式透平模拟和AOC计算**

工业园区所涉及到的各项公用工程规格与价格如表4所示,该数据作为后续操作成本计算的基准。

根据PDH装置实际运行的S98消耗量、S40抽出量以及循环水用量,对抽汽凝汽式透平流程进行模拟,见图4。以S98为驱动力,抽出的S40有25 t/h供PDH装置使用,余量外售,乏汽LVPS使用循环水进行冷凝。采用年度操作费用(annual operating cost,AOC)作为经济评价指标,现有抽汽凝汽式透平AOC计算见式(2),涵盖公用工程消耗与蒸气副产品收益。年操作时间按8 000 h计算。

(2)$AOC=[{P}_{1}\times {F}_{S98}-{P}_{2}\times ({F}_{S40}-{F}_{m})+{P}_{cw}\times {F}_{cw}]\times 8 000$

式中,P₁为S98单价;F_S98为S98消耗量,t/h;P₂为S40单价;F_S40为抽出的S40总量,t/h;F_m为装置内部所需S40量,25 t/h;P_cw为循环水单价;F_cw为循环水消耗量,t/h。

根据式(2)计算得到抽汽凝汽式透平AOC为17 352万元/a,各项公用工程成本与收入见表5。AOC高的根源在于,乏汽的巨大冷凝潜热在凝汽器中传递给循环冷却水,造成巨大浪费。且为了带走被浪费的59 716 kW的冷凝潜热,需要配备庞大的冷却系统,造成了冷却水的消耗,能量和成本开销巨大。

3 丙烷丙烯分离塔优化

3.1 进料位置的优化

在实际塔板数185块、板效率0.686 4的装置模拟工艺流程中,系统考察了热泵精馏塔进料位置与回流比、再沸器热负荷的变化关系。如图5所示,进料位置与回流比、再沸器热负荷之间呈明显的倒“U”型关系。当物料从第130层塔板引入时,系统达到最优操作点。此时,在满足设计要求即丙烯产品纯度大于99.6%的前提下,回流比降为21.8,再沸器热负荷为204.95 MW,可确定优化进料位置为第130块塔板。相比于原128块塔板的进料位置,节省再沸器热负荷1 MW,节能较小,说明目前状态已处于最优点附近。

3.2 塔板数的影响

在设计规定塔顶丙烯产品纯度等于99.6%的条件下,模拟得到实际总板数与回流比、再沸器热负荷的关系曲线,用于评估工厂塔板数选择的合理性,考察每个总塔板数时,都采用各自总板数对应的最佳进料位置进料。图6为160~220实际板数分别对应的最小回流比和再沸器热负荷关系曲线。随着板数增加,回流比和再沸器热负荷均逐渐减小,计算相邻塔板间,回流比与再沸器热负荷的相对变化百分比,发现180块塔板以上两者变化幅度均低于0.7%。工厂选择185块实际板,系统运行状态良好,结果证明了模拟的可靠性。

**4 不同透平驱动方案AOC比较**

在满足膨胀机做功之和等于压缩机所需功以及S40抽出量不低于25 t/h的约束条件下,针对现有热泵抽汽凝汽式透平驱动方式运行费用较高的问题,提出3种改进方案,通过计算比较AOC,确定最佳方案。方案包括电驱动透平方案和2种抽汽背压式透平方案,抽汽背压式透平结合了背压式和抽汽式透平的技术特点,能够有效克服传统凝汽式透平在冷凝过程中潜热损失以及循环水消耗大的弊端。抽汽背压式透平如图7所示,分为2种:抽出S40排出S4、抽出S40排出S10。将具有利用价值的S4、S10蒸气,送往蒸气管网外售,从而实现蒸气热能的梯级利用,提升系统整体能效。

4.1 方案一:电驱动透平方案

电驱动透平AOC计算见式(3):

(3)$AOC=({P}_{W}\times {W}_{sum}+{P}_{2}\times {F}_{m})\times 8 000$

式中,P_W为电量单价;W_sum为热泵精馏中压缩机需要的总功,kW。

模拟所得热泵精馏中压缩机每小时需要的总功为21 608 kW,根据式(3)计算得到电驱动透平方案AOC为12 677万元/a。

4.2 方案二:抽汽背压(S40、S4)透平方案

抽汽背压式透平抽出S40排出S4方案的AOC计算见式(4):

(4)$AOC=[{P}_{1}\times {F}_{S98}-{P}_{2}\times ({F}_{S40}-{F}_{m})-{P}_{3}\times {F}_{S4}]\times 8 000$

式中,P₃为S4单价;F_S4为S4外送量,t/h。

在Aspen Plus中通过设置设计规定,规定2个约束条件,即满足膨胀机做功之和等于压缩机所需功以及S40抽出量不低于25 t/h,利用灵敏度分析模块以及Fortran语句得到抽汽背压式透平抽出S40排出S4方案中,S98蒸气流量、S4排出量以及年度操作成本AOC随S40流量变化的对应数据,如图8所示。随着S40抽出量增加,S98消耗量增大,S4流量减小,AOC下降。当S40抽出量达到最大时,即抽出的S40等于S98,排出S4流量降为0 t/h时,S40和S98流量均为358 471 t/h,AOC达到最低值,为12 350万元/a。

4.3 方案三:抽汽背压(S40、S10)透平方案

抽汽背压式透平抽出S40排出S10方案的AOC计算见式(5):

(5)$AOC=[{P}_{1}\times {F}_{S98}-{P}_{2}\times ({F}_{S40}-{F}_{m})-{P}_{4}\times {F}_{S10}]\times 8 000$

式中,P₄为S10单价;F_S10为S10外送量,t/h。

与方案二同样的约束条件下,利用灵敏度分析得到抽汽背压式透平抽出S40排出S4方案中,S40抽出量对S98消耗量、S10排出量以及年操作费用AOC的影响,如图9所示。随着S40抽出量的增加,S98进汽量相应增大,S10排出量减少,AOC呈现上升趋势。S40抽出量在约束下限25 t/h时,AOC最少,为9 955万元/a。

**4.4 各方案AOC结果分析**

表6和图10所示模拟结果表明,电驱动、抽汽背压式(S40和S4)、抽汽背压式(S40和S10)3种透平方案均体现出一定的经济效益。电驱动方案可实现26.9%的AOC节省;只抽取S40蒸气的方案二节省AOC效果为28.8%;方案三在抽出S40蒸气 25 t/h、剩余蒸气以S10形式外送时,表现出最佳的经济性,每年AOC节省42.6%,远优于其他方案,表明抽汽背压(S40、S10)模式在实现蒸气能量梯级利用与降低年度运行成本(AOC)方面的显著优势。

5 结论

对抽汽凝汽式透平驱动的丙烯-丙烷热泵精馏工艺建模优化,并对多种透平驱动方案年操作成本AOC进行比较研究,得到如下结论。

(1)以降低再沸器热负荷为目标优化丙烯-丙烷精馏塔操作参数,在实际板数185块、进料位置第130块塔板、回流比21.8的条件下丙烯产品纯度高于99.6%,为系统节能奠定基础。

(2)针对蒸气透平驱动系统提出的3种优化方案中,抽汽背压式透平表现出显著经济优势。其中,S40等级蒸气抽出量为25 t/h并排出S10蒸气的方案可实现最佳经济效益,年操作成本AOC降至 9 955万元/a,较原工艺下降42.6%,节省7 397万元/a。

(3)抽汽背压式透平方案通过蒸气梯级利用,有效避免了冷凝环节的潜热损失和冷却水消耗,同时副产蒸气外售,兼具能量效率与经济效益,为工厂PDH装置改造提供了可靠的依据。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Yan W F, Sun Q M, Yu J H. Dehydrogenation of propane marches on[J]. Matter, 2021, 4(8):2642-2644.

[2]	张健. 我国丙烯下游产业发展现状及趋势分析[J]. 石化技术与应用, 2022, 40(1):66-70.

[3]	Jana A K. Performance analysis of a heat integrated column with heat pumping[J]. Separation and Purification Technology, 2019, 209:18-25.

[4]	王丽敏, 隋谨伊, 吕晓东. PDH产业发展现状及预测[J]. 石油石化绿色低碳, 2024, 9(1):13-16.

[5]	张博, 苗鹏杰, 郭勤, 等. 丙烯生产工艺的技术现状与进展[J]. 化工技术与开发, 2023, 52(1):45-49.

[6]	Ge G Q, Han S S, Huang K J, et al. An effective procedure for the development of vapor recompressed Kaibel dividing-wall distillation columns[J]. Separation and Purification Technology, 2023, 310:123171-123191.

[7]	谭捷. 我国丙烷脱氢制备丙烯技术研究进展[J]. 精细与专用化学品, 2024, 32(3):43-45.

[8]	Cheng Z, Qian S. Research progress on propylene preparation by propane dehydrogenation[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 28(8):3594-3607.

[9]	Kiss A. Distillation technology still young and full of breakthrough opportunities[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2014, 89(4):479-498.

[10]	Chavez V J A, Tawarmalani M, Agrawal R, et al. Systematic analysis reveals thermal separations are not necessarily most energy intensive[J]. Joule Perspective, 2020, 5(2):330-343.

[11]	Abolghasem K, Arjomand M Z, Masoud B. Novel heat pump assisted distillation configurations for energy and economic savings and their application on propylene/propane and I-butane/N-butane separation systems[J]. Chemical Engineering Science, 2024, 29(5):120-139.

[12]	Li Y S, Gao Y, Li G Y, et al. An effective procedure for optimized design of heat pump distillation process[J]. Chemical Engineering and Processing, 2025, 28(4):55-66.

[13]	Gao X X, Chen J, Tan J K, et al. Application of mechanical vapor recompression heat pump to double-effect distillation for separating N,N-dimethylacetamide/water mixture[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2015, 54(12):3200-3204.

[14]	李金弢. 丙烷-丙烯精馏分离工艺能耗比较及前景展望[J]. 天然气与石油, 2016, 34(6):46-50.

[15]	赵建章, 董孝宇, 杨智勇, 等. 热泵与差压热耦合精馏系统模拟优化与控制方案设计[J]. 天然气化工, 2021, 46(2):128-136.

[16]	高桐. 热泵精馏在气分装置丙烯塔中的应用[J]. 节能技术, 2018, 36(2):183-187.

[17]	方智聪, 秦朝葵, 冯建国. 气电混合热泵系统研究进展[J]. 煤气与热力, 2024, 44(12):1-7.

[18]	Chew J M, Reddy C C S, Rangaiah G P. Improving energy efficiency of dividing wall columns using heat pumps,organic rankine cycle and kalina cycle[J]. Chemical Engineering and Processing, 2014, 76:45-59.