用于生产重型5%丙烷的蒸馏与膜技术分析

《Gases》：Technical Analysis Between Distillation and Membrane for the Production of Heavy-Duty 5% Propane

　　

未来，由于重型5%丙烷（HD5丙烷）作为发动机燃料的使用，其需求预计将增加。某炼油厂生产HD10丙烷，并计划使用传统工艺（蒸馏）或节能装置（膜）升级为HD5丙烷。研究人员使用UniSIM?过程模拟，比较了两种技术在产品质量和产量方面的表现。该软件还提供了两种过程的设计参数和能耗。结果显示，膜与蒸馏具有竞争力，能够生产96 mol%的丙烷，回收率为99.3%。另一方面，蒸馏实现了最高95 mol%的丙烷纯度，回收率为99.9%。令人惊讶的是，膜的能耗为669 kWh，高于蒸馏的540 kWh，原因是需要预热步骤。因此，应根据丙烷的质量或产量来选择技术。

**研究背景与问题**
丙烷作为高效燃料，广泛应用于工业锅炉、家用取暖及内燃机等领域。随着发动机燃料对丙烷纯度的要求提升，重型5%丙烷（HD5丙烷，即杂质含量≤5%的丙烷）的市场需求预计增长。某炼油厂通过丙烯回收单元（PRU）从流化催化裂化（FCC）过程中产出HD10丙烷（纯度约93.4 mol%），但需升级至HD5丙烷以满足未来标准。传统蒸馏法虽成熟但能耗高，而膜分离技术（如促进传递膜FTM）因低能耗和低投资潜力成为替代方案。然而，两种技术在HD5丙烷生产中的直接对比研究尚缺乏，因此研究人员开展此项工作，为工艺选择提供依据。该论文发表在《Gases》。

**研究内容与结论**
研究人员利用Honeywell UniSIM?过程模拟软件，基于炼油厂PRU的实际设计条件（回流比19.4，丙烷产率10.3 m³·h^-1），分别构建了蒸馏和膜分离两种升级方案，模拟并比较了丙烷纯度、回收率及能耗。结论如下：蒸馏可达到丙烷纯度95 mol%、回收率99.9%，能耗540 kWh；膜可达到纯度96 mol%、回收率99.3%，但能耗更高（669 kWh），主要源于预热步骤。两种技术均能满足升级需求，选择取决于对纯度或回收率的侧重。未来需通过经济分析（含CAPEX和OPEX）进一步确定优选项。

**关键技术方法**（不超过250字）
1. 过程模拟工具：UniSIM? R500（2024）建立PRU基准模型，并扩展新蒸馏塔或膜单元。
2. 蒸馏方案：在原PRU下游增设第二蒸馏塔，通过增加塔板数（25~175块）优化丙烷纯度，回收塔底物流至PRU以提升总回收率。
3. 膜分离方案：选用商业银基含氟聚合物膜（丙烯/丙烷选择性30，丙烯渗透率150 GPU），在UniSIM?中手动构建组件分割器、调节函数和电子表格模型，通过迭代求解非线性质量平衡方程，模拟单级和两级膜系统。两级膜系统包含回流循环，第二级渗余液返回第一级以提高回收率。
4. 能耗计算：模拟中记录压缩机、冷却器、预热器及再沸器/冷凝器的功率消耗。

**研究结果**
（1）丙烯回收单元（PRU）基准模拟
在UniSIM?中重建PRU流程：进料组成25 mol%丙烷和75 mol%丙烯，温度48°C，压力26 bar，流量37 m³·h^-1。蒸馏塔含185块塔板（效率90%），回流比19.4，丙烷采出率10.3 m³·h^-1。结果：塔顶丙烯纯度99.4 mol%，塔底丙烷纯度93.4 mol%。再沸器能耗26.4 MW，冷凝器能耗26.6 MW。

（2）新蒸馏塔
在PRU基础上增设第二蒸馏塔，将塔底丙烷送入新塔，塔底物流循环回PRU，并移除原PRU冷凝器并入新塔。增加塔板数至100块时，丙烷纯度达到95 mol%，继续增加塔板数不再提升纯度。回收率从98.3%提升至99.9%，丙烯纯度提高至99.9%。新塔能耗增加540 kWh（再沸器+250 kWh，冷凝器+290 kWh）。

（3）膜单元
单级膜系统：膜面积从500 m²增至5000 m²，丙烷纯度随面积增加而上升，但回收率下降。例如，面积2000 m²时纯度96 mol%，回收率仅88%。
两级膜系统：引入第二级膜并循环渗余液，在保持丙烷纯度96 mol%的条件下，回收率提升至99.3%。但渗透物流为丙烯纯度80 mol%的炼油级丙烯（RGP），价值较低。
PRU-膜集成：将RGP循环回PRU，实现仅产出99.4 mol%丙烯和96 mol%丙烷的双流股系统。膜系统总能耗669 kWh（压缩机75 kWh、冷却器71 kWh、预热器523 kWh），高于蒸馏的540 kWh。所需总膜面积4845 m²。

**总结与结论**
研究人员通过过程模拟对比了蒸馏与膜在HD5丙烷生产中的技术性能。蒸馏在回收率上略有优势（99.9% vs 99.3%），膜在纯度上略高（96 mol% vs 95 mol%），但膜能耗更高。研究强调，结果依赖于特定操作条件（如蒸馏塔类型、膜材料），因此选择需基于对纯度或回收率的实际需求。论文结论：两种技术均可行，技术选择应依据丙烷质量或产量，未来需通过经济分析（CAPEX和OPEX）确定最佳方案。