异戊烷一步脱氢制备异戊二烯工艺模拟分析及经济评价

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2472

化工进展 ›› 2021, Vol. 40 ›› Issue (11): 5961-5966.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2472

异戊烷一步脱氢制备异戊二烯工艺模拟分析及经济评价

毕荣山¹^,²(), 张艳¹, 陈彦臻¹, 孙映辉¹, 陈伦波¹, 王明泽¹, 夏力¹^,², 孙晓岩¹^,², 项曙光¹^,²()

^1.青岛科技大学化工学院，山东青岛 266042
^2.青岛科技大学过程系统工程研究所，山东青岛 266042

收稿日期:2020-12-09 修回日期:2021-02-04 出版日期:2021-11-05 发布日期:2021-11-19
通讯作者: 项曙光
作者简介:毕荣山（1974—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为过程系统工程。E-mail：birongshan@163.com.cn。
基金资助:
国家重点研发计划(2020YFE0201400);山东省自然科学基金(ZR2020MB124)

Simulation and economic evaluation of one step dehydrogenation of isopentane to produce isoprene

BI Rongshan¹^,²(), ZHANG Yan¹, CHEN Yanzhen¹, SUN Yinghui¹, CHEN Lunbo¹, WANG Mingze¹, XIA Li¹^,², SUN Xiaoyan¹^,², XIANG Shuguang¹^,²()

^1.College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, Shandong, China
^2.Institute of Process System Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, Shandong, China

Received:2020-12-09 Revised:2021-02-04 Online:2021-11-05 Published:2021-11-19
Contact: XIANG Shuguang

摘要/Abstract

摘要：

异戊二烯是一种重要的化工有机原料，广泛用于合成橡胶和精细化工产品领域，具有巨大的市场价值。而炼油装置产生的大量C₅烷烃经济价值较低，目前没有很好的利用方法，因此利用廉价的C₅烷烃制备高附加值的异戊二烯是一种具有前途的综合利用策略。本文对异戊烷一步脱氢制备异戊二烯工艺过程进行了建模，并利用夹点技术对全流程进行了换热网络综合，在此基础上对此工艺进行了技术经济评价，结果显示，优化后的流程具有较高的经济收益，异戊二烯产品价格对装置的经济性具有重要影响。此种方法可以作为C₅烷烃中异戊烷增值利用的有效途径。

关键词: 模拟, 异戊二烯, 经济评价, 脱氢, 一步法

Abstract:

Isoprene is an important organic raw material, which is widely used in the fields of synthetic rubber and fine chemical products and has great market value. However, the economic value of a large number of C₅ alkanes produced by oil refining units is low, so there is no good method for its utilization. It is a promising comprehensive utilization strategy to prepare isoprene with high added value from cheap C₅ alkanes. In this paper, the process of one-step dehydrogenation of isopentane to produce isoprene was modeled, and the heat exchanger network of the whole process was synthesized by pinch technology. On this basis, the techno economic evaluation of the process was carried out. The results showed that the optimized process has high economic benefits, and the price of isoprene products has an important impact on the economy of the unit. The present method can be used as an effective way to increase the value of isopentane in C₅ alkane.

Key words: simulation, isoprene, economic evaluation, dehydrogenation, one-step method

中图分类号:

TQ021.8

毕荣山, 张艳, 陈彦臻, 孙映辉, 陈伦波, 王明泽, 夏力, 孙晓岩, 项曙光. 异戊烷一步脱氢制备异戊二烯工艺模拟分析及经济评价[J]. 化工进展, 2021, 40(11): 5961-5966.

BI Rongshan, ZHANG Yan, CHEN Yanzhen, SUN Yinghui, CHEN Lunbo, WANG Mingze, XIA Li, SUN Xiaoyan, XIANG Shuguang. Simulation and economic evaluation of one step dehydrogenation of isopentane to produce isoprene[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(11): 5961-5966.

图/表 11

图1 异戊烷脱氢反应示意图

图2 反应网络图

表1 动力学参数

反应	指前因子 $k i, 0 /$ $m o l ? m - 3 ? s - 1$	活化能 $E i /$ $k c a l ? m o l - 1$	反应热Q_i/ $k c a l ? m o l - 1$
1	4.30×10⁴	17.4	26.7529
2	8.08×10⁸	35.5	28.1099
3	9.39×10⁴	17.5	18.8189
4	1.24×10^-5	-12.6	-34.2552
5	5.38×10³	10.6	-53.636

表1 动力学参数

反应	指前因子 $k i, 0 /$ $m o l ? m - 3 ? s - 1$	活化能 $E i /$ $k c a l ? m o l - 1$	反应热Q_i/ $k c a l ? m o l - 1$
1	4.30×10⁴	17.4	26.7529
2	8.08×10⁸	35.5	28.1099
3	9.39×10⁴	17.5	18.8189
4	1.24×10^-5	-12.6	-34.2552
5	5.38×10³	10.6	-53.636

图3 吸收解吸工段

图4 异戊二烯精制工段

表2 全流程物料平衡表

项目	名称	总流量 $/ k g ? h - 1$	指标（质量分数）
原料	异戊烷	12500	i-C₅H₁₂（99.3%）
主产品	异戊二烯	7384	i-C₅H₈（99.8%）
副产品1	C₅混合物	242	i-C₅H₁₂（61.2%）、n-C₅H₁₂（25.13%）、i-C₅H₁₀（13.66%）
副产品2	C₁~C₄混合物、氢气	4532	CH₄（29.87%）、C₄H₈（54.82%）、H₂（9.08%）
副产品3	焦炭	342	C（99.99%）

表2 全流程物料平衡表

项目	名称	总流量 $/ k g ? h - 1$	指标（质量分数）
原料	异戊烷	12500	i-C₅H₁₂（99.3%）
主产品	异戊二烯	7384	i-C₅H₈（99.8%）
副产品1	C₅混合物	242	i-C₅H₁₂（61.2%）、n-C₅H₁₂（25.13%）、i-C₅H₁₀（13.66%）
副产品2	C₁~C₄混合物、氢气	4532	CH₄（29.87%）、C₄H₈（54.82%）、H₂（9.08%）
副产品3	焦炭	342	C（99.99%）

图5 换热网络设计图

表3 公用工程消耗一览表

公用工程消耗	小时耗量	年耗量
电/kW?h	4.99	3.99×10⁴
循环冷却水/t	5467.84	4.37×10⁷
深冷水/t	102.51	8.20×10⁵
低压蒸汽/t	37.30	2.98×10⁵
中压蒸汽/t	9.22	7.37×10⁴
明火/t	22.84	1.83×10⁵

表4 公用工程信息表

项目	原始流程/kW	热集成流程/kW	能耗减少量/％
冷公用工程	37488.3	37488.3	15.09
热公用工程	41702	41702	13.42
总计	79190.3	79190.3	14.21

表5 设备、原料、产品、能源动力价格①

项目	名称	价格
原料	异戊烷	6000元/吨
原料	异戊二烯	12000元/吨
产品	C₅混合物	5000元/吨
	C₁~C₄混合物以及氢气	3000元/吨
	焦炭	1800元/吨
化学品	催化剂	20000元/吨
	DMF	5000元/吨
	抽余油	3000元/吨
公用工程	电	0.75元/千瓦时
	循环冷却水	1元/吨
	深冷水	10元/吨
	低压蒸汽	200元/吨
	中压蒸汽	240元/吨
主要设备	塔设备	3600万元
	反应器	3000万元
	换热器	1200万元
	泵	40万元

图6 敏感性分析图

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