新型硫酸法C4烷基化工藝的模擬

原平方，劉春江

（1. 天津大學 化工學院，天津 300072；2. 化學工程聯合國家重點實驗室（天津大學），天津 300072；3. 天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

專題報道

新型硫酸法C4烷基化工藝的模擬

原平方1，2，3，劉春江1，2，3

（1. 天津大學 化工學院，天津 300072；2. 化學工程聯合國家重點實驗室（天津大學），天津 300072；3. 天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

提出了一種新型硫酸法C4烷基化生產工藝，丁烯原料在氣相狀態下進入反應器，與液相異丁烷、濃硫酸混合后，部分丁烯溶于液相，在液相中進行反應；通過控制反應器的壓力，部分液相吸收反應熱而汽化，使反應溫度基本穩定；經氣液分離、酸烴分離及產品分餾后，氣相丁烯、異丁烷、濃硫酸分別構成循環。采用Aspen Plus過程模擬軟件對新工藝過程進行模擬計算的結果表明，在反應器進口壓力0.2 MPa、壓降4.5 kPa的條件下，反應器進出口溫度均在7.2 ℃左右，可通過調節反應器壓力實現溫度的控制；反應器進口液相中烷烯質量比為145∶1，可減少副反應的發生；與傳統硫酸法C4烷基化工藝相比，新工藝耗電量可降低30%。

碳四烷基化；硫酸催化劑；Aspen Plus軟件；過程模擬

在中國，減少汽車尾氣污染已成為人們關注的焦點，汽油的環保標準也日益嚴格，這就要求生產高辛烷值的清潔汽油來滿足市場和環境的需求。汽油的辛烷值主要來源于汽油組分中的烯烴、芳烴和添加劑（如甲基叔丁基醚、乙醇等）［1］。從辛烷值、蒸氣壓、氧含量、烯烴、芳烴和硫含量等汽油的多種控制指標綜合考慮，烷基化油具有最高的綜合性能，是清潔環保的汽油高辛烷值調和組分。目前我國的汽油構成中烷基化汽油只占0.5%（w），是歐美等發達國家的1/10［2］，因此烷基化油仍有很大的產能空間。

直接烷基化反應是指異丁烷與丁烯在催化劑作用下，生成以C8為主要成分的烷基化油的過程［3］。按催化劑種類的不同可分為：液體酸烷基化、固體酸烷基化和離子液體烷基化［4］。液體酸催化主要采用濃硫酸和氫氟酸，是目前世界上可規模化生產的烷基化過程。

多年來，人們對烷基化裝置的各種操作變量與裝置性能進行了廣泛的研究，且隨著計算機技術的應用，許多研究人員對硫酸法烷基化工藝進行了相關的模擬研究，取得了一定的成果［5-11］。這些研究主要集中在對現有工藝進行模擬和優化，而對新型C4烷基化工藝的研究未見文獻報道。

本工作基于一種多相并流下行式反應器，提出了一種新型硫酸法C4烷基化工藝，在氣液共存條件下進行反應，通過控制反應器壓力，使部分液相汽化，從而不斷形成新的氣液平衡，以控制反應溫度，提高烷基化選擇性，并采用Aspen Plus過程模擬軟件對新工藝過程進行了模擬計算。

1 硫酸法C4烷基化工藝流程

1.1 傳統硫酸法C4烷基化工藝流程

在傳統硫酸法C4烷基化技術中，DuPont公司的STRATCO烷基化工藝最具代表性，該工藝是流出物制冷式工藝，由原料加氫精制、反應部分、制冷壓縮、流出物精制和產品分餾及化學處理等工序組成。該工藝的核心技術是STRATCO反應器，該反應器是一種特殊的臥式偏心反應器，通過裝在反應器內部的大功率攪拌葉輪和內循環夾套，在實現濃硫酸和烷烴、烯烴進料充分混合的同時，帶走反應過程中產生的熱量。在反應部分，原料經加氫精制后，C4餾分與來自脫異丁烷塔的循環異丁烷混合并冷卻至11 ℃，經脫水器脫除游離水（含量10×10-6（w））后與來自閃蒸罐的循環冷劑直接混合，溫度降至3 ℃，然后分兩路進入烷基化反應器。反應完全的酸-烴乳化液經上升管直接進入酸沉降器，分出的酸液經下降管返回反應器重新使用，含量低于90%（w）的硫酸為廢酸，排至廢酸脫烴罐。從酸沉降器分出的烴相流經反應器內的取熱管束部分氣化，氣液混合物進入閃蒸罐。反應流出物由泵抽出，加熱至約31 ℃去流出物精制和產品分餾部分繼續處理。循環冷劑由泵抽出送至反應進料管線與原料C4直接混合，從閃蒸罐氣相空間出來的烴類氣體至制冷壓縮機［12］。STRATCO反應器的結構見圖1。

圖1 STRATCO反應器的結構Fig.1 Structure of the STRATCO reactor.1 Reactor shell；2 Inner circulating pipe；3 Heat exchange tube bundle；4 Impeller；5 Hydraulic head；6 Electromotor

1.2 新型硫酸法C4烷基化工藝流程

本工作提出的新型硫酸法C4烷基化工藝主要針對反應部分，以一種多相并流下行式反應器為核心，反應器類型為非攪拌接觸式，內部裝填自行開發的新型填料。反應器分為上部的反應段與下部的分離段。異丁烷原料與濃硫酸經靜態混合器混合后進入反應器，丁烯原料以氣相或氣液共存的狀態進入反應器，后者與液相接觸后，部分氣相溶于液相，在液相中進行異丁烷-丁烯烷基化反應。由于烷基化反應為放熱反應，通過控制反應器的壓力級數，使部分液相汽化，從而保持反應溫度基本恒定。在反應器內部，氣液并行向下流動，隨著反應的進行和壓力的變化，丁烯原料溶于液相，部分液相汽化產生新的氣相，從而不斷形成新的氣液平衡。

反應混合物在反應器下部的分離段進行氣液分離和酸烴分離，氣相在氣液分離段側線采出，經壓縮機加壓、降溫后與丁烯原料經靜態混合器混合，然后進入反應器，構成氣相循環。烷烴混合物由反應器分離段側線采出，進入產品分餾系統，分餾出的異丁烷循環，同時獲得正丁烷產品和烷基化產品。濃硫酸由反應器分離段底部取出，經泵送至循環系統，廢酸送至廢酸處理廠。新型硫酸法C4烷基化工藝流程見圖2。

圖2 新型硫酸法C4烷基化工藝流程Fig.2 Process fl ow of the new C4alkylation process with sulphuric acid as catalyst.1 Compressor；2 Reactor；3 Static mixer；4 Heat exchanger；5 Pump；6 Deisobutanizer；7 Debutanizer

2 模擬計算

2.1 假設與簡化

為簡化模擬過程，進行以下假設：1） 反應器為絕熱反應器，與外界沒有能量交換，沒有熱損失。2） 硫酸法C4烷基化的主反應為異丁烷與丁烯在濃硫酸催化下生成異辛烷，假設原料中丁烯及其他烯烴均僅與異丁烷反應，生成相應的C8～12組分，不考慮其余副反應。典型的反應方程式見式（1）。3） 傳統硫酸法C4烷基化工藝每噸烷基化油的酸耗大約在77～102 kg之間［13］，模擬過程中假設每噸烷基化油酸耗為100 kg。

2.2 單元模塊的選擇

反應部分采用化學計量反應器RStoic單元模塊，多相并流下行式反應器為多級反應器，采用多個RStoic單元模塊串聯的方式進行模擬。反應器底部的氣液分離采用閃蒸Flash模塊進行模擬。考慮到硫酸在烴類中溶解度較低，酸烴分離后，烴類混合物中的硫酸含量可忽略不計，因此反應器底部采用分離器Sep模塊。分餾系統中脫異丁烷塔與脫正丁烷塔為精餾塔，采用嚴格精餾RadFrac模塊。換熱部分采用Heater模塊，主要考察換熱量，對新工藝進行優化時考慮換熱網絡合成，可采用HeatX模塊。流程中物流的混合和分離，分別采用混合器Mixer模塊和分流器Fsplit模塊進行模擬。對于流體輸送設備，液相采用Pump模塊，氣相采用Compr模塊。減壓操作采用減壓閥Valve模塊進行模擬。

2.3 物性方法的選擇

模擬研究主要涉及低壓下的烴類物系和硫酸-烴類物系兩種。對于烴類物系，主要組成為C3～9異構烷烴和烯烴，各組分的性質相近，為非極性的真實組分物系，因此物性方法選擇BWR-LS物性模型。對于硫酸-烴類物系，為極性較強的非理想物系，且硫酸為電解質，因此選用ELECNRTL物性模型，該模型是最通用的電解質物性方法，能用于處理濃硫酸這種濃度很高的電解質物系。反應流程中各單元模塊及物性方法見表1。

2.4 工藝條件及操作參數

反應器為多個RStoic單元模塊串聯，反應器入口壓力設為0.2 MPa，反應器整體壓降設為4.5 kPa。原料流股的組成見表2，其中，各原料組成參考河北新啟元能源技術開發股份有限公司現有烷基化裝置，并進行了相應的簡化。

表1 反應流程中各單元模塊信息Table 1 Modules in the reaction process

表2 原料流股的組成Table 2 Composition of feeds

3 模擬結果與討論

3.1 模擬結果

以年產300 kt烷基化油計算，原料流股與循環流股操作條件的模擬結果見表3，烷基化油的組成見表4。

表3中原料流股均為減壓操作前的條件，其中，丁烯原料流股減壓后溫度為12.0 ℃，氣相分率為0.12。循環異丁烷流股組成（w）為：異丁烷96.5%、正丁烷2.8%、丙烷0.7%。循環丁烯流股（即氣相循環流股）的組成（w）為：異丁烷95.2%、正丁烷2.9%、丙烷1.8%及少量的丁烯。正丁烷產品純度為99.4%。

經過異丁烷、丁烯（氣相）與硫酸循環，反應器進口流股溫度為7.17 ℃，出口流股溫度為7.16℃，進口氣相流量為5.75×105m3/h，出口氣相流量為6.03×105m3/h。各流股經混合器氣液接觸混合后，反應器進口液相中烷烯質量比為145∶1，可減少副反應的發生。

表3 原料流股與循環流股操作條件的模擬結果Table 3 Simulation of the operating conditions of the feed and circle streams

表4 烷基化油的組成Table 4 Composition of the products

3.2 討論

傳統工藝的反應壓力為0.5 MPa左右，新工藝的反應壓力較低，僅為0.2 MPa。通過控制反應器內的壓降，使反應過程中部分液相吸收反應放出的熱量而汽化，從而實現反應體系溫度的基本穩定。由模擬結果可看出，在反應器壓降為4.5 kPa時，氣相流量由進口處的5.75×105m3/h變為出口處的6.03×105m3/h，而反應器進出口溫度基本保持不變，表明通過反應物的自蒸發來控制反應溫度是可行的。

與STRATCO流出物制冷式烷基化工藝相比，新工藝的創新之處主要在反應部分，分餾部分可直接采用傳統工藝的分餾系統。STRATCO烷基化工藝的耗電主要是臥式反應器的大功率攪拌電機（電機功率為373 kW）［14］；而新工藝反應部分的耗電主要是氣相循環管線的壓縮機，由于氣體壓縮比較小，壓縮機功率較小，在生產過程中耗電量將會減少。以年產300 kt烷基化油計算，新工藝與傳統工藝反應器耗電量的比較見表5。其中，每臺STRATCO反應器年產量為80 t，需要4臺反應器。由表5可看出，與傳統工藝相比，新工藝耗電量降低30%。

表5 新工藝與傳統工藝反應器耗電量的比較Table 5 Power consumption of the novel and traditional processes

4 結論

1） 提出了一種新型硫酸法C4烷基化工藝，含丁烯的原料以氣相或部分氣相狀態進入反應器，氣液混合后反應在液相中進行，通過控制反應器壓力實現液體的汽化，從而使反應溫度基本不變。反應混合物在反應器底部經氣液分離與酸烴分離后，氣相與硫酸分別形成循環，液相產物經后續分離獲得烷基化油與正丁烷產品，同時異丁烷循環。

2）反應器進口壓力為0.2 MPa、壓降為4.5 kPa時，反應器進出口溫度基本相同，均在7.2 ℃左右。

3）與傳統工藝相比，新工藝耗電量降低30%。

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（編輯 安 靜）

Simulation of a Novel C4Alkylation Process with Sulfuric Acid as Catalyst

Yuan Pingfang1，2，3，Liu Chunjiang1，2，3
（1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. State Key Laboratory of Chemical Engineering（Tianjin University），Tianjin 300072，China；3. Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering，Tianjin 300072，China）

A novel C4alkylation process with sulfuric acid as catalyst was proposed，in which butene gas was led into reactor and mixed with isobutane liquid and concentrated sulfuric acid，and then the C4alkylation was conducted in the liquid phase. By controlling pressure in the reactor，a part of the liquid evaporated so the reaction temperature could be kept stable. After gas-liquid separation，acid-hydrocarbon separation and product distillation，the butene gas，isobutane and sulfuric acid formed loops separately. The novel process was simulated by means of Aspen Plus software. The results showed that both the temperatures at the inlet and outlet of the reactor were kept at about 7.2 ℃ under the conditions of the inlet pressure 0.2 MPa and the pressure drop 4.5 kPa. When the mass ratio of alkanes to olefi ns in the liquid phase at the reactor inlet was 145∶1，side-reactions could be reduced. And the power consumption of the novel process was reduced by 30% compared with traditional alkylation process.

C4alkylation；sulfuric acid catalyst；Aspen Plus software；process simulation

1000 - 8144（2015）05 - 0543 - 05

TQ 032

A

2014 - 12 - 29；［修改稿日期］ 2015 - 03 - 05。

原平方（1988—），男，河南省輝縣市人，博士生，電郵 pfyuan@tju.edu.cn。聯系人：劉春江，電話 022 - 23502063，電郵cjliu@tju.edu.cn。