硫酸法烷基化裝置節能降耗措施

劉 利，方 麗

（上海新佑能源科技有限公司，上海201315）

節能技術

硫酸法烷基化裝置節能降耗措施

劉 利，方 麗

（上海新佑能源科技有限公司，上海201315）

對硫酸法烷基化裝置運行能耗數據進行分析，發現調整脫異丁烷塔和脫正丁烷塔的操作壓力和回流比可降低蒸汽消耗9 t/h；通過合理調整烷基化反應器的操作實現電耗和酸耗最優化；減小制冷壓縮機的出口壓力可使壓縮機電機軸功率由1 883 kW降低至1 000 kW；通過原料預處理單元脫除雜質，裝置運行酸耗降低至55～60 kg/t產品；建設廢酸回收和正丁烷異構單元，降低新酸和原料采購成本。

烷基化；能耗；酸耗；措施；廢酸回收

廣西某石化公司200 kt/a烷基化裝置于2014年12月開工，裝置運行良好。根據現場操作總結，不斷提出技改措施以降低裝置能耗和酸耗，并取得了良好的效果。具體措施包括降低脫異丁烷塔、脫正丁烷塔的操作壓力，降低制冷壓縮機出口壓力，調整反應器的操作參數，設置原料的預處理措施，建設廢酸處理裝置和正丁烷異構裝置等，大幅地降低了裝置的能耗和酸耗，取得了良好的經濟效益［1］。

1 裝置能耗分析與節能措施

硫酸法烷基化裝置主要的公用工程消耗包括2部分:（1）蒸汽消耗為31.3 t/h，占總能耗的比例接近70%。（2）電耗為3 313 kW，占裝置總能耗的25%以上，其中制冷壓縮機軸功率為1 883 kW，烷基化反應器攪拌電機的軸功率均為350 kW，為裝置內主要用電設備。

1.1 脫異丁烷塔和脫正丁烷塔

烷基化裝置產品分餾單元的脫異丁烷塔和脫正丁烷塔的塔底重沸器是主要的蒸汽消耗設備，尤其是脫異丁烷塔重沸器。由于烷基化反應器是在較高的烷烯比（通常體積比為10:1）條件下操作運行的，未反應的大量異丁烷需要在脫異丁烷塔分離后再循環回烷基化反應器。設計脫異丁烷塔塔頂產品循環異丁烷的流量為44 t/h，回流量約為62 t/h，較多的塔頂產品和回流比造成此塔塔底再沸器的蒸汽消耗非常大，用量為18.6 t/h，占整個裝置蒸汽消耗的60%左右。對于該塔操作，塔頂為全回流操作，通過降低塔壓，降低回流溫度，可以提高輕重組分的相對揮發度，從而可以在相同的理論板數下，實現回流比降低，從而實現能耗的降低［2］。具體結果見表1。

表1 脫異丁烷塔設計參數和操作參數

從表1可以看出，通過調整脫異丁烷塔的操作壓力和回流比，脫異丁烷塔底再沸器的蒸汽消耗由原來的18.6 t/h降低到10.9 t/h，塔頂異丁烷的純度沒有降低反而升高。

對于脫正丁烷塔，由于輕關鍵組分正丁烷和重關鍵組分烷基化油的相對揮發度相差較大，已經大于10，該塔可以采用較小的回流比操作以降低塔頂回流泵電耗、塔頂冷凝器的循環水消耗和塔底再沸器的蒸汽消耗。同時由于烷基化油飽和蒸汽壓較低，現場生產中有時為了提高產品的蒸汽壓，可允許烷基化油中攜帶少量正丁烷，因此在操作中可根據需要適當調低輕關鍵組分正丁烷的脫除率。在相同的處理量下，脫正丁烷塔底再沸器蒸汽消耗可由2.3 t/h降低至1.0 t/h，結果見表2。

表2 脫正丁烷塔設計參數和操作參數

1.2 烷基化反應器

烷基化反應器內裝有臥式攪拌器，實現酸烴的乳化使原料中的異丁烷和烯烴迅速分散在濃硫酸乳化液中，提高反應速度。但攪拌器的電機功率高達400 kW，為裝置內主要用電設備。

在相同的新鮮原料碳四組成、硫酸濃度和酸烴比條件下，影響烷基化反應效果的主要因素有烷烯比、反應溫度和酸烴的乳化狀態。

（1）烷烯比:由于丁烯相對于異丁烷而言，更易溶于濃硫酸，因此在生產中采用提高異丁烷濃度來擴大異丁烷與酸相的接觸面以提高其溶解量，進而減少烯烴與硫酸之間副反應的發生［3］。但烷烯比的提高是通過提高異丁烷純度或者循環量實現的，這都會增加脫異丁烷塔底再沸器的蒸汽消耗量。

（2）反應溫度:烷基化反應器內溫度過高會造成烯烴之間副反應的發生［3］，低溫有利于烷基化反應的進行，但低溫是通過循環冷劑提供的冷量提供的，過低的反應溫度雖然會增加烷基化油的產品質量但會造成制冷壓縮機軸功率的增加。

（3）酸烴乳化:烷基化反應的控制步驟為反應原料自烴相向酸相擴散，酸烴乳化有利于增加接觸面積，以利于擴散，酸烴乳化的動力來源于攪拌葉輪的旋轉［4.5］；但酸烴乳化過度會造成酸沉降罐的分離負荷，導致流出物中酸攜帶量的增大，最終使酸耗增加。

烷烯比、反應溫度和酸烴乳化狀態這3個因素之間相互影響，在一定波動范圍內功能上互為補充。譬如烷烯比的降低可以通過降低反應溫度或提高酸烴乳化效果來補充以達到相同的烷基化反應效果。因此在三者之間存在合理化的操作范圍。經過不斷的現場操作探索，發現烷烯比控制在（9～10）:1，反應器出口操作溫度控制在10± 1℃，攪拌器變頻電機頻率控制在45±1 Hz左右時總能耗最小。

1.3 制冷壓縮機

由于烷基化反應是放熱反應，設計中采用循環冷劑工藝為反應器提供冷量，帶走反應熱。由于循環冷劑的主要組成為異丁烷和丙烷，工藝設計時在制冷流程中設置節能罐，即制冷壓縮機出口物流經過空冷水冷冷凝為液相后，首先進入節能罐經初步降壓閃蒸出富丙烷輕組分進入壓縮機二級補氣口，液相再進入閃蒸罐通過二次降壓閃蒸出富異丁烷組分進入壓縮機一級入口，這樣通過分級閃蒸可降低制冷壓縮機一級入口的壓縮量，降低壓縮功率。

該烷基化裝置，制冷壓縮機二級出口的額定流量為24 950 m3/h，即使在設置了節能罐的情況下，制冷壓縮機的電機功率高達2 200 kW，耗電量占到整個裝置耗電量的50%以上。由于制冷壓縮機為往復式壓縮機，往復式壓縮機的出口壓力受背壓的影響，理論上降低背壓即可減小壓縮機的進出口壓差進而達到降低壓縮機軸功率的目的。因此在制冷量要求不變的情況下，采用適當外甩循環冷劑中的丙烷組分的方法以降低壓縮機出口的操作壓力，見表3。

表3 制冷壓縮機設計參數和操作參數

由表3可見，壓縮機出口壓力設計值0.72 MPa逐步降低到0.34 MPa，壓縮機軸功率由1 883 kW降低至1 000 kW，由此約節省424萬元/a。

1.4 降低酸耗的措施

烷基化裝置原料中常含有醚類，醇類，二烯烴類等雜質，該部分雜質對酸耗影響較大，設計中專門設置了原料預處理單元以脫除原料中的甲醇、二甲醚、丁二烯和水以達到降低裝置酸耗和提高產品辛烷值的目的。

（1）設置水洗塔，用除鹽水洗掉原料中的甲醇和二甲醚。

（2）采用貴金屬加氫催化劑選擇性加氫飽和丁二烯和使1-丁烯異構為2-丁烯。

（3）采用高效納米聚結器內件將原料中的水脫除至10×10-6和將反應流出物中的硫酸脫除至100×10-6。

通過一段時間的運行，該裝置的酸耗降低至55～60 kg/t產品，與同類裝置相比酸耗水平較低。

1.5 建設廢酸回收、正丁烷異構單元

烷基化裝置不斷排出濃度為90%的廢酸，其主要雜質為酸酯、烯烴聚合物和烴類。根據廣西公司所在地的實際情況，外購新酸的價格大約為400元/t，廢酸外送至處理廠需要付回的收費用為400元/t，硫酸的使用成本在800元/t左右，因此建設廢酸回收處理單元是非常必要的。配套廢酸規模為15 kt/a，廢酸回收單元采用廢酸裂解、封閉酸洗凈化、尾氣吸收的技術方案，裝置硫凈回收率大于98%，產品滿足指標要求。而且可以充分利用烷基化裝置副產的丙烷干氣，操作成本在450元/t（包含設備折舊費和燃料氣消耗），因此裝置用酸成本可降低350元/t，操作費用可降低450萬元/a，同時廢酸回收處理單元還可減少廢酸對環境的污染，具有良好的環境效益。

烷基化裝置副產的正丁烷，通過建設正丁烷異構化單元，異構化產品送到脫異丁烷塔，異丁烷產品循環到原料中，未反應的正丁烷送分離后送到異構化單元，組成聯合裝置，提高原料的利用率。同時正丁烷異構屬于臨氫反應，反應耗氫極低，烴類溶解的氫氣通過穩定塔和堿洗塔分離，堿洗后的氫氣純度為68%左右，可以再送到烷基化裝置的二烯烴加氫反應器，這樣可以提高氫氣的利用率，實現氫氣的循環利用。正丁烷異構單元的建設，可以減少副產品正丁烷的產量，若要按照20 kt/a的正丁烷產品計算，正丁烷和異丁烷之間的差價按照300元計算，正丁烷異構的操作成本為100元/t，可以節約原料成本為400萬元/a。

2 結論

（1）通過降低脫異丁烷塔和脫正丁烷塔的操作壓力和回流比，可降低蒸汽消耗9 t/h。

（2）合理調整烷基化反應器的酸烴比、烷烯比和攪拌器電機頻率，在保證產品質量的情況下，實現酸耗和電耗的最小化。

（3）通過降低制冷壓縮機的出口壓力，使制冷壓縮機軸功率由1 883 kW降低至1 000 kW。

（4）通過原料預處理單元，脫除原料攜帶的雜質，飽和二烯烴，酸耗降低至55～60 kg/t產品。

（5）建設廢酸回收處理單元和異構化單元，分別降低年操作成本450萬元/a和400萬元/a。

［1］李網章.烷基化技術與經濟［J］.煉油技術與工程，2012，42（11）:18-21.

［2］周靈丹，湯立新.精餾過程節能技術淺談［J］.山東化工，2009，38:28-33.

［3］厲建倫.STRATCO硫酸烷基化工藝技術特點及影響因素分析［J］.齊魯石油化工，1995（2）:110-103.

［4］Sun Weizhen，Shi Yi，Chen Jie.Alkylation kinetics of isobutane by C4 olefins using sulfuric acid as catalyst［J］.Industrial& Engineering Chemistry Research，2013，52:15262-15269

［5］Albright L F，Spalding M A，James A.Alkylation of isobutane with C4olefins:First-step reactions using sulfuric acid catalyst［J］.Industrial&Engineering Chemistry Research，1988，27:381-386

Energy-saving and consumption-reducing measures of sulfuric acid alkylation unit

Liu Li，Fang Li
（Shanghai New-unity Energy Technology Co.Ltd.，Shanghai 201315，China）

Analysis was made to the operation energy consumption data of the sulfuric acid alkylation unit，it was found that the adjustment of the operation pressure and reflux ratio of the de-isobutanizer and the de-butanizer can reduce steam consumption by 9t/h；reasonable adjustment of the operation of alkylation reactor can realize the optimization of power consumption and acid consumption；reducing the outlet pressure of the refrigeration compressor can make the shaft power of the motor decreased to 1 000 kW from 1 883 kW；removing impurities through feedstock pretreatment unit，acid consumption during the unit operation can decreased to 55～60 kg product；building waste acid recovery and n-butane isomerization unit can reduce the procurement cost of new acid and raw material.

alkylation；energy consumption；acid consumption；measure；waste acid recovery

TE62

B

1671-4962（2017）02-0065-03

2016-12-14

劉利，男，高級工程師，碩士，1994年畢業于中國石油大學（華東）化學工程專業，現從事油品加氫工藝的設計與研究工作。