烷基化裝置中分餾塔的模擬計算與分析

孫錦凌 唐莉 李仙舟(蘭州寰球工程有限公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

我國目前的汽油構成中高硫、低辛烷值的催化汽油組成高達76.7%，是歐美等發達國家的2 倍左右，我國汽油總量中烷基化汽油只占0.5%，是歐美等發達國家的1/10[1]。從辛烷值、蒸汽壓、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[2-5]。于是近幾年有很多在建和擬建的烷基化裝置[6-8]。烷基化裝置主要有原料預處理，烷基化反應，壓縮至冷，精制和分餾單元構成[9]。本文主要對分餾單元中的2 個分餾塔進行模擬分析。

1 模擬流程簡介

本次模擬用Pro/II 軟件，該軟件是由美國科學模擬公司SIMSCI 開發的，主要用于各種化學與化工過程中質量和能量平衡的嚴格計算，尤其在煉油工程中運用最為廣泛。Pro/II 軟件中提供了多種熱力學方法用于對流體的各種物性參數的計算。對于氣體、煉油過程的烴類物系，可選擇PR 狀態方程法對整個精餾過程進行模擬。異丁烷和正丁烷的分離流程為：含有正丁烷和異丁烷的烷基化汽油物料進入異丁烷塔精餾，塔頂得到的異丁烷產品循環去反應，塔釜出料去正丁烷塔，正丁烷塔塔頂得到正丁烷產品，塔釜得到工業異辛烷產品。

2 模擬計算與分析

為了滿足反應單元的烷烯比工藝要求，異丁烷塔頂分離要求為：循環異丁烷的質量分數≥84%。

為了滿足經脫氫制丁烯和丁二烯，經異構化制異丁烷，經催化氧化制順丁烯二酸酐、醋酸、乙醛等對于原料正丁烷的要求，正丁烷塔頂分離要求為：正丁烷質量分數≥98%。

為了滿足汽油辛烷值要求，正丁烷塔釜分離要求為：異辛烷產品飽和蒸汽壓≥35kPa。

對于單個塔，可以通過優化回流比，進料板位置來得到最小熱負荷，本文則是在單臺塔優化的基礎上，對兩個塔聯立進行模擬分析。將本次模擬進料參數及組成百分比輸入軟件，模擬結果如下：

異丁烷塔，循環異丁烷28900kg/h，最佳進料板位置為第7塊板，最優回流比為0.79。

正丁烷塔，塔頂正丁烷產品2571kg/h，塔釜異辛烷產品23329kg/h，最佳進料板位置為第17 塊板，最優回流比為2.32。

對以上模擬結果從分離要求和能耗方面進行分析。

2.1 異丁烷塔釜IC4質量分數的變化對產品質量的影響

異丁烷塔釜IC4 質量分數的變化對于異辛烷產品并無影響，但對于正丁烷產品則有很大的影響。正丁烷塔頂NC4 質量分數隨異丁烷塔釜IC4 質量分數的變化如圖1。

圖1 正丁烷塔頂NC4質量分數隨異丁烷塔釜IC4質量分數的變化

由圖1 可以看出，當異丁烷塔釜IC4 質量分數＜0.075 時，隨著異丁烷塔釜IC4 質量分數的增加，正丁烷塔頂NC4 質量分數也增大；當異丁烷塔釜IC4 質量分數≥0.075 時，隨著異丁烷塔釜IC4 質量分數的增加，正丁烷塔頂NC 質量分數卻減小。這是因為，當異丁烷塔釜IC4 質量分數較小時，有一部分NC4 會從異丁烷塔頂出去，隨著異丁烷塔釜中IC4 質量分數的增加，異丁烷塔釜中IC4 和NC4 的量會增大，且塔釜中NC 的量比IC4的量增加更快，從而使正丁烷塔頂的NC 質量分數增大；但是當異丁烷塔釜中IC4 質量分數繼續增大時，塔釜中IC4 的量比NC4的量增加更快，從而會使得大量的IC4出現在正丁烷塔頂，正丁烷塔頂產品中NC4 的質量分數下降。由以上分析可以得到，為了保證正丁烷塔頂正丁烷質量分數≥98%，異丁烷塔釜的異丁烷質量分數必須≤0.16%。

2.2 異丁烷塔頂IC4質量分數對異丁烷塔和正丁烷塔熱負荷及流量的影響

異丁烷塔熱負荷隨異丁烷塔頂IC4 質量分數的變化如圖2，正丁烷塔熱負荷隨異丁烷塔頂IC4 質量分數的變化見圖3。

由圖2 和圖3 可以看出，隨著異丁烷塔頂IC4 質量分數的增加，異丁烷塔和正丁烷塔的冷凝器和再沸器負荷都在增加，且異丁烷塔熱負荷是正丁烷塔熱負荷的4 倍多，變化也比正丁烷塔熱負荷變化更加明顯，所以在考慮能耗方面主要以異丁烷塔為主。返回反應單元的循環異丁烷質量分數越高，對于反應來說自然更好，但是異丁烷塔和正丁烷塔的能耗也在急劇增加，所以只要滿足異丁烷質量分數≥84%要求，即選擇異丁烷塔頂異丁烷質量分數為84%，可以使得異丁烷塔和正丁烷塔的能耗最小。

圖2 異丁烷塔熱負荷隨異丁烷塔頂IC4質量分數的變化

圖3 正丁烷塔熱負荷隨異丁烷塔頂IC4質量分數的變化

2.3 異丁烷塔釜IC4質量分數的變化對正丁烷塔和異丁烷塔熱負荷的影響

異丁烷塔熱負荷隨異丁烷塔釜IC4 質量分數的變化如圖4，正丁烷塔熱負荷隨異丁烷塔釜IC4 質量分數的變化見圖5。

由圖4 可以看出，隨著異丁烷塔釜IC4 質量分數的增加，異丁烷塔冷凝器和再沸器負荷都減小，當異丁烷塔釜IC4 質量分數≤0.05%時，異丁烷塔熱負荷減小較快，當異丁烷塔釜IC4 質量分數≥0.05%時，減小速率較慢。由圖5 可以看出，正丁烷塔冷凝器和再沸器塔負荷隨著異丁烷塔釜IC4 質量分數的增加而增加。根據兩塔熱負荷變化趨勢相反，可以得出一個最優的異丁烷塔釜異丁烷質量分數范圍，即控制異丁烷塔釜異丁烷質量分數在0.05%～0.13%之間。

圖4 異丁烷塔熱負荷隨異丁烷塔釜IC4質量分數的變化

圖5 正丁烷塔熱負荷隨異丁烷塔釜IC4質量分數的變化

3 結語

為了滿足正丁烷產品質量分數≥98%，必須控制異丁烷塔釜異丁烷質量分數≤0.16%；返回反應單元的循環異丁烷質量分數選擇84%，可以使正丁烷塔和異丁烷塔的能耗最小；異丁烷塔熱負荷隨著異丁烷塔釜異丁烷質量分數的增加而減小，正丁烷塔熱負荷隨著異丁烷塔釜異丁烷質量分數的增加也在增加，所以根據兩塔熱負荷的變化趨勢確定最優的異丁烷塔釜異丁烷質量分數范圍，即異丁烷質量分數在0.05%～0.13%之間。