烷基化裝置脫輕烴塔脫除效果研究

閆 昕，張 潔，劉長慶，郭 峰，楊亮亮

(1 西安石油大學化學化工學院，陜西 西安 710065；2 延長石油集團延安石油化工廠，陜西 延安 716000)

1 原料雜質影響分析

烷基化裝置中的原料通常是加氫裂化裝置里面微量的C4液化氣、MTBE裝置生產的C4以及催化裂化裝置生產的混合C4等構成[3]。以上幾種原料中都含有雜質，反應過程中不僅會影響最終產物的品質以及收率，同時還會加大酸的損耗、造成裝置腐蝕以及給體系的酸濃度帶來影響，甚至還可能會導致飛酸等。原料里面的雜質通常會有丁二烯和二甲醚等含氧化合物[4]。

1.1 丁二烯對烷基化裝置影響

常規的FCC裝置能夠產生大約0.1%～0.2%之間的丁二烯，在整個反應體系中，處于酸性條件下的時候，丁二烯能夠發生聚合反應，產物為大分子烴，其在酸相里面溶解生成ASO，同時也會和酸發生反應，其產物為硫酸酯。作為一種粘稠重質油，ASO在酸相里面溶解之后，若不能將其有效的除去，將會使產物的收率減少、辛烷值減少、汽油干點提高、酸濃度減少等。在該裝置原料里面，每一千克的丁烯將會消耗0.08 kg的酸，每一千克的丁二烯將會消耗13.4 kg的酸[4]。

1.2 二甲醚對烷基化裝置影響

二甲醚一般會在MTBE裝置醚后C4組分里面存在，這兩種物質也是導致酸消耗的關鍵雜質，會導致烷基化油的辛烷值與收率減少[3]。其中采用硫酸法來生產時，每一千克的甲醇將會消耗26.8 kg的酸，每一千克的二甲醚將會消耗1.1 kg的酸。

1.3 輕組分對烷基化裝置影響

原料中含有乙烷、丙烷、丙烯等輕組分[5]，在反應過程中，乙烷、丙烷、丙烯等組分在烷基化反應中將產生C6～C7等低辛烷值組分，將降低烷基化油產物的品質，因此需要在脫輕烴塔中脫除含有的碳三及以下的輕組分[6]。

2 脫氫烴塔操作參數對脫除效果的影響

本文應用 Aspen Plus軟件對烷基化生產裝置原料預處理段流程建模計算。從本質上講，脫輕烴塔在預處理原材料時，能夠被看作是非均相反應，脫輕烴塔主要是使得對烷基化反應有不良影響的有害物質得以脫除，使獲得的原材料更加純凈，從而參與到之后生產烷基化油的過程中，獲得更優質處理效果。所以研究脫輕烴塔各操作參數對原料中雜質的脫除很有必要，因為這關系到最終烷基化油產品的品質[2]。

以陜北某石化廠20萬噸/年烷基化生產裝置為研究對象，使用的脫輕烴塔是精密分餾的板式塔。該工段的流程建模見圖1。

圖1 原料預處理工段工藝流程圖

原料先進入凝聚脫水器D105，在這脫去碳四餾分中的游離水，之后再進入到原料緩沖罐D101，然后經換熱、加熱后與氫氣在靜態混合器中混合。氫氣先經D104氫氣分液罐脫除液滴，然后再進入靜態混合器與原料混合，然后進入加氫反應器R101。產物在加氫反應器中始終有2 MPa的壓力，在壓力動力下，能夠使產物進入到脫輕烴塔C101中[6]。

2.1 理論塔板數對脫除效果的影響

現階段，經濟環境發生了比較顯著的變化，工資水平也越來越高，交個稅的群體也越來越多，不過由于物價水平的持續提升，拋除通貨膨脹的影響，整體的購買能力還是比較低，不過還是需要繳納個人所得稅，個人稅收負擔會增加，隨著二胎政策的推廣，一些家庭的生活壓力越來越大，要想顯示出稅收的公平性，就需要進行個人所得稅扣除項目改革。

圖2 理論板數對塔釜物流中二甲醚、丁二烯含量的影響

圖2可見理論板數從40增加到43，此時塔里含有的二甲醚由11.4 ppm降至11.2 ppm；塔釜物流中丁二烯含量則穩定在68～70 ppm之間(這是由于丁二烯沸點高于1-丁烯，丁二烯將從塔釜采出，因此脫輕烴塔并不能除去丁二烯，需要通過加氫去除)。iC4°/C4=穩定在2.28左右(因為異丁烷、碳四單烯烴都從塔釜采出，所以比值基本不變)。塔板數越高，塔的造價越貴，由圖2可知，45塊塔板為最適合塔板數，但考慮到實際生產中原料組成的波動，若塔板數過少，可能導致碳三組分過多地進入烷基化反應器，降低產品品質，因此理論級數選為60更為合理。

2.2 進料位置對脫除效果的影響

進料位置是脫輕烴塔運行中影響分離效果和能耗的關鍵工藝參數，在脫輕烴塔中對于反應的轉化率也有非常重要的影響。基于上文已確定的理論塔板數，對進料位置進行分析，首先需要考慮到處理效果由于原料進料位置不同而產生的影響，首先，設定操作變量為預定的流股進料的位置，總板數為60，進料位置變化范圍選為5～40。塔釜物流中二甲醚含量、丁二烯含量及iC4°/C4=(異丁烷與單烯烴分子比)為采集變量，做靈敏度分析，結果顯示如圖3。

圖3 原料進料位置的影響

在脫輕烴塔操作過程中，進料的位置是一個十分重要的參數，它會給能耗與分離的效果帶來直接的影響，同時也會影響整個反應的轉化率，若進料位置不合適，極易影響操作的穩定性。

從圖中可以看出，進料位置對塔釜中丁二烯含量影響不大。隨著進料位置由第5塊塔板開始增加，塔釜物流中DME含量由11.5 ppm降至11.2 ppm，但在進料位置大于第10塊塔板后幾乎無影響。隨著進料位置的增加iC4°/C4=(異丁烷與單烯烴分子比)由2.29降至2.289(幾乎無影響)。所以為獲得更純凈的塔底原料，需在理論板處選定原料的進料位置，但若進料位置過于靠近塔頂，則分餾段塔板數過少，可能會對塔內流體流動產生不利影響，綜合考慮后本文選擇第10塊板進料。

2.3 回流比對脫除效果的影響

回流比是脫輕烴塔操作中相當重要的工藝參數。結合以上分析，首先需考慮到原料中去除物質效果受回流比的影響，設定自變量為整個脫輕烴塔的摩爾回流比，并進行靈敏度的分析，考察其對塔底二甲醚和iC4°/C4=的脫除效果的影響，結果如圖4所示。

圖4 摩爾回流比對分離效果的影響

產品也不會持續增加其純度，在回流比抵達一定的限度時，產品增加的純度的走向將會減慢，另外，若液相的回流量比較大，那么塔底要求需要蒸出的氣相更多，從而也會增大塔底再沸器的熱負荷。所以，在選擇合適的回流比時，應該將其裝置能耗與分離效果結合進行考慮。

分別設定操作變量及采集變量為脫氫烴塔中設定摩爾回流比及位于塔底的再沸器承受的熱負荷，最終圖3-5就是經靈敏度分析得到結果，可以看出塔底再沸器熱負荷會隨回流比的增加而逐漸增大，含有的二甲醚只有在回流比數值達到一定程度時才能夠被分離。綜合對圖4和圖5中熱負荷及分離效果受回流比影響產生的變化進行考慮，最終設定回流比為20。

圖5 摩爾回流比對再沸器熱負荷的影響

2.4 塔頂采出量對脫除效果的影響

二甲醚與碳三等的回收率受到脫輕烴塔塔頂的采出量的影響，并且其采出量也會影響其副產品的組分，在實際裝置生產運行中，在餾出物里面，有時會含有大量的異丁烷，通過推斷有可能是由于其較高的采出率，使很多重組分一同被餾出，所以，不但要確保塔頂能夠餾出輕組分，還需要盡可能降低其采出率[7]。

之后選定上文的操作參數下，針對塔頂采出量的影響分析進行優化操作。首先，以塔頂采出量為操作變量，C3組分在塔頂回收率、塔釜中DME含量、異丁烷在塔釜中的回收率為目標變量，靈敏度分析結果見圖6。

圖6 塔頂采出率的影響

由圖6可知，隨著塔頂采出量由150 kg/h不斷增加至 2000 kg/h，碳三組分在塔頂回收率由0.25不斷上升至0.95；異丁烷在塔釜回收率由0.997下降至0.945；DME在塔釜含量由10.8 ppm降至5.5 ppm。綜合考慮選擇塔頂采出量為 2000 kg/h，這是由于碳四原料為富含異丁烷的組分，即使有5.5%的異丁烷在脫輕烴塔塔頂損失，但塔釜物流中iC4°/C4=仍遠大于1.05的技術指標。減少碳三、DME在塔釜的含量有利于提升烷基化油的品質。因此塔頂采出量為2000 kg/h，此部分干氣將作為副產燃料使用。

2.5 脫氫烴塔脫除效果

綜上所述，脫輕烴塔經過模擬后的最優工藝操作條件為：氫氣與丁二烯摩爾比為3，脫輕烴塔操作壓力為1.7 MPa(g)，脫輕烴塔理論塔板數60，脫輕烴塔進料位置為第10塊板，回流比為20，塔頂采出量為2000 kg/h。

直接在模型中輸入上述操作參數，再次模擬流程，得到脫輕烴塔脫除效果，物料衡算如表1所示。

表1 脫氫烴塔物料衡算表

塔頂獲得副產液化氣的組成如表2 所示。

表2 塔頂獲得副產液化氣

3 結 論

本文應用Aspen Plus 軟件，選定原料預處理工段中應用的脫輕烴塔作為案例，分析其靈敏度，并探討整個工藝流程及脫除效率受進料位置、理論塔板數及回流比等操作參數的影響，在工藝操作參數達到最優的條件下，重新模擬計算全流程[8]，主要有以下結論：

(1)該脫輕烴塔經過模擬后的最優工藝操作條件為：氫氣與丁二烯摩爾比為3，脫輕烴塔操作壓力為1.7 MPa(g)，脫輕烴塔理論塔板數60，脫輕烴塔進料位置為第10塊板，回流比為20，塔頂采出量為2000 kg/h。

(2)結合脫輕烴塔各操作參數重新模擬全流程，脫輕烴塔中能夠獲得液化氣等副產物及符合后續工業要求的原料碳四。脫除甲烷、乙烯及丙烷等低碳烴可達到99.98%以上，塔底采出的物流組分中幾乎不含有碳三及以下物質。二甲醚及丁二烯的質量分數依次降低到5.26 ppm和69.8 ppm，烯烴組分占比25.46%，烷烴(包含正丁烷和異丁烷)組分占比74.5%，其中異丁烷占主要成分，正丁烷僅為16.3%，均達到工業要求。得到的副產液化氣中主要部分就是異丁烷，而其質量分數可達81.19%，可作為副產物液化氣送出裝置。