硫酸法烷基化装置节能降耗措施

刘 利，方 丽

（上海新佑能源科技有限公司，上海201315）

节能技术

硫酸法烷基化装置节能降耗措施

刘 利，方 丽

（上海新佑能源科技有限公司，上海201315）

对硫酸法烷基化装置运行能耗数据进行分析，发现调整脱异丁烷塔和脱正丁烷塔的操作压力和回流比可降低蒸汽消耗9 t/h；通过合理调整烷基化反应器的操作实现电耗和酸耗最优化；减小制冷压缩机的出口压力可使压缩机电机轴功率由1 883 kW降低至1 000 kW；通过原料预处理单元脱除杂质，装置运行酸耗降低至55～60 kg/t产品；建设废酸回收和正丁烷异构单元，降低新酸和原料采购成本。

烷基化；能耗；酸耗；措施；废酸回收

广西某石化公司200 kt/a烷基化装置于2014年12月开工，装置运行良好。根据现场操作总结，不断提出技改措施以降低装置能耗和酸耗，并取得了良好的效果。具体措施包括降低脱异丁烷塔、脱正丁烷塔的操作压力，降低制冷压缩机出口压力，调整反应器的操作参数，设置原料的预处理措施，建设废酸处理装置和正丁烷异构装置等，大幅地降低了装置的能耗和酸耗，取得了良好的经济效益［1］。

1 装置能耗分析与节能措施

硫酸法烷基化装置主要的公用工程消耗包括2部分:（1）蒸汽消耗为31.3 t/h，占总能耗的比例接近70%。（2）电耗为3 313 kW，占装置总能耗的25%以上，其中制冷压缩机轴功率为1 883 kW，烷基化反应器搅拌电机的轴功率均为350 kW，为装置内主要用电设备。

1.1 脱异丁烷塔和脱正丁烷塔

烷基化装置产品分馏单元的脱异丁烷塔和脱正丁烷塔的塔底重沸器是主要的蒸汽消耗设备，尤其是脱异丁烷塔重沸器。由于烷基化反应器是在较高的烷烯比（通常体积比为10:1）条件下操作运行的，未反应的大量异丁烷需要在脱异丁烷塔分离后再循环回烷基化反应器。设计脱异丁烷塔塔顶产品循环异丁烷的流量为44 t/h，回流量约为62 t/h，较多的塔顶产品和回流比造成此塔塔底再沸器的蒸汽消耗非常大，用量为18.6 t/h，占整个装置蒸汽消耗的60%左右。对于该塔操作，塔顶为全回流操作，通过降低塔压，降低回流温度，可以提高轻重组分的相对挥发度，从而可以在相同的理论板数下，实现回流比降低，从而实现能耗的降低［2］。具体结果见表1。

表1 脱异丁烷塔设计参数和操作参数

从表1可以看出，通过调整脱异丁烷塔的操作压力和回流比，脱异丁烷塔底再沸器的蒸汽消耗由原来的18.6 t/h降低到10.9 t/h，塔顶异丁烷的纯度没有降低反而升高。

对于脱正丁烷塔，由于轻关键组分正丁烷和重关键组分烷基化油的相对挥发度相差较大，已经大于10，该塔可以采用较小的回流比操作以降低塔顶回流泵电耗、塔顶冷凝器的循环水消耗和塔底再沸器的蒸汽消耗。同时由于烷基化油饱和蒸汽压较低，现场生产中有时为了提高产品的蒸汽压，可允许烷基化油中携带少量正丁烷，因此在操作中可根据需要适当调低轻关键组分正丁烷的脱除率。在相同的处理量下，脱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，结果见表2。

表2 脱正丁烷塔设计参数和操作参数

1.2 烷基化反应器

烷基化反应器内装有卧式搅拌器，实现酸烃的乳化使原料中的异丁烷和烯烃迅速分散在浓硫酸乳化液中，提高反应速度。但搅拌器的电机功率高达400 kW，为装置内主要用电设备。

在相同的新鲜原料碳四组成、硫酸浓度和酸烃比条件下，影响烷基化反应效果的主要因素有烷烯比、反应温度和酸烃的乳化状态。

（1）烷烯比:由于丁烯相对于异丁烷而言，更易溶于浓硫酸，因此在生产中采用提高异丁烷浓度来扩大异丁烷与酸相的接触面以提高其溶解量，进而减少烯烃与硫酸之间副反应的发生［3］。但烷烯比的提高是通过提高异丁烷纯度或者循环量实现的，这都会增加脱异丁烷塔底再沸器的蒸汽消耗量。

（2）反应温度:烷基化反应器内温度过高会造成烯烃之间副反应的发生［3］，低温有利于烷基化反应的进行，但低温是通过循环冷剂提供的冷量提供的，过低的反应温度虽然会增加烷基化油的产品质量但会造成制冷压缩机轴功率的增加。

（3）酸烃乳化:烷基化反应的控制步骤为反应原料自烃相向酸相扩散，酸烃乳化有利于增加接触面积，以利于扩散，酸烃乳化的动力来源于搅拌叶轮的旋转［4.5］；但酸烃乳化过度会造成酸沉降罐的分离负荷，导致流出物中酸携带量的增大，最终使酸耗增加。

烷烯比、反应温度和酸烃乳化状态这3个因素之间相互影响，在一定波动范围内功能上互为补充。譬如烷烯比的降低可以通过降低反应温度或提高酸烃乳化效果来补充以达到相同的烷基化反应效果。因此在三者之间存在合理化的操作范围。经过不断的现场操作探索，发现烷烯比控制在（9～10）:1，反应器出口操作温度控制在10± 1℃，搅拌器变频电机频率控制在45±1 Hz左右时总能耗最小。

1.3 制冷压缩机

由于烷基化反应是放热反应，设计中采用循环冷剂工艺为反应器提供冷量，带走反应热。由于循环冷剂的主要组成为异丁烷和丙烷，工艺设计时在制冷流程中设置节能罐，即制冷压缩机出口物流经过空冷水冷冷凝为液相后，首先进入节能罐经初步降压闪蒸出富丙烷轻组分进入压缩机二级补气口，液相再进入闪蒸罐通过二次降压闪蒸出富异丁烷组分进入压缩机一级入口，这样通过分级闪蒸可降低制冷压缩机一级入口的压缩量，降低压缩功率。

该烷基化装置，制冷压缩机二级出口的额定流量为24 950 m3/h，即使在设置了节能罐的情况下，制冷压缩机的电机功率高达2 200 kW，耗电量占到整个装置耗电量的50%以上。由于制冷压缩机为往复式压缩机，往复式压缩机的出口压力受背压的影响，理论上降低背压即可减小压缩机的进出口压差进而达到降低压缩机轴功率的目的。因此在制冷量要求不变的情况下，采用适当外甩循环冷剂中的丙烷组分的方法以降低压缩机出口的操作压力，见表3。

表3 制冷压缩机设计参数和操作参数

由表3可见，压缩机出口压力设计值0.72 MPa逐步降低到0.34 MPa，压缩机轴功率由1 883 kW降低至1 000 kW，由此约节省424万元/a。

1.4 降低酸耗的措施

烷基化装置原料中常含有醚类，醇类，二烯烃类等杂质，该部分杂质对酸耗影响较大，设计中专门设置了原料预处理单元以脱除原料中的甲醇、二甲醚、丁二烯和水以达到降低装置酸耗和提高产品辛烷值的目的。

（1）设置水洗塔，用除盐水洗掉原料中的甲醇和二甲醚。

（2）采用贵金属加氢催化剂选择性加氢饱和丁二烯和使1-丁烯异构为2-丁烯。

（3）采用高效纳米聚结器内件将原料中的水脱除至10×10-6和将反应流出物中的硫酸脱除至100×10-6。

通过一段时间的运行，该装置的酸耗降低至55～60 kg/t产品，与同类装置相比酸耗水平较低。

1.5 建设废酸回收、正丁烷异构单元

烷基化装置不断排出浓度为90%的废酸，其主要杂质为酸酯、烯烃聚合物和烃类。根据广西公司所在地的实际情况，外购新酸的价格大约为400元/t，废酸外送至处理厂需要付回的收费用为400元/t，硫酸的使用成本在800元/t左右，因此建设废酸回收处理单元是非常必要的。配套废酸规模为15 kt/a，废酸回收单元采用废酸裂解、封闭酸洗净化、尾气吸收的技术方案，装置硫净回收率大于98%，产品满足指标要求。而且可以充分利用烷基化装置副产的丙烷干气，操作成本在450元/t（包含设备折旧费和燃料气消耗），因此装置用酸成本可降低350元/t，操作费用可降低450万元/a，同时废酸回收处理单元还可减少废酸对环境的污染，具有良好的环境效益。

烷基化装置副产的正丁烷，通过建设正丁烷异构化单元，异构化产品送到脱异丁烷塔，异丁烷产品循环到原料中，未反应的正丁烷送分离后送到异构化单元，组成联合装置，提高原料的利用率。同时正丁烷异构属于临氢反应，反应耗氢极低，烃类溶解的氢气通过稳定塔和碱洗塔分离，碱洗后的氢气纯度为68%左右，可以再送到烷基化装置的二烯烃加氢反应器，这样可以提高氢气的利用率，实现氢气的循环利用。正丁烷异构单元的建设，可以减少副产品正丁烷的产量，若要按照20 kt/a的正丁烷产品计算，正丁烷和异丁烷之间的差价按照300元计算，正丁烷异构的操作成本为100元/t，可以节约原料成本为400万元/a。

2 结论

（1）通过降低脱异丁烷塔和脱正丁烷塔的操作压力和回流比，可降低蒸汽消耗9 t/h。

（2）合理调整烷基化反应器的酸烃比、烷烯比和搅拌器电机频率，在保证产品质量的情况下，实现酸耗和电耗的最小化。

（3）通过降低制冷压缩机的出口压力，使制冷压缩机轴功率由1 883 kW降低至1 000 kW。

（4）通过原料预处理单元，脱除原料携带的杂质，饱和二烯烃，酸耗降低至55～60 kg/t产品。

（5）建设废酸回收处理单元和异构化单元，分别降低年操作成本450万元/a和400万元/a。

［1］李网章.烷基化技术与经济［J］.炼油技术与工程，2012，42（11）:18-21.

［2］周灵丹，汤立新.精馏过程节能技术浅谈［J］.山东化工，2009，38:28-33.

［3］厉建伦.STRATCO硫酸烷基化工艺技术特点及影响因素分析［J］.齐鲁石油化工，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

刘利，男，高级工程师，硕士，1994年毕业于中国石油大学（华东）化学工程专业，现从事油品加氢工艺的设计与研究工作。