烷基化装置脱轻烃塔脱除效果研究

闫 昕，张 洁，刘长庆，郭 峰，杨亮亮

(1 西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065；2 延长石油集团延安石油化工厂，陕西 延安 716000)

1 原料杂质影响分析

烷基化装置中的原料通常是加氢裂化装置里面微量的C4液化气、MTBE装置生产的C4以及催化裂化装置生产的混合C4等构成[3]。以上几种原料中都含有杂质，反应过程中不仅会影响最终产物的品质以及收率，同时还会加大酸的损耗、造成装置腐蚀以及给体系的酸浓度带来影响，甚至还可能会导致飞酸等。原料里面的杂质通常会有丁二烯和二甲醚等含氧化合物[4]。

1.1 丁二烯对烷基化装置影响

常规的FCC装置能够产生大约0.1%～0.2%之间的丁二烯，在整个反应体系中，处于酸性条件下的时候，丁二烯能够发生聚合反应，产物为大分子烃，其在酸相里面溶解生成ASO，同时也会和酸发生反应，其产物为硫酸酯。作为一种粘稠重质油，ASO在酸相里面溶解之后，若不能将其有效的除去，将会使产物的收率减少、辛烷值减少、汽油干点提高、酸浓度减少等。在该装置原料里面，每一千克的丁烯将会消耗0.08 kg的酸，每一千克的丁二烯将会消耗13.4 kg的酸[4]。

1.2 二甲醚对烷基化装置影响

二甲醚一般会在MTBE装置醚后C4组分里面存在，这两种物质也是导致酸消耗的关键杂质，会导致烷基化油的辛烷值与收率减少[3]。其中采用硫酸法来生产时，每一千克的甲醇将会消耗26.8 kg的酸，每一千克的二甲醚将会消耗1.1 kg的酸。

1.3 轻组分对烷基化装置影响

原料中含有乙烷、丙烷、丙烯等轻组分[5]，在反应过程中，乙烷、丙烷、丙烯等组分在烷基化反应中将产生C6～C7等低辛烷值组分，将降低烷基化油产物的品质，因此需要在脱轻烃塔中脱除含有的碳三及以下的轻组分[6]。

2 脱氢烃塔操作参数对脱除效果的影响

本文应用 Aspen Plus软件对烷基化生产装置原料预处理段流程建模计算。从本质上讲，脱轻烃塔在预处理原材料时，能够被看作是非均相反应，脱轻烃塔主要是使得对烷基化反应有不良影响的有害物质得以脱除，使获得的原材料更加纯净，从而参与到之后生产烷基化油的过程中，获得更优质处理效果。所以研究脱轻烃塔各操作参数对原料中杂质的脱除很有必要，因为这关系到最终烷基化油产品的品质[2]。

以陕北某石化厂20万吨/年烷基化生产装置为研究对象，使用的脱轻烃塔是精密分馏的板式塔。该工段的流程建模见图1。

图1 原料预处理工段工艺流程图

原料先进入凝聚脱水器D105，在这脱去碳四馏分中的游离水，之后再进入到原料缓冲罐D101，然后经换热、加热后与氢气在静态混合器中混合。氢气先经D104氢气分液罐脱除液滴，然后再进入静态混合器与原料混合，然后进入加氢反应器R101。产物在加氢反应器中始终有2 MPa的压力，在压力动力下，能够使产物进入到脱轻烃塔C101中[6]。

2.1 理论塔板数对脱除效果的影响

现阶段，经济环境发生了比较显著的变化，工资水平也越来越高，交个税的群体也越来越多，不过由于物价水平的持续提升，抛除通货膨胀的影响，整体的购买能力还是比较低，不过还是需要缴纳个人所得税，个人税收负担会增加，随着二胎政策的推广，一些家庭的生活压力越来越大，要想显示出税收的公平性，就需要进行个人所得税扣除项目改革。

图2 理论板数对塔釜物流中二甲醚、丁二烯含量的影响

图2可见理论板数从40增加到43，此时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则稳定在68～70 ppm之间(这是由于丁二烯沸点高于1-丁烯，丁二烯将从塔釜采出，因此脱轻烃塔并不能除去丁二烯，需要通过加氢去除)。iC4°/C4=稳定在2.28左右(因为异丁烷、碳四单烯烃都从塔釜采出，所以比值基本不变)。塔板数越高，塔的造价越贵，由图2可知，45块塔板为最适合塔板数，但考虑到实际生产中原料组成的波动，若塔板数过少，可能导致碳三组分过多地进入烷基化反应器，降低产品品质，因此理论级数选为60更为合理。

2.2 进料位置对脱除效果的影响

进料位置是脱轻烃塔运行中影响分离效果和能耗的关键工艺参数，在脱轻烃塔中对于反应的转化率也有非常重要的影响。基于上文已确定的理论塔板数，对进料位置进行分析，首先需要考虑到处理效果由于原料进料位置不同而产生的影响，首先，设定操作变量为预定的流股进料的位置，总板数为60，进料位置变化范围选为5～40。塔釜物流中二甲醚含量、丁二烯含量及iC4°/C4=(异丁烷与单烯烃分子比)为采集变量，做灵敏度分析，结果显示如图3。

图3 原料进料位置的影响

在脱轻烃塔操作过程中，进料的位置是一个十分重要的参数，它会给能耗与分离的效果带来直接的影响，同时也会影响整个反应的转化率，若进料位置不合适，极易影响操作的稳定性。

从图中可以看出，进料位置对塔釜中丁二烯含量影响不大。随着进料位置由第5块塔板开始增加，塔釜物流中DME含量由11.5 ppm降至11.2 ppm，但在进料位置大于第10块塔板后几乎无影响。随着进料位置的增加iC4°/C4=(异丁烷与单烯烃分子比)由2.29降至2.289(几乎无影响)。所以为获得更纯净的塔底原料，需在理论板处选定原料的进料位置，但若进料位置过于靠近塔顶，则分馏段塔板数过少，可能会对塔内流体流动产生不利影响，综合考虑后本文选择第10块板进料。

2.3 回流比对脱除效果的影响

回流比是脱轻烃塔操作中相当重要的工艺参数。结合以上分析，首先需考虑到原料中去除物质效果受回流比的影响，设定自变量为整个脱轻烃塔的摩尔回流比，并进行灵敏度的分析，考察其对塔底二甲醚和iC4°/C4=的脱除效果的影响，结果如图4所示。

图4 摩尔回流比对分离效果的影响

产品也不会持续增加其纯度，在回流比抵达一定的限度时，产品增加的纯度的走向将会减慢，另外，若液相的回流量比较大，那么塔底要求需要蒸出的气相更多，从而也会增大塔底再沸器的热负荷。所以，在选择合适的回流比时，应该将其装置能耗与分离效果结合进行考虑。

分别设定操作变量及采集变量为脱氢烃塔中设定摩尔回流比及位于塔底的再沸器承受的热负荷，最终图3-5就是经灵敏度分析得到结果，可以看出塔底再沸器热负荷会随回流比的增加而逐渐增大，含有的二甲醚只有在回流比数值达到一定程度时才能够被分离。综合对图4和图5中热负荷及分离效果受回流比影响产生的变化进行考虑，最终设定回流比为20。

图5 摩尔回流比对再沸器热负荷的影响

2.4 塔顶采出量对脱除效果的影响

二甲醚与碳三等的回收率受到脱轻烃塔塔顶的采出量的影响，并且其采出量也会影响其副产品的组分，在实际装置生产运行中，在馏出物里面，有时会含有大量的异丁烷，通过推断有可能是由于其较高的采出率，使很多重组分一同被馏出，所以，不但要确保塔顶能够馏出轻组分，还需要尽可能降低其采出率[7]。

之后选定上文的操作参数下，针对塔顶采出量的影响分析进行优化操作。首先，以塔顶采出量为操作变量，C3组分在塔顶回收率、塔釜中DME含量、异丁烷在塔釜中的回收率为目标变量，灵敏度分析结果见图6。

图6 塔顶采出率的影响

由图6可知，随着塔顶采出量由150 kg/h不断增加至 2000 kg/h，碳三组分在塔顶回收率由0.25不断上升至0.95；异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。综合考虑选择塔顶采出量为 2000 kg/h，这是由于碳四原料为富含异丁烷的组分，即使有5.5%的异丁烷在脱轻烃塔塔顶损失，但塔釜物流中iC4°/C4=仍远大于1.05的技术指标。减少碳三、DME在塔釜的含量有利于提升烷基化油的品质。因此塔顶采出量为2000 kg/h，此部分干气将作为副产燃料使用。

2.5 脱氢烃塔脱除效果

综上所述，脱轻烃塔经过模拟后的最优工艺操作条件为：氢气与丁二烯摩尔比为3，脱轻烃塔操作压力为1.7 MPa(g)，脱轻烃塔理论塔板数60，脱轻烃塔进料位置为第10块板，回流比为20，塔顶采出量为2000 kg/h。

直接在模型中输入上述操作参数，再次模拟流程，得到脱轻烃塔脱除效果，物料衡算如表1所示。

表1 脱氢烃塔物料衡算表

塔顶获得副产液化气的组成如表2 所示。

表2 塔顶获得副产液化气

3 结 论

本文应用Aspen Plus 软件，选定原料预处理工段中应用的脱轻烃塔作为案例，分析其灵敏度，并探讨整个工艺流程及脱除效率受进料位置、理论塔板数及回流比等操作参数的影响，在工艺操作参数达到最优的条件下，重新模拟计算全流程[8]，主要有以下结论：

(1)该脱轻烃塔经过模拟后的最优工艺操作条件为：氢气与丁二烯摩尔比为3，脱轻烃塔操作压力为1.7 MPa(g)，脱轻烃塔理论塔板数60，脱轻烃塔进料位置为第10块板，回流比为20，塔顶采出量为2000 kg/h。

(2)结合脱轻烃塔各操作参数重新模拟全流程，脱轻烃塔中能够获得液化气等副产物及符合后续工业要求的原料碳四。脱除甲烷、乙烯及丙烷等低碳烃可达到99.98%以上，塔底采出的物流组分中几乎不含有碳三及以下物质。二甲醚及丁二烯的质量分数依次降低到5.26 ppm和69.8 ppm，烯烃组分占比25.46%，烷烃(包含正丁烷和异丁烷)组分占比74.5%，其中异丁烷占主要成分，正丁烷仅为16.3%，均达到工业要求。得到的副产液化气中主要部分就是异丁烷，而其质量分数可达81.19%，可作为副产物液化气送出装置。