硫酸法烷基化裝置節(jié)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(jié)能技術(shù)

硫酸法烷基化裝置節(jié)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(duì)硫酸法烷基化裝置運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)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(guò)合理調(diào)整烷基化反應(yīng)器的操作實(shí)現(xiàn)電耗和酸耗最優(yōu)化；減小制冷壓縮機(jī)的出口壓力可使壓縮機(jī)電機(jī)軸功率由1 883 kW降低至1 000 kW；通過(guò)原料預(yù)處理單元脫除雜質(zhì)，裝置運(yùn)行酸耗降低至55～60 kg/t產(chǎn)品；建設(shè)廢酸回收和正丁烷異構(gòu)單元，降低新酸和原料采購(gòu)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(kāi)工，裝置運(yùn)行良好。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作總結(jié)，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(jī)出口壓力，調(diào)整反應(yīng)器的操作參數(shù)，設(shè)置原料的預(yù)處理措施，建設(shè)廢酸處理裝置和正丁烷異構(gòu)裝置等，大幅地降低了裝置的能耗和酸耗，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益［1］。

1 裝置能耗分析與節(jié)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(jī)軸功率為1 883 kW，烷基化反應(yīng)器攪拌電機(jī)的軸功率均為350 kW，為裝置內(nèi)主要用電設(shè)備。

1.1 脫異丁烷塔和脫正丁烷塔

烷基化裝置產(chǎn)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(shè)備，尤其是脫異丁烷塔重沸器。由于烷基化反應(yīng)器是在較高的烷烯比（通常體積比為10:1）條件下操作運(yùn)行的，未反應(yīng)的大量異丁烷需要在脫異丁烷塔分離后再循環(huán)回烷基化反應(yīng)器。設(shè)計(jì)脫異丁烷塔塔頂產(chǎn)品循環(huán)異丁烷的流量為44 t/h，回流量約為62 t/h，較多的塔頂產(chǎn)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(gè)裝置蒸汽消耗的60%左右。對(duì)于該塔操作，塔頂為全回流操作，通過(guò)降低塔壓，降低回流溫度，可以提高輕重組分的相對(duì)揮發(fā)度，從而可以在相同的理論板數(shù)下，實(shí)現(xiàn)回流比降低，從而實(shí)現(xiàn)能耗的降低［2］。具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 脫異丁烷塔設(shè)計(jì)參數(shù)和操作參數(shù)

從表1可以看出，通過(guò)調(diào)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(lái)的18.6 t/h降低到10.9 t/h，塔頂異丁烷的純度沒(méi)有降低反而升高。

對(duì)于脫正丁烷塔，由于輕關(guān)鍵組分正丁烷和重關(guān)鍵組分烷基化油的相對(duì)揮發(fā)度相差較大，已經(jīng)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(huán)水消耗和塔底再沸器的蒸汽消耗。同時(shí)由于烷基化油飽和蒸汽壓較低，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中有時(shí)為了提高產(chǎn)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(jù)需要適當(dāng)調(diào)低輕關(guān)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(jié)果見(jiàn)表2。

表2 脫正丁烷塔設(shè)計(jì)參數(shù)和操作參數(shù)

1.2 烷基化反應(yīng)器

烷基化反應(yīng)器內(nèi)裝有臥式攪拌器，實(shí)現(xiàn)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(yīng)速度。但攪拌器的電機(jī)功率高達(dá)400 kW，為裝置內(nèi)主要用電設(shè)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(yīng)效果的主要因素有烷烯比、反應(yīng)溫度和酸烴的乳化狀態(tài)。

（1）烷烯比:由于丁烯相對(duì)于異丁烷而言，更易溶于濃硫酸，因此在生產(chǎn)中采用提高異丁烷濃度來(lái)擴(kuò)大異丁烷與酸相的接觸面以提高其溶解量，進(jìn)而減少烯烴與硫酸之間副反應(yīng)的發(fā)生［3］。但烷烯比的提高是通過(guò)提高異丁烷純度或者循環(huán)量實(shí)現(xiàn)的，這都會(huì)增加脫異丁烷塔底再沸器的蒸汽消耗量。

（2）反應(yīng)溫度:烷基化反應(yīng)器內(nèi)溫度過(guò)高會(huì)造成烯烴之間副反應(yīng)的發(fā)生［3］，低溫有利于烷基化反應(yīng)的進(jìn)行，但低溫是通過(guò)循環(huán)冷劑提供的冷量提供的，過(guò)低的反應(yīng)溫度雖然會(huì)增加烷基化油的產(chǎn)品質(zhì)量但會(huì)造成制冷壓縮機(jī)軸功率的增加。

（3）酸烴乳化:烷基化反應(yīng)的控制步驟為反應(yīng)原料自烴相向酸相擴(kuò)散，酸烴乳化有利于增加接觸面積，以利于擴(kuò)散，酸烴乳化的動(dòng)力來(lái)源于攪拌葉輪的旋轉(zhuǎn)［4.5］；但酸烴乳化過(guò)度會(huì)造成酸沉降罐的分離負(fù)荷，導(dǎo)致流出物中酸攜帶量的增大，最終使酸耗增加。

烷烯比、反應(yīng)溫度和酸烴乳化狀態(tài)這3個(gè)因素之間相互影響，在一定波動(dòng)范圍內(nèi)功能上互為補(bǔ)充。譬如烷烯比的降低可以通過(guò)降低反應(yīng)溫度或提高酸烴乳化效果來(lái)補(bǔ)充以達(dá)到相同的烷基化反應(yīng)效果。因此在三者之間存在合理化的操作范圍。經(jīng)過(guò)不斷的現(xiàn)場(chǎng)操作探索，發(fā)現(xiàn)烷烯比控制在（9～10）:1，反應(yīng)器出口操作溫度控制在10± 1℃，攪拌器變頻電機(jī)頻率控制在45±1 Hz左右時(shí)總能耗最小。

1.3 制冷壓縮機(jī)

由于烷基化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，設(shè)計(jì)中采用循環(huán)冷劑工藝為反應(yīng)器提供冷量，帶走反應(yīng)熱。由于循環(huán)冷劑的主要組成為異丁烷和丙烷，工藝設(shè)計(jì)時(shí)在制冷流程中設(shè)置節(jié)能罐，即制冷壓縮機(jī)出口物流經(jīng)過(guò)空冷水冷冷凝為液相后，首先進(jìn)入節(jié)能罐經(jīng)初步降壓閃蒸出富丙烷輕組分進(jìn)入壓縮機(jī)二級(jí)補(bǔ)氣口，液相再進(jìn)入閃蒸罐通過(guò)二次降壓閃蒸出富異丁烷組分進(jìn)入壓縮機(jī)一級(jí)入口，這樣通過(guò)分級(jí)閃蒸可降低制冷壓縮機(jī)一級(jí)入口的壓縮量，降低壓縮功率。

該烷基化裝置，制冷壓縮機(jī)二級(jí)出口的額定流量為24 950 m3/h，即使在設(shè)置了節(jié)能罐的情況下，制冷壓縮機(jī)的電機(jī)功率高達(dá)2 200 kW，耗電量占到整個(gè)裝置耗電量的50%以上。由于制冷壓縮機(jī)為往復(fù)式壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)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(jī)的進(jìn)出口壓差進(jìn)而達(dá)到降低壓縮機(jī)軸功率的目的。因此在制冷量要求不變的情況下，采用適當(dāng)外甩循環(huán)冷劑中的丙烷組分的方法以降低壓縮機(jī)出口的操作壓力，見(jiàn)表3。

表3 制冷壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和操作參數(shù)

由表3可見(jiàn)，壓縮機(jī)出口壓力設(shè)計(jì)值0.72 MPa逐步降低到0.34 MPa，壓縮機(jī)軸功率由1 883 kW降低至1 000 kW，由此約節(jié)省424萬(wàn)元/a。

1.4 降低酸耗的措施

烷基化裝置原料中常含有醚類(lèi)，醇類(lèi)，二烯烴類(lèi)等雜質(zhì)，該部分雜質(zhì)對(duì)酸耗影響較大，設(shè)計(jì)中專(zhuān)門(mén)設(shè)置了原料預(yù)處理單元以脫除原料中的甲醇、二甲醚、丁二烯和水以達(dá)到降低裝置酸耗和提高產(chǎn)品辛烷值的目的。

（1）設(shè)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(gòu)為2-丁烯。

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

通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，該裝置的酸耗降低至55～60 kg/t產(chǎn)品，與同類(lèi)裝置相比酸耗水平較低。

1.5 建設(shè)廢酸回收、正丁烷異構(gòu)單元

烷基化裝置不斷排出濃度為90%的廢酸，其主要雜質(zhì)為酸酯、烯烴聚合物和烴類(lèi)。根據(jù)廣西公司所在地的實(shí)際情況，外購(gòu)新酸的價(jià)格大約為400元/t，廢酸外送至處理廠需要付回的收費(fèi)用為400元/t，硫酸的使用成本在800元/t左右，因此建設(shè)廢酸回收處理單元是非常必要的。配套廢酸規(guī)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(shù)方案，裝置硫凈回收率大于98%，產(chǎn)品滿足指標(biāo)要求。而且可以充分利用烷基化裝置副產(chǎn)的丙烷干氣，操作成本在450元/t（包含設(shè)備折舊費(fèi)和燃料氣消耗），因此裝置用酸成本可降低350元/t，操作費(fèi)用可降低450萬(wàn)元/a，同時(shí)廢酸回收處理單元還可減少?gòu)U酸對(duì)環(huán)境的污染，具有良好的環(huán)境效益。

烷基化裝置副產(chǎn)的正丁烷，通過(guò)建設(shè)正丁烷異構(gòu)化單元，異構(gòu)化產(chǎn)品送到脫異丁烷塔，異丁烷產(chǎn)品循環(huán)到原料中，未反應(yīng)的正丁烷送分離后送到異構(gòu)化單元，組成聯(lián)合裝置，提高原料的利用率。同時(shí)正丁烷異構(gòu)屬于臨氫反應(yīng)，反應(yīng)耗氫極低，烴類(lèi)溶解的氫氣通過(guò)穩(wěn)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(yīng)器，這樣可以提高氫氣的利用率，實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)利用。正丁烷異構(gòu)單元的建設(shè)，可以減少副產(chǎn)品正丁烷的產(chǎn)量，若要按照20 kt/a的正丁烷產(chǎn)品計(jì)算，正丁烷和異丁烷之間的差價(jià)按照300元計(jì)算，正丁烷異構(gòu)的操作成本為100元/t，可以節(jié)約原料成本為400萬(wàn)元/a。

2 結(jié)論

（1）通過(guò)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(diào)整烷基化反應(yīng)器的酸烴比、烷烯比和攪拌器電機(jī)頻率，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，實(shí)現(xiàn)酸耗和電耗的最小化。

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

（4）通過(guò)原料預(yù)處理單元，脫除原料攜帶的雜質(zhì)，飽和二烯烴，酸耗降低至55～60 kg/t產(chǎn)品。

（5）建設(shè)廢酸回收處理單元和異構(gòu)化單元，分別降低年操作成本450萬(wàn)元/a和400萬(wàn)元/a。

［1］李網(wǎng)章.烷基化技術(shù)與經(jīng)濟(jì)［J］.煉油技術(shù)與工程，2012，42（11）:18-21.

［2］周靈丹，湯立新.精餾過(guò)程節(jié)能技術(shù)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(shù)特點(diǎn)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，F(xiàn)ang 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(jí)工程師，碩士，1994年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事油品加氫工藝的設(shè)計(jì)與研究工作。