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(gòu)成中高硫、低辛烷值的催化汽油組成高達(dá)76.7%，是歐美等發(fā)達(dá)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(fā)達(dá)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(biāo)綜合考慮，烷基化油具有最高的綜合性能，是清潔環(huán)保的汽油高辛烷值調(diào)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(yù)處理，烷基化反應(yīng)，壓縮至冷，精制和分餾單元構(gòu)成[9]。本文主要對分餾單元中的2 個分餾塔進(jìn)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(xué)模擬公司SIMSCI 開發(fā)的，主要用于各種化學(xué)與化工過程中質(zhì)量和能量平衡的嚴(yán)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(xué)方法用于對流體的各種物性參數(shù)的計算。對于氣體、煉油過程的烴類物系，可選擇PR 狀態(tài)方程法對整個精餾過程進(jìn)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(jìn)入異丁烷塔精餾，塔頂?shù)玫降漠惗⊥楫a(chǎn)品循環(huán)去反應(yīng)，塔釜出料去正丁烷塔，正丁烷塔塔頂?shù)玫秸⊥楫a(chǎn)品，塔釜得到工業(yè)異辛烷產(chǎn)品。

2 模擬計算與分析

為了滿足反應(yīng)單元的烷烯比工藝要求，異丁烷塔頂分離要求為：循環(huán)異丁烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥84%。

為了滿足經(jīng)脫氫制丁烯和丁二烯，經(jīng)異構(gòu)化制異丁烷，經(jīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)≥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(chǎn)品飽和蒸汽壓≥35kPa。

對于單個塔，可以通過優(yōu)化回流比，進(jìn)料板位置來得到最小熱負(fù)荷，本文則是在單臺塔優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對兩個塔聯(lián)立進(jìn)行模擬分析。將本次模擬進(jìn)料參數(shù)及組成百分比輸入軟件，模擬結(jié)果如下：

異丁烷塔，循環(huán)異丁烷28900kg/h，最佳進(jìn)料板位置為第7塊板，最優(yōu)回流比為0.79。

正丁烷塔，塔頂正丁烷產(chǎn)品2571kg/h，塔釜異辛烷產(chǎn)品23329kg/h，最佳進(jìn)料板位置為第17 塊板，最優(yōu)回流比為2.32。

對以上模擬結(jié)果從分離要求和能耗方面進(jìn)行分析。

2.1 異丁烷塔釜IC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對于異辛烷產(chǎn)品并無影響，但對于正丁烷產(chǎn)品則有很大的影響。正丁烷塔頂NC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖1。

圖1 正丁烷塔頂NC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨異丁烷塔釜IC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

由圖1 可以看出，當(dāng)異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.075 時，隨著異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，正丁烷塔頂NC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增大；當(dāng)異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.075 時，隨著異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，正丁烷塔頂NC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻減小。這是因為，當(dāng)異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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?shù)腘C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大；但是當(dāng)異丁烷塔釜中IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)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(xiàn)在正丁烷塔頂，正丁烷塔頂產(chǎn)品中NC4 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。由以上分析可以得到，為了保證正丁烷塔頂正丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%，異丁烷塔釜的異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須≤0.16%。

2.2 異丁烷塔頂IC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對異丁烷塔和正丁烷塔熱負(fù)荷及流量的影響

異丁烷塔熱負(fù)荷隨異丁烷塔頂IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖2，正丁烷塔熱負(fù)荷隨異丁烷塔頂IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，異丁烷塔和正丁烷塔的冷凝器和再沸器負(fù)荷都在增加，且異丁烷塔熱負(fù)荷是正丁烷塔熱負(fù)荷的4 倍多，變化也比正丁烷塔熱負(fù)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(yīng)單元的循環(huán)異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，對于反應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)≥84%要求，即選擇異丁烷塔頂異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fù)荷隨異丁烷塔頂IC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖3 正丁烷塔熱負(fù)荷隨異丁烷塔頂IC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.3 異丁烷塔釜IC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對正丁烷塔和異丁烷塔熱負(fù)荷的影響

異丁烷塔熱負(fù)荷隨異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖4，正丁烷塔熱負(fù)荷隨異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見圖5。

由圖4 可以看出，隨著異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，異丁烷塔冷凝器和再沸器負(fù)荷都減小，當(dāng)異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.05%時，異丁烷塔熱負(fù)荷減小較快，當(dāng)異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥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(fù)荷隨著異丁烷塔釜IC4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。根據(jù)兩塔熱負(fù)荷變化趨勢相反，可以得出一個最優(yōu)的異丁烷塔釜異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍，即控制異丁烷塔釜異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.05%～0.13%之間。

圖4 異丁烷塔熱負(fù)荷隨異丁烷塔釜IC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖5 正丁烷塔熱負(fù)荷隨異丁烷塔釜IC4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

3 結(jié)語

為了滿足正丁烷產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%，必須控制異丁烷塔釜異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.16%；返回反應(yīng)單元的循環(huán)異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇84%，可以使正丁烷塔和異丁烷塔的能耗最??；異丁烷塔熱負(fù)荷隨著異丁烷塔釜異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，正丁烷塔熱負(fù)荷隨著異丁烷塔釜異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加也在增加，所以根據(jù)兩塔熱負(fù)荷的變化趨勢確定最優(yōu)的異丁烷塔釜異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍，即異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.05%～0.13%之間。