烷基化装置中分馏塔的模拟计算与分析

孙锦凌 唐莉 李仙舟(兰州寰球工程有限公司，甘肃 兰州 730060)

0 引言

我国目前的汽油构成中高硫、低辛烷值的催化汽油组成高达76.7%，是欧美等发达国家的2 倍左右，我国汽油总量中烷基化汽油只占0.5%，是欧美等发达国家的1/10[1]。从辛烷值、蒸汽压、氧含量、烯烃、芳烃和硫含量等汽油的多种控制指标综合考虑，烷基化油具有最高的综合性能，是清洁环保的汽油高辛烷值调和组分[2-5]。于是近几年有很多在建和拟建的烷基化装置[6-8]。烷基化装置主要有原料预处理，烷基化反应，压缩至冷，精制和分馏单元构成[9]。本文主要对分馏单元中的2 个分馏塔进行模拟分析。

1 模拟流程简介

本次模拟用Pro/II 软件，该软件是由美国科学模拟公司SIMSCI 开发的，主要用于各种化学与化工过程中质量和能量平衡的严格计算，尤其在炼油工程中运用最为广泛。Pro/II 软件中提供了多种热力学方法用于对流体的各种物性参数的计算。对于气体、炼油过程的烃类物系，可选择PR 状态方程法对整个精馏过程进行模拟。异丁烷和正丁烷的分离流程为：含有正丁烷和异丁烷的烷基化汽油物料进入异丁烷塔精馏，塔顶得到的异丁烷产品循环去反应，塔釜出料去正丁烷塔，正丁烷塔塔顶得到正丁烷产品，塔釜得到工业异辛烷产品。

2 模拟计算与分析

为了满足反应单元的烷烯比工艺要求，异丁烷塔顶分离要求为：循环异丁烷的质量分数≥84%。

为了满足经脱氢制丁烯和丁二烯，经异构化制异丁烷，经催化氧化制顺丁烯二酸酐、醋酸、乙醛等对于原料正丁烷的要求，正丁烷塔顶分离要求为：正丁烷质量分数≥98%。

为了满足汽油辛烷值要求，正丁烷塔釜分离要求为：异辛烷产品饱和蒸汽压≥35kPa。

对于单个塔，可以通过优化回流比，进料板位置来得到最小热负荷，本文则是在单台塔优化的基础上，对两个塔联立进行模拟分析。将本次模拟进料参数及组成百分比输入软件，模拟结果如下：

异丁烷塔，循环异丁烷28900kg/h，最佳进料板位置为第7块板，最优回流比为0.79。

正丁烷塔，塔顶正丁烷产品2571kg/h，塔釜异辛烷产品23329kg/h，最佳进料板位置为第17 块板，最优回流比为2.32。

对以上模拟结果从分离要求和能耗方面进行分析。

2.1 异丁烷塔釜IC4质量分数的变化对产品质量的影响

异丁烷塔釜IC4 质量分数的变化对于异辛烷产品并无影响，但对于正丁烷产品则有很大的影响。正丁烷塔顶NC4 质量分数随异丁烷塔釜IC4 质量分数的变化如图1。

图1 正丁烷塔顶NC4质量分数随异丁烷塔釜IC4质量分数的变化

由图1 可以看出，当异丁烷塔釜IC4 质量分数＜0.075 时，随着异丁烷塔釜IC4 质量分数的增加，正丁烷塔顶NC4 质量分数也增大；当异丁烷塔釜IC4 质量分数≥0.075 时，随着异丁烷塔釜IC4 质量分数的增加，正丁烷塔顶NC 质量分数却减小。这是因为，当异丁烷塔釜IC4 质量分数较小时，有一部分NC4 会从异丁烷塔顶出去，随着异丁烷塔釜中IC4 质量分数的增加，异丁烷塔釜中IC4 和NC4 的量会增大，且塔釜中NC 的量比IC4的量增加更快，从而使正丁烷塔顶的NC 质量分数增大；但是当异丁烷塔釜中IC4 质量分数继续增大时，塔釜中IC4 的量比NC4的量增加更快，从而会使得大量的IC4出现在正丁烷塔顶，正丁烷塔顶产品中NC4 的质量分数下降。由以上分析可以得到，为了保证正丁烷塔顶正丁烷质量分数≥98%，异丁烷塔釜的异丁烷质量分数必须≤0.16%。

2.2 异丁烷塔顶IC4质量分数对异丁烷塔和正丁烷塔热负荷及流量的影响

异丁烷塔热负荷随异丁烷塔顶IC4 质量分数的变化如图2，正丁烷塔热负荷随异丁烷塔顶IC4 质量分数的变化见图3。

由图2 和图3 可以看出，随着异丁烷塔顶IC4 质量分数的增加，异丁烷塔和正丁烷塔的冷凝器和再沸器负荷都在增加，且异丁烷塔热负荷是正丁烷塔热负荷的4 倍多，变化也比正丁烷塔热负荷变化更加明显，所以在考虑能耗方面主要以异丁烷塔为主。返回反应单元的循环异丁烷质量分数越高，对于反应来说自然更好，但是异丁烷塔和正丁烷塔的能耗也在急剧增加，所以只要满足异丁烷质量分数≥84%要求，即选择异丁烷塔顶异丁烷质量分数为84%，可以使得异丁烷塔和正丁烷塔的能耗最小。

图2 异丁烷塔热负荷随异丁烷塔顶IC4质量分数的变化

图3 正丁烷塔热负荷随异丁烷塔顶IC4质量分数的变化

2.3 异丁烷塔釜IC4质量分数的变化对正丁烷塔和异丁烷塔热负荷的影响

异丁烷塔热负荷随异丁烷塔釜IC4 质量分数的变化如图4，正丁烷塔热负荷随异丁烷塔釜IC4 质量分数的变化见图5。

由图4 可以看出，随着异丁烷塔釜IC4 质量分数的增加，异丁烷塔冷凝器和再沸器负荷都减小，当异丁烷塔釜IC4 质量分数≤0.05%时，异丁烷塔热负荷减小较快，当异丁烷塔釜IC4 质量分数≥0.05%时，减小速率较慢。由图5 可以看出，正丁烷塔冷凝器和再沸器塔负荷随着异丁烷塔釜IC4 质量分数的增加而增加。根据两塔热负荷变化趋势相反，可以得出一个最优的异丁烷塔釜异丁烷质量分数范围，即控制异丁烷塔釜异丁烷质量分数在0.05%～0.13%之间。

图4 异丁烷塔热负荷随异丁烷塔釜IC4质量分数的变化

图5 正丁烷塔热负荷随异丁烷塔釜IC4质量分数的变化

3 结语

为了满足正丁烷产品质量分数≥98%，必须控制异丁烷塔釜异丁烷质量分数≤0.16%；返回反应单元的循环异丁烷质量分数选择84%，可以使正丁烷塔和异丁烷塔的能耗最小；异丁烷塔热负荷随着异丁烷塔釜异丁烷质量分数的增加而减小，正丁烷塔热负荷随着异丁烷塔釜异丁烷质量分数的增加也在增加，所以根据两塔热负荷的变化趋势确定最优的异丁烷塔釜异丁烷质量分数范围，即异丁烷质量分数在0.05%～0.13%之间。