炼油气分轻碳四分离工艺优化方案

科研开发李勇 曲云摘要：炼油气分轻碳四经过异丁烷异丁烯分离塔分离后，塔顶的异丁烷等轻组分留在炼油区供烷基化；而异丁烯等重组分经过脱硫精制和选择性加氢处理供化工MTBE装置。

本文用Aspen Plus流程模拟软件模拟轻碳四异丁烷异丁烯分离，并进行单双塔方案对比，得出最优方案，为工艺包设计提供数据支持。

炼油气分轻碳四经过碳四分离处理后可满足化工MTBE装置的进料要求，从而实现炼油、化工物料互供，提高公司碳四资源的综合利用率。

关键词：碳四综合利用，碳四分离，Aspen模拟，方案设计中图分类号：TQ028.3 文献标识码：A 文章编号: T1672-8114(2011)11-033-05（中国石油兰州石化公司研究院，甘肃 兰州 730060）前言炼化碳四作为炼化企业重要的炼油和化工副产品，也是碳四加工装置的重要资源。

炼油区以碳四为原料的生产装置有：烷基化、MTBE、甲乙酮、顺酐等；化工区以碳四为原料的生产装置有：碳四抽提、MTBE和1-丁烯联合装置等。

根据炼油碳四的组成结构分析，轻碳四的主要成分是异丁烷、异丁烯和1-丁烯。

炼油系统主要利用的是轻碳四中的异丁烷和异丁烯，异丁烷用于生产烷基化汽油，异丁烯用于醚化生产高辛烷值汽油调和组分MTBE，对于异丁烯的转化率要求不高；化工MTBE装置的目的产品除了MTBE以外还要得到高纯度的1-丁烯，由于异丁烯和1-丁烯的沸点差只有0.4℃，采用普通精馏的方法无法分离得到高纯度的1-丁烯，而必须通过高转化率的异丁烯醚化反应来除去异丁烯，再用普通精馏的方法的分离得到高纯度的1-丁烯，因此异丁烯的转化率要求99.9%以上。

炼油气分轻碳四送化工不仅可以使炼油碳四中的1-丁烯得到分离增加化工产品1-丁烯，还可以提高异丁烯的转化率，使得公司碳四资源的整体利用率得到进一步提高。

根据化工MTBE装置的进料要求，炼油碳四供化工物料中异丁烯的浓度要求≮33%。

本文用AspenPlus 软件模拟计算炼油轻碳四的分离，分离出的轻碳四炼油气分轻碳四分离工艺优化方案（异丁烷）供烷基化；重碳四（异丁烯、丁烯-1）供化工MTBE装置。

塔底重碳四物料中要求异丁烯的浓度≥33%，根据这一要求开展模拟计算和方案帅选，为工艺包设计提供数据依据。

1 炼油轻C4与乙烯裂解C4的组分分析分别对催化裂化副产的混合C4和乙烯裂解C4组分进行分析，得到表1数据。

从表1可以看出，炼油碳四中异丁烷的含量太高远远不能满足化工MTBE装置的进料要求，同时异丁烷作为炼油烷基化装置的原料，需要提前分离出来留在炼油系统。

因此，本文提出炼油轻碳四增加异丁烷、异丁烯分离。

轻碳四异丁烷异丁烯分离的主要工艺原理为，利用混合轻碳四组分中不同组分的沸点差采用普通精馏的方法进行关键组分的分离。

本文采用Aspen Plus流程模拟软件对轻碳四异丁烷、异丁烯分离工业装置的核心设备精馏塔进行了单、双塔两种方案的模拟计算，并通过对比得出最优分离方案。

2 Aspen Plus模拟 2.1物性方法选择物性集是 Aspen Plus 用来计算热力学性质和传递性质的方法与模型的集合，选择合适的物性集是模拟Chenmical Intermediate2011年第11期· ·34结果正确与否的关键。

本文模拟计算的原料主要是碳四，分别是四个碳原子的烷烃、单烯烃、双烯烃及少量的碳三，极性很小，模拟计算时可选择SRK方法。

2.2 分离模块的选择Aspen Plus 提供了DSTWU、Distl、ScFrac、RadFrac、MultiFrac、PetroFrac、RateFrac、BatchFrac 和Extract 九类塔的评价和设计计算模型。

DSTWU使用Winn-Underwood-Gilliland 方法的简捷法精馏设计；Distl 使用Edmister方法的简捷蒸馏设计，这两个模型都只能设计单股进料和两股产品的简单塔。

ScFrac 用于模拟炼油塔的简捷计算；RadFrac是一个基于流率的非平衡的模型，用于模拟各种类型的多级气—液精馏操作，可用于一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏；PetroFrac 模型使用严格数学模型处理石油炼制工业中所有复杂汽液分馏操作的评价和设计；MultiFrac是一个严格用于模拟一般相互连接的多级分流单元系统；RateFrac 提供了各类塔基于严格非平衡级模型的设计和计算；BatchFrac 提供间歇精馏的严格计算；Extract 提供了液-液萃取塔的严格计算模型。

本文的核心计算是轻碳四分离，为普通精馏，因此通过对各模块的比较，选用RadFrac 单元操作模块最为合适。

流程如图12.3 单塔模拟计算结合现场塔高可建60m，模拟计算时，实际塔板数选择110块板，板效0.75。

碳四原料进入精馏塔，分离后异丁烷等轻组分从塔顶采出，异丁烯等重组分从塔釜采出。

在工艺设计时，塔顶轻组分出来要用表面蒸发器进行冷却，因此，我们选择塔顶无冷凝器的RadFrac模块进行优化，流程如图2。

轻碳四原料经过加热后进入精馏塔B1，分离后异丁烯等重碳四由塔底采出，塔顶的异丁烷等轻碳四经过与原料换热后在经过塔顶冷凝器冷凝。

冷凝后的物料一部分出装置，另一部分返回精馏塔塔顶做回流液，因此，建模时在冷凝物料后加了个物流分离模块——FSplit。

表 1 炼油轻碳四的组成及化工MTBE装置进料组成图1 RadFrac精馏模块图图2 单塔模拟流程图图3 双塔模拟流程图Chenmical Intermediate 2011年第11期· ·36 2.4 双塔模拟计算采用两个精馏塔串联，现场塔高以50m记，实际塔板数选择100块板，板效0.75。

根据流程，物料第一个精馏塔B1进入，重碳四由塔底采出，轻碳四进入第二个精馏塔B2，轻碳四从B2塔顶采出，重碳四由塔底返回B1继续精制。

如图3。

由于两塔串联实际相当于把两个叠在一起，因此模拟计算时用单塔（实际板数200）来代替双塔串联的模拟结果。

流程和单塔模拟时相同如图2，只是精馏塔的塔板数由110增加至200。

3 单双塔模拟计算方案对比分离的苛刻度以工程公司在做工程项目方案设计时提出化工MTBE装置异丁烯进料浓度不低于33%的要求进行计算。

在相同的条件，单、双塔得到的计算结果如表2：根据轻碳四异丁烷异丁烯分离工业装置模拟计算的结果，在分离条件相近的情况下，双塔的塔顶空冷热负荷是单塔的76.83%，双塔的塔底热负荷是单塔的77.57%，如果采用双塔的方案可节能约20%。

为了充分利用装置能量，原料进塔前增加换热。

以原料来自C4罐区为常温考虑，进装置温度为20℃，先与塔顶物料换热到44℃，相应减少塔顶冷凝负荷，再进塔的第60层（单塔）或第100层（双塔）板。

具体的耗能品种，根据塔顶和塔釜的操作温度，塔顶冷凝系统采用表面蒸发空冷，以减少系统循环水的消耗，塔顶物料先与原料换热后温度将降至约50℃，再用表面蒸发空冷冷凝至46℃，一部分作为产品异丁烷抽出经碳四选择性加氢去烷基化装置，一部分作为塔顶回流，塔顶主要耗能品种为电和软化水；塔底采用0.3Mpa低压蒸汽作为热源，在0.3Mpa低压蒸汽系统量不足时补充1.0Mpa蒸汽。

单双塔的能耗及耗能品种对比计算如表3。

表2 轻碳四异丁烷异丁烯分离工业装置分离模拟计算结果对比表注：蒸汽采用部分1.0Mpa减压并入0.3Mpa，使得蒸汽压力为0.3Mpa，温度过热为150℃从表3可以看出，双塔的耗电量比单塔约少80kW；软化水消耗差约2.06 t/h。

而单、双塔方案采用的设备基本相同，投资成本接近，但由于双塔方案的回流比小于单塔方案，塔顶热负荷减小，塔顶用于冷却介质的表面蒸发空冷器减少，投资相对较少。

因此，无论是从能耗和操作费用对比还是从投资对比，双塔方案都要优于单塔方案。

因此，本文最终采用双塔方案。

4 结论①经过单双塔计算结果对比，得出双塔方案优于单塔方案，因此本文推荐碳四分离关键设备采用双塔串联。

②由计算得出，碳四分离的指标：塔顶异丁烷浓度>85%，塔底异丁烯浓度>33%。

③经过碳四分离单元后，炼油轻碳四的组成能满表3 轻碳四异丁烷异丁烯分离工业装置耗能估算对比表足化工MTBE装置的进料要求，从技术层面上可以实现炼油轻碳四和乙烯裂解碳四混合进行后续加工生产聚合级丁烯-1，从而实现炼厂碳四资源的综合利用。

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4 结语BDO产能过剩已成为国内生产商面临的严峻问题。

面对激烈的国内外市场竞争，国内扩建和新建BDO装置应慎重投资，应具有经济规模，应选用具备原料优势的生产技术，加快下游产品开发；并对原有装置及非一体化装置进行整合，提高装置竞争能力，向国际市场拓展，将是我国BDO生产企业的必然战略选择。