烷基化裝置原料結構優化分析

唐未慶

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271)

烷基化過程為化學反應過程，其原料的有效組分是各種C4液化氣中所含的異丁烷和C4烯烴,這些液化氣是上游裝置的副產品，不同來源的液化氣性質差異非常大，同渠道不同時間段原料的性質也常出現較大差異。烷基化負荷及其原料結構優化計算，涉及參數包括各種C4原料可供資源量、各原料的成本(或可比價格)、各原料的性質(包括異丁烷及C4烯烴質量分數等)、裝置進料烷烯比、產品價格、烷基化油產量/需求量(包括自用及出廠)、燃動能耗消耗等各種參數。因參數眾多，在用Excel電子表格等傳統方法進行測算時，只能先進行有限個不同原料組合方案的計算，然后比較并找出這些方案中原料烷烯比“接近”控制值、效益也相對較大的方案。用Excel計算烷基化原料結構，不僅計算工作量大，誤差也大。PIMS(即Process Industry Modeling System，流程工業模型系統)常用于煉化一體化企業的整體優化，國內外已大量使用。由于編制PIMS模型及運用模型專業性較強，導致PIMS模型應用受到限制。在此結合某企業烷基化裝置原料優化工作需要，編制烷基化裝置專用PIMS優化模型，可對烷基化負荷及原料結構等進行優化計算。

1 烷基化裝置及原料基本情況

1.1 烷基化裝置情況

某企業烷基化裝置的設計能力為300 kt/a烷基化油，烷基化裝置包括原料分離精制、烷基化及酸處理等生產單元。其中原料精制單元通過選擇性加氫及精餾，對其中的有害雜質進行加氫精制并分離出部分輕組分；烷基化單元則采用杜邦STRATCO硫酸法烷基化技術，使原料中的異丁烷與正丁烯、順/反丁烯、異丁烯等C4烯烴發生烷基化反應，生成以C8烷烴為主要組分的烷基化油。原料中所含的C2/C3、正丁烷等無效反應組分,最終以燃料氣、飽和液化氣等形式排出烷基化裝置。

1.2 烷基化反應對原料性質的要求

有效組分即原料中的異丁烷和C4烯烴組分，通過烷基化反應生產烷基化油。有效組分質量分數越高，對烷基化油(主產品)收率貢獻也越高，反之越低。

烷烯比即異丁烷與C4烯烴質量分數的比值，也是原料性質的重要指標。裝置進料中的異丁烷質量分數提高，即烷烯比提高，有利于提高烷基化油的辛烷值。烷基化反應理論烷烯比1.0[1]。基于該企業烷基化裝置的特點及原料品種多等情況，原料之間組合配比操作難度大，裝置實際生產需要的烷烯比為1.2～1.3,一般按1.26進行測算。原料烷烯比超過1∶1時,多余的異丁烷隨正丁烷進入飽和液化氣。烷基化裝置烷烯比需求不同，原料結構不同。

1.3 主要原料性質

該企業自產的C4原料包括1#氣分C4(初始來源于催化裝置)、2#氣分C4(初始來源于焦化裝置)，但自產C4的性質和數量均不能滿足烷基化裝置生產需要，需要外購C4原料作為補充。外購C4原料包括CZ C4、YS C4、ZS C4及外購異丁烷等。各種外購C4原料性質差異非常大，詳見表1。表1中C4原料組成初始數據為體積分數，已經按優化計算工作需要折算成質量分數。

表1 測算采用的各種C4原料基礎性質

(1)有效組分質量分數排序。有效組分質量分數與烷基化油收率、原料邊際貢獻相對大小直接相關。上述各原料的有效組分質量分數高低順序是：1#氣分C4≈外購異丁烷>YS C4>CZ C4>ZS C4>2#氣分C4。由于各原料性質是不斷變化的(個別原料性質變化還較大)，實際工作中需要根據屆時原料性質報告及時更新計算用的性質基礎數據。

(2)異丁烷質量分數及烷烯比。由表1可見，各種烷基化原料的烷烯比相差很大，按大小排序順序是：外購異丁烷>CZ C4≈1#氣分C4>YS C4≈2#氣分C4>ZS C4。由于各種原料性質的變化，這個順序是不固定的。表1中兩種特殊原料是ZS C4和外購異丁烷，ZS C4烷烯比一般只有0.17左右(異丁烷質量分數低、C4烯烴質量分數高)；外購異丁烷原料的異丁烷質量分數85%～90%，烷烯比很高。這兩種外購原料性質偏離裝置需求較大。

當然不同的原料性質不同，技術上都需要其他原料來調合配比；另外，不同的原料價格/進廠成本也不相同，對裝置經濟效益貢獻也不同。優化工作既要考慮技術因素也要考慮經濟因素，只有“統籌考慮、綜合測算”，才能達到裝置效益最大化的目的，這也正是編制PIMS模型用于烷基化原料優化的目的。

2 PIMS模型的編制及運行

2.1 烷基化PIMS模型結構

PIMS模型可將企業生產經營各種參數集成測算。文章中的PIMS模型同樣包括原料買表(Buy)、產品賣表(Sell)、裝置表(Submodels)及其他附表。PIMS模型將所有參數集合在一起，利用線性規劃理論進行測算。

將各種C4原料可供資原料量上下限、各種原料成本(或可比價格)，編入買表(buy表)；將裝置所產產品(烷基化油、飽和液化氣及燃料氣)銷售價格、產品尤其是烷基化油產品需求量上下限值(包括自用及出廠)，編入賣表(sell表)；將各種C4原料的異丁烷質量分數、C4烯烴質量分數、正丁烷及其他非有效組分質量分數，按裝置進料烷烯比，以及不同原料的燃動能耗等各種參數編入Submodels模型，分單元建模。由于部分原料不同時期的原料性質變化都較大，對部分原料按其烷烯比高、中、低等不同情況分別編入PIMS模型。總進料烷烯比1.26控制，可以根據需要修改本指標。

對于各測算常用變量，包括原料資源、市場價格、烷基化油產量/需求量等編入Case表進行測算[2]。

2.2 PIMS模型測算基礎條件

原料成本已扣除增值稅，包括運輸費、裝卸費等，其中自產1#氣分C4、2#氣分C4等有成本優勢，是優先使用的資源，詳見表2。

表2 各種C4原料資源量及其成本

另外，烷基化油的需求包括企業調合汽油自用、定點外售等兩種途徑。烷基化油產量是關鍵參數，也是決定C4原料結構的關鍵因素之一。烷基化產品價格如表3所示。

表3 產品產量范圍及產品價格

表3中產品產量與需求直接相關，烷基化油產量下限14 614 t、上限26 571 t，表示烷基化油最低產量需求是14 614 t(包括企業汽油調合使用和外售需求量)，產量上限26 571 t表示超過此量再多產的烷基化油無去向(無需求)，這些都是每次測算的變量(測算以月為單位)。

3 PIMS模型分析結果

3.1 原料結構的優化

按6種原料考慮，包括自產1#氣分C4、2#氣分C4、CZ C4、YS C4、ZS C4及外購異丁烷等，利用PIMS模型對不同烷基化油產量(裝置負荷率)下的原料結構進行計算，結果見表4。

表4 不同負荷率時原料及產品結構

通過PIMS模型運行及對計算結果的分析，可以發現：

(1)不同裝置負荷率即烷基化油不同產量時，原料結構不同。分析認為這是由于裝置負荷提高時，必須要通過兩種或兩種以上原料“配比”，才能滿足裝置進料“烷烯比”要求。

(2)自產原料是首選，應根據需要外購原料。自產原料有價格優勢，且1#氣分C4還是有效組分質量分數最高的原料，因此自產原料是優先使用的原料。因自產原料量不足，需外購原料作為必要補充。

(3)外購異丁烷和ZS C4性質特殊，影響大。其中外購異丁烷原料的異丁烷質量分數85%～90%，烷烯比一般在100～300；而ZS C4原料烷烯比只有0.17左右。這兩種原料的“烷烯比”與裝置生產需要的“烷烯比”差距較大，要重點關注。對于ZS C4原料，只有在烷基化油產量即需求量大、需要烷基化裝置高負荷運行(如超過65%負荷率)時，才需要采購ZS C4。

(4)隨著裝置負荷率提升，裝置效益并沒有同步提升。這表示在此種價格條件下，用外購原料生產烷基化油沒有邊際貢獻。如表4中70%負荷運行相對65%負荷運行，增加的原料是外購ZS C4，這是與外購異丁烷料進行配比的，這種配比受價格影響無經濟效益。

3.2 部分C4原料與異丁烷配比

烷基化原料結構最重要影響因素是原料的烷烯比，它與各原料數量配比直接相關。在滿足進料烷烯比1.26情況下，按表1原料性質，幾種C4原料與外購異丁烷的配比結果見表5。

表5 部分C4原料與外購異丁烷數量配比

在表1原料性質前提下，各種C4原料需要匹配的外購異丁烷量是不一樣的。其中2#氣分C4每1 000 t原料只需匹配52 t外購異丁烷，而ZS C4每1 000 t原料需要匹配的外購異丁烷量卻高達682 t。

1#氣分C4與2#氣分C4的烷烯比差異較大，有效組分質量分數差異也較大，但需要匹配的外購異丁烷量接近。分析認為，不同原料對匹配外購異丁烷配比需求量，與其單位原料中富裕C4烯烴量直接有關，而不是與其烷烯比直接相關。

3.3 原料性質變化對原料配比的影響

由于上游裝置各種各樣的原因，導致各C4料性質是變化的，也直接影響了烷基化裝置原料結構優化。YS C4原料性質變化如表6所示，其他C4原料性質變化也或大或小。

表6 YS C4原料的性質變化

YS C4在不同時間段原料烷烯比的變化，造成其與外購異丁烷的數量配比也相應變化，計算結果見表7。

表7 YS C4烷烯比變化時原料配比及產出

其中高烷烯比即該原料烷烯比1.31工況時，其烷烯比已經超過裝置需求的1.26，此時不再需要外購異丁烷進行配比，甚至該原料還可以貢獻異丁烷給其他原料。

4 結論

(1)烷基化裝置原料優化涉及到的參數眾多，計算過程復雜，與傳統Excel計算方式相比，編制的PIMS專用模型用于烷基化裝置優化是值得和可行的，避免了傳統方法試算準確性差的問題，提高了工作效率，有助于提高烷基化裝置的經濟效益。

(2)烷基化裝置原料優化涉及的參數變化相對較大。實際工作中需要及時根據原料性質、原料資源、市場價格、烷基化油需求量及其價格等因素，及時更新參數，進行優化測算。具體優化結果與測算條件直接相關，特定條件下的計算結果僅做參考。

(3)原料烷烯比低、異丁烷資源不足等因素是制約提高裝置負荷率的關鍵。建議采取包括提高自產C4原料烷烯比、多采購高異丁烷含量原料、裝置操作精細化等在內的各種措施，提高裝置負荷率和經濟效益。