硫酸法烷基化装置节能降耗措施

引言

硫酸法烷基化是石油炼制中生产高辛烷值汽油组分的重要工艺过程。随着环保要求的日益严格和能源价格的不断上涨，如何降低硫酸法烷基化装置的能耗物耗，已成为炼油企业面临的重要课题。据统计，传统硫酸法烷基化装置的能耗占整个炼油过程的 8%-12% ，酸耗更是影响生产成本的关键因素。本文从工艺原理出发，分析了硫酸法烷基化装置的能耗特点。研究结果对于提高装置运行效率、降低生产成本、减少环境污染具有重要的现实意义。

1 硫酸法烷基化的基本原理

硫酸法烷基化是一种化学反应过程，主要用于将轻烯烃如丁烯、戊烯与异丁烷在硫酸催化下进行烷基化反应，生成高辛烷值的烷基化汽油。这种汽油成分可以显著提高燃料的辛烷值，并改善其性能，烷基化反应通常是在液相中进行，涉及到硫酸和烯烃的化学反应。在硫酸催化下，烯烃被质子化形成烯基阳离子，质子化过程是硫酸作为催化剂的关键步骤。生成的烯基阳离子与异丁烷反应，形成烷基化产物，反应产物中的酸和烃相需要通过分离和中和过程去除，以获得纯净的烷基化产品。

2 工业硫酸行业绿色化发展关键技术研究

2.1 化工副产高浓度有机废酸资源化高值利用关键技术

针对当前工业应用的高温裂解法处理高浓度有机废硫酸存在着运行成本高、操作风险大、碳资源浪费等问题。中国科学院过程工程研究所和鲁北化工股份有限公司、北京中富瑞科环保科技有限公司创新性的提出了低温炭化处理高浓度有机废酸高值高效利用的新工艺。该工艺中废硫酸中的有机物通过低温炭化形成近于石墨结构的富含磺酸基功能炭材料，低温还原获得硫酸原料的二氧化硫，实现了硫酸和炭材料分离。并且，所得炭材料具有较大的比表面积、较强的酸性，可以用作固体酸催化剂、土壤改良剂等实现高值化利用；炭化过程中有机物将废硫酸还原反应生成二氧化硫并进入制酸系统制成新硫酸，实现有机物的完全脱除。

2.2 分离系统节能技术

采用先进控制策略，如多变量预测控制，可使分馏塔的操作更加平稳，减少能量浪费。实践表明，实施先进控制后，塔底再沸器蒸汽消耗可降低 5%-8% 。改进塔内件设计是另一重要措施。使用高效规整填料代替传统塔盘，可降低塔压降 30%-40% ，相应减少再沸器热负荷。某装置改造后，分馏塔能耗下降了12% 。优化产品分离流程也能带来节能效果。考虑采用热泵精馏技术，将塔顶蒸汽压缩后作为再沸器热源，可节约蒸汽 30%-50% 。虽然初期投资较大，但投资回收期通常在2-3 年。

2.3 脱正丁烷塔操作参数的优化

脱正丁烷塔利用分馏原理，通过加热和冷却使混合物中的组分根据其沸点差异分离，正丁烷在塔内的蒸发和冷凝过程是关键，通过这些过程将其从其他组分中分离出来。塔底部的加热器加热进料，使正丁烷蒸发吗，冷凝器冷却塔顶的气体，将正丁烷和其他挥发性组分液化，回流液体重新进入塔内进行分离。塔内装有填料或托盘，提供气液接触的表面积，促进分离过程，气体上升，液体下降，实现有效分离。通过实验和模拟确定最佳操作温度范围，确保塔内温度在合理范围内，以优化分离效率和能耗，优化后的操作温度可以提升分离效率，同时减少加热能耗，降低生产成本。根据实际需求和经济效益，合理调整回流比，以平衡分离效率和能耗，适当的回流比可以有效提高分离效率，同时降低冷凝和加热能耗。优化进料流量，避免过量进料导致的能耗增加，同时保持塔内操作稳定，控制进料流量有助于减少能耗，并提高塔的运行稳定性和分离效率。

2.4 硫酸法烷基化产生的硫酸废液过程减排关键技术

烷基化油对提升中国燃油质量及控制大气污染排放至关重要，硫酸法烷基化每生产 1 吨烷基化油约产生 80-120kg 硫酸废液，硫酸废液由于其强氧化性及含有复杂有机化合物，对生态环境的危害巨大。某化工企业为最大限度的降低硫酸废液带来的污染和危害，自主研发了原料深度脱杂物、组合式模块化酸烃高效分离、废酸离心闪蒸强化分离及 X 型组合纤维强化油水分离的新技术及装备，构建了以提升原料预处理深度及反应分离过程精控的硫酸法烷基化全过程废酸减排新方法，并建立示范装置。其中，采用以该技术为核心的碳四原料深度脱甲醇和含重金属废水强化萃取处理技术，突破了传统水洗塔分离效率低、溶剂损耗量大的技术瓶颈，高 COD 甲醇废水排放量降低了 68% ，原料中有氧化合物含量降低了 95% ，从污染物产生源头减少了废酸产生量；采用粗粒化 - 快速分离 - 深度破乳分离的组合式高浓度酸液分离技术，解决了常规分离方法因停留时间长导致酸烃副反应而造成废酸产生量大、产品质量低的难题，酸烃分离时间降低了 50% ，精度由 3000ppm 提升到 30ppm ，从反应分离单元减少了废酸产生量；采用废酸离心强化闪蒸回收与X 型纤维组合强化油水分离的新方法，解决了废酸夹带及碱液损耗量大的问题，含碱废水排放降低了 20% 以上。

2.5 除盐水节能降耗

反渗透工艺优化通过提升反渗透膜的性能，例如采用高通量、抗污染膜，优化膜的清洗和更换周期，以提高反渗透系统的处理效率和寿命，降低单位处理能耗。离子交换工艺优化可以改进离子交换树脂的选型和再生方法，例如使用高容量的树脂和优化再生剂的使用，提高了树脂的再生效率和使用寿命，减少离子交换过程中的能耗和化学品消耗。蒸馏工艺优化通过采用多效蒸馏或多级闪蒸技术，提高蒸馏过程的热效率，减少能源消耗。对除盐过程中产生的浓缩废水进行处理，回收其中的水分和可再利用的化学品，可以减少废水排放，降低水资源的消耗并减少废水处理成本。在除盐系统中设置资源回收装置，如回收浓缩水中的盐分和矿物质，以便进一步利用，也可以减少废弃物的处理需求。

2.6 坚持末端治理，确保达标排放

末端治理是确保工业硫酸制造企业环境合规的最后一道防线，通过采用高效的废气、废水和固废处理设施，确保污染物达标排放，进而实现环境与经济的可持续发展。对于废气的治理，要针对不同类型的污染物选择合适的处理技术。比如，对二氧化硫（SO2）可采用湿法脱硫技术，对氮氧化物（NOx）则可通过选择性催化还原（SCR）技术，对挥发性有机物（VOCs）可通过活性炭吸附、燃烧法或光催化氧化等技术进行处理；在废水处理方面，针对重金属和有机物等污染物，可采取多级处理工艺。化学沉淀法常用于去除废水中的重金属离子，生物处理法则适用于有机物的降解，对于难降解的有机物还需结合高级氧化技术；在固体废物的处理方面，对于一般工业固废，可通过分类收集、压缩减容等方式减少其体积，便于后续处置。

结语

本文通过对硫酸法烷基化装置的压缩机转速、脱异丁烷塔和脱正丁烷塔操作参数进行优化，并改进原料预处理、循环水和除盐水系统，显著提升了装置的能源利用效率，优化措施有效降低了能源消耗，同时提高了生产经济性和环保性能。未来，为进一步提升装置的能效和经济性，建议进行长期监测与数据分析，优化投资与回报分析模型，增强系统整合能力，探索新技术的研究与应用，以推动装置的进一步优化与升级。

参考文献：

[1] 尚智，李朋宇，杨富淋 . 硫酸法烷基化装置存在的腐蚀问题与解决措施 [J]. 全面腐蚀控制，2024，38（1）：119-124.

[2] 邹继龙，李锋，邹永康，赵兰. 硫酸法烷基化装置单反应器运行探讨[J].硫磷设计与粉体工程，2023，（4）：20-23+5-6.

[3] 牛东会，席绍然，程建丰，张晋清. 硫酸法烷基化装置节能降耗措施[J].石油炼制与化工，2022，53（10）：76-81.