[发明专利]用于烷基化过程分析的系统和方法

说明书

背景

相关申请

本申请要求于2008年7月28日提交的且标题为“Multi-Property Measurement”(“多性质测量”)的美国临时申请序列号61/084,142的权益，该美国临时申请的内容为所有目的以其整体通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及化学分析，且更具体地涉及烷基化过程分析和控制。

背景信息

精炼烷基化市场介绍

全世界四分之一到三分之一的精炼厂运行烷基化单元，烷基化单元把原油精炼工艺中相对低价值的副产物转化成用于生产汽油的高辛烷值组分的烷基化油。决定烷基化经济性的众多控制变量之一是酸催化剂的组成。目前，全球使用氢氟酸(HF)的烷基化单元的数量约为125，而使用硫酸(H₂SO₄或SA)的约为90。世界上略多于半数的烷基化单元位于北美，在北美，作为轿车的发动机燃料，汽油比柴油受欢迎，从而烷基化油相应地是一种有价值的调和组分。

烷基化技术的另一个重要的应用是生产LAB(线性烷基苯)，LAB是洗衣清洁剂中使用的重要的原料。然而，在运行的生产LAB(也以吨位生产的)的烷基化单元的总数量与精炼工业相比是相当少的。

背景：烷基化过程控制

在精炼工业中烷基化油是最重要的汽油调和组分之一。因为它有非常高的辛烷值，几乎不含硫，并且可用来自流化的催化裂化(FCC)单元的烯属副产物生产，所以烷基化油已被称为精炼厂的黄金。考虑到反应物很少是纯的，以及丙烯有时候混合有烯烃原料，烷基化油实际上包含化合物的混合物而不是如下面理想化的方程式所描述的纯的异辛烷：

异丁烷+异丁烯→3，3，5-三甲基戊烷(异辛烷)

在连续流动过程中产生的异丁烷和异丁烯的化学添加通常通过涉及诸如氟化氢(HF)和硫酸(H₂SO₄或SA)的强酸的液相催化而实现，尽管固相催化目前正在开发中。

监测和控制液体酸催化剂的组成，即酸强度和稀释酸的杂质的水平，是与烷基化过程的可盈利的运行相关联的最重要的挑战之一。一种重要的杂质是水，它随着原料流进入过程。虽然以ppm(百万分之)的水平存在，但由于进料速率范围从几千桶/日(bpd)到数以万计bpd，水在酸催化剂中以百分比的水平积累。相比之下，酸溶性油(ASO，如下文所定义)在酸催化剂中积累，ASO是涉及含有硫、氧或共轭双键的原料杂质的反应的副产物。

HF烷基化

就HF烷基化(HFA)来说，水一般控制在低于2％的水平以使对单元中设备的腐蚀性最小。另外，在催化剂中溶解的总烃通常维持在约11％-16％的水平以生产需要的品质的烷基化油并最大化过程经济学。在HFA中，通过烷基化单元内的酸再生来控制HF强度，这实质上是一个把HF从较高沸点杂质即水和ASO(酸溶性油，如下文所定义)中分离出来的蒸馏过程。

如果HF强度减少到低于约80％，副反应会加速并引起被称为酸失控(acid runaway)的状态，这消耗HF并产生大量的ASO。这样的失控很少发生，因为单元操作员通常有时间监测初期的失控并“拉动装料”(“pull charge”)(停止烯烃进料)以在失控状态真正发生前终止过程。然而，这种行动也终止了烷基化油的生产而催化剂被再生。而且酸再生自身具有相关费用，包括运行单元需要的能量、烃副产物的中和与处理以及新的、纯的HF的添加。因此，实时监测和控制催化剂组成的能力允许精炼者避免失控，这降低了运行成本同时还趋于最大化产品品质(辛烷)、产能和维修或更换腐蚀部件的维护停产(maintenance shutdown)之间的时间。

SA烷基化

SA烷基化(SAA)不同于HFA，因为催化剂通常不在精炼厂现场再生，除了极其个别的情况外。HF具有相对低的沸点并可被蒸馏。相比之下，SA基本上是不挥发的，因而不能通过蒸馏来纯化。相反，废酸一般必须通过轨道车运输进行远途处理。因此，与厂区外再生相关的高成本部分抵消了所认为的SA高于HF的安全优势，即SA的低挥发性。

已知烷基化反应仅当酸强度足够高以致能催化异丁烷与烯烃的反应时发生，当SA的强度由于ASO和水的积累降到低于一定水平时(通常约88％-90％)SA的效力降低。因此，SA烷基化的经济学取决于确切地知道SA变得太弱且必须取出不用的点。例如，如果酸强度≥88.5％时可经济性地生产高品质的烷基化油，则当SA的强度为89％时，将SA取出不用可能代价会非常高。

酸催化剂的传统分析