[发明专利]烷基化反应动力学模型的建模方法及装置

说明书

本发明提供了一种烷基化反应动力学模型的建模方法及装置。本发明提供的烷基化反应动力学模型建模方法可以用于丁烯和异丁烷的硫酸法烷基化反应的模拟计算，其集总划分更加详细，并且依据工业装置中的烷基化反应器的结构型式及流动状态，更加接近实际的工业生产情况，可以更加准确地预测烷基化油的组成，满足现代硫酸法烷基化工艺装置流程模拟的需要；并为优化操作参数提供了更具实际意义的指导，利于提高生产装置的经济效益。

技术领域

本发明涉及烷基化反应技术领域，特别地涉及一种烷基化反应动力学模型的建模方法及装置。

背景技术

在炼油工业中，烷基化反应是以异丁烷为原料，在强酸的作用下，与C₃-C₅烯烃反应生成烷基化油的过程。生成的烷基化油具有辛烷值高，硫含量低，不含烯烃、芳烃等特点，是一种十分理想的汽油调和组分。将烷基化油作为车用汽油的调和组分不仅可以提高其辛烷值，还可以作为溶剂稀释其他汽油组分，降低汽油中硫、烯烃、苯和芳烃等的含量。

烷基化反应需要在强酸催化剂的作用下进行，所以按照催化剂的性质可以将烷基化工艺分为液体酸、固体酸以及离子液体酸三类。液体酸主要包括硫酸法和氢氟酸法，是目前广泛使用的烷基化工艺，但是也存在着不可避免的问题，在安全和环保方面都会存在很大的问题。针对传统液体酸的不足，近年来固体酸法和离子液体法得到了大力发展，但是其固体酸催化剂易失活和离子液体价格昂贵等问题尚未得到解决，没有实现大规模工业应用，目前工业上使用的烷基化工艺几乎全部为硫酸法和氢氟酸法。相比氢氟酸工艺，硫酸法烷基化操作安全，价格便宜，生成烷基化油质量高，更加符合我国的国情。

同时随着人们生活水平的提高，汽车保有量大幅增加，汽车排放尾气对空气的污染日趋严重，因此国家标准对车用汽油中硫和烯烃等的含量要求日益严格。据相关资料记载，我国车用汽油的主要组分是催化汽油，约占70％，并且硫含量普遍较高，需要进行深度脱硫之后才能调入车用汽油。而目前的脱硫工艺会伴随着烯烃饱和，导致汽油的辛烷值损失严重，所以炼厂必须要向其中加入高辛烷值的汽油调和组分加以弥补。因此，具有高辛烷值的烷基化油越来越受到重视。

烷基化反应是一个化学反应和扩散共同控制的过程，其反应非常复杂，包含一系列基于正碳离子为中间体的反应、烯烃聚合反应、断裂反应以及与催化剂硫酸的反应等等。同时烷基化的影响因素也较多，一般认为异丁烷向酸相的传质是决定反应快慢的控制步骤，在烷基化过程中，由于酸烃两相密度及黏度差异较大，因此酸烃的微观混合状态对反应的选择性及收率有较大的影响。此外，反应温度、酸浓度、酸烃比、烷烯比等也对反应收率影响较大。烷基化反应动力学是探讨烷基化机理的重要方法，许多的研究者对烷基化反应动力学进行了研究。

1945年，Schmerling最早提出了以正碳离子为基础的链式反应机理来解释烷基化过程，并将其描述为主要分为链引发、链增长、链终止三个阶段。利用正碳离子机理能够较为准确的解释酸催化的烷基化过程，现已被普遍接受。1972年，Langley利用正碳离子模型描述了丙烯和异丁烷的烷基化反应，并且根据稳态近似的方法求得了速率常数。1977年，Lien-mow Lee对硫酸法烷基化反应动力学进行研究，考虑了烯烃和烷烃的加成反应及烯烃的聚合反应，利用传质和化学反应同时进行的理论，通过实验分析了烯烃在酸相中的溶解度和扩散系数，并计算了模型参数，提出保持较高的烷烯比对于烷基化产物的质量和收率是必要的。但是考虑的反应类型较少，得到的模型细致程度有限。2013年，孙伟振研究了在间歇搅拌反应器内的硫酸法烷基化反应动力学，通过GC-MS分析得到了16种烷基化产物的分布，并且基于正碳离子反应机理建立了动力学模型来预测三种关键组分(三甲基戊烷、二甲基己烷、高碳组分)的浓度变化，但是其集总组分划分较为粗糙，对低碳组分(C₅-C₇烷烃)考虑并不完全。

烷基化反应动力学研究大大推进了烷基化工艺的进步，但是依然存在着集总组分划分不够详细、对于反应器模型的处理不够完善等问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：