炼厂气体分离与加工：气体分馏、烷基化、异构化工艺

炼油厂除了生产汽柴油等液体燃料外，还产生大量的炼厂气——主要包括催化裂化干气、液化气（LPG）、焦化干气等。这些气体中含有丰富的C3（丙烷/丙烯）、C4（丁烷/丁烯/异丁烷）和C5组分，经过分离和加工后可以生产高辛烷值汽油调和组分和化工原料，是炼厂重要的利润增长点。

一、气体分馏装置

气体分馏（Gas Fractionation）是利用各组分沸点差异分离炼厂气的工艺过程。典型的流程是：来自催化裂化装置的液化气经脱硫（用胺液脱除H₂S和部分COS）后进入脱丙烷塔——塔顶分出C3组分（丙烷+丙烯），塔底C4及以上组分进入脱丁烷塔——塔顶分出C4组分，塔底为C5+组分。实际操作中，气体分馏装置通常由脱丙烷塔、脱丁烷塔和脱乙烷塔组成。脱丙烷塔的操作压力约1.8-2.0MPa（保持塔顶冷凝温度在40-50°C），理论板数40-60块。丙烯与丙烷的精馏分离需要在丙烯精馏塔中进行——由于两者的沸点差仅约4°C，塔板数需要150-200块，回流比高达15-20:1，是炼厂能耗最高的精馏塔之一。丙烯纯度要求一般达到99.5%以上才能作为聚丙烯原料。

二、烷基化工艺

烷基化（Alkylation）是碳四烯烃（异丁烯、丁烯-1、丁烯-2）与异丁烷在强酸催化剂作用下反应生成高辛烷值烷基化汽油（主要为三甲基戊烷异构体，RON 93-97，MON 91-95）的重要工艺。烷基化油不含烯烃和芳烃，是清洁汽油的理想调和组分。工业上主要有两种烷基化工艺：硫酸法（H₂SO₄，温度5-10°C，酸浓度88%-95%）和氢氟酸法（HF，温度20-40°C）。硫酸法烷基化采用STRATCO（现在的杜邦/科莱恩技术）的接触式反应器或KBR的K-SAAT反应器。HF法烷基化虽然设备投资和能耗低于硫酸法，但HF毒性极大，HF泄漏可能形成有毒蒸汽云团，因此近年来新建装置更倾向于硫酸法或新的固体酸烷基化技术（如UOP的Alkylene/离子液体/烷基化）。烷基化反应的烯烃空速约0.1-0.5h⁻¹，异丁烷/烯烃摩尔比控制在5-15:1以抑制聚合副反应。硫酸法烷基化的酸耗约40-80kgH₂SO₄/吨烷基化油。

三、异构化工艺

异构化（Isomerization）是将正构烷烃转化为异构烷烃的催化反应，主要用于生产高辛烷值汽油调和组分和生产MTBE/TAME的原料异丁烯。轻石脑油异构化——原料为C5/C6馏分（正戊烷RON 61.7、正己烷RON 24.8）通过异构化转化为异戊烷（RON 92.3）和异己烷（RON 73.5-93.5），使RON提升15-25个单位。异构化催化剂有高温型（Pt/氯化氧化铝，120-180°C，需要补Cl活化剂）和低温型（Pt/分子筛，250-300°C，需较高氢烃比抑制结焦）。C4异构化——将正丁烷转化为异丁烷，为烷基化装置提供原料——正丁烷在Pt/Al₂O₃-Cl催化剂上于150-200°C下转化为异丁烷，平衡转化率约40%-50%，未反应的正丁烷通过循环分离提高总收率。近年来离子液体催化C4异构化也取得了一定进展，其选择性更高、反应条件更温和。

四、MTBE/TAME和醚化工艺

MTBE（甲基叔丁基醚）由异丁烯与甲醇在离子交换树脂催化剂（Amberlyst-15，磺酸型聚苯乙烯阳离子交换树脂）上于60-90°C、压力1-1.5MPa下反应生成。MTBE传统上用作汽油辛烷值改进剂（RON 115），但由于其水溶性和潜在的地下水污染问题，美国等国家已逐步禁止或限制MTBE在汽油中的使用。TAME（甲基叔戊基醚）由异戊烯（2-甲基-1-丁烯和2-甲基-2-丁烯）与甲醇反应生成。在中国，MTBE仍在汽油中广泛使用（添加比例一般5%-12%）。催化裂化液化气中的异丁烯也可通过选择性加氢/醚化或聚合法进一步加工。炼厂气体加工装置的产品综合附加值可达汽油价值的1.5-2倍。