利用高分溶解平衡核算加氫裝置物料平衡的探索

牛世坤，李士才，徐大海

（中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

加氫裝置的物料平衡是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，確定原料和產(chǎn)品間的定量關(guān)系，是加氫反應(yīng)的一個重要指標(biāo)，涉及到氫耗、低分子烴的產(chǎn)量和分布、目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)量。在工業(yè)裝置的設(shè)計中，只有在明確裝置物料平衡的基礎(chǔ)上，才能進行工藝原則流程（PFD）和工藝管道及儀表流程（PID）的設(shè)計[1]。

加氫裝置的物料平衡通常是在小型或者中型試驗裝置上，通過收集裝置運行的貧氣、富氣、原料和產(chǎn)品性質(zhì)及裝置液收和裝置氫耗等相關(guān)數(shù)據(jù)后，使用特定的算法核算而來的。明確加氫裝置的物料平衡對工程設(shè)計和分析加氫裝置上反應(yīng)進行途徑均具有重要的意義。

1 目前核算裝置試驗物料平衡方法存在的問題

1.1 目前裝置物料平衡的核算方法

目前核算加氫裝置的物料平衡時裝置流程如下：當(dāng)反應(yīng)物料經(jīng)過加氫反應(yīng)后，生成的物料進入高壓分離器進行氣液分離，分離后的富氫氣體作為循環(huán)氫循環(huán)使用，液體經(jīng)過低壓分離器再次進行分離后，氣相作為富氣排出，液相作為精制油。

通常在試驗裝置上，核算裝置物料平衡的方法有兩種方法：物料平衡法和碳氫平衡法。

1.1.1 物料平衡法

使用物料平衡法核算裝置物料平衡時，設(shè)定裝置貧氣（循環(huán)氫）沒有漏損，進料等于出料。進方∑入，出方∑出。

令

式（1）中， ∑入=氫氣+原料， ∑出=精制油+富氣+硫化氫+氨，只有富氣的量是未知數(shù)。

通過式（1）解得富氣流量，用氣相色譜儀分析裝置富氣組成，輕松核算出裝置物料平衡。

1.1.2 碳氫平衡法

使用碳氫平衡法核算裝置物料平衡時，設(shè)定貧氣（循環(huán)氫）微量泄露，進料等于出料與循環(huán)氫漏損的和。進料是 ∑入，出料是 ∑出+循環(huán)氫漏量。

令

式（2）和式（3）中，分別核算入方和出方的碳元素和氫元素平衡，可以解得循環(huán)氫漏量和富氣排放量，帶入物料平衡中解得裝置物料平衡。

兩種計算物料平衡方法相比可以看出，氫平衡法能夠清晰的反饋出裝置上加氫反應(yīng)進行的進程和途徑。

1.2 目前計算方法中存在的問題

兩種計算方法都有一個明確的假設(shè)，就是貧氣和富氣組成能夠清晰地反映生成物料，實際上這是不可能的。不同的反應(yīng)生成物料含量、分離器的工藝條件對進出物料的種類和流量均產(chǎn)生較大的影響。同時反應(yīng)生產(chǎn)的低分子烴類需要在循環(huán)氫系統(tǒng)中累積一定的時間才能達到平衡，使低分氣中烴類組成與加氫反應(yīng)生成的組成平衡。

有

式（4）中，Mpi為某種低分子烴類平衡時的在循環(huán)氫中的質(zhì)量流量，mi為某低分子烴反應(yīng)生成的質(zhì)量流量， 是某低分子烴在液相中溶解的質(zhì)量流量。 另有

式（5）中 pi是某一組分在循環(huán)氫中的分壓，p0是反應(yīng)器總壓。

可以解出，從系統(tǒng)中無低分子烴到達到測量需要的平衡狀態(tài)，需要時間為380 h。工業(yè)裝置表現(xiàn)為隨著開工時間的延長，循環(huán)氫中低分子烴類含量逐漸增多，45 d 左右達到平衡。

利用這兩種物料平衡的測量方法，測量的結(jié)果不能代表反應(yīng)本身的真實情況，得出的物料平衡不能很好地反映化學(xué)反應(yīng)進行途徑。

2 利用軟件計算裝置物料平衡方法

2.1 利用軟件計算時裝置原則流程

改變測定物料平衡時的流程，在高壓分離器分離時，氣相直接外排，減少富氫氣體循環(huán)時各個組分溶解度的不同對貧氣組成的影響，同時使用計量設(shè)備測量貧氣的流量，使用在線的氣相色譜儀分析氣體的組成；測定精制油流量及計量新氫流量。物料平衡測定時裝置流程見圖1。

圖1 測量物料平衡的試驗裝置原則流程Fig.1 Flow test device for measuring mate

2.2 利用HYSYS 軟件核算裝置物料平衡的方法

試驗裝置進料量為100 g/h，測量得出裝置精制油流量為 99.55 g/h。新氫使用純氫，新氫流量是40.12 NL/h。廢氫流量為35.21 NL/h。原料及精制油性質(zhì)見表1。高壓分離器溫度為40 ℃，壓力為8.0 MPa。高分氣組成通過氣相色譜測量，測量結(jié)果見表2。

表1 某化學(xué)反應(yīng)的原料及產(chǎn)品Table 1 Raw materials and products of a chemical reaction

表2 高分氣體組成Table 2 High-pressure gas separator

在HYSYS 軟件中建立流程，利用adjust 功能進行核算。核算界面見圖2。

圖2 HYSYS 計算界面Fig.2 HYSYS calculation picture

利用adjust 功能，設(shè)定變量為輸入各個組分的質(zhì)量流量，使高分氣體hydrogen rice gas 各個組分的摩爾組成與色譜儀分析的結(jié)果相差小于0.000 01。結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)產(chǎn)物中低分子烴流量Table 3 The reaction products of low molecular hydrocarbon flow

從表3 可以得出，其反應(yīng)產(chǎn)物中的C1～C4組成，進一步折算裝置化學(xué)氫耗和裝置物料平衡。結(jié)果見表4。

表4 裝置物料平衡，Table 4 The material balance

從以上案例可以看出，利用高分溶解平衡和HYSYS 軟件的Adjust 功能，可以及時有效地核算出裝置的物料平衡，避免出現(xiàn)等待加氫裝置呈現(xiàn)平衡后再測量物料平衡的問題。

4 結(jié) 論

針對目前加氫裝置物料平衡核算方法的不足，利用高分各類物料溶解度的差異，建立了新的核算加氫裝置物料平衡的方法。該方法消除了高分氣液相平衡對測量結(jié)果的影響，具有簡單、準(zhǔn)確、及時的優(yōu)勢。

［1］李立權(quán).加氫裂化裝置工藝計算與技術(shù)分析[M].中國石化出版社，:57-58.