利用流程模擬軟件解決乙烯裝置冷箱凍堵問題

任唯松

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

利用流程模擬軟件解決乙烯裝置冷箱凍堵問題

任唯松

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

化工流程模擬技術(shù)以工藝過程的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法來描述化工過程，使人們可以從整個(gè)系統(tǒng)的角度來認(rèn)識(shí)、分析、預(yù)測(cè)生產(chǎn)中深層次的問題，進(jìn)行裝置調(diào)優(yōu)、流程剖析和過程綜合，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)、節(jié)約資源、環(huán)境友好、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。文章利用流程模擬軟件分析乙烯裝置冷箱凍堵可能產(chǎn)生的原因，并以此為依據(jù)，解決實(shí)際生產(chǎn)問題。

流程模擬 乙烯 冷箱凍堵 水合物

乙烯裝置的物料組成較為簡(jiǎn)單，整個(gè)過程更為接近理想狀態(tài)，為流程模擬軟件的應(yīng)用提供了很好的基礎(chǔ)。在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常遇到設(shè)備故障臨時(shí)切出檢修和流程更改等問題，化工模擬計(jì)算軟件(HYSYS)有很多小的計(jì)算工具，比如沸點(diǎn)曲線(Boiling Point Curves)、CO2冰點(diǎn)(CO2Freeze Out)、相圖(Envelope)、水合物的形成(Hydrate Formation)等，可以用來模擬計(jì)算平時(shí)遇到的相態(tài)變化、冷箱凍堵等問題，為復(fù)雜的過程帶來更便捷的計(jì)算方法。

文章結(jié)合裝置實(shí)際生產(chǎn)和模擬計(jì)算，就流程模擬軟件實(shí)際使用情況進(jìn)行舉例說明。

1 冷箱EA-331B凍堵原因分析

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)2#烯烴裝置于1978年12月從日本東洋工程公司引進(jìn)，生產(chǎn)技術(shù)采用Lummus公司的SRT-1、3型裂解爐和順序深冷低壓脫甲烷分離工藝。2002年在現(xiàn)有裝置(以下簡(jiǎn)稱老區(qū))北側(cè)的一個(gè)狹長(zhǎng)地區(qū)內(nèi)新增了一條生產(chǎn)能力為300 kt/a的生產(chǎn)線(包括裂解爐區(qū)、急冷區(qū)和分離區(qū)，合稱新區(qū))。隨著裝置的改造及老區(qū)運(yùn)行負(fù)荷的增加，2010年2月25日冷箱發(fā)生第一次凍堵，隨后近一年的時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生7次凍堵事件，裝置將冷箱切出進(jìn)行吹掃。老區(qū)裝置在正常運(yùn)行期間，EA-331濾網(wǎng)經(jīng)過吹掃的凍箱，仍存在堵塞的現(xiàn)象。從拆出的冷箱進(jìn)口過濾網(wǎng)看，濾網(wǎng)和管壁上附著白色結(jié)晶物，堵塞過濾網(wǎng)，形成凍堵。

造成冷箱凍堵原因有不同的解釋：一是由于裂解氣在冷箱內(nèi)逐漸降溫過程中，當(dāng)溫度低于經(jīng)過干燥的裂解氣露點(diǎn)溫度后，水分就會(huì)冷凝，經(jīng)過長(zhǎng)期積累，導(dǎo)致冷箱換熱效果變差，使冷箱阻力增大，物料流通量逐漸減小，最終冷箱凍堵；二是由于裂解氣中含有的苯以及凝固點(diǎn)溫度較高的物質(zhì)(如CO2)，因?yàn)闇囟认陆刀饾u析出并附著在冷箱內(nèi)，造成凍堵。但是這兩種解釋導(dǎo)致的凍堵處理方法及解決手段各不相同，因此通過流程模擬軟件分別對(duì)兩種可能的因素進(jìn)行分析。

1.1 CO2析出

2010年老區(qū)大修后引入了富乙烯氣作為原料，經(jīng)分析該股物料CO2的體積分?jǐn)?shù)為5×10-6，一直以來我們認(rèn)為EA-331B進(jìn)口堵塞的原因是由于該股物料中CO2析出造成的。經(jīng)測(cè)算，該股物料溫度為-72 ℃，壓力3.3 MPa，各組分的體積分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 富乙烯氣物料各組分的體積分?jǐn)?shù) %

利用HYSYS的公用工具(UTILITIES)進(jìn)行模擬計(jì)算，選擇Peng-Robinson物性包，通過CO2析出工具(CO2Freeze Out)對(duì)該股物料進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：在當(dāng)前工況下，只有在冷箱溫度達(dá)到-189.6 ℃以下時(shí)，CO2才能夠析出，而在EA-331B正常運(yùn)行的溫度(-76 ℃)下，CO2是不會(huì)析出的。由此可以判定冷箱EA-331B的凍堵不是由于CO2結(jié)晶引起的。

1.2 水合物造成的堵塞[1]

管道內(nèi)生成水合物的條件包括：

(1)適當(dāng)溫度和壓力的結(jié)合。水合物形成的適宜條件是低溫和高壓，適宜的溫度和壓力取決于具體的氣體成分。

(2)必須有水合物形成物，即小分子氣體。試驗(yàn)證明大于丁烷的分子一般是不能生成氣體水合物的。

(3)自由水。自由水對(duì)于水合物的生成不是必要的，但是自由水的存在對(duì)于水合物的生成確實(shí)是有利的，水-氣界面也是水合物容易成核的地方。天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水的露點(diǎn)，才能夠形成水合物。

另外，還有一些對(duì)水合物生成有利的條件，包括：

(1)紊流。紊流包括高流速和湍流，高流速的流體有利于水合物形成，湍流為管道、容器或熱交換器中的混合流體，有利于水合物的生成。

(2)成核地點(diǎn)。相位轉(zhuǎn)換處一般是容易成核的地點(diǎn)。水合物的成核地點(diǎn)包括管路中不理想的地方，如焊縫處、管路裝配處(彎頭、三通、閥門)，淤泥、銹皮、污垢和砂子都是很好的成核地點(diǎn)。

針對(duì)文獻(xiàn)中所描述的水合物生成的條件，對(duì)EA-331B進(jìn)行如下分析：

(1)具備水合物生成的溫度和壓力

利用HYSYS軟件，選擇Peng-Robinson物性包，通過水合物生成工具(Hydrate Formation Utility)進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果表明：在3.3 MPa的壓力下，形成水合物的溫度為14.1 ℃，EA-331B進(jìn)口溫度為-72 ℃，壓力為3.55 MPa，完全具備形成水合物的溫度和壓力條件。因此在冷箱運(yùn)行期間，會(huì)形成水合物，水合物的結(jié)構(gòu)類型主要取決于氣體分子填充晶穴的大小，EA-331B進(jìn)口形成水合物的結(jié)構(gòu)為I型水合物。

2 冷箱凍堵解決方案

根據(jù)模擬結(jié)果確定了EA-331B的凍堵是由水合物引起的。針對(duì)這個(gè)原因?qū)λ衔锷傻臈l件進(jìn)行排摸：一方面考慮是由于裂解氣干燥器水分穿透引起；另一方面對(duì)冷區(qū)進(jìn)料流程進(jìn)行排摸。

2.1 DC-2250跨線設(shè)計(jì)不合理

該跨線于2006年6月15日投用，后借大修的機(jī)會(huì)將其改至老區(qū)裂解氣干燥器FA-209進(jìn)口。雖然該跨線露點(diǎn)檢測(cè)一直為-70 ℃左右(S-2250)，但也有2～3 mg/L的水分被帶入老區(qū)的冷區(qū)，長(zhǎng)期積累也可能會(huì)造成凍堵。目前，對(duì)露點(diǎn)采樣分析時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，確保各露點(diǎn)分析數(shù)據(jù)正常。

2.2 TIC-235(裂解氣干燥器進(jìn)料洗滌塔溫度)的影響

通過計(jì)算，理論上裂解氣壓力為3.55 MPa(表壓)，密度為800 kg/m3,溫度低于14 ℃的條件下，即能形成水合物。當(dāng)裂解氣壓力高于3.65 MPa，溫度低于15 ℃的條件下，乙烯和水易產(chǎn)生水合物；當(dāng)裂解氣壓力高于3.65 MPa，溫度低于14.5 ℃時(shí)乙烷和水易產(chǎn)生水合物。因此，收集了PIC-255段出口壓力(見圖1)及TIC-235溫度(見圖2)數(shù)據(jù)作為說明，并找出兩者的關(guān)聯(lián)性(其中圖中的圓圈代表發(fā)生凍堵的日期)。由于3A分子篩對(duì)水合物幾乎不吸附，也就是說，一旦形成水合物，裂解氣干燥器FA-209無法將其脫除。

由圖1和圖2可以看出：在凍堵發(fā)生時(shí)間段內(nèi)，TIC-235溫度在15 ℃上下徘徊，而裂解氣壓力隨老區(qū)負(fù)荷的逐年升高，相應(yīng)PIC-255壓力也同步升高，最高時(shí)超過了3.70 MPa(表壓)。可以判定，當(dāng)前工況下，已滿足了生成水合物的兩個(gè)必要條件。

圖1 PIC-255裂解氣壓力趨勢(shì)

圖2 TIC-235溫度趨勢(shì)

通過流程模擬軟件的計(jì)算和對(duì)老區(qū)流程的排摸，確定了冷箱凍堵產(chǎn)生的原因以及水合物可能產(chǎn)生的來源。裝置采取了相應(yīng)措施，對(duì)TIC-235及PIC-255進(jìn)行校驗(yàn)，確保其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并相應(yīng)提高了TIC-235的控制溫度至16 ℃，使其達(dá)不到生成水合物的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

利用流程模擬軟件對(duì)裝置運(yùn)行中存在的問題和現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)冷箱凍堵解決方案的可行性進(jìn)行論證，為方案順利實(shí)施提供了保證。

近年來，化工流程模擬軟件因其性能上獨(dú)特的優(yōu)越性而得到迅速的發(fā)展，模擬技術(shù)已成為化工裝置節(jié)能降耗和排摸檢查的重要手段。通過流程模擬軟件的應(yīng)用，提高了分析與解決問題的科學(xué)性和可靠性。但是，流程模擬是建立在模型選取和技術(shù)人員水平的基礎(chǔ)上的，目前的軟件應(yīng)用水平還停留在初級(jí)階段，只能用來解決一些基本的問題，水平還有待提高，如果能夠在基層技術(shù)人員中推廣應(yīng)用，一定會(huì)使管理水平更上一個(gè)臺(tái)階，并有利于降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

[1] 涂運(yùn)中，蔣國(guó)盛.管道內(nèi)氣體水合物的形成及其處理方法研究[J].西部探礦工程，2005(2)：62-63.

Utilization of Process Simulation Software in Solving the Frozen Blocking
Problem of Cold Box in Ethylene Plant

Ren Weisong

(OlefinsDivision，SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The chemical process simulation technology adopts mathematical method to describe the chemical process on the basis of the mechanism model of the process,so as to enable people to understand,analyze and forecast the deep-level problems in the whole system,make plant optimization,flow analysis and process integration,and achieve the target of optimizing production,saving resources,protecting environment,and improving economic benefits.In this paper,the simulation process is used to analyze the possible causes of the frozen blocking of the cold box in the ethylene plant,so as to solve the actual production problems.

process simulation,ethylene,cold box frozen blocking,hydrate

2017-03-08。

任唯松，男，1980年出生，2003年畢業(yè)于東華大學(xué)自動(dòng)化管理專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事烯烴生產(chǎn)工藝及技改項(xiàng)目管理工作。

1674-1099 (2017)03-0051-03

TB492

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