甲醇精餾三塔安全泄放工藝技術(shù)的分析

楊文君，于澤民

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030000）

甲醇精餾系統(tǒng)的超壓泄放量直接關(guān)系到甲醇精餾的安全性，其泄放量主要取決于甲醇精餾系統(tǒng)中精餾塔的數(shù)量。為了保證甲醇精餾過程的安全性，在甲醇精餾系統(tǒng)中設(shè)置有火炬系統(tǒng)用于甲醇精餾塔的超壓泄放，火炬系統(tǒng)的泄放能力目前主要是通過單臺塔獨立分析，然后把各塔的最大量疊加來確定的。但在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，甲醇精餾系統(tǒng)相互連通，在工作過程中不會出現(xiàn)各個精餾塔同時達(dá)到最大泄放量的情況，因此導(dǎo)致甲醇精餾火炬系統(tǒng)的理論設(shè)計能力遠(yuǎn)大于實際需求，極大地增加了設(shè)備的成本。

本文提出了一種新的基于Aspen HYSYS 仿真的甲醇精餾系統(tǒng)超壓模擬分析法，對甲醇系統(tǒng)在回流失效、過度熱量輸入、停電等特殊工況下系統(tǒng)的流量-時間變化曲線進(jìn)行研究，確定了各工況下的最大泄放量。根據(jù)分析表明，當(dāng)在停電情況下系統(tǒng)的泄放量最大，達(dá)到了410 t/h，約為傳統(tǒng)單臺塔獨立分析時泄放量的40.5%，為優(yōu)化火炬系統(tǒng)設(shè)計，降低甲醇精餾設(shè)備成本奠定了基礎(chǔ)。

1 甲醇精餾工藝流程

從甲醇合成單元出來的粗甲醇首先經(jīng)過限流后進(jìn)入到系統(tǒng)的穩(wěn)定塔中，這些甲醇在穩(wěn)定塔中冷卻，液體進(jìn)入到穩(wěn)定塔，不凝氣則進(jìn)入到燃料氣管網(wǎng)中。穩(wěn)定塔再沸器以前端工藝氣作為熱源，塔釜液經(jīng)過增壓泵的加壓后進(jìn)入到低壓精餾塔中。

在塔內(nèi)的甲醇?xì)怏w經(jīng)過冷凝以后回流部分被作為甲醇成品分離出來。低壓塔再沸器中壓塔內(nèi)的頂氣為熱源，塔釜液再經(jīng)過泵的加壓以后傳輸?shù)街袎壕s塔中。中壓塔塔頂?shù)募状細(xì)怏w在低壓塔再沸器中完成冷凝后一部分回流到系統(tǒng)中，一部分則作為成品抽出。中壓塔再沸器以低壓蒸汽為熱源，塔釜液含有微量甲醇的水，再經(jīng)過泵的加壓后輸送到前端，最后再把分離出來的雜醇油去除，確保塔頂產(chǎn)品的純度。甲醇精餾工藝流程如圖1 所示[1]。

圖1 甲醇精餾工藝流程圖

由圖1 可知，在3 個精餾塔的頂氣相管線上都安裝有安全閥，用于系統(tǒng)超壓時的泄放和保護(hù)，這些安全閥的排氣口全都接入了火炬系統(tǒng)。按傳統(tǒng)的單塔獨立分析法計算，在極限情況下系統(tǒng)總共的最大泄放量達(dá)到了1 012.5 t/h，因此整個甲醇精餾火炬系統(tǒng)需按此排放量進(jìn)行設(shè)計。

2 Aspen HYSYS 仿真建模

根據(jù)甲醇精餾工藝流程，利用Aspen HYSYS 仿真軟件[2]建立甲醇精餾模擬系統(tǒng)。在進(jìn)行模擬分析時利用固定步長的隱式歐拉算法進(jìn)行模擬分析，精餾塔的進(jìn)料模擬采用和實際控制模式一樣的流量控制?；亓鞑捎没亓鞴抟何?流量綜合控制模式。

甲醇精餾系統(tǒng)在工作中的突發(fā)工況主要包括回流失效、過度熱量輸入及停電等，在這些突發(fā)的情況下會導(dǎo)致精餾塔內(nèi)的壓力升高，需要火炬系統(tǒng)進(jìn)行大量的泄放，保證安全性。因此在仿真分析時，重點對以上3 種特殊工況進(jìn)行仿真分析。甲醇精餾過程仿真分析參數(shù)如表1 所示。

表1 甲醇精餾過程參數(shù)匯總表

3 回流失效情況分析

甲醇精餾過程中的回流失效，主要是指回流泵或者回流閥故障而導(dǎo)致的精餾塔回流失效，此時除了回流閥處于關(guān)閉狀態(tài)外，假設(shè)其他閥門均維持正常工作時的開度[3]。利用仿真分析的方法對穩(wěn)定塔回流失效、中壓塔回流失效及低壓塔回流失效的情況進(jìn)行分別研究。

根據(jù)分析，穩(wěn)定塔回流失效會導(dǎo)致在穩(wěn)定塔塔頂?shù)膲毫焖偕仙桨踩y的設(shè)定壓力，安全閥開啟進(jìn)行泄放，此時低壓塔和中壓塔內(nèi)的工作壓力維持穩(wěn)定。中壓塔回流失效時，其最高的壓力為673 kPa，高于系統(tǒng)安全閥設(shè)定的450 kPa 的壓力，安全閥打開，系統(tǒng)進(jìn)行壓力泄放。低壓塔回流失效時，其最高的壓力為415 kPa，低于系統(tǒng)安全閥設(shè)定的450 kPa 的壓力，安全閥不打開，系統(tǒng)不進(jìn)行壓力泄放。在穩(wěn)定塔回流失效時泄放量變化曲線如圖2-1 所示；中壓塔回流失效時，泄放量變化曲線如圖2-2 所示。

圖2 不同回流失效情況下壓力泄放情況

由實際仿真分析結(jié)果可知，在中壓塔回流失效的情況下系統(tǒng)的泄放壓力最大，約為330 t/h。而且在實際運行過程中并不會出現(xiàn)穩(wěn)定塔、中壓塔、低壓塔同時失效的情況。因此在系統(tǒng)回流失效的情況下，系統(tǒng)最大的泄放量為330 t/h，約為按傳統(tǒng)單塔獨立分析法計算所獲取結(jié)果的32.6%。

4 過度熱量輸入失效分析

甲醇精餾系統(tǒng)中，中壓塔的再沸器利用低壓蒸汽作為熱源的，如果調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障并處于全開狀態(tài)[4]，則會導(dǎo)致熱量的大量涌入，因此傳統(tǒng)情況下會出現(xiàn)過度的熱量輸入，使系統(tǒng)壓力超過設(shè)計壓力，導(dǎo)致出現(xiàn)超壓泄放的情況。

但通過對調(diào)節(jié)閥選型的分析，其開度最大的情況下，其蒸汽的通過量為正常情況下的2 倍，而且即使通過過量的蒸汽，其還會受到換熱器熱負(fù)荷轉(zhuǎn)換的限制，并不會全部轉(zhuǎn)換為熱源。根據(jù)仿真分析，發(fā)現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥全開的情況下，中壓塔中的最大熱負(fù)荷為正常情況下的1.3 倍，因此其過度熱量的輸入實際較少。此工況下的壓力變化曲線如圖3 所示。

圖3 過度熱量輸入時系統(tǒng)壓力變化曲線

由圖3 可知，當(dāng)有過度熱量輸入時，系統(tǒng)中僅中壓塔的壓力出現(xiàn)輕微波動，但并沒有超過系統(tǒng)450 kPa的安全壓力，因此安全閥并未啟動卸壓。因此此工況下不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超壓泄放的情況。

5 停電工況失效分析

當(dāng)甲醇精餾系統(tǒng)出現(xiàn)停電問題時，系統(tǒng)內(nèi)的塔釜泵、回流泵[5]會停止運行，系統(tǒng)中各類風(fēng)機(jī)也會隨之停止工作。當(dāng)停電突然發(fā)生時，假設(shè)各塔的狀態(tài)均保持運行時的開度不變而且塔釜熱源也沒有切斷。利用Aspen HYSYS 仿真軟件對此工況下的系統(tǒng)壓力變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。

4-1 不同塔內(nèi)泄放量變化情況

4-2 總泄放量變化情況

根據(jù)仿真情況，當(dāng)系統(tǒng)停電后各類泵均停止工作，塔頂不再有液體回流，塔釜內(nèi)的熱量會一直對系統(tǒng)加熱，使液體氣化，導(dǎo)致塔頂?shù)膲毫Τ掷m(xù)上升。其中中壓塔的頂氣相是由低壓塔的塔釜供應(yīng)的，因此在約1 h 內(nèi)會被冷凝。但是由于回流泵停止運行，導(dǎo)致系統(tǒng)中的液體無法回來，回流罐中的回流液在約5 min就會充滿整個罐體，導(dǎo)致再沸器的冷卻能力下降，因此此階段會導(dǎo)致中壓塔內(nèi)的壓力快速上升。系統(tǒng)在第8 min 時打開安全閥，但此時系統(tǒng)內(nèi)的壓力繼續(xù)增加，表明此情況下安全閥的泄放能力較弱，不滿足停電工況下的壓力泄放需求。因此建議在控制邏輯上進(jìn)行優(yōu)化，在斷電后首先聯(lián)鎖切斷塔釜再沸器熱源和穩(wěn)定塔的進(jìn)料[6]，確保系統(tǒng)的安全性。

在此工況下，系統(tǒng)的最大泄放量為410 t/h，約為按傳統(tǒng)單塔獨立分析法計算所獲取結(jié)果的40.5%。

通過對回流失效、過度熱量輸入及停電等特殊工況下甲醇精餾系統(tǒng)中泄放量的分析，系統(tǒng)在停電工況下的總泄放量最大，約為410 t/h，僅為傳統(tǒng)計算方法計算結(jié)果的40.5%。由此可知該仿真分析的方案能夠有效地模擬甲醇精餾系統(tǒng)的工作過程，對優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，降低設(shè)備成本具有十分重要的意義。

6 結(jié)論

1）甲醇精餾系統(tǒng)在工作中突發(fā)工況主要包括了回流失效、過度熱量輸入及停電等；仿真分析的方法能夠有效模擬精餾過程中的化學(xué)反應(yīng)，為優(yōu)化系統(tǒng)。降低設(shè)備成本奠定基礎(chǔ)。

2）中壓塔回流失效時系統(tǒng)最大的泄放量為大于穩(wěn)定塔回流失效時候的泄放量，低壓塔回流失效時，系統(tǒng)無泄放。

3）過度熱量輸入情況下不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超壓泄放；停電工況下系統(tǒng)的最大泄放量為410 t/h，約為按傳統(tǒng)單塔獨立分析法計算所獲取結(jié)果的40.5%；