楊照

(中國石化 工程建設(shè)公司，北京 100101)

動態(tài)模擬在乙苯裝置安全排放分析中的應(yīng)用

楊照

(中國石化 工程建設(shè)公司，北京 100101)

針對650 kt/a乙苯裝置苯塔系統(tǒng)，采用Aspen Dynamic模擬軟件對事故工況進(jìn)行安全排放分析。模擬結(jié)果表明，停冷卻負(fù)荷工況為最大排放工況，最大排放量260 t/h，相比常規(guī)方法所得最大排放量350 t/h降低近30%;由于傳熱溫差的變化導(dǎo)致再沸器加熱負(fù)荷的變化對最大排放量有顯著影響;超壓聯(lián)鎖措施的有效性得到驗證，適宜的聯(lián)鎖設(shè)定值為0.9 MPa;兩臺安全閥并聯(lián)，通過設(shè)置不同定壓實現(xiàn)安全閥分級排放，可進(jìn)一步降低總排放量至235 t/h。

動態(tài)模擬;Aspen Dynamic軟件;安全排放;乙苯裝置;苯塔系統(tǒng)

火炬系統(tǒng)是石油化工裝置重要的安全措施之一，隨著石化裝置的大型化，為達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，對火炬系統(tǒng)設(shè)計水平的要求日益提高。安全排放分析是火炬系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前研究的主要任務(wù)：一是準(zhǔn)確識別最大排放工況并確定排放量，二是對安全保護(hù)及減排措施的有效性進(jìn)行定量化分析。

乙苯是重要的基本有機(jī)化工原料，由于國內(nèi)苯乙烯及環(huán)氧丙烷聯(lián)產(chǎn)苯乙烯裝置規(guī)模的擴(kuò)大，國產(chǎn)化乙苯裝置生產(chǎn)能力迅速提高，典型規(guī)模由10年前的90 kt/a逐步提高到200 kt/a，最新國產(chǎn)化裝置則進(jìn)一步提高到650 kt/a。隨著裝置大型化，安全排放分析的重要性愈顯突出。

設(shè)計過程中的安全排放分析，通常采用美國石油學(xué)會(API)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如APIRP 521［1］)。但該標(biāo)準(zhǔn)對排放量的計算僅是基于正常操作條件的估算，不僅與事故狀態(tài)可能存在較大偏離，而且對復(fù)雜工況僅給出指導(dǎo)性原則，難以定量化處理。有研究表明按常規(guī)方法所得排放量通常偏高30% ～100%［2－3］。

化工動態(tài)模擬可在嚴(yán)格物性計算的基礎(chǔ)上獲得系統(tǒng)的動態(tài)特征，特別適用于安全排放過程的定量化研究，在國外已成為工程設(shè)計中進(jìn)行事故工況分析與火炬系統(tǒng)研究的重要手段［2－5］，在國內(nèi)工程設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用也得到逐步推廣［6－8］。

本工作針對首套650 kt/a乙苯裝置國產(chǎn)化設(shè)計，采用Aspen Dynamic模擬軟件對乙苯裝置的最大排放源(即苯塔系統(tǒng))進(jìn)行動態(tài)模擬分析，以達(dá)到確定最大排放工況及排放量、驗證超壓聯(lián)鎖保護(hù)和安全閥分級排放措施有效性的目的，為大型化乙苯裝置的火炬系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

1 工藝簡述

以分離苯和乙苯為目的的苯塔系統(tǒng)是乙苯裝置最大的事故排放源，決定了裝置的最大排放量，為此對該塔進(jìn)行動態(tài)模擬。

苯塔系統(tǒng)見圖1，來自烷基化反應(yīng)、烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的多股物流及原料苯進(jìn)入苯塔，在塔內(nèi)苯大部分經(jīng)塔頂回流罐以液相形式采出，少量苯以氣相形式送至脫非芳塔;塔釜中的乙苯送至后續(xù)工段進(jìn)一步分離。苯塔正常操作壓力0.74 MPa;塔釜再沸器采用4.2 MPa蒸汽加熱并通過塔中靈敏板串級控制;塔頂設(shè)置安全閥，定壓1.0 MPa;塔內(nèi)設(shè)置壓力聯(lián)鎖，超壓時切斷加熱蒸汽以保護(hù)塔設(shè)備安全。

由于塔釜溫度較高，采用4.2 MPa蒸汽加熱時再沸器平均傳熱溫差僅為8～10℃。在事故工況中塔內(nèi)壓力的變化可通過改變再沸器的傳熱溫差，對再沸器的負(fù)荷產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響苯塔系統(tǒng)排放過程的動態(tài)特征。這一現(xiàn)象只有通過動態(tài)模擬的嚴(yán)格計算才可比較準(zhǔn)確地量化反映。

圖1 苯塔系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of the benzene column system.

2 動態(tài)模型的建立

化工過程基本單元的數(shù)學(xué)模型主要由質(zhì)量平衡、能量平衡、相平衡、傳遞和物性等方程組成。動態(tài)模型與穩(wěn)態(tài)模型的主要區(qū)別在于：在動態(tài)模型中，質(zhì)量平衡與能量平衡方程中考慮系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量與能量的累計，在數(shù)學(xué)上采用相對時間的一階常微分方程組代替穩(wěn)態(tài)模型的非線性代數(shù)方程組，而相平衡、傳遞和物性方程則與穩(wěn)態(tài)模型一致。

由于動態(tài)模型求解更加困難，因此一般先采用穩(wěn)態(tài)模型計算生成初值，再在動態(tài)軟件中對模型調(diào)整后進(jìn)行計算，具體過程為：

(1)采用Aspen Plus軟件建立穩(wěn)態(tài)計算模型，使操作溫度、壓力、進(jìn)料、分離要求等參數(shù)與設(shè)計要求一致，確保物性計算的嚴(yán)格準(zhǔn)確。

(2)穩(wěn)態(tài)模型中添加必要的動態(tài)參數(shù)：塔徑及塔板液層高度、塔釜尺寸及液位、回流罐尺寸及液位、換熱器參數(shù)等。以上數(shù)值與實際一致，生成動態(tài)模擬初值文件。

(3)動態(tài)模擬中再沸器模型至關(guān)重要，本研究采用更接近實際的傳熱系數(shù)模型：

式中，Q為傳熱負(fù)荷;U為總傳熱系數(shù);A為傳熱面積，計算中UA為定值，其大小根據(jù)穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果反推確定;Ts為加熱蒸汽在操作壓力下的飽和溫度，計算中為定值;Tl為工藝側(cè)溫度，隨操作狀態(tài)而相應(yīng)變化。上述模型能較準(zhǔn)確反映工藝側(cè)因壓力、組成變化對再沸器傳熱負(fù)荷的影響。

(4)初值文件導(dǎo)入Aspen Dynamic模擬軟件進(jìn)行動態(tài)計算。

動態(tài)模型計算中還需增加動態(tài)計算特有模塊，安全閥：選取通用式安全閥模型，輸入定壓、喉孔直徑、開啟特性等參數(shù);控制回路：液位、壓力、流量等，與實際控制方案一致;任務(wù)模塊：用以模擬事故工況及聯(lián)鎖動作，如停冷卻負(fù)荷、回流故障、切斷蒸汽等。

采用上述方法構(gòu)建苯塔系統(tǒng)動態(tài)模型，對事故工況的動態(tài)過程進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 最大排放工況的確定

3.1.1 最大排放工況的初選

根據(jù)文獻(xiàn)［1］的報道，按停冷卻負(fù)荷、回流故障、調(diào)節(jié)閥故障、火災(zāi)和換熱管破裂等工況對苯塔系統(tǒng)的排放量進(jìn)行估算，初步確定停冷卻負(fù)荷或回流故障為可能的最大排放工況，所需排放量為塔頂冷凝器入口氣量，為350 t/h，而其他工況排放量很小，可以忽略。

如按350 t/h的排放量計算，苯塔需要設(shè)置3臺大口徑安全閥并聯(lián)使用。

3.1.2 停冷卻負(fù)荷工況的動態(tài)模擬

圖2和圖3為停冷卻負(fù)荷工況的動態(tài)模擬結(jié)果。該工況模擬時主要假設(shè)如下：(1)冷卻負(fù)荷瞬時停止;(2)加熱蒸汽溫度不變;(3)塔進(jìn)料量不變。因?qū)嶋H過程中冷卻負(fù)荷會逐步降低，超壓時靈敏板溫度串級控制會關(guān)小高壓蒸汽控制閥的開度，使再沸器的加熱負(fù)荷降低，因此根據(jù)上述假設(shè)進(jìn)行動態(tài)模擬所得排放量應(yīng)高于實際過程的排放量，上述假設(shè)在工程設(shè)計中是可以接受的。

由圖2可見，最大排放量約260 t/h，較按文獻(xiàn)［1］報道的方法估算的350 t/h最大排放量降低約30%;從冷卻負(fù)荷停止到開始排放的時間間隔約3.5 min;塔頂溫度與壓力成正相關(guān)，始終隨壓力的升高而升高。由圖3可見，塔釜溫度與壓力成非線性變化，初始階段壓力影響占主導(dǎo)，塔釜溫度隨壓力的升高而上升，并導(dǎo)致再沸器傳熱溫差減小、加熱負(fù)荷降低;隨再沸器的加熱負(fù)荷進(jìn)一步降低，過多輕組分進(jìn)入塔釜導(dǎo)致塔釜溫度到達(dá)高點(diǎn)后開始降低，加熱負(fù)荷到達(dá)低點(diǎn)后開始增大。

由于動態(tài)模擬可準(zhǔn)確反映再沸器的加熱負(fù)荷隨壓力、組成的變化關(guān)系，上述動態(tài)模擬所得260 t/h排放量明顯小于傳統(tǒng)方法估算的350 t/h，這是傳統(tǒng)方法難以準(zhǔn)確預(yù)測的。

3.1.3 回流故障工況的動態(tài)模擬

圖4為回流故障工況的動態(tài)模擬結(jié)果。

圖4 回流故障工況塔壓與加熱負(fù)荷曲線Fig.4 Dynamic curves of the column pressure and the heating duty in reflux failure.

模擬結(jié)果顯示，回流故障工況不會造成安全閥排放。原因為：(1)回流停止導(dǎo)致塔內(nèi)輕組分存量減少、塔內(nèi)溫度迅速升高，如4 m in時塔頂溫度升高約30℃;(2)塔內(nèi)溫度升高導(dǎo)致再沸器傳熱溫差減小、加熱負(fù)荷快速降低，由此限制了壓力進(jìn)一步升高，壓力短暫升高后即開始下降，始終未達(dá)到排放壓力。回流故障工況常規(guī)分析的結(jié)果為安全閥排放，與動態(tài)模擬結(jié)果的結(jié)論相悖，動態(tài)模擬更真實地反映了事故工況中系統(tǒng)狀態(tài)的變化。

上述動態(tài)模擬結(jié)果表明，停冷卻負(fù)荷工況為苯塔系統(tǒng)最大排放工況，最大排放量為260 t/h。在此條件下，苯塔系統(tǒng)設(shè)計中可采用兩臺安全閥并聯(lián)操作。

3.2 超壓聯(lián)鎖設(shè)定值的確定

超壓聯(lián)鎖是苯塔系統(tǒng)的安全措施之一，即通過超壓聯(lián)鎖動作切斷再沸器加熱蒸汽以保障塔設(shè)備的安全。超壓聯(lián)鎖的難點(diǎn)是確定超壓聯(lián)鎖的設(shè)定值，如取值偏低時則超壓聯(lián)鎖易頻繁動作、干擾生產(chǎn)，取值偏高時則難起到保護(hù)作用。經(jīng)試算確認(rèn)0.9 MPa為比較合理的超壓聯(lián)鎖設(shè)定值。在此設(shè)定值下，停冷卻負(fù)荷工況時超壓聯(lián)鎖的動態(tài)模擬結(jié)果見圖5。

圖5 停冷卻負(fù)荷工況時超壓聯(lián)鎖的動態(tài)模擬結(jié)果Fig.5 Dynamic simulation of the overpressure interlocking in loss of cooling duty.

從圖5可見，停冷卻負(fù)荷事故發(fā)生后約2.5 min超壓聯(lián)鎖動作切斷苯塔再沸器的加熱蒸汽，此后壓力得到有效控制，緩慢升高到0.98 MPa后開始下降，始終未達(dá)到1.0 MPa的安全閥定壓。上述結(jié)果一方面證明超壓聯(lián)鎖方案的有效性;另一方面驗證了超壓聯(lián)鎖設(shè)定值(0.9 MPa)較為合理，更高取值將造成安全閥動作。

3.3 安全閥分級排放效果

苯塔系統(tǒng)在260 t/h排放量下仍需兩臺安全閥并聯(lián)使用，如兩臺安全閥采取設(shè)置不同定壓的分級排放方案，可進(jìn)一步降低最大排放量。

將兩臺安全閥定壓分別設(shè)為1.00，1.10 MPa，單臺排放量均為130 t/h，停冷卻負(fù)荷工況下兩臺安全閥分級排放動態(tài)曲線見圖6。由圖6可見，兩臺安全閥分別在停冷卻負(fù)荷后約3.5，5 min動作;疊加后最大排放量進(jìn)一步降低至235 t/h，較常規(guī)方法所得350 t/h排放量減少約35%;設(shè)備最大超壓15%，滿足最大超壓16%的規(guī)范要求。

分級排放情況下排放量降低的主要原因是由于更高的超壓導(dǎo)致再沸器的加熱負(fù)荷進(jìn)一步降低，導(dǎo)致排放量也隨之減少。

圖6 停冷卻負(fù)荷工況下兩臺安全閥分級排放動態(tài)曲線Fig.6 Dynamic relieving curves for two pressure relief valves under different set pressure in loss of cooling duty.

3.4 工程設(shè)計方案

通過上述動態(tài)模擬研究，苯塔系統(tǒng)的最大排放量確定為停冷卻負(fù)荷工況的260 t/h，采用兩臺安全閥并聯(lián)操作并設(shè)置不同的定壓，超壓聯(lián)鎖的設(shè)定值為0.9 MPa;考慮規(guī)范中雙安全閥并聯(lián)時定壓相差不宜超過5%的要求，定壓分別設(shè)為1.00，1.05 MPa;考慮裝置本身15%的設(shè)計余量，安全閥選型條件為正常排量130 t/h、額定排量150 t/h，乙苯裝置內(nèi)火炬總管則按300 t/h排量設(shè)計。

與常規(guī)方法相比，最大安全排量由350 t/h降低到260 t/h，大口徑安全閥數(shù)量由3臺減少到2臺，火炬總管直徑由900 mm降低到750 mm。苯塔系統(tǒng)動態(tài)模擬的結(jié)果為乙苯裝置大型化后火炬系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了有利條件。

動態(tài)模擬方法不僅提高了大型化后裝置建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，也為保證安全措施的有效性提供了有力技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

(1)針對650 kt/a乙苯裝置苯塔系統(tǒng)，采用動態(tài)模擬方法分析事故工況，確定了最大排放工況及其安全排放量，驗證了超壓聯(lián)鎖措施的有效性并得到適宜的超壓聯(lián)鎖設(shè)定值，為大型乙苯裝置的火炬系統(tǒng)設(shè)計提供了有利依據(jù)。

(2)苯塔系統(tǒng)停冷卻負(fù)荷工況為最大排放事故工況，最大排放量為 260 t/h，較常規(guī)方法所得350 t/h排放量降低約30%。

(3)超壓聯(lián)鎖措施可有效避免安全閥排放，適宜的超壓聯(lián)鎖設(shè)定值為0.9 MPa。

(4)采用兩臺安全閥并聯(lián)操作并設(shè)置不同定壓的分級排放措施，可進(jìn)一步降低最大排放量至235 t/h。

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Application of Dynamic Simulation to Analysis of Safety Relief of Ethylbenzene Installation

Yang Zhao

(Engineering Incorporation，SINOPEC，Beijing 100101，China)

Dynamic simulation was applied to safety relief analysis of benzene column system in design of 650 kt/a ethylbenzene plant with Aspen Dynamic software.Results showed that the loss of cooling duty was the worst-case of the relief scenario with the maximum relief rate of 260 t/h，which was about 30%less than 350 t/h obtained by general estimating method，whereas the change of reboiler duty induced by variation of temperature difference during relief affected the relief rate significantly.By dynamic analysis，the effectiveness of pressure trip was verified and the proper trip pressure was estimated as 0.9 MPa.It was also verified that the maximum relief rate could be further reduced to 235 t/h by installing two safety valves with different set pressure individually.

dynamic simulation;Aspen Dynamic software;safe relief;ethylbenzene installation; benzene column

1000－8144(2011)08－0884－05

TQ 086

A

2011－04－02;［修改稿日期］2011－05－11。

楊照(1969—)，男，北京市人，博士，高級工程師，電話010－84876903，電郵yangz.sei@sinopec.com。

(編輯 李治泉)