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)品間的定量關系，是加氫反應的一個重要指標，涉及到氫耗、低分子烴的產(chǎn)量和分布、目標產(chǎn)品的產(chǎn)量。在工業(yè)裝置的設計中，只有在明確裝置物料平衡的基礎上，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計和分析加氫裝置上反應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：當反應物料經(jīng)過加氫反應后，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，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)果不能代表反應本身的真實情況，得出的物料平衡不能很好地反映化學反應進行途徑。

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 某化學反應的原料及產(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，其反應產(chǎn)物中的C1～C4組成，進一步折算裝置化學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.