偶國(guó)富,黃 凱,王 凱,方華平

(1.浙江理工大學(xué)流動(dòng)腐蝕研究所,杭州 310018; 2.杭州富如德科技有限公司,杭州 310018)

基于工藝過(guò)程仿真的銨鹽沉積預(yù)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

偶國(guó)富1,2,黃 凱1,王 凱1,方華平1

(1.浙江理工大學(xué)流動(dòng)腐蝕研究所,杭州 310018; 2.杭州富如德科技有限公司,杭州 310018)

根據(jù)加氫反應(yīng)流出物空冷系統(tǒng)工藝過(guò)程,建立ASPEN仿真模型,利用COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)ASPEN嵌入式二次開(kāi)發(fā),以Visual Studio可視化編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)銨鹽結(jié)晶計(jì)算模塊化編程,開(kāi)發(fā)銨鹽沉積預(yù)測(cè)軟件。針對(duì)某芳烴廠加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)進(jìn)行軟件測(cè)試,結(jié)果表明該軟件可以預(yù)測(cè)結(jié)晶堵塞位置及結(jié)晶量,對(duì)降低設(shè)備腐蝕風(fēng)險(xiǎn)具有一定的參考價(jià)值。

ASPEN PLUS; 銨鹽結(jié)晶; COM技術(shù); 預(yù)測(cè); 軟件開(kāi)發(fā)

0 引 言

近年來(lái),隨著石油資源的逐步枯竭,高硫、高酸、含氯等劣質(zhì)原油的加工比例不斷增加,由此產(chǎn)生的各種腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重影響了煉油裝置的安全生產(chǎn)[1]。其中,由NH4HS或NH4Cl結(jié)晶引起的銨鹽沉積堵塞,是劣質(zhì)油加工過(guò)程中的典型失效形式,具有明顯的局部性、突發(fā)性和風(fēng)險(xiǎn)性。國(guó)內(nèi)外關(guān)于銨鹽沉積的研究,主要通過(guò)建立簡(jiǎn)化熱力學(xué)模型來(lái)計(jì)算銨鹽的結(jié)晶溫度[2-3]。然而,由于銨鹽沉積過(guò)程與原料成分、操作工況、設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān),離線的簡(jiǎn)化計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)銨鹽沉積的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),實(shí)際生產(chǎn)中由于銨鹽沉積造成的安全事故仍頻繁發(fā)生[4-5]。因此,在物料復(fù)雜、工況多變的情況下,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)銨鹽沉積在線預(yù)測(cè)軟件,實(shí)現(xiàn)銨鹽結(jié)晶實(shí)時(shí)在線預(yù)測(cè),對(duì)于降低石化設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)具有重要的作用。本文以某芳烴廠加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)為研究對(duì)象,根據(jù)銨鹽結(jié)晶計(jì)算方法,結(jié)合ASPEN平衡預(yù)測(cè)模型,得出銨鹽結(jié)晶預(yù)測(cè)方法,并利用Visual Basic進(jìn)行ASPEN二次開(kāi)發(fā),以Visual Studio可視化編程為平臺(tái)開(kāi)發(fā)銨鹽沉積預(yù)測(cè)軟件。

1 銨鹽結(jié)晶預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

1.1 銨鹽結(jié)晶量的計(jì)算方法

原料油中所含的S、N、Cl雜質(zhì)在前期加氫裂化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)與H2反應(yīng)生成H2S、NH3、HCl等。隨著反應(yīng)流出物的冷卻,NH4Cl和NH4HS晶體通過(guò)以下反應(yīng)在氣相中形成:

(1)

(2)

銨鹽結(jié)晶平衡曲線[6]如圖1和圖2所示,其中K1=PNH3×PHCl,K2=PNH3×PH2S,PNH3、PHCl、PH2S分別代表氣相中各自分壓。已有研究表明[7],隨著溫度的降低,銨鹽結(jié)晶是一個(gè)持續(xù)可逆的反應(yīng)過(guò)程,該過(guò)程可近似為是接近平衡的持續(xù)過(guò)程。例如:對(duì)于NH4HS結(jié)晶,當(dāng)氣相中的Kp(PH2S×PNH3)超過(guò)相應(yīng)的平衡常數(shù)K2時(shí)(如圖2中的A點(diǎn))將會(huì)有NH4HS(s)生成,直到氣相中分壓乘積等于平衡系數(shù)(如圖2中的B點(diǎn)),當(dāng)溫度持續(xù)降低,分壓乘積再次超過(guò)平衡系數(shù),繼續(xù)結(jié)晶,重復(fù)上述過(guò)程。NH4Cl的結(jié)晶過(guò)程同NH4HS類似。因此,經(jīng)過(guò)無(wú)限小的ΔT降溫后,根據(jù)平衡常數(shù)的變化值,即可推導(dǎo)獲得銨鹽結(jié)晶速率的計(jì)算公式(3)和公式(4),總的銨鹽沉積量為各步驟形成量的總和。

圖1 NH4Cl結(jié)晶平衡曲線

圖2 NH4HS結(jié)晶平衡曲線

ΔnNH4Cl=

(3)

ΔnNH4HS=

(4)

其中:

(5)

(6)

其中:ΔnNH4Cl為NH4Cl結(jié)晶速率,mol/h;ΔnNH4HS為NH4HS結(jié)晶速率,mol/h;K1為NH4Cl結(jié)晶平衡常數(shù),(kPa)2;K2為NH4HS結(jié)晶平衡常數(shù),(kPa)2;nvapor為氣相總摩爾流量,mol/h;P為系統(tǒng)壓力,kPa;T為系統(tǒng)溫度,℃。

1.2 某芳烴廠加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)多相平衡預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

該廠原油加氫工藝如圖3所示:原料油經(jīng)加氫精制和加氫裂化反應(yīng)后,反應(yīng)流出物進(jìn)入換熱器和空冷器進(jìn)行冷卻,降溫后進(jìn)入高壓分離器(FA103)分離出循環(huán)氫、含硫污水及高分油,高分油經(jīng)精餾、分離,進(jìn)一步精制成石腦油、航煤油及柴油等產(chǎn)品。通過(guò)采集各產(chǎn)品和反應(yīng)流出物的流量、組分及空冷器進(jìn)出口的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù),采用倒推法,建立ASPEN工藝仿真模型,如圖4所示,獲取空冷器前后的流動(dòng)參數(shù)和物性參數(shù)。

圖3 某芳烴廠原油加氫工藝流程

圖4 ASPEN過(guò)程工藝仿真建模

1.3 反應(yīng)流出物系統(tǒng)銨鹽結(jié)晶預(yù)測(cè)方法

以NH4HS結(jié)晶為例,計(jì)算模型如圖4(NH4Cl計(jì)算模型同NH4HS)所示。根據(jù)必要的工況數(shù)據(jù),通過(guò)ASPEN仿真獲取氣相摩爾流量nvapor以及NH3、H2S氣相摩爾分率,通過(guò)計(jì)算得到氣相分壓PNH3、PH2S,平衡系數(shù)K2由式(6)計(jì)算所得,通過(guò)判斷氣相分壓乘積與平衡常數(shù)的大小,進(jìn)而確定是否發(fā)生銨鹽結(jié)晶,若結(jié)晶,通過(guò)式(4)計(jì)算其結(jié)晶速率,若不結(jié)晶,則T=T-ΔT。反應(yīng)物中NH3、H2S的量會(huì)根據(jù)銨鹽沉積損失進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,循環(huán)計(jì)算至Tmin為止。

圖5 NH4HS結(jié)晶速率計(jì)算步驟

2 軟件設(shè)計(jì)與功能分析

根據(jù)軟件需求分析,銨鹽沉積預(yù)測(cè)軟件的主要功能(如圖6)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置、銨鹽沉積計(jì)算等模塊,實(shí)現(xiàn)在工況多變的情況下,銨鹽沉積在線預(yù)測(cè)。

圖6 功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要包括LIMS分析數(shù)據(jù)和DCS基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)兩部分,軟件數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)軟件和LIMS、DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的交互,以某芳烴廠為例,軟件通過(guò)VB代碼實(shí)現(xiàn)與芳烴廠LIMS數(shù)據(jù)庫(kù)、DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的連接:

cnnAdobase.Provider = "MSDAORA.1"

通過(guò)cnnAdobase.ConnectionString函數(shù)連接LIMS數(shù)據(jù)庫(kù):

cnnAdobase.ConnectionString = "Password=; User ID=; Data Source=; Persist Security Info=True”

cnnAdobase.Open

通過(guò)建立phdObject對(duì)象,實(shí)現(xiàn)DCS數(shù)據(jù)庫(kù)連接:

Set phdObject = CreateObject ("VisualPHD.Data")

phdObject.HostName = ""

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要利用軟件實(shí)現(xiàn)ASPEN的嵌入式開(kāi)發(fā),進(jìn)行仿真計(jì)算。ASPEN的嵌入式開(kāi)發(fā)主要基于COM技術(shù),ASPEN為軟件的接口編程提供了一個(gè)ActiveX自動(dòng)控制服務(wù)器,用于實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用程序與ASPEN的交互,腳本控制語(yǔ)言為VB。ASPEN PLUS提供的客戶對(duì)象IHapp可以實(shí)現(xiàn)打開(kāi)、存儲(chǔ)模擬示例并控制ASPEN PLU GUI的能見(jiàn)性等功能[8]。

利用IHapp對(duì)象實(shí)現(xiàn)ASPEN連接:

Dim ihAPsim AS IHapp

Set ihAPsim = GetObject (App.Path &"")

其中App.Path &"" 為平衡模型存放路徑。

物性組分輸入ASPEN模型:

ASPEN PLUS Tools工具中的Variable Explorer(變量探測(cè)器)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)存放了ASPEN PLUS仿真模型的輸入和仿真結(jié)果,其中IHapp對(duì)象即為樹(shù)的根節(jié)點(diǎn),IHNode為節(jié)點(diǎn)對(duì)象,IHNodeCol為每個(gè)IHNode節(jié)點(diǎn)的其他同級(jí)節(jié)點(diǎn),組織在IHNodeCol集合對(duì)象中。以向ASPEN仿真模型中輸入低分干氣組分為例:

Dim i As Integer: Dim ihStreamVar As IHNode: Dim ihStream As IHNode: Dim ihStreamlist As IHNodeCol

對(duì)低分氣介質(zhì)組分進(jìn)行賦值:

Set ihStreamlist =_

ihAPsim.Tree.Data.Streams.Elements("DRY").Elements("Input").Elements("FLOW").Elements("MIXED").Elements:i=0: For Each ihStream In ihStreamlist: ihStream.Value = streamFlow (i): i=i+1: Next ihStream

ASPEN仿真與關(guān)閉:

當(dāng)物性組分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入Aspen仿真模型后,調(diào)用IHapp中的IHapp.Reinit函數(shù)初始化并調(diào)用IHapp.Run進(jìn)行仿真計(jì)算,獲取計(jì)算所需干烴物流摩爾流量nvapor以及氣相分率,最后調(diào)用IHapp.Close函數(shù)關(guān)閉。

ihAPsim.Run

Set ihStreamVar =_

ihAPsim.Tree.Data.Streams.Elements ("Vapor").Elements ("Stream Results").Elements ("Table")

ihAPsim.Close

2.3 參數(shù)設(shè)置與結(jié)晶計(jì)算

軟件利用VB實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和ASPEN二次開(kāi)發(fā),并通過(guò)Visual Studio可視化編程平臺(tái)完成銨鹽結(jié)晶算法的編程,同時(shí)使用GDI+(Graphics Device Interface Plus圖形設(shè)備接口)來(lái)繪制銨鹽沉積計(jì)算圖形,實(shí)現(xiàn)軟件窗體化。其中,參數(shù)設(shè)置主要根據(jù)實(shí)際的工藝過(guò)程確定溫度范圍和逐步溫差ΔT。

3 案 例

以某芳烴廠加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)NH4HS結(jié)晶沉積為例,采集分析某次實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù),其中原料油實(shí)際進(jìn)料量為246 t/h,原料油N含量為1 420 ppm,S含量為11 164 ppm,系統(tǒng)壓力為15.8 MPa,加氫反應(yīng)后物流流進(jìn)空冷器(EC102)入口溫度為145℃,出口溫度為45℃,經(jīng)換熱器(EA113)換熱冷卻至20℃進(jìn)入高壓分離器。設(shè)置參數(shù)ΔT為1℃,溫度范圍20～145℃,軟件運(yùn)行計(jì)算NH4HS結(jié)晶結(jié)果如圖7所示。

圖7 NH4HS計(jì)算軟件主界面

圖7曲線表示NH4HS在各溫度下的結(jié)晶速率,在溫度較高的情況下,不會(huì)發(fā)生NH4HS結(jié)晶,當(dāng)反應(yīng)流出物經(jīng)冷換設(shè)備冷卻降溫,開(kāi)始出現(xiàn)NH4HS結(jié)晶,起初結(jié)晶速率很大,隨著溫度的繼續(xù)降低,結(jié)晶速率越來(lái)越小,通過(guò)NH4HS結(jié)晶速率曲線可看出,該案例NH4HS結(jié)晶溫度為33℃,故在空冷器(EC102)管束不會(huì)形成NH4HS結(jié)晶沉積,預(yù)測(cè)NH4HS結(jié)晶發(fā)生在空冷器之后的換熱器(EA113)內(nèi),理論總結(jié)晶量為7.4 kmol/h,工藝上一般采取在換熱器或空冷器前注水來(lái)解決銨鹽結(jié)晶沉積問(wèn)題,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)銨鹽結(jié)晶位置可有效降低煉油裝置腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

本文在工藝分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合ASPEN仿真和銨鹽結(jié)晶計(jì)算模型,設(shè)計(jì)銨鹽沉積預(yù)測(cè)軟件,使銨鹽沉積預(yù)測(cè)軟件化,結(jié)晶速率可視化,準(zhǔn)確方便實(shí)現(xiàn)銨鹽沉積預(yù)測(cè)。該軟件在某芳烴廠加氫系統(tǒng)的試用過(guò)程中成功預(yù)測(cè)銨鹽結(jié)晶位置,對(duì)優(yōu)化冷換系統(tǒng)運(yùn)行、延長(zhǎng)其使用壽命、避免事故發(fā)生具有一定的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯：康 鋒)

Design and Implementation of Ammonium Salt Deposition Prediction Software Based on Process Simulation

OUGuo-fu1,2,HUANGKai1,WANGKai1,FANGHua-ping1

(1.Institute of Flow Included Corrosion,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China; 2.Hangzhou Fluid Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310018,China)

ASPEN simulation model was established according to air cooling system process of hydrogenation reaction effluent.ASPEN embedded secondary development was implemented by COM technology.Modularization programming for ammonium salt crystal calculation was achieved through Visual Studio visual programming platform to develop ammonium salt deposition prediction software.Software testing was conducted for hydrogenation reaction efflux system of an aromatic hydrocarbon plant.The results show the software can predict crystal blocking position and crystal deposition quantity,and has certain reference value for reducing equipment corrosion risk.

ASPEN PLUS; ammonium salt crystal; COM technology; prediction; software development

1673-3851 (2015) 02-0234-04

2014-06-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK13B03-02);國(guó)家基金委與神華集團(tuán)聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1261124);浙江省科技廳科研資助項(xiàng)目(Y201329372)

偶國(guó)富(1965-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事流動(dòng)腐蝕預(yù)測(cè)和石化裝置安全保障技術(shù)方面的研究。

TP311.5

A