加氢裂化装置反应系统压力控制

加氢裂化装置反应系统压力控制

关键词：反应器/高压分离器/反应系统/分程控制

1 引言

加氢裂化是重质油品轻质化的重要手段之一, 典型的工艺流程如图1所示。

加氢反应流出物经换热降温, 再经空气冷却器使温度达43℃左右进入高压分离器(高分V-2), 将氢气与反应产物进行分离。高分顶流出物绝大部分为氢气, 进入循环氢压缩机(C-1)升压到18MPa 左右, 一部分作为急冷氢以控制反应温度; 另一部分则与补充的氢气混合。加氢反应耗氢气, 因此必须由其它产生氢气的装置来补充氢气, 此氢气压力低, 要经新氢压缩机(C-2往复式) 提升到18～19MPa 压力进入加氢装置的氢气系统。混合后的氢气与反应流出物换热升温达300℃左右进入循环氢加热炉。

一种或几种原料按比例混合进入原料缓冲罐(V-1),经加氢进料泵提高压力后与反应流出物换热升温到要求的温度后, 与第一循环氢加热炉出口的氢气混合, 其温度为344℃左右进入加氢精制反应器(R-1)。反应器的出口物流与循环油(从分馏塔底来) 以及第二循环氢加热炉(F-2)出口的氢气混合进入加氢裂化反应器(R-2)。 反应流出物经与循环氢、进料以及低压分离器(V-3)的液体等一系列换热降温, 最后经空气冷却器(A-1)降温到43℃左右进入高压分离器(V-2),V-2顶的气体进入循环氢压缩机, 高分底的液体部分进入低压分离器(低分) 。高分压力一般约为16MPa, 低分压力为1.6MPa 左右。高分低分为加氢裂化装置高压部分及低压部分的分界点。

低分液体部分与反应流出物换热升温后进入脱丁烷塔(T-1),T-1底液体进入分馏塔(T-2),得到所需的产品棗石脑油、煤油、柴油及循环油。

图1为典型的加氢裂化工艺流程, 工业应用中也有一些差异。不管工艺流程如何变化, 加氢裂化装置的主要机械设备是:高压进料泵、反应器、加热炉、循环氢压缩机、补充氢压缩机、高压分离器及分馏塔等。

从上述可看出加氢裂化装置的特点:

1、高温、高压(高氢分压) 。从高压进料泵及压缩机出口到高压分离器为止, 系统的压力在16～19MPa 范围, 热交换器、加热炉及反应器介质的温度在300～400℃, 而且处于氢气环境中。因此, 所有仪表材质和压力等级必须适应所处的操作条件。

2、加氢是耗氢强放热反应。加氢是氢气作为反应物参与反应, 因此要消耗氢气。如不及时补充, 系统压力就会下降。同时加氢裂化是强放热反应, 如热量不及时排出、势必加快反应速度而放出更多的热量, 继续下去会造成反应失控、温度骤升、造成催化剂及设备的破坏。因此, 温度和压力是重要控制参数。

3、由高压部分和低压部分组成。本装置高压及低压部分的分界面在高压分离器及低压分离器之间。避免高压气体串入低压部分极为重要, 因此, 高压分离器的液位是一个重要控制参数。

由于篇幅有限, 本文主要介绍反应系统的压力控制。

2 反应系统压力控制

压力是系统内进出物料不平衡的量度, 因而气体压力控制不是改变流入量就是流出量。加氢裂化装置几乎全是气体压力控制。加氢裂化是耗氢反应, 即氢气参与反应, 必须从外界向系统补充氢气才能维持压力平衡。此压力的平衡点在高压分离器。

加氢反应是烃类与高压氢气发生反应除去杂质或生产我们所需的轻质产品。它是由氢气来维持反应系统的压力。由于反应耗氢、泄漏等因素, 如不补充氢气, 压力势必下降甚至无法完成加氢反应。

循环氢压缩机出口的氢气一部分作为反应急冷氢控制温度, 另一部分与补充的氢气混合, 经与反应流出物换热升温后进入循环氢加热炉。原料经进料泵升压后与反应流出物换热升温, 与循环氢加热炉加热后氢气混合进入加氢精制、加氢裂化反应器, 生成反应产物(反应流出物), 经换热降温、冷却后进入高压分离器(V-2参见图1) 。上述部分是在高压下进行, 只有高的氢分压才能进行加氢反应。无论工艺流程如何变化, 只在高压分离器顶或循环氢压缩机入口设有一套压力控制系统。

2.1 高压分离器压力控制[1]

高压分离器压力采用分程--自动选择控制方案, 以稳定反应系统压力, 自动补充氢气。

由于从制氢装置或其他产氢装置来的氢气压力只有1～2MPa, 因此要经过压缩机升压后才能进入反应系统。往复式压缩机最适于压缩流量小、压缩比大、压力高的气体, 在高压和超高压(3500公斤/厘米2) 时, 一般采用往复式压缩机。它是一种固定容量, 可变排气压力的转机。常用的控制方法是压缩机外部旁通管的调节, 这种调节适用于任何规格的压缩机。由于这种调节方式是使一部分被压缩的气体经过外部旁路管再返回到入口, 虽然消耗一部分能量, 但操作简单, 灵活性大。返回的气体应经过冷凝分去凝液, 以防液体带入压缩机和机入口温度的升高。由于在工艺过程中这种气体的压缩往往是分段的, 所压缩气体的返回也是分段的。由于生产的连续性, 工艺过程的前后工序或前后工段的负荷波动, 将会影响压缩机的稳定操作。因此, 稳定压缩机入口的压力或者是稳定各分段压缩入口的压力是压缩机稳定操作的关键。本文以加氢裂化装置往复式三级压缩机为例说明。往复式压缩机具有低排量、高出口压力的特点, 适合于加氢裂化补充氢压缩机的工艺要求, 因此国内外补充氢压缩机都采用往复式。

往复式压缩机主要的应用特性:R=Pd/Ps

R:压缩比

Pd:压缩机出口压力

Ps:压缩机入口压力

往复式压缩机每级(段) 最大的压缩比(即压力比) 为3:1(也可达4:1)。

高分压力控制往往与补充氢压缩机压力控制系统联系在一起, 如图2所示。

当高压分离器压力下降时, 高分压力调节器PRC107为正作用, 因此输出在0%～70%范围内时, 经标度转换(反向) 为100%～0%进入低值选择器(LS),当选上时, 则由高分压力调节器PRC107控制新氢压缩机三段出口返回阀PV107B, 高分压力下降则PV107B 开度减小, 返回量少则去高分的氢气量多, 促使高分压力上升; 高分压力上升时调节器输出趋近70%,经标度转换(反向) 趋近于0%,三段出口返回阀PV107B 开度加大, 返回量多去高分的氢气量小, 因而压力下降达到给定值。

从上述看出当高分压力下降时, 新氢压缩机三段出口返回量少给高分补氢量多, 此时二段出口压力会下降即三段入口分液罐压力下降。压力调节器PRC106为正作用, 其输出在0%～50%范围, 经标度转换为0%～100%进入低值选择器(LS),当三段入口分液罐压力很低时, 去低值选择器的值接近0%,会由低值选择选上。因此由PRC106控制返回阀PV107B, 以保证压缩机三级出口能达到进入系统的压力。选择器起着软保护功能, 使被控参数不会超过极限。根据往复式压缩机性能, 则二段入口压力也低, 一段入口压力也低, 即一段入口分液罐压力低, 则补充氢气量自动加大。补充氢气至一段入口分液罐只设有流量记录。

当高分压力上升, 而高分压力调节器PRC107的输出在70%～100%范围时, 经标度转换为0%～100%去作用PV107A, 即放空去火炬。装置操作不正常时才会出现此种情况。PRC107输出的另一路0%～70%经标度转换100%～0%,因为信号大于70%去低值选择器的信号为0%,当然为LS 选上去PV107B, 则PV107B 全开使大量氢气从新氢压缩机三段出口返回, 因此三段入口分液罐压力上升,PRC106输出在50%～100%范围经标度转换(反向) 为100%～0%去低值选择器, 根据往复式压缩机的性能, 二段入口分液罐压力也高,PRC105的输出在50%～100%范围, 因此低值选择器另一个输入为100%,因此低选器选上PRC106的信号, 同样低选器也会选上PRC105的输出, 即由往复式压缩机每段出口压力控制返回入口阀开度, 当压力上升时, 调节器输出趋近于100%,经反向标度转换趋近于0%去作用于返回阀(FO),返回氢气量大。V-5一段入口分液罐压力上升,PRC104为正作用, 输出上升到50%～100%范围,PV104A 阀打开氢气出装置,V-5罐压力上升, 因而进入氢气量自动减少。

对于每台调节器的输出, 调节阀在一定范围内动作如图3所示。

上述的高分压力及新氢压缩机压力控制系统中, 补充的新氢与循环氢压缩机出口的循环氢混合进入反应系统。也有采用补充的新氢直接进入高压分离器, 其工艺控制流程如图4所示。

此控制方案与前面所述的类似, 只是氢气源的压力较高, 经二段压缩后直接进入高压分离器。高分上设有压力调节器PRC107, 其输出经低值选择后控制压缩机二级出口返回二级入口的调节阀的开度。PRC1017为反作用调节器, 高分压力下降时, 输出上升因而使返回阀PV107开度变小, 因而返回的氢气量少而向高分补充的氢气量多, 促使高分压力上升达到给定值。根据往复式压缩的性能, 一段入口分液罐(V-5)压力也低则自动增加补充氢气量。当高分压力上升时与此过程相反。

当高分压力低时, 根据往复式压缩机的特性, 则二级入口压力也低, 其调节器PRC106输出在0～50%范围内, 经标度转换为0～100%进入低值选择器(LS)PRC106调节器为正作用, 当二级入口压力低到一定程度则去低选器之值低会被选上而控制返回阀的开度, 保证二级入口压力从而使出口氢气有足够的压力进入高分, 以保证压缩机不受到损坏。所以称低值选择器(LS)起到“软保护”作用, 自动选择又称为超驰控制。

从上述两个相近的控制流程看出, 高分压力低时, 则由高分压力调节器的输出和压缩机末段入口压力调节器的输出选择控制返回阀, 其他段则由入口压力调节器控制返回阀, 向系统补充的氢气量多; 当高分压力高时, 则由高分压力调节器的输出和压缩机各段出口压力调节器的输出控制返回阀, 向系统补充氢气量少。我们称往复式压缩机逐段分程选择控制的方法为压力递推自平衡控制。

我们不难看出高分压力及新氢压缩机控制的目的:

(1) 自动补氢以平衡加氢裂化的氢耗, 稳定反应系统的压力;

(2) 自制氢装置来的氢气经三级压缩, 以满足加氢原料预加氢所需的氢气压力;

(3) 由于往复式压缩机每段都有氢气返回, 因此每段的压缩比都等于或接近于设计值, 保证机器稳定地长周期运行。

2.2 循环氢(气) 压缩机出口压力控制[2]

循环氢压缩机(C-1)出口压力可认为反应系统的启始压力, 而高压分离器(V-2)的压力可视为反应系统的终点压力, 而两点的压力差即为物料流动的推动力。因此压缩机出口压力是主要的控制参数, 涉及到补充氢气的压力, 反喘振控制等, 对于平稳操作, 设备保护起着重要作用。

一般加氢裂化循环氢压缩机选用离心式, 蒸汽透平驱动, 以适应负荷变化大, 循环氢(气) 分子量变化的要求。 我们知道压缩机出口的压力与转速有关系, 当转速增加时, 出口压力及流量都会变化, 如流量不变则出口压力就会上升。因此采用调节蒸汽透平入口蒸汽量从而改变压缩机转速的方法控制压缩机出口压力, 如图5所示。

从循环氢压缩机出口压力与转速关系图6看出, 当转速从额定转速的80%上升到90%时, 出口压力从P1上升到P2。因此调节压缩机转速, 只需蒸汽透平的主汽门开大, 进入更多的蒸汽, 压缩机转速加大, 出口压力就会上升, 因此调整非常方便。

3 结束语

从上述可以看出, 压力控制系统的关键在压缩机的控制, 新氢压为整个系统提供了外在动力; 而循环氢压缩机出口压力则是系统的启始压力, 它为整个系统提供了内在动力。因此控制好了压缩机的出口压力就能够很好的控制整个反应系统的压力。