渣油加氢装置间断注水量的核算

谢六英 张 铭 周 华



渣油加氢装置间断注水量的核算

谢六英1,2张 铭1,2周 华2

1.中化泉州石化有限公司 2.厦门大学化工学院

针对渣油加氢过程中产生的硫化氢、氨气、氯化氢等气体在工艺流程的低温段易发生结盐堵塞管道的问题，采用间断注水操作，以便溶解生成的铵盐。为使该工程方案得以实现，该文首先粗略估算了该过程的注水量，在此基础上对该工艺进行模拟，然后在模拟的基础上确定间断注水量，模拟得到的结果比粗略估算更精确，为该过程的优化及工业过程的稳定运行提供了理论依据。

渣油加氢装置 间断注水 化学流程模拟

渣油加氢技术是将重质渣油进行深度加工的主要工艺技术，能将渣油中的硫、氮、金属等杂质大部分脱除，降低残碳含量，具有改善油品质量、环境友好、低碳、效益显著和实现石油资源的高效利用等优势，已被广泛应用[1]。早期典型的加氢装置多采用高压冷分离反应器流出物的流程（简称冷高分流程），当加工硫含量、芳烃含量高的原料时，采用冷高分流程易导致反应系统压降增加、传热效率下降及非计划停车等问题[2]，而采用热高压分离流程（简称热高分流程）便是有效的手段之一。热高分流程的特点是反应器流出的反应生成物经过换热降温至约360℃，进入热高分进行气液两相分离。反应生成的硫化氢、氨、氯化氢大部分进入热高分气中，少量溶解在热高分油中。热高分流程有效控制了稠环芳烃（PNA）积累造成高压换热器和高压空冷器管内结垢堵塞的问题，可保证装置长周期运行等优点。但硫化氢和氨在低于120℃时会生成硫氢化铵晶体，氯化氢和氨在低于200℃时会生成氯化铵晶体[3]。为防止铵盐结晶堵塞管道，可在管道中注水，以溶解铵盐。但是如何注水，注水量如何把握在目前还缺乏相关的理论支撑。由于渣油中氯离子较少，所以生成的氯化铵也很少，故可考虑间断注入少部分水的方法将其溶解。为验证该方法的可行性，下面以中化泉州石化渣油加氢装置中热高分流程为例，探讨计算间断注水量。

1 流程描述

如图1所示，经渣油加氢反应器反应后流出物进入V-103中进行气液分离，热高分气相温度T1为353℃，首先在E-106中与循环气换热至T2（228.4℃），再进入E-107低压蒸汽发生器降温至T3（190℃），随后经过空冷冷却至50℃进入冷高分。大部分硫化氢、氨、氯化氢以气体形式进入热高分中。氯化铵的结晶温度在200℃，会在E-107中析出，为防止结晶的铵盐堵塞管道，所以在E-107前设置间断注水。间断注水要保证有足够的液态水溶解氯化铵，但是由于注水点温度较高，水进入热高分气后会大量汽化，所以要对间断注水量进行核算。

图1 泉州石化注水流程

核算前，首先需确定热高分气的组分含量，热高分气经后续工艺操作后分为冷高分油及冷高分气，冷高分油的实验室分析数据如表1所示。表1含量数据所对应的操作时段的冷高分油流量为15t/h。由于冷高分气含有大量的硫化氢，不方便取样分析，而循环气比较容易取样分析，但根据流程分析，可以认为冷高分气由循环气、排放气及反应产生的硫化氢气体构成，循环气分析数据如表2所示。循环气流量为18.7× 104Nm3/h，排放气的流量为2.3×104Nm3/h，原料中的硫含量为3.74%，进料量为200 t/h，脱硫率约90%，所产生的硫化氢大部分存在于循环气中，通过计算得出热高分气中硫化氢流量约6.5 t/h。

表1 冷高分油分析数据

注：20℃密度为833kg/m3。

表2 循环气分析数据

2 间断注水量的估算

间断注水的流量至少要保证热高分气中有足够的液态水存在，为此也可以估算一下需要的注水量。

首先假定注入的水刚好全部汽化达到饱和状态，汽化后水蒸气的体积为V。注水后的热高分气的气相部分主要包括循环气、排放气、硫化氢以及部分油气。循环气流量为18.7×104Nm3/h，排放气的流量为2.3×104Nm3/h，硫化氢的质量流量为6.5 t/h，换算成体积流量为4300 Nm3/h。油气的体积流量难以确定，但热高分气为饱和气相，经过E-106换热及注水之后，温度降低幅度比较大，故大部分油气已经冷凝；油的分子量比较大，油汽化以后的体积与循环气的体积流量比，可以忽略不计。为此可忽略油气的体积流量，这将大大简化计算过程。

计算注水量还需要确定注水后的温度和压力。注水后，热高分气温度会大大降低，然后在E-107内与饱和水换热。1.0MPa饱和水的温度为180℃，若注水后热高分气温度低于180℃，热高分气会在汽包内被饱和水加热至约180℃；若注水后热高分气温度高于180℃，注水前与E-107换热后的温度为190℃，考虑到注水的降温作用，注水后E-107出口温度应该在180～190℃之间。所以可以认为注水后的温度约为180℃。

注水后，热高分气的压力为冷高分的压力加上管线及空冷的阻力降，冷高分压力为15.74MPa，根据经验，空气冷却器的压力降约为0.2MPa，所以可以计算出注水后的压力约为16MPa。

根据上面分析，得到热高分气标态下的体积流量为21.43×104Nm3/h，由于氢气的分子量非常小，分子体积也非常小，在高压下的实际气体与理想气体偏差不是很大，所以用理想气体状态方程可算出实际的体积流量为2070m3/h。180℃时饱和蒸汽的压力为1.0MPa，则根据分压定律，1/(1+2070)=1/16，得出1=138 m3/h。则注水后的总体积流量为138+2070=2208 m3/h。然后查到1.0MPa下饱和水蒸气的比容为0.194m3/kg，则水蒸气的质量流量为2208/0.194=11381(kg/h)=11.4(t/h)。注水流量为每小时11.4 t，热高分气中的水蒸气刚好达到饱和状态，继续加大注水量，超过11.4t的部分将以液态存在。

3 流程模拟及核算

流程模拟采用Aspen Plus，具体操作步骤为：首先启动ASPEN PLUS，选择模板petroleum with metric units，运行类型选择assay data analysis。进入components |specifications|selection页面，在component ID中输入oil，type选择assay。然后进入components|assay/blend|oil|basic data|dist curve页面，蒸馏曲线类型（distillation curve type）选择ASTM 2887[2]，然后输入表1中的蒸馏数据和密度。

上述设定完成以后，开始运行计算，可以得到冷高分油的虚拟馏分数据，如表3所示。在此基础上便可针对该物料进行热量衡算和相平衡计算。

表3 冷高分油虚拟馏分数据

进入setup|specifications|global页面，将运行模式（run type）由assay data analysis改为flowsheet，关闭数据浏览窗口，进入process flowsheet页面，建立如图2所示的流程图，流程模拟中，物性方法选择PENG-ROB。

图2 间断注水模拟流程

如图2所示，热高分气经过E-106换热后注入间断注水，为了方便观察间断注水后的油、水、气三相的流量，在注水后面的管路虚拟了一个闪蒸罐。已知循环气的流量和组成，我们可以计算各组分的质量流量，结果如表4所示。

表4 循环气各组分质量流量

然后开始输入进料组成及流量。假定间断注水量为10t/h。参数输入完毕，开始运行模拟计算，详细结果如表5所示。

表5 计算结果

从表5可见，若注水量为10 t/h，在热高分气的分离流程中只有78.4 kg/h的液态水存在，说明在该操作条件下，大量的水均已经汽化为蒸汽，难以实现加水的作用。由于此时气体中的水蒸气已经达到饱和状态，继续加大注水量，多注入的水都会以液态存在，对于所结盐的溶解具有较大的作用。

4 结论

两种方法计算的结果不完全相同，主要是注水后终温不同导致。但结果偏差不大，操作的时候可以根据计算值再进行适当放大，保证有足够的水来溶解铵盐。此外，注水会让热高分气的温度发生大幅变化，为了减少对设备的冲击，应该缓慢增加注水量。

[1] 方向晨. 国内外渣油加氢处理技术发展现状与分析[J]. 化工进展，2011，30(1): 95-97.

[2] 朱华兴，叶杏园. 热高分分离流程在加氢裂化装置中的应用[J]. 炼油设计，1995，25(5): 1-5.

[3] 李大东, 聂红, 孙丽. 加氢处理工艺与工程[M]. 北京：中国石化出版社，2004.

[4] 孙兰义. 化学流程模拟实训——Aspen Plus教程[M]. 北京：化学工程出版社，2012.