利用流程模拟软件解决乙烯装置冷箱冻堵问题

任唯松

(中国石化上海石油化工股份有限公司烯烃部，上海 200540)

利用流程模拟软件解决乙烯装置冷箱冻堵问题

任唯松

(中国石化上海石油化工股份有限公司烯烃部，上海 200540)

化工流程模拟技术以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，使人们可以从整个系统的角度来认识、分析、预测生产中深层次的问题，进行装置调优、流程剖析和过程综合，达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的。文章利用流程模拟软件分析乙烯装置冷箱冻堵可能产生的原因，并以此为依据，解决实际生产问题。

流程模拟 乙烯 冷箱冻堵 水合物

乙烯装置的物料组成较为简单，整个过程更为接近理想状态，为流程模拟软件的应用提供了很好的基础。在实际生产中经常遇到设备故障临时切出检修和流程更改等问题，化工模拟计算软件(HYSYS)有很多小的计算工具，比如沸点曲线(Boiling Point Curves)、CO2冰点(CO2Freeze Out)、相图(Envelope)、水合物的形成(Hydrate Formation)等，可以用来模拟计算平时遇到的相态变化、冷箱冻堵等问题，为复杂的过程带来更便捷的计算方法。

文章结合装置实际生产和模拟计算，就流程模拟软件实际使用情况进行举例说明。

1 冷箱EA-331B冻堵原因分析

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)2#烯烃装置于1978年12月从日本东洋工程公司引进，生产技术采用Lummus公司的SRT-1、3型裂解炉和顺序深冷低压脱甲烷分离工艺。2002年在现有装置(以下简称老区)北侧的一个狭长地区内新增了一条生产能力为300 kt/a的生产线(包括裂解炉区、急冷区和分离区，合称新区)。随着装置的改造及老区运行负荷的增加，2010年2月25日冷箱发生第一次冻堵，随后近一年的时间内连续发生7次冻堵事件，装置将冷箱切出进行吹扫。老区装置在正常运行期间，EA-331滤网经过吹扫的冻箱，仍存在堵塞的现象。从拆出的冷箱进口过滤网看，滤网和管壁上附着白色结晶物，堵塞过滤网，形成冻堵。

造成冷箱冻堵原因有不同的解释：一是由于裂解气在冷箱内逐渐降温过程中，当温度低于经过干燥的裂解气露点温度后，水分就会冷凝，经过长期积累，导致冷箱换热效果变差，使冷箱阻力增大，物料流通量逐渐减小，最终冷箱冻堵；二是由于裂解气中含有的苯以及凝固点温度较高的物质(如CO2)，因为温度下降而逐渐析出并附着在冷箱内，造成冻堵。但是这两种解释导致的冻堵处理方法及解决手段各不相同，因此通过流程模拟软件分别对两种可能的因素进行分析。

1.1 CO2析出

2010年老区大修后引入了富乙烯气作为原料，经分析该股物料CO2的体积分数为5×10-6，一直以来我们认为EA-331B进口堵塞的原因是由于该股物料中CO2析出造成的。经测算，该股物料温度为-72 ℃，压力3.3 MPa，各组分的体积分数如表1所示。

表1 富乙烯气物料各组分的体积分数 %

利用HYSYS的公用工具(UTILITIES)进行模拟计算，选择Peng-Robinson物性包，通过CO2析出工具(CO2Freeze Out)对该股物料进行模拟计算。计算结果表明：在当前工况下，只有在冷箱温度达到-189.6 ℃以下时，CO2才能够析出，而在EA-331B正常运行的温度(-76 ℃)下，CO2是不会析出的。由此可以判定冷箱EA-331B的冻堵不是由于CO2结晶引起的。

1.2 水合物造成的堵塞[1]

管道内生成水合物的条件包括：

(1)适当温度和压力的结合。水合物形成的适宜条件是低温和高压，适宜的温度和压力取决于具体的气体成分。

(2)必须有水合物形成物，即小分子气体。试验证明大于丁烷的分子一般是不能生成气体水合物的。

(3)自由水。自由水对于水合物的生成不是必要的，但是自由水的存在对于水合物的生成确实是有利的，水-气界面也是水合物容易成核的地方。天然气的温度必须等于或低于天然气中水的露点，才能够形成水合物。

另外，还有一些对水合物生成有利的条件，包括：

(1)紊流。紊流包括高流速和湍流，高流速的流体有利于水合物形成，湍流为管道、容器或热交换器中的混合流体，有利于水合物的生成。

(2)成核地点。相位转换处一般是容易成核的地点。水合物的成核地点包括管路中不理想的地方，如焊缝处、管路装配处(弯头、三通、阀门)，淤泥、锈皮、污垢和砂子都是很好的成核地点。

针对文献中所描述的水合物生成的条件，对EA-331B进行如下分析：

(1)具备水合物生成的温度和压力

利用HYSYS软件，选择Peng-Robinson物性包，通过水合物生成工具(Hydrate Formation Utility)进行模拟计算。模拟计算结果表明：在3.3 MPa的压力下，形成水合物的温度为14.1 ℃，EA-331B进口温度为-72 ℃，压力为3.55 MPa，完全具备形成水合物的温度和压力条件。因此在冷箱运行期间，会形成水合物，水合物的结构类型主要取决于气体分子填充晶穴的大小，EA-331B进口形成水合物的结构为I型水合物。

2 冷箱冻堵解决方案

根据模拟结果确定了EA-331B的冻堵是由水合物引起的。针对这个原因对水合物生成的条件进行排摸：一方面考虑是由于裂解气干燥器水分穿透引起；另一方面对冷区进料流程进行排摸。

2.1 DC-2250跨线设计不合理

该跨线于2006年6月15日投用，后借大修的机会将其改至老区裂解气干燥器FA-209进口。虽然该跨线露点检测一直为-70 ℃左右(S-2250)，但也有2～3 mg/L的水分被带入老区的冷区，长期积累也可能会造成冻堵。目前，对露点采样分析时间节点进行了优化，确保各露点分析数据正常。

2.2 TIC-235(裂解气干燥器进料洗涤塔温度)的影响

通过计算，理论上裂解气压力为3.55 MPa(表压)，密度为800 kg/m3,温度低于14 ℃的条件下，即能形成水合物。当裂解气压力高于3.65 MPa，温度低于15 ℃的条件下，乙烯和水易产生水合物；当裂解气压力高于3.65 MPa，温度低于14.5 ℃时乙烷和水易产生水合物。因此，收集了PIC-255段出口压力(见图1)及TIC-235温度(见图2)数据作为说明，并找出两者的关联性(其中图中的圆圈代表发生冻堵的日期)。由于3A分子筛对水合物几乎不吸附，也就是说，一旦形成水合物，裂解气干燥器FA-209无法将其脱除。

由图1和图2可以看出：在冻堵发生时间段内，TIC-235温度在15 ℃上下徘徊，而裂解气压力随老区负荷的逐年升高，相应PIC-255压力也同步升高，最高时超过了3.70 MPa(表压)。可以判定，当前工况下，已满足了生成水合物的两个必要条件。

图1 PIC-255裂解气压力趋势

图2 TIC-235温度趋势

通过流程模拟软件的计算和对老区流程的排摸，确定了冷箱冻堵产生的原因以及水合物可能产生的来源。装置采取了相应措施，对TIC-235及PIC-255进行校验，确保其数据准确性，并相应提高了TIC-235的控制温度至16 ℃，使其达不到生成水合物的标准。

3 结语

利用流程模拟软件对装置运行中存在的问题和现状进行了分析，对冷箱冻堵解决方案的可行性进行论证，为方案顺利实施提供了保证。

近年来，化工流程模拟软件因其性能上独特的优越性而得到迅速的发展，模拟技术已成为化工装置节能降耗和排摸检查的重要手段。通过流程模拟软件的应用，提高了分析与解决问题的科学性和可靠性。但是，流程模拟是建立在模型选取和技术人员水平的基础上的，目前的软件应用水平还停留在初级阶段，只能用来解决一些基本的问题，水平还有待提高，如果能够在基层技术人员中推广应用，一定会使管理水平更上一个台阶，并有利于降低企业的生产成本。

[1] 涂运中，蒋国盛.管道内气体水合物的形成及其处理方法研究[J].西部探矿工程，2005(2)：62-63.

Utilization of Process Simulation Software in Solving the Frozen Blocking
Problem of Cold Box in Ethylene Plant

Ren Weisong

(OlefinsDivision，SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The chemical process simulation technology adopts mathematical method to describe the chemical process on the basis of the mechanism model of the process,so as to enable people to understand,analyze and forecast the deep-level problems in the whole system,make plant optimization,flow analysis and process integration,and achieve the target of optimizing production,saving resources,protecting environment,and improving economic benefits.In this paper,the simulation process is used to analyze the possible causes of the frozen blocking of the cold box in the ethylene plant,so as to solve the actual production problems.

process simulation,ethylene,cold box frozen blocking,hydrate

2017-03-08。

任唯松，男，1980年出生，2003年毕业于东华大学自动化管理专业，助理工程师，现从事烯烃生产工艺及技改项目管理工作。

1674-1099 (2017)03-0051-03

TB492

A