基于动态模拟的甲醇精馏三塔流程安全泄放研究

2022-11-15任文珂徐振华聂李红成都中国成达工程有限公司610041

化工设计 2022年5期

任文珂徐振华聂李红成都中国成达工程有限公司 610041

关于精馏系统超压泄放量的确定，传统方法是针对单台塔独立分析，各精馏塔最大泄放量直接叠加作为火炬系统设计能力。实际上，精馏系统物流相互连通，热量相互耦合，发生极端工况时各塔并未彻底切断，系统的超压和泄放等相互作用，很难出现各精馏塔同时达到最大泄放量的情况。传统方法势必导致火炬系统设计能力偏大，增加装置投资。

《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》明确：同一事故导致的多个系统排放时，应按照各系统排放的“流量-时间曲线”进行叠加，取最大值作为该事故工况的最大排放量[1]。API STANDARD 521 指出可通过动态模拟的手段得到各系统泄放的流量-时间曲线。

本文通过Aspen HYSYS 动态模拟某项目180万吨/年天然气制甲醇精馏三塔流程在回流失效、过度热量输入、火灾和停电等工况下各精馏塔塔顶安全阀泄放的流量-时间曲线，确定了各工况的最大泄放量，为优化火炬系统设计提供依据。

1 模型建立

1.1 工艺流程

甲醇精馏系统工艺流程见图1。

图1 甲醇精馏系统工艺流程图

来自甲醇合成单元的粗甲醇经流量调节后进入稳定塔，塔顶气相经空冷器后，液相进入回流罐，全部回流至稳定塔，不凝气送燃料气管网。稳定塔再沸器以前端工艺气作为热源，塔釜液经泵加压后送至低压精馏塔。低压塔塔顶甲醇气经空冷器全部冷凝后，部分回流，部分作为产品抽出。低压塔再沸器以中压塔塔顶气相为热源，塔釜液经泵加压后送至中压精馏塔。中压塔塔顶甲醇气经低压塔再沸器全部冷凝后，部分回流，部分作为产品抽出。中压塔再沸器以低压蒸汽为热源，塔釜含微量甲醇的水经泵加压后返回前端。少量杂醇油从中压塔中下部抽出，以确保塔顶产品质量。

三个精馏塔塔顶气相管线上均设有安全阀，对系统超压进行保护。安全阀出口气排放至全厂火炬，火炬管网可能因其他系统排放导致背压升高。为保证各工况下均能顺利泄放，稳定塔和低压塔的设计压力为3.5bar(G)。稳定塔顶设置4 台安全阀，低压塔顶设置1 台安全阀，整定压力为3.5bar(G)。中压塔设计压力为5.0bar(G)，塔顶设置4 台安全阀，整定压力为5.0bar(G)。安全阀型号均为8T10，允许超压均为10%。

1.2 稳态模型

根据工艺流程建立稳态模型，选用NRTL 活度系数模型[2,3]。运行模型至收敛，各塔关键操作参数见表1。

表1 甲醇精馏系统操作参数

1.3 动态模型

Aspen HYSYS 动态模拟采用固定步长的隐式欧拉算法进行计算。在动态模式前，需要先设置边界物流（流入系统和流出系统的物流）的压力-流量规定，以满足模型自由度。

对于非流导设备（如罐类），流体经过时几乎不产生压降，系统的调节与设备尺寸相关，动态模拟时需要给定设备的尺寸，本研究采用项目工程设计尺寸。对于流体经过会产生压降的流导设备（如阀门、换热器），则需要给定压力和流量关系。本研究采用在稳态模式下输入压降经验值、软件计算阻力系数的方式简化处理[4]。

动态模拟结果的准确性和控制系统密切相关。如图2所示，精馏塔的进料采用流量控制，回流采用回流罐液位-流量控制，塔顶产品采用流量控制，塔釜馏出采用液位控制。中压塔再沸器热源采用流量控制。完善模型的控制系统后即可进入动态模拟。

图2 甲醇精馏系统动态模型

2 工况分析与讨论

通常，对于精馏系统而言，回流失效、冷媒中断、过度热量输入、停电和火灾为常见的事故工况。由于本研究流程塔顶冷却全部采用空冷，停电会同时导致空冷器风机停转（冷媒中断）和所有泵停转，事故情况更为恶劣，故不再单独分析冷媒中断工况。

若采用传统方法，将各精馏塔塔顶气相量直接加和作为最大泄放量，则火炬系统设计能力可达1013t/h。

2.1 回流失效

回流泵异常跳车或回流阀故障全关均会导致精馏塔回流失效。模拟时，手动关闭回流阀，系统其余阀门均维持当前开度，塔釜热源不切断。分别讨论稳定塔、低压塔和中压塔回流失效时，精馏塔压力和泄放情况。三塔同时回流失效仅当装置停电时会出现。

（1）稳定塔回流失效工况：回流罐满罐后塔顶压力快速上升，第33min 达到安全阀设定压力，安全阀起跳，第39min 安全阀达到最大排放量191t/h。低压塔和中压塔未受影响，压力维持稳定。详见图3、图4。

图3 稳定塔回流中断工况压力-时间曲线

图4 稳定塔回流中断工况泄放量- 时间曲线

（2）低压塔回流失效工况：回流罐液位逐渐上涨，塔顶压力逐渐升高。42min 后塔釜液位被蒸干，无气相上升，塔顶压力开始下降。低压塔最高压力420kPa，低于安全阀整定压力450kPa，安全阀未开启。稳定塔和中压塔未受影响，压力维持稳定。详见图5。

图5 低压塔回流失效工况压力-时间曲线

（3）中压塔回流失效工况：由于塔釜热量持续供应，塔顶压力先缓慢升高，至回流罐满罐后快速升高，第9min 塔压升高至安全阀整定压力。第13min 时安全阀达到最大泄放量327t/h。稳定塔未受影响，压力维持稳定。低压塔由于塔釜再沸器换热面积被浸没，热负荷降低导致塔顶压力逐渐降低。详见图6、图7。

图6 中压塔回流失效工况压力- 时间曲线

图7 中压塔回流失效工况泄放量- 时间曲线

综上，中压塔回流失效时系统的总泄放量最大，约占中压塔塔顶气相量的71%，以此确定火炬系统设计能力为传统方法的32%。

2.2 过度热量输入

中压塔再沸器采用低压蒸汽做热源，通过调节阀控制蒸汽冷凝液流量。当调节阀故障全开时，会导致过度热量输入。根据调节阀选型反算其故障全开时最大流通能力为正常流通能力的1.73 倍，但该工况实际最大热负荷还受制于换热器的传热面积。利用HTRI 软件Simulation 模式进行传热计算，发现中压塔再沸器的热负荷最大仅为正常值的1.06倍，低压蒸汽仅部分被冷凝。在该工况下，过度热量输入较小，且塔顶空冷器均正常，中压塔和低压塔压力上涨缓慢，稳定塔压力维持不变，系统基本无超压风险。该工况压力-时间曲线见图8.

图8 过度热量输入工况压力-时间曲线

2.3 火灾

正常火焰高度从可燃液体能够积聚的地面或者平台起按照7.5m 计，精馏塔的裙座高度按照5m 计。考虑与塔釜相连的管道亦暴露于火灾中，设备湿润面积取计算值的1.2 倍。在不考虑消防喷淋系统时，环境因子取1.0。按照API STANDARD 521 计算得精馏塔的火灾工况下外部输入热量见表2。

表2 火灾工况下精馏塔外部热量

当精馏系统遭遇外部池火时，为避免影响上下游装置，应切断各精馏塔的进料阀和产品采出阀，塔顶气相放空阀和回流阀开度维持不变。分别讨论当火灾发生位置靠近稳定塔、低压塔和中压塔塔釜时，精馏塔压力和泄放情况。

（1）稳定塔塔釜火灾工况：31min 后稳定塔压力达到设定点，安全阀起跳，最大泄放量为52t/h。49min 时中压塔压力达到设定点，安全阀最大泄放量为40t/h。低压塔的热量来自中压塔塔顶气相，其压力上升至200kPa 后不再升高，安全阀未起跳。根据泄放量-时间曲线，该工况系统最大总泄放量为91t/h。见图9、图10.

图9 稳定塔火灾工况精馏塔压力- 时间曲线

图10 稳定塔火灾工况泄放量- 时间曲线

（2）低压塔塔釜火灾工况：由于系统被隔离，热源均未被切断，塔压均呈上升趋势。火灾发生37min 后，稳定塔压力达到设定点，安全阀起跳，最大泄放量为49t/h。41min 后中压塔压力达到设定点，安全阀最大泄放量为69t/h。低压塔压力未达到安全阀整定压力。根据泄放量-时间曲线，该工况系统最大总泄放量117t/h。见图11、图12.

图12 低压塔火灾工况泄放量- 时间曲线

（3）中压塔塔釜火灾工况：第34min 中压塔压力达到安全阀设定压力，安全阀最大泄放量为76t/h。第38min 稳定塔压力达到安全阀设定压力，安全阀最大泄放量为46t/h。低压塔压力未达到安全阀整定压力。根据泄放量-时间曲线，该工况系统最大总泄放量为122t/h。见图13、图14.

图13 中压塔火灾工况压力- 时间曲线

图14 中压塔火灾工况泄放量- 时间曲线

综上，中压塔塔釜火灾工况系统泄放量最大，以此确定火炬系统设计能力为传统方法的12%。

2.4 停电

装置停电导致精馏系统塔釜泵、回流泵停转，稳定塔和低压塔塔顶冷凝器风机停转，考虑到自然通风，保留20%的冷却能力[5]。停电工况多在突然状态下发生，故模拟时维持稳定塔进料阀和塔顶气相放空阀开度不变，塔釜热源均未切断。

模拟发现，装置停电信号触发后，由于塔顶无液体回流，塔釜热量持续将液体汽化，塔顶空冷器自然冷却能力不足以使气相冷凝，故塔顶压力随即上升。由于中压塔塔顶气相为低压塔塔釜提供热源，一定时间内可以被冷凝，故中压塔先期压力上涨比较缓慢。由于回流泵停运液体无法排出，回流罐于第5min 满罐，导致上游再沸器换热管浸没，冷却能力大幅降低，中压塔压力快速上升，第8min 安全阀开启，但塔压仍然上涨，说明现有安全阀泄放能力不足。低压塔塔顶压力至200kPa 后基本保持不变，原因是塔釜再沸器热侧满液，热负荷降低。见图15、图16。