加氫裝置高壓空冷器Kp值的意義和算法討論

藺峰濤

(中國石油化工股份有限公司滄州分公司,河北 滄州 061000)

加氫裝置反應流出物系統常用Kp值即硫化氫和氨的摩爾分數乘積來表征硫氫化銨的腐蝕程度。Kp值越大,系統發生腐蝕的風險越大。Kp值是加氫裝置高壓空冷器設計制造及選材指南的重要指標,對于確保裝置安全生產具有重要的意義。在正常生產操作中,Kp值是需要重點監控的參數。在加氫裝置反應流出物系統中,當管束發生泄漏時,Kp值則是分析失效原因時必須考慮的重要因素[1]。Kp值作為加氫裝置的重要參數,無法進行直接檢測,目前也沒有較為明確和統一的計算方法,因此有必要對Kp值的算法進行分析討論。

1 Kp值的來源和意義

為了更好地了解Kp值的意義和用法,先對Kp值的來歷和應用情況進行大致敘述。

該文討論的Kp值是加氫裝置反應流出物系統中硫化氫和氨的摩爾分數乘積,沒有單位。加氫裝置還需要計算另外一個Kp值,主要用于計算銨鹽的結晶溫度以及表征銨鹽的結晶傾向。對硫氫化銨來說,Kp值是反應流出物系統中硫化氫和氨的分壓的乘積;對氯化銨來說,Kp值是氯化氫和氨的分壓的乘積。一些資料時有錯用現象,需注意區分。一般無特別說明的,都是指該文所說的Kp值。

為了廣泛收集數據和積累經驗,1975年美國腐蝕工程師協會(NACE)針對加氫裂化裝置反應流出物空冷系統的腐蝕問題開展了一次腐蝕調查[2]。調查結果證實了硫氫化銨腐蝕與Kp值、介質流速之間的關系。Kp值為0.1～0.5,介質流速為4.60～6.10 m/s是比較適合的范圍,調查的裝置中沒有發現腐蝕案例。Kp值越高,介質的最大允許流速下降,Kp值超過0.5時,材料的腐蝕敏感性會大幅增強。當介質流速為3.05～3.66 m/s時,銨鹽容易沉積和結垢,導致裝置發生腐蝕。因此,介質流速具有適宜的范圍。

1996年環球油品公司(UOP)通過腐蝕調查證實了先前的參數指標的正確性,并提出了防止某些腐蝕問題發生的重要設計特征。

中國石化認可NACE的Kp值設計參數準則,并考慮到國內裝置的實際運行特點,在工藝防腐蝕管理制度中明確規定,臨氫裝置高壓空冷器選用碳鋼設備時,要控制Kp值在0.3以下,介質流速控制在3～6 m/s,否則需要進行材質升級。

2 Kp值的算法討論

加氫裝置高壓空冷器Kp值的計算必須考慮裝置的實際流程,根據反應產物的分離方案,確定需要準備的參數和算法。下面以2號加氫裝置運行數據為基礎,從Kp值的基本概念出發,詳細說明一下計算過程。

2.1 主要流程

反應流出物與原料油、混合氫通過換熱后進入熱高壓分離器(D103)進行氣液分離,熱高分氣與混合氫換熱并經熱高分氣空冷器(A101)冷卻后進入冷高壓分離器(D105),在冷高壓分離器中進行氣、油、水三相分離,為防止反應生成的銨鹽在低溫下結晶,導致熱高分氣空冷器管束發生堵塞和腐蝕,在熱高分氣空冷器前注入除鹽水以洗去銨鹽。

2.2 熱高分進料

2.2.1 熱高分進料組成

熱高分進料組成見表1。

表1 熱高分進料組成

2.2.2 進熱高分的硫化氫和氨

裝置進料量為127.165 t/h。

原料硫質量分數平均值為0.645 5%,產品柴油硫質量分數平均值為3.64 μg/g,原料中硫的轉化率很高,接近全部轉化為硫化氫,其硫化氫流量:

127.165×1 000×0.645 5%×34/32=872.153 kg/h

循環氫硫化氫質量濃度為171 mg/m3,循環氫中硫化氫流量:

135 000×171/1 000 000=23.085 kg/h

進熱高壓分離器的硫化氫流量合計:

872.153+23.085=895.238 kg/h

原料氮質量分數平均值為497.2 μg/g,產品柴油氮質量分數平均值小于0.50 μg/g,原料中氮的轉化率很高,近似全部轉化為氨,其氨流量:

127.165×1 000×497.2×0.000 001×17/14=76.775 kg/h

2.2.3 熱高分進料詳細物料組成

熱高分進料詳細物料組成見表2。

表2 熱高分進料詳細物料組成

2.3 流程模擬算法

由于Kp值的計算涉及到多組分氣液平衡的問題,計算量較大,若使用流程模擬軟件來進行計算,其計算結果就比較可靠。在熱高壓分離器中對油氣進行氣液平衡計算,熱高分氣相出料即為進入高壓空冷器的物料。模擬條件:熱高壓分離器壓力為7.12 MPa;溫度為192 ℃;模型為兩相分離器。模擬軟件運行結束后,可以得到氣相硫化氫和氨的摩爾分數,從而計算高壓空冷器的Kp值,具體的模擬結果見表3。

表3 熱高分氣相出料組成

Kp值=0.406 2×0.071 2=0.028 9

采用流程模擬軟件計算得出Kp值為0.028 9。

2.4 簡捷算法

在生產運行中,裝置技術和操作人員常采用簡捷算法來及時監控硫氫化銨Kp值。為了驗證此算法的準確度,按實際數據進行計算,了解兩種算法的偏差。

簡捷算法的要點是以1.05倍的循環氫流量作為總氣相流量,硫化氫和氨的含量根據原料中硫、氮含量及其轉化率計算得到,具體計算過程如下:

總氣相流量

=135 000/22.4×1.05=6 328.125 kmol/h

硫化氫流量

=127.165×1 000×0.645 5%/32=25.652 kmol/h

硫化氫摩爾分數

=25.652/6 328.125×100%=0.405 4%

氨流量

=127.165×1 000×497.2×0.000 001/14=4.516 kmol/h

氨摩爾分數

=4.516/6 328.125×100%=0.071 4%

Kp值=0.405 4×0.071 4=0.028 9

簡捷算法計算的Kp值為0.028 9,與流程模擬算法的計算結果保持一致。因此,對于具有熱高分流程且循環氫脫硫工藝正常運行的裝置,使用簡捷算法計算的結果是比較準確的。

由于簡捷算法是對主流加氫裝置運行參數的經驗歸納,并未考慮循環氫中硫化氫含量、加工原料和裝置特性,只能在一定范圍內適用。

因此,對于其他類型裝置,建議以流程模擬算法的計算結果為基準,適當調整總氣相流量的修正系數,確定適合裝置的簡捷算法。如果兩種算法的計算結果差距較大,則該裝置不適合使用簡捷算法。下面以1號加氫裝置Kp值的計算為例具體說明這個問題。

1號加氫裝置的加工原料為重油催化裂化裝置的輕柴油。為提高產品質量,部分加氫柴油返回裝置,與新鮮原料混合后進行循環加氫。反應產物與混合氫、原料油及分餾塔進料換熱后,溫度降至110 ℃,隨后進入反應產物空冷器(A3001)。為防止反應產物在冷卻過程中析出銨鹽,在空冷器的進口管線設有注水點。反應產物自A3001流出后,再經反應產物水冷器冷卻至40 ℃,最后進入高壓分離器。裝置無循環氫脫硫工藝,循環氫中硫化氫質量濃度為 8 200 mg/m3。1號加氫裝置的反應產物組成和進料組成分別見表4和表5。

表4 1號加氫裝置的反應產物組成

表5 1號加氫裝置的進料組成

由于不涉及多組分氣液平衡問題,計算相對容易,采用流程模擬軟件可以直接算出高壓空冷器的Kp值為0.031 6。

如使用簡捷算法計算,通過表5數據可得到高壓空冷器的Kp值為0.014 0。對比發現,兩種算法的計算結果偏差較大。由于此類裝置循環氫中硫化氫含量較高,不能忽略其影響,簡捷算法并不適合此處Kp值的計算。

3 結 論

(1)注意Kp值概念的混淆和錯用問題。采用Kp值評價加氫裝置反應流出物系統中硫氫化銨的腐蝕程度,該Kp值為硫化氫和氨的摩爾分數乘積,而不是分壓的乘積。分壓的乘積也可簡稱Kp值,通常用來計算銨鹽的結晶溫度,兩個Kp值概念不同,使用時應格外注意。

(2)計算加氫裝置高壓空冷器Kp值必須考慮裝置的實際流程,建議參考該文的計算過程,通過流程模擬軟件對簡捷算法的計算結果進行校正,并將結果作為日常監控數據使用。注意簡捷算法有適用范圍,并非適合所有裝置。

(3)加氫裝置高壓空冷器Kp值多數情況下受原料硫含量和氮含量影響較大。因此,在實際生產中,當原料性質和加工量發生變化時,要及時計算Kp值和空冷器中的介質流速,評估這些參數對裝置腐蝕的影響,企業若有條件可按照中國石化工藝防腐蝕管理要求在監控系統上實時顯示這些參數。