加氢装置冷高压分离器设计压力选取.pdf

收稿日期:.作者简介:王鹤,男,年毕业于英国拉夫堡大学化学工程与工艺专业,硕士,主要从事加氢装置的工艺设计工作,高级工程师.E m a i l:w a n g h e s e i c o mc n.加氢装置冷高压分离器设计压力选取王鹤(中国石化工程建设有限公司,北京 )摘要:高压设备的设计压力选取对于加氢装置的安全生产至关重要,若设计压力选取过低,会造成压缩机停机时安全阀起跳几率高,个别设备的操作压力可能会超出设计压力,导致系统安全系数较低;若设计压力选取过高,则会带来相应的投资增加.文章介绍了一种依据A P I (第版)标准计算循环氢回路滞止压力及确定冷高压分离器设计压力的方法.通过对某套渣油加氢装置两次循环氢压缩机联锁停车事故中收集的现场实测数据进行整理、分析,并与利用该方法计算得到的结果进行对比,发现该方法的计算结果与实际生产采集到的操作数据高度吻合,可以相对准确地确定循环氢回路的滞止压力.该方法对于新建和改造加氢装置如何确定设计压力有一定的指导意义.关键词:循环氢回路滞止压力冷高压分离器设计压力d o i:/j i s s n 常规加氢装置包括加氢精制、加氢裂化、渣油加氢等,其正常操作条件为高温、高压、临氢,反应部分的主要设备均为高压设计.反应部分循环氢回路包含众多单体设备,如加氢反应器、热高压分离器、冷高压分离器、循环氢脱硫塔等,其操作温度、操作压力均不相同,因此确定各个单体设备的设计条件相对比较复杂,为保证装置的本质安全性,寻找一种统一、经济、可靠的方法尤为重要.通常确定循环氢系统内单体设备的设计压力,需要根据A P I 规定计算出冷高压分离器的设计压力,再根据系统压降推导出其他设备的设计压力,而计算冷高压分离器的设计压力,需要先确定循环氢系统的滞止压力.本文介绍了一种依据A P I 规定,经由某公司负责设计、采购、施工、试车的某套渣油加氢装置两次循环氢压缩机联锁停车事故中收集的大量现场实测数据,计算滞止压力的推导过程以及确定冷高压分离器设计压力的计算方法,可为新建和改造装置循环氢系统设计压力的确定提供参考.A P I 规定依据A P I A p p e n d i xB【】中的相关规定,加氢装置循环氢系统内众多设备间不存在能够阻断气体流通的隔离设施,因此该系统通常只在冷高压分离器上设置组安全阀,防止系统超压.该安全阀的设计原则由以下几点确定:)循环氢系统的压力分布应基于最大压降的操作工况确定,通常为反应末期工况.反应末期由于设备结垢、催化剂结焦,压降高于反应初期及反应中期.)计算滞止压力.滞止压力PS O(S e t t l i n gO u tP r e s s u r e)是指当循环氢压缩机因为故障或联锁停机时,假设此时高压系统不向系统外排气,也不接受新的氢气补充时,循环氢系统内各单体设备的操作压力将趋于一致,此一致的操作压力即为滞止压力.)冷高压分离器的设计压力及安全阀定压宜为 倍的滞止压力,这样在循环氢压缩机停机时,设计压力与操作压力之间留有足够的余量,可避免安全阀起跳.)在冷高压分离器设计压力确定完毕后,依据系统压力分布,确定循环氢回路内其他设备的设计压力.滞止压力的计算公式推导假设循环氢压缩机停机时,循环氢系统不向系统外排气,也不从系统外接收氢气,则停机前后循环氢系统内的气体摩尔质量守恒.根据理想气体状态方程,可以得到式().静设备石油化工设备技术,()P e t r o c h e m i c a lE q u i p m e n tT e c h n o l o g yn(PV)/(RT)()式中:n 摩尔质量,k m o l;P 气体压力,b a r(绝);V 气体体积,m;T 气体温度,K;R 通用气体常数.注:b a r k P a.推导式(),则可以得出停机前循环氢系统内总的摩尔质量,见式().n(PV)/(RT)(PV)/(RT)(PV)/(RT)()式中:n 反应部分各个主要设备所包含的摩尔质量,k m o l;P,P,P 循环氢压缩机停机前,反应部分各个主要设备的操作压力,b a r(绝);V,V,V 反应部分各个主要设备的气相容积,m;T,T,T 循环氢压缩机停机前,反应部分各个主要设备的操作温度,K.推导式(),还可以得出停机后循环氢系统内总的摩尔质量,见式().n(PS OV)/(RT)(PS OV)/(RT)(PS OV)/(RT)()式中:PS O 循环氢压缩机停机后的滞止压力,b a r(绝).联立式()和式(),则可以推导出滞止压力,见式().PS O(PV)T(PV)T(PV)TVTVTVT()应用实例循环氢系统流程某炼厂 k t/a渣油加氢装置采用国外专利商提 供的工艺包,其循环氢系 统的流程(见图)为:循环氢经循环氢压缩机(A)升压,与新氢混合后被热高分气预热(B),之后与原料油混合;混氢油与反应产物换热(C)后,进入反应进料加热炉(D)加热至反应所需的温度,依次经过台加氢反应器(E、F、G、H),在催化剂的作用下,进行加氢反应,反应产物经与混氢原料油换热(I)后进入热高压分离器(J);从热高压分离器分离出的热高分气与混合氢换热(K),经蒸汽发生器(L)、热高分气空冷器(M)冷却后进入冷高压分离器(N);从冷高压分离器分离出的循环氢,经循环氢脱硫塔(O)脱除硫化氢后送至循环氢压缩机入口分液罐(P),之后返回至循环氢压缩机入口.A 循环氢压缩机;B 混合氢与热高分气换热器(壳程);C 反应产物与混氢油换热器(管程);D 反应进料加热炉;E 第一加氢反应器;F 第二加氢反应器;G 第三加氢反应器;H 第四加氢反应器;I 反应产物与混氢油换热器(壳程);J 热高压分离器;K 混合氢与热高分气换热器(管程);L 热高分气蒸汽发生器;M 热高分气空冷器;N 冷高压分离器;O 循环氢脱硫塔;P 循环氢压缩机入口分液罐图某渣油加氢装置循环氢系统流程示意循环氢回路为一个闭路循环系统,循环氢经过各个不同的设备产生相应的压降,该系统压力的最高点为循环氢压缩机出口,最低点为循环氢压缩机入口,防止循环氢系统超压的安全阀设置在冷高压分离器顶部.由于该装置为渣油加氢装置,加氢反应器催化剂床层飞温的可能性较小,因此,专利商未设置循环氢压缩机停机联锁启动紧急泄压的逻辑控制.依据专利商的工艺包,在反应末期工况下,循环氢回路内的主要设备操作条件、设计条件和气相石油化工设备技术 年容积如表所示.冷高压分离器的安全阀定压为 b a r(表),与冷高压分离器的设计压力一致.表某渣油加氢装置循环氢回路反应末期主要设备参数设备名称设备容积/m气相容积(占总容积的百分比)/m操作温度(设计温度)/操作压力(设计压力)/b a r(表)第一加氢反应器 ()()()第二加氢反应器 ()()()第三加氢反应器 ()()()第四加氢反应器 ()()()热高压分离器 ()()()冷高压分离器 ()()()循环氢脱硫塔 ()()()循环氢压缩机入口分液罐()()()依据式()则可计算得到设计工况下的滞止压力,即PS O b a r(绝)由上述计算结果可知,该循环氢系统设计工况下滞止压力为 b a r(表),如依据A P I 设置为 倍的滞止压力,则冷高压分离器的设计压力应为 b a r(表),但实际冷高压分离器、循环氢脱硫塔、循环氢压缩机入口分液罐的设计压力均为 b a r(表),低于滞止压力,操作中增大了安全阀起跳的概率.在计算滞止压力时,热高压分离器、冷高压分离器、循环氢脱硫塔、压缩机入口分液罐采用正常操作液面高度计算气相空间的容积.加氢反应器由于内部装填催化剂,其气相空间通常占反应器容积的 .由于反应器正常操作压力高于滞止压力,反应器的气相空间大小对于计算滞止压力的影响不敏感,例如气相空间占反应器容积的 时计算得到的滞止压力为 b a r(绝),占 时计算得到的滞止压力为 b a r(绝),两者相差不大.当在循环氢系统内占有主要气相空间设备的操作压力偏离滞止压力较多时,其对于滞止压力的计算结果影响更显著.循环氢系统内各个单体设备的操作压力、设计压力及滞止压力的分布如图所示.图循环氢系统各个单体设备的压力分布第 卷第期王鹤加氢装置冷高压分离器设计压力选取氮气管网中断联锁停循环氢压缩机事故该渣油加氢装置在生产过程中,由于低压氮气管网中断,造成循环氢压缩机干气密封隔离氮气中断,压缩机联锁停车.在此事故发生后,冷高压分离器压力迅速上升,趋于滞止压力,仅m i n左右即达到冷高压分离器的设计压力,安全阀起跳D C S记录的压力峰值为 b a r(表),之后系统压力开始降低,即在此操作工况下,其滞止压力高于设计压力 b a r(表).依据D C S记录,事故发生前循环氢回路内的主要设备操作条件如表所示,冷高压分离器压力变送器趋势截屏如图所示.该工况下因处理量较高,循环氢压缩机为了克服较高的系统压降,出口压力较高,循环氢回路内的主要设备操作压力接近于反应末期工况.表氮气管网中断事故发生前循环氢回路内主要设备操作条件设备名称操作温度/操作压力/b a r(表)第一加氢反应器 第二加氢反应器 第三加氢反应器 第四加氢反应器 热高压分离器 冷高压分离器 循环氢脱硫塔 循环氢压缩机分液罐 图氮气管网中断事故发生时冷高压分离器压力变送器D C S趋势注:图中横坐标所示时间段共 m i n(:),事故发生后,冷高压分离器压力变送器指示峰值出现在:,数值为 b a r(表).根据第节和第节所介绍的计算方法推导,该工况下的滞止压力为 b a r(表),高于冷高压分离器的安全阀定压 b a r(表),如果循环氢 压 缩 机 停 机,则 会 造 成 该 安 全 阀 起 跳.D C S趋势和现场观测到的安全阀起跳现象验证了这一点.循环氢压缩机入口分液罐液位高高联锁停循环氢压缩机事故该渣油加氢装置在生产过程中,由于操作人员经验不足,造成循环氢压缩机入口分液罐达到高高液位,压缩机联锁停车.在此事故发生后,冷高压分离器压力迅速上升,趋于滞止压力,D C S记录的压力峰值为 b a r(表),冷高压分离器安全阀未达到设定值,之后系统压力开始在压力自动控制下降低,即在此操作工况下,其滞止压力未高于冷高压分离器的设计压力 b a r(表).依据D C S记录,事故发生前循环氢回路内的主要设备操作条件如表所示,冷高压分离器压力变送器趋势截屏如图所示.该工况下因处理量较低,循环氢回路内各个设备压降较小,操作压力低于反应末期工况.根据第节和第 节所介绍的计算方法推导,该工况下的滞止压力为 b a r(表),与D C S记录的压力峰值 b a r(表)非常接近,略低于冷高压分离器的安全阀定压,因此安全阀未起跳.上述案例验证了该方法用来计算滞止压力的准确性.石油化工设备技术 年表压缩机入口分液罐液位高高事故发生前循环氢回路内主要设备操作条件设备名称操作温度/操作压力/b a r(表)设备名称操作温度/操作压力/b a r(表)第一加氢反应器 热高压分离器 第二加氢反应器 冷高压分离器 第三加氢反应器 循环氢脱硫塔 第四加氢反应器 循环氢压缩机分液罐 图压缩机入口分液罐液位高高事故发生时冷高压分离器压力变送器D C S趋势注:图中横坐标所示时间段共 m i n(:),事故发生后,冷高压分离器压力变送器指示峰值出现在:,数值为 b a r(表).结论综上所述,依据A P I 的相关规定推导循环氢回路的滞止压力并确定冷高压分离器的设计压力,可以得出如下结论:)加氢装置循环氢回路的滞止压力与操作压力、操作温度和气相容积相关,滞止压力对于确定循环氢回路内主要设备的设计压力至关重要.)本文所述渣油加氢装置的专利商规定的冷高压分离器设计压力没有遵循A P I 所规定 倍的滞止压力的原则,在系统操作压力较高时发生了安全阀起跳.为了减少安全阀起跳概率,可通过适当降低系统操作压力来规避.)本文所介绍的滞止压力推导过程和结果与现场实际生产操作中采集的数据高度吻合,对于确定新建和改造加氢装置循环氢系统设计压力有一定的指导意义.参考文献:Am e r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e P r e s s u r e r e l i e v i n ga n dd e p r e s s u r i n gS y s t e m s:A P Is t a n d a r d S t he d W a s h i n g t o nDC:Am e r i c a nP e t r o l e u mI n s t i t u t e :征订通知 年 石油化工设备技术 开始征订 年 石油化工设备技术 期刊征订工作业已开始,如需订阅,请登录期刊网站h t t p:/s y h g s b j s s e i c o mc n,至下载中心下载“石油化工设备技术 征订单”,填写完整并发送至s y h g s b j s s e i s i n o p e c c o m.详情见征订单.欢迎广大读者踊跃订阅!联 系 人:张志芳 毛小冰联系电话:/第 卷第期王鹤加氢装置冷高压分离器设计压力选取E X T E N D E DA P P L I C A T I O N O FS T R A I N H A R D E N I N GA U S T E N I T I CS T A I N L E S SS T E E LS T U D SG u oX u e h u a,X uL e i,C u iM i n h o n g(S I N O P E CE n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,;S h a n d o n gM e i l i n gC h e m i c a lE q u i p m e n tC o,L t d,Z i b o,S h a n d o n g,)A b s t r a c t:T h i sp a p e rc o m p a r e d a n d a n a l y z e dt h er e g u l a t i o n s f o r s t r a i n h a r d e n i n g a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e ls t u d s i n t h ed o m e s t i cs t a n d a r d sa n dt h eA S M EC o d e s W h e nt h ed o m e s t i cs t a n d a r d sc a n n o tm e e tt h ea c t u a ld e s i g n r e q u i r e m e n t s,t h e m a t e r i a l t y p e,n o m i n a ld i a m e t e r a n d a p p l i c a b l e t e m p e r a t u r e o f s t r a i n h a r d e n i n gs t a i n l e s ss t e e ls t u d sc a nb ee x p a n d e d S i n c e G B/T d o e sn o t s p e c i f y t h e a l l o w a b l e s t r e s sv a l u eo f s t r a i n h a r d e n i n ga u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s t u d s,t h i sp a p e rp r o v i d e da m e t h o dt os o l v et h ep r o b l e ma n dr e c o m m e n d e dt h ea l l o w a b l es t r e s sv a l u ea c c o r d i n gt ot h em e t a l l o g r a p h i ca n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s T h et e n s i o nt e s t so f a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s t u d sa t r o o mt e m p e r a t u r e a n dh i g h t e m p e r a t u r e v e r i f i e d t h e e f f e c t s o fs t r a i n h a r d e n i n ga n dp r o v i d e dr e f e r e n c ef o re x t e n d i n gt h ea p p l i c a t i o no fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls t u d si nd o m e s t i c s t a n d a r d K e yw o r d s:a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l;s t u d s;s o l i ds o l u t i o n;s t r a i n h a r d e n i n g;h i g ht e m p e r a t u r es t r e t c h i n g;a l l o w a b l e s t r e s sR&D A N D A P P L I C A T I O N O F L A R G E S C A L EQ U E N C HO I LH Y D R O C Y C L O N EY a n gY u q i,Z h a n gJ i n y a n,W a n gJ i a n g e(B e i j i n g A e r o s p a c e P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o g y a n dE q u i p m e n tE n g i n e e r i n gC o,L t d,B e i j i n g,;S I N O P E CE n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,;S I N O P E C Z h o n g y u a n P e t r o c h e m i c a lC o r pL t d,P u y a n g,H e n a n,)A b s t r a c t:A i m i n ga tt h e p r o b l e m o fs o l i d l i q u i ds e p a r a t i o no f q u e n c ho i l a n d c o k e p a r t i c l e s i n am i l l i o nt o ne t h y l e n ep l a n t,s i m u l a t i o ns o f t w a r ew a su s e dt oo p t i m i z e t h e d e s i g n o f l a r g e s c a l e q u e n c h o i lh y d r o c y c l o n ew i t ht h ed i a m e t e ro fm e t e r sa n dt h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n dp e r f o r m a n c eo ft h ec y c l o n ew e r ea l s oa n a l y z e d b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n T h el a r g e s c a l e h y d r o c y c l o n e w i t h t h e a b o v e o p t i m i z e dd e s i g nh a sb e e na p p l i e d i nam i l l i o n t o ne t h y l e n ep l a n ts u c c e s s f u l l y C o m b i n i n gw i t h t h e a c t u a l a p p l i c a t i o n,t h i sp a p e r c a r r i e do u tas t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ee q u i p m e n tu n d e rv a r i a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s,a n dc o m p a r e dt h ea c t u a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r s w i t ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s u n d e r t h e d e s i g n e do p e r a t i n gc o n d i t i o n s T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ea c t u a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r s w e r ec o n s i s t e n t w i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s,w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ed e s i g nm e t h o d i s o f g r e a t p r a c t i c a l v a l u e f o r e n g i n e e r i n g K e yw o r d s:q u e n c ho i l;l a r g e s c a l eh y d r o c y c l o n e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nS E L E C T I O N O F D E S I G N P R E S S U R E F O RC O L D H I G H P R E S S U R E S E P A R A T O R S I NH Y D R O G E N A T I O NU N I T S W a n g H e(S I NO P E C E n g i n e e r i n gI n c o r p o r a t i o n,B e i j i n g,)A b s t r a c t:S e l e c t i o n o fd e s i g n p r e s s u r e sf o r h i g hp r e s s u r e e q u i p m e n t i s c r i t i c a l t o t h e s 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r i n gt w oi n t e r l o c k s h u t d o w n a c c i d e n t s o ft h e r e c y c l eh y d r o g e n c o m p r e s s o r i n a c e r t a i n r e s i d u e o i lh y d r o g e n a t i o n u n i ta n dc o m p a r i n gt h e m w i t ht h er e s u l t so b t a i n e db yu s i n g t h i sm e t h o d,i t i s f o u n d t h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sf r o mt h i s m e t h o da r eh i g h l yc o n s i s t e n tw i t h t h e o p e r a t i o n a l d a t a c o l l e c t e d f r o mt h ea c t u a lp r o d u c t i o n,a n dt h es t a g n a n tp r e s s u r eo ft h er e c y c l eh y d r o g e nr e t u r nc i r c u i tc a nb ed e t e r m i n e dr e l a t i v e l ya c c u r a t e l y T h em e t h o dp r o v i d e sg u i d a n c eo nh o wt od e t e r m i n e t h ed e s i g np r e s s u r e f o rn e wa n dr e v a m p e dh y d r o g e n a t i o nu n i t s K e yw o r d s:c y c l eh y d r o g e nr e t u r nc i r c u i t;s t a g n a t i o np r e s s u r e;c o l dh i g hp r e s s u r e s e p a r 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n d e rt h es i m u l t a n e o u sa c t i o no fv a r i o u sf a c t o r s T h ea n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t et h a t t h er e s u l t sa n dr u l e s c a u s e d b y v a r i o u sf a c t o r s o f d i f f e r e n td e g r e e sa c t i n go nd i f f e r e n tc y l i n d e r sa r er e l a t i v e l yA B S T R A C T SP E T R O CHEM I C A LE QU I PME NTT E CHNO L OG YS t a r t e dP u b l i c a t i o n i n B i m o n t h l y N o v V o l N o