动态模拟在乙苯装置安全排放分析中的应用

杨照

(中国石化 工程建设公司，北京 100101)

动态模拟在乙苯装置安全排放分析中的应用

杨照

(中国石化 工程建设公司，北京 100101)

针对650 kt/a乙苯装置苯塔系统，采用Aspen Dynamic模拟软件对事故工况进行安全排放分析。模拟结果表明，停冷却负荷工况为最大排放工况，最大排放量260 t/h，相比常规方法所得最大排放量350 t/h降低近30%;由于传热温差的变化导致再沸器加热负荷的变化对最大排放量有显著影响;超压联锁措施的有效性得到验证，适宜的联锁设定值为0.9 MPa;两台安全阀并联，通过设置不同定压实现安全阀分级排放，可进一步降低总排放量至235 t/h。

动态模拟;Aspen Dynamic软件;安全排放;乙苯装置;苯塔系统

火炬系统是石油化工装置重要的安全措施之一，随着石化装置的大型化，为达到安全性与经济性的统一，对火炬系统设计水平的要求日益提高。安全排放分析是火炬系统设计中的重要环节，当前研究的主要任务：一是准确识别最大排放工况并确定排放量，二是对安全保护及减排措施的有效性进行定量化分析。

乙苯是重要的基本有机化工原料，由于国内苯乙烯及环氧丙烷联产苯乙烯装置规模的扩大，国产化乙苯装置生产能力迅速提高，典型规模由10年前的90 kt/a逐步提高到200 kt/a，最新国产化装置则进一步提高到650 kt/a。随着装置大型化，安全排放分析的重要性愈显突出。

设计过程中的安全排放分析，通常采用美国石油学会(API)的相关标准(如APIRP 521［1］)。但该标准对排放量的计算仅是基于正常操作条件的估算，不仅与事故状态可能存在较大偏离，而且对复杂工况仅给出指导性原则，难以定量化处理。有研究表明按常规方法所得排放量通常偏高30% ～100%［2－3］。

化工动态模拟可在严格物性计算的基础上获得系统的动态特征，特别适用于安全排放过程的定量化研究，在国外已成为工程设计中进行事故工况分析与火炬系统研究的重要手段［2－5］，在国内工程设计领域中的应用也得到逐步推广［6－8］。

本工作针对首套650 kt/a乙苯装置国产化设计，采用Aspen Dynamic模拟软件对乙苯装置的最大排放源(即苯塔系统)进行动态模拟分析，以达到确定最大排放工况及排放量、验证超压联锁保护和安全阀分级排放措施有效性的目的，为大型化乙苯装置的火炬系统设计提供依据。

1 工艺简述

以分离苯和乙苯为目的的苯塔系统是乙苯装置最大的事故排放源，决定了装置的最大排放量，为此对该塔进行动态模拟。

苯塔系统见图1，来自烷基化反应、烷基转移反应的多股物流及原料苯进入苯塔，在塔内苯大部分经塔顶回流罐以液相形式采出，少量苯以气相形式送至脱非芳塔;塔釜中的乙苯送至后续工段进一步分离。苯塔正常操作压力0.74 MPa;塔釜再沸器采用4.2 MPa蒸汽加热并通过塔中灵敏板串级控制;塔顶设置安全阀，定压1.0 MPa;塔内设置压力联锁，超压时切断加热蒸汽以保护塔设备安全。

由于塔釜温度较高，采用4.2 MPa蒸汽加热时再沸器平均传热温差仅为8～10℃。在事故工况中塔内压力的变化可通过改变再沸器的传热温差，对再沸器的负荷产生影响，进而影响苯塔系统排放过程的动态特征。这一现象只有通过动态模拟的严格计算才可比较准确地量化反映。

图1 苯塔系统的示意图Fig.1 Schematic diagram of the benzene column system.

2 动态模型的建立

化工过程基本单元的数学模型主要由质量平衡、能量平衡、相平衡、传递和物性等方程组成。动态模型与稳态模型的主要区别在于：在动态模型中，质量平衡与能量平衡方程中考虑系统内质量与能量的累计，在数学上采用相对时间的一阶常微分方程组代替稳态模型的非线性代数方程组，而相平衡、传递和物性方程则与稳态模型一致。

由于动态模型求解更加困难，因此一般先采用稳态模型计算生成初值，再在动态软件中对模型调整后进行计算，具体过程为：

(1)采用Aspen Plus软件建立稳态计算模型，使操作温度、压力、进料、分离要求等参数与设计要求一致，确保物性计算的严格准确。

(2)稳态模型中添加必要的动态参数：塔径及塔板液层高度、塔釜尺寸及液位、回流罐尺寸及液位、换热器参数等。以上数值与实际一致，生成动态模拟初值文件。

(3)动态模拟中再沸器模型至关重要，本研究采用更接近实际的传热系数模型：

式中，Q为传热负荷;U为总传热系数;A为传热面积，计算中UA为定值，其大小根据稳态计算结果反推确定;Ts为加热蒸汽在操作压力下的饱和温度，计算中为定值;Tl为工艺侧温度，随操作状态而相应变化。上述模型能较准确反映工艺侧因压力、组成变化对再沸器传热负荷的影响。

(4)初值文件导入Aspen Dynamic模拟软件进行动态计算。

动态模型计算中还需增加动态计算特有模块，安全阀：选取通用式安全阀模型，输入定压、喉孔直径、开启特性等参数;控制回路：液位、压力、流量等，与实际控制方案一致;任务模块：用以模拟事故工况及联锁动作，如停冷却负荷、回流故障、切断蒸汽等。

采用上述方法构建苯塔系统动态模型，对事故工况的动态过程进行分析。

3 结果与讨论

3.1 最大排放工况的确定

3.1.1 最大排放工况的初选

根据文献［1］的报道，按停冷却负荷、回流故障、调节阀故障、火灾和换热管破裂等工况对苯塔系统的排放量进行估算，初步确定停冷却负荷或回流故障为可能的最大排放工况，所需排放量为塔顶冷凝器入口气量，为350 t/h，而其他工况排放量很小，可以忽略。

如按350 t/h的排放量计算，苯塔需要设置3台大口径安全阀并联使用。

3.1.2 停冷却负荷工况的动态模拟

图2和图3为停冷却负荷工况的动态模拟结果。该工况模拟时主要假设如下：(1)冷却负荷瞬时停止;(2)加热蒸汽温度不变;(3)塔进料量不变。因实际过程中冷却负荷会逐步降低，超压时灵敏板温度串级控制会关小高压蒸汽控制阀的开度，使再沸器的加热负荷降低，因此根据上述假设进行动态模拟所得排放量应高于实际过程的排放量，上述假设在工程设计中是可以接受的。

由图2可见，最大排放量约260 t/h，较按文献［1］报道的方法估算的350 t/h最大排放量降低约30%;从冷却负荷停止到开始排放的时间间隔约3.5 min;塔顶温度与压力成正相关，始终随压力的升高而升高。由图3可见，塔釜温度与压力成非线性变化，初始阶段压力影响占主导，塔釜温度随压力的升高而上升，并导致再沸器传热温差减小、加热负荷降低;随再沸器的加热负荷进一步降低，过多轻组分进入塔釜导致塔釜温度到达高点后开始降低，加热负荷到达低点后开始增大。

由于动态模拟可准确反映再沸器的加热负荷随压力、组成的变化关系，上述动态模拟所得260 t/h排放量明显小于传统方法估算的350 t/h，这是传统方法难以准确预测的。

3.1.3 回流故障工况的动态模拟

图4为回流故障工况的动态模拟结果。

图4 回流故障工况塔压与加热负荷曲线Fig.4 Dynamic curves of the column pressure and the heating duty in reflux failure.

模拟结果显示，回流故障工况不会造成安全阀排放。原因为：(1)回流停止导致塔内轻组分存量减少、塔内温度迅速升高，如4 m in时塔顶温度升高约30℃;(2)塔内温度升高导致再沸器传热温差减小、加热负荷快速降低，由此限制了压力进一步升高，压力短暂升高后即开始下降，始终未达到排放压力。回流故障工况常规分析的结果为安全阀排放，与动态模拟结果的结论相悖，动态模拟更真实地反映了事故工况中系统状态的变化。

上述动态模拟结果表明，停冷却负荷工况为苯塔系统最大排放工况，最大排放量为260 t/h。在此条件下，苯塔系统设计中可采用两台安全阀并联操作。

3.2 超压联锁设定值的确定

超压联锁是苯塔系统的安全措施之一，即通过超压联锁动作切断再沸器加热蒸汽以保障塔设备的安全。超压联锁的难点是确定超压联锁的设定值，如取值偏低时则超压联锁易频繁动作、干扰生产，取值偏高时则难起到保护作用。经试算确认0.9 MPa为比较合理的超压联锁设定值。在此设定值下，停冷却负荷工况时超压联锁的动态模拟结果见图5。

图5 停冷却负荷工况时超压联锁的动态模拟结果Fig.5 Dynamic simulation of the overpressure interlocking in loss of cooling duty.

从图5可见，停冷却负荷事故发生后约2.5 min超压联锁动作切断苯塔再沸器的加热蒸汽，此后压力得到有效控制，缓慢升高到0.98 MPa后开始下降，始终未达到1.0 MPa的安全阀定压。上述结果一方面证明超压联锁方案的有效性;另一方面验证了超压联锁设定值(0.9 MPa)较为合理，更高取值将造成安全阀动作。

3.3 安全阀分级排放效果

苯塔系统在260 t/h排放量下仍需两台安全阀并联使用，如两台安全阀采取设置不同定压的分级排放方案，可进一步降低最大排放量。

将两台安全阀定压分别设为1.00，1.10 MPa，单台排放量均为130 t/h，停冷却负荷工况下两台安全阀分级排放动态曲线见图6。由图6可见，两台安全阀分别在停冷却负荷后约3.5，5 min动作;叠加后最大排放量进一步降低至235 t/h，较常规方法所得350 t/h排放量减少约35%;设备最大超压15%，满足最大超压16%的规范要求。

分级排放情况下排放量降低的主要原因是由于更高的超压导致再沸器的加热负荷进一步降低，导致排放量也随之减少。

图6 停冷却负荷工况下两台安全阀分级排放动态曲线Fig.6 Dynamic relieving curves for two pressure relief valves under different set pressure in loss of cooling duty.

3.4 工程设计方案

通过上述动态模拟研究，苯塔系统的最大排放量确定为停冷却负荷工况的260 t/h，采用两台安全阀并联操作并设置不同的定压，超压联锁的设定值为0.9 MPa;考虑规范中双安全阀并联时定压相差不宜超过5%的要求，定压分别设为1.00，1.05 MPa;考虑装置本身15%的设计余量，安全阀选型条件为正常排量130 t/h、额定排量150 t/h，乙苯装置内火炬总管则按300 t/h排量设计。

与常规方法相比，最大安全排量由350 t/h降低到260 t/h，大口径安全阀数量由3台减少到2台，火炬总管直径由900 mm降低到750 mm。苯塔系统动态模拟的结果为乙苯装置大型化后火炬系统的优化设计创造了有利条件。

动态模拟方法不仅提高了大型化后装置建设的经济性，也为保证安全措施的有效性提供了有力技术支撑。

4 结论

(1)针对650 kt/a乙苯装置苯塔系统，采用动态模拟方法分析事故工况，确定了最大排放工况及其安全排放量，验证了超压联锁措施的有效性并得到适宜的超压联锁设定值，为大型乙苯装置的火炬系统设计提供了有利依据。

(2)苯塔系统停冷却负荷工况为最大排放事故工况，最大排放量为 260 t/h，较常规方法所得350 t/h排放量降低约30%。

(3)超压联锁措施可有效避免安全阀排放，适宜的超压联锁设定值为0.9 MPa。

(4)采用两台安全阀并联操作并设置不同定压的分级排放措施，可进一步降低最大排放量至235 t/h。

［1］ American Petroleum Institute.APIRP 521 Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems［S］.1997.

［2］ Cassata J R，Dasgupta S，Gandhi S L.Modeling of Tower Relief Dynamics：Part 1［J］.Hydrocarbon Process，1993，72 (10)：71－76.

［3］ Cassata J R，Dasgupta S，Gandhi S L.Modeling of Tower Relief Dynamics：Part 2［J］.Hydrocarbon Process，1993，72 (11)：69－74.

［4］ Nezam i P L.Distillation Column Relief Loads：Part 1［J］.Hydrocarbon Process，2008，87(4)：115－119.

［5］ Depew C，Dessing J.Dynamic Simulation Improves Column Relief-Load Estimates［J］.Hydrocarbon Process，1999，78 (12)：81－86.

［6］ 曹湘洪.石油化工流程模拟技术进展及应用［M］.北京：中国石化出版社，2009：340－357.

［7］ 杜廷召，田文徳，任伟.基于动态模拟的危险与可操作性分析在精馏塔中的应用［J］.计算机与应用化学，2010，27(8)：1029－1032.

［8］ 陈文峰，刘培林，郭洲，等.复杂物系压力容器安全阀泄放过程的HYSYS动态模拟［J］.天然气与石油，2010，28(6)：55－58.

Application of Dynamic Simulation to Analysis of Safety Relief of Ethylbenzene Installation

Yang Zhao

(Engineering Incorporation，SINOPEC，Beijing 100101，China)

Dynamic simulation was applied to safety relief analysis of benzene column system in design of 650 kt/a ethylbenzene plant with Aspen Dynamic software.Results showed that the loss of cooling duty was the worst-case of the relief scenario with the maximum relief rate of 260 t/h，which was about 30%less than 350 t/h obtained by general estimating method，whereas the change of reboiler duty induced by variation of temperature difference during relief affected the relief rate significantly.By dynamic analysis，the effectiveness of pressure trip was verified and the proper trip pressure was estimated as 0.9 MPa.It was also verified that the maximum relief rate could be further reduced to 235 t/h by installing two safety valves with different set pressure individually.

dynamic simulation;Aspen Dynamic software;safe relief;ethylbenzene installation; benzene column

1000－8144(2011)08－0884－05

TQ 086

A

2011－04－02;［修改稿日期］2011－05－11。

杨照(1969—)，男，北京市人，博士，高级工程师，电话010－84876903，电邮yangz.sei@sinopec.com。

(编辑 李治泉)