加氢装置高压空冷器Kp值的意义和算法讨论

蔺峰涛

(中国石油化工股份有限公司沧州分公司,河北 沧州 061000)

加氢装置反应流出物系统常用Kp值即硫化氢和氨的摩尔分数乘积来表征硫氢化铵的腐蚀程度。Kp值越大,系统发生腐蚀的风险越大。Kp值是加氢装置高压空冷器设计制造及选材指南的重要指标,对于确保装置安全生产具有重要的意义。在正常生产操作中,Kp值是需要重点监控的参数。在加氢装置反应流出物系统中,当管束发生泄漏时,Kp值则是分析失效原因时必须考虑的重要因素[1]。Kp值作为加氢装置的重要参数,无法进行直接检测,目前也没有较为明确和统一的计算方法,因此有必要对Kp值的算法进行分析讨论。

1 Kp值的来源和意义

为了更好地了解Kp值的意义和用法,先对Kp值的来历和应用情况进行大致叙述。

该文讨论的Kp值是加氢装置反应流出物系统中硫化氢和氨的摩尔分数乘积,没有单位。加氢装置还需要计算另外一个Kp值,主要用于计算铵盐的结晶温度以及表征铵盐的结晶倾向。对硫氢化铵来说,Kp值是反应流出物系统中硫化氢和氨的分压的乘积;对氯化铵来说,Kp值是氯化氢和氨的分压的乘积。一些资料时有错用现象,需注意区分。一般无特别说明的,都是指该文所说的Kp值。

为了广泛收集数据和积累经验,1975年美国腐蚀工程师协会(NACE)针对加氢裂化装置反应流出物空冷系统的腐蚀问题开展了一次腐蚀调查[2]。调查结果证实了硫氢化铵腐蚀与Kp值、介质流速之间的关系。Kp值为0.1～0.5,介质流速为4.60～6.10 m/s是比较适合的范围,调查的装置中没有发现腐蚀案例。Kp值越高,介质的最大允许流速下降,Kp值超过0.5时,材料的腐蚀敏感性会大幅增强。当介质流速为3.05～3.66 m/s时,铵盐容易沉积和结垢,导致装置发生腐蚀。因此,介质流速具有适宜的范围。

1996年环球油品公司(UOP)通过腐蚀调查证实了先前的参数指标的正确性,并提出了防止某些腐蚀问题发生的重要设计特征。

中国石化认可NACE的Kp值设计参数准则,并考虑到国内装置的实际运行特点,在工艺防腐蚀管理制度中明确规定,临氢装置高压空冷器选用碳钢设备时,要控制Kp值在0.3以下,介质流速控制在3～6 m/s,否则需要进行材质升级。

2 Kp值的算法讨论

加氢装置高压空冷器Kp值的计算必须考虑装置的实际流程,根据反应产物的分离方案,确定需要准备的参数和算法。下面以2号加氢装置运行数据为基础,从Kp值的基本概念出发,详细说明一下计算过程。

2.1 主要流程

反应流出物与原料油、混合氢通过换热后进入热高压分离器(D103)进行气液分离,热高分气与混合氢换热并经热高分气空冷器(A101)冷却后进入冷高压分离器(D105),在冷高压分离器中进行气、油、水三相分离,为防止反应生成的铵盐在低温下结晶,导致热高分气空冷器管束发生堵塞和腐蚀,在热高分气空冷器前注入除盐水以洗去铵盐。

2.2 热高分进料

2.2.1 热高分进料组成

热高分进料组成见表1。

表1 热高分进料组成

2.2.2 进热高分的硫化氢和氨

装置进料量为127.165 t/h。

原料硫质量分数平均值为0.645 5%,产品柴油硫质量分数平均值为3.64 μg/g,原料中硫的转化率很高,接近全部转化为硫化氢,其硫化氢流量:

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

循环氢硫化氢质量浓度为171 mg/m3,循环氢中硫化氢流量:

135 000×171/1 000 000=23.085 kg/h

进热高压分离器的硫化氢流量合计:

872.153+23.085=895.238 kg/h

原料氮质量分数平均值为497.2 μg/g,产品柴油氮质量分数平均值小于0.50 μg/g,原料中氮的转化率很高,近似全部转化为氨,其氨流量:

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

2.2.3 热高分进料详细物料组成

热高分进料详细物料组成见表2。

表2 热高分进料详细物料组成

2.3 流程模拟算法

由于Kp值的计算涉及到多组分气液平衡的问题,计算量较大,若使用流程模拟软件来进行计算,其计算结果就比较可靠。在热高压分离器中对油气进行气液平衡计算,热高分气相出料即为进入高压空冷器的物料。模拟条件:热高压分离器压力为7.12 MPa;温度为192 ℃;模型为两相分离器。模拟软件运行结束后,可以得到气相硫化氢和氨的摩尔分数,从而计算高压空冷器的Kp值,具体的模拟结果见表3。

表3 热高分气相出料组成

Kp值=0.406 2×0.071 2=0.028 9

采用流程模拟软件计算得出Kp值为0.028 9。

2.4 简捷算法

在生产运行中,装置技术和操作人员常采用简捷算法来及时监控硫氢化铵Kp值。为了验证此算法的准确度,按实际数据进行计算,了解两种算法的偏差。

简捷算法的要点是以1.05倍的循环氢流量作为总气相流量,硫化氢和氨的含量根据原料中硫、氮含量及其转化率计算得到,具体计算过程如下:

总气相流量

=135 000/22.4×1.05=6 328.125 kmol/h

硫化氢流量

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

硫化氢摩尔分数

=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

氨摩尔分数

=4.516/6 328.125×100%=0.071 4%

Kp值=0.405 4×0.071 4=0.028 9

简捷算法计算的Kp值为0.028 9,与流程模拟算法的计算结果保持一致。因此,对于具有热高分流程且循环氢脱硫工艺正常运行的装置,使用简捷算法计算的结果是比较准确的。

由于简捷算法是对主流加氢装置运行参数的经验归纳,并未考虑循环氢中硫化氢含量、加工原料和装置特性,只能在一定范围内适用。

因此,对于其他类型装置,建议以流程模拟算法的计算结果为基准,适当调整总气相流量的修正系数,确定适合装置的简捷算法。如果两种算法的计算结果差距较大,则该装置不适合使用简捷算法。下面以1号加氢装置Kp值的计算为例具体说明这个问题。

1号加氢装置的加工原料为重油催化裂化装置的轻柴油。为提高产品质量,部分加氢柴油返回装置,与新鲜原料混合后进行循环加氢。反应产物与混合氢、原料油及分馏塔进料换热后,温度降至110 ℃,随后进入反应产物空冷器(A3001)。为防止反应产物在冷却过程中析出铵盐,在空冷器的进口管线设有注水点。反应产物自A3001流出后,再经反应产物水冷器冷却至40 ℃,最后进入高压分离器。装置无循环氢脱硫工艺,循环氢中硫化氢质量浓度为 8 200 mg/m3。1号加氢装置的反应产物组成和进料组成分别见表4和表5。

表4 1号加氢装置的反应产物组成

表5 1号加氢装置的进料组成

由于不涉及多组分气液平衡问题,计算相对容易,采用流程模拟软件可以直接算出高压空冷器的Kp值为0.031 6。

如使用简捷算法计算,通过表5数据可得到高压空冷器的Kp值为0.014 0。对比发现,两种算法的计算结果偏差较大。由于此类装置循环氢中硫化氢含量较高,不能忽略其影响,简捷算法并不适合此处Kp值的计算。

3 结 论

(1)注意Kp值概念的混淆和错用问题。采用Kp值评价加氢装置反应流出物系统中硫氢化铵的腐蚀程度,该Kp值为硫化氢和氨的摩尔分数乘积,而不是分压的乘积。分压的乘积也可简称Kp值,通常用来计算铵盐的结晶温度,两个Kp值概念不同,使用时应格外注意。

(2)计算加氢装置高压空冷器Kp值必须考虑装置的实际流程,建议参考该文的计算过程,通过流程模拟软件对简捷算法的计算结果进行校正,并将结果作为日常监控数据使用。注意简捷算法有适用范围,并非适合所有装置。

(3)加氢装置高压空冷器Kp值多数情况下受原料硫含量和氮含量影响较大。因此,在实际生产中,当原料性质和加工量发生变化时,要及时计算Kp值和空冷器中的介质流速,评估这些参数对装置腐蚀的影响,企业若有条件可按照中国石化工艺防腐蚀管理要求在监控系统上实时显示这些参数。