利用高分溶解平衡核算加氢装置物料平衡的探索

牛世坤，李士才，徐大海

（中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

加氢装置的物料平衡是根据质量守恒定律，确定原料和产品间的定量关系，是加氢反应的一个重要指标，涉及到氢耗、低分子烃的产量和分布、目标产品的产量。在工业装置的设计中，只有在明确装置物料平衡的基础上，才能进行工艺原则流程（PFD）和工艺管道及仪表流程（PID）的设计[1]。

加氢装置的物料平衡通常是在小型或者中型试验装置上，通过收集装置运行的贫气、富气、原料和产品性质及装置液收和装置氢耗等相关数据后，使用特定的算法核算而来的。明确加氢装置的物料平衡对工程设计和分析加氢装置上反应进行途径均具有重要的意义。

1 目前核算装置试验物料平衡方法存在的问题

1.1 目前装置物料平衡的核算方法

目前核算加氢装置的物料平衡时装置流程如下：当反应物料经过加氢反应后，生成的物料进入高压分离器进行气液分离，分离后的富氢气体作为循环氢循环使用，液体经过低压分离器再次进行分离后，气相作为富气排出，液相作为精制油。

通常在试验装置上，核算装置物料平衡的方法有两种方法：物料平衡法和碳氢平衡法。

1.1.1 物料平衡法

使用物料平衡法核算装置物料平衡时，设定装置贫气（循环氢）没有漏损，进料等于出料。进方∑入，出方∑出。

令

式（1）中， ∑入=氢气+原料， ∑出=精制油+富气+硫化氢+氨，只有富气的量是未知数。

通过式（1）解得富气流量，用气相色谱仪分析装置富气组成，轻松核算出装置物料平衡。

1.1.2 碳氢平衡法

使用碳氢平衡法核算装置物料平衡时，设定贫气（循环氢）微量泄露，进料等于出料与循环氢漏损的和。进料是 ∑入，出料是 ∑出+循环氢漏量。

令

式（2）和式（3）中，分别核算入方和出方的碳元素和氢元素平衡，可以解得循环氢漏量和富气排放量，带入物料平衡中解得装置物料平衡。

两种计算物料平衡方法相比可以看出，氢平衡法能够清晰的反馈出装置上加氢反应进行的进程和途径。

1.2 目前计算方法中存在的问题

两种计算方法都有一个明确的假设，就是贫气和富气组成能够清晰地反映生成物料，实际上这是不可能的。不同的反应生成物料含量、分离器的工艺条件对进出物料的种类和流量均产生较大的影响。同时反应生产的低分子烃类需要在循环氢系统中累积一定的时间才能达到平衡，使低分气中烃类组成与加氢反应生成的组成平衡。

有

式（4）中，Mpi为某种低分子烃类平衡时的在循环氢中的质量流量，mi为某低分子烃反应生成的质量流量， 是某低分子烃在液相中溶解的质量流量。 另有

式（5）中 pi是某一组分在循环氢中的分压，p0是反应器总压。

可以解出，从系统中无低分子烃到达到测量需要的平衡状态，需要时间为380 h。工业装置表现为随着开工时间的延长，循环氢中低分子烃类含量逐渐增多，45 d 左右达到平衡。

利用这两种物料平衡的测量方法，测量的结果不能代表反应本身的真实情况，得出的物料平衡不能很好地反映化学反应进行途径。

2 利用软件计算装置物料平衡方法

2.1 利用软件计算时装置原则流程

改变测定物料平衡时的流程，在高压分离器分离时，气相直接外排，减少富氢气体循环时各个组分溶解度的不同对贫气组成的影响，同时使用计量设备测量贫气的流量，使用在线的气相色谱仪分析气体的组成；测定精制油流量及计量新氢流量。物料平衡测定时装置流程见图1。

图1 测量物料平衡的试验装置原则流程Fig.1 Flow test device for measuring mate

2.2 利用HYSYS 软件核算装置物料平衡的方法

试验装置进料量为100 g/h，测量得出装置精制油流量为 99.55 g/h。新氢使用纯氢，新氢流量是40.12 NL/h。废氢流量为35.21 NL/h。原料及精制油性质见表1。高压分离器温度为40 ℃，压力为8.0 MPa。高分气组成通过气相色谱测量，测量结果见表2。

表1 某化学反应的原料及产品Table 1 Raw materials and products of a chemical reaction

表2 高分气体组成Table 2 High-pressure gas separator

在HYSYS 软件中建立流程，利用adjust 功能进行核算。核算界面见图2。

图2 HYSYS 计算界面Fig.2 HYSYS calculation picture

利用adjust 功能，设定变量为输入各个组分的质量流量，使高分气体hydrogen rice gas 各个组分的摩尔组成与色谱仪分析的结果相差小于0.000 01。结果见表3。

表3 反应产物中低分子烃流量Table 3 The reaction products of low molecular hydrocarbon flow

从表3 可以得出，其反应产物中的C1～C4组成，进一步折算装置化学氢耗和装置物料平衡。结果见表4。

表4 装置物料平衡，Table 4 The material balance

从以上案例可以看出，利用高分溶解平衡和HYSYS 软件的Adjust 功能，可以及时有效地核算出装置的物料平衡，避免出现等待加氢装置呈现平衡后再测量物料平衡的问题。

4 结 论

针对目前加氢装置物料平衡核算方法的不足，利用高分各类物料溶解度的差异，建立了新的核算加氢装置物料平衡的方法。该方法消除了高分气液相平衡对测量结果的影响，具有简单、准确、及时的优势。

［1］李立权.加氢裂化装置工艺计算与技术分析[M].中国石化出版社，:57-58.