丁二烯尾氣選擇加氫裝置異常工況動態模擬

田 峻

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

動態模擬可方便地用于工程設計與生產操作全過程分析，模擬實際裝置運行的動態特性，從而提高裝置的操作彈性、安全性，已成為提高工藝設計水平及提升裝置安全運行的一項重要技術手段［1］。異常工況分析是驗證裝置安全性的重要手段，是檢驗和提升裝置工藝設計水平及穩定操作運行的重要方法［2］，將動態模擬技術應用于異常工況分析，可對異常工況發生的全過程進行模擬跟蹤分析，預判可能產生的風險和事故，驗證裝置控制及聯鎖策略以及事故應急處理流程，從而減少或避免事故的發生，保證裝置平穩運行［3-6］。

本工作針對丁二烯尾氣選擇加氫裝置建立了動態模型，對丁二烯尾氣選擇加氫裝置典型的異常工況進行了模擬，取得了異常工況全過程參數隨時間變化的動態響應，分析了異常工況中系統狀態變量隨時間的變化趨勢、原因及可能導致的后果，并針對異常工況提出了改進和預防措施，以降低裝置運行風險。

1 動態模型的建立

以某石化企業20 kt/a 丁二烯尾氣選擇加氫裝置為研究對象，該裝置以丁二烯液化尾氣為原料，在裝有催化劑的固定床反應器中將原料中炔烴與二烯烴選擇性加氫生成單烯烴，產品中炔烴及二烯烴含量小于30×10-6（w），單烯烴收率大于96%。

本工作首先建立了穩態模型，物性方法采用PENG-ROB 狀態方程，反應器模型采用平推流模型，通過采集實際運行裝置原料及產品大量的分析數據和反應系統相關操作參數進行回歸確定了碳四炔烴、二烯烴及單烯烴與氫氣反應的動力學參數，建立了碳四不飽和烴加氫反應模型，反應器穩態模擬結果與裝置實際運行結果一致性較好。在該穩態模型的基礎上通過補充設備、管道及閥門的尺寸和布置、儀表控制、安全聯鎖等詳細設計數據完成了動態模型的建立，通過相關控制單元對工藝參數進行調整，確保運行平穩后的動態模擬結果與穩態模擬結果吻合良好，使得動態模型能夠較好地反映實際裝置運行情況。

2 典型異常工況的模擬研究

2.1 一段氫氣進料量失控

異常工況發生前，一段反應器氫氣進料量為50 kg/h，閥門開度為50%，裝置運行穩定。因閥門故障導致閥門全開，一段氫氣進料量突然增加，反應系統其余參數控制不變。圖1 為裝置溫度、組分含量、液位及壓力等參數隨時間的動態響應曲線。由于進料閥門故障導致閥門全開后，氫氣進料量增加至133 kg/h。

圖1 溫度（a）、組分含量（b）、液位（c）及壓力（d）的響應曲線Fig.1 Responsive curves of temperature(a)，component content(b)，liquid level(c) and pressure(d) against operating time.

由圖1 可知，氫氣大量進入反應器與單烯烴發生加氫反應，一段反應器出口溫度快速上升超過90 ℃，實際生產中反應器內可能會出現溫度分布不均勻而產生局部熱點，存在觸發超溫聯鎖保護措施的可能，但一段反應器出口整體溫度會在90 ℃附近。經過長時間的反應，由于氫氣過量，反應系統內循環碳四中的烯烴含量不斷下降，烷烴含量不斷上升，反應器出口溫度緩慢降低，當單烯烴含量降低到某個臨界點時，反應器出口溫度將快速下降恢復至正常反應狀態。二段反應器溫度波動較小，主要是二段反應器進料流量波動引起的。異常事故發生前，一段反應器及二段反應器液位均為完全浸泡狀態，氫氣進料量失控后，經過一段時間的單烯烴加氫反應，反應系統中的烯烴含量不斷降低，進入反應器的氫氣出現剩余，反應器中的碳四被過量的氫氣吹掃至一段緩沖罐中，一段反應器液位快速下降，一段緩沖罐、二段緩沖罐及穩定塔塔釜液位先后升高，隨后在液位控制器的作用下逐漸恢復穩定。由于氫氣進料調節閥失效全開，反應系統壓力出現短暫升高，但在壓力控制器的作用下，經一段緩沖罐頂向燃料氣系統進行了泄放，壓力逐漸恢復穩定。而當反應系統內單烯烴基本被加氫消耗完時，反應系統氫氣大量過剩，反應系統壓力突然快速升高，一段緩沖罐頂向燃料氣系統再次泄放，并很快達到了該泄放閥的最大通量，但仍然無法降低反應系統壓力。當反應系統壓力達到了2.6 MPa（表壓，下同）時，碳四循環泵出口壓力達到了3.2 MPa，達到了碳四冷卻器的設計壓力，存在超壓的風險。通過對一段氫氣進料失控工況進行動態模擬發現，該工況導致的后果比較嚴重，雖然反應器出口溫度未達到聯鎖溫度，但反應器內的局部熱點可能會觸發反應器的超溫聯鎖保護措施。同時，在氫氣進料調節閥失效全開時反應系統極易出現局部超壓引起安全閥泄放的情況，需要提高相關設備的設計壓力，增加反應系統壓力超高聯鎖，及時切斷氫氣及碳四進料。

2.2 碳四進料量失控

異常工況發生前，稀釋后的丁二烯尾氣原料正常進料量為4.5 t/h，進料閥門開度為50%，裝置運行穩定。因閥門故障導致進料閥門全開，碳四進料量突然增加，反應系統其余參數（包括氫氣進料量）控制不變。圖2 為裝置溫度及液位等參數隨時間的動態響應曲線。由于進料閥門故障導致閥門全開后，進料量增加至10 t/h。由圖2 可知，當碳四進料突然增加時，一段反應器入口溫度會因為溫度自動控制滯后而略微下降，導致反應器出口溫度也略微下降，隨著更多的炔烴及二烯烴進入反應器發生反應，反應器出口溫度會逐漸升高，但由于氫氣量有限，一段反應并不會很激烈，出口溫度最高僅達到59 ℃；由于大量的碳四原料進入一段反應系統，在液位控制下，進入二段反應器的碳四流量也增加，同樣受到氫氣量不足的限制，反應器出口溫度反而下降。若考慮氫氣進料量會隨進料量自動調整，一段反應器出口溫度將會達到70 ℃，仍處于設計范圍內，不存在觸發超溫聯鎖的情況。異常工況發生后，碳四原料罐的液位將快速下降，10 min 后液位便被抽空，進入反應系統的碳四原料將中斷，一段緩沖罐由于體積較大，液位變化不明顯，而二段緩沖罐體積較小，且出料量有限，液位將會較快上升，存在滿罐的風險。通過對碳四進料失控工況進行動態模擬發現，該異常工況對反應系統壓力基本無影響，不會觸發超溫聯鎖，不存在大的安全風險，但進料量的突然增加會導致產品中的炔烴及二烯烴含量上升并超標，需要對裝置操作參數（如配氫量）進行調整，避免對下游裝置產生影響。

2.3 進料溫度失控

異常工況發生前，一段反應器進料溫度由循環碳四冷卻器使用循環水冷卻控制在40 ℃，裝置運行穩定。因碳四冷卻器控制閥門故障導致冷卻水全關，碳四進料溫度突然升高，反應系統其余參數（包括氫氣進料量）控制不變。

圖2 溫度（a）及液位（b）的響應曲線Fig.2 Responsive curves of temperature(a) and liquid level(b) against operating time.

圖3 為裝置溫度參數隨時間的動態響應曲線。由圖3 可知，異常工況發生后，一段反應器入口及出口溫度均快速上升，長時間運行穩定后，入口溫度達到78 ℃，出口溫度達到88 ℃。二段反應器入口溫度在二段入口冷卻器的控制下基本穩定，但出口溫度降低。經模擬發現，當一段反應系統內整體溫度升高后，一段反應系統中炔烴及二烯烴含量上升，原因是反應系統溫度升高后，導致隨循環碳四進入反應器內的氫氣量減少，從而造成選擇加氫反應氫氣量不足。同理，二段反應器出口溫度降低也是由于進入反應器的氫氣量減少導致有效反應變少引起的。通過對進料溫度失控工況進行動態模擬發現，該異常工況發生過程中反應系統壓力能夠保持平穩，但一段反應器反應溫度升高幅度較大，存在觸發超溫聯鎖保護措施的可能，同時產品中的炔烴及二烯烴含量會上升并超標，需要及時切換不合格產品去向，避免對下游裝置產生影響。

圖3 溫度響應曲線Fig.3 Responsive curves of temperature against operating time.

2.4 循環碳四中斷

異常工況發生前，用于稀釋反應器原料及撤走反應熱的循環碳四流量為40 t/h，進料閥門開度為50%，裝置運行穩定。因碳四循環泵故障或碳四循環流量調節閥誤關閉導致循環碳四中斷，反應系統其余參數（包括氫氣進料量）控制不變。圖4 為裝置溫度參數隨時間的動態響應曲線。由圖4 可知，異常工況發生后，反應器入口溫度會逐漸降低至碳四原料罐中碳四進料溫度，但反應器出口溫度會快速上升至84 ℃，考慮到循環碳四中斷后，進入一段反應器的碳四量驟減，實際生產中可能會出現溫度分布不均勻從而導致反應器內產生局部熱點，存在觸發超溫聯鎖保護措施的可能，但反應器出口整體溫度會在84 ℃附近。二段反應器入口溫度在二段入口冷卻器的控制下基本穩定，但出口溫度降低。經模擬發現，當一段反應系統內整體溫度升高后，一段反應系統中炔烴及二烯烴含量快速上升，這是因為隨循環碳四進入反應器的氫氣中斷，造成選擇加氫反應氫氣量不足。同理，二段反應器出口溫度降低也是由于進入反應器的氫氣量減少導致的。通過對循環碳四中斷工況進行動態模擬發現，該異常工況導致的后果與進料溫度失控相似，反應系統壓力能夠保持平穩，一段反應器反應溫度升高幅度較大，存在觸發超溫聯鎖保護措施的可能，產品中的炔烴及二烯烴含量也會上升并超標，但該工況中炔烴和二烯烴超標的速度和程度會遠高于進料溫度失控工況，需要更及時地切換不合格產品去向，避免對下游裝置產生影響。

圖4 溫度響應曲線Fig.4 Responsive curves of temperature against operating time.

2.5 冷卻水中斷

異常工況發生前，裝置運行穩定。因發生全裝置停水事故，所有使用循環水的換熱器將失效，主要有碳四冷卻器、二段冷卻器、穩定塔塔頂冷凝器等，反應系統其余參數（包括氫氣進料量）控制不變。圖5 為裝置溫度、壓力、進料流量等參數隨時間的動態響應曲線。由圖5 可知，異常工況發生后，對于一段反應系統，發生停水事故時與進料溫度失控相似；對于二段反應系統，發生停水事故后一段反應產物未經冷卻直接進入二段反應器，二段反應器出口溫度出現較大幅度上升，長時間運行最終觸發超溫聯鎖保護措施。發生停水事故后反應系統壓力能夠保持平穩，但對于穩定塔單元，穩定塔塔頂冷凝器無法將塔頂氣相冷凝，產品冷卻器無法將塔側線采出的氣體冷凝，受限于回流罐頂和產品罐頂壓力調節閥排放量的限制，穩定塔壓力將快速上升導致穩定塔塔頂安全閥起跳泄放，最終穩定塔壓力維持在1.2 MPa。異常工況發生后，裝置排放燃料氣系統的流量最高達到1.2 t/h，裝置內安全閥火炬排放量最高達到了3.0 t/h。通過對冷卻水中斷工況進行動態模擬發現，該異常工況導致的后果比較嚴重，反應單元兩段反應器均存在觸發超溫聯鎖保護措施的可能。對于穩定塔單元，會出現超壓而引起安全閥起跳的事故，需要增加穩定塔壓力超高聯鎖保護措施，及時切斷塔釜加熱蒸汽，避免超壓。

圖5 溫度（a）、壓力（b）及流量（c）的響應曲線Fig.5 Responsive curves of temperature(a)，pressure(b) and flowrate(c) against operating time.

2.6 電力中斷

異常工況發生前，裝置運行穩定。因發生全裝置停電事故，所有用電設備將停止運轉，即進料泵、循環泵、穩定塔回流泵都將停止運轉，反應系統其余參數（包括氫氣進料量）控制不變。圖6 為裝置溫度、液位、壓力、流量等參數隨時間的動態響應曲線。

圖6 溫度（a）、液位 （b）、壓力（c）及流量（d）的響應曲線Fig.6 Responsive curves of temperature(a)，liquid level(b)，pressure(c) and flowrate(d) against operating time.

由圖6 可知，發生全裝置停電事故后，一段反應器液相進料停止，僅氫氣原料進入反應器與反應器內剩余的碳四烯烴發生加氫反應，反應器出口溫度迅速升高至接近80 ℃，當反應器內剩余碳四烯烴因反應消耗完后，反應器出口溫度逐漸降低至氫氣來源溫度25 ℃。由于二段反應器為鼓泡床反應器，碳四原料從反應器底部進入，進料中斷后氫氣繼續進入反應器，反應器內繼續發生加氫反應但熱量無法轉移出去，反應器出口溫度持續緩慢上升，最終將觸發超溫聯鎖保護措施。發生全裝置停電事故后，由于從反應系統去碳四原料罐的稀釋碳四并未中斷（采用壓差輸送），一段緩沖罐的液位持續下降，碳四原料罐的液位不斷上升至滿罐導致安全閥起跳，當一段緩沖罐液位降低至0 后發生從反應系統向碳四原料罐的氫氣高壓串低壓事故，再次導致碳四原料罐頂安全閥起跳，泄放量達到5.5 t/h。裝置發生全裝置停電事故一段時間內，反應系統壓力及碳四原料罐壓力基本穩定，穩定塔壓力逐漸降低至與產品罐壓力一致。當反應器內剩余的碳四烯烴反應完后氫氣量開始過剩，在反應系統內累積造成反應系統壓力上升，當一段緩沖罐液位變空，串壓至碳四原料罐，反應系統壓力開始降低。碳四原料罐在發生滿罐和串壓后壓力均出現超壓引起安全閥起跳泄放。通過對停電工況進行動態模擬發現，該工況導致的后果較為嚴重，二段反應器存在觸發超溫聯鎖保護措施的可能，且可能會發生高壓串低壓事故，存在較大的安全隱患。為降低裝置運行風險，在裝置設計方面需要增加一段緩沖罐液位低聯鎖保護措施，當一段緩沖罐液位低時及時切斷去碳四原料罐的稀釋碳四，停止氫氣及碳四進料，做到從根源上保護裝置安全運行，避免高壓串低壓事故的發生。同時，碳四原料罐安全閥設計應考慮該工況的發生，確保安全閥額定泄放量能夠滿足泄放要求。

3 結論

1）建立了丁二烯尾氣選擇加氫裝置動態模型，模擬了典型的六種異常工況，獲得了異常工況全過程中裝置主要操作參數隨時間變化的響應曲線，分析了異常工況發生的過程、產生的風險和影響。

2）模擬結果表明，六種異常工況發生均會對裝置運行產生較大影響，其中氫氣進料量失控工況、冷卻水中斷工況及電力中斷工況對裝置運行影響相對較大，存在超溫或超壓的風險，需要完善裝置設計以提高裝置抵抗異常工況的能力，降低運行風險。

3）針對典型的異常工況可能發生的風險和影響，從裝置設計及運行方面提出了優化改進措施，避免裝置超溫或超壓情況的發生，有效提高了裝置抵抗異常工況的能力，降低了裝置運行風險。

4）采用動態模擬技術對異常工況進行模擬研究，可驗證、指導和優化裝置設計和生產運行，是檢驗和提升裝置設計及安全運行的一項重要技術手段，對工藝技術開發和生產運行方案的制定具有較好的指導意義。