СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РАСЧЁТА ТОЧКИ РОСЫ В ГОЛОВНОМ ПОГОНЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
METHOD AND DEVICE FOR MEASUREMENT AND CALCULATION OF DEW POINT IN HEAD RECTIFICATION COLUMN

Эта заявка испрашивает приоритет по заявке US №13/558887 и заявке US №13/558896, поданным 26 июля 2012 года.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к ректификационным колоннам и более конкретно к устройствам и способам контроля работы ректификационных колонн для предотвращения захлебывания колонны.
Уровень техники
Многие различные применения в переработке углеводородов и нефтехимической промышленности используют отгонку с водяным паром для удаления более низкокипящих соединений из жидких потоков, содержащих соединения с различным интервалом температур кипения. Введение водяного пара в отпарную ректификационную колонну является полезным для разделения соединений с различной температурой кипения. Однако если добавляют слишком много водяного пара по отношению к количеству тепла, имеющегося в колонне, пар будет конденсироваться на тарелках колонны, где вода накапливается и в конечном итоге приводит к захлебыванию колонны, вызывая значительные нарушения работы. Наличие жидкой воды также приводит к повышенной коррозии тарелок и стенок отпарной колонны.
US 6640161, который включен в описание ссылкой, описывает способ компьютерного расчета точки росы и подачи предупреждающего сигнала об условиях работы, которые могут привести к захлебыванию колонны. Измеряют общее число молей углеводорода проходящего в головном погоне отпарной ректификационной колонны и общее число молей воды в виде пара, проходящей в головном погоне отпарной ректификационной колонны. Используя эту информацию, постоянно вычисляется мольная доля воды в виде пара, проходящей в головном погоне колонны. Измеряется давление в головном погоне колонны, и непрерывное определение парциального давления воды выполняется расчетом конечной мольной доли воды, проходящей в виде пара в головном погоне колонны, и давления головного погона колонны. Кроме того, выполняется непрерывное определение температуры точки росы водяного пара, проходящего в головном погоне колонны. Температура верхней части колонны измеряется и передается в компьютер, в котором рассчитывается разность между расчетной температурой точки росы водяного пара, проходящего в головном погоне колонны, и измеренной температурой в верхней части. Когда эта рассчитанная разница приближается к нулю, увеличивается возможность захлебывания колонны. Выбирают заданное значение и сравнивают с рассчитанной разностью для подачи сигнала тревоги, чтобы предупредить оператора о неудовлетворительной работе колонны. По обнаружению сигнала оператор может затем произвести соответствующую регулировку колонны для того, чтобы избежать захлебывания колонны.
Однако US 6640161 не описывает контрольно-измерительное оборудование и связи между оборудованием, необходимым для выполнения необходимых измерений. Без соответствующего оборудования способ расчета не будет давать полезную информацию, и могут возникнуть условия захлебывания. Это приводит к дорогостоящему ремонту и потерям продукции.
Таким образом, существует необходимость в измерительных приборах и способах расчета точки росы воды в отпарной ректификационной колонне.
Раскрытие изобретения
Один аспект изобретения включает способ контроля работы ректификационной колонны.
Другой аспект настоящего изобретения относится к устройству для контроля работы ректификационной колонны.
В одном осуществлении способ включает в себя измерение молекулярной массы или относительной плотности, температуры и давления головного потока паров, проходящего из ректификационной колонны в приемник; измерение температуры потока углеводородной жидкости из приемника; измерение массового расхода жидкого потока флегмы отпарной колонны или потока флегмы углеводородной жидкости и потока результирующей головной углеводородной жидкости отпарной колонны; измерение массового расхода потока паров отпарной колонны из приемника; и измерение массового расхода потока воды из приемника. Общий массовый расход головного потока определяется с использованием массового расхода потока воды из приемника, массового расхода потока паров отпарной колонны из приемника, массового расхода потока углеводородной жидкости отпарной колонны или массового расхода результирующей головной углеводородной жидкости отпарной колонны и массового расхода флегмы углеводородной жидкости. Общий молярный расход головного потока определяют из общего массового расхода головного потока и молекулярной массы головного потока паров. Общий молярный расход воды определяют из массового расхода потока воды из приемника и измеренной температуры потока углеводородной жидкости из приемника. Парциальное давление воды в головном потоке паров определяется из общего молярного расхода воды, общего молярного расхода головного потока и измеренного давления головного потока. Температуру точки росы определяют при определенном парциальном давлении воды. Допустимый предел точки росы определяют из измеренной точки росы и температуры головного потока паров. Рассчитанный допустимый предел точки росы сравнивают с заданным минимальным допустимым пределом точки росы, подается предупреждающий сигнал и/или рабочий режим ректификационной колонны изменяется, когда вычисленный допустимый предел точки росы ниже минимального заданного допустимого предела точки росы.
В другом осуществлении устройство содержит ректификационную колонну, имеющую выход головного потока и вход флегмы, и приемник, имеющий вход, выход воды, выход углеводородной жидкости и выход паров. Имеется головная линия паров, соединяющая выход головного потока ректификационной колонны со входом приемника. Анализатор молекулярной массы или анализатор относительной плотности, датчик температуры и датчик давления связаны с головной линией паров. Имеется линия выхода углеводородной жидкости, связанная с выходом углеводородной жидкости приемника, которая разделяется на линию флегмы отпарной колонны, связанную со входом флегмы ректификационной колонны, и линию результирующей головной жидкости отпарной колонны. Имеется датчик температуры, связанный с линией выхода углеводородной жидкости. Имеется массовый расходомер потока углеводородной жидкости отпарной колонны, сообщающийся по текучей среде с линией выхода углеводородной жидкости, или массовый расходомер углеводородной жидкости - флегмы отпарной колонны, связанный с линией флегмы отпарной колонны, и массовый расходомер результирующей головной углеводородной жидкости отпарной колонны, связанный с линией результирующей головной жидкости отпарной колонны. Имеется массовый расходомер паров отпарной колонны, связанный с линией выхода паров, проходящей из выхода паров приемника. Имеется расходомер воды, связанный с линией выхода воды, проходящей из выхода воды приемника. Устройство также содержит по меньшей мере один компьютер, связанный с анализатором молекулярной массы или анализатором относительной плотности; датчиком давления на головной линии паров; датчиком температуры на головной линии паров; датчиком температуры на линии выхода углеводородной жидкости; массовым расходомером углеводородной жидкости отпарной колонны или массовым расходомером углеводородной жидкости - флегмы отпарной колонны и массовым расходомером результирующей головной жидкости отпарной колонны; массовым расходомером паров отпарной колонны; и расходомером воды.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 иллюстрирует одно осуществление контрольно-измерительных приборов отпарной ректификационной колонны.
Фиг. 2 иллюстрирует другое осуществление контрольно-измерительных приборов отпарной ректификационной колонны.
Фиг. 3 иллюстрирует стадии одного осуществления способа контроля.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение помогает предотвратить нежелательную конденсацию водяного пара, обеспечивая оператора сигналом тревоги, который предупреждает об условиях, приближающихся к точке росы воды, так что соответствующие регулировки могут быть выполнены до нарушения работы отпарной колонны. Изобретение определяет необходимые приборы и соответствующие расчеты для определения точки росы и допустимого предела точки росы в режиме реального времени, что обеспечивает надлежащий контроль и работу колонны, который позволяет минимизировать потребление энергии.
Подход обеспечивает простые расчеты, которые легко совместимы с обычными системами управления для указания в режиме реального времени допустимого предела точки росы онлайн. Головной поток из колонны определяется измерением паров приемника, водяного отстойника, приемника углеводородной жидкости - флегмы и результирующей головной углеводородной жидкости. Пары приемника, углеводородную жидкость - флегму и результирующую головную углеводородную жидкость измеряют с помощью массовых расходомеров, таких как кориолисовы расходомеры. Массовые расходомеры предоставляют информацию для методов расчета, на которые не влияют различия или изменения относительной плотности. Массовые расходомеры используются только там, где они более всего необходимы, чтобы ограничить стоимость расходомеров. Например, массовый расход водяного отстойника может быть найден путем коррекции объемного расхода по фактической рабочей температуре (хотя при необходимости может быть использован массовый расходомер). Молярный расход головного потока определяется преобразованием массового расхода в молярный расход анализатором молекулярной массы или анализатором относительной плотности (SG) на головной линии паров. Содержание воды в головном потоке вычисляется, полагая что количество воды в головном потоке полностью находится в воде, выходящей из водяного отстойника приемника, таким образом, непосредственно определяя точку росы воды в головном потоке колонны.
Указанная контрольно-измерительная аппаратура может быть использована как в новых, так и существующих процессах. В существующих процессах может потребоваться дополнительная контрольно-измерительная аппаратура и/или может потребоваться установка различной контрольно-измерительной аппаратуры в определенных точках в системе для того, чтобы применить ее.
Контрольно-измерительная аппаратура для отпарной водяным паром ректификационной колонны показана на фиг. 1. Углеводородное сырье 5 вводится в ректификационную колонну 10. Водяной пар 15 вводится в ректификационную колонну 10, и проходит наверх для отпарки летучих компонентов из нисходящего углеводородного сырья 5. Поток 20 углеводородного продукта, имеющий сниженную концентрацию летучих компонентов, удаляется из нижней части ректификационной колонны 10 и извлекается. Поток паров, содержащий углеводороды с более низкой молекулярной массой, которые удалены отпариванием из сырья, и водяной пар удаляют из ректификационной колонны 10, охлаждают и отправляют в приемник 30 по головной линии 25 паров.
Поток, поступающий в приемник 30, содержит конденсат водяного пара, жидкие углеводороды и газообразные при нормальных условиях углеводороды. Поток кислого газа, содержащий газообразные углеводороды, удаляют из приемника 30 по линии 35 выхода паров приемника и извлекают. Конденсат водяного пара удаляют из приемника 30 по линии 40 выхода воды и извлекают. Поток жидких углеводородов удаляют из приемника 30 по линии 45 выхода углеводородной жидкости, которая разделяется на линии 50 и 55. Часть потока жидких углеводородов направляют в ректификационную колонну 10 по линии флегмы отпарной колонны 50 в качестве флегмы (орошения). Другую часть потока жидких углеводородов извлекают в виде результирующей углеводородной жидкости по линии 55 результирующей головной жидкости отпарной колонны.
Имеется анализатор молекулярной массы или анализатор относительной плотности 60, связанный с головной линией 25 паров для измерения молекулярной массы или относительной плотности потока паров из ректификационной колонны 10. Анализатор молекулярной массы или анализатор 60 относительной плотности передает измеренное значение молекулярной массы или относительной плотности по линии 65 в компьютер 70. Компьютер 70 содержит по меньшей мере запоминающее устройство 75 и вычисляющее устройство 80.
Датчик 85 давления, который связан с головной линией 25, измеряет давление головного потока паров из ректификационной колонны 10, и передает значения измеренного давления в компьютер 70 по линии 90.
Датчик 95 температуры, который связан с головной линией 25, измеряет температуру головного потока паров из ректификационной колонны 10, и передает значения измеренной температуры в компьютер 70 по линии 100.
Массовый расходомер 105 паров отпарной колонны измеряет массовый расход потока кислого газа на линии 35 выхода паров приемника, и передает результаты измерений массового расхода в компьютер 70 по линии 110.
Расходомер 115 воды измеряет расход конденсата водяного пара в линии 40 и передает результаты измерений расхода в компьютер 70 по линии 120. Расходомер воды может быть объемным расходомером или массовым расходомером, по потребности. Массовый расход воды необходим, но он может быть либо измерен непосредственно с помощью массового расходомера или рассчитан из объемного расхода с поправкой на температуру, используя таблицу относительной плотности водяного пара. Подходящие массовые расходомеры включают, но не ограничиваются кориолисовыми массовыми расходомерами. Подходящие объемные расходомеры включают, но не ограничиваются диафрагменными расходомерами.
Датчик 125 температуры выходящей углеводородной жидкости измеряет температуру потока жидких углеводородов в линии 45 выхода углеводородной жидкости и передает значения измеренной температуры в компьютер 70 по линии 130. Альтернативно датчик 125 температуры выходящей углеводородной жидкости может быть расположен на линии 50 флегмы отпарной колонны или на линии 55 результирующей головной жидкости отпарной колонны.
Массовый расходомер 135 углеводородной жидкости - флегмы отпарной колонны измеряет расход потока углеводородной жидкости - флегмы в линии 50 и передает результаты измерений массового расхода в компьютер 70 по линии 140.
Массовый расходомер 145 результирующей головной углеводородной жидкости измеряет массовый расход потока результирующей головной углеводородной жидкости в линии 55 и передает результаты измерений массового расхода в компьютер 70 по линии 150.
Альтернативно, как показано на фиг. 2, вместо измерения массового расхода потока углеводородной жидкости - флегмы в линии 50 и потока результирующей головной углеводородной жидкости в линии 55 по отдельности, массовый расходомер 160 потока углеводородной жидкости отпарной колонны измеряет массовый расход потока углеводородной жидкости в линии 45 выхода углеводородной жидкости и передает измеренные значения массового расхода в компьютер 70 по линии 165.
Способ контроля показан на фиг. 3. Проводят вышеописанные различные измерения и передают в компьютер 70 на стадии 200 для использования в вычислении допустимого предела точки росы.
Допустимый предел точки росы может быть определен с использованием следующих уравнений. Сначала общий массовый расход головного потока вычисляется на стадии 205. Это может быть сделано с помощью уравнения 1а или 1b, в зависимости от того, измеряется ли массовый расход потока 45 углеводородной жидкости, или массовый расход потока 135 углеводородной жидкости - флегмы и массовый расход потока 145 результирующей головной углеводородной жидкости.
где:
TOF = общий массовый расход головного потока (массовый расход)
WFR = измеренный массовый расход воды в потоке воды из приемника (измеренный как массовый расход или пересчитанный в массовый расход - по данным расходомера 115 воды)
RVF = измеренный массовый расход потока паров отпарной колонны из приемника (по данным массового расходомера 105 паров отпарной колонны)
HLF = измеренный массовый расход потока углеводородной жидкости из приемника (по данным массового расходомера 160 потока углеводородной жидкости отпарной колонны)
NOLF = измеренный массовый расход потока результирующей головной углеводородной жидкости (по данным массового расходомера 145 потока результирующей головной углеводородной жидкости отпарной колонны)
RF = измеренный массовый расход потока углеводородной жидкости - флегмы (по данным массового расходомера 135 потока углеводородной жидкости - флегмы отпарной колонны).
Затем, общий молярный расход головного потока рассчитывают на стадии 210. Это вычисление может быть выполнено с использованием уравнения 2.
где:
ТОМ = общий молярный расход головного потока
TOF = общий массовый расход головного потока (массовый расход из уравнения 1)
MWov = молекулярная масса головного потока (по данным анализатора 60 молекулярной массы или рассчитанная по формуле 3).
MWov может быть вычислена с использованием уравнения 3, если используется анализатор 60 относительной плотности.
где:
ov
MW = молекулярная масса головных паров
ov
ρ = плотность головных паров (по данным анализатора 60 относительной плотности)
R = универсальная газовая постоянная
Та = абсолютная температура головных паров (по данным датчика 95 температуры + коэффициент пересчета на абсолютную температуру)
Ра = абсолютное давление головных паров (по данным датчика 85 давления + коэффициент пересчета на абсолютное давление).
Коэффициент пересчета на абсолютную температуру для температуры, измеряемой в градусах Фаренгейта, составляет 460°F. Коэффициент пересчета на абсолютное давление составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм. Специалисты в данной области техники могут определить соответствующие коэффициенты пересчета на абсолютные температуру и давление для других единиц измерения температуры и давления.
Затем определяется общий молярный расход воды на стадии 215. Он может быть рассчитан с использованием уравнения 4а или 4b, в зависимости от того, используется массовый расходомер или объемный расходомер.
где:
TMW = общий молярный расход воды
WFR = измеренный массовый расход потока воды из приемника (по данным расходомера 115 воды).
где:
VFR является объемным расходом в соответствующих единицах
ρ = плотность воды при измеренной температуре потока углеводородной жидкости из приемника (по данным датчика 125 температуры)
18,015 = молекулярная масса воды.
Затем парциальное давление воды в головном потоке определяется на стадии 220. Оно может быть вычислено с использованием уравнения 5.
где:
PPWO = парциальное давление воды в головном потоке паров в фунтах на квадратный дюйм
TMW = общий молярный расход воды из уравнения 4а или 4b
ТОМ = общий молярный расход головного потока из уравнения 2
ОР = измеренное давление головного потока паров (по данным датчика 85 давления) в фунтах на квадратный дюйм.
Температура насыщения (точка росы воды) определяется на стадии 225. Она может быть определена в соответствии с уравнением 6 с использованием таблиц данных для водяного пара, хранящихся в компьютере.
где:
WDP = точка росы воды в °F
PPWO = парциальное давление воды в головном потоке паров в фунтах на квадратный дюйм.
Альтернативно точка росы может быть вычислена с использованием уравнения 7, которое может быть запрограммировано в компьютере. Уравнение 7 было проверено на множестве точек с точностью до 0,5°С (1°F). Ошибка уменьшается при температуре насыщения выше 150°С (302°F).
где:
WDP = точка росы воды (°F)
PPWO = парциальное давление воды в головном потоке паров в фунтах на квадратный дюйм (по уравнению 5).
Затем определяется допустимый предел точки росы на стадии 230. Он может быть рассчитан с использованием уравнения 8.
где:
DPM = допустимый предел точки росы
ОТ = измеренная рабочая температура (по данным датчика 95 температуры)
WDP = точка росы воды из уравнения 6 или 7.
На стадии 235 DPM сравнивается с заданным минимальным допустимым пределом точки росы. Заданный минимальный допустимый предел точки росы выбран для безопасной работы колонны. Если DPM меньше заданного допустимого предела точки росы, сигнал 155 тревоги активируется компьютером 70 на стадии 240 или изменяется рабочий режим, или осуществляется и то и другое. Изменение рабочего режима может быть выполнено с помощью компьютера или оператором или и оператором и компьютером. Изменение рабочего режима может включать в себя, но не ограничивается изменением рабочего режима ректификационной колонны, чтобы изменить измеряемую температуру головного потока паров, например, изменением подвода тепла в ректификационную колонну.
Предпочтительно измерения и вычисления постоянно выполняются с помощью заявленного устройства. Однако в объеме притязаний настоящего изобретения измерения и/или вычисления выполняются через заданные интервалы, например, раз в секунду, каждые 30 сек, каждую минуту, каждые 5 минут, и т.д., или неравные заданные интервалы, например, каждые 5 минут, и если DPM уменьшается ниже предустановленного предела, интервал меняется, например, на каждые 30 секунд.
Устройство устраняет необходимость в расходомере общего головного жидкого потока и использует массовые расходомеры флегмы и результирующей головной жидкости вместо него.
Расчеты упрощаются, поскольку молярные расходы могут быть вычислены непосредственно, без необходимости преобразования объемных расходов.
В то время как по меньшей мере один пример осуществления представлен в предыдущем подробном описании изобретения, должно быть понятно, что существует большое количество вариаций. Следует также понимать, что примеры осуществления или осуществлений являются лишь иллюстративными и не предназначены для ограничения объема притязаний, применимости или конфигурации изобретения каким-либо образом. Скорее, приведенное выше подробное описание будет обеспечивать специалистов в данной области техники удобной дорожной картой для реализации примера осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что различные изменения могут быть внесены в функцию и конфигурацию элементов, описанных в примере без выхода из объема притязаний настоящего изобретения, представленного в прилагаемой формуле изобретения.