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化工过程系统及装备长周期安全运行西安交通大学程光旭主要内容一、西部大开发对我国过程装备技术带来的机遇及面临的新挑战二、化工过程装备长周期安全运行工程背景三、化工过程装备长周期安全运行保障体系四、工程案例分析本项目研究涉及的学科•化学工程与工艺•过程装备与控制•材料科学•机械工程一、西部大开发对我国过程装备技术带来的机遇及面临的新挑战西部大开发的四大支柱产业：煤炭、油气、电力和化工。涉及的三个重大工程：西煤东运、西电东送、西气东输。目前存在四大挑战和机遇（I）1.产品质量难以满足日益严格的国家环保标准要求2002年1月1日，我国柴油执行新的国标（GB252-2000），要求硫含量不大于0.2%，氧化沉渣不大于2.5毫克/100毫升，色度不大于3.5。催化裂化柴油，特别是重油催化裂化柴油，不采取深度精制措施难以达到新标准。我国制定新的无铅汽油标准（GB17930-1999），将于2003年1月1日执行，规定汽油中芳烃含量不大40%，烯烃含量不大于35%（v/v），硫含量不大于0.08%（800ppm），笨含量小于2.5%。由此提出的重要研究课题：•石油化工传统产业的提升，研制新型精炼装备•重油裂化防催化剂污染的设备•降低汽油中硫含量的净化设备•降低汽油中烯烃含量的工艺及相应设备挑战及机遇（II）2．传统装备能耗较高炼油企业综合能耗，既包括动力（电、蒸汽、水）和燃料（煤炭、天然气等），又包括加工过程中自用燃料（重油、瓦斯）以及催化裂化烧焦。由此提出的重要研究课题：•先进合理的节能工艺流程是FCC节能的前提，采用新工艺对老装置进行改造，应采用高活性、高选择性催化剂和低回炼比操作，降低生焦。•高效的设备是实现节能降耗的基础，应降低总输入能（烧焦放热、燃料消耗、外供蒸汽和外供电），提高能量回收水平。研究开发高效雾化喷嘴、高效旋风分离器、高效规整填料等。•搞好装备“安、稳、长、满、优”运行控制是节能降耗的保证。•全面考虑综合用能过程和全面优化是节能降耗的根本，应优化换热网络（外取热器、余热锅炉、油浆蒸汽发生器、分馏塔等）。挑战与机遇（III）3．迫切要求大型装备国产化2001年上半年，全国成品油市场消费柴汽比为2.08，而炼油企业生产柴汽比为1.71左右。市场汽油过剩，柴油短缺。造成柴汽比供需矛盾的根本原因是我国炼油企业的原油二次加工以催化裂化为主，而催化裂化以生产汽油为主。由此提出的重要研究课题：•提高柴油收率和改善柴油品质的精炼设备•研究增产柴油的工艺及设备（目前已研究成功的催化剂有LRC-99，MLC-500、DMC、RGD-1等，可以提高柴油收率4%左右）•渣油催化裂化的反应特点及新工艺与装置的动态机理模拟•研究反应深度的控制原理，建立氢转移、异构化和烷基化反应控制技术•研究多相反应过程，开发清洁燃料生产的多相反应器挑战与机遇（IV）4.催化裂化装置的长周期运行不理想（安、稳、长、满、优运行）目前国内炼油厂主要生产装置一般大修周期约为“三年两修”，而在国外，大修期一般为三年，甚至可延至五年以上。由此提出的重要研究课题：•目前国外石油化工企业生产的发展趋势是从向生产装置优化控制要效益，转向发挥工厂资产运行最大效益发展，即从生产系统的长周期运行要效益。•过程状态控制变量的调控技术、过程变量非稳态、非线性技术研究•不停车条件下设备现场无损检测方法及相关新技术研究涉及的学科新增长点•西部大开发涉及学科新增长点：•工程装备的现代制造技术•煤化工•石油、天然气化工•盐化工煤化工的核心技术及装备•煤的气化----煤的干粉气化（Shell核心技术及装备）、水煤浆气化（美国德士古核心技术）•煤的液化----煤的直接液化技术挑战传统化工和能源装备制造业的发展和升级的关键技术和系统集成技术具有自主知识产权的煤气化及净化技术及装备天然气化工核心技术及装备•主要内容：合成氨、甲醇、乙烯、二甲醚、醋酸等•核心技术：天然气制合成气、合成烃、制二甲醚、乙醇等。•相关的所有设备几乎全部依赖进口工程装备的现代制造技术•现代集成制造技术•先进制造工艺、方法与装备•先进微型加工技术•先进机器人二、催化裂化长周期安全运行工程背景•装置长周期运行，是指通过挖掘装置的生产潜力，增加有效生产时间，从而减少修理费用，减少非计划停工、延长设备的使用寿命、提高企业的经济效益。•装置的可靠度＝（运行周期日-非计划停工日）/（运行周期日）100%•一般来讲，“二年一修”指连续运行23个月（运行周期日为690天），•“三年一修”指连续运行35个月（运行周期日为1050天），•“四年一修”指连续运行47个月（运行周期日为1410天）[2]。•重催装置的可靠度：“二年一修”应≥96%,“三年一修”应≥96%,“四年一修”应≥95.5%•重油催化裂化装置运行周期考核目标为2年。•据统计，1998年中石化系统催化裂化装置全年共发生停工24次81.15天，其中，因设备、仪表原因停工18次66.33天，分别占总数的75%和81.74%。因企业内、外电网原因停工3次11.17天，分别占总数的12.5%和13.76%。因操作失误停工1次2.69天，分别占总数的4.13%和3.31%。另外，因工艺、技术和公用工程原因各停工1次。•总体上看，我国装置运行周期与国外发达国家相比，差距很大。1997年底，中国石化总公司考核的48套催化裂化装置中已有28套实现二年一修，15套实现三年二修。2002年尚未实现全行业重油催化裂化装置的二年一修目标。•从国外来看，德国BASF公司的生产装置，装置的长周期运行时间为5年；埃克森公司炼油厂、Phibro公司休斯顿炼油厂催化裂化运转4～5年；荷兰DSM和北欧化工公司BOREALIS工厂装置是“四年一修”。发达国家国外催化裂化装置一般连续运转3～4年，甚至更长。•在原油涨价和各种减利因素增加的情况下，催化裂化装置实现安全平稳的长周期运行，既可以减少检修费用，增加开工天数，又可以可以节约修理费，减少不必要的开支，使企业增加经济效益。•因此，如何使催化裂化装置实现长周期运行，是目前各个炼油厂面临的一个重要课题，受到炼油企业领导和工程技术人员的高度重视。该领域也是当前我国最为迫切需要研究的领域之一。•我国在该领域研究工作刚刚开始，目前处于研究活跃阶段。三、化工装备长周期安全运行保障体系目标：安、稳、长、满、优运行=经济效益制约化工装备长周期安全运行的因素较为复杂，归纳起来大致可以分为五个方面：•原料性质及工艺操作•设备故障•电力及动力系统•企业管理及设备管理•人为误操作等催化裂化装置长周期安全运行的保障体系归纳起来大致可以分为四个方面：•运行安全状态监测及检测•关键设备的故障预测及安全评定•生产系统的危险性分析•最佳运行周期及检修方案的优化几个重要概念的定义及主要研究成果（1）危害度及风险性危险度是指可能产生潜在损失的征兆，它由两部分组成：一是危险事件出现的概率，二是一旦危险出现，其后果严重程度和企业损失的大小。因此，越是已经知道的故障、越容易提前预防、危险度及风险性越低。（2）最佳运行周期综合分析经济性、安全性而获得的企业经济效益最大化的连续运行周期。用一般的形式表示为：化工企业经济性分析+设备风险性分析=最佳经济点=最佳运行周期（3）系统可靠性评定企业安全生产可靠与否的重要环节，在于整个生产过程系统的可靠性如何，如果只考虑某个设备的可靠性，而忽视了系统的可靠性或者处理不当，都会带来巨大的消极后果。在过程系统中，装备的可靠性有着较为特殊的地位，因为系统的工艺一旦确立，系统的可靠性在较大程度上取决于装备的可靠性。系统的可靠性直接和人员、机器、物料等各子系统的可靠程度相关联，是这三者可靠性的总体反映。Rs=Rp*Ro*RmRp---装备（或机器）子系统的可靠度Ro---操作子系统的可靠度Rm—物料供应子系统可靠度（4）最弱环模型•Unit1unit2unit3unit5•Unit4---weakestchain危险性分析方法1安全检查(Safetyreview)---对过程的设计、装置条件、实际操作、维修等进行详细检查以识别所存在的危险性。2安全检查表分析（SafetyChecklistAnalysis)---识别与一般工艺设备有关的已知类型的危险、设计缺陷以及事故隐患。•3预危险性分析（PreliminaryHazardAnalysisPHA)----项目发展初期分析可能存在危险性。•4故障假设分析(What-ifanalysis)---对工艺过程或操作进行假设故障分析。•5危险与可操作性分析（HazardandOperabilityAnalysisHAZOP)----为新设计或新技术进行危险性分析，适用项目的初期阶段。•6失效模式与效应分析（FailureModesandEffectsAnalysisFEMA)----分析设备故障发生的方式，以及这些失效模式对工艺过程导致的结果。•7故障树分析（FaultTreeAnalysisFTA)---把系统可能发生或已经发生的事故作为分析起点，将事故原因事件按逻辑关系建立树型图。•8人的可靠性分析主要研究结果（I）1.建立了化工装置及工艺系统FTA模型和FMECA分析方法（下面来看理论的核心思想）故障树分析方法（I）•故障树分析方法（简称FTA）是进行可靠性分析的重要方法之一。它把系统最不希望发生的失效状态用相应的代表符号及逻辑门用顶事件、中间事件、底事件联结成故障树，找出导致这一故障状态所有可能发生的直接原因，从而对系统的失效进行定性分析及定量计算。FEMCA方法（II）失效模式、效应和危害度分析方法•危险顺序数（RPN）排序法排序法不但考虑故障模式的危害程度，而且考虑其发生的概率及查明的难易程度。故障造成的后果越严重，发生的概率越高而且发生之前难以检测到的系数越高，则其危险就越大。危险顺序数的数学定义为：RPN=S×O×DS—失效模式发生后果的严重程度O—失效可能发生的频率D—发生失效的产品查明难度危害度（S）推荐评价准则发生概率可能性（O）推荐评价准则失效查明难度（D）推荐评价准则四、工程案例分析1催化裂化系统及装置（中国石油化工集团公司攻关项目）2化工厂聚氯乙烯生产装置（企业合作项目）3化肥厂煤气化装置（陕西省科技攻关项目）1催化裂化装置（兰炼原则工艺流程图）催化裂化长周期安全运行主要分析内容•冷原料带水催化剂的金属污染分馏塔结盐沉降器、大油气管线等结焦催化剂跑损烟道衬里滑阀等U型波纹管膨胀节腐蚀穿孔高温取热炉管束泄漏仪表控制系统仪表失灵腐蚀开裂情况重催大机组（烟机、主风机组、增压机组和气压机组。催化裂化装置系统•催化裂化装置系统通常可以分为四大部分来分析，即，反应再生系统、分馏系统、吸收稳定系统和能量回收系统，反应再生系统是催化裂化的核心。反应-再生系统工艺流程图蒸汽蒸汽预提升蒸汽分布环用风松动风液化蒸汽松动风雾化蒸汽急冷油回炼油浆雾化蒸汽回炼油雾化蒸汽雾化蒸汽原料经加热后来反应油气至分馏塔防焦蒸汽二再烟气第二再生器二再脱气罐沉降器炉-1主风松动风SS烟囱炉-2水封罐水封罐水封罐降压孔板三级旋风分离器烟气轮机第一再生器第一再生器辅助燃烧炉第二再生器辅助燃烧炉预提升干气外取热器3.9蒸汽至过热器除氧水排污外取热器汽包循环热水泵脱氧水增压机主风流化风提升风主风主风废催化剂罐冷催化剂罐热催化剂罐催化剂加料斗兰炼万吨/年重油催化裂化装置反应再生系统工艺流程图PDF图例和代号Am传热面积Q×10热负荷VNM/MIN体积流率Gkg/h重量流率PMP压力T℃温度温度控制压力控制流量控制液控制C2101C2102F2101F2102C2104D2120C2105P2103D2118D2115/1D2115/3D2115/2D2103D2101D2102D2117K2101/1.2D2102/1.2主风机C2103分馏系统工艺流程图水蒸汽富气至气体压缩机冷重油自原料罐来冷蜡油自原料罐来油浆回炼至提升管原料至提升管反应器回炼油至提升管裂化气自反应器来冷蜡油泵冷重油泵回炼油泵二中回流油泵稳定汽油油浆泵一中回流轻柴油泵