Система измерения расхода и способ ее функционирования для управления реакцией преобразования в системе производства водорода - RU2300796C2
Код документа: RU2300796C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к способам и устройству для улучшения эффективности процесса реформинга углеводородов с водяным паром (SRH, РУВП) в производстве газообразного водорода. Более конкретно в РУВП производстве газообразного водорода, для улучшения процесса, для управления отношением водяного пара к углероду используется расходомер Кориолиса.
Водород представляет собой товар все растущей ценности, имеющий много применений, например в качестве охладителя электрического оборудования, топлива для космических исследований, а также в химическом производстве коммерчески важных продуктов, особенно аммиака, метилового спирта, кетоспиртов и гидрированного бензина. Потребность в водороде возрастает вследствие требований регулирующих постановлений, которые стимулируют развитие лучших эксплуатационных качеств и более чистых видов топлива.
Первичным способом производства водорода в промышленных масштабах является реформинг углеводородов с водяным паром (РУВП). Процесс может выполняться на углеродных газах или низкооктановых нефтяных фракциях при рабочих условиях, в которых обычно применяется высокая температура и давление. Процесс преобразования, который выполняется без катализатора, вообще говоря, известен в технике как термоформирование. Процесс РУВП является более эффективным, когда реакции содействует катализатор, например, такой как никель, молибден или платина. Для того чтобы избежать порчи катализатора, необходимо исходное углеводородное сырье с низким содержанием серы. РУВП хорошо известен в технике и описан в различных публикациях, например: R.N.Shreve, Shreve's Chemical Process Industries, McGraw-Hill, Inc., pp.106-109 (1984); а также D.M.Considine, Chemical and Process Technology Encyclopedia, McGraw-Hill, Inc., pp.592-596 (1974), которые включены здесь ссылкой, как если бы их содержание полностью здесь повторялось.
Пример РУПВ описан в заявке на патент Японии № JP 10120401 А, в которой раскрывается техническое решение для производства водорода способом реформинга углеводородов с водяным паром, используя улгеводородное сырье. Определяются расход и плотность газообразных отходов и количество углерода на единицу молекулярной массы, оценивается из соотношения плотности газообразных отходов и количества углерода на единицу молекулярной массы, затем общее количество углерода в газообразных отходах рассчитывается из количества углерода на единицу молекулярной массы и расхода, таким образом расход технологического пара оценивается из общего количества углерода и соотношения водяного пара к количеству углерода для управления расходом технологического пара.
Производство газообразного водорода методом РУВП вовлекает осуществление реакции исходного углеводородного сырья с водяным паром. В основном исходное углеводородное сырье содержит различные углеводороды, и химическая реакция протекает согласно идеальным стехиометрическим уравнениям для каждого типа углеводорода. В зависимости от исходного сырья происходят разные реакции. Наиболее важные реакции можно в основном классифицировать следующим образом:
А. Дегидрогенизация циклогексанов для получения ароматических углеводородов;
В. Дегидрогенизация определенных парафинов для получения ароматических соединений;
С. Изомеризация, включающая превращение углеродных структур с прямой цепью в таковые с разветвленной цепью;
D. Преобразование метана в природном газе, чтобы произвести диоксид углерода и водород; и
Е. Преобразование лигроина для получения синтетического природного газа.
Предпочтительный способ генерации большого количества водорода состоит в том, чтобы использовать исходное сырье природного газа, которое содержит большую долю метана. Реакция протекает согласно уравнению 1:
где H2О предпочтительно находится в виде водяного пара.
Реакции указанного класса аналогично протекают в исходном сырье на других фракциях газа для завершения разложения в идеале углеводорода на диоксид углерода и водород. Например, еще одна реакция, включающая пропан (C3H8) в исходном углеводородном сырье, протекает согласно уравнению 2:
где H2О предпочтительно находится в виде водяного пара.
Обобщенно все реакции данного класса протекают согласно уравнению 3:
Предшествующие уравнения описывают реакцию более легких углеводородов, особенно метана, бутана и пропана, а также некоторых жидкостей, например лигроина. Более тяжелые крайние фракции имеют тенденцию реагировать по-другому, и хотя некоторые реакции протекают согласно вышеприведенному уравнению (3), происходят и другие реакции, такие как изомеризация, также с результирующим получением водорода.
Уравнения демонстрируют концепцию, согласно которой для завершения реакции требуются разные величины водяного пара в зависимости от состава исходного сырья. Например, один моль метана требует одного моля водяного пара согласно уравнению (1), тогда как один моль пропана потребляет три моля водяного пара согласно уравнению (2). В коммерческих производственных комплексах, которые работают на исходном сырье с различными составами, указанные различия порождают потенциально значимую проблему баланса веществ. Процесс может дополнительно усложняться использованием кислорода в качестве реагента, что приводит к более низкому потреблению водяного пара.
В модуле РУВП производства водорода в качестве исходного углеводородного сырья может применяться широкий диапазон исходного сырья. В качестве исходного углеводородного сырья могут применяться такие углеводороды, как природный газ, метан, пропан, бутан и лигроин, либо отдельно либо в комбинации. В различные периоды времени экономические соображения, а также доступность конкретного исходного углеводородного сырья могут диктовать использование различных видов исходного углеводородного сырья.
На нефтеперерабатывающих заводах вследствие того, что состав исходного сырья РУВП постоянно изменяется, возникает специфическая проблема. В пределах перерабатывающего завода исходное углеводородное сырье может поступать из нескольких источников, и такие источники дают различные углеводороды. Одним из конкретных примеров объединенного источника углеводородов является система топливного газа перерабатывающего завода. Многочисленные результаты процесса вносят вклад в систему топливного газа путем добавления различных углеводородов, которые могут быть направлены в объединенном потоке в модуль производства газообразного водорода. Если один из процессов, вносящих вклад в систему топливного газа перерабатывающего завода, останавливается или изменяется в смысле выходного объема, то состав на выходе системы топливного газа изменяется. Чтобы оптимизировать эффективность процесса и минимизировать загрязнение окружающей среды, изменения в составе исходного сырья требуют соответствующих изменений в условиях РУВП процесса, таких как температура, давление и расход.
В настоящее время существует проблема точного измерения фракционного состава исходного углеводородного сырья в модуле производства водорода. Еще одна проблема состоит в том, чтобы на основе состава исходного сырья в модуле производства водорода управлять отношением водяного пара к углероду. Указанные проблемы измерения и управления снижают эффективность РУВП процесса, при этом увеличивая ассоциированные проблемы загрязнения окружающей среды.
Традиционный подход к измерению параметров исходного углеводородного сырья в модуле производства газообразного водорода содержит измерение расхода исходного углеводородного сырья с помощью объемного расходомера. Хотя и есть что-то полезное в обращении к проблеме баланса реакции, возникающей при использовании комбинированного исходного сырья, объемные измерители не способны обеспечить полного метрологического решения. Когда изменяется состав исходного углеводородного сырья или используется его заменитель, содержание углерода, вносимого в модуль производства газообразного водорода, может резко изменяться в заданной единице объема, так что необходимо знать, может ли требуемое количество водяного пара завершить реакцию. Например, при одинаковых условиях по температуре и давлению количество водяного пара, требуемое, чтобы осуществить реакцию с объемом пропана, приблизительно в три раза больше, чем количество водяного пара, требуемое, чтобы осуществить реакцию с таким же объемом метана. Проблема усугубляется поведением реального газа, в котором более легкие газы имеют более высокий коэффициент сжимаемости.
Другой подход к измерению параметров исходного углеводородного сырья состоит в том, чтобы определять состав исходного углеводородного сырья с помощью газового хроматографа. Однако газовый хроматограф не может обеспечить в режиме реального времени данные состава исходного углеводородного сырья.
В патентах США № 4491025, опубликованных J.E.Smith и соавторы, January 1, 1985, и Re. 31,450, опубликованном J.E.Smith, February 11, 1982, раскрыто использование массового расходомера Кориолиса для измерения массового расхода и другой информации о веществах, текущих по трубопроводу. Указанные расходомеры обычно содержат электронную и сенсорную части. Датчики расходомера имеют одну или более трубок Вентури прямой или искривленной конфигурации. В каждой конфигурации трубок Вентури имеется набор собственных мод колебаний, которые могут быть простыми изгибными, крутильными, радиальными или связанными. Для того чтобы совершать резонансные колебания в одной из упомянутых естественных мод, каждая трубка Вентури возбуждается. Собственные моды колебаний вибрации в системах, заполненных веществом, частично определяются объединенной массой трубок Вентури и вещества внутри трубок Вентури. Вещество втекает в датчик расходомера из подсоединенного трубопровода на впускной стороне датчика расходомера. Затем вещество направляется через трубки Вентури и выходит из датчика расходомера в трубопровод, подсоединенный на выпускной стороне датчика расходомера.
Когда через датчик расходомера Кориолиса не протекает никакого вещества, все точки вдоль трубок Вентури колеблются, по существу, с одинаковой фазой. Когда через трубки Вентури протекает вещество, в разных точках вдоль трубок Вентури поворотные ускорения приводят к разным фазам. Фаза на впускной стороне датчика расходомера отстает от фазы возбудителя, тогда как фаза на выпускной стороне датчика расходомера опережает фазу возбудителя.
Для создания синусоидальных сигналов, характеризующих перемещение трубок Вентури в различных точках вдоль трубок Вентури, датчики расходомера Кориолиса обычно содержат два чувствительных элемента. Разность фаз синусоидальных сигналов, принятых с чувствительных элементов, вычисляется электронной системой расходомера. Разность фаз между сигналами чувствительных элементов пропорциональна массовому расходу вещества, текущего через датчик расходомера.
В РУВП процессах измерительные системы Кориолиса не применялись отчасти потому, что они в основном измеряют массу, в противоположность известным системам объемных измерений. Кроме того, было непонятно, как можно было массовые расходомеры адаптировать для измерения или оценки массы, относящейся к фракционным компонентам объединенного исходного сырья.
Вышеупомянутые, а также другие проблемы решены, и прогресс в технике достигнут посредством адаптации расходомеров Кориолиса для использования в измерениях параметров исходного углеводородного сырья РУВП модуля производства газообразного водорода. Использование массовых расходомеров Кориолиса, как раскрывается ниже, приводит к более точному универсальному измерению параметров исходного углеводородного сырья в режиме реального времени, чем это можно осуществить в известных системах.
Вообще говоря, измерительная система и способ, обеспеченные согласно настоящим инструментариям, используют массовый расходомер, такой как массовый расходомер Кориолиса, для измерения массы или расхода массы исходного углеводородного сырья, поставляемого в модуль производства газообразного водорода. Затем массовый расходомер исходного углеводородного сырья используется для управления отношением водяного пара к углероду в РУВП производстве газообразного водорода.
В одном из вариантов осуществления массового расходомера система содержит источник исходного углеводородного сырья для подачи исходного углеводородного сырья в систему производства газообразного водорода. Источник водяного пара используется для подачи водяного пара в систему производства водорода. Массовый расходомер оперативно подсоединен к источнику исходного углеводородного сырья для измерения массового расхода углеводорода и для создания сигнала расхода углеводорода, представляющего массовый расход углеводорода. Второй расходомер оперативно подсоединен к источнику водяного пара для измерения расхода водяного пара и для создания сигнала расхода водяного пара, представляющего расход водяного пара. Контроллер способен функционировать для приема сигнала расхода углеводорода и сигнала расхода водяного пара. Контроллер имеет программные инструкции для управления отношением исходного углеводородного сырья и водяного пара, поставляемого в систему производства водорода.
Предпочтительные варианты осуществления содержат один или два массовых расходомера, используемых на линии подачи углеводорода, и второй расходомер, используемый на линии подачи водяного пара, содержащей массовые расходомеры Кориолиса. Указанные средства могут быть использованы особенно выгодно тогда, когда исходное углеводородное сырье содержит смесь углеводородных газов или углеводородные материалы, имеющие различный состав. Полная точность системы улучшается посредством использования корреляции для определения содержания углерода в исходном углеводородном сырье. Для того чтобы содействовать корреляции, точность дополнительно улучшается измерением физического параметра исходного углеводородного сырья, например, плотности или удельного веса газа.
Способ действия ранее описанной системы включает, например, измерение массового расхода исходного углеводородного сырья, поставляемого в систему производства водорода, и обеспечивает измерение массового расхода углеводорода, измерение второго расхода - расхода водяного пара, поставляемого в систему производства водорода, для того чтобы обеспечить измерение расхода водяного пара, управление количеством исходного углеводородного сырья и водяного пара, поставляемого в систему производства водорода, на основе измерения массового расхода углеводорода и измерения расхода водяного пара. Измерения могут выполняться одновременно с операциями управления для регулировки отношения углерода к водяному пару. Этапы измерения могут далее повторяться в режиме реального времени, когда контроллер выполняет настройки до соответственных расходов.
Измерительная система и способ, обеспеченные согласно настоящим инструментариям, могут использовать ЦП в виде измерительной электронной системы, контроллера или любого другого вычислительного прибора, который работает с сигналом, представляющим измерение массового расхода углеводорода, и управляет клапаном или другим прибором, способным модифицировать поток углеводорода согласно желательному отношению углерода к водяному пару. Измерительная система с массовым расходомером Кориолиса особенно выгодна в тех случаях, когда модуль производства газообразного водорода быстро переключается между различными типами исходного углеводородного сырья или принимает исходное углеводородное сырье с модифицированным составом углеводорода.
Согласно вышеприведенному описанию, раскрытые инструментарии имеют следующие аспекты:
Первый аспект изобретения раскрывает систему массового расходомера для использования в управлении реакцией преобразования в системе производства водорода, система массового расходомера содержит:
источник исходного углеводородного сырья для подачи исходного углеводородного сырья в систему производства водорода; и
источник водяного пара для подачи водяного пара в систему производства водорода;
система массового расходомера отличается тем, что содержит:
первый расходомер для измерения массового расхода исходного углеводородного сырья, подаваемого в систему производства водорода, и для создания сигнала расхода углеводорода, представляющего массовый расход исходного углеводородного сырья;
второй расходомер для измерения расхода водяного пара, подаваемого в систему производства водорода, и для создания сигнала расхода водяного пара, представляющего расход водяного пара; и
контроллер, способный функционировать для приема сигнала расхода углеводорода и сигнала расхода водяного пара, контроллер имеет программные инструкции для обработки массового расхода исходного углеводородного сырья для определения оценочного содержания углеводорода исходного углеводородного сырья, и для управления, по меньшей мере, одним из параметров: расходом водяного пара и расходом исходного углеводородного сырья на основе отношения оценочного содержания углерода и водяного пара, поставляемого в систему производства водорода.
Предпочтительно первый расходомер содержит массовый расходомер Кориолиса.
Предпочтительно второй расходомер содержит массовый расходомер, такой как массовый расходомер Кориолиса.
Предпочтительно, программные инструкции содержат инструкции для регулировки упомянутого отношения, причем исходное углеводородное сырье имеет множество углеводородных фракций.
Предпочтительно, программные инструкции содержат инструкции для определения отношения из корреляции на основе измеренного физического параметра исходного углеводородного сырья.
Предпочтительно, измеренный физический параметр содержит плотность.
Предпочтительно, первый расходомер содержит массовый расходомер Кориолиса, способный функционировать для выполнения измерения плотности, и массовый расходомер Кориолиса способен функционировать для обеспечения контроллера сигналом, представляющим измерение плотности.
Предпочтительно, программные инструкции содержат инструкции для использования упомянутого отношения в качестве константы.
Другой аспект изобретения раскрывает способ функционирования системы массового расходомера для использования в преобразовании водяного пара переработки углеводородов, в которой используется система производства водорода, способ отличается следующими этапами:
измерение массового расхода исходного углеводородного сырья, поставляемого в систему производства водорода, чтобы обеспечить измерение массового расхода углеводорода;
измерение расхода водяного пара, поставляемого в систему производства водорода, чтобы обеспечить измерение расхода водяного пара;
обработка измерения массового расхода углеводорода для определения оценочного содержания углерода исходного углеводородного сырья; и
управление, по меньшей мере, одним из параметров: расходом водяного пара и массовым расходом исходного углеводородного сырья на основе отношения оценочного содержания углерода и водяного пара, поставляемого в систему производства водорода.
Предпочтительно, этап измерения массового расхода исходного углеводородного сырья содержит измерение массового расхода исходного углеводородного сырья с использованием массового расходомера Кориолиса для получения измерения массового расхода углеводорода.
Предпочтительно, этап измерения расхода водяного пара содержит измерение расхода водяного пара с использованием массового расходомера, такого как массовый расходомер Кориолиса.
Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап регулировки упомянутого отношения для множества фракций исходного углеводородного сырья.
Предпочтительно, этап управления по меньшей мере одним из параметров: расходом водяного пара и массовым расходом исходного углеводородного сырья на основе отношения содержит определение упомянутого отношения из корреляции на основе измеренного физического параметра исходного углеводородного сырья.
Предпочтительно, измеренный физический параметр содержит плотность.
Предпочтительно, этап измерения массового расхода исходного углеводородного сырья содержит измерение массового расхода с использованием массового расходомера Кориолиса, способного функционировать для выполнения измерения плотности, и дополнительно содержит этап получения упомянутой плотности посредством прямого измерения из массового расходомера Кориолиса.
Предпочтительно, этап управления осуществляется одновременно с этапами измерения массового расхода исходного углеводородного сырья и измерения расхода водяного пара.
Предпочтительно, способ дополнительно содержит повторение этапов измерения массового расхода исходного углеводородного сырья и измерения расхода водяного пара в процессе осуществления этапа управления.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 иллюстрирует датчик и электронную систему расходомера Кориолиса;
фиг.2 иллюстрирует систему расходомера Кориолиса, обеспечивающую предпочтительный вариант осуществления, использующий расходомер Кориолиса для того, чтобы управлять регулированием отношения углерода к водяному пару в системах производства водорода, использующих исходное углеводородное сырье;
фиг.3 изображает блок-схему инструкций процесса управления для использования в контроллере, определяющем операции системы, показанной на фиг.2; и
фиг.4 обеспечивает корреляционную зависимость коэффициента содержания углерода от средней молекулярной массы исходного углеводородного сырья.
Теперь будут более полно описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи. Специалистам должно быть понятно, что изобретение может воплощаться в различных формах и не должно истолковываться как ограниченное раскрытыми здесь вариантами осуществления, которые представлены для того, чтобы это раскрытие было основательным и завершенным, и полностью передавало специалистам объем изобретения. На всех чертежах одинаковые номера позиций относятся к одинаковым элементам.
Фиг.1 изображает иллюстративный расходомер 5 Кориолиса, содержащий датчик 10 расходомера Кориолиса и электронную систему 20 расходомера Кориолиса. Электронная система 20 расходомера подсоединена к датчику 10 расходомера через шину 100, обеспечивая по шине 26, например, информацию плотности, массового расхода, объемного расхода и суммарного массового расхода, но не ограничиваясь ими. Разнообразные коммерчески доступные расходомеры Кориолиса, обеспечивающие упомянутые измерения, можно приобрести, например, от компании Micro Motion, Boulder, штат Colorado.
Датчик 10 расходомера включает пару фланцев 101 и 101', коллектор 102 и трубки 103А и 103В Вентури. К трубкам 103А и 103В Вентури подсоединены возбудитель 104, чувствительные элементы 105 и 105' и термочувствительный элемент 107. Стяжки 106 и 106' служат для того, чтобы задавать оси W и W', относительно которых колеблется каждая трубка Вентури.
Когда датчик 10 расходомера вставляется в систему трубопровода (не показана на фиг.1), которая транспортирует рабочее вещество, подлежащее измерению, вещество входит в датчик 10 расходомера через фланец 101, проходит через коллектор 102, в котором вещество направляется, чтобы войти в трубки 103А и 103В Вентури, течет через трубки 103А и 103В Вентури и поступает обратно в коллектор 102, из которого оно выходит из датчика 10 расходомера через фланец 101'.
Трубки 103А и 103В Вентури выбираются и соответственно устанавливаются на коллектор 102 так, чтобы иметь, по существу, одинаковое распределение масс, моменты инерции и модули упругости относительно изгибных осей W-W и W'-W'. Трубки 103А и 103В Вентури протягиваются из коллектора, по существу, параллельно.
Трубки 103А и 103В Вентури возбуждаются возбудителем 104 в противоположных направлениях относительно своих соответствующих изгибных осей W-W и W'-W' на так называемой синфазной изгибной моде расходомера. Возбудитель 104 имеет какую-либо одну из многочисленных хорошо известных компоновок, например магнит, установленный на трубку 103А Вентури, и расположенную напротив него катушку, установленную на трубку 103В Вентури, через которую пропускается переменный ток для осуществления колебаний обеих трубок Вентури. Подходящий возбуждающий сигнал подается на возбудитель 104 посредством электронной системы 20 расходомера через электрический провод 110.
На противоположных концах трубки Вентури прикрепляются, по меньшей мере, к одной из трубок 103А и 103В Вентури чувствительные элементы 105 и 105' для измерения колебаний трубок Вентури. По мере того, как трубки 103А-103В Вентури колеблются, чувствительные элементы 105-105' генерируют первый и второй сигнал чувствительного элемента. Первый и второй сигналы поступают на электрические провода 111 и 111'.
Термочувствительный элемент 107 прикрепляется, по меньшей мере, к одной из трубок 103А и 103В Вентури. Термочувствительный элемент 107 измеряет температуру трубки Вентури, чтобы модифицировать уравнения для учета температуры системы. Шина 112 передает сигналы температуры из термочувствительного элемента 107 в электронную систему 20 расходомера.
Электронная система 20 расходомера принимает первый и второй сигналы чувствительных элементов, появляющиеся на электропроводах 111 и 111' соответственно. Электронная система 20 расходомера обрабатывает первый и второй сигналы чувствительных элементов, чтобы вычислить массовый расход, плотность или другое свойство вещества, протекающего через датчик 10 расходомера. Указанная вычисленная информация направляется электронной системой 20 расходомера по шине 26 в средство назначения (на фиг.1 не показано).
Теперь, согласно предпочтительным в настоящее время инструментариям для использования вышеупомянутого расходомера 5 Кориолиса, будет описана система массового расходомера для управления реакцией преобразования в системе производства водорода. Система содержит источник исходного углеводородного сырья для подачи исходного углеводородного сырья в систему производства водорода. Источник водяного пара аналогично используется для подачи водяного пара в систему производства водорода. Массовый расходомер оперативно подсоединен к источнику исходного углеводородного сырья для измерения массового расхода углеводорода исходного углеводородного сырья, когда исходное углеводородное сырье подается в систему производства водорода. Массовый расходомер работает для создания сигнала расхода углеводорода, представляющего массовый расход углеводорода. Второй расходомер оперативно подсоединен к источнику водяного пара для измерения расхода водяного пара и способен функционировать для создания сигнала расхода водяного пара, представляющего расход водяного пара. Контроллер способен функционировать для приема данных, содержащих сигнал расхода углеводорода и сигнал расхода водяного пара. Программные инструкции работают с указанными данными для управления отношением исходного углеводородного сырья и водяного пара, подаваемого в систему производства водорода.
Фиг.2 изображает блок-схему, представляющую расходомерную систему 200. Массовый расходомер 5, работающий на эффекте Кориолиса, устанавливается на линии 202 трубопровода, соединяющей источник 204 исходного углеводородного сырья с установкой 206 реформинга. Массовый расходомер 5 на эффекте Кориолиса выполняет измерения на веществах, протекающих по линии 202 трубопровода в режиме реального времени, и выдает сигналы, представляющие указанные измерения. Указанные измерения предпочтительно, но необязательно, включают массовый расход, суммирование масс, температуру, давление и плотность. Далее под терминами "измерение массового расхода" и "измерение расхода", если специально не оговорено по-другому, подразумеваются реальные измерения расхода, а также какие-либо измерения или вычисления, которые выводятся исходя из измерений расхода. Таким образом, например, вычисление объемного расхода, выведенное путем деления массового расхода на плотность, может также быть массовым расходом в рамках указанного определения, так же как и суммирование массы, выведенное путем интегрирования массового расхода по времени. Источник 204 исходного углеводородного сырья содержит какой-либо углеводород или комбинацию углеводородов, которые могут подвергаться преобразованию в установке 206 реформинга. Предпочтительно установка 206 реформинга представляет собой известный модуль или систему обработки водорода, например, такой, который работает на природном газе или топливной линии перерабатывающего завода на основе реакций, приведенных в уравнениях (1)-(4). Установка 206 реформинга также может представлять собой установку каталитического крекинга, газовый синтезатор на основе лигроина или любую другую систему, которая использует преобразование пара, чтобы генерировать водородные субпродукты. На линии 202 трубопровода устанавливается клапан 208 для того, чтобы регулировать поток по линии 202 трубопровода, направляемый контроллером 210 автоматизированной системы.
Линия 212 трубопровода соединяет установку 206 реформинга с источником 214 водяного пара, который может включать, например, бойлер или смешанный парообразный продукт переработки на входе системы. Клапан 216 на линии 212 трубопровода регулирует поток по указанной линии трубопровода, направляемый контроллером 210 автоматизированной системы. Второй расходомер 218 устанавливается на линии 212 трубопровода для измерения расхода пара на линии 212 трубопровода. Второй расходомер 218 предпочтительно представляет собой второй массовый расходомер на эффекте Кориолиса или массовый вихревой расходомер, но также может быть объемным расходомером или расходомером вытеснительного типа, в котором источник пара не является смешанным парообразным субпродуктом или двухфазной смесью пара и воды.
Система 200 содержит линии передачи данных, которые обеспечивают функционирование контроллера 210. Линия 220 передачи данных используется для передачи сигналов между контроллером 210 и соответствующим массовым расходомером 5. Линия 222 передачи данных используется для передачи сигналов между контроллером 210 и соответствующим массовым расходомером 218. Линия 224 передачи данных используется для передачи сигналов между контроллером 210 и соответствующим клапаном 208 для селективного включения клапана 208 под управлением контроллера 210 для селективного управления расходом на линии 202 трубопровода. Линия 226 передачи данных используется для передачи сигналов между контроллером 210 и соответствующим клапаном 216 для селективного включения клапана 216 под управлением контроллера 210 для селективного управления расходом на линии 212 трубопровода. При необходимости, указанные линии передачи данных могут заменяться системой передачи радио- или оптических сигналов.
Контроллером 210, вообще говоря, может быть любой вычислительный прибор, например, центральный процессор (ЦП), ассоциативное запоминающее устройство, а также память для хранения данных, которые можно запрограммировать для преобразования измерений массового расхода из массового расходомера 5 в соответствующее отношение углерода к водяному пару. Контроллер 210 также программируется для того, чтобы управлять расходом пара и/или углеводорода, так, чтобы управлять отношением водяного пара к углероду, достигаемым на установке 206 реформинга. Такое управление может осуществляться селективной настройкой одного или обоих клапанов 208 и 216, чтобы оптимизировать условия реакции в установке 206 реформинга в режиме реального времени с учетом конкретных данных, где расходомеры 5 и 218 одновременно измеряют расходы, работая под управлением контроллера 210.
Содержимое установки 206 реформинга выходит по пути 228 в оборудование 230 переработки на выходе системы. Путь 228 может содержать, например, множество линий или труб транспортировки вещества, сводящих решение к известному оборудованию 230 переработки на выходе системы, такому, которое содержит, например, преобразователь CO, использующий катализатор - оксид железа - для образования CO2с ассоциированным дополнительным водородом. Поток газа также может быть охлажден, промыт, фракционирован или сохранен согласно какому-либо известному средству.
Изображение на фиг.2 предназначено для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и соответственно не должно ограничивать изобретение. Например, измерительная электронная система 20 может быть объединена с контроллером 210 или же разъединена, или же функции обработки могут быть перераспределены между соответствующими компонентами. Компоненты системы на пути потока на линиях трубопровода 202 и 212, например расходомер 5 и клапан 208, могут быть скомпонованы в последовательном порядке.
Особенно предпочтительным признаком изобретения является использование расходомерной системы 200, в которой исходное углеводородное сырье, вводимое в установку 206 реформинга из источника 204 исходного углеводородного сырья, варьируется или содержит многочисленные составляющие. На нефтеперерабатывающих заводах исходное углеводородное сырье для модуля производства водорода может поступать из нескольких источников, находящихся в пределах перерабатывающего завода, вносящих различные углеводороды в одном объединенном потоке или в последовательных потоках, по существу, однородного состава. Примером исходного углеводородного сырья на нефтеперерабатывающем заводе является система циркулирования топливного газа перерабатывающего завода. В систему циркулирования топливного газа перерабатывающего завода вносят вклад многочисленные процессы, добавляющие различные углеводороды к углеводородному исходному сырью модуля производства газообразного водорода. Если один из процессов, вносящих вклад в систему циркулирования топливного газа перерабатывающего завода, прекращается, то состав выхода системы топливного газа изменяется. По мере того, как содержание углерода исходного углеводородного сырья изменяется, контроллер 210 способен вычислять правильное отношение водяного пара к углероду. Способ функционирования системы 200 содержит множество разнообразных способов для вычисления и применения указанного отношения, как описано ниже.
Теперь, согласно существующей в настоящее время предпочтительной практике, будет проиллюстрирован и описан способ функционирования массового расходомера для использования в поточной переработке углеводородов, где применяется система производства водорода. Способ содержит этапы: измерение массового расхода исходного углеводородного сырья для того, чтобы обеспечить измерение массового расхода углеводорода; измерение второго расхода - расхода водяного пара - для того чтобы обеспечить измерение расхода водяного пара; и управление количествами исходного углеводородного сырья и водяного пара, поставляемыми в систему производства водорода, на основе измерения массового расхода исходного углеводородного сырья и измерения расхода водяного пара. Данный способ выполняется с использованием, например, системы, показанной на фиг.2.
Как указано выше, способ функционирования может осуществляться посредством программирования контроллера, например контроллера 210, инструкциями, которые воплощают указанный способ. Фиг.3 изображает блок-схему процесса 300, представляющую такие программные инструкции. На этапе 302 контроллер получает измерения расхода для соответствующего источника исходного углеводородного сырья и водяного пара. Затем на этапе 304 контроллер определяет коэффициент содержания углерода, который используется в аппроксимации содержания углерода исходного углеводородного сырья посредством внесения коэффициента содержания углерода в результат измерения массового расхода углеводорода на этапе 306. На этапе 306 также вычисляется отношение содержания углерода к содержанию водяного пара. Отношение используется для селективной регулировки расхода углеводорода и/или водяного пара, чтобы обеспечить потребности процесса. Различные аспекты этапов указанного способа описаны далее более подробно.
Основная проблема, возникающая при использовании массового расходомера Кориолиса для измерения массового расхода исходного углеводородного сырья, состоит в том, что различные типы исходного сырья имеют различные составы. Например, обычным углеводородным исходным сырьем в РУВП производстве водорода является природный газ. Природный газ обычно представляет собой смесь алканов, содержащих метан, этан, пропан, бутан и пентан, с небольшой долей более тяжелых фракций. Алкановые углеводороды имеют основную формулу CnH2n+2. Поскольку алканы удовлетворяют основной формуле, количество углерода, вносимого исходным сырьем - природным газом, можно грубо идентифицировать из массы исходного сырья - природного газа, независимо от пропорции вносимых газов. Атомная масса углерода составляет приблизительно 12, а атомная масса водорода составляет приблизительно 1. На основе основной формулы заданная масса природного газа может составлять приблизительно 75% углерода, например, 100 кг природного газа переводится в 75 кг углерода и 25 кг водорода. Таким образом, определение коэффициента содержания углерода на этапе 304 может содержать использование константы, например, 0,75. Коэффициент 0,75 является точным для метана и очень хорошим приближением для исходного сырья, состоящего в первую очередь из метана, причем молекулярная масса метана составляет 16 г/моль, из которых 12 г/моль составляет углерод. С другой стороны, фракция этана составляет 0,8. Для пропана и бутана он составляет 0,82 и 0,83 соответственно.
Фиг.4 изображает безразмерный коэффициент F как функцию молекулярной массы, определенную для алкановых фракций с C1 по C10. Значения на фиг.4 показывают, что F аппроксимируется значением 0,85 для более тяжелых фракций, а также находится в диапазоне от 0,75 до 0,85. Значение 0,85 коэффициента F могло бы подойти для многих углеводородных жидкостей. Для газов, корреляции, подобные таковым на фиг.4, можно воспроизвести, используя эмпирическую выборку реального исходного сырья, с тем, чтобы получить несколько более точное значение для F.
Число молей углерода в любом потоке углеводородов можно аппроксимировать в виде уравнения следующим отношением:
где nC обозначает число молей углерода, F(t) обозначает коэффициент содержания углерода, который может варьироваться как функция времени, Mf(t) обозначает массовый расход, который может варьироваться как функция времени, Mc обозначает молекулярную массу углерода, а t - время.
В противоположность технологиям измерения массового расхода, по мере того, как изменяется пропорция составляющих газов исходного сырья - природного газа, количество углерода, вносимого исходным сырьем - природным газом, изменяется относительно объема. Стандартный кубометр бутана содержит значительно больше углерода, чем стандартный кубометр метана. Однако, как иллюстрируется выше, по мере того, как изменяется пропорция составляющих газов исходного сырья - природного газа, количество углерода, вносимого природным газом, остается относительно постоянным относительно массы исходного сырья - природного газа.
Другая проблема с объемными измерениями возникает вследствие поведения реального газа. Для прогнозирования сжимаемости газов используется множество уравнений состояния, например уравнение Ван дер Ваальса или закон реального газа. Например, закон реального газа представляет собой:
где Р обозначает давление, V обозначает объем, n обозначает число молей газа, Z обозначает коэффициент сжимаемости газа, R обозначает константу закона газа, а T обозначает абсолютную температуру.
Уравнение (5) может быть преобразовано для средней молекулярной массы объединенного потока как:
где Mwfs обозначает среднюю молекулярную массу объединенного потока газа, ρ обозначает плотность, а остальные значения определены в уравнении (5). Указанное значение Mwfs можно использовать, чтобы ввести в функцию фиг.4 или в подобную корреляцию и получить значение для F.
Измеренное значение плотности можно получить, например, используя расходомер 5 Кориолиса в качестве денситометра с вибрирующей трубой. Измерения плотности, полученные таким образом, могут быть недостаточно точными в условиях низкого давления, в зависимости от конструкции используемого измерителя. Таким образом, на линии 202 трубопровода можно получить дополнительные измерения плотности (см. фиг.2), например, дополнительными инструментами, такими как гамма-лучевой денситометр или любой другой инструмент, или эмпирическую корреляцию, которая способна обеспечить измерения плотности газа.
Значение Z предпочтительно вычисляется с использованием известной эмпирической корреляции для данной цели, например, как раскрыто в публикации Brown и соавторы, "Natural Gasoline and the Volatile Hydrocarbons", Natural Gas Assn. of America, Tulsa (1948), или же в публикации Wichert и Aziz, "Compressibility Factors for Sour Natural Gasses", Cdn. J. Chem. Eng. (1972) 49, 269-75, которая соотносит псевдосниженную температуру и давление со значением Z. Изменения значения Z при изменении времени, вероятно, будут пренебрежительно малыми по диапазону большинства рабочих условий и типов исходного сырья.
Лигроин является широко используемым углеводородным исходным сырьем в РУВП производстве водорода. Лигроин обычно представляет собой смесь алкановых и неалкановых углеводородов. Неалкановые углеводороды содержат алкены и алкины. Наличие двойных и тройных связей в этих углеводородах может иметь незначительное влияние на повышение значения коэффициента F. Например, чистый алкен, имеющий одну двойную связь, мог бы иметь значение F 0,86, тогда как алкин такой же длины мог бы иметь значение F 0,96. Знание варьируемости пропорций алканов и неалканов, ассоциированных с лигроиновым исходным сырьем, позволяет легко оценивать количество углерода, вносимое исходным сырьем.
Другой способ вычисления значения F на этапе 304 состоит в том, чтобы привлечь известную нейронную сеть или другую адаптивную модель, например, вводя измеренные рабочие условия или результаты из операций 230 переработки на выходе системы (см. фиг.2) вместе с информацией измерения потока из массового расходомера 5 и расходомера 218, а также других измерений, включая измерения рабочей температуры и давления в какой-либо составляющей потока на входе линии 228 транспортировки вещества. Затем система может быть инвертирована, чтобы создать прогнозирующую модель, в которой желательные условия обработки на выходе могут быть обеспечены в качестве входных данных, чтобы достичь необходимой комбинации расходов, регулируемых контроллером 210.
Как только количество углеводорода, вносимого углеводородным исходным сырьем, становится известным, можно определить соответствующее количество водяного пара, что является последней частью этапа 306. Количество водяного пара определяется аналогично уравнениям (1)-(3), которые требуют одного моля воды в виде водяного пара для каждого моля углерода. Число молей углерода может быть вычислено, например, используя уравнение 4. Число молей водяного пара может быть вычислено, например, подобным образом, поставляя результаты измерения массового расхода из расходомера 218 для Mf и молекулярную массу воды Mw:
где nW обозначает число молей воды или водяного пара, Fw(t) обозначает пропорцию водяного пара источника 214 водяного пара (обычно 100%), который может варьироваться со временем, Mfw(t) обозначает массовый расход источника водяного пара, который может варьироваться со временем, Mw обозначает молекулярную массу воды, а t - время.
На практике отношение углерода к водяному пару подгоняется на этапе 308, чтобы учесть отклонения от идеальной реакции и известный опыт со связанными основными РУВП процессами. Например, можно предпочесть стехиометрический излишек водяного пара, чтобы привести производство водорода согласно уравнениям (1)-(3) к существенному завершению. В других процессах может быть добавлен кислород. Оба указанных возможных случая требуют соответствующей регулировки до соотношения равнозначности 1:1 между молярным содержанием водяного пара и углерода.
В зависимости, показанной в уравнениях (4) и (7), можно предположить, что F и Fw не варьируются со временем. В таком случае подынтегральные выражения сводятся к накопленной массе за интервал времени, умножаемой на различные константы. Например, измерительная электронная система 20 расходомеров Кориолиса способна иногда накапливать указанные общие суммы, которые попадают под широкое определение используемого здесь "массового расхода", вследствие того, что данные общие суммы выводятся из измерений массового расхода. Более того, при этих предположениях отношение можно вычислить без интегрирования следующим образом:
где
Контроллер 210 автоматизированной системы может применять предшествующие принципы и уравнения для регулировки указанного отношения на этапе 308 посредством управления клапанами 208 и 216 для достижения новых расходов соответствующих источников углеводорода и водяного пара.
Сама по себе селективная регулировка относительных количеств углерода и водяного пара не удовлетворяет требованию всего РУВП процесса. Предпочтительно относительные количества углерода и водяного пара регулируются в относительной пропорции, чтобы установить желательное отношение, поддерживая при этом достаточный поток через установку реформинга, так что установка 206 реформинга (см. фиг.2) в порядке приоритета, функционирует в пределах расчетного параметра, не становится ограничивающим участком для операций процесса на входе измерительной системы линии 202 трубопровода, не превышает ограничений источников материалов, доступных для использования на линии 202 трубопровода, и удовлетворяет потребностям операций 230 переработки на выходе системы. Таким образом, контроллер 210 предпочтительно конфигурируется таким образом, чтобы регулировать расходы и рабочие условия во всей системе 200, включая условия процессов на входе и выходе.
Специалистам должно быть понятно, что описанные здесь предпочтительные варианты осуществления могут подвергаться различным модификациям, не выходя за рамки и не отклоняясь от сущности настоящего изобретения. Изобретатели соответственно формулируют здесь свое изобретение, полагаясь на доктрину эквивалентов, чтобы защитить их полные права в изобретении.
Реферат
Система измерения расхода для использования в преобразовании углеводородов с водяным паром содержит расходомеры для измерения массового расхода углеводородного сырья и расхода водяного пара, контроллер, выполненный с возможностью приема сигналов названных расходов. Система предусматривает использование массового расходомера Кориолиса при измерении расхода углеводородного сырья и водяного пара. Содержание углерода исходного сырья оценивается достаточно хорошей аппроксимацией, которая обеспечивает возможность селективного управления операциями, регулирующими относительные количества водяного пара и углеводородных материалов по мере того, как они подаются в модуль производства водорода. Относительные количества водяного пара и исходного углеводородного сырья регулируются на основе измерений в режиме реального времени. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.
