專利名稱：在烴的蒸汽重整中蒸汽與碳的比例控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)用烴的蒸汽重整(SRH)方法制造氫氣的生產(chǎn)效率的方法和設(shè)備。更特別地，該改進(jìn)方法使用Coriolis流量計來控制SRH法制造氫氣中蒸汽與碳的比例。
問題氫是一種越來越有價值的商品。它具有多種用途，例如用作電設(shè)備的冷卻劑，空間開發(fā)的燃料，和在具有重要商業(yè)價值的產(chǎn)品，特別是氨水，甲醇，羰基合成醇和加氫重整汽油的化學(xué)制造中應(yīng)用。由于法規(guī)要求刺激了性能更好并且更清潔的燃料的發(fā)展，使得對氫的需要日益增加。
具有商業(yè)價值的氫的制造方法主要是烴的蒸汽重整(SRH)。該方法可以使用烴氣或低辛烷的石油餾分，在典型地包含高溫高壓的條件下操作。其中，操作中不使用催化劑的重整方法作為熱重整為本領(lǐng)域所熟知。SRH當(dāng)使用例如鎳，鉬或鉑催化劑時，可使反應(yīng)簡便而具有最高的效率。為避免毒化催化劑，需要使用低硫烴原料。SRH在本領(lǐng)域中眾所周知，并在大量出版物中得到了描述，例如R.N.Shreve的Shreve’s Chemical Process Industries，McGraw-Hill，Inc.，106-109頁(1984)；和D.M.Considine的Chemical and ProcessTechnology Encyclopedia，McGraw-Hill，Inc.，592-596頁(1974)。這些文獻(xiàn)以所有內(nèi)容完全在這里重復(fù)的方式在此引入作為參考。
通過SRH方法制造氫氣包括將一種烴原料和蒸汽進(jìn)行反應(yīng)。通常烴原料包含各種各樣的烴，而且，對每一類烴，化學(xué)反應(yīng)按照理想化學(xué)計量方程式進(jìn)行。取決于原料會發(fā)生大量不同的反應(yīng)。通常，可以把最重要的反應(yīng)歸類為A.環(huán)己烷脫氫而生成芳香烴；B.某些石蠟脫氫而生成芳香化合物；C.包括直鏈轉(zhuǎn)化為支鏈碳結(jié)構(gòu)的異構(gòu)化反應(yīng)，例如正辛烷轉(zhuǎn)化為異辛烷；D.天然氣中甲烷的重整而制出二氧化碳和氫；和E.石腦油重整而制成合成天然氣。
優(yōu)選的大量制造氫的方式是使用含有大部分甲烷的天然氣原料，該反應(yīng)如式1所示進(jìn)行(1)，其中，H2O優(yōu)選以蒸汽形式存在。
該類反應(yīng)可對原料中其它氣體餾分進(jìn)行類似操作，將其理想化地由烴完全降解為二氧化碳和氫。例如烴原料中包含丙烷(C3H8)的進(jìn)一步反應(yīng)如式(2)所示進(jìn)行(2)其中，H2O優(yōu)選以蒸汽形式存在。
更一般地，全部這一類的反應(yīng)如式(3)所示進(jìn)行(3)上式預(yù)測了輕質(zhì)烴特別是甲烷，丁烷和丙烷和一些液體如石腦油的反應(yīng)。更重的烴反應(yīng)趨向困難。而且，在一些反應(yīng)根據(jù)上式(3)進(jìn)行的同時，發(fā)生了例如異構(gòu)化的其它反應(yīng)，也生成氫。
該式表達(dá)了一種概念，就是完成反應(yīng)需要取決于原料組成的不同的蒸汽量。例如式(1)中1摩爾甲烷需要1摩爾蒸汽，而式(2)中1摩爾丙烷消耗了3摩爾蒸汽。在原料組成不同的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中操作時，這種差別導(dǎo)致了一種潛在的重大的原料平衡的問題。由于使用氧作為反應(yīng)物會使反應(yīng)進(jìn)一步復(fù)雜，導(dǎo)致更低的蒸汽消耗量。
在SRH氫制造單元中可作為烴原料的烴很廣泛?？勺鳛闊N原料的烴例如天然氣，甲烷，丙烷，丁烷和石腦油，可以單獨或混合使用。特定烴原料的經(jīng)濟(jì)性和可獲得性可使得一段時間到另一段時間所用烴原料不同。
由于SRH原料組成總在變化，在石油精煉廠中產(chǎn)生了特別的問題。用于氫制造單元的烴原料可來自于許多精煉廠。這些來源提供不同的烴。一個烴的混合來源的特別的例子包括精煉廠燃料氣系統(tǒng)。通過加入不同的烴許多的生產(chǎn)結(jié)果作用于燃料氣體系，這些烴可以直接在混合氣流中導(dǎo)入氫氣制造單元。如果提供精煉燃料氣系統(tǒng)來源中的一個停車或產(chǎn)量發(fā)生變化，則輸出的燃料氣系統(tǒng)組成也變化。原料組成的變化要求SRH的操作條件例如溫度，壓力和流速也隨之變化，從而使生產(chǎn)效率最佳，環(huán)境污染最小。
在氫制造單元中精確測量烴原料中餾分的組成是一個問題。進(jìn)一步的問題是如何以原料的組成為基礎(chǔ)，控制氫制造單元中蒸汽與碳的比例。這些測量和控制問題降低了SRH的生產(chǎn)效率，同時增加了相應(yīng)的環(huán)境污染問題。
在氫氣制造單元中測量烴原料的傳統(tǒng)方法包括使用體積流量計測量烴原料。體積流量計在解決由混合原料引起的反應(yīng)平衡問題時有一些作用，但是它不能提供完整的測量解決方法。在一個給定體積的單元中，當(dāng)烴原料的組成發(fā)生變化或使用了替代的烴原料時，氫氣制造單元中碳量會發(fā)生顯著的變化，用于完全反應(yīng)的蒸汽的量也會發(fā)生顯著變化。例如在同樣的溫度和壓力條件下，與同一單位體積的丙烷反應(yīng)所需的蒸汽量是與同樣體積甲烷反應(yīng)所需要的蒸汽量的大約3倍。由于較輕的氣體傾向于具有較高的壓縮因子，該問題對真實氣體更嚴(yán)重。
另外一種測量烴原料的方法是使用氣相色譜測量烴原料的組成。但是氣相色譜不能提供實時的烴原料組成數(shù)據(jù)。
參見于1985年1月1日授予J.E.Smith等人的美國專利4491025和于1982年2月11日授予J.E.Smith的Re31450，公知可使用Coriolis質(zhì)量流量計測量質(zhì)量流動和有關(guān)材料流經(jīng)管線方面的其它信息。這些流量計典型地包含一個流量計電子部分和一個流量計傳感器部分。流量計傳感器具有一個或多個直的或彎曲構(gòu)造的測流管，每個測流管構(gòu)造具有一系列自然振動模式，可以是簡單的彎曲，扭曲，輻射或偶合模式。每個測流管被驅(qū)動著以和這些自然模式之一共振的方式振動。測流管和測流管內(nèi)原料的總質(zhì)量部分地限定了振動著的原料充填系統(tǒng)的自然振動模式。原料從與流量計傳感器入口一側(cè)相連的導(dǎo)管流入流量計傳感器。然后原料引導(dǎo)通過測流管，并離開流量計傳感器進(jìn)入與流量計傳感器出口一側(cè)相連的導(dǎo)管。
當(dāng)沒有原料流經(jīng)Coriolis流量計傳感器時，沿著測流管的所有點以基本上相同的相位振動。當(dāng)原料流經(jīng)流量計時，沿測流管的點由于Coriolis加速而具有不同的相位。流量計傳感器入口一側(cè)的相位比傳動器滯后，而流量計傳感器出口一側(cè)的相位比傳動器提前。
Coriolis流量計傳感器典型的包括兩個采集器(pick-offs)用于產(chǎn)生代表在沿著測流管的不同點的測流管的運動的正弦信號。從采集器接收到的正弦信號用流量計電子部分計算。在兩個采集器信號之間的相差和流經(jīng)流量計傳感器的原料質(zhì)量流速成比例。
Coriolis流動測量體系一直沒有在SRH方法中應(yīng)用部分是由于Coriolis根本上用來測量質(zhì)量，這與傳統(tǒng)的體積流量系統(tǒng)正相反。另外，如何使用質(zhì)量流量計測量或估計可歸于混合原料各餾分的質(zhì)量還一直得不到理解。
解決方法通過采用Coriolis流量計測量SRH氫氣制造單元的烴原料在本領(lǐng)域中是先進(jìn)的，它解決了以上的和其它的問題。如下所述，使用Coriolis質(zhì)量流量計與傳統(tǒng)的體系相比可更精確，多方面和實時地測量烴原料。進(jìn)一步地，使用Coriolis有效質(zhì)量流量計增強(qiáng)了對氫氣制造中的碳與蒸汽的比例的控制。
概括地說，本發(fā)明所提供的測量系統(tǒng)和方法使用一種質(zhì)量流量計例如Coriolis質(zhì)量流量計來測量導(dǎo)入到氫氣制造單元中的烴原料質(zhì)量或質(zhì)量流速。然后，用烴原料的質(zhì)量流速來控制SRH氫氣制造單元中蒸汽對碳的比例。
一個這樣的質(zhì)量流量計體系的實施方案包含一個用于將烴原料供應(yīng)到氫氣制造系統(tǒng)的烴原料供應(yīng)源。用蒸汽供應(yīng)源將蒸汽供應(yīng)到氫制造系統(tǒng)?？蓪①|(zhì)量流量計與烴原料供應(yīng)源連接，用來測量其中的烴質(zhì)量流速和產(chǎn)生代表烴質(zhì)量流速的烴流速信號。將第二個流量計連接蒸汽供應(yīng)源，用來測量蒸汽流速和產(chǎn)生代表蒸汽流速的蒸汽流速信號。用控制器接收烴的流速信號和蒸汽流速信號。控制器具有用于控制導(dǎo)入到氫制造單元的烴原料與蒸汽比例的程序指令。
優(yōu)選的實施方案包括用于烴供應(yīng)線上的質(zhì)量流量計和蒸汽供應(yīng)線上的第二流量計中的一個或兩個包括Coriolis質(zhì)量流量計。這些手段應(yīng)用于包含烴氣混合物的烴原料或一段時間內(nèi)具有不同組成的烴原料時具有特別的優(yōu)勢。通過使用相關(guān)性來確定烴原料中碳含量改進(jìn)了系統(tǒng)的整個精度。通過測量烴原料的物理性質(zhì)例如密度或氣體重量來簡化相關(guān)性，從而進(jìn)一步提高了精度。
一種操作前面描述的體系的方法包括例如測量導(dǎo)入到氫制造系統(tǒng)的烴原料的質(zhì)量流速并提供烴質(zhì)量流速測量值，測量導(dǎo)入到氫制造系統(tǒng)中的蒸汽的第二流速并提供蒸汽流速測量值，基于烴質(zhì)量流速測量值和蒸汽流速測量值控制導(dǎo)入到氫制造系統(tǒng)中的烴原料的量和蒸汽的量。測量可與控制操作同時進(jìn)行，以便調(diào)整碳和蒸汽的比例。測量步驟甚至可以實時重復(fù)進(jìn)行，同時控制器根據(jù)各自的流速進(jìn)行調(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明所提供的測量體系和方法可以使用測量儀電子部分形式的CPU，控制器或其它計算裝置，這些裝置對代表烴質(zhì)量流動測量值的信號進(jìn)行操作，按照所需要的碳對蒸汽的比例控制可改變烴流動的閥門或其它裝置。計算裝置也可利用這些信號按照所需要的碳與蒸汽的比例來控制可改變蒸汽流動的閥門和其它裝置。當(dāng)氫制造單元需要方便地在不同類型的烴原料之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換或接收變化了烴組成的烴原料時，Coriolis質(zhì)量流量計測量系統(tǒng)是特別優(yōu)越的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上面所討論，本發(fā)明具有以下方面本發(fā)明的一方面包括用于在氫制造系統(tǒng)中控制重整反應(yīng)的質(zhì)量流量計系統(tǒng)，該質(zhì)量流量計系統(tǒng)包括一個用于向所述氫制造系統(tǒng)提供烴原料的烴原料供應(yīng)源；和一個用于向所述氫制造系統(tǒng)提供蒸汽的蒸汽供應(yīng)源；所述質(zhì)量流量計系統(tǒng)特征在于一個用于測量向所述氫制造系統(tǒng)提供所述烴原料的質(zhì)量流速和產(chǎn)生代表所述烴原料的所述質(zhì)量流速信號的烴流速的第一流量計；一個用于測量向所述氫制造系統(tǒng)提供所述蒸汽的流速和產(chǎn)生代表所述蒸汽的所述流速的蒸汽流速信號的第二流量計；和一個可操作用來接收所述烴流速信號和所述蒸汽流速信號的控制器，該控制器具有用來處理所述烴原料的所述質(zhì)量流速以確定所述烴原料碳含量估計值和基于所述碳含量估計值與導(dǎo)入到所述氫制造系統(tǒng)中的所述蒸汽的比例來控制所述蒸汽的所述流速和所述烴原料的所述流速中的至少一個的程序指令。
優(yōu)選地，該第一流量計包含一個Coriolis質(zhì)量流量計。
優(yōu)選地，該第二流量計包含一個質(zhì)量流量計例如Coriolis質(zhì)量流量計。
優(yōu)選地，該程序指令包含用于調(diào)整所述比例，所述具有多種烴餾分的烴原料的指令。
優(yōu)選地，該程序指令包含用于從一個基于所述烴原料物理參數(shù)測量值的相關(guān)關(guān)系來確定所述比例的指令。
優(yōu)選地，該被測量的物理參數(shù)包含密度。
優(yōu)選地，第一流量計包含一個可操作用于密度測量的Coriolis質(zhì)量流量計，并且所述Coriolis質(zhì)量流量計可以操作用于向所述控制器提供所述代表所述密度測量值的信號。
優(yōu)選地，該程序指令包含將所述比例作為常數(shù)使用的指令。
本發(fā)明的另一方面包含在氫制造系統(tǒng)中將質(zhì)量流量計系統(tǒng)用于烴蒸汽重整的操作方法，該方法特征在于以下步驟測量導(dǎo)入到所述氫制造系統(tǒng)的烴原料的質(zhì)量流速以提供烴的質(zhì)量流速測量值；測量導(dǎo)入到所述氫制造系統(tǒng)的蒸汽的流速以提供蒸汽流速測量值；處理所述烴質(zhì)量流速測量值以確定所述烴原料的碳含量估計值；和基于所述碳含量估計值與導(dǎo)入到所述氫制造系統(tǒng)中的所述蒸汽的比例控制所述蒸汽的所述流速和所述烴原料的所述質(zhì)量流速中的至少一個。
優(yōu)選地，測量烴原料的質(zhì)量流速的步驟包含使用一個Coriolis質(zhì)量流量計測量所述烴原料的質(zhì)量流速以獲得所述烴的質(zhì)量流速測量值。
優(yōu)選地，測量蒸汽流速的步驟包含使用例如Coriolis質(zhì)量流量計的一個質(zhì)量流量計來測量所述蒸汽的所述流速。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包含調(diào)整多種烴原料的所述比例。
優(yōu)選地，基于一個比例來控制所述蒸汽的所述流速和所述烴原料的所述流速中的至少一個的步驟包含基于所述烴原料的物理參數(shù)測量值的相關(guān)關(guān)系來確定所述比例。
優(yōu)選地，所測量的物理參數(shù)包括密度。
優(yōu)選地，烴原料包含利用可操作用于密度測量的Coriolis質(zhì)量流量計測量所述質(zhì)量流速，并進(jìn)一步地包括通過所述Coriolis質(zhì)量流量計直接測量獲得所述密度的步驟。
優(yōu)選地，所述控制步驟與烴原料的質(zhì)量流速和蒸汽的流速的所述測量步驟同時進(jìn)行。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包含在所述控制步驟進(jìn)行的同時重復(fù)測量烴原料的質(zhì)量流速和測量蒸汽的流速的所述步驟。
附圖的簡要說明通過閱讀與下面的附圖相關(guān)的詳細(xì)描述，可更容易地理解本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點。


圖1說明Coriolis流量計的傳感器和電子部分圖2提供優(yōu)選實施方案來說明Coriolis流量計系統(tǒng)，該實施方案在使用烴原料的氫制造體系中利用Coriolis流量計來控制碳與蒸汽的比例。
圖3是在管理圖2所示的系統(tǒng)操作的控制器中使用的過程控制指令的示意圖。
圖4提供碳含量因素和烴原料的平均分子量的相關(guān)關(guān)系。
詳細(xì)闡述下面參考附圖更全面的描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。本領(lǐng)域的熟練人員將了解，本發(fā)明可以有許多不同形式的實施方案而不僅局限于這里給出的實施方案。更恰當(dāng)?shù)?，提供這些實施方案將使得本公開全面、徹底。并且將本發(fā)明的范圍完全傳遞給本領(lǐng)域的熟練人員。在圖中，所有相同的數(shù)字代表相同的元件。
圖1說明一個示范性的Coriolis流量計5，其包括一個Coriolis流量計傳感器10和一個Coriolis流量計電子部分20。流量計電子部分20通過路徑100與流量計傳感器10相連，用于提供路徑26上的例如，但并不限于密度，質(zhì)量流速，體積流速和匯總的質(zhì)量流的信息?？蓮氖袌錾汐@得大量的用于提供這些測量值的Coriolis流量計，例如從MicroMotion of Boulder，Colorado購買。
流量計傳感器10包括一對法蘭101和101`，支管102，測流管103A和103B。與測流管103A和103B相連的是傳動器104和采集器傳感器105和105`以及溫度傳感器107。撐桿106和106`用于限定了軸W和W`，每個測流管在其上振動。
當(dāng)流量計傳感器10插入載有被測量的加工原料的管道系統(tǒng)時(沒有在圖1中表現(xiàn))，原料通過法蘭101進(jìn)入流量計傳感器10，經(jīng)過支管102被引導(dǎo)進(jìn)入測流管103A和103B，經(jīng)過測流管103A和103B回到支管102，從支管102通過法蘭101`回到流量計傳感器。
選擇測流管103A和103B并使之與支管102適當(dāng)配合以便具有基本相同的質(zhì)量分布和分別沿W-W和W`-W`軸彎曲時具有基本相同的慣性力矩和彈性模量。測流管103A-103B從支管以基本平行的方式向外延伸。
測流管103A-103B由傳動器104驅(qū)動而相對于各自的彎曲W和W`運動。這稱作流量計的第一異相彎曲模式。傳動器104可以包含許多公知的裝置中的任何一個，例如一個安在測流管103A上的磁鐵和一個安在測流管103B上的相對的線圈，而交替電流通過該裝置使兩側(cè)流管振動。流量計電子部分20施加適宜的驅(qū)動信號，經(jīng)過導(dǎo)線110到達(dá)傳動器104。
采集器傳感器105和105`安在測流管103A和103B中至少一個上，位于該測流管的兩端上，以測量測流管的振動。當(dāng)測流管103A-103B振動時，采集器傳感器105-105`產(chǎn)生第一和第二采集信號，第一和第二采集信號施加到導(dǎo)線111和111`。
在測流管103A和103B中的至少一個上安裝溫度傳感器107。溫度傳感器107測量測流管的溫度，修改系統(tǒng)溫度方程。路徑112將來自于溫度傳感器107的溫度信號送達(dá)流量計電子部分20。
流量計電子部分20分別接收導(dǎo)線111和111`上的第一和第二采集信號。流量計電子部分20處理第一和第二采集信號來計算經(jīng)過流量計傳感器10的原料的質(zhì)量流速，密度和其它性質(zhì)。該計算信息由流量計電子部分20經(jīng)過路徑26送到使用裝置中去(圖1未顯示)。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的使用前述的Coriolis流量計5的方法，在氫制造系統(tǒng)中，將有一個質(zhì)量流量計系統(tǒng)用于控制重整反應(yīng)。該系統(tǒng)包含一個用于向氫制造系統(tǒng)提供烴原料的烴原料供應(yīng)源。相同地使用一個蒸汽供應(yīng)源向氫制造系統(tǒng)提供蒸汽。一個質(zhì)量流量計連接烴原料供應(yīng)源用來測量向氫制造系統(tǒng)提供烴原料時的烴原料流速。該質(zhì)量流量計可產(chǎn)生代表烴質(zhì)量流速的烴流速信號。第二流量計連接蒸汽供應(yīng)源以測量蒸汽流速，其產(chǎn)生代表蒸汽流速的蒸汽流速信號?？刂破饔脕斫邮瞻N流速信號和蒸汽流速信號的數(shù)據(jù)。程序指令對此數(shù)據(jù)進(jìn)行操作從而控制導(dǎo)入氫制造系統(tǒng)中的烴原料與蒸汽的比例。
圖2是流量計系統(tǒng)200的簡圖。一個Coriolis有效質(zhì)量流量計5安裝在線202上，線202將烴原料源204和重整裝置206連接起來。該Coriolis有效質(zhì)量流量計5對流經(jīng)線202的原料進(jìn)行實時測量，并產(chǎn)生代表這些測量值的信號。這些測量值優(yōu)選但任選包括質(zhì)量流速，質(zhì)量總和，溫度，壓力和密度。在下文中所使用的術(shù)語“質(zhì)量流速測量值”和“流速測量值”除非明確說明，否則限定為包括實際流速測量值和來自于流速測量值的任何測量值或計算值。因此，例如，通過將質(zhì)量流速除以密度而得到的體積流速計算值也是本限定范圍的質(zhì)量流速，通過積分所有時間內(nèi)的質(zhì)量流速而得到的質(zhì)量總和也是如此。烴原料供應(yīng)源204包含可在重整裝置206中進(jìn)行重整的任何烴或烴的混合物。重整裝置206優(yōu)選為傳統(tǒng)的氫制造單元或系統(tǒng)。該單元或系統(tǒng)為通過式(1)-(4)所示的反應(yīng)對天然氣或精煉燃料線進(jìn)行操作而制造氫氣的類型。重整裝置206也可是催化裂化裝置，石腦油基的氣體合成裝置或任何其它利用蒸汽重整制造氫副產(chǎn)物的裝置。在線202上安裝閥門208，以便由自動系統(tǒng)控制器210指揮調(diào)節(jié)通過線202的流動。
線212連接重整裝置206和蒸汽供應(yīng)源214，蒸汽供應(yīng)源214可以包括例如鍋爐或上游過程的混合氣態(tài)產(chǎn)物。線212上的閥門216由自動系統(tǒng)控制器指揮調(diào)節(jié)通過線212的物流。第二流量計218安裝在管線212上來測量管線212上的蒸汽流速。第二流量計218優(yōu)選是第二個Coriolis有效質(zhì)量流量計或質(zhì)量渦流流量計，但當(dāng)蒸汽供應(yīng)源不是混合蒸汽副產(chǎn)品或蒸汽和水的兩相混合物時也可以是體積或容積式流量計。
系統(tǒng)200包含數(shù)據(jù)傳輸線，其使得控制器210操作方便。數(shù)據(jù)線220用于在控制器210和相應(yīng)的質(zhì)量流量計5之間傳輸信號。數(shù)據(jù)線222用于在控制器210和相應(yīng)的質(zhì)量流量計218之間傳輸信號。數(shù)據(jù)線224是用來在控制器210和相應(yīng)的閥門208之間傳輸信號以在控制器210的指揮下選擇性地開啟閥門208，從而有選擇地控制線202上的流速。數(shù)據(jù)線226是用來在控制器210和相應(yīng)的閥門216之間傳輸信號以在控制器210的指揮下選擇性地開啟閥門208，從而選擇地控制線212上的流速。這些數(shù)據(jù)線可以任選地用無線電或光學(xué)系統(tǒng)代替。
通常，控制器210可以是任何計算裝置，例如CPU，關(guān)聯(lián)存儲器，和數(shù)據(jù)存儲器，可對其進(jìn)行編程以將從質(zhì)量流量計5獲得的質(zhì)量流速測量值轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)奶寂c蒸汽的比值?？刂破?10也可編程來控制蒸汽和/或烴的流速，以便控制到達(dá)重整裝置206的蒸汽與碳的比例。通過有選擇地調(diào)整閥門208和216中的一個或兩個來維持這一控制，從而優(yōu)化重整裝置206內(nèi)所需要的反應(yīng)條件處于實時數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，其中在控制器210的作用下，流量計5和218同時測量流速。
重整器206內(nèi)的物質(zhì)通過路徑228排出到下游的操作設(shè)備230。路徑228可包含大量的物質(zhì)轉(zhuǎn)移線路或管道，例如引導(dǎo)到傳統(tǒng)的下游操作設(shè)備230，其包括例如一個使用氧化鐵催化劑的CO轉(zhuǎn)化器以生成CO2和副產(chǎn)物氫。氣流也可以使用任何已知的方法例如冷卻，清洗，分餾或儲存。
圖2所示是為了解釋本發(fā)明優(yōu)選的實施方案，而不是為了限制本發(fā)明。例如，流量計電子部分20可以與控制器210合并，反之亦然，或可以在各部件之間重新分配操作功能。在線202和212流通路徑上的系統(tǒng)部件例如流量計5和閥門208可以以任何連續(xù)的順序排列。
本發(fā)明的特別優(yōu)選的特征在于當(dāng)從烴原料來源204輸入到重整器206的烴原料發(fā)生變化或包括多種成分時，使用流量計系統(tǒng)200。在石油精煉廠中，用于氫制造單元的烴原料可來源于精煉廠中的很多來源，其使不同的烴合并在一段混合氣流或組成基本相同的的連續(xù)氣流中。在石油精煉廠中烴原料的例子是精煉燃料氣體系。精煉燃料氣體系來自于許多加工過程，向氫氣制造單元中的烴原料中加入了不同的烴。如果供應(yīng)精煉燃料氣體系的加工過程中的一個發(fā)生停車，則輸出的精煉燃料氣體系的組成就發(fā)生了變化。當(dāng)烴原料的碳含量變化時，控制器210能夠計算出蒸汽與碳的正確比例。操作系統(tǒng)200的方法包括如下所述大量用來計算和應(yīng)用該比例的方法。
根據(jù)目前優(yōu)選的實踐來展示和描述用于氫制造系統(tǒng)中的烴的蒸汽重整方法中質(zhì)量流量計的操作方法。該方法包括的步驟有測量烴原料的質(zhì)量流速以提供烴質(zhì)量流速測量值，測定蒸汽的第二流速以提供蒸汽流速測量值，和基于烴質(zhì)量流速測量值和蒸汽流速測量值控制導(dǎo)入到氫制造系統(tǒng)的烴原料量和蒸汽量。該方法使用例如圖2所示類型的系統(tǒng)進(jìn)行。
正如前面所指出的，該操作方法可通過用實現(xiàn)該方法的指令對控制器例如控制器210進(jìn)行編程而實施。圖3圖解了代表這些程序指令的方法300。在步驟302中，控制器分別獲得了烴原料和蒸汽供應(yīng)源的流速測量值。然后在步驟304中，控制器確定碳含量因數(shù)，在步驟306中對烴質(zhì)量流速測量值應(yīng)用碳含量因數(shù)，將其用于估算烴原料的碳含量。同樣在步驟306中，計算出碳含量與蒸汽含量的比例，將該比例用于有選擇地調(diào)整烴和/或蒸汽流速以適應(yīng)操作的需要。這些方法步驟的不同方面將在下文中另外詳細(xì)討論。
通過使用Coriolis質(zhì)量流量計測量烴原料質(zhì)量流速解決了的主要問題是具有不同組成的烴原料的問題。例如在SRH氫制造中通常使用的烴原料是天然氣。天然氣典型地是包括甲烷，乙烷，丙烷，丁烷，戊烷和少量重餾分代表的烷烴的混合物。烷類烴的通式為CnH2n+2。由于烷烴符合該通式，天然氣原料所提供的碳含量大約與天然氣原料的質(zhì)量相同，而與起作用的氣體的比例無關(guān)。碳的原子量近似為12，氫的原子量近似為1。根據(jù)所述通式，給定天然氣的質(zhì)量中近似有75％的碳。例如100kg天然氣可轉(zhuǎn)化為75kg碳和25kg氫。因此，在步驟304中確定碳含量因數(shù)時，可以包括使用常數(shù)如0.75。因數(shù)0.75對甲烷是精確的，對包括主要為甲烷的烴原料是非常好的近似值，其中甲烷的分子量為16g/mole，碳的分子量為12g/mole。另一方面，該因數(shù)對乙烷是0.8，對于丙烷和丁烷分別是0.82和0.83。
圖4表明為C1-C10的烷烴餾分確定的無量綱因數(shù)F是分子量的函數(shù)。圖4中的數(shù)值證明對較重的餾分F近似為0.85，范圍為0.75-0.85。0.85的F數(shù)值可以滿足大部分烴液體的需要。對于氣體應(yīng)該使用實際原料的實驗樣品重新獲得如圖4的相關(guān)性，以獲得稍更精確的F值。
以公式的形式，任何烴原料的碳的摩爾數(shù)可以用關(guān)系式(4)近似表示，
(4).....nC=∫t1t2F(t)*[Mf(t)Mc]dt]]>其中，nC是碳的摩爾數(shù)，F(xiàn)(t)是作為時間的函數(shù)進(jìn)行變化的碳含量因數(shù)，Mf(t)是作為時間的函數(shù)進(jìn)行變化的質(zhì)量流速，Mc是碳的分子量，t是時間。
為了對比質(zhì)量流測量技術(shù)，當(dāng)天然氣原料中組成氣體的比例發(fā)生變化時，天然氣原料所提供的碳含量相對于體積也發(fā)生變化。一標(biāo)準(zhǔn)立方米的丁烷含有的碳比一標(biāo)準(zhǔn)立方米的甲烷多很多。但是正如上面所解釋的，當(dāng)天然氣原料中組成氣體的比例發(fā)生變化時，相對于天然氣原料的質(zhì)量，天然氣所提供的碳量保持基本不變。
體積測量的另一個問題來自于實際氣體行為?？墒褂么罅康臓顟B(tài)方程預(yù)測氣體的可壓縮性，例如范德華方程式和實際氣體定律。例如，實際氣體定律是(5)PV＝ZnRT其中，P是壓力，V是體積，n是氣體摩爾數(shù)，Z是氣體的壓縮因子，R是氣體定律常數(shù)，T是絕對溫度。
方程式(5)可改寫用于計算混合流體的平均分子量，如(6).....Mwfs=ρZRTP]]>其中Mwfs是混合氣流的平均分子量，p是密度，其它的值與方程式(5)定義的一樣。該Mwfs值可以代入方程式(4)或相似的關(guān)系式中，得到F值。
可以通過例如使用Coriolis流量計5作為振動管比重計獲得密度測量值。在低壓條件下，取決于所使用的流量計的設(shè)計，這樣獲得的密度測量值可能不夠準(zhǔn)確。因此，在線202(見圖2)上可以例如，通過另外的儀器例如γ射線比重計或任何能夠提供密度測量的其它儀器或經(jīng)驗相關(guān)性獲得補(bǔ)充密度測量值，Z值優(yōu)選通過使用傳統(tǒng)的用于此目的的經(jīng)驗相關(guān)性來計算，例如由Brown等公開的“Natural Gasoline and the VolatileHydrocarbons，”Natural Gas Assn.of America，Tulsa(1948)或Wichert和Aziz的“Compressibility Factors for Sour NaturalGasses”Cdn.J.Chem Eng.(1972)49，269-275。這些有關(guān)溫度和壓力與Z值的假對比性。對大部分加工條件和原料，Z值隨著時間的變化可以忽略。
石腦油也通常用作于SRH氫制造的烴原料。石腦油典型地是烷烴和非烷烴的混合物。非烷烴包括烯烴和炔烴。這些烴中雙鍵和三鍵的存在對升高F因數(shù)值有較小的影響。例如，具有一個單個雙鍵的純烯烴的F值是0.86，而同樣長度的炔烴的F值為0.96。知道與石腦油相關(guān)的烷烴和非烷烴的比例的可變性就使得很容易估計原料貢獻(xiàn)的碳含量。
計算步驟304的F值的另一個方法是訓(xùn)練傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)或其它適用的模型，例如通過輸入從下游操作過程230(見圖2)測得的加工條件，以及從質(zhì)量流量計5和流量計218獲得的物流測量信息，以及上游原料轉(zhuǎn)移線228的任何物流成分的其它測量值包括加工溫度和壓力。然后網(wǎng)絡(luò)可轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生一個預(yù)測模型，在此模型中可以輸入所希望的下游加工條件以達(dá)到由控制器210管理的必須的混合流速。
一旦已知由烴原料所貢獻(xiàn)的烴量，就可以確定相應(yīng)的蒸汽量，這就是步驟306的最后部分。通過類比式(1)-(3)可以確定蒸汽量，1摩爾的碳用1摩爾的蒸汽形式的水替換。例如可以使用式(4)計算碳的摩爾量?？梢詫牧髁坑?18獲得的質(zhì)量流速值作為Mf和水的摩爾質(zhì)量作為Mw，用同樣的方式計算蒸汽的摩爾量(7).....nW=∫t1t2Fw(t)*[Mfw(t)Mw]dt]]>其中nW是水或蒸汽的摩爾數(shù)，F(xiàn)w(t)是蒸汽供應(yīng)源214，也就是說蒸汽(通常是100％)的比例，其會隨著時間而變化，Mfw(t)是蒸汽供應(yīng)源的質(zhì)量流速，也可隨時間而變化，Mw是水的分子量，t是時間。
實際上，在步驟308中碳與蒸汽的比例是定制的以解決對于實際反應(yīng)和與下面的SRH方法相關(guān)的傳統(tǒng)經(jīng)驗的偏離。例如優(yōu)選蒸汽化學(xué)計量過量以便使依照式(1)-(3)的氫制造反應(yīng)趨向基本完全。在其它方法中有可能加入氧。這兩種可能性都需要對蒸汽與碳含量的1∶1的等量摩爾比進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
在如式(4)和(7)所示的關(guān)系式中可以假定F和Fw不隨著時間而變化。在這種情況下，被積函數(shù)就轉(zhuǎn)化為不同常量在一段時間內(nèi)的質(zhì)量的累積值。Coriolis流量計的流量計電子部分20例如有時可以用來累積這些總數(shù)，其也落入這里使用的廣泛的“質(zhì)量流速”的定義內(nèi)，因為這些總數(shù)來源于質(zhì)量流速測量值。更進(jìn)一步地，在這些假設(shè)下，可以無須積分就計算比例，如(8)...dnCdnW={F(t1)*[Mf(t1)Mc]/Fw(t1)*[Mfw(t1)Mw]}]]>其中， 是在一段平均的時間間隔或某一時刻t1的碳與蒸汽摩爾流速的比值，F(xiàn)(t1)是在這段時間間隔或時刻t1內(nèi)為常量的碳含量因數(shù)，F(xiàn)w(t1)是蒸汽供應(yīng)源214也就是蒸汽的(通常100％)的比例，它在這段時間間隔或時刻t1內(nèi)為常量，同時確定烴質(zhì)量流速Mf(t1)和蒸汽質(zhì)量流速Mfw(t1)各自的測量值Mf(t1)和Mfw(t1)，其它的術(shù)語根據(jù)上式(4)和(7)定義。
自動系統(tǒng)控制器210可以應(yīng)用上述的原理和方程式以便通過控制閥門208和216調(diào)整步驟308中的這個比例，從而分別得出烴和蒸汽供應(yīng)源的新流速。
單獨的選擇性的調(diào)整碳與蒸汽的相對量不能滿足全部SRH方法的要求。在保持通過重整器206(見圖2)保持足夠的流動時，優(yōu)選按照相對比例調(diào)整碳與蒸汽的相對量從而建立所希望的比例。這樣為了優(yōu)先的目的，重整器206可以在設(shè)計的參數(shù)下操作，不成為線202的上游操作的阻塞點，不超過線202上可使用的原料的供應(yīng)限制，并且滿足下游操作230的需要。因此，控制器210優(yōu)選設(shè)定用來在包括上游和下游加工條件的全部系統(tǒng)200中調(diào)節(jié)流速和加工條件。
那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，在不背離本發(fā)明的實際范圍和精神下，顯然可以對上述優(yōu)選的實施方案進(jìn)行修改。發(fā)明者這里根據(jù)等同原則說明了他們的發(fā)明，以便保護(hù)他們在本發(fā)明內(nèi)的所有權(quán)利。
權(quán)利要求
1.一個在氫制造系統(tǒng)(206)中用于控制重整反應(yīng)的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，該質(zhì)量流量計系統(tǒng)包括一個烴原料供應(yīng)源(204)，用于向所述氫制造系統(tǒng)提供烴原料；和一個蒸汽供應(yīng)源(214)，用于向所述氫制造系統(tǒng)提供蒸汽；所述流量計系統(tǒng)特征在于一個第一流量計(5)，用于測量向所述氫制造系統(tǒng)提供所述烴原料的質(zhì)量流速和產(chǎn)生代表所述烴原料的所述質(zhì)量流速的烴流速信號；一個第二流量計(218)，用于測量向所述氫制造系統(tǒng)提供所述蒸汽的流速和產(chǎn)生代表所述蒸汽的所述流速的蒸汽流速信號；和一個控制器(210)，可操作用來接收所述烴流速信號和所述蒸汽流速信號，該控制器具有用來處理所述烴原料的所述質(zhì)量流速以測定所述烴原料的碳含量估計值和基于所述碳含量估計值和導(dǎo)入到所述氫制造系統(tǒng)中的所述蒸汽的比例控制所述蒸汽的所述流速和所述烴原料的所述流速中至少一個的程序指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，其中所述第一流量計(5)包含Coriolis質(zhì)量流量計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，其中所述第二流量計(218)包含質(zhì)量流量計。
4.根據(jù)權(quán)利要求3提出的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，其中所述第二流量計(218)包含Coriolis質(zhì)量流量計。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，其中所述程序指令包含用于調(diào)整所述比例，所述具有多種烴餾分的烴原料的指令。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，其中所述程序指令包含用于從基于所述烴原料物理參數(shù)測量值的相關(guān)關(guān)系來確定所述比例的指令。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，其中所述被測量的物理參數(shù)包含密度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，其中所述第一流量計(5)包含可操作用于密度測量的Coriolis質(zhì)量流量計并且所述Coriolis質(zhì)量流量計可以操作用于提供向所述控制器所述代表所述密度測量值的信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，其中所述程序指令包含將所述比例作為常數(shù)使用的指令。
10.在氫制造系統(tǒng)(206)中用于烴蒸汽重整的質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)的操作方法(300)，該方法特征在于以下步驟測量(302)導(dǎo)入所述氫制造系統(tǒng)的烴原料的質(zhì)量流速以提供烴的質(zhì)量流速測量值；測量(302)導(dǎo)入所述氫制造系統(tǒng)的蒸汽的流速以提供蒸汽流速測量值；處理(304)所述烴質(zhì)量流速測量值以確定所述烴原料的碳含量估計值；和基于所述碳含量估計值和導(dǎo)入到所述氫制造系統(tǒng)中的所述蒸汽的比例控制(308)所述蒸汽的所述流速和所述烴原料的所述質(zhì)量流速中的至少一個。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法(300)，其中，所述測量烴原料的質(zhì)量流速的步驟包含使用Coriolis質(zhì)量流量計測量所述烴原料的質(zhì)量流速以獲得所述烴的質(zhì)量流速測量值。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法(300)，其中所述測量蒸汽流速的步驟包含使用質(zhì)量流量計來測量所述蒸汽的所述流速。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法(300)，其中所述測量蒸汽流速的步驟包含使用Coriolis質(zhì)量流量計來測量所述蒸汽的所述流速。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法(300)，進(jìn)一步包含對眾多烴原料調(diào)整所述比例。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法(300)，其中所述基于一個比例控制所述蒸汽的所述流速和所述烴原料的所述流速中至少一個的步驟(308)包含從基于測量所述烴原料的物理參數(shù)的相關(guān)關(guān)系來確定所述比例。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法(300)，其中所述被測量的物理參數(shù)包括密度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法(300)，其中測量烴原料的質(zhì)量流速的步驟包含利用可操作用于密度測量的Coriolis質(zhì)量流量計測量所述質(zhì)量流速，并進(jìn)一步地包括通過利用所述Coriolis質(zhì)量流量計直接測量獲得所述密度的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的方法(300)，其中所述控制步驟與烴原料的質(zhì)量流速和蒸汽的流速的所述測量步驟同時發(fā)生。
19.根據(jù)權(quán)利要求10的方法(300)，其進(jìn)一步包含在所述控制步驟進(jìn)行的同時重復(fù)測量烴原料的質(zhì)量流速和測量蒸汽的流速的所述步驟。
全文摘要
用于烴的蒸汽重整中的一種質(zhì)量流量計系統(tǒng)(200)，包括在烴的原料線中的Corolis流量計。通過接近近似法估計原料碳含量，將其用于選擇地控制操作，從而在蒸汽和烴原料導(dǎo)入氫制造單元的時候控制它們的相對量。以實時測量為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)蒸汽和烴的相對量。
文檔編號G05D11/13GK1513133SQ02811182
公開日2004年7月14日 申請日期2002年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月4日
發(fā)明者J·A·瓦倫蒂內(nèi), J A 瓦倫蒂內(nèi) 申請人:微動公司