在烴的蒸汽重整中蒸汽與碳的比例控制的制作方法

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
技術領域：
本發明涉及改進用烴的蒸汽重整(SRH)方法制造氫氣的生產效率的方法和設備。更特別地，該改進方法使用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，例如用作電設備的冷卻劑，空間開發的燃料，和在具有重要商業價值的產品，特別是氨水，甲醇，羰基合成醇和加氫重整汽油的化學制造中應用。由于法規要求刺激了性能更好并且更清潔的燃料的發展，使得對氫的需要日益增加。
具有商業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域所熟知。SRH當使用例如鎳，鉬或鉑催化劑時，可使反應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)。這些文獻以所有內容完全在這里重復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行反應。通常烴原料包含各種各樣的烴，而且，對每一類烴，化學反應按照理想化學計量方程式進行。取決于原料會發生大量不同的反應。通常，可以把最重要的反應歸類為A.環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.包括直鏈轉化為支鏈碳結構的異構化反應，例如正辛烷轉化為異辛烷；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，該反應如式1所示進行(1)，其中，H2O優選以蒸汽形式存在。
該類反應可對原料中其它氣體餾分進行類似操作，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)的進一步反應如式(2)所示進行(2)其中，H2O優選以蒸汽形式存在。
更一般地，全部這一類的反應如式(3)所示進行(3)上式預測了輕質烴特別是甲烷，丁烷和丙烷和一些液體如石腦油的反應。更重的烴反應趨向困難。而且，在一些反應根據上式(3)進行的同時，發生了例如異構化的其它反應，也生成氫。
該式表達了一種概念，就是完成反應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生產設備中操作時，這種差別導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物會使反應進一步復雜，導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。可作為烴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。特定烴原料的經濟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。通過加入不同的烴許多的生產結果作用于燃料氣體系，這些烴可以直接在混合氣流中導入氫氣制造單元。如果提供精煉燃料氣系統來源中的一個停車或產量發生變化，則輸出的燃料氣系統組成也變化。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，從而使生產效率最佳，環境污染最小。
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。進一步的問題是如何以原料的組成為基礎，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的生產效率，同時增加了相應的環境污染問題。
在氫氣制造單元中測量烴原料的傳統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，當烴原料的組成發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生顯著的變化，用于完全反應的蒸汽的量也會發生顯著變化。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所需的蒸汽量是與同樣體積甲烷反應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據。
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質量流量計測量質量流動和有關材料流經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造的測流管，每個測流管構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。測流管和測流管內原料的總質量部分地限定了振動著的原料充填系統的自然振動模式。原料從與流量計傳感器入口一側相連的導管流入流量計傳感器。然后原料引導通過測流管，并離開流量計傳感器進入與流量計傳感器出口一側相連的導管。
當沒有原料流經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。當原料流經流量計時，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的相位比傳動器滯后，而流量計傳感器出口一側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流量計傳感器的原料質量流速成比例。
Coriolis流動測量體系一直沒有在SRH方法中應用部分是由于Coriolis根本上用來測量質量，這與傳統的體積流量系統正相反。另外，如何使用質量流量計測量或估計可歸于混合原料各餾分的質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域中是先進的，它解決了以上的和其它的問題。如下所述，使用Coriolis質量流量計與傳統的體系相比可更精確，多方面和實時地測量烴原料。進一步地，使用Coriolis有效質量流量計增強了對氫氣制造中的碳與蒸汽的比例的控制。
概括地說，本發明所提供的測量系統和方法使用一種質量流量計例如Coriolis質量流量計來測量導入到氫氣制造單元中的烴原料質量或質量流速。然后，用烴原料的質量流速來控制SRH氫氣制造單元中蒸汽對碳的比例。
一個這樣的質量流量計體系的實施方案包含一個用于將烴原料供應到氫氣制造系統的烴原料供應源。用蒸汽供應源將蒸汽供應到氫制造系統。可將質量流量計與烴原料供應源連接，用來測量其中的烴質量流速和產生代表烴質量流速的烴流速信號。將第二個流量計連接蒸汽供應源，用來測量蒸汽流速和產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入到氫制造單元的烴原料與蒸汽比例的程序指令。
優選的實施方案包括用于烴供應線上的質量流量計和蒸汽供應線上的第二流量計中的一個或兩個包括Coriolis質量流量計。這些手段應用于包含烴氣混合物的烴原料或一段時間內具有不同組成的烴原料時具有特別的優勢。通過使用相關性來確定烴原料中碳含量改進了系統的整個精度。通過測量烴原料的物理性質例如密度或氣體重量來簡化相關性，從而進一步提高了精度。
一種操作前面描述的體系的方法包括例如測量導入到氫制造系統的烴原料的質量流速并提供烴質量流速測量值，測量導入到氫制造系統中的蒸汽的第二流速并提供蒸汽流速測量值，基于烴質量流速測量值和蒸汽流速測量值控制導入到氫制造系統中的烴原料的量和蒸汽的量。測量可與控制操作同時進行，以便調整碳和蒸汽的比例。測量步驟甚至可以實時重復進行，同時控制器根據各自的流速進行調整。
根據本發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量流動測量值的信號進行操作，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。當氫制造單元需要方便地在不同類型的烴原料之間進行轉換或接收變化了烴組成的烴原料時，Coriolis質量流量計測量系統是特別優越的。

發明內容
根據上面所討論，本發明具有以下方面本發明的一方面包括用于在氫制造系統中控制重整反應的質量流量計系統，該質量流量計系統包括一個用于向所述氫制造系統提供烴原料的烴原料供應源；和一個用于向所述氫制造系統提供蒸汽的蒸汽供應源；所述質量流量計系統特征在于一個用于測量向所述氫制造系統提供所述烴原料的質量流速和產生代表所述烴原料的所述質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提供所述蒸汽的流速和產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入到所述氫制造系統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。
優選地，該第一流量計包含一個Coriolis質量流量計。
優選地，該第二流量計包含一個質量流量計例如Coriolis質量流量計。
優選地，該程序指令包含用于調整所述比例，所述具有多種烴餾分的烴原料的指令。
優選地，該程序指令包含用于從一個基于所述烴原料物理參數測量值的相關關系來確定所述比例的指令。
優選地，該被測量的物理參數包含密度。
優選地，第一流量計包含一個可操作用于密度測量的Coriolis質量流量計，并且所述Coriolis質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。
優選地，該程序指令包含將所述比例作為常數使用的指令。
本發明的另一方面包含在氫制造系統中將質量流量計系統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入到所述氫制造系統的烴原料的質量流速以提供烴的質量流速測量值；測量導入到所述氫制造系統的蒸汽的流速以提供蒸汽流速測量值；處理所述烴質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入到所述氫制造系統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量流速中的至少一個。
優選地，測量烴原料的質量流速的步驟包含使用一個Coriolis質量流量計測量所述烴原料的質量流速以獲得所述烴的質量流速測量值。
優選地，測量蒸汽流速的步驟包含使用例如Coriolis質量流量計的一個質量流量計來測量所述蒸汽的所述流速。
優選地，該方法進一步包含調整多種烴原料的所述比例。
優選地，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測量值的相關關系來確定所述比例。
優選地，所測量的物理參數包括密度。
優選地，烴原料包含利用可操作用于密度測量的Coriolis質量流量計測量所述質量流速，并進一步地包括通過所述Coriolis質量流量計直接測量獲得所述密度的步驟。
優選地，所述控制步驟與烴原料的質量流速和蒸汽的流速的所述測量步驟同時進行。
優選地，該方法進一步包含在所述控制步驟進行的同時重復測量烴原料的質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的詳細描述，可更容易地理解本發明的上述和其它優點。


圖1說明Coriolis流量計的傳感器和電子部分圖2提供優選實施方案來說明Coriolis流量計系統，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關系。
詳細闡述下面參考附圖更全面的描述本發明的優選實施方案。本領域的熟練人員將了解，本發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。更恰當地，提供這些實施方案將使得本公開全面、徹底。并且將本發明的范圍完全傳遞給本領域的熟練人員。在圖中，所有相同的數字代表相同的元件。
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，質量流速，體積流速和匯總的質量流的信息。可從市場上獲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。
當流量計傳感器10插入載有被測量的加工原料的管道系統時(沒有在圖1中表現)，原料通過法蘭101進入流量計傳感器10，經過支管102被引導進入測流管103A和103B，經過測流管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適當配合以便具有基本相同的質量分布和分別沿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流管振動。流量計電子部分20施加適宜的驅動信號，經過導線110到達傳動器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。當測流管103A-103B振動時，采集器傳感器105-105`產生第一和第二采集信號，第一和第二采集信號施加到導線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，修改系統溫度方程。路徑112將來自于溫度傳感器107的溫度信號送達流量計電子部分20。
流量計電子部分20分別接收導線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過流量計傳感器10的原料的質量流速，密度和其它性質。該計算信息由流量計電子部分20經過路徑26送到使用裝置中去(圖1未顯示)。
根據本發明優選的使用前述的Coriolis流量計5的方法，在氫制造系統中，將有一個質量流量計系統用于控制重整反應。該系統包含一個用于向氫制造系統提供烴原料的烴原料供應源。相同地使用一個蒸汽供應源向氫制造系統提供蒸汽。一個質量流量計連接烴原料供應源用來測量向氫制造系統提供烴原料時的烴原料流速。該質量流量計可產生代表烴質量流速的烴流速信號。第二流量計連接蒸汽供應源以測量蒸汽流速，其產生代表蒸汽流速的蒸汽流速信號。控制器用來接收包括烴流速信號和蒸汽流速信號的數據。程序指令對此數據進行操作從而控制導入氫制造系統中的烴原料與蒸汽的比例。
圖2是流量計系統200的簡圖。一個Coriolis有效質量流量計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有效質量流量計5對流經線202的原料進行實時測量，并產生代表這些測量值的信號。這些測量值優選但任選包括質量流速，質量總和，溫度，壓力和密度。在下文中所使用的術語“質量流速測量值”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量流速，通過積分所有時間內的質量流速而得到的質量總和也是如此。烴原料供應源204包含可在重整裝置206中進行重整的任何烴或烴的混合物。重整裝置206優選為傳統的氫制造單元或系統。該單元或系統為通過式(1)-(4)所示的反應對天然氣或精煉燃料線進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物的裝置。在線202上安裝閥門208，以便由自動系統控制器210指揮調節通過線202的流動。
線212連接重整裝置206和蒸汽供應源214，蒸汽供應源214可以包括例如鍋爐或上游過程的混合氣態產物。線212上的閥門216由自動系統控制器指揮調節通過線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優選是第二個Coriolis有效質量流量計或質量渦流流量計，但當蒸汽供應源不是混合蒸汽副產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200包含數據傳輸線，其使得控制器210操作方便。數據線220用于在控制器210和相應的質量流量計5之間傳輸信號。數據線222用于在控制器210和相應的質量流量計218之間傳輸信號。數據線224是用來在控制器210和相應的閥門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。數據線226是用來在控制器210和相應的閥門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。這些數據線可以任選地用無線電或光學系統代替。
通常，控制器210可以是任何計算裝置，例如CPU，關聯存儲器，和數據存儲器，可對其進行編程以將從質量流量計5獲得的質量流速測量值轉化為適當的碳與蒸汽的比值。控制器210也可編程來控制蒸汽和/或烴的流速，以便控制到達重整裝置206的蒸汽與碳的比例。通過有選擇地調整閥門208和216中的一個或兩個來維持這一控制，從而優化重整裝置206內所需要的反應條件處于實時數據范圍內，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內的物質通過路徑228排出到下游的操作設備230。路徑228可包含大量的物質轉移線路或管道，例如引導到傳統的下游操作設備230，其包括例如一個使用氧化鐵催化劑的CO轉化器以生成CO2和副產物氫。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明優選的實施方案，而不是為了限制本發明。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流通路徑上的系統部件例如流量計5和閥門208可以以任何連續的順序排列。
本發明的特別優選的特征在于當從烴原料來源204輸入到重整器206的烴原料發生變化或包括多種成分時，使用流量計系統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。如果供應精煉燃料氣體系的加工過程中的一個發生停車，則輸出的精煉燃料氣體系的組成就發生了變化。當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200的方法包括如下所述大量用來計算和應用該比例的方法。
根據目前優選的實踐來展示和描述用于氫制造系統中的烴的蒸汽重整方法中質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量流速以提供烴質量流速測量值，測定蒸汽的第二流速以提供蒸汽流速測量值，和基于烴質量流速測量值和蒸汽流速測量值控制導入到氫制造系統的烴原料量和蒸汽量。該方法使用例如圖2所示類型的系統進行。
正如前面所指出的，該操作方法可通過用實現該方法的指令對控制器例如控制器210進行編程而實施。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源的流速測量值。然后在步驟304中，控制器確定碳含量因數，在步驟306中對烴質量流速測量值應用碳含量因數，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整烴和/或蒸汽流速以適應操作的需要。這些方法步驟的不同方面將在下文中另外詳細討論。
通過使用Coriolis質量流量計測量烴原料質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量相同，而與起作用的氣體的比例無關。碳的原子量近似為12，氫的原子量近似為1。根據所述通式，給定天然氣的質量中近似有75％的碳。例如100kg天然氣可轉化為75kg碳和25kg氫。因此，在步驟304中確定碳含量因數時，可以包括使用常數如0.75。因數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F是分子量的函數。圖4中的數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數值可以滿足大部分烴液體的需要。對于氣體應該使用實際原料的實驗樣品重新獲得如圖4的相關性，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可以用關系式(4)近似表示，
(4).....nC=∫t1t2F(t)*[Mf(t)Mc]dt]]>其中，nC是碳的摩爾數，F(t)是作為時間的函數進行變化的碳含量因數，Mf(t)是作為時間的函數進行變化的質量流速，Mc是碳的分子量，t是時間。
為了對比質量流測量技術，當天然氣原料中組成氣體的比例發生變化時，天然氣原料所提供的碳含量相對于體積也發生變化。一標準立方米的丁烷含有的碳比一標準立方米的甲烷多很多。但是正如上面所解釋的，當天然氣原料中組成氣體的比例發生變化時，相對于天然氣原料的質量，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。可使用大量的狀態方程預測氣體的可壓縮性，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，Z是氣體的壓縮因子，R是氣體定律常數，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計，這樣獲得的密度測量值可能不夠準確。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驗相關性獲得補充密度測量值，Z值優選通過使用傳統的用于此目的的經驗相關性來計算，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的碳含量。
計算步驟304的F值的另一個方法是訓練傳統的網絡或其它適用的模型，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。然后網絡可轉化而產生一個預測模型，在此模型中可以輸入所希望的下游加工條件以達到由控制器210管理的必須的混合流速。
一旦已知由烴原料所貢獻的烴量，就可以確定相應的蒸汽量，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。可以將從流量計218獲得的質量流速值作為Mf和水的摩爾質量作為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，Fw(t)是蒸汽供應源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)是蒸汽供應源的質量流速，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和與下面的SRH方法相關的傳統經驗的偏離。例如優選蒸汽化學計量過量以便使依照式(1)-(3)的氫制造反應趨向基本完全。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的等量摩爾比進行相應的調整。
在如式(4)和(7)所示的關系式中可以假定F和Fw不隨著時間而變化。在這種情況下，被積函數就轉化為不同常量在一段時間內的質量的累積值。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，其也落入這里使用的廣泛的“質量流速”的定義內，因為這些總數來源于質量流速測量值。更進一步地，在這些假設下，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(t1)是在這段時間間隔或時刻t1內為常量的碳含量因數，Fw(t1)是蒸汽供應源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內為常量，同時確定烴質量流速Mf(t1)和蒸汽質量流速Mfw(t1)各自的測量值Mf(t1)和Mfw(t1)，其它的術語根據上式(4)和(7)定義。
自動系統控制器210可以應用上述的原理和方程式以便通過控制閥門208和216調整步驟308中的這個比例，從而分別得出烴和蒸汽供應源的新流速。
單獨的選擇性的調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，優選按照相對比例調整碳與蒸汽的相對量從而建立所希望的比例。這樣為了優先的目的，重整器206可以在設計的參數下操作，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限制，并且滿足下游操作230的需要。因此，控制器210優選設定用來在包括上游和下游加工條件的全部系統200中調節流速和加工條件。
那些本領域的技術人員將明白，在不背離本發明的實際范圍和精神下，顯然可以對上述優選的實施方案進行修改。發明者這里根據等同原則說明了他們的發明，以便保護他們在本發明內的所有權利。
權利要求
1.一個在氫制造系統(206)中用于控制重整反應的質量流量計系統(200)，該質量流量計系統包括一個烴原料供應源(204)，用于向所述氫制造系統提供烴原料；和一個蒸汽供應源(214)，用于向所述氫制造系統提供蒸汽；所述流量計系統特征在于一個第一流量計(5)，用于測量向所述氫制造系統提供所述烴原料的質量流速和產生代表所述烴原料的所述質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提供所述蒸汽的流速和產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入到所述氫制造系統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.根據權利要求1的質量流量計系統(200)，其中所述第一流量計(5)包含Coriolis質量流量計。
3.根據權利要求1的質量流量計系統(200)，其中所述第二流量計(218)包含質量流量計。
4.根據權利要求3提出的質量流量計系統(200)，其中所述第二流量計(218)包含Coriolis質量流量計。
5.根據權利要求1的質量流量計系統(200)，其中所述程序指令包含用于調整所述比例，所述具有多種烴餾分的烴原料的指令。
6.根據權利要求5的質量流量計系統(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測量值的相關關系來確定所述比例的指令。
7.根據權利要求6的質量流量計系統(200)，其中所述被測量的物理參數包含密度。
8.根據權利要求7的質量流量計系統(200)，其中所述第一流量計(5)包含可操作用于密度測量的Coriolis質量流量計并且所述Coriolis質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.根據權利要求5的質量流量計系統(200)，其中所述程序指令包含將所述比例作為常數使用的指令。
10.在氫制造系統(206)中用于烴蒸汽重整的質量流量計系統(200)的操作方法(300)，該方法特征在于以下步驟測量(302)導入所述氫制造系統的烴原料的質量流速以提供烴的質量流速測量值；測量(302)導入所述氫制造系統的蒸汽的流速以提供蒸汽流速測量值；處理(304)所述烴質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入到所述氫制造系統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量流速中的至少一個。
11.根據權利要求10的方法(300)，其中，所述測量烴原料的質量流速的步驟包含使用Coriolis質量流量計測量所述烴原料的質量流速以獲得所述烴的質量流速測量值。
12.根據權利要求10的方法(300)，其中所述測量蒸汽流速的步驟包含使用質量流量計來測量所述蒸汽的所述流速。
13.根據權利要求12的方法(300)，其中所述測量蒸汽流速的步驟包含使用Coriolis質量流量計來測量所述蒸汽的所述流速。
14.根據權利要求10的方法(300)，進一步包含對眾多烴原料調整所述比例。
15.根據權利要求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的相關關系來確定所述比例。
16.根據權利要求15的方法(300)，其中所述被測量的物理參數包括密度。
17.根據權利要求16的方法(300)，其中測量烴原料的質量流速的步驟包含利用可操作用于密度測量的Coriolis質量流量計測量所述質量流速，并進一步地包括通過利用所述Coriolis質量流量計直接測量獲得所述密度的步驟。
18.根據權利要求10的方法(300)，其中所述控制步驟與烴原料的質量流速和蒸汽的流速的所述測量步驟同時發生。
19.根據權利要求10的方法(300)，其進一步包含在所述控制步驟進行的同時重復測量烴原料的質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量流量計系統(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，調節蒸汽和烴的相對量。
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 優先權日2001年6月4日
發明者J·A·瓦倫蒂內, J A 瓦倫蒂內 申請人:微動公司