许多用于烃精炼及加工的工艺都需要知晓烃加工和/或生产中的氢- 碳比。一种这样的工艺是通过烃原料的热裂解来生产烯烃，尤其是低级 烯烃。
由烃原料热裂解或热解制备烯烃是本领域已知的一种技术。该方法 以商业规模的操作来大量生产烯烃，例如乙烯及丙烯。一种商业应用的 普通方法是其中使烃原料通过界定出热解炉热裂解区的一或多个管或盘 管的方法。通过燃烧器提供热量输入。
烃原料的性质和热裂解发生的条件决定产物的性质及含量。一般而 言，希望操作热裂解的工艺以使得焦化程度最小化。热裂解过程中裂解 的深度或转化的程度称为裂解度(cracking severity)。焦化程度一般是 随着热裂解裂解度的增加而增加，直至达到焦炭量变为不可接受的点为 止。此点经常被称为最大裂解度，且经常代表一最优点，其结合了高的 烯烃收率和炉子在焦炭积聚至必须停炉除焦前可操作和可接受的时间长 度。
在以商业规模生产烯烃时，常常非常需要能在最大裂解度或尽可能 接近最大裂解度的条件下操作热裂解工艺。已确定有许多裂解度的指标 可用来控制商业的热裂解工艺。这种指标的实例包括用于石脑油裂解的 裂解度指数和用于瓦斯油热裂解的分子碰撞参数。其它指标包括热裂解 管或盘管的出口温度，和裂解工艺液体产物的氢含量。乙烯制造常用的 一个参数是热裂解工艺气体产物的丙烯-甲烷比(PMR)，或乙烯-甲烷比 (EMR)。然而，这些指标对如烃原料改变的因素及对产物取样技术的可 靠性的敏感度，会在利用这些指标作为热裂解工艺控制体系的一部分时 产生问题。
因此，需要有一种对如原料品质波动的工艺参数不敏感且可容易地 并入工艺控制体系中的裂解度的指标。B.P.Ennis等人在“高温-低接触 时间热解工艺”(“High Temperature-Low Contact Time Pyrolysis Process”，Symposium Series 43，Institute of Chemical Engineers， Harrogate，Eng.，1975年6月)中描述了一种用于大范围的石脑油馏分 热裂解的蒸汽热解工艺。Ennis等人指出一个特别有价值的热解裂解度 指数是热解汽油产物或C5和更重(C5+)产物的氢-碳原子比。Ennis等人 将其描述为液相脱氢程度和所得焦炭生成趋势的量度。因为所计算的C5+ 产物的氢-碳比仅依赖于C4及更轻组分的预期收率和进料的氢-碳比， Ennis等人宣称这一裂解度指标是比较各种热解反应器或原料在同一裂 解深度下的选择性的绝佳方式。
虽然Ennis等人建议利用C5+产物的氢-碳比作为裂解度的有用指标， 但并未公开该参数如何测量或如何用来控制商业规模的热裂解工艺。迄 今为止，热裂解工艺的液体(C5+)烃产物的氢-碳比还很难测定。典型地， 在商业的热裂解工艺中，该比例是根据烃原料及气体(C4-)产物的分析 计算，通常是在进行详细的进料表征，接着利用模型模拟裂解条件之后 获得。然而，若欲利用氢-碳比作为控制参数，则所有可供利用的选择无 一是实际可用的。
因此，需要有一种可容易地并入商业的工艺控制体系中来测定液体 烃馏分的氢-碳比的方法。
发明概述
在其中将含已知量示踪气体、烃进料碳含量及烃进料氢含量的已知 量烃进料加入至在热解裂解工艺条件下操作的热解炉中以产生热解产 物，其中所述热解产物包含一液体馏分和一气体馏分，其中所述液体馏 分包含一液体馏分氢含量和一液体馏分碳含量从而提供液体馏分的氢- 碳比，而且其中所述气体馏分包含一气体馏分的示踪气体浓度、一气体 馏分氢含量及一气体馏分碳含量的热解工艺中，本发明提供一种测定所 述液体馏分的氢-碳比的方法，其包含下列步骤：
(a)测定所述烃进料的氢含量和所述烃进料碳含量；
(b)测定所述气体馏分的氢含量和所述气体馏分的碳含量；和
(c)测定所述液体馏分的氢-碳比，通过
将所测得的所述气体馏分的氢含量值从所测得的所述烃进料的氢含 量值中减去以获得所述液体馏分的氢含量，
将所测得的所述气体馏分的碳含量值从所测得的所述烃进料的碳含 量值中减去以获得所述液体馏分的碳含量，和
计算所述液体馏分的氢-碳比的值。
本发明也提供一种控制所述热解裂解工艺条件的方法，所述方法包 含下列步骤：
(a)优选利用近红外分光法测定所述烃进料氢含量的第一测量值和 所述烃进料碳含量的第二测量值；
(b)优选利用质谱法测定所述气体馏分氢含量的第三测量值和所述 气体馏分碳含量的第四测量值；
(c)计算所述液体馏分氢-碳比的第一计算值；
(d)比较所述第一计算值与所述液体馏分氢-碳比的所需值以产生一 差异值(differential value)；和
(e)根据所述差异值控制所述热解裂解工艺的条件。
此外，本发明提供一种用于热裂解含已知量示踪气体、烃进料氢含 量及烃进料碳含量的已知量烃进料的装置，所述装置包含：
热解炉设备，其界定出在包括热解裂解区温度的热解裂解工艺条件 下操作的热裂解区，所述热解炉设备是用以裂解所述烃进料以产生包含 一液体馏分和一气体馏分的热解产物；
第一分析仪设备，其用以测定所述烃进料的氢含量和用以测定所述 烃进料的碳含量；
第二分析仪设备，其用以测定所述气体馏分的示踪气体浓度并用以 测定所述气体馏分的氢浓度及用以测定所述气体馏分的碳浓度；和
计算设备，其用以利用由所述第一分析仪设备所测得的所述烃进料 的氢含量和所测得的所述烃进料的碳含量，及由所述第二分析仪设备所 测得的所述气体馏分的氢浓度和所测得的所述气体馏分的碳浓度，测定 所述液体馏分的氢-碳比。
附图简述
图1是本发明热解工艺体系和用于测定和控制热解产物液体馏分氢 -碳比的体系的一个实施方案的图解示意图。
发明详述
本发明提供一种测定热解产物液体馏分的氢-碳比的方法，该热解产 物是由热解裂解工艺单元的热裂解区所产生。在热解或热裂解工艺中， 烃原料被加入至热解或热裂解炉中，在此烃原料经历热解或热裂解工艺 的条件。热解或裂解产物是由热解炉产生。
本发明热裂解工艺所用的烃原料可以是用于烯烃制备的常规热裂解 工艺所用的任何烃或烃馏分。合适的原料包括C4馏分如丁烷；C5馏分如 戊烷；以及汽油、石脑油、煤油及瓦斯油馏分。也可以使用重质如真空 瓦斯油的烃原料也可使用。本发明的方法特别适用于汽油、石脑油、煤 油及重质/真空瓦斯油馏分，而汽油、石脑油及重质/真空瓦斯油馏分为 特别优选的原料。烃原料例如通过原油的常规精炼即可容易地制得。烃 原料可由上述的单一馏分或上述馏分的混合物组成。
本发明方法的一个优点在于烃原料的组成及沸点范围可以发生波 动，而且波动可由控制体系所适应。即，即使当烃原料的组成或沸点范 围发生波动或变化时，本发明的方法也特别适用于测定及控制热解产物 液体馏分的氢-碳比。
如前所述，烃原料在热裂解区中经历热裂解。任何适当的工艺配置 及装置都可用于本发明的目的。商业规模常应用的一种工艺方式是利用 安装在外部燃烧的加热器中的管状反应器盘管。烃原料被加入至管状反 应器盘管中，该管状反应器盘管界定出向其中供应热量的热裂解区。盘 管的加热典型地是通过适当燃料，如烃类油或炼厂气的燃烧来提供。用 于进行热裂解的合适装置已为本领域所熟知。有关烃原料热裂解产生烯 烃方面的一般性讨论，可查阅“Kirk-Othmer化学技术百科全书” (“Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology”)，第三版， 第九卷，第400-411页。
热裂解区的操作条件依赖于热裂解装置的特定设计和所需的裂解 度。在热裂解区中加热烃原料直至温度达到烃分子裂解的温度。实现裂 解所需的温度依赖于原料的组成及沸点范围。在热裂解区出口测量的典 型的热裂解温度为750℃至950℃，更优选800℃至900℃。
该方法可在任何合适的压力下操作。热裂解优选在热裂解区出口所 测量的100kPa(1巴)至500kPa(5巴)，更优选100kPa(1巴)至300kPa (3巴)的压力范围内进行。
烃原料供应至热裂解区的流速将依赖于工艺装置的特定设计。在这 些限制之内，任何适当的流速皆可使用。在商业规模装置中烃原料的典 型流速是在10,000kg/小时至60,000kg/小时，更优选在15,000kg/ 小时至50,000kg/小时的范围内。
烃原料在热裂解区的停留时间将依赖于装置的设计及其它工艺操作 条件。烃原料在热裂解区的典型停留时间是在0.05秒至1.0秒，更优选 0.10至0.50秒的范围内。
为了协助热裂解过程，烃原料可与惰性稀释剂混合而且所得混合物 可加入热裂解区中。最合适的惰性稀释剂为蒸汽。惰性稀释剂的存在量 典型地以稀释剂-烃的重量比而言为0.1kg/kg至1.0kg/kg，更优选 0.3kg/kg至0.8kg/kg。
由热解工艺的热裂解区所产生的热解产物一般包含一液体馏分和一 气体馏分。热解产物的液体馏分主要包含每个分子具有5个或更多碳原 子的烃，而热解产物的气体馏分主要包含每个分子具有4个或更少碳原 子的烃和包括一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氢及氦的气体化合物。
本发明包括将已知量的惰性示踪气体引入或加入至被送入本方法热 解炉的烃原料中。适合用作示踪剂而通过热裂解区保持不变的任何惰性 气体都可用于本发明。这种适合的示踪气体的实例包括选自氦、氩、氮 及氖的气体。这些气体主要是因为它们在热解产物液体馏分中具有低的 溶解度而所以适合。本发明所用的优选示踪气体为氦。示踪气体可引入 的量为100ppm(体积)至1000ppm(体积)，特别是100ppm(体积)至 500ppm(体积)。
基本上所有的随烃原料引入热解炉的示踪气体都可与热解产物的气 体馏分一起回收；而且因为引入烃原料中的示踪气体的量和烃原料的量 都为已知，所以热解产物中气体馏分的比例可以通过测量气体馏分中示 踪气体的浓度而容易地确定。热解产物中气体馏分的比例可由引入烃原 料的示踪气体的已知量值除以气体馏分中示踪气体浓度的测量值而确 定。
示踪气体的使用允许利用分析热解产物气体馏分的常规分析仪设备 对热解产物气体馏分进行在线分析。合适的在线分析仪包括，例如气相 色谱仪和质谱仪。
为了分析气体馏分，可将热解产物的样品冷却，并将气体馏分与液 体馏分分离。然后，气体馏分可利用合适的分析仪设备分析，通过气体 馏分的成分分析测定它的示踪气体浓度及氢-碳比。如上所述，示踪气体 的浓度值可供测定作为气体馏分的热解产物的比例，且有了气体馏分的 氢-碳比的测量值，即可利用这些信息的结合来测定气体馏分的氢含量及 气体馏分的碳含量。
在本发明的方法中，热解产物液体馏分的氢-碳比是由下述方法间接 测定的：通过上述方法测定气体馏分的氢及碳含量，并利用任何合适的 分析仪设备测定进入热解装置的烃进料的氢及碳含量，然后计算气体馏 分的氢及碳含量与烃进料的氢及碳含量之间的差值，以提供热解产物液 体馏分中氢及碳量的值。
测定烃进料氢含量及测定烃进料碳含量的任何合适的分析仪设备皆 可使用。分析烃进料的优选方式或方法包括使用任何常规的近红外(NIR) 分析技术或使用常规的核磁共振(NMR)分析技术。优选的分析技术为 NIR分析。在此应了解的是，烃进料的氢含量是由NIR或NMR分析技术 分析，而碳含量则由相减差值(by difference)确定。也可附带测量烃 的硫含量并用于测定碳含量。
NIR分光技术的使用可提供某些优点，如可对烃进料进行快速和直 接的在线分析。通过使用在线分析仪获得的烃进料氢含量及烃进料碳含 量的值，可经由任何合适的计算设备用于测定液体馏分的氢含量及液体 馏分的碳含量。液体馏分的氢-碳比是利用由上述分析技术所获得的与烃 进料及热解产物气体馏分的氢及碳含量有关的信息，并计算液体馏分氢 含量及液体馏分碳含量的值而确定。有了这些数值之后，即可计算热解 产物液体馏分的氢-碳比。任何合适的设备或方法都可用以进行这种计 算，但优选使用计算机设备如常规计算机系统。
在本发明的另一方面，所测定的热解产物液体馏分的氢-碳比可用作 裂解度的指标并可用于热裂解炉的控制。认为热裂解区裂解度与液体馏 分氢-碳比之间的关系是成反比的，即，热裂解区裂解度提高将导致热解 产物液体馏分的氢-碳比降低及热裂解区裂解度降低将导致热解产物液 体馏分的氢-碳比提高。
希望尽可能经济地操作热裂解炉，以提供接近于1(1.0)的液体馏 分的氢-碳比，以摩尔为基准；但是，一般而言，液体馏分的氢-碳比应 控制在1.01至1.5的范围内，更典型地是控制在1.02至1.2的范围内， 最典型地是在1.05至1.1的范围内，以摩尔为基准。进入热解裂解装置 的烃进料的典型氢-碳比是在1.6至2.5，更典型地在1.7至2.2，最典 型地在1.8至2.0的范围内，以摩尔为基准。
在控制热解裂解工艺的条件时，存在一个由所需的热解产物液体馏 分的氢-碳比所代表的预定的所需的热裂解度。为了控制热解过程，在所 需的液体馏分的氢-碳比与根据此处所述的本发明方法所测定的液体馏 分的实际氢-碳比之间进行比较，以提供一差异值。热解工艺的条件是针 对所需的与实际的氢-碳比之间的任何差异进行调整。
该差异值可定义为氢-碳比的差值，其由液体馏分氢-碳比的所需值 减去液体馏分氢-碳比的实际值而确定。负数的差异值将需要提高热解过 程的裂解度，而正数的差异值则需要降低热解过程的裂解度。
虽然许多热解工艺的操作条件都会影响热裂解条件的裂解度，但是 响应于氢-碳比的差异值而控制的一个典型的工艺参数是热裂解区内的 裂解温度。热裂解区的温度与热裂解区出口的热解产物的温度相关，而 且可以通过测量后者对其进行监测。热裂解区的温度可通过调节热解炉 燃烧器的燃烧速度加以控制。
现请参阅图1，其为用于热裂解烃进料的热解工艺体系10的简化的 图解示意图。烃原料是经导管12以已知的速度被加入至热解或热裂解炉 16的裂解炉管或盘管14中。稀蒸汽流可经由导管17引入导管12的烃 原料中。热裂解炉16配备裂解炉管或盘管14及燃烧器18。热裂解炉16 界定出加热区并提供用于热裂解烃进料的设备。裂解炉管或盘管14界定 出热解或热裂解区，并提供用于接收烃进料的设备以将热量输入烃进料 中。燃烧器18界定出燃烧区，并提供用于燃烧燃料以产生输入到由裂解 炉管或盘管14所界定的热裂解区中的热量的设备。
燃料经由导管20引入燃烧器18中。插入导管20中的是控制阀22， 其提供用于控制燃料进入燃烧器18的速度的设备，从而控制进入由裂解 炉管或盘管14所界定的热裂解区中的热量。
示踪气体，如氦气，经由导管24以已知的速度引入稀蒸汽流17中， 其与经由导管12加入至裂解炉管或盘管14的烃进料混合。热解产物经 由导管26自裂解炉管或盘管14作为流出物取出。自导管26取出热解产 物样品以供分析仪28分析。分析仪28提供用于分析热解产物气体馏分 的示踪气体浓度、氢馏分及碳馏分的设备。为了分析热解产物的气体馏 分，热解产物首先分离成气体馏分和液体馏分，而气体馏分由分析仪28 分析。分析仪28所产生的信息由管线32提供给计算机及控制器30。
自导管12取出烃进料样品以供分析仪34分析。分析仪34提供用于 测量及测定烃进料的氢及碳含量的设备。分析仪34所产生的信息由管线 36提供给计算机及控制器30。计算机及控制器30提供用于处理输入信 息以计算热解产物液体馏分的氢-碳比的设备，并进一步提供设备以控制 热裂解炉16响应于液体馏分的氢-碳比变化而操作的裂解度。
为了控制裂解过程的裂解度，将所需的液体馏分氢-碳比的预定值， 又称为设定点，经由管线38提供给计算机及控制器30。计算机及控制 器30对经由管线32、管线36及管线38提供的信息进行处理以计算液 体馏分的氢-碳比的值。由计算机及控制器30计算液体馏分实际的氢- 碳比与液体馏分所需的氢-碳比之间的差异值，并由管线40将代表该差 异值的输出信号送至控制阀22。控制阀22响应于来自管线40的输入信 号进行调整，从而改变输入热裂解炉16的热量，并因此改变裂解度，最 终提供具有所需氢-碳比的液体馏分。
以下实施例代表一假设的计算。
实施例
已知量：
示踪氦气：268.5g/小时
烃进料：34931.4kg/小时
测定及计算：
烃进料组成：13.86wt％氢、86.04wt％碳
烃进料氢含量：34931.4kg/小时的13.86wt％＝4841.5kg/小时
烃进料碳含量：34931.4kg/小时的86.04wt％＝30054.98kg/小时
气体馏分中氦的浓度：80ppm(体积)或12.807ppm(重量)
热解产物中气体馏分的比例：(268.5g/小时)/(12.807ppm(重量)) ＝20965.1kg/小时
气体馏分组成：17.325wt％氢、82.675wt％碳
气体馏分氢含量：20965.1kg/小时的17.325wt％＝3632.20kg/小时
气体馏分碳含量：20965.1kg/小时的82.675wt％＝17332.90kg/小时
液体馏分氢含量：4841.5kg/小时-3632.20kg/小时＝1209.30kg/小时
液体馏分碳含量：30054.98kg/小时-17332.90kg/小时＝12722.08kg/ 小时
液体馏分的氢-碳比：(1209.30kg/小时)/(12722.08kg/小 时)＝0.095055，以重量计，
(0.095055)(12)＝1.14，以摩尔计。
虽然这一假设的计算是以质量流速(kg/小时)计算，但也可以质量 (例如，以kg计)计算，即，无时间因素。
虽然本发明已就现在的优选实施方案作了说明，但本领域技术人员 应理解本发明可作合理的变化及改变。这些变化及改变也皆在所描述的 本发明及所附的权利要求书的范围之内。