HYSYS軟件模擬克勞斯法硫磺回收工藝

曹 虎，黃世勇，王富麗，何曉霞

（1.北京石油化工工程有限公司上海分公司，上海 200032；2.廣西化工研究院，廣西 南寧 530001）

化學(xué)工程

HYSYS軟件模擬克勞斯法硫磺回收工藝

曹 虎1，黃世勇1，王富麗2，何曉霞1

（1.北京石油化工工程有限公司上海分公司，上海 200032；2.廣西化工研究院，廣西 南寧 530001）

HYSYS軟件因?yàn)槲镄詳?shù)據(jù)庫(kù)不完整，對(duì)克勞斯（Claus）法硫磺回收工藝不能進(jìn)行有效模擬。通過(guò)完善HYSYS軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)中的部分物性數(shù)據(jù)，HYSYS軟件亦可對(duì)克勞斯法硫磺回收工藝進(jìn)行高精度模擬。本文利用完善后的HYSYS軟件對(duì)中國(guó)石化上海高橋分公司原油適應(yīng)性改造工程環(huán)保項(xiàng)目硫磺回收裝置和中國(guó)石油克拉瑪依石化公司硫磺回收裝置擴(kuò)能改造項(xiàng)目進(jìn)行了工藝模擬，結(jié)果與SULSIM軟件模擬結(jié)果進(jìn)行比較，其計(jì)算偏差在允許范圍內(nèi)。

克勞斯法；硫磺回收；HYSYS軟件；過(guò)程模擬

隨著全球含硫原油和天然氣資源的大量開(kāi)發(fā)，以及節(jié)能減排日益引起全社會(huì)的重視，以克勞斯法（Claus）從酸性氣中回收硫磺已成為石油化工企業(yè)的一個(gè)重要組成部分[1-2]，其原理是使部分硫化氫燃燒生成二氧化硫，二氧化硫再與剩下的硫化氫反應(yīng)而生成硫磺。近年來(lái)，中小化工設(shè)計(jì)院也會(huì)在業(yè)務(wù)開(kāi)展過(guò)程中遇到硫磺回收裝置。目前，通用的全流程硫磺回收模擬軟件是Sulphur Experts公司開(kāi)發(fā)的SULSIM，由于其昂貴的價(jià)格，購(gòu)買(mǎi)這一軟件的國(guó)內(nèi)企業(yè)不多。此外，購(gòu)買(mǎi)SULSIM軟件會(huì)有繁瑣的申購(gòu)程序和一定的軟件熟練期，項(xiàng)目報(bào)價(jià)和設(shè)計(jì)進(jìn)度易受硫磺回收裝置的影響。

HYSYS軟件是加拿大HyproTech公司研發(fā)的一款工程模擬軟件[3]，其功能強(qiáng)大，操作界面簡(jiǎn)單，是工藝過(guò)程模擬的常規(guī)軟件之一[4-8]。然而，HYSYS軟件因?yàn)槲镄詳?shù)據(jù)庫(kù)不完整，對(duì)克勞斯法硫磺回收工藝不能進(jìn)行有效模擬。通過(guò)完善HYSYS軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)中的部分物性數(shù)據(jù)，亦可對(duì)克勞斯法硫磺回收工藝進(jìn)行高精度模擬。借助這一辦法，中小化工設(shè)計(jì)院在承接硫磺回收項(xiàng)目時(shí)，能夠避免決策階段以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段的盲目性，為項(xiàng)目進(jìn)展贏得時(shí)間。

本文通過(guò)對(duì)相關(guān)物性數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，利用HYSYS軟件對(duì)中國(guó)石化上海高橋分公司原油適應(yīng)性改造工程環(huán)保項(xiàng)目硫磺回收裝置（5萬(wàn)t·a-1，簡(jiǎn)稱(chēng)高橋項(xiàng)目）和新疆中國(guó)石油克拉瑪依石化公司硫磺回收裝置擴(kuò)能改造項(xiàng)目（4000 t·a-1，簡(jiǎn)稱(chēng)克拉瑪依項(xiàng)目）進(jìn)行了工藝模擬，所得結(jié)果與SULSIM軟件模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證其模擬精度是否符合不同工藝需求。

1 工藝流程介紹

克勞斯法按照硫磺回收規(guī)模大小，分為2套工藝路線。一種為大規(guī)模硫磺回收工藝路線，如圖1所示。酸性氣和空氣一起在酸性氣焚燒爐燃燒，爐內(nèi)的溫度可達(dá)1200 ℃上下。高溫過(guò)程氣在廢熱鍋爐中降溫至350 ℃，隨后進(jìn)入一級(jí)硫冷凝器被進(jìn)一步冷卻至170℃。在硫冷凝器中，硫蒸氣變成液硫。此后，過(guò)程氣被加熱至240 ℃并在催化劑的作用下進(jìn)行克勞斯反應(yīng)。在一級(jí)反應(yīng)器中，H2S的轉(zhuǎn)化率一般控制在65%左右。反應(yīng)后的過(guò)程氣進(jìn)入二級(jí)硫冷凝器，溫度被降至160℃，排出液硫。隨后，過(guò)程氣被加熱至220 ℃進(jìn)行克勞斯催化反應(yīng)。在二級(jí)反應(yīng)器中，過(guò)程氣中H2S的轉(zhuǎn)化率一般控制在50%左右。最后，過(guò)程氣再被冷卻至158 ℃，從而把氣相中的硫蒸氣濃度進(jìn)一步減低。這樣處理過(guò)的酸性氣，經(jīng)加氫和水洗之后即可達(dá)標(biāo)排放。

圖1 克勞斯法回收硫磺工藝流程（大規(guī)模）

另一種為小規(guī)模硫磺回收工藝路線，如圖2所示。與大規(guī)模工藝路線相比，其主要的工藝過(guò)程和工藝參數(shù)基本一致，這里不再介紹。不同點(diǎn)是小規(guī)模硫磺回收工藝是利用從酸性氣焚燒爐中引出的2股高溫流體分別和下游冷過(guò)程氣摻合，從而達(dá)到替代一/二級(jí)過(guò)程氣加熱器的效果，節(jié)省了建設(shè)成本，更加方便靈活。

圖2 克勞斯法回收硫磺工藝路線（小規(guī)模）

2 HYSYS模型建立

克勞斯反應(yīng)如式（1）和式（2）所示。但是酸性氣在焚燒爐內(nèi)除了發(fā)生克勞斯反應(yīng)外，還會(huì)發(fā)生其他的一系列反應(yīng)等，如式（3）和式（4）所示。

HYSYS軟件具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)，能精確模擬反應(yīng)（1）、（3）和（4）。根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐，對(duì)于反應(yīng)（2），由于其物性數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)缺少單質(zhì)硫的理化信息，模擬結(jié)果粗糙，不能滿(mǎn)足工業(yè)化設(shè)計(jì)的要求[9]。硫單質(zhì)在不同的條件下，呈現(xiàn)不同的化學(xué)屬性。在克勞斯工藝條件下，一般只需要考慮S2、S6和S8這3種，其中S2為氣態(tài)硫[S(v)]，而S6、S8為液態(tài)硫[S(l)]。HYSYS自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中并不包含這3種物質(zhì)的理化信息，需要自行補(bǔ)充完善。利用HYSYS自定義成分的功能，分別定義S2、S6和S8這3種物質(zhì)。一部分理化性質(zhì)，比如熔沸點(diǎn)等，在分子量確定之后系統(tǒng)即會(huì)自動(dòng)生成。而化工模擬中最重要的ΔrG和ΔrH則由以下方法進(jìn)行計(jì)算。首先，將所涉及反應(yīng)的平衡常數(shù)計(jì)算式分別導(dǎo)入相應(yīng)的平衡反應(yīng)器模型，這可以確定各個(gè)反應(yīng)最終的平衡狀態(tài)及各組分濃度。然后，在已知平衡常數(shù)的前提下，利用范特霍夫方程ΔrH=(dlnK/dT)/RT2，計(jì)算出各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱計(jì)算式。據(jù)此，可以獲得各個(gè)反應(yīng)階段以及其后的冷卻分離階段的熱負(fù)荷。表1中列出了克勞斯法工藝中涉及S2、S6和S8化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的計(jì)算式[1]。

3 模擬結(jié)果分析

分別利用完善后的HYSYS軟件模擬高橋項(xiàng)目和克拉瑪依項(xiàng)目，并將結(jié)果與這2個(gè)項(xiàng)目的工藝物料平衡圖（PFD，SULSIM軟件模擬結(jié)果）進(jìn)行比較。其中，高橋項(xiàng)目裝置規(guī)模為5萬(wàn)t·a-1，采用的是大規(guī)模工藝路線進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)表2、表3和表4?？死斠理?xiàng)目裝置規(guī)模為4000t·a-1，采用的是小規(guī)模工藝路線進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)表5、表6和表7。

從表2～7中可以看出（表中的組分物流號(hào)可參見(jiàn)圖1和圖2），經(jīng)完善后的HYSYS軟件與SULSIM軟件的模擬結(jié)果相比，其計(jì)算偏差較小。高橋項(xiàng)目和克拉瑪依項(xiàng)目的模擬結(jié)果表明，2個(gè)軟件模擬的焚燒爐溫相當(dāng)接近，廢熱鍋爐的熱負(fù)荷偏差也都在±1%以?xún)?nèi)。盡管部分物流中的某些組分的濃度偏差比較大，但是這種偏差會(huì)在后繼的流程中逐漸彌合，對(duì)最終結(jié)果的影響有限。具體如高橋項(xiàng)目中，焚燒爐出口H2S偏差-3.0%，SO2偏差-3.0%，Sx偏差+1.1%；克拉瑪依項(xiàng)目中，焚燒爐出口H2S偏差+6.7%，SO2偏差+4.5%，Sx偏差-4.0%，但最終硫磺產(chǎn)量的差別均不到0.25%。此外，盡管各級(jí)硫冷凝器的負(fù)荷都存在偏差，但是總負(fù)荷偏差在±3%以?xún)?nèi)。對(duì)于一級(jí)硫冷凝器的熱負(fù)荷，HYSYS軟件的模擬結(jié)果較SULSIM的數(shù)值少4%～5%。而后兩級(jí)冷凝器的偏差大小與裝置規(guī)模大小及采用的工藝路線有關(guān)。裝置規(guī)模小時(shí)偏差大一些，如克拉瑪依項(xiàng)目偏差可達(dá)+(10%～14%)；裝置規(guī)模大時(shí)偏差小一些，如高橋項(xiàng)目偏差僅為+(0.5%～0.9%)。但從絕對(duì)偏差來(lái)看，二級(jí)冷凝器偏差約+8.8kW，三級(jí)冷凝器偏差約+6.5kW。所以，根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模，對(duì)一級(jí)硫冷凝器負(fù)荷適當(dāng)增加5%，對(duì)二級(jí)、三級(jí)冷凝器則相應(yīng)減少，并不會(huì)影響設(shè)計(jì)和詢(xún)價(jià)硫冷凝器。

表1 相關(guān)反應(yīng)平衡常數(shù)的計(jì)算式（Kp計(jì)算式中的分壓皆以kPa計(jì)）

表2 高橋項(xiàng)目HYSYS模擬數(shù)據(jù)

表3 高橋項(xiàng)目SULSIM模擬數(shù)據(jù)

表4 高橋項(xiàng)目模擬設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)比

表5 克拉瑪依項(xiàng)目HYSYS模擬數(shù)據(jù)

表6 克拉瑪依項(xiàng)目SULSIM模擬數(shù)據(jù)

表7 克拉瑪依項(xiàng)目模擬設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)比

HYSYS軟件與SULSIM軟件計(jì)算結(jié)果的不同，是2個(gè)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)不同所致。所以，這些偏差不可能得到根除。但是根據(jù)上述分析，利用偏差規(guī)律對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，可以使物料平衡和熱量平衡的模擬結(jié)果偏差更小，不會(huì)對(duì)條件委托、產(chǎn)能估量和設(shè)備詢(xún)價(jià)有影響。

4 結(jié)論

由于歷史原因，國(guó)內(nèi)硫磺回收項(xiàng)目長(zhǎng)期以來(lái)一直為大型設(shè)計(jì)院所壟斷。中小設(shè)計(jì)院出于成本顧慮，購(gòu)買(mǎi)SULSIM軟件的較少，這就導(dǎo)致他們?nèi)鄙俑?jìng)爭(zhēng)硫磺回收項(xiàng)目的技術(shù)勇氣。本文的研究工作表明，通過(guò)完善HYSYS軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)中的部分物性數(shù)據(jù)，對(duì)克勞斯法大規(guī)模工藝路線和小規(guī)模工藝路線均可實(shí)現(xiàn)高精度模擬，該方法具有很好的適應(yīng)性，對(duì)于中小化工設(shè)計(jì)院具有很好的參考意義。因此，在缺少SULSIM軟件的前提下，利用HYSYS軟件亦可在硫磺回收項(xiàng)目決策和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段做一些有意義且準(zhǔn)確度較高的工作。

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Simulation of Claus Sulfur Recovery Process using HYSYS Software

CAO Hu1,HUANG Shi-yong2, WANG Fu-li2, HE Xiao-xia1
（1. Shanghai Branch, Beijing Petrochemical Engineering Co.. Ltd., Shanghai 200032, China; 2. Guangxi Research Institute of Chemical Industry, Nanning 530001, China）

Database of HYSYS software was not comprehensive enough to effecitvely simulate the Claus sulfur recovery process. But if the database of HYSYS was patched by some componen t’s thermodynamic data, HYSYS software could also be used to simulate the Claus sulfur recovery process, accurately. Based on this idea, this paper simulated the sulfur recovery project of Shanghai Gaoqiao petrochemical industries company and Xinjiang Karamay petrochemical industries company, and the simulation results was in accordance with that of SULSIM software by and large, and the calculation error was within the allowable range.

Claus method; sulfur recovery; HYSYS software; progress simulation

TQ 019

A

1671-9905(2014)06-0071-04

曹虎（1980-），男，湖南武岡人，工程師，碩士，主要從事石油化工項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)和咨詢(xún)工作，Email：xjcctv@sina.com

2014-03-29