Aspen模擬軟件在裂解裝置甲烷化單元的優(yōu)化應(yīng)用

張健杰(中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525000)

0 引言

隨著AspenTech系列等商用計算機模擬軟件的成熟與普及，化工生產(chǎn)單元模擬與應(yīng)用已逐漸成為生產(chǎn)技術(shù)人員管理與優(yōu)化裝置運行的重要技能之一。通過應(yīng)用過程模擬軟件根據(jù)實際生產(chǎn)情況搭建裝置單元模型，一方面能夠充分梳理生產(chǎn)裝置的當(dāng)前運行情況，另一方面也能夠通過修改參數(shù)模擬生產(chǎn)變化。鑒于某裂解裝置在前工段擴能改造后，甲烷化單元存在優(yōu)化空間，故采用AspenTech系列模擬軟件對該單元進(jìn)行分析優(yōu)化。Aspen HYSYS作為成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬軟件[1]，具有全面的熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，豐富的單元操作模塊庫，能夠?qū)崿F(xiàn)對化工生產(chǎn)過程的模擬；Aspen Energy Analyzer是進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的概念設(shè)計包，能夠?qū)崿F(xiàn)夾點分析和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的環(huán)境；Aspen EDR能夠?qū)崿F(xiàn)對換熱器的熱力設(shè)計、機械設(shè)計、成本估算以及繪圖等功能，并且在AspenONE 7.0后實現(xiàn)了與Aspen HYSYS的無縫對接，能夠在流程模擬工藝計算后轉(zhuǎn)入換熱器設(shè)計計算。文章通過對某采用Stone & Webster乙烯生產(chǎn)工藝的裂解裝置甲烷化單元進(jìn)行流程模擬，結(jié)合Aspen Energy Analyzer進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)分析并對流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，再通過將優(yōu)化流程的參數(shù)導(dǎo)入Aspen EDR進(jìn)行模擬計算后得到換熱器的參考型式。

1 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論簡介

換熱網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化方面采用夾點技術(shù)分析，以達(dá)到節(jié)能的效果。夾點技術(shù)是英國學(xué)者Linhoff于20世紀(jì)70年代在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)之上提出的，并逐漸發(fā)展成為一整套換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計方法。

該技術(shù)是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀的角度分析過程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸”所在，并給以解“瓶頸”的一種方法。夾點技術(shù)適用于換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和節(jié)能改造。當(dāng)有多股熱流和多股冷流進(jìn)行換熱時，可將所有的熱流合并成一根熱復(fù)合曲線，所有的冷流合并成一根冷復(fù)合曲線，然后將兩者一起表示在溫-焓圖上。

總復(fù)合曲線(grand composite curve,后簡稱為GCC)表示溫位與熱通量的關(guān)系，可以從冷熱復(fù)合曲線獲得：將冷復(fù)合曲線上移半個夾點溫差，將熱復(fù)合曲線下移半個夾點溫差，然后再由同溫度下兩曲線上的橫坐標(biāo)相減即得該溫度下總復(fù)合曲線的橫坐標(biāo)值?？倧?fù)合曲線表明了整個系統(tǒng)所需與外界交換的熱量和溫位，反映系統(tǒng)需要的加熱公用工程和冷卻公用工程的情況。

在夾點之上，為了減少加熱公用工程的費用，根據(jù)總復(fù)合曲線應(yīng)選擇盡量接近凈熱阱的加熱公用工程級別。常用的加熱公用工程有兩種形態(tài)：一種是有相變的介質(zhì)，常用蒸汽；

另一種是無相變的介質(zhì)，例如熱油、煙道氣等。夾點之下冷卻公用工程的選擇，分兩種情況考慮。

第一種，夾點溫度較低。在這種情況下，低溫段的冷卻，要用到低溫冷量。為減少操作費用，應(yīng)盡量選擇環(huán)境介質(zhì)的冷卻公用工程，以減少低溫冷量的用量。

第二種，夾點溫度較高。在這種情況下，凈熱源的溫位足夠高，應(yīng)考慮用來發(fā)生蒸汽，以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 工藝流程簡介

裂解裝置的爐區(qū)裂解石腦油、加氫尾油、輕烴等裂解原料后，經(jīng)過急冷、壓縮、分離等工段獲得多種精制的產(chǎn)品。該過程中，深冷分離后的富氫餾分則是甲烷化單元的原料，一般稱作粗氫。粗氫中主要含有氫氣、甲烷與一氧化碳。模擬采用的甲烷化單元進(jìn)料組分如表1所示。

表1 甲烷化進(jìn)料與產(chǎn)品組分一覽表

其中一氧化碳來自上游裂解爐爐管中稀釋蒸汽與碳的水煤氣反應(yīng)：

作為雜質(zhì)在深冷分離系統(tǒng)中無法與氫氣冷凝分離，從而影響氫氣的純度。氫氣作為下游聚乙烯裝置的重要原料，為避免影響聚合反應(yīng)催化劑的活性，劣化聚乙烯產(chǎn)品的性能，需要脫除其中的一氧化碳。最常見的脫除方法之一是甲烷化法，即為通過在氧化鎳催化劑作用下使物料中一氧化碳與氫氣發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷與水，從而脫除雜質(zhì)：

該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，但由于一氧化碳在氣體中含量不高，可在絕熱的反應(yīng)器中進(jìn)行。

某基于Stone & Webster乙烯生產(chǎn)工藝的裂解裝置的甲烷化單元流程簡述如下：粗氫在甲烷化反應(yīng)器進(jìn)出料換熱器E-01進(jìn)行預(yù)熱后，再通過甲烷化反應(yīng)器進(jìn)料加熱器E-02以中壓蒸汽為熱源加熱后進(jìn)入甲烷化反應(yīng)器R-01。甲烷化反應(yīng)器R-01中一氧化碳和氫氣在鎳催化劑的作用下發(fā)生強放熱的甲烷化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷和水。甲烷化反應(yīng)器R-01的出料首先在甲烷化反應(yīng)器進(jìn)出料換熱器E-01冷卻，然后在甲烷化反應(yīng)器出料冷卻器E-03用丙烯冷劑進(jìn)一步冷卻，再送入甲烷化氣液分離罐V-01進(jìn)行氣液分離。罐底部排出游離水，頂部氫氣送入氫氣干燥器V-02進(jìn)行干燥后脫除微量水后作為氫氣產(chǎn)品外送。

3 模擬流程分析及優(yōu)化

基于原甲烷化單元流程搭建的Aspen HYSYS模擬模型如圖1所示。

圖1 甲烷化單元模擬流程

運行模擬運算后將關(guān)鍵換熱器參數(shù)代入Aspen Energy Analyzer進(jìn)行能量分析，實際工況下單元內(nèi)換熱設(shè)備的主要工藝參數(shù)表，實際工況GCC曲線如表2、圖2所示。

表2 實際工況甲烷化單元換熱設(shè)備參數(shù)

圖2 甲烷化單元實際工況GCC

實際工況下，甲烷化單元進(jìn)料(粗氫)進(jìn)入甲烷化反應(yīng)器進(jìn)出料換熱器E-01與甲烷化反應(yīng)器R-01出料換熱回收反應(yīng)熱后預(yù)熱升至88 ℃左右，再經(jīng)過甲烷化反應(yīng)器進(jìn)料加熱器E-02被中壓蒸汽加熱到165 ℃后進(jìn)入甲烷化反應(yīng)器R-01。甲烷化反應(yīng)器R-01出料溫度為174 ℃，在甲烷化反應(yīng)器進(jìn)出料換熱器E-01中回收余熱后被冷卻至約109 ℃，然后進(jìn)入甲烷化反應(yīng)器出料冷卻器E-03被7 ℃的丙烯冷劑冷卻，物料溫度降到12 ℃左右。由實際工況GCC曲線可知，甲烷化單元的夾點在109 ℃附近。由此分析可得，一方面可以考慮利用甲烷化反應(yīng)器進(jìn)出料換熱器E-01中甲烷化反應(yīng)器出料物料作為低溫位用戶的熱源進(jìn)行熱量回收；另一方面可以考慮提升甲烷化反應(yīng)器進(jìn)出料換熱器的熱量回收能力。

結(jié)合裝置實際，提出優(yōu)化建議如下：一是可以考慮增設(shè)或是升級甲烷化反應(yīng)器進(jìn)出料換熱器，從而提升換熱能力，更大化回收甲烷化反應(yīng)熱。一方面提高甲烷化反應(yīng)器進(jìn)料預(yù)熱溫度，減少甲烷化反應(yīng)器進(jìn)料加熱器E-02的中壓蒸汽消耗量；另一方面，能夠進(jìn)一步降低甲烷化反應(yīng)器出料溫度，減少甲烷化反應(yīng)器出料冷卻器E-03丙烯冷劑負(fù)荷。二是原本夾點以下直接使用丙烯冷劑冷卻較不合理。優(yōu)化流程中，甲烷化反應(yīng)器出料冷卻器E-03前考慮增設(shè)循環(huán)水冷卻器進(jìn)行降溫，優(yōu)化冷劑分配。

按照以上優(yōu)化思路，更換原進(jìn)出料換熱器E-01為新進(jìn)出料換熱器E-01*，增設(shè)循環(huán)水冷卻器E-03*，優(yōu)化流程后如圖3所示。

圖3 甲烷化單元優(yōu)化模擬流程

表3 優(yōu)化工況甲烷化單元換熱設(shè)備參數(shù)

優(yōu)化工況下，甲烷化單元進(jìn)料通過新進(jìn)出料換熱器E-01*更大化回收反應(yīng)熱后預(yù)熱至101.7℃，從而實現(xiàn)甲烷化反應(yīng)器進(jìn)料加熱器E-02能夠較實際工況減少0.13 t/h中壓蒸汽的用量將進(jìn)料升溫至165 ℃。由于甲烷化反應(yīng)器出料溫度降低，加上增設(shè)了出料循環(huán)水冷卻器E-03*，甲烷化反應(yīng)器出料冷卻器E-03在7 ℃的丙烯冷劑用量減少3 t/h的情況下能夠滿足物料溫度降到12 ℃的要求。優(yōu)化工況GCC曲線如圖4所示。

圖4 甲烷化單元優(yōu)化工況GCC

根據(jù)《乙烯裝置單位產(chǎn)品能源消耗限額(GB 30250—2013)》內(nèi)乙烯裝置能源及耗能工質(zhì)折算值，公用工程能耗變化如表4所示。

表4 能量折算系數(shù)表

優(yōu)化工況下，公用工程能耗實現(xiàn)年降2.75×106MJ。

通過將Aspen HYSYS模擬的優(yōu)化工況中新進(jìn)出料換熱器E-01*的運行參數(shù)直接導(dǎo)入Aspen EDR中，并通過“設(shè)計模式”進(jìn)行換熱器設(shè)計。該模式中，在滿足各流體最大壓降的情況下，基于輸入的換熱器整體結(jié)構(gòu)參數(shù)與管路信息，以最小成本或者最小面積為目標(biāo)確定完成規(guī)定熱負(fù)荷的一個或多個換熱器[3]。

對于新進(jìn)出料換熱器E-01*，Aspen EDR的“優(yōu)化路徑”提供了23種方案。出于最小成本考慮，結(jié)合實際與經(jīng)驗得出較優(yōu)方案的部分情況如表5所示。

表5 新進(jìn)出料換熱器E-01*設(shè)備設(shè)計總體性能

結(jié)構(gòu)參數(shù)：新進(jìn)出料換熱器E-01*的換熱器型式為NEN，材質(zhì)為1-1/4Cr-1/2Mo，管程數(shù)2，殼徑(內(nèi)徑)307 mm，管長2 250 mm，光管，管數(shù)112，管外徑16 mm，管壁厚1.5 mm，正三角形排列，管中心距22 mm，單弓形折流板，窗口區(qū)不布管，圓缺率16.2%。

面積余量：10%。

流速：殼側(cè)平均流速5.25 m/s，管側(cè)平均流速24.85 m/s，兩側(cè)最大流速見表5，平均流速與最大流速均在合理范圍。窗口流速與錯流流速于靠近進(jìn)口與靠近出口的比值分別為2.29、2.29，對于窗口區(qū)不布管的設(shè)計，滿足比值小于3∶1。

壓降：殼側(cè)與管側(cè)的壓降分別為6.8 kPa與10.7 kPa，均小于允許壓降。

流路分析：B流路分?jǐn)?shù)為0.57，無須采取額外措施提高。

溫度分布：冷熱流體之間無溫度交叉。

熱阻分布：如圖5所示，熱阻分布基本均衡。

圖5 新進(jìn)出料換熱器E-01*熱阻分布圖

成本費用：18.9萬元(僅供參考，實際價格需咨詢產(chǎn)家)。

對于新增出料循環(huán)水冷卻器E-03*，采取類似的模擬計算與分析可得到適合優(yōu)化工況的參考設(shè)計，此處不再贅述。

4 結(jié)語

文章對某裂解裝置甲烷化單元采用AspenTech系列軟件中Aspen HYSYS、Aspen Energy Analyzer，Aspen EDR等 模塊的聯(lián)動應(yīng)用探討與實現(xiàn)了實際工況流程模擬、換熱網(wǎng)絡(luò)分析、優(yōu)化工況流程模擬以及相應(yīng)換熱器設(shè)計等裝置單元優(yōu)化應(yīng)用場景，為其他裝置單元優(yōu)化提供思路與借鑒。該過程中一是通過模擬分析實際工況換熱網(wǎng)絡(luò)挖掘優(yōu)化潛力，提出優(yōu)化建議；二是實現(xiàn)優(yōu)化工況下公用工程能耗年降2.75×106MJ；三是提出建議變更的新進(jìn)出料換熱器E-01*的選型參考。