許斌 中國成達工程有限公司 成都 610041

設計技術

Aspen Plus在深冷凈化合成氨工藝模擬中的應用

許斌*中國成達工程有限公司 成都 610041

以Aspen Plus為工具對深冷凈化工藝中冷箱內的氣液相平衡進行預測計算。計算選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，通過對二元交互作用參數(shù)的回歸和修正，獲得了滿意結果。在此基礎上，對采用深冷凈化工藝的合成氨裝置進行全流程模擬，研究工藝參數(shù)改變對冷箱及其下游氨合成系統(tǒng)的影響。

深冷凈化流程模擬冷箱氫氮比惰氣含量

1 Aspen Plus簡介

Aspen Tech公司的Aspen Plus是通用型穩(wěn)態(tài)工藝流程模擬軟件。該軟件源于上世紀70年代后期美國能源部在麻省理工學院組織的第三代流程模擬軟件開發(fā)項目“過程工程的先進系統(tǒng)”(Advanced System for Process Engineering簡稱Aspen)。經(jīng)過近30年的發(fā)展，Aspen Plus已經(jīng)成為擁有18840種純組分、近110個物性模型、約50種單元操作模型的大型標準模擬軟件。其應用范圍涵蓋了石油、化工、冶金、制藥等多個行業(yè)。Aspen Plus的功能包括:①針對工藝過程進行嚴格的能量平衡及質量平衡計算;②預測操作條件，包括物流的流率、組成及性質;③預測設備尺寸;④幫助進行多方案的比較及設計或操作的優(yōu)化。

2 深冷凈化工藝

深冷凈化工藝在上世紀60年代由Brown＆Root公司［1］開發(fā)并應用于氣頭合成氨裝置的設計。世界上首套采用深冷凈化工藝的合成氨裝置于1966年在美國Unocal氨廠投入使用。國內從上世紀90年代引進該技術，到2011年，已有6套采用深冷凈化工藝的氣頭合成氨裝置投入運行，詳見表1。

深冷凈化工藝的基本原理:在流程中設置冷箱，以移除合成補充氣中的大部分惰性氣體和多余氮氣。由于流程中設置了冷箱，因此二段轉化爐中添加過量的空氣，一段轉化的部分負荷被移往二段轉化爐，一段轉化爐的操作溫度降低，同時也降低了二段轉化爐出口的溫度，使整個轉化工序的操作更加溫和，系統(tǒng)的可靠性更高。由于冷箱出口的合成補充氣中惰性氣體含量很低，氣體成分更加純凈，使氨合成回路的效率更高。工藝流程見圖1。

表1 國內采用深冷凈化工藝的合成氨裝置

圖1 深冷凈化工藝流程框圖

在采用深冷凈化工藝的合成氨裝置中，冷箱作為深冷凈化工藝中的核心設備，起著移除惰性組分、調整合成氫氮比、保證合成效率的關鍵作用。生產實踐表明，冷箱操作穩(wěn)定是合成系統(tǒng)獲得高效率的關鍵。本文借助Aspen Plus軟件對深冷凈化工藝進行模擬，并在此基礎上研究工藝條件改變后對冷箱及下游氨合成系統(tǒng)操作的影響。

3 物性模型的選擇及參數(shù)修正

在深冷凈化工藝中，冷箱處于中壓(2.5～3.0MPa)、深冷(－182～－178℃)的操作條件，工藝介質中的成分包括H2、N2、CH4、Ar，均為非極性物質。文獻1，2，3中推薦采用Peng-Robinson狀態(tài)方程(以下簡稱PR方程)計算類似條件下的氣液相平衡。PR方程屬于立方型狀態(tài)方程，

其基本形式為:

式中，P為壓力;V為摩爾體積;T為溫度;Tc為臨界溫度;Tr為對比溫度;Pc為臨界壓力;R為氣體常數(shù);Kij為二元交互作用參數(shù);ω為偏心因子。

公式中的二元交互作用參數(shù)Kij反映物質之間的相互作用程度，是預測二元以及多元體系氣液相平衡的關鍵參數(shù)。在Aspen Plus軟件自帶的物性數(shù)據(jù)庫中，用PR狀態(tài)方程模擬冷箱工況時所需要的二元交互作用參數(shù)不完整，同時軟件數(shù)據(jù)庫中已有的幾組二元交互作用參數(shù)均設定為與溫度無關的參數(shù)，通過試算表明，在深冷工況下其計算誤差較大，計算結果不能準確地反映該工況下的氣液相平衡狀況，因此需要對二元交互作用參數(shù)進行修正和補充。

本文通過文獻2，4～6收集了多套二元組分在低溫下的的氣液相平衡數(shù)據(jù)，并以此為基礎，利用Aspen Plus自帶的數(shù)據(jù)回歸工具，回歸得到需要的二元交互作用參數(shù)，回歸的二元交互作用參數(shù)采用溫度函數(shù)的形式。本文在Aspen Plus中應用這些二元交互作用參數(shù)對氣液相平衡曲線進行預測，并與參考文獻2，4～6中實驗得到的深冷工況下氣液相平衡數(shù)據(jù)進行對比，詳見圖2～圖6。

圖2 H2-N2氣液平衡預測曲線及實驗數(shù)據(jù)

圖3 H2-Ar氣液平衡預測曲線及實驗數(shù)據(jù)

圖4 N2-Ar氣液平衡預測曲線及實驗數(shù)據(jù)

圖5 N2-CH4氣液平衡預測曲線及實驗數(shù)據(jù)

圖6 Ar-CH4氣液平衡預測曲線及實驗數(shù)據(jù)

結果表明，選擇PR狀態(tài)方程計算二元體系的氣液相平衡時，通過修正二元交互作用參數(shù)，其預測計算的結果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，修正后的PR方程模型適用于深冷工況的模擬計算。

4 流程模擬及工況分析

完善物性模型后，先后對國內兩套采用深冷凈化工藝的合成氨裝置進行模擬計算，并將合成氨裝置A、B冷箱模擬結果與原設計值進行對比，結果詳見表2、表3。

從表2、表3可以看出，Aspen Plus的計算結果與專利商的原設計值差異很小。

表2 合成氨裝置A冷箱模擬結果與原設計值的對比

表3 合成氨裝置B冷箱模擬結果與原設計值的對比

在成功模擬冷箱的基礎上，對合成氨裝置進行全流程模擬，重點分析冷箱入口氣氫氮比對冷箱和下游合成系統(tǒng)的影響。

為便于比較，在模擬過程中首先做如下假定:①除冷箱(及前系統(tǒng))的操作壓力不同外，兩套裝置的其余工藝操作條件(包括原料氣流量、成分等)均相同;②工藝空氣流量降低后，原料天然氣、合成循環(huán)氣的流量均不改變，一段轉化爐出口操作溫度不變;③合成補充氣(冷箱出口氣)的氫氮比始終控制在約3.0;④假定氨合成回路的設計有足夠的余量，能適應高惰性氣體含量的操作。

模擬結果見表4、表5。

圖7和圖8分別表示冷箱出口氣中的惰性氣體含量以及裝置氨產量與冷箱入口氫氮比的關系。

從模擬結果可以看出:

(1)工藝空氣的加入量減少后，隨著冷箱入口氣氫氮比的增加，冷箱出口氣中的惰性氣體含量升高，從而直接造成合成回路中惰性氣體的積累，使合成效率降低，裝置的氨產量下降。

(2)入口氫氮比相同，在27.1bar(A)壓力下操作的冷箱出口氣中的惰性氣體含量更低。

(3)冷箱出口氣中惰性氣體含量隨入口氫氮比增大而升高的趨勢是非線性的。當入口氫氮比升高到2.05以上，冷箱出口惰性氣體含量增長的速度極快。操作時應注意，壓力較高時，這種趨勢更加明顯。

表4 32.1bar(A)壓力下冷箱入口氫氮比增加對裝置產量的影響

表5 27.1bar(A)壓力下冷箱入口氫氮比增加對裝置產量的影響

圖7 合成補充氣中惰性氣體含量與冷箱入口氣氫氮比的關系

圖8 液氨產量與冷箱入口氣氫氮比的關系

5 結語

經(jīng)過物性參數(shù)修正，Aspen Plus可較好地應用于深冷凈化流程的模擬。流程模擬結果表明:入口氫氮比直接影響冷箱出口氣中的惰性氣體含量及合成系統(tǒng)的效率。冷箱入口氫氮比越高，出口氣中的惰性氣體含量就越高，且惰性氣體含量隨入口氫氮比增大而升高的趨勢是非線性的。對于采用深冷凈化工藝的合成氨裝置，其合成系統(tǒng)的設計能力有限，在實際操作中冷箱入口氣的氫氮比不宜高于2.05。

1 Aspen用戶手冊，Aspen Physical Property System．

2 Vapor-liquid equilibrium in binary and ternary mixtures of nitrogen，argon，and methane，Zhangli Jin，Kunyuan Liu，Wangwang Sheng，J.Chem.Eng.Data，1993，38(3):353－355．

3 徐福根等，以PR方程為基礎的氧－氮－氬系統(tǒng)氣液平衡計算及在空分操作中的應用［J］．氣體分離，2006(6)．

4 Liquid-vapour equilibrium for hydrogen+nitrogen at temperatures from 63 to 110 K and pressures to 57 MPa，The Journal of Chemical Thermodynamics，Volume 10，Issue 11，November 1978，Pages 1089－1100，W.B.Streett，J.C.G.Calado．

5 Liquid—vapour equilibria research on systems of interest in cryogenics—a survey，Cryogenics，Volume 13，Issue 10，October 1973，Pages 575－599，A.J.Kidnay，M.J.Hiza，R.C.Miller．

6 Liquid—vapor equilibrium in the system H2－Ar at temperatures from 83 to 141 K and pressures to 52 MPa，F(xiàn)luid Phase Equilibria，Volume 2，Issue 4，1979，Pages 275－282，J.C.G.Calado，W.B.Streett．

7 Vapour-liquid equilibria for cryogenic mixtures，Cryogenics，Volume 11，Issue 2，April 1971，Pages 114－119，E.R. Bazúa，J.M.Prausnitz．

Using Aspen Plus as a tool to predict and calculate the gas-liquid phase equilibrium inside the cold box of cryogenic purification process．Calculation selecting the Peng-Robinson state equation，by regression and correction on the binary interaction parameters to obtain satisfactory results．On this basis，the whole process simulation is performed for ammonia plant with cryogenic purification process，and study the impact of process parameters change on cold box and its downstream ammonia synthesis system．

Application of Aspen Plus in Cryogenic Purification Ammonia Process Simulation

Xu Bin
(China Chengda Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610041)

cryogenic purificationprocess simulationcold box hydrogen to nitrogen ratioinert gas content

*許斌:高級工程師，總經(jīng)理助理。1999年畢業(yè)于浙江大學化學工程專業(yè)?，F(xiàn)從事工藝設計及管理工作。聯(lián)系電話:(028)65531879。

2012－01－11)