劉金豪，李愛紅,，劉智勇(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 000；承德石油高等專科學(xué)?；瘜W(xué)工程系，河北 承德 067000；河北工業(yè)大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 000)

?

簡捷法確定提純回用氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值

劉金豪1，李愛紅1,2，劉智勇3
(1河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2承德石油高等?？茖W(xué)?；瘜W(xué)工程系，河北 承德 067000；3河北工業(yè)大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

摘要：與只考慮直接回用的氫網(wǎng)絡(luò)相比，具有提純單元的氫網(wǎng)絡(luò)能顯著減少新鮮氫氣的消耗量，但其設(shè)計(jì)及求解提純目標(biāo)值過程均更為復(fù)雜。對(duì)于單雜質(zhì)、提純單元采用固定濃度模型的提純回用氫網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合此類網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了一種簡捷法確定網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值。首先假設(shè)提純后氫物流量足夠大，由此得出初始提純夾點(diǎn)。當(dāng)初始夾點(diǎn)估算正確時(shí)，由夾點(diǎn)之下的需求物流和源物流的流量與雜質(zhì)質(zhì)量衡算即可得出提純回用氫網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)值；當(dāng)初始夾點(diǎn)估算不正確時(shí)，可以第一次計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)判斷得出正確夾點(diǎn)，再增加一步簡單計(jì)算，也可得到提純回用目標(biāo)值。計(jì)算實(shí)例表明本文方法計(jì)算簡單且有效。

關(guān)鍵詞：提純回用；氫網(wǎng)絡(luò)；目標(biāo)值；提純夾點(diǎn)

2015-06-01收到初稿，2015-09-19收到修改稿。

聯(lián)系人：劉智勇。第一作者：劉金豪（1988—），男，碩士研究生。

Key words: purification reuse; hydrogen network; target; purification pinch

引 言

隨著原油的重質(zhì)化和日益嚴(yán)格的環(huán)境要求，煉油廠加氫過程對(duì)氫氣的需求量急劇增加，因此有效利用現(xiàn)有氫氣資源、降低新鮮氫氣的消耗量具有十分重要的意義。氫網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)因能夠有效提高氫氣資源的利用率，減少新鮮氫氣消耗量，因而引起了人們廣泛的關(guān)注。

氫網(wǎng)絡(luò)集成方法主要包括夾點(diǎn)分析法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。對(duì)于只考慮直接回用的氫網(wǎng)絡(luò)，許多學(xué)者討論了其目標(biāo)值的確定問題[1-5]。對(duì)于更具節(jié)氫效果的提純回用氫網(wǎng)絡(luò)，Alves[6]分析了提純單元的3個(gè)可能位置（夾點(diǎn)之上、跨躍夾點(diǎn)和夾點(diǎn)之下），并指出將提純單元放在跨躍夾點(diǎn)的位置是最優(yōu)選擇。Zhao等[7]采用氫負(fù)荷-流量復(fù)合曲線確定了夾點(diǎn)位置、新鮮氫氣消耗量和廢氣排放量。Agrawal等[8]采用雜質(zhì)濃度-質(zhì)量負(fù)荷曲線得出具有提純單元?dú)渚W(wǎng)絡(luò)的氫消耗目標(biāo)值。Foo等[9]提出了氣體級(jí)聯(lián)分析（gas cascade analysis）方法計(jì)算新鮮氫目標(biāo)值，并且討論了具有兩個(gè)提純單元的情況。Ng等[10]運(yùn)用自動(dòng)化目標(biāo)夾點(diǎn)技術(shù)得到具有提純單元的氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值。Zhang等[11]采用氫負(fù)荷-流量圖得到具有提純單元?dú)渚W(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)濃度、最小氫消耗目標(biāo)及廢氣排放目標(biāo)。Liu等提出了一種數(shù)值化方法確定夾點(diǎn)位置和氫網(wǎng)絡(luò)的最小氫消耗目標(biāo)值[12]，并提出一種圖解法確定具有提純單元?dú)渚W(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)位置、最小新鮮氫氣消耗量、最佳提純物流流量和最大新鮮氫氣節(jié)省量[13]。Deng等[14]提出一種改進(jìn)的三元圖表法設(shè)計(jì)具有提純單元的氫網(wǎng)絡(luò)。Zhang等[15]采用改進(jìn)的圖解法確定多雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值，并同時(shí)得到詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。Yang等[16]和Zhang等[17]采用改進(jìn)的圖示法[11]同時(shí)優(yōu)化提純流量和濃度，并最終分別確定了氫網(wǎng)絡(luò)的最大公共工程節(jié)省量和最小新鮮氫氣消耗量。上述多數(shù)方法屬于夾點(diǎn)類方法。

氫夾點(diǎn)技術(shù)可以確定出夾點(diǎn)位置及新鮮氫氣消耗量，但很難考慮壓力限制、壓縮機(jī)配置和經(jīng)濟(jì)問題等實(shí)際因素。針對(duì)氫夾點(diǎn)技術(shù)的不足之處，很多學(xué)者采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法對(duì)氫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。Hallale等[18]考慮了氫網(wǎng)絡(luò)中的壓力約束和壓縮機(jī)的配置，建立了基于超結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。Kumar 等[19]通過實(shí)例分析了線性規(guī)劃模型（LP）、非線性規(guī)劃模型（NLP）、混合整數(shù)非線性模型（MINLP）在氫網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的應(yīng)用特點(diǎn)，并且考慮了提純單元的配置及經(jīng)濟(jì)問題，所得結(jié)果更加接近于實(shí)際情況。Liao等[20]將文獻(xiàn)[5]方法擴(kuò)展應(yīng)用于具有一個(gè)提純單元的氫網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用非線性規(guī)劃法確定出提純單元在氫網(wǎng)絡(luò)中的最佳位置，同時(shí)得出了氫消耗目標(biāo)值。

與只考慮直接回用的氫網(wǎng)絡(luò)相比，引入提純單元后，新鮮氫氣消耗量和廢氫排放量會(huì)大大降低，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)難度增大。Yang等[21]在研究氫網(wǎng)絡(luò)時(shí)提出：把提純流股看作一股源氫流并將之加到只考慮直接回用的氫網(wǎng)絡(luò)中，即可形成具有提純單元的氫網(wǎng)絡(luò)，然后采用只考慮直接回用的氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法即可得到具有提純單元的氫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

本文結(jié)合提純回用氫網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，研究了提純夾點(diǎn)之下的需求物流和源物流的流量衡算與雜質(zhì)質(zhì)量衡算，提出了一種簡捷法確定具有提純單元?dú)渚W(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)值。文獻(xiàn)實(shí)例表明本文方法能夠有效確定提純氫流目標(biāo)值，且計(jì)算非常簡單。

1 氫氣提純單元的特點(diǎn)

常用的氫氣提純技術(shù)包括變壓吸附、膜分離、深冷分離工藝等[22-24]。Liu等[25]提出了提純裝置的簡化模型，如圖1所示。簡化模型中忽略了流股溫度和壓力的影響，只考慮流量和濃度因素。提純單元的流量和雜質(zhì)負(fù)荷平衡見式（1）、式（2），氫氣回收率R定義見式（3）。

式中，inF、Freg和Fres分別為待提純的流股、提純后流股和廢氣流股的流量，inC、Creg和Cres分別為待提純的流股、提純后流股和廢氣流股的雜質(zhì)濃度。

圖1 氫氣提純單元的簡化模型Fig.1 Shortcut model of hydrogen purification unit

一般來說，廢氣流股的流量不能忽略，廢氣流股濃度的變化會(huì)影響提純流股，這也是氫氣提純單元和水再生單元的主要差異所在。氫氣提純單元模型通常分為兩種：固定提純后濃度模型和固定氫氣回收率模型。本文將研究提純單元采用固定濃度模型的氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值問題。

2 含提純單元的氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值的確定

圖2為一個(gè)具有提純單元的氫網(wǎng)絡(luò)源阱匹配圖。圖2物流中，S1到Sp1?濃度低于夾點(diǎn)濃度，直接回用于夾點(diǎn)之下氫阱；Sp為夾點(diǎn)氫源，一部分直接回用于提純夾點(diǎn)之下的氫阱，一部分直接回用于提純夾點(diǎn)以上的氫阱，其余未直接回用部分進(jìn)行提純；S及更高濃度p+1的氫源，一部分直接回用于夾點(diǎn)以上氫阱，其余未被直接回用的氫源中，雜質(zhì)濃度較低的流股進(jìn)入提純單元進(jìn)行提純，雜質(zhì)濃度較高的流股作為廢氣燃燒或排放。

圖2中提純夾點(diǎn)之下氫源和氫阱的流量平衡和雜質(zhì)質(zhì)量平衡分別為分別為新鮮氫源、提純

氫源和夾點(diǎn)之下氫源Si的流量；和分

圖2 提純回用氫網(wǎng)絡(luò)的源阱匹配圖Fig.2 Allocation of streams of hydrogen network with purification unit

將式（6）代入式（4）、式（5）可得

3 確定氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值步驟

通過以上分析，對(duì)于固定提純后濃度模型氫網(wǎng)絡(luò)，若確定了初始提純夾點(diǎn)，由式（9）～式（11）即可確定氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值。設(shè)計(jì)步驟如圖3所示。

（1）初始提純夾點(diǎn)的確定

對(duì)于固定提純后濃度的提純單元，只要確定了提純物流流量值，便可以把提純流股作為一股源氫流加入初始網(wǎng)絡(luò)中形成具有提純回用的氫網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之前，假設(shè)提純后源物流的量足夠大，采用文獻(xiàn)[21]提出的多氫源匹配法可以確定初始提純夾點(diǎn)。

圖3 確定目標(biāo)值步驟Fig.3 Targeting procedure proposed

（2）提純目標(biāo)值的確定

確定初始夾點(diǎn)后，由式（9）～式（11）可以求得具有提純單元?dú)渚W(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)值。

如果初始夾點(diǎn)估算正確，由式（9）～式（11）計(jì)算得出的Freg即為網(wǎng)絡(luò)提純目標(biāo)值。

如果初始夾點(diǎn)估算不正確，由式（9）～式（11）計(jì)算得出的Freg不是提純目標(biāo)值，但是式（9）～式（11）計(jì)算出的各參數(shù)對(duì)實(shí)際夾點(diǎn)的估算可以提供重要依據(jù)?？捎幸韵聝煞N情況：當(dāng)初始夾點(diǎn)為Sp，但實(shí)際夾點(diǎn)為Sp+1時(shí)，即使FSp全部用于夾點(diǎn)之下的氫阱，如圖4(a)所示，此時(shí)達(dá)到其最小值0，但仍不能滿足夾點(diǎn)之下氫阱所需，在這種情況下，由式（9）～式（11）計(jì)算所得將小于0，即如圖4(b)所示情況；當(dāng)初始夾點(diǎn)為Sp，但實(shí)際夾點(diǎn)為Sp?1時(shí)，即使夾點(diǎn)處氫源Sp完全不分配給夾點(diǎn)之下氫阱，即，由式（6），，此時(shí)達(dá)到其最大值，如圖5(a)所示的情況，在這種情況下，由式（9）～式（11）計(jì)算所得將大于，如圖5(b)所示。

圖4 Sp+1為實(shí)際夾點(diǎn)的情況Fig.4 Situation when Sp+1is purification pinch stream

圖5 Sp1?為實(shí)際夾點(diǎn)的情況Fig.5 Situation when Sp1?is purification pinch stream

4 實(shí)例研究

4.1 例1

例1的極限數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[8]，提純單元的氫氣回收率R為90%，提純后流股的雜質(zhì)濃度Creg為5%（體積分?jǐn)?shù)，下同），整理后的雜質(zhì)極限數(shù)據(jù)見表1。（其中MMscfd為原文獻(xiàn)單位，表示百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/天，1 scf= 0.02832 m3)

表1 例1整理后的極限數(shù)據(jù)Table 1 Ordered data for Example 1

假設(shè)提純后源物流的量足夠大，將初始提純氫源作為系統(tǒng)的新增源物流加入氫網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成具有提純單元的初始?xì)渚W(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用文獻(xiàn)[21]提出的多氫源匹配法計(jì)算可得，初始提純夾點(diǎn)濃度為15%，夾點(diǎn)處氫源直接回用于夾點(diǎn)之上氫阱的量為0，未被直接回用的氫源是106.002 MMscfd的S2。由式（9）～式（11）可得

4.2 例2

網(wǎng)絡(luò)中包含兩個(gè)氫阱和3個(gè)內(nèi)部氫源，提純單元的氫氣回收率R為90%，提純后流股的雜質(zhì)濃度Creg為5%，整理后的極限數(shù)據(jù)見表2。

假設(shè)提純后源物流的量足夠大，將初始提純氫源作為系統(tǒng)的新增源物流加入氫網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)成具有提純單元的初始?xì)渚W(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用文獻(xiàn)[21]提出的多氫源匹配法計(jì)算可得，初始提純夾點(diǎn)濃度為20%，夾點(diǎn)處氫源直接回用于夾點(diǎn)之上氫阱的量為0，未被直接回用的氫源是29.335 MMscfd的S3和40 MMscfd 的S4。由式（9）～式（11）可得

由計(jì)算結(jié)果可知：

表2 例2整理后的極限數(shù)據(jù)Table 2 Ordered data for Example 2

5 結(jié) 論

對(duì)于固定提純后濃度模型的單雜質(zhì)氫網(wǎng)絡(luò)，提出了一種簡捷法確定網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值。計(jì)算步驟如下：首先假設(shè)提純后氫物流的量足夠大，將初始提純氫物流作為系統(tǒng)的新增源物流加入直接回用氫網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成具有提純單元的初始?xì)渚W(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用多氫源匹配法計(jì)算得到初始提純夾點(diǎn)，然后根據(jù)推導(dǎo)的關(guān)系式即可確定氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值。如果初始夾點(diǎn)估算正確，只需一步簡單計(jì)算即可得到氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值；如果初始夾點(diǎn)估算不正確，第一次計(jì)算所得參數(shù)可以為正確夾點(diǎn)的估算提供十分重要的信息，這樣經(jīng)過兩步簡單計(jì)算，也可得到氫網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)值。文獻(xiàn)實(shí)例表明本文方法計(jì)算簡單且有效。本文未考慮溫度與壓力因素，以及多個(gè)提純單元的情況，這將是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

符 號(hào) 說 明

C ——物流的雜質(zhì)濃度，%

D ——需求物流

F ——物流的流量，mol·s?1、MMscfd

R ——?dú)錃饣厥章?/p>

S ——源物流

S0(utility) ——新鮮氫氣物流

上角標(biāo)

A ——提純夾點(diǎn)之上

B ——提純夾點(diǎn)之下

in ——進(jìn)行提純的物流

k ——迭代次數(shù)

下角標(biāo)

i ——源物流

j ——需求物流

p ——提純夾點(diǎn)處

reg ——提純流股

res ——廢氣流股

NU ——最后一個(gè)直接回用于夾點(diǎn)之上氫阱的氫源

NR ——最后一個(gè)進(jìn)入提純單元的氫源

NS ——所有內(nèi)部氫源的數(shù)目

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研究論文

Received date: 2015-06-01.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21176057) and the National Basic Research Program of China (2012CB720305).

A simple method for targeting hydrogen networks with purification unit

LIU Jinhao1, LI Aihong1,2, LIU Zhiyong3
(1School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2Department of Chemical Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China;3School of Marine Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Abstract:Hydrogen utility consumption can be reduced significantly when purification unit is introduced in a hydrogen network. In general, design and targeting of the hydrogen network involving purification are more difficult compared to that of the network involving reuse only. In this paper, a simple method is presented for targeting the single contaminant hydrogen networks involving purification unit with fixed purified concentration model, based on the characteristics of the hydrogen networks. In the targeting procedure, the initial flow rate of the purified stream is first assumed as sufficient, and then the initial purification pinch is identified. Finally, the purification target can be obtained with a few relationships developed from material balances. If the initial purification pinch is estimated correctly, the purification target can be obtained by only one step simple calculation. If the initial purification pinch is not estimated correctly, the correct pinch point can be determined based on the results of the first step calculation. The target can be obtained by an additional step of simple calculation. The results of a few literature examples show that the purification stream consumption target of single-contaminant hydrogen networks involving purification unit can be obtained easily with the proposed method, which provides an effective tool for the targeting of hydrogen networks involving purification unit.

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150759

中圖分類號(hào)：TQ 021.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）03—1008—07

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21176057）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB720305）。

Corresponding author:Prof. LIU Zhiyong, liuzhiyong@hebut.edu.cn