張興，袁飛

（1.北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安710075；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧沈陽110167）

工藝與裝備

輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫HYSYS軟件全流程模擬

張興1，袁飛2

（1.北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安710075；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧沈陽110167）

輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫作為目前國內(nèi)外比較成熟的制氫技術(shù)之一使用很廣泛，通過HYSYS軟件對(duì)榆林煉油廠20 000 m3/h天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫進(jìn)行全流程模擬，詳細(xì)介紹了裝置各工序流程模擬過程中模塊的建立過程及方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)對(duì)全流程模擬進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，將全流程模擬的原料適用范圍擴(kuò)展至煉廠副產(chǎn)的輕烴類混合物，使得此流程模擬計(jì)算在以輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)的設(shè)計(jì)過程中通用，并對(duì)使用輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)的生產(chǎn)裝置在開工和生產(chǎn)階段提供可靠的動(dòng)態(tài)參考數(shù)據(jù)。

烴類蒸汽轉(zhuǎn)化;制氫;HYSYS模擬

以輕烴為原料制取工業(yè)氫，國內(nèi)外均采用輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)路線。大型合成氨廠以及煉油廠和石油化工廠的制氫裝置，其造氣工藝大多為輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)。榆林煉油廠20 000 m3/h制氫裝置也采用這種常規(guī)的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)路線，即以天然氣或煉油廠輕烴類混合物為原料，經(jīng)過加氫、脫硫、轉(zhuǎn)化及中溫變換、PSA等工藝生產(chǎn)出合格的氫氣，供下游需氫裝置使用[1]。

1 全流程模擬概述

榆林煉油廠20 000 m3/h裝置項(xiàng)目以天然氣和煉廠輕烴類混合物為原料生產(chǎn)氫氣產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)過程中采用Aspen HYSYS7.2進(jìn)行全流程模擬計(jì)算，采用Peng-Robinson和NBS Steam物性包建立了完整的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝全流程計(jì)算模擬，如圖1。模擬計(jì)算結(jié)果與催化劑供應(yīng)商及裝置建成開工后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)基本吻合，因此可以將此工藝技術(shù)的全流程模擬模塊化，作為以后的同類工藝技術(shù)設(shè)計(jì)過程流程模擬的計(jì)算基礎(chǔ)和優(yōu)化平臺(tái)，僅通過修改基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)和調(diào)整關(guān)鍵數(shù)據(jù)的參數(shù)就能很快完成裝置的模擬計(jì)算，提高工作效率[2]。同時(shí)為以輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)的制氫裝置在開工過程和生產(chǎn)階段提供可靠的開車指導(dǎo)和動(dòng)態(tài)參考數(shù)據(jù)。

2 工藝系統(tǒng)模型的建立

2.1 凈化工序

輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)凈化工序包括加氫反應(yīng)和干法脫硫兩個(gè)部分，即原料進(jìn)入原料緩沖罐后與中溫變換系統(tǒng)產(chǎn)生的中溫變換氣梯級(jí)換熱后，進(jìn)入CoMo加氫反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)催化劑的作用下，天然氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為H2S，之后原料氣進(jìn)入裝有ZnO脫硫劑的脫硫反應(yīng)器，將原料氣中的硫含量脫至小于0.1 ppm后進(jìn)入轉(zhuǎn)化工序。

在凈化過程中，加氫反應(yīng)器和脫硫反應(yīng)器中發(fā)生的主要反應(yīng)有：

圖1 全流程工藝計(jì)算模擬Fig.1 The whole process of simulation

實(shí)際在以輕烴為制氫原料時(shí)，加氫反應(yīng)器主要反應(yīng)包括烯烴的飽和反應(yīng)，如：

其它含硫有機(jī)物：

根據(jù)以上的反應(yīng)機(jī)理，在建立模擬數(shù)據(jù)庫時(shí)，要定義反應(yīng)器中參與反應(yīng)的反應(yīng)方程，輸入以上反應(yīng)Equilibrium反應(yīng)方程式，并給每個(gè)反應(yīng)器加載適用的物性包。本系統(tǒng)中加氫反應(yīng)器使用Equilibrium reactor模塊，進(jìn)入PFD模擬前在Reaction Set中給予定義，如果在加氫反應(yīng)器中增加了各類烯烴飽和反應(yīng)方程和含硫有機(jī)物的加氫反應(yīng)方程，模擬裝置的對(duì)原料適用范圍就擴(kuò)大了很多，催化干氣等烯烴含量不高于7%的原料或含有COS等有機(jī)硫的原料都可以在此模型中準(zhǔn)確的模擬計(jì)算，且能準(zhǔn)確的計(jì)算加氫反應(yīng)器的溫升，有利于系統(tǒng)能量平衡的計(jì)算[3]。對(duì)于烯烴含量很高的原料可以在加氫反應(yīng)器模塊前再引入等溫或變溫反應(yīng)器模塊，以保證加氫反應(yīng)器的溫升在可控范圍內(nèi)。

脫硫反應(yīng)器可以使用Component Splitter模塊來建立，在Splits欄中設(shè)置好脫硫反應(yīng)器出口的H2S的含量，這樣可以很準(zhǔn)確的將原料中含有的H2S和加氫反應(yīng)產(chǎn)生的H2S全部脫除至設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，實(shí)際裝置運(yùn)行過程中ZnO脫硫劑沒有被穿透，H2S的含量一定是滿足設(shè)計(jì)要求的[4]。

在HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬中，換熱設(shè)備的模擬就以默認(rèn)的Exchanger Design（End Point）計(jì)算，管程和殼程的壓力降可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)在換熱器模塊Parameters欄中給定，盡量不在換熱設(shè)備的出入口物流中設(shè)定壓力，否則會(huì)很大程度上增加全流程模擬計(jì)算過程中數(shù)據(jù)的冗余錯(cuò)誤。

2.2 轉(zhuǎn)化工序

脫硫后的原料氣與工藝蒸汽按一定的水碳比進(jìn)行混合，混合原料氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段加熱盤管加熱到約500℃，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐爐管，在鎳基催化劑的作用下，原料氣與蒸汽反應(yīng)生成氫氣和碳氧化合物，轉(zhuǎn)化爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度約820℃[5]。

在鎳催化劑存在下其主要反應(yīng)如下：

水碳比的計(jì)算是關(guān)系到制氫裝置能否正常穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，在裝置工程設(shè)計(jì)中要利用色譜分析儀、精準(zhǔn)的流量計(jì)等分析校正后再結(jié)合復(fù)雜的運(yùn)算系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算并調(diào)整實(shí)時(shí)工況下轉(zhuǎn)化反應(yīng)的配汽量。在建立模擬流程中我們可以配合使用軟件中的Spreadsheet模塊和Set模塊，將脫硫后的混合氣組分導(dǎo)入Spreadsheet模塊，并計(jì)算出原料中C的摩爾數(shù)，再在Set中設(shè)置輸入水碳比的變量，通過關(guān)聯(lián)將目標(biāo)值導(dǎo)出至轉(zhuǎn)化反應(yīng)的配汽物流，從而實(shí)現(xiàn)隨著進(jìn)入轉(zhuǎn)化反應(yīng)中C摩爾量的變換計(jì)算H2O的摩爾量并自動(dòng)傳給轉(zhuǎn)化配汽物流，同時(shí)可以根據(jù)不同原料中C含量的變換方便的修改水碳比[6]。

轉(zhuǎn)化反應(yīng)工序模擬是建立全模擬流程的關(guān)鍵所在，涉及到工藝氣、蒸汽、煙氣等多種物流。為了有利于各模塊的迭代計(jì)算，轉(zhuǎn)化反應(yīng)工序的模擬分為兩個(gè)部分，即工藝氣部分和轉(zhuǎn)化爐煙道氣部分[7]。工藝氣部分可以使用Equilibrium reactor模塊或者Gibbs reactor模塊建立，在建立模擬數(shù)據(jù)庫時(shí)定義在鎳催化劑中參與反應(yīng)的反應(yīng)方程，輸入對(duì)應(yīng)的Equilibrium反應(yīng)方程式并加載Peng-Robinson物性包。轉(zhuǎn)化反應(yīng)出口溫度需要根據(jù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化氣的干基組成、平衡溫距等來定義[8]。為了便于更直觀的顯示轉(zhuǎn)化氣的干基組成，調(diào)整轉(zhuǎn)化爐出口溫度，可使用Spreadsheet模塊和表格的形式來計(jì)算干基組成。轉(zhuǎn)化爐煙道氣部分可使用Gibbs reactor模塊或者Fired Heater模塊建立，根據(jù)轉(zhuǎn)化爐專業(yè)返回的煙氣溫度自定義出口煙氣溫度，并將轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段中的蒸汽保護(hù)段、轉(zhuǎn)化預(yù)熱段、過熱段、蒸發(fā)段、空氣預(yù)熱器連接到煙氣物流中，目的是在模擬轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段換熱過程中能準(zhǔn)確的根據(jù)PSA解析氣的變換自動(dòng)計(jì)算煙氣的組成、各換熱段的熱負(fù)荷和煙氣出口溫度。

2.3 中溫變換工序

中溫變換反應(yīng)是使CO在催化劑存在的作用下與水蒸汽反應(yīng)生成CO2和H2，該反應(yīng)為可逆的放熱反應(yīng)，降低溫度和增加水汽濃度都有利于反應(yīng)向右側(cè)進(jìn)行。發(fā)生在變換反應(yīng)器的主要反應(yīng)方程如下：

中溫變換反應(yīng)過程的模擬同樣可使用Gibbs reactor模塊或Equilibrium reactor模塊，在定義反應(yīng)器的反應(yīng)方程時(shí)建立CO變換的Equilibrium反應(yīng)方程式，并在Reaction Set中定義Peng-Robinson物性包。同樣可以通過Spreadsheet模塊和表格進(jìn)行中變氣的干基組成。CO變換反應(yīng)器溫升一般控制在60℃以內(nèi)，模擬過程中溫度損失也給予適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，保證換熱結(jié)果計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.4 PSA工序

目前制氫裝置的氫氣提純基本都采用變壓吸附（PSA）技術(shù),利用不同的氣體在同一吸附劑表面和不同的壓力下具有不同的吸附量，使混合氣經(jīng)過吸附劑，從而得以分離凈化，制得所需要的產(chǎn)品氣體。多個(gè)吸附器在閥門的切換下不斷的得以吸附、解吸再生，完成氣體分離凈化的連續(xù)操作。

由于PSA解析氣作為轉(zhuǎn)化爐的燃料，因此為了準(zhǔn)確的將PSA解析氣串接至轉(zhuǎn)化爐煙道氣系統(tǒng)，這里采用跟脫硫反應(yīng)器模擬類似的Component Splitter模塊來設(shè)置產(chǎn)品H2純度，分割出來的PSA解析氣串接至轉(zhuǎn)化爐，通過這樣的組分分割就能打通全流程模擬中工藝物流數(shù)據(jù)。

3 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)模型的建立

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)化爐水保護(hù)段、蒸發(fā)段，轉(zhuǎn)化爐出口廢熱鍋與汽包形成三個(gè)自然循環(huán)的蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)，汽包產(chǎn)生的飽和蒸汽再經(jīng)過轉(zhuǎn)化爐的過熱段過熱后產(chǎn)生中壓蒸汽，其中一部分作為工藝配汽使用，另一部分作為裝置的副產(chǎn)蒸汽送出界外。此系統(tǒng)模擬要在Sub-Flowsheet模塊中建立兩個(gè)Mixer模塊，定義三個(gè)循環(huán)子系統(tǒng)汽包出口蒸汽的氣化分率，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)煙氣系統(tǒng)每臺(tái)換熱設(shè)備的熱負(fù)荷計(jì)算除氧水的需求量，再將三個(gè)循環(huán)子系統(tǒng)混合，就能將蒸汽發(fā)生系統(tǒng)完整的模擬出來，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)利用Set模塊設(shè)置一股外排污水量作為汽包的連續(xù)外排量。此次模擬中設(shè)定連續(xù)排污量的值為進(jìn)入汽包除氧水總量的2%。通過以上的優(yōu)化設(shè)置就能將整個(gè)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的物料平衡很快的計(jì)算出來，包括過熱蒸汽系統(tǒng)中的減溫器及其補(bǔ)水量。

4 其它模擬參數(shù)的設(shè)置

4.1 全流程模擬壓力控制

從原料進(jìn)入原料氣緩沖罐開始到產(chǎn)出合格的氫氣產(chǎn)品，整個(gè)裝置的初期壓力降控制在0.8MPa，末期可以通過調(diào)整加氫反應(yīng)器，脫硫反應(yīng)器、轉(zhuǎn)化爐、中溫變換反應(yīng)器等裝有催化劑設(shè)備的壓力降，將工藝氣在整個(gè)系統(tǒng)中的壓力降控制在1.0 MPa，模擬時(shí)在設(shè)備上設(shè)置壓力降能更好的保證軟件的計(jì)算速度和減少輸入數(shù)據(jù)的冗余錯(cuò)誤。

4.2 全流程模擬溫度控制

為了使用全流程模擬的計(jì)算數(shù)據(jù)更具有說服力，更接近現(xiàn)場(chǎng)操作數(shù)據(jù)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的溫度模擬也要相當(dāng)重視，尤其注意對(duì)大型設(shè)備的熱損失應(yīng)于考慮，否則在模擬過程中計(jì)算溫度與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的溫度偏差會(huì)越來越大，單體冷換設(shè)備的模擬計(jì)算也會(huì)出現(xiàn)很大偏差，最終直接影響到原料在進(jìn)加氫反應(yīng)器溫度偏低，達(dá)不到催化劑活性溫度。

理論上可以根據(jù)設(shè)備保溫層的厚度及保溫介質(zhì)可以計(jì)算出設(shè)備表面的散熱量，直接將數(shù)據(jù)植入設(shè)備模塊能流中，當(dāng)然也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量溫降優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如榆林煉油廠制氫裝置，在冬季大氣溫度最低時(shí)加氫反應(yīng)器熱損失約45 kW，脫硫反應(yīng)器熱量損失約35 kW，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器進(jìn)出口溫度降可分別達(dá)到為10℃和7℃，因此在設(shè)備的Energy Stream中輸入一定數(shù)值的損失熱量是必要的。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)過程的理論計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置的HYSYS全流程模擬，為以后的同類技術(shù)項(xiàng)目的前期階段和工程設(shè)計(jì)階段提供便利和可靠的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，簡化了設(shè)計(jì)的輸入條件，僅根據(jù)原料氣組成、確定的水碳比，燃料氣組成，轉(zhuǎn)化爐的引風(fēng)量等主要參數(shù)就可以快速的計(jì)算出裝置的公用工程消耗、副產(chǎn)蒸汽的量等；同時(shí)，在裝置開工階段復(fù)雜多變的工況中，利用全流程模擬能迅速的反饋出數(shù)據(jù)，校核現(xiàn)場(chǎng)儀表，正確的指導(dǎo)裝置開工。

［1］郝樹仁，董世達(dá).烴類轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社,2009,8 ISBN:7502166610,9787502166618.

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The Whole Process Simulation of Hydrogen Production by Light Hydrocarbons Steam Reforming Based on HYSYS software for

ZHANG Xin g1,Y UAN Fei2
（1.Beijing Petrochemical Engineering Co.,Ltd.Xi'an Subsidiary,Shaanxi Xi'an 710065,China；2.China Huanqiu Contracting&Engineering Corp.Liaoning Subsidiary,Liaoning Shenyang 110167,China)

Hydrogen production technology of light hydrocarbon steam reforming as a mature technology is widely used at home and abroad.In this paper,the whole process of 20 000 m3/h natural gas steam reforming hydrogen production unit in Yulin refinery was simulated using HYSYS software,the modeling process and method of the process flow were introduced in detail,the simulated raw materials were extended to light hydrocarbon mixtures as the refinery byproduct through optimizing the whole process simulation based on the actual parameters,so that the process simulation can be universally used in light hydrocarbon steam reforming process,and the reliable dynamic data for hydrogen production technology of light hydrocarbon steam reforming can be provided in starting and production stages.

Hydrocarbon steam reforming;Hydrogen production;HYSYS software simulation

TQ 201

A

1671-0460（2017）03-0546-04

2016-11-20

張興（1979-），男，陜西省寶雞市人，工程師，2004年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事煤化工、石油化工類裝置的工程設(shè)計(jì)工作。E-mail：zhangxing@bpdi.com.cn。