郭偉新，陸航宇，萬(wàn)向成，張冰劍，陳清林

(中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，廣東省石化過(guò)程節(jié)能工程技術(shù)研究中心，廣州 510275)

氣體壓縮過(guò)程廣泛應(yīng)用于石化工業(yè)重點(diǎn)耗能裝置，如催化裂化和延遲焦化富氣壓縮，加氫裝置新氫和循環(huán)氫壓縮，乙烯裝置裂解氣壓縮等，在裝置能耗構(gòu)成中壓縮過(guò)程耗能通常占有較大比重，如何有效提高壓縮過(guò)程效率對(duì)于降低裝置能耗意義重大。根據(jù)熱力學(xué)原理，壓縮過(guò)程效率可以通過(guò)兩類理想的壓縮過(guò)程來(lái)估算，即等溫壓縮和絕熱壓縮，實(shí)際過(guò)程處于等溫壓縮與絕熱壓縮之間。對(duì)于高壓縮比過(guò)程通常采用多級(jí)壓縮，使得壓縮過(guò)程更接近等溫壓縮，以有效實(shí)現(xiàn)壓縮過(guò)程的節(jié)能[1]?？紤]到氣體的壓縮升溫，通常設(shè)置級(jí)間冷卻，盡可能降低每一級(jí)壓縮的進(jìn)氣溫度，提高壓縮過(guò)程效率。若忽略中間冷卻器壓力損失，壓縮級(jí)數(shù)越多，壓縮過(guò)程將越接近等溫壓縮，壓縮過(guò)程理論能耗也就越小[2-3]。

1 氣體壓縮過(guò)程分析

1.1 多變壓縮過(guò)程模擬模型

針對(duì)實(shí)際氣體多變壓縮過(guò)程，Aspen Plus模擬采用的焓變計(jì)算模型為：

(1)

(2)

(3)

式中：ΔH為摩爾焓變；HEAD為多變能量頭；n為多變系數(shù)；ηp為多變效率；k為氣體比熱容比Cp/Cv；p為氣體壓力；V為摩爾體積流率；下標(biāo)1表示氣體壓縮過(guò)程初始狀態(tài)，下標(biāo)2表示氣體壓縮過(guò)程末期狀態(tài)。

對(duì)于多變離心壓縮，Aspen Plus提供了兩種熱力學(xué)方法，即GPSA及ASME方法[9]。

1.1.1GPSA方法結(jié)合多變能量頭計(jì)算式(2)，假定壓縮過(guò)程pVk的值為常數(shù)，即多變壓縮過(guò)程GPSA方法的焓變計(jì)算式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Zav為壓縮因子；kav為比熱容比；nav為多變系數(shù)的平均值。

1.1.2ASME方法針對(duì)多變壓縮過(guò)程，使用ASME方法時(shí)，其焓變計(jì)算式為：

(8)

(9)

(10)

式中：f為多變能量頭校正因數(shù)；H1和H2分別為壓縮過(guò)程初始狀態(tài)和末狀態(tài)的焓。

1.1.3模型特點(diǎn)及應(yīng)用前提Aspen Plus提供的GPSA方法，主要根據(jù)氣體的吸入狀態(tài)或吸入與排出狀態(tài)的平均值進(jìn)行計(jì)算，使用壓縮因子Z和比熱容比k的平均值來(lái)計(jì)算壓縮介質(zhì)平均狀態(tài)下的物性。ASME方法則針對(duì)真實(shí)氣體在多變壓縮過(guò)程中多變系數(shù)n并不恒定而引入了校正因數(shù)進(jìn)行模型校正。模擬渦輪機(jī)時(shí)，計(jì)算類型只有等熵壓縮(Isentropic)一個(gè)，但等熵壓縮ASME方法不能用于渦輪機(jī)，模擬渦輪機(jī)采用等熵壓縮Mollier方法最嚴(yán)格。對(duì)于多變壓縮機(jī)，GPSA方法和ASME方法均可，但ASME方法比GPSA方法相對(duì)更嚴(yán)格[10]。

1.2 壓縮過(guò)程分析

Ex=(H-H0)-T0(S-S0)

(11)

式中：H、S分別為流體處于某狀態(tài)的焓和熵，H0、S0分別為流體在基準(zhǔn)狀態(tài)下的焓和熵。

氣體壓縮過(guò)程的焓變可表示為：

(12)

過(guò)程熵變可表示為：

(13)

則可知

S=CplnT-Rlnp+C

(14)

初始狀態(tài)與末狀態(tài)等溫時(shí)，氣體熵變可表示為：

(15)

式中，ΔCp為氣體終態(tài)與始態(tài)定壓比熱容之差。氣體壓縮后冷卻，當(dāng)終態(tài)與始態(tài)等溫時(shí)，ΔS小于零，即熵減少，壓縮氣體此時(shí)具有對(duì)環(huán)境做功的能力。

對(duì)于氣體壓縮過(guò)程，壓縮機(jī)消耗外供入功實(shí)現(xiàn)氣體的升壓。從熱力學(xué)第一定律考慮，主要以壓縮氣體過(guò)程中能量的增加量作為目標(biāo)，采用能量效率(η)評(píng)價(jià)過(guò)程用能的有效性，即[12-13]

(16)

式中，W為多級(jí)壓縮機(jī)壓縮功率。

2 粗裂解氣多級(jí)壓縮過(guò)程分析

2.1 流程模擬策略

以某粗裂解氣裝置中的五級(jí)壓縮過(guò)程作為研究背景，其工藝簡(jiǎn)圖如圖1所示。經(jīng)過(guò)一級(jí)壓縮后的粗裂解氣在一級(jí)中間冷卻器中冷卻至40 ℃后進(jìn)入裂解氣壓縮機(jī)二級(jí)吸入罐，進(jìn)行氣液分離，氣體進(jìn)入裂解氣壓縮機(jī)進(jìn)行二級(jí)壓縮，壓縮后進(jìn)入中間冷卻器冷卻至40 ℃。如此重復(fù)，四級(jí)壓縮后進(jìn)入堿洗塔除去裂解氣中的H2S、CO2等酸性氣體組分，而后經(jīng)過(guò)第五級(jí)壓縮增壓至2.7 MPa。

圖1 五級(jí)壓縮工藝流程示意F—粗裂解氣進(jìn)/出氣罐； C—壓縮機(jī)； E—中間冷卻器。 —主物流線； —冷凝烴與水

對(duì)于模擬級(jí)間帶有冷卻器，且級(jí)間冷卻器有液相凝出物流的多級(jí)壓縮，采用流程模擬軟件Aspen Plus推薦模擬模塊Pressure Changers/MCompr對(duì)該壓縮過(guò)程進(jìn)行模擬分析。對(duì)于實(shí)際粗裂解氣多級(jí)離心式壓縮過(guò)程模擬，因?yàn)锳SME多變模型比GPSA多變模型嚴(yán)格并且能夠獲得較理想的計(jì)算結(jié)果，故壓縮機(jī)模擬模型選擇ASME多變模型(Polytropic using ASME method)。粗裂解氣含有H2，CO2，CH4，C2H4等非極性分子和H2O、H2S等極性分子，是非極性組分和弱極性組分的混合物系。PENG -ROB物性方法適用于非極性和弱極性混合物，對(duì)于各種溫度和壓力下的工藝操作，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，因此，選用PENG-ROB作為物性方法。表1為粗裂解氣壓縮過(guò)程的Aspen Plus模擬參數(shù)。

表1 粗裂解氣壓縮過(guò)程模擬參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

表2為粗裂解氣五級(jí)壓縮過(guò)程Aspen Plus模擬結(jié)果。表3為粗裂解氣理想等溫壓縮與多變壓縮在不同壓力下的體積流量對(duì)比。圖2為不同壓縮條件下壓縮粗裂解氣至2.7 MPa時(shí)的p-V關(guān)系。

表2 粗裂解氣五級(jí)壓縮過(guò)程模擬結(jié)果

表3 不同壓力下粗裂解氣理想等溫壓縮與多變壓縮的體積流量對(duì)比

圖2 粗裂解氣五級(jí)壓縮過(guò)程節(jié)能潛力分析

從圖2可以看出，粗裂解氣采用五級(jí)壓縮后，實(shí)際壓縮過(guò)程更接近理想等溫壓縮，效率較高。根據(jù)功的計(jì)算式W=pV可知，圖2中陰影面積即壓縮機(jī)多級(jí)壓縮相較于一級(jí)絕熱壓縮節(jié)省的功，在壓縮比合理的前提下，壓縮機(jī)級(jí)數(shù)越多，陰影面積越大，即節(jié)省下來(lái)的功越多，節(jié)能越明顯。

2.3 壓縮機(jī)能耗主要影響因素分析

壓縮比是影響多級(jí)壓縮過(guò)程能耗的重要參數(shù)之一，實(shí)際工業(yè)中的多級(jí)壓縮過(guò)程通常采取平均分配壓縮比，即壓縮比ε可表示為：

(18)

式中，m為壓縮級(jí)數(shù)。壓縮比對(duì)壓縮機(jī)能耗的影響體現(xiàn)在其壓縮級(jí)數(shù)上，氣體壓縮至一定壓力時(shí)，壓縮級(jí)數(shù)越多，相對(duì)應(yīng)的壓縮比越小，多級(jí)壓縮機(jī)能耗也會(huì)越低。

基于上述條件，針對(duì)27.5 t/h粗裂解氣壓縮過(guò)程，終壓為2.7 MPa，分別設(shè)置為一級(jí)至七級(jí)壓縮工況進(jìn)行分析。采用Aspen Plus/Pressure Changers/MCompr模塊，模擬結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，壓縮機(jī)功率、換熱器負(fù)荷以及級(jí)間冷卻出口溫度均會(huì)隨壓縮級(jí)數(shù)的增大而減小，并逐漸趨緩。

表4 不同壓縮級(jí)數(shù)下壓縮粗裂解氣的模擬結(jié)果

影響多級(jí)壓縮過(guò)程能耗的主要參數(shù)除壓縮級(jí)數(shù)外，還有級(jí)間冷卻器出口溫度，不同壓縮級(jí)數(shù)的壓縮機(jī)功率隨級(jí)間冷卻器出口溫度的變化如圖3所示。從圖3可以看出，壓縮機(jī)功率隨級(jí)間冷卻器出口溫度的上升而增大，模擬結(jié)果顯示粗裂解氣五級(jí)壓縮過(guò)程中，級(jí)間冷卻溫度平均每降低5 ℃，整個(gè)壓縮過(guò)程的能耗降低約50 kW。

圖3 壓縮功率隨級(jí)間冷卻器出口溫度的變化 —四級(jí)壓縮； —五級(jí)壓縮； —六級(jí)壓縮

考慮到工程實(shí)際，壓縮氣體的級(jí)間冷卻器出口溫度不會(huì)低于循環(huán)冷卻水的溫度，且壓縮級(jí)數(shù)并非越多越好，壓縮級(jí)數(shù)越多，過(guò)程投資費(fèi)用愈大，多級(jí)壓縮過(guò)程存在著能耗費(fèi)用與過(guò)程投資費(fèi)用間的權(quán)衡優(yōu)化。

2.4 多級(jí)壓縮過(guò)程分析

表5 粗裂解氣始末狀態(tài)的熱力學(xué)參數(shù)

表6 五級(jí)壓縮過(guò)程的變化

圖4 五級(jí)壓縮過(guò)程粗裂解氣的變化

圖5 不同壓縮級(jí)數(shù)下氣體壓縮效率變化

2.5 多級(jí)壓縮過(guò)程低溫?zé)崂么胧?/h3>

3 結(jié) 論