許斌 中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

設(shè)計(jì)技術(shù)

Aspen Plus在深冷凈化合成氨工藝模擬中的應(yīng)用

許斌*中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

以Aspen Plus為工具對(duì)深冷凈化工藝中冷箱內(nèi)的氣液相平衡進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。計(jì)算選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，通過對(duì)二元交互作用參數(shù)的回歸和修正，獲得了滿意結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)采用深冷凈化工藝的合成氨裝置進(jìn)行全流程模擬，研究工藝參數(shù)改變對(duì)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(jiǎn)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(jì)70年代后期美國(guó)能源部在麻省理工學(xué)院組織的第三代流程模擬軟件開發(fā)項(xiàng)目“過程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”(Advanced System for Process Engineering簡(jiǎn)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(gè)物性模型、約50種單元操作模型的大型標(biāo)準(zhǔn)模擬軟件。其應(yīng)用范圍涵蓋了石油、化工、冶金、制藥等多個(gè)行業(yè)。Aspen Plus的功能包括:①針對(duì)工藝過程進(jìn)行嚴(yán)格的能量平衡及質(zhì)量平衡計(jì)算;②預(yù)測(cè)操作條件，包括物流的流率、組成及性質(zhì);③預(yù)測(cè)設(shè)備尺寸;④幫助進(jìn)行多方案的比較及設(shè)計(jì)或操作的優(yōu)化。

2 深冷凈化工藝

深冷凈化工藝在上世紀(jì)60年代由Brown＆Root公司［1］開發(fā)并應(yīng)用于氣頭合成氨裝置的設(shè)計(jì)。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(guó)Unocal氨廠投入使用。國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)90年代引進(jìn)該技術(shù)，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(yùn)行，詳見表1。

深冷凈化工藝的基本原理:在流程中設(shè)置冷箱，以移除合成補(bǔ)充氣中的大部分惰性氣體和多余氮?dú)?。由于流程中設(shè)置了冷箱，因此二段轉(zhuǎn)化爐中添加過量的空氣，一段轉(zhuǎn)化的部分負(fù)荷被移往二段轉(zhuǎn)化爐，一段轉(zhuǎn)化爐的操作溫度降低，同時(shí)也降低了二段轉(zhuǎn)化爐出口的溫度，使整個(gè)轉(zhuǎn)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(bǔ)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(guó)內(nèi)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(shè)備，起著移除惰性組分、調(diào)整合成氫氮比、保證合成效率的關(guān)鍵作用。生產(chǎn)實(shí)踐表明，冷箱操作穩(wěn)定是合成系統(tǒng)獲得高效率的關(guān)鍵。本文借助Aspen Plus軟件對(duì)深冷凈化工藝進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上研究工藝條件改變后對(duì)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(zhì)中的成分包括H2、N2、CH4、Ar，均為非極性物質(zhì)。文獻(xiàn)1，2，3中推薦采用Peng-Robinson狀態(tài)方程(以下簡(jiǎn)稱PR方程)計(jì)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(duì)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(zhì)之間的相互作用程度，是預(yù)測(cè)二元以及多元體系氣液相平衡的關(guān)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(shí)所需要的二元交互作用參數(shù)不完整，同時(shí)軟件數(shù)據(jù)庫中已有的幾組二元交互作用參數(shù)均設(shè)定為與溫度無關(guān)的參數(shù)，通過試算表明，在深冷工況下其計(jì)算誤差較大，計(jì)算結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映該工況下的氣液相平衡狀況，因此需要對(duì)二元交互作用參數(shù)進(jìn)行修正和補(bǔ)充。

本文通過文獻(xiàn)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(chǔ)，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(yīng)用這些二元交互作用參數(shù)對(duì)氣液相平衡曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與參考文獻(xiàn)2，4～6中實(shí)驗(yàn)得到的深冷工況下氣液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，詳見圖2～圖6。

圖2 H2-N2氣液平衡預(yù)測(cè)曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 H2-Ar氣液平衡預(yù)測(cè)曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 N2-Ar氣液平衡預(yù)測(cè)曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 N2-CH4氣液平衡預(yù)測(cè)曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 Ar-CH4氣液平衡預(yù)測(cè)曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)果表明，選擇PR狀態(tài)方程計(jì)算二元體系的氣液相平衡時(shí)，通過修正二元交互作用參數(shù)，其預(yù)測(cè)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(jì)算。

4 流程模擬及工況分析

完善物性模型后，先后對(duì)國(guó)內(nèi)兩套采用深冷凈化工藝的合成氨裝置進(jìn)行模擬計(jì)算，并將合成氨裝置A、B冷箱模擬結(jié)果與原設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果詳見表2、表3。

從表2、表3可以看出，Aspen Plus的計(jì)算結(jié)果與專利商的原設(shè)計(jì)值差異很小。

表2 合成氨裝置A冷箱模擬結(jié)果與原設(shè)計(jì)值的對(duì)比

表3 合成氨裝置B冷箱模擬結(jié)果與原設(shè)計(jì)值的對(duì)比

在成功模擬冷箱的基礎(chǔ)上，對(duì)合成氨裝置進(jìn)行全流程模擬，重點(diǎn)分析冷箱入口氣氫氮比對(duì)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(zhuǎn)化爐出口操作溫度不變;③合成補(bǔ)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(shè)計(jì)有足夠的余量，能適應(yīng)高惰性氣體含量的操作。

模擬結(jié)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(chǎn)量與冷箱入口氫氮比的關(guān)系。

從模擬結(jié)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(chǎn)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(shì)是非線性的。當(dāng)入口氫氮比升高到2.05以上，冷箱出口惰性氣體含量增長(zhǎng)的速度極快。操作時(shí)應(yīng)注意，壓力較高時(shí)，這種趨勢(shì)更加明顯。

表4 32.1bar(A)壓力下冷箱入口氫氮比增加對(duì)裝置產(chǎn)量的影響

表5 27.1bar(A)壓力下冷箱入口氫氮比增加對(duì)裝置產(chǎn)量的影響

圖7 合成補(bǔ)充氣中惰性氣體含量與冷箱入口氣氫氮比的關(guān)系

圖8 液氨產(chǎn)量與冷箱入口氣氫氮比的關(guān)系

5 結(jié)語

經(jīng)過物性參數(shù)修正，Aspen Plus可較好地應(yīng)用于深冷凈化流程的模擬。流程模擬結(jié)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(shì)是非線性的。對(duì)于采用深冷凈化工藝的合成氨裝置，其合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力有限，在實(shí)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(cè)，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(chǔ)的氧－氮－氬系統(tǒng)氣液平衡計(jì)算及在空分操作中的應(yīng)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(jí)工程師，總經(jīng)理助理。1999年畢業(yè)于浙江大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)?，F(xiàn)從事工藝設(shè)計(jì)及管理工作。聯(lián)系電話:(028)65531879。

2012－01－11)