天然氣處理工藝建模與模擬進展

邵青楠，顧鑫誠，鄧春*，邱敏，馬利敏，姬忠禮

1 中國石油大學(北京)化學工程與環境學院重質油國家重點實驗室，北京 102249

2 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京 102249

0 引言

天然氣作為一種綠色環保、安全高效的化石能源，在全球能源結構中正占據著越來越重要的地位。在中國，隨著天然氣逐漸在工業和住宅領域代替煤炭并在交通領域代替石油，天然氣的需求激增。2017年，中國天然氣消費增長15.1%，占全球天然氣消費凈增長的32.6%[1]。在供應端，得益于頁巖氣革命，美國引領了全球液化天然氣供給的快速擴張。中國作為世界最大的頁巖氣儲備國，對頁巖氣、致密氣等非常規天然氣資源的開發已受到充分重視，未來產量將強勁增長。

化工過程模擬技術旨在通過流程建模，來對工藝進行開發、設計與優化。建立數學模型對化工過程進行描述，再借助計算機輔助求解，從而進行流程的物料衡算與能量衡算。通過對天然氣處理過程的建模與模擬，能夠對現有裝置進行工藝參數優化、節能改造與能量集成；也可以開發與設計新型工藝過程，并進行設備設計以及經濟效益評估。因此，對天然氣處理工藝建模與模擬的研究具有十分重要的現實意義。

1 天然氣處理工藝

來自油氣井的天然氣主要成分為甲烷，但其中還含有硫化氫、二氧化碳和水等雜質，需要經過天然氣處理將其加工為符合氣質標準和管輸要求的商品氣。典型的天然氣處理工藝如圖1所示，主要包括脫酸性氣體、脫水、硫磺回收、天然氣凝液(Natural Gas Liquid, NGL)回收等過程。

圖1 典型天然氣處理工藝Fig. 1 Typical natural gas treatment process

井口天然氣首先需要經過天然氣預處理過程，分離出氣體中夾帶的凝析油、游離水和固體雜質。經預處理后的粗天然氣進入脫酸氣裝置脫除其中的含硫和含碳化合物，減少酸性組分對管道和設備的腐蝕。其中醇胺法占據了主導地位，在低溫高壓下醇胺與酸性組分反應并在高溫低壓下解吸釋放出酸氣得以再生，常用的醇胺溶劑有單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)和甲基二乙醇胺(MDEA)等。為了提高對硫化氫吸收的選擇性，又常在醇胺中加入環丁砜，即砜胺法。此外，離子液體對CO2具有良好的吸收能力，選擇性滲透膜可利用不同氣體滲透性能的差別分離酸性組分，這些新工藝也受到了研究者們的關注。

來自脫酸氣裝置的酸氣將通過克勞斯工藝回收硫磺。將硫化氫不完全燃燒，生成的二氧化硫與硫化氫進一步反應可得到硫單質。為了進一步提高硫回收率，在常規克勞斯的基礎上又開發了多種延伸克勞斯工藝，如超級克勞斯、低溫克勞斯、富氧克勞斯等。硫磺回收單元還需要配套尾氣處理單元以保證尾氣中的SO2達到排放標準，可采用還原-吸收法、氧化-吸收法和催化低溫克勞斯法。

脫水過程是為了將天然氣中的水分除去，使水露點達到管輸要求，防止形成天然氣水合物堵塞管道和設備。常用的脫水方法有固體干燥劑吸附、溶劑吸收以及低溫冷凝。三甘醇(TEG)溶劑具有熱穩定性好、露點降幅大、易再生等優點，使用最為廣泛。低溫冷凝又可分為膨脹冷卻法和加壓冷卻法，前者利用天然氣的節流膨脹制冷，后者是將其加壓后冷卻，在低溫下水蒸氣凝結為液態水析出。

當商品氣對烴露點的質量指標有要求時，還需要從天然氣中分離出天然氣凝液(NGL)，進一步分餾NGL后可得到乙烷、丙烷、丁烷和天然汽油等燃料與化工原料?；厥漳旱姆椒ㄓ形椒?、油吸收法和冷凝分離法，其中采用膨脹機制冷的低溫冷凝工藝應用最為普遍。

2 過程模擬在天然氣處理工藝中的應用

過程模擬也被稱為流程模擬，包括了穩態模擬和動態模擬?；は到y的數學模型通常是一個大型的非線性方程組，穩態模擬的實質就是求解這一方程組。動態模擬是在穩態模擬的基礎上，模擬過程擾動對流程各工藝參數隨時間變化的影響。

過程模擬技術常被用于既有裝置的節能改造、生產調優以及新工藝過程的研究開發、概念設計。應用過程模擬軟件對天然氣處理工藝進行建模與模擬可以較好地分析整個工藝流程，了解重要的流程行為和過程機制，并尋找出最佳操作參數。天然氣項目投資大，對設備、安全、環保的要求高，通過模擬可以預測給定操作條件下的系統行為，代替大量實驗，得到重要性能信息，減少試驗次數，從而縮短工業化周期。此外，在工業化前期，對工藝過程的經濟評價可以指導設計方案的比選，預測工業化可行性，減少投資盲目性。天然氣處理過程較為復雜，某一個參數的改變往往影響著多個參數的取值，而通過數學模型可以較好地揭示過程和設備變量之間的關系，可以實現系統操作參數的優化。動態模擬對于消除安全隱患也發揮著重要作用，它可以預測系統參數與操作工況發生改變時對整個系統造成的影響，評估控制方案的合理性，確保天然氣生產與儲運過程的安全。

對于天然氣處理工藝，最常用的流程模擬軟件為Aspen HYSYS和ProMax。HYSYS在油氣地面工程、油氣加工過程設計中應用較多，具有強大的動態模擬功能；ProMax是TSWEET和PROSIM這兩個過程模擬器的延續，被開發專用于天然氣處理過程的建模，可模擬石油和天然氣工業中的絕大多數過程。

3 天然氣處理工藝各單元流程模擬進展

3.1 脫酸氣單元流程模擬

在天然氣脫酸氣流程模擬研究方面，醇胺法是研究與應用最為廣泛的流程。Abdulrahman和Sebastine[2]研究了胺液種類對脫除效果的影響，他們對比了MEA、DEA、MDEA以及它們的混合胺溶液，考察了胺液循環速率、溶液濃度等因素，認為35%的DEA溶液最適合處理Khurmala天然氣。MDEA由于其蒸汽壓低、腐蝕性小，穩定性好且對H2S具有吸收選擇性而被我國天然氣處理廠廣泛使用。馬云等人[3]對常規MDEA工藝適宜性進行了研究，發現制約裝置達標的因素為原料氣溫度、貧液進吸收塔溫度和循環量。韓鵬飛[4]和Nwaoha[5]分別采用HYSYS和ProMax模擬了MDEA-PZ混合溶液的天然氣脫碳過程并進行了靈敏度分析，驗證了在MDEA溶液中加入一定量哌嗪(PZ)可以提高反應速率。除了胺液種類外，研究者還考慮了多種工藝結構。Bae等人[6]采用Aspen Plus模擬了胺液分流工藝，半貧胺液從再生塔冷卻并泵送回吸收塔，降低了再生塔的再沸器負荷。Cho等人[7]報道了同時考慮半貧液、多股進料與中段泵回流三種工藝結構的脫酸氣流程，這三種結構在流程中產生一系列不同組合，采用遺傳算法優化了該模型，以尋找能耗最小的工藝配置。這種結合流程模擬軟件和遺傳算法的優化方法也被用于尋找天然氣凈化裝置的最佳操作參數。李奇等人[8]基于數據對象接口技術實現了HYSYS與Matlab之間的數據傳遞，對作為決策變量的醇胺循環量、再生塔回流率等六個操作參數進行了優化，使裝置用能下降了12.8%。李奇等人[9]還報道了脫酸氣裝置的動態模擬，針對裝置高負荷下產品氣不達標的問題，提出了一種比例控制方案，極大地提高了裝置的操作彈性。在模擬過程中常會遇到流程軟件的選擇問題，Gutierrez[10]對比了Aspen HYSYS與Aspen Plus模擬的DEA脫硫過程，Ahmadi[11]對比了ProMax與Aspen Plus模擬的MEA脫碳過程，結果顯示這些流程軟件雖然模擬醇胺體系采用的流體包不同，但是模擬結果接近。

醇胺法存在著溶劑流失量大、再生能耗高以及設備投資高等問題，相比之下，膜分離是一種極具前景的脫硫脫碳新技術。目前，膜性能雖然可由多種數學模型描述，但在流程模擬領域的研究較為有限。HYSYS軟件中不含內置的膜組件單元，因此需要進行用戶定義。Peters等人[12]采用NTNU開發的ChemBrane膜模型在該軟件中模擬了天然氣脫碳過程，并將其與醇胺法進行了比較，結果表明后者所能達到的二氧化碳脫除率更高，但其也需要更高的投資成本和更大的占地面積。Ahmad等人[13]將膜組件的二維錯流模型通過Visual Basic子程序與Aspen HYSYS相連接模擬了天然氣脫碳過程，并對比了單級無循環、單級帶滲透物循環、兩級帶滲透物循環、兩級帶滲余物循環、三級帶滲透物與滲余物循環這五種膜分離工藝方案，研究表明具有滲透物再循環的兩級膜系統的總成本最小。Alkatheri等人[14]提出了一種膜技術與胺吸收相結合的混合脫硫工藝，并將其用于中東高含硫天然氣的凈化，采用ProMax的Pebax膜模塊模擬了單級膜系統和帶循環的兩級膜系統，結果表明在原有胺吸收裝置前增加膜組件可以降低成本，其中甲烷損失和膜面積限制了膜對H2S的脫除率，采用兩級膜雖然增加了額外費用但卻能夠有效減少烴損失。

離子液體(IL)是另一種有望代替傳統醇胺的新型吸收劑，它具有蒸汽壓低、可調控性強等優點，將其用于天然氣脫酸氣和煙氣二氧化碳捕集過程的相關研究正日益增多，但在流程模擬方面的研究卻鮮有報道。Huang等人[15]研究了醇胺與離子液體形成的復配溶液捕集煙氣中CO2的新型流程，結合實驗結果在Aspen軟件中建立了基于IL的嚴格熱力學模型，通過對比[bpy] [BF4] -MEA、[bmim] [BF4] -MEA、[bmim] [DCA] -MEA三種復配吸收溶液以及傳統MEA溶液，得出[bpy] [BF4] -MEA具有最小能耗和成本的結論。García-Gutierrez[16]嘗試在Aspen Plus中，基于COSMO的熱力學模型構建離子液體脫除沼氣中CO2的流程，評 估了[C2MIm] [Tf2N] 、[C6MIm] [Tf2N] 、[P66614] [Tf2N] 三種離子液體作為物理溶劑的生產成本，結果表明采用IL法提純沼氣的成本比MEA法高出40%～51%，未來還有待進一步開發易再生、低成本的離子液體。

表1總結了脫酸氣單元流程模擬的相關期刊文獻。目前對醇胺法脫酸氣的模擬研究已取得一定進展。一方面，通過改變醇胺種類、配比以及活化劑研究了脫酸氣溶劑的性能，以適配高含硫、高碳硫比等各種氣質特點的天然氣；另一方面，結合優化算法對多個操作參數或多種工藝結構進行同時優化，相比只對單參數進行靈敏度分析具有更高的節能降耗效果。由于醇胺法存在溶劑損失等一系列問題，膜分離和離子液體兩種新技術進入了研究者的視線，流程模擬技術為新技術的流程開發和經濟性評價提供了支撐。

表1 脫酸氣單元流程模擬文獻總結Table 1 Literature review on process simulation of acid gas removal unit

3.2 硫磺回收單元流程模擬

硫磺回收裝置(SRU)的建模一般采用兩種模型，即平衡模型和動力學模型。Nabikandi和Fatemi[17]分別采用這兩種模型模擬了直流法硫磺回收工藝，認為動力學模型的模擬結果比平衡模型更加準確。但是動力學模型存在動力學數據獲取困難、計算過程耗時等問題，因此更多文獻采用的是平衡模型中的最小吉布斯自由能法。Pahlavan和Fanaei[18]考慮了14個主要反應并建立了動力學模型，模擬了克勞斯反應爐，其結果與ProMax模擬數據相吻合，所提出模型還可被用于瞬態分析和控制方案設計。Zarei等人[19]建立了一個組合模型來模擬硫磺回收過程，包括用校正平衡模型模擬反應爐，校正動力學模型模擬余熱鍋爐，所得結果與實際數據吻合較好。

目前最常用的硫回收工藝流程模擬軟件為BR&E公 司 的ProMax/TSWEET和Sulphur Experts公司的Sulsim，這些軟件一般采用最小吉布斯自由能法，同時加入實際工業數據約束，即通過平衡模型和經驗模型的結合使結果更加準確。汪林燕[20]采用Sulsim軟件對低濃度酸性氣硫回收單元進行了建模，并模擬了不同氧氣濃度下酸性氣的燃燒反應，結果顯示氧氣濃度的增加可使爐膛溫度提高，裝置處理能力增加。高陽[21]采用ProMax軟件對三級克勞斯工藝、CPS工藝、MCRC亞露點工藝、超級克勞斯工藝以及CBA工藝這5種工藝方案進行了模擬，在比較了各工藝的蒸汽能、SO2排放量、硫回收率和投資成本后認為CPS工藝是最適合某凈化廠的工藝，另外還對酸氣H2S濃度、烴濃度、含水量和配風比等參數進行了適應性分析以確定裝置的最佳操作條件。

硫回收模擬專用軟件由于其較為專業，應用的廣泛性受到限制，故一些通用流程模擬軟件也被用于研究硫回收過程。白昊[22]在Aspen Plus中利用Fortran用戶模型建立了燃燒爐和硫冷凝器的單元模型并對克勞斯工藝進行了模擬，解決了該軟件對此過程模擬中燃燒爐出口組成偏離實際值的問題。Signor等人[23]采用PRO/II提出了一種硫磺回收工藝的自適應模擬方法，由Visual C++將燃燒爐和催化反應器的工廠實際經驗模型與模擬軟件相集成，建立了意大利某SRU裝置模型，從而驗證了此法的有效性。曹虎等[24]通過完善HYSYS自帶數據庫中缺失的單質硫相關物性數據，模擬了高橋石化和克拉瑪依石化的硫磺回收裝置，并與Sulsim的模擬結果進行了對比，偏差在允許范圍內。陳信等人[25]也采用HYSYS軟件，使用SR-POLAR方程結合 Properties物性數據庫，用吉布斯反應器模擬燃燒爐和催化反應器，活塞流反應器模擬廢熱鍋爐，轉化率反應器模擬硫磺冷凝器和在線加熱爐，建立了一套完整的克勞斯模擬流程。實際上，AspenTech公司已于2014年收購了Sulsim軟件并將其整合進HYSYS V9.0以上版本，若采用其硫回收子流程模塊模擬，則無需再自行定義各硫單質的理化信息和各單元內的化學反應。

除了硫磺外，如何回收H2S中的氫元素也受到了廣泛研究。Bassani等人[26]利用HYSYS集成DSMOKE軟件模擬了一種改進流程，將酸氣中的H2S和CO2經過胺洗、再生爐轉化和酸氣循環過程生產更具經濟效益的合成氣，再生爐中將發生更多的H2S熱解產氫反應而非克勞斯反應，原有克勞斯流程改為新工藝無需更換設備，只需改變裝置布局和運行條件即可。同樣的思路被Adewale[27]用于改進克勞斯制氫流程，將大部分H2S酸性氣送入改造后的反應爐前端裂化盤管中發生熱解反應，產物在分離出氫氣后再循環回反應爐進行常規硫回收過程，模型由ProMax建立，計算的投資回收期不足四年。

表2總結了硫磺回收單元流程模擬的相關期刊文獻。研究者們通過平衡模型、動力學模型以及它們的組合模型來建立更加準確的硫磺回收流程。同時，逐漸采用應用更廣泛的通用流程模擬軟件進行模擬研究。除了對過程的操作參數和工藝方案進行優化外，如何改進克勞斯流程從而同時回收硫元素和氫元素也受到了學者們的關注。

表2 硫磺回收單元流程模擬文獻總結Table 2 Literature review on process simulation of sulfur recovery unit

3.3 脫水單元流程模擬

對脫水流程的研究主要集中在(Triethylenegly，TEG)脫水工藝的模擬。陳宏福[28]利用HYSYS模擬軟件對延128凈化廠的TEG脫水裝置進行了模擬研究，結果表明在一定范圍內，降低濕天然氣進塔溫度，增加操作壓力和塔板數，以及引入汽提氣都可以降低脫水后干氣的水含量。李奇等[29]運用夾點分析技術對TEG脫水流程的換熱網絡進行了分析，發現原有裝置傳熱溫差太大，阻礙了熱量的進一步回收，通過提高富TEG換熱后的溫度可解除該“瓶頸”，經優化后可降低再生加熱負荷39.40%。謝書圣[30]和Neagu等人[31]分別使用Aspen Plus和Unisim Design建立了天然氣TEG脫水模型，通過靈敏度分析研究了影響裝置能耗和脫水效果的主要工藝參數，Neagu在經過技術經濟分析后得出結論，將汽提氣引入再生塔塔底或再沸器是一種固定投資小，且能有效提高脫水性能的方法。

乙二醇(MEG)和二甘醇(DEG)作為三甘醇的替代溶劑也被用于天然氣的脫水。Alnili等[32]采用HYSYS建立了天然氣MEG凈化模型，MEG可以在脫除酸氣的同時降低天然氣的水含量。Rouzbahani等[33]建立了DEG的吸收和再生模型，將露點降、VOC排放和裝置能耗作為流程優化的關鍵參數，結果顯示在現有運行條件下，將DEG的流量增加10%可使水露點降低6%，同時裝置能耗和VOC排放也沒有顯著增加。

常規TEG脫水流程存在著以下問題：再生過程伴隨著苯系物(BTEX)的排放，運行中TEG溶劑容易產生損失。Drizo脫水流程是在傳統TEG脫水流程中引入共沸再生工藝，賀三等人[34]通過HYSYS模擬發現Drizo工藝的TEG損失量更少，BTEX的排放量也更小。劉佳等人[35]通過對改進流程StripBurn系統、R-BTEX工藝和Drizo工藝進行模擬分析，最后推薦采用StripBurn系統來減少脫水裝置的BTEX排放。

除甘醇類溶劑脫水外，天然氣脫水還有分子篩吸附、低溫冷凝和超音速分離等方法。Santos等人[36]研究了利用4A分子篩變溫吸附工藝進行高CO2含量天然氣的脫水過程，在低溫下吸附使分子篩接近飽和并在高溫下解吸進行再生，固定床在這兩種狀態間循環進而實現水分的脫除。采用Aspen Adsim軟件模擬分子篩床層吸附再生的動態過程，結果顯示CO2和水為競爭吸附，高壓下飽和天然氣水含量隨著CO2含量的增加而增加，所需的固定床容積也隨之增加。

低溫冷凝法常采用節流膨脹制冷或外部冷劑制冷，在脫水的同時也可除去天然氣中的重烴。蘇里格氣田采用的是丙烷作制冷劑的外部制冷工藝，陳曉剛[37]應用HYSYS軟件對該脫水脫烴工藝進行了模擬，認為通過更換高效換熱器將制冷溫降下降至5 ℃，在滿足凈化要求的同時大幅降低能耗。超音速分離是一種基于冷凝分離的天然氣脫水脫烴新技術，利用Laval噴管和旋流葉片，將氣流壓力能轉化為動能從而產生低溫，分離出水蒸氣和重烴。Machado等人[38]應用HYSYS軟件建立了TEG吸收+J-T節流膨脹脫水模型以及Twister超音速分離器脫水流程，通過對兩者的對比分析，認為超音速法顯著減少了脫水過程的設備數量，同時增加的NGL產量也使其更具技術經濟優勢。

表3總結了脫水單元流程模擬的相關期刊文獻。其中TEG脫水流程模型受到了最廣泛的研究。為了解決該方法能耗高、溶劑損失大以及苯系物排放等問題，研究者們通過模擬優化了工藝參數，研究了替代溶劑，并通過引入汽提氣、再沸器等途徑改進了流程結構。對低溫冷凝法的研究主要集中在以減少冷量消耗為目的開發更高效的換熱以及組合工藝流程。對于新型的超音速脫水和膜分離脫水的經濟性尚待通過模擬與傳統方法做進一步比較，其占地面積小的特性使其有望在海洋平臺上開發推廣。

表3 脫水單元流程模擬文獻總結Table 3 Literature review on process simulation of dehydration unit

3.4 凝液回收單元流程模擬

目前回收天然氣中的輕烴主要采用低溫冷凝法，或者低溫冷凝與其他方法的組合回收工藝。張詩悅和王治紅[39]使用Pro/II模擬了一種從伴生氣中回收NGL的淺冷與膜分離集成工藝，該工藝對溫度的適應性較強，能在提高收率的同時降低裝置能耗。蔣紅等人[40]開發了一種冷劑制冷-油吸收復合工藝，即在現有冷劑制冷工藝上嫁接油吸收工藝，可使丙烷回收率提高23%～27%。冷凝分離中的冷量可由膨脹機制冷、冷劑制冷以及兩者復合制冷提供。崔麗萍[41]對南天化工輕烴回收擴建改造項目的丙烷制冷-膨脹機制冷-同軸增壓工藝方案進行了研究，模擬結果表明該制冷方式可以有效增加C3收率同時降低能耗。Li等人[42]提出了一種基于序列二次規劃(SQP)及約束條件的膨脹機制冷工藝優化模型，由Aspen Plus和Excel VBA軟件模擬計算，優化后整體利潤提高了13.5%。

為了降低NGL回收的投資與能耗，國內外對已有冷凝分離技術進行了一系列改進，形成了多種新工藝。比如由單級膨脹制冷(ISS)和多級膨脹制冷(MTP)改進得到的過冷工藝(GSP、LSP)、以干氣回流為特征的冷干氣循環工藝(CRR)和部分干氣再循環工藝(RSV)等。Yoon等人[43]開發了一種新型HY-NGL工藝并與GSP、CRR和RSV進行了對比，新工藝的進料在經過冷箱后分流出一股回流回冷箱，并進一步在過冷器中降溫后注入塔頂，該工藝能夠顯著降低能耗。直接換熱工藝(DHX)采用了重接觸塔，可大幅提高C2+組分的收率，喬在朋等人[44]在常規DHX工藝的基礎上做了改進，改進工藝采用兩級分離并在脫乙烷塔塔頂增設回流罐，提高了丙烷收率。邱鵬等人[45]對采用原料氣作冷劑的等壓開式制冷(IPOR)工藝進行了模擬研究，認為該工藝可以獲得DHX工藝類似的C3+收率，但所需設備數量更少。Ghorbani等人[46]設計并模擬了一種凝液回收、天然氣液化和脫氮過程的NGL-LNG-NRU集成工藝，系統中脫除的低溫氮氣可以給系統中其他部分提供冷量，所研究案例脫氮率為76%～93%，乙烷回收率為92%。Long等人[47]研究了利用分隔壁塔(DWC)和改進后的頂部分隔壁塔(TDWC)，來提高NGL回收中脫乙烷和脫丙烷過程的性能，顯著降低了該過程的成本和能耗。此外，分隔壁塔具有節能緊湊的優點，在另一篇文獻[48]中被用于和天然氣液化過程集成，構成海上浮式天然氣液化裝置(FLNG)，實現了以較低的投資與生產成本在有限空間中進行天然氣處理。

進料組成的不確定性對NGL回收的經濟性和工藝選擇具有重大影響，能否處理一系列隨時變化的原料氣也是考察工藝方案性能的重要指標。Getu等人[49]研究了不同進料組成下ISS、GSP、CRR、RSV、IPS-1和IPS-2六種NGL回收工藝的經濟性能，其中IPS-1工藝在處理貧富進料中都表現出了最小的總成本。Mehrprooya[50]設計了一種具有開-閉循環自制冷系統的NGL回收流程，通過模擬驗證了該工藝可以有效處理較寬范圍內的不同組成進料。

表4總結了凝液回收單元流程模擬的相關期刊文獻。為了以最低的能源成本盡可能多地回收輕烴，研究者們模擬了各種復合回收工藝，在膨脹機制冷工藝的基礎上改進工藝路線，形成了一系列新工藝。此外，還有研究者探索了NGL回收與脫氮、液化過程的集成工藝以及分隔壁塔回收流程。最后，由于進料組成不確定性對凝液回收影響較大，今后在新工藝的開發過程中，應對該性能指標引起足夠的重視。

表4 凝液回收單元流程模擬文獻總結Table 4 Literature review on process simulation of NGL recovery unit

4 天然氣處理工藝全流程模擬進展

對天然氣處理工藝全流程進行建模是工藝參數優化和過程節能分析的基礎。若只是針對過程中的某個工藝單元進行建模，則無法將整個天然氣處理裝置集合起來進行工藝特性分析與優化，而進行全流程優化比只對單個工藝單元進行優化具有更高的節能潛力。

張曉剛[51]采用ProMax軟件建立了普光高含硫天然氣凈化裝置的全流程模型，應用該模型對各個單元的工藝特性參數進行了適應性分析，引入均勻設計和支持向量機技術，創建了易于求解的全流程元模型，結合遺傳算法，對全流程操作參數進行了優化。Asil等人[52]通過使用Aspen HYSYS和ProMax來模擬Khangiran天然氣凈化廠的氣體處理、酸性氣提濃度和硫磺回收裝置并對該全流程進行優化，以整個裝置的總硫回收率為目標函數，研究循環酸性氣體分流比，循環胺液分流比等工藝參數的最佳值，并提出空氣預熱方案可更有效減少SO2排放。Sayed等[53]采用HYSYS對埃及某天然氣工廠全流程進行了模擬，該廠以含汞和VOC的酸性濕天然氣為原料，全流程包括脫汞、MDEA脫酸氣、TEG+分子篩脫水、NGL回收與NGL分餾、BTEX脫除以及硫磺回收過程，其中分子篩脫水采用電子表格計算，Claus工藝采用HYSYS V9.0中的Sulsim子流程模塊模擬，最后用APEA估算了天然氣工廠的預期資本支出。

不確定性下的優化一直是過程系統工程研究的一個重要領域，天然氣處理系統在設計和運營中也常涉及諸多不確定性，比如氣體和凝析液產品的價格波動與供需變化，天然氣流量與入口組成的改變引起流程性能的變化。因此，在天然氣過程系統的設計與合成中考慮不確定性是十分必要的。Gong等人[54]開發了一種基于模擬的過程強化方法，用于處理頁巖氣凈化和NGL回收全流程中的原料組成不確定性，該方法通過迭代計算依次進行過程模擬、面向設備容量的過程強化和設計驗證。此外，還開發了一種基于冷凝的脫水與NGL回收集成新工藝，采用常規工藝與新工藝對該方法進行了說明。

全流程模擬的另一個重要應用是天然氣處理集成衍生化學品生產過程的耦合工藝開發。圖2所示為天然氣中的主要烴組分和通過轉化可以生產的主要中間體和產品。經過天然氣凈化的氣體產品主要成分是甲烷，除了被用作燃料外，還可以通過合成氣轉化為下游的諸多化學品。為了充分利用頁巖氣中的甲烷，Ehlinger等人[55]對頁巖氣生產甲醇工藝進行了設計，通過流程的能量集成提出了熱電聯產方案。Martín和Grossmann[56]提出了一種以頁巖氣和柳枝稷作為原料生產液體燃料和氫氣的概念設計。Salkuyeh和Adams[57]首次采用Aspen Plus開發了一種通過甲烷氧化偶聯過程生產乙烯、乙烷和電力的零碳排多聯產工藝，通過敏感性分析評估了頁巖氣、乙烯、電力價格以及碳排放稅對工廠盈利能力的影響。天然氣凝析液中含有比甲烷更具市場價值的乙烷、丙烷等烴類，可通過裂解生產烯烴產品用作基本有機化工原料。He與You[58]采用Aspen HYSYS設計了一種頁巖氣處理集成乙烷裂解生產乙烯的新型工藝，在此基礎上，作者進一步提出了將頁巖氣處理、甲烷氧化偶聯、生質乙醇脫水、乙烷丙烷共裂解、PSA等工藝過程耦合集成的工藝設計，極大提高了頁巖氣能源系統的盈利能力和可持續性。鄭洪昊等人[59]在頁巖氣處理集成乙烯生產的工藝流程基礎上，又增加了乙烯環氧化單元，提出了高凝析液頁巖氣處理集成環氧乙烷生產的新型工藝。

圖2 天然氣/頁巖氣下游價值鏈Fig. 2 Natural/shale gas downstream value chain

5 結論與展望

過程模擬技術在天然氣處理工藝的開發與設計中發揮了極為重要的作用，它可為新工藝提供工廠運行與調試相關的操作參數，估算不同工藝的投資與運行成本，充分驗證工程設計的合理性，優化完善天然氣處理系統，并有助于尋找最佳的集成設計方案。但是隨著新型氣田的開發，天然氣組成日趨復雜以及新設備、新工藝的應用，對傳統過程模擬技術提出了全新的挑戰。未來將有以下幾個方面亟待學者們的進一步研究。

(1)離子液體、膜分離、超音速分離等天然氣處理新技術的研究進展很快，但對其進行流程建模的研究卻相對滯后。目前對這些新技術進行建模的難點在于現有流程模擬軟件內沒有完善的熱力學物性參數或單元操作模塊，往往需要通過用戶自定義輸入組分性質參數和設備約束方程。因此一方面，結合實驗生產數據開發嚴格的熱力學模型或單元設備模型是進行模擬研究的基礎。另一方面，這些新技術尚未大規模商業化，通過模擬研究降低其生產成本，縮短其工業化周期是另一個重要的研究方向。包括優化離子液體吸收條件和超音速噴嘴入口條件等工藝參數，改進膜組件配置等工藝結構，以及離子液體-醇胺復配溶劑等與現有工藝的集成研究。

(2)化工流程模擬軟件近年來也取得了較大進步。例如HYSYS中新增的Acid Gas Cleaning醇胺體系物性包可進行嚴格的熱力學與動力學計算，并可同時對塔器進行水力學核算。安全分析功能可通過模擬對流程的泄壓情況和火炬管網進行分析，確保設計方案安全可靠。供應鏈管理模塊可為天然氣處理系統提供計劃與調度工具，在價格、庫存和運行等限制因素下優化生產計劃，實現業務利潤的最大化。自適應過程控制技術與流程模擬軟件的結合，使得具有較大不確定性的復雜化工過程具備更強的魯棒性。此外，資產性能管理套件還可基于機器學習為化工設備提供故障診斷與運營維護，有效降低設備的維護成本。目前的流程模擬軟件已逐步實現了從設計、運營到資產管理的全生命周期一體化優化。這些新功能有待在天然氣處理過程的研究中被應用，而不僅僅停留在之前的設計應用層面。

(3)受到流程模擬技術的限制，先前的研究主要針對某一個工藝單元進行建模。近年來，流程模擬軟件的更新與迭代為多體系耦合建模提供了條件。下一步的研究應重點考慮在全流程尺度上對天然氣處理工藝進行集成與優化，特別是處理多類型不確定性模型的建立以及新型集成工藝的開發。當今，天然氣處理系統面臨著原料氣組成變化等操作不確定性和燃料與產品價格波動等市場不確定性[60]，在全流程基礎上建立魯棒優化模型可為多氣源處理系統的設計和系統的生產調度決策提供依據。另一方面，頁巖氣等高凝析液天然氣的開采對天然氣處理系統的建模提出了新的要求，國外已廣泛開展了對天然氣處理與烯烴等化學品生產集成工藝的研究，而國內對此卻鮮有報道。通過全流程模擬探索天然氣凈化加工一體化發展模式，這對促進合成氨、甲醇、乙烯等相關產業發展，構建天然氣上下游產業鏈，調整我國能源結構，促進經濟發展具有重要的戰略意義。