Aspen模擬軟件在裂解裝置甲烷化單元的優化應用

張健杰(中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525000)

0 引言

隨著AspenTech系列等商用計算機模擬軟件的成熟與普及，化工生產單元模擬與應用已逐漸成為生產技術人員管理與優化裝置運行的重要技能之一。通過應用過程模擬軟件根據實際生產情況搭建裝置單元模型，一方面能夠充分梳理生產裝置的當前運行情況，另一方面也能夠通過修改參數模擬生產變化。鑒于某裂解裝置在前工段擴能改造后，甲烷化單元存在優化空間，故采用AspenTech系列模擬軟件對該單元進行分析優化。Aspen HYSYS作為成熟的行業標準模擬軟件[1]，具有全面的熱力學基礎數據，豐富的單元操作模塊庫，能夠實現對化工生產過程的模擬；Aspen Energy Analyzer是進行換熱網絡優化的概念設計包，能夠實現夾點分析和換熱網絡優化設計的環境；Aspen EDR能夠實現對換熱器的熱力設計、機械設計、成本估算以及繪圖等功能，并且在AspenONE 7.0后實現了與Aspen HYSYS的無縫對接，能夠在流程模擬工藝計算后轉入換熱器設計計算。文章通過對某采用Stone & Webster乙烯生產工藝的裂解裝置甲烷化單元進行流程模擬，結合Aspen Energy Analyzer進行換熱網絡分析并對流程進行優化設計，再通過將優化流程的參數導入Aspen EDR進行模擬計算后得到換熱器的參考型式。

1 換熱網絡優化理論簡介

換熱網絡分析與優化方面采用夾點技術分析，以達到節能的效果。夾點技術是英國學者Linhoff于20世紀70年代在總結前人研究基礎之上提出的，并逐漸發展成為一整套換熱網絡的優化設計方法。

該技術是以熱力學為基礎，從宏觀的角度分析過程系統中能量流沿溫度的分布，從中發現系統用能的“瓶頸”所在，并給以解“瓶頸”的一種方法。夾點技術適用于換熱網絡的設計和節能改造。當有多股熱流和多股冷流進行換熱時，可將所有的熱流合并成一根熱復合曲線，所有的冷流合并成一根冷復合曲線，然后將兩者一起表示在溫-焓圖上。

總復合曲線(grand composite curve,后簡稱為GCC)表示溫位與熱通量的關系，可以從冷熱復合曲線獲得：將冷復合曲線上移半個夾點溫差，將熱復合曲線下移半個夾點溫差，然后再由同溫度下兩曲線上的橫坐標相減即得該溫度下總復合曲線的橫坐標值。總復合曲線表明了整個系統所需與外界交換的熱量和溫位，反映系統需要的加熱公用工程和冷卻公用工程的情況。

在夾點之上，為了減少加熱公用工程的費用，根據總復合曲線應選擇盡量接近凈熱阱的加熱公用工程級別。常用的加熱公用工程有兩種形態：一種是有相變的介質，常用蒸汽；

另一種是無相變的介質，例如熱油、煙道氣等。夾點之下冷卻公用工程的選擇，分兩種情況考慮。

第一種，夾點溫度較低。在這種情況下，低溫段的冷卻，要用到低溫冷量。為減少操作費用，應盡量選擇環境介質的冷卻公用工程，以減少低溫冷量的用量。

第二種，夾點溫度較高。在這種情況下，凈熱源的溫位足夠高，應考慮用來發生蒸汽，以創造經濟效益[2]。

2 工藝流程簡介

裂解裝置的爐區裂解石腦油、加氫尾油、輕烴等裂解原料后，經過急冷、壓縮、分離等工段獲得多種精制的產品。該過程中，深冷分離后的富氫餾分則是甲烷化單元的原料，一般稱作粗氫。粗氫中主要含有氫氣、甲烷與一氧化碳。模擬采用的甲烷化單元進料組分如表1所示。

表1 甲烷化進料與產品組分一覽表

其中一氧化碳來自上游裂解爐爐管中稀釋蒸汽與碳的水煤氣反應：

作為雜質在深冷分離系統中無法與氫氣冷凝分離，從而影響氫氣的純度。氫氣作為下游聚乙烯裝置的重要原料，為避免影響聚合反應催化劑的活性，劣化聚乙烯產品的性能，需要脫除其中的一氧化碳。最常見的脫除方法之一是甲烷化法，即為通過在氧化鎳催化劑作用下使物料中一氧化碳與氫氣發生反應轉化為甲烷與水，從而脫除雜質：

該反應是放熱反應，但由于一氧化碳在氣體中含量不高，可在絕熱的反應器中進行。

某基于Stone & Webster乙烯生產工藝的裂解裝置的甲烷化單元流程簡述如下：粗氫在甲烷化反應器進出料換熱器E-01進行預熱后，再通過甲烷化反應器進料加熱器E-02以中壓蒸汽為熱源加熱后進入甲烷化反應器R-01。甲烷化反應器R-01中一氧化碳和氫氣在鎳催化劑的作用下發生強放熱的甲烷化反應轉化為甲烷和水。甲烷化反應器R-01的出料首先在甲烷化反應器進出料換熱器E-01冷卻，然后在甲烷化反應器出料冷卻器E-03用丙烯冷劑進一步冷卻，再送入甲烷化氣液分離罐V-01進行氣液分離。罐底部排出游離水，頂部氫氣送入氫氣干燥器V-02進行干燥后脫除微量水后作為氫氣產品外送。

3 模擬流程分析及優化

基于原甲烷化單元流程搭建的Aspen HYSYS模擬模型如圖1所示。

圖1 甲烷化單元模擬流程

運行模擬運算后將關鍵換熱器參數代入Aspen Energy Analyzer進行能量分析，實際工況下單元內換熱設備的主要工藝參數表，實際工況GCC曲線如表2、圖2所示。

表2 實際工況甲烷化單元換熱設備參數

圖2 甲烷化單元實際工況GCC

實際工況下，甲烷化單元進料(粗氫)進入甲烷化反應器進出料換熱器E-01與甲烷化反應器R-01出料換熱回收反應熱后預熱升至88 ℃左右，再經過甲烷化反應器進料加熱器E-02被中壓蒸汽加熱到165 ℃后進入甲烷化反應器R-01。甲烷化反應器R-01出料溫度為174 ℃，在甲烷化反應器進出料換熱器E-01中回收余熱后被冷卻至約109 ℃，然后進入甲烷化反應器出料冷卻器E-03被7 ℃的丙烯冷劑冷卻，物料溫度降到12 ℃左右。由實際工況GCC曲線可知，甲烷化單元的夾點在109 ℃附近。由此分析可得，一方面可以考慮利用甲烷化反應器進出料換熱器E-01中甲烷化反應器出料物料作為低溫位用戶的熱源進行熱量回收；另一方面可以考慮提升甲烷化反應器進出料換熱器的熱量回收能力。

結合裝置實際，提出優化建議如下：一是可以考慮增設或是升級甲烷化反應器進出料換熱器，從而提升換熱能力，更大化回收甲烷化反應熱。一方面提高甲烷化反應器進料預熱溫度，減少甲烷化反應器進料加熱器E-02的中壓蒸汽消耗量；另一方面，能夠進一步降低甲烷化反應器出料溫度，減少甲烷化反應器出料冷卻器E-03丙烯冷劑負荷。二是原本夾點以下直接使用丙烯冷劑冷卻較不合理。優化流程中，甲烷化反應器出料冷卻器E-03前考慮增設循環水冷卻器進行降溫，優化冷劑分配。

按照以上優化思路，更換原進出料換熱器E-01為新進出料換熱器E-01*，增設循環水冷卻器E-03*，優化流程后如圖3所示。

圖3 甲烷化單元優化模擬流程

表3 優化工況甲烷化單元換熱設備參數

優化工況下，甲烷化單元進料通過新進出料換熱器E-01*更大化回收反應熱后預熱至101.7℃，從而實現甲烷化反應器進料加熱器E-02能夠較實際工況減少0.13 t/h中壓蒸汽的用量將進料升溫至165 ℃。由于甲烷化反應器出料溫度降低，加上增設了出料循環水冷卻器E-03*，甲烷化反應器出料冷卻器E-03在7 ℃的丙烯冷劑用量減少3 t/h的情況下能夠滿足物料溫度降到12 ℃的要求。優化工況GCC曲線如圖4所示。

圖4 甲烷化單元優化工況GCC

根據《乙烯裝置單位產品能源消耗限額(GB 30250—2013)》內乙烯裝置能源及耗能工質折算值，公用工程能耗變化如表4所示。

表4 能量折算系數表

優化工況下，公用工程能耗實現年降2.75×106MJ。

通過將Aspen HYSYS模擬的優化工況中新進出料換熱器E-01*的運行參數直接導入Aspen EDR中，并通過“設計模式”進行換熱器設計。該模式中，在滿足各流體最大壓降的情況下，基于輸入的換熱器整體結構參數與管路信息，以最小成本或者最小面積為目標確定完成規定熱負荷的一個或多個換熱器[3]。

對于新進出料換熱器E-01*，Aspen EDR的“優化路徑”提供了23種方案。出于最小成本考慮，結合實際與經驗得出較優方案的部分情況如表5所示。

表5 新進出料換熱器E-01*設備設計總體性能

結構參數：新進出料換熱器E-01*的換熱器型式為NEN，材質為1-1/4Cr-1/2Mo，管程數2，殼徑(內徑)307 mm，管長2 250 mm，光管，管數112，管外徑16 mm，管壁厚1.5 mm，正三角形排列，管中心距22 mm，單弓形折流板，窗口區不布管，圓缺率16.2%。

面積余量：10%。

流速：殼側平均流速5.25 m/s，管側平均流速24.85 m/s，兩側最大流速見表5，平均流速與最大流速均在合理范圍。窗口流速與錯流流速于靠近進口與靠近出口的比值分別為2.29、2.29，對于窗口區不布管的設計，滿足比值小于3∶1。

壓降：殼側與管側的壓降分別為6.8 kPa與10.7 kPa，均小于允許壓降。

流路分析：B流路分數為0.57，無須采取額外措施提高。

溫度分布：冷熱流體之間無溫度交叉。

熱阻分布：如圖5所示，熱阻分布基本均衡。

圖5 新進出料換熱器E-01*熱阻分布圖

成本費用：18.9萬元(僅供參考，實際價格需咨詢產家)。

對于新增出料循環水冷卻器E-03*，采取類似的模擬計算與分析可得到適合優化工況的參考設計，此處不再贅述。

4 結語

文章對某裂解裝置甲烷化單元采用AspenTech系列軟件中Aspen HYSYS、Aspen Energy Analyzer，Aspen EDR等 模塊的聯動應用探討與實現了實際工況流程模擬、換熱網絡分析、優化工況流程模擬以及相應換熱器設計等裝置單元優化應用場景，為其他裝置單元優化提供思路與借鑒。該過程中一是通過模擬分析實際工況換熱網絡挖掘優化潛力，提出優化建議；二是實現優化工況下公用工程能耗年降2.75×106MJ；三是提出建議變更的新進出料換熱器E-01*的選型參考。