简捷法确定提纯回用氢网络目标值

刘金豪，李爱红,，刘智勇(河北工业大学化工学院，天津 000；承德石油高等专科学校化学工程系，河北 承德 067000；河北工业大学海洋科学与工程学院，天津 000)



简捷法确定提纯回用氢网络目标值

刘金豪1，李爱红1,2，刘智勇3
(1河北工业大学化工学院，天津 300130；2承德石油高等专科学校化学工程系，河北 承德 067000；3河北工业大学海洋科学与工程学院，天津 300130)

摘要：与只考虑直接回用的氢网络相比，具有提纯单元的氢网络能显著减少新鲜氢气的消耗量，但其设计及求解提纯目标值过程均更为复杂。对于单杂质、提纯单元采用固定浓度模型的提纯回用氢网络，结合此类网络的特点，提出了一种简捷法确定网络目标值。首先假设提纯后氢物流量足够大，由此得出初始提纯夹点。当初始夹点估算正确时，由夹点之下的需求物流和源物流的流量与杂质质量衡算即可得出提纯回用氢网络的目标值；当初始夹点估算不正确时，可以第一次计算结果为基础判断得出正确夹点，再增加一步简单计算，也可得到提纯回用目标值。计算实例表明本文方法计算简单且有效。

关键词：提纯回用；氢网络；目标值；提纯夹点

2015-06-01收到初稿，2015-09-19收到修改稿。

联系人：刘智勇。第一作者：刘金豪（1988—），男，硕士研究生。

Key words: purification reuse; hydrogen network; target; purification pinch

引 言

随着原油的重质化和日益严格的环境要求，炼油厂加氢过程对氢气的需求量急剧增加，因此有效利用现有氢气资源、降低新鲜氢气的消耗量具有十分重要的意义。氢网络集成技术因能够有效提高氢气资源的利用率，减少新鲜氢气消耗量，因而引起了人们广泛的关注。

氢网络集成方法主要包括夹点分析法和数学规划法。对于只考虑直接回用的氢网络，许多学者讨论了其目标值的确定问题[1-5]。对于更具节氢效果的提纯回用氢网络，Alves[6]分析了提纯单元的3个可能位置（夹点之上、跨跃夹点和夹点之下），并指出将提纯单元放在跨跃夹点的位置是最优选择。Zhao等[7]采用氢负荷-流量复合曲线确定了夹点位置、新鲜氢气消耗量和废气排放量。Agrawal等[8]采用杂质浓度-质量负荷曲线得出具有提纯单元氢网络的氢消耗目标值。Foo等[9]提出了气体级联分析（gas cascade analysis）方法计算新鲜氢目标值，并且讨论了具有两个提纯单元的情况。Ng等[10]运用自动化目标夹点技术得到具有提纯单元的氢网络目标值。Zhang等[11]采用氢负荷-流量图得到具有提纯单元氢网络的夹点浓度、最小氢消耗目标及废气排放目标。Liu等提出了一种数值化方法确定夹点位置和氢网络的最小氢消耗目标值[12]，并提出一种图解法确定具有提纯单元氢网络的夹点位置、最小新鲜氢气消耗量、最佳提纯物流流量和最大新鲜氢气节省量[13]。Deng等[14]提出一种改进的三元图表法设计具有提纯单元的氢网络。Zhang等[15]采用改进的图解法确定多杂质氢网络目标值，并同时得到详细的网络设计。Yang等[16]和Zhang等[17]采用改进的图示法[11]同时优化提纯流量和浓度，并最终分别确定了氢网络的最大公共工程节省量和最小新鲜氢气消耗量。上述多数方法属于夹点类方法。

氢夹点技术可以确定出夹点位置及新鲜氢气消耗量，但很难考虑压力限制、压缩机配置和经济问题等实际因素。针对氢夹点技术的不足之处，很多学者采用数学规划法对氢网络进行了研究。Hallale等[18]考虑了氢网络中的压力约束和压缩机的配置，建立了基于超结构的数学模型。Kumar 等[19]通过实例分析了线性规划模型（LP）、非线性规划模型（NLP）、混合整数非线性模型（MINLP）在氢网络优化中的应用特点，并且考虑了提纯单元的配置及经济问题，所得结果更加接近于实际情况。Liao等[20]将文献[5]方法扩展应用于具有一个提纯单元的氢网络，运用非线性规划法确定出提纯单元在氢网络中的最佳位置，同时得出了氢消耗目标值。

与只考虑直接回用的氢网络相比，引入提纯单元后，新鲜氢气消耗量和废氢排放量会大大降低，但网络设计难度增大。Yang等[21]在研究氢网络时提出：把提纯流股看作一股源氢流并将之加到只考虑直接回用的氢网络中，即可形成具有提纯单元的氢网络，然后采用只考虑直接回用的氢网络设计方法即可得到具有提纯单元的氢网络设计。

本文结合提纯回用氢网络的特点，研究了提纯夹点之下的需求物流和源物流的流量衡算与杂质质量衡算，提出了一种简捷法确定具有提纯单元氢网络的目标值。文献实例表明本文方法能够有效确定提纯氢流目标值，且计算非常简单。

1 氢气提纯单元的特点

常用的氢气提纯技术包括变压吸附、膜分离、深冷分离工艺等[22-24]。Liu等[25]提出了提纯装置的简化模型，如图1所示。简化模型中忽略了流股温度和压力的影响，只考虑流量和浓度因素。提纯单元的流量和杂质负荷平衡见式（1）、式（2），氢气回收率R定义见式（3）。

式中，inF、Freg和Fres分别为待提纯的流股、提纯后流股和废气流股的流量，inC、Creg和Cres分别为待提纯的流股、提纯后流股和废气流股的杂质浓度。

图1 氢气提纯单元的简化模型Fig.1 Shortcut model of hydrogen purification unit

一般来说，废气流股的流量不能忽略，废气流股浓度的变化会影响提纯流股，这也是氢气提纯单元和水再生单元的主要差异所在。氢气提纯单元模型通常分为两种：固定提纯后浓度模型和固定氢气回收率模型。本文将研究提纯单元采用固定浓度模型的氢网络目标值问题。

2 含提纯单元的氢网络目标值的确定

图2为一个具有提纯单元的氢网络源阱匹配图。图2物流中，S1到Sp1−浓度低于夹点浓度，直接回用于夹点之下氢阱；Sp为夹点氢源，一部分直接回用于提纯夹点之下的氢阱，一部分直接回用于提纯夹点以上的氢阱，其余未直接回用部分进行提纯；S及更高浓度p+1的氢源，一部分直接回用于夹点以上氢阱，其余未被直接回用的氢源中，杂质浓度较低的流股进入提纯单元进行提纯，杂质浓度较高的流股作为废气燃烧或排放。

图2中提纯夹点之下氢源和氢阱的流量平衡和杂质质量平衡分别为分别为新鲜氢源、提纯

氢源和夹点之下氢源Si的流量；和分

图2 提纯回用氢网络的源阱匹配图Fig.2 Allocation of streams of hydrogen network with purification unit

将式（6）代入式（4）、式（5）可得

3 确定氢网络目标值步骤

通过以上分析，对于固定提纯后浓度模型氢网络，若确定了初始提纯夹点，由式（9）～式（11）即可确定氢网络目标值。设计步骤如图3所示。

（1）初始提纯夹点的确定

对于固定提纯后浓度的提纯单元，只要确定了提纯物流流量值，便可以把提纯流股作为一股源氢流加入初始网络中形成具有提纯回用的氢网络。在网络设计之前，假设提纯后源物流的量足够大，采用文献[21]提出的多氢源匹配法可以确定初始提纯夹点。

图3 确定目标值步骤Fig.3 Targeting procedure proposed

（2）提纯目标值的确定

确定初始夹点后，由式（9）～式（11）可以求得具有提纯单元氢网络的目标值。

如果初始夹点估算正确，由式（9）～式（11）计算得出的Freg即为网络提纯目标值。

如果初始夹点估算不正确，由式（9）～式（11）计算得出的Freg不是提纯目标值，但是式（9）～式（11）计算出的各参数对实际夹点的估算可以提供重要依据。可有以下两种情况：当初始夹点为Sp，但实际夹点为Sp+1时，即使FSp全部用于夹点之下的氢阱，如图4(a)所示，此时达到其最小值0，但仍不能满足夹点之下氢阱所需，在这种情况下，由式（9）～式（11）计算所得将小于0，即如图4(b)所示情况；当初始夹点为Sp，但实际夹点为Sp−1时，即使夹点处氢源Sp完全不分配给夹点之下氢阱，即，由式（6），，此时达到其最大值，如图5(a)所示的情况，在这种情况下，由式（9）～式（11）计算所得将大于，如图5(b)所示。

图4 Sp+1为实际夹点的情况Fig.4 Situation when Sp+1is purification pinch stream

图5 Sp1−为实际夹点的情况Fig.5 Situation when Sp1−is purification pinch stream

4 实例研究

4.1 例1

例1的极限数据取自文献[8]，提纯单元的氢气回收率R为90%，提纯后流股的杂质浓度Creg为5%（体积分数，下同），整理后的杂质极限数据见表1。（其中MMscfd为原文献单位，表示百万标准立方英尺/天，1 scf= 0.02832 m3)

表1 例1整理后的极限数据Table 1 Ordered data for Example 1

假设提纯后源物流的量足够大，将初始提纯氢源作为系统的新增源物流加入氢网络中，构成具有提纯单元的初始氢网络，运用文献[21]提出的多氢源匹配法计算可得，初始提纯夹点浓度为15%，夹点处氢源直接回用于夹点之上氢阱的量为0，未被直接回用的氢源是106.002 MMscfd的S2。由式（9）～式（11）可得

4.2 例2

网络中包含两个氢阱和3个内部氢源，提纯单元的氢气回收率R为90%，提纯后流股的杂质浓度Creg为5%，整理后的极限数据见表2。

假设提纯后源物流的量足够大，将初始提纯氢源作为系统的新增源物流加入氢网络中构成具有提纯单元的初始氢网络。运用文献[21]提出的多氢源匹配法计算可得，初始提纯夹点浓度为20%，夹点处氢源直接回用于夹点之上氢阱的量为0，未被直接回用的氢源是29.335 MMscfd的S3和40 MMscfd 的S4。由式（9）～式（11）可得

由计算结果可知：

表2 例2整理后的极限数据Table 2 Ordered data for Example 2

5 结 论

对于固定提纯后浓度模型的单杂质氢网络，提出了一种简捷法确定网络目标值。计算步骤如下：首先假设提纯后氢物流的量足够大，将初始提纯氢物流作为系统的新增源物流加入直接回用氢网络中，构成具有提纯单元的初始氢网络，运用多氢源匹配法计算得到初始提纯夹点，然后根据推导的关系式即可确定氢网络目标值。如果初始夹点估算正确，只需一步简单计算即可得到氢网络目标值；如果初始夹点估算不正确，第一次计算所得参数可以为正确夹点的估算提供十分重要的信息，这样经过两步简单计算，也可得到氢网络目标值。文献实例表明本文方法计算简单且有效。本文未考虑温度与压力因素，以及多个提纯单元的情况，这将是进一步研究的内容。

符 号 说 明

C ——物流的杂质浓度，%

D ——需求物流

F ——物流的流量，mol·s−1、MMscfd

R ——氢气回收率

S ——源物流

S0(utility) ——新鲜氢气物流

上角标

A ——提纯夹点之上

B ——提纯夹点之下

in ——进行提纯的物流

k ——迭代次数

下角标

i ——源物流

j ——需求物流

p ——提纯夹点处

reg ——提纯流股

res ——废气流股

NU ——最后一个直接回用于夹点之上氢阱的氢源

NR ——最后一个进入提纯单元的氢源

NS ——所有内部氢源的数目

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研究论文

Received date: 2015-06-01.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21176057) and the National Basic Research Program of China (2012CB720305).

A simple method for targeting hydrogen networks with purification unit

LIU Jinhao1, LI Aihong1,2, LIU Zhiyong3
(1School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2Department of Chemical Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China;3School of Marine Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Abstract:Hydrogen utility consumption can be reduced significantly when purification unit is introduced in a hydrogen network. In general, design and targeting of the hydrogen network involving purification are more difficult compared to that of the network involving reuse only. In this paper, a simple method is presented for targeting the single contaminant hydrogen networks involving purification unit with fixed purified concentration model, based on the characteristics of the hydrogen networks. In the targeting procedure, the initial flow rate of the purified stream is first assumed as sufficient, and then the initial purification pinch is identified. Finally, the purification target can be obtained with a few relationships developed from material balances. If the initial purification pinch is estimated correctly, the purification target can be obtained by only one step simple calculation. If the initial purification pinch is not estimated correctly, the correct pinch point can be determined based on the results of the first step calculation. The target can be obtained by an additional step of simple calculation. The results of a few literature examples show that the purification stream consumption target of single-contaminant hydrogen networks involving purification unit can be obtained easily with the proposed method, which provides an effective tool for the targeting of hydrogen networks involving purification unit.

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150759

中图分类号：TQ 021.8

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）03—1008—07

基金项目：国家自然科学基金项目（21176057）；国家重点基础研究发展计划项目（2012CB720305）。

Corresponding author:Prof. LIU Zhiyong, liuzhiyong@hebut.edu.cn