Aspen模拟软件在裂解装置甲烷化单元的优化应用

张健杰(中国石油化工股份有限公司茂名分公司，广东 茂名 525000)

0 引言

随着AspenTech系列等商用计算机模拟软件的成熟与普及，化工生产单元模拟与应用已逐渐成为生产技术人员管理与优化装置运行的重要技能之一。通过应用过程模拟软件根据实际生产情况搭建装置单元模型，一方面能够充分梳理生产装置的当前运行情况，另一方面也能够通过修改参数模拟生产变化。鉴于某裂解装置在前工段扩能改造后，甲烷化单元存在优化空间，故采用AspenTech系列模拟软件对该单元进行分析优化。Aspen HYSYS作为成熟的行业标准模拟软件[1]，具有全面的热力学基础数据，丰富的单元操作模块库，能够实现对化工生产过程的模拟；Aspen Energy Analyzer是进行换热网络优化的概念设计包，能够实现夹点分析和换热网络优化设计的环境；Aspen EDR能够实现对换热器的热力设计、机械设计、成本估算以及绘图等功能，并且在AspenONE 7.0后实现了与Aspen HYSYS的无缝对接，能够在流程模拟工艺计算后转入换热器设计计算。文章通过对某采用Stone & Webster乙烯生产工艺的裂解装置甲烷化单元进行流程模拟，结合Aspen Energy Analyzer进行换热网络分析并对流程进行优化设计，再通过将优化流程的参数导入Aspen EDR进行模拟计算后得到换热器的参考型式。

1 换热网络优化理论简介

换热网络分析与优化方面采用夹点技术分析，以达到节能的效果。夹点技术是英国学者Linhoff于20世纪70年代在总结前人研究基础之上提出的，并逐渐发展成为一整套换热网络的优化设计方法。

该技术是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给以解“瓶颈”的一种方法。夹点技术适用于换热网络的设计和节能改造。当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两者一起表示在温-焓图上。

总复合曲线(grand composite curve,后简称为GCC)表示温位与热通量的关系，可以从冷热复合曲线获得：将冷复合曲线上移半个夹点温差，将热复合曲线下移半个夹点温差，然后再由同温度下两曲线上的横坐标相减即得该温度下总复合曲线的横坐标值。总复合曲线表明了整个系统所需与外界交换的热量和温位，反映系统需要的加热公用工程和冷却公用工程的情况。

在夹点之上，为了减少加热公用工程的费用，根据总复合曲线应选择尽量接近净热阱的加热公用工程级别。常用的加热公用工程有两种形态：一种是有相变的介质，常用蒸汽；

另一种是无相变的介质，例如热油、烟道气等。夹点之下冷却公用工程的选择，分两种情况考虑。

第一种，夹点温度较低。在这种情况下，低温段的冷却，要用到低温冷量。为减少操作费用，应尽量选择环境介质的冷却公用工程，以减少低温冷量的用量。

第二种，夹点温度较高。在这种情况下，净热源的温位足够高，应考虑用来发生蒸汽，以创造经济效益[2]。

2 工艺流程简介

裂解装置的炉区裂解石脑油、加氢尾油、轻烃等裂解原料后，经过急冷、压缩、分离等工段获得多种精制的产品。该过程中，深冷分离后的富氢馏分则是甲烷化单元的原料，一般称作粗氢。粗氢中主要含有氢气、甲烷与一氧化碳。模拟采用的甲烷化单元进料组分如表1所示。

表1 甲烷化进料与产品组分一览表

其中一氧化碳来自上游裂解炉炉管中稀释蒸汽与碳的水煤气反应：

作为杂质在深冷分离系统中无法与氢气冷凝分离，从而影响氢气的纯度。氢气作为下游聚乙烯装置的重要原料，为避免影响聚合反应催化剂的活性，劣化聚乙烯产品的性能，需要脱除其中的一氧化碳。最常见的脱除方法之一是甲烷化法，即为通过在氧化镍催化剂作用下使物料中一氧化碳与氢气发生反应转化为甲烷与水，从而脱除杂质：

该反应是放热反应，但由于一氧化碳在气体中含量不高，可在绝热的反应器中进行。

某基于Stone & Webster乙烯生产工艺的裂解装置的甲烷化单元流程简述如下：粗氢在甲烷化反应器进出料换热器E-01进行预热后，再通过甲烷化反应器进料加热器E-02以中压蒸汽为热源加热后进入甲烷化反应器R-01。甲烷化反应器R-01中一氧化碳和氢气在镍催化剂的作用下发生强放热的甲烷化反应转化为甲烷和水。甲烷化反应器R-01的出料首先在甲烷化反应器进出料换热器E-01冷却，然后在甲烷化反应器出料冷却器E-03用丙烯冷剂进一步冷却，再送入甲烷化气液分离罐V-01进行气液分离。罐底部排出游离水，顶部氢气送入氢气干燥器V-02进行干燥后脱除微量水后作为氢气产品外送。

3 模拟流程分析及优化

基于原甲烷化单元流程搭建的Aspen HYSYS模拟模型如图1所示。

图1 甲烷化单元模拟流程

运行模拟运算后将关键换热器参数代入Aspen Energy Analyzer进行能量分析，实际工况下单元内换热设备的主要工艺参数表，实际工况GCC曲线如表2、图2所示。

表2 实际工况甲烷化单元换热设备参数

图2 甲烷化单元实际工况GCC

实际工况下，甲烷化单元进料(粗氢)进入甲烷化反应器进出料换热器E-01与甲烷化反应器R-01出料换热回收反应热后预热升至88 ℃左右，再经过甲烷化反应器进料加热器E-02被中压蒸汽加热到165 ℃后进入甲烷化反应器R-01。甲烷化反应器R-01出料温度为174 ℃，在甲烷化反应器进出料换热器E-01中回收余热后被冷却至约109 ℃，然后进入甲烷化反应器出料冷却器E-03被7 ℃的丙烯冷剂冷却，物料温度降到12 ℃左右。由实际工况GCC曲线可知，甲烷化单元的夹点在109 ℃附近。由此分析可得，一方面可以考虑利用甲烷化反应器进出料换热器E-01中甲烷化反应器出料物料作为低温位用户的热源进行热量回收；另一方面可以考虑提升甲烷化反应器进出料换热器的热量回收能力。

结合装置实际，提出优化建议如下：一是可以考虑增设或是升级甲烷化反应器进出料换热器，从而提升换热能力，更大化回收甲烷化反应热。一方面提高甲烷化反应器进料预热温度，减少甲烷化反应器进料加热器E-02的中压蒸汽消耗量；另一方面，能够进一步降低甲烷化反应器出料温度，减少甲烷化反应器出料冷却器E-03丙烯冷剂负荷。二是原本夹点以下直接使用丙烯冷剂冷却较不合理。优化流程中，甲烷化反应器出料冷却器E-03前考虑增设循环水冷却器进行降温，优化冷剂分配。

按照以上优化思路，更换原进出料换热器E-01为新进出料换热器E-01*，增设循环水冷却器E-03*，优化流程后如图3所示。

图3 甲烷化单元优化模拟流程

表3 优化工况甲烷化单元换热设备参数

优化工况下，甲烷化单元进料通过新进出料换热器E-01*更大化回收反应热后预热至101.7℃，从而实现甲烷化反应器进料加热器E-02能够较实际工况减少0.13 t/h中压蒸汽的用量将进料升温至165 ℃。由于甲烷化反应器出料温度降低，加上增设了出料循环水冷却器E-03*，甲烷化反应器出料冷却器E-03在7 ℃的丙烯冷剂用量减少3 t/h的情况下能够满足物料温度降到12 ℃的要求。优化工况GCC曲线如图4所示。

图4 甲烷化单元优化工况GCC

根据《乙烯装置单位产品能源消耗限额(GB 30250—2013)》内乙烯装置能源及耗能工质折算值，公用工程能耗变化如表4所示。

表4 能量折算系数表

优化工况下，公用工程能耗实现年降2.75×106MJ。

通过将Aspen HYSYS模拟的优化工况中新进出料换热器E-01*的运行参数直接导入Aspen EDR中，并通过“设计模式”进行换热器设计。该模式中，在满足各流体最大压降的情况下，基于输入的换热器整体结构参数与管路信息，以最小成本或者最小面积为目标确定完成规定热负荷的一个或多个换热器[3]。

对于新进出料换热器E-01*，Aspen EDR的“优化路径”提供了23种方案。出于最小成本考虑，结合实际与经验得出较优方案的部分情况如表5所示。

表5 新进出料换热器E-01*设备设计总体性能

结构参数：新进出料换热器E-01*的换热器型式为NEN，材质为1-1/4Cr-1/2Mo，管程数2，壳径(内径)307 mm，管长2 250 mm，光管，管数112，管外径16 mm，管壁厚1.5 mm，正三角形排列，管中心距22 mm，单弓形折流板，窗口区不布管，圆缺率16.2%。

面积余量：10%。

流速：壳侧平均流速5.25 m/s，管侧平均流速24.85 m/s，两侧最大流速见表5，平均流速与最大流速均在合理范围。窗口流速与错流流速于靠近进口与靠近出口的比值分别为2.29、2.29，对于窗口区不布管的设计，满足比值小于3∶1。

压降：壳侧与管侧的压降分别为6.8 kPa与10.7 kPa，均小于允许压降。

流路分析：B流路分数为0.57，无须采取额外措施提高。

温度分布：冷热流体之间无温度交叉。

热阻分布：如图5所示，热阻分布基本均衡。

图5 新进出料换热器E-01*热阻分布图

成本费用：18.9万元(仅供参考，实际价格需咨询产家)。

对于新增出料循环水冷却器E-03*，采取类似的模拟计算与分析可得到适合优化工况的参考设计，此处不再赘述。

4 结语

文章对某裂解装置甲烷化单元采用AspenTech系列软件中Aspen HYSYS、Aspen Energy Analyzer，Aspen EDR等 模块的联动应用探讨与实现了实际工况流程模拟、换热网络分析、优化工况流程模拟以及相应换热器设计等装置单元优化应用场景，为其他装置单元优化提供思路与借鉴。该过程中一是通过模拟分析实际工况换热网络挖掘优化潜力，提出优化建议；二是实现优化工况下公用工程能耗年降2.75×106MJ；三是提出建议变更的新进出料换热器E-01*的选型参考。