Aspen Plus在深冷净化合成氨工艺模拟中的应用

许斌 中国成达工程有限公司 成都 610041

设计技术

Aspen Plus在深冷净化合成氨工艺模拟中的应用

许斌*中国成达工程有限公司 成都 610041

以Aspen Plus为工具对深冷净化工艺中冷箱内的气液相平衡进行预测计算。计算选用Peng-Robinson状态方程，通过对二元交互作用参数的回归和修正，获得了满意结果。在此基础上，对采用深冷净化工艺的合成氨装置进行全流程模拟，研究工艺参数改变对冷箱及其下游氨合成系统的影响。

深冷净化流程模拟冷箱氢氮比惰气含量

1 Aspen Plus简介

Aspen Tech公司的Aspen Plus是通用型稳态工艺流程模拟软件。该软件源于上世纪70年代后期美国能源部在麻省理工学院组织的第三代流程模拟软件开发项目“过程工程的先进系统”(Advanced System for Process Engineering简称Aspen)。经过近30年的发展，Aspen Plus已经成为拥有18840种纯组分、近110个物性模型、约50种单元操作模型的大型标准模拟软件。其应用范围涵盖了石油、化工、冶金、制药等多个行业。Aspen Plus的功能包括:①针对工艺过程进行严格的能量平衡及质量平衡计算;②预测操作条件，包括物流的流率、组成及性质;③预测设备尺寸;④帮助进行多方案的比较及设计或操作的优化。

2 深冷净化工艺

深冷净化工艺在上世纪60年代由Brown＆Root公司［1］开发并应用于气头合成氨装置的设计。世界上首套采用深冷净化工艺的合成氨装置于1966年在美国Unocal氨厂投入使用。国内从上世纪90年代引进该技术，到2011年，已有6套采用深冷净化工艺的气头合成氨装置投入运行，详见表1。

深冷净化工艺的基本原理:在流程中设置冷箱，以移除合成补充气中的大部分惰性气体和多余氮气。由于流程中设置了冷箱，因此二段转化炉中添加过量的空气，一段转化的部分负荷被移往二段转化炉，一段转化炉的操作温度降低，同时也降低了二段转化炉出口的温度，使整个转化工序的操作更加温和，系统的可靠性更高。由于冷箱出口的合成补充气中惰性气体含量很低，气体成分更加纯净，使氨合成回路的效率更高。工艺流程见图1。

表1 国内采用深冷净化工艺的合成氨装置

图1 深冷净化工艺流程框图

在采用深冷净化工艺的合成氨装置中，冷箱作为深冷净化工艺中的核心设备，起着移除惰性组分、调整合成氢氮比、保证合成效率的关键作用。生产实践表明，冷箱操作稳定是合成系统获得高效率的关键。本文借助Aspen Plus软件对深冷净化工艺进行模拟，并在此基础上研究工艺条件改变后对冷箱及下游氨合成系统操作的影响。

3 物性模型的选择及参数修正

在深冷净化工艺中，冷箱处于中压(2.5～3.0MPa)、深冷(－182～－178℃)的操作条件，工艺介质中的成分包括H2、N2、CH4、Ar，均为非极性物质。文献1，2，3中推荐采用Peng-Robinson状态方程(以下简称PR方程)计算类似条件下的气液相平衡。PR方程属于立方型状态方程，

其基本形式为:

式中，P为压力;V为摩尔体积;T为温度;Tc为临界温度;Tr为对比温度;Pc为临界压力;R为气体常数;Kij为二元交互作用参数;ω为偏心因子。

公式中的二元交互作用参数Kij反映物质之间的相互作用程度，是预测二元以及多元体系气液相平衡的关键参数。在Aspen Plus软件自带的物性数据库中，用PR状态方程模拟冷箱工况时所需要的二元交互作用参数不完整，同时软件数据库中已有的几组二元交互作用参数均设定为与温度无关的参数，通过试算表明，在深冷工况下其计算误差较大，计算结果不能准确地反映该工况下的气液相平衡状况，因此需要对二元交互作用参数进行修正和补充。

本文通过文献2，4～6收集了多套二元组分在低温下的的气液相平衡数据，并以此为基础，利用Aspen Plus自带的数据回归工具，回归得到需要的二元交互作用参数，回归的二元交互作用参数采用温度函数的形式。本文在Aspen Plus中应用这些二元交互作用参数对气液相平衡曲线进行预测，并与参考文献2，4～6中实验得到的深冷工况下气液相平衡数据进行对比，详见图2～图6。

图2 H2-N2气液平衡预测曲线及实验数据

图3 H2-Ar气液平衡预测曲线及实验数据

图4 N2-Ar气液平衡预测曲线及实验数据

图5 N2-CH4气液平衡预测曲线及实验数据

图6 Ar-CH4气液平衡预测曲线及实验数据

结果表明，选择PR状态方程计算二元体系的气液相平衡时，通过修正二元交互作用参数，其预测计算的结果与实验数据基本吻合，修正后的PR方程模型适用于深冷工况的模拟计算。

4 流程模拟及工况分析

完善物性模型后，先后对国内两套采用深冷净化工艺的合成氨装置进行模拟计算，并将合成氨装置A、B冷箱模拟结果与原设计值进行对比，结果详见表2、表3。

从表2、表3可以看出，Aspen Plus的计算结果与专利商的原设计值差异很小。

表2 合成氨装置A冷箱模拟结果与原设计值的对比

表3 合成氨装置B冷箱模拟结果与原设计值的对比

在成功模拟冷箱的基础上，对合成氨装置进行全流程模拟，重点分析冷箱入口气氢氮比对冷箱和下游合成系统的影响。

为便于比较，在模拟过程中首先做如下假定:①除冷箱(及前系统)的操作压力不同外，两套装置的其余工艺操作条件(包括原料气流量、成分等)均相同;②工艺空气流量降低后，原料天然气、合成循环气的流量均不改变，一段转化炉出口操作温度不变;③合成补充气(冷箱出口气)的氢氮比始终控制在约3.0;④假定氨合成回路的设计有足够的余量，能适应高惰性气体含量的操作。

模拟结果见表4、表5。

图7和图8分别表示冷箱出口气中的惰性气体含量以及装置氨产量与冷箱入口氢氮比的关系。

从模拟结果可以看出:

(1)工艺空气的加入量减少后，随着冷箱入口气氢氮比的增加，冷箱出口气中的惰性气体含量升高，从而直接造成合成回路中惰性气体的积累，使合成效率降低，装置的氨产量下降。

(2)入口氢氮比相同，在27.1bar(A)压力下操作的冷箱出口气中的惰性气体含量更低。

(3)冷箱出口气中惰性气体含量随入口氢氮比增大而升高的趋势是非线性的。当入口氢氮比升高到2.05以上，冷箱出口惰性气体含量增长的速度极快。操作时应注意，压力较高时，这种趋势更加明显。

表4 32.1bar(A)压力下冷箱入口氢氮比增加对装置产量的影响

表5 27.1bar(A)压力下冷箱入口氢氮比增加对装置产量的影响

图7 合成补充气中惰性气体含量与冷箱入口气氢氮比的关系

图8 液氨产量与冷箱入口气氢氮比的关系

5 结语

经过物性参数修正，Aspen Plus可较好地应用于深冷净化流程的模拟。流程模拟结果表明:入口氢氮比直接影响冷箱出口气中的惰性气体含量及合成系统的效率。冷箱入口氢氮比越高，出口气中的惰性气体含量就越高，且惰性气体含量随入口氢氮比增大而升高的趋势是非线性的。对于采用深冷净化工艺的合成氨装置，其合成系统的设计能力有限，在实际操作中冷箱入口气的氢氮比不宜高于2.05。

1 Aspen用户手册，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方程为基础的氧－氮－氩系统气液平衡计算及在空分操作中的应用［J］．气体分离，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，Fluid 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

*许斌:高级工程师，总经理助理。1999年毕业于浙江大学化学工程专业。现从事工艺设计及管理工作。联系电话:(028)65531879。

2012－01－11)