HYSYS软件模拟克劳斯法硫磺回收工艺

曹 虎，黄世勇，王富丽，何晓霞

（1.北京石油化工工程有限公司上海分公司，上海 200032；2.广西化工研究院，广西 南宁 530001）

化学工程

HYSYS软件模拟克劳斯法硫磺回收工艺

曹 虎1，黄世勇1，王富丽2，何晓霞1

（1.北京石油化工工程有限公司上海分公司，上海 200032；2.广西化工研究院，广西 南宁 530001）

HYSYS软件因为物性数据库不完整，对克劳斯（Claus）法硫磺回收工艺不能进行有效模拟。通过完善HYSYS软件自带数据库中的部分物性数据，HYSYS软件亦可对克劳斯法硫磺回收工艺进行高精度模拟。本文利用完善后的HYSYS软件对中国石化上海高桥分公司原油适应性改造工程环保项目硫磺回收装置和中国石油克拉玛依石化公司硫磺回收装置扩能改造项目进行了工艺模拟，结果与SULSIM软件模拟结果进行比较，其计算偏差在允许范围内。

克劳斯法；硫磺回收；HYSYS软件；过程模拟

随着全球含硫原油和天然气资源的大量开发，以及节能减排日益引起全社会的重视，以克劳斯法（Claus）从酸性气中回收硫磺已成为石油化工企业的一个重要组成部分[1-2]，其原理是使部分硫化氢燃烧生成二氧化硫，二氧化硫再与剩下的硫化氢反应而生成硫磺。近年来，中小化工设计院也会在业务开展过程中遇到硫磺回收装置。目前，通用的全流程硫磺回收模拟软件是Sulphur Experts公司开发的SULSIM，由于其昂贵的价格，购买这一软件的国内企业不多。此外，购买SULSIM软件会有繁琐的申购程序和一定的软件熟练期，项目报价和设计进度易受硫磺回收装置的影响。

HYSYS软件是加拿大HyproTech公司研发的一款工程模拟软件[3]，其功能强大，操作界面简单，是工艺过程模拟的常规软件之一[4-8]。然而，HYSYS软件因为物性数据库不完整，对克劳斯法硫磺回收工艺不能进行有效模拟。通过完善HYSYS软件自带数据库中的部分物性数据，亦可对克劳斯法硫磺回收工艺进行高精度模拟。借助这一办法，中小化工设计院在承接硫磺回收项目时，能够避免决策阶段以及基础设计阶段的盲目性，为项目进展赢得时间。

本文通过对相关物性数据进行补充和完善，利用HYSYS软件对中国石化上海高桥分公司原油适应性改造工程环保项目硫磺回收装置（5万t·a-1，简称高桥项目）和新疆中国石油克拉玛依石化公司硫磺回收装置扩能改造项目（4000 t·a-1，简称克拉玛依项目）进行了工艺模拟，所得结果与SULSIM软件模拟结果进行比较，以验证其模拟精度是否符合不同工艺需求。

1 工艺流程介绍

克劳斯法按照硫磺回收规模大小，分为2套工艺路线。一种为大规模硫磺回收工艺路线，如图1所示。酸性气和空气一起在酸性气焚烧炉燃烧，炉内的温度可达1200 ℃上下。高温过程气在废热锅炉中降温至350 ℃，随后进入一级硫冷凝器被进一步冷却至170℃。在硫冷凝器中，硫蒸气变成液硫。此后，过程气被加热至240 ℃并在催化剂的作用下进行克劳斯反应。在一级反应器中，H2S的转化率一般控制在65%左右。反应后的过程气进入二级硫冷凝器，温度被降至160℃，排出液硫。随后，过程气被加热至220 ℃进行克劳斯催化反应。在二级反应器中，过程气中H2S的转化率一般控制在50%左右。最后，过程气再被冷却至158 ℃，从而把气相中的硫蒸气浓度进一步减低。这样处理过的酸性气，经加氢和水洗之后即可达标排放。

图1 克劳斯法回收硫磺工艺流程（大规模）

另一种为小规模硫磺回收工艺路线，如图2所示。与大规模工艺路线相比，其主要的工艺过程和工艺参数基本一致，这里不再介绍。不同点是小规模硫磺回收工艺是利用从酸性气焚烧炉中引出的2股高温流体分别和下游冷过程气掺合，从而达到替代一/二级过程气加热器的效果，节省了建设成本，更加方便灵活。

图2 克劳斯法回收硫磺工艺路线（小规模）

2 HYSYS模型建立

克劳斯反应如式（1）和式（2）所示。但是酸性气在焚烧炉内除了发生克劳斯反应外，还会发生其他的一系列反应等，如式（3）和式（4）所示。

HYSYS软件具有强大数据库，能精确模拟反应（1）、（3）和（4）。根据相关工程实践，对于反应（2），由于其物性数据库内缺少单质硫的理化信息，模拟结果粗糙，不能满足工业化设计的要求[9]。硫单质在不同的条件下，呈现不同的化学属性。在克劳斯工艺条件下，一般只需要考虑S2、S6和S8这3种，其中S2为气态硫[S(v)]，而S6、S8为液态硫[S(l)]。HYSYS自带的数据库中并不包含这3种物质的理化信息，需要自行补充完善。利用HYSYS自定义成分的功能，分别定义S2、S6和S8这3种物质。一部分理化性质，比如熔沸点等，在分子量确定之后系统即会自动生成。而化工模拟中最重要的ΔrG和ΔrH则由以下方法进行计算。首先，将所涉及反应的平衡常数计算式分别导入相应的平衡反应器模型，这可以确定各个反应最终的平衡状态及各组分浓度。然后，在已知平衡常数的前提下，利用范特霍夫方程ΔrH=(dlnK/dT)/RT2，计算出各个反应的反应热计算式。据此，可以获得各个反应阶段以及其后的冷却分离阶段的热负荷。表1中列出了克劳斯法工艺中涉及S2、S6和S8化学反应平衡常数的计算式[1]。

3 模拟结果分析

分别利用完善后的HYSYS软件模拟高桥项目和克拉玛依项目，并将结果与这2个项目的工艺物料平衡图（PFD，SULSIM软件模拟结果）进行比较。其中，高桥项目装置规模为5万t·a-1，采用的是大规模工艺路线进行模拟，结果见表2、表3和表4。克拉玛依项目装置规模为4000t·a-1，采用的是小规模工艺路线进行模拟，结果见表5、表6和表7。

从表2～7中可以看出（表中的组分物流号可参见图1和图2），经完善后的HYSYS软件与SULSIM软件的模拟结果相比，其计算偏差较小。高桥项目和克拉玛依项目的模拟结果表明，2个软件模拟的焚烧炉温相当接近，废热锅炉的热负荷偏差也都在±1%以内。尽管部分物流中的某些组分的浓度偏差比较大，但是这种偏差会在后继的流程中逐渐弥合，对最终结果的影响有限。具体如高桥项目中，焚烧炉出口H2S偏差-3.0%，SO2偏差-3.0%，Sx偏差+1.1%；克拉玛依项目中，焚烧炉出口H2S偏差+6.7%，SO2偏差+4.5%，Sx偏差-4.0%，但最终硫磺产量的差别均不到0.25%。此外，尽管各级硫冷凝器的负荷都存在偏差，但是总负荷偏差在±3%以内。对于一级硫冷凝器的热负荷，HYSYS软件的模拟结果较SULSIM的数值少4%～5%。而后两级冷凝器的偏差大小与装置规模大小及采用的工艺路线有关。装置规模小时偏差大一些，如克拉玛依项目偏差可达+(10%～14%)；装置规模大时偏差小一些，如高桥项目偏差仅为+(0.5%～0.9%)。但从绝对偏差来看，二级冷凝器偏差约+8.8kW，三级冷凝器偏差约+6.5kW。所以，根据项目规模，对一级硫冷凝器负荷适当增加5%，对二级、三级冷凝器则相应减少，并不会影响设计和询价硫冷凝器。

表1 相关反应平衡常数的计算式（Kp计算式中的分压皆以kPa计）

表2 高桥项目HYSYS模拟数据

表3 高桥项目SULSIM模拟数据

表4 高桥项目模拟设备数据对比

表5 克拉玛依项目HYSYS模拟数据

表6 克拉玛依项目SULSIM模拟数据

表7 克拉玛依项目模拟设备数据对比

HYSYS软件与SULSIM软件计算结果的不同，是2个软件数据库不同所致。所以，这些偏差不可能得到根除。但是根据上述分析，利用偏差规律对相关数据进行修正，可以使物料平衡和热量平衡的模拟结果偏差更小，不会对条件委托、产能估量和设备询价有影响。

4 结论

由于历史原因，国内硫磺回收项目长期以来一直为大型设计院所垄断。中小设计院出于成本顾虑，购买SULSIM软件的较少，这就导致他们缺少竞争硫磺回收项目的技术勇气。本文的研究工作表明，通过完善HYSYS软件自带数据库中的部分物性数据，对克劳斯法大规模工艺路线和小规模工艺路线均可实现高精度模拟，该方法具有很好的适应性，对于中小化工设计院具有很好的参考意义。因此，在缺少SULSIM软件的前提下，利用HYSYS软件亦可在硫磺回收项目决策和基础设计阶段做一些有意义且准确度较高的工作。

[1] 陈赓良，肖学兰，杨仲熙，等.克劳斯法硫磺回收工艺技术[M].北京：石油工业出版社，2007.

[2] 吴戒骄.硫磺回收装置长周期运行制约因素及精细化管理措施[J].化工技术与开发，2013，42(3)：46-47.

[3] 皮红梅，董晓燕，王红梅. HYSYS软件在芳烃装置上的应用[J].化学工业与工程，2005，22(1)：77-79.

[3] 李士富，王曰燕，王勇.山西沁水煤层气液化HYSYS软件计算模型[J].天然气与石油，2010，28(4)：22-25.

[5] 郭峰. HYSYS软件在酸性天然气净化中的应用[J].石油规划设计，2006，17(6)：45-46.

[6] 王勇，张玉玺，李娟花，等.级联型天然气液化HYSYS计算模型研究[J].天然气与石油，2013，31(3)：39-41.

[7] 郭国良，黄德先，张伟勇，等.基于HYSYS的延迟焦化炉动态模拟[J].计算机与应用化学，2008，25(11)：1311-1316.

[8] 石立宏，佟维妍.优化软件在芳烃装置中的应用[J].河北化工，2008，31(3)：55-56.

[9] 樊建明，诸林，许小云.克劳斯硫回收流程模拟及其工艺计算[J].江苏化工，2004，32(3)：53-55.

Simulation of Claus Sulfur Recovery Process using HYSYS Software

CAO Hu1,HUANG Shi-yong2, WANG Fu-li2, HE Xiao-xia1
（1. Shanghai Branch, Beijing Petrochemical Engineering Co.. Ltd., Shanghai 200032, China; 2. Guangxi Research Institute of Chemical Industry, Nanning 530001, China）

Database of HYSYS software was not comprehensive enough to effecitvely simulate the Claus sulfur recovery process. But if the database of HYSYS was patched by some componen t’s thermodynamic data, HYSYS software could also be used to simulate the Claus sulfur recovery process, accurately. Based on this idea, this paper simulated the sulfur recovery project of Shanghai Gaoqiao petrochemical industries company and Xinjiang Karamay petrochemical industries company, and the simulation results was in accordance with that of SULSIM software by and large, and the calculation error was within the allowable range.

Claus method; sulfur recovery; HYSYS software; progress simulation

TQ 019

A

1671-9905(2014)06-0071-04

曹虎（1980-），男，湖南武冈人，工程师，硕士，主要从事石油化工项目工艺设计和咨询工作，Email：xjcctv@sina.com

2014-03-29