基于Aspen Plus模拟的气体多级压缩过程分析

2019-04-17郭伟新陆航宇万向成张冰剑陈清林

石油炼制与化工 2019年4期

郭伟新，陆航宇，万向成，张冰剑，陈清林

(中山大学化学工程与技术学院，广东省石化过程节能工程技术研究中心，广州 510275)

气体压缩过程广泛应用于石化工业重点耗能装置，如催化裂化和延迟焦化富气压缩，加氢装置新氢和循环氢压缩，乙烯装置裂解气压缩等，在装置能耗构成中压缩过程耗能通常占有较大比重，如何有效提高压缩过程效率对于降低装置能耗意义重大。根据热力学原理，压缩过程效率可以通过两类理想的压缩过程来估算，即等温压缩和绝热压缩，实际过程处于等温压缩与绝热压缩之间。对于高压缩比过程通常采用多级压缩，使得压缩过程更接近等温压缩，以有效实现压缩过程的节能[1]。考虑到气体的压缩升温，通常设置级间冷却，尽可能降低每一级压缩的进气温度，提高压缩过程效率。若忽略中间冷却器压力损失，压缩级数越多，压缩过程将越接近等温压缩，压缩过程理论能耗也就越小[2-3]。

1 气体压缩过程分析

1.1 多变压缩过程模拟模型

针对实际气体多变压缩过程，Aspen Plus模拟采用的焓变计算模型为：

(1)

(2)

(3)

式中：ΔH为摩尔焓变；HEAD为多变能量头；n为多变系数；ηp为多变效率；k为气体比热容比Cp/Cv；p为气体压力；V为摩尔体积流率；下标1表示气体压缩过程初始状态，下标2表示气体压缩过程末期状态。

对于多变离心压缩，Aspen Plus提供了两种热力学方法，即GPSA及ASME方法[9]。

1.1.1GPSA方法结合多变能量头计算式(2)，假定压缩过程pVk的值为常数，即多变压缩过程GPSA方法的焓变计算式为：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Zav为压缩因子；kav为比热容比；nav为多变系数的平均值。

1.1.2ASME方法针对多变压缩过程，使用ASME方法时，其焓变计算式为：

(8)

(9)

(10)

式中：f为多变能量头校正因数；H1和H2分别为压缩过程初始状态和末状态的焓。

1.1.3模型特点及应用前提Aspen Plus提供的GPSA方法，主要根据气体的吸入状态或吸入与排出状态的平均值进行计算，使用压缩因子Z和比热容比k的平均值来计算压缩介质平均状态下的物性。ASME方法则针对真实气体在多变压缩过程中多变系数n并不恒定而引入了校正因数进行模型校正。模拟涡轮机时，计算类型只有等熵压缩(Isentropic)一个，但等熵压缩ASME方法不能用于涡轮机，模拟涡轮机采用等熵压缩Mollier方法最严格。对于多变压缩机，GPSA方法和ASME方法均可，但ASME方法比GPSA方法相对更严格[10]。

1.2 压缩过程分析

Ex=(H-H0)-T0(S-S0)

(11)

式中：H、S分别为流体处于某状态的焓和熵，H0、S0分别为流体在基准状态下的焓和熵。

气体压缩过程的焓变可表示为：

(12)

过程熵变可表示为：

(13)

则可知

S=CplnT-Rlnp+C

(14)

初始状态与末状态等温时，气体熵变可表示为：

(15)

式中，ΔCp为气体终态与始态定压比热容之差。气体压缩后冷却，当终态与始态等温时，ΔS小于零，即熵减少，压缩气体此时具有对环境做功的能力。

对于气体压缩过程，压缩机消耗外供入功实现气体的升压。从热力学第一定律考虑，主要以压缩气体过程中能量的增加量作为目标，采用能量效率(η)评价过程用能的有效性，即[12-13]

(16)

式中，W为多级压缩机压缩功率。

2 粗裂解气多级压缩过程分析

2.1 流程模拟策略

以某粗裂解气装置中的五级压缩过程作为研究背景，其工艺简图如图1所示。经过一级压缩后的粗裂解气在一级中间冷却器中冷却至40 ℃后进入裂解气压缩机二级吸入罐，进行气液分离，气体进入裂解气压缩机进行二级压缩，压缩后进入中间冷却器冷却至40 ℃。如此重复，四级压缩后进入碱洗塔除去裂解气中的H2S、CO2等酸性气体组分，而后经过第五级压缩增压至2.7 MPa。

图1 五级压缩工艺流程示意F—粗裂解气进/出气罐； C—压缩机； E—中间冷却器。 —主物流线； —冷凝烃与水

对于模拟级间带有冷却器，且级间冷却器有液相凝出物流的多级压缩，采用流程模拟软件Aspen Plus推荐模拟模块Pressure Changers/MCompr对该压缩过程进行模拟分析。对于实际粗裂解气多级离心式压缩过程模拟，因为ASME多变模型比GPSA多变模型严格并且能够获得较理想的计算结果，故压缩机模拟模型选择ASME多变模型(Polytropic using ASME method)。粗裂解气含有H2，CO2，CH4，C2H4等非极性分子和H2O、H2S等极性分子，是非极性组分和弱极性组分的混合物系。PENG -ROB物性方法适用于非极性和弱极性混合物，对于各种温度和压力下的工艺操作，模拟结果较为准确，因此，选用PENG-ROB作为物性方法。表1为粗裂解气压缩过程的Aspen Plus模拟参数。

表1 粗裂解气压缩过程模拟参数

2.2 模拟结果分析

表2为粗裂解气五级压缩过程Aspen Plus模拟结果。表3为粗裂解气理想等温压缩与多变压缩在不同压力下的体积流量对比。图2为不同压缩条件下压缩粗裂解气至2.7 MPa时的p-V关系。

表2 粗裂解气五级压缩过程模拟结果

表3 不同压力下粗裂解气理想等温压缩与多变压缩的体积流量对比

图2 粗裂解气五级压缩过程节能潜力分析

从图2可以看出，粗裂解气采用五级压缩后，实际压缩过程更接近理想等温压缩，效率较高。根据功的计算式W=pV可知，图2中阴影面积即压缩机多级压缩相较于一级绝热压缩节省的功，在压缩比合理的前提下，压缩机级数越多，阴影面积越大，即节省下来的功越多，节能越明显。

2.3 压缩机能耗主要影响因素分析

压缩比是影响多级压缩过程能耗的重要参数之一，实际工业中的多级压缩过程通常采取平均分配压缩比，即压缩比ε可表示为：

(18)

式中，m为压缩级数。压缩比对压缩机能耗的影响体现在其压缩级数上，气体压缩至一定压力时，压缩级数越多，相对应的压缩比越小，多级压缩机能耗也会越低。

基于上述条件，针对27.5 t/h粗裂解气压缩过程，终压为2.7 MPa，分别设置为一级至七级压缩工况进行分析。采用Aspen Plus/Pressure Changers/MCompr模块，模拟结果见表4。从表4可以看出，压缩机功率、换热器负荷以及级间冷却出口温度均会随压缩级数的增大而减小，并逐渐趋缓。