PR方程用于液氮洗工艺物性的计算

2020-08-17王乔毅苏珊珊

山东化工 2020年14期

王乔毅，苏珊珊

(1.山东三维石化工程股份有限公司，山东青岛 266000；2.中石油华东设计院有限公司，山东青岛 266000)

大型合成氨工厂，通常采用低温液氮洗装置脱除来自低温甲醇洗装置工艺气中的CO气体，以避免合成气中的氧原子超标造成合成氨催化剂中毒。工艺气在液氮洗冷箱内通过液氮洗涤过程去除CO,通过配氮过程实现氢氮原子比为3∶1，达到氨合成装置的进气要求。由此，液氮洗装置在合成氨工厂中的应用较为广泛。卢焕章、肖久高[1-2]等人曾指出PR方程可用于低温含氢物系的模拟计算。由于氢气形态上存在正氢与仲氢[3]，因此软件计算物性需考察以确定模拟计算数据的准确度。近年来，很多学者借助Aspen Plus对低温液氮洗装置进行模拟计算，文献[4-5]应用RK-Aspen方程进行液氮洗工艺过程的计算，文献[6]应用PR-BM方程进行液氮洗工艺过程的模拟计算。然而，针对液氮洗物系的热力学性质模拟计算的具体研究尚很少见。彭定宇[7]采用PR方程计算N2、CH4的热力学性质模拟计算，结果与文献比较吻合。本文在此基础上进一步考察液氮洗装置所涉及组分的纯组分物性，二元组分相平衡数据、三元组分相平衡数据。通过模拟数据与文献数据对比以确定Aspen Plus中的PR方程能否用于液氮洗装置的模拟计算。

1 PR状态方程

彭定宇[7]等人提出了PR方程。PR方程在计算饱和蒸气压、饱和液体密度等方面有较好的精度，是工程相平衡计算中最常用的方程之一[8]。

Aspen Plus针对PR方程计算物性方法的过程中进行了如下改进：

(1) 采用标准PR方程对于所有的热力学性质的计算，除了液相摩尔体积。

(2)真实组分的摩尔体积采用Rackett方法[9]予以计算。

由于许多状态方程能较好地说明气体的热力学性质，应用到液相区时会产生较大的偏差[9]，上述改进提高了PR方程对液相pVT数据计算的准确度。

PR方程如下：

(1)

式中：p为体系压力，V为摩尔体积，T为绝对温度，R为气体常数，a和b为状态方程参数。

纯组分pVT计算时：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(4)中Tr=T/Tc，Tc为临界温度，pc为临界压力，ω为偏心因子。

混合物系pVT计算时，采用如下混合规则：

2 纯组分物性计算

肖久高[2]曾指出由于低温下存在仲氢与正氢的转化及低温量子效应。在物性使用PR方程进行物性计算的过程中引入量子修正，以改善二元组分泡点的计算。文献[3]指出，正氢与仲氢的转化是自发且缓慢的，在无催化剂的作用下甚至需数月才可完成转化。当H2温度降低至接近液化温度时，量子效应较为明显。液氮洗装置操作温度最低约为75K，高于H2的临界温度(38.35K)，且装置的H2来自煤炭高温气化，由此建议H2的热力学性质与普通氢(正氢含量75%mol，仲氢25%mol)的热力学性质更为接近。

针对流程模拟过程中常用的纯组分热力学性质进行了模拟计算比对，具体包括：饱和蒸气压、汽化热、定压比热容cp。