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    渣油气化工艺流程模拟与优化.pdf

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    渣油气化工艺流程模拟与优化.pdf

    12 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2014,243 渣油气化工艺流程模拟与优化 赵柄国 惠生工程中国有限公司北京100102 摘要 利用工艺流程模拟软件Pro II对国内某厂的渣油气化工艺进行模拟,将渣油气化过程分解为燃烧反 应区和二次反应区,建立渣油气化过程的热力学反应模型,模拟计算结果并与设计值、生产测量值相比,误差 在可接受的正常范围内,说明本模型可用于渣油气化模拟。使用本模型通过模拟计算考察渣油气化工艺中氧油 比、蒸汽油比对气化温度、粗煤气组成的影响,给出优化后的建议操作参数。 关键词渣油气化流程模拟 渣油部分氧化制合成气的代表性技术主要有 Shell工艺和GE工艺,随着渣油深加工技术 和煤气化技术的发展,渣油气化制合成气受到挑 战-4-6】,但是目前国内仍有部分炼厂使用渣油气化 制氢气和一氧化碳技术 J。 国内最早对渣油气化技术进行研究的于遵宏 等人-8 。。,提出了射流区、回流区与管流区的三 区流动模型和燃烧区、二次反应区、回流反应区 的三区反应模型,为渣油气化炉的模拟奠定了理 论基础。汪静等 人在于遵宏提出的三区反应模 型基础上利用HYSIM对某化肥厂的重油气化工艺 进行了流程模拟,并对工艺参数进行了优化。于 遵宏等人提出的三区反应模型中回流反应区和二 次反应区发生的都是二次气化反应,区别在于二 者的停留时间不同,而这并不影响反应热力学的 研究,因此本文在三区反应模型基础上进行了合 理的简化,将回流反应区与二次反应区合并为二 次反应区,利用ProII建立渣油气化反应热力学模 型,忽略了反应动力学过程的影响,只考虑终态 的气体平衡组成,并利用本模型考察了氧油比、 蒸汽油比对粗煤气组成和气化反应温度的影响 趋势。 1渣油气化的工艺流程 渣油气化的工艺流程见图1。 来自界区的渣油经泵加压至4.2MPaG后, 进渣油预热器预热至232C,与4.3MPaG、 418C的过热蒸汽进行混合后一起进工艺喷嘴,来 自界区的4.15MPaG氧气则进工艺喷嘴的另一 氧气 高压饱和蒸汽 高压凝液 i卉油 低压饱和蒸汽 低压凝液 排污 文丘里 洗涤器 回收工艺水 糖I合成气 工艺凝液 巾压锅炉给d 。 。。 ‘ 一 J锅炉圣f}水 预热器 图1 渣油气化工艺流程简图 个通道,在气化炉内与渣油蒸汽的混合物发生部 分氧化反应生成高温粗煤气。高温粗煤气首先进 中压废锅产生4.9MPaG的饱和蒸汽,粗煤气 被冷却到300oC,再进文丘里洗涤器和洗涤塔除去 粗煤气中的碳黑,粗煤气被激冷至饱和,出洗涤 塔至界区,洗涤塔底部的黑水一部分循环进文丘 里洗涤器,一部分与中压锅炉给水换热,回收热 量后去水处理单元。 2渣油气化的工艺流程模拟 2.1 ProII模拟工艺流程建立 根据图1所示的工艺流程,在Pro II中需用到 的流程模拟模块包括泵、简单换热器、混合器、 转化反应器、吉布斯反应器、平衡反应器、精馏 塔。在整个流程模拟中最核心的是渣油气化的反 应过程模拟。渣油气化模拟的数学模型可分为热 力学模型和动力学模型两类,本文采用热力学模 型。渣油气化反应在气化炉内可分为燃烧反应区 和二次反应区,在燃烧反应区,从工艺喷嘴喷出 的渣油和氧气在高温下立即发生燃烧反应,形成 赵柄国注册化工工程师。2006年毕业于北京化工大学化学工程专业。现从事煤化工工艺研发与设计工作。联系方式 010 847847881721,Emailzhaobingguowlson.tomo 赵柄国 渣油气化工艺流程模拟与优化 13 火焰并放出大量的热量,直至进料的氧气消耗完 全,整个气化反应的热量主要由燃烧反应区提供, 部分渣油在高温下发生热解反应,裂解成低碳烃 和碳黑,渣油与氧气的燃烧反应是一个快速不可 逆的反应,本模型选择PRO II中的转化反应器模 拟渣油与氧气的燃烧过程,转化反应器按照给定 的转化率计算化学反应的物料平衡和热平衡,假 设氧气消耗完全,渣油中的s和N分别生成H S 和N,渣油热解反应产生的低碳烃为CH ,渣油 热解反应完全,按照上述假设,渣油气化的燃烧 过程用反应方程式1和2表达。 CxH,S N x}一号0z xCO号一zH20zHzS n Nz 1 CxH,S。N 一}一号CH zH2S 丁n Nz x-}寺C 2 在二次反应区,渣油热解生成的碳黑和蒸汽 以及燃烧反应后的气体发生二次反应,包括水煤 气反应、甲烷化反应、二氧化碳还原反应、变换 反应、羰基硫反应、合成氨反应等,反应方程式 见3~8,二次反应区以吸热反应为主,气 体组分之间同时发生多个反应,均为可逆反应。 本模型利用PRO II中吉布斯反应器和平衡反应器 模拟二次反应过程。 CH2O C0H2 CH4H20 C03H2 CH20 C0H2 COH2O C02H2 COH2S. COSH2 N23H2 2NH3 3 4 5 6 7 吉布斯自由能;n 为固相组分的摩尔数;nj 为流 体组分的摩尔数。 吉布斯反应器描述的是一个理想的平衡状态, 适合计算多组分多相的化学反应平衡,但是反应 物在气化炉内的停留时间有限,二次反应过程无 法达到理想的反应平衡,需要对吉布斯反应器的 计算结果进行适当修正,本模型利用平衡反应器 中的平衡温距来描述二次反应未达到反应平衡的 状态,最终模拟出气化炉出口的粗煤气组成。 平衡反应器的原理是针对特定的反应,其反 应物与生成物达到平衡,通过反应平衡常数计算 最终的产物组成,平衡反应中可以设置平衡温距, 用于描述反应距离达到平衡的程度,ProlI中的平 衡反应器中内置了变换反应和甲烷化反应的平衡 常数,在ProII中反应平衡常数随温度变化的关 系为 ln尼 A等clIl CP日 DTE F7d 10 式中,K。 为平衡常数,A~H为阿伦尼乌斯常数, T为绝对温度。 2.2热力学方法选择 选择正确的热力学方法是流程模拟获得准确 结果的关键。SRKM方程是立方型状态方程,是在 SRK方程的基础上改进了多组分混合物之间的混 合规则以及二元交互作用参数,适用于气体加工、 炼油等工艺过程,适用的体系为非极性或弱极性 的多组分混合物,如烃类及CO2、H2S、H、CO 等气体。该方程尤其适用于高温高压非理想体系, 本文选择SRKM计算粗煤气和氧气的物性,用 SRK计算减压渣油的物性,在SRK的倾析水选项 中选用IAPWSIF97水蒸汽表计算纯水的物性。 8 3结果与讨论 吉布斯反应器的原理是计算所有反应物与生 成物在化学反应平衡和相平衡中的吉布斯自由能 之和最小,即 兰 茎薹 9i1 RTRT 荟 9 式中,NS为固相组分数;NP为流体的相态数; NC为流体的组分数;Gs∞为固体组分的标准吉布 斯自由能;Gj 为流体组分在反应温度NNNT的 3.1模拟结果与设计值、测量值的比较 表1是进工艺喷嘴前的三股工艺物料的进料条 件。表2是进料渣油的元素分析和热值、NBP、比 重及分子量,用于在ProII中定义石油组分。表3 是计算结果与设计值以及生产运行的实际测量值 之间的比较,其中测量值为日平均值。气化反应 的温度与设计值相比偏差1.1%,关键组分CO与 H 的含量与设计值相比误差在1%以内,与测量值 14 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2014,243 相比误差在2%以内,CO 的含量与设计值相比误 差在1%以内,与侧量值绝对偏差小于1%,相对 偏差较大,考虑CO 含量较低以及测量值的仪表分 析误差,这样的误差属于可接受的正常范围,计 算结果与设计值及测量值相吻合,说明本文采用 的热力学模型可用于渣油的气化反应过程模拟, 将回流反应区与二次反应区合并为二次反应区不 影响对渣油气化热力学模拟结果的准确性。可利 用本法通过模拟计算对渣油气化的操作