大型天然气制氢工艺仿真培训系统的开发与应用.pdf
第29卷 第1期2002年北 京 化 工 大 学 学 报JOURNAL OF BEIJ ING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGYVol.29,No.12002大型天然气制氢工艺仿真培训系统的开发与应用贺学文 田文德 姚 飞3(北京化工大学化学工程学院,北京 100029)摘 要:建立适于大型天然气蒸汽制氢装置动态模拟的数学模型。针对以往含氢动态系统模拟过程中存在的速度和精度难以兼得的矛盾,在深入分析天然气制氢装置特点的基础上,利用双层法的思想,引入适用于含氢系统的EDTF2PR状态方程作为机理模型,成功地开发了适用于天然气蒸汽转化法制氢的全流程动态模拟软件。对现场生产装置的模拟表明,该模拟系统能较真实地反映装置开停车及事故状态的动态效果,可用于技术操作人员的现场培训,也可用于生产工艺优化和控制方案的研究。关键词:天然气蒸汽转化;动态模拟;制氢中图分类号:TQ018收稿日期:2001204215第一作者:男,1975年生,硕士生3 通讯联系人 氢气是我国国民经济发展不可缺少的重要工业原料,在国民经济的各个领域发挥着重要作用。其生产工艺也日趋成熟,大体分成六种,即烃类水蒸气转化、变压吸附(PSA)、薄膜分离、部分氧化、煤气气化、重整副产氢,烃类水蒸气转化制氢法是目前世界上应用最普遍的方法。近年来,由于世界各国加大了天然气的勘探开发的力度,使得天然气蒸汽转化法最为经济可靠1,2。然而,由于天然气制氢流程涉及的模块多,循环流多,加上氢气物性计算复杂,各技术公司对模拟系统作为技术机密秘而不宣,所以很少见到有关该过程动态模拟软件的公开报道。本文在深入分析天然气制氢装置特点的基础上,利用双层法的思想,引入适用于含氢系统的Ef2fective Temperature Dependent Function2PR(ETDF2PR)状态方程作为机理模型,成功地开发了适用于天然气蒸汽转化法制氢的全流程动态模拟软件。对现场生产装置的模拟表明,该软件可用于指导实际的生产操作和流程改造,优化生产操作参数。1 系统建模的策略和方法制氢生产过程的流程模拟,因为系统的热力学性质涉及高温、高压、弱电解质、超临界等复杂现象,且流程循环物流较多,解算方法复杂。因此,相应的物性计算、单元模块的建立及模型求解方法都是实现高效逼真仿真系统的关键。111 物性计算物性计算是模拟的基础,其准确程度直接影响到流程模拟结果的可靠性。制氢生产过程涉及的物质主要有CH4、H2、H2O、CO、CO2、空气及少量的C2H6、C3H8、H2S、C4、C5。本系统各单元设备的能量衡算、物料衡算涉及的物性计算主要包括这些物质的焓值计算及汽液平衡计算。对液态溶液焓值的计算,在参阅文献3的基础上,根据专家推荐及实践中的经验,选择了具有一定代表性的数学模型。对某些物质的某些特性,由于文献中各模型误差较大,由实验数据回归整理得到。制氢生产过程的气相物流,主要含有CH4、H2、H2O、CO、CO2及空气。由于体系中含超临界组分H2及极性物质H2O,采用较通用的状态方程如PR、SRK等来描述其PVT特性,往往会产生较大误差。因此选用汪文川等4,5的ETDF2PR状态方程计算气相物流的焓值,该方程非常适用于含氢的混合物及相关混合物汽液平衡计算5。112 单元模块的建立流程模拟系统共由45个单元模块组成,主要涉及作为整个制氢过程关键设备的转化炉的模拟。转化炉中CH4、H2O反应生成H2及CO和CO2。数十年来,关于甲烷蒸汽转化反应的动力学研究从来没有停止过,迄今已发表的各种动力学方程达数十个。但研究者对反应机理莫衷一是,公认的是转化反应对甲烷为一级反应。采用的动力学方程式为6r=211104exp-19 400R TAp(CH4),700900(1)r=k0exp-36 200R Tp(CH4)pn(H2),400500,n=1;600,n=015(2)式中:R为气体常数,T为热力学温度。文献6提出的动力学方程式在仿真操作温度范围内不但准确度高而且其形式比机理模型简单,它从活化能的大小、指前因子k0的大小和外表面积A的引入来体现内扩散阻力和催化剂颗粒大小、形状的影响。这无疑对于实际应用是很方便的。113 模型的数值解法在数值计算中,采用不同的求解方法,在计算的稳定性和计算速度方面都会有很大的差别。在数值计算中,最费时的部分是汽液平衡常数的计算和多层迭代。传统的以定压为前提的稳态闪蒸模型在应用于动态模拟时效果不是很好,汽液平衡采用定容闪蒸模型。在计算相平衡常数时,采用的是Clapeyron方程,其参数在操作温度和压力范围内,由特别适用于含氢系统的ETDF2PR方程进行校正。也就是说,在这里引入了“双层法”(Two Tiered Approach)的概念,此种解法在保证计算精度的前提下显著地提高了计算的速度。同时,Clapeyron方程的外延性好,非常适用于计算超临界组分的虚拟饱和蒸汽压。图1为双层法示意图。图1 双层法示意图Fig.1Sketch of two tiered approach在求算汽液分率时,采用了牛顿迭代法,其收敛速度快,通常只需23圈即可收敛。同时,把最外圈对体积的迭代分散到积分圈中,运用“跟踪逼近”技术逐步使之收敛。2 系统概述211 系统的构成系统由上位机和下位机组成,均为PC机。上位机运行的是工艺模型,其目的是模拟现场设备的运转和生产的进行,相当于真正DCS系统中的实际生产现场。下位机就是DCS通用操作站。网络拓扑结构采用的是总线结构,如图2所示。图2 模拟系统网络拓扑结构Fig.2Network topology of simulation system212 系统的特点系统为通用结构模式,工艺模型与系统模型各自独立。对于同一套生产工艺流程,如果其DCS系统发生改变,例如从Centum XL系统改换成TDC3000系统,模拟系统中工艺模型无需作任何改变,只需更换操作键盘即可。系统的运行模式有两种:单机运行模式和联网运行模式。单机运行模式是将工艺模型和系统模型都放在一台下位机中运行,通讯所占的时间被省略,而在不同的操作站可以运行不同的工艺模型。事故训练、评定成绩等功能均能在一 台计算机上实现。联网运行模式是在上位机中运行工艺模型,与此同时上位机还肩负着教师指令台的工作,下位机则只是操作站。教师从上位机起动系统,进行事故训练、成绩评定等功能。上位机和下位机之间的数据按特有的通讯模式进行传输。不同的操作站可以运行同一工艺模型,也可以运行不同的工艺模型。系统的扩展性强。整个系统模型的开发原则是在保证精度的前提下尽量提高运行速度的通用结构,数据传输也选择了一 种安全可靠而且比以往的速度提高数百倍的通讯模式。这一切保证了系统的可扩展性。一台上位机可以带几十个站,每个站各自运行不同的模型,仍然可以达到超实时的运行速度。213 系统功能设计制氢装置仿真培训系统的设计目标是为天然气制氢装置培训出富有经验的能灵活应变的操作人员。系统按功能划分具有以下模块(见图3)。联网选择子系统:提供单机运行和联网运行两种模式。11第1期 贺学文等:大型天然气制氢工艺仿真培训系统的开发与应用图3 天然气制氢工艺仿真培训系统功能框图Fig.3Framework of dynamic process simulationfor large natural gas steam reforming plant 信息查询子系统:提供静态数据,包括设备参数,工艺指标,组分热力学物性数据,传递物性数据等;提供动态数据,即各流股实时参数(包括流量、密度、温度、压力、组成等)。时标设定子系统:可以设定模型运行的速度,从“0.5倍实时”至“32倍实时”(PC2500)。通讯周期子系统:可设定显示值的刷新频率。记忆状态子系统:用于保存进度,可保存七个不同进度及一个“自动保存”进度,后者可按设定周期如30 min自动保存当前进度。恢复状态子系统:对应于记忆状态子系统,用于提取相应的进度。设备模拟子系统:对装置中各主要设备进行模拟计算,给出各单元的物料衡算、热量衡算结果,为设备性能分析提供依据。流程模拟子系统:通过全装置的物料衡算、能量衡算,给出各物流的温度、压力、流量、密度、组成分布数据。模拟结果可作为工况分析的依据,并用以指导实际生产操作。事故处理子系统:设定异常工况及事故供事故分析及处理训练用。智能评分子系统:把操作人员的实际操作过程和质量与软件制定的评分细节比较,得出操作成绩。214 软件运行环境为实现上述软件功能,且方便用户操作,采用以下软件系统进行系统开发。Visual C+610:用于系统的主要功能模块如流程模拟、物性计算等的编程。Visual Basic 610:用于DCS组态软件的开发。采用以上工具成功地开发了天然气制氢工艺仿真培训系统,该系统可在单机或网络上运行,其中网络运行通过TCP/IP网络传输协议在Windows98平台之间高速运行。3 结果及应用目前该系统已成功地用于某大型天然气制氢装置的模拟及职工岗位培训。表1给出了该软件模拟计算值与装置设计值的对比结果,由表可见,模拟值与现场测量值吻合较好,说明软件具有较好的可靠性。表1 主要模拟结果与设计数据的比较Table 1Comparison between the calculated and design data参数计算值设计值转化炉辐射出口温度/845.15840中变反应器入口温度/364.14360锅炉给水第二预热器中变气出口温度/175.10175中变气第五分水罐出口温度/40.0040中变气第五分水罐出口表压力/MPa2.312.3除氧器表压力/MPa0.030.03中变气蒸汽发生器表压力/MPa3.6053.6汽提塔汽提蒸汽量/(kg/h)1 0511 000原料预热炉热负荷/(kJ/s)1 3651 328转化蒸汽发生器热负荷/(kJ/s)9 3009 738锅炉给水第一预热器热负荷/(kJ/s)2 2102 093锅炉给水第二预热器热负荷/(kJ/s)5 0074 809除盐水预热器热负荷/(kJ/s)1 065942中变气蒸汽发生器热负荷/(kJ/s)2 1002 200除氧用蒸汽发生器热负荷/(kJ/s)1 7401 652中变气水冷器热负荷/(kJ/s)245237中变气空冷气热负荷/(kJ/s)1 7921 811主要气体组成H2OCOCO2H2CH4H2OCOCO2H2CH4转化炉出口w/%38.117.595.8545.283.0538.157.685.7345.153.18中温变换反应器出口w/%32.221.7011.7451.173.0532.451.9811.4250.853.18中变气第五分水罐出口w/%0.3142.8716.9675.143.0270.3252.9216.8675.033.17621北 京 化 工 大 学 学 报 2002年4 结 论在深入分析制氢工艺特点的基础上,开发了适于大型天然气蒸汽制氢工艺的动态模拟系统,实际应用表明所开发的数学模型能够有效地用于制氢装置的模拟。该系统不仅可用于天然气系统,也可用于其他大型制氢装置的仿真;可用于仿真培训,还可帮助工艺人员对装置进行动态分析;可进行设计检验和案例研究。参考文献1 刘发起.我国石化工业制氢技术发展的研究与建议J.辽宁化工,1997,26(3):1362 王贤清,沈师孔.今后十年内天然气将成为合成清洁燃料与化学品的原料J.石油与天然气化工,1998,27(4):1953 中国寰球化学工程公司.氮肥工艺设计手册M.北京:化学工业出版社,19884 陈群来,汪文川.实用温度函数型PR方程及其在低碳醇混合物中的应用(I)纯物质饱和蒸汽压J.化工学报,1991(2):2085 陈群来,汪文川.实用温度函数型PR方程及其在低碳醇混合物中的应用()混合物的汽液平衡J.化工学报,1991(2):2176 刘栋昌.关于甲烷在镍催化剂上蒸汽转化反应动力学J.天然气化工,1982,7(2):1Development and application of dynamic process simulation systemfor large natural gas steam reforming plantHE Xue2wenTIAN Wen2deYAO Fei(College of Chemical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract:Real time dynamic process simulation system for natural gas steam reforming plant was developed.The two tiered approach was used to facilitate the dynamic process simulation for multicomponent flash wherehydrogen was contained.The clapeyron equation was used to establish the approximate model for equilibrium co2efficient K.The ETDF2PR equation of state was used to adjust the parameters.Its practical application showsthat the software developed can be used to guide the plant operation,process reforming and the operating param2eters optimization.Key words:natural gas steam reforming;dynamic simulation;hydrogen production(上接第5页)Effects of carbonation parameters on sedimentation specific volumeof calcium carbonate particles synthesized in high2gravity reactorSHEN Zhi2gangCHEN Jian2fengLIU Chun2guangWANG Yu2hongGUO Fen(Research Center of the Ministry of Education for High Gravity Engineering and Technology;The Key Laboratory of Scienceand Technology of Controllable Chemical Reactions,Ministry of Education,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract:The spindle shaped calcium carbonate nanoparticles was synthesized in the high2gravity reactor.Theeffects of carbonation parameters on the properties of sedimentation specific volume of the CaCO3products wereinvestigated and elucidated by consideration of nucleation and crystal growth kinetics.The key controlling condi2tions were obtained.The product quality and properties of the CaCO3particles synthesized in the high2gravityreactor were much better than that of the CaCO3particles synthesized in the traditional bubbling stirred tank re2actor.Key words:particles;spindle calcium carbonate;high2gravity reactor;synthesis31第1期 贺学文等:大型天然气制氢工艺仿真培训系统的开发与应用
