氢夹点原理及其应用.doc

·108· 2006年6月4日-6日,t- 氢夹点原理及其应用 西安交通大学化工系冯霄 引言 原油在炼油厂内经过一系列的工艺流程加工成产品，而这些工艺流程中又包含着许多耗 氢过程。特别近年来随着市场对油品的环保质量要求的不断提高，加氢工艺更是得到了越来 越广泛的应用，炼油企业对氢气的需求迅速增加。据统计，近10年来炼油企业对氢气的需求 增长了一倍以上，而大部分炼油厂氢气不足。因此，优化氢气网络，合理利用氢气资源，对 炼油厂的节能降耗，降低成本具有重要意义。 20世纪90年代末，英国曼彻斯特理工大学过程集成研究中心首先提出了氢夹点的概念以 及相应的氢网络优化方法，从企业的整个氢网络着手，分析网络瓶颈，实现全网络氢气的梯 级利用，从而达到系统节约用氢的目的。 本文介绍采用剩余氢量法计算氢气网络系统的氢气公用工程最小化的方法，以获得最优 的氢气供应方式。 1．氢夹点的基本原理 首先给出两个基本概念：氢源和氢阱。 氢源是指在氢网络中可以给网络提供氢气的流股。氢源的氢气浓度一般是固定的；氢源 类似于能量网络中的热源。 氢阱是指在氢网络中耗氢的过程。为了维持耗氢装置的运行，反应器入口处的氢气必须 满足一定的流率和浓度：氢阱类似于能量网络中的热阱。 求出氢网络中的夹点就是求取出网络所需要的最小新氢用量。求取步骤如下： (1)获得氢网络中氢源和氢阱的浓度和流量数据； (2)将氢源和氢阱的浓度分别按降序排列； (3)以浓度c为纵坐标，流量F为横坐标分别画氢源和氢阱的流量一浓度复合曲线； 在流量一浓度复合曲线图上，每一股氢源和氢阱分别可以用一条水平的直线段表示，线 段两端点横坐标之差表示该股氢源或氢阱的流量，纵坐标表示其浓度。对于氢网络中的多股 氢源和氢阱，氢源和氢阱的浓度分别按降序排列后，下来就可以画出流量一浓度复合曲线图。 画氢源流量一浓度复合曲线时，浓度最高氢源横坐标的起点从零开始、纵坐标取其浓度，这 时可以画出一条水平的直线段；第二高浓度的氢源的横坐标的起点与最高浓度氢源的终点横  ★第二届石油和化工节能论坛 ·109· 坐标相同，纵坐标取其浓度，又可画出一条水平的直线段。类似的画出所有氢源的直线段， 将所有的代表氢源的直线段连接在一起成为一条折线，即氢源的流量一浓度复合曲线。同理， 可画出氢阱的复合曲线，如图l所示。 氢 气 浓 度 暑 邑 图1流量一浓度复合曲线 在图1中，虚线表示氢源：实线表示氢阱。氢源复合线以下的面积，代表氢源可以提供 的氢量；氢阱复合线以下的面积，代表氢阱需要的氢量；标有“+”的区域氢源复合线位于 氢阱复合线上方，表示这个区域氢量过剩，可以补偿给亏缺区域；标有“一”的区域氢源复 合线位于氢阱复合线下方，代表这个区域氢量亏缺，必须要有氢量补充。 在氢网络中，氢源提供的氢气总量必须大于或等于氢阱所消耗的氢量，这时网络才有优 化的可能。 (4)迭代计算氢夹点 由于受氢气浓度的存在，氢夹点的计算不同于能量夹点的计算。为此，这里引入了剩余 氢H，的概念，它由氢源和氢阱的浓度和相应流量的乘积得到。其表达式为： ·^ H7=I‘(YsR—Ysx)dF (1) 其中ysR、YsK分别代表氢源和氢阱的浓度，F代表流量。 接下来将流量一浓度复合曲线图按照式(1)转化为剩余氢图。其方法为：如果某一部分 面积的积分结果为正值则横线向右延长：反之向左。每一部分剩余的氢气均按氢源和氢阱两 者中低品质的浓度来取值。经多次假设最高浓度氢源的流率，重复画氢剩余量图，直到纯氢 剩余量为O时就得到了所谓的氢夹点。 简略的过程如图2所示。在求出氢夹点的同时也求出了系统所需要的最小公用工程PSA 的氢气用量。 获得夹点之后，在设计或优化氢网络的时候应遵循下面的准则： -夹点之上的氢源只能与氢阱匹配：  -110· 2006牟6月4日-6日★ -夹点之上的氢源不能送至燃气系统： 一 夹点之下的氢阱不能消耗公用工程，只能与夹点之下的氢源匹配。 氢 气 纯 度 县 ； 图2 氢夹点计算示意图 2实例计算 以目前国内某一石化企业的数据为例进行计算，原始数据如表1所示。 表1(a)氢源原始数据表 编号 氢浓度(％) 流量(tool／s) 纯氢量(tool／s) 1 99．99 56．80 56．79 2 93．6l 295．37 276．49 氢 3 90．80 373．95 339．55 4 86．63 4．54 3．94 5 84．9l 68．16 57．88 源 6 84．1