天然气水蒸汽转化制氢的Aspen plus模拟分析

天然气水蒸汽转化制氢的Aspen plus模拟分析
姜薇;马瑞;赵峰;张桂林
【摘要】The chemical software Aspen plus was used to simulate the steam reforming and water-gas shift reaction in the process of hydrogen production from natural gas. The simulation results were very consistent with the actual data, which indicated that the built process simulation model and the chosen equations for thermodynamic properties were right. Through the sensitivity analysis of the operating variables, the impacts of the steam to carbon ratio, temperature and pressure on the the reforming and water-gas shift processes were investigated.%应用化工模拟软件Aspen plus对天然气水蒸汽转化制氢生产工艺中转化及中变反应过程进行模拟.通过模拟结果与实际生产数据比较,两者非常吻合,说明所建流程模拟模型及热力学物性方程选择正确.对转化及中变过程的操作变量进行了灵敏度分析,得到了水碳比、温度、压力等重要操作参数对工艺的影响.
【期刊名称】《天然气化工》
【年(卷),期】2013(038)001
【总页数】3页(P57-59)
【关键词】天然气;蒸汽转化;制氢;Aspen plus;模拟计算
【作者】姜薇;马瑞;赵峰;张桂林
【作者单位】中国石油克拉玛依石化公司,新疆克拉玛依834000
【正文语种】中文
【中图分类】TQ018
Aspen plus 模拟软件越来越广泛的应用于炼油厂工艺流程优化，其分析所得结果可以为生产操作调整提供指导。

本文主要对天然气制氢生产工艺的转化及中变两个重要工段的工艺流程进行Aspen plus 模拟，模拟结果与实际生产数据比较，两者非常吻合，说明所建立的模拟模型是正确可靠的，对天然气制氢生产具有重要的指导意义。

对天然气制氢生产中水蒸汽转化及中变过程的水碳比、反应压力及温度进行灵敏度分析，研究了水碳比、反应温度、反应压力对转化气及中变气的影响。

1 工艺流程简介及工艺参数
1.1 天然气水蒸汽转化
原料天然气通过加氢脱硫等预处理后称为脱硫气，脱硫气在转化炉内通过转化催化剂的作用与420℃、3.4MPa 的水蒸汽在820℃条件下蒸汽转化反应，得到CO、CO2、H2 和未反应的CH4、H2O 的混合气,亦称为转化气。

脱硫气的组成如表1 所示。

表1 脱硫气组成（φ/%）?
转化反应方程式如下：
1.2 中温变换
转化气中的CO 在340℃左右通过变换催化剂的作用与水蒸汽发生反应，进一步生成H2 和CO2。

反应方程式如下：
变换后的混合气含有CO2、CO、CH4 等杂质，经过换热，降温（至40℃左右）后利用中变气PSA 提纯单元提纯后得到纯度高达99.9%的工业氢气送出装置。

2 模型建立、物性方法选择及模型检验
2.1 模拟模型的建立
本文主要针对天然气制氢生产的两个重要工段转化及中变进行模拟计算，这两个工段包括两个主要反应器：转化炉和中变反应器。

其中转化炉由对流段和辐射段组成，天然气转化反应在辐射段转化管内进行，转化管外炉膛的高温烟气中的热能在对流段中被回收利用。

因Aspen plus 模拟软件中REquil—平衡反应器用于以下
情况中：（a）反应计量系数是已知的；（b）某些或全部反应达到平衡。

REquil 同时计算相平衡和化学平衡，允许有限个化学反应没有达到化学平衡。

转化炉由
对流段和辐射段组成，且对流段主要起加热的作用，脱硫气在辐射段内反应，因此转化炉模块采用了一个加热器模拟对流段；辐射段则选用反应器模型REquil—平
衡反应器。

中变反应器主要发生CO 变换反应，该反应在中变温度下为平衡反应，因此中变反应器选择REquil—平衡反应器。

REquil—平衡反应器必须已知反应的化学计量系数和反应器的条件，对于本文的
反应系中有的反应在反应温度下没有达到平衡，应该通过以下方法限制平衡：（a）规定反应的摩尔程度；（b）规定化学平衡接近温度△T。

在一般的转化操作条件下，一段转化平衡温距按20℃～30℃取用，运用Aspen plus软件取平衡温距20℃～30℃分别进行模拟，得到本装置平衡温距取20℃的模拟结果与生产最吻合。

2.2 物性方法的选择及模型的检验
选择正确的物性方法对流程模拟是至关重要的，它将决定模拟结果的精确性和准确度。

物性方法是一系列方法和模型的集合，热力学性质和传递性质由物性方法来
计算。

本文针对NRTL 物性方法、UNIQUAC 物性方法以及WILSON 物性方法分别进行了模拟计算，将模拟得到的结果与生产实际值相比较。

表2 为上述各物性方法的模拟计算值与生产实际值的比较结果。

表2 模拟计算结果与生产实际值比较?
表2 计算结果表明，WILSON 物性方法的模拟结果与生产实际拟合得最好，因此本文采用WILSON 物性方法。

通过结果比较，验证模拟模型的建立是正确的。

3 操作条件变化的影响
利用Aspen plus 模拟软件的灵敏度分析工具，对天然气制氢生产中转化及中变工段实际生产中不能大幅调整的参数进行模拟计算。

对反应压力、温度、水碳比进行分析，进一步指导装置的实际调整。

3.1 水碳比对中变反应产物组成的影响
运用Aspen plus 软件对水碳比变化进行灵敏度分析，得到水碳比对中变产物组成影响如表3 所示。

表3 水碳比变化的模拟结果?
由表3 可以发现，随着转化反应水碳比的增加，中变反应器出口产物中H2 、CO2 含量逐渐增加，而CO 、CH4 含量逐渐减少，有利于增加氢气产品的质量。

但随着水碳比的增加，当水碳比为4 以后，中变反应器出口H2 、CO2 含量增加的幅度逐渐降低，尤其在水碳比大于7 后，中变反应器出口H2、CO2流量几乎保持稳定。

说明水碳比提高到一定程度后，所发生的反应量基本不变，氢气产量基本不变，但由于水碳比的提高所带来的能耗却增加。

因此水碳比应控制在4 左右。

3.2 各转化温度及中变温度下的模拟结果
表4 给出了2.49MPa 时不同转化温度下转化气组分的模拟结果。

表4 2.49MPa 时各转化温度下转化气组分变化的模拟结果?
从表4 中可以发现，随着温度升高，甲烷转化率升高，氢气物质的量分数增加，
但增加幅度越来越小。

表5 2.41MPa 时各中变温度下中变气组分变化的模拟结果?
表5 给出了2.41MPa 时不同中变温度下中变气组分的模拟结果。

从表5 不难发现，随着温度升高，目标产物氢气的物质的量分数降低，这对于反应是不利的。

因此应结合中变反应催化剂活性温度考虑中变反应温度的取值。

表6 820℃下转化压力变化时转化气各组分的模拟结果?
3.3 转化压力变化时的模拟结果
表6 为转化温度820℃时压力变化对转化气各组分流量影响的模拟结果。

从表6 可以发现，随着转化压力的增加，转化气中的H2、CO、 CO2 的摩尔流量逐渐
减小，而CH4 的摩尔流量逐渐增加，从而使甲烷的转化率降低。

说明转化压力的增加对反应不利。

4 结论
（1）使用Aspen plus 对天然气转化制氢进行模拟，结果与生产实际值非常吻合，可用于指导工业生产。

（2）利用灵敏度分析研究了关键操作因素变化对转化气及中变气各组分的影响情况，能够在一定程度上指导生产。

（3）利用Aspen plus 对天然气转化制氢的模拟，可以简单快捷地得到装置各种组成和操作条件下的理论参数，并能对实际生产操作中不能进行的极端操作条件进行定性及定量的分析，优化生产操作，为技术管理人员提供稳定可靠的参考，指导实际生产。

同时通过Aspen plus 可以建立与实际生产过程相对应的模型，为分
析解决生产过程中出现的各种实际问题给予帮助，使得问题分析不仅能够给出定性分析还可以得到定量结果。

参考文献
[1] Aspen Plus 10.0 单元操作模型 [Z]. Aspen Technology,Inc.
[2]孙丽丽. 制氢工艺模拟模型的开发与应用——Aspen plus 的二次开发[J].石油炼制, 1993,24(12)：15-19.
[3] 邢春发.应用Aspen plus 模拟天然气、空气、水蒸气制合成气反应[J] .化工科技市场, 2008,31(4)：22-23.。