簡捷法確定提純回用氫網絡目標值

劉金豪，李愛紅,，劉智勇(河北工業大學化工學院，天津 000；承德石油高等專科學校化學工程系，河北 承德 067000；河北工業大學海洋科學與工程學院，天津 000)

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簡捷法確定提純回用氫網絡目標值

劉金豪1，李愛紅1,2，劉智勇3
(1河北工業大學化工學院，天津 300130；2承德石油高等專科學校化學工程系，河北 承德 067000；3河北工業大學海洋科學與工程學院，天津 300130)

摘要：與只考慮直接回用的氫網絡相比，具有提純單元的氫網絡能顯著減少新鮮氫氣的消耗量，但其設計及求解提純目標值過程均更為復雜。對于單雜質、提純單元采用固定濃度模型的提純回用氫網絡，結合此類網絡的特點，提出了一種簡捷法確定網絡目標值。首先假設提純后氫物流量足夠大，由此得出初始提純夾點。當初始夾點估算正確時，由夾點之下的需求物流和源物流的流量與雜質質量衡算即可得出提純回用氫網絡的目標值；當初始夾點估算不正確時，可以第一次計算結果為基礎判斷得出正確夾點，再增加一步簡單計算，也可得到提純回用目標值。計算實例表明本文方法計算簡單且有效。

關鍵詞：提純回用；氫網絡；目標值；提純夾點

2015-06-01收到初稿，2015-09-19收到修改稿。

聯系人：劉智勇。第一作者：劉金豪（1988—），男，碩士研究生。

Key words: purification reuse; hydrogen network; target; purification pinch

引 言

隨著原油的重質化和日益嚴格的環境要求，煉油廠加氫過程對氫氣的需求量急劇增加，因此有效利用現有氫氣資源、降低新鮮氫氣的消耗量具有十分重要的意義。氫網絡集成技術因能夠有效提高氫氣資源的利用率，減少新鮮氫氣消耗量，因而引起了人們廣泛的關注。

氫網絡集成方法主要包括夾點分析法和數學規劃法。對于只考慮直接回用的氫網絡，許多學者討論了其目標值的確定問題[1-5]。對于更具節氫效果的提純回用氫網絡，Alves[6]分析了提純單元的3個可能位置（夾點之上、跨躍夾點和夾點之下），并指出將提純單元放在跨躍夾點的位置是最優選擇。Zhao等[7]采用氫負荷-流量復合曲線確定了夾點位置、新鮮氫氣消耗量和廢氣排放量。Agrawal等[8]采用雜質濃度-質量負荷曲線得出具有提純單元氫網絡的氫消耗目標值。Foo等[9]提出了氣體級聯分析（gas cascade analysis）方法計算新鮮氫目標值，并且討論了具有兩個提純單元的情況。Ng等[10]運用自動化目標夾點技術得到具有提純單元的氫網絡目標值。Zhang等[11]采用氫負荷-流量圖得到具有提純單元氫網絡的夾點濃度、最小氫消耗目標及廢氣排放目標。Liu等提出了一種數值化方法確定夾點位置和氫網絡的最小氫消耗目標值[12]，并提出一種圖解法確定具有提純單元氫網絡的夾點位置、最小新鮮氫氣消耗量、最佳提純物流流量和最大新鮮氫氣節省量[13]。Deng等[14]提出一種改進的三元圖表法設計具有提純單元的氫網絡。Zhang等[15]采用改進的圖解法確定多雜質氫網絡目標值，并同時得到詳細的網絡設計。Yang等[16]和Zhang等[17]采用改進的圖示法[11]同時優化提純流量和濃度，并最終分別確定了氫網絡的最大公共工程節省量和最小新鮮氫氣消耗量。上述多數方法屬于夾點類方法。

氫夾點技術可以確定出夾點位置及新鮮氫氣消耗量，但很難考慮壓力限制、壓縮機配置和經濟問題等實際因素。針對氫夾點技術的不足之處，很多學者采用數學規劃法對氫網絡進行了研究。Hallale等[18]考慮了氫網絡中的壓力約束和壓縮機的配置，建立了基于超結構的數學模型。Kumar 等[19]通過實例分析了線性規劃模型（LP）、非線性規劃模型（NLP）、混合整數非線性模型（MINLP）在氫網絡優化中的應用特點，并且考慮了提純單元的配置及經濟問題，所得結果更加接近于實際情況。Liao等[20]將文獻[5]方法擴展應用于具有一個提純單元的氫網絡，運用非線性規劃法確定出提純單元在氫網絡中的最佳位置，同時得出了氫消耗目標值。

與只考慮直接回用的氫網絡相比，引入提純單元后，新鮮氫氣消耗量和廢氫排放量會大大降低，但網絡設計難度增大。Yang等[21]在研究氫網絡時提出：把提純流股看作一股源氫流并將之加到只考慮直接回用的氫網絡中，即可形成具有提純單元的氫網絡，然后采用只考慮直接回用的氫網絡設計方法即可得到具有提純單元的氫網絡設計。

本文結合提純回用氫網絡的特點，研究了提純夾點之下的需求物流和源物流的流量衡算與雜質質量衡算，提出了一種簡捷法確定具有提純單元氫網絡的目標值。文獻實例表明本文方法能夠有效確定提純氫流目標值，且計算非常簡單。

1 氫氣提純單元的特點

常用的氫氣提純技術包括變壓吸附、膜分離、深冷分離工藝等[22-24]。Liu等[25]提出了提純裝置的簡化模型，如圖1所示。簡化模型中忽略了流股溫度和壓力的影響，只考慮流量和濃度因素。提純單元的流量和雜質負荷平衡見式（1）、式（2），氫氣回收率R定義見式（3）。

式中，inF、Freg和Fres分別為待提純的流股、提純后流股和廢氣流股的流量，inC、Creg和Cres分別為待提純的流股、提純后流股和廢氣流股的雜質濃度。

圖1 氫氣提純單元的簡化模型Fig.1 Shortcut model of hydrogen purification unit

一般來說，廢氣流股的流量不能忽略，廢氣流股濃度的變化會影響提純流股，這也是氫氣提純單元和水再生單元的主要差異所在。氫氣提純單元模型通常分為兩種：固定提純后濃度模型和固定氫氣回收率模型。本文將研究提純單元采用固定濃度模型的氫網絡目標值問題。

2 含提純單元的氫網絡目標值的確定

圖2為一個具有提純單元的氫網絡源阱匹配圖。圖2物流中，S1到Sp1?濃度低于夾點濃度，直接回用于夾點之下氫阱；Sp為夾點氫源，一部分直接回用于提純夾點之下的氫阱，一部分直接回用于提純夾點以上的氫阱，其余未直接回用部分進行提純；S及更高濃度p+1的氫源，一部分直接回用于夾點以上氫阱，其余未被直接回用的氫源中，雜質濃度較低的流股進入提純單元進行提純，雜質濃度較高的流股作為廢氣燃燒或排放。

圖2中提純夾點之下氫源和氫阱的流量平衡和雜質質量平衡分別為分別為新鮮氫源、提純

氫源和夾點之下氫源Si的流量；和分

圖2 提純回用氫網絡的源阱匹配圖Fig.2 Allocation of streams of hydrogen network with purification unit

將式（6）代入式（4）、式（5）可得

3 確定氫網絡目標值步驟

通過以上分析，對于固定提純后濃度模型氫網絡，若確定了初始提純夾點，由式（9）～式（11）即可確定氫網絡目標值。設計步驟如圖3所示。

（1）初始提純夾點的確定

對于固定提純后濃度的提純單元，只要確定了提純物流流量值，便可以把提純流股作為一股源氫流加入初始網絡中形成具有提純回用的氫網絡。在網絡設計之前，假設提純后源物流的量足夠大，采用文獻[21]提出的多氫源匹配法可以確定初始提純夾點。

圖3 確定目標值步驟Fig.3 Targeting procedure proposed

（2）提純目標值的確定

確定初始夾點后，由式（9）～式（11）可以求得具有提純單元氫網絡的目標值。

如果初始夾點估算正確，由式（9）～式（11）計算得出的Freg即為網絡提純目標值。

如果初始夾點估算不正確，由式（9）～式（11）計算得出的Freg不是提純目標值，但是式（9）～式（11）計算出的各參數對實際夾點的估算可以提供重要依據。可有以下兩種情況：當初始夾點為Sp，但實際夾點為Sp+1時，即使FSp全部用于夾點之下的氫阱，如圖4(a)所示，此時達到其最小值0，但仍不能滿足夾點之下氫阱所需，在這種情況下，由式（9）～式（11）計算所得將小于0，即如圖4(b)所示情況；當初始夾點為Sp，但實際夾點為Sp?1時，即使夾點處氫源Sp完全不分配給夾點之下氫阱，即，由式（6），，此時達到其最大值，如圖5(a)所示的情況，在這種情況下，由式（9）～式（11）計算所得將大于，如圖5(b)所示。

圖4 Sp+1為實際夾點的情況Fig.4 Situation when Sp+1is purification pinch stream

圖5 Sp1?為實際夾點的情況Fig.5 Situation when Sp1?is purification pinch stream

4 實例研究

4.1 例1

例1的極限數據取自文獻[8]，提純單元的氫氣回收率R為90%，提純后流股的雜質濃度Creg為5%（體積分數，下同），整理后的雜質極限數據見表1。（其中MMscfd為原文獻單位，表示百萬標準立方英尺/天，1 scf= 0.02832 m3)

表1 例1整理后的極限數據Table 1 Ordered data for Example 1

假設提純后源物流的量足夠大，將初始提純氫源作為系統的新增源物流加入氫網絡中，構成具有提純單元的初始氫網絡，運用文獻[21]提出的多氫源匹配法計算可得，初始提純夾點濃度為15%，夾點處氫源直接回用于夾點之上氫阱的量為0，未被直接回用的氫源是106.002 MMscfd的S2。由式（9）～式（11）可得

4.2 例2

網絡中包含兩個氫阱和3個內部氫源，提純單元的氫氣回收率R為90%，提純后流股的雜質濃度Creg為5%，整理后的極限數據見表2。

假設提純后源物流的量足夠大，將初始提純氫源作為系統的新增源物流加入氫網絡中構成具有提純單元的初始氫網絡。運用文獻[21]提出的多氫源匹配法計算可得，初始提純夾點濃度為20%，夾點處氫源直接回用于夾點之上氫阱的量為0，未被直接回用的氫源是29.335 MMscfd的S3和40 MMscfd 的S4。由式（9）～式（11）可得

由計算結果可知：

表2 例2整理后的極限數據Table 2 Ordered data for Example 2

5 結 論

對于固定提純后濃度模型的單雜質氫網絡，提出了一種簡捷法確定網絡目標值。計算步驟如下：首先假設提純后氫物流的量足夠大，將初始提純氫物流作為系統的新增源物流加入直接回用氫網絡中，構成具有提純單元的初始氫網絡，運用多氫源匹配法計算得到初始提純夾點，然后根據推導的關系式即可確定氫網絡目標值。如果初始夾點估算正確，只需一步簡單計算即可得到氫網絡目標值；如果初始夾點估算不正確，第一次計算所得參數可以為正確夾點的估算提供十分重要的信息，這樣經過兩步簡單計算，也可得到氫網絡目標值。文獻實例表明本文方法計算簡單且有效。本文未考慮溫度與壓力因素，以及多個提純單元的情況，這將是進一步研究的內容。

符 號 說 明

C ——物流的雜質濃度，%

D ——需求物流

F ——物流的流量，mol·s?1、MMscfd

R ——氫氣回收率

S ——源物流

S0(utility) ——新鮮氫氣物流

上角標

A ——提純夾點之上

B ——提純夾點之下

in ——進行提純的物流

k ——迭代次數

下角標

i ——源物流

j ——需求物流

p ——提純夾點處

reg ——提純流股

res ——廢氣流股

NU ——最后一個直接回用于夾點之上氫阱的氫源

NR ——最后一個進入提純單元的氫源

NS ——所有內部氫源的數目

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研究論文

Received date: 2015-06-01.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21176057) and the National Basic Research Program of China (2012CB720305).

A simple method for targeting hydrogen networks with purification unit

LIU Jinhao1, LI Aihong1,2, LIU Zhiyong3
(1School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2Department of Chemical Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China;3School of Marine Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Abstract:Hydrogen utility consumption can be reduced significantly when purification unit is introduced in a hydrogen network. In general, design and targeting of the hydrogen network involving purification are more difficult compared to that of the network involving reuse only. In this paper, a simple method is presented for targeting the single contaminant hydrogen networks involving purification unit with fixed purified concentration model, based on the characteristics of the hydrogen networks. In the targeting procedure, the initial flow rate of the purified stream is first assumed as sufficient, and then the initial purification pinch is identified. Finally, the purification target can be obtained with a few relationships developed from material balances. If the initial purification pinch is estimated correctly, the purification target can be obtained by only one step simple calculation. If the initial purification pinch is not estimated correctly, the correct pinch point can be determined based on the results of the first step calculation. The target can be obtained by an additional step of simple calculation. The results of a few literature examples show that the purification stream consumption target of single-contaminant hydrogen networks involving purification unit can be obtained easily with the proposed method, which provides an effective tool for the targeting of hydrogen networks involving purification unit.

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150759

中圖分類號：TQ 021.8

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）03—1008—07

基金項目：國家自然科學基金項目（21176057）；國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB720305）。

Corresponding author:Prof. LIU Zhiyong, liuzhiyong@hebut.edu.cn