【正文】 第三章 油氣處理工藝設(shè)計(jì) 工藝流程模擬計(jì)算 當(dāng)工藝過(guò)程確定后，就需要通過(guò)工藝模擬來(lái)對(duì)其進(jìn)行解析計(jì)算，以便改進(jìn)工藝流程，完善工藝方案。通常在工藝設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)中所說(shuō)的工藝模擬是指利用專(zhuān)業(yè)軟件，在輸入所需的數(shù)據(jù)后，對(duì)工藝流程進(jìn)行模擬演算，通過(guò)對(duì)演算結(jié)果的分析和研究，適當(dāng)調(diào)整輸入數(shù)據(jù)或流程參數(shù)，使得演算結(jié)果滿足工藝流程設(shè)計(jì)的要求。 常用工藝流程模擬軟件介紹 目前，國(guó)內(nèi)石油化工領(lǐng)域進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)常用的工藝流程模擬軟件主要有 PRO/II。 HYPROTECH公司研制的仿真模擬軟件 HYSYS的子軟件包。 HYPROTECH公司是一家從事計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)的世界級(jí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)公司，其軟件產(chǎn)品現(xiàn)已遍布 80多個(gè)國(guó)家，有 17000多家用戶，涉及化工、石油煉制、制藥、礦冶工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。據(jù) 2020年統(tǒng)計(jì)，全球 50％的石油煉制企業(yè)、 90％的天然氣加工企業(yè)使用 HYPROTECH公司開(kāi)發(fā)的仿真技術(shù)。目前， HYPROTECH公司已被美國(guó) ASPEN TECH公司兼并。 HYSYS軟件由一系列具有專(zhuān)門(mén)功能的子軟件包組成，包括 、 、 +和 +等。這些子軟件包既可單獨(dú)使用，又可在同一平臺(tái)上聯(lián)合使用；既適應(yīng)于新的石油化工過(guò)程的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，又可用于對(duì)已有過(guò)程和裝置的改善；與工廠的控制硬件相連，還可對(duì)全廠生產(chǎn)實(shí)行在線優(yōu)化操作；它還具有設(shè)計(jì)、優(yōu)化新過(guò)程，模擬工廠的生產(chǎn)過(guò)程和預(yù)測(cè)工廠可能發(fā)生的問(wèn)題等功能。它既可縮短小試、中試等研究時(shí)間，又可節(jié)省研究成本，為工藝的直接放大與提升起到?jīng)Q定性作用。其中的 包主要用于石油化工領(lǐng)域的工藝設(shè)計(jì)與開(kāi) 發(fā)。 PRO/II是美國(guó) SIMSCI（ SIMULATION SCIENCES INC.）公司在結(jié)合了其前身PROCESS軟件和 ASPEN軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上于 1988年推向市場(chǎng)的該公司第三代流程模擬軟件。該軟件是一個(gè)綜合系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛用于石油 /天然氣加工、煉油、化學(xué)、化工、聚合物、精細(xì)化工和制藥等領(lǐng)域。 該軟件由流程模擬程序、大型純組分物性數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用廣泛的熱力學(xué)性質(zhì)推算包、先進(jìn)且適用性強(qiáng)的單元過(guò)程模塊所組成，以序貫?zāi)K法模擬策略，為工程師提供了一個(gè)易于掌握、能靈活運(yùn)用的有效的設(shè)計(jì)工具。從基本 的閃蒸到復(fù)雜的反應(yīng)精餾，從石油煉制中的原有的初始預(yù)熱到后續(xù)的乙烯工業(yè)、聚合物的生產(chǎn)， PRO/II都提供了有效的模擬方式。 PRO/II可以用于流程的穩(wěn)態(tài)模擬、物性計(jì)算、設(shè)備設(shè)計(jì)、裝置改造、優(yōu)化和改進(jìn)裝置產(chǎn)量和效益、費(fèi)用估算 /經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、環(huán)保評(píng)測(cè)以及其他工程計(jì)算。軟件能提供多種模型如：一般化閃蒸、精餾、換熱器、反應(yīng)器、聚合物、固體和多種熱力學(xué)模型等以供用戶選擇。用戶界面直觀簡(jiǎn)便，適用于 PC電腦和各種工作站平面。 二、模擬前的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 在進(jìn)行工藝模擬計(jì)算之前，首先要做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作。一般說(shuō)來(lái)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 得越充分，所得到的模擬結(jié)果也就越準(zhǔn)確。下面分別介紹油田、凝析氣田、氣藏氣田在工藝模擬前應(yīng)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 油田 1）地面原油基礎(chǔ)物性 在工藝模擬時(shí)，原油下列 6個(gè)基礎(chǔ)物性中最少需要知道前 4個(gè)基礎(chǔ)物性中的 2個(gè)，后 2個(gè)基礎(chǔ)物性為參考值。 （ 1）分子量 作為一種 確定組成（已知混合物的分子、重量或摩爾組成）的混合物，原油的分子量可以通過(guò)下列公式獲得： EMBED EMBED （ 231） 式中： 弭業(yè)３ EMBED EMBED EMBED EMBED 組分的摩爾分?jǐn)?shù)； EMBED EMBED EMBED EMBED 組分的分子量。 但通常需要模擬的原油都不能確定組分，靠上述這種加和的方法來(lái)計(jì)算原油的分子量是不可能的，需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的 測(cè)定方法或經(jīng)驗(yàn)公式得到。 （ 2）標(biāo)準(zhǔn)密度或比重 我國(guó)國(guó)標(biāo)（ GB/T 18842020）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)密度為常壓（ ）下 20℃時(shí)的密度，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ ISO）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)密度為常壓（ ）下 ℃（ 60℉）時(shí)的密度。由于現(xiàn)在應(yīng)用的大多數(shù)工藝模擬軟件由國(guó)外開(kāi)發(fā)，所以在輸入標(biāo)準(zhǔn)密度值時(shí)要注意換算。 比重也稱(chēng)相對(duì)密度，我國(guó)對(duì)比重定義為 20℃時(shí)的原油密度與 4℃時(shí)純水之比，歐美國(guó)家規(guī)定原油的比重為 ℃（ 60℉）時(shí)原油密度與相同溫度下純水之比。 （ 3）特性因數(shù) K 特性因數(shù) K可用來(lái)給 原油分類(lèi)，在一定程度上反映了原油的烴類(lèi)分布情況，有時(shí)也被近似看做是石蠟指數(shù)，一般在 8～ 15之間。 （ 4）粘度 一般提供兩個(gè)不同溫度下（通常為 20℃和 50℃）的運(yùn)動(dòng)粘度或動(dòng)力粘度值即可。 （ 5）凝固點(diǎn) （ 6）蠟、膠質(zhì)、瀝青、硫等物質(zhì)的含量 2）地面原油實(shí)驗(yàn)室蒸餾數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)室蒸餾數(shù)據(jù)根據(jù)其類(lèi)型主要分以下 5種： （ 1）實(shí)沸點(diǎn)（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù) TBP數(shù)據(jù)是用于表征原油及原油餾分汽化性能的主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， TBP蒸餾設(shè)備是一種實(shí)驗(yàn)室間歇精餾，也是一種規(guī)格化的蒸餾設(shè)備，規(guī)定其精餾柱應(yīng)相當(dāng)于 17塊理論板，且應(yīng)在規(guī)定的試驗(yàn)條 件下操作，所得數(shù)據(jù)通常以體積或重量分率和相應(yīng)的沸點(diǎn)用圖或表格的形式表示。實(shí)沸點(diǎn)蒸餾實(shí)驗(yàn)由于是在常壓下進(jìn)行，為避免發(fā)生裂解，原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾時(shí)通常只能蒸出約 50%（重）的餾分，其余殘液可測(cè)定其相對(duì)密度和分子量，用作進(jìn)一步關(guān)聯(lián)參數(shù)。在工藝模擬時(shí)，一般最少要給出 5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 （ 2） ASTM D86和 ASTM D1160蒸餾數(shù)據(jù)（單獨(dú)或混合） ASTM D86和 ASTM D1160蒸餾數(shù)據(jù)都是美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)規(guī)定的在常壓下進(jìn)行的原油蒸餾試驗(yàn)方法，它們都采用實(shí)驗(yàn)室間歇精餾，但所進(jìn)行的是無(wú)回流的恩氏閃蒸，其中 ASTM D86蒸餾法用于輕質(zhì) 中質(zhì)原油， ASTM D1160蒸餾法用于重質(zhì)原油。目前的工藝模擬軟件多數(shù)以實(shí)沸點(diǎn)（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，在得到 ASTM D86和 ASTM D1160蒸餾數(shù)據(jù)后，會(huì)自動(dòng)根據(jù) API數(shù)據(jù)書(shū)（ API Data Book）中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法（見(jiàn) ）將其轉(zhuǎn)化為實(shí)沸點(diǎn)（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)。 （ 3） ASTM D2887模擬蒸餾數(shù)據(jù) ASTM D2887為美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)規(guī)定的在原油色譜分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的模擬蒸餾，所得數(shù)據(jù)以重量分率用圖或表格的形式表示。 （ 4）色譜分析數(shù)據(jù) 色 譜分析是利用少量完全汽化的原油樣品通過(guò)一個(gè)填充型的氣體色譜塔進(jìn)行的模擬蒸餾實(shí)驗(yàn)，主要分析石蠟組、芳香烴組和環(huán)烷烴組各自所含 C6～ C30的分率。 （ 5）平衡閃蒸（ EFV）數(shù)據(jù) 平衡閃蒸（ EFV）是在定壓下（ 1atm）進(jìn)行的一系列蒸餾實(shí)驗(yàn)，得到的是在氣液完全平衡狀態(tài)下與溫度相對(duì)應(yīng)的餾出液體的體積分率。同 ASTM D86和 ASTM D1160蒸餾數(shù)據(jù)一樣，在目前的工藝模擬軟件多數(shù)以實(shí)沸點(diǎn)（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的前提下，在得到平衡閃蒸（ EFV）數(shù)據(jù)后，會(huì)自動(dòng)根據(jù) API規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法將其轉(zhuǎn)化為實(shí)沸點(diǎn) （ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)。 在沒(méi)有辦法得到上述任一種實(shí)驗(yàn)室蒸餾數(shù)據(jù)的情況下，一般的工藝模擬軟件會(huì)在你所提供的原油基礎(chǔ)物性（分子量、密度、粘度等）的基礎(chǔ)上，自動(dòng)生成一組平均實(shí)沸點(diǎn)（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)和相應(yīng)的特性因數(shù) K。 3）地面原油輕質(zhì)烴餾分 原油的輕質(zhì)烴餾分是指那些沸點(diǎn)較低的純組分，最常見(jiàn)的是 C2～ nC5。實(shí)驗(yàn)室一般在做前面所說(shuō)的 TBP蒸餾和 ASTM蒸餾實(shí)驗(yàn)時(shí)，時(shí)常會(huì)損失一些油樣中的輕組分，在這種情況下為了增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有必要利用色譜分析技術(shù)提供單獨(dú)的輕質(zhì)烴餾分分析，也就是說(shuō)通常的實(shí)驗(yàn)室蒸餾數(shù)據(jù)分為兩種：一 種是包括輕質(zhì)烴餾分在內(nèi)的全餾分蒸餾數(shù)據(jù)；一種是分別提供油樣重質(zhì)烴餾分和輕質(zhì)烴餾分的蒸餾數(shù)據(jù)，前者油樣的初餾點(diǎn)要低于輕質(zhì)餾分中最重的純組分所對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)。 在做工藝模擬時(shí)，倘若手頭有輕質(zhì)烴餾分的蒸餾數(shù)據(jù)，就可以直接輸入；倘若沒(méi)有輕質(zhì)烴餾分的蒸餾數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)判定認(rèn)為手頭的蒸餾數(shù)據(jù)只是重質(zhì)烴餾分的蒸餾數(shù)據(jù)，在這種情況下，一般的工藝模擬軟件會(huì)分兩種情況進(jìn)行處理：一是在你選擇忽略輕質(zhì)烴餾分的命令后，軟件會(huì)自動(dòng)忽略；一是在你選擇讓軟件自行處理命令后，軟件會(huì)將蒸餾數(shù)據(jù)中的低沸點(diǎn)餾分當(dāng)作是輕質(zhì)烴餾分（也就是純組分），并自動(dòng) 給出其蒸餾數(shù)據(jù)。 4）地面原油餾分分子量 餾分密度是指與餾出分率相對(duì)應(yīng)的餾分的分子量，在工藝模擬時(shí)，一般最少要給出 5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 5）地面原油餾分密度 餾分密度是指與餾出分率相對(duì)應(yīng)的餾分的密度值，在工藝模擬時(shí)，一般最少要給出 5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 6）地面原油餾分粘度 餾分粘度是指某一溫度下與餾出分率相對(duì)應(yīng)的餾分的粘度值，在工藝模擬時(shí)，一般最少要給出 5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 7）伴生氣（或溶解氣）組分 可以以摩爾分率、體積分率或重量分率的形式表示伴生氣（或溶解氣）的全組分。需要注意的是，在提供組分時(shí)應(yīng)標(biāo)明測(cè)定或模擬該組分的分離條件 （溫度、壓力）。 8）溶解氣重組分性質(zhì) 伴生氣（或溶解氣）全組分中，對(duì)于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時(shí)，為了準(zhǔn)確模擬這個(gè)虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其基本性質(zhì)，比如標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（ NBP）、理想液體密度、分子量、臨界溫度、臨界壓力、臨界比容、偏心因子等，性質(zhì)給得越多，模擬的虛擬組分就越準(zhǔn)確。 9）井口壓力 指油田在生產(chǎn)期內(nèi)逐年各單井的井口壓力（油嘴后）估算值。 10）井口溫度 指油田在生產(chǎn)期內(nèi)逐年各單井的井口溫度（油嘴后）估算值。 11）原油、伴生氣（或溶解氣）、生產(chǎn)水產(chǎn)量 指油田在生產(chǎn)期內(nèi)逐年 各單井的原油、伴生氣（或溶解氣）、生產(chǎn)水各自的產(chǎn)量預(yù)測(cè)值和全油田在生產(chǎn)期內(nèi)逐年的原油、伴生氣（或溶解氣）、生產(chǎn)水產(chǎn)量預(yù)測(cè)值。 凝析氣田 對(duì)于凝析氣田來(lái)說(shuō)，通常其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分為三種，一種與油田的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基本相同；一種則直接給出凝析油的組分及其它性質(zhì)，最后一種是給出井流（天然氣、凝析油、飽和水混合）物性，這對(duì)工藝模擬來(lái)說(shuō)更為直接，下面簡(jiǎn)單介紹這三種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 1）第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù) （ 1）天然氣組分 可以以摩爾分率、體積分率或重量分率的形式表示天然氣的全組分。需要注意的是，在提供組分時(shí)應(yīng)標(biāo)明測(cè)定或模擬該組分的分離條件 （溫度、壓力）。 （ 2）天然氣重組分性質(zhì) 天然氣全組分中，對(duì)于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時(shí)，為了準(zhǔn)確模擬這個(gè)虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其至少 2個(gè)基本性質(zhì)，比如標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（ NBP）、分子量、液體標(biāo)準(zhǔn)密度、臨界溫度、臨界壓力、臨界比容、偏心因子等。 （ 3）凝析油基礎(chǔ)物性 同地面原油的基礎(chǔ)物性。 （ 4）凝析油實(shí)驗(yàn)室蒸餾數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)類(lèi)型同地面原油的實(shí)驗(yàn)室蒸餾數(shù)據(jù)類(lèi)型。 （ 5）凝析油輕質(zhì)烴餾分 （ 6）凝析油餾分分子量 （ 7）凝析油餾分密度 （ 8）凝析油餾分粘度 （ 9）井口壓力 指凝析氣田在生產(chǎn)期內(nèi)逐 年各單井的井口壓力（氣嘴后）估算值。 （ 10）井口溫度 指凝析氣田在生產(chǎn)期內(nèi)逐年各單井的井口溫度（氣嘴后）估算值。 （ 11）天然氣、凝析油、生產(chǎn)水的產(chǎn)量 指凝析氣田在生產(chǎn)期內(nèi)逐年各單井的天然氣、凝析油、生產(chǎn)水各自的產(chǎn)量預(yù)測(cè)值和全凝析氣田在生產(chǎn)期內(nèi)逐年的天然氣、凝析油、生產(chǎn)水產(chǎn)量預(yù)測(cè)值。 2）第二種基礎(chǔ)數(shù)據(jù) （ 1）天然氣組分 同第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 （ 2）天然氣重組分性質(zhì) 同第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 （ 3）凝析油全組分 可以以摩爾分率、體積分率或重量分率的形式表示凝析油的全組分，條件許可的話，在提供組分時(shí)應(yīng)標(biāo)明具體的測(cè)定 方法。 （ 4）凝析油重組分性質(zhì) 凝析油全組分中，對(duì)于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時(shí)，為了準(zhǔn)確模擬這個(gè)虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其至少 2個(gè)基本性質(zhì)，比如標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（ NBP）、分子量、液體標(biāo)準(zhǔn)密度、臨界溫度、臨界壓力、臨界比容、偏心因子等。 （ 5）井口壓力 同第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 （ 6）井口溫度 同第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 （ 7）天然氣、凝析油、生產(chǎn)水的產(chǎn)量 同第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 3）第三種基礎(chǔ)數(shù)據(jù) （ 1）井流組分 可以以摩爾分率、體積分率或重量分率的形式表示井流（天然氣、凝析油、飽和水混合）的全組分。需要 注意的是，在提供組分時(shí)應(yīng)標(biāo)明測(cè)定或模擬該組分的分離條件（溫度、壓力）。 （ 2）井流重組分性質(zhì) 井流全組分中，對(duì)于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時(shí)，為了準(zhǔn)確模擬這個(gè)虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其至少 2個(gè)基本性質(zhì)，比如標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（ NBP）、分子量、液體標(biāo)準(zhǔn)密度、臨界溫度、臨界壓力、臨界比容、偏心因子等。 （ 3）井口壓力 同第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 （ 4）井口溫度 同第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 （ 5）天然氣、凝析油、生產(chǎn)水的產(chǎn)量 同第一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 氣藏氣田 氣藏氣田是指在地下儲(chǔ)集層中呈均一氣相存在，采出地面仍為氣相 的天然氣田，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為： 1）天然氣組分 可以以摩爾分率、體積分率或重量分率的形式表示天然氣的全組分。需要注意的是，在提供組分時(shí)應(yīng)標(biāo)明測(cè)定或模擬該組分的分離條件（溫度、壓力）。 2）天然氣重組分性質(zhì) 天然氣全組分中，對(duì)于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時(shí)，為了準(zhǔn)確模擬這個(gè)虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其至少 2個(gè)基本性質(zhì)，比如標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（ NBP）、分