【正文】 第三章 油氣處理工藝設計 工藝流程模擬計算 當工藝過程確定后，就需要通過工藝模擬來對其進行解析計算，以便改進工藝流程，完善工藝方案。通常在工藝設計、開發(fā)中所說的工藝模擬是指利用專業(yè)軟件，在輸入所需的數(shù)據(jù)后，對工藝流程進行模擬演算，通過對演算結(jié)果的分析和研究，適當調(diào)整輸入數(shù)據(jù)或流程參數(shù)，使得演算結(jié)果滿足工藝流程設計的要求。 常用工藝流程模擬軟件介紹 目前，國內(nèi)石油化工領域進行工程設計時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公司是一家從事計算機仿真技術(shù)開發(fā)的世界級專業(yè)技術(shù)公司，其軟件產(chǎn)品現(xiàn)已遍布 80多個國家，有 17000多家用戶，涉及化工、石油煉制、制藥、礦冶工業(yè)等多個領域。據(jù) 2020年統(tǒng)計，全球 50％的石油煉制企業(yè)、 90％的天然氣加工企業(yè)使用 HYPROTECH公司開發(fā)的仿真技術(shù)。目前， HYPROTECH公司已被美國 ASPEN TECH公司兼并。 HYSYS軟件由一系列具有專門功能的子軟件包組成，包括 、 、 +和 +等。這些子軟件包既可單獨使用，又可在同一平臺上聯(lián)合使用；既適應于新的石油化工過程的設計與開發(fā)，又可用于對已有過程和裝置的改善；與工廠的控制硬件相連，還可對全廠生產(chǎn)實行在線優(yōu)化操作；它還具有設計、優(yōu)化新過程，模擬工廠的生產(chǎn)過程和預測工廠可能發(fā)生的問題等功能。它既可縮短小試、中試等研究時間，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域的工藝設計與開 發(fā)。 PRO/II是美國 SIMSCI（ SIMULATION SCIENCES INC.）公司在結(jié)合了其前身PROCESS軟件和 ASPEN軟件技術(shù)的基礎上于 1988年推向市場的該公司第三代流程模擬軟件。該軟件是一個綜合系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛用于石油 /天然氣加工、煉油、化學、化工、聚合物、精細化工和制藥等領域。 該軟件由流程模擬程序、大型純組分物性數(shù)據(jù)庫、應用廣泛的熱力學性質(zhì)推算包、先進且適用性強的單元過程模塊所組成，以序貫模塊法模擬策略，為工程師提供了一個易于掌握、能靈活運用的有效的設計工具。從基本 的閃蒸到復雜的反應精餾，從石油煉制中的原有的初始預熱到后續(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、物性計算、設備設計、裝置改造、優(yōu)化和改進裝置產(chǎn)量和效益、費用估算 /經(jīng)濟評價、環(huán)保評測以及其他工程計算。軟件能提供多種模型如：一般化閃蒸、精餾、換熱器、反應器、聚合物、固體和多種熱力學模型等以供用戶選擇。用戶界面直觀簡便，適用于 PC電腦和各種工作站平面。 二、模擬前的基礎數(shù)據(jù)準備 在進行工藝模擬計算之前，首先要做好基礎數(shù)據(jù)的準備工作。一般說來，基礎數(shù)據(jù)準備 得越充分，所得到的模擬結(jié)果也就越準確。下面分別介紹油田、凝析氣田、氣藏氣田在工藝模擬前應準備的基礎數(shù)據(jù)。 油田 1）地面原油基礎物性 在工藝模擬時，原油下列 6個基礎物性中最少需要知道前 4個基礎物性中的 2個，后 2個基礎物性為參考值。 （ 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 組分的摩爾分數(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計算原油的分子量是不可能的，需要通過專門的 測定方法或經(jīng)驗公式得到。 （ 2）標準密度或比重 我國國標（ GB/T 18842020）規(guī)定的標準密度為常壓（ ）下 20℃時的密度，國際標準（ ISO）規(guī)定的標準密度為常壓（ ）下 ℃（ 60℉）時的密度。由于現(xiàn)在應用的大多數(shù)工藝模擬軟件由國外開發(fā)，所以在輸入標準密度值時要注意換算。 比重也稱相對密度，我國對比重定義為 20℃時的原油密度與 4℃時純水之比，歐美國家規(guī)定原油的比重為 ℃（ 60℉）時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可用來給 原油分類，在一定程度上反映了原油的烴類分布情況，有時也被近似看做是石蠟指數(shù)，一般在 8～ 15之間。 （ 4）粘度 一般提供兩個不同溫度下（通常為 20℃和 50℃）的運動粘度或動力粘度值即可。 （ 5）凝固點 （ 6）蠟、膠質(zhì)、瀝青、硫等物質(zhì)的含量 2）地面原油實驗室蒸餾數(shù)據(jù) 實驗室蒸餾數(shù)據(jù)根據(jù)其類型主要分以下 5種： （ 1）實沸點（ 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驗數(shù)據(jù)， TBP蒸餾設備是一種實驗室間歇精餾，也是一種規(guī)格化的蒸餾設備，規(guī)定其精餾柱應相當于 17塊理論板，且應在規(guī)定的試驗條 件下操作，所得數(shù)據(jù)通常以體積或重量分率和相應的沸點用圖或表格的形式表示。實沸點蒸餾實驗由于是在常壓下進行，為避免發(fā)生裂解，原油實沸點蒸餾時通常只能蒸出約 50%（重）的餾分，其余殘液可測定其相對密度和分子量，用作進一步關(guān)聯(lián)參數(shù)。在工藝模擬時，一般最少要給出 5個數(shù)據(jù)點。 （ 2） ASTM D86和 ASTM D1160蒸餾數(shù)據(jù)（單獨或混合） ASTM D86和 ASTM D1160蒸餾數(shù)據(jù)都是美國材料試驗協(xié)會規(guī)定的在常壓下進行的原油蒸餾試驗方法，它們都采用實驗室間歇精餾，但所進行的是無回流的恩氏閃蒸，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)以實沸點（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)作為實驗室分析數(shù)據(jù)的基礎，在得到 ASTM D86和 ASTM D1160蒸餾數(shù)據(jù)后，會自動根據(jù) API數(shù)據(jù)書（ API Data Book）中規(guī)定的標準方法（見 ）將其轉(zhuǎn)化為實沸點（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)。 （ 3） ASTM D2887模擬蒸餾數(shù)據(jù) ASTM D2887為美國材料試驗協(xié)會規(guī)定的在原油色譜分析數(shù)據(jù)基礎上進行的模擬蒸餾，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一個填充型的氣體色譜塔進行的模擬蒸餾實驗，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）進行的一系列蒸餾實驗，得到的是在氣液完全平衡狀態(tài)下與溫度相對應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)以實沸點（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)作為實驗室分析數(shù)據(jù)基礎的前提下，在得到平衡閃蒸（ EFV）數(shù)據(jù)后，會自動根據(jù) API規(guī)定的標準方法將其轉(zhuǎn)化為實沸點 （ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)。 在沒有辦法得到上述任一種實驗室蒸餾數(shù)據(jù)的情況下，一般的工藝模擬軟件會在你所提供的原油基礎物性（分子量、密度、粘度等）的基礎上，自動生成一組平均實沸點（ TBP）蒸餾數(shù)據(jù)和相應的特性因數(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較低的純組分，最常見的是 C2～ nC5。實驗室一般在做前面所說的 TBP蒸餾和 ASTM蒸餾實驗時，時常會損失一些油樣中的輕組分，在這種情況下為了增加實驗結(jié)果的準確性，有必要利用色譜分析技術(shù)提供單獨的輕質(zhì)烴餾分分析，也就是說通常的實驗室蒸餾數(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)，前者油樣的初餾點要低于輕質(zhì)餾分中最重的純組分所對應的沸點。 在做工藝模擬時，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；倘若沒有輕質(zhì)烴餾分的蒸餾數(shù)據(jù)，同時通過判定認為手頭的蒸餾數(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分兩種情況進行處理：一是在你選擇忽略輕質(zhì)烴餾分的命令后，軟件會自動忽略；一是在你選擇讓軟件自行處理命令后，軟件會將蒸餾數(shù)據(jù)中的低沸點餾分當作是輕質(zhì)烴餾分（也就是純組分），并自動 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應的餾分的分子量，在工藝模擬時，一般最少要給出 5個數(shù)據(jù)點。 5）地面原油餾分密度 餾分密度是指與餾出分率相對應的餾分的密度值，在工藝模擬時，一般最少要給出 5個數(shù)據(jù)點。 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應的餾分的粘度值，在工藝模擬時，一般最少要給出 5個數(shù)據(jù)點。 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，在提供組分時應標明測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，對于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時，為了準確模擬這個虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其基本性質(zhì)，比如標準沸點（ 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)量預測值和全油田在生產(chǎn)期內(nèi)逐年的原油、伴生氣（或溶解氣）、生產(chǎn)水產(chǎn)量預測值。 凝析氣田 對于凝析氣田來說，通常其基礎數(shù)據(jù)分為三種，一種與油田的基礎數(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，這對工藝模擬來說更為直接，下面簡單介紹這三種基礎數(shù)據(jù)。 1）第一種基礎數(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，在提供組分時應標明測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，對于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時，為了準確模擬這個虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其至少 2個基本性質(zhì)，比如標準沸點（ NBP）、分子量、液體標準密度、臨界溫度、臨界壓力、臨界比容、偏心因子等。 （ 3）凝析油基礎物性 同地面原油的基礎物性。 （ 4）凝析油實驗室蒸餾數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)類型同地面原油的實驗室蒸餾數(shù)據(jù)類型。 （ 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)量預測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)量預測值。 2）第二種基礎數(shù)據(jù) （ 1）天然氣組分 同第一種基礎數(shù)據(jù)。 （ 2）天然氣重組分性質(zhì) 同第一種基礎數(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，在提供組分時應標明具體的測定 方法。 （ 4）凝析油重組分性質(zhì) 凝析油全組分中，對于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時，為了準確模擬這個虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其至少 2個基本性質(zhì)，比如標準沸點（ NBP）、分子量、液體標準密度、臨界溫度、臨界壓力、臨界比容、偏心因子等。 （ 5）井口壓力 同第一種基礎數(shù)據(jù)。 （ 6）井口溫度 同第一種基礎數(shù)據(jù)。 （ 7）天然氣、凝析油、生產(chǎn)水的產(chǎn)量 同第一種基礎數(shù)據(jù)。 3）第三種基礎數(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，在提供組分時應標明測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，對于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時，為了準確模擬這個虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其至少 2個基本性質(zhì)，比如標準沸點（ NBP）、分子量、液體標準密度、臨界溫度、臨界壓力、臨界比容、偏心因子等。 （ 3）井口壓力 同第一種基礎數(shù)據(jù)。 （ 4）井口溫度 同第一種基礎數(shù)據(jù)。 （ 5）天然氣、凝析油、生產(chǎn)水的產(chǎn)量 同第一種基礎數(shù)據(jù)。 氣藏氣田 氣藏氣田是指在地下儲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，在提供組分時應標明測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，對于重組分通常以 Ci+表示，即其為虛擬組分。工藝模擬時，為了準確模擬這個虛擬組分的性質(zhì)，還必須給出其至少 2個基本性質(zhì)，比如標準沸點（ NBP）、分