该油田区块为缝洞型碳酸盐岩油藏，氮气对此具有巨大的驱替潜能，因此，建立了大型集中制氮注氮流程来提高原油采收率。
近年来，国内学者采用过程模拟软件对深冷制氮工艺进行仿真研究。刘波[1]利用HYSYS软件对某深冷空分制氮流程进行建模，通过对膨胀机出口温度、进塔空气温度等运行参数进行优化，使得氮生产效率提升；李苏巧[2]利用HYSYS软件对18 000 m3/h单塔单冷凝蒸发器制氮流程进行稳态模拟，并对流程进行优化设计；蔡高辉[3]针对深冷精馏空分工艺的压缩机单元、预冷单元和精馏单元进行了理论节能分析；熊杰等[4]利用ASPEN PLUS软件对某深冷空分系统进行模拟，以经济性能最优为目标，确定了精馏塔的操作参数；楼红枫[5]对某20 000 m3/h深冷空分流程进行模拟及动态分析研究，分别考查了上下塔在回流、进料等扰动因素下工艺参数的变化。
通过文献调研发现，对于深冷空分制氮流程，常通过过程模拟软件进行仿真模拟，对流程各操作参数进行研究，优化选取关键运行参数，这种单因素优化方式未考虑到各因素间的相互影响关系，而多因素分析法能克服这个缺陷。响应面分析法是一种多变量控制优化方法，通过对实验数组进行分析，采用多元回归方程来拟合出变量与响应值之间的函数关系，进而在指定目标条件下进行寻优。本研究利用中心复合旋转设计(central composite rotation design，CCRD)响应面法来获取该制氮流程的最优工艺参数组合，具有一定的参考价值。
该制氮工艺为双塔双冷凝器双正流膨胀工艺，具有处理量大、设备多、氮提取率高及能耗低等特点。完整流程如图 1所示，干燥空气(965 kPa，15 ℃)分成3股物流进入主换热器：约85%的空气直接进冷箱主换热器被反流气体冷却至饱和状态(945 kPa，-165.5 ℃)后，进入精馏下塔参与精馏；一小股空气去拉赫曼气膨胀机组的增压端，增压冷却后进入主换热器冷却到-154 ℃去膨胀端，膨胀至540 kPa进入上塔塔底；另一小股空气去制冷循环膨胀机组，经增压-冷却-膨胀至125 kPa后返回主换热器复热，再去空气增压单元，构成制冷循环。制冷循环气与空气混合后经增压脱水后重新进入深冷空分单元。获得的氮气产品经增压后进入氮气管网。
精馏下塔塔顶出口可获得较高压力的氮气和液氮，塔底获得氧摩尔分数约31%的液空，少量液氮和液空经过冷节流后去上塔参与精馏；精馏上塔塔顶处可获得较低压力的氮气和少量液氮，塔底的一级冷凝蒸发器中获得氧摩尔分数约48%的富氧液空，抽取部分富氧液空，经节流后去上塔塔顶二级冷凝蒸发器的蒸发侧，为上塔塔顶的氮气冷凝提供冷源[6]。
该流程空气处理量为30 483.3 m3/h，进冷箱压力为965 kPa，温度为15 ℃。
生产运行参数如表 2所列。
主要设备的设计参数见表 3。
对比表 2和表 3可以看出，生产运行参数是处在设计区内的，但比功耗和氮收率均未达标。因此，该流程在参数上可进一步优化。
HYSYS仿真流程图见图 2，在HYSYS物性方法和模型介绍中，空气分离推荐使用PRSV方程、SRK方程和PR方程，使用PR方程的下塔计算结果与实际运行参数已经十分接近，但上塔的计算结果与实际尚有偏差，林德、杭氧、开空公司有使用PRSV方程进行深冷空分工艺流程模拟设计的先例，结果表明, 上下塔计算结果与实际运行参数十分吻合。综上所述，本研究物性计算方法为PRSV方程。
主要设备包括增压膨胀机、LNG换热器、精馏塔、冷凝蒸发器、调压阀等。精馏下塔选用冷凝吸收塔模块，精馏上塔选用精馏塔模块，下塔塔顶与上塔塔底通过能流连接模拟一级冷凝蒸发器运行情况，上塔塔顶与上塔塔顶换热器通过能流连接模拟二级冷凝蒸发器运行情况，冷凝蒸发器的冷凝侧与蒸发侧处于传热平衡状态。
其中，ADJ-1模块是控制制冷膨胀机组膨胀端的等熵效率为75%，ADJ-2模块是控制拉赫曼气膨胀机组膨胀端的等熵效率为85%，SET-1模块是控制下塔所产液空进副换热器温度与上塔所产氮气过副换热器后温度的差值为3 ℃。
通过对流程的分析，找出了对工艺比功耗、收率影响较大的6个自变量因素：下塔分离压力、下塔回流比、上塔进料液空温度、上塔分离压力、上塔回流比和制冷循环气比例。
根据物料平衡方程、能量平衡方程和过冷节流阀的J-T效应，上下塔的压差是冷凝蒸发器换热温差的决定性因素。下塔分离压力对流程的影响如图 3和图 4所示。
以冷凝蒸发器最小温差≥2 ℃为选值依据[7]，将下塔分离压力的优化选值区间定为900~1 100 kPa。
操作中改变下塔回流比的大小，可以满足产品的纯度要求。当塔顶馏分中重组分含量增加，常采用增加回流液的方法吸收重组分，以使产品杂质含量降低，但同时损失了塔的生产能力，使单位产品综合能耗增加[8]。下塔回流比对流程的影响如图 5和图 6所示。
同理可得，下塔回流比的优化选值区间定为1.8~2.8。
上塔进料液空温度对上塔精馏和冷凝蒸发器传热效果影响较大，上塔进料液空温度对流程的影响如图 7和图 8所示。
同理可得，将上塔进料液空温度的优化选值范围定为-180~-170 ℃。
在流程中，上塔应尽可能处在较低压力工况下，使得氮气产量增加、纯度提高，下塔工作压力随之降低，使单位产品比功耗减小，上塔还兼顾为压力塔，其分离压力受到二级冷凝蒸发器的约束[9]。上塔分离压力对流程的影响如图 9和图 10所示。
同理可得，上塔分离压力的优化选值范围定为380~540 kPa。
当精馏段的轻组分下到提馏段造成塔下部温度降低时，可以适当减少回流比以提升冷凝蒸发器的蒸发侧温度，减小换热温差[10]。上塔回流比对流程的影响如图 11和图 12所示。
同理可得，上塔回流比的优化选值范围定为1.5~1.9。
制冷循环气膨胀比大，则温降大，小气量即可产生富裕冷量，是调节深冷单元制冷量的重要组成部分，其作用包括降低空气进塔前温度、增加主换热器的冷量输入、补充提取液氮的冷量损失等，不参与上下塔的精馏过程。制冷循环气比例对流程的影响如图 13和图 14所示。
同理可得，制冷循环气比例的优化选值范围定为2.5%~15.0%。
本次设计利用Design-Expert 8.0.6软件对选定的深冷制氮工艺进行响应面优化分析研究。为确保实验结果的可靠性和实验数组的可操作性，选择CCRD作为实验设计方法。
将下塔分离压力、下塔回流比、上塔进料液空温度、上塔分离压力、上塔回流比、制冷循环气比例6个设计变量分别视为A、B、C、D、E、F 6个因素，并划分为表 4中的5个编码水平。
CCRD响应面设计法的实验设计见表 5，工艺流程的比功耗、氮收率、一级冷凝蒸发器最小温差(简称一级温差)、二级冷凝蒸发器最小温差(简称二级温差)为响应值，分别设为W、X、Y、Z。
对于比功耗模型，其R2=0.997 7，RAdj2=0.995 2，Rpred2=0.990 9，预测准确性较高。相关系数接近于1，Rpred2-RAdj2 < 0.2，表明产品比功耗回归模型的拟合情况良好，信噪比为84.87，大于4，模型可信度高(见图 15)。
从图 15可以看出，实验数据点基本分布在拟合曲线两侧，表示回归模型所代表的定量关系准确。
从表 6可以看出，BE、BC、AB对比功耗影响较大，利用Design Expert软件绘制比功耗变化的等高线及三维图，同时考虑BE、BC、AB对氮收率的影响，结果如图 16~图 21所示。
从图 16~图 21可以看出在DE、BE和AE项交互影响下的比功耗与氮收率变化情况。以交互作用影响最大的BE项为例，当其他因素处于中心水平，且下塔回流比为一定值时，比功耗随上塔回流比的增加而增加，氮收率随上塔回流比的增加而降低；而上塔回流比为一定值时，比功耗随下塔回流比的增加而增加，氮收率随下塔回流比的增加而降低。
流程第一次多变量约束最优化预测结果见表 7。从表 7可以看出，操作参数控制在原定优化选值区间内时，所得冷凝蒸发器温差高于2 ℃，表明流程是可行的，但最小温差还可进一步降低，通过减小冷凝蒸发器最小温差，使得上下塔的压差减小，从而减小空压机或氮压机的能耗，降低产品比功耗。考虑到一级塔分离压力达到原定范围下限，二级塔分离压力还在原定范围内，在二次优化时，放宽下塔分离压力的下限至860 kPa，获得最终优化结果, 见表 8。
该深冷空分制氮工艺采用表 8的最佳参数组合实施参数调整，结果见表 9。由表 9可知：通过多因素参数优化，氮气产量从16 905 m3/h增加到18 541 m3/h，提高了9.68%；氮气中氧摩尔分数从0.000 26%下降到0.000 24%，降低了7.7%；氮收率从70.92%上升到77.75%，增加了9.63%；比功耗从0.374 5 kW·h/m3下降到0.345 7 kW·h/m3，减少了7.69%。由此可以看出，其优化效果明显。
(1) 通过HYSYS软件对该油田深冷空分制氮工艺进行模拟，得到工艺关键运行参数优化取值范围，其中下塔分离压力为900~1 100 kPa，下塔回流比为1.8~2.8，上塔进料液空温度为-180~-170 ℃，上塔分离压力为380~540 kPa，上塔回流比为1.5~1.9，制冷循环气比例为2.5%~15.0%。
(2) 将响应面多因素参数优化的结果用于实际装置中，与原运行参数下的工况相比，优化运行参数下的工况在氮气产量、氮气中氧含量、氮收率和比功耗指标上取得了7%~10%的提升效果。
2022, Vol. 51 Issue (6): 61-69 2022, Vol. 51 Issue (6): 61-69