基于HYSYS模擬的天然氣脫碳影響因素的研究

鄧凡鋒，田廣新，曾凡平，翟坤明，李寶玉

(華油天然氣股份有限公司天然氣應(yīng)用技術(shù)研究所，四川 成都 610000)

基于HYSYS模擬的天然氣脫碳影響因素的研究

鄧凡鋒，田廣新，曾凡平，翟坤明，李寶玉

(華油天然氣股份有限公司天然氣應(yīng)用技術(shù)研究所，四川 成都 610000)

采用Aspen Hysys模擬軟件，對胺液脫除天然氣中CO2的影響因素吸收塔塔板數(shù)目、吸收塔操作壓力、原料氣溫度、MDEA溶液濃度、胺液組成進(jìn)行模擬研究，并對模擬結(jié)果進(jìn)行規(guī)律總結(jié)和合理解釋。模擬結(jié)果表明，吸收塔塔板數(shù)目的增加對于胺液吸收CO2有促進(jìn)作用；吸收塔的操作壓力增大使得CO2的脫除率呈現(xiàn)出先線性增大后逐漸變緩的趨勢；原料氣的反應(yīng)溫度提高使CO2的脫除率提高；MDEA濃度的增大在一定范圍內(nèi)提高了CO2的脫除率，濃度過高時CO2的脫除率減小；MEA、DEA的加入會提高M(jìn)DEA脫CO2的活性，且MEA促 進(jìn)效果優(yōu)于DEA。

凈化天然氣；MDEA；脫CO2；HYSY S軟件；模擬

CO2是天然氣中主要存在的酸性氣體，它們會造成管道和設(shè)備鋼材的腐蝕，并且CO2作為天然氣中的不可燃成分會降低天然氣的熱值[1-2]。我國對天然氣中的CO2含量有明確的標(biāo)準(zhǔn)，GB 17820-2012規(guī)定一類天然氣中要求CO2的含量≤2%，二類天然氣中要求CO2的含量≤3%。

目前主要的天然氣脫酸性氣體方法有干法、濕法、膜分離法、生物法[3-4]。醇胺濕法脫硫脫碳具有價格較低、可再生、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的天然氣凈化方法，常用的醇胺溶液有MEA、DEA、MDEA及混合胺法。其工藝路線大致相同[5-6]，即天然氣與醇胺溶液在吸收塔中逆向接觸脫除其中的酸性氣體以達(dá)到凈化目的。

本文采用Aspen Hysys模擬軟件，系統(tǒng)研究了吸收塔塔板數(shù)目、吸收塔操作壓力、原料氣溫度、MDEA溶液濃度、胺液組成對于CO2氣體吸附脫除的影響，總結(jié)規(guī)律性并對其進(jìn)行合理的解釋。

1 凈化裝置的模擬分析

1.1 工藝流程

某工廠天然氣凈化脫碳裝置的日處理量為100×104m3，氣質(zhì)組分如表1所示。凈化裝置的主要工藝流程如圖1所示。天然氣在吸收塔內(nèi)與MDEA貧胺溶液逆向接觸吸收脫除天然氣中的CO2，富胺液經(jīng)過閃蒸脫除吸附的烴類化合物，后經(jīng)貧富胺液換熱器進(jìn)入汽提塔進(jìn)行再生，再生后的貧胺液經(jīng)降溫由胺循環(huán)泵打回吸收塔完成循環(huán)。

圖1 天然氣凈化脫碳工藝流程圖Fig2.1 Process flow diagram of removing CO2in natural gas

表1 原料天然氣的組成Table1 Composition of raw natural gas

1.2 Hysys模型的建立

Aspen Hysys自帶有專門為天然氣脫除酸性氣體開發(fā)的Amines Property Package 模型，本文選擇此模型。此模型中包含Kent-Eisenberg和Li-Mather兩個熱力學(xué)模型，前者屬于半經(jīng)驗(yàn)熱力學(xué)模型，后者是基于嚴(yán)格的熱力學(xué)機(jī)理模型，本文模擬選擇Li-Mather熱力學(xué)模型。

2 凈化裝置的模擬分析

2.1 吸收塔塔板數(shù)目對脫碳效果的影響

圖2是在天然氣吸收塔進(jìn)料溫度為40℃，MDEA貧液質(zhì)量濃度為45%，吸收塔壓力5.5MPa，不同的貧胺液流量條件下，CO2的吸收脫除率與吸收塔塔板數(shù)目的關(guān)系圖。 由圖2可知，隨著吸收塔的塔板數(shù)由10增加至14，在不同的胺液流量條件下，天然氣中CO2的脫除率都隨之增加；在較低流量（45、50、55m3·h-1）的條件下，CO2的脫除率與塔板數(shù)的增加呈線性增加，而在較高流量（60、65m3·h-1）的條件下，CO2的脫除率與塔板數(shù)的增加趨勢變緩。這是因?yàn)槲账乃鍞?shù)目增加有利于氣液傳質(zhì)，使得氣液接觸時間增長，利于胺液對CO2的吸收；高流量高塔板數(shù)下脫除率變緩的原因可能是CO2與胺液的吸附接近平衡。

圖2 吸收塔塔板數(shù)對天然氣脫碳效果的影響Fig.2 Influence of absorber plate number on natural gas removal rate of CO2

2.2 吸收塔操作壓力對脫碳效果的影響

圖3是在MDEA貧液質(zhì)量濃度為45%，吸收塔的塔板數(shù)目為10，原料天然氣溫度40℃，不同的貧胺液流量條件下，CO2的吸收脫除率與天然氣吸收塔進(jìn)料溫度的關(guān)系圖。由圖3可知，隨著吸收塔操作壓力的提高，CO2的脫除率呈現(xiàn)出先線性增大后逐漸變緩的趨勢。這是因?yàn)椴僮鲏毫Φ奶岣呤沟脝挝惑w積內(nèi)的分子數(shù)目增多，MDEA與CO2發(fā)生反應(yīng)的幾率增大，使得CO2的脫除率提高。高于5.5MPa趨勢變緩的原因可能是增大操作壓力提高了板間壓降，導(dǎo)致MDEA發(fā)泡，影響吸收效果。

2.3 原料氣溫度對脫碳效果的影響

圖4是在MDEA貧液質(zhì)量濃度為45%，吸收塔的塔板數(shù)目為10，吸收塔壓力5.5MPa，不同的貧胺液流量條件下，CO2的吸收脫除率與天然氣吸收塔進(jìn)料溫度的關(guān)系圖。由圖4可知，不同流量的MDEA隨著入口天然氣溫度的提高均使CO2的脫除率增加，并且5條直線的斜率接近。這是因?yàn)殡m然CO2與MDEA的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高原料氣的溫度不利于反應(yīng)向正方向進(jìn)行；但是MDEA吸收CO2是動力學(xué)控制的反應(yīng)，原料氣的溫度升高會提高分子的活躍程度，增加了單位體積內(nèi)分子的有效碰撞幾率，進(jìn)而加速兩者的反應(yīng)速率，提高CO2的脫除率。

圖3 吸收塔操作壓力對天然氣脫碳效果的影響Fig.3 Influence of absorber pressure on removal rate of CO2

圖4 原料氣溫度對天然氣脫碳效果的影響Fig.4 Influence of raw gas temperature on natural gas removal rate of CO2

2.4 MDEA溶液濃度對脫碳效果的影響

圖5是在天然氣吸收塔進(jìn)料溫度為40℃，吸收塔的塔板數(shù)目為10，吸收塔壓力5.5MPa，不同的貧胺液流量條件下，CO2的吸收脫除率與貧胺溶液質(zhì)量濃度的關(guān)系圖。由圖5可知，在貧胺流量為45 m3·h-1時，CO2的脫除率呈逐步增大的趨勢；

在貧胺流量為50 m3·h-1、55 m3·h-1時，CO2的脫除率曲線幾乎是水平直線，說明MDEA濃度的增大對于CO2的吸收影響不大；在較高的流量（60、65m3·h-1）下，CO2脫除率隨著MDEA濃度的增大呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，趨勢的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的MDEA的濃度65 m3·h-1低于60 m3·h-1，這是因?yàn)镸DEA與CO2的吸附反應(yīng)可以認(rèn)為是假一級反應(yīng)[7-8]，可以近似看作物理吸收過程，在低濃度和流量時，隨著MDEA溶液濃度的提高，增加了兩者的濃度梯度，傳質(zhì)效率提升，但當(dāng)MDEA質(zhì)量濃度過高時，溶液的黏度增大抑制了CO2的吸收。

圖5 MDEA貧液濃度對天然氣脫碳效果的影響Fig.5 Influence of MDEA aqueous solution mass concentration on natural gas removal rate of CO2

2.5 胺液組成對脫碳效果的影響

圖6 胺液的組成天然氣脫碳效果的影響Fig.6 Influence of amine composition on natural gas removal rate of CO2

圖6是在吸收塔的塔板數(shù)目為10，吸收塔操作壓力5.5MPa，原料天然氣入口溫度40℃，不同的胺液組成的條件下，CO2的吸收脫除率與胺液組成的關(guān)系圖。由圖6可知，MEA、DEA的加入明顯提高了MDEA的脫CO2效果，并且在相同含量的添加條件下，MEA提高脫碳的效果優(yōu)于DEA。這一方面是因?yàn)榇及放cCO2反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是酸堿中和反應(yīng)，反應(yīng)速率的快慢很大的程度上取決于醇胺溶液的堿性強(qiáng)弱，MDEA是呈弱堿性的叔胺；而MEA是伯胺，在胺類的溶液中其堿性最強(qiáng)；DEA作為仲胺堿性比MEA弱，在溶液中可以反應(yīng)生成具有催化效果的氨基甲酸鹽和質(zhì)子化的物質(zhì)[9-11]，進(jìn)而提高M(jìn)DEA的脫碳活性。

3 結(jié)論

1）吸收塔塔板數(shù)目的增加提高了胺液對CO2的吸收率，但是由于CO2與胺液的接近吸附平衡致使高流量高塔板數(shù)下脫除率變緩。

2）吸收塔的操作壓力增大使得CO2的脫除率呈現(xiàn)出先線性增大后逐漸變緩的趨勢。

3）原料氣的反應(yīng)溫度提高使得單位體積內(nèi)的有效分子碰撞幾率增大，提高了CO2的脫除率。

4）MDEA濃度的增大在一定范圍內(nèi)提高了CO2的脫除率，濃度過高時由于黏度增大會降低CO2的脫除率。

5）MEA、DEA的加入會提高M(jìn)DEA脫CO2的活性，且MEA促進(jìn)效果優(yōu)于DEA。

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Influence Factors Study on Natural Gas Decarbonization based on HYSYS Simulation

DENG Fan-feng, TIANG Guang-xin, ZENG Fan-ping, ZHAI Kun-ming, LI Bao-yu
(China Natural Gas Corporation Limited Research Institute, Chengdu 610000, China)

Aspen Hysys simulation software was used to simulate amine liquid rem oving CO2in natural gas.In this simulation some inf uence factors was researched such as absorption tower tray number, absorption tower operating pressure, raw natural gas temperature, MDEA solution concentration, composition of amine liquid, then the laws was summarized and reasonable explanation was gave.The simulation results showed that increasing the absorption tower plate number promoted CO2absorption, operation pressure to CO2removing rate presented a trend of increases linearly at f rst and then gradually slow, increasing feed gas temperature improved the CO2removal rate, MDEA concentration within a certain range increased the CO2removal rate, excessive concentration decreased CO2removal rate, adding MEA,DEA improved the MDEA activity.

purif ed natural gas; MDEA; decarbonization; HYSYS software; simulation

TE 624.5

A

1671-9905(2015)02-00-

2014-11-13