基于ProTreat建模的脫硫再生塔工藝參數(shù)研究

王 蕓，郁辰陽，許國(guó)棟

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司（北京分公司），北京 100085）

基于ProTreat建模的脫硫再生塔工藝參數(shù)研究

王 蕓1，郁辰陽2，許國(guó)棟2

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司（北京分公司），北京 100085）

依據(jù)中東某天然氣脫硫裝置的凈化工藝和操作參數(shù)，采用 ProTreat軟件建模和模擬，研究了脫硫工藝中再生塔的工藝參數(shù)。結(jié)果表明：再沸器負(fù)荷和富胺溶液進(jìn)再生塔溫度是影響貧胺溶液再生質(zhì)量的主要因素。這兩者對(duì)再生塔內(nèi)溫度分布的影響以及對(duì)胺液的再生質(zhì)量的影響機(jī)理是不同的，提高再沸器負(fù)荷對(duì)再生塔內(nèi)的每個(gè)塔板處的溫度均有影響，而富胺溶液進(jìn)塔溫度升高只對(duì)入口塔板處的溫度有顯著影響，而對(duì)再生塔的中部和底部塔板溫度幾乎沒有影響。提高再沸器負(fù)荷和富胺溶液進(jìn)再生塔溫度均能增大回流比和汽提比，改善貧液再生質(zhì)量。

天然氣脫硫；再沸器負(fù)荷；富胺溶液溫度；回流比；ProTreat

中東地區(qū)某天然氣處理廠中原料氣的氣量和酸性氣體濃度均存在較大波動(dòng)，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，需要調(diào)節(jié)脫硫裝置的工藝參數(shù)，以滿足外輸凈化氣指標(biāo)。

目前關(guān)于脫硫工藝的研究，主要集中于吸收塔的參數(shù)控制，而對(duì)于溶劑再生塔則相對(duì)較少[1]。對(duì)于天然氣脫硫裝置來說，溶劑循環(huán)量、富胺溶液的酸氣負(fù)荷等主要由吸收塔的操作性能控制，而塔板類型、堰板等塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段已確定，因此在運(yùn)行操作中，再生塔可調(diào)節(jié)的參數(shù)主要包括富胺液進(jìn)塔溫度、再生塔操作壓力、再沸器負(fù)荷及回流比。

本研究基于ProTreat軟件對(duì)該天然氣脫硫裝置進(jìn)行了建模和分析，重點(diǎn)研究了再生塔操作參數(shù)對(duì)塔內(nèi)溫度以及貧液再生質(zhì)量的影響。

1 脫硫工藝流程

1.1 原料天然氣組成及凈化要求

中東某天然氣處理廠原料氣的組分如表 1所示。凈化氣外輸要求：H2S濃度≤4 mg/m3，CO2摩爾分?jǐn)?shù)≤2%。

表1 中東某脫硫脫碳裝置原料氣組成Table 1 Components of sweetening plant in Middle East

1.2 MDEA溶液脫硫原理

MDEA溶液吸收H2S和CO2氣體的機(jī)理主要是基于兩相傳質(zhì)的雙模理論[2]：將復(fù)雜的氣液相傳質(zhì)過程簡(jiǎn)化為溶質(zhì)組分通過兩個(gè)有效膜層的分子擴(kuò)散過程。H2S和MDEA的反應(yīng)為瞬時(shí)反應(yīng)，在近邊界的液膜內(nèi)就可以完成，且在界面和液相中可以處處都達(dá)到平衡狀態(tài)；而CO2和MDEA的反應(yīng)則有相當(dāng)多的一部分 CO2在液相主體完成，這就奠定了MDEA溶液選擇性脫硫的基礎(chǔ)。

1.3 ProTreat軟件介紹及建模

ProTreat軟件是由美國(guó)休斯頓 OGT公司推出的，該軟件不同于其他的化工計(jì)算軟件如 Aspen Hysys、ProMax等，它放棄了傳統(tǒng)的平衡級(jí)計(jì)算方法，以嚴(yán)格的氣液兩相間的傳質(zhì)速率和傳熱速率為基礎(chǔ)對(duì)全塔進(jìn)行模擬計(jì)算。

應(yīng)用 ProTreat軟件有十分重要的優(yōu)勢(shì)：(1) ProTreat可以計(jì)算每塊塔板或每段填料的CO2和H2S脫除效果并且可以預(yù)測(cè)工廠工藝表現(xiàn)。(2) ProTreat采用傳質(zhì)速率模型，其模型將反應(yīng)塔作為真正的處理設(shè)備即具有內(nèi)部構(gòu)件的塔。其他的軟件的模型包沒有考慮塔板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（除了塔板壓降和液泛水力計(jì)算之外），而ProTreat對(duì)塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（塔板類型、流體流型、堰板高度、填料類型和材料）細(xì)節(jié)都進(jìn)行了考慮并計(jì)算模擬。

圖1 MDEA法脫硫工藝流程Fig.1 Process of MDEA desulfurization

本設(shè)計(jì)應(yīng)用ProTreat軟件建立MDEA脫硫工藝模型如圖 1所示。在流程模擬中，本研究選擇Deshmukh-Mather模型作為熱力學(xué)模型。

2 再生塔的工藝參數(shù)研究

再生塔是利用再沸器提供的水蒸氣和熱量使醇胺和酸性氣體反應(yīng)生成的化合物逆向分解，從而將酸性氣體解吸出來。水蒸氣對(duì)醇胺溶液還有汽提的作用，氣相中酸氣濃度小于其平衡濃度，在濃度差的作用下促進(jìn)H2S和CO2從溶液內(nèi)分解出來[3]。

在該P(yáng)roTreat模型中，再生塔的初始設(shè)計(jì)參數(shù)值是：再沸器負(fù)荷為17 MW，富胺溶液進(jìn)再生塔的溫度為90 ℃。

2.1 再沸器負(fù)荷

在整個(gè)再生塔內(nèi)，水蒸氣提供的熱量用來加熱溫度相對(duì)較低的富胺溶液至沸點(diǎn)溫度。當(dāng)富胺溶液進(jìn)入再生塔和蒸氣混合，溫度迅速升高，會(huì)瞬間解析出大量的酸氣。如圖2所示：富胺溶液溫度迅速由90 ℃升至114 ℃。

圖2 再生塔內(nèi)氣液兩相溫度變化Fig.2 Temperature of liquid and vapor phase in regenerator

而通過圖3模擬數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證，當(dāng)富胺溶液進(jìn)入再生塔時(shí)，直接發(fā)生閃蒸。當(dāng)富胺溶液從塔板 1流到塔板 2，液相中H2S的摩爾含量直接由0.622降低到0.329。由于模擬工況的再沸器提供的蒸氣量很充足，所以富胺溶液向下流動(dòng)到塔板15時(shí)，液相H2S已經(jīng)被蒸氣充分汽提，含量降低到0.001。

圖3 H2S和CO2在再生塔液相的濃度分布Fig.3 H2S and CO2profiles in regenerator

從圖3中可以看出，在接近塔底部存在足夠的蒸氣可以同時(shí)汽提H2S和CO2，但是，隨著塔板數(shù)的上升，塔內(nèi)溫度和蒸氣的流量降低，CO2被汽提的速率比H2S被汽提的速率更快，因?yàn)榇藭r(shí)CO2的平衡分壓更高。在再生塔底部，所有組分的液相和氣相的壓差都是足夠大的，汽提氣同時(shí)對(duì)CO2和H2S產(chǎn)生汽提作用。當(dāng)汽提蒸氣不足時(shí)，甚至汽提蒸氣突然消失，會(huì)使所有非液相組分的分壓都增大，但是H2S的平衡分壓比CO2低，H2S的蒸氣分壓突然升高，所以H2S的傳質(zhì)動(dòng)力方向開始逆轉(zhuǎn)。而CO2的氣相分壓增大，卻不足以使CO2的傳質(zhì)動(dòng)力方向逆轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)再生塔的負(fù)荷較低，蒸氣量不足時(shí)，CO2會(huì)被優(yōu)先汽提。

通過模擬再沸器負(fù)荷17～23 MW的工況（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再沸器的負(fù)荷增大時(shí)，貧液的H2S含量很快減小，即貧液的H2S負(fù)荷很快增大。而貧液中CO2的含量減小的速率較慢。

圖4 再生塔負(fù)荷對(duì)貧胺溶液酸氣負(fù)荷的影響Fig.4 Effect of reboiler load on lean loading

2.2 富胺溶液溫度的影響

除了再沸器對(duì)再生塔提供的熱量，從塔頂進(jìn)入的富胺溶液也是再生塔獲得熱量的另一個(gè)來源。

對(duì)富胺溶液入塔溫度90～115 ℃的工況進(jìn)行模擬如圖5，富胺溶液溫度升高可以提高貧液中H2S含量，使貧胺溶液酸氣負(fù)荷降低，質(zhì)量變差。而貧液中CO2的含量受影響較小，這是因?yàn)楦话啡芤簻囟壬撸瑑?yōu)先汽提CO2。

圖5 富胺溶液進(jìn)塔溫度對(duì)再生貧液質(zhì)量的影響Fig.5 Effect of rich amine temperature on lean amine quality

通過分析數(shù)據(jù)可知，再沸器負(fù)荷和通過高溫富胺溶液提供的熱能對(duì)再生塔產(chǎn)生的影響是不同的。塔底再沸器的作用是可以產(chǎn)生內(nèi)部的汽提蒸氣，將富胺溶液加熱到一定溫度解吸出酸氣，酸氣和二次蒸氣上升與塔內(nèi)自上而下的富液接觸，在逐漸加熱富液的過程中，對(duì)再生塔內(nèi)每塊塔板處的溫度均有影響。汽提蒸氣可以提高分壓增大傳質(zhì)動(dòng)力促進(jìn)汽提作用，最終使貧液的酸氣含量降低。

富胺溶液的溫度升高可以使更多的酸氣在再生塔的入口塔板上被閃蒸出塔板，但是，富胺溶液溫度升高對(duì)入口塔板以下的汽提過程影響很小。圖 6所示，富胺溶液溫度升高，再生塔內(nèi)的液相溫度在入口塔板處差值較大，隨著富胺溶液向下流動(dòng)，曲線趨于重合，液相溫度的數(shù)值接近相同。對(duì)于本模擬工況，富胺溶液溫度升高，對(duì)入口塔板數(shù)4以下的溫度影響不明顯。

圖6 不同富胺溶液入塔溫度的再生塔液相溫度分布Fig.6 Regenerator temperature profiles at various amine feed temperature

再生塔內(nèi)液相酸氣含量也可以間接證明富胺溶液溫度升高對(duì)再生塔內(nèi)溫度的影響規(guī)律。圖7所示，富胺溶液溫度由90 ℃升高到115 ℃，入口塔板處的液相酸氣負(fù)荷差值較大，隨著富胺溶液向下流動(dòng)，液相酸氣負(fù)荷曲線趨于重合，這說明富胺溶液溫度升高只對(duì)再生塔入口塔板處的酸氣負(fù)荷影響較大，對(duì)底部塔板處的汽提作用沒有影響。

圖7 不同富胺溶液溫度的再生塔液相酸氣含量分布Fig.7 Lean loading profiles at various amine feed temperature

因此，在實(shí)際反應(yīng)中，提高富胺溶液溫度對(duì)增加汽提作用的效果沒有提高再沸器功率的效果明顯。為了減輕設(shè)備的腐蝕和減少富液中酸性組分的解吸，富液出換熱器的溫度即富液進(jìn)再生塔溫度不宜太高[4]。

2.3 回流比和汽提比

再生出來的酸氣經(jīng)過塔頂冷凝器冷卻后將水分分離出，進(jìn)入硫磺回收裝置，冷凝水則回流到再生塔頂部，保持溶液中水組分的平衡和降低溶劑的蒸發(fā)損失。保持再生塔底溫度不變的前提下，提高再生塔負(fù)荷即提高蒸氣流率就是提高了再生塔頂?shù)幕亓鞅?，汽提比也隨再生塔功率增大而增大[5]。表 2和表3模擬結(jié)果顯示，回流比和汽提比隨再沸器負(fù)荷和富胺溶液溫度增大而增大。

表2 再生塔負(fù)荷對(duì)回流比和汽提比的影響Table 2 Effect of reboiler duty on reflux ratio and stripping ratio

表3 富胺溶液入塔溫度對(duì)汽提比和回流比的影響Table 3 Effect of rich amine temperature on reflux ratio and stripping ratio

2.4 再生塔底壓力

圖8 再生塔底壓力對(duì)貧液質(zhì)量的影響Fig.8 Effect of regenerator pressure on lean amine quality

壓力變化主要影響物理吸收反應(yīng)也就是主要影響胺溶液中CO2的含量。

圖8所示，隨再生塔壓力增大，貧液H2S負(fù)荷只有小幅增大，壓力對(duì)貧液H2S負(fù)荷影響不明顯。而貧液的CO2含量卻隨再生塔底壓力升高而明顯增大，因?yàn)镃O2和醇胺的反應(yīng)對(duì)壓力是敏感的

3 結(jié) 論

再沸器負(fù)荷和富胺溶液進(jìn)再生塔溫度是影響貧胺溶液再生質(zhì)量的主要因素。提高再沸器負(fù)荷對(duì)再生塔內(nèi)的每個(gè)塔板處的溫度均有影響，而富胺溶液進(jìn)塔溫度升高只對(duì)入口塔板處的溫度有顯著影響。提高再沸器負(fù)荷和富胺溶液入塔溫度均會(huì)導(dǎo)致回流比和汽提比的增大。而提高再生塔底的壓力會(huì)使貧液再生質(zhì)量變差。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)確保再生塔的塔頂酸水的回流量、再沸器的蒸氣用量、富液進(jìn)再生塔的流量保持平穩(wěn)，避免再生塔的溫度出現(xiàn)較大的波動(dòng)，進(jìn)而保證溶液的再生質(zhì)量。

［1］ 邱奎, 吳基榮, 雷文權(quán), 等. 高含硫天然氣脫硫裝置操作條件的優(yōu)化[J]. 石油化工, 2013, 42(2): 166-174.

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表6 預(yù)膜后置換階段濁度變化情況Table 6 The change of water after the stage of prefilming

從整個(gè)清洗預(yù)膜的過程來看，由于工程經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)有些問題把握的不夠（比如在清洗階段，部分水冷器走副線，造成了后期水冷器投用后仍有大量的污垢進(jìn)入），在清洗預(yù)膜實(shí)施過程中出現(xiàn)了一些問題，需要在以后的工作中吸取教訓(xùn)。從清洗階段的試片腐蝕速率和預(yù)膜階段的試片預(yù)膜評(píng)價(jià)來看，基本達(dá)到了相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行起到了一定的積極作用，但是對(duì)于未更換的水冷器，其預(yù)膜效果還有待于進(jìn)一步考察。

參考文獻(xiàn)：

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Research on Parameters of Regenerator in Sweetening Process Based on Modeling by ProTreat

WANG Yun1，YU Chen-yang2，XV Guo-dong3
（1. China University of Petroleum, Beijing 102249, China；2. China Petroleum Engineering Co., Ltd. Beijing Company, Beijing 10085, China）

Based on the purification process and the operating parameters of a sweetening plant, a model was established and simulated by using ProTreat software to analyze parameters of regenerator. The results show that, reboiler load and rich amine temperature are the main factors affecting the quality of lean amine solution. Their influences on temperature profiles of regenerator and effect mechanisms on quality of lean amine are different. Increasing the reboiler load can affect the temperature of each plate. Increasing the temperature of rich amine solution can only affect the temperature of the entrance plate,and has little impact on the middle and bottom plates in regenerator. Increasing the reboiler load and the temperature of rich amine solution into the regenerator can enlarge reflux ratio and stripping ratio to improve the quality of lean amine solution.

Natural gas sweetening; Reboiler load; Temperature of rich amine solution; Reflux ratio; ProTreat

TE 624

A

1671-0460（2015）08-1914-04

2015-07-16

王蕓（1990-），女，河北保定人，中國(guó)石油大學(xué)（北京）在讀碩士，研究方向：天然氣集輸與處理。E-mail：wangyun19900102@163.com。