低溫甲醇洗全貧液與半貧液流程模擬及對(duì)比

李　蒙，馬　炯

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京　211100)

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低溫甲醇洗全貧液與半貧液流程模擬及對(duì)比

李蒙，馬炯

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京211100)

摘要：低溫甲醇洗全貧液與半貧液流程吸收塔有2個(gè)關(guān)鍵不同點(diǎn)：①吸收塔上部脫碳段全貧液流程吸收液為1股，半貧液流程為2股；②全貧液流程吸收塔CO2吸收段分3段，半貧液流程吸收塔CO2吸收段分2段。采用Aspen Plus和DRP軟件分別對(duì)低溫甲醇洗全貧液和半貧液流程的吸收塔塔內(nèi)件進(jìn)行模擬和對(duì)比。在流程工藝模擬基礎(chǔ)上對(duì)吸收塔進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果表明，全貧液流程吸收塔能量消耗比半貧液流程高，總體循環(huán)量比半貧液流程小，吸收塔上段塔徑比半貧液流程塔徑小。液相負(fù)荷是吸收塔設(shè)計(jì)的決定因素，降液管液泛為塔盤限制因素。塔盤間距與塔徑成反向關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)合理增大降液管面積和塔盤間距以縮小塔徑，使吸收塔總體造價(jià)降低。

關(guān)鍵詞：低溫甲醇洗；全貧液；半貧液；Aspen；過程模擬；吸收塔

氣體凈化方法有氣液吸收、氣固相催化轉(zhuǎn)化、固體吸附、分子篩分離、膜分離等，目前工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的方法還是氣液吸收。

根據(jù)吸收過程的特點(diǎn)，酸性氣體的吸收過程可分為3類：物理吸收法(如低溫甲醇洗-Rectisol)、化學(xué)吸收法(如熱鉀堿)、物理化學(xué)吸收法(如MDEA)。物理吸收和化學(xué)吸收的典型平衡曲線見圖1[1],曲線表示溶液中溶解的氣體組分(如CO2和H2S)的濃度[酸性氣體的體積(m3)/吸收劑體積(m3)]與其平衡蒸汽壓的關(guān)系。

圖1　物理、化學(xué)吸收平衡曲線注：Qph：物理吸收量；Qch：化學(xué)吸收量

溶劑循環(huán)量受原料氣量和操作條件影響較大，操作壓力提高、溫度降低，溶劑循環(huán)量減少。

低溫甲醇洗(Rectisol)能夠有效脫除原料氣的H2S、CO2和COS等組分，凈化氣中總的硫含量可脫至0.1 mg/m3以下，CO2可脫至10 mg/m3以下，與其他吸收技術(shù)比較有一定的優(yōu)越性[2]，特別是在高壓、大規(guī)模的工業(yè)化裝置中，技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯。

目前對(duì)低溫甲醇洗技術(shù)的研究廣泛開展，其方向主要是針對(duì)流程模擬[3,4]、原料氣適應(yīng)性[5]和操作過程中遇到具體問題的整改措施等方面[6]。本文是通過流程對(duì)比，分析貧液和半貧液流程的優(yōu)缺點(diǎn)，研究?jī)煞N流程中吸收塔的設(shè)計(jì)差異性，對(duì)工程項(xiàng)目的流程配置及后續(xù)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

1流程對(duì)比

在吸收塔中，低溫甲醇洗工藝以物理吸收方法將合成氣中高濃度酸性氣體除去，得到合格氣體。富含CO2、H2S的甲醇經(jīng)過中壓閃蒸、解析、氣提、熱再生等手段解析出酸性氣體。整個(gè)流程主要有吸收塔、中壓閃蒸塔、H2S濃縮塔、熱再生塔、甲醇水分餾塔、尾氣洗滌塔等6塔，半貧液流程見圖2，全貧液流程見圖3。

全貧液流程與半貧液流程的全流程設(shè)置基本理念相同，都是脫硫和脫碳分級(jí)吸收，主要區(qū)別有以下2點(diǎn)：①吸收塔上部脫碳段全貧液流程吸收液為1股，半貧液流程為2股；②全貧液流程吸收塔CO2

吸收段分3段，半貧液流程吸收塔CO2吸收段分2段。具體描述如下。

(1)全貧液流程是指甲醇溶劑全部采用熱再生塔中段貧甲醇，且只有這1股外供吸收甲醇來源(見圖3中注1)的流程。半貧液流程是指甲醇溶劑除頂部一股來自熱再生塔中段貧甲醇外，還引1股經(jīng)中壓閃蒸及H2S濃縮塔頂兩級(jí)閃蒸、解析部分CO2后的含CO2但不飽和的半貧甲醇(見圖2注1和注3)的流程。半貧液流程在H2S濃縮塔有部分半貧甲醇回吸收塔，進(jìn)熱再生塔甲醇量相應(yīng)減少，熱再生塔設(shè)計(jì)負(fù)荷會(huì)減小，蒸汽消耗降低。

(2)吸收塔從塔底到塔頂分為預(yù)洗段、H2S吸收段、CO2吸收段。甲醇吸收CO2會(huì)釋放溶解熱，為保持熱量平衡和吸收效果，需對(duì)甲醇溶液進(jìn)行外循環(huán)冷卻。半貧液流程中的半貧液是含有部分CO2的低溫甲醇溶液，故可以吸收的CO2量少，同時(shí)釋放的吸收熱量絕對(duì)值也會(huì)小些，全貧液流程在CO2吸收段需分為3段，而半貧液流程在CO2吸收段則分為2段(見圖2與圖3中T101吸收塔)。同時(shí)全貧液流程在吸收塔中吸收溶劑甲醇循環(huán)量會(huì)較半貧液流程循環(huán)量(貧甲醇+半貧甲醇)小。

圖2　半貧液流程

目前，從熱量平衡角度考慮，多推薦半貧液流程，但半貧液流程的換熱網(wǎng)絡(luò)配置較全貧液流程復(fù)雜，全貧液流程工況適應(yīng)性廣，兩者總體物料平衡及熱量平衡也有很大的區(qū)別，不能簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)兩流程的優(yōu)劣。

圖3　全貧液流程

2模擬對(duì)比

2.1模擬模型

對(duì)低溫甲醇洗模擬的相關(guān)文獻(xiàn)中，有采用PRO/II軟件[7]，也有采用Aspen Plus軟件[8,9]，經(jīng)過對(duì)文獻(xiàn)模擬結(jié)果的對(duì)比，軟件的選用對(duì)模擬結(jié)果準(zhǔn)確度沒有明顯影響。本文中采用Aspen Plus軟件中的嚴(yán)格精餾模塊RadFrac對(duì)低溫甲醇洗吸收塔進(jìn)行工藝模擬，因低溫甲醇洗吸收塔是脫碳和脫硫分段吸收，雖采用一個(gè)塔殼體，但內(nèi)件設(shè)計(jì)時(shí)采用集液箱對(duì)各段液相進(jìn)行隔離，氣相通過升氣管進(jìn)行連通，模擬時(shí)其每段可以視作獨(dú)立的吸收塔，每段均為獨(dú)立的傳質(zhì)和氣液平衡過程。

在模擬過程中，為順利模擬并貼合吸收塔實(shí)際操作過程，吸收塔共采用4個(gè)模擬塔進(jìn)行計(jì)算，對(duì)低溫甲醇洗吸收塔模擬的現(xiàn)有文獻(xiàn)也均采用此種方法[9,10]，模擬的流程見圖4。

圖4　模擬流程

2.2基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)(熱力學(xué)方法和氣液相平衡)

低溫甲醇洗物系主要含有CH3O、CO、CO2、H2、H2S、H2O、CH4和N2等，該物系為極性物系，同時(shí)又含有非極性和極性締合組分的體系，如完全采用活度系數(shù)方程N(yùn)RTL，其模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有較大的偏離，本系統(tǒng)采用狀態(tài)方程作為基礎(chǔ)物性進(jìn)行模擬計(jì)算較為合適，系統(tǒng)模擬以SRK方程為基礎(chǔ)物性方法進(jìn)行計(jì)算，SRK方程描述如下：

其中：

a=a0+a1

a0是標(biāo)準(zhǔn)態(tài)混合二次函數(shù)，

a1是極性附加函數(shù)。

在采用狀態(tài)方程法計(jì)算此體系的相平衡時(shí)，組分極性和體積大小差別很大，采用常用線性混合規(guī)則就不適合。體系中甲醇和水都是強(qiáng)極性組分，另有CO2、H2等輕組分，必須采用更為精確的超額自由能GE型混合規(guī)則，Huron-Vidal混合規(guī)則是考慮了組分間的強(qiáng)烈的非理想性的混合規(guī)則，如下述方程所示：

Aspen Plus中的PSRK模型是經(jīng)Huron-Vidal混合規(guī)則修正的、純物質(zhì)物性基于SRK方程描述的狀態(tài)方程物性方法，該模型可用于計(jì)算高溫、高壓、接近臨界點(diǎn)等操作條件下的極性和非極性混合物。本文的模擬采用以PSRK為基礎(chǔ)的物性方法。CO2在甲醇液中的溶解熱是模擬正確與否的重要參數(shù)，對(duì)甲醇循環(huán)量有重要影響；甲醇液在高壓低溫下的熱焓也是吸收塔熱量平衡計(jì)算的重要基礎(chǔ)參數(shù)；因高壓低溫甲醇洗體系的特殊性，軟件模擬有一定的偏離，這就需要參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[11,12]，對(duì)軟件中的物性進(jìn)行回歸、修正，其中調(diào)整計(jì)算CO2蒸發(fā)焓值公式中的DHVLWT(汽化熱)參數(shù)的第1項(xiàng)，以使模擬結(jié)果更貼近實(shí)測(cè)結(jié)果。

2.3模擬結(jié)果對(duì)比

全貧液和半貧液流程的粗原料氣輸入采用同一參數(shù)，凈化氣按照同一純度要求進(jìn)行模擬計(jì)算，具體參數(shù)見表1。

表1　粗原料氣輸入及凈化氣計(jì)算結(jié)果參數(shù)

從表中的凈化氣計(jì)算結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行裝置的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來看，全貧液和半貧液流程的凈化效果均可以滿足工業(yè)化裝置需要。

對(duì)全貧液和半貧液流程的吸收塔進(jìn)行同界面焓值對(duì)比，所有輸入焓值與輸出焓值之差見表2，以吸收塔及輔助換熱網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，其進(jìn)出物流焓值差是需系統(tǒng)外冷量來平衡，其焓值差可用來評(píng)價(jià)局部流程的能耗。

表2　全貧液和半貧液流程吸收塔部分進(jìn)出焓值對(duì)比

由上表數(shù)據(jù)可見，半貧液流程的焓差較小，說明半貧液流程就吸收塔系統(tǒng)而言能耗較小。

2.4吸收塔計(jì)算

以流程平衡模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用ASPEN軟件對(duì)塔的水力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，以ASPEN模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用DRP軟件，對(duì)吸收塔上段進(jìn)行同規(guī)格內(nèi)件的性能計(jì)算，以判斷不同流程對(duì)吸收塔設(shè)計(jì)的影響。

吸收塔水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

表3　塔水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

從上表可以看出，因半貧液流程中在第39塊塔盤加入半貧液，所以半貧液流程第38塊與39塊塔盤的數(shù)據(jù)有較大差別；另外，此吸收段的氣液負(fù)荷最大在底部，底部塔盤第53塊板是塔徑及塔盤規(guī)格的確定性參數(shù)，塔盤設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)此3塊塔盤與全貧液流程的塔盤進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)，分別對(duì)塔盤間距取450 mm和500 mm值時(shí)進(jìn)行計(jì)算，塔徑等相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)果見表4和表5。

表4　塔盤設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比(塔盤間距450mm)

表5　塔盤設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比(塔盤間距500mm)

結(jié)合表3、4、5中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1) 吸收塔此段以液相負(fù)荷決定塔徑等水力學(xué)計(jì)算結(jié)果。第53塊塔盤氣相負(fù)荷全貧液較半貧液流程稍大(4 358.10>4 282.02 m3/h)，液相負(fù)荷全貧液較半貧液流程小(748.43<912.12 m3/h)，采用同樣的4塊溢流浮閥塔盤進(jìn)行塔徑模擬計(jì)算，得出全貧液流程與半貧液流程第53塊塔盤處所需塔徑3.38<3.63 m(450 mm塔盤間距)、3.24<3.48 m(500 mm塔盤間距)，塔徑的大小趨勢(shì)與液相負(fù)荷大小趨勢(shì)相同，液相負(fù)荷為此段塔操作的限制條件。

(2) 塔盤間距對(duì)塔徑有明顯影響，增大間距可縮小塔徑，在工程設(shè)計(jì)時(shí)要綜合評(píng)價(jià)塔高與塔徑的相對(duì)關(guān)系對(duì)設(shè)備造價(jià)的影響。因?yàn)橐合嘭?fù)荷作為操作的限制條件，增大塔盤間距可提高操作時(shí)降液管中的存液高度，在同樣的溢流強(qiáng)度條件下，就可降低降液管面積，進(jìn)而可以縮小塔徑。

(3) 半貧液流程在半貧液加入盤作為分界點(diǎn)，可以分為兩段，采用不同的塔徑，以在工程設(shè)計(jì)時(shí)降低吸收塔造價(jià)，全貧液流程因所需塔徑逐盤變化，分段意義不大。

在半貧液流程中，第38塊塔盤計(jì)算所需塔徑為2.58 m(450 mm塔盤間距)/2.47 m(500 mm塔盤間距)，第39塊塔盤計(jì)算所需塔徑為3.23 m(450 mm塔盤間距)/3.09 m(500 mm塔盤間距)，差距明顯，可以考慮分段設(shè)計(jì)，上段采用縮徑。

3結(jié)語

通過對(duì)比全貧液和半貧液流程和模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論。

(1)半貧液流程就吸收塔系統(tǒng)而言，其能量利用上較全貧液流程有一定的優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)省冷量消耗。

(2)液相負(fù)荷是吸收塔設(shè)計(jì)的決定因素，吸收塔塔徑取決于液相負(fù)荷的大小，在塔盤設(shè)計(jì)時(shí)要考慮合理地增大降液管面積，有效地降低降液管液泛限制因素。

(3)塔盤間距與塔徑成反向關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮塔高與塔徑的關(guān)系，合理設(shè)計(jì)吸收塔。

(4)全貧液流程吸收塔塔徑設(shè)計(jì)較半貧液流程??；半貧液流程吸收塔可以采用分段、兩段不同直徑的設(shè)計(jì)方式。

(5)為更全面地了解全貧液流程和半貧液流程的適用性，下一步將對(duì)不同原料氣組分和不同壓力原料氣與兩種流程的匹配性進(jìn)行研究，以針對(duì)不同設(shè)計(jì)工況的工業(yè)裝置，選取合理的流程配置。

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Simulation and Comparison about the Lean Methanol Absorber Process and Semi-lean Methanol Absorber Process

LI Meng, MA Jiong

(SINOPECNanjingEngineering&ConstructionInc.,NanjingJiangsu211100China)

Abstract：There existed two key differences between lean methanol absorber process and semi-lean methanol absorber process： the CO2absorption section of lean process had one absorber material, while that of semi-lean process had two absorber materials; the CO2absorption section of lean process was divided into three sections, and that of semi-lean process was two sections. The software of Aspen Plus and DRP was employed to analyze the two different processes and the internals of the absorber. Hydraulic calculation of the absorber was also performed based on the process simulation results. The results showed that the lean process possessed the advantages of less energy-consumption, lower recycle ratio and smaller absorber diameter compared with that of the semi-lean process. The liquid load the determinants for the design of absorber, and the flooding of the downpipe was the limiting factor to the tray performance. The tray spacing had a reverse relationship with the column diameter. The total cost of absorber could be reduced by decreasing the column diameter through increasing the downpipe area and tray spacing.

Keywords：rectisol process; lean methanol; semi-lean methanol; Aspen; process simulation; absorber

收稿日期：2014-09-21

作者簡(jiǎn)介：李蒙(1982年-)，男，山東曹縣人，2003年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，高級(jí)工程師，注冊(cè)化工工程師，現(xiàn)主要從事化學(xué)工程與工藝設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)：TQ 223.121

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8901(2016)01-0020-05

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.005 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.005