基于HYSYS模擬的有機醇胺吸收天然氣中CO2氣體性能評價

張 梅，羅 威

（1.東北石油大學 化學化工學院；石油與天然氣化工省重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

基于HYSYS模擬的有機醇胺吸收天然氣中CO2氣體性能評價

張 梅1，羅 威2

（1.東北石油大學 化學化工學院；石油與天然氣化工省重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

本文以N2和CO2的混合氣為模擬天然氣，利用Aspen Hysys軟件對醇胺溶液中的CO2溶解性能和脫除工藝進行了優(yōu)化，研究了吸收劑種類、吸收液濃度和吸收溫度的影響，并優(yōu)選出了最佳的CO2脫除工藝條件。模擬結果表明，醇胺法吸收CO2適宜的吸收劑為MDEA，在吸收劑MDEA濃度為2.5 mol·L-1、吸收溫度25℃、通氣氣速40 mL·min-1的條件下，MDEA對CO2的溶解吸收性能和脫除效果最佳。

天然氣；有機醇胺；二氧化碳；吸收；Aspen Hysys

進入二十一世紀，隨著石油開采量的減少，人類對能源的需求越來越大，環(huán)境要求也越來越高，尋找一種綠色友好的能源迫在眉睫。天然氣作為一種優(yōu)質、高效、清潔的能源而成為人們的首選。CO2是天然氣中含量較高的酸性組分之一，不僅會降低天然氣的品質，在有游離水存在的情況下還會引起金屬管道、設備等的腐蝕，從而帶來安全隱患，甚至還會造成污染環(huán)境，危害人體健康[1,2]。國家標準GB17820-1999規(guī)定天然氣中的CO2含量不能超過3.0%（體積分數）。因此，天然氣在輸送和利用之前必須脫除其中的CO2以達到國家標準。醇胺法由于具有選擇性好、處理量大、投資和操作成本相對低等優(yōu)點，成為應用最為廣泛的天然氣脫碳方法[3-5]。在天然氣醇胺法脫碳過程中，脫除工藝條件要不斷進行調整和優(yōu)化。利用技術比較成熟的大型通用型流程模擬軟件如AspenTech公司的Aspen Plus和Aspen Hysys等開展工藝模擬計算進行條件預測，就有很強的現(xiàn)實意義。本文以N2和CO2的混合氣為模擬天然氣，利用AspenHysys軟件對醇胺溶液中的CO2溶解性能和脫除工藝進行了評價，研究了吸收劑種類、吸收液濃度和吸收溫度的影響，并優(yōu)選出了最佳的CO2脫除工藝條件。

1 醇胺脫碳工藝流程

胺法工藝主要包括吸收塔、再生塔和介于二者之間的貧富液換熱器3個部分。酸性天然氣從下部進入吸收塔，與塔上部進入的貧胺溶液逆向接觸，達到吸收脫除天然氣中的CO2的目的。凈化氣從吸收塔頂經過凈化器分離器去除胺液液滴后，輸出裝置。富胺液經過閃蒸后經貧富胺液換熱器進入汽提塔進行再生，再生后的貧胺液經降溫由胺循環(huán)泵打回吸收塔完成循環(huán)。

2 Hysys模型的建立

Aspen Hysys軟件自帶有專門為天然氣脫除酸性氣體開發(fā)的Amine Package熱力學數據包，包括Kent-Eisenberg和Li-Mather兩個熱力學模型。前者屬于半經驗化熱力學模型，而后者是基于嚴格熱力學機理的模型。本文選用了更為嚴格的Li-Mather模型作為有機胺溶液吸收CO2過程的熱力學模型。循環(huán)選用Recycle模塊[6,7]，吸收塔采用Absorber模塊，再生塔采用Distillation Column模塊。

3 結果與討論

3.1 醇胺溶液CO2溶解性能

3.1.1 吸收劑的篩選 在吸收溫度25℃、吸收劑濃度 2.5mol·L-1、通氣氣速 20 mL·min-1不變的條件下進行模擬計算，考察吸收劑種類對CO2溶解性能的影響，結果見表1。

表1 不同吸收劑對CO2溶解性能的影響Tab.1 CO2solubility in different absorption solutions

表1中數據表明，CO2在吸收劑中溶解度由大到小的順序為DEA＞MEA＞MDEA＞水?？梢钥闯?，MDEA對CO2有較好的溶解能力。對比MEA和DEA，MDEA與H2S的反應熱較低，具有極好的選擇性[1]，且化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，所以篩選出適宜吸收劑為MDEA。

3.1.2 吸收劑濃度的影響 以MDEA為吸收劑，在吸收溫度25℃、通氣氣速20mL·min-1不變的條件下進行模擬計算，考察吸收液濃度對CO2溶解性能的影響，結果見圖1。

圖1 MDEA濃度對CO2溶解性能的影響Fig.1 CO2solubility in absorption solutions with temperatures

由圖1可知，MDEA濃度從0.5mol·L-1開始增大時，曲線斜率較大，CO2溶解量增大趨勢明顯。當濃度超過2.5mol·L-1以后，曲線變緩，溶解度增加不大。由于吸收液濃度的增加會導致成本增大，考慮到經濟性，篩選出MDEA的適宜濃度為2.5mol·L-1。

3.1.3 吸收溫度的影響 以MDEA為吸收劑，在吸收液濃度 2.5mol·L-1、通氣氣速 20mL·min-1不變的條件下進行模擬計算，考察吸收溫度對CO2溶解性能的影響，結果見圖2。

圖2 吸收溫度對CO2溶解性能的影響Fig.2 CO2solubility in MDEA solution at different different MDEA concentrations

從圖2可以看出，隨著吸收溫度的增加，MDEA中CO2的溶解量減少，且曲線斜率較大。在25℃時，CO2溶解量最多，因為MDEA對CO2的吸收過程是一個放熱過程，溫度較低時有利于吸收[8]。而且25℃接近室溫，易達到，所以MDEA吸收CO2的最宜溫度為25℃。

3.2 CO2脫除工藝條件優(yōu)化

3.2.1 吸收劑濃度 以MDEA為吸收劑，在吸收溫度25℃、氣速20mL·min-1通氣2h、解吸溫度90℃不變的條件下進行模擬，考察吸收劑濃度對CO2脫除率的影響，結果見圖3。

圖3 MDEA濃度對CO2脫除率的影響Fig.3 CO2removal rate in absorption solutions with different temperatures

從圖3可以看出，隨著吸收液MDEA濃度的增大，CO2脫除率逐漸上升，且上升趨勢較大。當MDEA濃度達到2.5mol·L-1以后，繼續(xù)增大濃度，CO2脫除率上升趨勢變緩。因此，兼顧到CO2脫除效果和經濟性，MDEA濃度為2.5mol·L-1較為適宜。

3.2.2 吸收溫度 以MDEA為吸收劑，在MDEA濃度 2.5mol·L-1、氣速 20mL·min-1通氣 2h、解吸溫度90℃不變的條件下進行模擬，考察吸收溫度對CO2脫除率的影響，結果見圖4。

圖4 吸收溫度對CO2脫除率的影響Fig.4 CO2removal rate in MDEA solution at different MDEA concentrations

由圖4可知，隨著吸收溫度的增大，CO2的脫除率增大，在25℃時就已經達到了99%以上的脫除率，尾氣中CO2的含量已經達到了國家標準。隨著溫度的上升，能耗也在相應的增大。因此，選擇25℃為適宜的吸收溫度。3.2.3 通氣氣速 以MDEA為吸收劑，在MDEA濃度 2.5mol·L-1、吸收溫度 25℃、通氣 2h、解吸溫度90℃不變的條件下進行模擬，考察通氣氣速對CO2脫除率的影響，結果見圖5。

圖5 通氣氣速對CO2脫除率的影響Fig.5 CO2removal rate at different gas flow rates

從圖5可以看出，隨著通氣氣速的增大，CO2脫除率逐漸下降。因為氣速增大，進入吸收塔的CO2的量也隨著增大，氣液接觸不充分，導致CO2來不及與MDEA反應即被排出?？紤]到CO2對后續(xù)設備的影響，選擇40mL·min-1為適宜通氣氣速。

3 結論

（1）流程模擬軟件Aspen Hysys可以很好地模擬天然氣有機醇胺脫碳的過程。

（2）MDEA對CO2有較好的溶解能力，有極好的選擇性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，是一種適宜的天然氣中CO2吸收劑。

（3）MDEA濃度增加使得CO2的溶解性和脫除率呈現(xiàn)出先線性增大后逐漸變緩的趨勢。

（4）吸收溫度提高會降低胺液對CO2的溶解量，有利于CO2的脫除；通氣氣速的增大，使得CO2脫除率逐漸下降。

（5）綜合考慮對CO2的溶解吸收性能和脫除效果，MDEA吸收CO2的適宜條件為吸收劑MDEA濃度 2.5mol·L-1、吸收溫度 25℃、通氣氣速 40mL·min-1。

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Performance evaluation of alkanolamines for CO2removal from natural gas based on HYSYS

ZHANG Mei1,LUO Wei2
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Provincial Key Laboratory of Oil&Gas Chemical Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Huizhou Petrochemical Industry Branch,China National Offshore Oil Corporation,Huizhou 516086,China）

The decarbonization performance of alkanolamines was investigated by Aspen Hysys software using a mixture of CO2and nitrogen as a simulated natural gas.Several alkanolamines were evaluated and compared for CO2removal.The effects of the concentration of absorption solutions and absorption temperature were analyzed.The decarbonization process conditions were optimized.The results show that the suitable conditions for CO2removal are:MDEA concentration of absorption solution is 2.5mol·L,absorption temperature is 25℃,and gas flow rate is 40 mL·min.

natural gas;alkanolamine;carbon dioxide;absorption;Aspen Hysys

TQ028.2

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170976

2017-07-20

張 梅（1981-），女，博士，副教授，主要從事油田化學方面的研究。