基于二次回歸正交組合設(shè)計的MDEA脫硫工藝參數(shù)優(yōu)選

衛(wèi) 浪，蒲紅宇*，向 輝，吳 昊

（1. 西南石油大學土木工程與建筑學院，四川 成都 610500；2. 中國石油工程建設(shè)公司北京分公司，北京 100101）

天然氣國家標準（GB 17820-2018）規(guī)定，二類天然氣總硫（以硫計）不能超過100mg/m3，H2S含量不能超過20mg/m3，因此需要對天然氣進行脫硫處理。天然氣脫硫過程MDEA循環(huán)量大， 能耗高， 工藝復(fù)雜，通過研究影響能耗的主要參數(shù)，可達到降低能耗的目的[1,2]。 采用HYSYS 軟件對天然氣脫硫過程的吸收和再生過程進行模擬，對其過程參數(shù)進行分析，利用二次回歸正交組合設(shè)計優(yōu)選工藝參數(shù)。 回歸正交設(shè)計是指試驗方案的結(jié)構(gòu)矩陣具有正交性的回歸設(shè)計， 是在正交設(shè)計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可建立方程，選擇最佳的方案[3]。

1 天然氣脫硫工藝

1.1 工藝流程

圖1為典型的胺法處理工藝流程。 原料氣進入原料氣過濾分離器，在過濾分離器中脫除所夾帶的水或者烴類液體。 氣體從胺吸收塔底部進入，同由上向下的醇胺溶液逆流接觸。 凈化氣從塔頂流出，富含H2S的富胺從吸收塔塔底流出，并流入閃蒸罐，通過閃蒸可除去大部分溶解的烴類氣體或夾帶的天然氣凝液。 再經(jīng)貧富液換熱器預(yù)熱后進入再生塔， 利用重沸器的熱量實現(xiàn)胺和酸性氣體的分離。酸性氣體從塔頂流出，貧胺則從塔底排出。 貧胺經(jīng)過空冷器冷卻，再由泵將低溫貧胺的壓力提升至吸收塔壓力，低溫貧胺流入吸收塔的頂部，胺液沿吸收塔向下流動，同時完成對酸性氣體的吸收。

圖1 醇胺法脫硫工藝流程

1.2 HYSYS模型的建立

國內(nèi)某日處理200萬m3天然氣的天然氣凈化裝置， 其原料氣氣質(zhì)組成如表1所示。 原料氣壓力為7.5MPa，溫度為25℃。

表1 天然氣氣質(zhì)組成

MDEA法吸收酸氣是氣相的H2S傳質(zhì)進入液相與醇胺發(fā)生反應(yīng)的過程，其熱力學本質(zhì)是酸氣的氣液相平衡。 在模擬過程中，熱力學模型決定了最終結(jié)果的準確性。 根據(jù)天然氣脫硫的有關(guān)工藝特點，選擇Amines Property Package 模型[4]。 基于上述工藝流程， 應(yīng)用HYSYS 流程模擬軟件建立脫硫裝置工藝模型，模擬流程如圖2所示。 根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，輸入原料氣成分、處理量，胺液循環(huán)量等相關(guān)工藝參數(shù)，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使凈化氣中H2S含量達到標準要求。

圖2 天然氣脫硫HYSYS模型

2 能耗影響分析

2.1 MDEA富液進塔溫度對重沸器能耗的影響

經(jīng)過閃蒸之后的MDEA富液通過換熱器換熱后從塔頂進入再生塔，再生塔獲得熱量。MDEA富液進入再生塔的溫度越高，其吸收的熱量越少，重沸器消耗的熱量越少[5]。 隨著富胺溶液溫度的升高，貧胺溶液酸氣負荷降低， 凈化氣中H2S含量就會增加[3]。從圖3可以看出， 當富液進塔溫度從60℃增加到102℃時，負荷大約下降了3200kW，而H2S含量大約增加了8mg/m3。

圖3 MDEA富液進塔溫度對重沸器能耗的影響

2.2 MDEA循環(huán)量對重沸器能耗的影響

MDEA循環(huán)量的大小不僅影響天然氣的凈化度，而且影響再生塔的能耗[6]。 隨著MDEA循環(huán)量的增加，重沸器的能耗逐漸增加。 H2S含量隨著MDEA循環(huán)量的增加，呈現(xiàn)出先減小，后上升的趨勢。 這是由于在原料氣進氣量一定時， 初始胺液中MDEA量不足，吸收效果較差，導致凈化氣中H2S含量較高，隨著MDEA循環(huán)量逐漸增加，吸收效果較好，凈化氣中H2S含量逐漸減少，而隨著MDEA循環(huán)量的繼續(xù)增加會抑制吸收效果，導致凈化氣中H2S含量上升。 由圖4可以看出， 當循環(huán)量從55m3/h增加到85m3/h時，重沸器負荷大約增加1500kW， 而H2S 含量先從8.5mg/m3降至5.3mg/m3，再增加到7.1mg/m3。

圖4 MDEA循環(huán)量對重沸器能耗的影響

2.3 回流比對重沸器能耗的影響

離開再生塔的酸氣中的水與解吸的酸氣的物質(zhì)的量之比為回流比[7]。 重沸器的熱負荷主要由回流的水蒸氣量決定。 回流比越大，貧液再生質(zhì)量就越高，凈化氣中H2S含量也隨之降低，相應(yīng)的重沸器的熱負荷也會增加。由圖5可以看出，當回流比從1.4增加到2.1時， 重沸器負荷大約增加了1160kW。 而H2S的含量大約降低了2.5mg/m3。

圖5 回流比對重沸器能耗的影響

由以上分析可知：MDEA富液進塔溫度、MDEA循環(huán)量、 回流比三個因素在保證H2S含量符合有關(guān)規(guī)定的情況下對能耗的影響十分顯著，可以作為試驗因素構(gòu)建回歸方程。 且可以確定MDEA富液進塔溫度在60～102℃，MDEA循環(huán)量在55～85m3/h， 回流比在1.4～2.1時， 天然氣中H2S的含量均可滿足規(guī)定值（≤20mg/m3），并為后續(xù)試驗參數(shù)的取值范圍提供依據(jù)。

3 試驗方案設(shè)計

二次回歸正交試驗組合設(shè)計是利用正交表來安排與分析多因素實驗的一種設(shè)計方法，由試驗因素的全部組合中挑取有代表性的水平組合進行試驗，通過對這部分實驗結(jié)果的分析來了解全面試驗的情況。 其基本步驟包括因素水平編碼、確定正交組合設(shè)計、實施實驗方案、建立回歸方程、回歸方程的顯著性檢驗、失擬性檢驗、回歸方程的回代及最優(yōu)試驗方案的確定。 通過上述HYSYS對系統(tǒng)能耗的分析，依據(jù)二次回歸正交試驗可確定流程的最優(yōu)運行參數(shù)。

3.1 二次回歸方程模型

二次回歸正交設(shè)計是指回歸模型中包括常數(shù)項、線性項、線性交互作用項及二次項的回歸正交設(shè)計，回歸模型一般為[8]：

3.2 試驗因素的編碼

編碼是將各個試驗因素xj的各水平進行線性變換，得到規(guī)范變量zj。線性變換表達式如式（2）。由上分析結(jié)論確定的三個關(guān)鍵參數(shù)的范圍，經(jīng)過編碼公式計算后可以得到如表2所示的水平編碼表。

表2 水平編碼表

表3 回歸正交組合設(shè)計表

3.3 確定合適的二次回歸正交組合設(shè)計

首先根據(jù)因素數(shù)m選擇正交表進行變換， 明確二水平試驗方案，二水平實驗次數(shù)和星號試驗次數(shù)就能確定下來。 本次試驗包括二水平試驗次數(shù)mc=8、星號試驗次數(shù)為2m=6，實驗次數(shù)一共14次。 然后用Excel工具對二次項進行中心化處理之后就可以得到具有正交性的二次回歸正交組合設(shè)計編碼表。三元二次回歸正交組合設(shè)計表及試驗結(jié)果如表3所示。

3.4 建立回歸方程及數(shù)據(jù)分析

要確定回歸方程，就需要確定回歸系數(shù)。 利用Excel分析工具庫中的“回歸”工具進行分析，可達到求出回歸系數(shù)的目的。利用Excel對本次正交組合設(shè)計分析可得到下表數(shù)據(jù)。

表4 回歸統(tǒng)計表

表4中：Multiple R是對應(yīng)的數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)；R Square為相關(guān)系數(shù)的平方，或稱擬合優(yōu)度，相關(guān)系數(shù)的平方是回歸平方和在總平方和中所占的比重[9]，代表回歸方程的失擬性。 顯然這個數(shù)值越大，擬合的效果也就越好，失擬越不顯著。

表5 方差分析表

表6 回歸參數(shù)表

由表5、表6分析可得出回歸系數(shù)值和其顯著性如表7所示。

表7 回歸系數(shù)及其顯著性表

由以上分析可知：

（1）求出了3.1中所提到的回歸模型中的回歸系數(shù)， 并可以根據(jù)表7判斷出三個因素對重沸器能耗影響的顯著性為：MDEA富液進塔溫度＞MDEA循環(huán)量＞回流比。

（2）本次擬合的R Square=0.9997356，失擬性極不顯著，回歸方程能夠很好的體現(xiàn)所選三個因素與重沸器能耗的關(guān)系。

（3）本次擬合的P值遠小于0.01，故本次擬合的置信度達到99.99%以上。 此次所建立的回歸方程非常顯著，回歸模型與實際情況擬合得好，并可以得出回歸系數(shù)顯著的回歸方程如下：

3.5 最優(yōu)值的求解

利用Excel的規(guī)劃求解工具可以預(yù)測較優(yōu)的試驗方案和試驗結(jié)果， 得出當z1=1.136，z2=-1.136，z3=-1.136 時，該方程有最小值。 其它優(yōu)化結(jié)果前后對比如表8所示。

表8 優(yōu)化前后參數(shù)對應(yīng)表

通過表8可知： 與優(yōu)化前相比，MDEA富液進塔溫度上升了17℃，MDEA循環(huán)量降低了5m3/h，回流比降低了0.1，重沸器負荷降低了1918kW， H2S的含量大約上升了7mg/m3， 也滿足天然氣國家標準（GB17820-2018）規(guī)定。

3.6 回歸方程的回代

根據(jù)表1與式（2）可得:

把這三個式子代入式（3）可得：

式（4）可以直接反應(yīng)出MDEA富液進塔溫度、MDEA貧液循環(huán)量、回流比與重沸器能耗的函數(shù)關(guān)系。 當重沸器能耗最小時，富液進塔溫度x1為102℃，MDEA循環(huán)量x2為55m3/h，回流比x3為1.4。

4 結(jié)論

（1）由Excel分析結(jié)果表明回歸方程的擬合性較好，回歸模型與實際情況相符。 并根據(jù)P值的大小可以看出三個參數(shù)對能耗影響的程度：MDEA富液進塔溫度＞MDEA循環(huán)量＞回流比。

（2）得出重沸器能耗與MDEA富液進塔溫度x1、MDEA貧液循環(huán)量x2和回流比之x3間的數(shù)學模型關(guān)系式（式(4)）。 根據(jù)R值和P值分析表明回歸方程顯著。 根據(jù)回歸方程進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實際運行工況非常相似，也說明二次回歸正交組合實驗應(yīng)用是合理成功的。

(3) 通過Excel規(guī)劃求解出最后最優(yōu)值，對應(yīng)的MDEA富液進塔溫度為102℃，MDEA循環(huán)量為55m3/h，回流比為1.4，重沸器能耗降低32.5%，對天然氣脫硫脫碳流程的參數(shù)優(yōu)選具有一定的參考價值。