Aspen Plus 軟件在低溫甲醇洗工藝中的應用

劉娜 黃雪莉

(1.新疆大學煤炭清潔轉(zhuǎn)化與化工過程自治區(qū)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046；)

0 引言

低溫甲醇洗技術是一種成熟的氣體脫酸工藝，目前廣泛應用在天然氣凈化處理和煤化工氣體處理工藝中[1,2]。低溫甲醇洗工藝是以冷甲醇為吸收溶劑，利用甲醇在低溫下對酸性氣體溶解度極大的物理特性，選擇性脫除原料氣中的酸性氣體，氣體凈化度高(CO2＜10ppm，H2S＜0.1ppm)。低溫甲醇洗工藝技術在工業(yè)上有著很好的應用業(yè)績，被廣泛應用于國內(nèi)外合成氨、合成甲醇、城市煤氣、工業(yè)制氫和天然氣脫硫等氣體凈化裝置。Aspen Plus 是一款廣泛應用的流程模擬軟件，該軟件集穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟評價與一體，為用戶提供了一套完整的單元操作模塊，可用于各種操作過程的模擬及從單個操作單元到整個工藝流程的模擬[3]。本文基于Aspen Plus 軟件建立低溫甲醇洗工藝流程，探討不同吸收劑用量下吸收塔塔板數(shù)和凈化氣中H2S+COS 含量的關系、塔板數(shù)與吸收劑用量的關系和吸收劑用量與凈化氣中H2S+COS含量關系。

1 物性方法選擇

物性方法是指用于計算傳遞性質(zhì)和熱力學性質(zhì)的一系列計算方法和模型的集合。物性方法的選擇對模擬結(jié)果的準確性影響較大，因此對于模擬的體系選擇一個合適的物性方法非常重要[4]。選擇物性方法的辦法通常有兩種，一是通過Aspen Plus軟件的物性方法選擇助手，二是通過經(jīng)驗進行選擇。將Aspen Plus 軟件應用在低溫甲醇洗方面已有一些人做過研究[5-7]，對于物性方法的選擇大家選擇PSRK[8,9]。低溫甲醇吸收塔選用RadFrac 模塊，計算類型選擇平衡級模式，冷凝器和再沸器均選擇無。收斂方法采用默認的標準方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 流程模擬

利用Aspen Plus 建立低溫甲醇洗工藝流程見圖1，物料平衡見表1。原料氣在(40℃，0.12MPa，400kmol/h)條件經(jīng)過壓縮機增壓至3.50MPa，注入甲醇(6kmol/L)防止發(fā)生凍堵，經(jīng)冷卻器降溫至-20℃后，進入分離器進行氣液分離，氣相從底部進入低溫甲醇吸收塔，液相進行排污，氣相在吸收塔內(nèi)與上部進入的低溫甲醇(-20℃，3.50MPa，400kmol/h)逆流接觸，脫除氣體中的H2S+COS 和部分CO2，凈化氣中H2S+COS＜20ppm。凈化氣去水洗塔水洗除去大部分甲醇后排放，底部富液(5.7℃，3.50MPa，546kmol/h)送至再生塔進行再生。由表1 可知經(jīng)過低溫甲醇洗處理后，酸性組分H2S+COS 降至20ppm 以下，滿足相關規(guī)范要求。由圖1 可知吸收塔是低溫甲醇洗工藝中的核心設備，一方面能夠影響凈化氣的中硫化物含量，另一方面影響進入再生系統(tǒng)的富液的性質(zhì)和再生效率。

圖1 低溫甲醇洗工藝流程

表1 低溫甲醇洗工藝物料平衡表

2.2 吸收塔塔板數(shù)

吸收塔塔板數(shù)量決定了吸收塔的凈化效率和設備投資，選擇最佳塔板數(shù)十分必要。本文采用靈敏度分析，研究不同流量下吸收塔塔板數(shù)與凈化氣中H2S 和COS 含量的關系。將吸收塔塔板數(shù)和吸收劑流量設為操縱變量，塔板數(shù)的變化范圍為2～20、步長為1，吸收劑流量為300～1000kmol/h、步長為100kmol/h，以凈化氣中H2S 和COS 含量為采集變量，進行低溫甲醇洗工藝模擬研究，獲得不同流量下吸收塔塔板數(shù)與凈化氣中H2S 和COS 含量的關系，靈敏度分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同吸收劑用量下板數(shù)和凈化氣中H2S+COS含量的關系

吸收劑用量一定時，隨著塔板數(shù)增加凈化氣中H2S 和COS的摩爾分率降低，隨著塔板數(shù)的增加吸收劑用量對凈化氣中H2S 和COS 的摩爾含量影響越?。晃账鍞?shù)一定時，隨著吸收劑用量增大凈化氣中H2S 和COS 的摩爾分率降低，當吸收塔塔板數(shù)大于8 時凈化氣中H2S 和COS 的摩爾含量小于0.075%，當吸收塔塔板數(shù)大于14 塊時凈化氣中H2S 和COS 的摩爾含量基本不發(fā)生變化。所以，當吸收塔塔板數(shù)大于14 時，吸收劑用量為300～1000kmol/h 時，經(jīng)過吸收塔處理能夠?qū)崿F(xiàn)凈化氣H2S 和COS 的摩爾含量小于0.075%。

吸收劑用量大小決定再生裝置負荷，直接影響工藝裝置的單位運行能耗和設備投資。為了綜合考慮運行成本和凈化效果，需要在塔板數(shù)和吸收劑用量之間尋找一個最佳值。本文通過靈敏度分析，在滿足凈化要求(即出口氣體中總硫量≤20ppm)的前提情況下，將吸收塔塔板數(shù)和吸收劑流量設為操縱變量，塔板數(shù)的變化范圍為5～20、步長為1，吸收劑流量為300～800kmol/h、步長為100kmol/h，獲得吸收塔塔板數(shù)與吸收劑流量的關系，如圖3 所示。隨著吸收塔塔板數(shù)的增加，吸收劑用量逐漸降低；從5 塊到15 塊塔板，吸收劑用量減少較快；當板數(shù)大于15 塊以后，隨著板數(shù)的增加吸收劑用量下降的較慢。因此，選擇吸收塔塔板數(shù)為15 塊。

圖3 塔板數(shù)與吸收劑用量的關系

圖4 吸收劑用量與凈化氣中H2S+COS含量關系圖

2.3 吸收劑用量

當吸收塔塔板數(shù)為15 時，靈敏度分析獲得吸收劑用量與凈化氣中H2S+COS 摩爾含量之間的關系，如圖4 所示。隨著吸收劑用量的增加，凈化氣出口H2S+COS 摩爾含量逐漸降低；當吸收劑用量大于375.7kmol/h 時，凈化氣出口H2S+COS≤20ppm，滿足設計要求?？紤]實際生產(chǎn)和一定的設計裕量，吸收劑用量調(diào)整為400kmol/h。當吸收劑用量為400kmol/h 時，凈化氣中H2S+COS＜10ppm，滿足設計要求。

3 結(jié)語

基于Aspen Plus 軟件建立低溫甲醇洗工藝流程，經(jīng)過該流程處理后凈化氣中H2S+COS 含量小于20ppm。通過靈敏度分析確定最佳吸收塔塔板數(shù)為15 塊，考慮實際生產(chǎn)確定吸收劑流量為400kmol/L，在該條件下凈化氣中H2S+COS 含量小于10ppm。