Aspen HYSYS對胺法脫碳再生工藝模擬的適用性

唐建峰，王玉娟，王曰，2，花亦懷，褚潔，桑偉，陳靜

（1 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島266580；2 中交煤氣熱力研究設計院有限公司，遼寧沈陽110000；3 中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心，北京100027）

天然氣作為一種綠色、清潔、高效能源，在低碳經濟中的需求日益增加，其中的天然氣凈化工藝也成為研究熱點[1-3]。化工流程模擬在化工過程中起到十分重要的作用，成為工藝優(yōu)化研究及工廠實際生產流程模擬的重要手段[4-6]。目前，在天然氣預處理領域普遍應用的模擬軟件主要包括Aspen Plus、Aspen HYSYS、ProMax、ChemCAD等[7-9]。其中，Aspen HYSYS 軟件是Hyprotech 公司推出的一款功能強大的化工模擬軟件，擁有豐富的物性包及模型庫，可用于石油開采儲運、天然氣加工等領域[10-11]，可以實現(xiàn)油氣水的分離計算，解決管網(wǎng)集輸問題[12]，也廣泛應用于模擬和優(yōu)化天然氣凈化工藝，如天然氣脫水、天然氣脫硫脫碳等[13-16]。但是，不同工藝條件下Aspen HYSYS 軟件的適用性存在一定的差別，這種差別會對研究結果造成一定的影響。因此，本文對天然氣脫碳中廣泛應用的醇胺法脫碳工藝進行適用性研究，基于一套自主搭建的胺法脫碳中試試驗裝置，對當前工廠生產線投產前普遍采用的Aspen HYSYS 商業(yè)軟件中的酸氣脫除模塊進行適用性驗證與評估，分析不同工藝參數(shù)下軟件脫碳模塊的適用性，得到HYSYS 軟件模擬天然氣胺法脫碳再生工藝的適用性及適用范圍，確定不同工藝參數(shù)對HYSYS 模擬軟件適用性的影響程度。

1 驗證方法

1.1 試驗裝置及模型

本文研究所采用的試驗裝置見參考文獻[17]。對HYSYS 軟件模擬再生工藝的適用性進行分析評估，根據(jù)試驗裝置建立的工藝流程仿真模型如圖1所示。

圖1 HYSYS單塔工藝流程模擬

模擬過程中，對不含胺液的原料氣或者酸氣等氣體進行計算時，采用PR 方程；對胺液進行計算時，采用HYSYS 經典的Amine Pkg 物性包進行計算，針對不同種類的混合胺液，本模擬中MDEA（N-甲基二乙醇胺）+MEA（一乙醇胺）混合胺液采用Kent-Eisenberg 模型，TEA （三乙醇胺） +MEA混合胺液采用Li-Mather模型。采用HYSYS 軟件模擬胺法脫碳工藝時，再生塔填料類型和填料參數(shù)均按照試驗裝置實際參數(shù)確定，天然氣胺法脫碳試驗裝置中，再生塔填料高度2.4m，塔徑為0.253m，空隙率94%，比表面積為1024m2/m3，根據(jù)小塔徑塔器的計算公式計算得到理論塔板數(shù)為11。閃蒸罐壓力、貧富液換熱器富液出口溫度根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定，液相入塔壓力根據(jù)實際塔頂壓力確定，塔底壓力由再生塔壓差計算得到。再生塔的計算以再沸器溫度為約束條件，通過調整回流比大小使冷凝器出口溫度與試驗數(shù)據(jù)相近。但部分工況通過調整回流比無法使冷凝器出口溫度滿足要求，因此對于該類工況，設置回流比為保證再生塔計算收斂的最小值0.5，盡可能使冷凝器出口溫度接近試驗值。模擬各設備工藝參數(shù)選取如表1所示。

表1 各設備工藝參數(shù)及軟件模塊選用明細

1.2 分析指標

在天然氣胺法脫碳再生工藝試驗過程中，重點是得到不同胺液配方和工藝參數(shù)下胺液再生效果以及再生能耗。因此，使用HYSYS 軟件對胺液再生性能進行模擬時，主要對以下兩個指標進行誤差分析，分別是解吸率和再沸器功率，其指標含義如下所示。

（1）解吸率 解吸率指一定時間內胺液再生后CO2與胺液再生前CO2物質的量的比值。胺液再生前后CO2物質的量使用酸解法測定，解吸率能夠表示出胺液的再生能力。試驗過程中通過貧液和富液酸解試驗計算得到，模擬過程中通過再生塔進口富液和出口貧液的質量流量計算得到。

（2）再沸器功率 根據(jù)某一工況下的再沸器功率，評定不同工藝參數(shù)下再生能耗的大小。

在對上述兩個表征胺液再生性能的試驗和模擬指標進行誤差分析時，主要用到3個誤差指標進行適用性評價，包括相對誤差絕對值最大值Ermax、相對誤差絕對值平均值Erave、標準差。

1.3 試驗與模擬工況

本次HYSYS 軟件分析主要采用動態(tài)測試中的黑盒測試方法，著重于驗證軟件功能和性能的適用性。首先通過試驗裝置對兩種混合胺液MDEA+MEA、TEA+MEA 分別進行不同工況下的天然氣脫碳試驗研究，得到不同條件下的胺液解吸率及再沸器功率等指標，然后根據(jù)試驗所得工況用HYSYS工藝軟件進行模擬，模擬得到的富液閃蒸罐液相出口的富液組成和再生塔液相出口的貧液組成，用于計算解吸率；再沸器能量消耗結果作為再生能耗評價指標。最后將試驗與模擬所得的不同指標進行誤差分析，得到HYSYS 軟件在天然氣脫碳再生工藝中的適用性。

試驗過程中對30%MDEA+6%MEA、28.9%TEA+6%MEA（質量配比）兩種胺液配方分別進行再生試驗。兩種胺液配方的基本工況均為吸收壓力3.0MPa，吸收溫度50℃，再生壓力50kPa，再生溫度110℃，胺液流量0.20m3/h。通過改變原料氣CO2物質的量分數(shù)（3%～6%）、再生壓力（45～65kPa）、再生溫度（100～120℃）、胺液流量（0.15～0.25m3/h）等參數(shù)來改變工況，總計58組工況。

2 模擬結果與試驗結果對比分析

2.1 影響再生效果的工藝參數(shù)誤差分析

在天然氣脫碳再生工藝試驗模擬過程中，影響再生效果的工藝參數(shù)包括原料氣氣質條件、胺液配方、胺液流量、再生壓力、再生溫度，因此從這五個方面對HYSYS軟件進行模擬適用性分析。

2.1.1 不同原料氣氣質

對原料氣酸氣濃度分別為3%、4%、6%（物質的量分數(shù)） 時，吸收壓力3.0MPa、3.5MPa、4.0MPa，吸收溫度40℃、50℃、60℃，胺液流量0.15m3/h、0.20m3/h、0.25m3/h 下 得 到 的MDEA+MEA 混合胺液，在再生壓力50kPa、55kPa 下進行再生試驗和模擬研究，共計30 組工況。對不同酸氣濃度下胺液解吸率的試驗值和HYSYS 模擬值分別求取平均值，如圖2所示。計算不同酸氣濃度下胺液解吸率試驗與模擬相對誤差的絕對值平均值、絕對值最大值、標準差，如表2所示。

由圖2 可知，在相同理論塔板數(shù)及試驗條件下，使用HYSYS 軟件模擬時，胺液解吸率模擬值普遍低于試驗值。HYSYS模擬的胺液解吸率隨CO2含量的增加而增加，與試驗值隨酸氣濃度的變化規(guī)律一致。但HYSYS 模擬結果與試驗值存在一定差距。

圖2 胺液解吸率隨酸氣濃度變化曲線

表2 不同酸氣濃度下模擬與試驗誤差

由表2 可以看出，使用HYSYS 模擬時，不同酸氣濃度下，胺液解吸率模擬誤差的絕對值平均值均小于37%，相對誤差的絕對值最大值為162.70%，且隨酸氣濃度的降低，胺液解吸率相對誤差增大；胺液解吸率的相對誤差的標準差最大值發(fā)生在酸氣物質的量分數(shù)3%時為58.71%，酸氣物質的量分數(shù)6%時標準差最小，為11.06%。根據(jù)分析可以得出，相同理論塔板數(shù)、試驗條件下，根據(jù)胺液解吸率的模擬誤差計算結果，酸氣濃度越高，HYSYS軟件適用性相對越好。HYSYS軟件在酸氣濃度6%時具有較好的適用性，在酸氣濃度3%時適用性較差。

2.1.2 不同胺液流量

對胺液流量分別為0.15m3/h、0.20m3/h、0.25m3/h時，酸氣物質的量分數(shù)為3%、4%、6%條件下得到的MDEA+MEA 混合胺液，以及酸氣物質的量分數(shù)4%、6%條件下得到的TEA+MEA 混合胺液，進行再生試驗和模擬研究，共計15 組工況。對不同胺液流量下胺液解吸率的試驗值和HYSYS 模擬值求取平均值，并進行誤差計算，如圖3、表3所示。

圖3 胺液解吸率隨胺液流量變化曲線

表3 不同胺液流量下模擬與試驗誤差

由圖3可以看出，在同樣的理論塔板數(shù)、試驗條件下，使用HYSYS 模擬時，胺液解吸率模擬值普遍高于試驗值。根據(jù)HYSYS 模擬結果，胺液解吸率隨胺液流量的變化規(guī)律與試驗值一致，均隨著胺液流量的增加，解吸率先增加后降低。胺液流量在0.15m3/h 和0.20m3/h 時，HYSYS 軟件解吸率的模擬結果與試驗結果相差不大；胺液流量增加到0.25m3/h時，解吸率的模擬結果遠大于試驗結果。

由表3 可以看出，使用HYSYS 模擬再生效果時，不同胺液流量下，胺液解吸率模擬誤差的絕對值平均值均小于48%，相對誤差的絕對值最大值為162.71%，且隨胺液流量的增加，胺液解吸率相對誤差增加；胺液解吸率的相對誤差的標準差最大值發(fā)生在胺液流量0.25m3/h時，為64.68%；胺液流量0.15m3/h 時相對誤差的標準差最小，胺液流量0.20m3/h 時相對誤差的標準差稍高于0.15m3/h 時。根據(jù)模擬誤差大小可知，在相同理論塔板數(shù)、試驗條件下，根據(jù)胺液解吸率的模擬誤差計算結果，在較低胺液流量（0.15m3/h、0.20m3/h）時，HYSYS軟件的適用性均較好，在高胺液流量（0.25m3/h）下HYSYS 軟件適用性相對較差。這是由于在試驗過程中，特定塔徑的再生塔存在最優(yōu)處理量范圍，當處理量繼續(xù)增大時，氣液流量過大，無法進行充分接觸，因此胺液解吸率較低，模擬與試驗結果存在較大差異，造成軟件適用性相對較差。

2.1.3 不同胺液配方

對MDEA+MEA、TEA+MEA 兩種不同胺液配方，在酸氣物質的量分數(shù)4%、6%時，吸收溫度40℃、50℃、60℃，胺液流量0.15m3/h、0.20m3/h、0.25m3/h條件下得到的混合胺液，以及酸氣物質的量分數(shù)6%時吸收壓力3.0MPa、3.5MPa、4.0MPa條件下得到的混合胺液，進行再生試驗和模擬研究，共計30種工況。其中，MDEA+MEA 配方分別采用Kent-Eisenberg模型和Li-Mather模型進行模擬，由于Kent-Eisenberg 模型不適用于模擬TEA+MEA 配方，故僅采用Li-Mather 模型。對不同胺液配方下胺液解吸率的試驗值和HYSYS模擬值求取平均值，并進行誤差計算，如圖4、表4所示。

圖4 不同胺液配方下胺液解吸率對比圖

表4 不同胺液配方下模擬與試驗誤差

從圖4可以看出，在同樣的塔板數(shù)、試驗條件下，對于MDEA+MEA 胺液配方，采用Kent-Eisenberg 模型和Li-Mather 模型模擬時，HYSYS 軟件的解吸率模擬結果普遍低于試驗值；而對于TEA+MEA 配方，在采用Li-Mather 模型模擬時，HYSYS 軟件的解吸率模擬結果普遍高于試驗值。但兩種配方下的模擬與試驗差值基本一致。

由表4 可以看出，在使用Kent-Eisenberg 模型和Li-Mather模型模擬MDEA+MEA時，其平均相對誤差、最大相對誤差以及標準差均高于采用Li-Mather 模型模擬的TEA+MEA 配方?？梢缘贸觯谙嗤碚撍鍞?shù)下模擬再生工藝時，對于MDEA+MEA 和TEA+MEA 兩 種 胺 液 配 方 在HYSYS 的Amine Pkg 物性方法中，選用Kent-Eisenberg 模型模擬MDEA+MEA 配方的適用性稍優(yōu)于采用Li-Mather 模型模擬，且在選用Li-Mather 模型模擬不同種類胺液配方時，模擬TEA+MEA配方的適用性更高。

2.1.4 不同再生壓力

對酸氣物質的量分數(shù)為4%、6%條件下得到的MDEA+MEA混合胺液，以及酸氣物質的量分數(shù)2%條件下得到的TEA+MEA混合胺液，在再生壓力分別為50kPa、55kPa、60kPa、65kPa 時進行再生試驗和模擬研究，共計12 組工況。對不同再生壓力下胺液解吸率的試驗值和HYSYS 模擬值求取平均值，并進行誤差計算，如圖5、表5所示。

圖5 胺液解吸率隨再生壓力變化曲線

表5 不同再生壓力下模擬與試驗誤差

通過圖5可以看出，在同樣的塔板數(shù)、試驗條件下，使用HYSYS 軟件模擬時，胺液解吸率模擬值普遍低于試驗值，最小差值發(fā)生在再生壓力60kPa。胺液解吸率隨再生壓力的增加先降低后增加再降低，整體呈降低趨勢，且隨再生壓力變化，模擬值降幅較明顯，與試驗結果的降幅較符合。

由表5 可以看出，使用HYSYS 模擬時，不同再生壓力下，胺液解吸率模擬誤差的絕對值平均值均小于27%，相對誤差的絕對值最大值為50.53%；隨再生壓力的增加，胺液解吸率相對誤差先降低后增加，胺液解吸率的平均相對誤差的標準差最大值發(fā)生在再生壓力65kPa 時，為32.82%，再生壓力60kPa 時標準差最小，為5.41%?？梢缘贸觯谙嗤碚撍鍞?shù)、試驗條件下，根據(jù)胺液解吸率的模擬誤差計算結果，不同再生壓力下HYSYS 軟件的模擬適用性均較好，且在再生壓力60kPa 時，HYSYS軟件模擬適應性最好。

2.1.5 不同再生溫度

為保證不同再生溫度下工況相同，選取MDEA+MEA 胺液、CO2物質的量分數(shù)為6%試驗條件下，再生溫度分別為100℃、105℃、110℃、120℃時進行再生試驗和模擬研究，共計4組工況。對不同再生溫度下胺液解吸率的試驗值和HYSYS模擬值求取平均值，并進行誤差計算，如圖6、表6所示。

圖6 胺液解吸率隨再生溫度變化曲線

表6 不同再生溫度下模擬與試驗誤差

由圖6可知，在同樣的理論塔板數(shù)、試驗條件下，使用HYSYS 軟件模擬時，胺液解吸率模擬值與試驗值相差不大，再生溫度為105℃時，模擬值與試驗值差值最小。胺液解吸率隨再生溫度的變化規(guī)律與試驗值一致，均隨著再生溫度的升高，解吸率增加。再生溫度（120℃）較高時，解吸率模擬值普遍高于試驗值，是由于在HYSYS 軟件模擬時未考慮散熱的影響；再生溫度（100～110℃）較低時，解吸率模擬值普遍低于試驗值，是由于軟件計算過程中，再生溫度低對解吸率降低的影響程度超過了由于未考慮散熱使解吸率增大的程度。

由表6 可以看出，使用HYSYS 模擬時，不同再生溫度下，胺液解吸率模擬誤差的絕對值均小于54%，相對誤差的絕對值最大值為53.59%；隨再生溫度的增加，胺液解吸率相對誤差先降低后增加?？梢缘贸觯谙嗤碚撍鍞?shù)、試驗條件下，使用HYSYS模擬再生效果時，除再生溫度為100℃時適用性相對較差，其余再生溫度下HYSYS 軟件的模擬適用性均較好，且再生溫度105℃時模擬適用性最好。

2.1.6 不同工藝參數(shù)對模擬結果影響對比

對上述影響再生效果的5種工藝參數(shù)模擬誤差進行對比，分析采用HYSYS軟件模擬再生效果時，各工藝參數(shù)對模擬誤差的影響程度。對不同工藝參數(shù)下胺液解吸率模擬相對誤差的絕對值平均值以及標準差分別繪制柱狀圖，如圖7、圖8所示。

圖7 不同工藝參數(shù)下胺液解吸率相對誤差絕對值平均值柱狀圖

圖8 不同工藝參數(shù)下胺液解吸率相對誤差標準差柱狀圖

根據(jù)圖7、圖8可知，使用HYSYS軟件模擬再生效果時，再生溫度100℃、胺液流量0.25m3/h 以及酸氣物質的量分數(shù)3%時，解吸率模擬誤差平均值及標準差均較大，模擬適用性較差。這三個特殊工況之外，其余工況下，模擬誤差均較小，不同工藝參數(shù)下胺液解吸率模擬相對誤差的絕對值平均值均小于26.93%，說明適用性均較好。其中不同再生壓力下，胺液解吸率模擬相對誤差的絕對值平均值普遍高于其他工藝參數(shù)，且標準差明顯較高，說明再生壓力對軟件適用性影響較大；而對于MDEA+MEA 及TEA+MEA 兩種胺液配方，軟件模擬與試驗結果間的相對誤差絕對平均值及標準差均較小，說明在此試驗及模擬條件下，胺液配方對軟件適用性影響最小。

2.2 再生能耗模擬分析

在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，使用HYSYS 軟件模擬再生能耗時，再生溫度對再生能耗影響很大，因此，單獨分析再生溫度對模擬與試驗再生能耗模擬誤差的影響。由于MDEA+MEA 能耗數(shù)據(jù)較少，選用TEA+MEA 胺液配方進行再生能耗模擬適用性研究。對TEA+MEA混合胺液，在再生壓力為45kPa、50kPa、55kPa、60kPa、65kPa 條件下，再生溫度分別為110℃、115℃、120℃時進行試驗和模擬研究，共計15 組工況。對不同再生溫度下再生能耗的試驗值和HYSYS 模擬值求取平均值，并進行誤差計算，如圖9、表7所示。

圖9 再生能耗隨再生溫度變化曲線

表7 不同再生溫度下再生能耗模擬與試驗誤差

由圖9可知，隨再生溫度的升高，HYSYS再生能耗模擬值變化規(guī)律與試驗值變化規(guī)律一致，但HYSYS 再生能耗模擬值與試驗值差值隨再生溫度的升高而增大。在再生溫度為110℃時，HYSYS模擬值小于試驗值，且此時模擬誤差較小；在再生溫度為115～120℃時，再生能耗模擬值均高于試驗值，且模擬誤差較大。

由表7 可以看出，使用HYSYS 模擬時，再生溫度110℃的相對誤差絕對值平均值及最大值均最小，分別為40.64%和47.07%，且兩種模擬誤差均隨再生溫度的升高逐漸增大；再生溫度為110℃時，相對誤差絕對值標準差最小，為3.79%，其次是120℃和115℃。說明115℃左右是一個轉折點，低于該溫度，模擬值小于試驗值，高于該溫度，模擬值明顯高于試驗值?？梢缘贸?，在本試驗及模擬過程中，相同理論塔板數(shù)、試驗條件下，使用HYSYS模擬TEA+MEA混合胺液再生效果時，再生溫度為110℃時，HYSYS軟件模擬適用性較好；再生溫度為115～120℃時，HYSYS 軟件模擬適用性較差。

3 結論

基于胺法脫碳試驗裝置和HYSYS 模型，通過對影響胺液再生效果的工藝參數(shù)及再生能耗進行適用性分析，可以得出以下結論。

（1）通過解吸率和再生能耗兩個指標的分析，模擬再生效果時，模擬結果隨工藝參數(shù)的變化趨勢與試驗結果總體保持一致。

（2）在HYSYS 軟件模擬再生工藝時，在酸氣物質的量分數(shù)（3%）較低、胺液流量（0.25m3/h）較大、再生溫度（100℃）較低等不利于再生的工藝參數(shù)下，HYSYS 軟件的模擬適用性較差，其余工況下HYSYS軟件的適用性均較好。

（3）模擬再生效果時，根據(jù)胺液解吸率指標，不同工藝參數(shù)下的HYSYS 軟件的適用性均較好，其中影響較大的工藝參數(shù)是再生壓力，對于MDEA+MEA 和TEA+MEA 兩種胺液配方，對軟件適用性影響較小。

（4）對再生能耗模擬誤差影響較大的工藝參數(shù)是再生溫度。在一定塔底壓力下，再生溫度存在一個轉折點，高于該溫度時，再生能耗大幅度增加。本次驗證過程中，在再生壓力為45～65kPa 時，再生溫度115℃左右為一個轉折點，低于該溫度時，HYSYS 軟件的模擬適用性相對較好，高于該溫度時，HYSYS 軟件的模擬適用性相對較差，但HYSYS軟件的總體模擬能耗適應性均較差。