Aspen HYSYS酸性氣流體包的應用及有機硫計算分析

高明 蘇昊 馮志遠 馬軍

1.中國石油四川石化有限責任公司南充綜合管理中心 2.中國石油云南石化有限公司生產(chǎn)一部 3.中山大學化學工程與技術學院 4.中國石油四川石化有限責任公司綜合檢查站

氣體凈化及CO2捕集過程常常采用醇胺法脫酸性氣處理工藝。由于貧液再生質(zhì)量及溶劑循環(huán)量等參數(shù)可影響凈化氣質(zhì)量、設備尺寸及裝置能耗等，工程設計或操作優(yōu)化時需要有準確的預測模型。醇胺法脫酸性氣工藝具有酸堿化學反應過程，H2S與醇胺的反應速度極快，受氣液傳質(zhì)速率控制；而CO2與醇胺的反應較慢，受反應速率控制。傳統(tǒng)的平衡級-效率模型并不適用于醇胺脫酸性氣過程的計算，需要由組分傳質(zhì)速率方程建立動力學模型(簡稱速率法模型)方程組才能實現(xiàn)過程的準確模擬。

速率法模型假設氣液接觸界面兩側(cè)均有一層穩(wěn)定的滯流膜(氣相側(cè)稱為氣膜層、液相側(cè)稱為液膜層)[1]，在膜兩側(cè)的主體流動區(qū)內(nèi)物質(zhì)的濃度趨于一致。滯留膜內(nèi)的傳質(zhì)方式為分子擴散模式，傳質(zhì)阻力由氣相主體、氣膜、界面、液膜和液相主體的阻力疊加而成，但傳遞過程和化學反應主要集中在氣膜和液膜滯流層。模型假設界面無阻力，氣液兩相在界面立即達到平衡。通過求解嚴格的物料平衡方程、能量傳遞方程、質(zhì)量傳遞方程、界面的相平衡方程等模型方程組即可得到氣液相溫度和組成等。由于速率法模型是在傳統(tǒng)平衡級模型方程的基礎上增加了相界面雙膜假設，并據(jù)此進行相界面?zhèn)髻|(zhì)計算，故亦稱“非平衡級模型”。

酸氣組分傳質(zhì)計算方程為速率法模型的核心內(nèi)容。組分傳質(zhì)過程與氣液接觸時間、氣液黏度、氣液擴散系數(shù)、氣液組成等有關。因此，模型計算時除需已知氣液相工藝參數(shù)以外，還需要輸入設備主要結構參數(shù)以計算氣液接觸時間。板式塔結構需要輸入塔徑、板間距、開孔率、閥孔動能因子、堰高等參數(shù)。填料塔結構需要輸入塔徑、填料類型、填料高度等參數(shù)。傳質(zhì)模型的傳質(zhì)系數(shù)通常由實驗室模型裝置、中試裝置或?qū)嶋H生產(chǎn)裝置所獲得的公開文獻數(shù)據(jù)及內(nèi)部試驗數(shù)據(jù)回歸得到。

由于酸氣吸收塔和溶劑再生塔必須采用速率法模型計算，且模型的傳質(zhì)系數(shù)必須利用大量物理操作裝置的操作數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)回歸才能得到可靠的模型參數(shù)。這就決定了脫酸性氣過程的計算模型只有專業(yè)研究者才能完成。迄今為止，醇胺法脫酸性氣工藝已經(jīng)有一些專用商業(yè)化軟件，如：AMSIM、ProMax(Tsweet)、ProTreat等。

1 專用商業(yè)化酸氣處理軟件簡介

AMSIM軟件是DB Robinson公司在20年實驗室數(shù)據(jù)的基礎上針對從天然氣和液化石油氣中利用醇胺溶液、活化醇胺溶液 (MDEA+Piperazine, PZ) 或物理溶劑分離硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、氧硫化碳(COS)、二硫化碳(CS2)和硫醇的過程研發(fā)的一款模擬軟件。通過應用嚴格的非平衡級模型和 Peng-Robinson狀態(tài)方程，提供了簡單、可靠、高效的解決方案。AMSIM軟件內(nèi)置了Kent-Eisenberg(以下簡稱K-E)模型和Li-Mather(以下簡稱Li-M)模型用于計算醇胺脫酸性氣系統(tǒng)的相平衡[2-3]，并根據(jù)塔結構參數(shù)和模擬所得的塔內(nèi)氣液工藝參數(shù)，通過相鄰級間的氣相短路模型計算出H2S和CO2的塔板效率(也稱Efficiency模型)。2002年，Schlumberger公司收購了DB Robinson公司，AMSIM軟件成為Schlumberger系列軟件的一個組成部分。由于AMSIM軟件技術成熟，可靠性高，以不同方式集成到商業(yè)化軟件中。Pro II軟件則整體嵌入了獨立的AMSIM使用環(huán)境；HYSYS v8.3版之前則內(nèi)置或以ComThermo接口外接了AMSIM的醇胺處理模塊。

Tsweet軟件由美國布萊恩研究與工程公司(Bryan R&E)開發(fā)，約有24種化學物種，專門用于酸氣脫硫、凈化氣脫水、硫磺回收、尾氣處理等，酸性系統(tǒng)氣液平衡模型可選K-E和Li-M模型。由動力學模型計算停留時間、溫度、溶液濃度、操作壓力和醇胺等參數(shù)的影響[4]。Tsweet已經(jīng)與用于流程模擬的軟件ProSim一起集成到ProMax軟件中。

ProTreat軟件由美國Optimized Gas Treating(OGT)公司開發(fā)，可以模擬H2S/CO2和硫醇脫除、三甘醇脫水等過程。酸氣處理系統(tǒng)的溶劑除了MDEA等常規(guī)溶劑之外，還添加了PZ、AMP、DMPG等新型溶劑。其氣液平衡模型采用Deshmukh-Mather模型，傳質(zhì)模型的參數(shù)主要來自于實驗室裝置的操作數(shù)據(jù)及一些工藝裝置的操作數(shù)據(jù)。精餾塔采用實際塔板；填料塔也采用實際填料參數(shù)，無需換算塔板數(shù)。軟件有核算模式和設計模式可供選擇。ProTreat還可模擬分析HCl、NaOH、甲酸、乙酸、磷酸等熱穩(wěn)定鹽組分對操作的影響。

2 Aspen HYSYS軟件的醇胺流體包模塊

2.1 醇胺流體包的演變

HYSYS軟件最早是由加拿大Hyprotech公司基于Windows平臺開發(fā)的具有交互式操作能力的大型商業(yè)化流程模擬軟件。早在DOS平臺的HYSIM軟件即可選購來自于AMSIM的Amine模塊。Windows平臺的HYSYS軟件則內(nèi)置了Amine模塊，并自主升級。2002年，Aspen公司收購HYSYS軟件后，在HYSYS 2006版中增加了ComThermo接口的外掛DBR Amine 流體包，使得舊版HYSYS軟件也可以使用升級版的AMSIM模塊。自HYSYS v8.3版本開始，AspenTech公司在HYSYS軟件中新增了自行開發(fā)的新一代醇胺-酸氣物性計算流體包Acid Gas系列模塊，其核心為酸氣、醇胺物種的電解質(zhì)NRTL模型[5-6](以下簡稱e-NRTL)，適用的酸氣負荷更高，可用于任何烴類組分、永久氣體，并可使用假組分，軟件的適用范圍大大擴展。表 1為HYSYS軟件酸氣計算模塊的演變歷史。

2.2 Acid Gas流體包的Efficiency和Advanced模式

Efficiency模式僅有酸氣組分采用速率法模型，其他組分按平衡級模型計算。級間酸氣組分濃度差按照氣相部分短路模型并換算為H2S、CO2的級組分效率顯示，用戶可直接指定H2S、CO2的效率。Advanced模式為完整速率法模型，計算工作量大，有時不容易收斂。

表1 HYSYS軟件酸氣模型及其演變項 目AmineDBR AmineAcid Gas-Chemical SolventsHYSYS版本HYSIM/v1.0～v7.3HYSYS 2006～v8.2HYSYS v8.3對應AMSIM版本v4.0～v7.3v7.2 ～ v8.2置入模式內(nèi)置ComThermo接口dll庫內(nèi)置升級方式Aspen公司維護升級使用AMSIM升級模塊Aspen公司維護升級最終向后兼容版本HYSYS v9.0HYSYS v10.0VLE模型K-ELi-MK-ELi-MChen e-NRTL(電解質(zhì)模型)塔計算模式效率法(非平衡級)效率法(非平衡級)Efficiency-效率法Advanced-嚴格速率法①最終版庫組分數(shù)4854所有庫組分、假組分永久氣體H2、N2、O2、CO、NO、SO2H2、N2、O2、CO、He、Ar酸氣及有機硫H2S、CO2、COS、CS2甲硫醇,乙硫醇H2S、CO2、COS、CS2甲硫醇,乙硫醇H2S、CO2、COS、CS2,C1～C12硫醇(C1～C4硫醇經(jīng)驗算)單溶劑MEA、DEA、TEA、DGA、MDEA、DIPA、DEPGMEA、DEA、TEA、DGA、MDEA、DIPA、Sulfolane、PZMDEA、a-MDEA、DEA、DGA、DIPA、MEA、PZ、TEA混合溶劑DEA/MDEA、MEA/MDEADEA/MDEA、MEA/MDEA任意兩種溶劑組合,Sulfolane+MDEA+PZ含H2S體系w(MDEA)/%0～50②0～50②12～50溫度/℃25～126.725～126.740～140酸氣負荷/(mol·mol-1)0～10～10.007～3.200酸氣分壓/kPa6.9×10-5～2.0×1036.9×10-5～2.0×1030.1～5 900含CO2體系w(MDEA)/%0～50②0～50②17～50溫度/℃25～126.725～126.725～120酸氣負荷/(mol·mol-1)0～10～10.003～1.300酸氣分壓/kPa6.9×10-5～2.0×1036.9×10-5～2.0×1030.1～6 000 注:①在大多數(shù)情況下,Advanced模塊的計算結果與Efficiency模塊相近[7],但模型參數(shù)多,計算速度慢,有時不易收斂,故未做對比;②AMSIM標稱溶劑中MDEA質(zhì)量分數(shù)的適用范圍為0～50%,但驗算結果表明,當MDEA質(zhì)量分數(shù)低于11.8%時,計算結果完全不可用。

一般情況下，這兩種模式計算結果相差不多，本研究有關Acid Gas流體包的計算全部選擇Efficiency模式，F(xiàn)low Model均選擇Mixed。

Amine/DBR Amine流體包與Acid Gas流體包Efficiency模式的差別僅在于相界面的氣液平衡模型方程不同。

HYSYS軟件經(jīng)過多次版本升級已發(fā)布HYSYS v12版，但基本功能變化并不大。由于付費用戶免費升級的次數(shù)是受限的，很多用戶還在使用早期的版本，且Acid Gas模塊可調(diào)參數(shù)很多，給新用戶帶來很多不便。本研究對不同版本的醇胺模塊計算結果進行對比分析，以便讀者對醇胺法脫酸性氣過程的模擬步驟及各種醇胺模塊的適用范圍有初步的了解。

3 醇胺流體包模塊主要參數(shù)影響分析

3.1 醇胺模塊中精餾塔計算步驟

由于速率法模型需要根據(jù)氣液接觸時間進行組分傳質(zhì)計算，在進行模擬時需要輸入塔的結構參數(shù)用于氣液接觸時間。下面以HYSYS v7.3版為例，介紹Amine和DBR Amine流體包的塔模擬方法；以HYSYS v9.0為例，介紹Acid Gas-Chemicals模塊的塔模擬方法。模擬所用的進料數(shù)據(jù)和對比數(shù)據(jù)均來自于某高含硫、高含碳、高含有機硫天然氣凈化裝置的一級吸收塔(組分原料氣與半貧液接觸)、二級吸收塔(貧液與COS水解反應器出口氣接觸)、富胺液再生塔正常工況下的工藝設計數(shù)據(jù)。一級與二級吸收塔均為雙溢流板式塔，再生塔為填料塔(Sulzer Mellapak 125X)。

在已知進料參數(shù)時，常規(guī)吸收塔的自由度為2，需要指定塔板數(shù)及壓力分布。而富胺液再生塔的自由度為5(全回流模式)，除需要指定塔板數(shù)、進料板號、壓力分布之外，還要指定兩個設計規(guī)定。通常會指定冷凝器溫度，剩余一個規(guī)定可選擇回流量或者塔頂溫度。各種形式精餾塔的模擬步驟基本相同，主要過程簡述如下：

(1) 給定所有進料的c+2個獨立變量(如：溫度、壓力、c個組分的質(zhì)量流率)。

(2) 完成塔的物流和能流連接，給定塔板數(shù)、進料板號、塔壓力分布。

不管是板式塔還是填料塔，均需給定塔板數(shù)和進料板號。對于精餾塔參數(shù)可直接給定，填料塔則需根據(jù)填料類型和高度，換算出總塔板數(shù)和進料位置所對應的板號。

(3) 指定兩個設計規(guī)定：如：冷凝器溫度和塔頂溫度、冷凝器溫度和回流液流量。

(4) 修改塔徑及塔內(nèi)件結構參數(shù)，即可開始計算。

如果采用平衡級模型，計算結果與設備結構無關，此時即可完成工藝計算。但醇胺模塊采用屬于速率法的非平衡級模型，必須輸入塔的結構參數(shù)，以進行傳質(zhì)計算。

3.1.1板式塔

塔徑、溢流堰尺寸和開孔率是塔的設計和核算的重要參數(shù)之一。不同版本的軟件默認結構參數(shù)和輸入位置稍有差異。表 2所列為HYSYS軟件的塔結構參數(shù)默認值，以及通過流程計算所得出的影響程度分析結果。

由表 2可知，使用Amine/DBR Amine流體包模擬時只需輸入塔徑、溢流堰高度和長度即可，修改其他參數(shù)對模擬結果幾乎沒有影響。而使用Acid Gas流體包時還需要輸入溢流通道數(shù)。

表2 不同版本的塔結構參數(shù)及其對傳質(zhì)計算的影響流體包軟件版本默認值/影響程度塔內(nèi)件塔徑/m板間距/m溢流堰高度/m溢流堰長度/m溢流通道數(shù)(1～4)①開孔面積比/%Amine/DBR AmineHYSYS v7.3篩板/無關1.5/大0.5/無關0.05/大(塔內(nèi)徑×0.8)/大1/極小15.3/無關Amine/DBR AmineHYSYS v9.0浮閥/無關1.5/大0.609 6/無關0.05/大(塔內(nèi)徑×0.8)/大1/極小12/無關Acid Gas CleaningHYSYS v9.0浮閥/無關1.5/大0.609 6/無關0.05/大(塔內(nèi)徑×0.8)/大1/大12/無關 注:①Amine/DBR Amine流體包溢流通道數(shù)可在Column Environment下PFD圖中雙擊塔圖標,在彈出的Tray Section (HYSYS v7.3)/Tower Main Tower (HYSYS v9.0)頁面中點擊Rating標簽修改Flow Paths,HYSYS v9.0版的Acid Gas流體包則可在塔流程下Parameters標簽中直接修改Flow Paths。

3.1.2填料塔

HYSYS軟件的酸氣處理過程采用非平衡級模型，因此，進行填料塔計算時首先要根據(jù)填料性質(zhì)估算出填料層高度折合的塔板數(shù)，并在相應位置選擇填料參數(shù)。

(1) Amine/DBR Amine流體包?？稍谒鞒蘎ating標簽下的Internal Type欄選擇Packed、Tray/Packed Space欄中輸入折算出的單位塔板數(shù)填料高度。至于填料類型，則需在Column Environment下雙擊PFD圖中的塔圖標，彈出Tray Section頁面后再點擊Rating標簽選擇填料類型(默認Custom)。對比分析計算發(fā)現(xiàn)，塔板數(shù)和進料位置輸入?yún)?shù)相同時，修改Tray/Packed Space及Packing Type等參數(shù)對塔的計算結果幾乎沒有影響。

(2) Acid Gas流體包。HYSYS v9.0版選擇Acid Gas流體包計算時可在塔流程Parameters標簽下的Acid Gas頁面直接修改填料塔結構參數(shù)。

3.2 板式塔計算的關鍵參數(shù)

3.2.1塔徑的影響

由于模擬時可能不知道板式塔的具體結構參數(shù)，只能按照塔的默認參數(shù)開始計算。塔徑、溢流堰高是塔的設計和核算的最重要參數(shù)之一。溢流堰高度通常按照0.05 m設計。本研究對一級吸收塔(塔徑3.7 m)和二級吸收塔(塔徑2.5 m)進行了塔徑取值影響分析，塔頂氣體組分摩爾流率計算值與設計值之比見表 3。

表3中H2、烴類等組分在溶劑中的溶解度極小，幾乎全部進入塔頂氣相。為突出酸氣和有機硫組分的影響，以下不再列出H2、烴類等組分的對比結果。

表3 塔徑取值對塔頂氣組成的影響流體包平衡模型吸收塔類型塔徑/m摩爾流率計算值/設計值H2N2CO2H2SCOSH2OC1C2C3甲硫醇①乙硫醇①He②AmineK-E一級吸收塔1.51.001.001.723.160.001.471.001.011.020.026 70.001 83.71.001.001.933.780.001.491.001.011.020.026 50.001 8DBR AmineK-E二級吸收塔1.51.001.001.361.180.001.451.001.001.000.000 02.51.001.001.491.140.001.451.001.001.000.000 0Acid GasChen一級吸收塔1.51.001.000.961.780.961.951.000.991.010.077 00.029 70.943.71.001.000.652.020.951.911.000.991.010.074 60.022 00.94二級吸收塔1.51.011.000.641.620.852.021.001.000.990.009 10.972.51.011.000.511.570.852.021.001.000.990.008 40.97 注:①原料天然氣中甲硫醇、乙硫醇含量極低,設計數(shù)據(jù)只顯示小數(shù)點后兩位,乙硫醇摩爾流率顯示0.00,無法進行比值分析,因此,表格中硫醇數(shù)值為在塔頂氣中的回收率;②Amine流體包不支持He,故將其流量合并到H2中。

由表 3可知：① 塔徑對酸氣吸收有一定的影響，但變化幅度不大。因此，在塔的結構參數(shù)未知時，使用默認參數(shù)可對影響因素進行定性分析，但準確的分析還是應使用真實的結構參數(shù)；② 一級吸收塔塔頂氣的酸氣含量與設計計算值有較大差異，這是由于原料氣中H2S、CO2分壓分別高達1 500 kPa、830 kPa以上，已經(jīng)超出了表1所列的Amine/DBR Amine流體包推薦的適用范圍，計算精度必將受到影響。對于原料氣中酸氣分壓較低的二級吸收塔，其凈化氣中酸氣組分體積分數(shù)僅為10-6數(shù)量級，計算值與設計值相比精度較高；③ Amine/DBR Amine流體包計算出的凈化氣中COS收率極低，與事實不符。以下不再逐表分析有機硫組分的結果，將在第3.5節(jié)進行討論。

3.2.2通道數(shù)的影響

溢流通道會影響塔板布局及氣液接觸時間，對傳質(zhì)效果有顯著影響。研究了在默認結構參數(shù)下僅改變溢流通道數(shù)時一級吸收塔出口氣體的組分摩爾流率計算值/設計值的對比結果，如表 4所列。

從表 4中數(shù)據(jù)可以看出，使用Amine或DBR Amine流體包時計算結果與軟件版本號及溢流通道數(shù)量無關，且兩者的數(shù)值非常接近。由此可以推斷，HYSYS v7.3之后各版本HYSYS軟件的Amine或DBR Amine流體包計算結果相同，且均僅能用于單通道塔板的工藝計算。而Acid Gas流體包則可以反映出溢流通道數(shù)對酸氣及有機硫組分吸收過程的影響。由于溢流通道數(shù)量會影響塔板設計和氣液接觸時間，對于多通道塔板的工藝計算，HYSYS v9.0版的結果應該更加可信。

表4 不同版本HYSYS軟件胺流體包溢流通道數(shù)量的影響版本號胺流體包平衡模型通道數(shù)計算值/設計值CO2H2SCOS甲硫醇HYSYS v7.3AmineK-E11.723.160.000.08DBR AmineK-E41.353.740.000.08HYSYS v9.0AmineK-E41.723.160.000.08DBR AmineK-E11.353.740.000.08HYSYS v9.0Acid GasChen11.141.520.970.3121.491.460.990.3431.681.681.000.4241.861.701.000.66

對于高酸氣分壓的一級吸收塔，Acid Gas流體包對于H2S的計算值更接近設計值；而CO2的計算值與Amine或DBR Amine流體包計算值相近。

3.3 填料塔(富胺液再生塔)計算的關鍵參數(shù)

根據(jù)設計資料，該凈化廠再生塔直徑2.5 m，采用Sulzer Mellapack 125X不銹鋼絲網(wǎng)填料，富液進料口上方填料高度1.792 m，進料口下方有3段高度均為7.392 m的填料。表 5為根據(jù)富胺液進料設計參數(shù)用不同流體包、不同塔結構參數(shù)所計算出的貧胺液酸氣負荷。計算時，Amine/DBR Amine流體包再生塔的實際塔板數(shù)按每1 m填料折合3層塔板進行換算；Acid Gas流體包則按照每0.896 m填料折合1層塔板換算出塔板數(shù)和進料位置。

根據(jù)設計資料換算，再生塔塔底貧液中CO2、H2S質(zhì)量濃度分別為0.20 g/L和0.86 g/L。

對比表5中行2、行3、行4可知，采用等板高度不同的板式塔和填料塔計算結果相同；對比行4和行5可見，在塔板數(shù)足夠多時，再增加塔板數(shù)(折合板數(shù))對再生效果的提升幅度有限。從行6和行7可見，Acid gas流體包中單位塔板填料高度數(shù)值對CO2再生結果有較大影響，且數(shù)值越大，貧液再生效果越好。

表5 VLE模型選擇及結構參數(shù)對填料再生塔貧液酸氣負荷的影響序號流體包VLE模型進料位置塔板數(shù)塔徑/m等板高度/m塔內(nèi)件填料型號ρ(CO2)/(g·L-1)ρ(H2S)/(g·L-1)1AmineLi-M6713.500.60Mellapak125X0.001.392345DBR AmineLi-M6713.500.40Pall1.5 inch0.001.08Li-M6713.500.60valve0.001.08Li-M6713.500.60Mellapak125X0.001.08Li-M3273.500.60Mellapak125X0.001.3667Acid GasChen3273.500.40Mellapak125X0.232.99Chen3273.500.896Mellapak125X0.032.30

綜上所述，Amine/DBR Amine流體包用于填料塔計算時，只有塔徑和塔板數(shù)能夠影響結果，說明需要將填料層高度較準確地換算為對應的塔板數(shù)，才能得到較為可靠的結果。而Acid Gas流體包則能反映出單位塔板折合填料高度(Tray Space)、填料類型及材料、填料尺寸等參數(shù)的影響。

由此可以推斷，如果模擬填料型的吸收塔或再生塔，則選擇Acid Gas流體包更為適合。

3.4 選擇氣液平衡(VLE)模型的影響

Amine及DBR Amine流體包均有K-E及Li-M兩個氣液平衡模型供用戶選用。而HYSYS v8.3版則新增了AspenTech公司的Chen等基于電解質(zhì)NRTL方程所開發(fā)的Acid Gas模型。為了對這幾種模型進行初步評價，本研究以一級和二級吸收塔、再生塔正常工況下的設計數(shù)據(jù)和塔的實際結構參數(shù)進行模型分析。為了解決兼容性問題，先用HYSYS v7.3版建立Amine及DBR Amine流體包的模擬流程，在用HYSYS v9.0版打開HYSYS v7.3模擬文件時直接關閉轉(zhuǎn)換提示窗口，則可保留原有流體包及模型參數(shù)。

表6 VLE模型對一級吸收塔出口氣組成的影響流體包VLE模型摩爾流率計算值/設計值CO2H2SCOS甲硫醇φ(CO2)/%φ(H2S)/10-6塔頂凈化氣有機硫回收率/%COS甲硫醇乙硫醇AmineK-E1.853.910.000.108.553620.032.710.30Li-M1.863.540.000.108.55328 0.032.710.30DBR AmineK-E1.514.540.000.107.064270.032.640.26Li-M1.583.670.000.087.38344 0.022.250.18Acid GasEfficiency0.892.100.970.254.3320482.336.813.19 注:設計計算值為出口氣體中CO2體積分數(shù)4.80%,H2S體積分數(shù)97×10-6。

表7 VLE模型對二級吸收塔出口氣組成的影響流體包VLE模型摩爾流率計算值/設計值CO2H2SCOS甲硫醇φ(CO2)/%φ(H2S)/10-6AmineK-E1.491.14003.082.99Li-M1.480.82003.082.13DBR AmineK-E1.151.7002.404.47Li-M1.150.77002.392.02Acid GasEfficiency0.811.90.850.031.704.38 注:設計計算值為出口氣體中CO2體積分數(shù)2.10%,H2S體積分數(shù)2.64×10-6。

再建立1個Acid Gas流體包的模擬流程，從而可用不同的VLE模型進行分析計算，結果匯總于表 6～表 8中。

由表 6可知，由于原料氣中H2S、CO2和COS含量均偏高，幾種模型對一級吸收塔酸氣組分計算值與設計值均有一定的偏離，但相對而言，Acid Gas流體包的計算值更接近設計計算數(shù)據(jù)。

由表7可見，不同VLE方程計算所得的2級吸收塔凈化氣CO2濃度和H2S指標與設計計算值的誤差不大。

由表8可知，Amine流體包K-E模型計算所得的貧胺液H2S負荷偏低；Acid Gas流體包所得H2S負荷少量偏高，這與輸入的填料高度與填料等板高度等估算數(shù)值有一定的關系。

表8 不同VLE模型對貧液酸氣負荷的影響流體包VLE模型進料位置塔板數(shù)塔徑/m等板高度/m塔內(nèi)件填料型號ρ(CO2)/(g·L-1)ρ(H2S)/(g·L-1)AmineK-E6713.50.6Mellapak125X0.150.17Li-M6713.50.6Mellapak125X0.001.39DBR AmineK-E6713.50.6Mellapak125X0.001.12Li-M6713.50.6Mellapak125X0.001.08Acid Gas-ChenEfficiency3273.50.896Mellapak125X0.032.30 注:貧液中CO2、H2S負荷的設計計算值分別為0.20 g/L和0.86 g/L。

3.5 有機硫組分計算結果分析

從進料中有機硫含量較高的表 6數(shù)據(jù)可知，塔頂氣體中COS的回收率是Acid Gas流體包與Amine和DBR Amine流體包計算結果的主要差別。Amine/DBR Amine流體包計算出的COS回收率僅2%～3%，塔頂氣體甲硫醇流率僅為設計值的10%左右，說明Amine和DBR Amine模塊對于高含有機硫組分的脫除率計算值嚴重偏大。

而Acid Gas流體包計算出凈化氣中COS回收率達82.33%，摩爾流率計算值與設計值吻合度較高(比值0.97)。甲硫醇回收率計算值也達到設計值的25%。

因此，如有可能，高含有機硫體系應盡量使用Acid Gas流體包進行計算。如果不得已需使用Amine/DBR Amine流體包計算，則應該在完成吸收塔計算后，采用組分分離器將已經(jīng)被吸收到富液中的有機硫組分大部分轉(zhuǎn)移至塔頂氣中。

4 塔的結構參數(shù)與水力學計算結構參數(shù)的關系

從HYSYS v9.0版開始，HYSYS的塔水力學設計功能已經(jīng)比較成熟。通過水力學設計，可計算出詳細的塔結構參數(shù)，還可計算出塔板壓降和負荷性能圖。

但表 2所示的塔工藝計算所用結構參數(shù)雖然可以傳遞至水力學計算模塊，但通過水力學計算得到的結構參數(shù)必須經(jīng)過人工操作，才能在工藝計算模塊下實現(xiàn)修改。

5 結論

(1) Acid Gas流體包MDEA質(zhì)量分數(shù)的適用范圍為12%～50%，H2S和CO2負荷的適用范圍分別為0.007～3.200 mol/mol及0.003～1.300 mol/mol。因此，貧液中酸氣負荷過低時，模型計算結果精度較低。雖然Amine/DBR Amine流體包適用的MDEA質(zhì)量分數(shù)范圍為0%～50%，但驗算結果表明，MDEA質(zhì)量分數(shù)低于11.8%時，酸氣分壓計算嚴重失真。

(2) 板式塔輸入塔徑、堰高、堰長、溢流通道數(shù)即可計算速率法模型，塔板類型、板間距、開孔率等參數(shù)對塔的工藝計算沒有影響。Amine/DBR Amine流體包僅能計算單溢流板式塔；Acid Gas流體包可計算1～4通道板式塔。

(3) 使用Amine/DBR Amine流體包計算填料塔時，HYSYS實際是通過板式塔模塊進行計算。因此，必須準確估算填料所能折合的塔板數(shù)和進料位置。Acid Gas流體包則可根據(jù)填料類型，將填料按高度分解為塔板數(shù)及單位塔板填料高度。

(4) Amine/DBR Amine流體包對于COS組分幾乎完全吸收，與實際情況不一致；對于硫醇的吸收率也偏大。對于高含有機硫體系，建議采用Acid Gas流體包計算，當必須使用Amine/DBR Amine流體包時，需要在吸收塔計算后通過組分分離器將COS組分大部分轉(zhuǎn)移至塔頂氣中。