低温甲醇洗酸性气体吸收塔模拟分析

第34卷第10期现代化工(t.20142014年10月Modern chemical industry5低温甲醇洗酸性气体吸收塔模拟分析王亚亚12,梁生荣,王智杰1(1.西安石油大学化学化工学院,陕西西安7100652.中国石油天然气第一建设公司,河南洛阳471023)摘要:利用PRO/Ⅱ软件对低温甲醇洗工艺中的酸性气体吸收塔进行了模拟,选用NRTL热力学模型,在成功模拟的基础上对吸收塔的3个操作变量甲醇温度、甲醇流量、分流分率分别进行了灵敏度分析,并进行了吸收塔液气比的优化分析。关键词:低温甲醇洗;吸收塔;PRO/Ⅱ;模拟中图分类号:TQ223文献标志码:A文章编号:0253-4320(2014)10-0157-05Simulation and optimization of methanol absorber in rectisol processWANG Ya-ya,, Liang Sheng-rong, WANG Zhi-jie(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi'an Shi you University, Xian 710065,China2. China Petroleum First Construction Corporation, Luoyang 471023, China)Abstract: PRO/ I software is used to to simulate the methanol absorber in rectisol process. The NRTL equationosen to describe the system. The effects of flow rate, temperature and diversion of methanol on the sensitivity arestudied. The optimization of the liquid-gas ratio in methanol absorber is performed as wellKey words: rectisol process; methanol absorber; PRO/; simulation低温甲醇洗工艺是20世纪50年代初由林德公于CO2在甲醇中的溶解度,脱硫段需要的甲醇流量同和鲁奇公司共同开发的用于吸收酸性气体的净化也就远远少于脱碳段所需的甲醇流量,因此在粗吸工艺。该工艺以冷甲醇为吸收溶剂,利用甲醇在段底部设置分流器将脱碳段中部分甲醇通入脱硫段低温(-60~-50℃)下对酸性气体溶解度极大的就可以满足脱硫段的需求,这样塔下段的液体流量物理特性分段选择性地吸收原料气中的CO2、H2S、就远小于塔上段的液体流量。总体来说酸性气硫的有机物和氰化物气体2,是物理吸收法。该工体吸收塔是具有多级中间冷却单级中间分流的复艺气体净化度高,选择性好,技术成熟,应用广杂吸收塔。泛-4。本文中利用PRO/Ⅱ软件对低温甲醇洗工在酸性气体吸收塔模拟过程中,脱硫段、粗吸艺中的酸性气体吸收塔进行模拟计算,并进行灵敏段、主吸段、精吸段分别用C0、C120、C130及度分析和优化分析。Cl40表示,选用 Distillation模块;换热器用El、E2E3表示,选用 Simple HX模块;分流器用SP表示,酸性气体吸收塔流程选用 Splitter模块。使用PRO/Ⅱ建立的酸性气体吸酸性气体吸收塔主要用来吸收原料气中的收塔的模拟工艺流程图如图1所示。物流101是原O2、H2S等酸性气体塔底通入原料气,塔顶通入料气进料物流103、104、105、106都是气体流股物贫甲醇。该塔分为上塔和下塔2部分,上塔为脱碳流11是甲醇贫液,物流12、113、114、15116段,下塔为脱硫段。脱碳段又分为精吸段、主吸段、11717A、118、119都是含有CO2、H2S的甲醇富粗吸段。由于CO2、H2S溶解在甲醇的过程中会释液。115流股通过分流器SPl,被分成2个流股放出大量的热量,因此需要在段间设置换热器将甲11719,定义119和116的流量比为分流分率,通醇溶液引出并进行冷却,移走CO2溶解产生的热过对分流分率的控制可以达到对净化气中H2S摩量,进而维持甲醇溶液的吸收温度,保证吸收塔的效尔含量的控制。率。而且由于H2S在甲醇溶液中的溶解度远远大收稿日期:2014-07-19作者简介:王亚亚(1989-),女,硕士生,研究方向为石油加工及化工工艺,790305085@qq.com158·现代化工第34卷第10期—108表3酸性气体吸收塔进料组成(摩尔分数)流股CH3OcOH2H,s1015.44×10-50.3230.4582.82×10-39.95×104110.998514×10-91.42×10-141×10-151×10-3流股H2OCHAco1013.59×10-61.008.09×10-40.2141×10-51401111.46×10-1×10-151×101x10-151×10-15E3在上述工况下,采用NRIL热力学模型,模拟计算结果如表4所示。表4酸性气体吸收塔模拟结kmol/h103104组分模拟值工艺包模拟值工艺包114CH,OH4.377001.19643.37500472.48622528.201542.3724.20133732.80370522.897622.900022.863722.8300H2S3.92483.66×10-41.5223×10-52.95×10-4119H2O6.3793×100.00001.7×10-58.16188.175308.14828.154406.5743117A1742.05121743.701739740.204069×10-126.8×10-122.5347×10-165.441×10-12105组分101模拟值工艺包模拟值工艺包C1100.93013.060050.9180018CH,OH758.7640147.8680163.510图1酸性气体吸收塔模拟流程图H23683.50723727.413406.28873710.1022.81492.760022.082022.40002参数设置及模拟计算H2S,.1872×10-162.96×10-43.2755×10-253.5×10-3经过酸性气体吸收塔的净化,净化气流股106H2O0.00000.14×10-50.00034×10-7由吸收塔塔顶排出,净化气的摩尔分数控制指标为:8.1274132907.80998.0177CO2≤3%,H2S≤0.1×106。表1~表3分别为酸6.50515.87246.24530性气体吸收塔塔板数据进料条件及进料组成。1735.21491737.321673.94581715.50表1酸性气体吸收塔塔板数据COs9.4159×10-237.1×10-120.00002.7×10-12模块C110C120C130C140塔板数810通过模拟计算,发现采用NRTL热力学模型的计算结果与工艺包吻合良好,各流股关键组分的流量与工艺包的误差在允许的范围之内。表2酸性气体吸收塔进料条件流股温度/℃压力/kPa流量/( kmol-h-1)气相摩尔分数/%3模拟分析与优化分析10120.873607.1708160.0123.1模拟结果分析111-51.853597.038323732图2为酸性气体吸收塔的全塔温度剖面图,2014年10月王亚亚等:低温甲醇洗酸性气体吸收塔模拟分析159图3是全塔气相流股中CO2和H2S的摩尔分数剖面图。由图2和图3可知,CO2主要在脱碳段被吸收,H2S主要在脱硫段被吸收,且都主要发生在每个塔段的前几块塔板。对于精洗段的20块塔板,前8块塔板上CO2的摩尔分数变化幅度较大,塔板的温度升高幅度也较大,这是由于前8块塔板上的甲醇2400260028003000320034003600甲醇流量/( kmolh)温度低,吸收效果好,吸收CO2产生的溶解热使温图4甲醇流量与净化气106流股温度的关系图度升高,后半部分塔板温度和CO2摩尔分数变化幅度很小是因为甲醇温度升高吸收效率下降,CO2的0.063.00E-026溶解量也大幅度下降。主吸段粗吸段和脱硫段的50E-026温度、摩尔分数变化同理。在第21、41、51块塔板上200E-0261.50E-026将流股导出进行中断冷却导致在这几块塔板上出现0.02100E-026了温度和摩尔分数突变。0.015.00E-02720.00+002400260028003000320034003600甲醉流量/( kmolh2)摩尔分数:1-CO2;2-H2S图5甲醇流量与净化气中CO2、H2S摩尔分数的关系图塔板3.2.2甲醇温度的灵敏度分析图2酸性气体吸收塔全塔温度剖面图由图6和图7可知净化气中CO2和H2S的摩尔分数随着甲醇温度的升高而逐渐增大,且净化气0.350.0010的温度也随着甲醇的温度升高而逐渐升高。在设计0.300.0008凝0.25工况下,为了满足出口气摩尔分数控制指标,甲醇的00006温度需低于-48.85℃。同时,甲醇的温度也不可设0.10.00040.05塔板摩尔分数:1-C02;2-H2S图3全塔气相流股中CO2、H2S摩尔分数剖面图75-70-65-650-45-40-35甲醇温度/℃3.2灵敏度分析净化气中CO2和H2S的摩尔分数必须满足图6甲醇温度与净化气106流股温度的关系图CO2≤3%,H2S≤0.1×106。以下分别研究了甲醇6.00E-027的流量、温度及分流分率的变化对净化气中CO2和0.0355.00E-0274.00E-027H2S摩尔分数的影响。300-027运数0.0253.2.1甲醇流量灵敏度分析20027由图4可知,净化气温度随着甲醇流量的增大0.00E+000而逐渐降低;由图5可知,甲醇流量的增大使净化气75-70-65-60-55-50-45-40-35甲醇温度/℃中CO2和H2S的摩尔分数逐渐减小。而且,为了使净化气满足控制指标,甲醇的流量需位于[2840,摩尔分数:1-C02;2-H2S3120](kmol/h),即吸收塔的液气比需满足图7甲醇温度与净化气中CO2、H2S[0.34804,0.42588]。摩尔分数的关系图现代化工第34卷第10期定得过低,因为如此会增加生产成本,且吸收效果的表5液气比随甲醇温度的变化提高幅度也很小。甲醇原料气净化气净化气3.2.3分流分率的灵敏度分析甲醇用量温度/流量在酸性气体吸收塔中,侧线抽出119流股与℃(kmM-h-y)(kmlh-)CO2摩H2s摩液气比尔分数尔分数116流股的流量比即为分流分率。分流分率的值越60.858160012028172400a0601.73E-290.345249492小,从脱碳段流人脱硫段的甲醇量就越多。因此可01202826602500601.8312E-290.34639856以通过控制分流分率的值来实现对净化气中的H201202835.965300601.960E-290.347544256摩尔分数的控制。57858160012028453281006021080E-290.348616%6由图8可知,净化气中CO2和H2S的摩尔分数568581601202854.6970.026022678E-290.3493932随着分流分率的增大而逐渐增大。净化气中H2S558581600120286405350.026024411E-290.350986432摩尔分数发生变化是由于对H2S的吸收主要发生在脱硫段,增大分流分率就会减少通入脱硫段的甲548581601202873.41620.006025928E-290.35213820醇的量因此分流分率的变化对净化气中H2S的摩53.85816001202883.40310.006027794E-29035335703尔分数影响较大。而由于CO2的吸收主要是在脱2858160.0102893.0790.02603.007E-290.354543339碳段进行的,净化气中CO2摩尔分数受分流分率变-51.858160.012029044060.063.2689E-290.355690m27化的影响相对较小。当分流分率<0.9427时,净化50.858160.012029102429000614.2049E-030.356646890气中的CO2和H2S的摩尔分数才能同时满足控制49.858160.01202921.16600.00613.8832E-290357985503指标。48858160.0120299052880.00614.24E-90.3591329033.00E-02847.858160.0120299.89130.0614.6751E-290.3608026700315250E-028468581600120249254100614%62E-290.361427667不0.03052.00E-02845.8581600120261.73770.02605.2583E-290.36295751800300150E-0284485816001202971.1050.0605.6720E-2903641049181.0oE02843.85816001200.00606.2753E-290.365252318880900920940960.981.000E-029485816001200.06069585E-29036639%681分流分率41.85860.0120299.18860067.7316E-20367547082摩尔分数:1-CO2;2-H2S40.858160.0120300.4876002608.6231E-290.36809213图8分流分率与净化气中CO2、H2S39.85816001203018.8500.06094586E-2903696588摩尔分数的关系图388581600123028.83720.0061.0623E-2803711804833.3优化分析-37.8581600120339.136100601.1751E-280372442603.3.1甲醇温度变化所需的液气比36858601203048.81090.02604.2007E03037368237在原料气流量和组成不变的基础上,分析了当甲醇的温度在-60.85~36.85℃变化时的液气比调0.375整问题,要求净化气中CO2的摩尔分数控制在0.365(2.6±0.01)%,H2S的摩尔分数≤0.1×10-6。书表5是酸性气体吸收塔液气比随甲醇温度的变化由表5和图9可知,在酸性气体吸收塔中,若吸收剂甲醇的温度增大,应该相应地增大吸收剂甲醇65-60-5550-45-40-3甲醉温度/℃的流量,即增大液气比以保证净化气中CO2和H2S的摩尔分数基本保持不变;反之,若甲醇的温度降图9液气比随甲醇温度的变化趋势图低,应相应调小液气比。液气比与甲醇温度的变化3.3.2原料气中CO2摩尔分数变化所需的液气比曲线近似为线性关系,同时还要注意增大甲醇流量要求净化气中CO2的摩尔分数控制在(26±时避免液泛现象的发生。0.01)%,当原料气中CO2摩尔分数的变化时,确定2014年10月王亚亚等:低温甲醇洗酸性气体吸收塔模拟分析出相应的甲醇用量及液气比。酸性气体吸收塔进行模拟的结果与工艺包数据拟合由表6和图10可知,在酸性气体吸收塔中,若精度较高,适用于进行灵敏度分析和优化分析原料气中CO2摩尔分数增大,应相应地增大吸收剂2)在酸性气体吸收塔的模拟分析中,可知酸甲醇的流量,即增大液气比以保证净化气中CO2的性气体吸收塔中CO2的吸收主要发生在脱碳段摩尔分数基本不发生变化;若降低原料气中CO2分在脱硫段的吸收量很小,主要是因为脱硫段的富数,应当相应调小液气比。甲醇浓度较高(-15℃左右),即当甲醇洗涤剂的表6液气比随原料气CO2摩尔分数的变化温度高于-15℃时,CO2的溶解度很小,这也说明原料气中原料气净化气中净化气中流量甲醇流量了中段冷却的必要。且CO2在脱碳段的吸收主要尔分数(kmh)( kmol-, Co2摩H2S摩液气比CO2摩集中在粗吸段、主吸段、精吸段的前几块塔板上,尔分数尔分数0.409816.0102993.570900611.005E-290.36689H2S在脱硫段的吸收也主要集中在前几块塔板上,这是由于在段间将流股引出进行了冷却,导致每0.3929816001202985.76880.02601.1194E-290365903个塔段的前几块塔板上的吸收剂温度低,吸收效0.382981600122973.285000611.3348E-290364373果好。0.37298601202967.04320.02601.4738E-290363608(3)考察了3个操作变量,即甲醇的流量、温度0.36298160.01202952687100991.6359E-290361848和分流分率对酸性气体吸收塔吸收过程的影响,进0.35298160.01202943.3244002591.9320E-29036701行了灵敏度分析。结果表明,甲醇流量的增大使出0.3429816001202928.34402319E-290口气中CO2和H2S的摩尔分数减小使出口气温度0.3329816001202917.421026763E-290降低,在此工况下,甲醇的流量须位于[2840,0.32298160010290244060.02603.2689E-290.355913120](kmol/h),即吸收塔的液气比需满足8160.0120288683610.06040004E-290.35378[0.34804,0.42588],才能使出口气满足分离指8160.012028712315002604.7435E-290.351866标;若甲醇温度升高,则净化气中CO2和H2S的摩0.2929816001202853.75440.0605.7392E-290349724尔分数增大,净化气的温度也逐渐升高。在此工况8160.01202834.404800607.2043E-29034735下,甲醇的温度需低于-48.85℃才能使出口气达到8160.01202812800.0609.179E-290.34714分离指标;分流分率值的改变对净化气中H2S摩尔分数的影响较大,增大分流分率值,净化气H2S摩0.26298160.01202791.0244002601.1917E-280342037尔分数也逐渐增大,且分流分率应<0.9427,净化0.25298160.012027042630.0601.5355E-280.33951气中关键组分的摩尔分数才能满足要求。当甲醇的0.24298160012027143.2440.06020658E-280.336185温度和原料气中CO2摩尔分数发生变化时,可以适当地调整液气比来使净化气关键组分的摩尔分数满0.3700.365足要求。参考文献0.3500.345[1]孙津生,李燕.低温甲醇洗工艺流程模拟——甲醇洗涤塔的模拟0358240280.32036[冂].甘肃科学学报,2007,19(2):50-53原料气CO摩尔分数[2]张述伟曲平,胡乃平,等.人工神经网络在低温甲醇洗系统优化图10液气比随原料气CO2摩尔分数变化趋势图中应用[J].大连理工大学学报,2001,41(1):50-5[3]朱世勇环境与工业气体净化技术[M].北京:化学工业出版社,4结论[4]刘健张述伟孙道青低温甲醇法净化天然气工艺流程的研究通过对酸性气体吸收塔的模拟、灵敏度分析、优[J].天然气化工,2007,32(5):47-50化分析,可以得到以下结论。[5]赵黎明低温甲醇洗流程模拟及塔内结构三维可视化设计系统(1)在设计工况下,选择NRTL热力学模型对研究[D].天津:天津大学,2008.■