低溫甲醇洗全貧液與半貧液流程模擬及對比

Feb.2016化肥設計第54卷第1期Chemical fertilizer design2016年2月低溫甲醇洗全貧液與睿貧液流程模擬及對比李蒙,馬炯(中石化南京工程有限公司,江蘇南京211100摘要:低溫甲醇洗全貧液與半貧液流程吸收塔冇Σ個(gè)關(guān)鍵不冋點(diǎn):①吸收塔上部脫碳段全貧液流程吸收液為Ⅰ股,半貧液流程為2股;②全貧液流程吸收塔Cλ吸收段分3段,半貧液流程吸收塔C吸收段分2段。采用 Aspen Plus和DRP軟件分別對低溫甲醇洗全貧液和半貧液流程的吸收塔塔內件進(jìn)行模擬和對比。在流程工藝模擬基礎上對吸收塔進(jìn)行水力學(xué)計算。模擬計算結果表明,全貧液流程吸收塔能量消耗比半貧液流程髙,總體循環(huán)量比半貧液流程小,吸收塔上段塔徑比豐貧液流程塔徑小。液相負荷是吸收塔設計的決定因素,降液管液泛為塔盤(pán)限制因素。塔盤(pán)間距與塔徑成反向關(guān)系,在設計時(shí)合理増大降液管面積和塔盤(pán)間距以縮小塔徑,使吸收塔總體造價(jià)降低。關(guān)鍵詞:低溫甲醇洗;全貧液;半貧液; Aspen;過(guò)程模擬;吸收塔doi:10.3969/jisn.1004-8901.2016.01.005中圖分類(lèi)號:TQ223.121文獻標識碼:A文章編號:1004-8901(2016)01-0020-05Simulation and Comparison about the Lean Methanol Absorber Processand semi-ean methanol absorber processLI Meng, MA JiongSINOPEC Nanjing Engineering Construction Inc., Nanjing Jiangsu 211100 China)Abstract: There existed two key differences between lean methanol absorber process and semi -Hean methanol absorber process the CO, absorption sectionof lean process had one absorber material, while that of semi ean process had two absorber materials the CO, absorption section of lean process was divided into three sections, and that of semi -ean process was two sections. The software of Aspen Plus and DRP was employed to analyze the two differentprocesses and the intemals of the absorber. Hydraulic calculation of the absorber was also performed based on the process simulation results. The resultsshowed that the lean process possessed the advantages of less energy-consumption, lower recycle ratio and smaller absorber diameter compared with that ofthe semi -ean process. The liquid load the determinants for the design of absorber, and the flooding of the downpipe was the limiting factor to the tray performance. The tray spacing had a reverse relationship with the column diameter. The total cost of absorber could be reduced by decreasing the column diameter through increasing the downpipe area and tray spacing.Keywords: rectisol process; lean methanol; semi-Hean methanol; Aspen; process simulation; absorberdoi:10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.005氣體凈化方法有氣液吸收、氣固相催化轉化、化學(xué)吸收平衡線(xiàn)固體吸附、分子篩分離、膜分離等,目前工業(yè)中應用物理吸收平衡線(xiàn)最為廣泛的方法還是氣液吸收。根據吸收過(guò)程的特點(diǎn),酸性氣體的吸收過(guò)程可分為3類(lèi):物理吸收法(如低溫甲醇洗 Rectisol)、化學(xué)吸收法(如熱鉀堿)、物理化學(xué)吸收法(如o Q1,22 22吸收量/QMDEA)。物理吸收和化學(xué)吸收的典型平衡曲線(xiàn)見(jiàn)圖1物理、化學(xué)吸收平衡曲線(xiàn)圖1,曲線(xiàn)表示溶液中溶解的氣體組分(如CO2注:Q噸:物理吸收量;Q:化學(xué)吸收量和H2S)的濃度[酸性氣體的體積(m3)/吸收劑體積第1期李蒙等低溫甲醇洗全貧液與半貧液流程模擬及對比溶劑循環(huán)量受原料氣量和操作條件影響較大,吸收段分3段,半貧液流程吸收塔CO厶吸收段分2操作壓力提高、溫度降低,溶劑循環(huán)量減少。段。具體描述如下。低溫甲醇洗( Rectisol)能夠有效脫除原料氣的(1)全貧液流程是指甲醇溶劑全部采用熱再生HS、CO3和COS等組分,凈化氣中總的硫含量可脫塔中段貧甲醇,且只有這1股外供吸收甲醇來(lái)源至0.1mg/m3以下,CO2可脫至10mg/m3以下,與(見(jiàn)圖3中注1)的流程。半貧液流程是指甲醇溶劑其他吸收技術(shù)比較有一定的優(yōu)越性2,特別是在高除頂部一股來(lái)自熱再生塔中段貧甲醇外,還引1股壓、大規模的工業(yè)化裝置中,技術(shù)優(yōu)勢更為明顯經(jīng)中壓閃蒸及H2S濃縮塔頂兩級閃蒸、解析部分目前對低溫甲醇洗技術(shù)的研究廣泛開(kāi)展,其方CO2后的含CO2但不飽和的半貧甲醇(見(jiàn)圖2注1向主要是針對流程模擬34、原料氣適應性和操和注3)的流程。半貧液流程在H2S濃縮塔有部分作過(guò)程中遇到具體問(wèn)題的整改措施等方面。本半貧甲醇回吸收塔,進(jìn)熱再生塔甲醇量相應減少,文是通過(guò)流程對比,分析貧液和半貧液流程的優(yōu)缺熱再生塔設計負荷會(huì )減小,蒸汽消耗降低。點(diǎn),研究?jì)煞N流程中吸收塔的設計差異性,對工程(2)吸收塔從塔底到塔頂分為預洗段、H2S吸項目的流程配置及后續設計有指導意義收段、CO2吸收段。甲醇吸收CO2會(huì )釋放溶解熱為保持熱量平衡和吸收效果,需對甲醇溶液進(jìn)行外1流程對比循環(huán)冷卻。半貧液流程中的半貧液是含有部分CO2在吸收塔中,低溫甲醇洗工藝以物理吸收方法的低溫甲醇溶液,故可以吸收的CO2量少,同時(shí)釋將合成氣中高濃度酸性氣體除去,得到合格氣體。放的吸收熱量絕對值也會(huì )小些,全貧液流程在CO2富含CO2、H2S的甲醇經(jīng)過(guò)中壓閃蒸、解析、氣提、熱吸收段需分為3段,而半貧液流程在CO2吸收段則再生等手段解析出酸性氣體。整個(gè)流程主要有吸分為2段(見(jiàn)圖2與圖3中T101吸收塔)。同時(shí)全收塔、中壓閃蒸塔HS濃縮塔、熱再生塔、甲醇水分貧液流程在吸收塔中吸收溶劑甲醇循環(huán)量會(huì )較半餾塔、尾氣洗滌塔等6塔,半貧液流程見(jiàn)圖2,全貧貧液流程循環(huán)量(貧甲醇+半貧甲醇)小液流程見(jiàn)圖3目前,從熱量平衡角度考慮,多推薦半貧液流全貧液流程與半貧液流程的全流程設置基本程,但半貧液流程的換熱網(wǎng)絡(luò )配置較全貧液流程復理念相同,都是脫硫和脫碳分級吸收,主要區別有雜,全貧液流程工況適應性廣,兩者總體物料平衡以下2點(diǎn):①吸收塔上部脫碳段全貧液流程吸收液為及熱量平衡也有很大的區別,不能簡(jiǎn)單評價(jià)兩流程1股,半貧液流程為2股:②全貧液流程吸收塔CO2的優(yōu)劣。0氣去尾洗塔界區尾氣去回收冷量EIll尾氣去尾洗塔界區c101Ico產(chǎn)晶氣界區F112A去火矩界區凈化氣界區冷凝甲溶液界區F101A/B集壓飯含硫甲醇去熱再生界區工藝冷凝液界區cI01-吸收塔;K101-循環(huán)氣壓縮機:C102-中壓閃蒸塔:C103-H3S濃縮塔:C104-熱再生塔C105-甲醇水分離塔:C106-尾氣洗滌塔;P101AB-半貧甲醇泵:P105A/B-貧甲醇液泵化肥設計2016年第54卷CO氣去尾洗塔界區閃蒸氣去循環(huán)機尾氣去回收冷量尾氣去尾洗塔界區cO產(chǎn)品氣界區F112A/R去火炬界區冷凝甲群溶液界區吧甲F101ABPHOM AB氣提尾氣界區含硫甲醇去熱再生界區藝冷凝液界區C101-吸收塔;K101-循環(huán)氣壓縮機:C102-中壓閃蒸塔;c103-H3S濃縮塔;C104-熱再生塔C105-甲醇水分離塔;C106-尾氣洗滌塔:P101A/B-半貧甲醇泵:P105A/B-貧甲醇液泵圖3全貧液流程模擬對比2.1模擬模型對低溫甲醇洗模擬的相關(guān)文獻中,有采用T01-2PRO/件,也有采用 Aspen Plus軟件,經(jīng)過(guò)對文獻模擬結果的對比,軟件的選用對模擬結果準確度沒(méi)有明顯影響。本文中采用 Aspen Plus軟件中的嚴格精餾模塊 Radfrac對低溫甲醇洗吸收塔進(jìn)行工藝模擬,因低溫甲醇洗吸收塔是脫碳和脫硫分段φ-吸收,雖采用一個(gè)塔殼體,但內件設計時(shí)采用集液箱對各段液相進(jìn)行隔離,氣相通過(guò)升氣管進(jìn)行連通,模擬時(shí)其每段可以視作獨立的吸收塔,每段均為獨立的傳質(zhì)和氣液平衡過(guò)程圖4模擬流程在模擬過(guò)程中,為順利模擬并貼合吸收塔實(shí)際進(jìn)行模擬計算較為合適,系統模擬以SRK方程為基操作過(guò)程,吸收塔共采用4個(gè)模擬塔進(jìn)行計算,對礎物性方法進(jìn)行計算,SRK方程描述如下低溫甲醇洗吸收塔模擬的現有文獻也均采用此種RT方法0,模擬的流程見(jiàn)圖4。b Ve..+ b2.2基礎物性數據(熱力學(xué)方法和氣液相平衡)其中低溫甲醇洗物系主要含有CH3O、CO、CO2、H2、a (o t aH2S、H2O、CH4和N2等,該物系為極性物系,同時(shí)又ao是標準態(tài)混合二次函數,含有非極性和極性締合組分的體系,如完全采用活度系數方稈NRTL其模擬計算結果與實(shí)際情況會(huì )la a 1-k第1期李蒙等低溫甲醇洗全貧液與半貧液流程模擬及對比在采用狀態(tài)方程法計算此體系的相平衡時(shí)從表中的凈化氣計算結果和實(shí)際運行裝置的組分極性和體積大小差別很大,采用常用線(xiàn)性混經(jīng)驗參數來(lái)看,全貧液和半貧液流程的凈化效果均合規則就不適合。體系中甲醇和水都是強極性組可以滿(mǎn)足工業(yè)化裝置需要。分,另有CO2、H2等輕組分,必須采用更為精確的對全貧液和半貧液流程的吸收塔進(jìn)行同界面超額自由能G型混合規則, HuronⅤidal混合規則焓值對比,所有輸入焓值與輸出焓值之差見(jiàn)表2,以是考慮了組分間的強烈的非理想性的混合規則,吸收塔及輔助換熱網(wǎng)絡(luò )為系統進(jìn)行計算,其進(jìn)出物如下述方程所示流焓值差是需系統外冷量來(lái)平衡,其焓值差可用來(lái)Gn=R7lnφ-∑xR/nq評價(jià)局部流程的能耗。Aspen plus中的PSRK模型是經(jīng) Huron -vidal混表2全貧液和半貧液流程吸收塔部分進(jìn)出焓值對比合規則修正的、純物質(zhì)物性基于SRK方程描述的狀全貧液流程物流半貧液流程態(tài)方程物性方法,該模型可用于計算高溫、高壓、接序號物流名稱(chēng)焓值/(Gcal·h-1)物流焓值/(Geal,h-1)近臨界點(diǎn)等操作條件下的極性和非極性混合物。1原料氣(進(jìn))436.051本文的模擬采用以PSRK為基礎的物性方法。CO2貧甲醇(進(jìn))734.634-540.691在甲醇液中的溶解熱是模擬正確與否的重要參數,3半貧甲醇(進(jìn))-453,502對甲醇循環(huán)量有重要影響;甲醇液在高壓低溫下的4凈化氣(出)熱焓也是吸收塔熱量平衡計算的重要基礎參數;因5富碳甲醇(出)843.7821033.543高壓低溫甲醇洗體系的特殊性,軟件模擬有一定的6富硫甲醇(出)317.26681.425偏離,這就需要參考文獻數據"2,對軟件中的物7預洗甲醇(出)-13.087性進(jìn)行回歸、修正,其中調整計算CO2蒸發(fā)焓值公8合計△H7.551(8782kW)4.446(5171kW)式中的 DHVLWT(汽化熱)參數的第1項,以使模擬結果更貼近實(shí)測結果。由上表數據可見(jiàn),半貧液流程的焓差較小,說(shuō)2.3模擬結果對比明半貧液流程就吸收塔系統而言能耗較小全貧液和半貧液流程的粗原料氣輸入采用同2.4吸收塔計算參數,凈化氣按照同一純度要求進(jìn)行模擬計算,以流程平衡模擬數據為基礎,采用 ASPEN軟件對塔的水力學(xué)數據進(jìn)行模擬,以 ASPEN模擬數據為具體參數見(jiàn)表1基礎,采用DRP軟件,對吸收塔上段進(jìn)行同規格內表1粗原料氣輸入及凈化氣計算結果參數件的性能計算,以判斷不同流程對吸收塔設計的凈化氣凈化氣影響。粗原料氣(全貧液)(半貧液)吸收塔水力學(xué)計算數據對比見(jiàn)表3。操作壓力/MPa4.057表3塔水力學(xué)計算數據對比操作溫度/℃-48.6項目全貧液流程半貧液流程流量/( kmol. h-)10477.425837.995827.75組分,mo/%塔盤(pán)數55,4398.670液相從塔盤(pán)0.220.383399880399880.25111910.400.703/(m3h-1)630.00630.00748.43812.84912.12906mg0.153氣相從塔盤(pán)/(kgh-)140669140671312537120712.628568.597729.5/(m3h-)2790.652790.334358.102964.802984.994282.020.15COS3 mg/m從上表可以看出,因半貧液流程中在第39塊30μg/m330μgm3塔盤(pán)加人入半貧液,所以半貧液流程第38塊與39塊954g/m3塔盤(pán)的數據有較大差別;另外,此吸收段的氣液負24·化肥設計2016年第54卷貧液流程的塔盤(pán)進(jìn)行對比設計,分別對塔盤(pán)間距取m塔盤(pán)間距)3.09m(500mm塔盤(pán)間距),差距明450mm和500mm值時(shí)進(jìn)行計算,塔徑等相關(guān)設計顯,可以考慮分段設計,上段采用縮徑。結果見(jiàn)表4和表5。3結語(yǔ)表4塔盤(pán)設計結果對比(塔盤(pán)間距450mm)通過(guò)對比全貧液和半貧液流程和模擬結果,得項目全貧液流程半貧液流程出以下結論1塔盤(pán)數(1)半貧液流程就吸收塔系統而言,其能量利2塔盤(pán)直徑/m842.843.382.583.233.63用上較全貧液流程有一定的優(yōu)勢,可以節省冷量3塔盤(pán)截面積/m26.316.318.965.248.1910.32消耗。4有效面積/m20.610.611.090.570.791.17(2)液相負荷是吸收塔設計的決定因素,吸收5側降液管面積/m20.490.490.580.370.630.70塔塔徑取決于液相負荷的大小,在塔盤(pán)設計時(shí)要考表5塔盤(pán)設計結果對比(塔盤(pán)間距500mm)慮合理地增大降液管面積,有效地降低降液管液泛號限制因素。項目全貧液流程半貧液流程1塔盤(pán)數383953383953(3)塔盤(pán)間距與塔徑成反向關(guān)系,在設計時(shí)要2塔盤(pán)直徑/m2.712.713.242.473.093.48綜合考慮塔高與塔徑的關(guān)系,合理設計吸收塔。3塔盤(pán)截面積/m25.775.778.274.807.509.51(4)全貧液流程吸收塔塔徑設計較半貧液流程4有效面積/m0.570.5′030.540.751.11小;半貧液流程吸收塔可以采用分段、兩段不同直5側降液管面積/m20.44040.520.330.560.63徑的設計方式。(5)為更全面地了解全貧液流程和半貧液流程結合表3、45中的計算結果進(jìn)行分析,得出以的適用性,下一步將對不同原料氣組分和不同壓力下結論。原料氣與兩種流程的匹配性進(jìn)行研究,以針對不同(1)吸收塔此段以液相負荷決定塔徑等水力設計工況的工業(yè)裝置,選取合理的流程配置。學(xué)計算結果。第53塊塔盤(pán)氣相負荷全貧液較半貧參考文獻液流程稍大(4358.10>4282.02m3/h),液相負荷陳五平,命希國,合成氨生產(chǎn)工藝[D),大連:大連理工大1996全貧液較半貧液流程小(748.43<912.12m3/h)學(xué)[2]秦旭東,等,淺談低溫甲醇洗和NHD工藝技術(shù)經(jīng)濟指標對比釆用同樣的4塊溢流浮閥塔盤(pán)進(jìn)行塔徑模擬計算[].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā),2007,36(4):35-42得出全貧液流程與半貧液流程第53塊塔盤(pán)處所需〖3]卜令坤,低溫甲醇洗裝置設計工況全流程模擬[J],科技視界塔徑3.38<3.63m(450mm塔盤(pán)間距)、3.24<2012(30):376,3933.48m(500m塔盤(pán)間距),塔徑的大小趨勢與液4陳曉峰,等,低溫甲洗系統模報軟件界面開(kāi)發(fā)[],計算機與相負荷大小趨勢相同,液相負荷為此段塔操作的限應用化學(xué),2004,21(4):547-5515]謝東,等,原料氣調整后低溫甲醇洗工藝改造方案研究[J].大制條件。氮肥,2013,36(3):168-171(2)塔盤(pán)間距對塔徑有明顯影響,增大間距可(6]徐先榮低溫甲醇洗工藝甲醇消耗高的問(wèn)題探討[門(mén).氮肥技縮小塔徑,在工程設計時(shí)要綜合評價(jià)塔高與塔徑的術(shù),2009,30(3):22-相對關(guān)系對設備造價(jià)的影響。因為液相負荷作為7]郭欣,等低溫甲醇洗吸收塔的計算機模擬[J].煤炭轉化操作的限制條件,增大塔盤(pán)間距可提高操作時(shí)降液2013,36(1):89-92管中的存液高度,在同樣的溢流強度條件下,就可[8]陳志奎,等.合成氨甲醇洗流程模擬— AspenPlus應用范例冂].化學(xué)工程,1999,27(3):52-5降低降液管面積,進(jìn)而可以縮小塔徑。9]孫津生,等,低溫甲醇洗工藝流程模擬——甲醇洗滌塔的模擬(3)半貧液流程在半貧液加入盤(pán)作為分界點(diǎn),[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2007,19(2):50-53可以分為兩段,采用不同的塔徑,以在工程設計時(shí)101張述偉,等人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )在低溫甲醇洗系統優(yōu)化中的應用降低吸收塔造價(jià),全貧液流程因所需塔徑逐盤(pán)變冂].大連理工大學(xué)學(xué)報,2001,41(1):50化,分段意義不大。[1]皮銀安,低溫甲醇洗相平衡模型和氣液平衡計算(1)——相平衡模型[J].湖南化工,1997,27(4):1-5.在半貧液流程中,第38塊塔盤(pán)計算所需塔徑[12」皮銀安.低溫甲醇洗相平衡模型和氣液平衡計算(2)——氣液