低溫甲醇法凈化天然氣工藝流程的研究

第5期劉健等:低溫甲醇法凈化天然氣工藝流程的研究低溫甲醇法凈化天然氣工藝流程的研究劉健,張述偉,孫道青(大連理工大學(xué)化工學(xué)院,遼寧大連116012摘要:利用合適的熱力學(xué)模型和通用流程模擬軟件,對天然氣低溫甲醇洗凈化工藝流程進(jìn)行了模擬,設計出了簡(jiǎn)化的甲醇洗工藝流程并進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)模擬分析確定了系統的最優(yōu)工藝參數關(guān)鍵詞低溫甲醇洗;天然氣凈化;工藝開(kāi)發(fā);優(yōu)化中圖分類(lèi)號:TQ064文獻標識碼:B文章編號:1001-9219(2007)054704天然氣與煤炭、石油并稱(chēng)為世界一次能源的三表1常用的吸收方法和低溫甲醇洗的比較大支柱隨著(zhù)世界經(jīng)濟的發(fā)展,石油危機的沖擊和 Table1 Comparison between common absorption煤、石油所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴重能源結構processes and Rectisol process逐步發(fā)生變化天然氣的消費量急劇增長(cháng)。天然氣凈化方法溫度歷力,進(jìn)口。出口頓)吸數能作為優(yōu)質(zhì)干凈的燃料和重要的化工原料,其應用越z醇胺法(MEA)442.820100-20018-25來(lái)越引起人們的重視,加快天然氣工業(yè)的發(fā)展已成為當今世界的趨勢。我國擁有較豐富的天然氣資低溫甲醇法-30--703.233源最近十年,我國天然氣產(chǎn)量增長(cháng)迅速,開(kāi)發(fā)應用的步伐正在加快。目前天然氣凈化過(guò)程中常用的方法大多采用溶天然氣凈化主要是指水分和酸性氣體的脫劑吸收法進(jìn)行預處理,再采用沸石分子篩吸附進(jìn)行除。天然氣中的酸性氣體主要是指CO2和H1S等深度凈化。表1給出了幾種常用吸收方法和低溫甲雜質(zhì)氣體。氣體凈化方法有氣液吸收、氣固相催化醇洗技術(shù)的比較4。從表1中可以看出低溫甲醇洗技術(shù)凈化氣體的轉化圄固體吸附、分子篩分離膜分離等,但是用得最凈化度要優(yōu)于其他幾種吸收方法。在天然氣后續的為廣泛的還是氣液吸收。低溫甲醇洗技術(shù)就是一種液化過(guò)程中溫度要降低到-135℃以下,為防止天有效的氣體凈化的方法。本文以某天然氣為原料然氣中的H120和CO2在此溫度下結冰而阻塞設備氣,用通用化工流程模擬軟件模擬并設計出了符合管道,要求將原料天然氣中的d(H2O)降到01x實(shí)際工況的工藝流程對各系統參數進(jìn)行了優(yōu)化凈104以下d(CO2)降到(50-100×10左右,凈化化后的天然氣各項指標都達到了要求。要求比較苛刻而采用低溫甲醇洗技術(shù)能滿(mǎn)足天然1低溫甲醇洗工藝介紹氣凈化的苛刻要求。低溫甲醇洗法是利用低溫下(-30℃-2天然氣低溫甲醇洗工藝流程的開(kāi)發(fā)70℃)甲醇溶劑的優(yōu)良特性脫除原料氣中的輕質(zhì)設計油、CO2、H2S、硫的有機化合物和氰化物等的物理吸21工藝流程介紹收法。低溫甲醇洗法的特點(diǎn):吸收能力大,氣體凈化低溫甲醇洗是一種技術(shù)先進(jìn)和較為經(jīng)濟的凈化度高出口氣中(CO2)可脫除至(10-20)×106,能方法,典型的低溫甲醇洗工藝流程如圖1所示該流將無(wú)機硫和有機硫脫除干凈(總硫小于0.1x×10);程由5個(gè)塔構成,即吸收塔(C1)、CO2解吸塔作為吸收劑的甲醇易得,價(jià)格低廉;選擇性好,甲醇對(C2)H2S濃縮塔(C3)、甲醇熱再生塔(C4)和甲醇CO2H2S、C0s的溶解度大但對H2、C0、CH4的溶解水分離塔(C3)。根據原料氣組成及凈化度要求的度小;沸點(diǎn)低,它的熱再生溫度低,能耗低。不同V中國煤化工形式多種多樣但是稿日期:20作者簡(jiǎn)介劉健(189男碩土生,發(fā)設計時(shí)。CNMHG藝流程基礎上新開(kāi)天然氣化工2007年第32卷METHANOI圖1典型的低溫甲醇洗工藝流程圖Fig. 1 Flow digram of typical Rectisol process根據某天然氣的實(shí)際工況條件(見(jiàn)表2),對典42℃后進(jìn)入v3罐閃蒸,閃蒸出的氣體送出界區進(jìn)型的“五塔”工藝流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化:燃料系統,罐底的甲醇液返回Ⅴ2,用以回收甲醇。(1)由于粗天然氣中不含硫化氫,可省去吸收貧甲醇從C2塔底出來(lái)后經(jīng)換熱降溫后送到吸收塔塔的脫硫段,同時(shí)省去H2S濃縮塔C3。頂。系統中多臺的換熱器組成的換熱網(wǎng)絡(luò )用以回收(2)由于粗天然氣中不含水,可省去甲醇水分冷量并保證必要的工藝條件1。離塔C5(3)由于粗天然氣中不含硫,CO2含量較低,可進(jìn)燃料系統尾氣凈化氣以用閃蒸罐來(lái)代替CO2解吸塔C2。為了能更好地通過(guò)以上分析最終得出符合該實(shí)際工況的簡(jiǎn)M解吸出氣體中的CO2氣體本流程采用兩級閃蒸化的甲醇洗凈化工藝流程,只保留了典型甲醇洗流程的吸收塔C1和甲醇熱再生塔C4,新的簡(jiǎn)化的工藝流程見(jiàn)圖2。天然氣進(jìn)入吸收塔(C1)塔底,塔頂部用-55℃的貧甲醇洗滌原料氣中的CQ2,從C塔塔頂采出的氣C吸收塔V一級閃蒸罐;V2一二級閃蒸罐,Gc_甲醇體為凈化氣,其中d(CO2)<20×10°。從吸收塔底熱再生塔圖2設計出的天然氣凈化低溫甲醇洗工藝流程圖出來(lái)的含有CO2的甲醇液減壓至1.8MPa并換熱后Fig. 2 Flow diagram of designed Rectisol process for進(jìn)入Ⅴ1罐,閃蒸出溶解的CH4及少量CO2等氣體經(jīng)增壓并降溫后與進(jìn)料天然氣匯合,以回收CH。從V罐出來(lái)的甲醇液再次減壓至0.MPa后送入2.2吸收塔C的模擬與優(yōu)化第二級壓力的2罐閃蒸出溶解在甲醇中的CH4和在吸收甲醇溫度和吸收塔的理論板數一定時(shí),CO2等氣體。氣相是含有CO2的甲烷氣這部分氣影響天然氣凈化效果的關(guān)鍵因素是吸收塔的循環(huán)甲體經(jīng)加壓后與V罐閃蒸出的氣體匯合返回進(jìn)料天醇量。然氣管線(xiàn),通過(guò)此方法,可以保證進(jìn)料天然氣中的甲從圖3可知洗滌甲醇用量越多,則凈化氣中的烷回收率達到9.5%以上。從V2罐底部出來(lái)的液C2含量越低但是當循環(huán)甲醇用量達到一定量后體送人甲醇熱再生塔C2上中部,C2塔塔底得到貧甲此時(shí)中國煤化工必再繼續增大,否醇塔頂得到主要成分為烷烴和CO2的燃料氣。從則CNMH較合適的甲醇用C2塔塔頂再生出的氣體還含有一定的甲醇,降溫至量可以取160kgh,此時(shí)滿(mǎn)足天然氣凈化的要求第5期劉健等:低溫甲醇法凈化天然氣工藝流程的研究恒定了。塔底的熱負荷隨著(zhù)回流比的增大而線(xiàn)性增00010大。為了減少塔底的熱負荷,并能使熱再生的甲醇g00液濃度達到指標要求取回流比為1.465000000209999塔底甲醇液純度·善魯■塔的熱負荷001200001400001600000610141.82224循環(huán)甲醇用量/ghC塔回流比圖3循環(huán)甲醇量對凈化氣中CO2含量的影響圖5C2塔回流比對塔底甲醇液純度和塔底熱負荷的影響Fig. 3 Efect of circulated methanol on CO, fraction ofFIg. 5 Erect of refux radio of C, column on purity ofmethanol and heat duty of column bottom23熱再生塔C2的模擬與優(yōu)化熱再生塔C2是讓甲醇再生的關(guān)鍵塔,在此塔中628487溶解在甲醇液中的CO2等氣體從溶液中解吸出來(lái)628486牴從而使甲醇溶液再生。再生后的貧甲醇液再經(jīng)過(guò)62845系列的換熱器冷卻后去洗滌塔C1塔頂重新吸收塔底甲醇液度cO2等酸性氣體,從而達到甲醇的循環(huán)利用。影響62848.3塔底貧甲醇液的純度主要因素為理論板數、回流比和進(jìn)料位置。圖6C2塔進(jìn)料位置對塔底甲醇液純度和塔底熱負荷1.0000Flg. 6 Efect of position of feed stage of Column on pu09998rity of methanol and heat duty of column bottom如圖6所示,隨著(zhù)進(jìn)料板位置的下移塔底甲醇液的甲醇濃度變小,而且塔底的熱負荷也呈增大的趨勢。當進(jìn)料位置在第2塊理論板上時(shí),塔底貧甲09992醇液的CH12OH摩爾含量最大,而且此時(shí)的C2塔底熱負荷最小,因此選進(jìn)料位置為第2塊理論板。099903系統參數最優(yōu)的全流程模擬101112C塔理論板數確定了最優(yōu)的各塔理論板數循環(huán)甲醇量最佳圖4C2塔理論板數對塔底甲醇純度的彩響回流比和最佳進(jìn)料位置后,對全流程進(jìn)行了最優(yōu)化Fig.4 Effect of theoretical plates of C2 column on purity模擬。表2所示為全流程模擬的關(guān)鍵流股數據of methanol of column bottom整個(gè)工藝流程的公用工程消耗如下表3所示。從圖4可以看出理論板數越多塔底的貧甲薛4結論純度越髙。當理論板數達到10以后,塔底液甲醇所占摩爾分數基本恒定了,因此選10塊理論板較合通時(shí)公折工給點(diǎn)的際組成工況條件,設適。計開(kāi)發(fā)中國煤化溫甲醇洗新工藝從圖5可以看出,回流比越大,熱再生塔的分離流程CNMHG定了最優(yōu)的工藝效果越好,當回流比達到14以后,甲醇的純度幾乎參數。這一新流程不僅可以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求,而天然氣化工2007年第32卷寢2全流程模擬的關(guān)鍵流股數據劑價(jià)廉易得,是值得推廣的一種天然氣凈化方法。Table 2 Simulation data of key streams of totalrocess flow參考文獻原料天凈化天進(jìn)燃料主要流股數據然氣然氣統的進(jìn)C1的[1]牛剛,黃玉華低溫甲醇洗技術(shù)在天然氣凈化過(guò)程中冷甲醇的應用[門(mén)].天然氣化工,2003,28(2)2629尾氣溫度/℃60壓力/MPa0.3摩爾流率/kmo/h4000.003873.0127.224993.07wm四BACKONE equation for theJ]. Energy Fuels, 2004, 18質(zhì)量流率/kgh685444163256.785295159988.82(8):938951組分/md%CH0.94700.97610.05962.06E17[3]羅小武天然氣凈化工藝技術(shù)研究與應用[J].天然0.00550.00380.05705.46E-13氣與石油2006,24(2):31-330.0081.85E070.0252214E10[4]王建國薛天祥合成氨凈化方法的選擇剖析與經(jīng)濟n-CAHIo0.00018.25E140.00312.85E08比較[門(mén)]煤化工,2000,28(3):35i-C,,o0.00011.50E110.00312.87E090.01920.019836.26E068.68E[5]林珩薛天祥低溫甲醇洗法凈化羰基合成氣[門(mén)]小0.02712.40E050.85148.96E11氮肥,2002,23(4):10-13.He0.00020.00028.42E097.26E29[6]張述偉俞裕國,王長(cháng)英,等.用低溫甲醇凈化不含硫CH,O0.00005.20E050.00050.9999原料氣的工藝流程簡(jiǎn)化[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報表3能耗一覽表1999,13(6):518522Table 3 The table of consumed energy[7]姚平經(jīng)全過(guò)程系統能量最優(yōu)化綜合[M]大連:大連理工大學(xué)出版社,1995:16-29目電/kW冷卻水//h0.5MPa蒸汽/vh冷量/kW[8] Linnhoff B, Ahmad S. Cost optimum heat exchanger消耗值17970288.07.41906.0networks: minimum energy and capital using simple且流程結構簡(jiǎn)單能耗較少,經(jīng)濟實(shí)用。用低溫甲醇models for capital cost[ J ] Comput Chem Eng, 1990.14(7):729-750.洗技術(shù)凈化天然氣凈化度高溶劑吸收能力大且溶The Rectisol Process for Natural Gas PurificationLU Jian, ZHANG Shu-wei, SUN Dao-gingDepartment of Chemical Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116012, China)Abstract: The Rectisol process for purifying nature gas was simulated using an appropriate thermodynamic modeland the current simulation software. A simplified Recisol process was designed and optimized and the optimalprocess parameters were determined by the simulation and analysisKey words: Rectisol process; natural gas purification; process development; optimization動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)訊式的意義。大連化物所甲醇制烯烴技術(shù)將建百萬(wàn)噸級裝置我國最大的天然氣制甲醇項目投產(chǎn)9月17日,中科院大連化學(xué)物理研究所與神華包頭煤2007年9月,內蒙古博源聯(lián)合化工有限公司100萬(wàn)ta化工有限公司集團在北京舉行了180萬(wàn)∽a甲醇制烯烴的天然氣制甲醇項目正式投產(chǎn)。博源甲醇項目由內蒙古遠(DMTO)技術(shù)許可轉讓合同簽訂儀式。這是繼今年8月“陜興能源股份有限公司和美國西格瑪投資集團有限公司共同西榆林20萬(wàn)噸/年煤基烯烴工業(yè)化示范項目"DMTo技術(shù)許投資興建。遠興公司原有35萬(wàn)va甲醇裝置。該100萬(wàn)v可轉讓合同簽訂后大連化物所與企業(yè)簽訂的首個(gè)百萬(wàn)噸級新裝黑用CA司和MP公司國際先進(jìn)的工藝DMO工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)許可轉讓合同。這標志著(zhù)具有自主知技術(shù)中國煤化工保安全穩定運行,且能識產(chǎn)權的DMTO技術(shù)在走向大規模產(chǎn)業(yè)工業(yè)化的道路上邁CNMHG利用實(shí)現了零排放,出了關(guān)鍵的一步對我國清潔煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有里程碑概算總投資14.72億元