低溫甲醇洗工藝酸性氣體吸收流程的模擬計算

2010,20(5)宮萬(wàn)福等低溫甲醇洗工藝酸性氣體吸收流程的模擬計算低溫甲醇洗工藝酸性氣體吸收流程的模擬計算宮萬(wàn)?！と~鑫呂建寧惠生工程(中國)有限公司北京100102摘要利用工藝流程模擬軟件PRO/對低溫甲醇洗工藝酸性氣體的吸收流程進(jìn)行模擬計算。通過(guò)對熱力學(xué)方法的分析對比,選用誤差相對較小的 SRK-Simsci方法,將修正后的熱力學(xué)方法用于酸性氣體的吸收計算,并對甲醇流量進(jìn)行靈敏度分析,結果表明,所建方法適用于低溫甲醇洗工藝酸性氣體的吸收計算。關(guān)鍵詞低溫甲醇洗PRO熱力學(xué)模型低溫甲醇洗工藝是由德國林德( Linde)公司和魯奇( Lurgi)公司在上世紀五十年代共同開(kāi)發(fā)的一種酸性氣體凈化工藝,是目前國內外公認的最為經(jīng)濟且凈化度高的氣體凈化技術(shù),具有黑[畫(huà)凈化氣質(zhì)量好、凈化度高、CO2<10pm、H2S<0.lpm、能選擇性吸收H2S、COS和CO2,可分別脫除和再生、溶劑價(jià)廉易得、能耗和運轉費用低等其它脫硫、脫碳技術(shù)不能取代的特點(diǎn)。求取氣體在甲醇中溶解度是低溫甲醇洗工藝計算的關(guān)鍵,然而這些數據在通用的手冊中卻很圖1兩臺吸收塔酸性氣體吸收流程難查到,該體系的氣液平衡數據作為林德和魯奇公司的專(zhuān)有技術(shù)未曾公開(kāi)發(fā)表。高壓低溫下氣體塔1用來(lái)凈化合成甲醇的原料氣。來(lái)自變換在甲醇中溶解的享利系數和溶解度系數報道更工段的原料氣經(jīng)冷卻后進(jìn)入分離罐Ⅵ進(jìn)行氣液少,就目前公開(kāi)發(fā)表的文獻而言",不能完全分離。分離出液體后的原料氣進(jìn)入脫硫段的底滿(mǎn)足低溫甲醇洗工藝計算的需要。部,用低溫貧甲醇洗滌。分離罐ⅥI底部的甲醇利用工藝流程模擬軟件PRO的化學(xué)組分和水的混合物送甲醇水分離塔分離。數據庫和熱力學(xué)方法,通過(guò)對二元交互作用參原料氣在吸收塔與低溫貧甲醇逆流接觸,利數、溶解度系數等參數的修正,建立了低溫甲醇用CO2、H2S等酸性氣體在低溫甲醇中溶解度大洗工藝吸收流程的計算模型,不僅可以對現有生的特性達到凈化原料氣的目的。為了移走CO2產(chǎn)裝置進(jìn)行模擬分析,為生產(chǎn)提供改進(jìn)建議、增在甲醇中的溶解熱,在吸收塔的段間要設置冷卻加經(jīng)濟效益,還可滿(mǎn)足新項目工程設計的需要。器,將甲醇吸收劑冷卻到最佳吸收溫度,保證CO2的充分吸收。1流程簡(jiǎn)介塔2用來(lái)凈化來(lái)自變換工段的未變換原料低溫甲醇洗工藝通常由吸收塔、CO2產(chǎn)品氣,其流程與塔1類(lèi)似。凈化后的未變換原料氣塔、H2S濃縮塔、熱再生塔、甲醇/水分離塔箏送冷箱生產(chǎn)CO產(chǎn)品。塔2中部抽出的富甲醇構成的五塔流程,依下游產(chǎn)品的不同,可設置成液,部分返回塔的脫硫段,一部分經(jīng)冷卻后送臺或多臺吸收塔。圖1為某項目采用兩臺吸收塔1上段的中部繼續用作為吸收劑,充分利用甲塔吸收酸性氣體的工藝流程。醇的吸收能力,減少吸收劑循環(huán)量,降低能耗?！m萬(wàn)福:工程師。2002年畢業(yè)于黑龍江科技大學(xué)礦物加工專(zhuān)業(yè)。一直從事煤化工技術(shù)研究工作。聯(lián)系電話(huà):(010)8478471620,13520072193,E-mail:gongwanfu@wison.comCHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設計2010,20(5)在工藝模擬過(guò)程中,吸收塔的模擬計算難度法為依次點(diǎn)選PRo界面的 Output/Report/Mis最大,同時(shí)也是最重要的。為表述及分析方便并 cellaneous Dal…,打開(kāi) Miscellaneous Report0p使模擬過(guò)程易于收斂,將吸收塔分為脫硫段、粗ons界面,點(diǎn)選 Include Thermodynamic Date In吸段和主吸段(精吸段)分別進(jìn)行模擬計算。 put Parameters選項,即可在輸出報告中查看該2熱力學(xué)方法的選擇及修正熱力學(xué)方法中各組分間的二元交互作用參數。SRK-Simsci熱力學(xué)方法是英維思公司優(yōu)化的在低溫甲醇洗工藝酸性氣體的吸收過(guò)程中,一種立方型狀態(tài)方程,它采用新的混合規則,彌存在一個(gè)H2-N2 Co-Ar-CH4-CO2-H2SC0-補了PR型狀態(tài)方程混合規則的不足,不僅適用CH2OHH2O所組成的十元體系的氣液平衡,系于極性-非極性組分,而且適用多組分系統;它統組分多,各組分性質(zhì)差別較大,其中既含締采用新的a方程,可以更好地預測純組分的氣合、極性組分甲醇,又存在量子氣體氫,非理想相分壓,并可外推到超臨界區域,該方法適用于性很強,因而相平衡計算較為困難。低溫、高壓、輕烴或輕組分的非理想體系。對于PRO軟件提供多種用于流體的氣液平衡常數、液液平衡常數、焓、熵、密度和其他傳遞二元組分,其混合規則及a方程表示為:性能參數等熱力學(xué)計算方法,由于每種熱力學(xué)方a°(a)(1-號+法有一定的適用范圍,因此選擇合適的熱力學(xué)方2)T法是能否正確模擬該工藝的關(guān)鍵。氣液平衡計算Gu =exp(-BuHn)常采用狀態(tài)方程法和活度系數法兩類(lèi)熱力學(xué)方法,其比較見(jiàn)表1。3模擬計算結果與分析表1狀態(tài)方程法與活度系數法的比較將修正后的熱力學(xué)模型用于酸性氣體吸收過(guò)狀態(tài)方程法活度系數法描述非理想液相的能力有限可描述高度非理想液相程的模擬計算,得到的結果與原始工藝包吻合得很好,尤其是未變換氣體的吸收計算,模擬結果要求二元交互作用參數少要求大量二元交互作用參數參數可合理隨溫度外推參數不能外推,高度依賴(lài)于溫度最為理想。變換氣體與未變換氣體的吸收流程類(lèi)可描述氣液兩相只能用于液相似,因此本文只討論模擬誤差相對較大的變換氣臨界區有一致性臨界區無(wú)一致性體吸收過(guò)程?？捎糜诟邏褐荒苡糜诘蛪哼x取流程中關(guān)鍵物流103、107、115和118作為比對物流,并選取各物流中的關(guān)鍵組分作比采用低溫甲醇洗吸收酸性氣體要在低溫和高較,其模擬值、原數據及相對誤差見(jiàn)表2。壓下進(jìn)行,超出了活度系數法應用范圍,文獻中物流103是原料氣分離罐Ⅵ上部的氣相,也有類(lèi)似的報道。結合PRO/江熱力學(xué)方法選液相主要是原料氣中的水、噴淋甲醇及少量溶解擇手冊,篩選如PRP、SRKM、 SRK-Sims等幾的CO2。原料氣體在原料氣冷卻器中被冷卻到約9℃,在5.6MPa高壓下,由于分子間的吸引型用于吸收過(guò)程的模擬計算。經(jīng)過(guò)對比計算的結力,使水分子不易被分離下來(lái)而進(jìn)入底部的液相果發(fā)現,各模型用于低溫甲醇洗的計算均存在不中。原料氣帶水量高,將會(huì )造成循環(huán)甲醇中水含同程度的偏差。這是由于在低溫下,二元交互作量增加,影響吸收塔的計算。由表2中103物流用參數及溶解度系數等參數與實(shí)際值之間的誤差數據可知,修正后的SRK-Sim狀態(tài)方程法適較大,造成狀態(tài)方程法計算的結果有偏差。最終合此處的低溫含水極性體系選取其中偏差最小的 SRK-Simsci熱力學(xué)模型,并參照PRO/輸出報告中二元交互作用參數的物流107是吸收塔1頂部的氣相,結果溫度的誤差稍大,但小于2%,而塔2頂部氣相的溫設定值,利用原數據回歸,然后對組分間的二元交互作用參數及溶解度系數等參數進(jìn)行修正,將度誤差要小得多。分析原因,塔2中部抽出的一股富甲醇液經(jīng)冷卻后進(jìn)塔1的精餾段,對此處的修正的模型用于低溫甲醇洗酸性氣體的吸收計吸收造成干擾,影響塔1內部溫度分布。算。查看PO/Ⅲ報告中二元交互作用參數的方2010,20(5)宮萬(wàn)福等低甲醇洗工藝酸性氣體嗄收流程的模擬計算表2酸性氣體吸收過(guò)程關(guān)鍵流股主要成分的對比(溫度,℃)(kmo/h)流量模擬原數據誤差模擬原數據誤差擬原數據誤差原數據誤差2799.322799.25250E051693.171693.773.54E445690.64569.927.52E041650.031650.865.05E04溫度9.419.401.06E0329.451.66E0212.69-12.616.65E0317.187225.54E03H21288851287.669.24E04127.041270.772.12E0428.6128.513.51E038.298.201.10E02c0290.51290.70654E0429.54294.16129E0321.5821.799.64E035.915.968.39E03cO21199451200.20625E04116.11116.866.46E031681.521685.03208E03531.55530.651.69E03H2s6.586.546.12E036.576.545.20E033938.713938.721.74E061091.701093.511.66E0H2O0.200.200.00E+0019.7819.782.7E0555.699.32E04物流115和118是吸收塔底部及中部的液混合后CO2摩爾分率在3%-5%之間,出口氣相,由表2可知,模擬結果很理想。本文對吸收體CO2含量的摩爾分率要求在69%~95%范塔段間換熱器的熱負荷進(jìn)行比較,見(jiàn)表3。圍內。甲醇物流110流量的靈敏度分析見(jiàn)表4。表3吸收塔段間換熱器的熱負荷從表4可以看出,隨著(zhù)甲醇流量的增大,出模擬值設計值誤差口氣體中CO2和H2S的摩爾分率減少,出口氣(kW)體溫度逐漸降低。甲醇流量與出口氣體CO2摩繞管換熱118-0.54爾分率關(guān)系見(jiàn)圖2。丙烯深冷器由以上的分析可知,采用修正的 SRK-Simsci狀態(tài)方程可以很好地模擬低溫甲醇洗工藝酸性氣體的吸收過(guò)程。4靈敏度分析001250130013501400145015001550醉流量(kmo/h通過(guò)靈敏度分析,一方面可以指導生產(chǎn),增圖2甲醇流量與出口氣體CO2摩爾分率關(guān)系圖加經(jīng)濟效益;另一方面也可以考察所建立模型對操作條件變化的靈敏性4.2分流分率靈敏度分析4.1甲醇流量靈敏度分析本文的分流分率是指物流117與物流115流吸收塔出口氣體中CO2和H2S的摩爾分率量的比值,其值越大,表明進(jìn)入脫硫段的甲醇吸收劑流量越大。出口氣體中H2S的摩爾分率可必須滿(mǎn)足一定的設計控制指標。仍以變換氣吸收通過(guò)控制分流分率來(lái)調節,分流分率的靈敏度分塔1為例,為保證出口氣體與冷箱出來(lái)的富氫氣析數據見(jiàn)表5。表4甲醇流量靈敏度分析從表5可以看出,分流分率的變化對H2S摩流量出口氣體溫度出口氣體CO2出口氣體H2S(kmov/h)摩爾分率)(摩爾分率)爾分率影響較大,對CO2摩爾分率影響較小237625.426.02212E12經(jīng)過(guò)脫硫段后,原料氣中硫化物組分的摩爾分數67.625.950.08985.05711E-12一般小于lppm。分流分率與T1-1塔頂H2S摩297.6爾分率的關(guān)系見(jiàn)圖3。1327.626.913.85979E-121357.6-27.40081733720E125結語(yǔ)1387.6-27,890.0790293934E121417.628.400.07642.56744E12(1)本文依托PROⅡ軟件平臺,分析篩選1447.628.920.07372.24292E了適合預測低溫、高壓、非理想性的熱力學(xué)方1477.629.430.0111,95857F法,并利用修正的模型模擬了某項目低溫甲醇洗1507.60.068570962E-12工藝酸性氣體的吸收流程。CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工設計2010,20(5)表5分流分率靈敏度分析的模擬計算。nh)(kmLh)分流分率流量115流量105H2S105c02摩爾分率摩爾分率考文獻0805711.390.199.35313E050.42051皮銀安,低溫甲醇洗相平衡模型和氣液平衡計算(1)11805711.680.214.2098E05相平衡模型[J].湖南化工,1997,27(4):1-52805708560.221.69272052皮銀安,低溫甲醇洗相平衡模型和氣液平衡計算(2)5705140.246.75596E060.4188氣液平衡計算[J]湖南化工,1998,28(1);1514805701590.262.75058E060.418015805697.950.281.15504E060.41723戴文斌,唐宏青.低溫甲醇洗工藝氣體溶解度的計算[].計算機與應用化學(xué),194,1l(1):44-5117805690.320.312.26117E070.41544周建鈞.林德低溫甲醇洗流程模擬化學(xué)工程[J]8805686.820.331.05782E070.41461993,21(2):50-519805682740.355.08968E080.41375張述偉,陸明亮,徐志武低溫甲醇洗系統模擬與分析6管風(fēng)寶,張述偉,關(guān)威,低溫甲醇洗流程模擬系統界面的完善與應用[J].化工設計通訊,2006,32(4):7關(guān)威,張述偉,管風(fēng)寶,城市煤氣低溫甲醇洗凈化工藝模擬與改造研究[刀.化肥設計,2006,44(6):170.180.200.250.300.350.408孫津生,李燕.低溫甲醇洗工藝流程模擬一甲醇洗滌分流分率塔的模擬[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2007,19(2):50圖3分流分率與T-塔頂H2S爾分率關(guān)系53(2)從模擬結果與原數據的比較可知,誤9顧衛忠。低溫甲醇洗吸收流程的仿真研究[D].杭州:差基本在1%以?xún)?模擬結果十分理想,可用于浙江大學(xué)材料與化工學(xué)院,2006.(修改回稿2010-06-07)指導生產(chǎn),并可以滿(mǎn)足工程設計的需要。修正后的模型適用于低溫甲醇洗工藝酸性氣體吸收流程上樓第13頁(yè))3改造后運行情況降低至15.55/h,噸原料能耗由643.79M降低至610.38MJ,各項指標均達到了設計要求。改造后裝置運行平穩,其主要運行參數與改造前的對比見(jiàn)表1。結語(yǔ)表1改造前后裝置的主要運行參數對比(1)改造后的裝置運行平穩,凈化水的各項目改造前改造后項質(zhì)量指標均達到設計要求,重沸器進(jìn)料抽出斗凈化水中H2S含量,等的合理設計是改造成功的關(guān)鍵。凈化水中NH含量,'g(2)裝置改造成本低、工作量少,在塔裙凈化水至污水處理場(chǎng)流量,t/h(另有8.0/h去電脫鹽注水)15.55座高度僅為2m的情況下改造成功,為同類(lèi)裝置l.0MPa蒸汽耗量,kg/h的改造提供可借鑒的經(jīng)驗?；厥漳Y水量,kg/h4270噸原料能耗,MJ610.38參考文獻由表1可見(jiàn),改造后凈化水中H2S含量