低溫甲醇洗酸性氣體吸收塔模擬分析

第34卷第10期現代化工(t.20142014年10月Modern chemical industry5低溫甲醇洗酸性氣體吸收塔模擬分析王亞亞12,梁生榮,王智杰1(1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,陜西西安7100652.中國石油天然氣第一建設公司,河南洛陽(yáng)471023)摘要:利用PRO/Ⅱ軟件對低溫甲醇洗工藝中的酸性氣體吸收塔進(jìn)行了模擬,選用NRTL熱力學(xué)模型,在成功模擬的基礎上對吸收塔的3個(gè)操作變量甲醇溫度、甲醇流量、分流分率分別進(jìn)行了靈敏度分析,并進(jìn)行了吸收塔液氣比的優(yōu)化分析。關(guān)鍵詞:低溫甲醇洗;吸收塔;PRO/Ⅱ;模擬中圖分類(lèi)號:TQ223文獻標志碼:A文章編號: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低溫甲醇洗工藝是20世紀50年代初由林德公于CO2在甲醇中的溶解度,脫硫段需要的甲醇流量同和魯奇公司共同開(kāi)發(fā)的用于吸收酸性氣體的凈化也就遠遠少于脫碳段所需的甲醇流量,因此在粗吸工藝。該工藝以冷甲醇為吸收溶劑,利用甲醇在段底部設置分流器將脫碳段中部分甲醇通入脫硫段低溫(-60~-50℃)下對酸性氣體溶解度極大的就可以滿(mǎn)足脫硫段的需求,這樣塔下段的液體流量物理特性分段選擇性地吸收原料氣中的CO2、H2S、就遠小于塔上段的液體流量?？傮w來(lái)說(shuō)酸性氣硫的有機物和氰化物氣體2,是物理吸收法。該工體吸收塔是具有多級中間冷卻單級中間分流的復藝氣體凈化度高,選擇性好,技術(shù)成熟,應用廣雜吸收塔。泛-4。本文中利用PRO/Ⅱ軟件對低溫甲醇洗工在酸性氣體吸收塔模擬過(guò)程中,脫硫段、粗吸藝中的酸性氣體吸收塔進(jìn)行模擬計算,并進(jìn)行靈敏段、主吸段、精吸段分別用C0、C120、C130及度分析和優(yōu)化分析。Cl40表示,選用 Distillation模塊;換熱器用El、E2E3表示,選用 Simple HX模塊;分流器用SP表示,酸性氣體吸收塔流程選用 Splitter模塊。使用PRO/Ⅱ建立的酸性氣體吸酸性氣體吸收塔主要用來(lái)吸收原料氣中的收塔的模擬工藝流程圖如圖1所示。物流101是原O2、H2S等酸性氣體塔底通入原料氣,塔頂通入料氣進(jìn)料物流103、104、105、106都是氣體流股物貧甲醇。該塔分為上塔和下塔2部分,上塔為脫碳流11是甲醇貧液,物流12、113、114、15116段,下塔為脫硫段。脫碳段又分為精吸段、主吸段、11717A、118、119都是含有CO2、H2S的甲醇富粗吸段。由于CO2、H2S溶解在甲醇的過(guò)程中會(huì )釋液。115流股通過(guò)分流器SPl,被分成2個(gè)流股放出大量的熱量,因此需要在段間設置換熱器將甲11719,定義119和116的流量比為分流分率,通醇溶液引出并進(jìn)行冷卻,移走CO2溶解產(chǎn)生的熱過(guò)對分流分率的控制可以達到對凈化氣中H2S摩量,進(jìn)而維持甲醇溶液的吸收溫度,保證吸收塔的效爾含量的控制。率。而且由于H2S在甲醇溶液中的溶解度遠遠大收稿日期:2014-07-19作者簡(jiǎn)介:王亞亞(1989-),女,碩士生,研究方向為石油加工及化工工藝,790305085@qq.com158·現代化工第34卷第10期—108表3酸性氣體吸收塔進(jìn)料組成(摩爾分數)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在上述工況下,采用NRIL熱力學(xué)模型,模擬計算結果如表4所示。表4酸性氣體吸收塔模擬結kmol/h103104組分模擬值工藝包模擬值工藝包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組分101模擬值工藝包模擬值工藝包C1100.93013.060050.9180018CH,OH758.7640147.8680163.510圖1酸性氣體吸收塔模擬流程圖H23683.50723727.413406.28873710.1022.81492.760022.082022.40002參數設置及模擬計算H2S,.1872×10-162.96×10-43.2755×10-253.5×10-3經(jīng)過(guò)酸性氣體吸收塔的凈化,凈化氣流股106H2O0.00000.14×10-50.00034×10-7由吸收塔塔頂排出,凈化氣的摩爾分數控制指標為:8.1274132907.80998.0177CO2≤3%,H2S≤0.1×106。表1~表3分別為酸6.50515.87246.24530性氣體吸收塔塔板數據進(jìn)料條件及進(jìn)料組成。1735.21491737.321673.94581715.50表1酸性氣體吸收塔塔板數據COs9.4159×10-237.1×10-120.00002.7×10-12模塊C110C120C130C140塔板數810通過(guò)模擬計算,發(fā)現采用NRTL熱力學(xué)模型的計算結果與工藝包吻合良好,各流股關(guān)鍵組分的流量與工藝包的誤差在允許的范圍之內。表2酸性氣體吸收塔進(jìn)料條件流股溫度/℃壓力/kPa流量/( kmol-h-1)氣相摩爾分數/%3模擬分析與優(yōu)化分析10120.873607.1708160.0123.1模擬結果分析111-51.853597.038323732圖2為酸性氣體吸收塔的全塔溫度剖面圖,2014年10月王亞亞等:低溫甲醇洗酸性氣體吸收塔模擬分析159圖3是全塔氣相流股中CO2和H2S的摩爾分數剖面圖。由圖2和圖3可知,CO2主要在脫碳段被吸收,H2S主要在脫硫段被吸收,且都主要發(fā)生在每個(gè)塔段的前幾塊塔板。對于精洗段的20塊塔板,前8塊塔板上CO2的摩爾分數變化幅度較大,塔板的溫度升高幅度也較大,這是由于前8塊塔板上的甲醇2400260028003000320034003600甲醇流量/( kmolh)溫度低,吸收效果好,吸收CO2產(chǎn)生的溶解熱使溫圖4甲醇流量與凈化氣106流股溫度的關(guān)系圖度升高,后半部分塔板溫度和CO2摩爾分數變化幅度很小是因為甲醇溫度升高吸收效率下降,CO2的0.063.00E-026溶解量也大幅度下降。主吸段粗吸段和脫硫段的50E-026溫度、摩爾分數變化同理。在第21、41、51塊塔板上200E-0261.50E-026將流股導出進(jìn)行中斷冷卻導致在這幾塊塔板上出現0.02100E-026了溫度和摩爾分數突變。0.015.00E-02720.00+002400260028003000320034003600甲醉流量/( kmolh2)摩爾分數:1-CO2;2-H2S圖5甲醇流量與凈化氣中CO2、H2S摩爾分數的關(guān)系圖塔板3.2.2甲醇溫度的靈敏度分析圖2酸性氣體吸收塔全塔溫度剖面圖由圖6和圖7可知凈化氣中CO2和H2S的摩爾分數隨著(zhù)甲醇溫度的升高而逐漸增大,且凈化氣0.350.0010的溫度也隨著(zhù)甲醇的溫度升高而逐漸升高。在設計0.300.0008凝0.25工況下,為了滿(mǎn)足出口氣摩爾分數控制指標,甲醇的00006溫度需低于-48.85℃。同時(shí),甲醇的溫度也不可設0.10.00040.05塔板摩爾分數:1-C02;2-H2S圖3全塔氣相流股中CO2、H2S摩爾分數剖面圖75-70-65-650-45-40-35甲醇溫度/℃3.2靈敏度分析凈化氣中CO2和H2S的摩爾分數必須滿(mǎn)足圖6甲醇溫度與凈化氣106流股溫度的關(guān)系圖CO2≤3%,H2S≤0.1×106。以下分別研究了甲醇6.00E-027的流量、溫度及分流分率的變化對凈化氣中CO2和0.0355.00E-0274.00E-027H2S摩爾分數的影響。300-027運數0.0253.2.1甲醇流量靈敏度分析20027由圖4可知,凈化氣溫度隨著(zhù)甲醇流量的增大0.00E+000而逐漸降低;由圖5可知,甲醇流量的增大使凈化氣75-70-65-60-55-50-45-40-35甲醇溫度/℃中CO2和H2S的摩爾分數逐漸減小。而且,為了使凈化氣滿(mǎn)足控制指標,甲醇的流量需位于[2840,摩爾分數:1-C02;2-H2S3120](kmol/h),即吸收塔的液氣比需滿(mǎn)足圖7甲醇溫度與凈化氣中CO2、H2S[0.34804,0.42588]。摩爾分數的關(guān)系圖現代化工第34卷第10期定得過(guò)低,因為如此會(huì )增加生產(chǎn)成本,且吸收效果的表5液氣比隨甲醇溫度的變化提高幅度也很小。甲醇原料氣凈化氣凈化氣3.2.3分流分率的靈敏度分析甲醇用量溫度/流量在酸性氣體吸收塔中,側線(xiàn)抽出119流股與℃(kmM-h-y)(kmlh-)CO2摩H2s摩液氣比爾分數爾分數116流股的流量比即為分流分率。分流分率的值越60.858160012028172400a0601.73E-290.345249492小,從脫碳段流人脫硫段的甲醇量就越多。因此可01202826602500601.8312E-290.34639856以通過(guò)控制分流分率的值來(lái)實(shí)現對凈化氣中的H201202835.965300601.960E-290.347544256摩爾分數的控制。57858160012028453281006021080E-290.348616%6由圖8可知,凈化氣中CO2和H2S的摩爾分數568581601202854.6970.026022678E-290.3493932隨著(zhù)分流分率的增大而逐漸增大。凈化氣中H2S558581600120286405350.026024411E-290.350986432摩爾分數發(fā)生變化是由于對H2S的吸收主要發(fā)生在脫硫段,增大分流分率就會(huì )減少通入脫硫段的甲548581601202873.41620.006025928E-290.35213820醇的量因此分流分率的變化對凈化氣中H2S的摩53.85816001202883.40310.006027794E-29035335703爾分數影響較大。而由于CO2的吸收主要是在脫2858160.0102893.0790.02603.007E-290.354543339碳段進(jìn)行的,凈化氣中CO2摩爾分數受分流分率變-51.858160.012029044060.063.2689E-290.355690m27化的影響相對較小。當分流分率<0.9427時(shí),凈化50.858160.012029102429000614.2049E-030.356646890氣中的CO2和H2S的摩爾分數才能同時(shí)滿(mǎn)足控制49.858160.01202921.16600.00613.8832E-290357985503指標。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摩爾分數:1-CO2;2-H2S40.858160.0120300.4876002608.6231E-290.36809213圖8分流分率與凈化氣中CO2、H2S39.85816001203018.8500.06094586E-2903696588摩爾分數的關(guān)系圖388581600123028.83720.0061.0623E-2803711804833.3優(yōu)化分析-37.8581600120339.136100601.1751E-280372442603.3.1甲醇溫度變化所需的液氣比36858601203048.81090.02604.2007E03037368237在原料氣流量和組成不變的基礎上,分析了當甲醇的溫度在-60.85~36.85℃變化時(shí)的液氣比調0.375整問(wèn)題,要求凈化氣中CO2的摩爾分數控制在0.365(2.6±0.01)%,H2S的摩爾分數≤0.1×10-6。書(shū)表5是酸性氣體吸收塔液氣比隨甲醇溫度的變化由表5和圖9可知,在酸性氣體吸收塔中,若吸收劑甲醇的溫度增大,應該相應地增大吸收劑甲醇65-60-5550-45-40-3甲醉溫度/℃的流量,即增大液氣比以保證凈化氣中CO2和H2S的摩爾分數基本保持不變;反之,若甲醇的溫度降圖9液氣比隨甲醇溫度的變化趨勢圖低,應相應調小液氣比。液氣比與甲醇溫度的變化3.3.2原料氣中CO2摩爾分數變化所需的液氣比曲線(xiàn)近似為線(xiàn)性關(guān)系,同時(shí)還要注意增大甲醇流量要求凈化氣中CO2的摩爾分數控制在(26±時(shí)避免液泛現象的發(fā)生。0.01)%,當原料氣中CO2摩爾分數的變化時(shí),確定2014年10月王亞亞等:低溫甲醇洗酸性氣體吸收塔模擬分析出相應的甲醇用量及液氣比。酸性氣體吸收塔進(jìn)行模擬的結果與工藝包數據擬合由表6和圖10可知,在酸性氣體吸收塔中,若精度較高,適用于進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化分析原料氣中CO2摩爾分數增大,應相應地增大吸收劑2)在酸性氣體吸收塔的模擬分析中,可知酸甲醇的流量,即增大液氣比以保證凈化氣中CO2的性氣體吸收塔中CO2的吸收主要發(fā)生在脫碳段摩爾分數基本不發(fā)生變化;若降低原料氣中CO2分在脫硫段的吸收量很小,主要是因為脫硫段的富數,應當相應調小液氣比。甲醇濃度較高(-15℃左右),即當甲醇洗滌劑的表6液氣比隨原料氣CO2摩爾分數的變化溫度高于-15℃時(shí),CO2的溶解度很小,這也說(shuō)明原料氣中原料氣凈化氣中凈化氣中流量甲醇流量了中段冷卻的必要。且CO2在脫碳段的吸收主要爾分數(kmh)( kmol-, Co2摩H2S摩液氣比CO2摩集中在粗吸段、主吸段、精吸段的前幾塊塔板上,爾分數爾分數0.409816.0102993.570900611.005E-290.36689H2S在脫硫段的吸收也主要集中在前幾塊塔板上,這是由于在段間將流股引出進(jìn)行了冷卻,導致每0.3929816001202985.76880.02601.1194E-290365903個(gè)塔段的前幾塊塔板上的吸收劑溫度低,吸收效0.382981600122973.285000611.3348E-290364373果好。0.37298601202967.04320.02601.4738E-290363608(3)考察了3個(gè)操作變量,即甲醇的流量、溫度0.36298160.01202952687100991.6359E-290361848和分流分率對酸性氣體吸收塔吸收過(guò)程的影響,進(jìn)0.35298160.01202943.3244002591.9320E-29036701行了靈敏度分析。結果表明,甲醇流量的增大使出0.3429816001202928.34402319E-290口氣中CO2和H2S的摩爾分數減小使出口氣溫度0.3329816001202917.421026763E-290降低,在此工況下,甲醇的流量須位于[2840,0.32298160010290244060.02603.2689E-290.355913120](kmol/h),即吸收塔的液氣比需滿(mǎn)足8160.0120288683610.06040004E-290.35378[0.34804,0.42588],才能使出口氣滿(mǎn)足分離指8160.012028712315002604.7435E-290.351866標;若甲醇溫度升高,則凈化氣中CO2和H2S的摩0.2929816001202853.75440.0605.7392E-290349724爾分數增大,凈化氣的溫度也逐漸升高。在此工況8160.01202834.404800607.2043E-29034735下,甲醇的溫度需低于-48.85℃才能使出口氣達到8160.01202812800.0609.179E-290.34714分離指標;分流分率值的改變對凈化氣中H2S摩爾分數的影響較大,增大分流分率值,凈化氣H2S摩0.26298160.01202791.0244002601.1917E-280342037爾分數也逐漸增大,且分流分率應<0.9427,凈化0.25298160.012027042630.0601.5355E-280.33951氣中關(guān)鍵組分的摩爾分數才能滿(mǎn)足要求。當甲醇的0.24298160012027143.2440.06020658E-280.336185溫度和原料氣中CO2摩爾分數發(fā)生變化時(shí),可以適當地調整液氣比來(lái)使凈化氣關(guān)鍵組分的摩爾分數滿(mǎn)0.3700.365足要求。參考文獻0.3500.345[1]孫津生,李燕.低溫甲醇洗工藝流程模擬——甲醇洗滌塔的模擬0358240280.32036[冂].甘肅科學(xué)學(xué)報,2007,19(2):50-53原料氣CO摩爾分數[2]張述偉曲平,胡乃平,等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò 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