基于非平衡級速率模型的低溫甲醇洗吸收塔模擬研究

0年10月Oct 201033卷第5期Iarge Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol, 33 No 5基于非平衡級速率模型的低溫甲醇洗吸收塔模擬研究楊亭!王東巖2關(guān)威1張雙雙1常虹!張述偉11.大連理工大學(xué)化工學(xué)院,遼寧大連,116012;2.陜西延長(cháng)石油集團榆林煤化公司陜西榆林,719000摘要針對低溫甲醇洗吸收塔的特點(diǎn),建立了采用新物性計箅方法的非平衡級速率模型,與傳統采用PSRK( Predictive Soave- Redlich- Kwong)物性計算方法的平衡級模型模擬結果和實(shí)際生產(chǎn)數據進(jìn)行對比,對低溫甲醇洗吸收塔進(jìn)行模擬研究。研究表明:通過(guò)采用新的物性計算方法并優(yōu)化物性組分參數,非平衡級速率模型較好地反映了實(shí)際工況,證明該模型可以應用于低溫甲醇洗系統的工藝計算、實(shí)際生產(chǎn)的模擬分析以及操作條件的優(yōu)化,為此裝置設計提供可靠技術(shù)支持關(guān)鍵詞低溫甲醇洗吸收塔非平衡級速率模型參數優(yōu)化近年來(lái),隨著(zhù)我國煤化工熱潮的掀起,工業(yè)上有收斂速度快、適應強非理想系物系的特點(diǎn),但對脫硫脫碳的方法很多,其中冷法以低溫甲醇洗迭代初值有嚴格的要求,且計算量大。非平衡級Rectisol為代表,熱法以聚乙二醇二甲醚法 Selexol速率模型將分離過(guò)程視為一個(gè)速率過(guò)程,取代了工藝最為著(zhù)名。低溫甲醇洗技術(shù)是20世紀50年平衡過(guò)程,基本假設是在塔板上氣液相主體并不代由德國林德公司和魯奇公司共同開(kāi)發(fā)的一種氣處于平衡狀態(tài),相平衡僅存在于氣液相界面處。該體凈化方法,目前全世界共有低溫甲醇洗裝置幾模型直接用傳質(zhì)、傳熱速率方程表征傳遞過(guò)程,從十余套。低溫甲醇洗工藝凈化方法是一種典型的內在的傳遞過(guò)程機理來(lái)揭示精餾特性,避免使用物理吸收酸性組分的方法,其優(yōu)點(diǎn)如下:吸收能級效率和等板高度(HETP)等難以確定的量,可更力大,可以同時(shí)脫除HS、CO2等多種有害組分;凈準確預測塔內的濃度、流量和溫度分布,為精餾分化度高,凈化氣體中含硫量小于0.000%,CO2含離過(guò)程的設計和模擬開(kāi)辟了新的道路。本文以某量小于000%;吸收選擇性好,低溫時(shí)HS和CO2廠(chǎng)低溫甲醇洗吸收塔實(shí)際生產(chǎn)數據為依據,采用在甲醇中的溶解度大吸收溶液的循環(huán)量小;甲醇非平衡級速率模型,并采用新的物性計算方法及的熱穩定性和化學(xué)穩定性很好,吸收酸性氣體后修正物性組分參數,準確地模擬了低溫甲醇洗工不發(fā)生降解;在低溫下甲醇黏度小,具有良好的傳藝系統的吸收塔,為該系統的工藝模擬提供了重熱和傳質(zhì)性能。低溫甲醇洗工藝凈化法被廣泛應要的技術(shù)支持。用于以渣油或煤為原料的制氨以及城市煤氣化等工業(yè)上,對該工藝的準確模擬對于實(shí)際工廠(chǎng)操作1非平衡級模型和設計至關(guān)重要。速率平衡過(guò)程視為質(zhì)量和熱量的速率傳遞過(guò)長(cháng)期以來(lái),化工分離設備的設計與模擬仍以程,雙膜理論被考慮在氣液相之間,平衡條件僅僅平衡級模型為主,通過(guò)板效率和等板高度對計算假設在它的界面處,膜中的質(zhì)量和熱量計算需考結果進(jìn)行校正。而板效率和等板高度這些因素往慮板式塔或填料塔的特點(diǎn)、氣液量負荷、不同的傳往不能由理論方法確定,使得其用于實(shí)際操作和設計時(shí)受到很大限制“1985年 Kirshnarllurthy等收稿日期:201003-10;收到修改稿日期:2010-10-15。建立了在傳質(zhì)速率方程基礎上的非平衡級速率模T藝專(zhuān)業(yè)在讀橫土,聯(lián)系電話(huà)1198930mme型,并使用 Newon- RaphSon法進(jìn)行求解,該方法具hoe中國煤化工CNMHG2010年第33卷遞性質(zhì)等8。非平衡級速率模型假設:①穩態(tài)操作;于計算傳質(zhì)傳熱系數和相間面積關(guān)系式的計算方②氣相到達上一級前完全混合,液相為全混流;③法正確與否,是決定該塔模擬計算是否正確的關(guān)在相界面上氣液兩相達到相平衡;④在每一級塔鍵。模型中界面面積因子、熱傳遞因子以及滯留比板上傳質(zhì)速率相等。其非平衡級速率模型建立如例因子需要不斷地調整。本文對該吸收塔精餾過(guò)圖1所示。程中的傳質(zhì)系數計算采用ACHE(1958)9關(guān)聯(lián)式,傳熱系數計算采用 Chiltion and Collum0關(guān)聯(lián)式相界面積計算采用 Scheffe and weiland關(guān)聯(lián)式Tr2實(shí)際工況模擬氣相液相21工藝流程典型的低溫甲醇洗流程包括吸收塔、閃蒸罐、汽提塔和甲醇再生塔。其中吸收塔作為低溫甲醇洗系統的核心設備,承擔著(zhù)脫除工藝氣體中HSCO2的任務(wù)。變換氣依次通過(guò)吸收塔的脫硫段和脫碳段,最終HS和CO2的摩爾分率可滿(mǎn)足如下設圖1非平衡級速率模型計控制指標:H2S含量小于0.00001%,CO2含量非平衡級速率模型對于板式塔或填料塔,認于0.001%。從吸收塔塔頂出來(lái)的凈化氣大部分去為它由一序列非平衡段組成。對每一非平衡段可甲醇合成或者氨合成,部分去城市煤氣系統。以寫(xiě)出模型方程組如下吸收塔分為4段,最下段(B1)為脫硫段,其余物料平衡方程3段(B2、B3、B4)為脫碳段。在脫硫B1段原料氣經(jīng)氣相F+VyH-V,+N=0(1)富含CO2的甲醇液(11號流股)洗滌,脫除HS液相F+Lx-Lx,+M=0COS和部分CO2等組分后進(jìn)入脫碳B2段脫除傳質(zhì)速率方程CO2,進(jìn)入脫碳段的氣體不含硫,接著(zhù)繼續進(jìn)入脫碳B3段進(jìn)一步脫除CO2組分。從脫碳B3段頂部氣相N∑6m(m-)mEN=0(3)出來(lái)仍含有部分CO2的氣體再進(jìn)入脫碳B4段,在脫碳B4段塔頂用貧甲醇液(4號流股)洗滌,凈化液相N∑m(x-x,)x∑N=0(4)氣(3號流股)由塔頂引出。吸收塔中間設有兩個(gè)中膜界面汽液平衡方程:y-Kx=0(5)間冷卻器(E1和E2),分別冷卻富甲醇液5號和7號流股。該吸收塔如圖2所示液膜能量平衡方程:Q-Q=0(6)氣膜能量平衡方程:Q-Q=0界面摩爾分率歸一化方程∑y-1=0,∑x-1=0(8)與傳統平衡級模型不同,非平衡級速率模型將分離過(guò)程視為質(zhì)量和熱量的速率傳遞過(guò)程,并非平衡過(guò)程。該方法包含氣液相傳質(zhì)傳熱平衡模B型、用于確定相間傳遞速率的氣液相傳質(zhì)傳熱速率模型、表面氣液平衡關(guān)系式和用于計算傳質(zhì)傳熱系數和相間面積的關(guān)系式。吸收塔流稈在采用非平衡級速率模型的計算中,氣液相中國煤化工傳質(zhì)傳熱平衡模型、用于確定相間傳遞速率的氣22原料氣組CNMHG液相傳質(zhì)傳熱速率模型、表面氣液平衡關(guān)系式、用進(jìn)入該系統的原料氣2號流股中,除含有N2和第5期楊亭等.基于非平衡級速率模型的低溫甲醇洗吸收塔模擬研究H2之外,還含有CO、HO、HS和CO2等雜質(zhì)。原料氣組成見(jiàn)表1。表1原料氣組組成(摩爾分數),%溫度/K壓力/MPanol. h- CHOHH,2647.616152.662.422.5223物性計算方法選擇經(jīng)驗進(jìn)行估測。非平衡級速率模型的模擬避免了物性計算方法是否恰當,直接影響到計算結這些不確定的因素,直接計算相流動(dòng)接觸間的質(zhì)果的精確,進(jìn)而影響模擬結果的準確性。針對本量、熱量傳遞。該模型的模擬遠比平衡級模型要復文低溫甲醇洗系統吸收塔的特點(diǎn),發(fā)現傳統平衡雜,需要提供相應塔的結構數據,并且可以同時(shí)進(jìn)級模型采用PSRK物性方法計算的其吸收塔體系行塔的水力學(xué)計算。其流程建立的單元操作模型有諸多誤差,比如液相密度、焓以及相平衡。本文見(jiàn)表3。在對吸收塔采用非平衡級速率模型的同時(shí),采用表3非平衡級速率模型中用到的單元操作模塊新的物性計算方法并通過(guò)修正其物性組分參數13來(lái)計算其蒸汽壓、液相密度和相平衡。然后以工廠(chǎng)塔板數提供的實(shí)際生產(chǎn)數據(見(jiàn)表2)為依據,將塔底1號塔板類(lèi)型扁平泡罩扁平泡罩扁平泡罩齒形泡罩塔徑/mm24502450流股的模擬結果與實(shí)際生產(chǎn)數據做對比,從而確泡罩直徑/定吸收塔模擬的物性計算方法。塔板型式單流道雙流道雙流道雙流道表21號流股的模擬結果與實(shí)際數據對比溢流堰高/mm1號流股計算值物性計算方法實(shí)際值2.5模擬結果PSRK新物性2660通常教硏室在對低溫甲醇洗系統的模擬硏究采壓力/MPa76177617用ⅣSRK物性方法及傳統平衡級模型,與其他方法密度/kgm相比,模型結果與實(shí)際值較吻合214,但也存在一黏度/g0.0040.006定的誤差。因此,在教研室原來(lái)模擬研究的基礎熱力學(xué)導熱系數/W·m2k10.3940.1500.147上,本文繼續研究探討,能否采用其新物性方法和表面張力/mN·m18.06518.20117.829非平衡級速率模型模擬,使其模擬結果與實(shí)際生從表2可以看出,采用新物性計算方法,塔底產(chǎn)數據的誤差更小。對吸收塔(圖2)的模擬研究1號流股的溫度偏差008%,密度偏差3.31%,黏中,本文建立了兩種模型,模型Ⅰ為吸收塔Bl度偏差333%,熱力學(xué)導熱系數偏差204%;而采B2、B3段釆用新物性計算方法和非平衡級速率模用PSRK物性方法的計算值與實(shí)際數據相比,其結型,B4段由于其貧甲醇溶液(4號流股)的進(jìn)料溫果相差很大,如溫度偏差0.19%,密度偏差度為-57.7℃,而該塔的塔壓為75.5MPa,因此屬于14.38%,黏度偏差83.3%,熱力學(xué)導熱系數偏差非常典型的高壓低溫體系,所以該段仍采用PSRKl6803%。因此,從采用新物性計算方法和PSRK物性方法和非平衡級速率模型;模型Ⅱ為吸收塔物性分別計算出的流股結果與實(shí)際值的比較可以全流程(包括B1、B2、B3、B4段)全采用PSRK物性看出,采用新物性計算方法得出的流股密度、黏方法和傳統平衡級模型進(jìn)行模擬研究度、導熱系數以及表面張力值同實(shí)際值非常吻合,通過(guò)采用新的物性計算方法并優(yōu)化物性組分說(shuō)明該新物性計算方法相對于PSRK物性方法更參數以及模型參數,將該模型Ⅰ應用到吸收塔適合低溫甲醇洗體系計算。的模擬中,得岀各個(gè)流股和該塔的模擬計算結果24非平衡級速率模型的單元操作模塊將其模擬結果與模型Ⅱ的計算結果及實(shí)際生產(chǎn)數在傳統平衡級模型的模擬計算中,常需要應據對比,結果如表A聽(tīng)用板效率和HETP等因素來(lái)評價(jià)板式塔和填料塔從表4可見(jiàn)中國煤化工0、H,O的性能。而對于板效率和理論級當量高度這些因HS的組成含量CNMHG算結果素來(lái)說(shuō),往往沒(méi)有理論的方法來(lái)確定,只能靠實(shí)際非常相近,并且兩種計算結果與實(shí)際值都能很好2010年第33卷地吻合。而對于流股的溫度、流量和流股中其他組為0.08%、溫度偏差為0.2K、CO2純度偏差為分含量來(lái)說(shuō),兩種模型的計算結果存在一定的差0.15%;塔頂氣相流率(3號物流)偏差為0.09%、溫距。而模型Ⅰ的計算結果同實(shí)際生產(chǎn)數據非常吻度偏差為0.1K、H2純度偏差為0.08%;側線(xiàn)11號合,模型Ⅱ的計算結果同實(shí)際值相差較大。采用模物流流率偏差為0.2%、溫度偏差為0.3K、CO2純型Ⅱ計算時(shí),除塔底物流1號流股和塔頂凈化氣3度偏差為0.52%;側線(xiàn)7號物流流率偏差為號流股的計算值與實(shí)際值很接近外,其余流股的0.02%、溫度偏差為36K、CO2純度偏差為1.32%;計算值與實(shí)際值都有一定的差距,如塔段循環(huán)物側線(xiàn)5號物流流率偏差為θ.08%、溫度偏差為3.9流5號和7號流股數據與實(shí)際值相差較大,特別K、CO2純度偏差為3.25%。并且,由表2可以得知是流股中組分CO2的含量。采用模型Ⅰ對流股的密度、黏度、導熱系數等物性采用模型Ⅰ對低溫甲醇洗的吸收塔進(jìn)行模擬值進(jìn)行模擬計算時(shí),其結果與實(shí)際值也都符合良計算,各流股的溫度、壓力、流量以及關(guān)鍵組分的好。這說(shuō)明模型Ⅰ充分反應了該實(shí)際工況,并證明摩爾組成值都與實(shí)際值非常吻合。例如,由模型Ⅰ模型Ⅰ對低溫甲醇洗的模擬是可行的,為后續低得計算結果,吸收塔塔底液相流率(Ⅰ號物流)偏差溫甲醇洗系統流程模擬奠定了基礎。表4模擬結果與實(shí)際值對比模型I2660311160.65103360.0090.0010.0010.00際值26623109.10.6500.00模型Ⅱ26573110.70.6430.0110.0000.0000.0020.000模型I216.13970400000.0000.9530.0380000.0020.0000.0053966.60.0000.0000.95300370.0000.0020.0020.0000.006模型Ⅱ2160395320.0000.000.0000.005模型I2493482970.86實(shí)際值2532483380860.1260.0080.0000.0000.0030.000模型Ⅱ234.2446320932005200110.00100000.00000000.0030.001模型254.35431.90.7660.210.0ll0.0010.0000.0030.000際值250.75404.50.7700.2170.0090.0000.0000.0030.000模型Ⅱ25305104,20.81500010.0010.0000.0000.0000.0030.000模型I267.06314.106590.30.0090.0000.0020.000實(shí)際值2667631290.6600.3270.0090.0010.000.0000.0020.00模型Ⅱ263.8627590.6640.30.0010.0000.0000.0020.000模型I267.0306860.6590.3280.0090.0000.0000.0020266.73061.80.6600.3270.0090.00模型Ⅱ26383012.50.6640.3210.01100010.0000.0000.0000.0020.0003結論的借鑒意義。通過(guò)以上模擬分析,可得出以下結論3)和傳統平衡模型模擬相比,采用非平衡級1)在流程模擬中,選擇合適的物性方法是決速率模型模擬的計算求解和收斂難度增大。非平定模擬結果準確的關(guān)鍵。本文通過(guò)釆用新的物性衡級速率模型的模擬避免了使用平衡級模型中難計算方法并優(yōu)化物性組分參數,使其液相密度、黏以準確計算的板效率和HETP,其模擬計算的精確度、導熱系數以及相平衡的計算準確,從而建立了度和可靠性增加,調整參數比平衡級復雜,更接近低溫甲醇洗系統的熱力學(xué)模型實(shí)際工廠(chǎng)數據。2)實(shí)際工況的模擬表明:應用新的物性計算符號說(shuō)明方法,采用優(yōu)化參數后的非平衡級速率模型,低溫中國煤化工甲醇洗系統吸收塔的模擬結果與實(shí)際值符合良aINCNMHG好,對低溫甲醇洗后續系統的模擬和優(yōu)化有很好k-傳質(zhì)系數,kmol/(mh第5期楊亭等.基于非平衡級速率模型的低溫甲醇洗吸收塔模擬研究301L—液相流量,kmohmponent Separation Processes. AIChE J, 1985, 31(3)N一傳質(zhì)通量,kmo/h449~464K一相平衡常數6王峰,趙寧,李軍平等.采用非平衡級模型模擬催化精餾過(guò)Q一熱負荷,J/h程的研究.石油化工,2007,36(11):1128-1133氣相流量,kmol/h7徐偉齊,湯志剛,周長(cháng)城等.非平衡級模型用于SO2化學(xué)吸收過(guò)一液相摩爾分數程的模擬清華大學(xué)學(xué)報,2003,43(12):1616-16198 Al-Baghli NA, Pruess SA, Yesavage VF, et al. A Rate-based Mody一氣相摩爾分數el for The Design of Gas Absorbers for The Removal of CO2 and上標H Using Aqueous Solutions of MEA and DEA. Fluid Phase E-L—液相quilibria,2001,185(1-2):3l-43V一氣相9 AIChE Bubble Tray Design Manual: Prediction of fraction相界面Efficiency. American Institute of Chemical Engineers, New York下標i,m一組分10 Taylor R, Krishna R Multicomponent Mass Transfer. Wiley-Inter-塔板數science, New York, 199311 Scheffe rd, Weiland RH. Mass Transfer Characteristics of valve參考文獻1楊誼,張述偉,陳曉峰.“煤代油”低溫甲醇洗工藝流程改造方Trays. Ind. Eng. Chem. Res, 1987, 26(2): 228-23612關(guān)威,張述偉,管鳳寶等.城市煤氣低溫甲醇洗系統凈化工案的研究.大氮肥,2004,27(5):192~295模擬與改造研究.化肥設計,2006,44(6):17-212張述偉,胡乃平,王長(cháng)英等.用低溫甲醇洗凈化不含硫原料氣的3 Poling B, Prausnitz J. O Connell J. The Properties of Gases an工藝流程簡(jiǎn)化高?；瘜W(xué)工程學(xué)報,1999,13(6):517-522Liquids. New York: McGraw-Hill Professional Publishing, 20003張述偉,陸明亮,徐志武.低溫甲酵洗系統模擬與分析氮肥設14劉健,張述偉,孫道青.低溫甲醇洗凈化天然氣工藝流程的計,1994,32(1):25-31研究天然氣化工,2007,32(45):47~504魏海國,費維揚.非平衡級模型及其在化工分離過(guò)程中的應用.15 Wilson GM Vapor-Liquid Equilibrium, XL. A New Expression for石油化工,2001,30(6):486-490the Excess Free Energy of Mixing Journal of the American Chem-librium Stage model ofcal society,l964,86(2):127-130SIMULATION STUDY ON RECTISOL ABSORBER BASEDON NON-EQUILIBRIUM RATE MODELYang Ting, Guan Wei, Zhang Shuangshuang Chang Hong, Zhang ShuweiDepartment of Material and Chemical engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116012)Wang dongyan(Shaanxi y anchang Petroleum Group Yulin Coal Chemical Industry Corp., Yulin, 719000)Abstract With the absorber features in Rectisol unit a non-equilibrium stage and rate-based modelemploying amethod of physical property calculation is established to compare with both the equilibriumstage model simulated results by employing a traditional PSRK(Predictive Soave Redlich-Kwong method ofphysical property calculation and actual operating data and to carry out a simulation study on the absorber inRectisol The study shows that by employing the new method of physical property calculation and optimizingthe parameters of physical property components the non -equilibrium stage and rate-based model better re-flects the actual operating conditions, certifies that the model may be applied to thetesol system: thus a reli-able technical support is provided for the unit designKey words: rectisol, absorber, non-equilibrium stage and rate-based中國煤化工MHG歡迎投稿、歡迎訂閱、歡迎刊璧)吉!