何一夫

中石化南京工程有限公司（江蘇南京　211100）

基于Aspen Plus的超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝全流程模擬

何一夫

中石化南京工程有限公司（江蘇南京211100）

利用AspenPlus軟件對(duì)超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝進(jìn)行了全流程模擬，并對(duì)物性模型中關(guān)鍵組分的二元交互作用參數(shù)進(jìn)行了修改。模型模擬得到了凈化氣的成分、汽提氮?dú)獾南牧恳约靶枰睦淞浚沂玖讼礈焖摿蚨挝談?duì)H2S脫除效果的影響、洗滌塔脫碳段吸收劑對(duì)CO2脫除效果的影響、H2S濃縮塔汽提N2對(duì)H2S濃縮效果的影響以及熱再生塔塔底蒸汽對(duì)甲醇再生效果的影響。

AspenPlus軟件超大規(guī)模低溫甲醇洗全流程模擬二元交互作用參數(shù)

AspenPlus軟件是由美國(guó)AspenTech公司開(kāi)發(fā)的通用工藝模擬軟件，可用于化工及煉油工藝流程的模擬計(jì)算。AspenPlus軟件中包括多種熱力學(xué)模型、大量的物性參數(shù)以及混合物數(shù)據(jù)與表征方法[1]。經(jīng)過(guò)幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累，其功能不斷完善，已成為世界性標(biāo)準(zhǔn)流程模擬軟件，同時(shí)也是國(guó)際上功能最強(qiáng)的商品化流程模擬軟件。目前，該軟件已在全世界范圍內(nèi)被廣泛使用[2]。

低溫甲醇洗工藝是20世紀(jì)50年代初林德公司和魯奇公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的用于處理高濃度酸性氣體的凈化工藝。該工藝的操作溫度為-75~0℃，壓力為2.4~8.0 MPa，凈化后得到總硫體積分?jǐn)?shù)＜0.000 01%、CO2體積分?jǐn)?shù)＜0.001%的合成氣。目前，低溫甲醇洗技術(shù)向單系列、大型化方向發(fā)展，迄今用Aspen Plus對(duì)超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝進(jìn)行全流程模擬的文章很少有報(bào)道。

1　模擬計(jì)算

1.1模擬流程的建立

結(jié)合AspenPlus的使用特點(diǎn)，確定超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝的模擬流程，如圖1所示。

1.2模擬流程的說(shuō)明

原料氣在低溫甲醇洗滌塔（C1）中用低溫甲醇洗滌，脫除H2S和CO2等組分，凈化氣由塔頂引出；吸收了H2S和CO2的甲醇富液經(jīng)減壓閃蒸解吸后在CO2解吸塔（C2）頂?shù)玫郊儍舻腃O2氣體；解吸后的甲醇溶液在H2S濃縮塔（C3）中進(jìn)一步用N2汽提解吸以提高液相H2S濃度，尾氣放空；進(jìn)一步解吸后的甲醇溶液在熱再生塔（C4）中進(jìn)行熱再生，塔底得到貧甲醇，送往低溫甲醇洗滌塔（C1）循環(huán)使用；熱再生塔頂?shù)玫降腍2S濃度較高的氣體，送至硫回收系統(tǒng)；甲醇/水分離塔（C5）用于脫除甲醇中的水分；系統(tǒng)中約24臺(tái)換熱器組成的換熱網(wǎng)絡(luò)用以回收冷量并保證必要的工藝條件[3]。

模擬流程中包括5個(gè)分離塔之間物流的傳質(zhì)和傳熱，過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜，結(jié)構(gòu)縱橫交錯(cuò)。若5塔聯(lián)合模擬，計(jì)算量會(huì)非常巨大，同時(shí)5塔聯(lián)合收斂也存在很大的難度。本模擬先進(jìn)行單塔單獨(dú)模擬和收斂，再依次增加模擬和收斂的塔數(shù)，同時(shí)對(duì)收斂方法、收斂次數(shù)、收斂公差進(jìn)行修改，最后進(jìn)行全流程統(tǒng)一模擬和收斂。模擬流程中還包括第一、第二循環(huán)氣閃蒸罐氣相出口合成氣的循環(huán)過(guò)程，該循環(huán)過(guò)程也是模擬的重點(diǎn)，AspenPlus在計(jì)算過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)相鄰2次計(jì)算得到的物流值相對(duì)誤差小于Aspen Plus的規(guī)定值時(shí)，模擬計(jì)算達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡[4]。

1.3物性及模塊的選擇

低溫甲醇洗系統(tǒng)的主要組分有CH4O、H2、CO2、H2S、N2、CO、CH4、Ar、H2O和COS等，體系中既含有締合、極性組分CH4O，又存在量子氣體H2，在低溫、加壓下操作時(shí)部分組分將超過(guò)臨界點(diǎn)，所以體系為非理想性體系，很容易造成計(jì)算模型估算不準(zhǔn)確[5]。本模擬的物性模型擬選用NRTL-RK模型，因?yàn)榈蜏丶状枷垂に囀且环N典型的物理吸收過(guò)程，各分子間的作用力為范德華力，氣液關(guān)系符合亨利定律，溶液中被吸收組分的量基本上與其在氣相中的分壓成正比，所以在物性模型中同時(shí)引入亨利組分。但該模型中關(guān)鍵組分CO2、H2、H2S與CH4O的二元交互作用參數(shù)適用的范圍很難涵蓋低溫甲醇洗工藝的實(shí)際操作溫度范圍，特別是低溫區(qū)間，因此要準(zhǔn)確模擬該工藝流程，需對(duì)其關(guān)鍵組分的二元交互作用參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修改，修改后的NRTL-RK模型中的二元交互作用參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1　超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝模擬流程

表1　修改后的NRTL-RK模型中二元交互作用參數(shù)

建模過(guò)程中主要采用了Aspen Plus內(nèi)置模塊（詳見(jiàn)表2），同時(shí)加入了用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)的計(jì)算模塊RR來(lái)計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)需要的冷量。

表2　單元操作模塊

1.4假設(shè)

為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，作出以下假設(shè)：（1）原料合成氣處理量規(guī)模為515000Nm3/h，壓力為3.0MPa；（2）洗滌塔（C1）共有40塊理論塔板；（3）CO2解吸塔（C2）共有30塊理論塔板；（4）H2S濃縮塔（C3）共有40塊理論塔板；（5）熱再生塔（C4）共有15塊理論塔板；（6）甲醇/水分離塔（C5）共有25塊理論塔板；（7）全塔效率均為50%；（8）理論塔板的單板壓降均為1 kPa；（9）系統(tǒng)需要兩個(gè)等級(jí)的冷量，分別為0℃和-40℃；（10）來(lái)自變換單元的原料合成氣的組成和總量在模擬過(guò)程中保持不變。

2　模擬結(jié)果與討論

2.1模擬結(jié)果

模擬中原料合成氣成分為：φ(CO+H2)=54.394%，φ(CO2)=41.515%，φ(COS+H2S)=0.086%，φ（其他氣體）＝4.005%；模擬得到凈化合成氣成分：φ(CO+H2)= 93.386%，φ(CO2)<0.001%，φ(COS+H2S)?0.001%，φ（其他氣體）＝6.614%；汽提N2（40℃、0.45 MPa）消耗量為34500 Nm3/h；0℃和-40℃兩個(gè)等級(jí)需要的冷量分別為5.4 MW和19.0 MW（包含3%的冷量損失）。冷量是低溫甲醇洗工藝中極為重要的能耗指標(biāo)，與國(guó)外先進(jìn)工藝相比，該模擬值略為偏高，說(shuō)明模型中的低溫?fù)Q熱網(wǎng)絡(luò)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

2.2討論

利用建立的單系列，串、并聯(lián)超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝模型，通過(guò)靈敏度分析分別確定洗滌塔脫硫段吸收劑的用量和溫度對(duì)H2S脫除效果的影響（見(jiàn)圖2、圖3），洗滌塔脫碳段吸收劑的用量和溫度對(duì)CO2脫除效果的影響（見(jiàn)圖4、圖5），H2S濃縮塔汽提N2的用量和溫度對(duì)H2S濃縮效果的影響（見(jiàn)圖6、圖7），熱再生塔塔底蒸汽的用量對(duì)甲醇再生效果的影響（見(jiàn)圖8、圖9）。

由圖2可知，隨著洗滌塔脫硫段吸收劑流量從12000 kmol/h增加到13200 kmol/h，H2S的脫除率從99.90%增大到99.96%，這是因?yàn)榈蜏丶状枷垂に囀堑湫偷奈锢砦者^(guò)程，在H2S分壓和吸收劑溫度恒定的情況下，H2S吸收總量與吸收劑用量基本上成正比，所以當(dāng)洗滌塔脫硫段吸收劑流量增加時(shí)，H2S脫除率相應(yīng)升高。由圖3可知，隨著洗滌塔脫硫段吸收劑溫度從-30℃降低到-40℃，H2S的脫除率從99.89%增大到99.96%，這是因?yàn)樵贖2S分壓和吸收劑用量恒定的情況下，吸收總量與吸收劑溫度基本上成反比，所以當(dāng)洗滌塔脫硫段吸收劑溫度降低時(shí)，H2S脫除率相應(yīng)增大。

圖2　吸收劑流量對(duì)H2S脫除率的影響

圖3　吸收劑溫度對(duì)H2S脫除率的影響

圖4　吸收劑流量對(duì)CO2脫除率的影響

由圖4可知，隨著洗滌塔脫碳段吸收劑流量從30 000 kmol/h增加到34000 kmol/h，CO2脫除率從99.01%增大到99.88%，這是因?yàn)樵贑O2分壓和吸收劑溫度恒定的情況下，CO2吸收總量與吸收劑用量基本上成正比，所以當(dāng)洗滌塔脫碳段吸收劑流量增加時(shí)，CO2脫除率相應(yīng)增大。由圖5可知，隨著洗滌塔脫碳段吸收劑溫度從-45℃降低到-55℃，CO2脫除率從99.50%增大到99.85%，這是因?yàn)樵贑O2分壓和吸收劑用量恒定的情況下，CO2吸收總量與吸收劑溫度基本上成反比，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)溫度從20℃降到-40℃時(shí)，CO2溶解度約增加6倍，所以當(dāng)洗滌塔脫碳段吸收劑溫度降低時(shí)，CO2脫除率相應(yīng)增大。

圖5　吸收劑溫度對(duì)CO2脫除率的影響

圖6　低壓N2流量對(duì)H2S摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖7　低壓N2溫度對(duì)H2S摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖8　熱再生塔塔底熱負(fù)荷對(duì)H2S摩爾分?jǐn)?shù)的影響

由圖6可知，在H2S濃縮塔低壓汽提N2溫度恒定的情況下，隨著低壓汽提N2流量從1200 kmol/h增加到1600 kmol/h，塔底甲醇中H2S的摩爾分?jǐn)?shù)從0.00836增加到0.00840，這是因?yàn)椴捎肗2汽提可進(jìn)一步降低甲醇中溶解的CO2分壓，使CO2解吸更為徹底，而H2S在低溫條件下的溶解度比CO2大，解吸也相對(duì)困難，所以當(dāng)H2S濃縮塔低壓汽提N2用量增加時(shí)，塔底甲醇中H2S的摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)增加。由圖7可知，在H2S濃縮塔低壓汽提N2用量恒定的情況下，隨著低壓汽提N2溫度從-20℃降低到-40℃，塔底甲醇中H2S的摩爾分?jǐn)?shù)從0.008 363降低到0.008360，這是因?yàn)闇囟仍降?，甲醇?duì)酸性氣體的吸收越有利，而CO2解吸越困難，所以當(dāng)H2S濃縮塔低壓汽提N2溫度降低時(shí)，塔底甲醇中H2S的摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)降低。

圖9　熱再生塔塔底熱負(fù)荷對(duì)CO2摩爾分?jǐn)?shù)的影響

由圖8可知，隨著熱再生塔塔底熱負(fù)荷（蒸汽用量）從22.0MW增大到26.0MW，塔底甲醇中H2S的摩爾分?jǐn)?shù)從0.003%降低到0.0007%，這是因?yàn)镠2S在甲醇中的溶解度大，解吸難，需采用外來(lái)熱源使其徹底解吸。加熱介質(zhì)用量越大，甲醇再生越徹底，所以當(dāng)熱再生塔塔底熱負(fù)荷增大時(shí)，H2S進(jìn)一步解吸，塔底甲醇中H2S的量減少。由圖9可知，隨著熱再生塔塔底熱負(fù)荷從22.0MW增加到26.0MW，塔底甲醇中CO2摩爾分?jǐn)?shù)從0.00007%降低到0.00003%，原因與H2S類(lèi)似，當(dāng)熱再生塔塔底熱負(fù)荷增大時(shí)，CO2進(jìn)一步解吸，使甲醇中CO2的量減少。

3　結(jié)論

（1）凈化氣成分為：φ(CO+H2)=93.386%，φ(CO2)< 0.001%，φ(COS+H2S)<0.001%，φ（其他氣體）= 6.614%。

（2）汽提N2（40℃、0.45 MPa)消耗量為34 500 Nm3/h；0℃和-40℃兩個(gè)等級(jí)需要的冷量分別為5.4 MW和19.0 MW（包含3%的冷量損失）。

（3）洗滌塔脫硫段吸收劑用量增加或溫度降低時(shí)，H2S脫除率均相應(yīng)增大。

（4）洗滌塔脫碳段吸收劑用量增加或溫度降低時(shí)，CO2脫除率均相應(yīng)增大。

（5）當(dāng)H2S濃縮塔低壓汽提N2用量增加時(shí)，塔底甲醇中H2S的摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)增加；低壓汽提N2溫度降低時(shí)，H2S的摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)降低。

（6）熱再生塔塔底熱負(fù)荷增加時(shí)，塔底甲醇中H2S和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)降低。

該單系列超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝模型可為類(lèi)似工藝的方案比選、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供模擬和預(yù)測(cè)。

[1]王靜康.化工設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995: 276-290.

[2]孫志翱,金保升,李勇,等.基于AspenPlus軟件的濕法煙氣脫硫模型[J].潔凈煤技術(shù),2006,12(3):82-85.

[3]張述偉,陸明亮,徐志武,等.低溫甲醇洗系統(tǒng)模擬與分析[J].氮肥設(shè)計(jì),1994,32(1):25-31.

[4]黃崇平.用Aspen Plus軟件模擬煉廠氣脫硫和再生系統(tǒng)工藝流程[J].煉油,2001,6(4):32-35.

[5]孫津生,李燕.低溫甲醇洗工藝流程模擬——甲醇洗滌塔的模擬[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2007,19(2):50-53.

Simulation of Ultra-large Scale Rectisol Process based on Aspen Plus

He Yifu

The ultra-large scale rectisol process model was proposed and simulated by Aspen Plus software,and the binary interaction parameters of the key components were modified.The compositions of synthesis gas,the consumption of the stripping nitrogen and the required refrigeration were obtained,revealing the effects of scrubber on H2S and CO2removal,the influences of stripping nitrogen on H2S concentration,and the effects of thermal regeneration tower bottom steam on methanol regeneration.

Aspen Plus software;Ultra-large scale rectisol;Process simulation;Binary interaction parameters

TP 319

何一夫男1982年生碩士工程師主要從事：化工工藝設(shè)計(jì)和流程模擬工作

2015年6月