劉華群，李春剛，張東亞，陳若方，唐祁勻

(上?，F(xiàn)代制藥海門(mén)有限公司，江蘇 海門(mén) 226133)

低溫甲醇洗工藝是德國(guó)林德公司和魯奇公司20世紀(jì)50年代初共同開(kāi)發(fā)的工藝，主要用于煤氣化利用時(shí)酸性氣體的凈化。低溫甲醇洗工藝屬于物理凈化法，使用低溫高壓下的甲醇作為吸收劑，具有吸收力強(qiáng)、選擇性好、凈化度高等優(yōu)勢(shì)，可以選擇性的脫除酸性氣體中的H2S、CO2等雜質(zhì)[1-3]。

低溫甲醇洗工藝包含H2S吸收塔、CO2吸收塔、CO2解吸/氣提塔、甲醇熱再生塔、甲醇精餾塔和尾氣洗滌塔，其中H2S吸收塔和CO2吸收塔的操作溫度范圍為-51.5～-18.0℃，操作壓力范圍為2.8 ～3.4 MPa，操作工況苛刻。而在酸性氣體原料氣中，涉及到CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH在操作工況下氣液平衡過(guò)程的準(zhǔn)確描述，需要選擇合適的熱力學(xué)方程，最難模擬計(jì)算。

本文參照某廠的低溫甲醇洗工藝實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用Aspen Plus軟件，采用PSRK熱力學(xué)方程，并設(shè)置撕裂物流，模擬了低溫甲醇洗工藝中的H2S吸收塔和CO2吸收塔，與某廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本一致。

1 H2S吸收塔和CO2吸收塔工藝流程簡(jiǎn)介

H2S吸收塔(C1101)模擬時(shí)采用一個(gè)吸收塔，CO2吸收塔是模擬時(shí)采用三個(gè)吸收塔串聯(lián)，由上至下依次稱為CO2吸收塔1塔(C1201)、CO2吸收塔2塔(C1202)和CO2吸收塔3塔(C1203)。

酸性原料氣首先進(jìn)入H2S吸收塔(C1101)去除H2S，然后氣體依次進(jìn)入CO2吸收塔3塔(C1203)、CO2吸收塔2塔(C1202)和CO2吸收塔1塔(C1201)去除CO2，從CO2吸收塔1塔(C1201)塔頂采出的合格凈化氣，送至下游工序。從后續(xù)甲醇精餾塔過(guò)來(lái)的新鮮甲醇，作為吸收液，從CO2吸收塔1塔(C1201)塔頂進(jìn)入，依次進(jìn)入CO2吸收塔2塔(C1202)、CO2吸收塔3塔(C1203)和H2S吸收塔(C2201)，最終的甲醇富液富含H2S和CO2，從塔釜去甲醇閃蒸塔。模擬流程示意圖如圖1。

圖1 H2S吸收塔和CO2吸收塔模擬流程

2 物流數(shù)據(jù)

某廠酸性原料氣除去H2S和CO2后，凈化氣送往合成氨工段。表1為某廠生產(chǎn)酸性原料氣和凈化氣組成，從表中可以看出，酸性原料氣中含有CH3OH、CO2、H2、N2、H2S、H2O、Ar、CH4、CO九種物質(zhì)，經(jīng)H2S吸收塔和CO2吸收塔后，酸性原料氣中的CO2和H2S基本被全部吸收，超臨界組分H2、N2、Ar、CH4、CO的摩爾流量基本沒(méi)有變化。

3 物性方法選擇

H2S吸收塔和CO2吸收塔的操作溫度范圍為-51.5～-18.0℃，操作壓力范圍為2.8～3.4 MPa，存在CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH的氣液平衡體系。模擬計(jì)算時(shí)，為了準(zhǔn)確描述該體系在操作工況下的氣液平衡過(guò)程，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4-7]，本文最終采取PSRK方程。

表1 某廠生產(chǎn)酸性原料氣和凈化氣組成

4 模擬結(jié)果

本文運(yùn)用Aspen Plus軟件，模擬了H2S吸收塔和CO2吸收塔，重點(diǎn)考察H2S吸收塔塔頂氣體和CO2吸收塔塔頂?shù)臍怏w組成。CO2吸收塔塔頂凈化氣采用某廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而H2S吸收塔塔氣體是過(guò)程數(shù)據(jù)，無(wú)法取樣，表2采用某廠工藝包數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

表2 H2S吸收塔塔頂氣體和CO2吸收塔塔頂氣體組成

從表2可以看出，酸性原料氣通過(guò)H2S吸收塔后，H2S組分的摩爾流量降低到0.0949 kmol/h，說(shuō)明H2S吸收塔能很好的吸收H2S，然后通過(guò)CO2吸收塔后，CO2的摩爾流量降低到0.0017 kmol/h，而H2、N2、Ar、CH4和CO組分基本沒(méi)有冷凝和溶解，含量基本不變，PSRK方程能較好的描述-51.5～-18.0 ℃，2.8～3.4 MPa下，H2S、CO2、H2、N2、Ar、CH4和CO在甲醇中的氣液平衡關(guān)系。

5 流程收斂性說(shuō)明

H2S吸收塔和CO2吸收塔，模擬時(shí)采用四塔串聯(lián)，涉及6臺(tái)設(shè)備，14股物流，3股循環(huán)物流。為了保持流程收斂，本文做了以下處理：

(1)選擇默認(rèn)的收斂方法Wegstein法。

(2)確定8號(hào)、9號(hào)和13號(hào)流股為撕裂物流。

(3)收斂順序?yàn)镃1101-C1203-C1202-C1201-E101-E102-F101。 在確定了撕裂流股和收斂順序后，經(jīng)過(guò)不斷的試算調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了四塔串聯(lián)的流程收斂。本文以換熱器E201的進(jìn)出流股組成為例，對(duì)收斂情況進(jìn)行分析，見(jiàn)表3。

表3 換熱器E201流股組成

從表3的結(jié)果可以看出，同一編號(hào)的流股，模擬數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本接近，只是CO2和H2的摩爾流量模擬數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)有差異。這是因?yàn)锳spen Plus軟件在進(jìn)行收斂計(jì)算時(shí)，對(duì)撕裂流股設(shè)置了收斂容差，撕裂物流的物料組成和溫度壓力只需在收斂容差范圍內(nèi)，計(jì)算即自動(dòng)停止，流程完成收斂，這個(gè)差異是合理的。后期可以通過(guò)換熱器設(shè)計(jì)相關(guān)軟件，利用換熱器的進(jìn)出口物料平衡數(shù)據(jù)，進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核。

6 結(jié)論

(1)本文采用了PSRK方程，準(zhǔn)確描述了-51.5～-18.0℃和2.8 ～3.4 MPa下，CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH的氣液平衡體系。

(2)通過(guò)設(shè)置了三股撕裂物流和收斂順序，完成了四塔串聯(lián)流程的模擬，H2S吸收塔和CO2吸收塔的模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)接近。

(3)本文得到了H2S吸收塔和CO2吸收塔的原始模擬數(shù)據(jù)，對(duì)低溫甲醇洗裝置運(yùn)行優(yōu)化、塔內(nèi)件設(shè)計(jì)、換熱器設(shè)計(jì)都具有十分重要指導(dǎo)意義。