Aspen Plus 軟件在低溫甲醇洗工藝中的應(yīng)用

劉娜 黃雪莉

(1.新疆大學(xué)煤炭清潔轉(zhuǎn)化與化工過(guò)程自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；)

0 引言

低溫甲醇洗技術(shù)是一種成熟的氣體脫酸工藝，目前廣泛應(yīng)用在天然氣凈化處理和煤化工氣體處理工藝中[1,2]。低溫甲醇洗工藝是以冷甲醇為吸收溶劑，利用甲醇在低溫下對(duì)酸性氣體溶解度極大的物理特性，選擇性脫除原料氣中的酸性氣體，氣體凈化度高(CO2＜10ppm，H2S＜0.1ppm)。低溫甲醇洗工藝技術(shù)在工業(yè)上有著很好的應(yīng)用業(yè)績(jī)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外合成氨、合成甲醇、城市煤氣、工業(yè)制氫和天然氣脫硫等氣體凈化裝置。Aspen Plus 是一款廣泛應(yīng)用的流程模擬軟件，該軟件集穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與一體，為用戶提供了一套完整的單元操作模塊，可用于各種操作過(guò)程的模擬及從單個(gè)操作單元到整個(gè)工藝流程的模擬[3]。本文基于Aspen Plus 軟件建立低溫甲醇洗工藝流程，探討不同吸收劑用量下吸收塔塔板數(shù)和凈化氣中H2S+COS 含量的關(guān)系、塔板數(shù)與吸收劑用量的關(guān)系和吸收劑用量與凈化氣中H2S+COS含量關(guān)系。

1 物性方法選擇

物性方法是指用于計(jì)算傳遞性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)的一系列計(jì)算方法和模型的集合。物性方法的選擇對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，因此對(duì)于模擬的體系選擇一個(gè)合適的物性方法非常重要[4]。選擇物性方法的辦法通常有兩種，一是通過(guò)Aspen Plus軟件的物性方法選擇助手，二是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。將Aspen Plus 軟件應(yīng)用在低溫甲醇洗方面已有一些人做過(guò)研究[5-7]，對(duì)于物性方法的選擇大家選擇PSRK[8,9]。低溫甲醇吸收塔選用RadFrac 模塊，計(jì)算類(lèi)型選擇平衡級(jí)模式，冷凝器和再沸器均選擇無(wú)。收斂方法采用默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 流程模擬

利用Aspen Plus 建立低溫甲醇洗工藝流程見(jiàn)圖1，物料平衡見(jiàn)表1。原料氣在(40℃，0.12MPa，400kmol/h)條件經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓至3.50MPa，注入甲醇(6kmol/L)防止發(fā)生凍堵，經(jīng)冷卻器降溫至-20℃后，進(jìn)入分離器進(jìn)行氣液分離，氣相從底部進(jìn)入低溫甲醇吸收塔，液相進(jìn)行排污，氣相在吸收塔內(nèi)與上部進(jìn)入的低溫甲醇(-20℃，3.50MPa，400kmol/h)逆流接觸，脫除氣體中的H2S+COS 和部分CO2，凈化氣中H2S+COS＜20ppm。凈化氣去水洗塔水洗除去大部分甲醇后排放，底部富液(5.7℃，3.50MPa，546kmol/h)送至再生塔進(jìn)行再生。由表1 可知經(jīng)過(guò)低溫甲醇洗處理后，酸性組分H2S+COS 降至20ppm 以下，滿足相關(guān)規(guī)范要求。由圖1 可知吸收塔是低溫甲醇洗工藝中的核心設(shè)備，一方面能夠影響凈化氣的中硫化物含量，另一方面影響進(jìn)入再生系統(tǒng)的富液的性質(zhì)和再生效率。

圖1 低溫甲醇洗工藝流程

表1 低溫甲醇洗工藝物料平衡表

2.2 吸收塔塔板數(shù)

吸收塔塔板數(shù)量決定了吸收塔的凈化效率和設(shè)備投資，選擇最佳塔板數(shù)十分必要。本文采用靈敏度分析，研究不同流量下吸收塔塔板數(shù)與凈化氣中H2S 和COS 含量的關(guān)系。將吸收塔塔板數(shù)和吸收劑流量設(shè)為操縱變量，塔板數(shù)的變化范圍為2～20、步長(zhǎng)為1，吸收劑流量為300～1000kmol/h、步長(zhǎng)為100kmol/h，以?xún)艋瘹庵蠬2S 和COS 含量為采集變量，進(jìn)行低溫甲醇洗工藝模擬研究，獲得不同流量下吸收塔塔板數(shù)與凈化氣中H2S 和COS 含量的關(guān)系，靈敏度分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同吸收劑用量下板數(shù)和凈化氣中H2S+COS含量的關(guān)系

吸收劑用量一定時(shí)，隨著塔板數(shù)增加凈化氣中H2S 和COS的摩爾分率降低，隨著塔板數(shù)的增加吸收劑用量對(duì)凈化氣中H2S 和COS 的摩爾含量影響越小；吸收塔塔板數(shù)一定時(shí)，隨著吸收劑用量增大凈化氣中H2S 和COS 的摩爾分率降低，當(dāng)吸收塔塔板數(shù)大于8 時(shí)凈化氣中H2S 和COS 的摩爾含量小于0.075%，當(dāng)吸收塔塔板數(shù)大于14 塊時(shí)凈化氣中H2S 和COS 的摩爾含量基本不發(fā)生變化。所以，當(dāng)吸收塔塔板數(shù)大于14 時(shí)，吸收劑用量為300～1000kmol/h 時(shí)，經(jīng)過(guò)吸收塔處理能夠?qū)崿F(xiàn)凈化氣H2S 和COS 的摩爾含量小于0.075%。

吸收劑用量大小決定再生裝置負(fù)荷，直接影響工藝裝置的單位運(yùn)行能耗和設(shè)備投資。為了綜合考慮運(yùn)行成本和凈化效果，需要在塔板數(shù)和吸收劑用量之間尋找一個(gè)最佳值。本文通過(guò)靈敏度分析，在滿足凈化要求(即出口氣體中總硫量≤20ppm)的前提情況下，將吸收塔塔板數(shù)和吸收劑流量設(shè)為操縱變量，塔板數(shù)的變化范圍為5～20、步長(zhǎng)為1，吸收劑流量為300～800kmol/h、步長(zhǎng)為100kmol/h，獲得吸收塔塔板數(shù)與吸收劑流量的關(guān)系，如圖3 所示。隨著吸收塔塔板數(shù)的增加，吸收劑用量逐漸降低；從5 塊到15 塊塔板，吸收劑用量減少較快；當(dāng)板數(shù)大于15 塊以后，隨著板數(shù)的增加吸收劑用量下降的較慢。因此，選擇吸收塔塔板數(shù)為15 塊。

圖3 塔板數(shù)與吸收劑用量的關(guān)系

圖4 吸收劑用量與凈化氣中H2S+COS含量關(guān)系圖

2.3 吸收劑用量

當(dāng)吸收塔塔板數(shù)為15 時(shí)，靈敏度分析獲得吸收劑用量與凈化氣中H2S+COS 摩爾含量之間的關(guān)系，如圖4 所示。隨著吸收劑用量的增加，凈化氣出口H2S+COS 摩爾含量逐漸降低；當(dāng)吸收劑用量大于375.7kmol/h 時(shí)，凈化氣出口H2S+COS≤20ppm，滿足設(shè)計(jì)要求。考慮實(shí)際生產(chǎn)和一定的設(shè)計(jì)裕量，吸收劑用量調(diào)整為400kmol/h。當(dāng)吸收劑用量為400kmol/h 時(shí)，凈化氣中H2S+COS＜10ppm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

基于Aspen Plus 軟件建立低溫甲醇洗工藝流程，經(jīng)過(guò)該流程處理后凈化氣中H2S+COS 含量小于20ppm。通過(guò)靈敏度分析確定最佳吸收塔塔板數(shù)為15 塊，考慮實(shí)際生產(chǎn)確定吸收劑流量為400kmol/L，在該條件下凈化氣中H2S+COS 含量小于10ppm。