低温甲醇法净化天然气工艺流程的研究

第5期刘健等:低温甲醇法净化天然气工艺流程的研究低温甲醇法净化天然气工艺流程的研究刘健,张述伟,孙道青(大连理工大学化工学院,辽宁大连116012摘要:利用合适的热力学模型和通用流程模拟软件,对天然气低温甲醇洗净化工艺流程进行了模拟,设计出了简化的甲醇洗工艺流程并进行了优化。通过模拟分析确定了系统的最优工艺参数关键词低温甲醇洗;天然气净化;工艺开发;优化中图分类号:TQ064文献标识码:B文章编号:1001-9219(2007)054704天然气与煤炭、石油并称为世界一次能源的三表1常用的吸收方法和低温甲醇洗的比较大支柱随着世界经济的发展,石油危机的冲击和 Table1 Comparison between common absorption煤、石油所带来的环境污染问题日益严重能源结构processes and Rectisol process逐步发生变化天然气的消费量急剧增长。天然气净化方法温度历力,进口。出口顿)吸数能作为优质干净的燃料和重要的化工原料,其应用越z醇胺法(MEA)442.820100-20018-25来越引起人们的重视,加快天然气工业的发展已成为当今世界的趋势。我国拥有较丰富的天然气资低温甲醇法-30--703.233源最近十年,我国天然气产量增长迅速,开发应用的步伐正在加快。目前天然气净化过程中常用的方法大多采用溶天然气净化主要是指水分和酸性气体的脱剂吸收法进行预处理,再采用沸石分子筛吸附进行除。天然气中的酸性气体主要是指CO2和H1S等深度净化。表1给出了几种常用吸收方法和低温甲杂质气体。气体净化方法有气液吸收、气固相催化醇洗技术的比较4。从表1中可以看出低温甲醇洗技术净化气体的转化圄固体吸附、分子筛分离膜分离等,但是用得最净化度要优于其他几种吸收方法。在天然气后续的为广泛的还是气液吸收。低温甲醇洗技术就是一种液化过程中温度要降低到-135℃以下,为防止天有效的气体净化的方法。本文以某天然气为原料然气中的H120和CO2在此温度下结冰而阻塞设备气,用通用化工流程模拟软件模拟并设计出了符合管道,要求将原料天然气中的d(H2O)降到01x实际工况的工艺流程对各系统参数进行了优化净104以下d(CO2)降到(50-100×10左右,净化化后的天然气各项指标都达到了要求。要求比较苛刻而采用低温甲醇洗技术能满足天然1低温甲醇洗工艺介绍气净化的苛刻要求。低温甲醇洗法是利用低温下(-30℃-2天然气低温甲醇洗工艺流程的开发70℃)甲醇溶剂的优良特性脱除原料气中的轻质设计油、CO2、H2S、硫的有机化合物和氰化物等的物理吸21工艺流程介绍收法。低温甲醇洗法的特点:吸收能力大,气体净化低温甲醇洗是一种技术先进和较为经济的净化度高出口气中(CO2)可脱除至(10-20)×106,能方法,典型的低温甲醇洗工艺流程如图1所示该流将无机硫和有机硫脱除干净(总硫小于0.1x×10);程由5个塔构成,即吸收塔(C1)、CO2解吸塔作为吸收剂的甲醇易得,价格低廉;选择性好,甲醇对(C2)H2S浓缩塔(C3)、甲醇热再生塔(C4)和甲醇CO2H2S、C0s的溶解度大但对H2、C0、CH4的溶解水分离塔(C3)。根据原料气组成及净化度要求的度小;沸点低,它的热再生温度低,能耗低。不同V中国煤化工形式多种多样但是稿日期:20作者简介刘健(189男硕土生,发设计时。CNMHG艺流程基础上新开天然气化工2007年第32卷METHANOI图1典型的低温甲醇洗工艺流程图Fig. 1 Flow digram of typical Rectisol process根据某天然气的实际工况条件(见表2),对典42℃后进入v3罐闪蒸,闪蒸出的气体送出界区进型的“五塔”工艺流程进行了简化:燃料系统,罐底的甲醇液返回Ⅴ2,用以回收甲醇。(1)由于粗天然气中不含硫化氢,可省去吸收贫甲醇从C2塔底出来后经换热降温后送到吸收塔塔的脱硫段,同时省去H2S浓缩塔C3。顶。系统中多台的换热器组成的换热网络用以回收(2)由于粗天然气中不含水,可省去甲醇水分冷量并保证必要的工艺条件1。离塔C5(3)由于粗天然气中不含硫,CO2含量较低,可进燃料系统尾气净化气以用闪蒸罐来代替CO2解吸塔C2。为了能更好地通过以上分析最终得出符合该实际工况的简M解吸出气体中的CO2气体本流程采用两级闪蒸化的甲醇洗净化工艺流程,只保留了典型甲醇洗流程的吸收塔C1和甲醇热再生塔C4,新的简化的工艺流程见图2。天然气进入吸收塔(C1)塔底,塔顶部用-55℃的贫甲醇洗涤原料气中的CQ2,从C塔塔顶采出的气C吸收塔V一级闪蒸罐;V2一二级闪蒸罐,Gc_甲醇体为净化气,其中d(CO2)<20×10°。从吸收塔底热再生塔图2设计出的天然气净化低溫甲醇洗工艺流程图出来的含有CO2的甲醇液减压至1.8MPa并换热后Fig. 2 Flow diagram of designed Rectisol process for进入Ⅴ1罐,闪蒸出溶解的CH4及少量CO2等气体经增压并降温后与进料天然气汇合,以回收CH。从V罐出来的甲醇液再次减压至0.MPa后送入2.2吸收塔C的模拟与优化第二级压力的2罐闪蒸出溶解在甲醇中的CH4和在吸收甲醇温度和吸收塔的理论板数一定时,CO2等气体。气相是含有CO2的甲烷气这部分气影响天然气净化效果的关键因素是吸收塔的循环甲体经加压后与V罐闪蒸出的气体汇合返回进料天醇量。然气管线,通过此方法,可以保证进料天然气中的甲从图3可知洗涤甲醇用量越多,则净化气中的烷回收率达到9.5%以上。从V2罐底部出来的液C2含量越低但是当循环甲醇用量达到一定量后体送人甲醇热再生塔C2上中部,C2塔塔底得到贫甲此时中国煤化工必再继续增大,否醇塔顶得到主要成分为烷烃和CO2的燃料气。从则CNMH较合适的甲醇用C2塔塔顶再生出的气体还含有一定的甲醇,降温至量可以取160kgh,此时满足天然气净化的要求第5期刘健等:低温甲醇法净化天然气工艺流程的研究恒定了。塔底的热负荷随着回流比的增大而线性增00010大。为了减少塔底的热负荷,并能使热再生的甲醇g00液浓度达到指标要求取回流比为1.465000000209999塔底甲醇液纯度·善鲁■塔的热负荷001200001400001600000610141.82224循环甲醇用量/ghC塔回流比图3循环甲醇量对净化气中CO2含量的影响图5C2塔回流比对塔底甲醇液纯度和塔底热负荷的影响Fig. 3 Efect of circulated methanol on CO, fraction ofFIg. 5 Erect of refux radio of C, column on purity ofmethanol and heat duty of column bottom23热再生塔C2的模拟与优化热再生塔C2是让甲醇再生的关键塔,在此塔中628487溶解在甲醇液中的CO2等气体从溶液中解吸出来628486牴从而使甲醇溶液再生。再生后的贫甲醇液再经过62845系列的换热器冷却后去洗涤塔C1塔顶重新吸收塔底甲醇液度cO2等酸性气体,从而达到甲醇的循环利用。影响62848.3塔底贫甲醇液的纯度主要因素为理论板数、回流比和进料位置。图6C2塔进料位置对塔底甲醇液纯度和塔底热负荷1.0000Flg. 6 Efect of position of feed stage of Column on pu09998rity of methanol and heat duty of column bottom如图6所示,随着进料板位置的下移塔底甲醇液的甲醇浓度变小,而且塔底的热负荷也呈增大的趋势。当进料位置在第2块理论板上时,塔底贫甲09992醇液的CH12OH摩尔含量最大,而且此时的C2塔底热负荷最小,因此选进料位置为第2块理论板。099903系统参数最优的全流程模拟101112C塔理论板数确定了最优的各塔理论板数循环甲醇量最佳图4C2塔理论板数对塔底甲醇纯度的彩响回流比和最佳进料位置后,对全流程进行了最优化Fig.4 Effect of theoretical plates of C2 column on purity模拟。表2所示为全流程模拟的关键流股数据of methanol of column bottom整个工艺流程的公用工程消耗如下表3所示。从图4可以看出理论板数越多塔底的贫甲薛4结论纯度越髙。当理论板数达到10以后,塔底液甲醇所占摩尔分数基本恒定了,因此选10块理论板较合通时公折工给点的际组成工况条件,设适。计开发中国煤化温甲醇洗新工艺从图5可以看出,回流比越大,热再生塔的分离流程CNMHG定了最优的工艺效果越好,当回流比达到14以后,甲醇的纯度几乎参数。这一新流程不仅可以满足生产工艺要求,而天然气化工2007年第32卷寝2全流程模拟的关键流股数据剂价廉易得,是值得推广的一种天然气净化方法。Table 2 Simulation data of key streams of totalrocess flow参考文献原料天净化天进燃料主要流股数据然气然气统的进C1的[1]牛刚,黄玉华低温甲醇洗技术在天然气净化过程中冷甲醇的应用[门].天然气化工,2003,28(2)2629尾气温度/℃60压力/MPa0.3摩尔流率/kmo/h4000.003873.0127.224993.07wm四BACKONE equation for theJ]. Energy Fuels, 2004, 18质量流率/kgh685444163256.785295159988.82(8):938951组分/md%CH0.94700.97610.05962.06E17[3]罗小武天然气净化工艺技术研究与应用[J].天然0.00550.00380.05705.46E-13气与石油2006,24(2):31-330.0081.85E070.0252214E10[4]王建国薛天祥合成氨净化方法的选择剖析与经济n-CAHIo0.00018.25E140.00312.85E08比较[门]煤化工,2000,28(3):35i-C,,o0.00011.50E110.00312.87E090.01920.019836.26E068.68E[5]林珩薛天祥低温甲醇洗法净化羰基合成气[门]小0.02712.40E050.85148.96E11氮肥,2002,23(4):10-13.He0.00020.00028.42E097.26E29[6]张述伟俞裕国,王长英,等.用低温甲醇净化不含硫CH,O0.00005.20E050.00050.9999原料气的工艺流程简化[J].高校化学工程学报表3能耗一览表1999,13(6):518522Table 3 The table of consumed energy[7]姚平经全过程系统能量最优化综合[M]大连:大连理工大学出版社,1995:16-29目电/kW冷却水//h0.5MPa蒸汽/vh冷量/kW[8] Linnhoff B, Ahmad S. Cost optimum heat exchanger消耗值17970288.07.41906.0networks: minimum energy and capital using simple且流程结构简单能耗较少,经济实用。用低温甲醇models for capital cost[ J ] Comput Chem Eng, 1990.14(7):729-750.洗技术净化天然气净化度高溶剂吸收能力大且溶The Rectisol Process for Natural Gas PurificationLU Jian, ZHANG Shu-wei, SUN Dao-gingDepartment of Chemical Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116012, China)Abstract: The Rectisol process for purifying nature gas was simulated using an appropriate thermodynamic modeland the current simulation software. A simplified Recisol process was designed and optimized and the optimalprocess parameters were determined by the simulation and analysisKey words: Rectisol process; natural gas purification; process development; optimization动态简讯式的意义。大连化物所甲醇制烯烃技术将建百万吨级装置我国最大的天然气制甲醇项目投产9月17日,中科院大连化学物理研究所与神华包头煤2007年9月,内蒙古博源联合化工有限公司100万ta化工有限公司集团在北京举行了180万∽a甲醇制烯烃的天然气制甲醇项目正式投产。博源甲醇项目由内蒙古远(DMTO)技术许可转让合同签订仪式。这是继今年8月“陕兴能源股份有限公司和美国西格玛投资集团有限公司共同西榆林20万吨/年煤基烯烃工业化示范项目"DMTo技术许投资兴建。远兴公司原有35万va甲醇装置。该100万v可转让合同签订后大连化物所与企业签订的首个百万吨级新装黑用CA司和MP公司国际先进的工艺DMO工业生产技术许可转让合同。这标志着具有自主知技术中国煤化工保安全稳定运行,且能识产权的DMTO技术在走向大规模产业工业化的道路上迈CNMHG利用实现了零排放,出了关键的一步对我国清洁煤化工产业的发展具有里程碑概算总投资14.72亿元