基于Aspen Plus的超大规模低温甲醇洗工艺全流程模拟

第40卷第7期上海化工2015年7月Shanghai Chemical Industry基于 Aspen Plus的超大规模低温甲醇洗工艺全流程模拟何一夫中石化南京工程有限公司(江苏南京211100摘要利用 Aspen Plus软件对超大规模低温甲醇洗工艺进行了全流程模拟,并对物性模型中关键组分的二元交互作用参数进行了修改。模型模拟得到了净化气的成分汽提氮气的消耗量以及需要的冷量,揭示了洗涤塔脱硫段吸收剂对HS脱除效果的影响、洗涤塔脱碳段吸收剂对CO2脱除效果的影响、HS浓缩塔汽提N对HS浓缩效果的影响以及热再生塔塔底蒸汽对甲醇再生效果的影响。关键词 Aspen Plus软件超大规模低温甲醇洗全流程模拟二元交互作用参数中图分类号TP319Aspen Plus软件是由美国 Aspen Tech公司开发吸收了HS和CO2的甲醇富液经减压闪蒸解吸后在的通用工艺模拟软件,可用于化工及炼油工艺流程CO2解吸塔(C2)顶得到纯净的CO2气体;解吸后的的模拟计算。 Aspen Plus软件中包括多种热力学模甲醇溶液在H2S浓缩塔(C3)中进一步用N2汽提解型、大量的物性参数以及混合物数据与表征方法叫。吸以提高液相HS浓度尾气放空;进一步解吸后的经过几十年的经验积累,其功能不断完善,已成为世甲醇溶液在热再生塔(C4)中进行热再生,塔底得到界性标准流程模拟软件,同时也是国际上功能最强贫甲醇,送往低温甲醇洗涤塔(C1)循环使用;热再的商品化流程模拟软件。目前,该软件已在全世界范生塔顶得到的HS浓度较高的气体,送至硫回收系围内被广泛使用啁统;甲醇/水分离塔(C5)用于脱除甲醇中的水分;系低温甲醇洗工艺是20世纪50年代初林德公司统中约24台换热器组成的换热网络用以回收冷量和鲁奇公司联合开发的用于处理高浓度酸性气体的并保证必要的工艺条件净化工艺。该工艺的操作温度为-750℃,压力为模拟流程中包括5个分离塔之间物流的传质和24-80MPa,净化后得到总硫体积分数<00001%、传热,过程错综复杂,结构纵横交错。若5塔联合模CO2体积分数<0001%的合成气。目前,低温甲醇洗拟,计算量会非常巨大,同时5塔联合收敛也存在很技术向单系列、大型化方向发展,迄今用 Aspen Plus大的难度。本模拟先进行单塔单独模拟和收敛,再依对超大规模低温甲醇洗工艺进行全流程模拟的文章次增加模拟和收敛的塔数,同时对收敛方法、收敛次很少有报道。数、收敛公差进行修改,最后进行全流程统一模拟和1模拟计算收敛。模拟流程中还包括第一、第二循环气闪蒸罐气相出口合成气的循环过程,该循环过程也是模拟的1.1模拟流程的建立重点, Aspen Plus在计算过程中对其进行迭代计算结合 Aspen Plus的使用特点,确定超大规模低当相邻2次计算得到的物流值相对误差小于 Aspen温甲醇洗工艺的模拟流程,如图1所示。Pus的规定值时,模拟计算达到稳态平衡。1.2模拟流程的说明1.3物性及模块的选择原料气在低温甲醇洗涤塔(C1)中用低温甲醇低温甲醇洗系统的主要组分有CHO、H2、CO2、洗涤,脱除HS和CO2等组分净化气由塔顶引出;HSN2、CO、CH中国煤体系中既含有cnc竺作者简介:何一夫男1982年生硕士工程师主要从事:化工工艺设计和CNMHG2上海化工第40卷盐水尾气CO产品净化气低压N原料气1-洗涤塔;2-CO2解吸塔;3-HS浓缩塔;4-热再生塔;5-甲醇/水分离塔;6-N2汽提塔;7-CO2水洗塔;8-尾气水洗塔;9-第一循环气闪蒸罐;10-第二循环气闪蒸罐;11-气液分离器;12-循环气压缩机;13-第一富液甲醇泵;14-第二富液甲醇泵;15-第三富液甲醇泵;16-热再生塔底泵;17-尾气水洗塔底泵;18-原料气冷却器图1超大规模低温甲醇洗工艺模拟流程缔合、极性组分CHO,又存在量子气体H2,在低温、建模过程中主要采用了 Aspen Plus内置模块加压下操作时部分组分将超过临界点,所以体系为(详见表2),同时加入了用 FORTRAN语言编写的非理想性体系,很容易造成计算模型估算不准确門。计算模块RR来计算整个系统需要的冷量。本模拟的物性模型拟选用NRTL-RK模型,因为低表2单元操作模块温甲醇洗工艺是一种典型的物理吸收过程,各分子称模块子称模块间的作用力为范德华力气液关系符合亨利定律溶甲醇泵PUMP‖循环气压缩机 COMPR液中被吸收组分的量基本上与其在气相中的分压成混合器MIXER寸流器FSPLIT正比,所以在物性模型中同时引入亨利组分。但该模原料气冷却器 MHEATX冷器HEATX型中关键组分CO2H2、HS与CHO的二元交互作洗涤塔 RADFRAC‖CO2解吸塔 RADFRAC用参数适用的范围很难涵盖低温甲醇洗工艺的实际Bs浓缩塔 RADFRAC‖热再生塔 RADFRAC操作温度范围,特别是低温区间,因此要准确模拟该甲醇/水分离塔 RADFRA水洗塔 RADFRAC工艺流程,需对其关键组分的二元交互作用参数进行相应的修改,修改后的NRmL-RK模型中的二元14假设交互作用参数详见表1。为简化模拟过程,作出以下假设:(1)原料合成表1修改后的NRTL-RK模型中二元交互作用参数气处理量规模为515000Nmh,压力为30MPa;(2)洗涤塔(C1)共有40块理论塔板;(3)CO2解吸塔元素C(C2)共有30块理论塔板;(4)HS浓缩塔(C3)共有CHOCHOCHO素4Bc40块理论塔板;(5)热再生塔(C4)共有15块理论619310.08塔板;(6)甲醇/水分离塔(C5)共有25块理论塔3426.691867.402050.80板;(7)全塔151中国煤化工塔板的单板压降均为1kP0.25-0.27CNMHG的冷量,分别0.00为0℃和-40飞;(丿米目坐怏毕兀的原料合成气第7期何一夫:基于 Aspen Plus的超大规模低温甲醇洗工艺全流程模拟的组成和总量在模拟过程中保持不变。99.972模拟结果与讨论2.1模拟结果99.94模拟中原料合成气成分为:q(CO+H)=54394%,99.93(O)=41515%,q(COS+HS)=0.086%,q(其他气体)=4005%;模拟得到净化合成气成分:q(CO+H)=册99.9293386%,φ(CO2)<0.001%,(COS+H2S)<0.001%,q(其他气体)=6.614%;汽提N2(40℃045MPa)消耗量为34500Nm沿h;0℃和-40°两个等级需要的冷99.89量分别为54MW和190MW(包含3%的冷量损失)。冷量是低温甲醇洗工艺中极为重要的能耗指标,与国外先进工艺相比,该模拟值略为偏高,说明模型中的低温换热网络还有进一步优化的空间。30-32-3438-4022讨论吸收剂温度/℃利用建立的单系列,串、并联超大规模低温甲醇图3吸收剂温度对HS脱除率的影响洗工艺模型,通过灵敏度分析分别确定洗涤塔脱硫段吸收剂的用量和温度对HS脱除效果的影响(见图2、图3),洗涤塔脱碳段吸收剂的用量和温度对CO2脱除效果的影响(见图4图5),HS浓缩塔汽提N2的用量和温度对HS浓缩效果的影响(见图6图7),热再生塔塔底蒸汽的用量对甲醇再生效果的影响(见图8、图9)。99.20由图2可知,随着洗涤塔脱硫段吸收剂流量从12000kmo/h增加到13200 kmol/h,H2S的脱除率从99.009990%增大到996%,这是因为低温甲醇洗工艺是99.9798.6099.96940L99.95800003080031600324003320034000吸收剂流量(kmol·h-)图4吸收剂流量对cO2脱除率的影响99.92典型的物理吸收过程,在H2S分压和吸收剂温度恒99.91定的情况下,HS吸收总量与吸收剂用量基本上成正比,所以当洗涤塔脱硫段吸收剂流量增加时,HS99.90脱除率相应升高。由图3可知,随着洗涤塔脱硫段吸99.89收剂温度从-30℃降低到-40℃,HS的脱除率从9989%增大到9996%,这是因为在H分压和吸收剂用量恒定的情况下,吸收总量与吸收剂温度基本120001224012480127201296013200上成反比,“况“剂温度降低时吸收剂流量/( kmol h-)HS脱除率朴CNMH图2吸收剂流量对HS脱除率的影响由图4知,沅你增畎枝吸收剂流量从上海化工第40卷0.836499.800.88630.8862迟99.600861馒0.83600.835999.300.8658-4753吸收剂温度/℃低压N温度/℃图5吸收剂温度对cO2脱除率的影响图7低压N2温度对HS摩尔分数的影响8413.50E-030.84003.00E-030.88902.50E-030.83802.00E-030.83701.50E-030.83601.00E-030.86505.00E-040.834012001280136014401520160022022823624425226.0低压N2流量/kmol·h)热再生塔塔底热负荷MW图6低压N2流量对HS摩尔分数的影响图8热再生塔塔底热负荷对HS摩尔分数的影响30000kmo/h增加到34000 kmolh,CO2脱除率从以当洗涤塔脱碳段吸收剂温度降低时,CO2脱除率9901%增大到988%,这是因为在CO2分压和吸收相应增大。剂温度恒定的情况下,CO2吸收总量与吸收剂用量由图6可知,在HS浓缩塔低压汽提N2温度恒基本上成正比,所以当洗涤塔脱碳段吸收剂流量增定的情况下,随着低压汽提N2流量从1200 kmol/h加时,CO2脱除率相应增大。由图5可知随着洗涤增加到1600kmoh,塔底甲醇中HS的摩尔分数从塔脱碳段吸收剂温度从-45℃降低到-55℃,CO20.00836增加到0.00840,这是因为采用N2汽提可脱除率从99.50%增大到99.85%,这是因为在CO2进一步降低甲醇中溶解的CO2分压,使CO2解吸更分压和吸收剂用量恒定的情况下,CO2吸收总量与为彻底,而H中国煤化工比CO2大,解吸收剂温度基本上成反比据相关文献报道当温度吸也相对困难CNMHG汽提N2用量从20℃降到-40℃时,CO2溶解度约增加6倍,所增加时塔底中醇中的摩乐分相应增加。由图第7期何一夫:基于 Aspen Plus的超大规模低温甲醇洗工艺全流程模拟58.00E-05原因与HS类似,当热再生塔塔底热负荷增大时,CO2进一步解吸,使甲醇中CO2的量减少。7.00E-053结论6.00E-05(1)净化气成分为q(CO+H)=93386%,g(CO2<5.00E-050001%,φ(COs+HS)<00%,q(其他气体)=献鳖84.00E-056614%。(2)汽提N2(40℃045MPa)消耗量为345003.00E-05Nmh;0℃和-40℃两个等级需要的冷量分别为542.00E-05MW和190MW(包含3%的冷量损失)。(3)洗涤塔脱硫段吸收剂用量增加或温度降低1.00E-05时,HS脱除率均相应增大。04)洗涤塔脱碳段吸收剂用量增加或温度降低220228236244252260时,CO2脱除率均相应增大。热再生塔塔底热负荷MW(5)当HS浓缩塔低压汽提N2用量增加时,塔图9热再生塔塔底热负荷对cO2摩尔分数的影响底甲醇中H2S的摩尔分数相应增加;低压汽提N2温7可知,在HS浓缩塔低压汽提N2用量恒定的情况度降低时HS的摩尔分数相应降低。下,随着低压汽提N2温度从-20℃降低到-40℃6)热再生塔塔底热负荷增加时,塔底甲醇中塔底甲醇中HS的摩尔分数从0008363降低到HS和CO2的摩尔分数相应降低。0008360,这是因为温度越低,甲醇对酸性气体的吸该单系列超大规模低温甲醇洗工艺模型可为类收越有利,而CO2解吸越困难,所以当HS浓缩塔低似工艺的方案比选优化设计提供模拟和预测。压汽提N2温度降低时塔底甲醇中HS的摩尔分数参考文献相应降低。[]王静康.化工设计[M北京:化学工业出版社,1995:由图8可知,随着热再生塔塔底热负荷(蒸汽用276-290量)从20MW增大到260MW塔底甲醇中HS的2]孙志翱,金保升,李勇,等.基于 Aspen Plus件的湿摩尔分数从0003%降低到0.0007%,这是因为H2法烟气脱硫模型洁净煤技术,2006,12(3):82-85在甲醇中的溶解度大解吸难需采用外来热源使其B]张述伟,陆明亮,徐志武,等低温甲醇洗系统模拟与彻底解吸。加热介质用量越大,甲醇再生越彻底,所{黄崇平,用A甲mPs件模拟炼厂气脱硫和再生系以当热再生塔塔底热负荷增大时,HS进一步解吸,统工艺流程炼油,2001,6(4):32-35.塔底甲醇中HS的量减少。由图9可知,随着热再生[5孙津生,李燕低温甲醇洗工艺流程模拟—甲醇洗涤塔塔底热负荷从22.0MW增加到26.0MW,塔底甲塔的模拟J甘肃科学学报,2007,192:50-53醇中CO2摩尔分数从000007%降低到0.00003%,收稿日期:2015年6月Simulation of Ultra-large Scale rectisol Process based onAspen PlusHe rifiAbstract: The ultra-large scale rectisol process model was proposed and simulated by Aspen Plus software, and thebinary interaction parameters of the key components were modified. The compositions of synthesis gas, the consumption ofthe stripping nitrogen and the required refrigeration were obtained, revealing the effects of scrubber on H2S and CO2 re-moval, the influences of stripping nitrogen on HS concentration, and the effe中国煤化工 wer bottomsteam on methanolIICNMHGKey words: Aspen Plus software; Ultra-large scale rectisol; Process simulation; Binary interaction parameters