低温甲醇洗工艺酸性气体吸收流程的模拟计算

2010,20(5)宫万福等低温甲酵洗工艺酸性气体吸收流程的模拟计算低温甲醇洗工艺酸性气体吸收流程的模拟计算宫万福·叶鑫吕建宁惠生工程(中国)有限公司北京100102摘要利用工艺流程模拟软件PO对低温甲醇洗工艺酸性气体的吸收流程进行模拟计算。通过对热力学方法的分析对比,选用误差相对较小的 SRK-Sims方法,将修正后的热力学方法用于酸性气体的吸收计算,并对甲醇流量进行灵敏度分析,结果表明,所建方法适用于低温甲醇洗工艺酸性气体的吸收计算。关键词低温甲醇洗PRO热力学模型低温甲醇洗工艺是由德国林德( Linde)公司和鲁奇(Iugi)公司在上世纪五十年代共同开发的一种酸性气体净化工艺,是目前国内外公认的最为经济且净化度高的气体净化技术,具有净化气质量好、净化度高、CO2<10ppm、H2S<0.lppm、能选择性吸收H2S、COS和CO2,可分别脱除和再生、溶剂价廉易得、能耗和运转费用低等其它脱硫、脱碳技术不能取代的特点求取气体在甲醇中溶解度是低温甲醇洗工艺计算的关键,然而这些数据在通用的手册中却很图1两台吸收塔酸性气体吸收流程难查到,该体系的气液平衡数据作为林德和鲁奇公司的专有技术未曾公开发表。高压低温下气体塔1用来净化合成甲醇的原料气。来自变换在甲醇中溶解的享利系数和溶解度系数报道更工段的原料气经冷却后进入分离罐Ⅵ进行气液少,就目前公开发表的文献而言(1-3,不能完全分离。分离出液体后的原料气进入脱硫段的底满足低温甲醇洗工艺计算的需要。部,用低温贫甲醇洗涤。分离罐Ⅵ底部的甲醇利用工艺流程模拟软件PRO/m的化学组分和水的混合物送甲醇水分离塔分离。数据库和热力学方法,通过对二元交互作用参原料气在吸收塔与低温贫甲醇逆流接触,利数、溶解度系数等参数的修正,建立了低温甲醇用CO2、H2S等酸性气体在低温甲醇中溶解度大洗工艺吸收流程的计算模型,不仅可以对现有生的特性达到净化原料气的目的,为了移走CO2产装置进行模拟分析,为生产提供改进建议、增在甲醇中的溶解热,在吸收塔的段间要设置冷却加经济效益,还可满足新项目工程设计的需要器,将甲醇吸收剂冷却到最佳吸收温度,保证CO2的充分吸收1流程简介塔2用来净化来自变换工段的未变换原料低温甲醇洗工艺通常由吸收塔、CO2产品气,其流程与塔1类似。净化后的未变换原料气塔、H2S浓缩塔、热再生塔、甲醇/水分离塔箏送冷箱生产CO产品。塔2中部抽出的富甲醇构成的五塔流程,依下游产品的不同,可设置成液,一部分返回塔的脱硫段,一部分经冷却后送台或多台吸收塔。图1为某项目采用两台吸收塔1上段的中部继续用作为吸收剂,充分利用甲醇的塔吸收酸性气体的工艺流程中国煤化了,降低能耗。CNMHG·宫万福:工程师。200年毕业于黑龙江科技大学矿物加工专业。一直从事煤化工技术研究工作。联系电话:(010)847847881620,13520072193,E-mail:gongwanfu@wison.comaCHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2010,20(5)在工艺模拟过程中,吸收塔的模拟计算难度法为依次点选PRo界面的 Outpu/ Report/Mis最大,同时也是最重要的。为表述及分析方便并 cellaneous Data…,打开 Miscellaneous Report0p使模拟过程易于收敛,将吸收塔分为脱硫段、粗ons界面,点选 Include Thermodynamic Date In吸段和主吸段(精吸段)分别进行模拟计算。 put Parameters选项,即可在输出报告中查看该2热力学方法的选择及修正热力学方法中各组分间的二元交互作用参数。SRK-Simsci热力学方法是英维思公司优化的在低温甲醇洗工艺酸性气体的吸收过程中,一种立方型状态方程,它釆用新的混合规则,弥存在一个H2N2- CO-Ar-CH,CO2H2SCOS·补了PR型状态方程混合规则的不足,不仅适用CHOH1H2O所组成的十元体系的气液平衡,系于极性一非极性组分,而且适用多组分系统;它统组分多,各组分性质差别较大,其中既含缔采用新的a方程,可以更好地预测纯组分的气合、极性组分甲醇,又存在量子气体氢,非理想相分压,并可外推到超临界区域,该方法适用于性很强,因而相平衡计算较为困难。PRO/Ⅱ软件提供多种用于流体的气液平衡低温、高压、轻烃或轻组分的非理想体系。对于二元组分,其混合规则及a方程表示为:常数、液液平衡常数、焓、嫡、密度和其他传递性能参数等热力学计算方法,由于每种热力学方Hn yX1+C2法有一定的适用范围,因此选择合适的热力学方H12=(k21-ka)/法是能否正确模拟该工艺的关键。气液平衡计算Gu =exp( -BuHn常采用状态方程法和活度系数法两类热力学方法,其比较见表1。3模拟计算结果与分析表1状态方程法与活度系数法的比较将修正后的热力学模型用于酸性气体吸收过状态方程法活度系数法程的模拟计算,得到的结果与原始工艺包吻合得描述非理想液相的能力有限可描述高度非理想液相要求二元交互作用参数少要求大量二元交互作用参数很好,尤其是未变换气体的吸收计算,模拟结果参数可合理随温度外推参数不能外推,高度依赖于温度最为理想。变换气体与未变换气体的吸收流程类可描述气液两相只能用于液相似,因此本文只讨论模拟误差相对较大的变换气临界区有一致性临界区无一致性体吸收过程可用于高压只能用于低压选取流程中关键物流103、107、115和118作为比对物流,并选取各物流中的关键组分作比采用低温甲醇洗吸收酸性气体要在低温和高较,其模拟值、原数据及相对误差见表2压下进行,超出了活度系数法应用范围,文献中物流103是原料气分离罐Ⅵ上部的气相也有类似的报道。结合POⅡ热力学方法选液相主要是原料气中的水、喷淋甲醇及少量溶解择手册,筛选如PRP、SRKM、SRK- Simsci等几的CO2。原料气体在原料气冷却器中被冷却到约种适合预测低温和高压非理想系统的状态方程模型用于吸收过程的模拟计算。经过对比计算的结9℃,在56MPa高压下,由于分子间的吸引力,使水分子不易被分离下来而进入底部的液相果发现,各模型用于低温甲醇洗的计算均存在不中。原料气带水量高,将会造成循环甲醇中水含同程度的偏差。这是由于在低温下,二元交互作量增加,影响吸收塔的计算。由表2中103物流用参数及溶解度系数等参数与实际值之间的误差数据可知,修正后的SRK- Simsci状态方程法适较大,造成状态方程法计算的结果有偏差。最终合此处的低温含水极性体系。选取其中偏差最小的 SRK-Simsci热力学模型,并参照PRO输出报告中二元交互作用参数的物流107是吸收塔1顶部的气相,结果温度的误差设定值,利用原数据回归,然后对组分间的二元中国煤化工顶部气相的温度误考交互作用参数及溶解度系数等参数进行修正,将CNMHG中部抽出的一股富甲群液纷々却后进哈段,对此处的修正的模型用于低温甲醇洗酸性气体的吸收计吸收造成干扰,影响塔1内部温度分布。算。查看PO/I报告中二元交互作用参数的方2010,20(5)宫万福等低温甲醇洗工艺酸性气体吸收流程的模拟计算表2酸性气体吸收过程关键流股主要成分的对比(温度,℃)(kmo/h)数据模拟原数模拟原数据误差模拟原数据误差拟原数据误差流量2799.322799.25250E051693.171693.73.54E045690.645694.927.52E04031650.865.05E04温度9.419.40E0329.12.616.65E037.187.225.54E03H21288.851287.669.24E041271.041270.772.12E0428.6128.513.51E038.8.201.10E20290.51290.70654E04294.54294.161.29E0321.5821.79964E035.915.9839E03CO21199.451200.20625E04116.11116.86646E031681.521685.032.08E03531.55530.651.69E03H2s658654612E06.576.545.20E033938.713938.721.74E061091.701093.511.66E03H2O0.200.200.00E+0019.7819.782.7E055.5.699.32E04物流115和118是吸收塔底部及中部的液混合后CO2摩尔分率在3%-5%之间,出口气相,由表2可知,模拟结果很理想。本文对吸收体CO2含量的摩尔分率要求在69%~95%范塔段间换热器的热负荷进行比较,见表3。围内。甲醇物流110流量的灵敏度分析见表4。表3吸收塔段间换热器的热负荷从表4可以看出,随着甲醇流量的增大,出模拟值设计值口气体中CO2和H2S的摩尔分率减少,出口气(kW)(%体温度逐渐降低。甲醇流量与出口气体CO2摩绕管换热器丙烯深冷器+0.74尔分率关系见图2。由以上的分析可知,采用修正的 SRK-Simsci状态方程可以很好地模拟低温甲醇洗工艺酸性气体的吸收过程。4灵敏度分析001250130013501400145015001550通过灵敏度分析,一方面可以指导生产,增图2甲醇流量与出口气体CO2摩尔分率关系图加经济效益;另一方面也可以考察所建立模型对操作条件变化的灵敏性。4.2分流分率灵敏度分析4.1甲醇流量灵敏度分析本文的分流分率是指物流117与物流115流吸收塔出口气体中CO2和H2S的摩尔分率量的比值,其值越大,表明进入脱硫段的甲醇吸收剂流量越大。出口气体中H2S的摩尔分率可必须满足一定的设计控制指标。仍以变换气吸收通过控制分流分率来调节,分流分率的灵敏度分塔1为例,为保证出口气体与冷箱出来的富氢气析数据见表5。表4甲醇流量灵敏度分析从表5可以看出,分流分率的变化对H2S摩流量出口气体温度出口气体CO2出口气体H2S(kmol/h)摩尔分率)(摩尔分率)尔分率影响较大,对CO2摩尔分率影响较小。25.420.0926经过脱硫段后,原料气中硫化物组分的摩尔分数1267.625.950.08985.05711E12一般小于lpm。分流分率与Tl-1塔顶HS摩4.41558E-12尔分率的关系见图3。13576-27.400.08173.37220E-125结语1387.627,890.0790中国煤化工28.40台,分析筛选1447.60.07372.24292E12了适HCNMHG性的热力学方1477.629.430.011法,并利用修正的模型模拟了某项目低温甲醇洗1507.60.06851.70962E-12工艺酸性气体的吸收流程CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2010,20(5)表5分流分率灵敏度分析的模拟计算。流量115流景no/h)(kmb)分流分率105H2S105C02摩尔分率摩尔分率参考文獻1080571L390.199.35313E050.42051皮银安,低温甲醇洗相平衡模型和气液平衡计算(1)11805711.680214.22098E050.4202相平衡模型[J].湖南化工,1997,27(4):1-5.12805708.560.221.69277E050.41952皮银安.低温甲醇洗桕平衡模型和气液平衡计算(2)13805705.140.246.75596E060.4188气液平衡计算[J].湖谢南化工,1998,28(1);155701590.262.75058E060.41805805697.950.281.15504E0.41723戴文斌,唐宏青.低温甲醇洗工艺气体溶解度的计算94.190.305.02110E0704163[J].计算机与应用化学,1994,11(1):4-511780590320.312.26117E070.41544周建钩.林德低温甲醇洗流程模拟。化学工程[J]8805686.820.331.05782E0041461993,21(2):50-5519805682.70.355.08968E080.41375张述伟,陆明亮,徐志武低温甲醇洗系统模拟与分析[].氮肥设计,1994,32(1):25-311.0oE-046管风宝,张述伟,关威.低温甲醇洗流程模拟系统界面的完善与应用[刀]化工设计通讯,2006,32(4)40-457关威,张述伟,管风宝,城市煤气低温甲醇洗净化工艺模拟与改造研究[].化肥设计,200,44(6):17,150.200.250.300.358孙津生,李燕低温甲醇洗工艺流程模拟一甲醇洗涤分流分率塔的模拟[J].甘肃科学学报,207,19(2):50图3分流分率与T1-塔顶H2S尔分率关系(2)从模拟结果与原数据的比较可知,误顾卫忠.低温甲醇洗吸收流程的仿真研究[D].杭州:差基本在1%以内,模拟结果十分理想,可用于浙江大学材料与化工学院,2006(修改回稿2010-06-07)指导生产,并可以满足工程设计的需要。修正后的模型适用于低温甲醇洗工艺酸性气体吸收流程上第13真)降低至15.55Uh,吨原料能耗由643.79M降低3改造后运行情况至610.38M,各项指标均达到了设计要求。改造后装置运行平稳,其主要运行参数与改4结语造前的对比见表1。表1改造前后装置的主要运行参数对比(1)改造后的装置运行平稳,净化水的各项目改造前改造后项质量指标均达到设计要求,重沸器进料抽出斗净化水中H2S含量,/g70.1等的合理设计是改造成功的关键。净化水中NH3含量,w/'g2)装置改造成本低、工作量少,在塔裙净化水至污水处理场流量,Uh(另有8.0/h去电脱盐注水)19.7515.55座高度仅为2m的情况下改造成功,为同类装置1.0MPa蒸汽耗量,kgh4270的改造提供可借鉴的经验。回收凝结水量,kg/h4270吨原料能耗,M643.79610.38由表1可见,改造后净化水中H2S含量中国煤化工【M].Nyohpm、NH3含量为70.1ppm,满足污水处理场CNMP(设计探讨[门]化进水水质H2S含量≤50ppm、NH含量≤100ppm设计,2008,18(6):24-26.的要求。去污水处理场的净化水流量由1975Uh修改回稿2010-04-21)