低温甲醇洗 CO2吸收塔过程模拟

第33卷第4期低温与特015年8月Low Temperature and Specialty GasesAug,2015工艺与设备低温甲醇洗CO,吸收塔过程模拟袁明,张存泉2(1.山东电力建设第一工程公司,济南250131;2.武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉430063)摘要:CO3吸收塔是低温甲醇洗系统的核心裝置之一,其性能对整个系统性能具有重要影响。本文对CO2吸收塔的精吸段、主吸段、粗吸段和脱硫段以及吸收塔整体分别进行建模,针对计算比较为各段选取了合适的计算模型,并对吸收塔各组分流体分离效果进行了仿真,为整个低温甲醇洗系统设计与性能提升提供技术支撑。关键词:低温甲醇洗,CO2吸收塔,精馏吸收,模拟中图分类号:TQ116文献标志码:A文章编号:1007-804(2015)0400106doi:10.3969/j.isn.10077804.2015.04.001Simulation on Absorption Column Processes in Rectisol SystemYUAN Ming, ZHANG Cunquan(1. SEPCO1 Electric Power Construction Corporation, Jinan 250131, China2. Energy and Power Engineering School, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)Abstract: A carbon dioxide absorption column is one of core devices in a rectisol system, whose performances are dominantto the performances of the entire rectisol system. ASPEN PLUS software is utilized to establish models for the fine absorp-tion section, the main absorption section, the coarse absorption section and the desulfurization section as well as the entireon cumn based on comparisons of calculation results from various calculation models, respectively;the simulation analysis is carried out to the separation effects of various components in the carbon dioxide absorptioncolumn. Such simulation results may used as the technical support for improvement of design and performances of the entireKey words: rectisol process; carbon dioxide absorption column; distillation absorption; simulation analysisLinde公司和Iurg公司在20世纪50年代共同单位从上世纪0年代开始研究低温甲醇洗工艺技开发了低温甲醇洗系统,以冷甲醇为吸收溶剂,利用术,探索取得了一定的成果,南化硏究院在数据测定甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的优良特性,领域取得了一定进展;还有其它多个单位在热力脱除原料气中的酸性气体,用于净化多组分气体,低学研究、工艺计算、气液相平衡方面也取得了相关的温甲醇洗具有良好的吸收选择性、超强的吸收能力进步3;中国寰球工程有限公司在低温甲醇洗工艺以及超低的投入和操作费用,因此广泛应用于合成仿真方面也有可喜的成绩2氨、合成甲醇、合成羟基、城市煤气、天然气净化等大CO2吸收塔的主要作用是吸收CO2和H2S,先型工业化装置中12在下塔中脱除H2S,再由上塔脱除CO2,因此依据吸国内目前有相当多的大型煤制甲醇—二甲醚、收塔作用的不同可分为上塔(用来脱除CO2称之为煤制合成氨等生产裝置,均选用了低温甲醇洗工艺,脱碳段)及下塔(用来脱除HS称之为脱硫段)。显示出该工艺在国内广阔的应用前景及巨大的市场CO2吸收塔中用来作为吸收液的冷甲醇来自甲醇再空间。大连理工大学、上海化工研究院等几个研究生塔流。脱碳段可分为:精吸段、主吸段、粗吸段低温与特气第33卷本文对CO2吸收塔的精吸段、主吸段、粗吸段102流股表示,物流102~106都是气相流股,吸收和脱硫段以及吸收塔整体分别进行建模,针对计算溶剂甲醇贫液由1ˆ流股表示,物流112-119)是吸比较为各段选取了合适的计算模型,并对吸收塔各收了CO2、H2S的富甲醇溶液,由于熔解热的产生需组分流体分离效果进行了仿真,为整个低温甲醇洗要将部分流股引岀经换热器进行冷却降温。具体操系统设计与性能提升提供技术支撑。作条件如表2,表3给出了CO2吸收塔进料组成CO2吸收塔模型表1CO2吸收塔参数Table 1 Parameters for CO2 absorption columnCO2吸收塔流程图及其对应的仿真工艺流程图模块C如图1所示。吸收塔的脱硫段、粗吸段、主吸段和精塔板数吸段分别由C10、C120、C13和C140表示,在仿真软件表2CO2吸收塔进料条件中选择相应的塔模块;换热器由模块B1、B12表示Table 2 Feed material conditions for选择仿真软件中的换热器模块,分流器由模块F表CO absorption column示。经过CO2吸收塔的吸收,净化气由塔顶流出温度压力流量流股气相其净化目标为:CO2≤3%(mol/mol),总硫<0.1×Katm kmol/h分率/%245.2035.6010(mol/ mol表1为CO2吸收塔各段参数。变换气进料由(注:lam=101.33kPa)E-106E-115CQ2爱卷P-1180 feeE-111a.CO2吸收塔流程图b.CO2吸收塔流程仿真图a. flowf CO2 absorption columb. Flow simulation diagram of CO2 absorption column图1CO2吸收塔流程图及其对应的仿真工艺流程图Fig. 1 Flow diagram and the corresponding simulation diagram of CO2 absorption column表3CO2吸收塔进料气比例2模拟分析Table 3 Composition of feed gas to absorption column由于实际生产过程中某些工艺流程非常复杂,流股CH3OHCO2H,H,S使仿真过程也相当繁琐,然而在仿真过程只要达到1025:4E450.3230·4582.82E439954仿真目的,可以对其流程进行适当简化,以获得简1110.9985.14E091.42E141E151E15捷、准确仿真计算结果。日前对某个工艺流程仿真流股H2OARCOCOS时,通常采用将一个复杂的塔段根据其实际功用将023.59E061.00E4E8.09E040.214IE15其分段实施仿真计算,这样不但计算简便、快速,其第4期袁明,等:低温甲醇洗CO2吸收塔过程模拟内。所选取的计算模型要满足:2所示。1.仿真计算时物流和温度结果误差在规定范围各个模型的106流股计算结果如表4所示。内;2.选择合适的热力学仿真模型,使仿真结果与工艺数据包的偏差尽量减小,达到最优的计算要求本文针对某套的化工装置和具体的工艺流程以及特殊的进料体系所涉及的物性,并且在特定的进料条件下,据相关文献可选择的计算模型包含:RKASPEN、 PRMHV2、 RKSWS、PSRK、 SR-POLAR、PRWSRKSMHV2、NRIL、 Wilson等,具体选取要进行分析比较2.1精吸段计算当用 RK-ASPEN、 SR-POLAR、NRTL、 WilsonRK SOAVE方法时结果比较接近。仿真流程图如图图2精吸段仿真流程图Fig. 2 Simulation diagram of the fine absorption secti表4精吸段计算结果比较Table 4 Comparison of calculation results for the fine absorption sectionRK-ASPEN SR-POLAR NRTIWilson RK SOAVE工艺包CH, OH0.12761190.457800.460510.117420.92000CO,150.017150154.511154.511150.189163.5103726.943727.333727.193710.0622.739622.735622.682622.682722.688722.4000H,S1.23E41.27E41.03E41.03E413E43.5E5H,O1.82E45.78E59.02E59.12E52.81E56.34E78.111348.099608.102238.102228.100648.02000CHA6.486336.465516.414106.414096.47401736.841736.641731.941731.91736.691715.50COS12E111.03E113.25E123.25E121.54E-112.67E12总流量/(kmlh)5651.445651435651435651.4565145温度/K226.73229.57238.46238.46225.71从表4中可以看出用NRTL计算的结果和工艺105Hc包数据最为接近,且满足净化后气体CO2≤3%(mol/mol),总硫<0.1×10(mo/mol)的要求。2.2脱碳段中主吸段的计算仿真流程图如图3所示,各个模型的105流股计算结果如表5所示。表5为主吸段的五个热力学物性方法模型结果比较,从表中可以看出它们的结果都比较接近,通过比较分析最终选用 SR-POLAR方法作为主吸段的热力学方法。图3主吸段仿真流程图Fig 3 Simulation diagram of the primary absorption section低温与特气第33卷表5主吸段的计算结果比较Table 5 Comparison of calculation results for the primary absorption sectionRK-ASPEN SR-POLAR NRTIWilson RK SOAVE工艺包CH, OH1.5412.946673.870993.871211.328323.096801532.101530.901534.9715341549.09H3735.013734.883735.333735.333735.03727.4122.927822.868122.868122.8393H,S3.18E4336F3.08E43.08E43.11E43.0E4H, O39E31.11E31.04E31.05E35.57E41E58.321028.313798.318718.318718CHa6770146.756486.69846743576.52580747.771747.711742.391742.381.89E411.87E118.33E128.32E122.28E114.63E12总流量/(kmol·h)70544470544470544470544270544370544温度/K251.15254.27266172667248.89249.102.3脱碳段中粗吸段的计算粗吸段为上塔中最下部的塔段,与脱硫段相连主要用于首次吸收已经脱除了H2S的原料气中的CO2,为下步精细吸收CO2的操作做准备。粗吸段的流程仿真图如图4所示。用 SR-POLAR计算得到的结果和工艺数据最为接近,对于低温甲醇洗CO2吸收塔脱碳段的粗吸段选择 SR-POLAR方法进行仿真计算。SR-POLAR方法的计算结果如表6所示。图4粗吸段仿真流程图Fig 4 Simulation diagram of the crude absorption section表6粗吸段的仿真计算结果Table 6 Simulation results for the crude absorption section组分104115116104工艺包CH, OH4.37693.35427.743.37500025.841887.22389.662032.203732.813732.890.517960,4380853730.2022.900622.90170.012180.01110722.8300H2S3.70E43.37E42.10E32.13E32.95E4H,O3.O0E-51.42E314.45008.175338.177220.04031038298.154396.582896.584240.07350072176.560001743.691743.770.93689857861740.20OS6.76E121.5E1179E116.39E115.44E12总流量/(kmo,h)8046777543.52800312333.28第4期袁明,等:低温甲醇洗CO2吸收塔过程模拟2.4脱硫段的仿真计算脱硫段位于CO2吸收塔的下部,即下塔,其作用是在脱除CO2之前先脱除H2S,由于H2S在甲醇中的溶解度比CO2在甲醇中的溶解度大得多,因此段中所需要的甲醇较少,只需要脱碳段中的一部分甲醇即可。通过计算比较发现,用 SR-POLAR方法计算所得的结果与工艺包数据最为接近,所以最终选择 SR-POLAR方法对脱硫段进行仿真计算。用 SR-POLAR方法进行仿真,得到的结果如表7所示。图5脱硫段仿真流程图Fig 5 Simulation diagram of the desulfurization section表7脱硫段的仿真计算结果Table 7 Simulation results for the desulfurization section组分103l17103工艺包CH; OH0.444003.983054467.254463.74.377002634.932503.541063.841195.232528.24H,3734.113744.1910.25470.180063732.8122.930223.14980.224675.09E3229006H,S8.122673.83E41.01E38.123290.0003H, O0.029301.86E36.50095528390.000038.176528.228350.0704018638.17532Ha6.606516.726100.15549035886.582901744.651756.9612.70160.396441743.69COS8.16E123.91E128.93E121.32E116.76E12总流量/kmol·h-)8160.008046775561005674238046772.5CO2吸收塔的计算表8所示。针对图1b的CO2吸收塔流程仿真图,对上述可以看出,计算结果与工艺包数据比较接近。四个塔段整体进行仿真计算,各流股的仿真结果如表8吸收塔仿真结果Table8 Simulation results for the absorption column103组分计算值艺包计算值艺包计算值工艺包计算值艺包CH3OH3.949084.377003.403943.375002.907533.096800.359070.920002526.272528,242023.422032.201530.601549.09111.260163.510H3734.153732.8137343730.203733.763727.413733.683710.0622.930722.900622.931522.830022.983722.746022.91892240003.68E40.000373.49E4295E43.30E43.0E48.92E53.5E51.86E30.000031.44E31.7E-51.09E3lE56.78E56.34E7Ar8.177188.175328.178108.154408.167498.133008.136358.020006.606746.582906,606476.560006.643866.525806.529956.250001744.691743.691744.741740.201749.371737.441743.771715.50低温与特气第33卷3结论参考文献[1]汪家铭.低温甲醇洗净化工艺技术进展及应用概况本文对CO2吸收塔的精吸段、主吸段、粗吸段J].泸天化科技,2007(2):120424和脱硫段以及吸收塔整体分别进行建模,针对计算[2]陈晓峰.低温甲醇洗模拟系统完善及新流程硏究[D比较为各段选取了合适的计算模型,并对吸收塔各大连:大连理工大学,2005组分流体分离效果进行了仿真,本研究得到如下结3]牛刚,黄玉华,王经低温甲醇洗技术在天然气净化过程中的应用[J].天然气化工,2003,28(2):26209论:4] CASAVANT Tracy E, COTE Raymond P. Using chemical1.通过对计算结果与仿真物料的文献试验值process simulation to design industrial ecosystems [J]进行比较分析,针对流程中模块的特点分别选用了Journal of Cleaner Production, 2004(12): 90-92热力学模型。CO2吸收塔的精吸段选用NRIL模5]堵祖荫.用 Aspen F"us模找汽油分馏塔系统[J].乙烯型,主吸段选用 SR-POLAR模型,粗吸段选用SR工业,2002,14(4):13176]杨友麒.过程流程模拟[J].计算机与应用化学,1995POLAR模型,脱硫段选用 SR-POLAR模型。2.精吸段、主吸段、粗吸段和脱硫段的仿真结果与工艺包数据接近,仿真结果具有非常好的准确作者简介:袁明(1976),男,山东无棣人,高级工程师,1998年于性,吸收器的性能仿真可为整个低温甲醇洗系统设山东大学获得电厂热能动力工程专业学士学位,目前主要从计与性能提升提供技术支撑。事大型工程设备设计与项目安装协调工作。美科学家成功使二氧化碳变身碳纤维来提供热量和电力。利希特估计,这个“太阳热能电化学过程”的电能成本大约为每吨碳纤维产品将人为产生的温室气体二氧化碳转变为一种有1000美元,系统的运行成本比产出价值少数百倍。价值商品,一直是科学家和政府官员的梦想。现在,美国乔治·华盛顿大学的一个研究团队开发出一种他说:“我们经过计算,在一片大约有撒哈拉沙将大气中的二氧化碳直接转化成在工业和消费领域漠十分之一大小的区域,使用该方法可在10年内将都十分紧俏的碳纤维的技术,有望推动解决全球变大气中的二氧化碳降低至工业革命前的水平目前该系统正在实验中,研究人员面临的最大挑暖问题的进程据物理学家组织网近日报道,该团队在美国化战是如何积累经验提高生产能力,生产出大小一致的纳米纤维。利希特说:“我们正在迅速扩大生产,应学协会(ACS)第250届全国会议暨博览会上提交了该很快就能在一个小时内产出大量的纳米纤维。这一新研究。该研究带头人、乔治·华盛顿大学的斯图尔特·利希特说:“我们发现了一种利用大气中富集的二氧化碳生产碳纳米纤维的方法。这种纤日本太阳日酸收购维可制成强大的碳一碳复合材料,用于制造波音澳大利亚气体公司787‘梦想客机’、高端体育设备、风力涡轮叶片和其7月30日,日本工业气体供应商太阳日酸宣他一系列产品。布,已同意通过新成立的控股公司TNSC( Australia)研究人员称,该研究可将造成全球变暖问题的Pyd收购澳大利亚液化石油气和工业气体公司二氧化碳变成最热销的碳纳米纤维制造原料。利希 Renegade Gas Pty(RGP),并签订股票买卖合同。特称其方法为“来自天空的钻石澳大利亚GDP规模位列世界第十二,住宅投资利希特说,他们的方法高效、低能耗,只需几伏和个人消费的增长预计会给未来带来年率3%的经的电力,有充足的阳光和大量的二氧化碳即可。该济增长。工业气体市场中,资源、能源等相关新需求系统使用电解合成纳米纤维:在熔融碳酸盐的750将会增加。摄氏度高温电解槽中,通过镍和钢电极的热及直流太阳日酸,希望通过RGP公司现有的网络,扩电使二氧化碳溶解,碳纳米纤维可以在钢电极形成。充产品范围,扩大业务地区,提高集团的协同效果,一落体通计混△动十和害新娶平阻能系体并确立隹团在澜十和亚的下业气休重业其础