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）

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）

利用AspenPlus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H2S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、H2S浓缩塔汽提N2对H2S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。

AspenPlus软件超大规模低温甲醇洗全流程模拟二元交互作用参数

AspenPlus软件是由美国AspenTech公司开发的通用工艺模拟软件，可用于化工及炼油工艺流程的模拟计算。AspenPlus软件中包括多种热力学模型、大量的物性参数以及混合物数据与表征方法[1]。经过几十年的经验积累，其功能不断完善，已成为世界性标准流程模拟软件，同时也是国际上功能最强的商品化流程模拟软件。目前，该软件已在全世界范围内被广泛使用[2]。

低温甲醇洗工艺是20世纪50年代初林德公司和鲁奇公司联合开发的用于处理高浓度酸性气体的净化工艺。该工艺的操作温度为-75~0℃，压力为2.4~8.0 MPa，净化后得到总硫体积分数＜0.000 01%、CO2体积分数＜0.001%的合成气。目前，低温甲醇洗技术向单系列、大型化方向发展，迄今用Aspen Plus对超大规模低温甲醇洗工艺进行全流程模拟的文章很少有报道。

1　模拟计算

1.1模拟流程的建立

结合AspenPlus的使用特点，确定超大规模低温甲醇洗工艺的模拟流程，如图1所示。

1.2模拟流程的说明

原料气在低温甲醇洗涤塔（C1）中用低温甲醇洗涤，脱除H2S和CO2等组分，净化气由塔顶引出；吸收了H2S和CO2的甲醇富液经减压闪蒸解吸后在CO2解吸塔（C2）顶得到纯净的CO2气体；解吸后的甲醇溶液在H2S浓缩塔（C3）中进一步用N2汽提解吸以提高液相H2S浓度，尾气放空；进一步解吸后的甲醇溶液在热再生塔（C4）中进行热再生，塔底得到贫甲醇，送往低温甲醇洗涤塔（C1）循环使用；热再生塔顶得到的H2S浓度较高的气体，送至硫回收系统；甲醇/水分离塔（C5）用于脱除甲醇中的水分；系统中约24台换热器组成的换热网络用以回收冷量并保证必要的工艺条件[3]。

模拟流程中包括5个分离塔之间物流的传质和传热，过程错综复杂，结构纵横交错。若5塔联合模拟，计算量会非常巨大，同时5塔联合收敛也存在很大的难度。本模拟先进行单塔单独模拟和收敛，再依次增加模拟和收敛的塔数，同时对收敛方法、收敛次数、收敛公差进行修改，最后进行全流程统一模拟和收敛。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重点，AspenPlus在计算过程中对其进行迭代计算，当相邻2次计算得到的物流值相对误差小于Aspen Plus的规定值时，模拟计算达到稳态平衡[4]。

1.3物性及模块的选择

低温甲醇洗系统的主要组分有CH4O、H2、CO2、H2S、N2、CO、CH4、Ar、H2O和COS等，体系中既含有缔合、极性组分CH4O，又存在量子气体H2，在低温、加压下操作时部分组分将超过临界点，所以体系为非理想性体系，很容易造成计算模型估算不准确[5]。本模拟的物性模型拟选用NRTL-RK模型，因为低温甲醇洗工艺是一种典型的物理吸收过程，各分子间的作用力为范德华力，气液关系符合亨利定律，溶液中被吸收组分的量基本上与其在气相中的分压成正比，所以在物性模型中同时引入亨利组分。但该模型中关键组分CO2、H2、H2S与CH4O的二元交互作用参数适用的范围很难涵盖低温甲醇洗工艺的实际操作温度范围，特别是低温区间，因此要准确模拟该工艺流程，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NRTL-RK模型中的二元交互作用参数详见表1。

图1　超大规模低温甲醇洗工艺模拟流程

表1　修改后的NRTL-RK模型中二元交互作用参数

建模过程中主要采用了Aspen Plus内置模块（详见表2），同时加入了用FORTRAN语言编写的计算模块RR来计算整个系统需要的冷量。

表2　单元操作模块

1.4假设

为简化模拟过程，作出以下假设：（1）原料合成气处理量规模为515000Nm3/h，压力为3.0MPa；（2）洗涤塔（C1）共有40块理论塔板；（3）CO2解吸塔（C2）共有30块理论塔板；（4）H2S浓缩塔（C3）共有40块理论塔板；（5）热再生塔（C4）共有15块理论塔板；（6）甲醇/水分离塔（C5）共有25块理论塔板；（7）全塔效率均为50%；（8）理论塔板的单板压降均为1 kPa；（9）系统需要两个等级的冷量，分别为0℃和-40℃；（10）来自变换单元的原料合成气的组成和总量在模拟过程中保持不变。

2　模拟结果与讨论

2.1模拟结果

模拟中原料合成气成分为：φ(CO+H2)=54.394%，φ(CO2)=41.515%，φ(COS+H2S)=0.086%，φ（其他气体）＝4.005%；模拟得到净化合成气成分：φ(CO+H2)= 93.386%，φ(CO2)<0.001%，φ(COS+H2S)≪0.001%，φ（其他气体）＝6.614%；汽提N2（40℃、0.45 MPa）消耗量为34500 Nm3/h；0℃和-40℃两个等级需要的冷量分别为5.4 MW和19.0 MW（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。

2.2讨论

利用建立的单系列，串、并联超大规模低温甲醇洗工艺模型，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H2S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），H2S浓缩塔汽提N2的用量和温度对H2S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）。

由图2可知，随着洗涤塔脱硫段吸收剂流量从12000 kmol/h增加到13200 kmol/h，H2S的脱除率从99.90%增大到99.96%，这是因为低温甲醇洗工艺是典型的物理吸收过程，在H2S分压和吸收剂温度恒定的情况下，H2S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，H2S脱除率相应升高。由图3可知，随着洗涤塔脱硫段吸收剂温度从-30℃降低到-40℃，H2S的脱除率从99.89%增大到99.96%，这是因为在H2S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上成反比，所以当洗涤塔脱硫段吸收剂温度降低时，H2S脱除率相应增大。

图2　吸收剂流量对H2S脱除率的影响

图3　吸收剂温度对H2S脱除率的影响

图4　吸收剂流量对CO2脱除率的影响

由图4可知，随着洗涤塔脱碳段吸收剂流量从30 000 kmol/h增加到34000 kmol/h，CO2脱除率从99.01%增大到99.88%，这是因为在CO2分压和吸收剂温度恒定的情况下，CO2吸收总量与吸收剂用量基本上成正比，所以当洗涤塔脱碳段吸收剂流量增加时，CO2脱除率相应增大。由图5可知，随着洗涤塔脱碳段吸收剂温度从-45℃降低到-55℃，CO2脱除率从99.50%增大到99.85%，这是因为在CO2分压和吸收剂用量恒定的情况下，CO2吸收总量与吸收剂温度基本上成反比，据相关文献报道，当温度从20℃降到-40℃时，CO2溶解度约增加6倍，所以当洗涤塔脱碳段吸收剂温度降低时，CO2脱除率相应增大。

图5　吸收剂温度对CO2脱除率的影响

图6　低压N2流量对H2S摩尔分数的影响

图7　低压N2温度对H2S摩尔分数的影响

图8　热再生塔塔底热负荷对H2S摩尔分数的影响

由图6可知，在H2S浓缩塔低压汽提N2温度恒定的情况下，随着低压汽提N2流量从1200 kmol/h增加到1600 kmol/h，塔底甲醇中H2S的摩尔分数从0.00836增加到0.00840，这是因为采用N2汽提可进一步降低甲醇中溶解的CO2分压，使CO2解吸更为彻底，而H2S在低温条件下的溶解度比CO2大，解吸也相对困难，所以当H2S浓缩塔低压汽提N2用量增加时，塔底甲醇中H2S的摩尔分数相应增加。由图7可知，在H2S浓缩塔低压汽提N2用量恒定的情况下，随着低压汽提N2温度从-20℃降低到-40℃，塔底甲醇中H2S的摩尔分数从0.008 363降低到0.008360，这是因为温度越低，甲醇对酸性气体的吸收越有利，而CO2解吸越困难，所以当H2S浓缩塔低压汽提N2温度降低时，塔底甲醇中H2S的摩尔分数相应降低。

图9　热再生塔塔底热负荷对CO2摩尔分数的影响

由图8可知，随着热再生塔塔底热负荷（蒸汽用量）从22.0MW增大到26.0MW，塔底甲醇中H2S的摩尔分数从0.003%降低到0.0007%，这是因为H2S在甲醇中的溶解度大，解吸难，需采用外来热源使其彻底解吸。加热介质用量越大，甲醇再生越彻底，所以当热再生塔塔底热负荷增大时，H2S进一步解吸，塔底甲醇中H2S的量减少。由图9可知，随着热再生塔塔底热负荷从22.0MW增加到26.0MW，塔底甲醇中CO2摩尔分数从0.00007%降低到0.00003%，原因与H2S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。

3　结论

（1）净化气成分为：φ(CO+H2)=93.386%，φ(CO2)< 0.001%，φ(COS+H2S)<0.001%，φ（其他气体）= 6.614%。

（2）汽提N2（40℃、0.45 MPa)消耗量为34 500 Nm3/h；0℃和-40℃两个等级需要的冷量分别为5.4 MW和19.0 MW（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时，H2S脱除率均相应增大。

（4）洗涤塔脱碳段吸收剂用量增加或温度降低时，CO2脱除率均相应增大。

（5）当H2S浓缩塔低压汽提N2用量增加时，塔底甲醇中H2S的摩尔分数相应增加；低压汽提N2温度降低时，H2S的摩尔分数相应降低。

（6）热再生塔塔底热负荷增加时，塔底甲醇中H2S和CO2的摩尔分数相应降低。

该单系列超大规模低温甲醇洗工艺模型可为类似工艺的方案比选、优化设计提供模拟和预测。

[1]王静康.化工设计[M].北京:化学工业出版社,1995: 276-290.

[2]孙志翱,金保升,李勇,等.基于AspenPlus软件的湿法烟气脱硫模型[J].洁净煤技术,2006,12(3):82-85.

[3]张述伟,陆明亮,徐志武,等.低温甲醇洗系统模拟与分析[J].氮肥设计,1994,32(1):25-31.

[4]黄崇平.用Aspen Plus软件模拟炼厂气脱硫和再生系统工艺流程[J].炼油,2001,6(4):32-35.

[5]孙津生,李燕.低温甲醇洗工艺流程模拟——甲醇洗涤塔的模拟[J].甘肃科学学报,2007,19(2):50-53.

Simulation of Ultra-large Scale Rectisol Process based on Aspen Plus

He Yifu

The ultra-large scale rectisol process model was proposed and simulated by Aspen Plus software,and the binary interaction parameters of the key components were modified.The compositions of synthesis gas,the consumption of the stripping nitrogen and the required refrigeration were obtained,revealing the effects of scrubber on H2S and CO2removal,the influences of stripping nitrogen on H2S concentration,and the effects of thermal regeneration tower bottom steam on methanol regeneration.

Aspen Plus software;Ultra-large scale rectisol;Process simulation;Binary interaction parameters

TP 319

何一夫男1982年生硕士工程师主要从事：化工工艺设计和流程模拟工作

2015年6月