基于二次回归正交组合设计的MDEA脱硫工艺参数优选

卫 浪，蒲红宇*，向 辉，吴 昊

（1. 西南石油大学土木工程与建筑学院，四川 成都 610500；2. 中国石油工程建设公司北京分公司，北京 100101）

天然气国家标准（GB 17820-2018）规定，二类天然气总硫（以硫计）不能超过100mg/m3，H2S含量不能超过20mg/m3，因此需要对天然气进行脱硫处理。天然气脱硫过程MDEA循环量大， 能耗高， 工艺复杂，通过研究影响能耗的主要参数，可达到降低能耗的目的[1,2]。 采用HYSYS 软件对天然气脱硫过程的吸收和再生过程进行模拟，对其过程参数进行分析，利用二次回归正交组合设计优选工艺参数。 回归正交设计是指试验方案的结构矩阵具有正交性的回归设计， 是在正交设计基础上发展起来的，可建立方程，选择最佳的方案[3]。

1 天然气脱硫工艺

1.1 工艺流程

图1为典型的胺法处理工艺流程。 原料气进入原料气过滤分离器，在过滤分离器中脱除所夹带的水或者烃类液体。 气体从胺吸收塔底部进入，同由上向下的醇胺溶液逆流接触。 净化气从塔顶流出，富含H2S的富胺从吸收塔塔底流出，并流入闪蒸罐，通过闪蒸可除去大部分溶解的烃类气体或夹带的天然气凝液。 再经贫富液换热器预热后进入再生塔， 利用重沸器的热量实现胺和酸性气体的分离。酸性气体从塔顶流出，贫胺则从塔底排出。 贫胺经过空冷器冷却，再由泵将低温贫胺的压力提升至吸收塔压力，低温贫胺流入吸收塔的顶部，胺液沿吸收塔向下流动，同时完成对酸性气体的吸收。

图1 醇胺法脱硫工艺流程

1.2 HYSYS模型的建立

国内某日处理200万m3天然气的天然气净化装置， 其原料气气质组成如表1所示。 原料气压力为7.5MPa，温度为25℃。

表1 天然气气质组成

MDEA法吸收酸气是气相的H2S传质进入液相与醇胺发生反应的过程，其热力学本质是酸气的气液相平衡。 在模拟过程中，热力学模型决定了最终结果的准确性。 根据天然气脱硫的有关工艺特点，选择Amines Property Package 模型[4]。 基于上述工艺流程， 应用HYSYS 流程模拟软件建立脱硫装置工艺模型，模拟流程如图2所示。 根据实际运行数据，输入原料气成分、处理量，胺液循环量等相关工艺参数，不断调整相关参数，使净化气中H2S含量达到标准要求。

图2 天然气脱硫HYSYS模型

2 能耗影响分析

2.1 MDEA富液进塔温度对重沸器能耗的影响

经过闪蒸之后的MDEA富液通过换热器换热后从塔顶进入再生塔，再生塔获得热量。MDEA富液进入再生塔的温度越高，其吸收的热量越少，重沸器消耗的热量越少[5]。 随着富胺溶液温度的升高，贫胺溶液酸气负荷降低， 净化气中H2S含量就会增加[3]。从图3可以看出， 当富液进塔温度从60℃增加到102℃时，负荷大约下降了3200kW，而H2S含量大约增加了8mg/m3。

图3 MDEA富液进塔温度对重沸器能耗的影响

2.2 MDEA循环量对重沸器能耗的影响

MDEA循环量的大小不仅影响天然气的净化度，而且影响再生塔的能耗[6]。 随着MDEA循环量的增加，重沸器的能耗逐渐增加。 H2S含量随着MDEA循环量的增加，呈现出先减小，后上升的趋势。 这是由于在原料气进气量一定时， 初始胺液中MDEA量不足，吸收效果较差，导致净化气中H2S含量较高，随着MDEA循环量逐渐增加，吸收效果较好，净化气中H2S含量逐渐减少，而随着MDEA循环量的继续增加会抑制吸收效果，导致净化气中H2S含量上升。 由图4可以看出， 当循环量从55m3/h增加到85m3/h时，重沸器负荷大约增加1500kW， 而H2S 含量先从8.5mg/m3降至5.3mg/m3，再增加到7.1mg/m3。

图4 MDEA循环量对重沸器能耗的影响

2.3 回流比对重沸器能耗的影响

离开再生塔的酸气中的水与解吸的酸气的物质的量之比为回流比[7]。 重沸器的热负荷主要由回流的水蒸气量决定。 回流比越大，贫液再生质量就越高，净化气中H2S含量也随之降低，相应的重沸器的热负荷也会增加。由图5可以看出，当回流比从1.4增加到2.1时， 重沸器负荷大约增加了1160kW。 而H2S的含量大约降低了2.5mg/m3。

图5 回流比对重沸器能耗的影响

由以上分析可知：MDEA富液进塔温度、MDEA循环量、 回流比三个因素在保证H2S含量符合有关规定的情况下对能耗的影响十分显著，可以作为试验因素构建回归方程。 且可以确定MDEA富液进塔温度在60～102℃，MDEA循环量在55～85m3/h， 回流比在1.4～2.1时， 天然气中H2S的含量均可满足规定值（≤20mg/m3），并为后续试验参数的取值范围提供依据。

3 试验方案设计

二次回归正交试验组合设计是利用正交表来安排与分析多因素实验的一种设计方法，由试验因素的全部组合中挑取有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分实验结果的分析来了解全面试验的情况。 其基本步骤包括因素水平编码、确定正交组合设计、实施实验方案、建立回归方程、回归方程的显著性检验、失拟性检验、回归方程的回代及最优试验方案的确定。 通过上述HYSYS对系统能耗的分析，依据二次回归正交试验可确定流程的最优运行参数。

3.1 二次回归方程模型

二次回归正交设计是指回归模型中包括常数项、线性项、线性交互作用项及二次项的回归正交设计，回归模型一般为[8]：

3.2 试验因素的编码

编码是将各个试验因素xj的各水平进行线性变换，得到规范变量zj。线性变换表达式如式（2）。由上分析结论确定的三个关键参数的范围，经过编码公式计算后可以得到如表2所示的水平编码表。

表2 水平编码表

表3 回归正交组合设计表

3.3 确定合适的二次回归正交组合设计

首先根据因素数m选择正交表进行变换， 明确二水平试验方案，二水平实验次数和星号试验次数就能确定下来。 本次试验包括二水平试验次数mc=8、星号试验次数为2m=6，实验次数一共14次。 然后用Excel工具对二次项进行中心化处理之后就可以得到具有正交性的二次回归正交组合设计编码表。三元二次回归正交组合设计表及试验结果如表3所示。

3.4 建立回归方程及数据分析

要确定回归方程，就需要确定回归系数。 利用Excel分析工具库中的“回归”工具进行分析，可达到求出回归系数的目的。利用Excel对本次正交组合设计分析可得到下表数据。

表4 回归统计表

表4中：Multiple R是对应的数据的相关系数；R Square为相关系数的平方，或称拟合优度，相关系数的平方是回归平方和在总平方和中所占的比重[9]，代表回归方程的失拟性。 显然这个数值越大，拟合的效果也就越好，失拟越不显著。

表5 方差分析表

表6 回归参数表

由表5、表6分析可得出回归系数值和其显著性如表7所示。

表7 回归系数及其显著性表

由以上分析可知：

（1）求出了3.1中所提到的回归模型中的回归系数， 并可以根据表7判断出三个因素对重沸器能耗影响的显著性为：MDEA富液进塔温度＞MDEA循环量＞回流比。

（2）本次拟合的R Square=0.9997356，失拟性极不显著，回归方程能够很好的体现所选三个因素与重沸器能耗的关系。

（3）本次拟合的P值远小于0.01，故本次拟合的置信度达到99.99%以上。 此次所建立的回归方程非常显著，回归模型与实际情况拟合得好，并可以得出回归系数显著的回归方程如下：

3.5 最优值的求解

利用Excel的规划求解工具可以预测较优的试验方案和试验结果， 得出当z1=1.136，z2=-1.136，z3=-1.136 时，该方程有最小值。 其它优化结果前后对比如表8所示。

表8 优化前后参数对应表

通过表8可知： 与优化前相比，MDEA富液进塔温度上升了17℃，MDEA循环量降低了5m3/h，回流比降低了0.1，重沸器负荷降低了1918kW， H2S的含量大约上升了7mg/m3， 也满足天然气国家标准（GB17820-2018）规定。

3.6 回归方程的回代

根据表1与式（2）可得:

把这三个式子代入式（3）可得：

式（4）可以直接反应出MDEA富液进塔温度、MDEA贫液循环量、回流比与重沸器能耗的函数关系。 当重沸器能耗最小时，富液进塔温度x1为102℃，MDEA循环量x2为55m3/h，回流比x3为1.4。

4 结论

（1）由Excel分析结果表明回归方程的拟合性较好，回归模型与实际情况相符。 并根据P值的大小可以看出三个参数对能耗影响的程度：MDEA富液进塔温度＞MDEA循环量＞回流比。

（2）得出重沸器能耗与MDEA富液进塔温度x1、MDEA贫液循环量x2和回流比之x3间的数学模型关系式（式(4)）。 根据R值和P值分析表明回归方程显著。 根据回归方程进行预测，预测结果与实际运行工况非常相似，也说明二次回归正交组合实验应用是合理成功的。

(3) 通过Excel规划求解出最后最优值，对应的MDEA富液进塔温度为102℃，MDEA循环量为55m3/h，回流比为1.4，重沸器能耗降低32.5%，对天然气脱硫脱碳流程的参数优选具有一定的参考价值。