CO2低温分馏装置参数优选

林名桢，代晓东，闫广宏，范文斌，李洪言，梁 月

(1.山东石油化工学院，山东 东营 257061；2.中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

自工业革命以来，人类向大气中排入的温室气体逐年增加，温室效应也随之增强，对人类社会和自然环境都产生了深远影响，冰川融化、陆地淹没、厄尔尼诺频发、植被迁徙与物种灭绝等重大灾难都与之密切相关[1-5]。在所有温室气体中，CO2对全球升温的贡献比例最大，约为55%。因此减少CO2的排放是一个关系到人类社会持续发展的问题。CO2的排放主要来自矿物燃料的燃烧，受各种因素制约，全球以化石燃料为主的能源结构近期无法发生根本性改变，所以目前最有效的办法是在CO2在被排放到大气中之前被分离去除。

目前被认为最有工业应用前景的CO2分离技术主要有溶剂吸收法、固体吸附法、膜分离法和低温分馏法[6-9]。其中低温分馏技术因其工艺简单、产品纯度高等优点，被广泛应用于原料气中CO2含量较高(体积分数>60%)的场合。基于此，作者以某一典型的CO2低温分馏装置为研究对象，并同时以CO2回收率、单位能耗和放空气热值为衡量指标，分别研究进装置压力、冷凝温度、提纯塔压力和提纯塔理论塔板数对关键指标的影响规律，得出装置的最优参数，建立了各指标参数与影响因素的数学公式，以其对后续的科学研究和工程设计提供一定的参考。

1 工艺流程及说明

1.1 原料

原料气：正理庄油田花17脱水站，进站压力为5.0 MPa，温度为20 ℃。气体组分为。x(N2)=0.42%，x(CO2)=96.98%，x(C1)=2.23%，x(C2)=0.07%，x(C3)=0.12%，x(iC4)=0.05%，x(nC4)=0.08%，x(iC5)=0.025%，x(nC5)=0.025%。

1.2 工艺流程

CO2原料气首先进入低温分馏装置的预冷器预冷(冷量由塔顶不凝气提供)，随后进入液化器冷凝液化(冷凝液化所需的冷量由氨制冷系统提供)，液化后的CO2进入分馏提纯塔提纯(提纯塔的塔顶冷凝气冷量由塔顶不凝气节流后提供)，提纯后得到的液体CO2产品经CO2过冷器(过冷所需的冷量也由氨制冷系统提供)过冷后经管线输送至储罐或直接进入注入系统。而塔顶得到的不凝气经预冷器回收冷量后进入放空系统点燃后外排。流程见图1。

图1 CO2低温分馏工艺流程示意图

1.3 装置仿真模型的建立

利用Aspen HYSYS过程仿真模拟软件Peng-Robinson状态方程对装置进行建模研究[10]。

利用该软件搭建的低温精馏装置的具体流程见图2。

图2 CO2低温分馏装置模拟流程图

2 指标参数的计算

以CO2回收率、单位能耗和放空气热值作为装置参数调优的关键指标。

2.1 CO2回收率

CO2回收率的计算见式(1)。

(1)

式中：η为CO2回收率；Mp为放空气中CO2的摩尔流量，kgmole/h；Ma为原料气中CO2的摩尔流量，kgmole/h。

2.2 单位能耗

单位能耗的计算见式(2)。

Q=WC

(2)

式中：Q为单位能耗，kW·h/t；W为装置总耗电量，kW·h；C为CO2产量，t/h。

2.3 放空气热值

放空气的热值代表着放空气的燃烧能力，数值越大，越易于燃烧，有关文献[11]表明，气体能够被点燃的最小热值为8.37 MJ/m3，计算见式(3)。

q=Miqi

(3)

式中：q为放空气热值，MJ/m3；Mi为放空气中第i种气体组分的分子量；qi为放空气中第i种气体的热值，MJ/m3。

3 工艺参数

3.1 进装置压力

固定CO2冷凝温度为-20 ℃，提纯塔工作压力为2.5 MPa，塔板数12块，改变进装置压力的数值，经软件模拟和公式计算后，得出CO2回收率η、单位能耗Q和放空气热值q随进装置压力的变化关系见图3。

由图3可知，随着进装置压力的增加，CO2回收率和放空气热值均增加，当进装置压力由3.0 MPa升高至3.5 MPa，其增加趋势较为明显，进装置压力高于3.5 MPa，CO2回收率和放空气热值的增加趋势明显变缓；而对于单位能耗而言，随着进装置压力的增加，其变化趋势并不明显，基本处于不变状态。根据上述参数的变化规律分析，进装置压力选择3.5 MPa。

进装置压力/MPaa 进装置压力对CO2回收率和单位能耗的影响

3.2 冷凝温度的

固定进装置压力为3.5 MPa，提纯塔压力2.5 MPa，改变CO2冷凝温度数值，经软件模拟和公式计算后，得出CO2回收率、单位能耗和放空气热值随冷凝温度的变化关系见图4。

冷凝温度/℃a 冷凝温度对CO2回收率和单位能耗的影响

由图4可知，随着冷凝温度的降低，CO2回收率、单位能耗和放空气热值均呈增加趋势。冷凝温度由-5 ℃降低到-15 ℃，其增加趋势较为明显，冷凝温度继续降低，其增加趋势开始变缓。根据放空气能够点燃的热值要求，冷凝温度不宜高于-17 ℃，而当温度由-17 ℃降至-25 ℃，单位能耗和CO2回收率变化并不明显，且温度越低，对设备和管道的材料要求越高，同时考虑放空气的热值裕量，温度选择-20 ℃。

3.3 提纯塔压力

固定进装置压力为3.5 MPa，CO2冷凝温度为-20 ℃，塔板数12块，改变提纯塔压力数值，经软件模拟和公式计算后，得出CO2回收率、单位能耗和放空气热值随提纯塔压力的变化关系见图5。

提纯塔压力/MPaa 提纯塔压力对CO2回收率和单位能耗的影响

由图5可知，随着提纯塔压力的增加，CO2回收率、单位能耗和放空气热值均呈线性规律增加。相对而言，CO2回收率和放空气热值增加趋势更为明显，考虑设备本身存在的压降，提纯塔压力取3.4 MPa。

3.4 提纯塔塔板数的优选

固定进装置压力为3.5 MPa，CO2冷凝温度为-20 ℃，提纯塔压力为3.4 MPa，改变塔板数，经软件模拟和公式计算后，得出CO2回收率、单位能耗和放空气热值随提纯塔压力的变化关系见图6。

塔板数/块a 塔板数对CO2回收率和单位能耗的影响

由图6可知，随着塔板数的增加，CO2回收率和放空气热值均增加，而单位能耗则逐渐降低，尤其是当塔板数由4块增加至8块时，相关参数的变化趋势尤为明显；塔板数大于8块，各参数的变化趋势明显变缓；而当塔板数大于12块，CO2回收率、单位能耗和放空气热值则基本处于不变状态。故最优塔板数取为12块。

4 函数关系式的建立

以相关参数随进装置压力的变化关系为例建立函数关系式，并利用Origin软件对数据进行拟合，拟合曲线与模拟数据的变化关系见图7。

进装置压力/MPaa 进装置压力对CO2回收率和单位能耗的影响

由图7可知，拟合曲线与模拟得出的数据具有较高的吻合性。按照同样的道理，可以得出其他条件下，指标参数随影响因素变化的函数关系式，具体见表1。

表1 指标参数随影响因素变化的函数关系式

5 结 论

(1)针对特定CO2低温精馏工艺，利用HYSYS仿真模拟软件建立了CO2低温分馏装置仿真模型，并综合以CO2回收率、单位能耗和放空气热值作为关键指标，详细研究了关键指标随进装置压力、CO2冷凝温度、提纯塔压力和提纯塔塔板数的变化规律；

(2)根据模拟结果得出在研究工况条件下，最优反应条件为进装置压力3.5 MPa，CO2冷凝温度-20 ℃，提纯塔压力3.4 MPa，理论塔板数12块；

(3)分别建立了CO2回收率、单位能耗和放空气热值随进装置压力、CO2冷凝温度、提纯塔压力和提纯塔塔板数等影响因素变化的函数关系式，并利用Origin软件对数据进行拟合，发现拟合曲线与模拟得出的数据具有较高的吻合性。