基于Aspen Plus的超大規模低溫甲醇洗工藝全流程模擬

何一夫

中石化南京工程有限公司（江蘇南京　211100）

基于Aspen Plus的超大規模低溫甲醇洗工藝全流程模擬

何一夫

中石化南京工程有限公司（江蘇南京211100）

利用AspenPlus軟件對超大規模低溫甲醇洗工藝進行了全流程模擬，并對物性模型中關鍵組分的二元交互作用參數進行了修改。模型模擬得到了凈化氣的成分、汽提氮氣的消耗量以及需要的冷量，揭示了洗滌塔脫硫段吸收劑對H2S脫除效果的影響、洗滌塔脫碳段吸收劑對CO2脫除效果的影響、H2S濃縮塔汽提N2對H2S濃縮效果的影響以及熱再生塔塔底蒸汽對甲醇再生效果的影響。

AspenPlus軟件超大規模低溫甲醇洗全流程模擬二元交互作用參數

AspenPlus軟件是由美國AspenTech公司開發的通用工藝模擬軟件，可用于化工及煉油工藝流程的模擬計算。AspenPlus軟件中包括多種熱力學模型、大量的物性參數以及混合物數據與表征方法[1]。經過幾十年的經驗積累，其功能不斷完善，已成為世界性標準流程模擬軟件，同時也是國際上功能最強的商品化流程模擬軟件。目前，該軟件已在全世界范圍內被廣泛使用[2]。

低溫甲醇洗工藝是20世紀50年代初林德公司和魯奇公司聯合開發的用于處理高濃度酸性氣體的凈化工藝。該工藝的操作溫度為-75~0℃，壓力為2.4~8.0 MPa，凈化后得到總硫體積分數＜0.000 01%、CO2體積分數＜0.001%的合成氣。目前，低溫甲醇洗技術向單系列、大型化方向發展，迄今用Aspen Plus對超大規模低溫甲醇洗工藝進行全流程模擬的文章很少有報道。

1　模擬計算

1.1模擬流程的建立

結合AspenPlus的使用特點，確定超大規模低溫甲醇洗工藝的模擬流程，如圖1所示。

1.2模擬流程的說明

原料氣在低溫甲醇洗滌塔（C1）中用低溫甲醇洗滌，脫除H2S和CO2等組分，凈化氣由塔頂引出；吸收了H2S和CO2的甲醇富液經減壓閃蒸解吸后在CO2解吸塔（C2）頂得到純凈的CO2氣體；解吸后的甲醇溶液在H2S濃縮塔（C3）中進一步用N2汽提解吸以提高液相H2S濃度，尾氣放空；進一步解吸后的甲醇溶液在熱再生塔（C4）中進行熱再生，塔底得到貧甲醇，送往低溫甲醇洗滌塔（C1）循環使用；熱再生塔頂得到的H2S濃度較高的氣體，送至硫回收系統；甲醇/水分離塔（C5）用于脫除甲醇中的水分；系統中約24臺換熱器組成的換熱網絡用以回收冷量并保證必要的工藝條件[3]。

模擬流程中包括5個分離塔之間物流的傳質和傳熱，過程錯綜復雜，結構縱橫交錯。若5塔聯合模擬，計算量會非常巨大，同時5塔聯合收斂也存在很大的難度。本模擬先進行單塔單獨模擬和收斂，再依次增加模擬和收斂的塔數，同時對收斂方法、收斂次數、收斂公差進行修改，最后進行全流程統一模擬和收斂。模擬流程中還包括第一、第二循環氣閃蒸罐氣相出口合成氣的循環過程，該循環過程也是模擬的重點，AspenPlus在計算過程中對其進行迭代計算，當相鄰2次計算得到的物流值相對誤差小于Aspen Plus的規定值時，模擬計算達到穩態平衡[4]。

1.3物性及模塊的選擇

低溫甲醇洗系統的主要組分有CH4O、H2、CO2、H2S、N2、CO、CH4、Ar、H2O和COS等，體系中既含有締合、極性組分CH4O，又存在量子氣體H2，在低溫、加壓下操作時部分組分將超過臨界點，所以體系為非理想性體系，很容易造成計算模型估算不準確[5]。本模擬的物性模型擬選用NRTL-RK模型，因為低溫甲醇洗工藝是一種典型的物理吸收過程，各分子間的作用力為范德華力，氣液關系符合亨利定律，溶液中被吸收組分的量基本上與其在氣相中的分壓成正比，所以在物性模型中同時引入亨利組分。但該模型中關鍵組分CO2、H2、H2S與CH4O的二元交互作用參數適用的范圍很難涵蓋低溫甲醇洗工藝的實際操作溫度范圍，特別是低溫區間，因此要準確模擬該工藝流程，需對其關鍵組分的二元交互作用參數進行相應的修改，修改后的NRTL-RK模型中的二元交互作用參數詳見表1。

圖1　超大規模低溫甲醇洗工藝模擬流程

表1　修改后的NRTL-RK模型中二元交互作用參數

建模過程中主要采用了Aspen Plus內置模塊（詳見表2），同時加入了用FORTRAN語言編寫的計算模塊RR來計算整個系統需要的冷量。

表2　單元操作模塊

1.4假設

為簡化模擬過程，作出以下假設：（1）原料合成氣處理量規模為515000Nm3/h，壓力為3.0MPa；（2）洗滌塔（C1）共有40塊理論塔板；（3）CO2解吸塔（C2）共有30塊理論塔板；（4）H2S濃縮塔（C3）共有40塊理論塔板；（5）熱再生塔（C4）共有15塊理論塔板；（6）甲醇/水分離塔（C5）共有25塊理論塔板；（7）全塔效率均為50%；（8）理論塔板的單板壓降均為1 kPa；（9）系統需要兩個等級的冷量，分別為0℃和-40℃；（10）來自變換單元的原料合成氣的組成和總量在模擬過程中保持不變。

2　模擬結果與討論

2.1模擬結果

模擬中原料合成氣成分為：φ(CO+H2)=54.394%，φ(CO2)=41.515%，φ(COS+H2S)=0.086%，φ（其他氣體）＝4.005%；模擬得到凈化合成氣成分：φ(CO+H2)= 93.386%，φ(CO2)<0.001%，φ(COS+H2S)?0.001%，φ（其他氣體）＝6.614%；汽提N2（40℃、0.45 MPa）消耗量為34500 Nm3/h；0℃和-40℃兩個等級需要的冷量分別為5.4 MW和19.0 MW（包含3%的冷量損失）。冷量是低溫甲醇洗工藝中極為重要的能耗指標，與國外先進工藝相比，該模擬值略為偏高，說明模型中的低溫換熱網絡還有進一步優化的空間。

2.2討論

利用建立的單系列，串、并聯超大規模低溫甲醇洗工藝模型，通過靈敏度分析分別確定洗滌塔脫硫段吸收劑的用量和溫度對H2S脫除效果的影響（見圖2、圖3），洗滌塔脫碳段吸收劑的用量和溫度對CO2脫除效果的影響（見圖4、圖5），H2S濃縮塔汽提N2的用量和溫度對H2S濃縮效果的影響（見圖6、圖7），熱再生塔塔底蒸汽的用量對甲醇再生效果的影響（見圖8、圖9）。

由圖2可知，隨著洗滌塔脫硫段吸收劑流量從12000 kmol/h增加到13200 kmol/h，H2S的脫除率從99.90%增大到99.96%，這是因為低溫甲醇洗工藝是典型的物理吸收過程，在H2S分壓和吸收劑溫度恒定的情況下，H2S吸收總量與吸收劑用量基本上成正比，所以當洗滌塔脫硫段吸收劑流量增加時，H2S脫除率相應升高。由圖3可知，隨著洗滌塔脫硫段吸收劑溫度從-30℃降低到-40℃，H2S的脫除率從99.89%增大到99.96%，這是因為在H2S分壓和吸收劑用量恒定的情況下，吸收總量與吸收劑溫度基本上成反比，所以當洗滌塔脫硫段吸收劑溫度降低時，H2S脫除率相應增大。

圖2　吸收劑流量對H2S脫除率的影響

圖3　吸收劑溫度對H2S脫除率的影響

圖4　吸收劑流量對CO2脫除率的影響

由圖4可知，隨著洗滌塔脫碳段吸收劑流量從30 000 kmol/h增加到34000 kmol/h，CO2脫除率從99.01%增大到99.88%，這是因為在CO2分壓和吸收劑溫度恒定的情況下，CO2吸收總量與吸收劑用量基本上成正比，所以當洗滌塔脫碳段吸收劑流量增加時，CO2脫除率相應增大。由圖5可知，隨著洗滌塔脫碳段吸收劑溫度從-45℃降低到-55℃，CO2脫除率從99.50%增大到99.85%，這是因為在CO2分壓和吸收劑用量恒定的情況下，CO2吸收總量與吸收劑溫度基本上成反比，據相關文獻報道，當溫度從20℃降到-40℃時，CO2溶解度約增加6倍，所以當洗滌塔脫碳段吸收劑溫度降低時，CO2脫除率相應增大。

圖5　吸收劑溫度對CO2脫除率的影響

圖6　低壓N2流量對H2S摩爾分數的影響

圖7　低壓N2溫度對H2S摩爾分數的影響

圖8　熱再生塔塔底熱負荷對H2S摩爾分數的影響

由圖6可知，在H2S濃縮塔低壓汽提N2溫度恒定的情況下，隨著低壓汽提N2流量從1200 kmol/h增加到1600 kmol/h，塔底甲醇中H2S的摩爾分數從0.00836增加到0.00840，這是因為采用N2汽提可進一步降低甲醇中溶解的CO2分壓，使CO2解吸更為徹底，而H2S在低溫條件下的溶解度比CO2大，解吸也相對困難，所以當H2S濃縮塔低壓汽提N2用量增加時，塔底甲醇中H2S的摩爾分數相應增加。由圖7可知，在H2S濃縮塔低壓汽提N2用量恒定的情況下，隨著低壓汽提N2溫度從-20℃降低到-40℃，塔底甲醇中H2S的摩爾分數從0.008 363降低到0.008360，這是因為溫度越低，甲醇對酸性氣體的吸收越有利，而CO2解吸越困難，所以當H2S濃縮塔低壓汽提N2溫度降低時，塔底甲醇中H2S的摩爾分數相應降低。

圖9　熱再生塔塔底熱負荷對CO2摩爾分數的影響

由圖8可知，隨著熱再生塔塔底熱負荷（蒸汽用量）從22.0MW增大到26.0MW，塔底甲醇中H2S的摩爾分數從0.003%降低到0.0007%，這是因為H2S在甲醇中的溶解度大，解吸難，需采用外來熱源使其徹底解吸。加熱介質用量越大，甲醇再生越徹底，所以當熱再生塔塔底熱負荷增大時，H2S進一步解吸，塔底甲醇中H2S的量減少。由圖9可知，隨著熱再生塔塔底熱負荷從22.0MW增加到26.0MW，塔底甲醇中CO2摩爾分數從0.00007%降低到0.00003%，原因與H2S類似，當熱再生塔塔底熱負荷增大時，CO2進一步解吸，使甲醇中CO2的量減少。

3　結論

（1）凈化氣成分為：φ(CO+H2)=93.386%，φ(CO2)< 0.001%，φ(COS+H2S)<0.001%，φ（其他氣體）= 6.614%。

（2）汽提N2（40℃、0.45 MPa)消耗量為34 500 Nm3/h；0℃和-40℃兩個等級需要的冷量分別為5.4 MW和19.0 MW（包含3%的冷量損失）。

（3）洗滌塔脫硫段吸收劑用量增加或溫度降低時，H2S脫除率均相應增大。

（4）洗滌塔脫碳段吸收劑用量增加或溫度降低時，CO2脫除率均相應增大。

（5）當H2S濃縮塔低壓汽提N2用量增加時，塔底甲醇中H2S的摩爾分數相應增加；低壓汽提N2溫度降低時，H2S的摩爾分數相應降低。

（6）熱再生塔塔底熱負荷增加時，塔底甲醇中H2S和CO2的摩爾分數相應降低。

該單系列超大規模低溫甲醇洗工藝模型可為類似工藝的方案比選、優化設計提供模擬和預測。

[1]王靜康.化工設計[M].北京:化學工業出版社,1995: 276-290.

[2]孫志翱,金保升,李勇,等.基于AspenPlus軟件的濕法煙氣脫硫模型[J].潔凈煤技術,2006,12(3):82-85.

[3]張述偉,陸明亮,徐志武,等.低溫甲醇洗系統模擬與分析[J].氮肥設計,1994,32(1):25-31.

[4]黃崇平.用Aspen Plus軟件模擬煉廠氣脫硫和再生系統工藝流程[J].煉油,2001,6(4):32-35.

[5]孫津生,李燕.低溫甲醇洗工藝流程模擬——甲醇洗滌塔的模擬[J].甘肅科學學報,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年生碩士工程師主要從事：化工工藝設計和流程模擬工作

2015年6月