MDEA脫碳工藝的模擬分析

陳宏福 ，王 翀，閆廣宏，林名楨，郭 麗

(1.中石化石油工程設(shè)計有限公司工藝配管所，山東 東營 257026；2.勝利油田森諾勝利工程有限公司，山東 東營 257000)

MDEA脫碳工藝的模擬分析

陳宏福1，王 翀1，閆廣宏1，林名楨1，郭 麗2

(1.中石化石油工程設(shè)計有限公司工藝配管所，山東 東營 257026；2.勝利油田森諾勝利工程有限公司，山東 東營 257000)

利用HYSYS模擬軟件對延128凈化廠的MDEA脫碳裝置進(jìn)行了模擬研究，并分析了原料氣溫度、吸收塔操作壓力、吸收塔塔板數(shù)、MDEA溶液濃度等對MDEA脫碳效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著原料氣溫度的升高，溶液對CO2的脫除率呈下降趨勢；隨著吸收塔操作壓力的升高，CO2的脫除率先呈線性規(guī)律增加并逐漸趨于變緩的趨勢；吸收塔塔板數(shù)越多，溶液對CO2的吸收效果越好；而隨著MDEA溶液濃度的增大，CO2的脫除率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

天然氣；MDEA脫碳；影響因素；模擬分析

在低碳經(jīng)濟(jì)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢的今天，天然氣已經(jīng)成為一種非常重要的清潔能源。CO2是天然氣中含量較高的酸性組分之一，其不僅會降低天然氣的品質(zhì)，在有游離水存在的情況下，也會引起金屬管道、設(shè)備等的腐蝕，從而帶來安全隱患，甚至還會造成污染環(huán)境，危害人體健康[1-2]。因此，天然氣必須脫除CO2后才能進(jìn)行輸送和利用。

醇胺法是天然氣工業(yè)中最為常用的脫碳方法[3]，在眾多醇胺溶液中，MDEA(N-甲基二乙醇胺)由于吸收負(fù)荷高，腐蝕性小，化學(xué)穩(wěn)定性好，再生熱負(fù)荷低，溶液不易發(fā)泡降解等優(yōu)點，成為應(yīng)用最廣泛的脫碳劑之一[4-5]，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用HYSYS模擬軟件對延128凈化廠的天然氣MDEA脫碳裝置進(jìn)行了模擬研究，并優(yōu)選出了最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，以期對工業(yè)設(shè)計有一定的參考。

1 MDEA脫碳工藝流程

原料氣經(jīng)過濾分離器除去所攜帶的液體和固體雜質(zhì)后從底部進(jìn)入MDEA吸收塔。原料氣與塔頂進(jìn)入的MDEA貧液逆向接觸，脫除CO2后的天然氣從塔頂逸出；富胺液經(jīng)過閃蒸后脫除吸附的烴類化合物，經(jīng)貧富液換熱器換熱后進(jìn)入再生塔再生，再生后的MDEA貧液經(jīng)過換熱降溫后，由MDEA溶液循環(huán)泵打回吸收塔循環(huán)利用。

3 天然氣脫碳流程的模擬分析

3.1 狀態(tài)方程的選取及模型建立

本文利用Aspen Hysys自帶的專門針對天然氣脫除酸性氣體開發(fā)的Amine Package模型。該模型包括Kent-Eisenberg模型[6]和Li-Mather[7]，Kent-Eisenberg是屬于半經(jīng)驗化熱力學(xué)模型，而Li-Mather是基于嚴(yán)格熱力學(xué)機(jī)理的模型。本文選用了更為嚴(yán)格的Li-Mather模型作為MDEA溶液吸收酸氣過程的熱力學(xué)模型，循環(huán)選用Recycle模塊[8-9]，根據(jù)MDEA脫碳的工藝流程，建立HYSYS模型，具體見圖1。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文中所研究的天然氣脫碳裝置處理規(guī)模為300×104Nm3/d，原料氣的具體組份見表1。

圖1 天然氣MDEA脫碳流程示意圖

3.3 影響因素分析

3.3.1 原料氣溫度對脫碳效果的影響規(guī)律

在MDEA貧液質(zhì)量濃度為45%，吸收塔的塔板數(shù)為14塊，吸收塔的操作壓力在5.4MPag的操作條件下，模擬了不同胺液循環(huán)量下，原料氣溫度對脫碳效果的影響，具體見圖2。

由圖2可知，在溶液循環(huán)量相同的條件下，隨著入口天然氣溫度的升高，CO2的脫除率增加，且直線的斜率相近。這是因為MDEA與CO2的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，原料氣溫度的升高，CO2在溶液中的溶解度隨之下降，不利于吸收反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行；但是MDEA吸收CO2的的反應(yīng)受動力學(xué)控制[10]，原料氣溫度的升高有利于提高分子的活躍程度，增加分子有效碰撞的幾率，從而加快CO2的吸收速度，提高CO2的脫除率。

圖2 原料氣溫度對脫碳效果的影響

3.3.2 吸收塔操作壓力對脫碳效果的影響規(guī)律

在MDEA貧液質(zhì)量濃度為45%，原料氣的溫度為40℃，吸收塔的塔板數(shù)為14塊的條件下，模擬了在不同胺液循環(huán)量的條件下，吸收塔的操作壓力對脫碳效果的影響，具體見圖3。

圖3 吸收塔操作壓力對脫碳效果的影響

由圖3可以看出，隨著吸收塔操作壓力的增加，CO2的脫除率呈現(xiàn)出先線性增大后逐漸變緩的趨勢。這是因為提高操作壓力使得單位體積的分子數(shù)目增多，增加分子有效碰撞的幾率，有利于吸收過程的進(jìn)行，MDEA與CO2發(fā)生反應(yīng)的幾率增大，進(jìn)而提高CO2的脫除率。壓力增加到一定數(shù)值后曲線的斜率變小，原因可能是操作壓力增大致使增加了吸收塔板間的壓降，從而導(dǎo)致MDEA溶液發(fā)泡，從而影響吸收效果。

3.3.3 吸收塔塔板數(shù)對脫碳效果的影響規(guī)律

在MDEA貧液質(zhì)量濃度為45%，原料氣的溫度為40℃，吸收塔的操作壓力為5.4MPag，模擬了在不同胺液循環(huán)量的條件下，吸收塔的塔板數(shù)對脫碳效果的影響，具體見圖4。

圖4 吸收塔板數(shù)

由圖4可以看出，隨著吸收塔塔板數(shù)的增加，在不同的胺液循環(huán)量下，CO2的脫除率均隨之增加。在較低的胺液循環(huán)量下(75、80、85m3/h)，CO2的脫除率隨著塔板數(shù)的增加，增加的趨勢較為明顯；而在較高的胺液循環(huán)量下(90、95m3/h)，CO2的脫除率隨著塔板數(shù)的增加，增加的趨勢較為平緩。這是因為吸收塔塔板數(shù)目的增加有利于進(jìn)行氣液傳質(zhì)，從而有利于MDEA溶液與CO2發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)天然氣中CO2的吸收。在較高的流量、較多的塔板數(shù)下，有可能是MDEA溶液與CO2的吸附接近平衡，從而使CO2的脫除率增加的趨勢變緩。

3.3.4 MDEA溶液濃度對脫碳效果的影響規(guī)律

在原料氣的溫度為40℃，吸收塔的操作壓力為5.4MPag，吸收塔的塔板數(shù)為14，模擬了在不同胺液循環(huán)量的條件下，MDEA溶液濃度對脫碳效果的影響規(guī)律，具體見圖5。

圖5 MDEA溶液濃度對脫碳效果的影響

由圖5可以看出，在胺液流量較小(75,80,85m3/h)的情況下，CO2的脫除率呈現(xiàn)出先增大后趨勢變緩的情況；在胺液循環(huán)量為90,95m3/h時，CO2的脫除率幾乎呈現(xiàn)水平趨勢，這說明在此情況下，MDEA溶液濃度的增大對CO2的吸收影響不大。這主要是因為在低濃度和流量時，隨著MDEA溶液濃度的增大，增加了MDEA溶液與CO2的濃度梯度，增加了氣液傳質(zhì)，但當(dāng)MDEA質(zhì)量濃度過高時，隨著MDEA溶液粘度的增大，抑制了其對CO2的吸收。

4 結(jié)論

(1)隨著原料氣溫度的增加，MDEA溶液對CO2的脫除率下降。

(2)隨著吸收塔的操作壓力的增大，CO2的脫除率呈現(xiàn)出先線性增大后逐漸變緩的趨勢。

(3)隨著吸收塔塔板數(shù)的增加，MDEA溶液對CO2的脫除率增加，但當(dāng)塔板數(shù)增加到一定數(shù)目時，其進(jìn)一步的增加對CO2的脫除率影響不大。

(4)隨著MDEA濃度的增加，MDEA對CO2的脫除率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。

[1] 王遇冬. 天然氣處理與加工工藝[M]. 2 版.北京：中國石化出版社，2011：70-75.

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(本文文獻(xiàn)格式：陳宏福 ，王 翀，閆廣宏.MDEA脫碳工藝的模擬分析[J].山東化工，2016，45(02)：88-89.)

Simulated Calculation on the MDEA Decarbonization System of Natural Gas

Chen Hongfu1, Wang Chong1, Yan Guanghong1, Lin Mingzhen1, Guo Li2

(1. Process and Piping Department, Sinopec Petroleum Engineering Co., Ltd.,Dongying 257000,China;2. Shengli Oilfield Sennuo Shengli Engineering Co., Ltd., Dongying 257000,China)

The MDEA decarbonization system of natural gas for Yan 128 purification plant was simulated by Hysys, and the influence of inlet temperature for feed gas, operating pressure for absorption column, number of plate for absorption column, the concentration of MDEA solution are analyzed. The result show that with the increase of temperature for feed gas, the removal rate for CO2is reduced; the increasing trend for CO2removal rate becomes larger linearly, and then it makes steady after arriving at a certain extent with the increase of operating pressure for absorption column; the increase of plate number for absorption column is beneficial to the absorption of CO2; the CO2removal rate is increased with increasing concentration of MDEA solution, when the concentration is too high, and the change is slowed down gradually.

natural gas；MDEA decarbonization；affecting factors；simulation calculation

2015-12-08

陳宏福(1981—)，吉林松原人，工程師，主要從事油氣處理與儲運方面的工作。

TQ440.6

A

1008-021X(2016)02-0087-03