低溫甲醇洗H2S吸收塔和CO2吸收塔流程模擬

劉華群，李春剛，張東亞，陳若方，唐祁勻

(上海現代制藥海門有限公司，江蘇 海門 226133)

低溫甲醇洗工藝是德國林德公司和魯奇公司20世紀50年代初共同開發的工藝，主要用于煤氣化利用時酸性氣體的凈化。低溫甲醇洗工藝屬于物理凈化法，使用低溫高壓下的甲醇作為吸收劑，具有吸收力強、選擇性好、凈化度高等優勢，可以選擇性的脫除酸性氣體中的H2S、CO2等雜質[1-3]。

低溫甲醇洗工藝包含H2S吸收塔、CO2吸收塔、CO2解吸/氣提塔、甲醇熱再生塔、甲醇精餾塔和尾氣洗滌塔，其中H2S吸收塔和CO2吸收塔的操作溫度范圍為-51.5～-18.0℃，操作壓力范圍為2.8 ～3.4 MPa，操作工況苛刻。而在酸性氣體原料氣中，涉及到CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH在操作工況下氣液平衡過程的準確描述，需要選擇合適的熱力學方程，最難模擬計算。

本文參照某廠的低溫甲醇洗工藝實際運行數據，使用Aspen Plus軟件，采用PSRK熱力學方程，并設置撕裂物流，模擬了低溫甲醇洗工藝中的H2S吸收塔和CO2吸收塔，與某廠實際運行數據基本一致。

1 H2S吸收塔和CO2吸收塔工藝流程簡介

H2S吸收塔(C1101)模擬時采用一個吸收塔，CO2吸收塔是模擬時采用三個吸收塔串聯，由上至下依次稱為CO2吸收塔1塔(C1201)、CO2吸收塔2塔(C1202)和CO2吸收塔3塔(C1203)。

酸性原料氣首先進入H2S吸收塔(C1101)去除H2S，然后氣體依次進入CO2吸收塔3塔(C1203)、CO2吸收塔2塔(C1202)和CO2吸收塔1塔(C1201)去除CO2，從CO2吸收塔1塔(C1201)塔頂采出的合格凈化氣，送至下游工序。從后續甲醇精餾塔過來的新鮮甲醇，作為吸收液，從CO2吸收塔1塔(C1201)塔頂進入，依次進入CO2吸收塔2塔(C1202)、CO2吸收塔3塔(C1203)和H2S吸收塔(C2201)，最終的甲醇富液富含H2S和CO2，從塔釜去甲醇閃蒸塔。模擬流程示意圖如圖1。

圖1 H2S吸收塔和CO2吸收塔模擬流程

2 物流數據

某廠酸性原料氣除去H2S和CO2后，凈化氣送往合成氨工段。表1為某廠生產酸性原料氣和凈化氣組成，從表中可以看出，酸性原料氣中含有CH3OH、CO2、H2、N2、H2S、H2O、Ar、CH4、CO九種物質，經H2S吸收塔和CO2吸收塔后，酸性原料氣中的CO2和H2S基本被全部吸收，超臨界組分H2、N2、Ar、CH4、CO的摩爾流量基本沒有變化。

3 物性方法選擇

H2S吸收塔和CO2吸收塔的操作溫度范圍為-51.5～-18.0℃，操作壓力范圍為2.8～3.4 MPa，存在CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH的氣液平衡體系。模擬計算時，為了準確描述該體系在操作工況下的氣液平衡過程，查閱相關文獻[4-7]，本文最終采取PSRK方程。

表1 某廠生產酸性原料氣和凈化氣組成

4 模擬結果

本文運用Aspen Plus軟件，模擬了H2S吸收塔和CO2吸收塔，重點考察H2S吸收塔塔頂氣體和CO2吸收塔塔頂的氣體組成。CO2吸收塔塔頂凈化氣采用某廠生產數據，而H2S吸收塔塔氣體是過程數據，無法取樣，表2采用某廠工藝包數據進行對比。

表2 H2S吸收塔塔頂氣體和CO2吸收塔塔頂氣體組成

從表2可以看出，酸性原料氣通過H2S吸收塔后，H2S組分的摩爾流量降低到0.0949 kmol/h，說明H2S吸收塔能很好的吸收H2S，然后通過CO2吸收塔后，CO2的摩爾流量降低到0.0017 kmol/h，而H2、N2、Ar、CH4和CO組分基本沒有冷凝和溶解，含量基本不變，PSRK方程能較好的描述-51.5～-18.0 ℃，2.8～3.4 MPa下，H2S、CO2、H2、N2、Ar、CH4和CO在甲醇中的氣液平衡關系。

5 流程收斂性說明

H2S吸收塔和CO2吸收塔，模擬時采用四塔串聯，涉及6臺設備，14股物流，3股循環物流。為了保持流程收斂，本文做了以下處理：

(1)選擇默認的收斂方法Wegstein法。

(2)確定8號、9號和13號流股為撕裂物流。

(3)收斂順序為C1101-C1203-C1202-C1201-E101-E102-F101。 在確定了撕裂流股和收斂順序后，經過不斷的試算調整，最終實現了四塔串聯的流程收斂。本文以換熱器E201的進出流股組成為例，對收斂情況進行分析，見表3。

表3 換熱器E201流股組成

從表3的結果可以看出，同一編號的流股，模擬數據和生產數據基本接近，只是CO2和H2的摩爾流量模擬數據和生產數據有差異。這是因為Aspen Plus軟件在進行收斂計算時，對撕裂流股設置了收斂容差，撕裂物流的物料組成和溫度壓力只需在收斂容差范圍內，計算即自動停止，流程完成收斂，這個差異是合理的。后期可以通過換熱器設計相關軟件，利用換熱器的進出口物料平衡數據，進行換熱器的設計計算與校核。

6 結論

(1)本文采用了PSRK方程，準確描述了-51.5～-18.0℃和2.8 ～3.4 MPa下，CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH的氣液平衡體系。

(2)通過設置了三股撕裂物流和收斂順序，完成了四塔串聯流程的模擬，H2S吸收塔和CO2吸收塔的模擬結果和實際生產數據接近。

(3)本文得到了H2S吸收塔和CO2吸收塔的原始模擬數據，對低溫甲醇洗裝置運行優化、塔內件設計、換熱器設計都具有十分重要指導意義。