第40卷第7期上海化工2015年7月Shanghai Chemical Industry基于 Aspen Plus的超大規(guī)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摘要利用 Aspen Plus軟件對(duì)超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝進(jìn)行了全流程模擬,并對(duì)物性模型中關(guān)鍵組分的二元交互作用參數(shù)進(jìn)行了修改。模型模擬得到了凈化氣的成分汽提氮?dú)獾南牧恳约靶枰睦淞?揭示了洗滌塔脫硫段吸收劑對(duì)HS脫除效果的影響、洗滌塔脫碳段吸收劑對(duì)CO2脫除效果的影響、HS濃縮塔汽提N對(duì)HS濃縮效果的影響以及熱再生塔塔底蒸汽對(duì)甲醇再生效果的影響。關(guān)鍵詞 Aspen Plus軟件超大規(guī)模低溫甲醇洗全流程模擬二元交互作用參數(shù)中圖分類號(hào)TP319Aspen Plus軟件是由美國(guó) Aspen Tech公司開(kāi)發(fā)吸收了HS和CO2的甲醇富液經(jīng)減壓閃蒸解吸后在的通用工藝模擬軟件,可用于化工及煉油工藝流程CO2解吸塔(C2)頂?shù)玫郊儍舻腃O2氣體;解吸后的的模擬計(jì)算。 Aspen Plus軟件中包括多種熱力學(xué)模甲醇溶液在H2S濃縮塔(C3)中進(jìn)一步用N2汽提解型、大量的物性參數(shù)以及混合物數(shù)據(jù)與表征方法叫。吸以提高液相HS濃度尾氣放空;進(jìn)一步解吸后的經(jīng)過(guò)幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累,其功能不斷完善,已成為世甲醇溶液在熱再生塔(C4)中進(jìn)行熱再生,塔底得到界性標(biāo)準(zhǔn)流程模擬軟件,同時(shí)也是國(guó)際上功能最強(qiáng)貧甲醇,送往低溫甲醇洗滌塔(C1)循環(huán)使用;熱再的商品化流程模擬軟件。目前,該軟件已在全世界范生塔頂?shù)玫降腍S濃度較高的氣體,送至硫回收系圍內(nèi)被廣泛使用啁統(tǒng);甲醇/水分離塔(C5)用于脫除甲醇中的水分;系低溫甲醇洗工藝是20世紀(jì)50年代初林德公司統(tǒng)中約24臺(tái)換熱器組成的換熱網(wǎng)絡(luò)用以回收冷量和魯奇公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的用于處理高濃度酸性氣體的并保證必要的工藝條件凈化工藝。該工藝的操作溫度為-750℃,壓力為模擬流程中包括5個(gè)分離塔之間物流的傳質(zhì)和24-80MPa,凈化后得到總硫體積分?jǐn)?shù)<00001%、傳熱,過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜,結(jié)構(gòu)縱橫交錯(cuò)。若5塔聯(lián)合模CO2體積分?jǐn)?shù)<0001%的合成氣。目前,低溫甲醇洗擬,計(jì)算量會(huì)非常巨大,同時(shí)5塔聯(lián)合收斂也存在很技術(shù)向單系列、大型化方向發(fā)展,迄今用 Aspen Plus大的難度。本模擬先進(jìn)行單塔單獨(dú)模擬和收斂,再依對(duì)超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝進(jìn)行全流程模擬的文章次增加模擬和收斂的塔數(shù),同時(shí)對(duì)收斂方法、收斂次很少有報(bào)道。數(shù)、收斂公差進(jìn)行修改,最后進(jìn)行全流程統(tǒng)一模擬和1模擬計(jì)算收斂。模擬流程中還包括第一、第二循環(huán)氣閃蒸罐氣相出口合成氣的循環(huán)過(guò)程,該循環(huán)過(guò)程也是模擬的1.1模擬流程的建立重點(diǎn), Aspen Plus在計(jì)算過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行迭代計(jì)算結(jié)合 Aspen Plus的使用特點(diǎn),確定超大規(guī)模低當(dāng)相鄰2次計(jì)算得到的物流值相對(duì)誤差小于 Aspen溫甲醇洗工藝的模擬流程,如圖1所示。Pus的規(guī)定值時(shí),模擬計(jì)算達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡。1.2模擬流程的說(shuō)明1.3物性及模塊的選擇原料氣在低溫甲醇洗滌塔(C1)中用低溫甲醇低溫甲醇洗系統(tǒng)的主要組分有CHO、H2、CO2、洗滌,脫除HS和CO2等組分凈化氣由塔頂引出;HSN2、CO、CH中國(guó)煤體系中既含有cnc竺作者簡(jiǎn)介:何一夫男1982年生碩士工程師主要從事:化工工藝設(shè)計(jì)和CNMHG2上海化工第40卷鹽水尾氣CO產(chǎn)品凈化氣低壓N原料氣1-洗滌塔;2-CO2解吸塔;3-HS濃縮塔;4-熱再生塔;5-甲醇/水分離塔;6-N2汽提塔;7-CO2水洗塔;8-尾氣水洗塔;9-第一循環(huán)氣閃蒸罐;10-第二循環(huán)氣閃蒸罐;11-氣液分離器;12-循環(huán)氣壓縮機(jī);13-第一富液甲醇泵;14-第二富液甲醇泵;15-第三富液甲醇泵;16-熱再生塔底泵;17-尾氣水洗塔底泵;18-原料氣冷卻器圖1超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝模擬流程締合、極性組分CHO,又存在量子氣體H2,在低溫、建模過(guò)程中主要采用了 Aspen Plus內(nèi)置模塊加壓下操作時(shí)部分組分將超過(guò)臨界點(diǎn),所以體系為(詳見(jiàn)表2),同時(shí)加入了用 FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)的非理想性體系,很容易造成計(jì)算模型估算不準(zhǔn)確門(mén)。計(jì)算模塊RR來(lái)計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)需要的冷量。本模擬的物性模型擬選用NRTL-RK模型,因?yàn)榈捅?單元操作模塊溫甲醇洗工藝是一種典型的物理吸收過(guò)程,各分子稱模塊子稱模塊間的作用力為范德華力氣液關(guān)系符合亨利定律溶甲醇泵PUMP‖循環(huán)氣壓縮機(jī) COMPR液中被吸收組分的量基本上與其在氣相中的分壓成混合器MIXER寸流器FSPLIT正比,所以在物性模型中同時(shí)引入亨利組分。但該模原料氣冷卻器 MHEATX冷器HEATX型中關(guān)鍵組分CO2H2、HS與CHO的二元交互作洗滌塔 RADFRAC‖CO2解吸塔 RADFRAC用參數(shù)適用的范圍很難涵蓋低溫甲醇洗工藝的實(shí)際Bs濃縮塔 RADFRAC‖熱再生塔 RADFRAC操作溫度范圍,特別是低溫區(qū)間,因此要準(zhǔn)確模擬該甲醇/水分離塔 RADFRA水洗塔 RADFRAC工藝流程,需對(duì)其關(guān)鍵組分的二元交互作用參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修改,修改后的NRmL-RK模型中的二元14假設(shè)交互作用參數(shù)詳見(jiàn)表1。為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程,作出以下假設(shè):(1)原料合成表1修改后的NRTL-RK模型中二元交互作用參數(shù)氣處理量規(guī)模為515000Nmh,壓力為30MPa;(2)洗滌塔(C1)共有40塊理論塔板;(3)CO2解吸塔元素C(C2)共有30塊理論塔板;(4)HS濃縮塔(C3)共有CHOCHOCHO素4Bc40塊理論塔板;(5)熱再生塔(C4)共有15塊理論619310.08塔板;(6)甲醇/水分離塔(C5)共有25塊理論塔3426.691867.402050.80板;(7)全塔151中國(guó)煤化工塔板的單板壓降均為1kP0.25-0.27CNMHG的冷量,分別0.00為0℃和-40飛;(丿米目坐怏畢兀的原料合成氣第7期何一夫:基于 Aspen Plus的超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝全流程模擬的組成和總量在模擬過(guò)程中保持不變。99.972模擬結(jié)果與討論2.1模擬結(jié)果99.94模擬中原料合成氣成分為:q(CO+H)=54394%,99.93(O)=41515%,q(COS+HS)=0.086%,q(其他氣體)=4005%;模擬得到凈化合成氣成分:q(CO+H)=冊(cè)99.9293386%,φ(CO2)<0.001%,(COS+H2S)<0.001%,q(其他氣體)=6.614%;汽提N2(40℃045MPa)消耗量為34500Nm沿h;0℃和-40°兩個(gè)等級(jí)需要的冷99.89量分別為54MW和190MW(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(biāo),與國(guó)外先進(jìn)工藝相比,該模擬值略為偏高,說(shuō)明模型中的低溫?fù)Q熱網(wǎng)絡(luò)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。30-32-3438-4022討論吸收劑溫度/℃利用建立的單系列,串、并聯(lián)超大規(guī)模低溫甲醇圖3吸收劑溫度對(duì)HS脫除率的影響洗工藝模型,通過(guò)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(duì)HS脫除效果的影響(見(jiàn)圖2、圖3),洗滌塔脫碳段吸收劑的用量和溫度對(duì)CO2脫除效果的影響(見(jiàn)圖4圖5),HS濃縮塔汽提N2的用量和溫度對(duì)HS濃縮效果的影響(見(jiàn)圖6圖7),熱再生塔塔底蒸汽的用量對(duì)甲醇再生效果的影響(見(jiàn)圖8、圖9)。99.20由圖2可知,隨著洗滌塔脫硫段吸收劑流量從12000kmo/h增加到13200 kmol/h,H2S的脫除率從99.009990%增大到996%,這是因?yàn)榈蜏丶状枷垂に囀?9.9798.6099.96940L99.95800003080031600324003320034000吸收劑流量(kmol·h-)圖4吸收劑流量對(duì)cO2脫除率的影響99.92典型的物理吸收過(guò)程,在H2S分壓和吸收劑溫度恒99.91定的情況下,HS吸收總量與吸收劑用量基本上成正比,所以當(dāng)洗滌塔脫硫段吸收劑流量增加時(shí),HS99.90脫除率相應(yīng)升高。由圖3可知,隨著洗滌塔脫硫段吸99.89收劑溫度從-30℃降低到-40℃,HS的脫除率從9989%增大到9996%,這是因?yàn)樵贖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120001224012480127201296013200上成反比,“況“劑溫度降低時(shí)吸收劑流量/( kmol h-)HS脫除率樸CNMH圖2吸收劑流量對(duì)HS脫除率的影響由圖4知,沅你增畎枝吸收劑流量從上海化工第40卷0.836499.800.88630.8862遲99.600861饅0.83600.835999.300.8658-4753吸收劑溫度/℃低壓N溫度/℃圖5吸收劑溫度對(duì)cO2脫除率的影響圖7低壓N2溫度對(duì)HS摩爾分?jǐn)?shù)的影響8413.50E-030.84003.00E-030.88902.50E-030.83802.00E-030.83701.50E-030.83601.00E-030.86505.00E-040.834012001280136014401520160022022823624425226.0低壓N2流量/kmol·h)熱再生塔塔底熱負(fù)荷MW圖6低壓N2流量對(duì)HS摩爾分?jǐn)?shù)的影響圖8熱再生塔塔底熱負(fù)荷對(duì)HS摩爾分?jǐn)?shù)的影響30000kmo/h增加到34000 kmolh,CO2脫除率從以當(dāng)洗滌塔脫碳段吸收劑溫度降低時(shí),CO2脫除率9901%增大到988%,這是因?yàn)樵贑O2分壓和吸收相應(yīng)增大。劑溫度恒定的情況下,CO2吸收總量與吸收劑用量由圖6可知,在HS濃縮塔低壓汽提N2溫度恒基本上成正比,所以當(dāng)洗滌塔脫碳段吸收劑流量增定的情況下,隨著低壓汽提N2流量從1200 kmol/h加時(shí),CO2脫除率相應(yīng)增大。由圖5可知隨著洗滌增加到1600kmoh,塔底甲醇中HS的摩爾分?jǐn)?shù)從塔脫碳段吸收劑溫度從-45℃降低到-55℃,CO20.00836增加到0.00840,這是因?yàn)椴捎肗2汽提可脫除率從99.50%增大到99.85%,這是因?yàn)樵贑O2進(jìn)一步降低甲醇中溶解的CO2分壓,使CO2解吸更分壓和吸收劑用量恒定的情況下,CO2吸收總量與為徹底,而H中國(guó)煤化工比CO2大,解吸收劑溫度基本上成反比據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道當(dāng)溫度吸也相對(duì)困難CNMHG汽提N2用量從20℃降到-40℃時(shí),CO2溶解度約增加6倍,所增加時(shí)塔底中醇中的摩樂(lè)分相應(yīng)增加。由圖第7期何一夫:基于 Aspen Plus的超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝全流程模擬58.00E-05原因與HS類似,當(dāng)熱再生塔塔底熱負(fù)荷增大時(shí),CO2進(jìn)一步解吸,使甲醇中CO2的量減少。7.00E-053結(jié)論6.00E-05(1)凈化氣成分為q(CO+H)=93386%,g(CO2<5.00E-050001%,φ(COs+HS)<00%,q(其他氣體)=獻(xiàn)鱉84.00E-056614%。(2)汽提N2(40℃045MPa)消耗量為345003.00E-05Nmh;0℃和-40℃兩個(gè)等級(jí)需要的冷量分別為542.00E-05MW和190MW(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1.00E-05時(shí),HS脫除率均相應(yīng)增大。04)洗滌塔脫碳段吸收劑用量增加或溫度降低220228236244252260時(shí),CO2脫除率均相應(yīng)增大。熱再生塔塔底熱負(fù)荷MW(5)當(dāng)HS濃縮塔低壓汽提N2用量增加時(shí),塔圖9熱再生塔塔底熱負(fù)荷對(duì)cO2摩爾分?jǐn)?shù)的影響底甲醇中H2S的摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)增加;低壓汽提N2溫7可知,在HS濃縮塔低壓汽提N2用量恒定的情況度降低時(shí)HS的摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)降低。下,隨著低壓汽提N2溫度從-20℃降低到-40℃6)熱再生塔塔底熱負(fù)荷增加時(shí),塔底甲醇中塔底甲醇中HS的摩爾分?jǐn)?shù)從0008363降低到HS和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)相應(yīng)降低。0008360,這是因?yàn)闇囟仍降?甲醇對(duì)酸性氣體的吸該單系列超大規(guī)模低溫甲醇洗工藝模型可為類收越有利,而CO2解吸越困難,所以當(dāng)HS濃縮塔低似工藝的方案比選優(yōu)化設(shè)計(jì)提供模擬和預(yù)測(cè)。壓汽提N2溫度降低時(shí)塔底甲醇中HS的摩爾分?jǐn)?shù)參考文獻(xiàn)相應(yīng)降低。[]王靜康.化工設(shè)計(jì)[M北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995:由圖8可知,隨著熱再生塔塔底熱負(fù)荷(蒸汽用276-290量)從20MW增大到260MW塔底甲醇中HS的2]孫志翱,金保升,李勇,等.基于 Aspen Plus件的濕摩爾分?jǐn)?shù)從0003%降低到0.0007%,這是因?yàn)镠2法煙氣脫硫模型潔凈煤技術(shù),2006,12(3):82-85在甲醇中的溶解度大解吸難需采用外來(lái)熱源使其B]張述偉,陸明亮,徐志武,等低溫甲醇洗系統(tǒng)模擬與徹底解吸。加熱介質(zhì)用量越大,甲醇再生越徹底,所{黃崇平,用A甲mPs件模擬煉廠氣脫硫和再生系以當(dāng)熱再生塔塔底熱負(fù)荷增大時(shí),HS進(jìn)一步解吸,統(tǒng)工藝流程煉油,2001,6(4):32-35.塔底甲醇中HS的量減少。由圖9可知,隨著熱再生[5孫津生,李燕低溫甲醇洗工藝流程模擬—甲醇洗滌塔塔底熱負(fù)荷從22.0MW增加到26.0MW,塔底甲塔的模擬J甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2007,192:50-53醇中CO2摩爾分?jǐn)?shù)從000007%降低到0.00003%,收稿日期:2015年6月Simulation of Ultra-large Scale rectisol Process based onAspen PlusHe rifiAbstract: The ultra-large scale rectisol process model was proposed and simulated by Aspen Plus software, and thebinary interaction parameters of the key components were modified. The compositions of synthesis gas, the consumption ofthe stripping nitrogen and the required refrigeration were obtained, revealing the effects of scrubber on H2S and CO2 re-moval, the influences of stripping nitrogen on HS concentration, and the effe中國(guó)煤化工 wer bottomsteam on methanolIICNMHGKey words: Aspen Plus software; Ultra-large scale rectisol; Process simulation; Binary interaction parameters