MDEA脱碳工艺的模拟分析

陈宏福 ，王 翀，闫广宏，林名桢，郭 丽

(1.中石化石油工程设计有限公司工艺配管所，山东 东营 257026；2.胜利油田森诺胜利工程有限公司，山东 东营 257000)

MDEA脱碳工艺的模拟分析

陈宏福1，王 翀1，闫广宏1，林名桢1，郭 丽2

(1.中石化石油工程设计有限公司工艺配管所，山东 东营 257026；2.胜利油田森诺胜利工程有限公司，山东 东营 257000)

利用HYSYS模拟软件对延128净化厂的MDEA脱碳装置进行了模拟研究，并分析了原料气温度、吸收塔操作压力、吸收塔塔板数、MDEA溶液浓度等对MDEA脱碳效果的影响规律。结果表明，随着原料气温度的升高，溶液对CO2的脱除率呈下降趋势；随着吸收塔操作压力的升高，CO2的脱除率先呈线性规律增加并逐渐趋于变缓的趋势；吸收塔塔板数越多，溶液对CO2的吸收效果越好；而随着MDEA溶液浓度的增大，CO2的脱除率呈现出先增加后减小的趋势。

天然气；MDEA脱碳；影响因素；模拟分析

在低碳经济成为经济发展趋势的今天，天然气已经成为一种非常重要的清洁能源。CO2是天然气中含量较高的酸性组分之一，其不仅会降低天然气的品质，在有游离水存在的情况下，也会引起金属管道、设备等的腐蚀，从而带来安全隐患，甚至还会造成污染环境，危害人体健康[1-2]。因此，天然气必须脱除CO2后才能进行输送和利用。

醇胺法是天然气工业中最为常用的脱碳方法[3]，在众多醇胺溶液中，MDEA(N-甲基二乙醇胺)由于吸收负荷高，腐蚀性小，化学稳定性好，再生热负荷低，溶液不易发泡降解等优点，成为应用最广泛的脱碳剂之一[4-5]，在国内外得到了广泛的应用。本文利用HYSYS模拟软件对延128净化厂的天然气MDEA脱碳装置进行了模拟研究，并优选出了最优设计参数，以期对工业设计有一定的参考。

1 MDEA脱碳工艺流程

原料气经过滤分离器除去所携带的液体和固体杂质后从底部进入MDEA吸收塔。原料气与塔顶进入的MDEA贫液逆向接触，脱除CO2后的天然气从塔顶逸出；富胺液经过闪蒸后脱除吸附的烃类化合物，经贫富液换热器换热后进入再生塔再生，再生后的MDEA贫液经过换热降温后，由MDEA溶液循环泵打回吸收塔循环利用。

3 天然气脱碳流程的模拟分析

3.1 状态方程的选取及模型建立

本文利用Aspen Hysys自带的专门针对天然气脱除酸性气体开发的Amine Package模型。该模型包括Kent-Eisenberg模型[6]和Li-Mather[7]，Kent-Eisenberg是属于半经验化热力学模型，而Li-Mather是基于严格热力学机理的模型。本文选用了更为严格的Li-Mather模型作为MDEA溶液吸收酸气过程的热力学模型，循环选用Recycle模块[8-9]，根据MDEA脱碳的工艺流程，建立HYSYS模型，具体见图1。

3.2 基础数据

本文中所研究的天然气脱碳装置处理规模为300×104Nm3/d，原料气的具体组份见表1。

图1 天然气MDEA脱碳流程示意图

3.3 影响因素分析

3.3.1 原料气温度对脱碳效果的影响规律

在MDEA贫液质量浓度为45%，吸收塔的塔板数为14块，吸收塔的操作压力在5.4MPag的操作条件下，模拟了不同胺液循环量下，原料气温度对脱碳效果的影响，具体见图2。

由图2可知，在溶液循环量相同的条件下，随着入口天然气温度的升高，CO2的脱除率增加，且直线的斜率相近。这是因为MDEA与CO2的反应是放热反应，原料气温度的升高，CO2在溶液中的溶解度随之下降，不利于吸收反应向正反应方向进行；但是MDEA吸收CO2的的反应受动力学控制[10]，原料气温度的升高有利于提高分子的活跃程度，增加分子有效碰撞的几率，从而加快CO2的吸收速度，提高CO2的脱除率。

图2 原料气温度对脱碳效果的影响

3.3.2 吸收塔操作压力对脱碳效果的影响规律

在MDEA贫液质量浓度为45%，原料气的温度为40℃，吸收塔的塔板数为14块的条件下，模拟了在不同胺液循环量的条件下，吸收塔的操作压力对脱碳效果的影响，具体见图3。

图3 吸收塔操作压力对脱碳效果的影响

由图3可以看出，随着吸收塔操作压力的增加，CO2的脱除率呈现出先线性增大后逐渐变缓的趋势。这是因为提高操作压力使得单位体积的分子数目增多，增加分子有效碰撞的几率，有利于吸收过程的进行，MDEA与CO2发生反应的几率增大，进而提高CO2的脱除率。压力增加到一定数值后曲线的斜率变小，原因可能是操作压力增大致使增加了吸收塔板间的压降，从而导致MDEA溶液发泡，从而影响吸收效果。

3.3.3 吸收塔塔板数对脱碳效果的影响规律

在MDEA贫液质量浓度为45%，原料气的温度为40℃，吸收塔的操作压力为5.4MPag，模拟了在不同胺液循环量的条件下，吸收塔的塔板数对脱碳效果的影响，具体见图4。

图4 吸收塔板数

由图4可以看出，随着吸收塔塔板数的增加，在不同的胺液循环量下，CO2的脱除率均随之增加。在较低的胺液循环量下(75、80、85m3/h)，CO2的脱除率随着塔板数的增加，增加的趋势较为明显；而在较高的胺液循环量下(90、95m3/h)，CO2的脱除率随着塔板数的增加，增加的趋势较为平缓。这是因为吸收塔塔板数目的增加有利于进行气液传质，从而有利于MDEA溶液与CO2发生反应，促进天然气中CO2的吸收。在较高的流量、较多的塔板数下，有可能是MDEA溶液与CO2的吸附接近平衡，从而使CO2的脱除率增加的趋势变缓。

3.3.4 MDEA溶液浓度对脱碳效果的影响规律

在原料气的温度为40℃，吸收塔的操作压力为5.4MPag，吸收塔的塔板数为14，模拟了在不同胺液循环量的条件下，MDEA溶液浓度对脱碳效果的影响规律，具体见图5。

图5 MDEA溶液浓度对脱碳效果的影响

由图5可以看出，在胺液流量较小(75,80,85m3/h)的情况下，CO2的脱除率呈现出先增大后趋势变缓的情况；在胺液循环量为90,95m3/h时，CO2的脱除率几乎呈现水平趋势，这说明在此情况下，MDEA溶液浓度的增大对CO2的吸收影响不大。这主要是因为在低浓度和流量时，随着MDEA溶液浓度的增大，增加了MDEA溶液与CO2的浓度梯度，增加了气液传质，但当MDEA质量浓度过高时，随着MDEA溶液粘度的增大，抑制了其对CO2的吸收。

4 结论

(1)随着原料气温度的增加，MDEA溶液对CO2的脱除率下降。

(2)随着吸收塔的操作压力的增大，CO2的脱除率呈现出先线性增大后逐渐变缓的趋势。

(3)随着吸收塔塔板数的增加，MDEA溶液对CO2的脱除率增加，但当塔板数增加到一定数目时，其进一步的增加对CO2的脱除率影响不大。

(4)随着MDEA浓度的增加，MDEA对CO2的脱除率呈现出先升高后降低的趋势。

[1] 王遇冬. 天然气处理与加工工艺[M]. 2 版.北京：中国石化出版社，2011：70-75.

[2] 李占生，张玉玺，由方书，等. 天然气胺法净化工艺中Hysys模拟计算研[J]. 石油规划设计，2013，24(5)：27-28.

[3] 王开岳. 天然气脱硫脱碳工艺发展进程的回顾[J]. 天然气与石油， 2011， 29(1)： 15-21

[4] BANAT F，YOUNAS Y，DIDARUL I．Energy and exergical dissection of a natural gas sweetening plant using methyldiethanol amine (MDEA) solution[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2014，16 ( 1 ): 1-7．

[5] Fürhacker M，PRESSL A，ALLABASHI R．Aerobic biodegradability of methyldiethanolamine (MDEA) used in natural gas sweetening plants in batch tests and continuous flow experiments[J]. Chemosphere，2003，52(10): 1743-1748．

[6] KENT R L，EISENBERG B，Better data for amine treating[J]. Hydrocarbon Processing，1976，55(7)：56-59.

[7] LEE I J，OTTO F D，MATHER A E. Solubility of mixtures of carbon dioxide and hydrogen sulfide in 5.0 N monoethanolamine solutions[J]. Journal of Chemical & Engineering Data，1975，20(5)：161-163.

[8] 李士富，王日燕，王 勇. 山西沁水煤层气液化HYSYS软件计算模型[J]. 天然气与石油，2010，28(4)：22-25.

[9] 汪宏伟，李 明，宋光红，等. 广安轻烃回收工艺方案选择[J]. 天然气与石油，2009，8(4)：19-23.

[10] 陈赓良．天然气配方型脱碳溶剂的开发与应用[J]．天然气与石油，2011，29(2)：18-23.

(本文文献格式：陈宏福 ，王 翀，闫广宏.MDEA脱碳工艺的模拟分析[J].山东化工，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

陈宏福(1981—)，吉林松原人，工程师，主要从事油气处理与储运方面的工作。

TQ440.6

A

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