基于AMSIM平台高硫液化气胺液萃取脱硫的模拟研究

惠生工程(中国)有限公司 上海 201210

基于AMSIM平台高硫液化气胺液萃取脱硫的模拟研究

苏凤莉*
惠生工程(中国)有限公司 上海 201210

介绍AMSIM平台用于高硫液化气脱硫过程的模拟，结合项目实例，通过选用合适的热力学方法，对脱硫塔的塔板数、胺液循环量、塔顶压力等参数进行分析，确定脱硫塔设计的基本参数，并指导工程设计。

AMSIM模拟 液化气脱硫 萃取 筛板塔

随着国内高硫原油的加工量越来越大，石油化工产品的含硫量也随之增大。石油化工产品含硫量过高对下游深加工、环保、设备腐蚀均会造成很不利的影响。液化气作为主要的化工原料，用于烯烃裂解制乙烯或蒸汽转化制合成气，可作为工业、民用、内燃机燃料，液化气中的硫含量受到广泛关注[1-2]。脱除液化气中硫化氢主要有干法和湿法两种工艺。干法主要针对含硫量低或处理量小的液化气，如用氧化锌、氧化铝、活性炭吸附等。目前，国内炼厂广泛应用的均为湿法脱硫，选用醇胺类作为脱硫剂，采用多乙醇胺抽提/胺液加热再生工艺。多乙醇胺是一种有机弱碱，与H2S的主要反应为可逆反应。

当酸性组分压力高或温度低(25～40℃)时，贫液从原料中吸收酸性组分，并且放热，反应方程式：

2RNH2+H2S→(RNH3)2S (硫化铵盐)
(RNH3)2S+ H2S→2(RNH3)HS (酸式硫化铵盐)

当酸性组分压力低或温度高(温度高于105℃)时，富液将酸性组分释放出来，使溶液再生，并且吸热，反应方程式[3-4]：

(RNH3)HS→RNH2+H2S

相比于其他醇胺溶液，甲基二乙醇胺(MDEA)在20世纪80年代初作为选择性脱硫溶剂获得工业应用，在实践中MDEA由于还具有显著的节能效果、腐蚀较轻微、溶剂不易降解变质等一系列优点，成为发展最快的脱酸工艺。液化气醇胺法萃取脱除硫化氢主要包括液相扩散及化学反应过程。

1 AMSIM模块用于脱硫

SIMSIM公司提供的PRO/II完全集成了DB Robinson公司开发的专用于模拟醇胺和物理溶剂从天然气和液化气中脱除H2S、CO2和硫醇的模块AMSIM。AMSIM采用严格的非平衡级塔模型和Peng-Robinson状态方程模拟吸收塔和再生塔的操作，AMSIM包括两个醇胺体系的热力学模型：属于半经验热力学模型的Kent-Eisenberg模型[5]和基于严格热力学机理模型的Li-Mather模型[6]，Li-Mather电解质模型具有极强的预测能力，使用温度、压力、酸气量和胺液范围非常广。AMSIM的计算基于实验数据及工程经验，与文献数据及工厂实测数据相吻合，在天然气及液化气脱硫装置的工程设计中有着广泛的应用。

某炼厂采用AMSIM模块对一套处理量为35t/d的高硫液化气脱硫装置进行工艺模拟及优化，确定液化气脱硫塔的塔板数、进料压力、胺液循环量等技术参数，为后续液化气脱硫塔的设计提供理论依据。

2 高硫液化气原料组成

高硫液化气的流量1467kg/h，温度为40℃，H2S的含量为66000ppm(wt)，组成见表1。

3 过程模拟方法

高硫液化气脱除H2S模拟基于严格的热力学机理模型Li-Mather，选用流程为最简单的单塔醇胺法吸收H2S。含硫液化气由吸收塔底部进入，贫胺液自塔顶进入，油水两相逆向接触萃取脱硫，脱硫塔为满塔操作。

表1 高硫液化气进料组成 (mol%)

为保证各组实验结果的可比性，筛板塔的基本参数见图1。

图1 筛板塔的基本参数

4 胺液循环量的确定

初步选用10块筛板，塔顶压力为1200kPa(G)，胺液采用30%wt的MDEA溶液。在一定温度和压力下，MDEA化学脱硫溶解度是一定的，循环量过小，满足不了脱硫的需要，循环量过大，则塔的负荷过高，造成能耗较高。在胺液浓度一定时胺液循环量选用标准[10]：吸收塔的酸气负荷≤0.35molH2S/molMDEA。

胺液循环量与塔顶硫化氢含量的关系见图2。由图2可知随着胺液循环量由3000kg/h增大至6000kg/h，塔顶H2S的含量逐步下降，由1538ppm下降至1340ppm，但效果相对来说不是很明显；同时胺液循环量与塔底酸气负荷含量的关系见图3。由图3可知塔底H2S/MDEA(mol/mol)由0.39下降至0.2。通过上述结果分析可知，塔底H2S/MDEA(mol/mol)在0.35时，胺液循环量为3500kg/h，在实际工程设计过程中考虑设备腐蚀及保留一定的设计余量，选取4000kg/h的胺液循环量作为设计依据，对应的塔底H2S/MDEA(mol/mol)为0.30。

图2 胺液循环量与塔顶H2S含量关系

图3 胺液循环量与塔底H2S/MDEA含量关系

5 塔板数的确定

AMSIM软件采用实际塔板数进行模拟，模拟输入参数为塔顶压力为1200kPa(G)，30% MDEA溶液的进料量为4000 kg/h。

脱硫塔塔板数与塔顶H2S含量关系见图4。

图4 脱硫塔塔板数与塔顶H2S含量关系

由图4可知，随着塔板数的增加，脱硫效果有了明显的提高，当塔板数由10块增加至15块时，塔顶H2S含量由1495 ppm(wt)降至182 ppm(wt)，当塔板数为25块时，塔顶H2S含量为5.4ppm(wt)，满足GB 11174-2011液化石油气中对液化石油气中H2S含量的要求。

筛板萃取塔原理：若选取轻相为分散相，其通过塔板上的筛孔而分散成液滴，与塔板上连续相密切接触后便分层凝聚，并聚结于上层筛板的下面，然后借助压差推动，再经筛孔分散。重液相经降液管流至下层塔板，水平横向流至筛板另一端的降液管。两相如是依次进行接触与分层，便构成逐级接触萃取。由此可知，筛板为液化气与胺液两相接触提供了条件，也是萃取脱硫反应发生的主要场所。增大筛板数能有效地增加两相接触时间，适当的筛板数能有效地增强两相传质反应的效果。但当筛板数增大到一定数值时，两相已充分反应，此时再增加筛板数量对脱硫效果影响不大，且会增加塔的造价。

6 塔顶压力对塔吸收效果的影响

本项目中液化气脱硫塔为首次设计，高硫液化气由液化气进料泵打入塔内，液化气脱硫塔的压力确定尤为重要。根据文献7～9及已建成项目，液化气脱硫塔的操作压力为0.9MPa(G)到3.0MPa(G)不等，大部分液化气脱硫塔压力为1.0MPa(G)至1.6MPa(G)。为了选取合适的操作压力，并综合考虑设备造价的因素，通过AMSIM软件对不同塔板数的塔的压力逐一模拟，塔压降初定100kPa。

脱硫塔塔顶压力与塔顶H2S含量关系见图5。

图5 脱硫塔塔顶压力与塔顶H2S含量关系

由图5(a)可知，当塔板数为10时，随着塔压力的逐渐增加，塔顶H2S含量有显著降低，但因塔板数较少，塔顶H2S的含量依然较高。由此可知，在脱硫不完全的情况下，高压有利于萃取脱硫过程的进行。根据图5(b)，当塔板数为15时，发现当塔顶压力为1700kPa(G)时，塔顶H2S的含量达到最低值为170.9ppm(wt)，当塔压继续升高时，塔顶的H2S含量反而出现上升的趋势。图5(c)和图5(d)塔顶H2S的含量随塔压变化也呈现了相同的变化趋势，并且随着塔板数的增多，比较图5(b)，(c)，(d)可知，塔顶H2S的含量最低值出现时对应的塔压力呈降低的趋势。分析原因：① 液相脱硫是萃取与化学反应过程瞬时发生，在一定条件下提高压力有利于反应的进行；但当压力提高到一定程度再进一步提升压力时，反而会促进H2S在液化气中的溶解，不利于反应的进行；② 随着塔板数的逐渐增加，脱硫过程反应地更加彻底，所需的最高的塔操作压力也随之降低。同时，分析图5也不难得出结论：相比于塔板数对脱硫效果的影响，塔压力的影响效果较小。由此可知，在液相脱硫的过程中，并不是压力越高越有利于脱硫反应，应根据工艺流程的总体考虑及塔设备的制造成本选择适宜的塔压，这对于工程设计有很大的指导意义。

综上所述，本项目的高硫液化气萃取脱硫塔设计条件：进料量1467kg/h，进料压力1400kPa(G)(塔顶压力1300kPa(G))，液化气进料温度为40℃，贫胺液进料温度为45℃，浓度为30%wt，循环量为4000kg/h。液化气脱硫塔的塔板数为25，塔径为600mm。

7 结语

本文基于AMSIM平台，对高硫液化气脱硫过程进行模拟，通过选用合适的热力学方法，对脱硫塔的塔板数、胺液循环量、塔顶压力等参数的分析，确定脱硫塔设计的基本参数，能有效地指导工程设计。同时，对萃取脱硫的过程进行了深入分析，其与气体脱硫过程的不同在于，压力越高不一定有利于液相脱硫的进行，这点对工程设计有很重要的意义，能使塔的设计更为合理，可在一定范围内有效地节约成本，创造更高的经济价值。

1 钱建兵, 朴香兰, 朱慎林. 炼油厂液化石油气脱硫工艺设计优化[J]. 炼油技术与工程, 2007, 37(1).

2 白云波. 焦化液化气脱硫装置运行分析与技术制造[J]. 天津化工, 2014, 28(1).

3 莫娅南, 王 伯. 液化气脱硫技术及其工业应用[J]. 炼油技术与工程, 2011, 5.

4 刘香兰, 申 欣, 贺 兵. 催化裂化干气和液化气脱硫装置技术改造[J]. 技措技改, 2006, 13(3).

5 Kent R L, Eisenberg B. Better data for amine treating[J]. Hydrocarbon Processing, 1976, (55).

6 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).

7 王松贤, 夏 少.液化气脱硫筛板萃取塔的改造设计[J]. 石油炼制与化工, 2006. 37(3).

8 王剑锋. 刘春林. 张桂兰. 60万吨/年液化气脱硫脱硫醇装置技术改造[J]. 河南化工, 2010, 27(5).

9 陈志伟, 赵 洁. 液化气脱硫组合工艺在长庆石化的应用[J]. 中外能源, 2014, 19.

10 史开洪, 艾中秋. 加氢精制装置技术问答[M]. 中国石化出版社，2014.

*苏凤莉：工程师。2013年毕业于天津大学化学工艺专业获硕士学位，主要从事石油化工工程工艺设计。

联系电话：(021)20306000-58066，E-mail:sufengli@wison.com。

2017-05-18)