Aspen Plus 软件在低温甲醇洗工艺中的应用

刘娜 黄雪莉

(1.新疆大学煤炭清洁转化与化工过程自治区重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046；)

0 引言

低温甲醇洗技术是一种成熟的气体脱酸工艺，目前广泛应用在天然气净化处理和煤化工气体处理工艺中[1,2]。低温甲醇洗工艺是以冷甲醇为吸收溶剂，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性，选择性脱除原料气中的酸性气体，气体净化度高(CO2＜10ppm，H2S＜0.1ppm)。低温甲醇洗工艺技术在工业上有着很好的应用业绩，被广泛应用于国内外合成氨、合成甲醇、城市煤气、工业制氢和天然气脱硫等气体净化装置。Aspen Plus 是一款广泛应用的流程模拟软件，该软件集稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价与一体，为用户提供了一套完整的单元操作模块，可用于各种操作过程的模拟及从单个操作单元到整个工艺流程的模拟[3]。本文基于Aspen Plus 软件建立低温甲醇洗工艺流程，探讨不同吸收剂用量下吸收塔塔板数和净化气中H2S+COS 含量的关系、塔板数与吸收剂用量的关系和吸收剂用量与净化气中H2S+COS含量关系。

1 物性方法选择

物性方法是指用于计算传递性质和热力学性质的一系列计算方法和模型的集合。物性方法的选择对模拟结果的准确性影响较大，因此对于模拟的体系选择一个合适的物性方法非常重要[4]。选择物性方法的办法通常有两种，一是通过Aspen Plus软件的物性方法选择助手，二是通过经验进行选择。将Aspen Plus 软件应用在低温甲醇洗方面已有一些人做过研究[5-7]，对于物性方法的选择大家选择PSRK[8,9]。低温甲醇吸收塔选用RadFrac 模块，计算类型选择平衡级模式，冷凝器和再沸器均选择无。收敛方法采用默认的标准方法。

2 结果与讨论

2.1 流程模拟

利用Aspen Plus 建立低温甲醇洗工艺流程见图1，物料平衡见表1。原料气在(40℃，0.12MPa，400kmol/h)条件经过压缩机增压至3.50MPa，注入甲醇(6kmol/L)防止发生冻堵，经冷却器降温至-20℃后，进入分离器进行气液分离，气相从底部进入低温甲醇吸收塔，液相进行排污，气相在吸收塔内与上部进入的低温甲醇(-20℃，3.50MPa，400kmol/h)逆流接触，脱除气体中的H2S+COS 和部分CO2，净化气中H2S+COS＜20ppm。净化气去水洗塔水洗除去大部分甲醇后排放，底部富液(5.7℃，3.50MPa，546kmol/h)送至再生塔进行再生。由表1 可知经过低温甲醇洗处理后，酸性组分H2S+COS 降至20ppm 以下，满足相关规范要求。由图1 可知吸收塔是低温甲醇洗工艺中的核心设备，一方面能够影响净化气的中硫化物含量，另一方面影响进入再生系统的富液的性质和再生效率。

图1 低温甲醇洗工艺流程

表1 低温甲醇洗工艺物料平衡表

2.2 吸收塔塔板数

吸收塔塔板数量决定了吸收塔的净化效率和设备投资，选择最佳塔板数十分必要。本文采用灵敏度分析，研究不同流量下吸收塔塔板数与净化气中H2S 和COS 含量的关系。将吸收塔塔板数和吸收剂流量设为操纵变量，塔板数的变化范围为2～20、步长为1，吸收剂流量为300～1000kmol/h、步长为100kmol/h，以净化气中H2S 和COS 含量为采集变量，进行低温甲醇洗工艺模拟研究，获得不同流量下吸收塔塔板数与净化气中H2S 和COS 含量的关系，灵敏度分析结果如图2 所示。

图2 不同吸收剂用量下板数和净化气中H2S+COS含量的关系

吸收剂用量一定时，随着塔板数增加净化气中H2S 和COS的摩尔分率降低，随着塔板数的增加吸收剂用量对净化气中H2S 和COS 的摩尔含量影响越小；吸收塔塔板数一定时，随着吸收剂用量增大净化气中H2S 和COS 的摩尔分率降低，当吸收塔塔板数大于8 时净化气中H2S 和COS 的摩尔含量小于0.075%，当吸收塔塔板数大于14 块时净化气中H2S 和COS 的摩尔含量基本不发生变化。所以，当吸收塔塔板数大于14 时，吸收剂用量为300～1000kmol/h 时，经过吸收塔处理能够实现净化气H2S 和COS 的摩尔含量小于0.075%。

吸收剂用量大小决定再生装置负荷，直接影响工艺装置的单位运行能耗和设备投资。为了综合考虑运行成本和净化效果，需要在塔板数和吸收剂用量之间寻找一个最佳值。本文通过灵敏度分析，在满足净化要求(即出口气体中总硫量≤20ppm)的前提情况下，将吸收塔塔板数和吸收剂流量设为操纵变量，塔板数的变化范围为5～20、步长为1，吸收剂流量为300～800kmol/h、步长为100kmol/h，获得吸收塔塔板数与吸收剂流量的关系，如图3 所示。随着吸收塔塔板数的增加，吸收剂用量逐渐降低；从5 块到15 块塔板，吸收剂用量减少较快；当板数大于15 块以后，随着板数的增加吸收剂用量下降的较慢。因此，选择吸收塔塔板数为15 块。

图3 塔板数与吸收剂用量的关系

图4 吸收剂用量与净化气中H2S+COS含量关系图

2.3 吸收剂用量

当吸收塔塔板数为15 时，灵敏度分析获得吸收剂用量与净化气中H2S+COS 摩尔含量之间的关系，如图4 所示。随着吸收剂用量的增加，净化气出口H2S+COS 摩尔含量逐渐降低；当吸收剂用量大于375.7kmol/h 时，净化气出口H2S+COS≤20ppm，满足设计要求。考虑实际生产和一定的设计裕量，吸收剂用量调整为400kmol/h。当吸收剂用量为400kmol/h 时，净化气中H2S+COS＜10ppm，满足设计要求。

3 结语

基于Aspen Plus 软件建立低温甲醇洗工艺流程，经过该流程处理后净化气中H2S+COS 含量小于20ppm。通过灵敏度分析确定最佳吸收塔塔板数为15 块，考虑实际生产确定吸收剂流量为400kmol/L，在该条件下净化气中H2S+COS 含量小于10ppm。