低温甲醇洗H_2S和CO_2吸收塔流程模拟与优化_李希龙.pdf

摘 要：该文利用Aspen Plus软件建立了低温甲醇洗工艺H2S和CO2吸收塔模型，模拟结果与某厂低温甲醇洗工艺数据吻合。利用Aspen Plus分析工具对H2S和CO2吸收塔洗涤甲醇的流量、温度进行灵敏度分析，明确了洗涤甲醇的流量、温度与净化气中H2S、CO2浓度之间关系，为现有技术和工艺的改进提供了可靠的理论依据。确定了工艺的最优生产条件并进行了能量分析，在最优生产条件下H2S和CO2洗涤过程贫甲醇流量减少了900 kmol/h，系统冷量节省了2.167 5108 kJ/h。关键词：流程模拟 低温甲醇洗 Aspen 优化低温甲醇洗 H2S 和 CO2吸收塔流程模拟与优化李希龙（中国石化巴陵石油化工有限公司，湖南岳阳 414003）收稿日期：2022-08-26作者简介：李希龙，硕士，助理工程师。2020 年毕业于西北大学化学工程专业，目前主要从事煤化工生产工作。低温甲醇洗是20世纪50年代德国Linde公司和Lurgi公司联合开发的一种气体净化工艺1。该工艺是以冷甲醇为吸收剂，利用不同物质在低温甲醇中溶解度差异的特性选择性脱除原料气中杂质组分的技术手段2。不同物质在低温甲醇中先后脱除顺序为（水、氨、氢氰酸）（硫化氢、羰基硫）二氧化碳甲烷一氧化碳氮气氢气。低温甲醇洗工艺技术成熟，净化度高，选择性好，被广泛应用于合成氨、煤制甲醇、工业制氢和天然气净化等大型工业化装置3。随着工业生产过程不断深入，需要对现存技术和工艺参数进行改进，经济、高效的计算机辅助模拟应运而生4。Aspen Plus具有完备的物性数据库和全面的化工单元操作模型5-6。该文使用Aspen Plus软件，参照某厂低温甲醇洗工艺的实际运行数据，模拟了低温甲醇洗H2S吸收塔和CO2吸收塔的工艺流程，并在此基础上利用Aspen Plus分析工具对温度、甲醇流量及系统冷量进行了分析、优化。1 H2S 和 CO2吸收塔流程模拟和参数设置1.1流程模拟低温甲醇洗工艺流程主要包括原料气冷却，H2S、CO2吸收，CO2闪蒸再生，H2S浓缩，甲醇热再生和甲醇/水分离等单元系统7。原料气组成见表1。该文采用 Aspen Plus 软件中严格精馏模块（Radfrac）对H2S和CO2吸收塔流程进行模拟和优化，H2S和CO2吸收塔模拟流程见图1。经过煤粉气化和CO变换制得的粗煤气（流股GASIN），经换热冷却后（27.5，2.9 MPa）进入H2S吸收塔T-2201预洗段，粗煤气中的微量成分NH3被低温甲醇洗 涤吸收，预洗后的工艺气经升气塔盘进入T-2201的主吸收段脱除H2S和COS等组分。预洗段和主吸收段的洗涤甲醇（富CO2甲醇）来自CO2吸收塔T-2202，经氨冷器E-2206换热冷却到36 后分别进入T-2201的上塔（流股FC2204）和下塔（流股FC2205）。T-2201塔顶的脱硫气（流股GASOUT）首先进入T-2202下部吸收段，自下而上与来自T-2202中部吸收段经甲醇循环冷却器E-2205换热冷却后的富CO2甲醇（流股E2205IN）进行逆流接触洗涤，然过程优化2023 年 2 月第 8 卷第 1 期 石油石化绿色低碳Green Petroleum&Petrochemicals-64-石油石化绿色低碳 2023年.第8卷 后工艺气经升气塔盘进入T-2202中部吸收段，在中部被来自T-2202上部吸收段经氨冷器E-2209深冷后的甲醇（流股E2209IN）洗涤，洗涤后的工艺气继续上升，最终在T-2202上部吸收段用新鲜的冷贫甲醇（流股MEOHIN）吸收剩余CO2，T-2202塔顶出口合格的净化气（CO2摩尔分数小于2.010-5，H2S摩尔分数小于1.010-7，温度51.5）送入下游工段。1.2参数设置该文进行 Aspen 模拟时，物性方法选用 PC-SAFT8，吸收塔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9。T-2202贫甲醇流量工艺设计值为14 120 kmol/h，T-2201预洗段洗涤甲醇流量设计值为227 kmol/h，T-2201主吸收段洗涤甲醇设计值为6 850 kmol/h，E-2206出口流股设计温度为36，冷贫甲醇设计温度为51.7，E-2209出口流股设计温度为 36，E-2205出口流股设计温度为47.5，全塔吸收效率设置为0.3。吸收塔各参数设置如表2所示。塔板数是现实中塔板的实际数量，进、出料位置也与实际一样；塔板间距、塔直径等参数在满足塔板水力学性能基础上模拟优化得出。表 2 吸收塔参数设置塔名称塔段塔板数进料位置出料位置塔顶压力/MPa塔内件流股号进料塔板流股号出料塔板塔板间距/m塔直径/mT-2201上塔段78FC22041MEOHOUT 1782.850.63.4下塔段10FC220579MEOHOUT 2880.63.4T-2202上塔段54MEOHIN1E2205OUT542.800.54中塔段16E2209IN55E2205OUT700.54下塔段16E2205IN71S1860.64图1 H2S和CO2吸收塔模拟流程E2205E2206T2201E2209E2005INE20090INE2009OUTE2005OUTMEOHINGASOUT2GASOUTGASINFC2205FC2204MEOHOUT1MEOHOUT2T2202B3B1B2S1S2S3S4S5表 1 原料气组成组分CO2COH2CH4N2ArH2SH2OCH3OHCOSNH3摩尔分数0.401 73.510-30.546 81.010-43.310-25.010-49.110-34.010-44.810-33.510-53.510-5摩尔流量/（kmolh-1）4 612.5406 277.61.1379.75.71044.755.10.40.42023年.第1期-65-李希龙低温甲醇洗 H2S 和 CO2吸收塔流程模拟与优化2 模拟结果分析通过Aspen模拟计算，得到H2S吸收塔T-2201出口工艺气和CO2吸收塔T-2202出口净化气的模拟值，并与设计值进行比较，结果如表3所示。净化气中H2S的摩尔分数为6.0910-19，CO2的摩尔分数CO2也会被吸收，其含量会先减少；但因为洗涤甲醇本身富含CO2，酸性气体被吸收时放出的热量会使甲醇中CO2解析出，CO2含量又会逐渐增多；当CO2的吸收与解析达到平衡，CO2含量趋于稳定，最后在T-2201塔顶，低温甲醇的加入使CO2的含量又急剧下降11。表 3 各组分模拟值与设计值摩尔分数比较项目T-2201 塔顶工艺气 T-2202 塔顶净化气设计值模拟值偏差设计值模拟值偏差实际值CO20.384 10.384 22.610-402.2810-602.710-6CO3.710-33.710-305.910-35.910-305.610-3H20.576 50.576 41.710-40.936 40.937 28.010-40.862 1CH41.010-41.010-402.010-42.010-401.710-3N23.4910-23.4810-22.810-35.6710-25.6010-21.210-20.13Ar5.010-45.010-408.010-48.010-40/H2S01.1510-7/06.0910-19/4.7910-8H2O01.6910-19/00/CH3OH/2.410-4/2.3310-5/8.9910-6COS04.8210-10/04.4110-21/NH3/7.2910-16/0/图2 H2S吸收塔T-2201气体组分分布3.510-53.010-52.510-52.010-51.510-51.010-55.010-600.4050.4000.3950.3900.3850.0100.0080.0060.0040.0020CO2H2SNH3020406080100塔板为2.2810-6，模拟结果与设计值偏差很小（可忽略不计），且满足净化要求。可知用PC-SAFT物性方法对某厂低温甲醇洗物系的模拟计算可靠，模拟流程与实际流程吻合。下面分别对H2S吸收塔和CO2吸收塔流程模拟结果展开定量分析。2.1H2S 吸收塔 T-2201 气体组分分布上游粉煤制得的粗煤气中含有H2S、CO2、CO、H2、COS、HCN、NH3、H2O 等组分。组分 NH3在甲醇溶剂中能起到很好的防腐作用，有利于保护设备和管道；但 NH3易与 H2O、CO2反应生成NH4HCO3结晶以及其他铵盐螯合物，使管道堵塞，影响生产安全。低温甲醇洗工艺要求系统中NH3摩尔分数小于2.010-510。工业生产中，粗煤气先进行预洗脱除NH3后再进行H2S、CO2的脱除。如图2所示，在T-2201预洗段（79-88塔板），随着工艺气上升，NH3、H2S、CO2的摩尔分数均小幅下降，三种气体均被预洗涤甲醇吸收；经过预洗段后，进入主吸收段的工艺气中NH3摩尔分数降至1.5110-5，满足工艺要求。工艺气进入T-2201主吸收段后，洗涤甲醇流量增大为预洗甲醇的30倍（6 850 kmol/h），工艺气中的H2S被大量吸收，离开T-2201塔顶的工艺气中H2S摩尔分数减少到1.1510-7，脱除率达到99%。同时，工艺气中的-66-石油石化绿色低碳 2023年.第8卷 2.2H2S 吸收塔 T-2201 温度分布甲醇吸收酸性气体时会放出热量，使洗涤甲醇的温度逐渐升高12。如图3所示，预洗段的洗涤甲醇对H2S、CO2气体和NH3的吸收量很小，所以预洗段洗涤甲醇温度小幅上升。进入主吸收段，洗涤甲醇流量增大，大量的H2S、CO2被快速吸收，放出大量热量，导致洗涤甲醇温度急剧升高，在主吸收段的7576块塔板间，洗涤甲醇温度最高达到了22。随着吸收的进行，酸性气体的吸收与解析会逐渐达到平衡，释放的热量越来越少，洗涤甲醇温度逐渐稳定在23。而在T-2201塔顶，工艺气与大量36 的甲醇逆流接触，出口气体温度急剧下降。低有关（工艺气中大部分CO2已在塔下部被甲醇洗涤吸收）。低温甲醇吸收CO2时会放出大量溶解热而导致甲醇温度上涨，影响其吸收效果；因此，需设置段间冷却器（E-2209、E-2205）对升温的洗涤甲醇进行冷却，改善其对CO2的吸收效果14。从 图中可知，段间冷却器E-2209对洗涤甲醇温度影 响不明显，而E-2205能明显减少CO2溶解时放出的热量。2.3CO2吸收塔 T-2202 气体组分分布T-2201塔顶脱硫气进入T-2202下部吸收段，自下而上与低温甲醇进行逆流接触洗涤。图4是CO2吸收塔T-2202的气体组成分布，从图4可知，CO2吸收塔的7277、4656塔板吸收效果比较明显，这是因为有大量的冷量进入这两处塔板中和CO2的溶解热，促进了CO2吸收13。工艺气上升到第30块塔板时，CO2摩尔分数已从0.401 7降至2.010-5，大部分CO2已被甲醇洗涤吸收；T-2202出口净化气中，CO2的摩尔分数减少到2.2810-6，脱除率达到99%，达到净化要求。2.4CO2吸收塔 T-2202 温度分布图5是CO2吸收塔T-2202的温度分布，T-2202塔130块塔板甲醇温度几乎没有变化，接近贫甲醇入口温度51.7，这与该塔段工艺气中CO2含量3 参数优化低温甲醇洗工艺中，洗涤甲醇的用量和温度决定再生装置负荷，直接影响工艺装置的单位运行能耗和生产成本15，故该文利用Aspen Plus的分析工具，对H2S和CO2吸收塔洗涤甲醇的流量和温度进行分析和优化。3.1T-2201 主吸收段洗涤甲醇流量优化图6是T-2201主吸收段洗涤甲醇流量与T-2201塔顶出口气中 H2S 摩尔分数关系。随着洗涤甲醇图3 H2S吸收塔T-2201温度分布2122232425262728温度/020406080100塔板温度图5 CO2吸收塔T-2202温度分布2025303540455055温度/020406080100塔板E2205E2209温度图4 T-2202各塔板上CO2摩尔分数0.