第33卷第4期低溫與特015年8月Low Temperature and Specialty GasesAug,2015工藝與設(shè)備低溫甲醇洗CO,吸收塔過程模擬袁明,張存泉2(1.山東電力建設(shè)第一工程公司,濟南250131;2.武漢理工大學能源與動力工程學院,武漢430063)摘要:CO3吸收塔是低溫甲醇洗系統(tǒng)的核心裝置之一,其性能對整個系統(tǒng)性能具有重要影響。本文對CO2吸收塔的精吸段、主吸段、粗吸段和脫硫段以及吸收塔整體分別進行建模,針對計算比較為各段選取了合適的計算模型,并對吸收塔各組分流體分離效果進行了仿真,為整個低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)計與性能提升提供技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞:低溫甲醇洗,CO2吸收塔,精餾吸收,模擬中圖分類號:TQ116文獻標志碼:A文章編號:1007-804(2015)0400106doi:10.3969/j.isn.10077804.2015.04.001Simulation on Absorption Column Processes in Rectisol SystemYUAN Ming, ZHANG Cunquan(1. SEPCO1 Electric Power Construction Corporation, Jinan 250131, China2. Energy and Power Engineering School, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)Abstract: A carbon dioxide absorption column is one of core devices in a rectisol system, whose performances are dominantto the performances of the entire rectisol system. ASPEN PLUS software is utilized to establish models for the fine absorp-tion section, the main absorption section, the coarse absorption section and the desulfurization section as well as the entireon cumn based on comparisons of calculation results from various calculation models, respectively;the simulation analysis is carried out to the separation effects of various components in the carbon dioxide absorptioncolumn. Such simulation results may used as the technical support for improvement of design and performances of the entireKey words: rectisol process; carbon dioxide absorption column; distillation absorption; simulation analysisLinde公司和Iurg公司在20世紀50年代共同單位從上世紀0年代開始研究低溫甲醇洗工藝技開發(fā)了低溫甲醇洗系統(tǒng),以冷甲醇為吸收溶劑,利用術(shù),探索取得了一定的成果,南化硏究院在數(shù)據(jù)測定甲醇在低溫下對酸性氣體溶解度極大的優(yōu)良特性,領(lǐng)域取得了一定進展;還有其它多個單位在熱力脫除原料氣中的酸性氣體,用于凈化多組分氣體,低學研究、工藝計算、氣液相平衡方面也取得了相關(guān)的溫甲醇洗具有良好的吸收選擇性、超強的吸收能力進步3;中國寰球工程有限公司在低溫甲醇洗工藝以及超低的投入和操作費用,因此廣泛應(yīng)用于合成仿真方面也有可喜的成績2氨、合成甲醇、合成羥基、城市煤氣、天然氣凈化等大CO2吸收塔的主要作用是吸收CO2和H2S,先型工業(yè)化裝置中12在下塔中脫除H2S,再由上塔脫除CO2,因此依據(jù)吸國內(nèi)目前有相當多的大型煤制甲醇—二甲醚、收塔作用的不同可分為上塔(用來脫除CO2稱之為煤制合成氨等生產(chǎn)裝置,均選用了低溫甲醇洗工藝,脫碳段)及下塔(用來脫除HS稱之為脫硫段)。顯示出該工藝在國內(nèi)廣闊的應(yīng)用前景及巨大的市場CO2吸收塔中用來作為吸收液的冷甲醇來自甲醇再空間。大連理工大學、上海化工研究院等幾個研究生塔流。脫碳段可分為:精吸段、主吸段、粗吸段低溫與特氣第33卷本文對CO2吸收塔的精吸段、主吸段、粗吸段102流股表示,物流102~106都是氣相流股,吸收和脫硫段以及吸收塔整體分別進行建模,針對計算溶劑甲醇貧液由1?流股表示,物流112-119)是吸比較為各段選取了合適的計算模型,并對吸收塔各收了CO2、H2S的富甲醇溶液,由于熔解熱的產(chǎn)生需組分流體分離效果進行了仿真,為整個低溫甲醇洗要將部分流股引岀經(jīng)換熱器進行冷卻降溫。具體操系統(tǒng)設(shè)計與性能提升提供技術(shù)支撐。作條件如表2,表3給出了CO2吸收塔進料組成CO2吸收塔模型表1CO2吸收塔參數(shù)Table 1 Parameters for CO2 absorption columnCO2吸收塔流程圖及其對應(yīng)的仿真工藝流程圖模塊C如圖1所示。吸收塔的脫硫段、粗吸段、主吸段和精塔板數(shù)吸段分別由C10、C120、C13和C140表示,在仿真軟件表2CO2吸收塔進料條件中選擇相應(yīng)的塔模塊;換熱器由模塊B1、B12表示Table 2 Feed material conditions for選擇仿真軟件中的換熱器模塊,分流器由模塊F表CO absorption column示。經(jīng)過CO2吸收塔的吸收,凈化氣由塔頂流出溫度壓力流量流股氣相其凈化目標為:CO2≤3%(mol/mol),總硫<0.1×Katm kmol/h分率/%245.2035.6010(mol/ mol表1為CO2吸收塔各段參數(shù)。變換氣進料由(注:lam=101.33kPa)E-106E-115CQ2愛卷P-1180 feeE-111a.CO2吸收塔流程圖b.CO2吸收塔流程仿真圖a. flowf CO2 absorption columb. Flow simulation diagram of CO2 absorption column圖1CO2吸收塔流程圖及其對應(yīng)的仿真工藝流程圖Fig. 1 Flow diagram and the corresponding simulation diagram of CO2 absorption column表3CO2吸收塔進料氣比例2模擬分析Table 3 Composition of feed gas to absorption column由于實際生產(chǎn)過程中某些工藝流程非常復雜,流股CH3OHCO2H,H,S使仿真過程也相當繁瑣,然而在仿真過程只要達到1025:4E450.3230·4582.82E439954仿真目的,可以對其流程進行適當簡化,以獲得簡1110.9985.14E091.42E141E151E15捷、準確仿真計算結(jié)果。日前對某個工藝流程仿真流股H2OARCOCOS時,通常采用將一個復雜的塔段根據(jù)其實際功用將023.59E061.00E4E8.09E040.214IE15其分段實施仿真計算,這樣不但計算簡便、快速,其第4期袁明,等:低溫甲醇洗CO2吸收塔過程模擬內(nèi)。所選取的計算模型要滿足:2所示。1.仿真計算時物流和溫度結(jié)果誤差在規(guī)定范圍各個模型的106流股計算結(jié)果如表4所示。內(nèi);2.選擇合適的熱力學仿真模型,使仿真結(jié)果與工藝數(shù)據(jù)包的偏差盡量減小,達到最優(yōu)的計算要求本文針對某套的化工裝置和具體的工藝流程以及特殊的進料體系所涉及的物性,并且在特定的進料條件下,據(jù)相關(guān)文獻可選擇的計算模型包含:RKASPEN、 PRMHV2、 RKSWS、PSRK、 SR-POLAR、PRWSRKSMHV2、NRIL、 Wilson等,具體選取要進行分析比較2.1精吸段計算當用 RK-ASPEN、 SR-POLAR、NRTL、 WilsonRK SOAVE方法時結(jié)果比較接近。仿真流程圖如圖圖2精吸段仿真流程圖Fig. 2 Simulation diagram of the fine absorption secti表4精吸段計算結(jié)果比較Table 4 Comparison of calculation results for the fine absorption sectionRK-ASPEN SR-POLAR NRTIWilson RK SOAVE工藝包CH, OH0.12761190.457800.460510.117420.92000CO,150.017150154.511154.511150.189163.5103726.943727.333727.193710.0622.739622.735622.682622.682722.688722.4000H,S1.23E41.27E41.03E41.03E413E43.5E5H,O1.82E45.78E59.02E59.12E52.81E56.34E78.111348.099608.102238.102228.100648.02000CHA6.486336.465516.414106.414096.47401736.841736.641731.941731.91736.691715.50COS12E111.03E113.25E123.25E121.54E-112.67E12總流量/(kmlh)5651.445651435651435651.4565145溫度/K226.73229.57238.46238.46225.71從表4中可以看出用NRTL計算的結(jié)果和工藝105Hc包數(shù)據(jù)最為接近,且滿足凈化后氣體CO2≤3%(mol/mol),總硫<0.1×10(mo/mol)的要求。2.2脫碳段中主吸段的計算仿真流程圖如圖3所示,各個模型的105流股計算結(jié)果如表5所示。表5為主吸段的五個熱力學物性方法模型結(jié)果比較,從表中可以看出它們的結(jié)果都比較接近,通過比較分析最終選用 SR-POLAR方法作為主吸段的熱力學方法。圖3主吸段仿真流程圖Fig 3 Simulation diagram of the primary absorption section低溫與特氣第33卷表5主吸段的計算結(jié)果比較Table 5 Comparison of calculation results for the primary absorption sectionRK-ASPEN SR-POLAR NRTIWilson RK SOAVE工藝包CH, OH1.5412.946673.870993.871211.328323.096801532.101530.901534.9715341549.09H3735.013734.883735.333735.333735.03727.4122.927822.868122.868122.8393H,S3.18E4336F3.08E43.08E43.11E43.0E4H, O39E31.11E31.04E31.05E35.57E41E58.321028.313798.318718.318718CHa6770146.756486.69846743576.52580747.771747.711742.391742.381.89E411.87E118.33E128.32E122.28E114.63E12總流量/(kmol·h)70544470544470544470544270544370544溫度/K251.15254.27266172667248.89249.102.3脫碳段中粗吸段的計算粗吸段為上塔中最下部的塔段,與脫硫段相連主要用于首次吸收已經(jīng)脫除了H2S的原料氣中的CO2,為下步精細吸收CO2的操作做準備。粗吸段的流程仿真圖如圖4所示。用 SR-POLAR計算得到的結(jié)果和工藝數(shù)據(jù)最為接近,對于低溫甲醇洗CO2吸收塔脫碳段的粗吸段選擇 SR-POLAR方法進行仿真計算。SR-POLAR方法的計算結(jié)果如表6所示。圖4粗吸段仿真流程圖Fig 4 Simulation diagram of the crude absorption section表6粗吸段的仿真計算結(jié)果Table 6 Simulation results for the crude absorption section組分104115116104工藝包CH, OH4.37693.35427.743.37500025.841887.22389.662032.203732.813732.890.517960,4380853730.2022.900622.90170.012180.01110722.8300H2S3.70E43.37E42.10E32.13E32.95E4H,O3.O0E-51.42E314.45008.175338.177220.04031038298.154396.582896.584240.07350072176.560001743.691743.770.93689857861740.20OS6.76E121.5E1179E116.39E115.44E12總流量/(kmo,h)8046777543.52800312333.28第4期袁明,等:低溫甲醇洗CO2吸收塔過程模擬2.4脫硫段的仿真計算脫硫段位于CO2吸收塔的下部,即下塔,其作用是在脫除CO2之前先脫除H2S,由于H2S在甲醇中的溶解度比CO2在甲醇中的溶解度大得多,因此段中所需要的甲醇較少,只需要脫碳段中的一部分甲醇即可。通過計算比較發(fā)現(xiàn),用 SR-POLAR方法計算所得的結(jié)果與工藝包數(shù)據(jù)最為接近,所以最終選擇 SR-POLAR方法對脫硫段進行仿真計算。用 SR-POLAR方法進行仿真,得到的結(jié)果如表7所示。圖5脫硫段仿真流程圖Fig 5 Simulation diagram of the desulfurization section表7脫硫段的仿真計算結(jié)果Table 7 Simulation results for the desulfurization section組分103l17103工藝包CH; OH0.444003.983054467.254463.74.377002634.932503.541063.841195.232528.24H,3734.113744.1910.25470.180063732.8122.930223.14980.224675.09E3229006H,S8.122673.83E41.01E38.123290.0003H, O0.029301.86E36.50095528390.000038.176528.228350.0704018638.17532Ha6.606516.726100.15549035886.582901744.651756.9612.70160.396441743.69COS8.16E123.91E128.93E121.32E116.76E12總流量/kmol·h-)8160.008046775561005674238046772.5CO2吸收塔的計算表8所示。針對圖1b的CO2吸收塔流程仿真圖,對上述可以看出,計算結(jié)果與工藝包數(shù)據(jù)比較接近。四個塔段整體進行仿真計算,各流股的仿真結(jié)果如表8吸收塔仿真結(jié)果Table8 Simulation results for the absorption column103組分計算值藝包計算值藝包計算值工藝包計算值藝包CH3OH3.949084.377003.403943.375002.907533.096800.359070.920002526.272528,242023.422032.201530.601549.09111.260163.510H3734.153732.8137343730.203733.763727.413733.683710.0622.930722.900622.931522.830022.983722.746022.91892240003.68E40.000373.49E4295E43.30E43.0E48.92E53.5E51.86E30.000031.44E31.7E-51.09E3lE56.78E56.34E7Ar8.177188.175328.178108.154408.167498.133008.136358.020006.606746.582906,606476.560006.643866.525806.529956.250001744.691743.691744.741740.201749.371737.441743.771715.50低溫與特氣第33卷3結(jié)論參考文獻[1]汪家銘.低溫甲醇洗凈化工藝技術(shù)進展及應(yīng)用概況本文對CO2吸收塔的精吸段、主吸段、粗吸段J].瀘天化科技,2007(2):120424和脫硫段以及吸收塔整體分別進行建模,針對計算[2]陳曉峰.低溫甲醇洗模擬系統(tǒng)完善及新流程硏究[D比較為各段選取了合適的計算模型,并對吸收塔各大連:大連理工大學,2005組分流體分離效果進行了仿真,本研究得到如下結(jié)3]牛剛,黃玉華,王經(jīng)低溫甲醇洗技術(shù)在天然氣凈化過程中的應(yīng)用[J].天然氣化工,2003,28(2):26209論:4] CASAVANT Tracy E, COTE Raymond P. Using chemical1.通過對計算結(jié)果與仿真物料的文獻試驗值process simulation to design industrial ecosystems [J]進行比較分析,針對流程中模塊的特點分別選用了Journal of Cleaner Production, 2004(12): 90-92熱力學模型。CO2吸收塔的精吸段選用NRIL模5]堵祖蔭.用 Aspen F"us模找汽油分餾塔系統(tǒng)[J].乙烯型,主吸段選用 SR-POLAR模型,粗吸段選用SR工業(yè),2002,14(4):13176]楊友麒.過程流程模擬[J].計算機與應(yīng)用化學,1995POLAR模型,脫硫段選用 SR-POLAR模型。2.精吸段、主吸段、粗吸段和脫硫段的仿真結(jié)果與工藝包數(shù)據(jù)接近,仿真結(jié)果具有非常好的準確作者簡介:袁明(1976),男,山東無棣人,高級工程師,1998年于性,吸收器的性能仿真可為整個低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)山東大學獲得電廠熱能動力工程專業(yè)學士學位,目前主要從計與性能提升提供技術(shù)支撐。事大型工程設(shè)備設(shè)計與項目安裝協(xié)調(diào)工作。美科學家成功使二氧化碳變身碳纖維來提供熱量和電力。利希特估計,這個“太陽熱能電化學過程”的電能成本大約為每噸碳纖維產(chǎn)品將人為產(chǎn)生的溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N有1000美元,系統(tǒng)的運行成本比產(chǎn)出價值少數(shù)百倍。價值商品,一直是科學家和政府官員的夢想。現(xiàn)在,美國喬治·華盛頓大學的一個研究團隊開發(fā)出一種他說:“我們經(jīng)過計算,在一片大約有撒哈拉沙將大氣中的二氧化碳直接轉(zhuǎn)化成在工業(yè)和消費領(lǐng)域漠十分之一大小的區(qū)域,使用該方法可在10年內(nèi)將都十分緊俏的碳纖維的技術(shù),有望推動解決全球變大氣中的二氧化碳降低至工業(yè)革命前的水平目前該系統(tǒng)正在實驗中,研究人員面臨的最大挑暖問題的進程據(jù)物理學家組織網(wǎng)近日報道,該團隊在美國化戰(zhàn)是如何積累經(jīng)驗提高生產(chǎn)能力,生產(chǎn)出大小一致的納米纖維。利希特說:“我們正在迅速擴大生產(chǎn),應(yīng)學協(xié)會(ACS)第250屆全國會議暨博覽會上提交了該很快就能在一個小時內(nèi)產(chǎn)出大量的納米纖維。這一新研究。該研究帶頭人、喬治·華盛頓大學的斯圖爾特·利希特說:“我們發(fā)現(xiàn)了一種利用大氣中富集的二氧化碳生產(chǎn)碳納米纖維的方法。這種纖日本太陽日酸收購維可制成強大的碳一碳復合材料,用于制造波音澳大利亞氣體公司787‘夢想客機’、高端體育設(shè)備、風力渦輪葉片和其7月30日,日本工業(yè)氣體供應(yīng)商太陽日酸宣他一系列產(chǎn)品。布,已同意通過新成立的控股公司TNSC( Australia)研究人員稱,該研究可將造成全球變暖問題的Pyd收購澳大利亞液化石油氣和工業(yè)氣體公司二氧化碳變成最熱銷的碳納米纖維制造原料。利希 Renegade Gas Pty(RGP),并簽訂股票買賣合同。特稱其方法為“來自天空的鉆石澳大利亞GDP規(guī)模位列世界第十二,住宅投資利希特說,他們的方法高效、低能耗,只需幾伏和個人消費的增長預計會給未來帶來年率3%的經(jīng)的電力,有充足的陽光和大量的二氧化碳即可。該濟增長。工業(yè)氣體市場中,資源、能源等相關(guān)新需求系統(tǒng)使用電解合成納米纖維:在熔融碳酸鹽的750將會增加。攝氏度高溫電解槽中,通過鎳和鋼電極的熱及直流太陽日酸,希望通過RGP公司現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò),擴電使二氧化碳溶解,碳納米纖維可以在鋼電極形成。充產(chǎn)品范圍,擴大業(yè)務(wù)地區(qū),提高集團的協(xié)同效果,一落體通計混△動十和害新娶平阻能系體并確立隹團在瀾十和亞的下業(yè)氣休重業(yè)其礎(chǔ)