劉華群,李春剛,張東亞,陳若方,唐祁勻
(上海現(xiàn)代制藥海門有限公司,江蘇 海門 226133)
低溫甲醇洗工藝是德國林德公司和魯奇公司20世紀50年代初共同開發(fā)的工藝,主要用于煤氣化利用時酸性氣體的凈化。低溫甲醇洗工藝屬于物理凈化法,使用低溫高壓下的甲醇作為吸收劑,具有吸收力強、選擇性好、凈化度高等優(yōu)勢,可以選擇性的脫除酸性氣體中的H2S、CO2等雜質(zhì)[1-3]。
低溫甲醇洗工藝包含H2S吸收塔、CO2吸收塔、CO2解吸/氣提塔、甲醇熱再生塔、甲醇精餾塔和尾氣洗滌塔,其中H2S吸收塔和CO2吸收塔的操作溫度范圍為-51.5~-18.0℃,操作壓力范圍為2.8 ~3.4 MPa,操作工況苛刻。而在酸性氣體原料氣中,涉及到CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH在操作工況下氣液平衡過程的準(zhǔn)確描述,需要選擇合適的熱力學(xué)方程,最難模擬計算。
本文參照某廠的低溫甲醇洗工藝實際運行數(shù)據(jù),使用Aspen Plus軟件,采用PSRK熱力學(xué)方程,并設(shè)置撕裂物流,模擬了低溫甲醇洗工藝中的H2S吸收塔和CO2吸收塔,與某廠實際運行數(shù)據(jù)基本一致。
H2S吸收塔(C1101)模擬時采用一個吸收塔,CO2吸收塔是模擬時采用三個吸收塔串聯(lián),由上至下依次稱為CO2吸收塔1塔(C1201)、CO2吸收塔2塔(C1202)和CO2吸收塔3塔(C1203)。
酸性原料氣首先進入H2S吸收塔(C1101)去除H2S,然后氣體依次進入CO2吸收塔3塔(C1203)、CO2吸收塔2塔(C1202)和CO2吸收塔1塔(C1201)去除CO2,從CO2吸收塔1塔(C1201)塔頂采出的合格凈化氣,送至下游工序。從后續(xù)甲醇精餾塔過來的新鮮甲醇,作為吸收液,從CO2吸收塔1塔(C1201)塔頂進入,依次進入CO2吸收塔2塔(C1202)、CO2吸收塔3塔(C1203)和H2S吸收塔(C2201),最終的甲醇富液富含H2S和CO2,從塔釜去甲醇閃蒸塔。模擬流程示意圖如圖1。
圖1 H2S吸收塔和CO2吸收塔模擬流程
某廠酸性原料氣除去H2S和CO2后,凈化氣送往合成氨工段。表1為某廠生產(chǎn)酸性原料氣和凈化氣組成,從表中可以看出,酸性原料氣中含有CH3OH、CO2、H2、N2、H2S、H2O、Ar、CH4、CO九種物質(zhì),經(jīng)H2S吸收塔和CO2吸收塔后,酸性原料氣中的CO2和H2S基本被全部吸收,超臨界組分H2、N2、Ar、CH4、CO的摩爾流量基本沒有變化。
H2S吸收塔和CO2吸收塔的操作溫度范圍為-51.5~-18.0℃,操作壓力范圍為2.8~3.4 MPa,存在CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH的氣液平衡體系。模擬計算時,為了準(zhǔn)確描述該體系在操作工況下的氣液平衡過程,查閱相關(guān)文獻[4-7],本文最終采取PSRK方程。
表1 某廠生產(chǎn)酸性原料氣和凈化氣組成
本文運用Aspen Plus軟件,模擬了H2S吸收塔和CO2吸收塔,重點考察H2S吸收塔塔頂氣體和CO2吸收塔塔頂?shù)臍怏w組成。CO2吸收塔塔頂凈化氣采用某廠生產(chǎn)數(shù)據(jù),而H2S吸收塔塔氣體是過程數(shù)據(jù),無法取樣,表2采用某廠工藝包數(shù)據(jù)進行對比。
表2 H2S吸收塔塔頂氣體和CO2吸收塔塔頂氣體組成
從表2可以看出,酸性原料氣通過H2S吸收塔后,H2S組分的摩爾流量降低到0.0949 kmol/h,說明H2S吸收塔能很好的吸收H2S,然后通過CO2吸收塔后,CO2的摩爾流量降低到0.0017 kmol/h,而H2、N2、Ar、CH4和CO組分基本沒有冷凝和溶解,含量基本不變,PSRK方程能較好的描述-51.5~-18.0 ℃,2.8~3.4 MPa下,H2S、CO2、H2、N2、Ar、CH4和CO在甲醇中的氣液平衡關(guān)系。
H2S吸收塔和CO2吸收塔,模擬時采用四塔串聯(lián),涉及6臺設(shè)備,14股物流,3股循環(huán)物流。為了保持流程收斂,本文做了以下處理:
(1)選擇默認的收斂方法Wegstein法。
(2)確定8號、9號和13號流股為撕裂物流。
(3)收斂順序為C1101-C1203-C1202-C1201-E101-E102-F101。 在確定了撕裂流股和收斂順序后,經(jīng)過不斷的試算調(diào)整,最終實現(xiàn)了四塔串聯(lián)的流程收斂。本文以換熱器E201的進出流股組成為例,對收斂情況進行分析,見表3。
表3 換熱器E201流股組成
從表3的結(jié)果可以看出,同一編號的流股,模擬數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本接近,只是CO2和H2的摩爾流量模擬數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)有差異。這是因為Aspen Plus軟件在進行收斂計算時,對撕裂流股設(shè)置了收斂容差,撕裂物流的物料組成和溫度壓力只需在收斂容差范圍內(nèi),計算即自動停止,流程完成收斂,這個差異是合理的。后期可以通過換熱器設(shè)計相關(guān)軟件,利用換熱器的進出口物料平衡數(shù)據(jù),進行換熱器的設(shè)計計算與校核。
(1)本文采用了PSRK方程,準(zhǔn)確描述了-51.5~-18.0℃和2.8 ~3.4 MPa下,CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH的氣液平衡體系。
(2)通過設(shè)置了三股撕裂物流和收斂順序,完成了四塔串聯(lián)流程的模擬,H2S吸收塔和CO2吸收塔的模擬結(jié)果和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)接近。
(3)本文得到了H2S吸收塔和CO2吸收塔的原始模擬數(shù)據(jù),對低溫甲醇洗裝置運行優(yōu)化、塔內(nèi)件設(shè)計、換熱器設(shè)計都具有十分重要指導(dǎo)意義。