张 梅，罗 威

（1.东北石油大学 化学化工学院；石油与天然气化工省重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2.中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086）

基于HYSYS模拟的有机醇胺吸收天然气中CO2气体性能评价

张 梅1，罗 威2

（1.东北石油大学 化学化工学院；石油与天然气化工省重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2.中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086）

本文以N2和CO2的混合气为模拟天然气，利用Aspen Hysys软件对醇胺溶液中的CO2溶解性能和脱除工艺进行了优化，研究了吸收剂种类、吸收液浓度和吸收温度的影响，并优选出了最佳的CO2脱除工艺条件。模拟结果表明，醇胺法吸收CO2适宜的吸收剂为MDEA，在吸收剂MDEA浓度为2.5 mol·L-1、吸收温度25℃、通气气速40 mL·min-1的条件下，MDEA对CO2的溶解吸收性能和脱除效果最佳。

天然气；有机醇胺；二氧化碳；吸收；Aspen Hysys

进入二十一世纪，随着石油开采量的减少，人类对能源的需求越来越大，环境要求也越来越高，寻找一种绿色友好的能源迫在眉睫。天然气作为一种优质、高效、清洁的能源而成为人们的首选。CO2是天然气中含量较高的酸性组分之一，不仅会降低天然气的品质，在有游离水存在的情况下还会引起金属管道、设备等的腐蚀，从而带来安全隐患，甚至还会造成污染环境，危害人体健康[1,2]。国家标准GB17820-1999规定天然气中的CO2含量不能超过3.0%（体积分数）。因此，天然气在输送和利用之前必须脱除其中的CO2以达到国家标准。醇胺法由于具有选择性好、处理量大、投资和操作成本相对低等优点，成为应用最为广泛的天然气脱碳方法[3-5]。在天然气醇胺法脱碳过程中，脱除工艺条件要不断进行调整和优化。利用技术比较成熟的大型通用型流程模拟软件如AspenTech公司的Aspen Plus和Aspen Hysys等开展工艺模拟计算进行条件预测，就有很强的现实意义。本文以N2和CO2的混合气为模拟天然气，利用AspenHysys软件对醇胺溶液中的CO2溶解性能和脱除工艺进行了评价，研究了吸收剂种类、吸收液浓度和吸收温度的影响，并优选出了最佳的CO2脱除工艺条件。

1 醇胺脱碳工艺流程

胺法工艺主要包括吸收塔、再生塔和介于二者之间的贫富液换热器3个部分。酸性天然气从下部进入吸收塔，与塔上部进入的贫胺溶液逆向接触，达到吸收脱除天然气中的CO2的目的。净化气从吸收塔顶经过净化器分离器去除胺液液滴后，输出装置。富胺液经过闪蒸后经贫富胺液换热器进入汽提塔进行再生，再生后的贫胺液经降温由胺循环泵打回吸收塔完成循环。

2 Hysys模型的建立

Aspen Hysys软件自带有专门为天然气脱除酸性气体开发的Amine Package热力学数据包，包括Kent-Eisenberg和Li-Mather两个热力学模型。前者属于半经验化热力学模型，而后者是基于严格热力学机理的模型。本文选用了更为严格的Li-Mather模型作为有机胺溶液吸收CO2过程的热力学模型。循环选用Recycle模块[6,7]，吸收塔采用Absorber模块，再生塔采用Distillation Column模块。

3 结果与讨论

3.1 醇胺溶液CO2溶解性能

3.1.1 吸收剂的筛选 在吸收温度25℃、吸收剂浓度 2.5mol·L-1、通气气速 20 mL·min-1不变的条件下进行模拟计算，考察吸收剂种类对CO2溶解性能的影响，结果见表1。

表1 不同吸收剂对CO2溶解性能的影响Tab.1 CO2solubility in different absorption solutions

表1中数据表明，CO2在吸收剂中溶解度由大到小的顺序为DEA＞MEA＞MDEA＞水。可以看出，MDEA对CO2有较好的溶解能力。对比MEA和DEA，MDEA与H2S的反应热较低，具有极好的选择性[1]，且化学稳定性和热稳定性好，所以筛选出适宜吸收剂为MDEA。

3.1.2 吸收剂浓度的影响 以MDEA为吸收剂，在吸收温度25℃、通气气速20mL·min-1不变的条件下进行模拟计算，考察吸收液浓度对CO2溶解性能的影响，结果见图1。

图1 MDEA浓度对CO2溶解性能的影响Fig.1 CO2solubility in absorption solutions with temperatures

由图1可知，MDEA浓度从0.5mol·L-1开始增大时，曲线斜率较大，CO2溶解量增大趋势明显。当浓度超过2.5mol·L-1以后，曲线变缓，溶解度增加不大。由于吸收液浓度的增加会导致成本增大，考虑到经济性，筛选出MDEA的适宜浓度为2.5mol·L-1。

3.1.3 吸收温度的影响 以MDEA为吸收剂，在吸收液浓度 2.5mol·L-1、通气气速 20mL·min-1不变的条件下进行模拟计算，考察吸收温度对CO2溶解性能的影响，结果见图2。

图2 吸收温度对CO2溶解性能的影响Fig.2 CO2solubility in MDEA solution at different different MDEA concentrations

从图2可以看出，随着吸收温度的增加，MDEA中CO2的溶解量减少，且曲线斜率较大。在25℃时，CO2溶解量最多，因为MDEA对CO2的吸收过程是一个放热过程，温度较低时有利于吸收[8]。而且25℃接近室温，易达到，所以MDEA吸收CO2的最宜温度为25℃。

3.2 CO2脱除工艺条件优化

3.2.1 吸收剂浓度 以MDEA为吸收剂，在吸收温度25℃、气速20mL·min-1通气2h、解吸温度90℃不变的条件下进行模拟，考察吸收剂浓度对CO2脱除率的影响，结果见图3。

图3 MDEA浓度对CO2脱除率的影响Fig.3 CO2removal rate in absorption solutions with different temperatures

从图3可以看出，随着吸收液MDEA浓度的增大，CO2脱除率逐渐上升，且上升趋势较大。当MDEA浓度达到2.5mol·L-1以后，继续增大浓度，CO2脱除率上升趋势变缓。因此，兼顾到CO2脱除效果和经济性，MDEA浓度为2.5mol·L-1较为适宜。

3.2.2 吸收温度 以MDEA为吸收剂，在MDEA浓度 2.5mol·L-1、气速 20mL·min-1通气 2h、解吸温度90℃不变的条件下进行模拟，考察吸收温度对CO2脱除率的影响，结果见图4。

图4 吸收温度对CO2脱除率的影响Fig.4 CO2removal rate in MDEA solution at different MDEA concentrations

由图4可知，随着吸收温度的增大，CO2的脱除率增大，在25℃时就已经达到了99%以上的脱除率，尾气中CO2的含量已经达到了国家标准。随着温度的上升，能耗也在相应的增大。因此，选择25℃为适宜的吸收温度。3.2.3 通气气速 以MDEA为吸收剂，在MDEA浓度 2.5mol·L-1、吸收温度 25℃、通气 2h、解吸温度90℃不变的条件下进行模拟，考察通气气速对CO2脱除率的影响，结果见图5。

图5 通气气速对CO2脱除率的影响Fig.5 CO2removal rate at different gas flow rates

从图5可以看出，随着通气气速的增大，CO2脱除率逐渐下降。因为气速增大，进入吸收塔的CO2的量也随着增大，气液接触不充分，导致CO2来不及与MDEA反应即被排出。考虑到CO2对后续设备的影响，选择40mL·min-1为适宜通气气速。

3 结论

（1）流程模拟软件Aspen Hysys可以很好地模拟天然气有机醇胺脱碳的过程。

（2）MDEA对CO2有较好的溶解能力，有极好的选择性、化学稳定性和热稳定性，是一种适宜的天然气中CO2吸收剂。

（3）MDEA浓度增加使得CO2的溶解性和脱除率呈现出先线性增大后逐渐变缓的趋势。

（4）吸收温度提高会降低胺液对CO2的溶解量，有利于CO2的脱除；通气气速的增大，使得CO2脱除率逐渐下降。

（5）综合考虑对CO2的溶解吸收性能和脱除效果，MDEA吸收CO2的适宜条件为吸收剂MDEA浓度 2.5mol·L-1、吸收温度 25℃、通气气速 40mL·min-1。

［1］ 王遇冬.天然气处理与加工工艺（2版）［M］.北京：中国石化出版社，2011.70-75．

［2］ 李占生，张玉玺，由方书，等.天然气胺法净化工艺中Hysys模拟计算研［J］.石油规划设计，2013，24（5）：27-28．

［3］ 陆建刚.酸性气体（H2S，CO2）的脱除及其气液传质特性的研究［D］.南京：南京理工大学，2005．

［4］ 姜宁，李春福，王远江，等.天然气脱二氧化碳工艺方法综述［J］.化学工程与装备，2011（7）：147-150．

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［6］ 李士富，王日燕，王勇.山西沁水煤层气液化HYSYS软件计算模型［J］.天然气与石油，2010，28（4）：22-25．

［7］ 汪宏伟，李明，宋光红，等.广安轻烃回收工艺方案选择［J］.天然气与石油，2009，8（4）：19-23．

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Performance evaluation of alkanolamines for CO2removal from natural gas based on HYSYS

ZHANG Mei1,LUO Wei2
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Provincial Key Laboratory of Oil&Gas Chemical Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Huizhou Petrochemical Industry Branch,China National Offshore Oil Corporation,Huizhou 516086,China）

The decarbonization performance of alkanolamines was investigated by Aspen Hysys software using a mixture of CO2and nitrogen as a simulated natural gas.Several alkanolamines were evaluated and compared for CO2removal.The effects of the concentration of absorption solutions and absorption temperature were analyzed.The decarbonization process conditions were optimized.The results show that the suitable conditions for CO2removal are:MDEA concentration of absorption solution is 2.5mol·L,absorption temperature is 25℃,and gas flow rate is 40 mL·min.

natural gas;alkanolamine;carbon dioxide;absorption;Aspen Hysys

TQ028.2

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170976

2017-07-20

张 梅（1981-），女，博士，副教授，主要从事油田化学方面的研究。