低温甲醇洗H2S吸收塔和CO2吸收塔流程模拟

2019-05-13刘华群李春刚张东亚陈若方唐祁匀

山东化工 2019年8期

刘华群，李春刚，张东亚，陈若方，唐祁匀

(上海现代制药海门有限公司，江苏海门 226133)

低温甲醇洗工艺是德国林德公司和鲁奇公司20世纪50年代初共同开发的工艺，主要用于煤气化利用时酸性气体的净化。低温甲醇洗工艺属于物理净化法，使用低温高压下的甲醇作为吸收剂，具有吸收力强、选择性好、净化度高等优势，可以选择性的脱除酸性气体中的H2S、CO2等杂质[1-3]。

低温甲醇洗工艺包含H2S吸收塔、CO2吸收塔、CO2解吸/气提塔、甲醇热再生塔、甲醇精馏塔和尾气洗涤塔，其中H2S吸收塔和CO2吸收塔的操作温度范围为-51.5～-18.0℃，操作压力范围为2.8 ～3.4 MPa，操作工况苛刻。而在酸性气体原料气中，涉及到CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH在操作工况下气液平衡过程的准确描述，需要选择合适的热力学方程，最难模拟计算。

本文参照某厂的低温甲醇洗工艺实际运行数据，使用Aspen Plus软件，采用PSRK热力学方程，并设置撕裂物流，模拟了低温甲醇洗工艺中的H2S吸收塔和CO2吸收塔，与某厂实际运行数据基本一致。

1 H2S吸收塔和CO2吸收塔工艺流程简介

H2S吸收塔(C1101)模拟时采用一个吸收塔，CO2吸收塔是模拟时采用三个吸收塔串联，由上至下依次称为CO2吸收塔1塔(C1201)、CO2吸收塔2塔(C1202)和CO2吸收塔3塔(C1203)。

酸性原料气首先进入H2S吸收塔(C1101)去除H2S，然后气体依次进入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，从CO2吸收塔1塔(C1201)塔顶采出的合格净化气，送至下游工序。从后续甲醇精馏塔过来的新鲜甲醇，作为吸收液，从CO2吸收塔1塔(C1201)塔顶进入，依次进入CO2吸收塔2塔(C1202)、CO2吸收塔3塔(C1203)和H2S吸收塔(C2201)，最终的甲醇富液富含H2S和CO2，从塔釜去甲醇闪蒸塔。模拟流程示意图如图1。

图1 H2S吸收塔和CO2吸收塔模拟流程

2 物流数据

某厂酸性原料气除去H2S和CO2后，净化气送往合成氨工段。表1为某厂生产酸性原料气和净化气组成，从表中可以看出，酸性原料气中含有CH3OH、CO2、H2、N2、H2S、H2O、Ar、CH4、CO九种物质，经H2S吸收塔和CO2吸收塔后，酸性原料气中的CO2和H2S基本被全部吸收，超临界组分H2、N2、Ar、CH4、CO的摩尔流量基本没有变化。

3 物性方法选择

H2S吸收塔和CO2吸收塔的操作温度范围为-51.5～-18.0℃，操作压力范围为2.8～3.4 MPa，存在CO2-H2S-H2-N2-CO-Ar-CH4-H2O-CH3OH的气液平衡体系。模拟计算时，为了准确描述该体系在操作工况下的气液平衡过程，查阅相关文献[4-7]，本文最终采取PSRK方程。

表1 某厂生产酸性原料气和净化气组成

4 模拟结果

本文运用Aspen Plus软件，模拟了H2S吸收塔和CO2吸收塔，重点考察H2S吸收塔塔顶气体和CO2吸收塔塔顶的气体组成。CO2吸收塔塔顶净化气采用某厂生产数据，而H2S吸收塔塔气体是过程数据，无法取样，表2采用某厂工艺包数据进行对比。

表2 H2S吸收塔塔顶气体和CO2吸收塔塔顶气体组成

从表2可以看出，酸性原料气通过H2S吸收塔后，H2S组分的摩尔流量降低到0.0949 kmol/h，说明H2S吸收塔能很好的吸收H2S，然后通过CO2吸收塔后，CO2的摩尔流量降低到0.0017 kmol/h，而H2、N2、Ar、CH4和CO组分基本没有冷凝和溶解，含量基本不变，PSRK方程能较好的描述-51.5～-18.0 ℃，2.8～3.4 MPa下，H2S、CO2、H2、N2、Ar、CH4和CO在甲醇中的气液平衡关系。

5 流程收敛性说明

H2S吸收塔和CO2吸收塔，模拟时采用四塔串联，涉及6台设备，14股物流，3股循环物流。为了保持流程收敛，本文做了以下处理：

(1)选择默认的收敛方法Wegstein法。

(2)确定8号、9号和13号流股为撕裂物流。

(3)收敛顺序为C1101-C1203-C1202-C1201-E101-E102-F101。在确定了撕裂流股和收敛顺序后，经过不断的试算调整，最终实现了四塔串联的流程收敛。本文以换热器E201的进出流股组成为例，对收敛情况进行分析，见表3。

表3 换热器E201流股组成

从表3的结果可以看出，同一编号的流股，模拟数据和生产数据基本接近，只是CO2和H2的摩尔流量模拟数据和生产数据有差异。这是因为Aspen Plus软件在进行收敛计算时，对撕裂流股设置了收敛容差，撕裂物流的物料组成和温度压力只需在收敛容差范围内，计算即自动停止，流程完成收敛，这个差异是合理的。后期可以通过换热器设计相关软件，利用换热器的进出口物料平衡数据，进行换热器的设计计算与校核。