低温甲醇洗流程火用分析研究 精灵论文

低温甲醇洗流程火用分析研究 精灵论文 低温甲醇洗流程火用分析研究 程利辉，张存泉 (武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063) 摘要:低温甲醇洗是一种高效的气体净化工艺，采用冷甲醇作为溶剂，脱除酸性气体，如 5 HS、CO。在低温高压下进行操作，气体净化度高，选择性好。而这些酸性气体又需要通过 22 解吸、汽提等手段从甲醇溶液中释放出来，再进入下一工序。此工艺是煤化工应用中非常重 要的一个环节。本文利用工艺包数据，采用流程仿真软件 ASPEN PLUS 对低温甲醇洗工艺流 程进行仿真，并利用热力学优化方法——火用分析法对低温甲醇洗流程进行了火用分析，针 对相关部分实施了工艺改造。 10 关键词:低温甲醇洗;Aspen Plus;热力学模型;流程仿真;优化;火用分析法 中图分类号:TQ 018 Exergy Analysis Research of the Rectisol Process Cheng Lihui, Zhang Cunquan 15 (School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, WuHan 430063) Abstract: Rectisol technology is an effective gas refining process. Low temperature methanol is used as solvent, the technology can remove the acid gas, such as HS, CO. Operated at low temperature and 22 high pressure, high degree of purification and good selectivity can be gained. And through desorption and steam stripping means, the acid gas is released from the methanol solution and go to the next 20 process. This process is a very important link in the coal chemical industry. In this paper with the process datas, the flow simulation software ASPEN PLUS is used to simulate rectisol process flow. With Thermodynamics optimization method-exergy analysis method, rectisol process flow is analysized, and according to the results the relevant parts are improved. Keywords:Rectisol; ASPEN PLUS; Thermodynamics equation; Process Simulation; Optimization; 25 Exergy Analysis method 0 引言 低温甲醇洗是一套成熟且节能的酸性气体净化工艺，具有选择性好、吸收能力强、操作 费用低廉等优点，非常适合于合成氨、合成甲醇、合成羟基、城市煤气、天然气净化等大型 30 工业化装置。目前我国大多使用的是德国林德公司和鲁奇公司的低温甲醇洗工艺专利技术， 目前急需对该工艺进行研究和开发，尽早实现国产化与自主化，并不断完善已实现国产化的 低温甲醇洗设备。国内目前有为数不少的在建大型煤制合成氨、煤制甲醇-二甲醚等生产装 置,通过对多种酸性气体净化工艺的分析比较，均选用了引进低温甲醇洗工艺，显示出该工 [1]艺在国内良好的发展势头和广阔的应用前景。 35 1 低温甲醇洗工艺流程简介 低温甲醇洗系统工艺流程如图 1 所示。 作者简介:程利辉，(1983-)，男，硕士研究生，动力装置性能分析. E-mail: 530608953@qq.com 图 1 低温甲醇洗净化工艺流程 Fig. 1 Flow Chart of Rectisol C1-甲醇吸收塔;C2-CO解吸塔;C3-HS 浓缩塔;C4-甲醇再生塔; 2 2 C5-甲醇/水分离塔;V1-气液分离器;V2-气液分离器;E-换热器 原料气在甲醇洗吸收塔(C1)中用低温甲醇脱除 HS 和 CO等组分，净化气由塔顶引出。 22 吸收了 HS 和 CO的甲醇富液经减压闪蒸解吸后在 CO解吸塔(C2)顶得到纯净的 CO气体， 22 2 2 40 供尿素生产使用;解吸后的甲醇液在 HS 浓缩塔(C3)进一步用氮气解吸，提高液相 HS 浓度， 22尾气放空;得到进一步解吸后的甲醇液在甲醇再生塔(C4)进行热再生，塔底得到贫甲醇，一 部分送往甲醇洗吸收塔(C1)中循环使用，一部分送往甲醇/水分离塔(C5)中，热再生塔顶得到 HS 浓度较高的气体，送克劳斯硫回收系统进行硫回收;甲醇/水分离塔(C5)用以脱除甲醇中 2[2]的水分;系统中近二十台的换热器组成的换热网络用以回收冷量并保证必要的工艺条件。 45 2 热力学研究方法—分析法 分析法是一种基于热力学第二定律而产生的分析方法 分析法把能量看作是有“质” ， 和“量”的一个完整体，不再把能量节约和换热优化问题简化为一个只有物流焓的变化过程， 加入了物流的另外一个重要的物理量——“熵”，把物流的焓与熵完全充分地结合起来产生 一个新的物理量——“”，将其作为一个整体来研究分析。这在一定程度上使前期分析工 50 作的难度有所增加，但同时提前铺平后续工作的道路。 定义“”时必须要有以下两个条 件: 第一，给定环境基准，并且使之与周围环境达到平衡状态。 第二，能量转换过程 [3]完全在可逆的条件下进行。 因此“”的定义是:系统在一定状态下变至基准态， 即达到与自然环境处于完全平 55 衡状态时的最大做功能力，它是一种末态为基准态的理想功。 (2-1) E= ?W= ?(H ?H ) + T(S?S ) x id 0 1 0 0 1 即 E= ?W= ?(H ?H ) + T(S?S ) (2-2) x id 0 1 0 0 1 从的出现到现在，人们仍然是以节能为核心目的来研究的。目前比较新的观点是用 能就是用、节能就是节，是从过程推动力和实现能量转换以获得动力的观点来考察用能 [4]和节能。 60 对系统进行分析时，需要对系统中的各个操作单元和整体都要进行分析，系统中的各 个部分都存在能量的变化，而系统又是一个整体，包含着所有能量的变化，系统内部能量的 转移，系统与环境之间存在能量的输入和输出，只有从两方面同时开展工作，才能把系统用 能分析得透彻、清楚，分析的基本步骤如下: 第一步，根据流程中的焓和熵数据对流股进行流率的计算。 65 第二步，依据第一步得到的数据，计算损失、普通效率，分析系统内损失的分 布，各设备的利用率，最终找到系统用能过程中的薄弱环节。 第三步，针对具体的设备进行改造，提高的利用效率并减小损失，对整个系统的热 力学完善度做出评价。 3 利用 分析对低温甲醇洗工艺进行优化 70 3.1 低温甲醇洗工艺的用能分析 根据 Aspen Plus 提供的计算流股焓、熵的功能，对换热系统进行仿真计算，分别得到各 流股各项数据，从而通过公式 3-1 计算流率。 (3-1) E = [H ?H ? T(S ?S )]?W 0 00 式中， E —流率，kJ/sec; H —流股焓，kJ/kg; H —环境基准焓，kJ/kg; 0 75 T—环境温度，K; 0 S —流股熵，kJ/kgK; S—环境基准熵，kJ/kgK; 0 W —流股质量流率，kg/sec; 再通过公式 3-2、3-3，计算换热设备的损失与普通效率。 E= E+ E?E ?E 损失 热流股进口 冷流股进口 热流股出口 冷流股出口(3-2) Ex e η = (3-3)II Ex in 式中，η—普通 效率; II 80 Ex—系统输出 ; Ex—系统输入 ; 本文采用的环境基准e in 为龟山—吉田的环境模型: 环境温度:298.15K(25?);环境压 力为 0.10133MPa(1atm); 基准物:大气(饱和湿空气)中，气态 基准物的摩尔分数见下表。 85 表 1 气态基准物的摩尔分数 Table 1 Mole fraction of Base Gaseous Material 气态基准物摩尔分数气态基准物摩尔分数0.756 0.2034 NO 22He 0.0000052 CO0.0003 2HO0.0312 Ar 0.0091 2Ne 0.000018 因此基准焓: H =104.88kJ/kg;基准熵: S=0.3653kJ/kgK; 0 0 五塔的流股焓熵数据、塔顶冷却与塔底加热数据都是由 Aspen Plus 仿真流程后得到的， 其计算基准是以各元素 25?、1 个大气压下的纯组分物质。五塔的分析结果见表 2。 90 表 2 低温甲醇洗五塔的分析 Table 2 Exergy Analysis of the five Columns in Rectisol 普通 效率 CO吸收塔 99, 2 CO解吸塔 99, 2 HS 浓缩塔 99, 2 甲醇再生塔 98, 甲醇水分离塔 84, 由上表可知，CO吸收塔、CO解析塔和 HS 浓缩塔的普通效率都达到了 99%以上， 2 2 2 甲醇再生塔需要外部能量来对塔顶产品进行冷却，并对塔底进行加热气提，塔顶消耗 消耗 5399.55619kJ/sec 用于加热;甲醇水分离塔同样需要消 2910.164kJ/sec 用于冷却，塔底 耗外部能量来对塔底进行加热，消耗 1221.04158kJ/sec，后面两塔的利用效率低于前面的 三塔。 95 由此可知，低温甲醇洗过程节能的关键在于再生塔和水分离塔，前三个塔的传质动力以 及整个系统的低温冷量都来源于后面这部分，因此加大系统热回收量和提高分离效率是改造 低温甲醇洗工艺过程的重要手段。 3.2 低温甲醇洗工艺优化 根据上述的分析结果，优化工作的核心就是把系统内部释放向空气的多余热量利用起 来，取代甲醇再生塔、甲醇水分离塔的塔顶冷却、塔底加热的部分，减少额外能量的输入， 100 达到节能的根本目的。 3.2.1 甲醇再生塔的工艺优化过程 [5-7][8] 对甲醇再生塔进行 Aspen Plus 仿真，其流程大致为: 从 HS 浓缩塔中 C底部出来的富含 HS 甲醇经换热进入甲醇再生塔 C，在甲醇再 2310 2400 生塔中用甲醇再生塔再沸器加热产生的甲醇蒸汽及来自甲醇水分离塔的甲醇蒸汽气提，对 HS 及 CO进行完全解吸，甲醇再生塔顶部气体经酸性气体分离出酸性气体，通过换热后离 22 105 开本段。其流程见图 2，仿真流程见图 3，其详细的流股计算结果见表 3。 110 图 2 甲醇再生塔流程图 Fig 2 Flow Chart of Methanol Regeneration Column 图 3 甲醇再生塔仿真流程图 Fig3 Simulation Flow Chart of Methanol Regeneration Column 表 3 甲醇再生塔计算结果 Table 3 Results for Methanol Regeneration Column 401 402 305 403 组分104.688 19.7747 9928.12 10013.0 CHOH 32.86923 70.0291 67.1599 6.79E-9 CO 21.26E-4 1.26E-4 1.01E-11 1.02E-35 H 23.29E-9 4.59637 4.59637 5.06E-29 N 2HS2.84E-5 45.6691 45.6719 2.92E-3 2HO0.13194 9.42E-6 14.4561 14.5880 24.00E-8 4.00E-8 1.01E-11 2.47E-27 Ar CH4.91E-6 4.91E-6 2.14E-10 2.47E-21 40.01063 0.01063 1.01E-11 3.05E-22 CO COS 1.46E-13 4.11E-14 1.01E-11 1.02E-13 0.968 1.500 89.73 89.19 流量 kg/sec 374.2 321.9 361.7 373.4 温度 K -6376.1 -5989.3 -7200.9 -7184.4 焓 kJ/kg -4.1696 -0.0315 -6.7378 -6.7606 熵 kJ/kgK -4956.1 -8963.8 -465518 -460638流值 kJ/sec 注:表中未给流量的单位为 Kmol/h 由仿真可知塔底加热量为 5399.55619kW，塔顶冷却量为 2910.164kW，低压蒸汽能量消 耗量很大。 对此流程进行优化。优化为:用具有 373.37K 初温的 407 分支流股对进塔流股 305 115 进行预热,使其温度达到 366K，进塔位置不做变化。 经优化之后，塔底加热量减少为 1384.32056 kW，塔顶冷却量减少为 2776.5361 kW，分 别减少 4015.24kW 热量和 133.63kW 冷量。 3.2.2 甲醇水分离塔 对甲醇水分离塔进行 Aspen Plus 仿真，其流程大致如下: 甲醇水分离塔由再沸器加 热，塔顶甲醇蒸汽送甲醇再生塔(C)，而水作为废水排出， 400120 送往污水处理系统。甲醇水分离塔所需的回流甲醇由甲醇再生塔再生甲醇提供，换热冷却后 进入塔。 塔模块选择的是 Columns/Radfrac/STRTP2 模块，流程见图 4，仿真流程见图 5。其详细 的流股计算结果见表 4。 125 图 4 甲醇水分离塔流程图 Fig 4 Flow Chart of Methanol/water Separation Column 图 5 甲醇水分离塔流程仿真图 Fig 5 Simulation Flow Chart of Methanol/water Separation Column 表 4 甲醇水分离计算结果 Table 4 Results for Methanol/water Separation Column 401A 407A 501 502 组分 105.574 73.1933 32.3804 7.58E-15 CHOH 3CO1.39889 3.77E-7 1.39889 5.19E-35 24.94E-8 1.04E-12 4.94E-8 5.31E-35 H 22.06E-13 7.33E-14 1.33E-13 1.63E-35 N 22.37E-5 1.41E-5 9.59E-6 3.78E-35 HS 20.72731 0.10665 45.9707 45.3500 HO 2Ar 1.53E-13 7.33E-14 7.98E-14 3.83E-35 CH2.57E-6 7.33E-14 2.56E-6 2.32E-35 41.53E-13 7.33E-14 7.98E-14 1.92E-35 CO COS 1.53E-13 7.33E-14 7.98E-14 1.86E-35 0.960 0.652 0.535 0.227 流量 kg/sec 377.5 332.9 328.5 417.3 温度 K -6230.5 -7336.1 -11025 -15337 焓 kJ/kg -3.9521 -7.1617 -7.4813 -7.5942 熵 kJ/kgK -4846.2 -3388.3 -4702.9 -2966.6流值 kJ/sec 注:表中未给流量的单位为 Kmol/h 130 仿真结果显示塔底出塔流股的废水温度为 417.31K，包含有相当一部分热量直接排放进入环境，需要进行热量的回收。塔底加热量十分巨大，这部分能量输入是低温甲醇洗工艺过 程的动力源泉，因此具有很大的节能潜力。 对此流程进行优化。优化方案为:利用塔底废水预热 407A 流股至 344.9K，501 流股使 用循环冷却水在环境温度下加热至 285.2K。 4 结论 135 利用热力学优化方法——分析方法对低温甲醇洗流程进行了分析，找出了低温甲醇 洗流程中的用能薄弱环节——甲醇再生塔和甲醇/水分离塔，针对这两个部分实施了工艺改 造: 第一，用具有 373.37K 初温的 407 分支流股对进塔流股 305 进行预热,使其温度达到 366K，进塔位置不做变化。 第二，利用塔底废水预热 407A 流股至 344.9K，501 流股使用循环冷却水在环境温度下 140 加热至 285.2K。 经优化之后，大大减少了系统外界的能量输入，能量损失也相应减少。 [参考文献] (References) 145 [1] 张翊人(低温甲醇洗及其改进型工艺[J](煤化工.1992(3).36-45. [2] 刘健，张述伟，孙道青.低温甲醇法净化天然气工艺流程的研究[J].天然气化工，2007，32(5):47-50. [3] 张乃文,陈嘉宾,于志家.化工热力学[M].大连:大连理工大学出版社，2006. [4] 杨东华.火用分析和能级分析[M].北京:科学出版社，1986. 150 [5] 王静康. 化工设计[M].北京:化学工业出版社，1995. [6] 郑陵,杜英生,余国琮. 燃料型减压塔模拟计算的研究?，高沸点石油馏分物性计算的真组分法[J].石油学 报(石油加工)，1994，10(4):64-71. [7] 杨友麒，项曙光，化工过程模拟与优化[M].北京:化学工业出版社，2006. [8] 赵黎明. 低温甲醇系统流程模拟及塔内结构可视化设计系统研究[D].天津:天津大学，2008. 155