低温甲醇洗CO_2吸收塔过程模拟

LowTemperatureandSpecialtyGasesVol.33，No.4Aug.，2015

·工艺与设备·

低温甲醇洗CO2吸收塔过程模拟

袁

12

明，张存泉

（1．山东电力建设第一工程公司，济南250131；2．武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063）

摘要：CO2吸收塔是低温甲醇洗系统的核心装置之一，其性能对整个系统性能具有重要影响。本文对CO2吸收塔

的精吸段、主吸段、粗吸段和脱硫段以及吸收塔整体分别进行建模，针对计算比较为各段选取了合适的计算模型，并对吸收塔各组分流体分离效果进行了仿真，为整个低温甲醇洗系统设计与性能提升提供技术支撑。

CO2吸收塔，关键词：低温甲醇洗，精馏吸收，模拟中图分类号：TQ116文献标志码：A

7804.2015.04.001doi：10.3969/j.issn.1007-7804（2015）04-0001-06文章编号：1007-

SimulationonAbsorptionColumnProcessesinＲectisolSystem

YUANMing1，ZHANGCunquan2

（1．SEPCO1ElectricPowerConstructionCorporation，Jinan250131，China；

2．EnergyandPowerEngineeringSchool，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063，China）

Abstract：Acarbondioxideabsorptioncolumnisoneofcoredevicesinarectisolsystem，whoseperformancesaredominanttotheperformancesoftheentirerectisolsystem．ASPENPLUSsoftwareisutilizedtoestablishmodelsforthefineabsorp-tionsection，themainabsorptionsection，thecoarseabsorptionsectionandthedesulfurizationsectionaswellastheentirecarbondioxideabsorptioncolumnbasedoncomparisonsofcalculationresultsfromvariouscalculationmodels，respectively；andthesimulationanalysisiscarriedouttotheseparationeffectsofvariouscomponentsinthecarbondioxideabsorptioncolumn．Suchsimulationresultsmayusedasthetechnicalsupportforimprovementofdesignandperformancesoftheentirerectisolsystem．

Keywords：rectisolprocess；carbondioxideabsorptioncolumn；distillation＆absorption；simulationanalysis

Linde公司和Lurgi公司在20世纪50年代共同

开发了低温甲醇洗系统，以冷甲醇为吸收溶剂，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的优良特性，脱除原料气中的酸性气体，用于净化多组分气体，低温甲醇洗具有良好的吸收选择性、超强的吸收能力以及超低的投入和操作费用，因此广泛应用于合成合成甲醇、合成羟基、城市煤气、天然气净化等大氨、

［1-2］。型工业化装置中

国内目前有相当多的大型煤制甲醇—二甲醚、煤制合成氨等生产装置，均选用了低温甲醇洗工艺，显示出该工艺在国内广阔的应用前景及巨大的市场空间。大连理工大学、上海化工研究院等几个研究

收稿日期：2015-07-14

单位从上世纪70年代开始研究低温甲醇洗工艺技

探索取得了一定的成果，南化研究院在数据测定术，

［2］

领域取得了一定进展；还有其它多个单位在热力

工艺计算、气液相平衡方面也取得了相关的学研究、

进步

［3-4］

；中国寰球工程有限公司在低温甲醇洗工艺

［2］

仿真方面也有可喜的成绩。

CO2吸收塔的主要作用是吸收CO2和H2S，先在下塔中脱除H2S，再由上塔脱除CO2，因此依据吸收塔作用的不同可分为上塔（用来脱除CO2称之为脱碳段）及下塔（用来脱除H2S称之为脱硫段）。CO2吸收塔中用来作为吸收液的冷甲醇来自甲醇再生塔流。脱碳段可分为：精吸段、主吸段、粗吸段。

2

低温与特气第33卷

本文对CO2吸收塔的精吸段、主吸段、粗吸段和脱硫段以及吸收塔整体分别进行建模，针对计算并对吸收塔各比较为各段选取了合适的计算模型，组分流体分离效果进行了仿真，为整个低温甲醇洗系统设计与性能提升提供技术支撑。

102流股表示，物流102～106都是气相流股，吸收

溶剂甲醇贫液由111流股表示，物流112～119是吸H2S的富甲醇溶液，由于熔解热的产生需收了CO2、

要将部分流股引出经换热器进行冷却降温。具体操作条件如表2，表3给出了CO2吸收塔进料组成。Table1

模块塔板数

1

CO2吸收塔模型

表1CO2吸收塔参数

ParametersforCO2absorptioncolumn

C11042

C1206

C1306

C14012

CO2吸收塔流程图及其对应的仿真工艺流程图如图1所示。吸收塔的脱硫段、粗吸段、主吸段和精C120、C130和C140表示，吸段分别由C110、在仿真软件

B12表示，中选择相应的塔模块；换热器由模块B11、选择仿真软件中的换热器模块，分流器由模块F1表

示。经过CO2吸收塔的吸收，净化气由塔顶流出，其净化目标为：CO2≤3%（mol/mol），总硫＜0．1×10－6（mol/mol）。

表1为CO2吸收塔各段参数。变换气进料由

表2CO2吸收塔进料条件

Table2Feedmaterialconditionsfor

CO2absorptioncolumn

温度K

102245．20111221．30（注：1atm=101．33kPa）流股

压力atm35．6034．50

流量kmol/h81609938

气相分率/%1000

a．CO2吸收塔流程图

a．FlowdiagramofCO2absorptioncolumn

图1

Fig.1

b．CO2吸收塔流程仿真图

b．FlowsimulationdiagramofCO2absorptioncolumn

CO2吸收塔流程图及其对应的仿真工艺流程图

FlowdiagramandthecorrespondingsimulationdiagramofCO2absorptioncolumn

Table3

流股102111流股102111

表3CO2吸收塔进料气比例

Compositionoffeedgastoabsorptioncolumn

CH3OH5．44E-050．998H2O

CO20．323

H20．458

N2

H2S

2模拟分析

由于实际生产过程中某些工艺流程非常复杂，使仿真过程也相当繁琐，然而在仿真过程只要达到仿真目的，可以对其流程进行适当简化，以获得简捷、准确仿真计算结果。目前对某个工艺流程仿真时，通常采用将一个复杂的塔段根据其实际功用将其分段实施仿真计算，这样不但计算简便、快速，其计算结果也能很好地满足要求，误差在允许范围之

2．82E-039．95E-041E-15CO0．2141E-15

1E-15COS1E-151E-15

5．14E-091．42E-14AＲ

CH4

3．59E-061．00E-0E8．09E-041．46E-3

1E-15

1E-15

第4期袁明，等：低温甲醇洗CO2吸收塔过程模拟

2所示。

各个模型的106流股计算结果如表4所示。

3

内。所选取的计算模型要满足：

1．仿真计算时物流和温度结果误差在规定范围使仿真结果与工内；2．选择合适的热力学仿真模型，

艺数据包的偏差尽量减小，达到最优的计算要求。本文针对某套的化工装置和具体的工艺流程以及特殊的进料体系所涉及的物性，并且在特定的进料条件下，据相关文献可选择的计算模型包含：ＲK-ASPEN、PＲMHV2、ＲKSWS、PSＲK、SＲ-POLAＲ、PＲWS、ＲKSMHV2、NＲTL、Wilson等，具体选取要进行分析比较。

2．1精吸段计算

ASPEN、SＲ-POLAＲ、NＲTL、Wilson、当用ＲK-ＲK-SOAVE方法时结果比较接近。仿真流程图如图

图2

Fig.2

精吸段仿真流程图

Simulationdiagramofthefineabsorptionsection

Table4

106CH3OHCO2H2N2H2SH2OArCH4COCOS

总流量/（kmol·h

温度/K

－1

表4精吸段计算结果比较

Comparisonofcalculationresultsforthefineabsorptionsection

ＲK-ASPEN0．12765150．0173727．1222．73961．23E-41．82E-48．111346．486331736．841．12E-11）

5651．44226．73

SＲ-POLAＲ0．32119150．2373726．9422．73561．27E-45．78E-58．099606．465511736．1．03E-115651．43229．57

NＲTL0．45780154．5113727．3322．68261．03E-49．02E-58．102236．414101731．943．25E-125651．43238．46

Wilson0．46051154．5113727．3422．68271．03E-49．12E-58．102226．414091731．943．25E-125651．45238．46

ＲK-SOAVE0．11742150．13727．1922．68871．13E-42．81E-58．1006．474071736．691．54E-115651．45225．71

工艺包0．92000163．5103710．0622．40003．5E-56．34E-78．020006．250001715．502．67E-125626．66232．5

从表4中可以看出用NＲTL计算的结果和工艺包数据最为接近，且满足净化后气体CO2≤3%

－6（mol/mol），总硫＜0．1×10（mol/mol）的要求。2．2脱碳段中主吸段的计算

仿真流程图如图3所示，各个模型的105流股计算结果如表5所示。

表5为主吸段的五个热力学物性方法模型结果比较，从表中可以看出它们的结果都比较接近，通过POLAＲ方法作为主吸段的热比较分析最终选用SＲ-力学方法。

Fig.3

图3

主吸段仿真流程图

Simulationdiagramoftheprimaryabsorptionsection

4

低温与特气

表5主吸段的计算结果比较

Comparisonofcalculationresultsfortheprimaryabsorptionsection

ＲK-ASPEN1．541381532．103735．0122．93063．18E-42．39E-38．321026．770141747．771．E-11

－1

第33卷

Table5

105CH3OHCO2H2N2H2SH2OArCH4COCOS

总流量/（kmol·h

温度/K

SＲ-POLAＲ2．946671530．903734．8822．92783．36E-41．11E-38．313796．7581747．711．87E-117054．44254．27

NＲTL3．870991534．973735．3322．86813．08E-41．04E-38．318716．698441742．398．33E-127054．44266．77

Wilson3．871211534．973735．3322．86813．08E-41．05E-38．318716．698431742．388．32E-127054．42266．77

ＲK-SOAVE1．328321532．843735．0322．83933．11E-45．57E-48．298666．743571747．352．28E-117054．43248．

工艺包3．096801549．093727．4122．74603．0E-41E-58．133006．525801737．444．63E-127054．44249．10

）7054．44251．15

2．3脱碳段中粗吸段的计算

粗吸段为上塔中最下部的塔段，与脱硫段相连，主要用于首次吸收已经脱除了H2S的原料气中的CO2，为下步精细吸收CO2的操作做准备。粗吸段

POLAＲ计算得到的流程仿真图如图4所示。用SＲ-的结果和工艺数据最为接近，对于低温甲醇洗CO2POLAＲ方法进行仿吸收塔脱碳段的粗吸段选择SＲ-真计算。

SＲ-POLAＲ方法的计算结果如表6所示。

图4

Fig.4

粗吸段仿真流程图

Simulationdiagramofthecrudeabsorptionsection

Table6

组分CH3OHCO2H2N2H2SH2OArCH4COCOS

总流量/（kmol·h

－1

表6粗吸段的仿真计算结果

Simulationresultsforthecrudeabsorptionsection

1034．37692528．243732．8122．90063．70E-43．00E-58．175336．5821743．696．76E-12）

8046．77

1043．354122025．843732．22．90173．37E-41．42E-38．177226．584241743．771．5E-117543．52

1159926．721887．270．517960．012182．10E-314．45000．040310．073500．9367．9E-1111830．03

1169927．7423．660．4380850．0111072．13E-314．45000．038290．072170．857866．39E-1112333．28

104工艺包3．375002032．203730．2022．83002．95E-41．7E-58．154396．560001740．205．44E-127543．5

第4期2．4

袁明，等：低温甲醇洗CO2吸收塔过程模拟

5

脱硫段的仿真计算

脱硫段位于CO2吸收塔的下部，即下塔，其作

由于H2S在甲醇用是在脱除CO2之前先脱除H2S，

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较少，只需要脱碳段中的一部分

POLAＲ方法甲醇即可。通过计算比较发现，用SＲ-计算所得的结果与工艺包数据最为接近，所以最终

POLAＲ方法对脱硫段进行仿真计算。选择SＲ-POLAＲ方法进行仿真，用SＲ-得到的结果如表

7所示。

Fig.5

图5

脱硫段仿真流程图

Simulationdiagramofthedesulfurizationsection

Table7

组分CH3OHCO2H2N2H2SH2OArCH4COCOS

总流量/（kmol·h

－1

表7脱硫段的仿真计算结果

Simulationresultsforthedesulfurizationsection

1020．444002634．933734．1122．93028．122670．029308．176526．606511744．658．16E-12

1033．983052503．543744．1923．14983．83E-41．86E-38．228356．726101756．963．91E-128046．77

1174467．251063．8410．25470．224671．01E-36．500950．070460．1554912．70168．93E-125561．00

1184463．711195．230．180065．09E-38．123296．528390．018630．035880．3941．32E-115674．23

103工艺包4．377002528．243732．8122．90060．000370．000038．175326．582901743．696．76E-128046．77

）8160．00

2．5

CO2吸收塔的计算

针对图1b的CO2吸收塔流程仿真图，对上述

表8所示。

可以看出，计算结果与工艺包数据比较接近。

四个塔段整体进行仿真计算，各流股的仿真结果如

Table8

组分CH3OHCO2H2N2H2SH2OArCH4COCOS

103

计算值3．949082526．273734．1522．93073．68E-41．86E-38．177186．606741744．692．34E-11

工艺包4．377002528．243732．8122．90060．000370．000038．175326．582901743．696．76E-12

计算值3．403942023．423734．2222．93153．49E-41．44E-38．178106．6071744．742．29E-11

表8吸收塔仿真结果

Simulationresultsfortheabsorptioncolumn

104

工艺包3．375002032．203730．2022．83002．95E-41．7E-58．154406．560001740．205．44E-12

计算值2．907531530．603733．7622．98373．30E-41．09E-38．167496．3861749．372．26E-11

105

工艺包3．096801549．093727．4122．74603．0E-41E-58．133006．525801737．444．63E-12

计算值0．35907111．2603733．6822．918．92E-56．78E-58．136356．529951743．772．81E-12

106

工艺包0．92000163．5103710．0622．40003．5E-56．34E-78．020006．250001715．502．67E-12

6

低温与特气第33卷

3结论

参考文献：

［1］汪家铭．低温甲醇洗净化工艺技术进展及应用概况

［J］．泸天化科技，2007（2）：120-124．［2］陈晓峰．低温甲醇洗模拟系统完善及新流程研究［D］．

2005．大连：大连理工大学，

［3］牛刚，黄玉华，王经．低温甲醇洗技术在天然气净化过

J］．天然气化工，2003，28（2）：26-29．程中的应用［

［4］CASAVANTTracyE，COTEＲaymondP．Usingchemical

processsimulationtodesignindustrialecosystems［J］．JournalofCleanerProduction，2004（12）：90-92．［5］堵祖荫．用AspenPlus模拟汽油分馏塔系统［J］．乙烯

2002，14（4）：13-17．工业，

［6］杨友麒．过程流程模拟［J］．计算机与应用化学，1995，

12（1）：1-6．

本文对CO2吸收塔的精吸段、主吸段、粗吸段和脱硫段以及吸收塔整体分别进行建模，针对计算比较为各段选取了合适的计算模型，并对吸收塔各组分流体分离效果进行了仿真，本研究得到如下结论：

1．通过对计算结果与仿真物料的文献试验值

针对流程中模块的特点分别选用了进行比较分析，

热力学模型。CO2吸收塔的精吸段选用NＲTL模

POLAＲ模型，型，主吸段选用SＲ-粗吸段选用SＲ-POLAＲ模型，POLAＲ模型。脱硫段选用SＲ-2．精吸段、主吸段、粗吸段和脱硫段的仿真结

果与工艺包数据接近，仿真结果具有非常好的准确

作者简介：

1998年于袁明（1976），男，山东无棣人，高级工程师，

山东大学获得电厂热能动力工程专业学士学位，目前主要从事大型工程设备设计与项目安装协调工作。

性，吸收器的性能仿真可为整个低温甲醇洗系统设计与性能提升提供技术支撑。

檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭美科学家成功使二氧化碳变身碳纤维

将人为产生的温室气体二氧化碳转变为一种有价值商品，一直是科学家和的梦想。现在，美国乔治·华盛顿大学的一个研究团队开发出一种将大气中的二氧化碳直接转化成在工业和消费领域都十分紧俏的碳纤维的技术，有望推动解决全球变暖问题的进程。

据物理学家组织网近日报道，该团队在美国化学协会（ACS）第250届全国会议暨博览会上提交了这一新研究。该研究带头人、乔治·华盛顿大学的

：“我们发现了一种利用大气斯图尔特·利希特说

中富集的二氧化碳生产碳纳米纤维的方法。这种纤

用于制造波音维可制成强大的碳—碳复合材料，

787‘梦想客机’、高端体育设备、风力涡轮叶片和其”他一系列产品。

研究人员称，该研究可将造成全球变暖问题的二氧化碳变成最热销的碳纳米纤维制造原料。利希

“来自天空的钻石”。特称其方法为

利希特说，他们的方法高效、低能耗，只需几伏

的电力，有充足的阳光和大量的二氧化碳即可。该系统使用电解合成纳米纤维：在熔融碳酸盐的750摄氏度高温电解槽中，通过镍和钢电极的热及直流电使二氧化碳溶解，碳纳米纤维可以在钢电极形成。

这一系统通过混合动力和高效聚光太阳能系统

这个“太阳热能来提供热量和电力。利希特估计，

电化学过程”的电能成本大约为每吨碳纤维产品1000美元，系统的运行成本比产出价值少数百倍。

：“我们经过计算，他说在一片大约有撒哈拉沙漠十分之一大小的区域，使用该方法可在10年内将

”大气中的二氧化碳降低至工业前的水平。目前该系统正在实验中，研究人员面临的最大挑

战是如何积累经验、提高生产能力，生产出大小一致：“我们正在迅速扩大生产，的纳米纤维。利希特说应

”该很快就能在一个小时内产出大量的纳米纤维。

日本太阳日酸收购

澳大利亚气体公司

7月30日，日本工业气体供应商太阳日酸宣布，已同意通过新成立的控股公司TNSC（Australia）PtyLtd，收购澳大利亚液化石油气和工业气体公司ＲenegadeGasPty（ＲGP），并签订股票买卖合同。澳大利亚GDP规模位列世界第十二，住宅投资和个人消费的增长预计会给未来带来年率3%的经济增长。工业气体市场中，资源、能源等相关新需求将会增加。

太阳日酸，希望通过ＲGP公司现有的网络，扩充产品范围，扩大业务地区，提高集团的协同效果，并确立集团在澳大利亚的工业气体事业基础。