基于HYSYS的混合胺液脱酸性能及能耗影响因素分析

基于HYSYS的混合胺液脱酸性能及能耗影响因素分析

王霞;游赟;罗明伟

【摘 要】运用HYSYS软件对天然气脱酸工艺流程进行了模拟,分析了贫液进入吸收塔的温度、循环量、组分以及各组分的浓度对整个系统脱酸效果和能耗的影响.模拟结果表明:提高贫液的进塔温度会使系统的脱酸效果变差,温度对H2S吸收的影响要大于CO2,而对系统总能耗的影响并不明显;提高胺液循环量会使系统脱酸效果增强,但对于MDEA+MEA混合液,系统能耗会升高,对于MDEA+DEA混合液,系统能耗会降低;在相同条件下,MDEA+MEA吸收剂的脱酸效果要强于MDEA+DEA吸收剂,但MDEA+MEA吸收剂产生的系统能耗要远高于MDEA+DEA吸收剂;对于一定浓度的混合胺液,提高MDEA的浓度虽然会使脱酸效果减弱,但可以缩短反应时间,降低系统能耗.该成果为天然气脱酸工艺的改进和优化提供了参考.%The

software HYSYS is used to simulate the deacidification process of natural

gas, the in-fluence of the temperature, circulating volume, components

and the concentration of every compo-nent of barren liquid when it enters

the absorption tower on the deacidification effect and energy con-sumption of the whole system.The simulation results show that improving

the tower entering tempera-ture of barren liquid will make the

deacidification effect of the system worse, temperature influence on the

absorption of H2S is more obvious than that on the absorption of CO2,

and has no obvious influ-ence on the energy consumption of the whole

system;improving the amine liquid volume will make the deacidification

effect of the system enhanced,but for the MDEA+MEA mixed liquid,the

energy con-sumption of the system will increase and for the MDEA+DEA mixed liquid the result will decrease;un-der the same condition, the

deacidification effect of the MDEA+MEA absorber is better than that of the

MDEA+DEA absorber,but the energy consumption of the MDEA+MEA

absorber is much higher than that of the MDEA+DEA absorber;for a mixed

amine liqiud with a certain concentration,increas-ing MDEA content will

make the deacidification effect decreased, but the reaction time will be

short-en, thus reducing the energy consumption of the system. The results

provide a reference for improv-ing and optimizing the deacidification

process of natural gas.

【期刊名称】《油气田地面工程》

【年(卷),期】2017(036)011

【总页数】6页(P50-54,82)

【关键词】MDEA;MEA;DEA;脱酸;温度;循环量;组分;浓度

【作 者】王霞;游赟;罗明伟

【作者单位】重庆科技学院石油与天然气工程学院;重庆科技学院石油与天然气工程学院;重庆科技学院石油与天然气工程学院

【正文语种】中 文

天然气是当今最主要的石化燃料之一。随着世界对天然气需求量的不断增长，人们对天然气的处理工艺也在不断改进。而天然气处理技术中所面临的最大问题就是脱除天然气中的酸性气体（主要为CO2和H2S）[1-3]。近几年来，具有选择性的脱碳溶剂MDEA被广泛应用，原因是MDEA相对密度大、凝点低、饱和蒸气压低，并具有选择性脱除CO2的功能。但是MDEA属于叔醇胺，其碱性要比MEA和DEA弱，因此脱酸效果并不理想[4-6]。目前，在天然气脱酸工艺中占据主导地位的吸收剂为MDEA+MEA/DEA型的混合胺液吸收剂，该吸收剂既能满足天然气脱酸的国家标准，又能达到节能降耗的目的[7-8]。

HYSYS软件能够精确设置和模拟石油化工工艺流程中各物流及设备参数，被广泛应用于石油开采、储运、天然气加工、石油化工等领域[9-11]。在胺脱酸工艺中，吸收剂的相关参数（主要包括温度、流量、组分及各组分的浓度）对于系统的脱酸效果和能耗具有很大的影响。运用HYSYS软件分析这些参数所带来的影响，从而提出最优的吸收剂参数，达到高效节能的目的[12-13]。

胺法脱酸的基本原理是利用弱碱性水溶液与天然气中的酸性组分进行吸收和化学反应，从而使天然气中的酸性组分大幅度降低[4]。烷基醇胺类化合物的母分子为NH3，当有1、2、3个氢原子被有机官能团取代时，醇胺分别被称为伯醇胺、仲醇胺和叔醇胺，分子式分别为RNH2、R2NH、R3N。三种类型的醇胺与酸性气体的反应原理见表1[14]。

本研究选用ASPEN HYSYS 2006软件进行工艺模拟。该软件中包含一种功能非常强大的专门用来模拟天然气脱酸工艺流程的热力学状态方程，也称“胺包”，该软件包内包含多种条件下的实验溶解度和反应动力学数据。利用该软件包对胺脱酸工艺进行模拟，可以降低因使用一般的静态或动态热力学方程所产生的错误。该软件同时兼容了一种功能强大的成本分析工具，它能够估算在不同条件下工艺的固定成本和运营成本，利用该软件还可以根据用户的需求提供一般或详细的成本预算信息[15-16]。

本研究以长庆第三净化厂的高碳硫比天然气为例进行模拟。该厂天然气的组成如表2所示。

长庆第三净化厂天然气脱酸工艺的流程示意图如图1所示。该厂天然气中主要酸性气体为CO2和H2S（体积分数分别约为6%和0.08%）。GB 17820规范中规定的第二类气质标准要求为：CO2体积分数＜3.0%，H2S质量浓度≤20×10-6。在该工艺流程中，原料气（天然气）首先进入过滤器除去原料气中的小液滴、固体杂质和污染物等。从过滤器中出来的天然气进入吸收塔底部，与从塔顶部进来的吸收剂（混合胺液）逆向接触。由于混合胺液与酸性气体发生的是放热反应，因此从吸收塔顶出来的天然气温度将会升高。甜气（脱出酸性气体的天然气）从塔顶流出吸收塔，吸收了酸性气体后的混合胺液（富液）从塔底流出。随后富液进入闪蒸罐内进行压缩，此时会有一部分酸性气体从富液中分离出来。从闪蒸罐底部流出的富液进入混合胺液/富液换热器与再生塔底流出的混合胺液进行换热，富液的温度升高至90～95℃后进入再生塔。从再生塔底部流出的混合胺液与水混合，经冷却器冷却后由泵送回吸收塔塔顶，至此完成一次循环。

本研究模拟所采用混合胺液的质量分数为50%，模拟方案见表3。

在8个模拟方案中，甜气中酸性气体质量分数和总能耗见表4和表5。从表4和表5可以看出，不同模拟方案的脱酸效果和系统总能耗不同。在这8个方案中，主要考虑的变量是混合胺液的进塔温度、循环量、组分和组分浓度。下面对这几种变量对系统脱酸效果和能耗的影响分别进行讨论。

对比方案一和方案二研究混合胺液进入吸收塔的温度对系统的脱酸效果和能耗的影响。如图2所示，在其他条件不变的情况下，当混合胺液进塔温度升高时，甜气中H2S和CO2的含量均有不同程度的提高，即脱酸效果变差。对于MDEA+DEA/MEA两种混合胺液来说，当混合胺液进塔温度升高时，甜气中H2S的含量随着MDEA在混合胺液含量的增大而明显地增大，增长速率也增大；而CO2含量的增大趋势却比较平缓，这说明贫胺溶液的进塔温度对H2S浓度的影响比较明显。

对于各种类型的吸收剂，当改变混合胺液的进塔温度时，系统总能耗几乎不变（图3）。

对比方案二和方案三研究混合胺液循环量对系统的脱酸效果和能耗的影响（图4）。在其他条件不变的情况下，对于两种类型的混合胺液，提高循环量均能促进H2S和CO2的吸收，但两者的吸收过程却大不相同。如图4a所示，随着混合胺液循环量的增加，甜气中H2S含量先是急剧降低，然后趋于平稳。对于MDEA+DEA混合胺液，当循环量约为2 600 kmol/h时，甜气中H2S的含量不再发生明显变化，而对于MDEA+MEA混合胺液，该循环量仅为2 200 kmol/h。如图4b所示，相比于H2S，随着混合胺液循环量的增加，甜气中CO2含量降低的速率几乎不变。而对于MDEA+DEA的混合胺液，当循环量约为3 000 kmol/h时，甜气中CO2含量不再发生明显变化，而对于MDEA+MEA的混合胺液，该循环量也仅为2

200 kmol/h。这说明同一种类型的吸收剂与不同酸气组分之间的反应速率和程度是不同的。因此，一味地增加吸收剂的循环量虽然最终能够使产品满足标准规定，但其收益却远远小于所带来的成本的增加。

如图5所示，对于MDEA+MEA混合胺液，提高循环量会导致循环泵功率和再生塔的热负荷增加，从而增加系统能耗。但是对于MDEA+DEA混合胺液来说，却呈现相反的趋势。当循环量增加时，循环泵功率的增加是必然的，但再生塔的热负荷却是降低的，而且降低的幅度要大于循环泵功率增加的幅度。这是由于DEA的碱性要弱于MEA，与酸性气体反应生成物质的化学键较弱，而且MDEA在与酸性气体的反应过程中会起到催化剂的作用，从而降低了反应的活化能。因此富液所需的再生热会随着MDEA+DEA混合胺液循环量的增加而降低。

对比方案三与方案六、方案四与方案七、方案五与方案八研究不同组分的混合胺液对系统的脱酸效果和能耗的影响。从图2可看出，当混合胺液进塔温度相同时，MDEA+MEA混合胺液的脱酸能力要强于MDEA+DEA混合胺液。从图4可看出，当循环量一定时，MDEA+MEA混合胺液的脱酸能力也要强于MDEA+DEA混合