基于HYSYS的天然氣脫碳工藝優(yōu)化及動態(tài)分析

　　摘要：采用AspenHYSYS對廣東省某60×104m3/d天然氣液化裝置的甲基二乙醇胺(MDEA)和二乙醇胺(DEA)配方溶劑脫碳單元進行了穩(wěn)態(tài)模擬，對比實際調(diào)研數(shù)據(jù)驗證了模型的可靠性;以最小能耗為目標，以深度脫碳為約束條件，完成了脫碳胺液配比和工藝操作參數(shù)的優(yōu)化;進一步搭建了吸收塔和再生塔的動態(tài)控制模型，分析了原料氣流量增大時有關(guān)參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)情況。結(jié)果表明：通過優(yōu)化可使總能耗降低2.2%，約1.0×106kJ/h;參數(shù)動態(tài)響應(yīng)情況可以結(jié)合勒夏特列原理進行分析，各參數(shù)會有0.05%~2.1%的波動，但能夠在5~30min達到穩(wěn)定。

　　關(guān)鍵詞：天然氣脫碳;流程模擬;HYSYS;參數(shù)優(yōu)化;動態(tài)分析

　　在天然氣脫碳工藝優(yōu)化方面，國內(nèi)外學(xué)者重點對醇胺法進行了研究。通常以工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用AspenHYSYS、AspenPlus或Pro/II等工藝流程模擬軟件建模。在模擬結(jié)果與生產(chǎn)數(shù)據(jù)吻合后，分析各操作參數(shù)對脫碳效果以及整體能耗的影響情況，發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律與最佳工況點，從而實現(xiàn)脫碳參數(shù)的優(yōu)化。在脫碳動態(tài)分析方面，相關(guān)報道相對較少，有很大的研究空間。

　　天然氣論文范例：天然氣水分檢測常用方法與進展

　　Gutierrez等[1]采用HYSYS對阿根廷Aguaragüe天然氣凈化站的MDEA脫碳單元進行建模，考察了系統(tǒng)在處理五種不同的原料氣時，胺液流速、吸收塔溫度和閃蒸罐壓力變化對能耗和脫碳 效果的影響情況，并結(jié)合靈敏度分析得到了最佳操作條件，但未對脫碳單元進行動態(tài)模擬和分析，無法論證優(yōu)化參數(shù)在實際工況下能否保持穩(wěn)定。李小飛等[2]采用AspenDynamics研究了帶基本控制的MEA脫碳單元在再沸器熱功率、煙氣流量及煙氣組分出現(xiàn)10%階躍變化時，再沸器溫度、貧液CO2擔載量、CO2脫除率和再生能耗的動態(tài)響應(yīng)特性，但未對脫碳工藝的胺液配比進行優(yōu)化，該模型還可進一步降低能耗。

　　Fl尷等[3]使用K鄄Spice研究了Brindisi中試裝置的MEA脫碳單元在變負載、變待處理氣流量、變再沸負荷和變胺液儲量四種模式下脫碳率、胺液循環(huán)量等的動態(tài)響應(yīng)特性，但未對脫碳工藝進行優(yōu)化，僅重點分析了系統(tǒng)外部條件改變所帶來的影響。針對如何能較為全面地集合天然氣脫碳工藝優(yōu)化和動態(tài)分析這一問題，本文通過HYSYS建立了天然氣脫碳單元穩(wěn)態(tài)模型，探尋了天然氣脫碳單元的總能耗和凈化氣CO2含量(物質(zhì)的量分數(shù))隨胺液配比和工藝操作參數(shù)的變化規(guī)律，進而從中找到合適的主變量優(yōu)化范圍;建立了脫碳單元動態(tài)模型，并結(jié)合勒夏特列原理，在原料氣流量增大10%的工況下，對吸收塔、再生塔的動態(tài)響應(yīng)情況進行了 分析。

　　1天然氣脫碳工藝流程模擬

　　1.1工藝流程介紹

　　廣東某60×104m3/d天然氣液化裝置的脫碳單元工藝流程。脫碳單元采用MDEA+DEA配方溶劑法對原料氣進行預(yù)處理，配方胺液中MDEA為主劑，DEA為助劑，二者進行混合配比后存在交互作用。工藝流程為：原料氣經(jīng)過濾分離器后，自吸收塔底部進入，與自上而下的混合胺溶液逆流接觸，脫除CO2后從塔頂排出，進入分子篩脫水單元。富胺液自吸收塔底部流出，降壓閃蒸后在貧/富MDEA換熱器中與貧液換熱升溫，接著從中上部進入再生塔，在規(guī)整填料中向下流動到塔底并與沿塔上升的蒸汽接觸、傳質(zhì)，液流中的CO2上升、富集，從塔頂排出。塔底排出的貧胺液經(jīng)循環(huán)泵增壓后再通過空冷器冷卻降溫，進入吸收塔塔頂，完成循環(huán)。

　　2脫碳工藝參數(shù)優(yōu)化

　　總能耗和凈化氣CO2含量隨MDEA和DEA配比的變化情況。隨著MDEA濃度(質(zhì)量濃度)的減少，DEA濃度的增加，總能耗增加，凈化氣CO2含量減少。當總胺濃度為45%時，可取的MDEA濃度為29%~35%，可取的DEA濃度為10%~16%(若高于此范圍上界限，流程無法收斂;若低于此范圍下界限，凈化氣CO2含量不達標)。當總胺濃度為42%時，相較于原配方(45%)總能耗整體下降，可取配比范圍縮小，可取的MDEA濃度為27%~32%，可取的DEA濃度為10%~16%。當總胺濃度為48%時，相較于原配方總能耗整體上升，可取配比范圍擴大，可取的MDEA濃度為31%~39%，可取的DEA濃度為9%~17%。

　　對脫碳單元的胺液配比進行優(yōu)化的前提是可以對工藝模擬的胺液配比進行調(diào)整，調(diào)整后的脫碳單元優(yōu)化模型。依據(jù)上述胺液配比的允許范圍，采用HYSYS優(yōu)化器進行脫碳單元的胺液配比優(yōu)化，優(yōu)化方法選擇SQP[7]，允許誤差為1.0×10鄄5，最大迭代次數(shù)為30。脫碳單元的胺液配比優(yōu)化前和優(yōu)化后數(shù)據(jù)。經(jīng)對比，總能耗4.55×107kJ/h降低到4.46×107kJ/h，降低了1.98%，并且凈化效果好于優(yōu)化前。

　　2.2工藝操作參數(shù)優(yōu)化

　　在胺液配比優(yōu)化完成的基礎(chǔ)上，進一步模擬總能耗和凈化氣CO2含量隨吸收溫度、吸收壓力、再生壓力和胺液循環(huán)量的變化情況。 隨著吸收溫度的增加，總能耗減少，凈化氣CO2含量在吸收溫度為50°C附近處有最低點，可取的吸收溫度為45~55°C。隨著吸收壓力的增加，總能耗基本保持恒定，凈化氣CO2含量減少，可取的吸收壓力為4440~4500kPa。隨著再生壓力的增加，總能耗增加，凈化氣CO2含量減少，在240kPa后凈化氣CO2含量基本保持恒定，可取的再生壓力為185~240kPa。

　　隨著胺液循環(huán)量的增加，總能耗增加，凈化氣CO2含量減少，在3150kmol/h后凈化氣CO2含量基本保持恒定，可取的胺液循環(huán)量為2650~3150kmol/h。依據(jù)上述工藝操作參數(shù)的允許范圍，采用HYSYS優(yōu)化器進行脫碳單元的工藝操作參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化器設(shè)置參數(shù)不變。

　　3脫碳單元動態(tài)分析

　　在動態(tài)模式下，需對設(shè)備的壓力、流量、液位和溫度等參數(shù)進行控制。根據(jù)響應(yīng)曲線的變動情況，對控制器進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，比例系數(shù)Kc越大，控制作用越強，系統(tǒng)反應(yīng)越靈敏，但在單獨作用時會產(chǎn)生余差，調(diào)節(jié)精度不高;積分時間Ti越小，控制作用越強，克服余差能力越強，但會加劇過渡過程的震蕩，甚至可能發(fā)展成為不穩(wěn)定的發(fā)散震蕩。

　　4結(jié)論

　　本文采用AspenHYSYS對廣東省某60×104m3/d天然氣液化裝置的MDEA和DEA配方溶劑脫碳單元進行了穩(wěn)態(tài)模擬;以最小能耗為目標，以深度脫碳為約束條件，對吸收塔和再生塔的關(guān)鍵操作參數(shù)進行了優(yōu)化;并進一步搭建了吸收塔和再生塔的動態(tài)控制模型，分析了當原料氣流量增大10%時，相關(guān)參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)情況及變動原因。得到如下主要結(jié)論：

　　(1)總胺濃度與總能耗正相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，MDEA占比越大總能耗越小，DEA占比越大脫碳效果越好。吸收溫度、再生壓力和胺液循環(huán)量會同時影響總能耗和脫碳效果，但吸收壓力僅能影響脫碳效果。通過優(yōu)化可實現(xiàn)在達到脫碳指標的同時使總能耗降低2.2%，約1.0×106kJ/h。(2)動態(tài)模型中的相關(guān)參數(shù)會有0.05%~2.1%的波動，但均能夠在5~30min內(nèi)達到穩(wěn)定值，相關(guān)變化情況可用勒夏特列原理進行解釋。

　　參考文獻

　　[1]GutierrezJP,TarifaEE,ErdmannE.Steady鄄stateenergyoptimizationandtransitionassessmentinaprocessofCO2absorptionfromnaturalgas[J].Energy,2018,159:1016鄄1023.

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　　[5]郭海燕.某60萬m3/d天然氣液化裝置工藝診斷及系統(tǒng)優(yōu)化[D].華南理工大學(xué),2018.

　　作者：徐斌揚1,2，吳曉南1，李昊1

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