基于HYSYS模拟的天然气脱碳影响因素的研究

邓凡锋，田广新，曾凡平，翟坤明，李宝玉

(华油天然气股份有限公司天然气应用技术研究所，四川 成都 610000)

基于HYSYS模拟的天然气脱碳影响因素的研究

邓凡锋，田广新，曾凡平，翟坤明，李宝玉

(华油天然气股份有限公司天然气应用技术研究所，四川 成都 610000)

采用Aspen Hysys模拟软件，对胺液脱除天然气中CO2的影响因素吸收塔塔板数目、吸收塔操作压力、原料气温度、MDEA溶液浓度、胺液组成进行模拟研究，并对模拟结果进行规律总结和合理解释。模拟结果表明，吸收塔塔板数目的增加对于胺液吸收CO2有促进作用；吸收塔的操作压力增大使得CO2的脱除率呈现出先线性增大后逐渐变缓的趋势；原料气的反应温度提高使CO2的脱除率提高；MDEA浓度的增大在一定范围内提高了CO2的脱除率，浓度过高时CO2的脱除率减小；MEA、DEA的加入会提高MDEA脱CO2的活性，且MEA促 进效果优于DEA。

净化天然气；MDEA；脱CO2；HYSY S软件；模拟

CO2是天然气中主要存在的酸性气体，它们会造成管道和设备钢材的腐蚀，并且CO2作为天然气中的不可燃成分会降低天然气的热值[1-2]。我国对天然气中的CO2含量有明确的标准，GB 17820-2012规定一类天然气中要求CO2的含量≤2%，二类天然气中要求CO2的含量≤3%。

目前主要的天然气脱酸性气体方法有干法、湿法、膜分离法、生物法[3-4]。醇胺湿法脱硫脱碳具有价格较低、可再生、处理量大等优点，是应用最为广泛的天然气净化方法，常用的醇胺溶液有MEA、DEA、MDEA及混合胺法。其工艺路线大致相同[5-6]，即天然气与醇胺溶液在吸收塔中逆向接触脱除其中的酸性气体以达到净化目的。

本文采用Aspen Hysys模拟软件，系统研究了吸收塔塔板数目、吸收塔操作压力、原料气温度、MDEA溶液浓度、胺液组成对于CO2气体吸附脱除的影响，总结规律性并对其进行合理的解释。

1 净化装置的模拟分析

1.1 工艺流程

某工厂天然气净化脱碳装置的日处理量为100×104m3，气质组分如表1所示。净化装置的主要工艺流程如图1所示。天然气在吸收塔内与MDEA贫胺溶液逆向接触吸收脱除天然气中的CO2，富胺液经过闪蒸脱除吸附的烃类化合物，后经贫富胺液换热器进入汽提塔进行再生，再生后的贫胺液经降温由胺循环泵打回吸收塔完成循环。

图1 天然气净化脱碳工艺流程图Fig2.1 Process flow diagram of removing CO2in natural gas

表1 原料天然气的组成Table1 Composition of raw natural gas

1.2 Hysys模型的建立

Aspen Hysys自带有专门为天然气脱除酸性气体开发的Amines Property Package 模型，本文选择此模型。此模型中包含Kent-Eisenberg和Li-Mather两个热力学模型，前者属于半经验热力学模型，后者是基于严格的热力学机理模型，本文模拟选择Li-Mather热力学模型。

2 净化装置的模拟分析

2.1 吸收塔塔板数目对脱碳效果的影响

图2是在天然气吸收塔进料温度为40℃，MDEA贫液质量浓度为45%，吸收塔压力5.5MPa，不同的贫胺液流量条件下，CO2的吸收脱除率与吸收塔塔板数目的关系图。 由图2可知，随着吸收塔的塔板数由10增加至14，在不同的胺液流量条件下，天然气中CO2的脱除率都随之增加；在较低流量（45、50、55m3·h-1）的条件下，CO2的脱除率与塔板数的增加呈线性增加，而在较高流量（60、65m3·h-1）的条件下，CO2的脱除率与塔板数的增加趋势变缓。这是因为吸收塔的塔板数目增加有利于气液传质，使得气液接触时间增长，利于胺液对CO2的吸收；高流量高塔板数下脱除率变缓的原因可能是CO2与胺液的吸附接近平衡。

图2 吸收塔塔板数对天然气脱碳效果的影响Fig.2 Influence of absorber plate number on natural gas removal rate of CO2

2.2 吸收塔操作压力对脱碳效果的影响

图3是在MDEA贫液质量浓度为45%，吸收塔的塔板数目为10，原料天然气温度40℃，不同的贫胺液流量条件下，CO2的吸收脱除率与天然气吸收塔进料温度的关系图。由图3可知，随着吸收塔操作压力的提高，CO2的脱除率呈现出先线性增大后逐渐变缓的趋势。这是因为操作压力的提高使得单位体积内的分子数目增多，MDEA与CO2发生反应的几率增大，使得CO2的脱除率提高。高于5.5MPa趋势变缓的原因可能是增大操作压力提高了板间压降，导致MDEA发泡，影响吸收效果。

2.3 原料气温度对脱碳效果的影响

图4是在MDEA贫液质量浓度为45%，吸收塔的塔板数目为10，吸收塔压力5.5MPa，不同的贫胺液流量条件下，CO2的吸收脱除率与天然气吸收塔进料温度的关系图。由图4可知，不同流量的MDEA随着入口天然气温度的提高均使CO2的脱除率增加，并且5条直线的斜率接近。这是因为虽然CO2与MDEA的反应是放热反应，升高原料气的温度不利于反应向正方向进行；但是MDEA吸收CO2是动力学控制的反应，原料气的温度升高会提高分子的活跃程度，增加了单位体积内分子的有效碰撞几率，进而加速两者的反应速率，提高CO2的脱除率。

图3 吸收塔操作压力对天然气脱碳效果的影响Fig.3 Influence of absorber pressure on removal rate of CO2

图4 原料气温度对天然气脱碳效果的影响Fig.4 Influence of raw gas temperature on natural gas removal rate of CO2

2.4 MDEA溶液浓度对脱碳效果的影响

图5是在天然气吸收塔进料温度为40℃，吸收塔的塔板数目为10，吸收塔压力5.5MPa，不同的贫胺液流量条件下，CO2的吸收脱除率与贫胺溶液质量浓度的关系图。由图5可知，在贫胺流量为45 m3·h-1时，CO2的脱除率呈逐步增大的趋势；

在贫胺流量为50 m3·h-1、55 m3·h-1时，CO2的脱除率曲线几乎是水平直线，说明MDEA浓度的增大对于CO2的吸收影响不大；在较高的流量（60、65m3·h-1）下，CO2脱除率随着MDEA浓度的增大呈现先增加后降低的趋势，趋势的转折点对应的MDEA的浓度65 m3·h-1低于60 m3·h-1，这是因为MDEA与CO2的吸附反应可以认为是假一级反应[7-8]，可以近似看作物理吸收过程，在低浓度和流量时，随着MDEA溶液浓度的提高，增加了两者的浓度梯度，传质效率提升，但当MDEA质量浓度过高时，溶液的黏度增大抑制了CO2的吸收。

图5 MDEA贫液浓度对天然气脱碳效果的影响Fig.5 Influence of MDEA aqueous solution mass concentration on natural gas removal rate of CO2

2.5 胺液组成对脱碳效果的影响

图6 胺液的组成天然气脱碳效果的影响Fig.6 Influence of amine composition on natural gas removal rate of CO2

图6是在吸收塔的塔板数目为10，吸收塔操作压力5.5MPa，原料天然气入口温度40℃，不同的胺液组成的条件下，CO2的吸收脱除率与胺液组成的关系图。由图6可知，MEA、DEA的加入明显提高了MDEA的脱CO2效果，并且在相同含量的添加条件下，MEA提高脱碳的效果优于DEA。这一方面是因为醇胺与CO2反应的实质是酸碱中和反应，反应速率的快慢很大的程度上取决于醇胺溶液的碱性强弱，MDEA是呈弱碱性的叔胺；而MEA是伯胺，在胺类的溶液中其碱性最强；DEA作为仲胺碱性比MEA弱，在溶液中可以反应生成具有催化效果的氨基甲酸盐和质子化的物质[9-11]，进而提高MDEA的脱碳活性。

3 结论

1）吸收塔塔板数目的增加提高了胺液对CO2的吸收率，但是由于CO2与胺液的接近吸附平衡致使高流量高塔板数下脱除率变缓。

2）吸收塔的操作压力增大使得CO2的脱除率呈现出先线性增大后逐渐变缓的趋势。

3）原料气的反应温度提高使得单位体积内的有效分子碰撞几率增大，提高了CO2的脱除率。

4）MDEA浓度的增大在一定范围内提高了CO2的脱除率，浓度过高时由于黏度增大会降低CO2的脱除率。

5）MEA、DEA的加入会提高MDEA脱CO2的活性，且MEA促进效果优于DEA。

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Influence Factors Study on Natural Gas Decarbonization based on HYSYS Simulation

DENG Fan-feng, TIANG Guang-xin, ZENG Fan-ping, ZHAI Kun-ming, LI Bao-yu
(China Natural Gas Corporation Limited Research Institute, Chengdu 610000, China)

Aspen Hysys simulation software was used to simulate amine liquid rem oving CO2in natural gas.In this simulation some inf uence factors was researched such as absorption tower tray number, absorption tower operating pressure, raw natural gas temperature, MDEA solution concentration, composition of amine liquid, then the laws was summarized and reasonable explanation was gave.The simulation results showed that increasing the absorption tower plate number promoted CO2absorption, operation pressure to CO2removing rate presented a trend of increases linearly at f rst and then gradually slow, increasing feed gas temperature improved the CO2removal rate, MDEA concentration within a certain range increased the CO2removal rate, excessive concentration decreased CO2removal rate, adding MEA,DEA improved the MDEA activity.

purif ed natural gas; MDEA; decarbonization; HYSYS software; simulation

TE 624.5

A

1671-9905(2015)02-00-

2014-11-13