一种低压不含硫低温甲醇洗新方法

     作者：张毅                                                                                            

    本次设计为某厂一期工程的乙炔尾气净化工艺，待该厂正式建成后，进料气会发生改变，因此不配备过低冷源，且进料气压力仅为1.9  MPa，使净化气达标和甲醇回收有一定难度。

    1  新流程原料气组成及工艺要求

    该厂原料气流量为3  437.5 kmol/h，温度30. OCC，压力为1.9 MPa。原料气具体成分见表1。

    由原料气组成可知，该原料气主要成分为CO和H2，含有少量C02、CH4、N2、C2以及少量的水，根据工艺要求，净化气中C02摩尔分数要小于20×10-6，废水废气排放要达到国家标准。依据工艺流程，可分析出在排放物中主要污染物为甲醇，依据《大气污染物综合排放标准》及《污水排放综合标准》要求，废气中甲醇排放量要小于220 kg/h。废水中甲醇摩尔分数小于500×10-6。

    2工艺设计分析

    因原料气中不含硫，应用一步法流程，可适当对低温甲醇洗流程进行简化，以增大系统的经济性能。林德公司的一步法低温甲醇洗流程操作压力为2.4~8.0 MPa，而实际工况中只有1.9 MPa，压力较低，且该工艺流程无特殊冷源，在保证达标的前提下，应尽量减少公用工程使用量。

低温甲醇洗工艺流程简图如图1所示，现将低温甲醇洗工艺流程（一步法）简述如下。

    低温甲醇洗工艺流程通常处理含有C02、H2S、COS、RSH、HCN、NH3、水等物质的原料气。原料气进入系统后，喷淋少量甲醇防止水结冰，经由换热器换热后将低温原料气送人C02吸收塔(Tl)。在Tl中用贫甲醇洗涤原料气，可将原料气中所含的C02、H，S、COS、RSH、HCN，NH3等酸性物质吸收，塔顶即可得到主要成分为CO和H，产品的净化气，塔底是吸收了酸性气体的富甲醇。Tl上部分为脱碳段，下部分为脱硫段。将主要含有H2S和C02的富甲醇引入到C02解吸塔（T）进行解吸，得到高纯度的C02气体，由塔顶引出作为C02产品气，可供下游生产尿素使用。此时，富甲醇中主要含有H2S成分，进入H2S浓缩塔(T3)中进一步用氮气汽提进行解吸，塔顶主要为剩余的C02和汽提通入的N2成分，塔底为富含H2S甲醇溶液。因为塔顶引出的气体主要以N2和C02为主，经由水洗塔(T6)进行水洗后，可以达到排放标准，直接排放。塔底为含有少量甲醇的水。为避免甲醇损失，同时达到废水排放或循环利用的标准，将T6塔底产物经甲醇／水分离塔( T5)进行甲醇的脱水，将塔顶含有微量杂质的甲醇送回甲醇热再生塔( T4)进行再生，将塔底几乎不含杂质的水进行排放或引入T6进行循环使用。含有H2S的富甲醇则进入T4进行甲醇再生，塔底可得到摩尔分数为99 010以上的贫甲醇，将其引回至Tl进行循环使用，T4顶得到富含H2S的气体，送克劳休斯硫回收系统进行硫回收。

    3  新工艺流程模拟

    根据某厂实际工况及原料气组分，针对1.9 MPa低压，以及没有过多冷源的情况下，拟定原料气冷却温度为-35℃，新工艺流程设想如下。

    (1)新流程中对净化气中C02摩尔分数要求相对较低，尤其是原料气进料压力偏低，不利于贫甲醇对酸性气体的吸收。因为原料气中不含硫，原流程中脱硫段在新流程中失去意义，可省略。

    (2)在尾气回收中，因原料气不含硫，亦可将克劳斯回收系统省略。

    (3)为确保C02在净化气中的摩尔分数达到工艺要求，需要加大贫甲醇的循环量。

    (4)新流程中不要求C02产品气，为了降低贫甲醇中C02的摩尔分数，选用汽提塔作为C02的解析塔，省略C02解析塔。

    3.1新工艺流程简述

    经过对新流程原料气及工艺要求的分析，结合生产实际要求，综合得出低压不含硫原料气的低温甲醇洗流程。

    (1)原料气进入系统，先喷射少量甲醇，防止原料气中水因过冷而结冰，经原料气冷却器与净化气换热后，进入预洗罐(Vl)分离出少量的水和杂质。

    (2)预洗后的原料气进入C02吸收塔(Tl)，塔顶用贫甲醇洗涤，净化气由塔顶引出。洗涤用的污甲醇中含有C02等组分，需要脱除C02后，将甲醇重复利用。

    (3) Tl塔底的富甲醇溶液进入中压闪蒸塔( V2)，闪蒸出部分C02同时解吸出有价值的H2和CO（净化气的主要成分）。将这股气体导回Tl进行再利用，塔底富甲醇进入氮气汽提塔（T2），在T2塔底通人适量氮气进行汽提解吸出CO，。

    (4) T2塔底为含有少量杂质的贫甲醇，经换热升温后进入甲醇热再生塔( T3)进行热再生，塔顶气体引入水洗塔进行尾气洗涤。经甲醇热再生塔后，塔底绝大部分含有极少量杂质的贫甲醇循环至Tl塔顶作为吸收塔的吸收剂循环使用，少量贫甲醇作为到水洗塔( T4)的回流，用于吸收尾气中的杂质，确保塔顶尾气达到排放标准，从T4塔底来的甲醇与水的混合物进入甲醇／水分离塔( T5)中段。

    (5)T5塔顶含有杂质的甲醇蒸气返回T3，对其进行热再生，T5塔底得到含有极少杂质的水，经模拟计算已经达到排放标准，可直接排放或者利用这部分水对尾气进行洗涤。

最终确定的工艺流程图如图2所示。

    3.2操作参数的确定

    3.2.1  物性方法的确定

    一般来说性质计算涉及的物性有热力学性质、传递性质、非常规组分的焓计算，在物性方法选择中，Aspen Plus对其进行了分类以便于在模拟中进行选择，根据低温甲醇洗工艺是在高压条件下利用低温甲醇对酸性气体进行吸收，气体中所含主要物质为极性物系，不含电解质，并且二元交互参数数据缺乏，因此选择PSRK方法进行计算。

    3.2.2主要单元操作的模拟

    (1)吸收塔的参数确定

    在工艺设计中，精馏塔的分离效果和塔板数紧密相关，并且塔板数越多投资成本越大。因此，在满足工艺条件的基础上，塔板数应尽量降低。

在原料气已知的前提下，保持进料量、进料位置不变，进行塔板数的计算，并绘制成曲线，如图3所示。

    由图3可知，随着吸收塔塔板数的增多，C02摩尔分数逐渐减少，当塔板数达到17块塔板时，C02摩尔分数下降趋势变缓，当达到20块塔板时，净化气所含C02的摩尔分数为18 x10-，能够满足工艺要求。因此，吸收塔塔板数选择20块塔板为宜。

当吸收塔塔板数确定后，为使净化气达标，对甲醇喷淋量进行模拟计算，并绘制成曲线。由图4可知，当甲醇喷淋量达到9 350 kmol/h时，净化气中C02摩尔分数符合设计要求。

    (2)水洗塔的参数确定

由图5可知，随着水洗塔塔板数的增多，甲醇的含量逐渐减少，当达到6块塔板时，CH。0的排放量为70. 72 kg/h，达到《大气污染物综合排放标准》的要求，符合排放要求。

    3.2.3主要单元操作参数

    以Aspen Plus软件模拟结果为依据，结合实际生产需求，确定主要物流参数及主要塔设备的操作参数见表2。

    本套低温甲醇洗流程，是在原经典流程的基础上改进而来的，换热网络暂延用原设计网络思路。目前共有换热器7台，其中4台是双流股换热器，3台是公用工程换热器（其中1台为氨冷器）。

    3.3  工艺流程模拟结果

    热负荷及公用工程用量如表3所示。

    关键物流模拟结果如表4所示。

    从模拟结果可以看出，整个系统的甲醇喷淋量为9 358 kmol/h，净化气中C02摩尔分数为18×10-6，完全符合工艺要求。另外，废气中主要是C02和N2，其中污染物甲醇的排放量为70. 72 kg/h，小于《大气污染物综合排放标准》中220 kg/h的排放要求。废水中杂质的含量甚微，甲醇摩尔分数仅为80 x10-6，远小于国家废水排放标准允许的最高甲醇摩尔分数为500×10-的要求，满足排放标准。而在甲醇热再生塔底所得到的循环贫甲醇摩尔分数可以分离到99%以上，满足循环要求。

    4结语

    综上所述，本文中完成了1.9  MPa压力下，-35℃贫甲醇对原料气的净化工艺，实现了预期目标，达到了国家废水废气的排放标准。并对低温甲醇洗工艺的应用范围进行探索。

    (1)针对压力较低的实际工况，利用低压闪蒸罐作为预洗段，合理增大C02吸收塔的甲醇循环量，使净化气达标。

    (2)使用氮气汽提塔脱除富甲醇中的气体杂质，减少热再生塔负荷，使再生甲醇摩尔分数达到99. 9%，高纯甲醇减少了设备腐蚀，同时也为净化气达标打下基础。

    (3)因为低温高压是低温甲醇洗工艺的必要条件，本文中设计的工艺流程在1.9  MPa的压力下，-35℃温度的条件下进行，虽然甲醇循环量偏大，但是在模拟工艺过程中，再沸器、冷凝器负荷仍保持较低水平，具有一定的经济性。

使得低温甲醇洗工艺可以在较低压力下脱除原料气中的C02等杂质，并没有因为压力不足而增加设备投资和公用工程的使用量，同时流程因原料气中不含硫而得到简化，使低温甲醇洗工艺流程的应用范围得以扩展。

    5摘要：

    根据某厂实际工况要求，在传统的一步法甲醇洗工艺流程基础上，根据设计需求和流程分析，设计了1套1.9 MPa乙炔尾气净化工艺，并使用通用化工模拟软件对其进行模拟及优化，最终形成了工艺结构简单、综合能耗较低的工艺流程。