【文章內(nèi)容簡介】 的計算完全忽略了塔內(nèi)回流量．應用 Aspen Plus建立的模型難以達到物料平衡，因此提出了改進的減壓塔模型， 將塔頂部分油返回至塔底渣油，可解決物料平衡的問題，建立了常減壓模型。運用 Aspen Plus模擬軟件的靈敏度分析工具可以研究過程參數(shù)對常減壓產(chǎn)品分布的影響程度，通過工況分析，可以在裝置的約束條件范圍內(nèi)確定不同操作條件下的最優(yōu)化生產(chǎn)方案。 用 Aspen Plus模擬軟件對中國石化天津分公司 2． 5Mt／ a常減壓裝置的流程模擬得到了與實際生產(chǎn)流程較為一致的結果，其中減壓系統(tǒng)的模擬需要補充模擬裂解氣。 利用靈敏度分析，最優(yōu)化工具結合約束模塊，選取合適的自變量，基于Aspen Plus常減壓蒸餾模型可以較方便快速的得到 最優(yōu)化解決方案，供企業(yè)生產(chǎn)者參考。在一定約束條件下提出了提高拔出率和增產(chǎn)柴油的優(yōu)化方案，可為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。 [14] 本課題的目的和意義 經(jīng)濟發(fā)展使得人類對化石燃料的需求量的不斷增加，導致二氧化碳（ CO2）的排放量逐年提高，造成越來越嚴重的地球溫升問題。溫室效應是由于以 CO2 為代表的溫室氣體的大量排放造成的，化石燃料燃燒產(chǎn)生的 CO2 占人類活動引起的CO2 排放量的 80%，其中電廠煙道氣 CO2 排放量 30%，因此電廠煙道氣脫 CO2 是削減溫室效應的關鍵。 Aspen plus 是生產(chǎn)裝置設計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型 通用流程模擬系統(tǒng)。它為用戶提供了一套完整的單元操作模型，可對各種操作過程，從單個操作單元到整個工藝流程進行設計，模擬和優(yōu)化。 本課題是用 Aspen Plus 對二氧化碳捕獲技術工藝過程設計進行模擬。設計出合理的二氧化碳捕獲系統(tǒng)技術工藝過程，其中包括吸收塔和再生塔設計等，具有重要的實際意義。 第二章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝流程 10 第二章 CO2捕獲系統(tǒng) 工藝流程 Aspen plus 模擬步驟 物性選擇原則 NRTL 物性方程 基于 NRTL、 NRTL NRTLHOC、 NRTLNTH、和 NRTLRK 等物性方程，用 NRTL模型 計算液體的活度系數(shù)。該方程被推薦用于非強理想性化工系統(tǒng)和氣液平衡或液液平衡裝置，也可用于改進狀態(tài)方程混合規(guī)則，例如 WongSandier 和 MHV2 等。 用于模擬電解質(zhì)溶液的 ELECNRTL 物性方程 對許多工業(yè)系統(tǒng)的模擬都需要一種對電解質(zhì)溶液進行嚴格處理的模擬方法。我們可以應用 Aspen Plus 提供的特殊的電解質(zhì)溶液的性能對特定的工業(yè)系統(tǒng)進行模擬。這些工業(yè)系統(tǒng)主要包括： 酸性水溶液，即含溶解有 H2S， NH3， CO2， HCN 等的水系，有時需要一些附加的溶劑。 基于氣體凈化的水合胺溶液，即 含有 DGA， MEA， DEA， MDEA 的用于 H2S和 CO2 脫除的水溶液。 基于水合酸或以此為基礎的溶液，即 HCI， HBr， H2SO4， H3PO4， HNO3，HF， NaOH， KOH 以及其它物質(zhì)的水合物，有時需要附加溶劑。 鹽溶液，即 NaCL， KCI， Na2SO4， CaSO4， CaCO3 的水溶液，有時需要參與反應。 電解質(zhì) NRTL 活性系數(shù)模型 —— ELECNRTL，是一種被 Aspen Plus 推薦的用于模擬電解質(zhì)溶液的模型。 ELECNRTL 通過電解質(zhì) NRTL 活性系數(shù)模型計算液相物性數(shù)據(jù)。氣相物性數(shù)據(jù) 則通過 RedlichKwong 靜態(tài)方程計算。 物性方程 RedlichKwong RedlichKwong 狀態(tài)方程可以為以下性質(zhì)方法計算熱力學性質(zhì)： NRTLRK、UNIFAC、 UNIFLL、 UNIQRK、 VANLRK 和 WILSRK。它適用于從低壓到中壓（最大壓力為 10atm）范圍，且汽相非理想程度較低的系統(tǒng)。對于非理想程度較高的系統(tǒng)，例如包含有機酸的系統(tǒng)推薦使用 HaydenO’ Connell 模型。對于液相性質(zhì)計算不建議使用這個方程。第二章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝流程 11 工藝模型的建立 ：在進行模 擬之前，必須根據(jù)相應的生產(chǎn)工藝確定合理的工藝流程。主要包括工藝涉及的操作單元，各個單元的排列分布方式和各個單元要達到的生產(chǎn)目標。 ：全局規(guī)定主要對模擬過程和模擬計算結果的單位制進行選擇，并設定設計的題目，用戶名等參數(shù)。 ：根據(jù)模擬項目涉及的化學反應，物流組分，確定整個生產(chǎn)工藝中的化學組分。如果在生產(chǎn)過程中，有電解質(zhì)的解離和生成，需要將電解質(zhì)涉及的離子也要進行確定。 ：物性方法是指能夠正確模擬生產(chǎn)過程的化學熱力學方法。物性方法的選擇是流程模擬計算結果準確程度的 關鍵， Aspen Plus 有強大的物性計算支持，但如何挑選、組合這些參數(shù)和計算模型，則需要物性計算的理論知識、 Aspen Plus 的使用經(jīng)驗和對分離過程的了解。 ：進料物流的屬性包括物流組成，溫度，壓強，汽液比等基礎數(shù)據(jù)，在此基礎上 Aspen Plus 進行模擬計算。 ：根據(jù)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的要求設定操作單元的基本參數(shù)。 在此基礎上， Aspen Plus 就可以對整個生產(chǎn)工藝過程進行穩(wěn)態(tài)模擬，由于單元模型的操作條件通常是根據(jù)以往的資料得到的，這些參數(shù)可以進一步優(yōu)化。 操作單元的設定 操作單元參數(shù)的優(yōu)劣直接影響到模擬結果， Aspen Plus 提供了對操作單元的操作參數(shù)（如溫度，壓強，流速等）進行優(yōu)化的方法： Flowsheet Design Spec。這種方法是通過設定操作參數(shù)的變化范圍，由程序選擇滿足設定條件的參數(shù)。 在精餾塔模塊內(nèi)，還有 Design Spec 選項，通過它可以對精餾塔的內(nèi)部操作參數(shù)進行優(yōu)化，如回流比，采出率，熱功率等參數(shù)。 第二章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝流程 12 CO2捕獲系統(tǒng)工藝流程的 設計要求 煙氣工況及吸收劑濃度 煙氣工況：流量 2020000kg/h， 溫度 ℃， N2（ V） ％， O2（ V） ％，H2O（ V） 16％， CO2（ V） ％ MEA 濃度 5－ 50％ 設計要求 按一年有 3~4 個星期的檢修期，實際的生產(chǎn)時間為 340 天。 要求 CO2捕獲率達到 85－ 90％ CO2捕獲系統(tǒng)工藝流程分析 CO2捕獲系統(tǒng)工藝流程的選用 本課題是使用單乙醇胺（ MEA）吸收工藝捕獲燃煤電廠煙道氣中的二氧化碳。單乙醇胺常溫下呈無色透明狀液體，工業(yè)上使用一段時間后呈棕黃色，分子式為 NH2CH2CH2OH，分子量為 ，因 其效率高 (當量值低 )，反應能力強 (伯胺 )，穩(wěn)定性好，對酸性氣體 (C0 H2S)有較高的溶解度和吸收速率，對低分壓酸性氣體的脫除特別有效。它與二氧化碳的反應如下 : 該設計的工藝流程設計步驟如下： 確定原理，選擇實驗流程。 分析流程中的條件，選擇反應裝置。 進行流程的模擬與優(yōu)化，獲得各個裝置的優(yōu)化數(shù)據(jù)。 第二章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝流程 13 圖 MEA 吸收二氧化碳基本工藝流程圖 分離系統(tǒng)分析 由圖 所示， MEA 捕獲煙氣二氧化碳流程系統(tǒng)中包括兩大主要設備 ——吸收塔和再生塔。 MEA 的水溶液和煙氣中的二氧化碳在吸 收塔中發(fā)生反應生成可溶性的鹽從而到達捕獲二氧化碳的目的。 首先利用吸收塔分離出 CO2，即當煙道氣進入吸收塔內(nèi)，存在吸收塔底部的富 MEA 吸收煙道氣中的 CO2。然后富 MEA 物流在換熱器中預熱進入再生塔，在再生塔中分離出 CO2，貧 MEA 循環(huán)進入吸收塔。 循環(huán)系統(tǒng)分析 二氧化碳 (一種弱堿 )與 MEA(一種弱酸 )發(fā)生放熱反應形成可溶性鹽。富 MEA 物流存在吸收塔底部。富 MEA 物流在換熱器中預熱進入再生塔的同時貧 MEA 氣流離開再生塔。從 MEA 中解吸的二氧化碳，通過 再生塔頂部離開，貧 MEA 循環(huán)進入吸收塔。系統(tǒng)采用循環(huán)回路，再生后的吸收劑返回吸收塔循環(huán)使用，大大節(jié)省了吸收劑的用量。其循環(huán)結構如下圖 ： 圖 循環(huán)系統(tǒng)示意圖 第二章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝流程 14 流程敘述 圖 MEA 捕獲二氧化碳的工藝流程圖 如圖 所示，含有二氧化碳的煙氣首先進入閃蒸塔去除水蒸氣，然后經(jīng)過壓縮機與冷卻器進入吸收塔，在吸收塔中 和 MEA 以及煙氣物流逆流的 MEA 水溶液接觸，二氧化碳和 MEA 發(fā)生化學反應形成可溶性鹽。被處理過的煙氣從吸收塔的頂部經(jīng)過閃蒸塔后排向大氣，富 MEA 物流存在吸收塔底部，富 MEA 物流進入再 生塔的同時貧 MEA離開再生塔。再生塔內(nèi)過量的熱量使反應逆向進行。從富 MEA 物流中解析出來的二氧化碳通過再生塔頂部離開，然后進過閃蒸排向大氣。 第三章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝的設計和優(yōu)化 15 第三章 CO2捕獲系統(tǒng)工藝的設計和優(yōu)化 物性選擇 物性計算準確與否是流程模擬成功的關鍵， Aspen Plus 軟件有強大的物性支持，它包含有很強大的純組份物性數(shù)據(jù)庫，提供了幾十種汽－液或液－汽相平衡計算方法和多種傳遞性質(zhì)方法供用戶選擇，對于各種物性體系均有相應的計算模型用來計算流體的傳熱傳質(zhì)特性。 CO2捕獲系統(tǒng)工藝流程組分的確定 基本假設和簡化 用 Aspen Plus 模擬 MEA 捕獲 CO2的過程中，由于燃煤電廠煙氣成分復雜，在吸收塔和再生塔中發(fā)生多種形式的復雜化學反應。本文做出了一些簡化和基本假設： ①假設進入 MEA 捕獲 CO2系統(tǒng)的煙氣的主要成分包括 CO O N H2O。煙氣中不含 NOx、 SO2以及固體顆粒污染物； ②由于添加劑的作用，吸收劑中 MEA 不和煙氣的 O2發(fā)生反應； ③模擬過程不考慮腐蝕作用的影響； ④吸收劑中 MEA 的質(zhì)量分數(shù)為 30%（ MEA 的質(zhì)量比 H2O 的質(zhì)量）； ⑤為了簡化模擬過程， Aspen Plus 模擬流程中不包括干燥、壓縮和運輸 的過程。 組分的確定 煙氣中的組分包括： CO O N2和 H2O。 MEA： NH2CH2CH2OH 熱力學數(shù)據(jù)給出 熱力學方程的選擇 根據(jù)分離過程的特點，本設計采用常溫常壓下，適用于水相的模型： NRTL第三章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝的設計和優(yōu)化 16 活度系數(shù)模型，該模型能準確模擬非理想溶液的 VLE和 LLE性質(zhì)。數(shù)據(jù)如表 31所示： 表 ： NRTL 活度系數(shù)方程中的二元交互參數(shù) i BENZE01 BENZE01 CHLOR01 j CHLOR01 WATER WATER Temperature units F F F Source VLERK LLEASPEN LLEASPEN aij aji bij bji cij dij 0 0 0 eij 0 0 eji 0 0 流程的設計與優(yōu)化 運用通用軟件 aspen plus，輸入 給定的設計條件及初值，進行嚴格計算。調(diào)整理論級數(shù)及回流比，核算塔頂采出率 D 是否符合物料衡算平衡關系，使塔滿足分離要求，作為分離計算的初步結果。 在初步計算結果基礎上，對主要設計參數(shù)及操作條件采用變量輪換法進行靈敏度分析，從而選擇適宜的操作條件及設計參數(shù)。所謂某參數(shù)靈敏度分析，就是搜索單變量對某一目標函數(shù)值的影響關系，從而確定該變量的適宜范圍。通常收斂目標不會只有一個，可能有多個目標。而收斂難度也不會在一個水平上。顯然，第三章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝的設計和優(yōu)化 17 在靈敏度分析中搜索主要參數(shù)與關鍵目標函數(shù)的關系，可是問題得到簡化。 吸收塔的 設計 吸收塔 T101 的參數(shù)設定 在本設計中，使用吸收塔 T101 的計算模塊對二氧化碳進行吸收，使塔頂排出的氣體中二氧化碳的含量低于一定要求。在此目標下對此塔進行模擬優(yōu)化，尋找符合要求的最佳操作條件。 Aspen Plus 提供 Radfrac 模塊模擬吸附塔，其中要設定的參數(shù)包括理論塔板數(shù)吸收劑的用量和塔板數(shù)。根據(jù)相關資料，對吸收塔 T101 的初始設定參數(shù) 如表 所示： 表 吸收塔 T101 的初始參數(shù)表 塔板數(shù) 8 吸收劑用量 進料板位置 1 一、 吸收劑的用量對 尾氣中 CO2 含量的影響 106 106 106 106 106 1035 1035 1035 1035 尾氣CO2含量吸收劑用量 吸收劑用量 尾氣中C O 2 的含量 圖 吸收劑的用量對尾氣中二氧化碳含量的影響 如圖 所示，吸收劑的用量為橫坐標 x，尾氣二氧化碳的含量為縱坐標 y；由圖中可以看出，隨著吸收劑用量的增加，尾氣中二氧化碳的含量逐漸減少。 第三章 CO2 捕獲系統(tǒng)工藝的設計和優(yōu)化 18 二、吸收塔塔板數(shù)對尾氣中二氧化碳含量的影響 圖 吸收塔塔板數(shù)對尾氣中二氧化碳含量的影響 如圖 所示，吸收塔塔板數(shù)為橫坐標 x，尾氣中二氧化碳的含量為縱坐標y；由圖中可以看出，隨著吸收塔塔板數(shù)的不斷增加，尾氣中二氧化碳的含量逐漸 減少。根據(jù)此圖，選擇吸收塔