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摘要：为解决当前合成氨脱碳工艺过程中脱碳效果不佳无法满足0.2%要求的问题，在对MDEA脱碳工艺进行简单概述的基础上，对实际生产中的生产参数进行采集并初步分析了导致脱碳效果不佳的主要问题；而后，基于ASPEN PLUS软件建立MDEA脱碳工艺数值模拟仿真模型，重点对吸收塔压力、MDEA浓度以及贫液量对脱碳效果的影响进行仿真分析，得出最适宜生产参数。
关键词：合成氨；吸收塔压力；N-甲基二乙醇胺浓度；贫液量；脱碳
目前，合成氨的生产主要以煤为原料作为变换气进行生产，而变换气中又含有一定量的二氧化碳杂质，在实际生产中，一方面为了保证合成氨的质量，另一方面为了减少由于二氧化碳存在而导致能耗增大的问题，需要对变换气中的二氧化碳气体进行脱除。针对合成氨生产的二氧化碳脱除问题，并不是简单的将其作为杂质进行剔除，而是通过一定的手段对合成氨中的二氧化碳杂质进行回收[1-3]。因此，针对合成氨的脱碳工艺重点为对二氧化碳气体的净化和回收。本文将对合成氨脱碳工艺的工况进行综合分析，并对其中存在的问题提出改进措施。
1脱碳工艺概述
目前，合成氨生产企业所采用的脱碳方法较多，根据其原理不同可分为湿法脱碳和干法脱碳两大类。其中，湿法脱碳为溶剂吸收方法，干法脱碳为变压吸附方法[4-5]。当前绝大多数工业企业以湿法脱碳为主，湿法脱碳工艺又可以分为化学吸收法、物理吸收法以及物理-化学吸收法，且应用最为广泛的脱碳工艺包括有碳酸丙烯酯法、MDEA法和NHD法，上述三种脱碳工艺的能耗对比，如表1所示：
综合上述三种不同脱碳工艺的能耗对比结果，MDEA工艺相比于碳酸丙烯酯法和NHD法具有一定的优势。因此，本文将重点对MDEA的脱碳工艺过程进行分析。
2 MDEA脱碳工艺过程分析
本章重点对MDEA脱碳工艺过程进行综合分析，结合实际生产数据提出降低脱碳工艺的能耗的方法。变换气脱碳是采用吸收的方法将变换气中的二氧化碳脱除，MDEA脱碳工艺中变换气脱碳流程，如图1所示：
如图1所示，变换气在压缩机的作用下将其压力调整为2.7 MPa，温度设定为40℃;在脱碳之前对变换气进行预处理，重点将其中的油水进行处理，而后与贫液和半贫液通过逆流接触将其中的二氧化碳吸收，将变换气中的二氧化碳含量降低至0.2%以下。将经过脱碳的变换气冷却至40℃后进入后续的处理装置中。结合近一个月的生产数据监测得出净化气中的二氧化塔含量，如图2所示：
综合分析图2中净化气中二氧化碳的含量，并结合对应生产中的温度、压力等参数得出如下结论：
1）在近一个月的监测中，变换气的各项指标平稳，证明吸收塔和分离器稳定运行；
2）要求变换气经脱碳处理后其中φ（CO2）的含量小于0.2%，但是当前工艺下净化气中的二氧化碳含量在大部分时间内不满足要求；分析其原因可以总结为两方面：一为受其他工序的影响；二为可能由于吸收塔中贫液和半贫液的温度过高或者吸收塔的液位过高。
综合分析，影响MDEA溶液脱碳效果的主要参数为温度和压力，而且较低的温度和较高的压力可以保证较好的脱碳效果。
3脱碳工艺的数值模拟研究
基于上述对MDEA脱碳工艺实际生产数据进行监测的基础上，本章基于ASPEN PLUS软件对MDEA脱碳工艺进行数值模拟研究，重点对工艺参数对脱碳工艺的影响进行量化分析，并基于量化分析结果解决实际生产中所面临的一系列问题。基于ASPEN PLUS软件所构建的MDEA脱碳工艺流程，如图3所示：
根据实际生产参数，将模型中变换气的流量设定为3 686.2 kmol/h，而且变化气中的主要组成及比例，如表2所示：
基于上述参数设置结果重点对吸收压力、MDEA浓度和贫液量对该脱碳工艺的脱碳效果进行仿真分析。具体阐述如下：
3.1吸收压力对脱碳效果的影响
在数值模拟仿真中，保证其他参数条件不变通过改变吸收塔的压力对变换气中二氧化碳浓度的影响进行对比，吸收塔的压力从1.5~4.5 MPa之间变化，仿真结果，如图4所示：
如图4所示，随着吸收塔工作压力的增加对应变换气中二氧化碳的浓度不断减小；而且，当吸收塔压力大于2.7 MPa以后，变换气中二氧化碳的压力减小缓慢；同时，考虑到吸收塔压力增大对设备的性能要求较高，增加了生产成本。
因此，将MDEA脱碳工艺中吸收塔的工作压力设定为2.7 MPa。
3.2 MDEA浓度对脱碳效果的影响
在数值模拟仿真中，保证其他参数条件不变通过改变MDEA的浓度对变换气中二氧化碳浓度的影响进行对比，MDEA摩尔分数从5%~25%之间变化，仿真结果如图5所示：
如图5所示，随着MDEA浓度的增加对应变换气中二氧化碳的浓度呈现减小的变化趋势；而且，当MDEA摩尔分数增加至15%之后，变换气中二氧化碳浓度减小趋势减缓。因此，综合考虑脱碳效果和成本等因素，将MDEA的摩尔浓度分数为15%。
3.3贫液量对脱碳效果的影响
在数值模拟仿真中，保证其他参数条件不变通过贫液量对变换气中二氧化碳浓度的影响进行对比，贫液量从90%~110%之间变化，仿真结果如图6所示：
如图6所示，随着贫液量的增加对应变换气中二氧化碳的浓度减小，即对变换气中净化程度越高。因此，综合考虑贫液量对变换气中二氧化碳浓度的影响以及生产成本，应将选择较小的贫液量。
4结论
针对合成氨的脱碳不仅可以保证合成氨的质量，而且还能够对其中的二氧化碳进行回收利用。目前，MDEA脱碳工艺具有净化能力强、能耗小以及所回收二氧化碳浓度高的优势。本文从实践生产和数值模拟两个层面对基于MDEA合成氨脱碳工艺过程进行分析，得出如下结论：
1）当前工艺下净化气中的二氧化碳含量在大部分时间内不满足小于0.2%的要求；分析其原因可以总结为两方面：一为受其他工序的影响；二为可能由于吸收塔中贫液和半贫液的温度过高或者吸收塔的液位过高。综合分析，影响MDEA溶液脱碳效果的主要参数为温度和压力，而且较低的温度和较高的压力可以保证较好的脱碳效果。
2）通过数值模拟仿真分析，得出适用于MDEA合成氨脱碳工艺吸收塔的最佳压力为2.7 MPa，MDEA的最佳摩尔分数为15%，应根据净化要求尽可能的选择较小的贫液量。
参考文献
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