更多内容请点击

煤气洗脱苯双吸收剂流程模拟优化

何绍佳 ,  王安然 ,  叶昊天 ,  董宏光

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 229 -236.

PDF (3046KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 229-236. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.038
工业技术

煤气洗脱苯双吸收剂流程模拟优化

作者信息 +

Simulation and optimization of dual-absorbent eluting benzene from coal gas process

Author information +
文章历史 +
PDF (3119K)

摘要

提出了煤气洗脱苯的新工艺,使用2种不同的吸收剂来回收粗苯和粗萘。采用遗传算法对简化模型中的吸收剂组成进行优化,基于遗传算法优化的结果,新工艺以二甲苯和洗油为吸收剂。通过对后续再生工艺流程和参数的优化,得到当二甲苯贫溶剂流量为715 kg/h,半贫溶剂流量为11 900 kg/h时再生能耗最小。该方案与仅使用洗油的传统工艺相比,减少了24%的吸收剂循环量,降低了25%的再生能耗,并实现了粗苯的初步BTX分离。

Abstract

A new process is proposed for eluting benzene from coal gas,which uses two different absorbents to recover crude benzene and crude naphthalene,respectively.The composition of the absorbent in the simplified model is optimized by means of genetic algorithm.Based on the results from genetic algorithm optimization,xylene and washing oil are selected as the absorbents in the new process.Through optimizing the subsequent regeneration process and parameters,it is concluded that the regeneration energy consumption is the smallest when the flow rate of xylene lean solvent is 715 kg·h-1 and the flow rate of semi-lean solvent is 11 900 kg·h-1.Compared with the conventional process using washing oil alone,this new scheme reduces the cycling amount of absorbent by 24%,reduces the regeneration energy consumption by 25%,and achieves a preliminary BTX separation for crude benzene.

Graphical abstract

关键词

煤气 / 能耗 / 流程模拟 / 双吸收剂 / 遗传算法 / 吸收

Key words

coal gas / energy consumption / process simulation / dual-absorbent / genetic algorithms / absorb

引用本文

引用格式 ▾
何绍佳,王安然,叶昊天,董宏光. 煤气洗脱苯双吸收剂流程模拟优化[J]. 现代化工, 2025, 45(5): 229-236 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.038

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

煤气是煤炭焦化过程的重要产品,由反应部分得到的荒煤气,经过氨洗、脱硫、脱氨等工段,得到干煤气[1-2]。干煤气中含有较多的粗苯(苯、甲苯、二甲苯等)以及粗萘(萘、甲基萘等)[3],直接进入煤气管网,苯和萘会析出导致管道堵塞。传统生产过程中,一般采用焦油洗油洗脱苯的工艺,脱除并回收干煤气中的苯萘,焦油洗油一般自焦油常压塔或减压塔侧线,主要成分有甲基萘、二甲基萘等[4],而这些物质的浓度随着洗油生命周期的时间而变化[5-6]。
从焦炉煤气中回收粗苯的方法还有溶液吸收法、吸附剂吸收法、压缩冷冻分离法[7-8]。溶液吸收法的操作温度在-15℃左右[9],压缩冷冻分离法在 -25℃左右[10],制冷能耗较高且对设备要求较高;吸附剂吸收法脱苯效率较高,但同时要求预先将煤气中的焦油、萘等杂质彻底脱除,加之吸附剂价格昂贵,往往工业上应用较多的仍为洗油吸收法[11]。
目前对洗油吸收法的研究主要集中于脱苯工段,包括脱苯塔的压力[12]、脱苯过程是否有蒸气[13]、脱苯塔段设计[14]及贫油再生[15-16],对吸收工艺却鲜有研究。本文中提出了一种双吸收剂吸收工艺,先用二甲苯吸收煤气中绝大部分的苯,再用洗油吸收剩余的苯和夹带的二甲苯。与常规工艺相比,该工艺降低了吸收剂循环量和再生能耗。
为了对双吸收剂洗脱苯工艺进行详细分析和优化,本文中以Aspen Plus软件对全流程模拟,通过灵敏度分析寻找需优化变量取值范围,以最小再生能耗为目标函数,建立数学模型,利用MATLAB和Aspen Plus交互平台寻找吸收剂的组成和流量,并对后续流程模拟优化。

1 工艺分析

1.1 洗油洗脱苯工艺

目前应用比较广泛的洗油洗脱苯工艺主要有常压直接蒸气脱苯工艺、无蒸气负压脱苯工艺及有蒸气半负压脱苯工艺。常压直接蒸气可降低苯的分压,增大苯与其他组分的分离系数并降低塔釜温度,但该工艺消耗蒸气量大,粗苯分离产生大量废水,环境问题突出,运行成本高[17]。蒸气半负压脱苯工艺虽然在一定程度上减小蒸气量,但仍然存在含酚废水的问题[18]。无蒸气负压脱苯工艺不进行粗苯与水的分离,不产生工业废水,但需要用管式炉将贫油加热到220~240℃,塔釜所需热源品质较高[18]。对于无蒸气负压脱苯工艺,目前有利用焦炉上升管余热回收设备代替管式炉加热设备,使用导热油加热洗苯富贫油的研究,可大大降低运行费用[19]。因此,3种方案中无蒸气负压脱苯工艺具有明显优势,极具推广价值[20]。
无蒸气负压脱苯工艺如图1所示,自脱硫脱氨工段来的煤气经低温水冷却到常温后从塔底进入洗苯塔,与塔顶来的30℃焦油洗油逆流接触,吸收煤气中的苯,在塔顶获得净煤气,主要成分为氢气、甲烷和一氧化碳,在塔底得到含苯富油。富油依次与脱苯塔塔顶苯蒸气、富油及导热油加热至180℃后进入脱苯塔,在塔顶得到粗苯,侧线采出萘油,塔釜为解吸再生的循环洗油,并抽出1.5%~2.0%循环洗油去再生。

1.2 吸收剂初步筛选

煤气与焦油洗油的主要成分如表1、表2[18]所示。
吸收剂应尽量保证是原有体系内的组分,不引入新的组成,候选吸收剂如表3。
选用以上吸收剂的原则是既要保证吸收剂对苯的吸收效果要好于焦油洗油,也要保证焦油洗油对吸收剂的吸收效果好于苯。
吸收剂吸收煤气中苯过程属于低浓度吸收,对于稀溶液总压不是很高和温度一定时,气液相平衡关系可以用亨利定律来表示:
P e = H · x
y e = m H · x
式中,Pe为溶质在气相中的平衡分压,kPa;H为亨利系数,kPa;x为溶质在液相中的摩尔分数;ye为溶质在气相中的摩尔分数;mH为溶解度系数,也称相平衡系数。
低浓度吸收的传质过程如图2,相际间传质速率方程为:
N A = K y ( y A - y * A )
N A = K x ( x * A - x A )
式中,NA为溶质的传质通量,kmol/(m2·s);Ky为摩尔分数为推动力的气相总传质系数,kmol/(m2·s);yA为气相中溶质摩尔分数; y * A为与xA呈平衡的平衡浓度;Kx为摩尔分数为推动力的液相总传质系数,kmol/(m2·s); x * A为与yA呈平衡的平衡浓度;xA为液相中溶质摩尔分数;A表示苯。
吸收过程的物料衡算为:
q n G y 1 + q n L x 2 = q n G y 2 + q n L x 1
整理后为:
q n L / q n G = ( y 1 - y 2 ) / ( x 1 - x 2 )
吸收过程的操作线方程为:
y = ( q n L / q n G ) x + [ y 2 - ( q n L / q n G ) x 2 ]
式中,qnG为入塔气体质量流量,kg/h;qnL为入塔液体质量流量,kg/h;y1为入塔气体中溶质质量分数;y2为出塔气体中溶质质量分数;x1为出塔液体中溶质质量分数;x2为入塔液体中溶质质量分数;x为离开某理论级(或截面)的液体中溶质质量分数;y为离开某理论级(或截面)的气体中溶质质量分数。
使用Aspen Plus软件进行模拟分析,物性方法的选择对于模拟结果是否准确至关重要,因此必须选择合适的物性方法,根据煤气及洗油组分,该工段采用经典立方形方程SRK模型,利用RadFrac模块对吸收过程进行初步分析。
其中,为了更准确计算气液两相间的质量传递过程,RadFrac模块计算类型选用速率模式,塔段为PALL填料塔,填料高度10 m,填料层压降1 kPa。对于不同吸收剂吸收苯过程,qnG=10 000 kg/h,y1=0.047 7,qnL=5 000 kg/h,x2=0,气体为上述煤气,吸收剂为纯组分。不同吸收剂对苯的吸收效果如图3。
同理,焦油洗油对不同吸收剂的吸收效果如图4。
由图3可知,吸收剂对苯的吸收效果为甲苯>二甲苯(乙苯)>丙苯>萘>焦油洗油。由图4可知,洗油对吸收剂的吸收能力强弱顺序为丙苯>二甲苯(乙苯)>甲苯。综上可知,尽管甲苯吸收苯能力最好,但甲苯进入气体含量较高,且洗油吸收甲苯能力相对较差。若将吸收剂组合,吸收剂主要组分为二甲苯(乙苯)和丙苯。

1.3 双吸收剂初级流程

双吸收剂洗脱苯工艺如图5所示,由于不知道吸收剂具体成分,以下吸收剂简称AB。煤气首先在AB洗苯塔与吸收剂AB逆流接触,吸收大部分的苯,接着剩余煤气进入洗油吸收塔,由洗油吸收剩余苯和夹带AB。其中洗油脱苯塔与原方案基本一致,对于AB脱苯塔,组分主要有苯、AB和萘,沸点分别为80、138~159、218℃,有3种分离流程,分别为:单塔侧采AB流程、双塔前脱苯流程、双塔前脱萘流程。

2 流程模拟

流程模拟中,煤气进料流量为10 000 kg/h,吸收塔压力均为微正压10 kPa,洗油脱苯塔压力为绝压50 kPa,二甲苯脱苯塔压力为常压。吸收剂入塔温度30℃,净化煤气苯含量和萘含量分别为2、0.5 g/m3。

2.1 洗油吸收流程模拟

洗油吸收工艺已存在大量研究,前人的研究表明该工艺通过单变量优化即可得到适宜的操作参数,采用Aspen Plus中的灵敏度分析,根据净煤气中粗苯含量计算回流比,以吸收剂循环量为变量,解吸塔能耗最小为目标函数,对过程进行优化,优化结果如表4。

2.2 双吸收剂流程模拟

2.2.1 吸收剂筛选

双吸收剂流程目的在于减少贫溶剂循环量和再生能耗,当满足净煤气中苯族烃类含量指标时,可通过调整吸收剂AB的组成和流量,寻求最小的再生能耗,吸收剂筛选流程如图6。
其中再生能耗以AB为甲苯为例,洗油脱甲苯塔的压力为绝压50 kPa,甲苯脱苯塔为常压,规定甲苯脱苯塔塔顶苯质量分数为0.99。不同甲苯流量下的再沸器负荷如图7,直线斜率为每千克甲苯对应的再沸器负荷,结果为0.11 kW/kg。同理,洗油脱甲苯塔的每千克洗油对应的再沸器负荷为0.065 kW/kg。定义甲苯的再生系数分别为0.111 0、0.064 8。不同吸收剂的再生系数如表5,对应的流程工艺参数如表6所示。
目标函数:min obj f(xi,FAB,Fxy,r1i,r2i)=FAB*∑(xi*r1i)+Fxy*∑(xi*r2i)
约束条件:MBTX≤37 kg/h;0≤xi≤1(i=1,2,3,4,5,6,7);Sum xi=1(i=1,2,3,4,5,6,7);r11=0.111,r12=0.042 3,r13=0.041 8,r14=0.041 7,r15=0.042 5,r16=0.047 5,r17=0.043 7;r21=0.064 8,r22=0.064 9,r23=0.064 9,r24=0.064 8,r25=0.064 8,r26=0.065 0,r27=0.064 9。
决策变量:FAB、xi(i=1,2,3,4,5,6,7)、Fxy。
MBTX为净化煤气中苯系物的质量流量,kg/h;xi为甲苯等的质量分数;f(xi,FAB,Fxy,r1i,r2i)为再生塔的再沸器负荷,kW。
以最小再生负荷为目标函数,用遗传算法对吸收剂的组成、流量和洗油流量进行优化,遗传算法流程如图8。
根据遗传算法优化的结果如表7所示。

2.2.2 再生流程模拟

由图5知,吸收了大部分苯的二甲苯富油与解吸后的二甲苯贫油换热后进入二甲苯脱苯塔,脱出轻组分苯和重组分萘,实现二甲苯的循环再生。吸收了苯和二甲苯的洗油富油依次经油气换热器、贫富油换热器和管式炉加热后进入洗油脱苯塔,在塔顶产生粗苯,侧线采出二甲苯,塔釜为洗油贫油,并抽出1.5%~2.0%去再生,二甲苯脱苯塔进料如表8所示。
为了实现二甲苯溶剂的循环再生,需要通过调整再生塔的进料位置和回流比,在轻组分中实现乙苯与甲苯的分离,重组分中实现邻二甲苯与丙苯的分离。以前脱苯流程为例分析。
进料位置对脱苯塔分离效果及能耗影响如图9,随着进料位置增加,脱苯塔塔釜甲苯含量与再沸器能耗均为先增大后减小,在第12块塔板进料位置上达到最小。
回流比对分离效果及能耗的影响如图10,随着回流比的增大,脱苯塔塔釜甲苯质量分数减小,再沸器负荷不断升高,分离效果变好。当回流比处于7~9时,甲苯质量分数变化幅度趋于平缓,但是再沸器负荷还在不断升高,为保证分离效果及低能耗,回流比为8时最优。
3种方案模拟结果如表9所示。
由表9可知,由于二甲苯与甲苯和丙苯的分离非常困难,3种方案均需要很高的分离能耗来实现二甲苯的再生。对于单塔侧采方案,由于中间组分含量过高,很难得到纯的二甲苯。
基于此,提出半贫溶剂循环方案,流程如图11。由前述知,甲苯与丙苯对苯也有很好的吸收效果,将含有少量甲苯与丙苯的二甲苯溶剂作为半贫溶剂返回吸收塔的中上部,可大幅度减少贫溶剂再生能耗。
在此流程中,可通过调整二甲苯脱苯塔回流比、半贫溶剂采出位置、半贫溶剂进料位置、洗油脱苯塔回流比、半贫溶剂流量、贫溶剂流量和洗油流量在相同的净化煤气指标下寻找最小的再沸器负荷。
(1)二甲苯脱苯塔回流比
为了探究二甲苯脱苯塔回流比对二甲苯脱苯塔再沸器负荷和净化煤气苯族烃类含量的影响,固定其他条件保持不变,见图12。由图12可知,随着回流比的增大,净化煤气中的苯族烃类质量流量逐渐减小,再沸器负荷增大,回流比达到3.5~5.0时,苯族烃类质量流量变化幅度趋于缓慢,因此认为回流比为4时最优。
(2)半贫溶剂采出位置
固定二甲苯脱苯塔回流比为4,探究半贫溶剂采出位置对二甲苯脱苯塔再沸器负荷和净化煤气苯族烃类含量的影响,见图13。由图13可知,随着采出位置的增加,苯族烃类质量流量先减少后趋于平缓,再沸器负荷先减小后增加。综合吸收效果和能耗,采出位置为24时效果最优。
(3)半贫溶剂进料位置
固定回流比为4,采出位置为24,探究半贫溶剂进料位置对二甲苯脱苯塔再沸器负荷和净化煤气苯族烃类含量的影响,见图14。由图14可知,随着进料位置的增加,苯族烃类质量流量先减少后增加,再沸器负荷先减小后增加。综合吸收效果和能耗,进料位置为3时效果最优。
(4)洗油脱苯塔回流比
固定上述条件,探究洗油脱苯塔回流比对洗油脱苯塔再沸器负荷和二甲苯质量分数的影响,见图15。由图15可知,随着回流比的增大,贫溶剂中的二甲苯质量分数逐渐增大,再沸器负荷增大,回流比达到3~4时,二甲苯质量分数变化幅度趋于缓慢,因此认为回流比为3.5时最优。
(5)半贫溶剂与贫溶剂流量
固定上述条件,通过调节洗油流量来保证净化煤气中苯族烃类含量指标,探究半贫溶剂与贫溶剂的流量对总再生负荷的影响。其中对于洗油脱苯塔的贫溶剂采出量对再生负荷的影响见图16,随着采出量的增加,再生负荷先减小后增大,当采出量为715 kg/h时负荷最小。对此解释为,洗油脱苯塔塔顶为甲苯、二甲苯与丙苯的混合物,当持续增大采出量时,会导致更多的丙苯进入萘油中,重苯采出量减少,贫溶剂中甲苯增多,最终导致洗油量增加,总负荷增加。
流程中半贫溶剂的循环量影响二甲苯脱苯塔的能耗,贫溶剂的循环量影响二甲苯脱萘塔的能耗,洗油流量影响洗油脱苯塔的能耗。通过调整各溶剂流量寻找最小再生负荷,结果如图17所示。随着半贫溶剂的增加,再生负荷先减小后增大,在质量流量为10 500~11 000 kg/h时达到最大,随着贫溶剂的减小,再生负荷持续减小。由此可知,将循环溶剂提纯虽然可以增加吸收效果,但分离负荷增加幅度较大,因此可将二甲苯脱萘塔去掉,流程如图18所示。
此流程中,半贫溶剂流量对洗油流量和再生负荷的影响如图19,当半贫溶剂的质量流量为11 900 kg/h时,再沸器能耗最小为838 kW,此时洗油流量为 5 389 kg/h。

2.3 结果比较

由表10可知,与原流程相比,双吸收剂流程可减少24%的吸收剂循环量和25%的再生能耗。

3 结论

(1)提出一种双吸收剂洗脱煤气中苯的工艺流程,并利用Aspen Plus和Matlab软件确定吸收剂组成为二甲苯,并对后续再生流程模拟优化。双吸收剂吸收工艺可在二甲苯脱苯塔塔顶获得较纯的苯,并在洗油脱苯塔塔顶获得较纯的二甲苯,实现了粗苯的初步BTX分离。
(2)在双吸收剂洗脱苯的工艺基础上,提出了半贫溶剂循环洗脱苯工艺,并对流程中可调变量对再生能耗的影响进行探讨分析,则有当贫溶剂流量为715 kg/h,半贫溶剂流量为11 900 kg/h时再生能耗最小。与常规流程相比,减少了24%的吸收剂循环量和25%的再生能耗。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

王欢, 范飞, 李鹏飞, 等. 现代煤气化技术进展及产业现状分析[J]. 煤化工, 2021, 49(4):52-56.
[2]

Tiwari H P, Sharma R, Kumar R, et al. A review of coke making by-products[J]. Coke Chem:Germany, 2014, 57(12):477-484.
[3]

李欢, 何锋, 王海涛, 等. 车用焦炉气脱苯、脱萘技术初步研究[J]. 煤化工, 2013, 41(5):35-37.
[4]

赵丽丽. 煤焦油、蒽油和洗油水分测定方法的研究[J]. 石化技术, 2020, 27(9):3-5,133.
[5]

Vecer M, Koutník I, Wichterle K. Life cycle of wash oil for benzol absorption from coke oven gas[J]. Chemical Engineering & Technology, 2019, 42(4):728-734.
[6]

Mathias H. Effect of properties of petroleum wash oil in removal of light oil from coke-oven gas[J]. Industrial & Engineering Chemistry, 1931, 23(7):804-807.
[7]

贺永德. 现代煤化工技术手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2017.
[8]

Sorokin A P, Savchenko I F, Noskova L P, et al. Multi-purpose use of caustobioliths of carbonic series based on innovative coal chemistry technologies in the far east of russia[J]. Journal of Mining Science, 2018, 54(1):147-157.
[9]

李湘凌, 林岗, 周元祥, 等. 复方液吸收法处理低浓度苯类废气[J]. 合肥工业大学学报:自然科学版, 2002,(5):794-796.
[10]

李馨馨. 关于焦炉煤气粗苯回收工艺的探讨[J]. 同煤科技, 2013,(1):34-36,39.
[11]

倪献智. 洗油成分与苯族烃的回收[J]. 煤炭分析及利用, 1995, 10(3):30-31.
[12]

毕成, 郭振东, 赵虎, 等. 蒸气法负压粗苯蒸馏工艺在首钢的应用[J]. 燃料与化工, 2021, 52(2):37-39.
[13]

罗时政, 汤志刚, 王登富, 等. 焦炉荒煤气富油脱苯工艺的比较研究[J]. 冶金能源, 2021, 40(3):11-16,21.
[14]

尚秀芳. 浅析脱苯塔径向侧导喷射塔板技术:“河北省炼铁技术暨学术年会”论文集[C]. 邯郸: 河北省冶金学会,2013:484-486.
[15]

张锐, 许刚, 梁春燕. 提高焦炉煤气中苯族烃回收率的研究[J]. 煤炭科学技术, 2020, 48(S2):65-70.
[16]

Nguyen M T, Nguyen D L T, Xia C L, et al. Recent advances in asphaltene transformation in heavy oil hydroprocessing:Progress,challenges,and future perspectives[J]. Fuel Processing Technology, 2021,213:93-95.
[17]

钟继生, 杜文明, 杨建军, 等. 洗苯和脱苯工艺的改进[J]. 燃料与化工, 2013, 44(3):52-54.
[18]

邢秉茂. 基于Aspen Plus的直接蒸气负压脱苯工艺模拟与优化[J]. 化学工程与装备, 2024,(4):41-44,51.
[19]

李超. 富油加热器脱苯工艺改造[J]. 燃料与化工, 2022, 53(3):49-50.
[20]

温燕明, 汤志刚, 王登富, 等. 焦炉荒煤气三种富油脱苯工艺的比较研究[J]. 山东冶金, 2020, 42(6):34-38.

基金资助

国家自然科学基金项目(21276039)

AI Summary AI Mindmap
PDF (3046KB)

310

访问

0

被引

导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉

京ICP备09035943号-37
版权所有 ©《现代化工》编辑部
地址：北京市朝阳区安定路33号化信大厦B座206　邮政编码：100029
编辑部电话：010-64444090　E-mail:mci@cncic.cn
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司