天然气脱硫装置工艺模拟及优化设计技术研究
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摘要
天然气是一种优质清洁能源和重要的化工原料。目前世界天然气的储量十分丰富，据估计天然气的最终可采储量约为327.4×10~(12)m~3，非常规天然气资源约为1390×10~(12)～4430×10~(12)m~3。到21世纪中期，人类社会将正式步入“天然气时代”。但在部分天然气中含有H_2S、CO_2等酸性气体，它们对工、农业生产和人民生命财产安全都具有重大的危害，因此天然气脱硫是天然气工业中的一个重要环节。随着石油、天然气勘探开发逐步向复杂、高风险油气藏等领域发展，高含硫气藏的开采与相关配套技术逐渐成为热门研究课题。本文主要研究目的就是通过对天然气脱硫装置进行工艺模拟和优化设计，得到合理的脱硫装置主要工艺设计参数，进而降低天然气处理成本、提高系统整体运行效果。
本文首先介绍了天然气脱硫工艺的研究现状与进展，通过对比研究，选用MDEA选择性脱硫工艺作为本文的研究对象。针对脱硫过程中H_2S、CO_2等非烃含量高的问题，采用SHBWR状态方程建立了适用于天然气脱硫装置的物性计算模型。
从MDEA选择性脱硫工艺的基本反应原理和工艺流程出发，利用从设备到单元再到系统的建模思想，分别建立起了分离器、吸收塔、节流阀、闪蒸罐、换热器、再生塔、泵等模块的模拟数学模型，并分析了部分计算实例。在此基础上，利用序贯模块法的思想建立起天然气脱硫装置系统工艺模拟数学模型，并采用预处理正交极小法求解该系统中的大型矩阵。
利用经济评价和模拟计算相结合的办法，在对脱硫装置进行适当假设和简化的前提下，根据系统协调和国家相关政策性法规的要求，建立了天然气脱硫装置优化设计数学模型，确定了该模型中的优化决策变量，并编制了计算机求解程序。在此基础上，研制开发出了相应的应用软件，从而形成了一套完整的天然气脱硫装置工艺模拟和优化设计技术。
本文的研究不仅能增强下游行业的天然气深加工能力，保障人民的生命财产安全、而且对提高天然气相关行业的整体经济和社会效益都具有十分重要的意义。
Natural gas is a high quality clearing energy resources and also is a important industrial chemicals. The natural gas resource is very rich in the world. The natural gas ultimate recoverable reserves is about to 327. 4 × 10~(12)m~3, and unconventional gas resources is about to 1390×10~(12) ～4430×10~(12)m~3. The human society will become to "the time of natural gas" in the middle of 21 century. But some of natural gas has acidic gas like H_2S、 CO_2.They have great danger to the production of industry and agriculture, also have great danger to the human life and wealth security. So natural gas sweetening is a important segment in gas industry. When exploratory development of petroleum and natural gas turns to complex and high risk reservoir area, the exploitation of high sulfa gas reservoir and its related mating technique become popular interest research topics. The main goal of this article is embracing the method of simulation and optimization in the natural gas desulfurization plan to obtain its justifiable main design parameters, and then decline gas conditioning cost, and improve system run effect entirely.
First based on the home and abroad literature of natural gas devulcanizing technology, by means of comparative study, choose MDEA choice devulcanizing technology as research object in this article. In the devulcanizing process, aimed to the high nonhydrocarbon content like H_2S、 CO_2,using SHBWR state equation to establish physical property computation module which is suit for the natural gas desulfurization plant.
Beginning MDEA choice devulcanizing technology fundamental reaction principle and technological process, from installation to unit, from unit to system, built up separately simulation mathematic model for the extractor, absorption tower, throttle valve, flash vaporization, heat exchanger, regenerating column, pump. And construct computer program frame picture, analysis partly calculation example. At last using the idea of sequence simulation method to found the system simulation mathematic model in natural gas desulfurization plant, used preprocessing crosscut minimal algorism to solve big scale sparse matrix in this model.
Used the approach of economical technique and natural gas sweetening simulation
本文首先介绍了天然气脱硫工艺的研究现状与进展，通过对比研究，选用MDEA选择性脱硫工艺作为本文的研究对象。针对脱硫过程中H_2S、CO_2等非烃含量高的问题，采用SHBWR状态方程建立了适用于天然气脱硫装置的物性计算模型。
从MDEA选择性脱硫工艺的基本反应原理和工艺流程出发，利用从设备到单元再到系统的建模思想，分别建立起了分离器、吸收塔、节流阀、闪蒸罐、换热器、再生塔、泵等模块的模拟数学模型，并分析了部分计算实例。在此基础上，利用序贯模块法的思想建立起天然气脱硫装置系统工艺模拟数学模型，并采用预处理正交极小法求解该系统中的大型矩阵。
利用经济评价和模拟计算相结合的办法，在对脱硫装置进行适当假设和简化的前提下，根据系统协调和国家相关政策性法规的要求，建立了天然气脱硫装置优化设计数学模型，确定了该模型中的优化决策变量，并编制了计算机求解程序。在此基础上，研制开发出了相应的应用软件，从而形成了一套完整的天然气脱硫装置工艺模拟和优化设计技术。
本文的研究不仅能增强下游行业的天然气深加工能力，保障人民的生命财产安全、而且对提高天然气相关行业的整体经济和社会效益都具有十分重要的意义。
Natural gas is a high quality clearing energy resources and also is a important industrial chemicals. The natural gas resource is very rich in the world. The natural gas ultimate recoverable reserves is about to 327. 4 × 10~(12)m~3, and unconventional gas resources is about to 1390×10~(12) ～4430×10~(12)m~3. The human society will become to "the time of natural gas" in the middle of 21 century. But some of natural gas has acidic gas like H_2S、 CO_2.They have great danger to the production of industry and agriculture, also have great danger to the human life and wealth security. So natural gas sweetening is a important segment in gas industry. When exploratory development of petroleum and natural gas turns to complex and high risk reservoir area, the exploitation of high sulfa gas reservoir and its related mating technique become popular interest research topics. The main goal of this article is embracing the method of simulation and optimization in the natural gas desulfurization plan to obtain its justifiable main design parameters, and then decline gas conditioning cost, and improve system run effect entirely.
First based on the home and abroad literature of natural gas devulcanizing technology, by means of comparative study, choose MDEA choice devulcanizing technology as research object in this article. In the devulcanizing process, aimed to the high nonhydrocarbon content like H_2S、 CO_2,using SHBWR state equation to establish physical property computation module which is suit for the natural gas desulfurization plant.
Beginning MDEA choice devulcanizing technology fundamental reaction principle and technological process, from installation to unit, from unit to system, built up separately simulation mathematic model for the extractor, absorption tower, throttle valve, flash vaporization, heat exchanger, regenerating column, pump. And construct computer program frame picture, analysis partly calculation example. At last using the idea of sequence simulation method to found the system simulation mathematic model in natural gas desulfurization plant, used preprocessing crosscut minimal algorism to solve big scale sparse matrix in this model.
Used the approach of economical technique and natural gas sweetening simulation
引文
[1] 刘煌等：“烟气脱硫系统的设计优化”，《江苏电机工程》，2005年9月，第5期，第24卷，64-66页。
[2] 李长俊等：“输气管道优化运行技术”，《天然气工业》，2005年10月，第10期，第25卷，106-109页。
[3] 王开岳等：“90年代国内外MDEA工艺应用及开发动向”，《石油与天然气化工》，1997年第4期，第26卷，219-226页。
[4] 孙建法等：“天然气净化工业设计中主要设备的优选”，《江汉石油学院学报》，2004年9月，第3期，第26卷，143--146页。
[5] 周山明等：“选大型烟气脱硫塔的流体力学模拟及优化设计”，《东南大学学报》，2005年1月，第1期，第35卷，105-111页。
[6] 范恩泽等：“MDEA法在垫江分厂脱硫装置上的使用效果评述”，《天然气工业》，1988年第4期，第8卷，68-73页。
[7] 陈赝良等：“国内外天然气的现状与展望”，《石油与天然气化工》，2002年第5期，第31卷，231-234页。
[8] D. Law.: New MDEA Design in Gas Plant Improves Sweetening, Reduces CO_2 Oil Gas, J92(35), 1994:83-85。
[9] D. H.. Mackenzie et al: Design and Operation of A Selective Sweetening Plant Using MDEA ", Energy Prog, 7(1), 1987: 31-36。
[10] 陈建等：“N-甲基二乙醇胺(MDEA)脱碳流程模拟研究”2001年3月，第1期，第29卷，14-17页。
[11] 郭天明等：《多元汽-液平衡和精馏》，石油工业出版社，2002年11月，80-82页，200-267页。
[12] 郑世清等：《过程系统稳态模拟技术》，中国石化出版社，1999年1月，69-77页，257-276页。
[13] 臧福录等：《石油化工必读》，第一册，物性、数据处理及优化，中国石化出版社，1998年12月，135-145页。
[14] 汪松汉等：《石油化工设计手册》，第1卷，石油化工基础数据，化学工业出版社，2002年1月，704-705页，965-967页。
[15] 郑世清等：《过程系统稳态模拟技术》，中国石化出版社，1999年1月，69-77页，257-276页。
[16] 朱利凯等：“板式塔中MDEA水溶液选择吸收H_2S过程的模型化”，《天然气工业》，1988年第1期，第8卷，85-94页。
[17] 汤渭龙等：“气体脱硫制硫全流程工艺计算软件包开发研究”，《炼油设计》，1989年第3期，第22卷，49-52页。
[18] 柴诚敬，刘国维等：《化工原理课程设计》，天津科学出版社，1994年5月，57-63页。
[19] 王开岳等：“甲基二乙醇水溶液选择性脱除气体中硫化氢的工业试验”，《石油炼制》，1988年第九期，第6卷，35-40页。
[20] W. Wammes et al: Activted MDEA Procees: A Flexible Procees for Acid Gas Removal from Natural Gas, Proc 72 rd GPA Annu, Conv, 1994: 247-250。
[21] M. L. Spears et al: Converting to DEA/MDEA Mix ups Sweetening Capacity, Oil Gas J, 94(33), 1996: 63-67。
[22] J. C. Poladsek et al: Using Miixed Amine Solution for Gas Sweetening, Proc. 71st GPAAnnu, Conv, 1992: 58-63。
[23] P. C Rooney et al: Oxygen's Role in Alkanolamine Degradation. Hydrocarbon Proc., 77(7), 1998: 109-113。
[24] A. M Goldstein et al: New Flexsord Gas Treating Technology for Acid Gad Remov-al, Energy Prog, 1986 (6): 67-70。
[25] 葛维寰，王冬平：《化工过程设计与经济》，上海科学技术出版社，1989年9月，44-50页。
[26] 蔡釢熊等：“H_2S和CO_2混合酸气在MDEA水溶液的溶解度”，《天然气工业》，1988年第1期，第8卷，231-234页。
[27] 阮奇等：《化工原理优化设计与解题指南》，化学工业出版社，2001年9月，79-112页。
[28] 王开岳等：《天然气净化工艺》，石油工业出版社，2005年7月，122-140页。
[29] Engineering Data Book, VOL. Ⅱ 11th Ed, Gas Processors Association (America), 1998。
[30] J. Braro: Doulble the Capacity of a Glycol beyond that Available with Structure Packings, Proc 48th Laurance-Reid Gas Cond, Cong, 1998: 140-145。
[31] 邓正龙等：《化工中的优化方法》，化学工业出版社，1990年9月，69-82页。
[32] 潘国昌等：《化工设备设计》，清华大学出版社，1997年2月，79-112页
[33] 涂晋林，吴志泉等：《化学工业中的吸收操作-气体吸收工艺与工程》，华东理工大 学出版社，1994年5月，58-61页。
[34] 韩冬冰，王文化等：《化工工程设计》，学苑出版社，1997年3月，122-140页。
[35] I. M, Wesch: CO_2 Removal from Liquid Phase Ethane at the Fort Saskatchewan Facility, Energy Proc, Can., 84(6), 1991: 14-17。
[36] H. Y. Mak: Gas Plant Converts Amine Unit to MDEA -based Solvet, Hydrocarbon Proc, 71(10), 1992: 91-96。
[37] 王遇东等：“胺法脱硫技术在长庆气田的应用与研究”，《天然气工业》，2002年第6期，第22卷，92-96页。
[38] 倪进方等：《化工设计》，华东理工大学出版社，1994年6月，184-186页。
[39] 汪寿建等：《天然气综合利用技术》，化学工业出版社，2003年4月，17-27页。
[40] A. Cabes: Offshore Desulfurization Unit Permits Gas Lift Operation, Oil Gas J., 90(2), 1992: 35-38。
[41] The Sulften Process: A Proprietary MDEA-Based Solvent is the Key, Sulphur 173, 1984: 32-33。
[42] E. M. Cordi et al: Kinetics of CO_2 and MDEA with Phposphoric Acid ATI, ChEJ., 38(3), 1992:455-460。
[43] G. Sartori et al: Process for the Selective Removal Mixture with Severely Sterically Hindered Secondary Aminoether Alcohols, U. S. P., 4405585, 1983。
[44] 倪进方等：《化工过程设计》，化学工业出版社，1999年8月，154-295页
[45] 何潮红洪等：《化工原理》，科学出版社，2001年9月，345-381页
[46] 魏寿彭等：《石油化工生产过程最优化》，中国石化出版社，1994年8月，162-209页
[47] 华南理工大学化工原理教研组编：《化工过程及设备设计》，1990年3月，49-65页，167-196页。
[48] 汪松汉等：《石油化工设计手册》，第2卷，化工单元过程，化学工业出版社，2002年1月，1141-1144页，1191-1195页。
[49] Lnduing, E, E.: Applied Procees for Chemical and Petrochemical, (Vol.2) second Endition, Gulf Publishing Company 1997。
[50] Happel J, Jordan D G: Chemical process economics, second, New York: Marccl Dekker Inc, 1973。
[51] Yu KT. Coull J.: Evaluation of equilibrium stages and transfer units, Chen Eng Progr, 1950, 46(2): 89-94。
[52] Chang H Y: Computer aids short -cut distillation design. Hydrocarbon processing, 1980, 59(8): 79-82。
[53] [美]RN马道克期，JH埃巴，蔡尔范等译：《天然气预处理和加工》，石油出版社，1990年12月，156-172页。
[54] 钱锡俊等：《泵和压缩机》，石油大学出版社，1989年4月，165-172页。
[55] 吴俊生等：《精馏设计、操作和控制》，中国石化出版社，1997年5月，46-65页。
[56] 房德中，朱建业等：《化工过程分析与模拟》，化学工业出版社，1991年9月，136-174页。
[2] 李长俊等：“输气管道优化运行技术”，《天然气工业》，2005年10月，第10期，第25卷，106-109页。
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[55] 吴俊生等：《精馏设计、操作和控制》，中国石化出版社，1997年5月，46-65页。
[56] 房德中，朱建业等：《化工过程分析与模拟》，化学工业出版社，1991年9月，136-174页。