基于RSM的天然气脱硫脱碳装置适应性建模及分析.pdf

第 4 3卷第 6 期 石 油 与 天 然 气化 工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG 0F 0I L GAS 5 9 5 基于R S M 的天然气脱硫脱碳装置适应性建模及分析 邓 骥 刘 红 陈海涛 赵启龙 李林峰 1 ． 西 南石 油大 学 2 ． 中国石 油集 团川 庆钻探 工程有 限公 司安 全环 保质 量监 督检 测研 究 院 摘 要 原 料 气条件 发 生 变化后 ， 天 然 气脱硫脱 碳 装置 常 出现运 行 不稳 定 、 酸 性组 分过 度分 离 等 问题 。采 用模 拟软 件 建立 某脱硫 脱 碳 装 置 工 艺模 型 ， 选 择 原 料 气 处理 量 、 CO 体 积 分 数 作 为 原 料气条件 变化参数 ， DE A 质 量分数、 贫液进料位 置、 循 环量和 装置 能耗 作 为适应性 参数。基 于 R S M 建立试验方案 ， 回归得到装置适应性模型。对模型进行 分析 ， 结果表明， 处理量和 C O。体积 分数 上 升将 导致 装置 循 环量 和能耗 上 升 ， 相 对 于 处理 量 而 言 ， C O。 体 积 分数 影 响 程度 更 大 ； 提 高进 料位置和 D E A质量分数 均有助 于降低溶 液循 环量及装 置能耗 ， 进料 位置对装 置的影响略 大于 D E A 质 量分 数 的影响 ； 处理量 和 C O2 体 积 分 数 对循 环 量 和 装 置 能耗 的 影 响表 现 出强烈 的 交互 作 用 ； 调 节 D E A 质 量 分数 与进 料位 置 ， 可 以有效 地减 小原 料 气条件 变化 对装 置 的影 响 。 关键 词 脱 硫 脱碳 气质 变化 适 应性 RS M H S C O2 中图分 类号 TE 6 4 4 文献标 志 码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 4 Es t a b l i s h m e nt a n d a n a l y s i s f o r a da p t i v e mo d e l o f n a t u r a l g a s d e s u l f u r i z a t i o n a nd d e c a r b u r i z a t i 0 n f a c i l i t i e s b a s e d o n RS M De n g J i ，L i u Ho n g ，Ch e n Ha i t a o ，Z h a o Qi l o n g ，Li Li n f e n g 1 ．S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y，Ch e n gd u 6 1 0 5 0 0，S i c h u a n ，C h i n a；2 ．S a f e t y a n d En v i r o n me n t a l Pr o t e c t i o n Qu a l i t y Su pe r v i s i o n Te s t i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e，CNPC C h u a n q i n g Dr i l l i n g En g i n e e r i n g Co ．，Lt d，C h e n g d u 6 1 8 3 0 0 ，S i c h u a n，C h i n a Ab s t r a c t The de s u1 f ur i z a t i o n a nd d e c a r bur i z a t i o n de vi c e s o pe r a t e u ns t a bl y a nd a c i di c c o m po ne nt s a r e s e pa r a t e d e xc e s s i v e l y whe n i t c o m e s t o v a r i a t i on o f f e e d ga s c o nd i t i o ns ． Pr o c e s s m o d e l o f a d e s ul f u r i z a t i on a nd d e c ar b ur i z a t i on de v i c e wa s e s t a bl i s h e d us i ng s i m ul a t i o n s o f t wa r e a n d t he a d a pt i ve mod e l wa s r e gr e s s e d o n t he ba s e o f RS M ． V o l ume f l o w r a t e o f f e e d g a s ， CO2 vo l ume f r a c t i o n a s t he v a r y i ng p a r a m e t e r s o f f e e d g a s c o ndi t i o ns a nd DEA m a s s f r a c t i o n，l oc a t i o n o f l e a n a m i ne i n t o a bs or be r，a mi ne c i r c u l a t i o n v o l u m e r a t e a nd e n e r gy c o ns um p t i o n o f t h e un i t we r e c ho s e n a s a d a pt i ve v a r i a b l e ． Ba s e d o n t he a n a l y s i s o f t he m o d e I ， t he r e s u l t s we r e s ho we d a s f o l l o ws The i n c r e a s e o f p r oc e s s i n g c a pa c i t y a n d CO2 vo l um e f r a c t i o n wi l l l e a d t o t he i nc r e a s e o f a mi ne c i r c u l a t i o n vo l um e r a t e a n d e ne r g y c o ns u m p t i o n． Co m pa r e d wi t h p r oc e s s i n g c a pa c i t y，CO2 v o l um e f r a c t i o n h a s m o r e i nf l ue nc e o n t he a mi ne c i r c u l a t i o n v ol u m e r a t e a nd e ne r g y c ons umpt i on ． Ri s i ng t he l oc a t i on i n t o a b s o r be r a nd i n c r e a s i n g DEA m a s s f r a c t i o n wi l l bo t h c o nt r i b ut e t o t he de c r e a s e o f a mi ne c i r c u l a t i o n v o l um e r a t e a nd e n e r gy c ons umpt i on，a nd t he f or m e r ha s s l i g ht l y m o r e i nf l u e nc e t ha n t he 1 a t t e r ． The r e i s a s t r ong i n t e r a c t i o n be t w e e n t he p r o c e s s i ng c a p a c i t y a nd CO2 vo l um e f r a c t i on on a f f e c t i ng t he a m i ne c i r c ul a t i on v o l um e r a t e a nd e ne r g y c o ns um p t i o n．Th e 1 a s t bu t no t t he l e a s t ，i t c a n b e r e ga r d e d a s a n e f f i c i e nt wa y t o r e du c e t he i nf l ue nc e b r ou gh t b y t he v a r i a 一 作者简介 邓骥 1 9 9 0 一 ， 男 ， 四川 乐至人 ， 西南石 油大学在读 硕士研究 生 ， 主要 研究方 向为天然气 处理 。地址 6 1 0 5 o 0 四川 省成都市新都 区新都大道 8 号西南 石油大学化学化工学 院。E - ma i l d j s w p u s i n a ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邓骥 等 基 于 R S M 的天然气脱硫脱碳装 置适应性 建模 及分析 t i o n o f f e e d ga s c o nd i t i ons t o r e g ul a t e DEA i r i a s s f r a c t i o n a n d l oc a t i on o f l e a n a m i n e i nt o a bs or b er． Ke y wo r d sd e s u l f ur i z a t i o n，de c a r b ur i z a t i on，v a r i a t i o n of f e e d g a s c o m p os i t i on，a da pt a b i l i t y， RSM ，H2 S，CO2 醇胺 法净 化工 艺 自 2 0世 纪 问世 以来 ， 因具 有受 操作 压力 影 0 N , l , 、 流程 可靠 等优 点 ， 在 天然 气净化 等 领域得到了广泛的应用 ， 迄今仍处于主导地位口 ] 。 在实际的天然气处理过程 中， 由于现场操作缺乏预 测性 ， 当上游原料气条件发生变化时 ， 常出现参数调 节 过大 、 天然 气 中酸性 组分 过度 分离 、 吸 收塔拦 液频 繁 和装 置运行 不 稳定 等 一 系列 问 题 ， 造 成 严 重 的能 源浪 费 和经济 损失 l 3 j 。因此 ， 通过 过程 模拟 和 系统 分 析 的方法 探究 装 置 的适 应 性 ， 对 于 保 证 在 原 料气 条件 发 生变 化 时以较低 的能耗得 到 满足气 质指 标 的 净化气具有重要意义 。王正权等E 。 采用单 因素 分 析法 模拟 研究 了不 同原 料气 条件 下胺 液循 环量 和 塔板 位 置 的 调节 范 围 ， 以 期 为 实 际 生 产 提 供 指 导 。 但是 ， 单 因素法存在不够直观、 忽略影响因素之间的 交互 作用 等不 足 。 响应 面法 R e s p o n s e S u r f a c e Me t h o d o l o g y ， 简 称 RS M 是一种结合合理的试验设计与统计分析技 术 的回归 建模 方法 ， 可 在 较 少 的试 验次 数 下 建 立 连 续 变 量 的回归模 型 ， 全面 、 定量 地分 析各 因 素及其 交 互作用对响应值 目标值 的影响l 7 ] 。 在 对某天然气脱硫脱碳装置进 行模 拟的基础 上， 将响应面法应用 于在原料气条件发生变化后装 置 的适 应性 模 型建 立 与 分 析 ， 以期 为实 际生 产 提 供 借鉴 和参 考 。 1 工艺模型 1 ． 1 装 置介绍 某处 理量 为 4 0 0 1 0 m。 ／ d的天 然气 脱 硫脱 碳 装置流程示意如图 1 l_ 1 “ ] 所示 ， 经初 步处理的原料 气从吸收塔下部入塔 ， 与 自塔顶流下的醇胺溶液逆 流接触 ， 脱除酸气后 由顶部排出。富液从塔底流 出 经节流、 闪蒸和升温后进入再生塔 ， 在加热作用下解 吸 出 H S和 C O。 ， 实现 醇胺 溶液 的再 生 。酸气 由塔 顶排 出， 塔底流出的贫胺液经降温 、 加压后 ， 一部分 贫液 进 入 闪蒸罐 脱 除 闪蒸 气 中的 H S和酸 性气 体 ， 其他贫液则返 回吸收塔 ， 完成溶液的循环 引。 装置运行负荷为 1 8 0 i 0 ～4 。 j 1 0 m。 ／ d ， 运 行压 力 为 4 ． 9 MP a ， 分 别 在 吸 收塔 的第 1 4块 和 1 8 块 塔 板处 设 置 贫 胺 液 人 口 塔 板 由 下 向上 编 号 ， 下 同 。原料 气 中 C O。 体 积分 数 为 4 ． 4 1 ～6 ． 0 ， 碳硫 比 8 0 ～1 6 0 l 5 ] 。由于原 料气 中 CO 含量 较高 ， 吸 收剂采 用 向 MD E A 水 溶 液 中加 入 少 量 D E A 的 混合 胺溶 液 ， 其 中 D E A 在 溶液 表 面 与 MD E A 主体 间“ 穿梭 ” 运 载 C O 以提 升 吸 收 速 度u 。 I 。为避 免发 生严重腐蚀 ， 控制 DE A质量分数不大于 4 ． 5 ， 总 胺质 量分 数约 4 7 l_ 5 ] 。 图1 天然气脱硫脱碳装置流程示意图 Figu r e 1 Fl o w diag r a m o f n at ur al g as d es u l f ur i z a t i o n an d d ec a r bu r iz at i O n un it 1 ． 2工艺模 型 建立 与验 证 表 1 装 置 现 场 试 验 数 据 与模 拟 数 据 Ta b le 1 Co mp a r is o n b e t we e n f ie l d t e s t d a t a a n d s imu lat i o n d a t a 参数 处理气量 1 0 m。 d 3 9 3 ． 3 7 3 9 3 ． 3 7 1 8 7 ． 3 O 1 8 7 ． 3 0 甜 总胺 ／ ～4 O ． 0 0 4 0 ． 0 0 ～4 0 ． 0 0 4 0 ． 0 0 w D E A ／ 4 ． 3 8 4 ． 3 8 4 ． 3 8 4 ． 3 8 溶液循t m／ m 。 h 8 O ． 0 3 8 O ． O 3 6 9 ． 5 7 6 9 ． 7 原料气 p H2 S ／ mg m一 。 7 6 7 ． 3 7 6 7 ． 3 1 3 0 4 ． 0 1 3 0 4 ． 0 f C 0 2 ／ 5 ． 5 1 5 ． 5 1 5 ． 5 9 5 ． 5 9 净化气 p H2 S ／ mg I T I一 。 8 ． 5 3 7 ． 8 6 2 ． 1 5 1 ． 7 1 ∞ C O2 ／ 2 ． 6 8 2 ． 6 8 1 ． 7 3 1 ． 7 8 C 0 脱除率， 5 1 ． 3 6 5 1 ． 3 8 6 8 ． 9 9 6 8 ． 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3卷第 6 期 石油与天然气化工 CH EM I CAL ENGI NEERI NG 0F OI L GAS 针 对 酸 气 吸 收 过 程 含 有 化 学 反 应 的 特 殊 情 况m] ， 选择 Ami n e物性包 中 K E模 型计 算物系 的 平衡特性 “ ] 。参考文献 [ 5 ] 、 E 6 ] 、 [ 1 0 ] 、 [ 1 1 ] 并结 合实际工艺过程 ， 利用流程模 拟软件建立天然气脱 硫脱碳装置工艺模型 。将现场试验数据与模拟数据 进行 对 比 ， 结 果列 于表 1 _ 1 ， 由表 1 可 知实 际数 据 与 流程模拟数据吻合度较高 。 2适应性模 型建立 2 ． 1 研 究 参数选 取 据文献E 5 ] 报道 ， 在实际生产过程 中， 由于原料 气碳硫 比较高 ， 当原料气处理量出现较大波动时 ， 常 出现 净 化气 中 H。 s质 量 浓 度小 于 2 0 mg ／ m。而 C O。 体积分数仍大于 3 的情况。含量较低的 H S 对净化气质量和装置能耗影响不大 ， 所 以选择原料 气的处理量 x 和 C O 体积分数 x。 作为原料气 条件变化的主要参数。 对混合胺脱硫脱碳装置而言， 影响天然气净化 效 果 和能 耗 的 主要 参 数 有 贫 液 中 D E A 质 量 分 数 、 总胺质量分数 、 贫液循环量、 贫液进料位置、 贫液入 塔温度 、 再生压力和再生 回流 比等 。实 际操作时为 了控制装置腐蚀 ， 保持总胺质量分数基本不变[ 5 ； 贫 液入塔温度对天然 气净化质量影 响较大 ， 但其受制 于冷却介质的温度_ 3 ； 再生压力 和再生 回流 比虽对 贫液 再生 质量 和 塔 底 能耗 具 有 重 要 影 响 ， 但 再 生 压 力 和 回 流 比 的 频 繁 改 变 易 造 成 再 生 塔 运 行 不 稳 定嘲 。故 当原料气条件变化后 ，通常采用调节贫胺 液循环量 、 贫胺液进料位 置和贫液 中 D E A 质量分 数的方式 以达到净化要求_ 3 。由此 ， 选择贫液 进 料位 置 X。 、 吸 收溶剂 中 D E A 质 量分 数 X 、 溶 剂循环量 y 和装 置能耗 y 。 作为装置 的适应性 调 节参 数 。 2 ． 2 过程 描述 原 料 气 条 件 与操 作 条 件对 能 耗 都 有 影 响 ， 能耗 具体计算见式 1 L 1 。 E E泵q - Ee e 1 式 中， E泵为泵能耗， k W ； E再 沸 器 为再沸器能耗 ， k W 。 以 X ～x 为独立变量 、 y 和 y 作为 响应值 构建其间的回归模型 。基 于 R S M 的适应性模型建 立框 图见 图 2 ， 在 工 艺 流程 模 拟 的基 础 上 考 虑 原 料 气 中 C O 体 积分 数存 在 4 ～7 的波 动 ， 处 理量 在 1 8 0 1 0 ～ 4 0 0 1 0 m。 ／ d之 间变 化 ， 基 于 响应 面 法 RS M 设计试验方案 。为 了保证净化气 质量合 格并 留有 一定 安 全 裕 量 ， 调 节循 环 量 以保 证 净 化 气 中 C O 体积分数为 2 ． 9 。对模拟数据进行响应面 回归， 考察回归模型的显著性和精度是否符合要求 ， 若不符合 ， 则对模型参数进行调整 ， 直至输出合适 的 适应 性模 型 。 图2 装置适应性建模框图 Figu r e 2 Bloc k diag r am of un i t ad ap t iv e mo d el 2 ． 3回归模 型建 立 B o x B e h n k e n De s i g n 简 称 B B D 是一 种不 包含 嵌入 因子 或部 分 因子 设 计 的 响应 曲面设 计 类 型 ， 可 在较少的试验次数下对影响响应值的因子及其交互 作用进行有效评价_ 】 _ 1 8 l 。根据实际情况选择原料气 处理量 X 、 C O 体 积分数 X 、 D E A 质量 分数 x。 和进料位 置 x 4个 因素进行 B o x - B e h n k e n 设计 ， 其因素水平 分布见 表 2 。由于试验 通过计算 机 模 拟 实 现 ， 故 中 心 点 仅 取 1次 ， 借 助 De s i g n 表 2响应面 因子分布 表 Ta bl e 2 Fac t or s dis t r i bu t i o n o f r es p on s e s u r f ac e 因子 水平 工艺参数 X x ， 原料气处理量／X z ， C 0 2 ／ X 。 ， w D E A ／ ， 进料位 置／ 1 0 m。 d 块 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3 卷第 6期 石 油与 天 然 气 化工 CHEMI C AL ENGI NEERI NG OF OI L 8 L GAS 6 O 1 数 ， DE A质 量 分数 X。 、 进 料位 置 X 、 循 环 量 y 和装置负荷 y 作为适应性变量 ， 基 于响应面 方法 RS M ， 建立 y1 、 y 与 X 、 xz 、 x。 、 x 间 的适 应性 模 型 。对 模 型进行 分 析 ， 分 析结 果 表 明 1 回归模型具有较高 的精度 P 0 ． 0 0 0 1 ， 能为原料气条件发生变化后的装置适应性提供可靠 的预测 。 2 响应值 与各变量 间均为单调关系， 处理量 和 C O 体积分数 的上升均会导致循环量和装置能 耗上 升 ， 且 C O 体 积 分数 带 来 的 变 化 幅 度 更 大 ； 提 高 D E A 质 量分 数和 贫 液进 料 位 置 有 助 于循 环 量 和 装置能耗减小且进料位置 比 DE A质量分数 的影响 力略大 。在考察范围内模型无边界 内极值 。 3 处 理 量 和 C O。体 积 分 数 对 循 环 量 和 装 置 能耗 的影 响 表 现 出强 烈 的 交 互 作 用 ， 在 处 理 量 和 C O 体积分数较高时更甚 。 4 考虑到装 置运行 的稳定性 ， 可 以通过改变 D E A质量分数 和进料位置减小原料气条件变化所 带来 的装 置循 环 量和 能耗 波动 。 参 考 文 献 [ 1 ]陈赓 良，常宏 岗．配方型溶剂的应用 与气体净 化工 艺的发展 动 向[ M] ． 北京 石油工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]王遇 冬 ， 王登 海． MDE A配 方溶液在 天然气脱 硫脱碳 中的选 用 [ J ] ． 石油与天然气化工 ， 2 0 0 3 ， 3 2 5 2 9 1 2 9 4 ． [ 3 ]王正权 ，王瑶 ，高超 ，等．天然气脱硫装置适应性模拟计算[ J ] ． 石油 与天然气化工 ，2 0 1 0 ，3 9 3 2 0 4 2 0 9 ． [ 4 ]熊钢 ， 印敬 ， 李静 ， 等．原 料天然 气条 件变化 后脱硫 装置适 应性 分析 的方 法[ J ] ．石油 与天然气化工 ，2 0 0 8 ，3 7 1 3 8 4 1 ． [ 5 ]卢坤 ，王晓军 ，翁军利，等．C J S T塔盘在长庆气 田的运行评 价 及优化[ J ] ．天然气工业 ，2 0 1 0 ，3 0 3 1 0 6 1 1 0 ． E 6 ]李时宣 ，王登 海，王遇冬 ， 等．长庆气 田天然 气净化 工艺技术 介 绍 [ J ] ．天然气工业 ，2 0 0 5 ，2 5 4 1 5 0 1 5 3 ． r 7 ]陆 燕 梅 ，陆 悦 飞 ，盛 清 ，等 ． 响 应 面 法 优 化 工 程 菌 产 细 胞 色． 素 P 4 5 0 B M一 3的发酵 条 件 [ J ] ．化 工学 报 ，2 0 0 6 ，5 7 5 1 1 8 7 1 1 9 2 ． E 8 ]王国建， 王宜龙．钢结构防火涂料配方的响应面法优化[ J ] ． 化 工 学 报 ， 2 0 1 2 ，6 3 3 9 7 8 9 8 4 ． [ 9 ]Nu c h i t p r a s i t t i c h a i A， C r e ma s c h i S ．Op t i mi z a t io n o f C 02 c a p t u r e p r o c e s s wi t h a q u e o u s a m i n e s u s i n g r e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d o l o g Y E J ] ．C o mp u t e r s Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g ，2 0 1 1 ，3 5 8 1 5 2 1 1 5 3 1 ． [ 1 o ]李亚萍 ，赵玉君 ．MDE A／ D E A 脱硫脱碳混合溶液在长庆气 区 的应用[ J ] ．天然气工业 ， 2 0 0 9 ，2 9 1 0 1 0 7 1 1 0 ． [ 1 1 ]王遇冬 ，王登海．长 庆气 田含硫天 然气脱 硫设 备及技 术 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 3 ，3 1 增刊 7 2 7 5 ． [ 1 2 ]裴爱霞 ， 张立胜 ， 于艳秋 ， 等．高含硫天然气脱硫脱碳工艺技 术 在普光气 田的应用研究[ J ] ． 石油 与天 然气化 工， 2 0 1 2 ， 4 1 1 1 7 2 3． [ 1 3 ]张亚萍 ，刘建周 ， 季芹芹 ，等．醇胺法捕集燃煤烟气 C Oz工艺 模拟及优化[ J ] ．化工进展 ，2 0 1 3 ，3 2 4 9 3 0 9 3 5 ． [ 1 4 ]P a t i l P，Ma l i k Z， J o b s o n M．P r e d i c t i o n o f C 0 2 a n d H2 S s o l u b i l i t y i n a q u e ou s M DEA s o l u t i o n s u s ing a n e x t e n d e d Ke n t a n d E i s e n b e r g Mo d e l J ] ．I n s t i t u t i o n o f Ch e mi c a l E n g i n e e r s S y m p o s i um S e r i e s ， 2 0 0 6 1 52 4 9 8 5 1 0 ． [ 1 5 ]王小林 ，刘瑾 ，魏 莹鹏．天 然气净 化过 程节 能参 数优化 研 究 [ J ] ． 天然气与石油 ，2 O 1 3 ， 3 1 1 4 1 4 3 ． [ 1 6 ]李奇 ，姬忠礼 ， 段西欢 ，等．基 于 HYS YS和 GA 的天然气 净 化装置用能优化_ J ] ．天然气工业 ， 2 0 1 1 ，3 1 9 1 0 2 1 0 6 ． [ 1 7 ]F e r r e i r a S C，B r u n s R，F e r r e i r a H，e t a 1 ．B o x - B e h n k e n d e s i g nAn a l t e r n a t i v e f or t h e o p t i m i z a t i o n of a na l yt i c a l m e t h o d s 口] ．An a l y t i c a C h i mi c a Ac t a ，2 0 0 7 ，5 9 7 2 1 7 9 1 8 6 ． [ 1 8 ]周艳艳．精馏一 蒸汽渗透进行异丙醇脱水 的响应面优化 [ D ] ． 大 连 大连理工大学 ，2 0 1 3 ． [ 1 9 ]张进春 ， 侯 锦秀．基 于响应 面法 的煤气化 工艺 参数效应 分 析 [ J ] ．动力工程学报 ，2 0 1 1 ， 3 1 1 0 7 8 9 7 9 6 ． [ 2 o ]李小飞 ，王淑娟，陈 昌和．胺法脱碳 系统再生能耗研究[ J ] ．化 工学报 ，2 0 1 3 ， 6 4 9 3 3 4 8 3 3 5 5 ． [ 2 1 ]诸林．天然气加工工程[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 5 ； 编 辑 温 冬 云 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m