精品毕业论文燃煤电厂减排co2方案设计

摘 要全球每年因燃烧化石燃料而排放的CO2达到200亿t左右，由化石能源燃烧产生的CO2总量约占温室气体总量的82。随着世界各国对地球温室效应问题的关注，CO2减排日益引起全世界的重视。过去20年中，排放到大气中CO2的3/4是由化石燃料燃烧造成的，其中化石燃料发电厂烟道气是CO2长期稳定集中排放源，其所排CO2量占总排放量的大约30，因此应当成为减排CO2的重点。回收烟道气中的CO2不仅是缓解CO2排放危机最直接有效的手段，还能降低生产成本。由于大多数化石燃料电厂均采用直接燃烧技术，因此CO2只能从烟道气中分离和回收。针对燃煤电厂烟道气CO2分压较低，使用MEA的化学吸收对于脱除烟道气物流中的二氧化碳是一项可利用的技术。但是，这套吸收装置的操作费用特别是再生塔再沸器所需能耗很大，难以大规模的商业应用。本课题是用Aspen plus模拟软件对CO2捕获系统操作条件和设备参数进行了概念设计研究。选择NTRL物性方法成功的对脱碳系统进行了模拟优化，并得到最优工艺参数，最终达到了二氧化碳捕获率85-90%的目标。关键词：燃煤电厂，二氧化碳捕获，过程模拟，Aspen PlusIAbstractAbstractThe whole world CO2 which discharges because of the combustion fossil fuel achieves about every year 20,000,000,000 t, produces CO2 by the fossil energy combustion the total quantity to approximately compose the greenhouse gas total quantity 82%. Along with various countries the global warming questions attention, CO2 reduces the row to bring to the world attention day by day. In the past 20 years, discharged National Peoples Congress to be mad that CO2 3/4 was creates by the fossil fuel combustion, the fossil fuel power plant flue gas was the CO2 long-term stability centralism emissions source, its arranged the CO2 quantity to account for the total withdrawal about 30%, must therefore become reduces arranges CO2 key .The CO2 recovery from flue gas CO2 emissions mitigation is not only the most direct and effective means of crisis, but also reduce production costs. Since most fossil fuel power plants are direct combustion technology, only from flue gas CO2 separation and recovery. For coal-fired power plant flue gas CO2 partial pressure low, use MEA chemical absorption of the logistics for the removal of carbon dioxide in the flue gas is an available technology. However, this absorbing devices operating costs, particularly renewable energy required to reboiler column very difficult large-scale commercial applications.The subject is simulation software Aspen plus CO2 capture system operating conditions and equipment parameters of the concept design study. Select NTRL properties was successfully carried out against the removal system simulation and optimization, and process parameters，Carbon dioxide capture rate eventually reached 85-90% target.Key words: Coal-fired power plant,CO2 capture,Process simulation,Aspen Plus目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引言11.1 研究背景21.1.1 二氧化碳的危害31.1.2 二氧化碳的排放41.1.3二氧化碳的作用51.2 各种脱CO2的方法61.3 Aspen plus简介及应用实例81.3.1 Aspen plus简介81.3.2 Aspen Plus软件的应用实例81.4本课题的目的和意义9第二章 CO2捕获系统工艺流程102.1 Aspen plus模拟步骤102.1.1 物性选择原则102.1.2 工艺模型的建立112.1.3 操作单元的设定112.2 CO2捕获系统工艺流程的设计要求122.2.1 烟气工况及吸收剂浓度122.2.2 设计要求122.3 CO2捕获系统工艺流程分析122.3.1 CO2捕获系统工艺流程的选用122.3.2 分离系统分析132.3.3 循环系统分析132.4 流程叙述14第三章 CO2捕获系统工艺的设计和优化153.1物性选择153.1.1 CO2捕获系统工艺流程组分的确定153.1.2 热力学数据给出153.2 流程的设计与优化163.2.1 吸收塔的设计173.2.2 再生塔T-102的参数设计18第四章 设计与校核224.1 吸收塔T-101的设计与校核224.2 再生塔T-102的设计与校核23结 论26参考文献27致 谢29附 录1 流程图30附 录2 再生塔31附 录3 Aspen Plus 计算说明报告321第一章 引言第一章 引言概念设计又称为“预设计”，是在根据开发基础研究成果、文献数据、现有类似的操作数据和工作经验基础上，按照所开发的新技术工业化规模要求而作出的预设计，用以指导过程研究及提出对开发性的基础研究进一步的要求，所以它是实验研究和过程研究的指南，是开发研究过程中十分关键的一个步骤。 概念设计不同于工程设计，因而不能作为施工的依据，但是成功的概念设计不但可以节省大量的人力和物力，而且可以加快新技术的开发速度，提高开发的水平和实用价值。一个很普通的单一产品的生产过程，可能有许多个方案可供选择，如何从技术、经济的角度把最有希望的方案设计出来，是作为强化研究开发工作的方向，这是一种系统化的分级决策过程，这正是概念设计的真谛。 概念设计是设计者综合开发初期收集的技术经济信息，通过分析研究之后。对开发项目作出一种设想的方案，其主要内容包括：原料和成品的规格，生产规模的估计，工艺流程图的简要说明，物料衡算和热量衡算，主要设备的规模，型号和材质的要求，检测方法，主要技术和经济指标，投资和成本的估算，投资回收预测，三废治理的初步方案以及对中试研究的建议等。 随着计算技术和计算机技术的发展,化工流程过程模拟软件也越来越成熟，计算机辅助设计也日趋广泛。在进行概念设计时，采用流程系统模拟物料衡算和热量衡算，投资和成本估算等问题以及采用流程模拟软件进行整体优化也越来越普遍。本文采用国际上最流行的化工过程模拟软件之一的ASPEN作为辅助设计的主要工具，与过程有关的物料和能量的衡算基本上有该软件给出，并以设计流程计算的收敛与否来检验该流程是否可行1。本文通过概念设计，其目标是寻找最佳工艺流程（即：选择过程单元以及这些单元之间的相互连接）和估算最佳的工艺设计条件。1.1 研究背景1.1.1 二氧化碳的危害一、对人体的危害：（1）低浓度的二氧化碳可以兴奋呼吸中枢，便呼吸加深加快。高浓度二氧化碳可以抑制和麻痹呼吸中枢。（2）由于二氧化碳的弥散能力比氧强25倍，故二氧化碳很容易从肺泡弥散到血液造成呼吸性酸中毒。 临床上很少见单纯的二氧化碳中毒，由于空气中二氧化碳增多，常伴随氧浓度降低。比如：地客中储存的蔬菜、水果呼吸时产生二氧化碳，同时消耗了氧气。无防护措施进入地窖所发生之中毒，是高浓度二氧化碳和缺氧造成的。试验证明氧充足的空气中二氧化碳浓度为5时对人尚无害；但是，氧浓度为17以下的空气中含4二氧化碳，即可使人中毒。缺氧可造成肺水肿、脑水肿、代谢性酸中毒、电解质紊乱、休克、缺氧性脑病等。二、温室效应：温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。因此，二氧化碳也被称为温室气体。它会带来以下列几种严重后果： 1) 地球上的病虫害增加；2) 海平面上升；3) 气候反常，海洋风暴增多；4) 土地干旱，沙漠化面积增大。科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升24摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼。21.1.2 二氧化碳的排放国际能源署2003年的报告给出了近年来二氧化碳排放情况，并预计其发展趋势，见图l.12图1.1 部分国家二氧化碳的排放情况 由图1.1可看出：世界二氧化碳排放量在2010年后将会以更快的速度增长，尤以美国和我国最为明显。美国的CO2排放量占排行榜首位，中国的排放量居世界第二位。随着经济的快速发展，我国能源消耗和二氧化碳排放量将更加快速的增长。2001年我国的CO2排放占全世界的12%，2025年将增至17%，这样势必会给我国乃至全球带来更加严重的气候和生态负面效应，因此必须采取有效措施控制CO2的排放，减缓“温室效应”的加剧。火电厂是CO2的集中排放源3，其CO2排放量约占人类活动引起的CO2总排放量的30%。电厂排放的CO2量是巨大的，一个600MW的电厂每小时排放的CO量可达500t。因此，为了实现CO2的减排，首先考虑的措施就是对现有电厂采取措施，对其排放的烟道气中的CO2进行分离、回收。研究经济性强、易于大规模工业应用的分离回收和固定CO2的技术，具有十分重大的意义。31.1.3 二氧化碳的作用随着人们对资源短缺、温室效应问题的重视，作为废气排放的CO2，其回收、固定、利用及再生资源化问题引起世界各国特别是排放量较大的工业国家的普遍关注，有关CO2的应用及研究也不断深入。随着人们对CO2性质的深入了解，CO2的应用领域扩展到了食品业、工业、农业、国防、医疗、商业、运输等各个部门。此外，CO2还广泛应用于烟草制造、食品加工等行业。见表1.2。除常见的应用途径外，长春应用化学研究所和蒙西公司研究CO2基聚合物制可降解塑料技术获得专利，取代传统的填充型淀粉塑料，制成了真正意义上的可降解塑料4，开辟了广阔的市场。表1.1 二氧化碳的应用途径4 1.2 各种脱CO2的方法CO2捕获技术从分离作用在燃烧的不同阶段可分为四类如图1.2，即：燃烧前脱碳、燃烧后脱碳、纯氧燃烧技术以及化学链燃烧技术。图1.2 火电厂烟道气二氧化碳捕获的三大主要方式1、燃烧前脱碳技术5在碳基燃料燃烧前5，首先将其化学能从碳转移到其它物质中，然后再将其进行分离，IGCC就是最典型的可以进行燃烧前脱碳的系统。美国的未来电力、中国的绿色煤电、日本的鹰计划以及澳大利亚的零排放发电等技术均计划采用IGCC作为基础，进行燃烧前的脱碳。2、纯氧燃烧技术针对燃煤电厂特点所发展起来的CO2减排技术是O2/CO2循环燃烧技术6-8，如图1.3所示。该技术是利用空分系统获得富氧或纯氧，然后燃料与氧气共同进入专门的纯氧燃烧炉进行燃烧。瑞典能源集团Vattenfall正在建设世界上第一台使用O2/CO2循环燃烧技术的燃煤示范电厂，该电厂2008年投入运行。图1.3 O2/CO2循环燃烧方式示意图3、化学链燃烧技术化学链燃烧技术是通过金属氧化物，使燃料与空气不直接接触，CO2产生在专门的反应器中，从而避免了空气对CO2的稀释。Lyngfelt9等设计了循环流化床应用化学链燃烧技术的试验装置。Eva Johansson10等对循环流化床锅炉应用化学链燃烧技术进行了概念设计。日本、瑞典及美国等国都进行了大量的金属选择试验研究。4、燃烧后脱碳技术燃烧后脱碳可以分为化学吸收法、物理吸收法、吸附法、膜分离法、低温分离法等几大类。61.3 Aspen plus简介及应用实例1.3.1 Aspen plus简介Aspen Plus11是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程拟软件。它是由美国麻省理工学院（MIT）化学工程系1976年开始开发，并于1981年正式公开发行Aspen Plus。此后，Aspen Plus不断有所发展，被公认为是新一代的化工过程计算机模拟系统。Aspen Plus具有完备的物性数据库丰富的基本物性参数，是唯一获准与DECHEMA 数据库接口的软件。该数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据，共计二十五万多套数据。用户也可以把自己的物性数据与Aspen Plus 系统连接12。利用Aspen Plus，公司可以设计、模拟、瓶颈诊断和管理有效益的生产装置。Aspen Plus 提供了单元操作模型到装置流程模拟13。这些模型的可靠性和增强功能已经经过20多年经验的验证和数以百万计例子的证实。为我们的设计工作和实际生产积累了宝贵的数据和成功经验。1.3.2 Aspen Plus软件的应用实例运用Aspen Plus流程模拟软件，通过模拟计算及优化，得出最佳的分离流程及操作条件的方法已得到国内外设计专家的认可与信任。石油化工科学研究院的李明，齐艳华，周详和中国石化天津分公司炼油部的侯延军把Aspen Plus应用于常减压蒸馏装置中，利用Aspen Plus软件依照生产装置的现场流程建立了中国石化天津分公司的25M吨a常减压蒸馏装置的模型，基于此模型提出了提高拔出率和增产柴油的优化方案，可取得一定的经济效益。常减压蒸馏装置是原油加工的第一道工序，一方面直接提供部分油品，另一方面为一系列二次石油炼制工艺过程提供原料，用来生产多种石油化工基本原料口，其操作的好坏对石化企业的经济效益有直接的影响。利用流程模拟技术建立装置模型，并以此来指导生产，优化生产操作，进行多方案对比找出装置的最佳操作工况，提高经济效益，可更加快捷和准确。初馏塔和常压塔塔内汽液相连续模拟时选用Aspen Plus的原油PetroFrae模块。减压塔的侧线抽出产品全部供给催化,裂化或加氢裂化装置，与常规精馏7塔相比，有产品质量控制粗犷、产品间无严格分离要求、塔内气相连续、液相不连续和内回流量少的特点，直接使用PetroFrae模拟有很大的误差。针对减压塔的工艺特征，汪学军等提出把干式减压塔作为一个闪蒸过程与多个复杂吸收过程的串联，但基于此方案的计算完全忽略了塔内回流量应用Aspen Plus建立的模型难以达到物料平衡，因此提出了改进的减压塔模型，将塔顶部分油返回至塔底渣油，可解决物料平衡的问题，建立了常减压模型。运用Aspen Plus模拟软件的灵敏度分析工具可以研究过程参数对常减压产品分布的影响程度，通过工况分析，可以在装置的约束条件范围内确定不同操作条件下的最优化生产方案。用Aspen Plus模拟软件对中国石化天津分公司25Mta常减压装置的流程模拟得到了与实际生产流程较为一致的结果，其中减压系统的模拟需要补充模拟裂解气。利用灵敏度分析，最优化工具结合约束模块，选取合适的自变量，基于Aspen Plus常减压蒸馏模型可以较方便快速的得到最优化解决方案，供企业生产者参考。在一定约束条件下提出了提高拔出率和增产柴油的优化方案，可为企业带来经济效益。141.4 本课题的目的和意义经济发展使得人类对化石燃料的需求量的不断增加，导致二氧化碳（CO2）的排放量逐年提高，造成越来越严重的地球温升问题。温室效应是由于以CO2为代表的温室气体的大量排放造成的，化石燃料燃烧产生的CO2占人类活动引起的CO2排放量的80%，其中电厂烟道气CO2排放量30%，因此电厂烟道气脱CO2是削减温室效应的关键。Aspen plus 是生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。它为用户提供了一套完整的单元操作模型，可对各种操作过程，从单个操作单元到整个工艺流程进行设计，模拟和优化。本课题是用Aspen Plus对二氧化碳捕获技术工艺过程设计进行模拟。设计出合理的二氧化碳捕获系统技术工艺过程，其中包括吸收塔和再生塔设计等，具有重要的实际意义。 55第二章 CO2捕获系统工艺流程第二章 CO2捕获系统工艺流程2.1 Aspen plus模拟步骤2.1.1 物性选择原则1、 NRTL物性方程基于NRTL、NRTL-2、NRTL-HOC、NRTL-NTH、和NRTL-RK等物性方程，用NRTL模型计算液体的活度系数。该方程被推荐用于非强理想性化工系统和气液平衡或液液平衡装置，也可用于改进状态方程混合规则，例如Wong-Sandier和MHV2等。2、用于模拟电解质溶液的ELECNRTL物性方程对许多工业系统的模拟都需要一种对电解质溶液进行严格处理的模拟方法。我们可以应用Aspen Plus提供的特殊的电解质溶液的性能对特定的工业系统进行模拟。这些工业系统主要包括： 酸性水溶液，即含溶解有H2S，NH3，CO2，HCN等的水系，有时需要一些附加的溶剂。 基于气体净化的水合胺溶液，即含有DGA，MEA，DEA，MDEA的用于H2S和CO2脱除的水溶液。 基于水合酸或以此为基础的溶液，即HCI，HBr，H2SO4，H3PO4，HNO3，HF，NaOH，KOH以及其它物质的水合物，有时需要附加溶剂。 盐溶液，即NaCL，KCI，Na2SO4，CaSO4，CaCO3的水溶液，有时需要参与反应。电解质NRTL活性系数模型ELECNRTL，是一种被Aspen Plus推荐的用于模拟电解质溶液的模型。ELECNRTL通过电解质NRTL活性系数模型计算液相物性数据。气相物性数据则通过Redlich-Kwong静态方程计算。3、物性方程Redlich-KwongRedlich-Kwong状态方程可以为以下性质方法计算热力学性质：NRTL-RK、UNIFAC、UNIF-LL、UNIQ-RK、VANL-RK和WILS-RK。它适用于从低压到中压（最大压力为10atm）范围，且汽相非理想程度较低的系统。对于非理想程度较高的系统，例如包含有机酸的系统推荐使用Hayden-OConnell模型。对于液相性质计算不建议使用这个方程。2.1.2 工艺模型的建立A.绘制流程图：在进行模拟之前，必须根据相应的生产工艺确定合理的工艺流程。主要包括工艺涉及的操作单元，各个单元的排列分布方式和各个单元要达到的生产目标。B.设定全局规定：全局规定主要对模拟过程和模拟计算结果的单位制进行选择，并设定设计的题目，用户名等参数。 C.输入化学组分：根据模拟项目涉及的化学反应，物流组分，确定整个生产工艺中的化学组分。如果在生产过程中，有电解质的解离和生成，需要将电解质涉及的离子也要进行确定。D.确定物性方法：物性方法是指能够正确模拟生产过程的化学热力学方法。物性方法的选择是流程模拟计算结果准确程度的关键，Aspen Plus有强大的物性计算支持，但如何挑选、组合这些参数和计算模型，则需要物性计算的理论知识、Aspen Plus的使用经验和对分离过程的了解。E.设定进料物流属性：进料物流的属性包括物流组成，温度，压强，汽液比等基础数据，在此基础上Aspen Plus进行模拟计算。F.设定单元模型的操作条件：根据生产工艺和产品的要求设定操作单元的基本参数。在此基础上，Aspen Plus就可以对整个生产工艺过程进行稳态模拟，由于单元模型的操作条件通常是根据以往的资料得到的，这些参数可以进一步优化。2.1.3 操作单元的设定操作单元参数的优劣直接影响到模拟结果，Aspen Plus提供了对操作单元的操作参数（如温度，压强，流速等）进行优化的方法：Flowsheet Design Spec。这种方法是通过设定操作参数的变化范围，由程序选择满足设定条件的参数。在精馏塔模块内，还有Design Spec选项，通过它可以对精馏塔的内部操作参数进行优化，如回流比，采出率，热功率等参数。2.2 CO2捕获系统工艺流程的设计要求2.2.1 烟气工况及吸收剂浓度烟气工况：流量2000000kg/h，温度57.8，N2（V）68.3，O2（V）2.9，H2O（V）16，CO2（V）12.8MEA浓度5502.2.2 设计要求按一年有34个星期的检修期，实际的生产时间为340天。要求CO2捕获率达到85902.3 CO2捕获系统工艺流程分析2.3.1 CO2捕获系统工艺流程的选用 本课题是使用单乙醇胺（MEA）吸收工艺捕获燃煤电厂烟道气中的二氧化碳。单乙醇胺常温下呈无色透明状液体，工业上使用一段时间后呈棕黄色，分子式为NH2CH2CH2OH，分子量为61.08，因其效率高(当量值低)，反应能力强(伯胺)，稳定性好，对酸性气体(C02、H2S)有较高的溶解度和吸收速率，对低分压酸性气体的脱除特别有效。它与二氧化碳的反应如下: 该设计的工艺流程设计步骤如下：1、 确定原理，选择实验流程。2、 分析流程中的条件，选择反应装置。3、 进行流程的模拟与优化，获得各个装置的优化数据。图2.1 MEA吸收二氧化碳基本工艺流程图2.3.2 分离系统分析 由图2.1所示，MEA捕获烟气二氧化碳流程系统中包括两大主要设备吸收塔和再生塔。MEA的水溶液和烟气中的二氧化碳在吸收塔中发生反应生成可溶性的盐从而到达捕获二氧化碳的目的。首先利用吸收塔分离出CO2，即当烟道气进入吸收塔内，存在吸收塔底部的富MEA吸收烟道气中的CO2。然后富MEA物流在换热器中预热进入再生塔，在再生塔中分离出CO2，贫MEA循环进入吸收塔。2.3.3 循环系统分析 二氧化碳 (一种弱碱)与 MEA(一种弱酸)发生放热反应形成可溶性盐。富 MEA物流存在吸收塔底部。富 MEA物流在换热器中预热进入再生塔的同时贫 MEA 气流离开再生塔。从 MEA中解吸的二氧化碳，通过 再生塔顶部离开，贫 MEA循环进入吸收塔。系统采用循环回路，再生后的吸收剂返回吸收塔循环使用，大大节省了吸收剂的用量。其循环结构如下图2.2：图2.2 循环系统示意图2.4 流程叙述图2.3 MEA捕获二氧化碳的工艺流程图如图2.3所示，含有二氧化碳的烟气首先进入闪蒸塔去除水蒸气，然后经过压缩机与冷却器进入吸收塔，在吸收塔中和MEA以及烟气物流逆流的MEA水溶液接触，二氧化碳和MEA发生化学反应形成可溶性盐。被处理过的烟气从吸收塔的顶部经过闪蒸塔后排向大气，富MEA物流存在吸收塔底部，富MEA物流进入再生塔的同时贫MEA离开再生塔。再生塔内过量的热量使反应逆向进行。从富MEA物流中解析出来的二氧化碳通过再生塔顶部离开，然后进过闪蒸排向大气。 第三章 CO2捕获系统工艺的设计和优化第三章 CO2捕获系统工艺的设计和优化3.1 物性选择物性计算准确与否是流程模拟成功的关键，Aspen Plus软件有强大的物性支持，它包含有很强大的纯组份物性数据库，提供了几十种汽液或液汽相平衡计算方法和多种传递性质方法供用户选择，对于各种物性体系均有相应的计算模型用来计算流体的传热传质特性。3.1.1 CO2捕获系统工艺流程组分的确定1、基本假设和简化用Aspen Plus模拟MEA捕获CO2的过程中，由于燃煤电厂烟气成分复杂，在吸收塔和再生塔中发生多种形式的复杂化学反应。本文做出了一些简化和基本假设：假设进入MEA捕获CO2系统的烟气的主要成分包括CO2、O2、N2、H2O。烟气中不含NOx、SO2以及固体颗粒污染物；由于添加剂的作用，吸收剂中MEA不和烟气的O2发生反应；模拟过程不考虑腐蚀作用的影响；吸收剂中MEA的质量分数为30%（MEA的质量比H2O的质量）；为了简化模拟过程，Aspen Plus模拟流程中不包括干燥、压缩和运输的过程。2、 组分的确定烟气中的组分包括：CO2、O2、N2和H2O。MEA：NH2CH2CH2OH3.1.2 热力学数据给出3.1.2热力学方程的选择根据分离过程的特点，本设计采用常温常压下，适用于水相的模型：NRTL活度系数模型，该模型能准确模拟非理想溶液的VLE和LLE性质。数据如表3-1所示：表3.1：NRTL活度系数方程中的二元交互参数iBENZE-01BENZE-01CHLOR-01jCHLOR-01WATERWATERTemperature unitsFFFSourceVLE-RKLLE-ASPENLLE-ASPENaij0.248249.63587-8.7003aji-0.0233151.85810.4452bij-622.3911064.4627047.942bji665.816-10717.83906.378cij0.30.20.2dij000eij0-7.56290eji0-20.025403.2 流程的设计与优化运用通用软件aspen plus，输入给定的设计条件及初值，进行严格计算。调整理论级数及回流比，核算塔顶采出率D是否符合物料衡算平衡关系，使塔满足分离要求，作为分离计算的初步结果。在初步计算结果基础上，对主要设计参数及操作条件采用变量轮换法进行灵敏度分析，从而选择适宜的操作条件及设计参数。所谓某参数灵敏度分析，就是搜索单变量对某一目标函数值的影响关系，从而确定该变量的适宜范围。通常收敛目标不会只有一个，可能有多个目标。而收敛难度也不会在一个水平上。显然，在灵敏度分析中搜索主要参数与关键目标函数的关系，可是问题得到简化。3.2.1 吸收塔的设计 1、吸收塔T-101的参数设定在本设计中，使用吸收塔T-101的计算模块对二氧化碳进行吸收，使塔顶排出的气体中二氧化碳的含量低于一定要求。在此目标下对此塔进行模拟优化，寻找符合要求的最佳操作条件。Aspen Plus 提供Radfrac模块模拟吸附塔，其中要设定的参数包括理论塔板数吸收剂的用量和塔板数。根据相关资料，对吸收塔T-101的初始设定参数如表3.2所示：表3.2 吸收塔T-101的初始参数表塔板数8吸收剂用量2.5x106进料板位置1一、 吸收剂的用量对尾气中CO2含量的影响图3.1 吸收剂的用量对尾气中二氧化碳含量的影响如图3.1所示，吸收剂的用量为横坐标x，尾气二氧化碳的含量为纵坐标y；由图中可以看出，随着吸收剂用量的增加，尾气中二氧化碳的含量逐渐减少。二、吸收塔塔板数对尾气中二氧化碳含量的影响图3.2 吸收塔塔板数对尾气中二氧化碳含量的影响如图3.2所示，吸收塔塔板数为横坐标x，尾气中二氧化碳的含量为纵坐标y；由图中可以看出，随着吸收塔塔板数的不断增加，尾气中二氧化碳的含量逐渐减少。根据此图，选择吸收塔的塔板数为8据此，使用吸收塔模块进行计算，使用的最优值如表3.3：表3.3 吸收塔T-101最优值理论塔板数8塔顶压力(bar)1.4进料板位置9塔底压力(bar)1.23.2.2 再生塔T-102的参数设计 在此我们选用板式塔作为再生塔T-102，其目的是分离出MEA吸收的二氧化碳，使二氧化碳由再生塔的塔顶排出，MEA由塔底循环回流到吸收塔。在此目标下对该塔进行模拟优化，寻找达到该分离要求的最佳操作条件。根据查阅资料同时考虑到二氧化碳的回收率，其设定值如下表3.5所示：表3.4 再生塔T-102设定值理论塔板数32回流比10最佳进料位置9塔顶压力(bar)1.4D/F0.3塔底压力(bar)1.2一、采出比和回流比对CO2回收率的影响图3.1 采出比和回流比对CO2回收率的影响如图3.1所示，随着采出比和回流比的增大，CO2的回收率也逐渐增大；其中随着采出比增大到一定值后，CO2的回收率增大的趋势不再显著，在此基础上继续增大回流比，CO2的回收率还会继续增大。图3.2 回流比对二氧化碳回收率的影响如图3.2所示，回流比为横坐标x,二氧化碳的回收率为纵坐标y。由图可以看出随着回流比x的不断增大，二氧化碳的回收率y也逐渐增大。当回流比x达到25左右，随着回流比x的继续增大，二氧化碳的回收率y增加不再显著。因此，选取回流比x的值为25。图3.3 进料板位置对二氧化碳回收率的影响如图3.3所示，进料板位置为横坐标x，二氧化碳回收率为纵坐标y。由图可以看出随着进料板位置的不断增大，二氧化碳的回收率y逐渐减小。当进料板位置x达到23左右，随着进料板位置的继续增大，二氧化碳的回收率y减小逐渐显著。因此，选取进料板位置为23。图3.4 采出量对二氧化碳回收率的影响如图3.4所示，采出量为横坐标x，二氧化碳回收率为纵坐标y。由图可以看出随着采出量的不断增大，二氧化碳的回收率先增大然后减小。当采出量达到0.4左右时，二氧化碳回收率出现最大值0.955。因此，选取采出量的值为0.4。据图3.1-3.4，使用Aspen plus软件进行优化，其优化设定值如下表：理论塔板数32回流比25最佳进料位置23塔顶压力(bar)1.4D/F0.4塔底压力(bar)1.2第四章 设计与校核第四章 设计与校核在Aspen Plus中，塔设备的设计和校核是通过 Sizing 和Rating 进行计算。根据Aspen Plus的要求，用户提供必须的 Sizing参数，Aspen 就可以给出塔高，塔径，降液板等相关的设计数据。将这些参数按照标准圆整后，提供给Rating 就可以对设计后的精馏塔进行校核。4.1 吸收塔T-101的设计与校核 吸收塔的作用是用吸收剂水将气相中夹带的丙烯酸和醋酸回收。作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，采用填料塔居多。工业上常用的两种填料为散装填料和规整填料，散装填料的五种典型填料为拉西环（RASCHIG），鲍尔环（PALL），阶梯环（CMR），矩鞍环（INTX）和超级环（SUPER RING）。规整填料的五种典型填料为带孔板波填料（MELLAPAK），带孔网波填料（CY），带缝板波填料（RALU-PAK），陶瓷板波填料（KERAPAK），格栅规整填料（FLEXIGRID）。规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排列，整齐堆砌的填料。其特点规定了气液流径，改善了气液分布状况，在低压降下，提供了很大的比表面积和高空隙率，使塔的传质性能和生产能力得到了大幅度提高。规整填料中的金属孔板波纹填料即MELLAPAK填料，是在不锈钢波纹板片上钻有许多5mm左右的小孔。该填料与同材质的丝网填料相比，虽然效率和通量低于波纹网填料，但因造价低，强度高，抗腐蚀性能强等优点，特别适用于大直径蒸馏塔，大有扩大应用的趋势。填料型号我们选用了常用的250Y，板材厚度为1mm。等板高度HETP是与一层理论塔板的传质作用相当的填料层高度，也称理论板当量高度。等板高度的数据，一般来自小型实验，故往往不符合工业生产装置的情况，可根据经验数值估算。250Y板波纹填料的分段高度推荐值h为6m，根据公式h=1520HETP求得等板高度。填料核算（Pack rating）计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与“填料设计”中相同。“填料设计”与“填料核算”配合使用，可以完成填料选型和工艺参数设计。表4.1 吸收塔T-101的设计参数起始塔板数填料类型结束塔板数等板高度尺寸1MELLAPAK90.35m250Y据此，Aspen Plus给出的计算结果如表4.2所示：表4.2 T-101吸收塔工艺参数及结果结果参数结果参数填料尺寸250Y最大负荷因子0.136m/sec填料类型MELLAPAK最大负荷分率0.71材质厚度1mm塔段压降0.04barHETP0.35m比表面积250sqm/cum塔内径9.2m空隙率0.964.2 再生塔T-102的设计与校核再生塔T-102是使二氧化碳再生，塔顶排出为二氧化碳。在此我们选择板式塔作为再生塔T-102。由于系统自动将冷凝器和共沸塔也作为塔板数计算在内，因此实际塔板部分的起始塔板数为2，结束塔板数为14。板间距直接影响塔高，此外，板间距还与塔的生产能力，操作弹性及塔板效率有关。在一定的生产任务下，采用较大的板间距能允许较高的空塔气速，因而塔径可小些，但塔高要增加。根据实际情况，结合经济权衡，反复调整后，作出最佳选择。输入塔板设计所需的数据后运行得到核算所需要的部分数据。在进行塔板核算时，除了用到从塔板设计带来数据，还需要对浮阀板和降液管的参数进行设置。浮阀一般按正三角形排列，也可采用等腰三角形排列，在三角形排列中又有顺排和叉排，使用叉排时相邻两阀中吹出气流搅拌液层的相互作用较顺排显著，使相邻两阀容易吹开，液面梯度较小，鼓泡均匀，故采用叉排较好。按正三角形顺排的常用阀中心距有75，100，125，150mm四种，叉排中心距有65，80，100mm三种.塔板上阀开孔率经常在4%-15%左右。降液管是塔板间流体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得以分离的场所。弓形降液管一般只用于大直径塔，对于直径较小的塔，常用圆形降液管。降液管的溢流方式有以下几种，U形流，单溢流，双溢流，阶梯式双溢流，单溢流又称直径流，液体自降液盘流向溢流堰。液体流径长，塔板效率高，塔板结构简单，广泛应用于精馏塔中。降液管底隙高度h0即为降液管底缘与塔板的距离，确定h0的原则是：保证液体流径此处时的局部阻力不太大，以防止沉淀物在此堆积而堵塞降液管；同时又要有良好的液封，防止气体通过降液管造成短路。降液管的底隙高度一般不宜小于 mm，否则易于堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。塔板核算结果中的最大液泛因子(Maximum flooding factor) ，应该小与0.8 ；最大降液管液位/板间距(Maximum backup / Tray spacing)，应在之间。再生塔T-102用于再生二氧化碳。对再生塔T-102参数进行“Tray Sizing”和“Tray Rating”设定优化，得到各塔板参数见下表4.3：表4.3 再生塔T-102的设计参数起始塔板数2结束塔板数31塔板类型浮法塔V-1板间距1m据此，Aspen Plus给出的计算结果如表4.4所示，并且给出了塔的内部剖面图：表4.4 再生塔T-102的工艺参数及结果塔板数32进料塔板数23回流比0.377冷凝器压强1.2bar塔板类型浮法塔V-1板间距1m起始塔板数2结束塔板数31塔径9.7m侧堰长0.51 在得到表中的再生塔T-102的设计参数后，根据化工设备/工艺设计手册，根据相关的标准，对表中的数据进行圆整，然后按照下表进行再生塔T-102的核算。表4.5 再生塔T-102的核算参数起始塔板数2结束塔板数31塔板类型浮法塔V-1溢流类型单溢流塔径10m塔板厚度10 GAUGE板间距1m堰高0.03降液管底隙高度20mm侧堰长0.56m单位面积浮法数目140/m2据此，Aspen Plus给出的计算结果如表4.6所示，并且给出了塔的内部剖面图：表4.6 再生塔T-102的核算结果最大液泛因子0.712塔板压降0.013bar起始塔板数2结束塔板数31最大降液管液位/板间距0.27降液管液位0.11m如表4.6所示，再生塔T-102的最大液泛因子为0.712，小于最大液泛因子0.8，故基本满足生产工艺的需要。结 论结 论本文根据文献资料和吸收剂的特性确定了CO2捕获系统的工艺流程，以及以单乙醇胺（MEA）作为CO2捕获系统的吸收剂。根据MEA吸收CO2系统的特点，在Aspen plus中选取适当的模块。利用Aspen plus模拟软件对该系统流程进行设计和模拟，其中选择了NRTL物性方法正确的模拟了MEA-CO2-H2O的物性 体系。然后对流程中各单元的操作参数进行了优化，最后对流程设备进行了设计与校核，最终表明能够使CO2的捕获率达到85-90%的要求。参考文献参考文献1 屈一新.化工过程模拟及软件.化学工业出版社，2006年7月第一版.2 杨明芬.膜吸收法和化学吸收法脱除电厂烟气中二氧化碳的试验研究D.浙江大学工学硕士学位论文.2005:l2.3 政府间气候变化专门委员会IPCC.第三次评估报告:气候化,2001,180185.4 李仲来.二氧化碳的制取及化工应用J.小氮肥设计技2005,(l):1118.5 ANDERSEN.Pre-combustion decarbonisation technology summaryM/Carbon dioxide capture for storage in deep 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