1、 本科 毕业设计 （ 20 届） MDEA 脱除烟道气中二氧化碳的工艺设计 所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 : 本文用化工模拟软件 ASPEN PLUS 模拟燃煤电厂烟道气二氧化碳的捕集。通过对现今的二氧化碳捕集工艺的比较选择活化 MDEA 法捕集二氧化碳。首先查阅资料获得相关的工艺参数建立初步的模型进行运算；然后运用 ASPEN PLUS 软件自身所带的设计规定与灵敏度分析工具对流程进行优化达到对二氧化碳的年捕集量的规定并确定理论板数、回流比、进料板位置等数据；优化完毕打通流程的循环从而完成对此工艺的设计。 关键词 : MDEA
2、 ； ASPEN PLUS；捕集；优化；循环；吸收；再生II Abstract: This thesis introduces that using the Chemical process simulation software ASPEN PLUS to Simulatie capture carbon dioxide from flue gases of Coal-fired power plants. Through compareing between the modern carbon dioxide capture process then choose the activati
3、on MDEA method to capture the carbon dioxide. First consult date and get the Process parameters for setting up preliminary model to calculat; Then using the design rules and sensitivity analysis tools of ASPEN PLUS software to optimized the process to achieve the Carbon dioxide capture amount of yea
4、rs which we specified and to ensure the number of theoretical plate、 reflux ratio、 incoming board position and than on; At last carry out the process of cycle after finish the optimization then the design of this process was be completed. Keywords: MDEA ; ASPEN PLUS ; capture ; optimize ; cycle ; ab
5、sorb ; regeneration目 录 摘要 Abstract 1 绪论 （ 1） 1.1 选题的背景和意义（ 1） 1.2 相关研究的最新成果及动态 （ 1） 2 设计任务 （ 6） 2.1 分离要求（ 6） 2.2 设计内容（ 6） 3 设计过程 （ 7） 3.1 吸收段设计 （ 7） 3.2 MDEA 再生段设计 （ 14） 3.3 流程优化 (18) 4 流程循环 （ 34） 5 结论（ 38） 参考文献 （ 40） 致谢 （ 42） 1 1 绪论 1.1 选题的背景和意义 气体 CO2 减排是目前大气污染治理的一大难题，引起了国际社会的极大关注。吸附法、膜分离法、液膜法、有机胺
6、吸收法、离子液循环吸收法等是 CO2 气体回收常用的方法。通过对各种方法的原理及研究现状介绍，深入分析了各种方法的优缺点及存在的问题，选择出合适的二氧化碳捕集工艺并用化工模拟软件 ASPEN 进行模拟。 化工流程模拟软件出现于上世纪 50 年代末，现已成为进行化工过程设计的强大工具。 SPEN由美国 ASPEN TECH 公司于上世纪 80 年代推向市场的大型通用流程模拟系统 Aspen Plus。该软件具有完备的物性数据库，备有全面、广泛的化工单元操作模型，能方便地构成各种化工生产流程，提供一套功能强大的模型分析工具，它用严格和最新的计算方法，进行化工单元和全流程的模拟运算。 1.2 相关研
7、究的最新成果及动态 二氧化碳的捕集工艺 目前在二氧化碳捕集的方法中 吸附法、膜分离法、液膜法、有机胺吸收法、离子液循环吸收法等是 CO2气体回收常用的方法。 吸附法 吸附法是利用固态吸附剂对原料混合气中的 CO2的选择性可逆吸附作用来分离回收 CO2。吸附剂在高温 (或高压 ) 时吸附 CO2，降温 (或降压 )后解析 CO2，通过周期性的温度 (或压力 )变化 , 从而使CO2分离出来。其关键是吸附剂的载荷能力，主要决定因素是温差 (或压差 )。常用的吸附剂有天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶和 活性炭 等。目前 工业 上应用较多的是变压吸附工艺 , 它属于干法工艺，无腐蚀，整个过程由吸附、
8、漂洗、行降压、抽真空和加压五步组成，其运系统压力在1.26 MPa6.66 kPa 之间变化。吸附法的主要优点是工艺过程简单、能耗低、适应能力强，但此法的吸附容量有限、需要大量的吸附剂、吸附解吸频繁、自动化程度要求较高。 膜分离法 膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜对不同气体的渗透率的不同来分离气体的。膜分离的驱动力是压差，当膜两边存在压差时，渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜，形成渗透气流，渗透率低的气 体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流，两股气流分别引出从而达到分离的目的。用于 CO2 气体分离的膜大多为乙酸纤维、聚砜、聚酰胺等。膜分离法是利用某些聚合材料制成的薄膜对不同气体的渗透
9、率的不同来分离气体的。膜分离的驱动力是压差，当膜两边存在2 压差时，渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜，形成渗透气流，渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流，两股气流分别引出从而达到分离的目的。用于 CO2 气体分离的膜大多为乙酸纤维、聚砜、聚酰胺等。 液膜法 液膜法是膜技术与气体吸收技术相结合的新型杂化膜分离过程它采 用中空基质膜作为支撑体，使气体与吸收液的接触面积显著增大 (约为 6001200 m2/m3)，克服了气液两相直接接触所带来的夹带现象。具有传质界面稳定、比表面积大、传质效率高、能耗低、装置体积小和操作弹性大等优势。通常膜采用疏水性微孔中空纤维，其在传质过程中起到
10、气液两相隔膜的作用，气体从膜一侧的气相穿过膜微孔扩散到另一侧的液相，被液相吸收，膜对气相中的组分无选择性，吸收剂对组分的选择性起关键作用。膜吸法与传统的塔式吸收器相比，膜吸收器具有装填密度高、气液接触界面稳定、无泡沫、无液泛等优点，对于处理量小、浓 度低的情况，膜分离 -溶剂吸收藕合技术具有优势。但是该法目前只在实验阶段，许多技术上的问题还未解决。 胺化合物吸收法 胺化合物吸收法主要有热钾碱法 (苯菲尔法、砷碱法及空间位阻法等 )和烷基醇胺法 (MEA 法、DEA 法、 MDEA 法等 )。有机胺吸收法是世界上使用最广的一种方法，占 60%的份额，其优点是吸收效率高 工艺较简单，但也存在再生能
11、耗大；传质面积较小；会产生液泛、雾沫夹带、鼓泡现象发生；气液直接接触，对设备腐蚀性大；会产生环境污染物的问题。 ECO2技术 最近几年 ,用氨水洗涤烟道气脱除 CO2 的 技术得到了世界范围的关注。美国 Powers pan公司开发了 ECO2捕集工艺 ,可用氨水捕集电厂烟气中的 CO2。 BP替代能源公司与 Powers pan公司正在开发和验证 Powers pan公司基于氨水的 CO2 捕集技术 ,下一步将把该技术商业化应用于燃煤电厂。与传统的 MEA工艺相比， ECO2技术有以下优点：氨水吸收 CO2有较高的负荷能力 ,无腐蚀问题 ,在烟气环境下不会降解；再生所需能量很少 ,运行成本远
12、低于 MEA法；较低的化学品成本、副产品可供销售；可实现多污染物控制。但是， ECO2法存在吸收产物不稳定、 CO2选择性低的缺点。 各个工艺比较 3 表 1-1 各个脱碳工艺优缺点比较 吸收方法 优点 技术难关 工业化使用情况 膜分离法 投资少、能耗低、设备紧凑、维修方便 很难得到高纯度的二氧化碳 新型的吸收膜层出不穷，是当今世界上发展较为迅速的一项 CO2捕集技术 膜吸收法 膜接触器的传质面积大 ,其气液流速不受限制 ,没有液泛、雾沫夹带、鼓泡现象发生 膜的浸润性问题 吸收剂的再生能耗大 ;吸收剂在循环过程中对 CO2吸收效率不太高 ;吸收剂运行中的损失大 ;吸收剂溶液对系统的腐蚀 在中石
13、油海南福山油田使用成功，并通过 验收产，成为国内第一套膜分离法捕集二氧化碳装置 化学胺吸收 吸收效率高 工艺较简单 再生能耗大；传质面积较小；会产生液泛、雾沫夹带、鼓泡现象发生；气液直接接触，对设备腐蚀性大； 溶剂吸收法占据二氧化碳捕集 70%的市场 吸附吸收 工艺过程简单、能耗低、适应能力强 吸附容量有限、需要大量的吸附剂、吸附解吸频繁、自动化程度要求较高 变压技术已在国内外石油化工系统得到广泛应用，比较适合于二氧化碳浓度比较高的情况 ECO2技术 负荷能力高 ,无腐蚀问题 ,再生能耗低，在烟气环境下不会降解 ,运行成本低，副产品具有 一定的经济价值 氨水浓度不能太高，易爆炸，会产生环境污染
14、物，吸收时间太长，吸收效率太低 合成氨工业已经有好几十年的历史，关于氨法吸收 CO2 的研究也非常多 经过比较本工艺选择化学胺吸收法中的活化 MDEA吸收法，该法具有工艺简单，再生能耗低并已成功工业化的优点，经过改良，腐蚀发泡等现象也大大减少。 化工模拟软件 ASPEN PLUS Aspen Plus的介绍 Aspen Plus 模拟系统是麻省理工学院于 70 年代后期研制开发，由美国 Aspen 技术公司 80 年代初推向市场，它用严格和最新的计算方法，进行单元 和全过程的计算，可以提供准确的单元操作模型，还可以评估已有装置的优化操作或新建，改建装置的优化设计。 Aspen主要产品和功能 :
15、 4 （ 1） 产品具有完备的物性数据库： ASPEN PLUS 数据库包括将近 6 000 种纯组分的物性数据。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 25 万多套数据。同时用户也可以把自己的物性数据与 ASPEN PLUS 系统连接。 （ 2）备有全面、广泛的化工单元操作模型，能方便地构成各种化工生产流程：能够进行近 10种气液平衡系统模拟计算，包含精馏模型、多塔模型等单元操作模块，可 广泛模拟分析化工、石油化工、生物化工、合成燃料、冶金等工业过程。 （ 3）提供一套功能强大的模型分析工具，最大化工艺模型的效益：能够进行收敛分析、灵敏度分析，将工艺模型与真实的装置数据进行
16、拟合，确保精确、有效的真实装置模型。 （ 4）根据模型的复杂程度，支持规模工作流：在整个工艺生命周期，优化工作流；回归实验数据； 用简单的设备模型，初步设计流程；用详细的设备模型， 严格地计算物料和能量平衡；确定主要设备的尺寸；在线优化完整的工艺装置；可以从简单的、单一的装置流程到巨大的、多个工程师开发和维护的全厂流程。 Aspen 的应用和探索 由于 ASPEN PLUS 可广泛应用于化工设计、模拟 计算、生产优化等多领域，比国内单一的计算软件精馏塔模拟计算、加热炉计算等更加优秀。早在 2001 年底，中石化集团公司购买了 ASPEN PLUS使用、服务权，在全石化系统推广应用。作为工业生产
17、的基础。各高校及科研院所在日常的科学研究中逐渐注重 ASPEN PLUS 模拟软件的应用，并对其进行了改进，在不同的科研项目中取得了大量的成果。 刘保柱等利用 ASPEN PLUS提供的精馏模型中的 DSTWU计算模块获得不同塔板数下对应的回流比，将数据导入 Excel 进行费用计算得到最优 回流比。用 RADFRAC 模块进行严格计算，得到完整的工艺数据，再利用自编软件即可完成塔板和换热器设计。软件的应用增强了学生的兴趣，提高了设计效率和质量，使课程设计更接近工程实际，获得了良好的教学效果。 樊艳良以甲醇和醋酸的酯化反应为例，介绍了模拟计算反应精馏过程的方法。计算初步确定了最佳回流比，合理的
18、甲醇过量程度，并通过灵敏度分析得出灵敏板的大概位置。此计算结果可作为反应精馏实验的基础，在大学化工原理教学过程中起到很好的示范作用。 周金豪、陈雪莉、郭强、王玉枝四人基于 ASPEN PLUS 软件模拟平台 ,对生物质与煤气流床共气化过程进行模拟 ,考察操作条件及生物质与煤配比变化对气化性能的影响。模拟计算结果表明 :与生物质单独气化相比 ,生物质与煤共气化能提高气化温度及气化效率 ;与煤单独气化相比 ,生物质可部分替代煤且不会明显改变气化效果 ,尽管气化温度略有下降 ,但混合物灰熔点的降低能很好5 弥补这一变化。生物质质量分数为 20%,O/C摩尔比在 1.1 1.3 时气化效果最佳 ,气化
19、温度约为 1250 ,有效气产率 1.92Nm3/kg,煤气热值可达 11.5MJ/Nm3,冷煤气效率 79.7%。 徐越、吴一宁 、危师让三人基于 ASPEN PLUS 平台 ,提出了加压气流床气化炉的性能模拟方法。该方法利用 ASPEN PLUS的图形化建模工具 ,与传统的煤气化过程计算方法相比 ,可以实现快速编制模拟煤气化过程的模拟软件 ,并可将气化过程与整体煤气化联合循环 (IGCC)发电系统的优化设计过程整合。利用输入语句和计算模块的灵活性 ,可以对不同的煤种进行计算。 计算结果表明 ,该计算方法可以比较好地预测干粉加压气流床的气化性能 ,为气化炉的性能模拟提供了依据。 陈汉平、赵向
20、富、米铁、代正华他们基于 ASPEN PLUS 软件的 Gibbs 自由能 最小化法 ,并利用RGIBBS 反应器的限制平衡法修正 ,建立了生物质气化模型 .模拟花生壳气化和木粉气化 ,发现模拟值和实验值符合良好。对气化两个重要影响因素 (空气当量系数和床温 )作了灵敏度分析 ,发现产气组分主要受床温影响 ,燃气热值和气化效率主要受空气当量系数影响。模拟分析了气化剂温度对产气组分和气化效率的影响 ,结果表明 :基于 ASPEN PLUS平台的生物质气化模型能准确地模拟实际气化过程 ,具有较好的可靠性和适用性。 Aspen Plus 提供了单元操作模型到装置流程模拟。这些模型的可靠性和增强功能已
21、经经过20 多年 经验的验证和数以百万计例子的证实。 Aspen Plus 在整个工艺装置的从研发、工程到生产生命周期中，提供了经过验证的巨大的经济效益。它将稳态模型的功能带到工程桌面，传递着无与伦比的模型功能和方便使用的组合。 6 2 设计任务 2.1 分离要求 采用活化 MDEA 法脱除燃煤电厂烟道气中二氧化碳。烟道气的进气温度为 35C ，压力为 3bar。烟道气进气流量为 252.8 kmol/hr。 MDEA 吸收液的温度为 45C ，经吸收处理后吸收塔出口烟道气 CO2 浓度在 0.5% 以下。经过解吸塔解吸后的 贫液 CO2 浓度在 0.1%以下。 其他条件如下所述： 表 2-1
22、 烟道气流量及组成 2.2 设计内容 学习化工过程模拟软件 Aspen plus，用活化 MDEA 法吸收燃煤电厂烟道气中的二氧化碳，对吸收和解吸工段的吸收 塔及解吸塔进行工艺设计和设备设计。 根据活化 MDEA法吸收二氧化碳过程建立模型，包括对模型做出合理假设，确定模型的应用范围，选择合适的模型参数。开发有效的模型模拟计算方法，然后通过对实际生产调研与分析，建立符合实际的吸收过程优化模型并对其进行优化计算，得到最好的过程模拟数据及优化结果。 组分名称 CO2 N2 H2O 摩尔分数 0.13 0.75 0.12 摩尔流量 （ kmol/hr） 252.8 温度（） 35 压强（ MPa） 0.3
