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【摘 要】本文根据苯菲尔溶液吸收CO2的机理，推导出CO2在苯菲尔溶液中的吸收速度方程，进而针对脱碳系统中各个设备，设计出合理的数学模型和相应的计算程序，实现了整个脱碳系统的模拟计算。
【关键词】本菲尔法；脱碳系统；计算机模型
1 引言
本菲尔法又叫热钾碱法，是由本森（H.E.Benson）和菲尔德（J.H.Field）发明的[1]。其优点是吸收液价格低，吸收容量大，便于操作、管理和容易再生。本菲尔法使用广泛，目前已有数百套装置在运行。本菲尔法脱碳工艺已有了较详细研究，如A.V.Slack [2]、W.H.Mohr和G.Ranke[3]等考虑了处理气的具体组成，净化的要求和目的，幷具体研究了技术可靠性。张成芳、王治国等研究了本菲尔法吸收二氧化碳的动力学机制[4，5]。于遵宏、朱炳辰等对脱碳工段一些设备模型作了具体研究[3]。
但目前将脱碳系统中各个设备集成起来作为一个整体的报导较少。特别是一些模型中液相传质系数的具体形式说明不明确或非常复杂，对解决实际问题非常困难。所以有必要在理论模型和算法实现上对整个脱碳系统进行研究。
2 基本原理
K2CO3溶液吸收CO2及其再生的过程可用如下反应式表示：
这是一个可逆的、伴随热交换的反应过程。K2CO3与CO2反应生成KHCO3，称为吸收过程，温度70℃～110℃，压力2.8MPa；反之，KHCO3在加热减压的条件下，即温度100℃～120℃，压力0.15MPa，放出CO2而变成K2CO3，称为再生过程。在这一反应中加入催化剂二乙醇胺（DEA）不仅改变了反应历程，而且加快了CO2的吸收和解吸速度，使吸收和再生在较低温度下实现，从而节约能源和减轻溶液对设备的腐蚀[6]。
吸收过程是由苯菲尔溶液在填料吸收塔内与合成气逆流接触而完成的；再生过程由苯菲尔溶液在填料再生塔内与蒸汽逆流接触的解吸过程与闪蒸槽内闪蒸过程两步完成。
3. 程序设计
二氧化碳吸收和解析过程所用到的主要设备有二氧化碳吸收塔、苯菲尔溶液再生塔、苯菲尔溶液闪蒸槽、废热锅炉和再生塔再沸器。
3.1 二氧化碳吸收塔程序设计
对吸收塔的进行计算需要对填料吸收塔中的吸收过程进行如下假设和简化：
a 气液两相分别为平推流方式流过填料层；
b 塔内径向温度、浓度分布均匀，无梯度；
c 苯菲尔溶液对水和二氧化碳之外的惰性气体无吸收，或忽略不计；
d CO2的吸收和H2O的蒸发与冷凝互不干涉。
3.2 苯菲尔溶液再生塔程序设计
苯菲尔溶液再生塔也是填料塔。从二氧化碳吸收塔出来的富含二氧化碳的苯菲尔溶液经过水力透平减压后，从再生塔的顶部进入填料层；在塔底蒸汽的解析作用下，溶液中的二氧化碳被释放出来，苯菲尔溶液得到的再生液从塔底排出；塔底进入蒸汽有两个来源，其一是塔底再沸器，其二是废热锅炉产生的蒸汽与闪蒸槽出气的混合物，两股蒸汽都含有水和二氧化碳。与吸收塔假设相似并设计如图1所示计算框图。
图1苯菲尔溶液再生塔计算框图
沸热锅炉、再沸器以及液滴分离器等只需进行简单的物料和热量衡算。
4 计算实例与结果分析
本文以某合成氨厂脱碳系统为例进行计算，部分结果如表1和表2。
从表1结果数据看出：塔顶进入吸收液的流量为248.9吨/小时，温度为70.4℃，设计值是245吨/小时，70.0℃；塔中部进入吸收液的流量为1027.5吨/小时，温度为108.0℃，设计值是1015吨/小时，设计温度为108.0℃，与实际测量数据吻合，CO2吸收塔的操作状况正常。塔顶出气中CO2的含量为739ppm，达到要求；塔底出液的碳化度为0.851，也属于正常范围；当合成气流量再适当增大一些，吸收塔仍然能够达到塔顶出气中CO2的含量小于800ppm的要求，说明这里尚有有限的扩容空间。
从表2可以看出，再生过程中，苯菲尔溶液的再生指数（碳化度）从0.851下降到0.523，再生溶液的再生效果距离设计值0.48还有一段距离，但二氧化碳的蒸出量与吸收塔内的吸收量相同；从塔顶出去的蒸气中CO2和H2O摩尔比例为1.133，塔顶操作压力为绝压0.15Mpa；从气液平衡的角度分析，在温度一定的条件下，出气中CO2和H2O摩尔比例与操作压力有直接关系，压力增加，气体中的CO2含量增加，而H2O含量减少；从全塔能量平衡的角度看，塔底供给热量增加，塔顶出气量增加，即解析出去的CO2增加，H2O量也增加，塔底出液的碳化度下降。但是，从整个生产过程来看，再生塔内CO2的蒸出量和吸收塔内CO2的吸收量是相等的。因此，从动态过程看，增加塔底的热量供给，首先是使再生塔的出气量增加，溶液的再生指数下降；随着塔顶碳化度的下降，出气中的H2O含量增加，塔顶的操作压力下降；最后达到的状态是，塔底的热量供给增加，塔顶操作压力下降，蒸出的CO2量基本不变，而H2O量增加，塔底溶液的再生指数下降。最终通过增加从沸热锅炉进入再生塔的蒸汽量1.7吨/小时，再生指数变为0.4766，最终解决了再生指数偏大的问题幷优化了生产工艺。
参考文献：
1 《化学工程手册》编辑委员会. 化学工程手册 （气体吸收）. 北京：化学工业出版社，1979. 99.
2 Slack， A V. Ammonia. New York： Mcgraw-Hill Book Company， 1973. 252.
3 于遵宏，朱炳辰，沈才大，等.大型合成氨厂工艺过程分析.北京：中国石化出版社， 1993.309-339.
【关键词】本菲尔法；脱碳系统；计算机模型
1 引言
本菲尔法又叫热钾碱法，是由本森（H.E.Benson）和菲尔德（J.H.Field）发明的[1]。其优点是吸收液价格低，吸收容量大，便于操作、管理和容易再生。本菲尔法使用广泛，目前已有数百套装置在运行。本菲尔法脱碳工艺已有了较详细研究，如A.V.Slack [2]、W.H.Mohr和G.Ranke[3]等考虑了处理气的具体组成，净化的要求和目的，幷具体研究了技术可靠性。张成芳、王治国等研究了本菲尔法吸收二氧化碳的动力学机制[4，5]。于遵宏、朱炳辰等对脱碳工段一些设备模型作了具体研究[3]。
但目前将脱碳系统中各个设备集成起来作为一个整体的报导较少。特别是一些模型中液相传质系数的具体形式说明不明确或非常复杂，对解决实际问题非常困难。所以有必要在理论模型和算法实现上对整个脱碳系统进行研究。
2 基本原理
K2CO3溶液吸收CO2及其再生的过程可用如下反应式表示：
这是一个可逆的、伴随热交换的反应过程。K2CO3与CO2反应生成KHCO3，称为吸收过程，温度70℃～110℃，压力2.8MPa；反之，KHCO3在加热减压的条件下，即温度100℃～120℃，压力0.15MPa，放出CO2而变成K2CO3，称为再生过程。在这一反应中加入催化剂二乙醇胺（DEA）不仅改变了反应历程，而且加快了CO2的吸收和解吸速度，使吸收和再生在较低温度下实现，从而节约能源和减轻溶液对设备的腐蚀[6]。
吸收过程是由苯菲尔溶液在填料吸收塔内与合成气逆流接触而完成的；再生过程由苯菲尔溶液在填料再生塔内与蒸汽逆流接触的解吸过程与闪蒸槽内闪蒸过程两步完成。
3. 程序设计
二氧化碳吸收和解析过程所用到的主要设备有二氧化碳吸收塔、苯菲尔溶液再生塔、苯菲尔溶液闪蒸槽、废热锅炉和再生塔再沸器。
3.1 二氧化碳吸收塔程序设计
对吸收塔的进行计算需要对填料吸收塔中的吸收过程进行如下假设和简化：
a 气液两相分别为平推流方式流过填料层；
b 塔内径向温度、浓度分布均匀，无梯度；
c 苯菲尔溶液对水和二氧化碳之外的惰性气体无吸收，或忽略不计；
d CO2的吸收和H2O的蒸发与冷凝互不干涉。
3.2 苯菲尔溶液再生塔程序设计
苯菲尔溶液再生塔也是填料塔。从二氧化碳吸收塔出来的富含二氧化碳的苯菲尔溶液经过水力透平减压后，从再生塔的顶部进入填料层；在塔底蒸汽的解析作用下，溶液中的二氧化碳被释放出来，苯菲尔溶液得到的再生液从塔底排出；塔底进入蒸汽有两个来源，其一是塔底再沸器，其二是废热锅炉产生的蒸汽与闪蒸槽出气的混合物，两股蒸汽都含有水和二氧化碳。与吸收塔假设相似并设计如图1所示计算框图。
图1苯菲尔溶液再生塔计算框图
沸热锅炉、再沸器以及液滴分离器等只需进行简单的物料和热量衡算。
4 计算实例与结果分析
本文以某合成氨厂脱碳系统为例进行计算，部分结果如表1和表2。
从表1结果数据看出：塔顶进入吸收液的流量为248.9吨/小时，温度为70.4℃，设计值是245吨/小时，70.0℃；塔中部进入吸收液的流量为1027.5吨/小时，温度为108.0℃，设计值是1015吨/小时，设计温度为108.0℃，与实际测量数据吻合，CO2吸收塔的操作状况正常。塔顶出气中CO2的含量为739ppm，达到要求；塔底出液的碳化度为0.851，也属于正常范围；当合成气流量再适当增大一些，吸收塔仍然能够达到塔顶出气中CO2的含量小于800ppm的要求，说明这里尚有有限的扩容空间。
从表2可以看出，再生过程中，苯菲尔溶液的再生指数（碳化度）从0.851下降到0.523，再生溶液的再生效果距离设计值0.48还有一段距离，但二氧化碳的蒸出量与吸收塔内的吸收量相同；从塔顶出去的蒸气中CO2和H2O摩尔比例为1.133，塔顶操作压力为绝压0.15Mpa；从气液平衡的角度分析，在温度一定的条件下，出气中CO2和H2O摩尔比例与操作压力有直接关系，压力增加，气体中的CO2含量增加，而H2O含量减少；从全塔能量平衡的角度看，塔底供给热量增加，塔顶出气量增加，即解析出去的CO2增加，H2O量也增加，塔底出液的碳化度下降。但是，从整个生产过程来看，再生塔内CO2的蒸出量和吸收塔内CO2的吸收量是相等的。因此，从动态过程看，增加塔底的热量供给，首先是使再生塔的出气量增加，溶液的再生指数下降；随着塔顶碳化度的下降，出气中的H2O含量增加，塔顶的操作压力下降；最后达到的状态是，塔底的热量供给增加，塔顶操作压力下降，蒸出的CO2量基本不变，而H2O量增加，塔底溶液的再生指数下降。最终通过增加从沸热锅炉进入再生塔的蒸汽量1.7吨/小时，再生指数变为0.4766，最终解决了再生指数偏大的问题幷优化了生产工艺。
参考文献：
1 《化学工程手册》编辑委员会. 化学工程手册 （气体吸收）. 北京：化学工业出版社，1979. 99.
2 Slack， A V. Ammonia. New York： Mcgraw-Hill Book Company， 1973. 252.
3 于遵宏，朱炳辰，沈才大，等.大型合成氨厂工艺过程分析.北京：中国石化出版社， 1993.309-339.