4. 天然气预处理模拟

天然气进入液化装置之前，必须先完成净化，否则酸性气（CO₂、H₂S）会在低温冷箱中冻结堵塞、TEG脱水不彻底会导致水合物生成、微量汞会腐蚀铝制板翅式换热器。本节以一套典型的“胺法脱酸气—TEG吸收脱水—脱汞”三段串联流程为对象，说明在Aspen HYSYS中如何搭建这三个单元、如何设置关键参数，以及如何判断模型是否收敛到合理结果。以下所有数值均为教学示例或合理假设，不代表任何实际装置标定数据。

一、原料气条件与流程拓扑

假设原料气为含酸气的湿天然气，主要组成（摩尔分数）为：CH₄ 88%、C₂H₆ 5%、C₃H₈ 2%、CO₂ 4%、H₂S 0.5%、H₂O 0.5%，其余为N₂。温度35 ℃、压力6.5 MPa、流量1000 kmol/h。净化目标为：净化气CO₂ ≤ 50 ppm、H₂S ≤ 4 ppm、H₂O ≤ 1 ppm（露点约-70 ℃）、Hg ≤ 0.01 μg/Nm³。三个单元在HYSYS中按“吸收塔—再生塔—吸收塔—再生塔—吸附器”的拓扑串联，中间用物流连接，形成一条从高压原料气到净化气的完整信号链。

二、胺法脱酸气单元建模要点

在HYSYS中，胺法脱酸气推荐使用Acid Gas Cleaning（酸气净化）专用单元操作，它内置了Kent-Eisenberg或Li-Mather胺液平衡模型，比用普通精馏塔加自定义反应更稳定。建模时先定义胺液：MDEA水溶液，质量分数40%，用HYSYS的Amine Property Package（胺液物性包）建立组分。吸收塔设置20块理论板，原料气从塔底进入，贫液从塔顶进入，塔顶压力6.4 MPa、塔底压降设为20 kPa。关键参数是贫液循环量与贫液温度：循环量过小则净化度不够，过大则再生能耗上升。示例中取贫液循环量约1200 kmol/h、贫液温度45 ℃，模拟后塔顶净化气CO₂约30 ppm、H₂S约2 ppm，满足目标。若CO₂超标，优先提高循环量或降低贫液温度，而不是盲目增加塔板数。

再生塔用同一胺液物性包，设置再沸器温度120 ℃、塔顶压力0.15 MPa，塔顶酸性气去硫回收，塔底贫液经换热和冷却后返回吸收塔。HYSYS中需注意循环回路收敛：把贫液物流设为循环流（Recycle），初值可用纯MDEA溶液，收敛容差设为1×10⁻⁴，迭代次数上限200，否则容易出现“贫液负载”不收敛。

三、TEG吸收脱水单元建模要点

TEG脱水在HYSYS中用Absorber（吸收塔）单元，物性包选Glycol Package。吸收塔设4块理论板，操作压力6.3 MPa，TEG贫液从塔顶进入、温度30 ℃、浓度99.5%（质量分数），循环量示例取30 kmol/h。塔顶气水含量目标≤1 ppm。关键参数是TEG浓度和循环量：浓度每降低0.5%，出口露点约上升5～8 ℃，因此再生塔必须把TEG提浓到99.5%以上。再生塔再沸温度204 ℃、真空或常压操作，塔顶水蒸气排空，塔底贫TEG经冷却后循环。HYSYS中同样用Recycle闭合TEG回路，并检查塔顶气的水摩尔分数是否达到1 ppm量级；若达不到，先查TEG浓度设定，再查理论板数和循环量。

四、脱汞单元建模要点

脱汞器在HYSYS中通常用Separator或Component Splitter近似：把载硫活性炭床层视为一个黑箱，设定Hg的脱除效率99.9%，出口Hg ≤0.01 μg/Nm³。更精细的做法是用Adsorber（吸附器）单元，输入吸附等温线参数和床层质量，模拟穿透曲线。教学示例中先按固定脱除率建模，重点是把脱汞器放在脱水之后、液化之前，因为水会与载硫炭竞争吸附位。脱汞器压降设为10 kPa，两台切换，一台吸附一台再生。

五、结果判读与常见问题

三个单元串联后，用HYSYS的Case Study（工况研究）扫描贫液循环量对净化气CO₂的影响，可得到一条“循环量—CO₂”曲线，用于确定经济合理的操作点。常见问题包括：胺液回路不收敛（检查Recycle初值和容差）、TEG出口水含量偏高（检查TEG浓度和塔板数）、脱汞器出口Hg超标（检查脱除率设定和上游水含量）。建议在模型中为每个单元出口设置监测点（如图中红点），便于快速定位问题所在单元。