硫磺回收裝置溶劑再生流程模擬及優(yōu)化

許 可，王軍長

(中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137)

硫磺回收裝置溶劑再生流程模擬及優(yōu)化

許 可，王軍長*

(中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137)

為提高裝置溶劑再生系統(tǒng)運(yùn)行效率，同時(shí)兼顧尾氣排放質(zhì)量與裝置能耗的平衡，利用AspenPlus軟件對硫磺回收裝置溶劑再生系統(tǒng)進(jìn)行建模，并利用模型對裝置在不同條件下進(jìn)行模擬運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行結(jié)果確定各運(yùn)行條件對溶劑質(zhì)量的影響，以此決定如何調(diào)整裝置運(yùn)行情況，擬定裝置運(yùn)行優(yōu)化方案。

硫磺回收 溶劑 再生 建模 裝置模擬

硫磺回收裝置所處理的過程氣在克勞斯反應(yīng)完成后，經(jīng)加氫處理進(jìn)入尾氣吸收塔，其中硫化氫被吸收，而吸收后的富液進(jìn)入再生塔進(jìn)行再生處理，再生為貧液后方可繼續(xù)使用。實(shí)際運(yùn)行過程中，再生溶劑質(zhì)量直接影響到吸收塔對尾氣的吸收效果，從而影響尾氣排放質(zhì)量。為使尾氣排放符合環(huán)保要求，需對溶劑具體再生效果進(jìn)行模擬研究，確定再生塔最佳運(yùn)行狀態(tài)。

用Aspen Plus建立穩(wěn)態(tài)模型，量化裝置操作條件與蒸汽消耗和貧液質(zhì)量的關(guān)系，指導(dǎo)裝置操作優(yōu)化和改造優(yōu)化，使貧液質(zhì)量最優(yōu)化，增加裝置效益。

1 溶劑再生系統(tǒng)模擬的目標(biāo)

硫磺回收裝置中溶劑再生系統(tǒng)的作用是將吸收塔內(nèi)吸收硫化氫后生成的富液再生分解成貧液與硫化氫，再生產(chǎn)生的硫化氫返回反應(yīng)爐參與硫磺生產(chǎn)。溶劑吸收再生反應(yīng)主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可見：溶劑吸收硫化氫為吸熱、氣體體積減小的反應(yīng)，而溶劑再生則是放熱、釋放氣體的反應(yīng)。因此，要保證溶劑再生效果，一般會控制再生塔為低壓、同時(shí)提高塔底溫度。但由于再生塔運(yùn)行采用的是塔底重沸器蒸汽加熱的方式供熱，無限制提高塔底溫度會使蒸汽用量大幅上升，造成裝置不必要的能耗。因此有必要使用流程模擬軟件AspenPlus，模擬再生塔再生流程進(jìn)行，確定最佳操作條件。

此次流程模擬所建立的模型主要包括高橋石化4#硫磺裝置溶劑再生塔及其系統(tǒng)附屬設(shè)備，包括重沸器、塔頂冷回流罐、回流泵、精貧液換熱器、半貧液換熱器和塔頂冷卻器等。

建立的模型需達(dá)到如下目標(biāo)：

1) 在滿足再生塔底貧液中H2S含量達(dá)標(biāo)的情況下，離線尋找優(yōu)化的操作條件。

2) 考察該裝置負(fù)荷的高低對塔底貧液中H2S含量的影響，有助于減少0.4 MPa蒸汽使用量，降低裝置能耗。

3) 為工藝技術(shù)人員離線調(diào)優(yōu)提供平臺，使參與本項(xiàng)目的工藝人員對所建模型具備維護(hù)能力。

2 建模過程

2.1 模型簡介

模型采用MDEA與H2S的可逆反應(yīng)、熱再生工藝流程，溶劑再生裝置模擬流程見圖1，其中再生塔采用RadFrac模型，塔底為熱虹吸式重沸器；泵采用Pump模型；換熱器用Heater模型(方便收斂)；塔頂回流罐用Flash2模型。

圖1 溶劑再生裝置模擬流程

2.2 建模方法

以企業(yè)提供的實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)建模，無法提供的數(shù)據(jù)以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，這些數(shù)據(jù)包括各裝置的進(jìn)料溫度、壓力、流量以及各裝置模塊操作條件等。模型建成后以提供的標(biāo)定數(shù)據(jù)或?qū)嶋H數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。

富液組成有：MDEA(w)為39.5%，w(H2O)為60%，w(H2S)為0.5%，w(CO2)為0.45%。

3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證是對比裝置實(shí)際操作值與模型計(jì)算值，查看誤差是否在可允許范圍之內(nèi)。只有通過模型驗(yàn)證的模型才能用于裝置下一步的優(yōu)化分析。溶劑再生裝置物料平衡見表1；溶劑再生系統(tǒng)測量點(diǎn)溫度和壓力見表2；溶劑再生塔物流流量見表3。表1～3中實(shí)際值為裝置正常負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)測值(來自DCS儀表顯示以及樣品采集)，模擬量為Aspen模擬軟件中根據(jù)模型計(jì)算得出的模擬值。

表1 溶劑再生裝置物料平衡

表2 溶劑再生塔測量點(diǎn)溫度和壓力

表3 溶劑再生塔物流流量

4 模型分析

4.1 進(jìn)料量對重沸器負(fù)荷的影響

以溶劑再生塔進(jìn)料量作為變量，貧液中H2S質(zhì)量濃度為0.4 g/L、再生塔頂壓力為0.075 MPa、胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%為固定量，考察重沸器負(fù)荷含量的變化情況，進(jìn)料量對重沸器負(fù)荷的影響見表4和圖2。

表4 進(jìn)料量對重沸器負(fù)荷的影響

圖2 溶劑再生塔進(jìn)料量對重沸器負(fù)荷的影響

由圖2可見：進(jìn)料量和重沸器的蒸汽用量成正比關(guān)系，隨著進(jìn)料量增加，重沸器熱負(fù)荷增加。胺液循環(huán)量每降低5 t，再生塔蒸汽耗量節(jié)省約1 t。

4.2回流量對貧液中H2S含量及再生塔底溫度的影響

以回流量為變量，胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、再生塔頂壓力0.075 MPa、進(jìn)料量95 t/h、塔頂冷凝溫度35 ℃為固定量，對塔底貧液中H2S含量與塔底再沸器熱負(fù)荷做靈敏度分析，回流量對貧液中H2S質(zhì)量濃度及再生塔底溫度的影響見表5和圖3。

由圖3中可見：隨著回流量的增加，再沸器熱負(fù)荷增加，但貧液中硫化氫含量降低。因此需要平衡兩者之間的關(guān)系，找出其中的平衡點(diǎn)，保證最佳的節(jié)能效果。

4.3 塔頂壓力對重沸器負(fù)荷及再生塔底溫度的影響

以再生塔頂壓力為變量，胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、胺液循環(huán)量為95 t/h、貧液中H2S質(zhì)量濃度為0.4 g/L、回流量達(dá)3.4 t/h、塔頂冷凝溫度35 ℃為固定量，對塔底貧液中H2S質(zhì)量濃度與再生塔底溫度做靈敏度分析。再生塔塔頂壓力對貧液中H2S質(zhì)量濃度及再生塔底溫度的影響見圖4和表6。

表5 回流量對貧液中H2S質(zhì)量濃度及再生塔底溫度的影響

圖3 溶劑再生塔回流量對塔底貧液H2S質(zhì)量濃度及再沸器熱負(fù)荷的影響

圖4 溶劑再生塔塔頂壓力對貧液中H2S質(zhì)量濃度及再生塔底溫度的影響

由圖4中可見：隨著再生塔頂壓力的增加，再生塔底溫度和蒸汽耗量增加。同時(shí)貧液中H2S質(zhì)量濃度降低?？紤]到節(jié)約蒸汽用量，在貧液質(zhì)量允許的范圍內(nèi)，可以適當(dāng)降低塔頂壓力，減少裝置能耗。

4.4 再生塔富液進(jìn)料溫度的影響

以再生塔富液進(jìn)料溫度為變量，胺液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、胺液循環(huán)量為95 t/h、貧液中H2S質(zhì)量濃度為0.4 g/L、回流量3.4 t/h、塔頂冷凝溫度35 ℃為固定量，對塔底貧液中H2S質(zhì)量濃度與再生塔底溫度做靈敏度分析。再生塔富液進(jìn)料溫度對貧液中H2S質(zhì)量濃度及再生塔底溫度的影響見圖5和表7。

表6再生塔塔頂壓力對貧液中H2S質(zhì)量濃度及再生塔底溫度的影響

再生塔頂壓力/MPa重沸器蒸汽量/(t·h-1)回流量/(t·h-1)再生塔底溫度/℃貧液ρ(H2S)/(g·L-1)0．03010．913．55113．780．640．03511．023．55114．790．600．04011．053．54115．770．560．04511．093．54116．720．530．05011．133．54117．650．490．05511．173．53118．560．460．06011．223．53119．450．440．06511．263．53120．310．410．07011．303．52121．160．390．07511．353．52121．990．360．08011．443．52122．800．340．08511．483．52123．590．330．09011．533．51124．370．310．09511．583．51125．140．290．10011．523．51125．880．280．10511．633．51126．620．260．11011．673．51127．340．250．11511．723．51128．050．240．12011．773．51128．740．23

圖5 再生塔富液進(jìn)料溫度對貧液中H2S質(zhì)量濃度及再生塔底溫度的影響

由圖5可見：隨著富液進(jìn)料溫度的上升，再生塔底溫度下降，重沸器蒸汽用量減少，貧液中H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加?？紤]當(dāng)前裝置貧液質(zhì)量較好，且進(jìn)料溫度對貧液質(zhì)量影響較小，提高富液進(jìn)料溫度可以顯著降低蒸汽耗量，因此提升富液進(jìn)料溫度對減少能耗有利。

表7再生塔富液進(jìn)料溫度對貧液中H2S質(zhì)量濃度及再生塔底溫度的影響

富液進(jìn)料溫度/℃重沸器蒸汽量/(t·h-1)回流量/(t·h-1)再生塔底溫度/℃貧液ρ(H2S)/(g·L-1)8511．853．51122．000．358611．723．51122．000．358711．593．52122．000．368811．463．52121．990．368911．333．52121．990．369011．193．52121．980．379111．063．52121．980．379210．933．53121．980．389310．803．53121．970．389410．673．53121．970．399510．543．53121．970．399610．413．53121．960．409710．273．54121．960．409810．143．54121．960．40

5 結(jié)論

1) 以實(shí)際數(shù)據(jù)搭建的基準(zhǔn)模型與實(shí)際裝置基本吻合，誤差均在可允許范圍之內(nèi)，由模型得到了再生塔的溫度、壓力分布，給實(shí)際操作控制提供參考。

2) 通過對再生塔靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)提高再生塔回流量、提高再生塔壓力均對提高貧液質(zhì)量有利，但會增加重沸器蒸汽耗量，增加裝置能耗。提高富液進(jìn)料溫度，可顯著降低重沸器蒸汽用量，同時(shí)對貧液質(zhì)量影響甚微。而降低胺液循環(huán)量，也可降低再生蒸汽消耗，但會對吸收塔吸收效果產(chǎn)生影響。

3) 在裝置溶劑質(zhì)量較差，尾氣中的H2S無法吸收干凈的情況下，需提高塔底重沸器蒸汽用量，優(yōu)化溶劑再生效果。但由于本裝置再生貧液質(zhì)量處于較好水平(有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，H2S平均質(zhì)量濃度為0.4 g/L左右)，因此本裝置更多考慮是在不影響吸收質(zhì)量的前提下，降低裝置能耗。因此對于高橋石化4#硫磺裝置而言，可以考慮適當(dāng)降低塔底重沸器蒸汽量，降低胺液循環(huán)量。在不影響尾氣吸收的前提下，盡可能減少裝置能耗，取得貧液質(zhì)量和能耗方面的平衡。

4) 以后考慮將裝置整個(gè)溶劑吸收-再生系統(tǒng)加入模型中，進(jìn)行模擬計(jì)算，以期獲得更準(zhǔn)確的模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)，為裝置平穩(wěn)、高效運(yùn)行提供有力的參考。

Simulationandoptimizationofsolventreclamationinsulphurrecoveryunit

XUKe,WANGJunzhang

(SINOPEC Shanghai Gaoqiao Petrochemical Co., Ltd., Shanghai, 200137, China)

Modeling is made to imitate solvent reclamation system of sulphur recovery unit in order to improve operation efficiency of solvent reclamation system, and meanwhile to maintain balance between tail gas emission quality and energy-consumption of plant. Imitation operation was made in plant at different conditions by models. According to operation results, effects of operation conditions on solvent quality were determined, and plant operation was adjusted by the results, optimization plans of plant operation was worked out.

sulphur recovery； solvent； reclamation； modeling； plant imitation

2017-07-01。

許可，男，中國石化上海高橋石油化工有限公司煉油四部4#硫磺裝置工藝員、助理工程師，主要從事硫磺裝置管理工作。電話：15618960139；E-mail：xuke.gqsh@sinopec.com。

*

王軍長，電話：15921615991；E-mail：wangjun-zhang.gqsh@sinopec.com。

TQ111.16;TE65

B

1002-1507(2017)10-0051-04