酸性水汽提塔工藝模擬及優(yōu)化

李書珍， 李小慶, 王哲慧， 周 迪， 劉 倩， 王 磊

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 上海 201418； 2. 常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

酸性水汽提塔是硫磺回收裝置中重要的廢水處理設(shè)備，主要處理石油煉制過程中產(chǎn)生的酸性水，并回收NH3和H2S[1-2]。國內(nèi)各煉油廠、科研單位以及設(shè)計單位對提高和改善酸水汽提技術(shù)開展了大量的研究工作，改進了酸性水汽提塔的操作和設(shè)計，在操作、計算、理論以及工程設(shè)計等方面取得一定的成果，開發(fā)了多種酸性水汽提工藝[3-4]。目前，國內(nèi)酸性水汽提技術(shù)有：單塔常壓、單塔加壓、雙塔高低壓及雙塔加壓4種酸性水汽提工藝[5-9]。洛陽石油化工工程公司開發(fā)的單塔加壓汽提工藝是為了清除污水中的NH3和H2S等成分，回收副產(chǎn)品，達到循環(huán)用水并減少污染物排放。此工藝利用NH3-CO2-H2S-H2O弱電解質(zhì)物質(zhì)的相平衡特點，酸性氣體從塔頂流出，側(cè)線抽出富氨氣體，塔底得到H2O。與雙塔汽提技術(shù)相比，單塔加壓工藝具有設(shè)備投資低、流程簡單、能耗低以及操作穩(wěn)定等優(yōu)點廣泛應(yīng)用[10-14]。山東某煉油廠由于處理能力的提高，使得原酸水汽提單元工藝指標中凈化水不能滿足NH3≤150 mg·kg-1， H2S≤50 mg·kg-1。本論文運用Aspen plus過程模擬軟件，采用電解質(zhì)活度系數(shù)模型ELECNRTL模型，對單塔加壓汽提工藝進行模擬計算，通過對模擬結(jié)果進行分析，確定了汽提塔適宜的操作條件。

1 酸水汽提塔模擬流程

單塔加壓工藝，如圖1所示。冷酸性水原料從頂部進入汽提塔，熱酸性水原料從中上部進入汽提塔，塔底采用重沸器加熱，塔頂采出富含H2S酸性氣，NH3從側(cè)線抽出，表1所示為汽提塔的模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，冷、熱進料百分比分別為：NH3(2%)，H2S(1.8%),CO2(0.12%),H2O(96.08%)。

圖1 酸水汽提塔模擬Fig.1 Simulation of acid water stripping tower

2 結(jié)果與分析

為了研究酸水汽提塔出口凈化水的質(zhì)量的影響因素，采用Aspen plus軟件的RadFrac模型模擬酸水汽提塔汽提過程。由于加氫酸性水屬于電解質(zhì)體系，因此物性方法采用ELECNTRTL, 模型收斂，模擬結(jié)果與實際結(jié)果進行比較，如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可見，模擬計算數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)基本相符，說明建立的模型恰當。酸水汽提部分凈化水中氨含量為 1 400 mg·kg-1>150 mg·kg-1，遠遠超過了工藝指標中凈化水中氨含量。上游加氫裝置排放的酸性污水氨含量大幅增加，導(dǎo)致酸水汽提單元排放凈化水氨含量超標，為了控制凈化水的質(zhì)量，現(xiàn)對影響汽提效果的有關(guān)因素進行模擬分析，并對凈化水氨超標現(xiàn)象提出優(yōu)化的工藝參數(shù)。

表2酸水汽提模擬計算與實際情況的比較

Tab.2Comparisonsbetweensimulatedcalculationandactualsituationofacidwaterstripping

項目模擬計算數(shù)據(jù)實際工業(yè)數(shù)據(jù)塔頂酸性氣體側(cè)線料凈化水溫度/℃40.842流量/(kg·h-1)400380w(H2S)/%88.889w(NH3)/%14.71.5w(H2O)/%15.31.4w(CO2)/%9.08.8溫度/℃148144流量/(kg·h-1)1 4801 500w(NH3)/%25.826流量/(kg·h-1)1 4001 414w(H2S)/%痕量痕量

加氫酸性污水是包含各種離子、分子的多元水溶液，其溶液中存在相平衡、電離平衡和化學(xué)平衡，影響平衡的因素有很多，為了方便操作參數(shù)的改進，現(xiàn)僅對汽提塔的塔頂采出量、熱進料進塔溫度、側(cè)線采出量以及熱冷進料比進行優(yōu)化。

2.1 熱冷進料比對凈化水氨含量的影響

酸性水總進量為 20 000 kg·h-1，其熱進量與冷進量比值對凈化水氨含量的影響，如圖2所示。

圖2 熱冷進料比對凈化水氨含量的影響Fig.2 Effect of hot and cold feed ratio on ammonia content in purified water

隨著熱冷進料比值的增大，酸性氣中H2S的含量基本保持不變，側(cè)線氨含量略有降低，但凈化水中氨含量從開始的109 mg·kg-1逐漸增加到 3 400 mg·kg-1。冷進料影響著酸水汽提塔塔頂抽出氣體中氨的含量；冷進料的量也影響著側(cè)線氨的質(zhì)量。在酸性水總進量不變的情況下，增加熱冷進料比值相應(yīng)的減少了冷進料量，導(dǎo)致塔頂抽出氨的量相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致了凈化水中氨的含量增加。當熱冷進料比值為 1.8～2.0，其凈化水中氨含量滿足工藝排放要求，當工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)凈化水中氨含量超標時，可以適當降低熱冷進料比值也就是增加冷進料的量，從而減少凈化水中含氨量。當處理酸性污水的總量不變時，熱冷進料比在 1.8～2.0 之間時，其凈化水中氨的含量<150 mg·kg-1，滿足排放要求。考慮到重沸器能耗以及凈化水中質(zhì)量因素，建議實際操作中熱進料流量為 13 104 kg·h-1，冷進料流量為 6 896 kg·h-1。

2.2 塔頂采出量對凈化水氨含量的影響

當熱進料的流量為 13 104 kg·h-1,冷進料的流量為 6 896 kg·h-1時，側(cè)線抽出位置不變，其側(cè)線抽出量也不變，考察了塔頂采出量與凈化水氨含量的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 塔頂采出量對凈化水氨含量的影響Fig.3 Effect of top production quantity on ammonia content in purified water

由圖3可見，隨著塔頂氣體采出量的增加，塔頂采出酸性氣體中w(H2S)逐漸減小，側(cè)線抽出氣體中w(NH3)也逐漸降低，其凈化水氨含量也相應(yīng)減少。當塔頂采出氣體量增加，其相應(yīng)的會帶出一些NH3, 然而系統(tǒng)中氨的總質(zhì)量不變，這樣導(dǎo)致了側(cè)線抽出氣體中的氨含量以及凈化水中氨含量都降低。因此，當出現(xiàn)凈化水中氨含量超標的現(xiàn)象時，在保持汽提塔其他操作參數(shù)不變的情況下，可以通過適當?shù)脑黾铀敳沙隽?，來達到減少凈化水中氨的含量的目的，提高凈化水的質(zhì)量。當塔頂采出氣體量為650 kg·h-1時，凈化水中NH3的含量最低為 12 kg·h-1，但塔頂w(H2S)僅為 55.3%。實際操作中選定塔頂?shù)牟沙隽繛?00 kg·h-1，此時塔頂采出酸性氣體中w(H2S)為 89.9%，其凈化水中氨含量為144 mg，滿足工藝排放要求。

2.3 側(cè)線抽出量對凈化水氨含量的影響

當熱進料的流量為 13 104 kg·h-1, 冷進料的流量為 6 896 kg·h-1，塔頂采出氣體量為400 kg·h-1，汽提塔其他操作參數(shù)不變，只改變側(cè)線采出量，通過Aspen plus軟件模擬分析，得出側(cè)線抽出量對凈化水氨含量的影響，如圖4所示。

圖4 側(cè)線抽出量對凈化水氨含量的影響Fig.4 Effect of siding production quantity on ammonia content in purified water

由圖4可以看出，凈化水氨含量和側(cè)線抽出氣體NH3的含量隨著側(cè)線抽出量的增加而降低，而塔頂硫化氫含量變化不大。因此當凈化水氨含量超標時，可以采取增加側(cè)線氣體采出量，降低凈化水的氨含量。當側(cè)線抽出量為 1 000 kg·h-1時，側(cè)線抽出氣體中w(NH3)高達 29.1%，但此時的凈化水中氨含量為 5 422 mg/kg，遠遠超過了排放要求；當側(cè)線抽出量為 1 600 kg·h-1時，此時凈化水中氨的含量為64 mg/kg，其塔頂w(H2S)為90%，側(cè)線w(NH3) 為 24.4%。側(cè)線采出量在一定范圍內(nèi)對塔頂硫化氫含量影響不大，實際酸水汽提塔側(cè)線抽出量操作參數(shù)取值為 1 600 kg·h-1。

2.4 熱進料進塔溫度對凈化水氨含量的影響

當熱進料的流量為 13 104 kg·h-1,冷進料的流量為 6 896 kg·h-1，塔頂采出氣體量400 kg·h-1，側(cè)線抽出量為 1 600 kg·h-1，酸水汽提塔其他操作參數(shù)不變，僅改變熱進料進塔溫度，分析熱進料進塔溫度對凈化水氨含量的影響，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 熱進料溫度對凈化水氨含量的影響Fig.5 Effect of temperature of hot feed on ammonia content in purified water

由圖5中可見，隨著熱進料溫度的提高，塔頂采出氣體中w(H2S)基本不變，側(cè)線抽出氣體中w(NH3) 也基本無變化，但凈化水氨含量逐漸增大。因此當凈化水中氨含量超標時，可以適當降低熱進料溫度來控制凈化水的質(zhì)量，過度降低熱進料溫度會加大再沸器能耗，影響設(shè)備性能。當熱進料溫度為150 ℃時，塔頂w(H2S)為90%，側(cè)線w(NH3)為 24.4%，凈化水中氨的含量為132 mg·kg-1。實際酸水汽提塔熱進量溫度操作參數(shù)取值為150 ℃。

2.5 優(yōu)化計算

通過模擬計算，酸水汽提塔優(yōu)化操作參數(shù)，如表3所示。

表3 優(yōu)化后的酸水汽提塔操作參數(shù)

采用以上參數(shù)進行模擬，優(yōu)化后的模擬結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，酸水汽提塔操作參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后，汽提塔塔頂流出氣體中w(H2S)為90%，塔底凈化水氨含量為132 mg·kg-1，滿足工藝排放要求。

表4 優(yōu)化操作參數(shù)下的模擬結(jié)果

3 結(jié) 語

(1) 生產(chǎn)過程中酸水汽提裝置凈化水氨含量超標時，可以通過減少熱冷進料比，增加塔頂采出量，降低熱進料溫度和增加側(cè)線采出量，降低凈化水氨含量。

(2) 當酸水汽提塔熱冷進料比為 1.9∶1時，熱進料溫度為150 ℃，塔頂采出量為400 kg·h-1, 側(cè)線抽出量為 1 600 kg·h-1, 塔頂酸性氣中w(H2S)為90%，側(cè)線氣體w(NH3)為 24.4%，凈化水中氨含量為132 mg·kg-1，滿足凈化水排放標準。