汽提法處理油田酸水的模擬分析

張淑新

(淄博職業(yè)學(xué)院,山東 淄博 255314)

1 汽提法脫H2S技術(shù)

水蒸氣汽提法在國內(nèi)煉油廠處理酸性污水的工藝中占主導(dǎo)地位。水蒸氣汽提工藝適合于硫化氫和氨濃度很寬的范圍。由于氨在水中的溶解度更大，因此對于只含有H2S的油田酸水用水蒸氣汽提法更易實現(xiàn)脫硫。其中帶側(cè)線的單塔加壓汽提、雙塔汽提和單塔低壓汽提這三種工藝在煉油廠應(yīng)用最為廣泛[2]。

汽提法除H2S的基本原理[3]：在塔器中，溶解于水中的氣體量與水面上氣體的分壓成正比。由水中氣體的溶解特性可知，要想將水中任何一種氣體除去，只要將水面上存在的該氣體除去即可，因此希望排除水中的各種氣體，最好水面上只有水蒸汽而無其它氣體。汽提法除H2S就是將酸水加熱至沸點，破壞原有氣液平衡，H2S的溶解度減小而逸出，再將水面上產(chǎn)生的酸性氣排除，使充滿蒸汽，如此使水中H2S不斷逸出，而保證凈化水含H2S量達到油田注水或排污標準。

2 設(shè)計基礎(chǔ)和工藝模塊建立

2.1 設(shè)計基礎(chǔ)

Hysys在石油石化煉油工程設(shè)計計算分析中具有完備的物性數(shù)據(jù)庫，用戶可建立有針對性的單元操作模型，對其中的工藝過程進行求解計算。本論文選用Hysys中自帶的NRTL-PR物性方法。具體油田采出水水質(zhì)的設(shè)計基礎(chǔ)和處理要求見下表1。

表1 油田采出水水質(zhì)和處理要求

2.2 工藝流程

汽提法除H2S裝置工藝流程圖，見下圖1。

1.酸水泵;2.預(yù)熱器(酸水熱交換器);3.汽提塔;4.酸性氣空冷器;5.回流罐;6.回流泵;7.再沸器;8.凈化水泵

圖1 汽提法除H2S裝置工藝流程圖

蒸汽汽提除H2S工藝簡介：含H2S的酸性水由泵泵入到預(yù)熱器中，將酸性水預(yù)熱到一定溫度后從塔頂部進料，塔底用1MPa的蒸汽加熱汽提，這使酸性水中原來存在的H2S的氣液相平衡發(fā)生移動，H2S逸出到蒸汽中，達到脫H2S的目的；富含H2S的蒸汽經(jīng)過空冷器冷凝分離后，冷凝水回流塔內(nèi)，酸性氣體至硫磺回收裝置[5]；塔底凈化水泵入預(yù)熱器中給原料酸水預(yù)熱，然后至污水處理廠。

3 優(yōu)化分析結(jié)果

3.1 酸水預(yù)熱溫度對蒸汽耗量、凈化效果、預(yù)熱器面積的影響

酸水預(yù)熱溫度變化所帶來的系列影響，見圖2。模擬中，設(shè)定回流比、回流溫度和塔頂壓力不變。

圖2 蒸汽耗量、凈化效果、預(yù)熱器面積隨酸水預(yù)熱溫度變化曲線

從圖2中可知，隨著酸性水預(yù)熱溫度的升高，蒸汽消耗量呈下降趨勢，而凈化水中硫化氫的質(zhì)量分數(shù)和預(yù)熱器的面積卻呈增加趨勢。這是因為，酸性水預(yù)熱后溫度越高，帶入塔的熱量越多，導(dǎo)致消耗的蒸汽量越少，從而再沸器產(chǎn)生蒸汽量也相應(yīng)減少，最終導(dǎo)致凈化水中H2S的質(zhì)量分數(shù)增大，脫除效果變差。而此過程中，作為預(yù)熱器加熱源的凈化水溫度不變，所以需要的換熱面積也相應(yīng)增大。從圖中2我們得知80～90℃范圍內(nèi)，換熱器面積和凈化水中H2S含量急劇增加，此范圍可作為蒸汽消耗量、換熱面積、凈化水中H2S含量的效益權(quán)衡點。

3.2 塔頂壓力對蒸汽耗量、凈化效果、預(yù)熱器面積的影響

塔頂壓力變化所產(chǎn)生的系列影響，見圖3。模擬中，設(shè)定回流比、回流溫度和酸水預(yù)熱溫度不變。

圖3 蒸汽耗量、凈化效果、預(yù)熱器面積隨塔頂壓力變化曲線

從圖3中可以得知，當塔頂壓力增大時，消耗的蒸汽量會增加，需要的換熱面積會相應(yīng)越小，同時脫H2S的效果變差。這主要是因為，隨著塔頂壓力增加，塔頂壓力也相應(yīng)增加，導(dǎo)致塔底飽和蒸汽溫度升高，當進料狀況不變的情況下，消耗蒸汽量會相應(yīng)增加。而且從增加趨勢可以看出，從100 kPa 增大到200kPa，蒸汽消耗量增加了近一倍。根據(jù)亨利定律和溶解度特性得知[3]，壓力升高不利于氣體解析，因此隨著塔頂壓力增加，凈化水中H2S質(zhì)量分數(shù)會相應(yīng)增加。因此塔頂壓力的升高不利于整個工藝過程，建議選用常壓脫除。

3.3 回流比對蒸汽耗量、凈化效果的影響

回流比變化對蒸汽耗量、凈化效果的影響，見圖4。模擬中，設(shè)定預(yù)熱溫度、回流溫度和塔頂壓力不變，分析回流比變化所帶來的影響。為了便于對比分析，上圖中將橫坐標調(diào)整為回流比的對數(shù)。

圖4 蒸汽耗量、凈化效果隨回流比變化曲線

由圖4可知，隨著回流比對數(shù)的增大，消耗的蒸汽呈緩慢上升趨勢，而當回流比對數(shù)增大到1時，蒸汽耗量增大趨勢顯著增加。同時，隨著回流比對數(shù)的增大，硫化氫的脫除效果呈顯著下降趨勢，但當回流比降到10時，凈化水中H2S質(zhì)量分數(shù)下降不再明顯。由上述兩點分析，當回流比增大到10左右時，蒸汽消耗增大明顯，卻對H2S效果沒有明顯改變，此時可以作為此工藝的操作回流比。

3.4 回流溫度對蒸汽耗量、凈化效果、酸性氣量的影響

回流溫度變化對蒸汽耗量、凈化效果和酸性氣量的影響，見圖5。模擬中，設(shè)定回流比、預(yù)熱溫度和塔頂壓力不變，考察回流溫度變化所帶來的影響。

圖5 蒸汽耗量、凈化效果、酸性氣量隨回流溫度變化曲線

模擬發(fā)現(xiàn)，回流溫度越大，蒸汽消耗越大，這是因為從塔頂回流罐流出的酸氣的質(zhì)量流量隨著回流溫度增大而增大。由亨利定律和溶解度特性得知，溫度升高有利于氣體的解析過程，因此回流溫度增大可以減少凈化水中H2S的質(zhì)量分數(shù)。從圖5中可以得知，當溫度繼續(xù)增大至80℃后，蒸汽消耗量和酸性氣流量增大的趨勢會顯著變大，因此80℃左右可選定為工藝回流溫度的設(shè)計點。

4 結(jié)論和展望

本文針對油田含H2S酸水處理問題，選用煉化廠酸水處理普遍采用的汽提氣法，該方法具有設(shè)備簡單、脫除效果好、操作彈性大等優(yōu)點。借助Hysys模擬平臺，建立了蒸汽汽提脫除H2S的工藝流程。通過對酸水進料溫度、塔頂壓力、回流溫度和壓力等影響因素的模擬分析，得出以下幾點結(jié)論：(1)80～90℃范圍內(nèi)，換熱器面積和凈化水中H2S含量急劇增加，此范圍可作為蒸汽消耗量、換熱面積、凈化水中H2S含量的效益權(quán)衡點；(2)塔頂壓力的升高不利于整個工藝過程，建議選用常壓脫除；(3)當回流比增大到10左右時，蒸汽消耗增大明顯，卻對H2S效果沒有明顯改變，此時可以作為此工藝的操作回流比；(4)當溫度繼續(xù)增大至80℃后，蒸汽消耗量和酸性氣流量增大趨勢會顯著變大，因此80℃左右可選定為工藝回流溫度的設(shè)計點。通過對蒸汽汽提法除H2S工藝方案的模擬分析，得出處理量為400 t/h時，相關(guān)工藝參數(shù)的合理操作范圍。為以后的工藝設(shè)計和工程應(yīng)用提供了必要的理論指導(dǎo)。