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        煉油廠酸性水溶液體系汽液平衡關(guān)聯(lián)計(jì)算與分析

        2013-09-04 05:44:58廖昌建齊先志劉忠生
        當(dāng)代化工 2013年1期
        關(guān)鍵詞:汽液水溶液電解質(zhì)

        廖昌建,齊先志,劉忠生,樸 勇

        (中國(guó)石化撫順石油化工研究院, 遼寧 撫順 113001)

        煉油廠在原油加工的過(guò)程中,含硫污水主要來(lái)自常減壓、催化以及加氫等工藝裝置。同時(shí),國(guó)內(nèi)各個(gè)煉油廠生產(chǎn)規(guī)模不斷的擴(kuò)大以及進(jìn)口原油中硫含量較高,導(dǎo)致含硫污水的處理量及污水中H2S和NH3的濃度均大幅增大,也增加了與之平衡的汽相物質(zhì)濃度,排出大量的酸性氣體,嚴(yán)重污染環(huán)境和影響人體健康[1]。

        本文從弱電解質(zhì)水溶液體系汽液平衡理論出發(fā),系統(tǒng)推導(dǎo)了弱電解質(zhì)NH3-CO2-H2S-H2O四元體系汽液相平衡關(guān)聯(lián)式。并在此基礎(chǔ)上,分析了酸性水溶液 NH3-H2S-H2O-空氣平衡體系中各個(gè)影響因素對(duì)體系汽相分壓的影響。

        1 弱電解質(zhì)汽液平衡模型

        在NH3-CO2-H2S-H2O體系內(nèi),液相中存在以下化學(xué)平衡反應(yīng)[2,3]。在平衡體系中,對(duì)于弱電解質(zhì)稀溶液,汽液兩相滿足亨利定律。

        式中:P —弱電解質(zhì)組分汽相分壓,kPa;

        γ—活度系數(shù)[3];

        b —弱電解質(zhì)組分質(zhì)量摩爾濃度,mol·kg-1。

        表1 亨利常數(shù)與溫度關(guān)系式系數(shù)[3]Table 1 The coefficients in the equation of Henry constants with temperature

        根據(jù)體系中的化學(xué)平衡、質(zhì)量守恒定律以及電荷守恒定律等,可以得到如下關(guān)系式。

        A、B、C、D—K與T關(guān)系式常數(shù),其值見(jiàn)表2。

        根據(jù)質(zhì)量守恒定律,聯(lián)立公式(1-7),推導(dǎo)可得到公式(8)和公式(9)。

        表2 化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與溫度關(guān)系式系數(shù)[3,4]Table 2 The coefficients in the equation of Equilibrium Constants with temperature

        同理可以推導(dǎo)得到 CO2、H2S的汽相分壓計(jì)算公式,該計(jì)算式是[H+]的一元三次方程。根據(jù)液相pH值、液相其他組分濃度和體系溫度,即可求得對(duì)應(yīng)組分的汽相分壓。

        液相中各離子組分和各分子間還存在著物料平衡和電荷平衡,各個(gè)平衡關(guān)系如下:

        在 NH3-CO2-H2S-H2O體系中,在已知酸性水體系溫度、總氨、總硫和總碳的條件下,聯(lián)立公式(1~13)可計(jì)算得到氣相各組分的汽相分壓。

        2 酸性水溶液體系氣液平衡影響因素分析

        在建立弱電解質(zhì) NH3-CO2-H2S-H2O體系汽液相平衡計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,本節(jié)主要考察NH3-H2S-H2O-空氣體系不同NH3-H2S汽液相濃度、不同H2S/ NH3摩爾比以及溫度變化對(duì)體系汽相分壓的影響。在計(jì)算過(guò)程中,取體系中H2S和NH3摩爾量與空氣含量比為1︰3。

        2.1 NH3-H2S汽液相濃度的影響

        在體系中H2S/ NH3物質(zhì)摩爾比為0.7時(shí),溫度35 ℃,常壓條件下,對(duì)不同 NH3-H2S汽液相濃度進(jìn)行計(jì)算,以汽相組分分壓為考察指標(biāo),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知,隨液相中弱電質(zhì)組分濃度增加,各組分汽相分壓增大,由此表明液相組分濃度提高,加大了酸性水罐區(qū)氣體排放量。

        表3 NH3-H2S汽液相濃度對(duì)汽相分壓影響Table 3 The effect of concentration of NH3 and H2S in the vapor and liquid phases on their vapor partial pressures

        2.2 H2S/ NH3摩爾比的影響

        常壓下,體系溫度 35℃。分析不同 H2S/ NH3比對(duì) NH3-H2S-H2O-空氣體系汽相分壓的影響,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

        表4 H2S/ NH3摩爾比對(duì)汽相分壓的影響Table 4 The effect of H2S/ NH3 molar ratio on their vapor partial pressures

        由表4可知:隨體系中H2S濃度增加, H2S-NH3化學(xué)平衡反應(yīng)向正方向移動(dòng),引起液相中H2S、NH3濃度降低,根據(jù)亨利定律可得出,汽相中NH3濃度和分壓減小。但隨體系中H2S濃度增加,汽相H2S濃度增加和汽相酸性氣體分壓提高。

        2.3 溫度變化的影響

        在體系H2S/ NH3物質(zhì)摩爾比為0.7時(shí),常壓條件下,研究溫度變化對(duì)弱電解質(zhì)體系汽液平衡的影響,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 5。由表可知,溫度升高,增加了汽相中酸性氣體分壓或排放體積。

        3 結(jié) 論

        (1)本文根據(jù)弱電解質(zhì)水溶液NH3-CO2-H2SH2O四元體系汽液平衡理論,系統(tǒng)推導(dǎo)了平衡體系汽液相平衡關(guān)系式,建立了汽相分壓與水溶液 pH值、液相組分濃度和體系溫度的關(guān)聯(lián)式,為煉油廠酸性水儲(chǔ)罐小呼吸排放氣量的計(jì)算提供了依據(jù)。

        (2)在建立弱電解質(zhì)水溶液汽液平衡計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,對(duì)酸性水溶液 NH3-H2S-H2O-空氣平衡體系中 NH3-H2S汽液相濃度、H2S/NH3摩爾比、溫度變化對(duì)平衡汽相分壓的影響進(jìn)行了討論,分析表明體系組分濃度和H2S/NH3摩爾比增加以及溫度升高,皆能導(dǎo)致體系汽相分壓提高,加大酸性氣體排放。

        表5 溫度變化對(duì)汽相分壓的影響Table 5 The effect of temperature on vapor partial pressures

        [1] 楊剛.煉油廠含硫污水汽提塔的模擬與優(yōu)化[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2001.

        [2]Edwards TJ.Maurer G.Newman J.etal.Vapor-liquid Equilibria in Multicomponent Aqueous Solutions of Volatile Weak Electrolytes[J].AIChe Journal,1978,24(6):966-976.

        [3] 徐金火.湯渭龍.三種揮發(fā)性弱電解質(zhì)水溶液體系汽液平衡的關(guān)聯(lián)計(jì)算[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào),1993,7(3):81-86

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