于型偉　李宇龍　劉富余　劉維康（中國石油規(guī)劃總院）

煉油廠酸性水汽提裝置流程模擬及用能優(yōu)化

于型偉李宇龍劉富余劉維康（中國石油規(guī)劃總院）

酸性水汽提裝置是煉油廠重要的環(huán)保裝置，隨著裝置大型化與進(jìn)口原料油硫含量的逐步升高，酸性水汽提裝置能耗水平受到關(guān)注。利用ApenPlus軟件對酸性水汽提裝置進(jìn)行了模擬，探討了汽提塔熱冷進(jìn)料比例、熱進(jìn)料溫度、側(cè)線抽出位置對再沸器負(fù)荷和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，適當(dāng)提高熱冷進(jìn)料比例或熱進(jìn)料溫度，有利于降低再沸器熱負(fù)荷，從而降低裝置能耗；汽提塔側(cè)線位置不宜過高或過低，應(yīng)有一個較優(yōu)的抽出位置。在進(jìn)行各參數(shù)優(yōu)化調(diào)整時，應(yīng)密切關(guān)注凈化水中NH3含量，防止其超標(biāo)。

煉油廠酸性水汽提流程模擬 用能優(yōu)化

引言

近年來，隨著汽柴油產(chǎn)品質(zhì)量升級，大多數(shù)煉油廠均使用汽柴油加氫裝置，隨之也產(chǎn)生了大量酸性水。同時，其他煉油裝置（如催化裂化、常減壓等）在煉油加工過程中也會產(chǎn)生一定量的酸性水。這些酸性水通常含有較高濃度的H2S（5000～25000g/cm3）、NH3（5000～30000g/cm3）、CO2（1500g/cm3左右）等，排放前需脫除這些組分［1-2］。另外，國家頒布了《關(guān)于深入推進(jìn)節(jié)水型企業(yè)建設(shè)工作的通知》（工信部聯(lián)節(jié)［2012］431號），要求2015年底前煉油污水回用率達(dá)到50%以上、含硫污水汽提凈化水回用率達(dá)到60%以上，多數(shù)煉油廠均加大了對酸性水的回用，回用前也需脫除H2S等組分。

酸性水汽提裝置是煉油廠重要的環(huán)保裝置，用于凈化煉油加工過程中產(chǎn)生的酸性水，并回收其中的H2S和NH3。據(jù)文獻(xiàn)［3］報道，對于國內(nèi)某千萬噸煉油廠，酸性水汽提裝置所用蒸汽能耗約占整個煉油能耗的6.5%。因此，在保證各項指標(biāo)滿足要求的同時，對酸性水汽提裝置實(shí)施用能優(yōu)化具有重要的節(jié)能和環(huán)保意義。本研究以國內(nèi)某煉油廠140t/h酸性水汽提裝置標(biāo)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用流程模擬軟件AspenPlus對酸性水汽提裝置進(jìn)行模擬計算，并結(jié)合裝置工藝指標(biāo)要求，提出了裝置用能優(yōu)化的改進(jìn)措施。

1　模型建立

1.1裝置流程簡介

酸性水汽提裝置采用目前國內(nèi)較成熟的單塔加壓側(cè)線抽氨汽提工藝，即利用一座汽提塔來完成污水凈化和分離H2S和NH3的任務(wù)。利用CO2（C）和H2S（S）的相對揮發(fā)度比NH3（A）高的特性，首先將原料酸性水中的CO2和H2S從汽提塔上部汽提出去，隨即控制適宜的塔體溫度，在塔中部形成A/（S+C）摩爾比大于10的液相及富氨氣體，該氣體抽出后，采用變溫變壓的三級冷凝，得到高純度的氨氣。

該工藝具有操作方便、凈化水水質(zhì)好、一次基建投資少、蒸汽單耗少等特點(diǎn)，近年來成為科研工作者用能優(yōu)化研究的重點(diǎn)。裝置模擬流程示意圖見圖1。

圖1　酸性水汽提裝置模擬流程

1.2模型基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)置

酸性水汽提塔中存在一個NH3-H2S-CO2-H2O四元弱電解質(zhì)體系。由于酸性水汽提過程包含多種化學(xué)反應(yīng)，使得液相中存在的真實(shí)組分不同于表觀分子組分，其表觀分子組分主要為NH3、H2S、CO2和H2O，而液相中存在的真實(shí)組分除上述外，還有H3O+、OH-、HS-、NH4+、HCO3-、CO32-等。由于液相熱力學(xué)呈高度非理想型，須選擇合適的熱力學(xué)方法。本研究選用AspenPlus模擬軟件中最通用的電解質(zhì)物性方法ELECNRTL，該方法已被很多研究者采納，并被證實(shí)可行［1，4-5］。反應(yīng)方程式設(shè)置如圖2所示。

圖2　反應(yīng)方程式設(shè)置

1.3模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

采用AspenPlus嚴(yán)格精餾模塊RadFrac模塊模擬該裝置，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.4模型驗(yàn)證

利用AspenPlus建立裝置流程模擬模型，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，模型收斂成功。模型計算結(jié)果與裝置現(xiàn)場標(biāo)定結(jié)果對比見表2，模擬結(jié)果與實(shí)際標(biāo)定結(jié)果數(shù)據(jù)吻合較好，表明該模型的建立是合適的，且準(zhǔn)確性較高，可利用其對汽提裝置進(jìn)一步分析及優(yōu)化。

表2　模擬結(jié)果與實(shí)際標(biāo)定結(jié)果比較

2　汽提裝置用能分析及優(yōu)化

分析裝置現(xiàn)場標(biāo)定數(shù)據(jù)，該裝置能耗較大的是汽提塔底再沸器1.0MPa蒸汽用量，蒸汽能耗約占裝置總能耗的94.1%。因此，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求（凈化水NH3含量小于或等于50mg/L，塔頂氣H2S體積分?jǐn)?shù)大于或等于50%）的前提下，做好汽提塔的節(jié)能優(yōu)化，從而減少再沸器熱負(fù)荷（即減少1.0MPa蒸汽用量），對于降低裝置能耗具有重要意義。

2.1熱冷進(jìn)料比例

進(jìn)料總量（123t/h）、進(jìn)料組成、側(cè)線抽出位置及其他參數(shù)均不變，改變汽提塔熱冷進(jìn)料比例，考察其對汽提塔再沸器熱負(fù)荷及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的影響，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著熱冷進(jìn)料比例的不斷增大，再沸器熱負(fù)荷呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但凈化水中NH3含量呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大。這一變化與文獻(xiàn)［1］報道的研究結(jié)果相一致。

表3　熱冷進(jìn)料比例的影響

含硫污水是一種H2S、NH3、CO2等的多元水溶液，它們在水中以多種銨鹽的形式存在，這些銨鹽在水中水解后分別產(chǎn)生游離態(tài)的H2S、NH3、CO2分子，它們又分別與其中氣相中的分子平衡，因而該系統(tǒng)是化學(xué)平衡、電離平衡和相平衡共存的復(fù)雜體系。由于水解是吸熱反應(yīng)，因而加熱可促進(jìn)水解作用使游離的H2S、NH3、CO2分子增加。再沸器（通入水蒸汽）起到加熱和降低氣相中的H2、NH3、CO2分子分壓的雙重作用，促使它們從液相進(jìn)入氣相，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。隨著熱冷進(jìn)料的比例增加，進(jìn)入汽提塔的熱量增加，因此再沸器負(fù)荷會降低，使得蒸汽量下降，氣相中分壓作用減弱，加之NH3的溶解度比H2S大很多，因此凈化水NH3含量逐漸增加。

2.2熱進(jìn)料溫度

其他參數(shù)不變，改變汽提塔熱進(jìn)料的溫度，考察其對汽提塔再沸器熱負(fù)荷及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的影響，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著熱進(jìn)料溫度的不斷升高，再沸器熱負(fù)荷呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但凈化水NH3含量卻逐漸增大。當(dāng)熱進(jìn)料溫度增加到145℃時，凈化水NH3含量突然增大，導(dǎo)致凈化水產(chǎn)品質(zhì)量不合格。而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大，這一總體變化趨勢與提高熱冷進(jìn)料比例的變化相同。

表4　熱進(jìn)料溫度的影響

2.3側(cè)線抽出位置

其他參數(shù)不變，改變汽提塔側(cè)線抽出塔板位置，考察其對汽提塔再沸器熱負(fù)荷及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的影響，結(jié)果見表5。由表5可知，隨著側(cè)線抽出塔板位置往下移，再沸器熱負(fù)荷呈現(xiàn)先下降后略微增加的趨勢，凈化水NH3含量明顯增加，而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大。當(dāng)側(cè)線抽出塔板位置為9時，再沸器熱負(fù)荷達(dá)到最小。

表5　側(cè)線抽出塔板位置的影響

3　結(jié)論

1）以國內(nèi)某煉油廠140t/h酸性水汽提裝置標(biāo)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用AspenPlus嚴(yán)格精餾模塊和電解質(zhì)物性方法ELECNRTL建立了該裝置的流程模擬模型。從標(biāo)定數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果來看，模型精確度較高。

2）利用建立的模型研究了汽提塔熱冷進(jìn)料比例、熱進(jìn)料溫度、側(cè)線抽出位置對汽提塔再沸器熱負(fù)荷及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，隨著熱冷進(jìn)料比例的增加，再沸器熱負(fù)荷呈現(xiàn)下降的趨勢，凈化水NH3含量呈現(xiàn)增大趨勢，而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大；提高熱進(jìn)料溫度的總體變化趨勢與提高熱冷進(jìn)料比例的變化趨勢相同；隨著側(cè)線抽出塔板位置往下移，再沸器熱負(fù)荷呈現(xiàn)先下降后略微增加的趨勢，凈化水中NH3含量明顯增加，而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大。

3）在實(shí)際生產(chǎn)中，適當(dāng)加大熱冷進(jìn)料比例或提高熱進(jìn)料溫度，有利于降低再沸器熱負(fù)荷，從而降低裝置能耗，但須注意凈化水氨含量，使其達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。同時，側(cè)線抽出位置不宜過高，防止其與H2S反應(yīng)結(jié)鹽，堵塞管路。研究表明，側(cè)線抽出塔板位置為9時，再沸器熱負(fù)荷最低，而產(chǎn)品質(zhì)量又可達(dá)到要求。

［1］徐義明，王佳兵.AspenPlus軟件模擬及優(yōu)化酸性水汽提塔［J］.廣東化工，2012，39（1）：125-126.

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［4］王正，汪建華.青島煉化酸性水汽提裝置流程模擬與優(yōu)化［J］.中外能源，2011，16（1）：74-77.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2015.002.001

2014-09-02）

于型偉，工程師，2011年畢業(yè)于天津大學(xué)（化工學(xué)院），從事煉化節(jié)能節(jié)水管理及技術(shù)研究工作，E-mail：yuxingwei@petrochina. com.cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號，100083。