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(guó)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(duì)于只含有H2S的油田酸水用水蒸氣汽提法更易實(shí)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(wú)其它氣體。汽提法除H2S就是將酸水加熱至沸點(diǎn)，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(dá)到油田注水或排污標(biāo)準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和工藝模塊建立

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

Hysys在石油石化煉油工程設(shè)計(jì)計(jì)算分析中具有完備的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可建立有針對(duì)性的單元操作模型，對(duì)其中的工藝過(guò)程進(jìn)行求解計(jì)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(jì)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(jiǎn)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(jìn)料，塔底用1MPa的蒸汽加熱汽提，這使酸性水中原來(lái)存在的H2S的氣液相平衡發(fā)生移動(dòng)，H2S逸出到蒸汽中，達(dá)到脫H2S的目的；富含H2S的蒸汽經(jīng)過(guò)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(duì)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(lái)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(shì)，而凈化水中硫化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和預(yù)熱器的面積卻呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)?，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?jǐn)?shù)增大，脫除效果變差。而此過(guò)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(diǎn)。

3.2 塔頂壓力對(duì)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(dāng)塔頂壓力增大時(shí)，消耗的蒸汽量會(huì)增加，需要的換熱面積會(huì)相應(yīng)越小，同時(shí)脫H2S的效果變差。這主要是因?yàn)?，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(dāng)進(jìn)料狀況不變的情況下，消耗蒸汽量會(huì)相應(yīng)增加。而且從增加趨勢(shì)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?jǐn)?shù)會(huì)相應(yīng)增加。因此塔頂壓力的升高不利于整個(gè)工藝過(guò)程，建議選用常壓脫除。

3.3 回流比對(duì)蒸汽耗量、凈化效果的影響

回流比變化對(duì)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(lái)的影響。為了便于對(duì)比分析，上圖中將橫坐標(biāo)調(diào)整為回流比的對(duì)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(duì)數(shù)的增大，消耗的蒸汽呈緩慢上升趨勢(shì)，而當(dāng)回流比對(duì)數(shù)增大到1時(shí)，蒸汽耗量增大趨勢(shì)顯著增加。同時(shí)，隨著回流比對(duì)數(shù)的增大，硫化氫的脫除效果呈顯著下降趨勢(shì)，但當(dāng)回流比降到10時(shí)，凈化水中H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降不再明顯。由上述兩點(diǎn)分析，當(dāng)回流比增大到10左右時(shí)，蒸汽消耗增大明顯，卻對(duì)H2S效果沒(méi)有明顯改變，此時(shí)可以作為此工藝的操作回流比。

3.4 回流溫度對(duì)蒸汽耗量、凈化效果、酸性氣量的影響

回流溫度變化對(duì)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(lái)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?yàn)閺乃敾亓鞴蘖鞒龅乃釟獾馁|(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(guò)程，因此回流溫度增大可以減少凈化水中H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從圖5中可以得知，當(dāng)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(shì)會(huì)顯著變大，因此80℃左右可選定為工藝回流溫度的設(shè)計(jì)點(diǎn)。

4 結(jié)論和展望

本文針對(duì)油田含H2S酸水處理問(wèn)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(jiǎn)單、脫除效果好、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。借助Hysys模擬平臺(tái)，建立了蒸汽汽提脫除H2S的工藝流程。通過(guò)對(duì)酸水進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)；(2)塔頂壓力的升高不利于整個(gè)工藝過(guò)程，建議選用常壓脫除；(3)當(dāng)回流比增大到10左右時(shí)，蒸汽消耗增大明顯，卻對(duì)H2S效果沒(méi)有明顯改變，此時(shí)可以作為此工藝的操作回流比；(4)當(dāng)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(shì)會(huì)顯著變大，因此80℃左右可選定為工藝回流溫度的設(shè)計(jì)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)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(shí)，相關(guān)工藝參數(shù)的合理操作范圍。為以后的工藝設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了必要的理論指導(dǎo)。