炼油厂酸性水汽提装置流程模拟及用能优化

于型伟　李宇龙　刘富余　刘维康（中国石油规划总院）

炼油厂酸性水汽提装置流程模拟及用能优化

于型伟李宇龙刘富余刘维康（中国石油规划总院）

酸性水汽提装置是炼油厂重要的环保装置，随着装置大型化与进口原料油硫含量的逐步升高，酸性水汽提装置能耗水平受到关注。利用ApenPlus软件对酸性水汽提装置进行了模拟，探讨了汽提塔热冷进料比例、热进料温度、侧线抽出位置对再沸器负荷和产品质量的影响。研究结果表明，适当提高热冷进料比例或热进料温度，有利于降低再沸器热负荷，从而降低装置能耗；汽提塔侧线位置不宜过高或过低，应有一个较优的抽出位置。在进行各参数优化调整时，应密切关注净化水中NH3含量，防止其超标。

炼油厂酸性水汽提流程模拟 用能优化

引言

近年来，随着汽柴油产品质量升级，大多数炼油厂均使用汽柴油加氢装置，随之也产生了大量酸性水。同时，其他炼油装置（如催化裂化、常减压等）在炼油加工过程中也会产生一定量的酸性水。这些酸性水通常含有较高浓度的H2S（5000～25000g/cm3）、NH3（5000～30000g/cm3）、CO2（1500g/cm3左右）等，排放前需脱除这些组分［1-2］。另外，国家颁布了《关于深入推进节水型企业建设工作的通知》（工信部联节［2012］431号），要求2015年底前炼油污水回用率达到50%以上、含硫污水汽提净化水回用率达到60%以上，多数炼油厂均加大了对酸性水的回用，回用前也需脱除H2S等组分。

酸性水汽提装置是炼油厂重要的环保装置，用于净化炼油加工过程中产生的酸性水，并回收其中的H2S和NH3。据文献［3］报道，对于国内某千万吨炼油厂，酸性水汽提装置所用蒸汽能耗约占整个炼油能耗的6.5%。因此，在保证各项指标满足要求的同时，对酸性水汽提装置实施用能优化具有重要的节能和环保意义。本研究以国内某炼油厂140t/h酸性水汽提装置标定数据为基础，运用流程模拟软件AspenPlus对酸性水汽提装置进行模拟计算，并结合装置工艺指标要求，提出了装置用能优化的改进措施。

1　模型建立

1.1装置流程简介

酸性水汽提装置采用目前国内较成熟的单塔加压侧线抽氨汽提工艺，即利用一座汽提塔来完成污水净化和分离H2S和NH3的任务。利用CO2（C）和H2S（S）的相对挥发度比NH3（A）高的特性，首先将原料酸性水中的CO2和H2S从汽提塔上部汽提出去，随即控制适宜的塔体温度，在塔中部形成A/（S+C）摩尔比大于10的液相及富氨气体，该气体抽出后，采用变温变压的三级冷凝，得到高纯度的氨气。

该工艺具有操作方便、净化水水质好、一次基建投资少、蒸汽单耗少等特点，近年来成为科研工作者用能优化研究的重点。装置模拟流程示意图见图1。

图1　酸性水汽提装置模拟流程

1.2模型基础环境设置

酸性水汽提塔中存在一个NH3-H2S-CO2-H2O四元弱电解质体系。由于酸性水汽提过程包含多种化学反应，使得液相中存在的真实组分不同于表观分子组分，其表观分子组分主要为NH3、H2S、CO2和H2O，而液相中存在的真实组分除上述外，还有H3O+、OH-、HS-、NH4+、HCO3-、CO32-等。由于液相热力学呈高度非理想型，须选择合适的热力学方法。本研究选用AspenPlus模拟软件中最通用的电解质物性方法ELECNRTL，该方法已被很多研究者采纳，并被证实可行［1，4-5］。反应方程式设置如图2所示。

图2　反应方程式设置

1.3模型基础数据

采用AspenPlus严格精馏模块RadFrac模块模拟该装置，其基础数据如表1所示。

表1　模型基础数据

1.4模型验证

利用AspenPlus建立装置流程模拟模型，经反复调试，模型收敛成功。模型计算结果与装置现场标定结果对比见表2，模拟结果与实际标定结果数据吻合较好，表明该模型的建立是合适的，且准确性较高，可利用其对汽提装置进一步分析及优化。

表2　模拟结果与实际标定结果比较

2　汽提装置用能分析及优化

分析装置现场标定数据，该装置能耗较大的是汽提塔底再沸器1.0MPa蒸汽用量，蒸汽能耗约占装置总能耗的94.1%。因此，在满足产品质量指标要求（净化水NH3含量小于或等于50mg/L，塔顶气H2S体积分数大于或等于50%）的前提下，做好汽提塔的节能优化，从而减少再沸器热负荷（即减少1.0MPa蒸汽用量），对于降低装置能耗具有重要意义。

2.1热冷进料比例

进料总量（123t/h）、进料组成、侧线抽出位置及其他参数均不变，改变汽提塔热冷进料比例，考察其对汽提塔再沸器热负荷及产品质量指标的影响，结果见表3。由表3可知，随着热冷进料比例的不断增大，再沸器热负荷呈现逐渐下降的趋势，但净化水中NH3含量呈现逐渐增大趋势，而塔顶气H2S含量及侧线气NH3含量变化不大。这一变化与文献［1］报道的研究结果相一致。

表3　热冷进料比例的影响

含硫污水是一种H2S、NH3、CO2等的多元水溶液，它们在水中以多种铵盐的形式存在，这些铵盐在水中水解后分别产生游离态的H2S、NH3、CO2分子，它们又分别与其中气相中的分子平衡，因而该系统是化学平衡、电离平衡和相平衡共存的复杂体系。由于水解是吸热反应，因而加热可促进水解作用使游离的H2S、NH3、CO2分子增加。再沸器（通入水蒸汽）起到加热和降低气相中的H2、NH3、CO2分子分压的双重作用，促使它们从液相进入气相，从而达到净化水质的目的。随着热冷进料的比例增加，进入汽提塔的热量增加，因此再沸器负荷会降低，使得蒸汽量下降，气相中分压作用减弱，加之NH3的溶解度比H2S大很多，因此净化水NH3含量逐渐增加。

2.2热进料温度

其他参数不变，改变汽提塔热进料的温度，考察其对汽提塔再沸器热负荷及产品质量指标的影响，结果见表4。由表4可知，随着热进料温度的不断升高，再沸器热负荷呈现逐渐下降的趋势，但净化水NH3含量却逐渐增大。当热进料温度增加到145℃时，净化水NH3含量突然增大，导致净化水产品质量不合格。而塔顶气H2S含量及侧线气NH3含量变化不大，这一总体变化趋势与提高热冷进料比例的变化相同。

表4　热进料温度的影响

2.3侧线抽出位置

其他参数不变，改变汽提塔侧线抽出塔板位置，考察其对汽提塔再沸器热负荷及产品质量指标的影响，结果见表5。由表5可知，随着侧线抽出塔板位置往下移，再沸器热负荷呈现先下降后略微增加的趋势，净化水NH3含量明显增加，而塔顶气H2S含量及侧线气NH3含量变化不大。当侧线抽出塔板位置为9时，再沸器热负荷达到最小。

表5　侧线抽出塔板位置的影响

3　结论

1）以国内某炼油厂140t/h酸性水汽提装置标定数据为基础，采用AspenPlus严格精馏模块和电解质物性方法ELECNRTL建立了该装置的流程模拟模型。从标定数据及模拟结果来看，模型精确度较高。

2）利用建立的模型研究了汽提塔热冷进料比例、热进料温度、侧线抽出位置对汽提塔再沸器热负荷及产品质量指标的影响。结果表明，随着热冷进料比例的增加，再沸器热负荷呈现下降的趋势，净化水NH3含量呈现增大趋势，而塔顶气H2S含量及侧线气NH3含量变化不大；提高热进料温度的总体变化趋势与提高热冷进料比例的变化趋势相同；随着侧线抽出塔板位置往下移，再沸器热负荷呈现先下降后略微增加的趋势，净化水中NH3含量明显增加，而塔顶气H2S含量及侧线气NH3含量变化不大。

3）在实际生产中，适当加大热冷进料比例或提高热进料温度，有利于降低再沸器热负荷，从而降低装置能耗，但须注意净化水氨含量，使其达到产品质量要求。同时，侧线抽出位置不宜过高，防止其与H2S反应结盐，堵塞管路。研究表明，侧线抽出塔板位置为9时，再沸器热负荷最低，而产品质量又可达到要求。

［1］徐义明，王佳兵.AspenPlus软件模拟及优化酸性水汽提塔［J］.广东化工，2012，39（1）：125-126.

［2］杨刚.炼油厂含硫污水汽提塔的模拟与优化［D］.天津：河北工业大学，2002.

［3］魏志强，吴升元，张冰剑，等.污水汽提双塔工艺流程模拟分析与用能改进［J］.石油炼制与化工，2012，43（4）：80-86.

［4］王正，汪建华.青岛炼化酸性水汽提装置流程模拟与优化［J］.中外能源，2011，16（1）：74-77.

［5］赵莹莹.ASPENPLUS在炼油厂含硫污水汽提过程中的应用［J］.炼油设计，1998，28（5）：48-51.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.002.001

2014-09-02）

于型伟，工程师，2011年毕业于天津大学（化工学院），从事炼化节能节水管理及技术研究工作，E-mail：yuxingwei@petrochina. com.cn，地址：北京市海淀区志新西路3号，100083。