酸性水汽提塔工艺模拟及优化

李书珍， 李小庆, 王哲慧， 周 迪， 刘 倩， 王 磊

(1. 上海应用技术大学 化学与环境工程学院， 上海 201418； 2. 常州大学 材料科学与工程学院， 江苏 常州 213164)

酸性水汽提塔是硫磺回收装置中重要的废水处理设备，主要处理石油炼制过程中产生的酸性水，并回收NH3和H2S[1-2]。国内各炼油厂、科研单位以及设计单位对提高和改善酸水汽提技术开展了大量的研究工作，改进了酸性水汽提塔的操作和设计，在操作、计算、理论以及工程设计等方面取得一定的成果，开发了多种酸性水汽提工艺[3-4]。目前，国内酸性水汽提技术有：单塔常压、单塔加压、双塔高低压及双塔加压4种酸性水汽提工艺[5-9]。洛阳石油化工工程公司开发的单塔加压汽提工艺是为了清除污水中的NH3和H2S等成分，回收副产品，达到循环用水并减少污染物排放。此工艺利用NH3-CO2-H2S-H2O弱电解质物质的相平衡特点，酸性气体从塔顶流出，侧线抽出富氨气体，塔底得到H2O。与双塔汽提技术相比，单塔加压工艺具有设备投资低、流程简单、能耗低以及操作稳定等优点广泛应用[10-14]。山东某炼油厂由于处理能力的提高，使得原酸水汽提单元工艺指标中净化水不能满足NH3≤150 mg·kg-1， H2S≤50 mg·kg-1。本论文运用Aspen plus过程模拟软件，采用电解质活度系数模型ELECNRTL模型，对单塔加压汽提工艺进行模拟计算，通过对模拟结果进行分析，确定了汽提塔适宜的操作条件。

1 酸水汽提塔模拟流程

单塔加压工艺，如图1所示。冷酸性水原料从顶部进入汽提塔，热酸性水原料从中上部进入汽提塔，塔底采用重沸器加热，塔顶采出富含H2S酸性气，NH3从侧线抽出，表1所示为汽提塔的模拟基础数据。其中，冷、热进料百分比分别为：NH3(2%)，H2S(1.8%),CO2(0.12%),H2O(96.08%)。

图1 酸水汽提塔模拟Fig.1 Simulation of acid water stripping tower

2 结果与分析

为了研究酸水汽提塔出口净化水的质量的影响因素，采用Aspen plus软件的RadFrac模型模拟酸水汽提塔汽提过程。由于加氢酸性水属于电解质体系，因此物性方法采用ELECNTRTL, 模型收敛，模拟结果与实际结果进行比较，如表2所示。由表2数据可见，模拟计算数据与实际数据基本相符，说明建立的模型恰当。酸水汽提部分净化水中氨含量为 1 400 mg·kg-1>150 mg·kg-1，远远超过了工艺指标中净化水中氨含量。上游加氢装置排放的酸性污水氨含量大幅增加，导致酸水汽提单元排放净化水氨含量超标，为了控制净化水的质量，现对影响汽提效果的有关因素进行模拟分析，并对净化水氨超标现象提出优化的工艺参数。

表2酸水汽提模拟计算与实际情况的比较

Tab.2Comparisonsbetweensimulatedcalculationandactualsituationofacidwaterstripping

项目模拟计算数据实际工业数据塔顶酸性气体侧线料净化水温度/℃40.842流量/(kg·h-1)400380w(H2S)/%88.889w(NH3)/%14.71.5w(H2O)/%15.31.4w(CO2)/%9.08.8温度/℃148144流量/(kg·h-1)1 4801 500w(NH3)/%25.826流量/(kg·h-1)1 4001 414w(H2S)/%痕量痕量

加氢酸性污水是包含各种离子、分子的多元水溶液，其溶液中存在相平衡、电离平衡和化学平衡，影响平衡的因素有很多，为了方便操作参数的改进，现仅对汽提塔的塔顶采出量、热进料进塔温度、侧线采出量以及热冷进料比进行优化。

2.1 热冷进料比对净化水氨含量的影响

酸性水总进量为 20 000 kg·h-1，其热进量与冷进量比值对净化水氨含量的影响，如图2所示。

图2 热冷进料比对净化水氨含量的影响Fig.2 Effect of hot and cold feed ratio on ammonia content in purified water

随着热冷进料比值的增大，酸性气中H2S的含量基本保持不变，侧线氨含量略有降低，但净化水中氨含量从开始的109 mg·kg-1逐渐增加到 3 400 mg·kg-1。冷进料影响着酸水汽提塔塔顶抽出气体中氨的含量；冷进料的量也影响着侧线氨的质量。在酸性水总进量不变的情况下，增加热冷进料比值相应的减少了冷进料量，导致塔顶抽出氨的量相应减少，从而导致了净化水中氨的含量增加。当热冷进料比值为 1.8～2.0，其净化水中氨含量满足工艺排放要求，当工业生产中发现净化水中氨含量超标时，可以适当降低热冷进料比值也就是增加冷进料的量，从而减少净化水中含氨量。当处理酸性污水的总量不变时，热冷进料比在 1.8～2.0 之间时，其净化水中氨的含量<150 mg·kg-1，满足排放要求。考虑到重沸器能耗以及净化水中质量因素，建议实际操作中热进料流量为 13 104 kg·h-1，冷进料流量为 6 896 kg·h-1。

2.2 塔顶采出量对净化水氨含量的影响

当热进料的流量为 13 104 kg·h-1,冷进料的流量为 6 896 kg·h-1时，侧线抽出位置不变，其侧线抽出量也不变，考察了塔顶采出量与净化水氨含量的关系，如图3所示。

图3 塔顶采出量对净化水氨含量的影响Fig.3 Effect of top production quantity on ammonia content in purified water

由图3可见，随着塔顶气体采出量的增加，塔顶采出酸性气体中w(H2S)逐渐减小，侧线抽出气体中w(NH3)也逐渐降低，其净化水氨含量也相应减少。当塔顶采出气体量增加，其相应的会带出一些NH3, 然而系统中氨的总质量不变，这样导致了侧线抽出气体中的氨含量以及净化水中氨含量都降低。因此，当出现净化水中氨含量超标的现象时，在保持汽提塔其他操作参数不变的情况下，可以通过适当的增加塔顶采出量，来达到减少净化水中氨的含量的目的，提高净化水的质量。当塔顶采出气体量为650 kg·h-1时，净化水中NH3的含量最低为 12 kg·h-1，但塔顶w(H2S)仅为 55.3%。实际操作中选定塔顶的采出量为400 kg·h-1，此时塔顶采出酸性气体中w(H2S)为 89.9%，其净化水中氨含量为144 mg，满足工艺排放要求。

2.3 侧线抽出量对净化水氨含量的影响

当热进料的流量为 13 104 kg·h-1, 冷进料的流量为 6 896 kg·h-1，塔顶采出气体量为400 kg·h-1，汽提塔其他操作参数不变，只改变侧线采出量，通过Aspen plus软件模拟分析，得出侧线抽出量对净化水氨含量的影响，如图4所示。

图4 侧线抽出量对净化水氨含量的影响Fig.4 Effect of siding production quantity on ammonia content in purified water

由图4可以看出，净化水氨含量和侧线抽出气体NH3的含量随着侧线抽出量的增加而降低，而塔顶硫化氢含量变化不大。因此当净化水氨含量超标时，可以采取增加侧线气体采出量，降低净化水的氨含量。当侧线抽出量为 1 000 kg·h-1时，侧线抽出气体中w(NH3)高达 29.1%，但此时的净化水中氨含量为 5 422 mg/kg，远远超过了排放要求；当侧线抽出量为 1 600 kg·h-1时，此时净化水中氨的含量为64 mg/kg，其塔顶w(H2S)为90%，侧线w(NH3) 为 24.4%。侧线采出量在一定范围内对塔顶硫化氢含量影响不大，实际酸水汽提塔侧线抽出量操作参数取值为 1 600 kg·h-1。

2.4 热进料进塔温度对净化水氨含量的影响

当热进料的流量为 13 104 kg·h-1,冷进料的流量为 6 896 kg·h-1，塔顶采出气体量400 kg·h-1，侧线抽出量为 1 600 kg·h-1，酸水汽提塔其他操作参数不变，仅改变热进料进塔温度，分析热进料进塔温度对净化水氨含量的影响，计算结果如图5所示。

图5 热进料温度对净化水氨含量的影响Fig.5 Effect of temperature of hot feed on ammonia content in purified water

由图5中可见，随着热进料温度的提高，塔顶采出气体中w(H2S)基本不变，侧线抽出气体中w(NH3) 也基本无变化，但净化水氨含量逐渐增大。因此当净化水中氨含量超标时，可以适当降低热进料温度来控制净化水的质量，过度降低热进料温度会加大再沸器能耗，影响设备性能。当热进料温度为150 ℃时，塔顶w(H2S)为90%，侧线w(NH3)为 24.4%，净化水中氨的含量为132 mg·kg-1。实际酸水汽提塔热进量温度操作参数取值为150 ℃。

2.5 优化计算

通过模拟计算，酸水汽提塔优化操作参数，如表3所示。

表3 优化后的酸水汽提塔操作参数

采用以上参数进行模拟，优化后的模拟结果如表4所示。从表4可以看出，酸水汽提塔操作参数经过优化后，汽提塔塔顶流出气体中w(H2S)为90%，塔底净化水氨含量为132 mg·kg-1，满足工艺排放要求。

表4 优化操作参数下的模拟结果

3 结 语

(1) 生产过程中酸水汽提装置净化水氨含量超标时，可以通过减少热冷进料比，增加塔顶采出量，降低热进料温度和增加侧线采出量，降低净化水氨含量。

(2) 当酸水汽提塔热冷进料比为 1.9∶1时，热进料温度为150 ℃，塔顶采出量为400 kg·h-1, 侧线抽出量为 1 600 kg·h-1, 塔顶酸性气中w(H2S)为90%，侧线气体w(NH3)为 24.4%，净化水中氨含量为132 mg·kg-1，满足净化水排放标准。