基于Aspen Plus的酸性水汽提装置模拟优化*

贾金锋，隗小山，曾伟，薛金召，廖有贵

(湖南石油化工职业技术学院，湖南岳阳 414000)

石化装置所产生的酸性水是一种含有H2S、NH3和CO2等挥发性弱电解质的水溶液，同时含有酚、氰化物和油等污染物，直接排放会对环境造成较大的危害。因此，酸性水必须经过处理后，使水中的污染物含量达到一定标准后才可以排出。国内酸性水处理大多采用蒸汽汽提法，该工艺称为酸性水汽提。

某炼油厂酸性水汽提装置设计公称规模100 t/h，实际处理量为60.6 t/h，设计年开工时间为8 400 h，采用单塔加压带侧线抽出技术，将酸性水中的硫化氢从塔顶抽出后自压至二部硫磺回收装置处理，富氨气体从侧线抽出，经三级分凝后得到较纯净的气氨进入氨精制，合格的净化水回用至上游各装置。所加工的进料来自催化、延迟焦化、汽柴油加氢装置和火炬的酸性水。为降低装置能耗，笔者利用 Aspen Plus 流程模拟软件对酸性水汽提装置进行流程模拟计算，并考察了冷热进料比、侧线采出量、侧线采出位置、一级凝液罐温度和热进料温度对酸性水汽提装置操作的影响。

1 模型建立

1.1 模拟工艺流程

应用Aspen Plus软件自带的流程图绘制功能，采用 Rad Frca 严格计算模块，选用专用于电解质系统的ELECNRTL物性方法，应用电解质向导自动生成电解质组分，选取数据库中的Henry常数表征H2S、NH3在水中的溶解度(数据库中自带有H2S和NH3在水中的电离平衡常数)，建立汽提塔的稳态模型[1-3]。

1.2 模拟物性方法的选择

Aspen Plus 软件中模拟流程的具体物性方法可在Properties-Methods一栏选择，基于活度系数模型的ELECNRTL是最通用的电解质物性方法，能处理浓度范围较广的电解质溶液[4]。ELECNRTL物性方法主要采用NRTL电解质模型计算吉布斯能、焓和活度系数等液相参数，采用Redlich-Kwong状态方程计算熵、密度、焓和吉布斯能等气相参数，而且特别适用于从低压到中压范围且气相非理想程度较低的系统[5-6]。因此，选择ELECNRTL方法。

1.3 选用模块可行性验证

以酸性水汽提装置汽提塔2020年10月9日12∶00的标定数据为基础，对汽提塔进行严格模拟计算，模拟值与标定数据对比见表1。

由表1可见：模拟计算中净化水的硫化氢含量大大低于实际值，分析其原因，可能为实际装置净化水中的硫并不是以H2S的形式存在，通过汽提作用无法除去；模拟计算结果中净化水氨含量与标定数据吻合程度较高，酸性水汽提塔顶温度模拟值与实际值相差仅0.21 ℃，蒸汽流量模拟值与实际值相差仅0.119 t/h，说明该模型较为准确，能够反映装置实际生产运行状况。

表1 污水汽提塔参数对比

2 降低能耗的模拟计算

针对汽提塔的蒸汽能耗控制，在保证塔顶酸性气和塔底净化水产品质量的前提下，对关键控制参数(冷热进料比、热进料温度、侧线抽出量、侧采位置、侧线一级凝液罐温度等)进行综合分析，来确定其对汽提塔各参数及产品质量的具体影响。

2.1 冷热进料比

在模拟过程中控制侧线抽出量、塔顶酸性气量不变，分析冷热进料比对净化水氨含量、净化水硫含量、汽提塔蒸汽耗量及塔顶温度的影响，结果见表2。

由表2可见：总处理量在60.42 t/h，随装置冷热进料比的提高，净化水氨含量、硫含量逐渐降低，汽提蒸汽量逐渐增加。净化水氨指标为不大于120 mg/L，硫指标为不大于30 mg/L，而实际装置净化水氨质量浓度为65 mg/L，硫质量浓度为6.3 mg/L，因此可适当降低冷热进料比，对净化水进行卡边操作并保证塔顶温度不超指标，考虑综合能耗，将冷热进料比例降至0.11，控制净化水氨质量浓度在100 mg/L以下，可节省汽提蒸汽0.5 t/h。

表2 冷热进料比影响分析

2.2 侧线采出量

在模拟过程中通过控制冷热进料、酸性气抽出量不变，分析侧线抽出量对净化水质量、汽提蒸汽量和塔顶温度的影响，结果见表3。

表3 侧线采出量的影响分析

由表3可见：在控制冷热进料比、酸性气采出量不变的情况下，随侧线采出量增大净化水中氨和硫化氢会降低而汽提蒸汽用量会增大，实际装置侧采量为9.243 t/h，将侧线采出量适当降低至8.8 t/h进行卡边操作并保证塔顶温度不超指标，可节省蒸汽0.4 t/h。

2.3 侧线采出位置

污水汽提塔的侧采位置有3个，分别为20#、22#、24#层抽出口，在模拟过程中通过控制酸性气量、侧线采出量、冷热进料比不变，分析侧采采出位置对汽提蒸汽量的影响，结果见表4。

表4 侧采位置的影响分析

由表4可见：侧线抽出口下移，能耗稍有降低，净化水中氨含量升高较多，在当前工况下，24#抽出位置净化水氨含量最低，通过调节其他参数节汽的余地也最大，因此当前侧线采出位置24层抽出口为最佳抽出口，无需调整。

2.4 一级凝液罐温度

在模拟过程中，通过侧线抽出量控制净化水氨含量不变(净化水硫含量也会基本不变)，控制塔顶酸性气抽出量不变，分析一级凝液罐温度(一级凝液罐压力保持不变)对汽提蒸汽量、塔顶温度、侧线抽出量、气氨纯度的影响，结果见表5。

表5 一级凝液罐温度的影响分析

由表5可见：一级凝液罐温度过低，会增加汽提蒸汽消耗，但影响较小。当前工况下，一级凝液罐温度为127.7 ℃ ，可适当提高。

2.5 热进料温度

在模拟过程中，控制侧线及塔顶抽出、冷热进料比不变，研究热进料温度对产品质量及能耗的影响，结果见表6。

表6 热进料温度的影响分析

由表6可见：随着热进料温度的提高，净化水中氨和硫化氢的含量会相应升高，但均未超过指标，此时塔底所用蒸汽会减少。因此，将热进料温度提高到150 ℃，可节约蒸汽0.5 t/h。

2.6 综合优化结果

根据优化模拟结果，对操作参数进行综合调整优化，优化前后对比见表7。

表7 优化前后数据对比

由表7可见：在保证塔顶含氨酸性气和塔底净化水产品质量的前提下，对汽提塔关键控制参数(冷热进料比、侧线采出量、侧线采出位置、一级凝液罐温度、热进料温度等)进行调整组合，有效降低了装置的能耗。在优化后的模拟工作状况下，可以节约蒸汽1.026 t/h。

3 实际装置应用优化参数

根据Aspen Plus软件模拟优化数据，2020年11月9日调整了酸性水汽提装置参数，调整前后的能耗对比见表8。

表8 酸性水汽提装置参数调整前后的能耗对比情况

由表8可见：采用模型优化数据进行装置参数调整后，蒸汽单耗有明显下降，从基准工况的228.94 kg/t下降到平均215.28 kg/t，显著降低了装置的能耗。

根据模型优化方案，在日常生产中采用优化汽提塔可节约蒸汽为1.026 t/h，按蒸汽价格138元/t计算，全年(按8 400 h计算)收益为1.026×8 400×138＝118.9 万元。

4 结论

1)利用Aspen Plus 软件中的 Rad Frca 严格计算模块和 ELECNRTL 物性方法对酸水汽提装置进行模拟，模拟结果与实际操作基本一致。

2)在冷热进料比为1.1，侧线采出量为8.8 t/h、侧线采出位置不变，一级凝液罐温度为129.2 ℃，热进料温度为150 ℃的优化条件下，模拟计算结果表明可节约蒸汽1.026 t/h。优化参数应用于实际装置后，蒸汽单耗显著降低，从基准工况的228.94 kg/t下降到平均215.28 kg/t，据此计算，全年可增加效益118.9万元。