Aspen Plus模擬計(jì)算側(cè)線采出量在酸性水汽提裝置中對(duì)能耗的影響*

賈金鋒，曹法凱，隗小山，劉文虎，佟鳳宇，趙 克，薛金召

(湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414012)

酸性水是一種多元水溶液，主要含有氨氣、硫化氫和二氧化碳等揮發(fā)性組分，同時(shí)含有氰化物、酚和油等污染物，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理，使水中的污染物含量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后才可以排出，否則會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的危害。這些溶質(zhì)在酸性水中主要以碳酸氫銨、碳酸銨、硫化氫銨等銨鹽的形式存在，這些弱酸弱堿鹽在水中溶解后會(huì)分別產(chǎn)生游離態(tài)氨、硫化氫和二氧化碳分子，而這些又將分別與其氣相中的分子呈動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，因此是一個(gè)化學(xué)平衡體系。所以通過(guò)汽提的方式可以起到加熱并降低氣相中的氨氣、硫化氫和二氧化碳分壓的雙重作用，進(jìn)而促進(jìn)酸性水中的氨氣、硫化氫和二氧化碳從液相進(jìn)入氣相，最終實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的汽提凈化[1-3]。

我國(guó)酸性水處理大多數(shù)采用蒸汽汽提法，稱(chēng)酸性水汽提。某煉油廠酸性水汽提裝置，采用單塔加壓帶側(cè)線抽出技術(shù)，設(shè)計(jì)公稱(chēng)規(guī)模一百?lài)嵜啃r(shí)，實(shí)際處理量為60.44 t/h，設(shè)計(jì)年開(kāi)工時(shí)間為8400 h，將酸性水中的硫化氫從塔頂抽出后自壓至二部的硫磺回收處理裝置，從側(cè)線抽出富氨氣體，經(jīng)三級(jí)分凝后得到較純凈的氣氨，而后進(jìn)入氨精制，合格的凈化水回流至上游各裝置循環(huán)使用。為降低酸性水汽提裝置的能耗，本文利用 Aspen Plus 流程模擬軟件中對(duì)酸性水汽提裝置進(jìn)行流程模擬計(jì)算，研究了側(cè)線采出量對(duì)酸性水汽提裝置操作的影響。

1 建立模型

1.1 模擬工藝流程

本模擬工藝流程采用嚴(yán)格計(jì)算模塊Rad Frca，選用專(zhuān)用于電解質(zhì)系統(tǒng)的ELECNRTL物性方法，應(yīng)用電解質(zhì)向?qū)ё詣?dòng)生成電解質(zhì)組分，選取數(shù)據(jù)庫(kù)中的Henry常數(shù)表征硫化氫、氨在水中的溶解度(數(shù)據(jù)庫(kù)中自帶有硫化氫和氨在水中的電離平衡常數(shù))，應(yīng)用Aspen Plus自帶的流程圖繪制功能，繪制并建立汽提塔的穩(wěn)態(tài)模型[4-5]。具體模擬流程如圖 1所示。

圖1 酸性水汽提裝置模型流程Fig.1 Acidic water stripping device model process

1.2 模擬物性方法的選擇

Aspen Plus軟件中模擬流程的具體物性方法可在 Properties-Methods 一欄中選擇， ELECNRTL是模擬流程中最通用的基于活度系數(shù)模型的電解質(zhì)物性方法，處理的電解質(zhì)溶液濃度范圍較廣[6]。ELECNRTL物性方法主要采用 Redlich-Kwong 狀態(tài)方程計(jì)算熵、密度、焓和吉布斯能等氣相參數(shù)，采用 NRTL 電解質(zhì)模型計(jì)算吉布斯能、焓和活度系數(shù)等液相參數(shù)，特別適用于氣相非理想程度較低的低壓到中壓范圍的系統(tǒng)[7]。因此，選擇 ELECNRTL 方法。

1.3 選用模塊可行性驗(yàn)證

表1 酸性水汽提塔模型參數(shù)與操作參數(shù)對(duì)比

以酸性水汽提塔2021年7月9日24:00的標(biāo)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)酸性水汽提塔進(jìn)行嚴(yán)格模擬計(jì)算，模擬值與基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，凈化水中硫化氫含量比實(shí)際低很多，經(jīng)分析判斷，可能為實(shí)際裝置凈化水中的硫并不是以硫化氫的形式存在，通過(guò)汽提方式無(wú)法除去；模擬計(jì)算結(jié)果中凈化水中氨含量與基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)吻合程度較高，蒸汽流量模擬值與實(shí)際值僅相差0.119 t/h，酸性水汽提塔頂溫度模擬值與實(shí)際值僅相差0.21 ℃，說(shuō)明模型較為準(zhǔn)確，能夠反映裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況。

2 側(cè)線采出量對(duì)汽提裝置能耗的影響

針對(duì)酸性水汽提塔的蒸汽能耗控制，在保證塔頂酸性氣體和塔底凈化水產(chǎn)品質(zhì)量不降低的前提下，對(duì)關(guān)鍵控制參數(shù)側(cè)線采出量進(jìn)行綜合分析，以確定側(cè)線采出量對(duì)酸性水汽提塔各個(gè)參數(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量的具體影響。

工藝流程模型中通過(guò)控制冷熱進(jìn)料比、側(cè)采位置、側(cè)線一級(jí)分凝溫度和酸性氣抽出量不變，分析側(cè)線抽出量對(duì)凈化水質(zhì)量、汽提蒸汽量和塔頂溫度的影響，結(jié)果見(jiàn)表2和圖2。

表2 側(cè)線采出量的影響分析

圖2 側(cè)線采出量的影響分析Fig.2 Influence analysis of side line recovery

由表2和圖2可知，在控制冷熱進(jìn)料比、側(cè)采位置、側(cè)線一級(jí)分凝溫度和酸性氣抽出量不變、總處理量為60.44 t/h情況下，隨著側(cè)線采出量的增大，凈化水中氨和硫化氫含量會(huì)逐漸降低，但汽提蒸汽用量則會(huì)逐漸增大。凈化水氨含量指標(biāo)為≯120 mg/L，硫含量指標(biāo)為≯30 mg/L，而當(dāng)前凈化水氨含量為65 mg/L，硫含量為6.3 mg/L，因此可適當(dāng)降低側(cè)線采出量?？紤]裝置綜合能耗，對(duì)凈化水進(jìn)行卡邊操作并保證塔頂溫度不超指標(biāo)，酸性水汽提裝置側(cè)線采量從實(shí)際操作的9.243 t/h適當(dāng)降低至8.8 t/h，約可節(jié)省蒸汽0.4 t/h。

根據(jù)模型優(yōu)化方案, 在日常生產(chǎn)中采用優(yōu)化汽提塔可節(jié)約蒸汽為0.4 t/h，按138元/噸計(jì)算，全年 (按8400 h計(jì)算)節(jié)約成本為:0.4×8400×138=46.368 (萬(wàn)元)。

3 結(jié) 論

(1)利用Aspen Plus 軟件中的 Rad Frca 嚴(yán)格計(jì)算模塊和 ELECNRTL 物性方法對(duì)酸水汽提裝置進(jìn)行模擬，模擬計(jì)算結(jié)果中凈化水中氨含量與基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)吻合程度較高，蒸汽流量模擬值與實(shí)際值僅相差0.119 t/h，酸性水汽提塔頂溫度模擬值與實(shí)際值僅相差0.21 ℃，說(shuō)明模型較為準(zhǔn)確，能夠反映裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況;

(2)考慮裝置綜合能耗，對(duì)凈化水進(jìn)行卡邊操作并保證塔頂溫度不超指標(biāo)，酸性水汽提裝置側(cè)線采量從實(shí)際操作的9.243 t/h適當(dāng)降低至8.8 t/h，約可節(jié)省蒸汽0.4 t/h，全年(按8400 h計(jì)算)節(jié)約成本46.368萬(wàn)元。