劉世達(dá)，王海燕，任 龍

（1. 中國(guó)石油大學(xué)，北京102249； 2. 中國(guó)石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

Pro/II 軟件在酸性水單塔汽提裝置優(yōu)化操作中應(yīng)用

劉世達(dá)1，王海燕1，任 龍2

（1. 中國(guó)石油大學(xué)，北京102249； 2. 中國(guó)石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

流程模擬計(jì)算在設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)調(diào)整過程中所起作用越來越重要，由于流程模擬計(jì)算的介入，可以提高設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，也可以實(shí)現(xiàn)裝置的在線優(yōu)化操作。采用PRO II 流程模擬軟件對(duì)煉油廠酸性水單塔汽提裝置進(jìn)行模擬計(jì)算,通過建立模型、合理選擇動(dòng)力學(xué)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)擬合的較好，從而建立了計(jì)算模型。利用該模型考察了熱冷進(jìn)料比、側(cè)線抽出位置等因素對(duì)單塔汽提裝置操作的影響。該模型可以對(duì)操作工況進(jìn)行分析，提出操作參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，對(duì)酸性水汽提裝置設(shè)計(jì)及實(shí)際操作調(diào)整具有指導(dǎo)意義。

酸性水汽提；PROII軟件；流程模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)；優(yōu)化操作

在原油加工過程中，常減壓蒸餾、催化裂化及加氫裂化等工藝裝置都會(huì)產(chǎn)生酸性污水（含硫污水） 。酸性水中主要含有H2S 和NH3及CO2，在水中以(NH4)HS、（NH4）2S、（NH4）HCO3、（NH4）2CO3等形式存在。通常采用汽提法進(jìn)行預(yù)處理【1,2】。煉油廠普遍采用的汽提法主要有雙塔汽提工藝和單塔側(cè)線抽出工藝。兩種工藝各有優(yōu)勢(shì)，單塔汽提工藝能耗較低。在能耗越來越受到關(guān)注的時(shí)代，單塔汽提工藝也越來越受到關(guān)注，但該工藝在操作上仍由較大的優(yōu)化空間。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)v史記錄進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)的求解方法,既不穩(wěn)妥,也耗費(fèi)時(shí)間。利用化工模擬軟件對(duì)裝置進(jìn)行模擬,并以此來指導(dǎo)設(shè)計(jì)和生產(chǎn),進(jìn)行多方案對(duì)比,將更加省時(shí)和準(zhǔn)確,為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益【3】。PRO/ II 軟件是用數(shù)學(xué)模型描述和模擬整個(gè)工藝流程及其各單元,將全流程視為一個(gè)整體的綜合性計(jì)算過程,在化學(xué)、石油、天然氣,合成燃料工業(yè)方面可提供復(fù)雜、正確,可靠的模擬功能。

1 單塔汽提的工作原理

單塔汽提側(cè)線抽出工藝流程如圖1。原料水分冷進(jìn)料和熱進(jìn)料分別由塔的頂部和上部進(jìn)入汽提塔；硫化氫經(jīng)分離后由塔頂排出；高濃度氨蒸汽從塔中部側(cè)線抽出，經(jīng)逐級(jí)冷卻分凝后，分出純度約為95%的氨氣，經(jīng)脫硫化氫精制后進(jìn)入氨壓機(jī)制成副產(chǎn)品液氨；凈化水由塔底排出。塔底汽提蒸汽由再沸器或直接蒸汽提供。

單塔汽提工藝的魅力在種組分于用一個(gè)塔實(shí)現(xiàn)了三種組分（硫化氫和二氧化碳視為一個(gè)組分）的分離。在占地、投資以及運(yùn)行費(fèi)用上等都較雙塔汽提工藝相對(duì)少些。該工藝的特點(diǎn)及操作難度在于側(cè)線抽出部分。側(cè)線抽出量直接影響到側(cè)線氨濃度、凈化水質(zhì)量、蒸汽消耗以及塔的處理能力等。在保證凈化水水質(zhì)的情況下，蒸汽單耗一般為130～180 kg/t水（與原水濃度有關(guān)）。側(cè)線抽出富氨汽中氨濃度一般為10%～20%；經(jīng)三級(jí)分凝后可得到純度約95%以上的氨氣，但該氨氣中仍存在微量的硫化氫等雜質(zhì)， 經(jīng)過脫硫精制后，氨氣中的硫化氫含量小于2×10-6。此后的氨氣再經(jīng)過沉降罐除去機(jī)械雜質(zhì)后由氨壓縮機(jī)加壓液化即得到產(chǎn)品液氨。

圖1 酸性水單塔汽提原則流程圖Fig.1 Flow chart of sour water stripping process

2 ProII模型的建立及動(dòng)力學(xué)方法選擇

2.1 計(jì)算模型的建立

本模型立足于實(shí)際生產(chǎn)裝置。以某煉油廠單塔汽提的實(shí)際操作數(shù)據(jù)來建立模型，以此模型為基礎(chǔ)，改變操作條件，得出能耗低、凈化效果好的優(yōu)化操作參數(shù)。表1為某煉廠酸性水單塔汽提工藝條件，以此條件為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬計(jì)算，考察模擬與實(shí)際工況的擬合情況。

表1 某煉油廠酸性水單塔汽提工藝條件Table 1 The operation conditions for a sour water stripping tower

2.2 動(dòng)力學(xué)方法的建立

為使模型切合實(shí)際，我們對(duì)熱力學(xué)方法的選擇進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整，調(diào)整原則是符合實(shí)際工況。最后采用了不同區(qū)域采用了不同的熱力學(xué)方法，結(jié)果證明該熱力學(xué)方法是合理的。

塔頂填料部分由于硫化氫、水為主，熱力學(xué)方法采用對(duì)硫化氫的物性針對(duì)性較強(qiáng)的sour模型【4-7】；塔底以凈化水為主，硫化氫含量及氨含量非常小，其對(duì)物性的影響較小，且水、硫化氫、氨均屬極性物資，采用適合于該物系的VAN模型，側(cè)線抽出部分氨含量較高（10%~15%），明顯的特征是極性及溶解性較強(qiáng)，采用較適合該工況的UNIQAC模型。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況的對(duì)比數(shù)據(jù)見表2。由表2的數(shù)據(jù)可見模擬結(jié)果與實(shí)際工況擬合的較好。說明物性方法的選擇較合理。

表2 模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況對(duì)比情況Table 2 Comparison between simulation results and actual operation conditions

2.3 優(yōu)化計(jì)算

酸性水可以看成是由硫化氫和氨等組成的多元水溶液,是化學(xué)平衡、電離平衡和相平衡共存的復(fù)雜體系。汽提塔所處理物系具有以下特點(diǎn): 相平衡常數(shù)隨水溶液的易揮發(fā)組分的含量和其中弱堿與弱酸的分子比呈現(xiàn)復(fù)雜變化, 而且變化范圍大；弱電解質(zhì)的揮發(fā)性與水的揮發(fā)性差異極大。影響上述三個(gè)平衡的主要因素是溫度和摩爾比。從對(duì)塔的設(shè)計(jì)變量分析結(jié)果可知,塔的可調(diào)操作參數(shù)為熱冷進(jìn)料比、塔盤數(shù)、操作溫度、操作壓力、側(cè)線抽出位置、側(cè)線采出量等，塔盤數(shù)、操作溫度、壓力、側(cè)線抽出量等條件通過多年的實(shí)踐摸索基本上確定的，且在實(shí)際操作過程中不易調(diào)整，而冷熱進(jìn)料比、側(cè)線抽出位置與受原料水的濃度影響較大，且在操作中易于調(diào)整，因此著重模擬這兩個(gè)因素對(duì)運(yùn)行效果的影響。

2.3.1 冷熱進(jìn)料比對(duì)汽提效果及能耗的影響

冷熱進(jìn)料比對(duì)塔處理效果的影響：總的進(jìn)料量為80 000 kg/h ,原料的組成一定,塔頂?shù)牟沙鲆约皞?cè)線采出初始值相同,模擬計(jì)算得到的結(jié)果如圖2。

圖2 冷進(jìn)料比對(duì)汽提效果及能耗的影響Fig.2 Effect of hot-cold feed ratio on stripping and energy consumption

如圖2所示，在總進(jìn)料不變的情況下,冷熱配比對(duì)分離效果和能耗有相當(dāng)?shù)挠绊?。隨著冷熱進(jìn)料比的增加,富氨氣中氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和能耗同時(shí)增大;而酸性氣中硫化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大。冷熱進(jìn)料比低，能耗降低，但是富氨氣中氨氣的質(zhì)量分率也較低，隨之凈化水中氨含量會(huì)顯著上升。綜合考慮分離效果和能耗，冷進(jìn)料占總進(jìn)料的20%~30%較合理，可根據(jù)原料水的情況及產(chǎn)品質(zhì)量要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2.2.2 側(cè)線抽出位置對(duì)側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量的影響

通過模擬計(jì)算，在一定濃度條件下，以第5 塊板為熱進(jìn)料板,無側(cè)線采出時(shí),氨的高濃度出現(xiàn)在第9、10 和11 塊板處,在實(shí)際運(yùn)行過程中，這個(gè)抽出位置與原料濃度相關(guān)，所以實(shí)際裝置的側(cè)線抽出口都預(yù)留三個(gè)抽出口，以適應(yīng)原料濃度的變化。以表1中 數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表3 所示，綜合考慮能耗及側(cè)線產(chǎn)品中的硫化氫含量，第10塊板為側(cè)線抽出板為宜。

表3 側(cè)線采出位置對(duì)側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量和能耗的影響Table 3 Relation of side-line extraction position and energy consumption

3 優(yōu)化操作條件及模擬分離結(jié)果

操作條件：

冷進(jìn)料量（kg·h-1）：20 000

熱進(jìn)料量（kg·h-1）：60 000

理論塔板數(shù)：16

側(cè)線采出量（kg·h-1）：4 500

模擬計(jì)算結(jié)果見表4。

表4模擬汽提結(jié)果Table 4 stripping simulation results

4 結(jié) 論

（1）采用PROII模擬計(jì)算煉油廠酸性水單塔汽提處理工藝是可行的，通過選擇合適的動(dòng)力學(xué)方程，可以較好的擬合汽提塔的操作工況，使模擬計(jì)算接近實(shí)際情況，可以得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果,以所得到的數(shù)據(jù)模擬生產(chǎn)過程,也可以進(jìn)行單體設(shè)備的設(shè)計(jì)和核算,進(jìn)而可以發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。 應(yīng)用PRO II 建立酸性水汽提穩(wěn)態(tài)模擬模型也已成功地應(yīng)用于酸性水汽提裝置操作工況分析及“瓶頸”診斷,為生產(chǎn)車間提供開工試運(yùn)行時(shí)的操作條件以及為消除“瓶頸”改造提供了可靠的依據(jù)。

（2）降低冷熱進(jìn)料比可以減低蒸汽能耗,但也降低了側(cè)線氨及凈化水的產(chǎn)品質(zhì)量， 比較合適的冷熱進(jìn)料比為0.2~0.3。

（3） 通過分析每塊塔盤上汽相中氨和硫化氫的關(guān)系圖, 在一定條件下，原料水中硫化氫與氨的摩爾比接近1時(shí)，側(cè)線采出位置應(yīng)在第10塊理論板為宜。

［1］曹忠民.含硫污水汽提裝置的改造[J]．石油化工環(huán)境保護(hù),2000，22（3）．14-17.

［2］趙立宏.酸性水汽提裝置改造與探討[J].石油化工化境保護(hù)，1998，(1)． 26-32.

［3］賈鵬林.中國(guó)石化流程模擬技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].中外能源,2011(10),16(1):1-4.

［4］劉璐,等.過程模擬軟件在酸性水單塔汽提工藝中的應(yīng)用[J].安全健康和環(huán)境，2008，8（10）.

［5］李章平，張秋榮.aspen 軟件在含硫污水汽提工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].化工環(huán)保，2004,24（增刊），81-83.

［6］張?jiān)粕?等.酸性水汽提裝置單塔側(cè)線抽氨工藝運(yùn)行研究[J].山東化工，2008，37(9)．

［7］李嵐．煉油廠酸性水除硫脫氨技術(shù)[J]..精細(xì)石油化工進(jìn)展，2010，26(1)．41-45.

Application of ProII Software in Optimization of Sour Water Stripping Process

LIU Shi-da1，WANGHai-yan1，REN Long2
（1. China University of Petroleum, Beijing,102249，China; 2. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001, China）

The process simulation calculation is becoming more and more important for designing and adjusting actual operating parameters. The utilization of process simulation calculation can improve speed and accuracy of the design and realize online optimization of actual operating parameters. In this article, ProII software was used to simulate a sour water stripping process, and the model was established by choosing proper kinetic parameters, and the results were similar with actual operating data. Effect of ratio of hot feed and cold feed, extraction position of side-line on the sour water stripping process was investigated by this model. The model can analyze and adjust the operation conditions, thus it has guiding significance for design and actual operation adjustment of sour water stripping process.

Sour water stripping; ProII software; Process simulation; Design optimization; Operation optimization

TQ 018

A

1671-0460（2012）08-0844-03

2012-07-08

劉世達(dá)（1987-），男，2010年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，目前就讀于中國(guó)石油大學(xué)化工工程專業(yè)，化學(xué)工程碩士。E-mail：shidaliu@sina.cn。