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AspenPlus软件模拟及优化酸性水汽提塔


2012 , 22 ( 1 )

王佳兵等

Aspen Plus 软件模拟及优化酸性水汽提塔

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Aspen Plus 软件模拟及优化酸性水汽提塔
王佳兵* 摘要 关键词 徐义明 中国建筑南京医药化工设计研究院有限公司 南京 210005

利用 Aspen Pl

us 软件对酸性水汽提塔进行模拟 ,在侧线采出位置、热冷进料配比、热进料温度及进 酸性水 汽提塔 模拟 优化

料氨浓度等四个方面对汽提塔进行分析及优化 ,确定该塔操作的最佳条件及注意要点 。

炼 油 加 工 过 程 中, 会 伴 随 产 生 一 些 酸 性 水, 如重油催化裂化装置的分馏塔顶冷凝水 、 常减压 装置的减顶酸性水、 重整加氢装置的分馏塔酸性 水、焦化装置的富气洗涤水以及加氢裂化装置的 酸性水等。 这些酸性水中都含有浓度较高的硫化 氢和氨,如不脱除就会污染环境。 酸性水汽提塔是炼油厂主要的含硫含氨水处 理设备。随着环保要求的提高, 如何优化酸性水 汽提塔,使各项指标满足要求的同时, 降低投资 及操作费用显得尤为重要。 Aspen plus 作 为 业 内 公 认 的 大 型 流 程 模 拟 软 件,具有完善的数据库和集成能力, 其算法更是 独树一帜,在处理极性较强的体系中, 优势尤为 突出。

1982 年由国内自行开发, 并经不断完善, 该 工艺日趋成熟,国内已相继建成多套该工艺装置。 单塔侧线流程是利用一座汽提塔来完成污水净化 和分离 H2 S 和 NH3 的任务, 其实质是把双塔汽提 流程中的氨汽提塔和硫化氢汽提塔重叠在一个塔 内,利用二氧化碳 ( C ) 和硫化氢 ( S ) 的相对挥 发度比氨 ( A) 高的特性,首先将原料酸性水中的 二氧化碳和硫化氢从汽提塔上部汽提出 。 控制适 宜的塔体温度,在塔中部形成 A / ( S + C ) 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 基建投资少和蒸汽单耗少等特点 。 1. 2 体系分析 在以往的酸性水汽提塔模拟计算时 , 一般不 考虑 CO2 的影响, 认为它的量极少。 而在实际生 产中,塔顶酸性气中 H2 S 的含量 ( w% ) 可以达到 80% 以上, 氨 的 含 量 在 1% 以 下, 剩 下 的 基 本 是 CO2 。这一事实说明, 在汽提塔的塔顶至热进料之 间的填料段,CO2 对液相平衡的影响不可忽视。 概言之,酸性水汽提塔中存在一个 NH3 - H2 S - CO2 - H2 O 的四元体系。 该体系属于弱电解质体 系,包含多种化学反应: ( 1 ) 2H2 O ?H3 O + + OH - ( 2 ) H2 S + H2 O ?H3 O + + HS - ( 3 ) HS - + H2 O ?H3 O + + S2 - ( 4 ) CO2 + 2H2 O ?H3 O + + HCO3-
- ( 5 ) HCO3- + H2 O ?H3 O + + CO2 3

1
1. 1

模型的建立
流程简介

国内外处理含硫酸性水的工艺方法主要概括 为空气氧化法、 催化空气氧化法、 烟气和蒸气汽 提法。蒸汽汽提法又分为常压和加压、 双塔和单 塔等工艺流程。 单塔侧线流程见图 1 。

( 6 ) NH3 + H2 O ?NH4+ + OH -
图1 单塔汽提流程示意图

( 7 ) NH3 + HCO3- ?NH2 COO - + H2 O
( 025 )

*

王佳兵: 助理工程师。2009 年 毕业 于 南 京 大 学 化 工 系。 现 从 事 化 工 设 计、 流 程 模 拟 及 管 道 应 力 计 算 工 作 。 联 系 电 话: 86853806 ,E - mail: wang_ jiabing@ yahoo. cn。

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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN

22 ( 1 ) 化工设计 2012 ,

综观上述反应,在液相中存在的真实组分不同于 表观分子组分。表观组分有 NH3 、H2 S、CO2 、H2 O, 其液相真实组分 ( 除 上 述 外 ) 还 有 H3 O 、 OH 、
- HS - 、NH4+ 、HCO3- 、CO2 等。液相热力学呈高度非 3 [ 1 ] 理想性,须选择合适的液相活度系数模型 。 + -

0. 50MPa ( G) 。 ( 5 ) 侧线采出参数为 15480kg / h, 第 12 塔板 采出。 ( 6 ) 塔底净化水参数为 103080kg / h, 塔底压 力 0. 53MPa ( G) 。 ( 7 ) 原 料 组 分 为 NH3 、 H2 S、 CO2 、 H2 O。 原 料浓度 ( wt% ) 分别为 2 、1. 5 、0. 15 、96. 35 。

1. 3

物性方法的选择及设置

在 Aspen Plus 中,ELECNRTL 是最通用的电解 质物性方法, 能处理很低的或很高浓度的电解质 溶液。该物性方法,采用 NRTL 电解质模型计算液 相参数,如活度系数、 焓和吉布斯能; 气相参数, 如密度、焓、熵和吉布斯能,采用 Redlich - Kwong 状态方程计算, 它适用于从低压到中压 ( 最大压 力为 10atm ) 范 围 且 气 相 非 理 想 程 度 较 低 的 [2 ] 系统 。 物性方法设置见图 2 :

2

计算及结果分析

模型建立好后, 经反复调试, 模型收敛成功。 本体系极性较强, 不易收敛, 需多次调试。 根据 情况,计算方法可由序贯模块法切换到联合方程 [3 ] 组法。模拟结果与实际标定结果 比较,见表 1 。
表1
项目 ℃ 塔顶, 温度 ℃ 填料段, ℃ 侧线, ℃ 塔底, 净化水 氨 , g / m3 硫化氢,g / m
3

模拟结果与实际标定结果比较
操作数据 37 80 154 167. 5 28 4 模拟结果 45. 5 101. 7 152. 7 160. 9 29 Trace 工艺要求 ≯45 70 ~ 100 - - 164 ± 2 ≯100 ≯20

从表 1 可以看出,模拟数据与实际标定数据基 本吻合,说明该模型的建立是恰当的, 可以利用
图2 物性方法设置界面

Reactions - Chemistry 设置见图 3 。

其对汽提塔进一步分析及优化。 此外,也可证明 ELECNRTL 物性方法是适合 该体系的。笔者曾尝试采用 APISOUR 等物性方法, 用以处理该体系, 得到的结果与实际值偏差较大, 且不易收敛。 图 4 为汽提塔全塔气相负荷图。

图3

Reactions - Chemistry 设置界面

1. 4

基础数据

采用 Aspen Plus 严格精馏模块 RadFrac 模块, 模拟该汽提塔 ( 如图 1 ) 。采用的基础数据及条件。 ( 1 ) 理论板数: 26 ,塔底设再沸器。 ( 2 ) 冷进料参数为 24000kg / h,35℃ ,第 1 板 加入。 ( 3 ) 热 进 料 参 数 为 96000kg / h,150℃ , 第 5 板加入。 ( 4 ) 塔顶酸性气参数为 1440kg / h, 塔顶压力

图4

全塔气相负荷图

从图中可以清晰地看到,CO2 在第 7 块塔板以 下,含量几乎为零; H2 S 在第 13 块塔板以下, 含 量几乎为零; NH3 在侧线采出位置 ( 第 12 块塔 ) 附近形成浓度高峰区,在两端含量几乎为零; H2 O 在塔顶浓度几乎为零,基本由塔底排出。

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Aspen Plus 软件模拟及优化酸性水汽提塔

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3. 1

酸性水汽提塔的优化
侧线采出位置的影响

从表 4 中可以看出, 随着热进料温度的提高, 再沸器能耗降低, 但净化水中 NH3 含量升高。 这 一趋势与提高热冷进料配比一致 。 同样, 塔顶 H2 S 含量与侧线气 NH3 含量基本无变化。 3. 4 进料 NH3 浓度的影响 其它条件均保持不变, 改变冷热进料中 NH3 的含量 ( 水含量相应改变) ,计算结果见表 5 。
图5 进料 NH3 浓度的影响
侧线气 NH3 净化水 NH3 含量 ( w% ) 含量 ( g / m3 ) 0. 178 0. 170 0. 155 0. 139 0. 124 36 33 29 25 21 进料 NH3 塔顶气 NH3 再沸器 含量 ( w% ) 能耗 ( kW) 含量 ( w% ) 2. 3 2. 2 2 1. 8 1. 6 13881. 1 13895. 9 13923. 7 13948. 6 13969. 5 74 64 47 34 24

进料浓度、塔顶放空量和侧线采出量均保持不 变,仅改变侧线采出塔板的位置,计算结果见表 2。
表2
侧线采出 塔板位置 9 10 11 12 13 14 再沸器能 耗 ( kW) 13922. 6 13923 13923. 4 13923. 7 13924 13924

侧线采出塔板位置的影响
塔顶气 H2 S 侧线气 NH3 净化水 NH3 含量 ( w% ) 含量 ( w% ) 含量 ( g / m3 ) 0. 867 0. 866 0. 866 0. 866 0. 866 0. 866 0. 155 0. 155 0. 155 0. 155 0. 155 0. 155 9 13 19 29 43 66

从表 2 可以看出, 在其它条件不变的情况下, 侧线抽出塔板位置越往上, 再沸器能耗降低, 但 变化不大,同时, 塔底净化水 NH3 含量降低。 此 外,还可以发现, 塔顶 H2 S 含量与侧线气 NH3 含 量基本无变化。 3. 2 热冷进料配比的影响 进料总量 ( 120t / h) 及浓度、塔顶放空量和侧 线抽出位置及采出量均保持不变, 仅改变热冷进 料配比,计算结果见表 3 。
表3
热冷进料 配比 ( t / t) 90 /30 92 /28 94 /26 96 /24 98 /22 100 /20 再沸器能 耗 ( kW) 14724. 8 14457. 8 14190. 8 13923. 7 13656. 7 13389. 6

从表 5 可以看出, 随着 NH3 含量的升高, 塔 顶气、侧线气及净化水 NH3 量均增加, 再沸器能 耗降 低。 经 分 析, 初 步 认 定 由 于 进 水 总 量 降 低, 使得再沸器负荷减少。

4

结语

热冷进料配比的影响
塔顶气 H2 S 侧线气 NH3 净化水 NH3 含量 ( w% ) 含量 ( w% ) 含量 ( g / m3 ) 0. 866 0. 866 0. 866 0. 866 0. 866 0. 866 0. 155 0. 155 0. 155 0. 155 0. 155 0. 155 16 20 24 29 35 43

( 1 ) 采用 Aspen Plus 严格精馏模块 RadFrac 模 块及 ELECNRTL 物性方法模拟酸性水汽提塔, 证 明是可行的。 ( 2 ) 在理论板数为 26 的情况下, 侧线采出位 置在 9 ~ 12 比较恰当,既能保证净化水的氨含量达 标,也能降低再沸器能耗。 但采出位置不宜过高, 以防塔顶 氨 浓 度 增 高, 与 硫 化 氢 反 应 生 成 铵 盐, 堵塞塔顶气相管路或其他位置。 ( 3 ) 适当加大热冷进料配比或提高热进料温 度,有利于降低再沸器能耗, 但须注意净化水中 的氨含量,防止其升至合格范围之外。 ( 4 ) 实际生产中, 须注意进料酸性水组成的 变化,尤其是氨浓度的提高, 会导致净化水及塔 顶酸性气氨浓度超标。
参 考 文 献

从表 3 可以看出,热冷进料配比越大,再沸器 能耗越低, 但净化水中 NH3 含量升高。 塔顶 H2 S 含量与侧线气 NH3 含量基本无变化。 3. 3 热进料温度的影响 其它 条 件 均 保 持 不 变, 仅 改 变 热 进 料 温 度, 计算结果见表 4 。
表4
热进料 温度 ( ℃ ) 140 145 150 155 160

热进料温度的影响
1 2 3

塔顶气 H2 S 侧线气 NH3 净化水 NH3 再沸器 能耗 ( kW) 含量 ( w% ) 含量 ( w% ) 含量 ( g / m3 ) 15097. 7 14510. 1 13923. 7 13332. 1 12631. 3 0. 866 0. 866 0. 866 0. 866 0. 866 0. 155 0. 155 0. 155 0. 155 0. 155 13 19 29 45 79

李章平等. Aspen Plus 软件在含硫废水汽提工艺设计中的 J] . 化工环保,2004 ,24 ( z1 ) : 81 - 83. 应用 [ Aspen Plus 物性方法与模型. 第三章: 18. 杨 . 河北 刚. 炼油厂含硫污水汽提塔的模拟及优化 [D] 工业大学硕士学位论文,2002. 3 : 39 - 42. ( 收稿日期 2011 - 09 - 01 )

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ABSTRACTS OF CHEMICAL ENGINEERING DESIGN

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ABSTRACTS
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