李書珍， 李小慶, 王哲慧， 周 迪， 劉 倩， 王 磊

(1. 上海應用技術大學 化學與環(huán)境工程學院， 上海 201418； 2. 常州大學 材料科學與工程學院， 江蘇 常州 213164)

酸性水汽提塔是硫磺回收裝置中重要的廢水處理設備，主要處理石油煉制過程中產生的酸性水，并回收NH3和H2S[1-2]。國內各煉油廠、科研單位以及設計單位對提高和改善酸水汽提技術開展了大量的研究工作，改進了酸性水汽提塔的操作和設計，在操作、計算、理論以及工程設計等方面取得一定的成果，開發(fā)了多種酸性水汽提工藝[3-4]。目前，國內酸性水汽提技術有：單塔常壓、單塔加壓、雙塔高低壓及雙塔加壓4種酸性水汽提工藝[5-9]。洛陽石油化工工程公司開發(fā)的單塔加壓汽提工藝是為了清除污水中的NH3和H2S等成分，回收副產品，達到循環(huán)用水并減少污染物排放。此工藝利用NH3-CO2-H2S-H2O弱電解質物質的相平衡特點，酸性氣體從塔頂流出，側線抽出富氨氣體，塔底得到H2O。與雙塔汽提技術相比，單塔加壓工藝具有設備投資低、流程簡單、能耗低以及操作穩(wěn)定等優(yōu)點廣泛應用[10-14]。山東某煉油廠由于處理能力的提高，使得原酸水汽提單元工藝指標中凈化水不能滿足NH3≤150 mg·kg-1， H2S≤50 mg·kg-1。本論文運用Aspen plus過程模擬軟件，采用電解質活度系數模型ELECNRTL模型，對單塔加壓汽提工藝進行模擬計算，通過對模擬結果進行分析，確定了汽提塔適宜的操作條件。

1 酸水汽提塔模擬流程

單塔加壓工藝，如圖1所示。冷酸性水原料從頂部進入汽提塔，熱酸性水原料從中上部進入汽提塔，塔底采用重沸器加熱，塔頂采出富含H2S酸性氣，NH3從側線抽出，表1所示為汽提塔的模擬基礎數據。其中，冷、熱進料百分比分別為：NH3(2%)，H2S(1.8%),CO2(0.12%),H2O(96.08%)。

圖1 酸水汽提塔模擬Fig.1 Simulation of acid water stripping tower

2 結果與分析

為了研究酸水汽提塔出口凈化水的質量的影響因素，采用Aspen plus軟件的RadFrac模型模擬酸水汽提塔汽提過程。由于加氫酸性水屬于電解質體系，因此物性方法采用ELECNTRTL, 模型收斂，模擬結果與實際結果進行比較，如表2所示。由表2數據可見，模擬計算數據與實際數據基本相符，說明建立的模型恰當。酸水汽提部分凈化水中氨含量為 1 400 mg·kg-1>150 mg·kg-1，遠遠超過了工藝指標中凈化水中氨含量。上游加氫裝置排放的酸性污水氨含量大幅增加，導致酸水汽提單元排放凈化水氨含量超標，為了控制凈化水的質量，現(xiàn)對影響汽提效果的有關因素進行模擬分析，并對凈化水氨超標現(xiàn)象提出優(yōu)化的工藝參數。

表2酸水汽提模擬計算與實際情況的比較

Tab.2Comparisonsbetweensimulatedcalculationandactualsituationofacidwaterstripping

項目模擬計算數據實際工業(yè)數據塔頂酸性氣體側線料凈化水溫度/℃40.842流量/(kg·h-1)400380w(H2S)/%88.889w(NH3)/%14.71.5w(H2O)/%15.31.4w(CO2)/%9.08.8溫度/℃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

加氫酸性污水是包含各種離子、分子的多元水溶液，其溶液中存在相平衡、電離平衡和化學平衡，影響平衡的因素有很多，為了方便操作參數的改進，現(xiàn)僅對汽提塔的塔頂采出量、熱進料進塔溫度、側線采出量以及熱冷進料比進行優(yōu)化。

2.1 熱冷進料比對凈化水氨含量的影響

酸性水總進量為 20 000 kg·h-1，其熱進量與冷進量比值對凈化水氨含量的影響，如圖2所示。

圖2 熱冷進料比對凈化水氨含量的影響Fig.2 Effect of hot and cold feed ratio on ammonia content in purified water

隨著熱冷進料比值的增大，酸性氣中H2S的含量基本保持不變，側線氨含量略有降低，但凈化水中氨含量從開始的109 mg·kg-1逐漸增加到 3 400 mg·kg-1。冷進料影響著酸水汽提塔塔頂抽出氣體中氨的含量；冷進料的量也影響著側線氨的質量。在酸性水總進量不變的情況下，增加熱冷進料比值相應的減少了冷進料量，導致塔頂抽出氨的量相應減少，從而導致了凈化水中氨的含量增加。當熱冷進料比值為 1.8～2.0，其凈化水中氨含量滿足工藝排放要求，當工業(yè)生產中發(fā)現(xiàn)凈化水中氨含量超標時，可以適當降低熱冷進料比值也就是增加冷進料的量，從而減少凈化水中含氨量。當處理酸性污水的總量不變時，熱冷進料比在 1.8～2.0 之間時，其凈化水中氨的含量<150 mg·kg-1，滿足排放要求?？紤]到重沸器能耗以及凈化水中質量因素，建議實際操作中熱進料流量為 13 104 kg·h-1，冷進料流量為 6 896 kg·h-1。

2.2 塔頂采出量對凈化水氨含量的影響

當熱進料的流量為 13 104 kg·h-1,冷進料的流量為 6 896 kg·h-1時，側線抽出位置不變，其側線抽出量也不變，考察了塔頂采出量與凈化水氨含量的關系，如圖3所示。

圖3 塔頂采出量對凈化水氨含量的影響Fig.3 Effect of top production quantity on ammonia content in purified water

由圖3可見，隨著塔頂氣體采出量的增加，塔頂采出酸性氣體中w(H2S)逐漸減小，側線抽出氣體中w(NH3)也逐漸降低，其凈化水氨含量也相應減少。當塔頂采出氣體量增加，其相應的會帶出一些NH3, 然而系統(tǒng)中氨的總質量不變，這樣導致了側線抽出氣體中的氨含量以及凈化水中氨含量都降低。因此，當出現(xiàn)凈化水中氨含量超標的現(xiàn)象時，在保持汽提塔其他操作參數不變的情況下，可以通過適當的增加塔頂采出量，來達到減少凈化水中氨的含量的目的，提高凈化水的質量。當塔頂采出氣體量為650 kg·h-1時，凈化水中NH3的含量最低為 12 kg·h-1，但塔頂w(H2S)僅為 55.3%。實際操作中選定塔頂的采出量為400 kg·h-1，此時塔頂采出酸性氣體中w(H2S)為 89.9%，其凈化水中氨含量為144 mg，滿足工藝排放要求。

2.3 側線抽出量對凈化水氨含量的影響

當熱進料的流量為 13 104 kg·h-1, 冷進料的流量為 6 896 kg·h-1，塔頂采出氣體量為400 kg·h-1，汽提塔其他操作參數不變，只改變側線采出量，通過Aspen plus軟件模擬分析，得出側線抽出量對凈化水氨含量的影響，如圖4所示。

圖4 側線抽出量對凈化水氨含量的影響Fig.4 Effect of siding production quantity on ammonia content in purified water

由圖4可以看出，凈化水氨含量和側線抽出氣體NH3的含量隨著側線抽出量的增加而降低，而塔頂硫化氫含量變化不大。因此當凈化水氨含量超標時，可以采取增加側線氣體采出量，降低凈化水的氨含量。當側線抽出量為 1 000 kg·h-1時，側線抽出氣體中w(NH3)高達 29.1%，但此時的凈化水中氨含量為 5 422 mg/kg，遠遠超過了排放要求；當側線抽出量為 1 600 kg·h-1時，此時凈化水中氨的含量為64 mg/kg，其塔頂w(H2S)為90%，側線w(NH3) 為 24.4%。側線采出量在一定范圍內對塔頂硫化氫含量影響不大，實際酸水汽提塔側線抽出量操作參數取值為 1 600 kg·h-1。

2.4 熱進料進塔溫度對凈化水氨含量的影響

當熱進料的流量為 13 104 kg·h-1,冷進料的流量為 6 896 kg·h-1，塔頂采出氣體量400 kg·h-1，側線抽出量為 1 600 kg·h-1，酸水汽提塔其他操作參數不變，僅改變熱進料進塔溫度，分析熱進料進塔溫度對凈化水氨含量的影響，計算結果如圖5所示。

圖5 熱進料溫度對凈化水氨含量的影響Fig.5 Effect of temperature of hot feed on ammonia content in purified water

由圖5中可見，隨著熱進料溫度的提高，塔頂采出氣體中w(H2S)基本不變，側線抽出氣體中w(NH3) 也基本無變化，但凈化水氨含量逐漸增大。因此當凈化水中氨含量超標時，可以適當降低熱進料溫度來控制凈化水的質量，過度降低熱進料溫度會加大再沸器能耗，影響設備性能。當熱進料溫度為150 ℃時，塔頂w(H2S)為90%，側線w(NH3)為 24.4%，凈化水中氨的含量為132 mg·kg-1。實際酸水汽提塔熱進量溫度操作參數取值為150 ℃。

2.5 優(yōu)化計算

通過模擬計算，酸水汽提塔優(yōu)化操作參數，如表3所示。

表3 優(yōu)化后的酸水汽提塔操作參數

采用以上參數進行模擬，優(yōu)化后的模擬結果如表4所示。從表4可以看出，酸水汽提塔操作參數經過優(yōu)化后，汽提塔塔頂流出氣體中w(H2S)為90%，塔底凈化水氨含量為132 mg·kg-1，滿足工藝排放要求。

表4 優(yōu)化操作參數下的模擬結果

3 結 語

(1) 生產過程中酸水汽提裝置凈化水氨含量超標時，可以通過減少熱冷進料比，增加塔頂采出量，降低熱進料溫度和增加側線采出量，降低凈化水氨含量。

(2) 當酸水汽提塔熱冷進料比為 1.9∶1時，熱進料溫度為150 ℃，塔頂采出量為400 kg·h-1, 側線抽出量為 1 600 kg·h-1, 塔頂酸性氣中w(H2S)為90%，側線氣體w(NH3)為 24.4%，凈化水中氨含量為132 mg·kg-1，滿足凈化水排放標準。