師彥俊，趙海濤

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波 315200）

1 汽提塔概況

鎮(zhèn)海煉化酸性水汽提塔T3401采用側(cè)線抽氨工藝，設(shè)計(jì)處理能力為80 t/h，實(shí)際處理量為60 t/h。汽提塔設(shè)置兩段填料＋49層單溢流浮閥塔盤，側(cè)線抽氨工藝[1]要求汽提塔分冷、熱兩股物流進(jìn)塔，其中冷進(jìn)料被冷卻器冷卻至35~40℃進(jìn)入汽提塔頂填料層；熱進(jìn)料需要與塔底采出物流、側(cè)線采出物流換熱至140~150℃后進(jìn)入汽提塔第二層塔板。塔頂采出的酸性氣體包含H2S、CO2和少量水蒸氣等組分，經(jīng)冷卻后進(jìn)入酸性氣分液罐，分液后進(jìn)入硫黃回收裝置回收硫黃；塔中部含NH3氣體經(jīng)側(cè)線抽出并三級(jí)冷凝后得到99%的粗氨氣進(jìn)入氨精制系統(tǒng)進(jìn)行脫硫，得到液氨產(chǎn)品；塔底再沸器選用1.0 MPa過熱蒸汽，塔底溫度控制為155~170℃，1.0 MPa過熱蒸汽為汽提塔的主要熱量來源。

2 模型建立

2.1 建模目標(biāo)

通過Aspen PLUS軟件建立穩(wěn)態(tài)的汽提塔模型，利用軟件自身的分析工具，主要分析冷、熱進(jìn)料比對(duì)全塔溫度分布、汽提塔蒸汽消耗、塔底凈化水水質(zhì)的影響。通過調(diào)整汽提塔的冷、熱進(jìn)料比，優(yōu)化汽提塔蒸汽使用量及凈化水水質(zhì)，模擬出最佳操作條件。

2.2 模型介紹

應(yīng)用Aspen PLUS流程模擬軟件，以鎮(zhèn)海煉化80 t/h汽提塔2016年8月2日12∶00的標(biāo)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立汽提塔的穩(wěn)態(tài)模型，具體模擬流程如圖1所示。

模型中，選用專用于電解質(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)庫中的Henry常數(shù)表征H2S、NH3在水中的溶解度，數(shù)據(jù)庫中自帶有H2S和NH3在水中的電離平衡常數(shù)，結(jié)合輸入的標(biāo)定數(shù)據(jù)，對(duì)汽提塔進(jìn)行嚴(yán)格模擬計(jì)算，模擬值與標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見表1。

由表1可知，模擬計(jì)算結(jié)果與標(biāo)定數(shù)據(jù)吻合程度較高，說明模型較為準(zhǔn)確，能夠反映裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況。

圖1 汽提塔T3401模擬流程

表1 T3401模擬值與標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比

3 模型分析

3.1 冷、熱進(jìn)料比對(duì)全塔溫度分布的影響

在進(jìn)料總流量不變的前提下，保持塔頂壓力、酸性氣流量、側(cè)線量恒定，改變冷、熱進(jìn)料比，研究不同冷料分率下汽提塔各點(diǎn)溫度，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，汽提塔溫度分布可分為低溫區(qū)、過渡區(qū)、高溫區(qū)三個(gè)區(qū)域。40~60℃區(qū)域（填料層）為低溫區(qū)，在低溫區(qū)利用硫化氫相對(duì)揮發(fā)度比氨大，氨的溶解度比硫化氫大的原理，打入冷進(jìn)料保證塔頂獲得含氨量很低的酸性氣。90~160℃區(qū)域（1層至35層）為過渡區(qū)，在過渡區(qū)，調(diào)整冷、熱進(jìn)料比，既保證硫化氫的汽提效果，又使氨能夠從上部隨液流向下移動(dòng)，進(jìn)而在塔中部積聚。160℃以上（35層至塔底）為高溫區(qū)，塔板層間溫差只有1℃，硫氫化銨的水解常數(shù)很大，氨和硫化氫絕大部分以游離態(tài)存在，且溶解度很小，汽提作用和側(cè)線采出的減壓作用，使氨向中部積聚，在塔底獲得合格的凈化水。

通過降低冷、熱進(jìn)料比，可以看出汽提塔低溫區(qū)溫度明顯竄升，尤其是當(dāng)冷熱進(jìn)料比從1∶3降低至1.0∶4.9時(shí)，汽提塔填料層下部溫度明顯竄升，溫度上升至122.5℃，有明顯的沖塔跡象；過渡區(qū)板間溫度差有所下降，原因是冷進(jìn)料的冷卻、吸收作用被削弱。一般汽提塔的最小冷流量由汽提塔填料的最小潤濕量決定，而理論最小冷進(jìn)料量為不影響汽提效果的前提下吸收剩余蒸汽及氨所需的液相流量。當(dāng)冷進(jìn)料下降到一定程度時(shí)酸性氣中的大量蒸汽不能有效冷凝而被帶出，造成了沖塔現(xiàn)象。冷進(jìn)料的另一個(gè)作用是提高板間溫度差，進(jìn)而提高傳質(zhì)推動(dòng)力。降低冷進(jìn)料流量，過渡區(qū)板間溫度差就會(huì)有所下降。

表2 不同冷料分率下汽提塔各點(diǎn)溫度

3.2 冷、熱進(jìn)料比對(duì)汽提塔蒸汽消耗的影響

影響汽提塔蒸汽消耗的主要因素有冷、熱進(jìn)料溫度、冷進(jìn)料流量、塔底凈化水溫度、側(cè)線流量等。理論上，由于單塔加壓側(cè)線抽氨工藝操作在高溫、高壓條件下進(jìn)行，因此塔的能耗較低壓無側(cè)線工藝高。當(dāng)加熱蒸汽選用1.0 MPa過熱蒸汽時(shí)，汽提塔蒸汽單耗為150~180 kg/t酸性水。文獻(xiàn)[2]報(bào)道了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的蒸汽消耗計(jì)算公式

H＝1.05[（T凈－T原）＋n（T底－T冷）＋BI抽]

其中：n為冷熱進(jìn)料比，B為側(cè)線抽出量，I抽是常量，（T凈－T原）反映了要降低能耗，需要充分回收系統(tǒng)熱量。通常，利用自身裝置內(nèi)部換熱，能將熱進(jìn)料溫度換熱至140℃以上，有文獻(xiàn)[3]報(bào)道通過調(diào)整換熱網(wǎng)絡(luò)，能使換熱終溫達(dá)到154℃以達(dá)到降低能耗目的；n（T底－T冷）反映冷熱進(jìn)料比（n）對(duì)能耗的影響因素，降低n值有利于能耗的降低；而BI抽反映了側(cè)線抽出量對(duì)能耗的影響，認(rèn)為I抽是常量，側(cè)線抽出量B值決定了該項(xiàng)值的大小。通過模型計(jì)算冷熱進(jìn)料比對(duì)能耗的影響，同樣保持進(jìn)料總流量、塔頂壓力、酸性氣流量、側(cè)線量恒定，改變冷、熱進(jìn)料比，得出計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 冷進(jìn)料分率與汽提蒸汽的關(guān)系

由圖2可知，隨著冷進(jìn)料分率的降低，汽提塔蒸汽消耗量明顯下降，但凈化水質(zhì)量有一定程度的變差，在冷進(jìn)料分率為0.18時(shí)，凈化水氨含量出現(xiàn)超工藝指標(biāo)的情況。在控制凈化水質(zhì)量（NH4＋-N≯60 mg/L，S2-≯20 mg/L）的前提條件下，側(cè)線量也會(huì)對(duì)汽提塔蒸汽消耗產(chǎn)生影響，此時(shí)，冷熱進(jìn)料比對(duì)汽提塔蒸汽消耗的影響，見圖3。

由圖3可知，隨著冷進(jìn)料分率的降低，汽提塔蒸汽消耗量明顯下降，凈化水質(zhì)量要求恒定，此時(shí)側(cè)線抽出量會(huì)升高。因此，將汽提塔冷、熱進(jìn)料比從1∶3調(diào)整至1∶4，可以減少汽提塔蒸汽消耗同時(shí)滿足凈化水質(zhì)量要求。

圖3 冷熱進(jìn)料比對(duì)汽提塔蒸汽消耗的影響

3.3 冷、熱進(jìn)料比對(duì)汽提塔底凈化水水質(zhì)的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，凈化水水質(zhì)控制指標(biāo)為氨含量≯60 mg/L，硫化物含量≯20 mg/L。為了保證凈化水水質(zhì)，需要從塔頂硫化氫濃度最高點(diǎn)抽出足夠量的硫化氫，從塔中部氨濃度最高點(diǎn)抽出足夠量的側(cè)線氣。為了研究冷、熱進(jìn)料比的變化對(duì)汽提塔內(nèi)氣相組分分布的影響，利用上述模型并保持進(jìn)料總流量、塔頂壓力、酸性氣流量、側(cè)線量恒定，改變冷、熱進(jìn)料比，計(jì)算汽提塔各點(diǎn)氣相中硫化氫、氨濃度分布，其計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 汽提塔塔板各點(diǎn)氣相中硫化氫、氨濃度分布

由圖4可知，當(dāng)汽提塔冷、熱進(jìn)料比改變時(shí)，汽提塔內(nèi)氣相組分硫化氫濃度最高點(diǎn)在塔頂，氨濃度最高點(diǎn)在15~17層塔板之間，二者濃度最高點(diǎn)沒有偏離，可以滿足抽氨、抽硫化氫的要求。但從前面的論述可以看出，當(dāng)降低冷、熱進(jìn)料比時(shí)，汽提塔的傳質(zhì)推動(dòng)力減弱，汽提塔的傳質(zhì)效果變差，凈化水中氨氮含量和硫化物含量均有所上升。

4 模型應(yīng)用

通過建立汽提塔的穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)冷、熱進(jìn)料比對(duì)汽提塔的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，由結(jié)果可以看出，隨著冷、熱進(jìn)料比的降低，汽提塔蒸汽使用量明顯降低，當(dāng)冷、熱進(jìn)料比降低到一定程度時(shí)，會(huì)造成汽提塔沖塔和凈化水水質(zhì)不合格。2017年10月28日10∶00—14∶00采用冷、熱進(jìn)料比為1∶4和1.0∶4.5進(jìn)行汽提塔的優(yōu)化試驗(yàn)，其結(jié)果對(duì)比見表3。

由表3可知，在汽提塔負(fù)荷為70%時(shí)，通過調(diào)整汽提塔冷、熱進(jìn)料比，在保證汽提塔平穩(wěn)運(yùn)行和塔底凈化水質(zhì)量合格的前提下，降低冷、熱進(jìn)料比至1∶4和1.0∶4.5，此時(shí)，蒸汽/污水比值由0.166分別降低至0.152、0.147，節(jié)約蒸汽量分別為0.8 t/h、1.5 t/h，取得明顯的節(jié)能效果。

表3 T3401優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

以標(biāo)定數(shù)據(jù)搭建的穩(wěn)態(tài)模型與汽提塔實(shí)際運(yùn)行基本吻合，誤差在允許范圍之內(nèi)，建立的模型對(duì)后續(xù)操作調(diào)整及運(yùn)行優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。通過模型分析，降低汽提塔冷、熱進(jìn)料比能顯著降低汽提塔重沸器蒸汽消耗；降低汽提塔冷進(jìn)料流量將削弱冷進(jìn)料冷卻、吸收效果，同時(shí)對(duì)傳質(zhì)推動(dòng)力有一定程度的削弱，生產(chǎn)中應(yīng)避免冷進(jìn)料量低于填料層最小潤濕量的情況發(fā)生。