利用AspenPlus對(duì)污水汽提裝置進(jìn)行優(yōu)化分析

周洋

（中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司，新疆庫(kù)車(chē)842000）

石化行業(yè)中加工含硫原油時(shí)，一般在1次加工和大部分2次加工過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生含硫污水，由于含硫污水中不僅含有較多的硫化氫和氨，還有少量的氰化物、油和焦粉等污染物，不能直接排放至污水處理廠(chǎng)［1］。

目前含硫污水預(yù)處理大多采用蒸汽汽提法，該方法需要將含硫污水收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)脫氣、沉降、脫油等步驟之后送入汽提塔中，使用蒸汽加熱，脫除含硫污水中的硫化氫和氨，所得凈化水送至焦化作電脫鹽注水或排至污水處理廠(chǎng)。

使用AspenPlus流程模擬軟件建立穩(wěn)態(tài)模型，利用嚴(yán)格的機(jī)理模型，模擬工藝過(guò)程，量化裝置操作條件與蒸汽、堿渣消耗和凈化水質(zhì)量的關(guān)系，指導(dǎo)裝置操作和改造優(yōu)化，使凈化水質(zhì)量合格，效益達(dá)到最大化［2，3］。

1 裝置簡(jiǎn)介

某公司的2#硫磺單元含硫污水汽提裝置是重質(zhì)原油改質(zhì)擴(kuò)建裝置，于2010年6月建成中交，同年9月開(kāi)車(chē)成功。負(fù)責(zé)對(duì)延遲焦化、常減壓蒸餾、汽柴油加氫精制和連續(xù)重整等裝置產(chǎn)生的酸性水進(jìn)行脫氣、除油、汽提處理，滿(mǎn)足回用及污水處理廠(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)要求。該汽提裝置采用單塔低壓汽提工藝，設(shè)計(jì)加工處理酸性水能力為50 t/h，操作彈性為：50%～110%。

2 含硫污水汽提系統(tǒng)模擬的目標(biāo)

（1）在滿(mǎn)足凈化水質(zhì)量指標(biāo)情況下，離線(xiàn)尋找優(yōu)化的操作條件，節(jié)約能量消耗；

（2）通過(guò)流程模擬，考察裝置的運(yùn)行狀況，分析裝置換熱網(wǎng)絡(luò)，查找出裝置存在的問(wèn)題，為裝置后期技改技措節(jié)能降耗項(xiàng)目提供依據(jù)。

3 利用Aspen Plus軟件對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化分析

3.1 流程簡(jiǎn)介

來(lái)自上游各裝置的含硫污水，經(jīng)過(guò)脫氣、沉降、脫油后進(jìn)入原料水罐B（V-302B），經(jīng)原料水進(jìn)料泵（P-301A/B）加壓、原料水過(guò)濾器Ⅱ（FI-302）過(guò)濾，再經(jīng)原料水-凈化水換熱器（E-301A～D）換熱至100℃左右，進(jìn)入主汽提塔（T-301）。塔底用1.0MP蒸汽經(jīng)重沸器（E-304）間接加熱汽提，以保證塔底溫度125℃。汽提塔底凈化水經(jīng)凈化水加壓泵（P-304A/B）加壓后，與原料水換熱，直接送至上游2＃焦化裝置作為電脫鹽注水的用水。汽提塔頂酸性氣經(jīng)酸性氣空冷器冷凝冷卻至85℃后流入塔頂回流罐（V-304），冷凝液經(jīng)塔頂回流泵（P-302A/B）返塔（T-301）作為回流，流程見(jiàn)圖1。

圖1 2#含硫污水汽提裝置流程

3.2 建立模型

應(yīng)用Aspen Plus繪制出2#酸性水汽提單元流程圖。汽提塔T-301采用RADFRAC模塊；換熱器E-301采用HEATX模塊，冷卻器E302采用Heater模塊，回流罐V304采用Flash2模塊，具體模擬流程見(jiàn)圖2。

圖2 塔河煉化2#汽提裝置模擬流程

3.3 建模方法

以塔河煉化2#污水汽提裝置2018年標(biāo)定數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行建模，數(shù)據(jù)包括原料水的流量、溫度、壓力及組成；各換熱器的型號(hào)；各單元模塊的操作條件等［4］。模型建成后以提供的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，見(jiàn)表1。

4 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證就是將裝置生產(chǎn)中實(shí)際操作值與模型模擬中的計(jì)算值作對(duì)比，查看誤差大小，誤差在可允許范圍之內(nèi)，標(biāo)志驗(yàn)證成功，模型才能用于裝置下一步的優(yōu)化分析。下列各表格中實(shí)際值是裝置標(biāo)定過(guò)程中的實(shí)測(cè)值，以及質(zhì)檢中心分析數(shù)據(jù)的平均值，模擬值為Aspen Plus模擬軟件中根據(jù)模型計(jì)算得出的數(shù)值，見(jiàn)表2。

表1 進(jìn)料及產(chǎn)品數(shù)據(jù)

表2 汽提塔操作數(shù)據(jù)

4.1 物料平衡

將模型計(jì)算的凈化水、酸性氣、凈化水流量與實(shí)際值對(duì)比，來(lái)查看裝置的物料平衡情況，對(duì)比情況見(jiàn)表3

表3 裝置物料平衡表

4.2 汽提塔參數(shù)對(duì)比

將模型計(jì)算的汽提塔操作數(shù)據(jù)與實(shí)際值對(duì)比，來(lái)查看模型與實(shí)際情況的接近程度，見(jiàn)表4。

由表4可知，模型計(jì)算的汽提塔溫度、流量、壓力等數(shù)值與實(shí)際值接近。實(shí)際裝置V304出口酸性氣流量686 Nm3/h，而模擬值為590 Nm3/h，考慮到平時(shí)參考汽提酸性氣FIQ3009流量較少，多數(shù)時(shí)間參考?jí)嚎亻y閥位進(jìn)行調(diào)節(jié)，儀表溫壓補(bǔ)償可能存在一定的偏差，但總體影響不大。其余各參數(shù)偏差均較小，在可接受范圍內(nèi)。

表4 汽提塔數(shù)據(jù)對(duì)比

4.3 分析數(shù)據(jù)對(duì)比

將模型計(jì)算的凈化水硫含量、氨含量與實(shí)際分析值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5。

表5 凈化水分析值對(duì)比

由表5可知，模型計(jì)算的凈化水硫化氫含量與實(shí)際接近，氨氮含量比實(shí)際略高，模擬分析數(shù)據(jù)與實(shí)際相差不大?？傊?dāng)前建立的污水汽提裝置模型，能夠反應(yīng)裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，可以用于下一步的優(yōu)化分析。

5 模型優(yōu)化分析

5.1 塔頂回流量的分析

模型中通過(guò)控制塔頂壓力不變，分析塔頂回流量對(duì)凈化水氨含量、硫含量和汽提蒸汽量的影響，結(jié)果見(jiàn)表6和圖3。

表6 塔頂回流量的影響分析

圖3 塔頂回流量的影響分析

由表6和圖3可知，保證塔頂壓力不變，隨著塔頂回流增加，凈化水氨含量、硫含量分別降低，汽提蒸汽量呈直線(xiàn)上升。在保證質(zhì)量指標(biāo)氨含量≯50 mg/L，硫含量≯15 mg/L的條件下，塔頂抽出量需大于2.7 t/h。

因此在保證凈化水質(zhì)量指標(biāo)的情況下，可對(duì)塔頂回流量進(jìn)行卡邊操作，節(jié)省汽提蒸汽消耗。當(dāng)前塔頂回流量為2.22 t/h，將其減小0.2 t/h，可在保證凈化水NH3、H2S含量的情況下，節(jié)省汽提蒸汽0.2 t/h左右［5］。

5.2 汽提塔頂壓的影響分析

模型中通過(guò)控制塔底蒸汽量不變，分析汽提塔頂壓對(duì)凈化水質(zhì)量硫化氫及氨的影響，結(jié)果見(jiàn)表7和圖4。

表7 汽提塔頂壓的影響分析

圖4 汽提塔頂壓的影響分析

由表7可知，在保證塔底蒸汽量不變情況下，隨著塔頂壓力上升汽提凈化水硫化氫含量和氨含量均有不同程度上升，因此建議將V304出口壓力按照工藝卡片下限控制以降低T301頂壓。

5.3 進(jìn)料塔板位置的影響分析

模型中保證塔頂壓力、塔頂餾出量、塔頂回流罐溫度等操作條件不變的情況下，分析進(jìn)料位置對(duì)凈化水NH3含量、H2S含量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 回流罐的影響分析

由圖5可知，隨著塔板進(jìn)料位置向下，凈化水NH3、H2S含量變少，當(dāng)塔板位置在第3塊板時(shí)，凈化水NH3、H2S含量達(dá)到最小，分別為1.79 mg/L、1.46 mg/L。當(dāng)進(jìn)料塔板位置繼續(xù)向下，凈化水NH3、H2S含量逐漸增加。因此，第3塊板為較佳的進(jìn)料位置，而當(dāng)前操作即為第1塊板進(jìn)料。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)以上模型模擬的結(jié)果可知，以實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)搭建的基準(zhǔn)模型與實(shí)際裝置基本吻合，誤差均在可允許范圍之內(nèi)，由模型得到的汽提塔溫度和壓力分布，可以對(duì)實(shí)際操作控制提供指導(dǎo)。

（2）在質(zhì)量指標(biāo)氨含量≯50 mg/L，硫含量≯15 mg/L的條件下，塔頂抽出量需大于2.7 t/h。對(duì)塔頂回流量進(jìn)行卡邊操作，可節(jié)省汽提蒸汽0.2 t/h。

（3）在保持塔頂壓力和回流比不變的情況下，進(jìn)料位置在第3塊塔板時(shí)，分離效果最佳。該裝置的進(jìn)料位置為第1塊塔板，可以在今后的檢修中列入技改技措節(jié)能降耗項(xiàng)目中，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低蒸汽能耗。

（4）經(jīng)過(guò)對(duì)換熱器E301進(jìn)行詳細(xì)核算發(fā)現(xiàn)，本裝置原料水進(jìn)塔溫度僅為79.1℃，與設(shè)計(jì)值100℃相距甚遠(yuǎn)，E301當(dāng)前換熱效率較設(shè)計(jì)值低好多，由于上游裝置含硫污水中焦粉含量較大，附著在換熱器中，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重，換熱效率大幅度下降，建議裝置檢修期間清洗換熱器，同時(shí)將該換熱器前的過(guò)濾器更換為過(guò)濾精度更高的濾袋式過(guò)濾器，以減少換熱器結(jié)垢，提高換熱器傳熱效率，降低能耗。

（5）當(dāng)前汽提塔底溫度124℃，0.35 MPa蒸汽飽和溫度148℃，能夠滿(mǎn)足換熱溫差的要求，因此建議將1.0 MPa汽提蒸汽改為0.35 MPa蒸汽，降低裝置操作成本。

（6）汽提塔頂溫度約110℃左右，3 t/h左右的塔頂餾出氣相直接進(jìn)空冷，空冷負(fù)荷1 550 kW，可將此部分低溫?zé)峄厥绽?。?dāng)無(wú)法通過(guò)清洗換熱器，增加污水進(jìn)塔溫度的情況下，可考慮增加換熱器，將塔頂餾出氣相與污水進(jìn)料換熱，可回收大約300 kW的低溫?zé)幔鬯M(jìn)塔溫度可升至100℃，節(jié)省0.4 t/h左右的蒸汽，塔頂空冷負(fù)荷大大減小。