摘 要

本文借助计算流程模拟软件Aspen Plus针对某炼油厂65000kg/h酸性水处理装置建立了汽提工艺模型，使用灵敏度分析工具进行优化，分析总结数据，所得结果对于有效地节约能源，降低消耗，减少炼厂加工成本具有重要的指导意义。

论文主要研究了：优化设计炼厂污水汽提塔的意义及国内外研究现状，结合所引用的参考文献中的基础数据及工艺要求对不同汽提工艺进行分析，选择合适的汽提工艺。建立汽提工艺模型，使用灵敏度分析影响汽提塔分离效果和再沸器能耗的操作参数，分析总结数据，得到最佳操作方案。查看化工工艺设计手册，对塔进行选型设计。

研究结果表明：冷进料比例和侧线采出比对再沸器能耗影响较大，热进料位置和侧线采出位置对汽提塔分离效果影响较大；汽提塔宜选择筛板塔。

本文的特色：借助大型化工流程模拟软件，优化设计。

关键词：汽提工艺；模型建立；优化分析；塔设计

Abstract

In this paper, the stripping process model of 65000kg/h acid water treatment unit in a refinery is established by means of the calculation flow simulation software Aspen Plus. The sensitivity analysis tool is used to optimize the stripping process, and the data are analyzed and summarized. The results are effective for saving energy. It is of great guiding significance to reduce consumption and refinery processing cost.

In this paper, the significance of optimizing the design of sewage stripping tower in refinery and the research status at home and abroad are studied, and the different stripping processes are analyzed according to the basic data and process requirements cited in the reference, and the appropriate stripping process is selected. The stripping process model is established, the operating parameters which affect the separation effect of stripping tower and the energy consumption of reboiler are analyzed by sensitivity analysis, the data are analyzed and summarized, and the best operation scheme is obtained. Check the chemical process design manual, select the tower type design.

The results show that the cold feed ratio and side line recovery ratio have great influence on the energy consumption of reboiler, and the hot feed position and side line extraction position have great influence on the separation effect of stripping tower.

Features of this paper:Optimize the design with the help of large chemical process simulation software.

Key words: stripping process； acid water stripper； model building； optimization analysis；tower design

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究的目的与意义，研究现状与发展趋势 1

1.2 汽提工艺的选择 2

1.2.1 单塔加压和双塔加压汽提工艺流程的对比 2

1.2.2 工艺选择的结果 2

1.2.3 单塔加压侧线采出汽提工艺原理 2

1.3 影响汽提因素 2

1.3.1 炼厂污水汽提工艺的内部因素 2

1.3.2 外部工艺因素 2

第二章 模型的建立 3

2.1 流程简介 3

2.2 体系分析 4

2.3建立模型 5

第三章 汽提塔操作参数的优化 7

3.1 冷进料比例的影响 7

3.2 热进料位置的影响 8

3.3 侧线采出位置的影响 8

第四章 汽提塔操作参数的确定 11

4.1 最佳操作方案 11

4.2 模拟计算结果 11

第五章 塔设备的选型设计 14

5.1 塔型的选择 14

5.1.1 板式塔与填料塔的比较 14

5.1.2塔型选择结果  15

5.2 材料选择和结构设计 15

5.2.1 设计条件 15

5.2.2 内压圆筒的设计与计算 16

5.2.3 封头的设计计算 17

5.2.4 裙座结构与焊接连接设计 17

5.2.5 接管与孔径 19

5.2.6 温度计、液面计、压力计及人孔 19

5.3 水力学校核 20

第六章 零部件设计和选用 21

6.1 地脚螺栓座和地脚螺栓设计 21

6.1.1 基础环设计 21

6.1.2 地脚螺栓计算 21

6.1.3 底座与筋板设计 21

6.1.4 静电接地板设计 21

6.2 板式塔内件设计 21

6.2.1 塔盘 21

6.2.2 降液管 22

6.2.3 溢流堰 23

6.3 除沫装置 23

6.4 设备接管 24

6.4.1 冷进料管 24

6.4.2 塔底净化水出口管 25

6.4.3 热进料管、塔顶及侧线气出气管 26

6.5 法兰连接设计 27

6.6 平台及扶梯 27

结论 28

参考文献 29

致谢 30

绪论

1.1 研究的目的与意义，研究现状与发展趋势

由于人口增长和经济发展所导致的人均用水量的增加，在过去的三个世纪里，人类提取的淡水资源量增加了35倍。地球的淡水资源已经严重匮乏，水污染降低了水资源的质量，由于污水排放量和毒性的增加，污水排放前又未能全部妥善处理，更加加剧了水资源的短缺。节约生活用水和对污水再回用是工业发展的必经之路。炼油行业与其他行业相比，需要使用大量的水，最终产生了大量的污水。炼油厂炼油过程中会同时产生一些酸性水，如常减压蒸馏过程中塔顶的含硫污水、加氢裂化装置产生的含硫污水、重油催化裂化装置中分馏塔顶的冷凝水等。这些酸性水含有酚类化合物和高浓度的NH₃和H₂S，如果不去除这些物质，将会造成严重的环境污染。

炼油厂含硫污水的主要污染物是含油的硫化氢、氨气和碳酸盐等，H₂S和NH₃以NH₄HS的形式存在，是一个化学平衡、电离平衡和相平衡共存的复杂系统，NH₄HS是一个弱电解质物质，加热可以促进NH₄HS分解成HS^-、NH₄ ，并以H₂S和NH₃的形式逸出。因此，炼油厂酸性水处理的常用方法是先除油，再进行加热汽提以净化水质，并且得到副产品。目前，空气氧化法和蒸汽汽提法在我国酸性水处理中得到了广泛的应用。对于含硫废水的处理，因水蒸汽汽提处理效果明显，操作简单，无二次污染（硫化氢和氨作为副产品回收），在国内外占有主导地位。

酸性水汽提塔是炼油厂处理硫磺和氨水的主要设备，也是炼油厂重要的环保设施。它不像是催化装置等炼油厂的重要经济支柱，但通过产品的合理利用，可以有效地节约能源，降低消耗，降低炼油厂加工成本。这是炼油厂挖掘潜力、创造效益不容忽视的重要环节。随着国内炼油厂生产规模的不断扩大和进口原油含硫量的不断提高，含硫污水的处理能力和污水中硫化氢、氨的浓度大大提高。随着环保要求的提高，如何在降低投资和运行成本的同时，优化酸水汽提塔以满足各项指标的要求显得尤为重要。

针对石油化工企业废水处理技术发展不成熟的现状，预测废水处理技术的发展趋势和方向为：新型高效废水处理剂的研究、生物处理技术的发展、膜分离技术的发展、生物处理技术的发展、膜分离技术的发展以及污水处理技术的发展。加强新型硫磺分离技术的研究与应用。目前，污水处理的改进方向是：节约能源和资金；减少污泥产量；简化运行管理。可持续的污水处理理念早已在欧洲兴起。荷兰代尔夫特技术大学是这一概念的提出者、开发者、倡导者和实践者。最近几十年来，世界各国一直在寻求各种技术途径，以实现污水处理厂的能源自给或碳中和，并积累了成熟的经验。直到21世纪，这一问题受到了发达国家和地区的关注。一些国家提出了今后降低能耗、提高污水处理厂能源自给率的长期规划。如荷兰、新加坡和美国等国家都在2030年为污水处理厂开发了自给自足或碳中和技术路线。

随着科技的不断进步，计算机技术不断成熟，计算机辅助模拟技术迅速发展，静态模拟已经扩展到包括化学反应系统在内的石油化工过程。Aspen Plus是一个大型流程模拟软件。经过二十多年的不断改进、发展和完善，其用户包括全球主要化工、石化、炼油等过程工业制造企业和著名工程公司。Aspen Plus是业界公认的大型过程仿真软件，具有完善的数据库和集成能力，算法独特。在极性较强的系统中，具有显著的优势。本文采用模拟软件Aspen Plus对某炼油厂酸性水汽提过程进行了模拟，得到了相应的计算结果。

1.2 汽提工艺的选择

1.2.1 单塔加压和双塔加压汽提工艺流程的对比

含硫和含氨污水通常通过汽提处理。前期采用双塔汽提工艺，即一塔汽提NH₃，另一塔汽提H₂S。塔之间的流体由接力泵输送。双塔汽提工艺具有设备多、占地面积大、能耗大、工艺复杂的特点。总体来看，这两座塔可以堆叠在一起。在精馏分离过程中，由于分离要求的影响和限制，当塔内塔板数太多、塔身太高而无法安装时，需要分为两段，以接力的形式连接。如果采用单塔加压侧线汽提工艺，可以降低两塔的总高度，合并成一塔，这样塔顶可以得到合格的酸性气体，侧线可以得到富氨气体，省去了中间的泵。

单塔加压汽提和双塔加压汽提的原理基本相同，它们都是在加压加热的过程中使铵盐水解的。处于低温阶段时，温度对硫酸氢铵和碳酸氢铵的水解常数影响不大，温度越高，温度对水解常数的影响越来越明显。一般认为，当温度超过125℃时，水解常数迅速增加。当汽提塔的温度高于水解温度时，可以将铵离子、硫氢离子和碳酸盐离子在水溶液中转化为氨、硫化氢和二氧化碳分子，然后由液相转化为气相。因此，为了分解碳酸氢铵和硫酸铵等物质，塔釜的温度必须高于处理含酸气废水的汽提过程中的水解转折点温度。

表1.2.1 两种汽提工艺的比较

由上表可知，单塔加压汽提工艺设备投资低于双塔加压汽提工艺设备投资，污水处理用蒸汽单耗也较低。在污水压力脱酸脱氨过程中，容易发生结垢。选择塔板时，应采用开孔率较大的简易塔板，使塔板效率低，能耗高。如果采用双塔加压汽提工艺，同样存在着类似的污塔堵塞问题，能耗增加将更大。因此，在工业应用过程中，选择和开发高效、防堵的酸水汽提塔仍然是节能降耗的问题。

1.2.2 工艺选择的结果

本次采用文献中酸性水的NH₃质量分数为0.6%，接近6000ppm；H₂S质量分数为0.65%，接近于6500ppm；原料浓度较低。同时考虑到单塔加压侧线汽提法投资费用低，处理污水的蒸汽耗量较低，所以我选择采用单塔加压侧线抽出汽提工艺。

1.2.3 单塔加压侧线采出汽提工艺原理

单塔加压侧线汽提的具体原理是：与二氧化碳、硫化氢等酸性气体相比，氨在低温（80℃以下）和一定压力下在水中具有较高的溶解性，即液相氨含量较高，气相主要是酸性气体。当温度高于80℃时，由于氨在水中的溶解度迅速降低，氨挥发到气相，从而改变气相的组成，使氨成为气相的主要成分。

1.3 影响汽提因素

1.3.1 炼厂污水汽提工艺的内部因素

影响污水汽提过程的内部因素包括所需设备类型、消耗要求、三废产生等。并且还考虑与其相关的外部工艺，这些内部因素可以直接影响工艺流程和设备。

1.3.2 外部工艺因素

如炼厂污水的组成、净化水要求的纯度、温度及其所需的技术条件等。这些因素是需要考虑的外部因素，基本上和汽提方法本身无关。

第二章 模型的建立

由于某炼厂的炼油装置规模的扩大，使得该厂污水的产生量急剧增加,因此该厂计划新设计建设一套处理能力为65t/h酸性水汽提装置，净化水的质量指标要求是净化水中硫含量≤10mg/kg,氨氮含量≤40mg/kg。

2.1 流程简介

单塔压力侧线汽提工艺是将冷的原料水作为冷料从汽提塔顶进入塔内，来降低塔顶温度，实现硫化氢和二氧化碳与污水的分离。用净化水换热后的原料水作为热进料进入塔上部，塔底由再沸器或蒸汽直接加热，加热硫化氢、二氧化碳和氨。从污水中分离出合格的纯化水，从塔底排出，在塔中部形成硫化氢含量最低、氨气浓度最高的区域，从中提取富氨侧线气，实现氨气与污水的分离过程。简单地说，该塔可分为三段：从上到下为硫化氢精馏段（即水蒸汽、氨汽提段)、硫化氢汽提段和氨汽提段。

由众多炼油工厂的实际经验和研究学者的研究成果表明，该工艺流程相对比较简单，处理酸性污水时需要消耗的蒸汽量低，汽提塔及工艺流程中的其他设备总占地面积小，投因此投资和项目运行成本低，可以处理较广硫化氢和氨浓度范围内的酸性污水对酸性水，侧线得到测线气中氨浓度较高，副产品氨的质量能够达到国家合格产品标准。目前，在我国的炼油和石化行业内已经广泛使用该单塔加压侧线采出汽提工艺来处理酸性污水，形成了我国独特的污水汽提技术路线，它是冶金、化工、炼油等行业用于处理含硫污水的一种非常理想的工艺。该工艺可以一次性处理大批量的污水，能力较强，并且从经济性出发，对于可以回收副产品氨或有出路的工厂，更加适合选择该工艺。

本次设计的工艺流程简图如图2.1所示，含硫含氨酸性污水经过脱气、脱油预处理后分成两股进入汽提塔，一股为热进料，与汽提塔底部得到的净化水和侧线气换热后进入汽提塔上部；另一股经冷却后从汽提塔的筒体顶部进入汽提塔内。共有三条产品线，一条为塔顶酸性气，硫化氢浓度较高，温度较低，从塔顶排出，然后经过分液操作后被送入下游装置制成硫磺；一条为侧线富氨气，通常是从塔的中上段部分采出，侧线气中氨浓度较高，温度较高，采出后经过三级冷凝再分液，得到粗氨气，再经过精制得到液氨。另一条产品线是净化水，净化水从塔底流出并与原料水交换热量，冷却后离开装置。

图2.1 工艺流程简图

2.2 体系分析

为达到汽提分离效果，考察酸性污水中的杂质硫化氢和氨的物理性质和化学性质，可知该酸性污水是一种NH₃-H₂S-H₂O三元组分体系(因本次设计的装置需要处理的原料污水CO₂含量很小，基本可以忽略不计，所以不考虑CO₂的影响)。不难发现，该体系是一种弱电解质体系，包含多种化学反应，存在着多种电离平衡、化学反应平衡和相平衡。因此，学会控制达到电离平衡、化学反应平衡和相平衡的条件，如何使各平衡发生移动，是选择达到分离效果使净化水达标、分别充分回收硫化氢和氨以及使能耗最低目的的最佳操作条件最佳操作条件的关键所在。该体系是一种弱电解质体系，包含如下各种化学反应:

(1)水的电离平衡：2H₂O=H₃O OH^-

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