炼油厂酸性水汽提系统技术经济评价与设计开发外文翻译资料

 2022-08-09 11:31:47

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

炼油厂酸性水汽提系统技术经济评价与设计开发

Umer Zahid

摘要：随着人们越来越重视改善能源性能和严格的环境法规，有必要在工业中循环利用水资源。炼油厂消耗大量的水，这提供了一个以高效方式对其进行再加工的机会。针对炼油厂酸性水回用装置中酸性水汽提装置的设计与仿真进行了研究。汽提塔去除酸性水中的H2S和NH3，使其可循环用于各种工艺。通过工艺模拟，分析了酸性水汽提装置的节能降耗前景。已经开发了各种替代设计，以寻求通过提高能源效率或降低酸性水汽提装置成本来改进工艺。本文提出了一种新的设计方案，与传统的设计方案相比，可以减少约53%的能耗。研究结果为改善炼油厂酸性水装置的性能提供了有意义的能源和经济分析。

关键词：酸性水汽提；节能；工艺模拟；经济分析

一、引言

世界各地的炼油厂每天加工数千桶原油，用于生产各种石油产品。原油中的硫含量应在加工过程中经过不同阶段去除。原油加工过程中大量的硫化氢（H2S）、氨（NH3）和二氧化碳（CO2）在水相中部分分解成离子，称为酸性水。除硫化氢外，氨水和二氧化碳还可能含有酚类和氰化物等其他污染物。炼油厂从各种工艺中产生大量的酸性水，这些酸性水应经过处理后才能重新利用或处理。酸性水汽提是任何炼油厂去除酸性水中主要污染物（如H2S和NH3）的不可分割的一部分。Armstrong等1998) 将酸性水汽提塔称为炼油厂的“净化器”。炼油厂酸性水的主要来源是常压蒸馏塔、减压蒸馏塔、延迟焦化、加氢脱硫剂（HDS）、流化催化裂化（FCC）装置、胺再生装置、克劳斯工艺和减粘裂化分馏器（Addington 等，2011；Armstrong等，1998；Lieberman，2013）。

严格的环境法规、提高工艺效率和降低装置损失以获得经济效益是汽提水回用的主要驱动力。在典型的炼油厂装置中，剥离的酸性水可在原油脱盐段重复使用，以去除氯盐，从而抑制下游蒸馏塔中HCl的形成（Lieberman，2013）。汽提水也可用于加氢处理装置中，以去除氨气硫化物，否则可能导致冷凝器在二氧化碳存在下严重堵塞(Gai等.,2008)。过去的许多研究都集中在如何在满足环境法规要求的同时降低酸性水汽提工艺的能耗要求上。酸水汽提塔可采用多种配置方式，包括塔配置、冷凝再沸器系统和汽提方法。

一些酸性水汽提器设计用于在一个塔中去除H2S和NH3，而另一种结构由两个汽提塔组成，其中H2S首先在第一个塔中去除，NH3在第二个塔中去除。这是因为与NH3相比，H2S在水中的可溶性较低，因此H2S更容易剥离。Addington 等(2011) 比较了酸性水汽提装置与釜式重沸器及汽提塔底注蒸汽的性能。他们用ProMax模拟了SWS的过程，发现现场注入具有优异的剥离性能，但是，以增加冷凝器负荷为代价。他们也比较了单塔汽提和双塔汽提的性能。结果表明，双塔操作成本较高，但当H2S和NH3需要作为单独的产品而不是混合气体时，这种结构很有吸引力。Inverno 等(2004) 使用Aspen HYSYSreg;模拟位于葡萄牙的SINES炼油厂的酸性水装置，提出有助于改善NH3汽提的操作条件。结果表明，提高塔温、降低塔压可以提高NH3的去除率。Weiland和Hatcher（2012）采用ProTreat基于速率的模拟模型研究了酸性水汽提过程。结果表明，根据塔板的流速和H2S的体积分数，塔板的总效率可以在15%到45%之间变化。Bellen (2009) 描述了酸性水汽提塔设计和操作的分步指南，并展示了使用Aspen HYSYS和PRO/II模拟器的过程模拟。Nabgan等（2016）比较了使用Aspen HYSYSreg;的单塔和双塔SWS工艺的运行性能。结果表明，双塔模型中NH3的脱除率为100%，而单塔模型中NH3的脱除率仅为24%。Sharma和Nag（2009）分析了安装在印度一家炼油厂的酸性水汽提装置的设计改进，以提高酸性水进入汽提器之前的H2S回收率。利用Chemcad对SWS工艺进行了模拟，结果表明，通过在汽提塔上游安装一个热闪蒸罐，可以比基础设计多回收约7.5%的H2S。Lee 等 (2004) 使用Aspen Plus模拟了安装在韩国浦项钢铁厂的双塔结构SWS系统。结果表明，通过优化进料位置、进料温度和回流比可以提高装置的性能。他们的研究结果还表明，原料中二氧化碳含量的增加会对SWS的性能产生负面影响。Nagpal（2014）使用基于平衡的模型和基于速率的模型对SWS系统进行了比较，以估计托盘效率。他得出的结论是，与行业实践相比，基于速率的模型计算出的托盘效率要高得多。Morado等(2019)使用Aspen HYSYSreg;对酸性水汽提装置进行动态模拟，并使用替代模型预测过程中的限制点。Minier-Matar 等(2018)提出应用疏水膜接触器去除酸性水中的H2S。Kazemi等（2017）提出了SWS装置的蒸汽再压缩系统，以减少汽提塔的能源需求。蒸汽再压缩利用压缩机所做的机械工作来加热塔顶气流并将其供应到塔底。这将增加顶部和底部产品之间的温度梯度，从而在它们之间实现有效的热传递。因此，塔的热量由压缩机工作提供，而不是使用冷热设备。结果表明，该方案可使投资和运行成本分别降低11.4%和14.9%。

尽管自几十年来，SWS系统已经在工业上安装并投入使用，但是，在改进其设计和性能方面的努力还不够。随着人们对环境问题和能源效率提高的日益关注，有必要研究SWS系统，它是炼油厂的一个重要单元。上述研究大多是对SWS系统进行仿真，并对其过程性能进行分析。然而，很少有研究在模拟中考虑托盘效率，没有详细的模型验证。除此之外，大部分的研究都集中在如何获得理想的汽提水组分上，而对工艺改进的研究很少。此外，据作者所知，公开文献中没有先前的研究引用酸性水汽提所需的成本信息。本研究的目的是利用流程模拟工具来分析酸水汽提塔流程，并藉由设计变更来改善流程绩效。现有的SWS系统首先使用商用过程模拟器Aspen HYSYS进行模拟。然后将模拟模型的结果与电厂数据进行对比验证，以了解模型的可靠性。本研究探讨SWS系统的各种设计修改，以提升其处理效能。本文提出了一种新的蒸汽压缩设计方案，并与文献报道的其它常规设计方案进行了比较。然后对设计修改的效果进行经济评价，以验证设计的可行性。

二、流程详细信息

炼油厂的平均耗水量在每加工一桶原油消耗60至90桶水之间（Byers等，1995）。这就产生了大量的废水，这些废水必须经过处理后才能重新利用或排放。近年来，炼油厂的水回用一直是人们关注的焦点，因为水回用具有潜在的经济效益。目前，处理废水的工业实践是先在一个地方收集所有的废水，然后在一个中央处理站进行处理。本研究探讨其中一种炼油装置，即从炼油厂的不同部分产生酸性水流，然后进行处理，以再利用汽提水。图1显示了产生大量酸性水的炼油装置的流程框图。原油进入CDU，在CDU中，各种原油馏分被分离，然后被输送到后续装置。实线表示石油组分的流动，虚线表示酸性水的流动。酸性水主要来自原油蒸馏（CDU）、减压蒸馏（VDU）、减粘裂化（VBU）和加氢脱硫（HDS）装置，收集在酸性水收集容器中。

收集容器的另一个目的是提供足够的地方，以便于从酸性水中分离气态和液态碳氢化合物。这样做是为了使酸水汽提塔的进料成分一致，避免操作和产品规格问题（Lee等，2004）。轻烃从收集容器顶部回收，而酸性水进料泵通过进料换热器提高温度后，将酸性水从收集容器引导至汽提塔。酸性水进入塔顶部的汽提塔。汽提塔可以是板式塔或填料塔，尽管板式塔在工业中更为常见。 Lieberman（2013）建议避免使用填料塔，因为通道问题和分馏效率差。汽提塔底部通过再沸器或新蒸汽注入（有时两者结合）提供热量。汽提水离开塔底，与来水换热冷却。塔顶气体离开塔顶，可以被输送到另一个装置（例如硫磺回收）进行进一步处理或输送到火炬总管。大多数酸性水汽提装置都有一个水洗冷却回路，用于清洗塔顶气体。

三、设计依据

本研究所考虑的酸水汽提装置的设计，是基于炼油厂对轻、重阿拉伯原油混合物的数据处理。酸性水汽提模拟使用Aspen HYSYS进行。供料规格和系统中的主要部件如表1所示。由于活度系数模型适用于极性组分和非理想体系，因此选择NRTL作为热力学性质包。NRTL数据包数据库中缺少一些二进制相互作用参数，这些参数是使用UNIFAC VLE系数估计方法估计的（Gai等，2016；Nabgan等，2016；Torres等，2013）。

3.1基本案例设计

本研究所考虑的原料是非酚性的，即酸性水主要含有H2S、NH3和少量CO2，不含酚组分。本研究模拟的基本案例设计如图2所示。来自不同的装置（40℃，4.92bar）的酸水首先以1.20bar的压力闪蒸到收集容器中，在那里轻烃被分离并被输送到总管。然后，酸性水给水泵将酸性水泵送至6.3bar的压力，然后再将其通过热交换器。进入汽提塔前进料/产品换热器将酸性水温度提高到60℃。汽提塔是一个带阀塔板，包含28个塔板。进料进入第7个板。液体侧流从第6块板抽出，冷却并泵回汽提塔的顶部。98℃侧抽液首先被泵到更高压力6.8bar，然后冷却到65℃，在循环回塔顶部之前使用空气冷却器。4bar和143℃的低压蒸汽是热虹吸式再沸器的加热介质。从塔底抽出的水进入再沸器的管侧，蒸发后返回塔中。121℃的水离开汽提塔底部，并使用汽提水泵泵送至18.3bar左右。然后冷与进料换热却到101℃左右。通过空冷器后汽提水进一步冷却到65℃，使用冷却水公用设施使温度降到40℃。为了达到所需的汽提温度，塔顶部和底部的压力分别保持在1.9bar和2.1bar。从汽提塔底部流出的汽提水的质量分数H2S和NH3应分别不超过10ppm和100ppm。

3.2模型验证

为了确定仿真模型的可靠性，利用工厂数据对仿真结果进行验证是一个重要步骤。一个经过验证的仿真模型可以在大范围的运行条件下预测工厂的性能. 模拟和实际数据之间的准确性也证实了该过程所采用的正确热力学包的使用。图3显示了酸水汽提塔的温度分布。图3所示的阶段编号约定是自上而下的。汽提塔共28个塔盘。酸水汽提塔由两部分组成，一部分位于塔盘1至塔盘6的顶部，另一部分位于塔盘7至塔盘28的顶部。清洗部分的温度从78℃升高到96.5℃然后在进料板下降到61.2℃左右。结果表明，塔板温度分布与塔板温度分布吻合较好。图4显示了通过柱体的大量液体流动。洗涤段的液体流量几乎是恒定的，在第6级下降，这代表了侧抽泵的循环。进料进入汽提塔的第7级液体流量显著增加。表2显示了仿真数据和实际数据之间的一些参数的比较。表2中所示的流编号/名称对应于图2中所示的术语。

所有重要过程变量的模拟结果均在实际数据的plusmn;5%范围内。执行模型验证时的另一个任务是确定托盘效率。塔板的性能和效率取决于设计、有效面积、堰长和高度、降液管面积等。由于从工厂数据中不知道有关塔板效率的信息，因此通过将模拟结果与工厂数据拟合来估计效率。结果表明，汽提塔板的总效率约为15%，这是工业酸性水汽提塔的典型值（Hatcher and Weiland，2012；Nagpal，2014）。

四、替代设计

探索常规酸水汽提装置的节能机遇，提高工艺性能，本研究考虑了三种设计方案。替代设计基于能量集成和过程强化的概念，以减少供热和制冷设施，从而降低运行成本。所考虑的工艺方案是简单的汽提塔、分流和蒸汽压缩设计。

4.1简单汽提塔

大多数新的工业汽提塔装置与本设计方案相似。这种设计的主要区别在于，与基础壳体设计相比，没有冷凝器。图5示出了用于简单汽提塔设计的工艺流程方案。进入汽提塔之前酸水进料用汽提水预加热到60℃。通过再沸器提供热量来维持汽提水的纯度要求。从6级抽出液相侧抽，然后使用空气冷却器冷却至65℃，并返回到塔的顶部。塔顶蒸汽流主要由H2S、NH3和水组成。这种设计，顾名思义是简单的，没有冷凝器，可以节省冷却效用和一些资本成本，同时满足纯净水的要求。

4.2分流设计

此设计基于将汽提塔的入口进料分成两个进料流，分别在塔

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[239328]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章