吸收法處理二氯甲烷廢氣的模擬計算及優(yōu)化

陳偉民，孫玉玉，李偉偉

（1.南京源恒環(huán)境研究所有限公司；2.中建安裝集團有限公司，南京 210009）

當前，二氯甲烷作為一種應用非常廣泛的有機溶劑，被大量用于醫(yī)藥、化工、紡織和涂料等行業(yè)[1]。但是，二氯甲烷具有較大的毒性，對環(huán)境和人體健康造成很大的威脅，1976年已經(jīng)被美國環(huán)境保護局列入65 類有毒污染物清單中[2]。

針對二氯甲烷等含氯有機物的治理，人們已經(jīng)探索出多種治理方法，其中較為成熟的有冷凝、吸附、焚燒和氧化還原等方法，此外，生物降解技術、催化燃燒技術、吸收-催化聯(lián)合技術等新型技術也不斷發(fā)展[3-7]。但是，它們存在二次污染，如產(chǎn)生活性炭危廢，焚燒產(chǎn)生二噁英、氯氣等有毒有害氣體。

吸收是一種有效降低二氯甲烷尾氣濃度的方法，通過吸收劑的再生，可以達到循環(huán)使用的目的，不產(chǎn)生二次污染[8]。本文采用流程模擬軟件Aspen Plus對二氯甲烷廢氣分離過程進行研究，確定吸收劑種類、吸收流程和吸收塔操作參數(shù)，同時在理論計算的基礎上進行試驗認證，為工業(yè)廢氣凈化設計奠定了基礎。

1 廢氣組成及計算要求

本工藝流程所涉及的主要組分為二氯甲烷、DMF、水。常壓下，三者的物性如表1所示。

表1 組分的物性

廢氣進氣量為1 000 m3/h，其中二氯甲烷的濃度為1 000 mg/m3。模擬計算擬達到的要求為：出氣二氯甲烷含量小于5 mg/m3，吸收劑含量小于5 mg/m3。

2 模擬計算與結果優(yōu)化

采用Aspen Plus 嚴格精餾吸收模型進行模擬計算，采用二級吸收對二氯甲烷廢氣系統(tǒng)進行吸收過程模擬計算，分析研究規(guī)律變化，為實際應用打下基礎。二氯甲烷吸收流程如圖1所示。

圖1 二氯甲烷廢氣凈化流程

流程說明如下：二氯甲烷廢氣從吸收塔1 底部進入，與吸收劑1 在吸收塔內逆流接觸，吸收除去，塔釜吸收液經(jīng)解析再生循環(huán)使用，塔頂一級凈化氣進入到吸收塔2 中；在吸收塔2 中與吸收劑2 發(fā)生逆流接觸，除去吸收劑1 和少量二氯甲烷，塔釜吸收液解析后循環(huán)使用，塔頂尾氣達標排放。

2.1 吸收劑的篩選

吸收劑的類型對吸收效果存在很大影響，吸收劑要對吸收組分有著較強的溶解性?？紤]到二氯甲烷屬于極性有機溶劑，通過相似相容原理，本文首先分別以乙二醇、乙醇、二甲基乙酰胺、DMF 為吸收劑，分別考察了其吸收效果和出口吸收劑濃度的影響，結果如表2所示。

表2 不同吸收劑吸收效果

從表2 可以看出，除乙二醇外，三種吸收劑乙醇、二甲基乙酰胺、DMF 均可作為二氯甲烷廢氣的吸收劑。

以乙醇作為吸收劑，乙醇出口濃度偏高，再以水作為二級吸收劑可以實現(xiàn)對乙醇的吸收和除去，但是由于乙醇與水共沸，分離回收乙醇難度較大；以二甲基乙酰胺作為吸收劑，在相同的流量下，其吸收效果不及乙醇、DMF，同時二甲基乙酰胺來源也不廣泛、價格也比較昂貴，實用性也較差；在相同的流量下，DMF 作為吸收劑，吸收效果較乙醇、二甲基乙酰胺好；其作為一種溶劑，來源較為廣泛、易得。雖然吸收塔出口濃度較二甲基乙酰胺高，但是以水作為吸收劑可以將DMF 完全吸收下來，同時DMF 與水不存在共沸，分離回收相對容易，可以實現(xiàn)DMF、水的閉合循環(huán)。綜上所述，選定DMF 作為二氯甲烷廢氣的一級吸收劑。

2.2 吸收塔1 模擬優(yōu)化

以DMF 為吸收劑，本研究分別考察了塔板數(shù)對吸收效果、吸收劑用量的影響，具體情況如圖2、圖3所示。

圖2 尾氣濃度與塔板數(shù)的關系

從圖2、圖3 可以看出，隨著塔板數(shù)的增大，塔頂二氯甲烷濃度越來越低；當塔板數(shù)為12 時，塔頂二氯甲烷濃度小于5 mg/m3。因此，選定塔板數(shù)12 塊。

當進料流量為1 100 kg/h 時，塔頂二氯甲烷濃度小于5 mg/m3。繼續(xù)增大進料流量，二氯甲烷出氣濃度變化很小，因此選定DMF 流量為1 100 kg/h。在最優(yōu)的吸收分離條件下，吸收塔1 的吸收結果如表3所示。

表3 吸收塔1 吸收結果

從表3 可以看出，采用DMF 作為吸收劑，可以滿足相關要求，即吸收塔1 出口氣濃度中二氯甲烷的濃度小于5 mg/m3，但是出口氣體中DMF 濃度較高，需要進行處理達標后排放。

2.3 吸收塔2 模擬優(yōu)化

考慮到DMF 時強極性溶劑，與水可以無限混溶，同時水與DMF 不存在共沸等問題，易于分離回收再循環(huán)，因此用水作為吸收塔2 的吸收劑。以水作為吸收劑，吸收效果如表4所示。

表4 吸收塔2 吸收結果

從表4 可以看出，以水作為吸收劑，尾氣二級出口中二氯甲烷、DMF 的含量能夠降到5 mg/m3以下，滿足要求。

3 試驗論證

采用鼓泡、稀釋法配置二氯甲烷廢氣濃度1 000 mg/m3的廢氣，采用自制吸收塔對吸收過程進行研究，分別得到吸收塔1、2 塔頂出氣組成。具體試驗結果如表5所示。

表5 吸收塔吸收結果

從表5 可以看出，出氣濃度與模擬計算基本一致，模擬計算結果正確。

4 結論

采用兩塔串聯(lián)吸收二氯甲烷廢氣，最終出氣二氯甲烷濃度降到5 mg/m3以下。經(jīng)模擬計算，本研究確定吸收塔1 塔板數(shù)12 塊，最佳進料量1 100 kg/h。試驗驗證表明，結果相差不大，滿足工業(yè)放大需求。