基于Aspen Plus的 1,2-二氯乙烷廢水汽提脫溶過(guò)程模擬與優(yōu)化

張振科，沈杰，張明亮(.浙江沙星科技有限公司，浙江 臨海 37000； .新鄉(xiāng)學(xué)院能源與燃料研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

1,2-二氯乙烷(EDC)是一種重要的有機(jī)合成原料，同時(shí)在精細(xì)化工領(lǐng)域又是重要的溶劑，其主要用于氯乙烯、三氯乙烯、乙二胺、三氯乙烷、亞乙烯基氯、四氯乙烯中間體等產(chǎn)品的合成和蠟、脂肪、橡膠等的溶劑[1-4]。在精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)遇到含EDC的低濃度廢水，由于EDC為生物難降解的揮發(fā)性有機(jī)氯化物[5]，所以在進(jìn)入廢水生化處理系統(tǒng)之前，需對(duì)該廢水進(jìn)行預(yù)處理，回收廢水中的EDC，達(dá)到經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)良性循環(huán)的目的。本文運(yùn)用Aspen Plus流程模擬軟件[6-8]，對(duì)某酸化萃取工段EDC廢水(流量2 500 kg/h，x(EDC)=0.9%，x(NaCl)=24.1%)汽提分離工藝過(guò)程進(jìn)行模擬，以期達(dá)到回收溶劑和降低廢水化學(xué)需氧量(COD)的目的；另外，通過(guò)靈敏度分析優(yōu)化工藝參數(shù)，為工業(yè)化設(shè)計(jì)提供理論參考數(shù)據(jù)。

1 物性方法選擇

Aspen Plus物性方法提供了一系列物性的計(jì)算模型和方法，用來(lái)計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)[9]；在模擬過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同物料體系和操作工況選擇正確的物性方法。曲云等[10]采用Aspen Plus軟件中的NRTL物性方法和RADFRAC模塊，考察了不同汽提介質(zhì)對(duì)二氯乙烷殘余量、二氯乙烷損耗量和汽提塔尺寸的影響；陶少輝等[11]采用Aspen Plus軟件中的NRTL物性方法，模擬和優(yōu)化了以環(huán)己烷、甲苯、二氯乙烷為共沸劑萃取精餾2-氯乙醇-水分離過(guò)程工藝條件，模擬結(jié)果能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合；梁燕等[12]利用Aspen Plus軟件ELECNRTL物性方法、Extract模塊和NRTL物性方法、RadFrac模塊，模擬和優(yōu)化了碳酸鉀水溶液萃取-精餾耦合分離甲苯、乙醇共沸混合物的工藝條件，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。以上研究表明，NRTL物性方法能夠較好的模擬二氯乙烷水體系，本文研究的有機(jī)廢水溶液存在電離平衡NaCl←→Na++ Cl-，屬于電解質(zhì)系統(tǒng)，因此本文模擬的物性方法選擇ELECNRTL模型[13]，該模型用于計(jì)算電解質(zhì)水溶液系統(tǒng)以及混合溶劑電解質(zhì)系統(tǒng)，當(dāng)電解質(zhì)濃度變?yōu)榱銜r(shí)，該模型就簡(jiǎn)化為NRTL模型。

2 汽提工藝流程

汽提過(guò)程工藝流程圖如圖1所示。廢水經(jīng)換熱器預(yù)熱后經(jīng)流股2從塔頂進(jìn)入汽提塔，與塔底通入的蒸汽經(jīng)逆流傳質(zhì)、傳熱后，廢水中的EDC以氣態(tài)形式從塔頂流出，汽提后的廢水從塔底流出。

圖1 汽提工藝流程圖

3 靈敏度分析

汽提過(guò)程的關(guān)鍵在于汽提塔，因此在整個(gè)模擬過(guò)程中首先以汽提塔為例，運(yùn)用靈敏度分析對(duì)其各主要操作進(jìn)行優(yōu)化，詳細(xì)分析各參數(shù)對(duì)汽提過(guò)程的影響。模擬初始操作條件為：廢水進(jìn)料量2 500 kg/h、理論塔板數(shù)30、蒸汽進(jìn)料量270 kg/h、廢水進(jìn)料溫度60 ℃、汽提塔操作壓力101 kPa。

3.1 塔板數(shù)對(duì)分離過(guò)程的影響

保持其他初始參數(shù)不變，改變汽提塔塔板數(shù)，考察塔板數(shù)對(duì)塔底廢水中EDC含量的去除效率，模擬結(jié)果如圖2所示。由圖可知，隨著塔板數(shù)的增加塔底EDC質(zhì)量分?jǐn)?shù)xw逐漸減小，20塊板之后xw減小幅度變化變緩。選擇20塊板作為汽提塔的塔板數(shù)。

圖2 塔板數(shù)對(duì)分離過(guò)程的影響

3.2 蒸汽流量對(duì)分離過(guò)程的影響

設(shè)定塔板數(shù)為20，保持其他參數(shù)不變，以蒸汽流量為分析變量，考察其對(duì)分離過(guò)程的影響，模擬結(jié)果如圖3所示，隨著蒸汽流量加大，塔底廢水中EDC含量xw逐漸降低，其中，蒸汽流量在220～540 kg/h區(qū)間增大時(shí)，EDC脫除率顯著提升，當(dāng)蒸汽流量大于540 kg/h時(shí)，EDC去除率逐漸趨于平衡，選擇蒸汽流量為540 kg/h。

圖3 蒸汽流量對(duì)分離過(guò)程的影響

3.3 廢水進(jìn)料溫度對(duì)分離過(guò)程的影響

不同廢水進(jìn)料溫度對(duì)塔底廢水中EDC含量的影響如圖4所示，隨著進(jìn)料溫度的升高，廢水中的EDC去除效率顯著提升，當(dāng)廢水進(jìn)料溫度超過(guò)100 ℃時(shí)，廢水中EDC含量逐漸趨于平衡。由圖4可知，提高廢水進(jìn)料溫度可以有效提升EDC的去除率，但同時(shí)也應(yīng)該綜合考慮操作成本，在滿足出水達(dá)標(biāo)的同時(shí)設(shè)定合適的進(jìn)料溫度。

圖4 廢水進(jìn)料溫度對(duì)分離過(guò)程的影響

3.4 操作壓力對(duì)分離過(guò)程的影響

以操作壓力為分析變量，其他操作條件不變，考察汽提塔操作壓力對(duì)EDC去除效率的影響，結(jié)果如圖5所示。隨著壓力的增加，汽提后廢水中的EDC含量逐漸升高，因此，在日常操作過(guò)程中，如果塔底廢水xw含量超標(biāo)，保持其他操作條件不變，可以通過(guò)減壓操作使塔底廢水xw達(dá)標(biāo)。

圖5 操作壓力對(duì)分離過(guò)程的影響

4 模擬結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)汽提塔各參數(shù)的靈敏度分析，優(yōu)化得到了汽提塔適宜的設(shè)計(jì)和各操作參數(shù)，如表1所示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的汽提塔塔底廢水EDC質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以降低到3.85×10-5，達(dá)到處理要求，塔頂EDC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.040 8，可以通過(guò)靜置分層后得到高濃度EDC。

表1 汽提塔主要工藝參數(shù)

5 工藝流程優(yōu)化

根據(jù)汽提塔各工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)工藝流程進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，以期達(dá)到降低能耗的目的，優(yōu)化后的工藝流程如圖6所示。含EDC廢水經(jīng)換熱器預(yù)熱后經(jīng)流股FH從塔頂進(jìn)入汽提塔，與塔底通入的蒸汽經(jīng)逆流傳質(zhì)、傳熱后，廢水中的EDC以氣態(tài)形式從塔頂流出，經(jīng)冷凝、靜置、分層后，得到有機(jī)層為高濃度EDC，水層返回廢水收集池中繼續(xù)汽提；塔底廢水經(jīng)泵送至換熱器熱交換后經(jīng)流股WC去廢水站進(jìn)行脫鹽處理。

圖6 汽提工藝流程圖

如圖7所示，考察了不同蒸汽流量條件下對(duì)廢水進(jìn)汽提塔溫度TFH、塔頂采出量FD和其EDC含量xD、塔底采出量FW和其EDC含量xW的影響；結(jié)果表明：隨著蒸汽流量從220 kg/h增加至780 kg/h，F(xiàn)W從2 513.31 kg/h下降至2 480.83 kg/h，F(xiàn)D從206.69 kg/h增大至799.17 kg/h，通過(guò)對(duì)比FW與FD發(fā)現(xiàn)，提高蒸汽流量FW略有下降而FD上升較快；另外，xD隨著塔頂采出量的增加而降低，xW隨著蒸汽流量增加而逐漸趨于零；TFH從100.40 ℃緩慢降至99.69 ℃，下降幅度不大，主要是因塔底廢水流量FW緩慢下降造成的。從能耗方面考慮，主要能耗為塔底蒸汽輸入量與塔頂冷凝器輸出量決定，隨著塔底蒸汽量增大，塔頂冷凝器冷負(fù)荷也同時(shí)增大。在蒸汽流量保持在540 kg/h時(shí)，主要流股模擬結(jié)果如表2所示。

圖7 蒸汽流量對(duì)分離過(guò)程的影響

表2 主要流股模擬結(jié)果

6 結(jié)論

運(yùn)用Aspen Plus流程模擬軟件對(duì)含EDC廢水汽提分離工藝過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)模擬計(jì)算。以汽提塔為例對(duì)各主要操作參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析，考察了各主要操作變量對(duì)汽提后廢水中EDC含量的影響，得到了汽提塔較優(yōu)的設(shè)計(jì)和各操作參數(shù)，如表1所示。通過(guò)對(duì)汽提工藝流程進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，確定了蒸汽流量在540 kg/h時(shí)各流股工況參數(shù)，如表2所示。以蒸汽流量為變量，考察了不同蒸汽流量條件下各流股工況參數(shù)變化情況，為工業(yè)化調(diào)試提供參考。