MVR熱泵精餾處理回收稀DMAC水溶液

楊德明，陶 磊，葉夢飛，杜 鵬

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164)

針對低濃度N，N－二甲基乙酰胺(DMAC)有機廢水的處理回收，目前比較節(jié)能的回收工藝一般采用多效精餾［1－4］，但能耗還是偏高。而機械蒸汽再壓縮(MVR)熱泵蒸餾技術［5－11］是將過程產生的二次蒸汽經壓縮機壓縮后，提高蒸汽的壓力、溫度和焓值，再將此高溫高壓蒸汽在換熱器中冷凝放熱，充分利用其二次蒸汽的潛熱，以達到大幅度節(jié)能的效果。

本文針對DMAC沸點(166℃)較高的特點，提出了三種不同的MVR精餾回收工藝，采用Aspen Plus化工流程模擬軟件，對三種工藝流程進行模擬計算和優(yōu)化，研究分析MVR熱泵精餾的特點，為DMAC廢水的回收處理和MVR熱泵技術在精餾領域的應用提供理論依據(jù)和設計參考。

1 基礎數(shù)據(jù)

模擬基礎數(shù)據(jù)見表1，規(guī)定塔底再沸器的傳熱溫差為15℃。精餾塔選用填料塔，類型為 Mellapak500X型規(guī)整填料，等板高度 HETP取 0.4 m［12］。

表1 基礎數(shù)據(jù)Table.1 Basic data

2 MVR熱泵精餾工藝流程

MVR熱泵一般適合于塔頂塔底溫差不大的蒸餾過程［13－15］。由于蒸汽壓縮機其壓縮比一般不會超過2，因此若塔釜溫度太高，經一次壓縮后的蒸汽冷凝溫度難以滿足塔釜換熱所需的溫差要求，為此筆者提出了以下三種工藝方案:(1)MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝;(2)三級MVR單塔精餾工藝;(3)三級MVR三塔精餾工藝。

2.1 MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝(方案1)

MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝流程見圖1。T1塔采用MVR熱泵蒸餾濃縮，T2塔采用常規(guī)精餾，兩塔均在常壓下操作。T1塔頂蒸汽V1進入壓縮機壓縮后升溫升壓，為T1塔底再沸器供熱，冷凝液經減壓后部分回流，部分作為廢水采出。T1塔釜液(DMAC濃縮液)進入T2塔，在T2塔內把剩余的水在塔頂脫除，T2塔釜液即為合格的DMAC成品。T1塔由壓縮蒸汽供熱，T2塔由外部蒸汽供熱。

圖1 MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝流程Fig.1 Schemeof MVR－convention double－tower distillation

2.2 三級MVR單塔精餾工藝(方案2)

三級MVR單塔精餾工藝流程見圖2。由于塔底得到的是DMAC成品，因此塔底物料的溫度約為155℃(DMAC含量為99%時的泡點溫度)。單級壓縮無法使塔頂蒸汽溫度滿足塔底傳熱溫差的要求，因此必需采用多級壓縮，以提高塔頂蒸汽溫度。根據(jù)塔底溫度以及規(guī)定的傳熱溫差(15℃)可知，離開末級壓縮機的蒸汽溫度應達到170℃(155+15=170℃，飽和溫度)，對應的壓力為0.8 MPa(絕)。該塔采用常壓操作，規(guī)定每級壓縮比為2，則采用三級壓縮即可滿足工藝要求。整個系統(tǒng)無需外部蒸汽供熱，全部能耗由壓縮機提供。

圖2 三級MVR單塔精餾工藝流程Fig.2 Scheme of three stage MVR distillation

2.3 三級MVR三塔精餾工藝(方案3)

三級MVR三塔精餾工藝流程見圖3。三個塔均在常壓下操作，塔頂蒸汽匯集后進入C1壓縮機。經一次壓縮的蒸汽部分為T1塔底再沸器供熱，部分進入C2壓縮機再次壓縮;二次壓縮蒸汽部分為T2塔底再沸器供熱，部分進入C3壓縮機第三次壓縮;三次壓縮蒸汽全部為T3塔底再沸器供熱。三個塔塔底換熱后的冷凝液經減壓后部分分配到各塔做回流，部分作為廢水采出。整個系統(tǒng)無需外部蒸汽供熱，全部能耗由壓縮機提供。

圖3 三級MVR三塔精餾工藝流程Fig.3 Scheme of three stage MVR － triplex－tower distillation

3 MVR熱泵精餾工藝模擬

選用Aspen Plus軟件中的RADFRAC模塊模擬計算精餾塔、Compr模塊模擬計算壓縮機。選用NRTL－RK物性計算方法，以能耗最低為目標函數(shù)對各工藝進行優(yōu)化計算。其中壓縮機的熱功比定義為制熱量與壓縮機的輸入功率之比，表示壓縮機熱功轉化的能力。

為考察比較以上三種MVR熱泵精餾工藝的節(jié)能效果，筆者對常規(guī)單塔精餾工藝進行了優(yōu)化模擬，結果見表2。

表2 常規(guī)單塔精餾模擬結果Table.2 Simulation results of convention single － tower distillation

表3 MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝模擬結果Table.3 Simulation results of MVR －convention doubletower distillation

3.1 MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝模擬結果

增加T1塔塔頂?shù)膹U水采出量，可以提高T1塔塔底DMAC的含量，導致塔底溫度升高，為此必須提高壓縮機的壓縮比才能保證塔底再沸器規(guī)定的傳熱溫差。因此T1塔塔底DMAC含量的高低勢必同時會影響壓縮機的功耗和T2塔的能耗。表3給出了不同T1塔塔底DMAC含量與各工藝參數(shù)以及能耗之間的關系。

由表3可以看出，隨著T1塔底DMAC含量的提高，總能耗先下降而后又上升?？紤]到目前壓縮機壓縮比的限制，因此采用壓縮比為2，即T1塔底DMAC含量為55.9wt%的工況，該工況的能耗為605.5 kW。

3.2 三級MVR單塔精餾工藝模擬結果

精餾塔采用常壓操作，若規(guī)定每級壓縮比為2，則采用三級壓縮即可滿足工藝要求。優(yōu)化模擬結果見表4，該工藝的總能耗為994.37 kW。

表4 三級MVR單塔精餾工藝模擬結果Table.4 Simulation results of three－ stage MVR singletower distillation

3.3 三級MVR三塔精餾工藝模擬結果

由于塔頂采出的水量與塔底物料中DMAC的含量有直接的關系，因此同時滿足塔底再沸器的熱負荷以及傳熱溫差條件，就要求與之對應的壓縮機的壓縮量和壓縮比也要相應的調整。在規(guī)定了每級壓縮比為2的條件下，利用軟件中的設計規(guī)定，對三級MVR三塔精餾工藝進行優(yōu)化模擬，結果見表5。

3.4 模擬結果匯總與綜合經濟效益評價

四種DMAC回收精餾工藝的能耗以及相應的熱功比結果見表6，表中的節(jié)能效果是以常規(guī)單塔精餾工藝為基準計算得出。綜合經濟效益用年總費用進行評價。年總費用(δ)主要由以下四部分組成:塔釜加熱蒸汽費用(α)、塔頂冷卻水費用(β)、壓縮機耗電費用(γ)以及設備折舊費(λ)。采用以下費用模型計算各精餾工藝的年總費用，假定設備使用周期為10年，結果一并見表6。

表5 三級MVR三塔精餾工藝模擬結果Table.5 Simulation results ofthree－stage MVR triplextower distillation

式中 CB——蒸汽單價/元·t－1;

CW——冷卻水單價/元·t－1;

CM——電價/元·(kW·hr)－1;

CC——塔的造價/元·m－3;

CA——換熱器造價/元·m－2;

Cy——壓縮機造價/元·臺－1;

QB——再沸器負荷/kW·a－1;

rB——蒸汽潛熱/kW·t－1;

Wa——冷卻水年消耗量/t·a－1;

WM——年消耗電量/kW·hr·a－1;

H——塔高/m;

A——換熱器總面積/m2;

φ——塔徑/m。

表6 各精餾工藝能耗與綜合經濟效益比較Table.6 Comparison of energy consumption and overall economic benefits for different schemes

由表6可以看出，采用MVR熱泵技術處理稀DMAC溶液，可大幅度節(jié)約回收過程的能耗，其平均節(jié)能效果到達81%，就其三種MVR熱泵精餾工藝而言，方案3的節(jié)能效果最好，且熱功比也比較大。但就綜合經濟效益而言，方案2(MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝)是一條比較合適的新型節(jié)能技術方案。

4 結論

(1)MVR熱泵精餾工藝非常適合處理類似稀DMAC溶液中有機溶劑的回收過程，可大幅度節(jié)約回收過程的能耗。

(2)單純采用多級壓縮以提高壓縮比的方式，會導致壓縮機熱功比的下降，并不能達到最佳的節(jié)能效果，應視物系的性質和濃縮程度而定。

(3)對于本文提出的回收體系，三級MVR三塔精餾工藝最為節(jié)能，與常規(guī)單塔精餾工藝相比，節(jié)能效果到達90.3%。但綜合經濟效益評價結果表明，MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝是一條最為合適的新型節(jié)能技術方案。

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