煤氣化酚氨廢水處理溶劑汽提塔優(yōu)化研究

【摘 要】為了使酚氨廢水處理過程中的溶劑汽提塔在設(shè)備設(shè)計(jì)上得到優(yōu)化，使用Aspen Plus對(duì)該塔進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到了最優(yōu)理論板數(shù)、最佳進(jìn)料位置和最優(yōu)回流流量。所得設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果，可以很好地用于指導(dǎo)工藝及設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新改造，具有重要的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】酚氨廢水處理；Aspen Plus；模擬優(yōu)化

【Abstract】In order to optimize the equipment design of the solvent stripping tower in the phenol-ammonia wastewater treatment process. This tower is optimized respectively in designed by Aspen Plus. The parameters like the optimal theoretical number of stages in a column， feed stage and reflux rate of flow are obtained by designed optimization. The results of designed optimization are used to guide the technical innovations and equipment design. It has significant guiding importance in daily producing works.

【Key words】Phenol-Ammonia Wastewater Treatment， Aspen Plus， Simulation and Optimization

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，天然氣的需求量不斷增加。近日，國家發(fā)改委發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，今年冬季我國天然氣總需求量為882億立方米，總供應(yīng)量820億立方米，缺口62億立方米。2030年中國天然氣需求量將超過5500億立方米。

為了緩解天然氣的需求量，“十一五”到“十二五”期間，碎煤加壓氣化合成天然氣的技術(shù)在國內(nèi)得到較為廣泛的應(yīng)用。這一過程產(chǎn)生大量的成份復(fù)雜的酚氨廢水，一般采用化工分離與生化處理相結(jié)合的煤氣化廢水處理工藝。化工分離過程包括脫酸、脫氨、萃取、萃取劑回收和萃取劑汽提等單元[1～3]。

酚氨廢水經(jīng)過脫酸脫氨后，還含有一定量的酚及其同系物。通過萃取，酚及其同系物進(jìn)入萃取物中，萃余物中含有少量的萃取劑和大量的水，萃余物經(jīng)過萃取劑汽提塔進(jìn)行汽提在塔頂回收少量的萃取劑，塔釜達(dá)標(biāo)的水即可送生化處理。

統(tǒng)稱情況下萃取劑汽提塔又可以稱之為水塔或者溶劑汽提塔。因此萃取劑汽提塔的設(shè)計(jì)與操作狀況同去生化的出水指標(biāo)有直接關(guān)系，對(duì)該塔進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1工藝流程

研究過程使用Aspen PlusV7.1對(duì)水塔汽提過程進(jìn)行模擬，模擬時(shí)使用RadFrac模塊模擬汽提塔，使用Heater模塊模擬換熱器[4]。

物性方法選用選用WILS-NTH[5，6]。酚氨回收過程中水塔單元如圖1所示。水塔（C04）主要用于處理萃取后的稀酚水，這樣的廢水中含有少量的萃取劑二異丙基醚（DIPE），少量的氨和酚，微量的H2S和CO2。

由于萃取劑二異丙基醚的成本較高，且水塔塔釜出水指標(biāo)要求很高，為了能夠使廢水處理過程順利進(jìn)行，對(duì)水塔進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要。水塔的主要作用就是回收稀酚水中的二異丙基醚，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將廢水物系簡(jiǎn)化為水和二異丙基醚。

以某公司生產(chǎn)狀況為例，設(shè)計(jì)來料稀酚水的流量為298.118t/h，溫度為常溫，取25℃，壓力約為900KPa（壓力均為絕壓）。

稀酚水中所含二異丙基醚的濃度較低，取其中二異丙基醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。來料稀酚水F1同水塔塔釜熱物流在E13中進(jìn)行換熱，換熱后溫度約為65℃，進(jìn)入C04塔中作為熱進(jìn)料，這里模擬過程為開環(huán)的。

塔頂冷物料L為溶劑循環(huán)槽中的二異丙基醚，其流量為29.49t/h，溫度為40℃，回流進(jìn)料壓力0.6MPa。

2物性分析

二異丙基醚為醚類化合物，其沸點(diǎn)為68.46℃，它可以與水形成共沸物。在常壓下二者T-xy圖如圖2，常溫（25℃）下P-xy圖如圖3所示。

由圖2和圖3都可以很明顯看出，該物系形成了最低二元共沸物[6]。在常壓下，二者的共沸物的沸點(diǎn)約為62.36℃，共沸組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%，wt%）為水95.42%、二異丙基醚4.58%。

由于二元共沸物的形成，對(duì)于該物系的分離時(shí)就不能得到純的二異丙基醚。觀察T-xy圖可以發(fā)現(xiàn)，精餾過程中塔頂只能得到共沸物。

3設(shè)計(jì)優(yōu)化

在對(duì)精餾塔的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行調(diào)優(yōu)時(shí)，首先要確定它的可調(diào)設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)。按照精餾塔可調(diào)設(shè)計(jì)變量數(shù)的確定方法[7]：

=串級(jí)單元數(shù)+分配器數(shù)+側(cè)線采出單元數(shù)+換熱單元數(shù)

對(duì)于一個(gè)壓力設(shè)定，沒有測(cè)線采出，帶有一個(gè)塔頂全凝器和一個(gè)再沸器的精餾塔而言，其可調(diào)設(shè)計(jì)變量數(shù)個(gè)。

一般這5個(gè)設(shè)計(jì)變量可以認(rèn)為是回流溫度（或回流物系熱狀態(tài)如泡點(diǎn)回流）、總理論級(jí)數(shù)、進(jìn)料位置、采出液流率（采出液流量/進(jìn)料量流量）和回流比。

對(duì)于前文所建立的單效工藝模型，兩個(gè)塔都沒有測(cè)線采出，并設(shè)定塔頂冷凝器為全凝器，這樣每個(gè)塔的可調(diào)設(shè)計(jì)變量數(shù)就減少為4個(gè)。由于已經(jīng)設(shè)定了進(jìn)料的流量，對(duì)于可調(diào)設(shè)計(jì)變量采出液流率就可以轉(zhuǎn)化為采出液的流量。那么單效工藝模型中每個(gè)塔的4個(gè)可調(diào)設(shè)計(jì)變量就分別為：總理論級(jí)數(shù)、進(jìn)料位置、采出液流量和回流比。

在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，由于前面工藝影響，設(shè)定水塔壓力為110kPa，其它條件前文已經(jīng)敘述。而對(duì)于水塔模型，從圖中看出，塔頂冷凝器冷凝之后直接將采出的塔頂組分排入了溶劑循環(huán)槽，而沒有經(jīng)過分配回流再采出。故其沒有分配器，這里設(shè)計(jì)變量自由度又降低1，不能對(duì)采出率進(jìn)行優(yōu)化。故下邊對(duì)總理論級(jí)數(shù)、進(jìn)料位置和回流情況進(jìn)行優(yōu)化。

3.1總理論板數(shù)優(yōu)化

在設(shè)定完相應(yīng)參數(shù)以后，可以對(duì)水塔理論板數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，固定其它條件不變，設(shè)定進(jìn)料位置為3，對(duì)4至15塊塔板分別進(jìn)行衡算，查看塔頂氣相餾出物中二異丙基醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)每種塔板數(shù)下二異丙基醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行繪圖，如圖4所示。

從圖4可以很明顯看出，隨著塔板數(shù)的增多，剛開始是塔頂采出組分中二異丙基醚的含量略有下降。隨著塔板數(shù)的繼續(xù)增大，當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到9時(shí)，塔頂組分中二異丙基醚的含量突然增大，且這個(gè)含量接近于該壓力下的公費(fèi)組成。塔板數(shù)繼續(xù)增大時(shí)，塔頂組分中二異丙基醚的含量就不再變化，趨于平穩(wěn)。這樣就可以確定水塔最合適的理論板數(shù)應(yīng)當(dāng)為9塊。

3.2進(jìn)料位置優(yōu)化

將水塔塔板數(shù)確定為9之后，可以對(duì)水塔進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化?？梢苑謩e對(duì)進(jìn)料位置1至9塊塔板分別進(jìn)行計(jì)算，然后同樣得出不同進(jìn)料位置時(shí)塔頂組分中二異丙基醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。所得結(jié)果如圖5所示?？梢院苊黠@看出，塔頂組分中二異丙基醚含量隨著進(jìn)料位置的不斷下移而不斷減小。前幾塊板作為進(jìn)料位置時(shí)，塔頂二異丙基醚含量幾乎沒有多大變化，含量下降很小。這就可以選擇第1塊板作為進(jìn)料板，但是考慮工況改變，使得處理能力剛強(qiáng)，可以考慮將第3塊板作為進(jìn)料板。

這樣的規(guī)律在精餾過程中計(jì)較少見，可以看出共沸物同水的分離是很容易的。水的沸點(diǎn)在常壓下是100℃，而共沸物的沸點(diǎn)約為62.36℃，二者沸點(diǎn)相差較大，且二者物性差別也較大。故較容易分離。

3.3回流量?jī)?yōu)化

對(duì)于情況的優(yōu)化，由于塔頂采出沒有直接的回流，而是全部采出然后經(jīng)過其它方式直接在塔頂送入冷進(jìn)料，這樣沒辦法直接優(yōu)化回流比，這里對(duì)回流量進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)冷物流L的流量進(jìn)行改變，從2kg/s至15kg/s中，每間隔1kg/s進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算得到塔頂組分中二異丙基醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后繪圖如圖6所示。

從圖6的優(yōu)化結(jié)果看出，在4kg/s以下的回流量時(shí)，精餾過程無法順利完成。當(dāng)回流流量大于9kg/s時(shí)，塔頂餾出組分隨著回流量的加大而逐漸減小。當(dāng)回流量處于5kg/s至8kg/s時(shí)為最佳的回流流量。

其中當(dāng)回流流量為7kg/s左右時(shí)，塔頂餾出組分中的二異丙基醚含量最高。最優(yōu)的回流流量為7kg/s，25.2t/h。

綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化的最優(yōu)情況，在設(shè)備條件最佳的操作條件下，對(duì)應(yīng)的塔頂采出餾出物中含輕組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.1594%，已經(jīng)很接近操作條件下的共沸組成。塔釜餾出物中輕組分的含量為痕量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.94×10-13），幾乎為純水。在其它工段及操作單元操作正常的情況下，這樣的水塔操作條件能夠充分保證廢水處理的順利進(jìn)行。

4結(jié)論

經(jīng)過對(duì)萃取劑汽提塔進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到最優(yōu)理論板數(shù)為9塊，最優(yōu)進(jìn)料位置為第3塊板，最優(yōu)回流流量為7kg/s，25.2t/h。建議水塔開多個(gè)進(jìn)料位置，可根據(jù)不同的情況調(diào)整進(jìn)料，得到更高二異丙基醚含量的塔頂采出物。

綜上所述，所得設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果，可以很好地用于指導(dǎo)工藝及設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新改造。對(duì)煤氣化酚氨廢水處理過程中的萃取劑汽提塔進(jìn)行模擬優(yōu)化，有利于廢水的順利處理和達(dá)標(biāo)排放，很好地保護(hù)了環(huán)境，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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