物料衡算法在化工環(huán)評工程分析中的應(yīng)用

孫佳佳

（江蘇省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，江蘇 南京 210042）

1 工程分析方法對比

環(huán)境影響評價報告中工程分析章節(jié)為報告的重中之重，決定了評價的針對性、合理性和準(zhǔn)確性。而工程分析中的污染物排放情況為工程分析的主要目的，是后續(xù)污染控制措施、環(huán)境影響預(yù)測、污染物總量控制的基礎(chǔ)。工程分析一般有類比分析法、實測法、實驗法、物料平衡計算法、查閱參考資料分析法等分析方法[1]。

類比分析法是利用與擬建項目類型相同的現(xiàn)有項目的設(shè)計資料或?qū)崪y數(shù)據(jù)進行工程分析的方法，是定量結(jié)果較為準(zhǔn)確的方法。但該方法要求時間長、工作量大。采用此法時，要求本項目與類比對象之間具有一定的相似性：包括建設(shè)項目的性質(zhì)、建設(shè)規(guī)模、車間組成、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝路線、生產(chǎn)方法、原料、燃料來源與成分、用水量和設(shè)備類型；污染物排放類型、濃度、強度與數(shù)量，排放方式與去向，以及污染方式與途徑等。

實測法是選擇相同或相似的工藝作為類比對象，通過實測的方法推斷本項目的污染物排放情況；實驗法是通過小試或中試的手段來確定關(guān)鍵的污染參數(shù)。查閱參考資料法是利用同類已有的環(huán)評資料或可行性研究報告等資料進行工程分析。此方法較簡便，但所得結(jié)果準(zhǔn)確度不夠。

物料衡算法是根據(jù)具體建設(shè)項目的產(chǎn)品方案、工藝路線、生產(chǎn)規(guī)模、原材料消耗以及治理措施，運用質(zhì)量守恒定律，即投入系統(tǒng)的總物料必須等于產(chǎn)品數(shù)量和物料流失之和，核算污染物排放量。該方法具有一定的針對性及可操作性，在化工項目環(huán)境影響評價中應(yīng)用廣泛。

2 物料衡算的方法

物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，凡引入某一系統(tǒng)或設(shè)備的物料重量Gm，必等于所得到的產(chǎn)物重量GP和物料損失量Gt之和，

即：Gm=GP+Gt。

物料衡算的基本資料是“技術(shù)經(jīng)濟定額指標(biāo)”，而技術(shù)經(jīng)濟定額指標(biāo)又是工廠在生產(chǎn)時間中積累起來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)因具體條件而異，如地區(qū)差別、機械化程度、原料品種、成熟度、新鮮度及操作條件等不同，選用時要根據(jù)具體條件而定。

在物料衡算過程中，應(yīng)先確定該過程的基本方程式和建立數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)了解工藝流程，生產(chǎn)過程具體用到的設(shè)備類型、數(shù)量、型號等，了解生產(chǎn)過程的具體控制參數(shù)（包括溫度、壓力、反應(yīng)時間等）。計算對象可以是全廠、某車間、某一生產(chǎn)線、某一產(chǎn)品，在一年或一月或一日或一個班次，也可以是單位批次的物料數(shù)量。

環(huán)評中的物料平衡與工程設(shè)計中物料平衡有所區(qū)別在于：工程設(shè)計中考慮主要原料和產(chǎn)品的投入和產(chǎn)出，而忽略了其他排入環(huán)境的那部分的損失量，在環(huán)評中物料平衡主要側(cè)重?fù)p失部分以何種形式和途徑進入環(huán)境[2]。

3 案例研究

3.1 某項目基本情況

2-溴-3，3，3-三氟丙烯是由溴素和三氟丙烯合成的一種性能較優(yōu)越的新型滅火藥劑，具有高效、環(huán)保的生態(tài)安全性和相容性，其在大氣中易降解，存活時間短，滅火產(chǎn)物中無HF和HBr，對環(huán)境無污染。使用前景廣闊。

3.2 工藝流程簡述

本項目以三氟丙烯及溴氣為原料，通過合成反應(yīng)生成2-溴三氟丙烯，反應(yīng)完全后加入氫氧化鉀水溶液，并以乙醇為溶劑發(fā)生消去反應(yīng)，生成2-溴-3，3，3-三氟丙烯和溴化鉀。工藝流程主要分為合成工段、消去工段、精餾提純工段、乙醇母液回收處理工段、溴化鉀過濾蒸發(fā)干燥工段。

3.3 物料衡算的具體方法

3.3.1 物料衡算的依據(jù)

根據(jù)項目的反應(yīng)方程式、轉(zhuǎn)化率確定化學(xué)單元的物料變化，根據(jù)反應(yīng)物、生成物、溶劑等參與生產(chǎn)過程的物料的沸點、熔點、溶解度等理化性質(zhì)及生產(chǎn)過程的溫度、壓力、時間等確定生產(chǎn)過程物理單元的出入平衡。

3.3.2 物料衡算的具體過程

（1）鹵代：利用物料泵將三氟丙烯氣體計量通入過濾器，過濾后通入反應(yīng)釜，與計量后的液溴在反應(yīng)釜中發(fā)生合成反應(yīng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為99.9%，反應(yīng)方程式為：

合成反應(yīng)在常溫常壓下進行，反應(yīng)時間為8 h，為保證生產(chǎn)過程的安全性，反應(yīng)過程中設(shè)備留有一泄壓管道，管道后接一冷凍罐，該過程部分未反應(yīng)的三氟丙烯及溴氣（G1-1）揮發(fā)，三氟丙烯揮發(fā)率約為10%，溴氣揮發(fā)率為4%。

（2）消去：通入氫氧化鉀水溶液，并以乙醇作為溶劑，使氫氧化鉀與合成反應(yīng)生成的2-溴三氟丙烯發(fā)生消去反應(yīng)，反應(yīng)過程中氫氧化鉀過量；同時，上步合成反應(yīng)中過量的溴素被帶入消去反應(yīng)釜中，溴素與水和過量的氫氧化鉀反應(yīng)生成溴化鉀。

2-溴三氟丙烯與氫氧化鉀反應(yīng)方程式如下：

2溴三氟丙烯+氫氧化鉀→2-溴-3，3，3-三氟丙烯+水+溴化鉀

156 160 256 18 103

溴素與水和氫氧化鉀的反應(yīng)如下：

2Br + 2H2O = 4HBr + O2

320 36 324 32

HBr +KOH = KBr + 水

81 56 119 18

消去反應(yīng)在常溫常壓下進行，反應(yīng)時間為8 h。

（3）精餾提純冷凝：消去反應(yīng)完成后，生成產(chǎn)品2-溴-3，3，3-三氟丙烯以及溴化鉀、水和少量氧氣，物料中除上述物質(zhì)外還有過量的氫氧化鉀，作為溶劑的乙醇以及反應(yīng)中未完全反應(yīng)的三氟丙烯。產(chǎn)品2-溴-3，3，3-三氟丙烯的沸點為34℃，精餾過程將溫度控制在45℃，壓力為常壓，精餾7 h，脫出的2-溴-3，3，3-三氟丙烯經(jīng)冷凝裝置二級冷凝，冷凝溫度為-7℃，冷凝時間為7 h，包裝待售。該過程中有不凝氣（G1-2）產(chǎn)生，其中氧氣、三氟丙烯全部飛出，2-溴-3，3，3-三氟丙烯冷凝效率為99.9%，乙醇冷凝效率為99.2%，水冷凝效率為98.8%。

（4）蒸餾冷凝：精餾提純后的精餾殘液轉(zhuǎn)入蒸餾塔常壓蒸餾，對乙醇進行提濃，蒸餾溫度為85℃，單批次蒸餾時間為10 h，預(yù)計年運行120個批次。乙醇和水在70℃時達(dá)到共沸，少量水隨乙醇被蒸出，脫出的乙醇經(jīng)二級冷凝后循環(huán)套用。該工序有不凝汽（G1-3）產(chǎn)生，冷凝效率為98%。

（5）離心分離：將蒸餾提濃后的蒸餾釜底殘液轉(zhuǎn)入離心過濾設(shè)備中過濾，將固體與液體分離，過濾出溴化鉀晶體，分離效率根據(jù)溴化鉀在水中溶解度確定。與下步蒸發(fā)冷凝再離心分離后的溴化鉀晶體一起進行干燥處理。

（6）蒸發(fā)冷凝：離心過濾后的濾液中主要物質(zhì)為乙醇、水、氫氧化鉀及少量的溴化鉀，該工序利用結(jié)晶器對離心分離后的濾液進行蒸發(fā)，將乙醇和水蒸出并冷凝，蒸發(fā)溫度為95℃，單批次蒸發(fā)時間為10 h，預(yù)計年運行120批次。蒸出的蒸氣經(jīng)冷凝裝置冷凝后進入廢水，冷凝效率為94%。該工序有不凝汽（G1-4）和廢水（W1-1）產(chǎn)生。

（7）離心分離：蒸發(fā)后殘液轉(zhuǎn)入離心機中過濾，將固體與液體分離，過濾出溴化鉀晶體，離心效率根據(jù)溴化鉀在水中溶解度確定。該工序有離心分離液回用至消去工段。

（8）干燥：對過濾后的溴化鉀利用烘干機進行干燥，去除溴化鉀中攜帶的乙醇及水，干燥溫度為120℃，單批次干燥處理5 h，預(yù)計年運行144批次。干燥完成的溴化鉀晶體包裝待售。該工序有干燥廢氣（G1-5）產(chǎn)生。

（9）物料平衡小結(jié)：根據(jù)以上生產(chǎn)過程中的參數(shù)，可以繪制相應(yīng)的物料平衡圖，給出每步工藝的進項及出項，得出三廢產(chǎn)生情況，具體見圖1及表1。

表1 項目物料平衡表/（t/a）

4 結(jié)論及展望

目前，由于化工企業(yè)對將要建設(shè)的項目的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及物理過程的分離參數(shù)了解有限，有的企業(yè)在項目建設(shè)前甚至無技術(shù)人員，因此企業(yè)無法給出項目中各工藝的物料分離效率等參數(shù)，環(huán)評中的各參數(shù)基本為評價人員根據(jù)現(xiàn)有論文或按物料的理化性質(zhì)確定，較為理論化和理想化。在實際生產(chǎn)中，操作條件的變動很容易造成各工藝效率的變化，從而引起三廢產(chǎn)生量的變化，導(dǎo)致環(huán)評數(shù)據(jù)失真。

為提高環(huán)評數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，建議環(huán)評報告工程分析內(nèi)容可采取實測法、實驗法與物料平衡法相結(jié)合的方式，根據(jù)相同或相似的企業(yè)的實際生產(chǎn)情況，或通過小試中試手段確定關(guān)鍵參數(shù)，再通過物料平衡法確定入方及出方，以推算出污染物的產(chǎn)生情況。

圖1 本項目物料平衡圖