回收有機(jī)廢水中乙醇-叔丁醇的工藝模擬與優(yōu)化

孫 瑩,趙艷菲,王豪杰,王許云

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院,山東 青島 266000)

高濃度有機(jī)廢水對水體環(huán)境污染程度大，處理難度高，若直接排放將造成環(huán)境污染以及有價值產(chǎn)品的浪費(fèi)，因此有機(jī)廢水中有機(jī)物的分離和回收是國內(nèi)外環(huán)保的重要課題之一[1]。天津大學(xué)韓振為[2]等針對含有甲醇和二氧六環(huán)的乙醇-水共沸體系，選擇環(huán)己烷為共沸劑，采用共沸精餾兩塔流程實(shí)現(xiàn)了脫水；章連眾[3]等人研究了不同醇-水-低共熔溶劑的氣液相平衡問題，指出以低共熔溶劑為萃取劑的精餾方法對乙醇-水物系的分離有良好的效果；在萃取精餾法分離醇水物系的過程中，Kroon課題[4-5]組研究出合適的LTTMs打破了乙醇-水共沸體系；李豪[6]等通過模擬發(fā)現(xiàn)，以甘油為萃取劑，對異丁醇-乙醇-水體系的分離效果更好，工藝操作條件更簡單，設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用更低。

本文以含有乙醇與叔丁醇的有機(jī)廢水為研究對象，建立過程模型，并對其分析優(yōu)化，得到最優(yōu)生產(chǎn)工藝。

1 萃取精餾過程的模擬

本文以處理量為18t/h，含水88%，含乙醇8%，含叔丁醇4%的有機(jī)廢水為研究對象，熱公用工程為0.5MPa(表壓強(qiáng))蒸汽，冷公用工程為30℃循環(huán)水，進(jìn)行萃取精餾工藝流程模擬。

1.1 物性方法及萃取劑的選擇

水-乙醇-叔丁醇物系屬于強(qiáng)極性非電解質(zhì)真實(shí)溶液體系，有二元交互作用參數(shù)與液液平衡數(shù)據(jù)。根據(jù)該體系的物性特點(diǎn)，本文選擇的物性方法為UNIQUAC。

常用作萃取劑的物質(zhì)有苯、丙三醇、甘油和乙二醇等。在現(xiàn)有的公用工程的加熱和冷卻能力下甘油不能選用；乙二醇的極性較大、沸點(diǎn)高，常用于分離醇類體系，且乙二醇價格相比其他萃取劑價格低廉[7]。因此本文選擇乙二醇為萃取劑。

1.2 工藝流程的確定

本文采用萃取精餾[8]的方法，利用四個塔對原始廢水進(jìn)行處理，依次分離出大部分水、乙醇、叔丁醇和剩余的少量水。

首先在濃縮脫水塔T1的塔底將大部分的水除去，剩余的乙醇、叔丁醇和少量水進(jìn)入乙醇分離塔T2；同時向塔T2加入萃取劑乙二醇進(jìn)行萃取精餾，塔頂餾出物為達(dá)標(biāo)乙醇，塔釜采出的叔丁醇、乙二醇和少量水進(jìn)入叔丁醇分離塔T3；同時向塔T3加入乙二醇，塔頂采出達(dá)標(biāo)的叔丁醇，塔釜采出的乙二醇和少量的水進(jìn)入萃取劑回收塔T4進(jìn)行分離。從節(jié)約成本的角度考慮，塔T4塔釜的乙二醇經(jīng)換熱冷卻進(jìn)入塔T2和塔T3進(jìn)行循環(huán)利用[9]。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖
Fig.1 Process Flow Chart

2 萃取精餾過程的優(yōu)化

2.1 精餾塔操作參數(shù)的優(yōu)化

為了降低系統(tǒng)設(shè)備投資和能量消耗，對精餾塔的回流比、理論塔板數(shù)、進(jìn)料量、進(jìn)料位置等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[10]。本文以塔T1為例說明具體優(yōu)化過程。

2.1.1 質(zhì)量回流比的優(yōu)化

在精餾操作中，選擇適宜的回流比對分離效果和經(jīng)濟(jì)性都有著重要的影響。回流比增大，理論塔板數(shù)減少，而塔釜熱負(fù)荷增大，操作費(fèi)用隨之增大。以T1塔釜采出的水的流率與純度為指標(biāo)，對T1的回流比進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 質(zhì)量回流比的優(yōu)化
Fig.2 Optimization of Mass Reflux Ratio

由圖2可知，當(dāng)回流比為2時塔釜采出率以及塔釜采出水的質(zhì)量純度基本保持不變，為了減小操作成本，選取T1質(zhì)量回流比為2。

2.1.2 T1理論塔板數(shù)的優(yōu)化

以T1塔釜采出的水的流率與純度為指標(biāo)，對T1的理論塔板數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 T1理論板數(shù)的優(yōu)化Fig.3 Optimization of The Number of Theoretical Plates

由圖3可知，理論塔板數(shù)為32時，塔釜水的質(zhì)量流率及純度達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定，為了減少操作費(fèi)用，將塔板數(shù)優(yōu)化設(shè)定為32塊。

2.1.3 塔釜采出量的優(yōu)化

圖4 塔釜采出量的優(yōu)化
Fig.4 Optimization of Bottom Extraction Amount

對釜液質(zhì)量流率進(jìn)行靈敏度分析后發(fā)現(xiàn)，塔釜采出水的質(zhì)量流率隨塔釜采出流率增大而增大，但水的純度基本不變，所以選擇T1塔釜采出質(zhì)量流率為15600kg/h。

2.1.4 原料進(jìn)料位置的優(yōu)化

以塔釜水的流率及純度為指標(biāo)，考察原料進(jìn)料位置對精餾塔分離效果的影響，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 進(jìn)料板的優(yōu)化
Fig.5 Optimization of Feed Plate

由圖5可知，隨著原料進(jìn)料位置的降低，塔釜水的流率及純度呈先上升后下降的變化趨勢。綜合考慮，將T1的原料液進(jìn)料位置確定為第24塊。

2.2 各塔操作參數(shù)匯總

同樣，對其余各塔進(jìn)行靈敏度分析，可得到各塔最優(yōu)的設(shè)計、操作參數(shù)，匯總見表1。

表1 各塔操作數(shù)匯總表Table 1 Summary Table of Operands of Each Tower

3 小結(jié)

通過Aspen Plus模擬計算，以乙二醇為萃取劑，用于叔丁醇-乙醇-水體系的分離，可以使乙醇和叔丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在98%以上，排放的廢水中乙醇、叔丁醇的含量均小于50×10-6，從而實(shí)現(xiàn)叔丁醇、乙醇的有效回收和有機(jī)廢水的達(dá)標(biāo)排放。本文的模擬結(jié)果可以為進(jìn)一步的工業(yè)放大實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。