廢水中回收醋酸ASPEN模擬

（國(guó)環(huán)危險(xiǎn)廢物處置工程技術(shù)（天津）有限公司，天津 300280）

1 含醋酸廢水中回收醋酸的意義

醋酸的用處非常廣泛，可以用作各種調(diào)味劑，同時(shí)也是抗微生物劑，醋酸是我國(guó)應(yīng)用最早、使用最多的酸味劑，主要用于復(fù)合調(diào)味料、配制蠟、罐頭、干酪、果凍等。用于調(diào)味料時(shí)，可將醋酸加水稀釋至4%～5%溶液后，添加到各種調(diào)味料中應(yīng)用[1]。醋酸能夠生產(chǎn)醋酸乙烯、醋酸酯和醋酸纖維素等。聚醋酸乙烯酯可用來(lái)制備薄膜和粘合劑，也是合成纖維維綸的原料。醋酸纖維蘇可制造人造絲和電影膠片。醋酸酯是優(yōu)良的溶劑，廣泛用于油漆工業(yè)。醋酸還可用來(lái)合成乙酐、丙二酸二乙酯、乙酰醋酸乙酯、鹵代醋酸等，也可制造藥物如阿司匹林等[2]。同時(shí)，在農(nóng)藥等有機(jī)化工中也有廣泛應(yīng)用。醋酸始終為食品業(yè)中重要的添加劑[3]。同時(shí)，食醋便是醋酸用水勾兌而成，食醋的濃度通常在4%～5%[4]。同時(shí)，很多飲料食醋也是重要的調(diào)味添加劑。由于醋酸的pH值能夠使微生物失活，所以醋酸也具有防腐的功效，可以當(dāng)做防腐劑使用。

醋酸做為一種非常重要的有機(jī)化工原料，從含醋酸的廢水中回收醋酸，不僅可以有效減少?gòu)U水處理的難度[5]，同時(shí)，回收的醋酸也具有很高的經(jīng)濟(jì)性。

2 對(duì)某組分含醋酸廢水進(jìn)行模擬

某公司生產(chǎn)某碳三下游產(chǎn)品時(shí)，選用了新技術(shù)、新工藝，該技術(shù)將產(chǎn)生含醋酸廢水。年排廢水量16萬(wàn)t，醋酸含量10%左右，廢水的具體原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 廢水組成表

廢水規(guī)格數(shù)據(jù)為：溫度 35℃；壓力8bar；流量20062kg·h-1；流量 1033.83kmol·h-1；流量 20.51m3·h-1。

2.1 物性方法的選擇

醋酸具有較強(qiáng)的締合性[6]，根據(jù)此類(lèi)物系進(jìn)行模擬時(shí)，物性方法適宜選用NRTL-HOC模型[7]，即液相選用活度系數(shù)方程N(yùn)RTL進(jìn)行計(jì)算，而汽相選用Hayden-O’Connel狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。

2.2 簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模塊DSTWU模擬

精餾塔選用DSTWU模塊，DSTWU模塊主要的作用是能夠得到一些塔的必要參數(shù)，包括最小理論板數(shù)、實(shí)際理論板數(shù)、最小回流比、實(shí)際回流比等等，DSWU模塊的模擬流程是一股進(jìn)料，塔頂塔底兩股產(chǎn)品的簡(jiǎn)易模型。使用Winn-Underwood-Gilliland方法的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)模塊。

設(shè)定模塊位號(hào)名稱(chēng)為C11A-DST，設(shè)定塔參數(shù)，實(shí)際回流比為最小回流比的1.2倍，塔頂微正壓120kPa，塔底140kPa，塔頂水的摩爾回收率設(shè)定為99.9%，塔底醋酸摩爾回收率設(shè)定為99.9%，醋酸在塔頂?shù)幕厥章?-0.999=0.001。如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)捷模擬DSTWU模塊輸入

模擬結(jié)果，計(jì)算出的最小回流比為1.27，最小理論板數(shù)為24塊（包括全凝器和再沸器），實(shí)際回流比為1.52，實(shí)際理論板數(shù)為48塊（包括全凝器和再沸器），塔頂和塔底的熱負(fù)荷分別為28438.54kW與29901.44kW。塔底產(chǎn)品流股號(hào)為113，產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.1%，未達(dá)到優(yōu)等品或一等品要求。結(jié)果如圖2、表2所示。

圖2 簡(jiǎn)捷模擬DSTWU模塊結(jié)果

表2 簡(jiǎn)捷模擬DSTWU模塊流股結(jié)果

2.3 簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模塊DSTWU模擬優(yōu)化

設(shè)定塔板數(shù)為X軸，回流比為Y軸，生成生產(chǎn)回流比與理論板數(shù)關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 簡(jiǎn)捷模擬DSTWU回流比與理論板數(shù)關(guān)系曲線

通過(guò)圖3可以看出，當(dāng)理論塔板數(shù)＞33之后，回流比隨著理論板數(shù)的增加，變化不大。故將塔板數(shù)33作為輸入?yún)?shù)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)捷模擬DSTWU模塊優(yōu)化后結(jié)果

2.4 嚴(yán)格計(jì)算模塊RadFrac模擬

使用DSTWU模塊嚴(yán)格計(jì)算，取得一些基本參數(shù)后，嚴(yán)格計(jì)算模塊RadFrac進(jìn)行嚴(yán)格精餾塔計(jì)算。

RadFrac模塊可以對(duì)普通精餾、吸收、汽提、萃取精餾、共沸精餾、反應(yīng)精餾（包括平衡反應(yīng)精餾、速率控制反應(yīng)精餾、固定轉(zhuǎn)化率反應(yīng)精餾和電解質(zhì)反應(yīng)精餾）、三相（汽-液-液）精餾。Rad－Frac適用于兩相體系、三相體系、窄沸點(diǎn)和寬沸點(diǎn)物系以及液相表現(xiàn)為強(qiáng)非理想性的物系。

將圖4中，簡(jiǎn)捷模擬DSTWU模塊優(yōu)化后結(jié)果作為輸入?yún)?shù)輸入。如圖5所示。

圖5 嚴(yán)格模擬RadFrac模塊輸入

Radfrac模塊計(jì)算類(lèi)型分為，平衡級(jí)及非平衡級(jí)（Equilibrium、Rate-Based），本模擬采用默認(rèn)的平衡級(jí)模型(Equilibrium)。

RadFrac模塊塔板數(shù)的設(shè)定默認(rèn)為理論板數(shù)，當(dāng)然設(shè)定實(shí)際塔板數(shù)也是可行的。設(shè)定實(shí)際塔板數(shù)時(shí)，需要設(shè)定塔的整體效率。需要注意的是塔板數(shù)是包含塔頂冷凝器與塔底再沸器的。本模擬輸入的塔板數(shù)為理論板數(shù)。

RadFrac模塊冷凝器有四個(gè)選項(xiàng)，分別為全冷凝器、部分冷凝器（塔頂產(chǎn)品為氣相）、部分冷凝器（塔頂產(chǎn)品為氣液兩相）和沒(méi)有冷凝器。本模擬采用全凝器（Total）。

RadFrac模塊再沸器的選項(xiàng)有三個(gè)，分別為釜式再沸器、熱虹吸式再沸器和沒(méi)有再沸器。本模擬采用釜式再沸器。

模塊選擇默認(rèn)的氣-液兩相為有效相態(tài)（Vapor-Liquid），模塊的選擇標(biāo)準(zhǔn)方法收斂（Standard）。

操作規(guī)定的可選擇性較多，本模擬選擇塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料的流量比及系統(tǒng)回流比，（Distillate to feed ratio）、（Reflux ratio）。

開(kāi)始模擬，結(jié)果顯示，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷為-40926.964kW，塔底產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.2%。如圖6和表3所示。

圖6 嚴(yán)格模擬RadFrac模塊塔頂結(jié)果

2.5 嚴(yán)格計(jì)算模塊RadFrac模擬優(yōu)化

模擬塔底產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.2%，未達(dá)到優(yōu)等品或一等品要求。設(shè)定一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)定（Design Specs）產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%（優(yōu)等品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.8%），設(shè)置操縱變量（Vary）為回流比。結(jié)果顯示，回流比最大增加至12.62時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)依然為99.3%，結(jié)果說(shuō)明回流比為操縱變量時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量最大僅為99.3%。

操縱變量（Vary）改為塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料流量比（Distillate to feed ratio），結(jié)果顯示當(dāng)塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料流量比（Distillate to feed ratio）為0.9679時(shí)，塔底產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到99.9%，塔頂冷凝器的熱負(fù)荷為-40963.837kW，塔底再沸器的熱負(fù)荷為42426.7388kW。如表4，圖7所示，同時(shí)生產(chǎn)塔內(nèi)溫度曲線及塔內(nèi)主要組分液相組分分布圖，見(jiàn)圖8～9。

表3 嚴(yán)格模擬RadFrac模塊流股結(jié)果

表4 嚴(yán)格模擬RadFrac模塊流股優(yōu)化后結(jié)果

圖7 嚴(yán)格模擬RadFrac模塊優(yōu)化后結(jié)果

圖8 嚴(yán)格模擬RadFrac模塊塔內(nèi)溫度分布曲線

圖9 嚴(yán)格模擬RadFrac模塊塔內(nèi)液相質(zhì)量組成分布曲線

3 結(jié)論

本文首先使用簡(jiǎn)捷模塊DSTWU進(jìn)行模擬，得到結(jié)果后又使用RadFrac模塊進(jìn)行嚴(yán)格模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)ASPEN的模擬可以看出，當(dāng)塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料流量比（Distillate to feed ratio）為0.9679時(shí)，塔底產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到99.9%，說(shuō)明使用精餾方法進(jìn)行廢水中的醋酸回收是可行的，模擬的結(jié)果顯示回收過(guò)程中的能耗較高，對(duì)于此種情況，可以在實(shí)際工作中選用雙效等方式以降低其能耗。