陳 明
(啟東東岳藥業(yè)有限公司,江蘇南通 226200)
異戊醇、乙醇作為一種常用的有機溶劑,主要應(yīng)用于醫(yī)藥化工行業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中,由于這兩種物質(zhì)均溶于水,因此,所形成的高COD廢水通常含有以上兩種物質(zhì),為了提高廢水處理的科學性和有效性,達到節(jié)能環(huán)保的理念,如何對含異戊醇、乙醇廢水進行精餾分離模擬是必須思考和解決的問題[1]。
Wilson、NRTL、UNIQUAC屬于比較典型的物性模型,利用三種物性模型精確地預(yù)測氣液相平衡,并與文獻數(shù)據(jù)進行全面地對比和分析。三種不同物性模型,并不會對水-乙醇體系的氣液相平衡相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯的影響,并且能很好地與文獻數(shù)據(jù)進行匹配[2]。另外,對于Wilson、NRTL、UNIQUAC三種物性模型而言,均對乙醇-異戊醇體系的氣液相平衡相關(guān)數(shù)據(jù)之間相差比較小,與相關(guān)文獻數(shù)據(jù)比較符合。但是,這三種物性模型對水-異戊醇體系的氣液相平衡預(yù)測數(shù)據(jù)之間存在較大的差距,同時,相關(guān)文獻數(shù)據(jù)之間存在的較大的誤差。Wilson模型主要用于對高輕組分含量的精確化預(yù)測;UNIQUAC模型主要用于對低輕組分含量的精確化預(yù)測。
對于水-乙醇-異戊醇物系而言,通常存在兩種共沸物,利用AspenPlus過程模擬軟件,對共沸物組成成分進行精確化預(yù)測,并將最終預(yù)測結(jié)果與相關(guān)文獻數(shù)據(jù)進行全面地對比和分析,從而確保Wilson、NRTL、UNIQUAC三種物性模型預(yù)測結(jié)果的精確性和真實性[3]。不同物性模型對水、乙醇、異戊醇純組分沸點、共沸物組成與共沸點的預(yù)測如表1所示。
從表1可以看出,Wilson、NRTL、UNIQUAC三種物性模型均精確地預(yù)測了純組分沸點,同時,對兩組共沸物組成成分進行全面化預(yù)測期間,UNIQUAC模型所對應(yīng)的預(yù)測結(jié)果相對精確,明顯優(yōu)于Wilson、NRTL模型。
表1 不同物性模型對水、乙醇、異戊醇純組分沸點、共沸物組成與共沸點的預(yù)測
水-乙醇-異戊醇作為一種重要的互溶體系,主要用于液液部分的分析,在該體系中,水-乙醇、乙醇-異戊醇均表現(xiàn)出較高的互溶性,屬于完全互溶體系,水-異戊醇并不完全互溶,僅屬于部分互溶體系。對于塔頂而言,由于存在液液分相現(xiàn)象,所以,要重視對體系液液相平衡的全面化分析和預(yù)測。對于Wilson物性模型而言,并不適合于液液相物性的精確化預(yù)測,所以,只能利用NRTL、UNIQUAC兩種物性模型,采用三元相圖預(yù)測的方式,對50℃物系進行精確化預(yù)測。在整個相圖中,三角形內(nèi)部區(qū)域和陰影部分分別代表三元組組成方式和分相組成方式,陰影邊界將分相組成和不分相組成進行有效地分離。三角形頂點附近處通常含有較高的乙醇含量,乙醇與其他物質(zhì)均能夠完全互溶,造成分相邊界變得越來越狹窄。對于三角形而言,其下方底邊并不存在乙醇,其乙醇含量為零,此時,通過利用NRTL、UNIQUAC兩種物性模型,對兩個不同的分相邊界點進行精確化預(yù)測,從而獲得如表2所示的不同物性模型對水-異戊醇相互溶解度的預(yù)測數(shù)據(jù),從表2可以看出,通過利用NRTL、UNIQUAC兩種物性模型,對水-異戊醇相互溶解度進行精確化預(yù)測,發(fā)現(xiàn)其預(yù)測值與文獻值之間存在一定的差異,但是,與NRTL物性模型相比,UNIQUAC在預(yù)測兩相液液平衡物性方面表現(xiàn)出更加明顯的優(yōu)勢。另外,在Wilson、NRTL、UNIQUAC三種物性模型的應(yīng)用背景下,對兩組分氣液相平衡、共沸點等相關(guān)數(shù)據(jù)進行精確化預(yù)測,然后,與相關(guān)文獻數(shù)據(jù)進行全面地分析和對比,發(fā)現(xiàn)UNIQUAC物性模型更能夠精確地預(yù)測兩相液液平衡物性,所以,可以將UNIQUAC物性模型直接設(shè)置為精餾分離模擬重要方法。
表2 不同物性模型對水-異戊醇相互溶解度的預(yù)測數(shù)據(jù)
廢水精餾工藝流程如圖1所示。T1代表精餾塔;E1代表塔頂冷凝器;V1代表塔頂產(chǎn)品分相罐;F代表廢水進料;B代表處理后廢水塔底出料;D1代表塔頂氣相出料;D2代表塔頂產(chǎn)品冷凝液;D3代表塔頂產(chǎn)品分相出料;R代表塔頂分相回流;CWS代表冷卻水進塔頂冷凝器;CWR代表冷卻水出塔頂冷凝器。
圖1 廢水精餾工藝流程
通過對之前初算各物流流量進行精確化模擬計算,并結(jié)合表3所示的精餾塔物料平衡初算表設(shè)置為物料平衡計算的初始值,為后期AspenPlus模擬工作的有效開展提供重要的數(shù)據(jù)支持。
表3 精餾塔物料平衡初算表
在本次精餾模擬期間,塔底水分質(zhì)量分數(shù)標準值為99.9%通過對蒸發(fā)率理論板數(shù)之間的關(guān)系進行模擬試驗,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)量會對著理論板數(shù)的不斷上升而呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢,當理論板數(shù)從原來的14塊上升至22塊時,蒸發(fā)量下降了37kg/h-1。由于蒸發(fā)量和理論板數(shù)分別關(guān)系到精餾運行成本和裝置的采購成本,所以,為了降低財力成本和物力成本,需要將理論板數(shù)設(shè)置為14。精餾理論板數(shù)與蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。
圖2 精餾理論板數(shù)與蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系
嚴格按照相關(guān)設(shè)計標準和要求,將塔底水分質(zhì)量分數(shù)和理論板數(shù)分別設(shè)置為99.9%、14,并繪制出,如圖3所示的精餾進料位置與蒸發(fā)量的關(guān)聯(lián)圖,從圖3可以看出,當進料板數(shù)從原來的2塊增加到6塊,蒸發(fā)量始終處于恒定不變的狀態(tài)。當進料板從原來的6塊增加到13塊時,蒸發(fā)量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,同時,進料位置不斷地逼近塔底,此時,蒸發(fā)量的增加幅度變得越來越大,為了將精餾運行成本降到最低,將進料位置設(shè)置為6塊。
圖3 精餾進料位置與蒸發(fā)量的關(guān)系
塔頂通常會存在液液分相問題,所以,需要結(jié)合塔頂各個流股設(shè)置情況,完成對三元相的精確化定位。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當塔頂蒸餾液相集中分布于底部時,會出現(xiàn)分相現(xiàn)象,兩相所對應(yīng)的組成成分主要分布于陰影區(qū)域內(nèi),三個點經(jīng)過連接后,形成相應(yīng)的直線段。此時,三個組分逐漸逼近于陰影部分的頂點位置。通過精確地計算,發(fā)現(xiàn)當廢水中乙醇含量不斷上升,并上升至3.3%(w)時,造成塔頂蒸餾液所對應(yīng)的組成成分超出所設(shè)置好的邊界線,從而形成相應(yīng)的互溶體系。
在AspenPlus過程模擬軟件的應(yīng)用背景下,提出一套行之有效的含異戊醇、乙醇廢水精餾分離模擬方案。利用Wilson、NRTL、UNIQUAC三種物性模型,對二元組分氣液相平衡數(shù)據(jù)、三元液液相平衡數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)進行全面化、精確化預(yù)測,發(fā)現(xiàn)通過應(yīng)用UNIQUAC模型,可以對水-乙醇-異戊醇體系的物性進行精確化預(yù)測。此外,通過確定蒸餾量與進料位置兩者之間的關(guān)系,精確地計算出理論板數(shù)值為14。在此基礎(chǔ)上,通過對塔頂各組分存在的分相現(xiàn)象進行分析,發(fā)現(xiàn)當廢水內(nèi)乙醇質(zhì)量分數(shù)達到3.3%,造成塔頂蒸餾液形成相應(yīng)的互溶體系??傊?,本文所提出含異戊醇、乙醇廢水精餾分離處理方案具有較高的可靠性和可行性,保證了最終模擬操作的規(guī)范性和合理性,完全符合實際應(yīng)用需求。