含異戊醇、乙醇廢水的精餾分離模擬研究

陳 明

（啟東東岳藥業(yè)有限公司，江蘇南通 226200）

1 概述

異戊醇、乙醇作為一種常用的有機溶劑，主要應用于醫(yī)藥化工行業(yè)生產(chǎn)領域中，由于這兩種物質均溶于水，因此，所形成的高COD廢水通常含有以上兩種物質，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]。

2 不同模型對體系物性的預測分析

2.1 二元組分氣液相平衡

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數(shù)據(jù)之間相差比較小，與相關文獻數(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測數(shù)據(jù)之間存在較大的差距，同時，相關文獻數(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測；UNIQUAC模型主要用于對低輕組分含量的精確化預測。

2.2 共沸點

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測，并將最終預測結果與相關文獻數(shù)據(jù)進行全面地對比和分析，從而確保Wilson、NRTL、UNIQUAC三種物性模型預測結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測期間，UNIQUAC模型所對應的預測結果相對精確，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測

2.3 三元液液相平衡

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測，所以，只能利用NRTL、UNIQUAC兩種物性模型，采用三元相圖預測的方式，對50℃物系進行精確化預測。在整個相圖中，三角形內部區(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測，發(fā)現(xiàn)其預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三種物性模型的應用背景下，對兩組分氣液相平衡、共沸點等相關數(shù)據(jù)進行精確化預測，然后，與相關文獻數(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測兩相液液平衡物性，所以，可以將UNIQUAC物性模型直接設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測數(shù)據(jù)

3 工藝流程的建立與物料平衡初算

3.1 工藝流程建立

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

3.2 物料平衡初算

通過對之前初算各物流流量進行精確化模擬計算，并結合表3所示的精餾塔物料平衡初算表設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

4 精餾模擬計算與分析

4.1 理論板數(shù)與蒸發(fā)量的對應關系

在本次精餾模擬期間，塔底水分質量分數(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)設置為14。精餾理論板數(shù)與蒸發(fā)量的對應關系如圖2所示。

圖2 精餾理論板數(shù)與蒸發(fā)量的對應關系

4.2 進料位置與蒸發(fā)量的關系

嚴格按照相關設計標準和要求，將塔底水分質量分數(shù)和理論板數(shù)分別設置為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，將進料位置設置為6塊。

圖3 精餾進料位置與蒸發(fā)量的關系

4.3 塔頂冷凝液在三元相圖中的位置

塔頂通常會存在液液分相問題，所以，需要結合塔頂各個流股設置情況，完成對三元相的精確化定位。結果發(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，兩相所對應的組成成分主要分布于陰影區(qū)域內，三個點經(jīng)過連接后，形成相應的直線段。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的組成成分超出所設置好的邊界線，從而形成相應的互溶體系。

5 結束語

在AspenPlus過程模擬軟件的應用背景下，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)等相關數(shù)據(jù)進行全面化、精確化預測，發(fā)現(xiàn)通過應用UNIQUAC模型，可以對水-乙醇-異戊醇體系的物性進行精確化預測。此外，通過確定蒸餾量與進料位置兩者之間的關系，精確地計算出理論板數(shù)值為14。在此基礎上，通過對塔頂各組分存在的分相現(xiàn)象進行分析，發(fā)現(xiàn)當廢水內乙醇質量分數(shù)達到3.3%，造成塔頂蒸餾液形成相應的互溶體系。總之，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，完全符合實際應用需求。