DMF/DMAc 廢液回收工藝能耗對比研究

陳利斌，許可，朱志坤，鄭高吉，周靖鑫

（浙江省天正設(shè)計工程有限公司，浙江 杭州 310030）

N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）是兩種優(yōu)良溶劑，具有良好的化學(xué)特性和相對的熱穩(wěn)定性，在紡絲、醫(yī)藥、農(nóng)藥生產(chǎn)和涂料行業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的用途。隨著聚酰亞胺膜、芳綸等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，DMF 和DMAc 的市場潛能被進一步激發(fā)。DMF 和DMAc 的價格較高，因此有必要對生產(chǎn)廢液中的DMF、DMAc 進行回收，以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時降低后續(xù)廢水濃度，利于生化處理，保護環(huán)境[1]。

DMF 的沸點約153 ℃，DMAc 的沸點約164 ℃，與水的沸點相差很大，且不會形成共沸物，理論上單塔精餾就能實現(xiàn)分離。DMF 精餾回收需要大量的熱量將水蒸出，有數(shù)據(jù)表明，DMF 回收成本的80%用于熱能消耗[2]，特別是對于稀溶液，造成噸產(chǎn)品的回收成本高，回收效益差；因此需要考慮熱集成、熱泵、萃取等工藝技術(shù)或手段來降低能耗。本文通過Aspen 流程模擬軟件，對多效精餾（雙效精餾和三效精餾）、熱泵精餾和萃取+精餾4種不同工藝路線在不同廢液濃度下的噸產(chǎn)品蒸汽消耗和運行費用進行對比研究。

1 工藝流程模擬

DMF 與DMAc 性質(zhì)接近，本文以含DMF 的廢液為研究對象，對3.2 t/h 處理量、DMF 濃度（質(zhì)量百分數(shù)）分別為5%、10%、20%和40%的廢液進行研究。Aspen 流程模擬采用NRTL 物性方法。

多效精餾和熱泵精餾流程中包含提濃塔和精餾塔，廢液先經(jīng)提濃塔除去大部分水后再進精餾塔進一步分離提純。提濃塔在塔釜進料，精餾塔以氣相進料。加熱介質(zhì)采用蒸汽，塔頂水和分離得到的DMF 成品冷卻到45 ℃。DMF 的回收純度為99.5%。

1.1 多效精餾

多效精餾工藝是目前應(yīng)用最多也是最成熟的分離回收工藝，其技術(shù)核心是熱集成，即利用高壓塔的塔頂蒸汽作為相鄰低壓塔再沸器的熱源，減少新鮮蒸汽的消耗[3]。效數(shù)越多，能量利用率越高，但設(shè)備投資費用也隨之增大。常見的是雙效精餾和三效精餾。雙效精餾工藝模擬流程見圖1。

圖1 雙效精餾工藝流程模擬圖

圖1 中：C1 為提濃塔，C2 為精餾塔，模擬設(shè)定的操作壓力分別為絕壓16 kPa 和42 kPa。C2塔頂蒸汽用于加熱C1 塔塔釜（圖1 中虛線所示），實現(xiàn)一次熱集成。此工藝新鮮蒸汽主要用于汽化器（HEATER）和C2 塔釜再沸器。

三效精餾工藝在雙效基礎(chǔ)上增加一臺提濃塔，二級提濃。二級提濃塔塔頂蒸汽用于加熱一級提濃塔塔釜，精餾塔塔頂蒸汽用于加熱二級提濃塔塔釜，實現(xiàn)兩次熱集成。

不同廢液濃度下，雙效和三效精餾工藝噸產(chǎn)品蒸汽消耗（SPP）模擬計算結(jié)果見表1。

表1 不同廢液濃度下雙效精餾和三效精餾噸產(chǎn)品汽耗

1.2 熱泵精餾

熱泵精餾工藝模擬流程如圖2 所示。圖2 中T1 為濃縮塔，T2 為精餾塔。T1 操作壓力為65 kPa(A)，T2 操作壓力為20 kPa(A)。T1 塔分離除去大部分水，塔頂二次蒸汽經(jīng)熱泵即壓縮機（COMP）壓縮升壓、升溫后給自身塔釜再沸器提供熱量，塔釜物料提濃至60%左右，再進精餾塔和精制塔實現(xiàn)DMF 的進一步提純。新鮮蒸汽主要用于汽化器（H2）和T2 塔釜再沸器。熱泵精餾噸產(chǎn)品汽耗和壓縮機用電負荷（軸功率）的模擬計算結(jié)果見表2。

表2 不同廢水濃度下熱泵精餾工藝的汽耗和壓縮機功率

圖2 熱泵精餾工藝流程模擬圖

1.3 萃取+精餾

對于水溶液中DMF、DMAc 的萃取，目前研究較多、效果較好的萃取劑是氯仿（三氯甲烷）[4-5]。本模擬計算以氯仿作為萃取劑，先從廢液中萃取出DMF，再用精餾塔將萃取相中的氯仿和DMF 分離開。萃取+精餾工藝模擬流程見圖3。

圖3 萃取+精餾工藝流程模擬圖

圖3 中：T1 為萃取器，萃取劑與廢液流量比為2；T2 為精餾塔，常壓操作，蒸汽主要用于T2塔再沸器加熱。

萃取+精餾工藝噸產(chǎn)品汽耗模擬計算結(jié)果見表3。

2 結(jié)果與討論

由表1～表3 可見，隨著廢液中DMF 濃度的增加，雙效精餾、三效精餾、熱泵精餾和萃取+精餾4 種工藝的噸產(chǎn)品蒸汽消耗均隨之降低。將表1～表3 的數(shù)據(jù)整理成圖4。

表3 不同廢水濃度下萃取+精餾工藝汽耗結(jié)果

圖4 四種工藝不同廢水濃度噸產(chǎn)品蒸汽消耗對比圖

由圖4 可見，當廢液中DMF 質(zhì)量濃度在24%以下時，熱泵精餾工藝的噸產(chǎn)品蒸汽消耗最小，萃取+精餾次之，三效精餾較大，雙效精餾最大；當廢液中DMF 質(zhì)量濃度在24%～33%之間時，萃取+精餾工藝的噸產(chǎn)品蒸汽消耗最小，熱泵精餾次之，稍優(yōu)于三效精餾，雙效精餾仍舊最大；當廢液中DMF 質(zhì)量濃度在33%～40%之間時，萃取+精餾工藝的噸產(chǎn)品蒸汽消耗最小，三效精餾稍優(yōu)于熱泵精餾，雙效精餾仍最大，但結(jié)果都很接近，差別已不明顯。

在低濃度下，熱泵精餾雖然噸產(chǎn)品汽耗更小，但該工藝需配套設(shè)置蒸汽壓縮機，壓縮機的功率較大，使得運行電費增加，一定程度上抵消了節(jié)省蒸汽帶來的效益。若蒸汽單價按220 元/t，電價按1 元/kWh，則4 種回收工藝僅考慮蒸汽消耗和壓縮機電耗的噸產(chǎn)品操作費用對比結(jié)果見圖5。

圖5 4 種工藝不同廢水濃度噸產(chǎn)品操作費用

由圖5 可見，廢液中DMF 質(zhì)量濃度小于15%時，熱泵精餾工藝費用最低，萃取+精餾次之，三效精餾較大，雙效精餾最大；當廢液中DMF 質(zhì)量濃度在15%～21%時，萃取+精餾工藝的噸產(chǎn)品操作費用最小，熱泵精餾次之，三效精餾較大，雙效精餾最大；當廢液中DMF 質(zhì)量濃度在21%～40%時，熱泵精餾工藝按上述定義的噸產(chǎn)品操作費用已超過三效精餾，升至第二。需注意，蒸汽單價和電價會在一定程度上影響上述對比結(jié)果。

3 結(jié)論

利用Aspen 軟件對雙效精餾、三效精餾、熱泵精餾和萃取+精餾4 種不同工藝流程回收DMF濃度為5%～40%(wt.)的廢液進行了模擬計算。計算結(jié)果表明:

（1）隨著廢液中DMF 濃度的升高，不同回收工藝的噸產(chǎn)品蒸汽消耗（SPP）均降低；當DMF 濃度在24%以下時，SPP 由小到大依次是：熱泵精餾，萃取+精餾，三效精餾和雙效精餾；當DMF 濃度在24%～40%之間時，萃取+精餾工藝能耗逐漸占優(yōu)，熱泵精餾和三效精餾居中，雙效精餾工藝仍舊最大。對于僅考慮蒸汽消耗和壓縮機電耗費用的噸產(chǎn)品操作費用，以濃度15%和21%為分界點，有類似結(jié)果。

（2）當廢液中DMF 濃度在40%以上時，各工藝的節(jié)能效果已差別不大，裝置投資將成為主要考量因素；熱泵精餾工藝在處理低濃度廢液時能耗優(yōu)勢明顯，但處理24%～40%較高濃度時競爭力不強（因沸點升的影響，40%以上濃度的廢液不再適合采用熱泵精餾工藝）；雙效精餾工藝能耗始終最高，三效精餾和萃取+精餾工藝在處理24%～40%濃度的廢液時相比熱泵精餾更具競爭力。

以上計算僅從蒸汽消耗和壓縮機電耗的角度給出各種回收工藝的模擬計算值，實際運行會有熱能、電能的損耗，回收裝置工藝路線的選取需結(jié)合裝置投資、裝置的運行穩(wěn)定性、裝置占地面積、DMF 的水解特性以及產(chǎn)品純度要求（如回收的DMF 成品中是否允許有氯仿等萃取劑摻入）等綜合評判后確定。