司美玉，陳艷麗，蘆亞寧，倪懷蘭，林 楓

(菏澤學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，山東 菏澤 274000)

廢水醪液是一種高濃度有機(jī)廢水，對(duì)廢水醪液中有機(jī)物的分離和回收是國(guó)內(nèi)外環(huán)保的重要課題之一[1]。環(huán)己醇是一種無色透明、高熱可燃的有機(jī)化合物，用于表面活性劑和工業(yè)溶劑，是重要的化工原料；燃料乙醇是指體積濃度達(dá)到99.5%以上的無水乙醇，它是汽油最環(huán)保的增氧劑和辛烷值促進(jìn)劑[2]。從醪液中回收環(huán)己醇和乙醇不僅具有重大的環(huán)保意義，而且具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

本文以某燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的醪液(w(水)=85%，w(乙醇)=10%，w(環(huán)己醇)=5%)為例，通過使用ASPEN PLUS化工模擬軟件對(duì)回收工藝流程進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了乙醇和環(huán)己醇的有效分離。

1 物性分析

通過查閱物性手冊(cè)，利用ASPEN PLUS[3]對(duì)醪液中的組分進(jìn)行物性分析及共沸組成分析，得到體系的各組分物性如表1所示。

表1 水-乙醇-環(huán)己醇體系共沸物組成表

由表1可知，在水-乙醇-環(huán)己醇三元體系中，水和乙醇會(huì)形成二元恒沸物，共沸溫度為78.15 ℃；水和環(huán)己醇也會(huì)形成二元恒沸物，共沸溫度為98.32 ℃。該體系中乙醇和水、環(huán)己醇和水體系形成兩種二元共沸物，采用一般的精餾方法難以實(shí)現(xiàn)三組分的分離。因此設(shè)計(jì)了萃取精餾和減壓精餾的方式來進(jìn)行分離[4-5]。

2 工藝流程設(shè)計(jì)

以某燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的醪液為例，通過對(duì)現(xiàn)有工藝條件及分離要求的綜合考慮，采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)為萃取劑，設(shè)計(jì)了1個(gè)普通精餾塔，1個(gè)萃取精餾塔和2個(gè)減壓精餾塔，實(shí)現(xiàn)廢水醪液中水、乙醇和環(huán)己醇的分離。流程見圖1。

圖1 水-乙醇-環(huán)己醇分離工藝流程

設(shè)計(jì)方案如下。

1)原料S0經(jīng)過泵P1并通過換熱器H1預(yù)熱后輸送到第一個(gè)普通精餾塔即脫水塔T1，在塔釜脫去大部分水，塔頂產(chǎn)品即流股S3經(jīng)過冷凝器流出。

2)T1塔頂產(chǎn)品S3經(jīng)過泵P2輸送到萃取精餾塔T2，T2再添加一股進(jìn)料物流萃取劑DMF即流股S20，在塔內(nèi)萃取精餾后，在塔頂分離出組分乙醇即流股S8，其中w(乙醇)≥99.6%，完成乙醇的分離。塔釜流股S7組成為水、環(huán)己醇和萃取劑DMF。

3)T2塔釜產(chǎn)品S7經(jīng)過泵P3進(jìn)入減壓精餾塔T3，在塔釜分離出組分環(huán)己醇即流股S10，其中w(環(huán)己醇)≥99.5%，完成環(huán)己醇的分離，塔頂流股S9為水和萃取劑DMF。

4)T3塔頂產(chǎn)品S9經(jīng)過泵P6進(jìn)入減壓精餾塔T4，在塔頂分離出水，即流股S12，其中w(水)=99.98%，塔釜分離出萃取劑DMF，即流股S14，其中w(DMF)=99.98%，完成水和萃取劑的分離。萃取劑DMF在塔釜回收，循環(huán)使用。

3 精餾塔工藝參數(shù)的優(yōu)化

利用ASPEN PLUS中的靈敏度分析工具對(duì)精餾塔的回流比、塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置以及萃取劑進(jìn)料位置和用量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[6-8]，下面以萃取精餾塔T2為例來說明具體優(yōu)化過程。

3.1 回流比R

圖2是回流池與塔頂2醇含量的關(guān)系。

從圖2可以看出，當(dāng)回流比達(dá)到3時(shí)，塔頂w(乙醇)=99.69%，符合分離要求，若繼續(xù)增大回流比，塔頂乙醇含量無明顯變化，操作費(fèi)用大大增加，所以選擇回流比為3。

圖2 回流比與塔頂乙醇含量的關(guān)系

3.2 理論塔板數(shù)N

圖3是理論塔板數(shù)與塔頂乙醇含量的關(guān)系。

圖3 理論塔板數(shù)與塔頂乙醇含量的關(guān)系

從圖3可以看出，隨著理論塔板數(shù)的增加，塔頂乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大然后減小，當(dāng)理論塔板數(shù)為30時(shí)，塔頂w(乙醇)=99.69%。

3.3 原料進(jìn)料位置NT

圖4是原料進(jìn)料位置與塔頂乙醇含量的關(guān)系。

圖4 原料進(jìn)料位置與塔頂乙醇含量的關(guān)系

從圖4可以看出，當(dāng)原料進(jìn)料塔板數(shù)為10時(shí)，塔頂w(乙醇)=99.69%，選擇第10塊塔板進(jìn)原料。

3.4 萃取劑進(jìn)料位置

圖5萃取劑進(jìn)料位置與塔頂乙醇含量的關(guān)系。

圖5 萃取劑進(jìn)料位置與塔頂乙醇含量的關(guān)系

從圖5可以看出，當(dāng)萃取劑進(jìn)料塔板數(shù)為7時(shí)，塔頂w(乙醇)=99.69%，選擇第7塊塔板進(jìn)萃取劑DMF。

3.5 萃取劑DMF的進(jìn)料量Q的確定

萃取劑的用量會(huì)影響萃取精餾過程產(chǎn)品的純度和設(shè)備操作費(fèi)用，圖6是萃取劑進(jìn)料量與塔頂乙醇含量的關(guān)系。

圖6 萃取劑進(jìn)料量與塔頂乙醇含量的關(guān)系

由圖6可見，當(dāng)萃取劑DMF用量為13 000 kg/h時(shí)，塔頂w(乙醇)=99.69%，得到合格的無水乙醇，所以選擇萃取劑用量為13 000 kg/h。

4 全裝置模擬結(jié)果匯總

采用同樣的方法對(duì)各塔進(jìn)行靈敏度分析，確定最優(yōu)參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 各塔參數(shù)匯總表

5 精餾塔T4操作條件的優(yōu)化

5.1 操作條件為常壓

來自減壓精餾塔T3的塔頂餾出液S11進(jìn)入常壓精餾塔T4，塔頂產(chǎn)品S12為水，塔釜產(chǎn)品S14為萃取劑，完成水和萃取劑的分離。在塔釜回收萃取劑的DMF可進(jìn)入萃取精餾塔T2，循環(huán)使用。經(jīng)過ASPEN模擬，得到操作條件為常壓下T4的模擬結(jié)果，如表3所示。

表3 常壓精餾塔T4的模擬結(jié)果

從表3可見，塔頂出料為w(水)=98.60%，塔釜出料為w(DMF)=99.82%，完成水和萃取劑的分離。當(dāng)T4的操作壓力為0.1 MPa時(shí)，塔釜溫度為171 ℃，高于151 ℃，所以塔釜再沸器不能使用熱公用工程為0.4 MPa(表壓強(qiáng))的低壓蒸汽，而要使用較高的蒸汽壓力?？紤]成本、能耗以及安全性，可以采取減壓操作的方式使用熱公用工程為0.4 MPa(表壓強(qiáng))的低壓蒸汽。

5.2 操作條件為減壓

將T4的操作壓力設(shè)為0.09 MPa，得到減壓精餾塔T4的模擬結(jié)果，如表4所示。

從表4可以看出，塔頂出料為w(水)=99.98%，塔釜出料為w(DMF)=99.98%，完成水和萃取劑的分離。當(dāng)T4的操作壓力為0.09 MPa時(shí)，塔釜溫度為147.3 ℃，低于151 ℃，因此塔釜再沸器可以使用熱公用工程為0.4 MPa(表壓強(qiáng))的低壓蒸汽。

表4 減壓精餾塔T4的模擬結(jié)果

6 物料衡算

6.1 單塔物料衡算

以普通精餾塔T1為例進(jìn)行物料衡算，進(jìn)料S2為w(水)=85%，w(乙醇)=10%，w(環(huán)己醇)=5%的醪液(質(zhì)量流量為10 000 kg/h)，塔頂出料S3主要有乙醇、環(huán)己醇和少量水，塔底出料S4為含有極少量乙醇和環(huán)己醇的達(dá)標(biāo)水。表5為普通精餾塔T1物料衡算結(jié)果。

6.2 全塔物料衡算

由表6可以看出，該系統(tǒng)進(jìn)料量等于出料量，即達(dá)到物料平衡的要求。

表6 總物料衡算

7 結(jié) 論

a.在整個(gè)工藝過程中，使用DMF作為萃取劑，打破了水-乙醇的共沸體系，使乙醇達(dá)標(biāo)回收，實(shí)現(xiàn)了萃取劑的循環(huán)利用；在回收環(huán)己醇和萃取劑的精餾塔設(shè)計(jì)中使用減壓操作，使環(huán)己醇達(dá)標(biāo)回收。利用塔釜分離出來的水?dāng)y帶的熱量對(duì)原料進(jìn)行預(yù)熱，可以充分的利用熱量，有效減少熱量損失。

b.在精餾塔的設(shè)計(jì)中利用ASPEN PLUS中的靈敏度分析對(duì)塔的各項(xiàng)參數(shù)做了各種優(yōu)化。

c.在分離水和萃取劑時(shí)采取減壓操作，不僅提高了分離效果，而且可以使用熱公用工程為0.4 MPa(表壓強(qiáng))的低壓蒸汽。

d.設(shè)計(jì)使用4個(gè)精餾塔完成了水-乙醇-環(huán)己醇三元體系的分離，降低了設(shè)備和操作費(fèi)用，減少了能量消耗。