＊尹喆 申濤 宋云華 蘇小平

（1.中國石化催化劑北京分公司 北京 102400 2.西北民族大學(xué) 甘肅 730030 3.北京化工大學(xué) 北京 100029）

前言

在化工生產(chǎn)過程中，精餾單元一直是產(chǎn)品分離和提純的重要的手段，然而精餾過程是能量消耗最大的單元操作之一，精餾過程消耗的能量約占整個化工企業(yè)消耗總能量的25%～40%，但目前精餾過程能量利用效率只有10%左右。隨著能源價格上漲，作為精餾過程主要使用的加熱介質(zhì)——水蒸氣的價格逐年增高，精餾的操作費(fèi)用也隨之大幅度增加，對于氨氮廢水處理來說，操作成本的增加企業(yè)無法承受，因此針對精餾的節(jié)能問題越來越受到企業(yè)的重視。

目前節(jié)能型精餾技術(shù)如多效精餾、熱泵精餾、熱耦精餾等相繼在工業(yè)中的精餾過程中得到應(yīng)用[1-2]，然而相比較常規(guī)單效精餾設(shè)備簡單、投資低、易于控制和維護(hù)和檢修成本低而言，復(fù)雜的熱泵精餾、多效精餾和熱偶精餾在操作過程中工藝路線復(fù)雜尤其是熱泵精餾過程應(yīng)用高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行操作可調(diào)整的參數(shù)幅度窄、可控性差，容易導(dǎo)致廢水處理不達(dá)標(biāo)、設(shè)備檢修量大等問題。廢水處理裝置環(huán)保達(dá)標(biāo)是企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)的主要保障，因此操作穩(wěn)定性高、節(jié)能效果明顯的廢水處理技術(shù)，是針對氨氮廢水處理工藝設(shè)計的主要出發(fā)點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，作者以煉油催化劑生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的高氨氮廢水為例，提出雙效汽提精餾工藝，在本工藝中充分考慮系統(tǒng)的能量回收和操作穩(wěn)定性，研究表明，其節(jié)能效果顯著，操作穩(wěn)定性高。

1.工藝流程者簡

針對氨氮廢水處理通常用的公用工程蒸汽基本在0.6MPa·G左右，如果第二效精餾采用減壓精餾，雖然增大傳熱溫差，減少傳熱面積，節(jié)省投資，然而減壓精餾需要配置真空系統(tǒng)，在抽真空過程中廢氣中的氨不可避免的進(jìn)入到真空系統(tǒng)，造成氨的二次廢水或廢氣產(chǎn)生，因此本工藝設(shè)計采用加壓—常壓的工藝流程。

和雙效蒸發(fā)類似，按照進(jìn)料和加熱介質(zhì)的進(jìn)料方向，雙效精餾可以分為平流型、并流型、逆流型[3]，由于高氨氮廢水脫氨，僅僅處理一種介質(zhì)，顯然通過合理的設(shè)計單塔能完成廢水的氨的達(dá)標(biāo)排放，因此本工藝選擇并流型的工藝，即廢水分成兩股分別進(jìn)入加壓塔和常壓塔內(nèi)完成脫氨。

雙效汽提精餾脫氨工藝流程圖如圖1。將經(jīng)過加堿調(diào)節(jié)pH值至11.5～12.0之間的高氨氮廢水和脫氨后的廢水進(jìn)行預(yù)熱后，按照一定的比例分別進(jìn)入到加壓汽提塔和常壓汽提塔內(nèi)。進(jìn)入到加壓汽提脫氨塔內(nèi)的高氨氮廢水和自塔釜加入的蒸汽逆流接觸，在加壓塔內(nèi)進(jìn)行汽提脫氨。加壓塔頂出來的含氨蒸汽進(jìn)入到常壓汽提塔再沸器內(nèi)作為常壓汽提塔加熱熱源使用，此時含氨蒸汽經(jīng)過冷凝后進(jìn)入到塔頂回流罐I內(nèi)，并通過泵全回流至加壓汽提塔頂部作為回流液，而常壓汽提塔再沸器出來的濃氨氣進(jìn)入到常壓汽提塔精餾段上部，與常壓汽提塔經(jīng)過汽提精餾的濃氨氣一起再次經(jīng)過精餾進(jìn)入到塔頂冷凝器內(nèi)。

圖1 雙效汽提脫氨工藝圖

進(jìn)入到常壓汽提塔內(nèi)的另一股氨氮廢水和經(jīng)過再沸器來的蒸汽在塔內(nèi)進(jìn)行汽提精餾，并于加壓塔來的濃氨氣一起進(jìn)入到塔頂冷凝器內(nèi)冷凝，冷凝后的濃氨水全回流至常壓精餾塔頂部作為回流液，塔頂冷凝器僅采出氣相濃氨氣，進(jìn)入到吸收塔內(nèi)用一定量的工藝水吸收成濃氨水，不凝氣通過吸收塔塔頂達(dá)標(biāo)排放。

經(jīng)過加壓汽提塔汽提后的脫氨廢水溫度比較高，且壓力也比較高，因此可以直接進(jìn)入到常壓汽提塔塔釜內(nèi)，并于常壓塔經(jīng)過脫氨的廢水一起通過泵和高氨氮廢水經(jīng)過進(jìn)出口換熱器換熱后排入后續(xù)系統(tǒng)中。

經(jīng)過汽提脫氨后的濃氨氣進(jìn)入到吸收塔內(nèi)，經(jīng)過循環(huán)吸收增濃段，然后再次進(jìn)入到吸收段用工藝水進(jìn)行凈化吸收，吸收塔塔釜的氨水濃度約20%回用于生產(chǎn)。

2.汽提脫氨塔操作參數(shù)的選擇

結(jié)合蒸汽的壓力雙效汽提脫氨的工藝特點(diǎn)，當(dāng)加熱蒸汽的壓力為0.6MPa·G時，設(shè)置加壓塔的操作壓力為0.3MPa·G，塔釜操作溫度143℃，常壓塔的操作壓力0.0MPa·G，塔釜操作溫度100℃。經(jīng)過加壓塔的脫氨廢水進(jìn)入到常壓塔內(nèi)閃蒸，不但有利于加壓塔內(nèi)脫氨廢水的氨的進(jìn)一步降低，而且閃蒸的蒸汽可以作為常壓塔的熱源使用。

汽提蒸汽量的計算

汽提脫氨最小汽液比可按照公式（1）計算。

3.汽提脫氨塔阻力降的計算

為減少汽提脫氨塔的阻力降，本系統(tǒng)選用填料塔為汽提脫氨塔，在計算汽提脫氨塔阻力降之前，先要對汽提脫氨塔塔徑及傳質(zhì)單元數(shù)進(jìn)行計算。

填料塔塔徑的大和小是根據(jù)生產(chǎn)能力和空塔氣速來計算的，空塔氣速可通過公式（3）確定。

泛點(diǎn)氣速跟汽液流量、物性系數(shù)及填料的類型和尺寸等因素有關(guān)系，目前工程上經(jīng)常采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算uf。

汽提塔的塔徑計算公式如下：

式中：Vs—操作條件下混合氣體體積流量，m3/s。

然后再根據(jù)填料塔的相關(guān)計算公式[4]，計算出傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)，從而計算出填料塔的填料高度，根據(jù)填料的高度可采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算出填料塔的操作壓力降。

4.系統(tǒng)控制方案

高氨氮廢水經(jīng)過預(yù)熱器預(yù)熱后，通過比例控制將廢水分別進(jìn)入加壓塔和常壓塔內(nèi)，控制進(jìn)料比例按照加壓塔進(jìn)料量和常壓塔進(jìn)料量的比例約為0.55:0.45。進(jìn)入加壓塔內(nèi)的廢水塔釜的溫度控制加壓塔的進(jìn)入的蒸汽的進(jìn)料量，溫度控制不低于140℃，加壓塔塔頂壓力控制為氣相采出的量控制，控制壓力不低于0.35MPa。

針對常壓塔的控制，由于壓力為常壓，無需過多控制回路，僅需要監(jiān)控塔釜和塔頂溫度即可。另外針對加壓塔和常壓塔全部采用全回流，僅采出氣相的方式進(jìn)行汽提脫氨。控制回路少，控制方案簡單可靠。而最后濃氨水吸收塔，通過廢水中氨氮含量計算出需要加入工藝水的量即可。

5.結(jié)果與討論

文章以中國石化某催化劑廠80m3/h高氨氮廢水處理為例子，因?yàn)閺U水中氨氮含量通常在6000mg/L左右，廢水通過處理后，按照《無機(jī)化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》限值即5mg/L以下，得到的氨水濃度為20%，分別應(yīng)用單塔汽提精餾技術(shù)和雙效汽提脫氨技術(shù)對廢水處理進(jìn)行計算，其中雙效汽提裝置加壓和常壓塔的進(jìn)水比按照0.55:0.45比例計算，計算結(jié)果見表1。

表1 項(xiàng)目汽提精餾成本計算表

由表1可以看出，采用雙效汽提工藝比常規(guī)單塔汽提脫氨工藝相比節(jié)省操作費(fèi)用的40.7%，年操作成本節(jié)約1007萬元，可見其節(jié)能降耗效果非常明顯，其在農(nóng)藥行業(yè)廢水處理中實(shí)踐表明[5]，和常規(guī)氣體脫氨相比較節(jié)約蒸汽50%左右。另外，本系統(tǒng)設(shè)計過程中充分考慮加壓塔和常壓塔的壓力差，并利用其溫差的不同，使加壓塔脫氨后廢水不直接外排，而是進(jìn)入常壓塔塔釜內(nèi)閃蒸，減少脫氨廢水外送泵的同時，充分利用系統(tǒng)的熱量。本系統(tǒng)不采用液相采出，而是全部由氣相采出的形式，液相全回流的形式，然后通過濃氨氣吸收的形式實(shí)現(xiàn)濃氨水的回收利用，與常規(guī)操作控制回流比和精餾塔溫度及塔釜壓力聯(lián)鎖控制相比較而言，該系統(tǒng)控制回路少，簡單可靠，便于在工程上實(shí)施。

6.結(jié)論

精餾技術(shù)是重要的生產(chǎn)技術(shù)之一，但是作為能耗比較大的工藝操作，如何實(shí)現(xiàn)精餾技術(shù)的節(jié)能是提升企業(yè)競爭力的重要環(huán)節(jié)。雙效精餾技術(shù)是目前常用的節(jié)能技術(shù)之一，但是雙效精餾在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用存在控制節(jié)點(diǎn)多，操作中聯(lián)鎖邏輯過于復(fù)雜，導(dǎo)致操作過程中往往不能很好的穩(wěn)定操作，從而致使精餾過程達(dá)不到分離要求。本文針對高氨氮廢水處理提出了采用雙效精餾技術(shù)的有針對性的措施，通過合理的工藝設(shè)計和操作參數(shù)的選擇，在工藝上采用液相全回流和氣相采出工藝，然后結(jié)合吸收塔工藝進(jìn)行濃氨水的吸收，系統(tǒng)簡單可靠。通過和常規(guī)的精餾脫氨對比表明，采用雙效汽提精餾工藝比常規(guī)單塔汽提脫氨工藝相比節(jié)省操作費(fèi)用的40.7%。