萃取精餾回收有機廢水中異丁醇-乙醇的工藝模擬及優化

李 豪，宋 峰，劉雪麗，王雅琦

(山東理工大學化學化工學院，山東 淄博 255000)

1 引言

高濃度有機廢水對水體環境污染程度大，處理難度高，若直接排放將造成環境污染以及有價值產品的浪費，因此有機廢水中有機物的分離和回收是國內外環保的重要課題之一[1]。

異丁醇可以用作溶劑，同時也是一種重要的有機原料，具有重要的工業生產價值；而乙醇是多種化工產品、精細化學品的重要原料，近年又被開發作為一種綠色、安全的汽車燃油，具有廣泛的應用前景[2]。因此，從高濃度有機廢水中回收異丁醇和乙醇不僅具有重大的環保意義，而且具有很高的經濟效益。

鑒于異丁醇、乙醇、水體系容易形成二元共沸物[3-4]，采用一般的精餾方法難以實現三組分的分離。本文使用Aspen Plus[5]化工模擬軟件設計合理的工藝流程，期望為實際工廠操作提供一定的理論依據。

2 工藝流程介紹

本文以某工廠在常溫常壓下含乙醇為9%，異丁醇為5%，水為86 %的有機廢水為研究對象，分別采用以甘油和乙二醇為萃取劑的萃取精餾工藝流程。

通過對現有工藝條件及分離要求的綜合考慮，采用以甘油和丙二醇為萃取劑的萃取精餾分離工藝，設計一個普通精餾塔、一個萃取精餾塔、一個減壓萃取精餾塔和一個減壓精餾塔實現有機廢水中異丁醇、乙醇和水的分離。

考慮到原料中水含量較多，所以采用先除水的方法，以減少整個流程的能耗。T101塔頂主要得到異丁醇、乙醇和少量水的共沸混合物，而塔釜得到純度較高的水(乙醇含量小于10×10-6，異丁醇的含量小于20×10-6)，把T101塔頂餾出液送入T102。為了提高乙醇的濃度，在T102加入萃取劑，在T102頂得到符合要求的乙醇(乙醇濃度≥99%)，塔釜得到含少量水的異丁醇和萃取劑的混合液，把塔底釜液送入T103進行減壓萃取精餾。為了得到符合要求的異丁醇，在T103中繼續加入萃取劑，在T103塔頂得到符合要求的異丁醇(異丁醇濃度≥98%)，塔釜為少量水和萃取劑的混合液，將其送入T104進行減壓蒸餾，塔頂得到高純度的水，冷凝后與來自T101塔釜的水混合排出，塔釜釜液為純度為99.9%以上的萃取劑，可循環使用。

工藝流程圖如圖1所示。

圖1 Aspen Plus中的工藝流程圖

Fig.1 The process flow diagram.in Aspen Plus

3 工藝流程參數的模擬及優化

3.1 工藝流程模擬計算

3.1.1 異丁醇-乙醇-水體系的物性

通過查閱相關物性手冊[6]，并利用Aspen Plus對有機廢水中組分的物性進行分析，得出體系中各組分的物性如表1、表2所示。

表1 異丁醇、乙醇、水物性表

表2 異丁醇-乙醇-水體系的共沸物組成表

3.1.2 熱力學方法的選擇

異丁醇、乙醇和水三元體系在常壓下形成二元共沸物，增加了模擬計算及系統設計的困難。本文利用Aspen Plus軟件,選用NRTL方程分別計算了乙醇和水以及異丁醇和水在常壓下的不同溫度下的氣液組成，并繪制了T-x-y曲線圖與文獻中的實驗數據[6-7]進行擬合，擬合結果如圖2和圖3所示。

圖2 異丁醇-水體系的T-x-y相圖:實驗值與模擬值的比較

圖3 乙醇-水體系的T-x-y相圖：實驗值與模擬值的比較

如圖2和圖3所示，對于異丁醇、乙醇和水強極性物性物系，采用NRTL方法進行模擬計算與實驗數據擬合程度高，符合實際情況，以此方法進行模擬可以得到準確的實驗結果。

3.1.3 選擇單元操作計算模型

對于共沸體系的單元操作過程，選用Radfrac模型進行模擬計算，然后對工藝參數進行Sensitivity優化。

3.2 參數的優化

分別以甘油和乙二醇為萃取劑進行萃取精餾的模擬，以精餾塔T102的理論塔板數、回流比、原料及萃取劑進料位置優化為例，具體優化過程如下所示。

3.2.1 以甘油為萃取劑T102參數的優化

(1)以理論塔板數為橫坐標，以塔頂中乙醇純度為縱坐標，結果如下圖4所示。

圖4 T102塔頂乙醇的純度隨T102塔板數的變化曲線圖

如圖4所示，隨著理論塔板數的增加，塔頂乙醇的純度逐漸增加，回收價值也越大。當塔板數為20塊時，塔頂乙醇純度達到最大值。若繼續增大塔板數，塔頂乙醇的含量基本不變，且設備費用增加，綜合考慮，選擇T102的塔板數為20塊。

(2)以回流比為橫坐標，以塔頂中乙醇的純度為縱坐標，結果如下圖5所示。

圖5 T102塔頂乙醇的純度隨實際回流比的變化曲線圖

如圖5所示，隨著實際回流比的增加，塔頂乙醇的純度逐漸增加，且增加的速度越來越慢。當回流比達到0.8時，塔頂乙醇的純度達到要求。若繼續增大回流比，變化不再明顯，且操作費用明顯增加，綜合考慮，選擇T102的實際回流比為0.8。

(3)以原料進料位置為橫坐標，以塔頂中乙醇純度為縱坐標，結果如圖6所示。

圖6 T102塔頂乙醇的純度隨原料進料位置的變化曲線圖

如圖6所示，隨著原料進料位置的增加，塔頂乙醇的純度逐漸增加，且增加的速度越來越慢。當進料位置為13塊塔板時，塔頂乙醇的純度達到最大值。若繼續增大塔板數，塔頂乙醇的含量開始下降，且設備費用增加，綜合考慮，選擇T102的原料進料位置為第13塊塔板。

(4)以萃取劑進料位置為橫坐標，以塔頂中乙醇純度為縱坐標，結果如圖7所示。

圖7 T102塔頂乙醇的純度隨萃取劑進料位置的變化曲線圖

如圖7所示，隨著萃取劑進料位置的增加，塔頂乙醇的純度緩慢下降，當塔板數到達第9塊塔板后，塔頂乙醇的純度大幅下降。綜合考慮塔頂乙醇的分離程度和操作費用，選擇T102的萃取劑進料位置為第2塊塔板。

3.2.2 以乙二醇為萃取劑T102參數的優化

(1)以理論塔板數為橫坐標，以塔頂中乙醇純度為縱坐標，結果如下圖8所示。

如圖8所示，隨著理論塔板數的增加，塔頂乙醇的純度先緩慢減小。當塔板數為16塊時，繼續增加塔板數，塔頂乙醇的純度明顯上升，當達到25塊塔板時，塔頂乙醇純度達到純度要求。若繼續增大塔板數，塔頂乙醇的含量基本不變，且設備費用增加，綜合考慮，選擇T102的塔板數為25塊。

圖8 T102塔頂乙醇的純度隨T102塔板數的變化曲線圖

(2)以回流比為橫坐標，以塔頂中乙醇的純度為縱坐標，結果如下圖9所示。

圖9 T102塔頂乙醇的純度隨實際回流比的變化曲線圖

如圖9所示，隨著實際回流比的增加，塔頂乙醇的純度逐漸增加，且當回流比超過0.8以后，塔頂乙醇純度增加很慢。當回流比達到1.4時，塔頂乙醇的純度達到純度要求。若繼續增大回流比，變化不再明顯，且操作費用明顯增加，綜合考慮，選擇T102的實際回流比為1.4。

(3)以原料進料位置為橫坐標，以塔頂中乙醇純度為縱坐標，結果如圖10所示。如圖10所示，隨著原料進料位置的增加，塔頂乙醇純度也逐漸增加，當進料位置超過第8塊塔板后，增加速度大幅下降。當進料位置為16塊塔板時，塔頂乙醇純度達到0.995。若繼續增大塔板數，塔頂乙醇含量下降，且設備費用增加。綜合考慮，選擇T102的原料進料位置為第16塊塔板。

圖10 T102塔頂乙醇的純度隨原料進料位置的變化曲線圖

(4)以萃取劑進料位置為橫坐標，以塔頂中乙醇純度為縱坐標，結果如圖11所示。

圖11 T102塔頂乙醇的純度隨萃取劑進料位置的變化曲線圖

如圖11所示，隨著萃取劑進料位置的增加，在第4塊塔板處，塔頂乙醇純度達到達到最大為0.995，且繼續增加進料位置的塔板數，塔頂乙醇的純度緩慢下降，當塔板數到達第12塊塔板后，塔頂乙醇的純度大幅下降。綜合考慮塔頂乙醇的分離程度和操作費用，選擇T102的萃取劑進料位置為第4塊塔板。

3.3 模擬結果匯總及分析

表3 以甘油為萃取劑的工藝條件優化模擬結果

注： T102的萃取劑進料位置為第2塊板，原料進料位置為第13塊板；T103的萃取劑進料位置為第3塊板，原料進料位置為第33塊板。

··表4 以乙二醇為萃取劑的工藝條件優化模擬結果

注： T102的萃取劑進料位置為第4塊板，原料進料位置為第16塊板；T103的萃取劑進料位置為第4塊板，原料進料位置為第23塊板。

表5 以甘油為萃取劑的產物純度 %

注： T1塔頂表示精餾塔T101的塔頂，以下類推。

表6 以乙二醇為萃取劑的產物純度 %

注： T1塔頂表示精餾塔T101的塔頂，以下類推。

表7 萃取劑用量比較

對比表3和表4可知，相比于乙二醇作為萃取劑進行萃取精餾時，以甘油為萃取劑進行分離時，T101、T102、T103理論塔板數相近，但T104所用塔板數大大減少，與之對應所需塔高越低，設備費用越低；此外以甘油作為萃取劑進行分離，除塔T101回流比略大于乙二醇做為萃取劑分離時所需的回流比以外，T102、T103、T104的回流比均低于乙二醇做為萃取劑分離時所需的回流比，回流比越小，操作更容易，所需的工藝操作費用更低。

對比表5和表6可知，以甘油作為萃取劑進行分離時，由T102塔頂分離得到的乙醇和T103塔頂分離得到的異丁醇的純度更高，但塔T104塔釜中甘油的純度低于以乙二醇作為萃取劑進行分離時乙二醇的純度，循環使用效果略差。

由表3～表7可知，在達到同等分離要求的情況下，相比使用乙二醇作為萃取劑，以甘油作為萃取劑所用萃取劑的量大大減小，使得操作運行費用和原料費用較少，具有更好的經濟效益。

綜合工藝操作條件、運行費用以及產品純度各方面因素，確定以甘油作為萃取精餾的萃取劑。

4 結果討論

針對含異丁醇和乙醇的高濃度有機廢水中有機物的分離和回收過程，對有機廢水中的有機物進行物性分析，確定了以萃取精餾的工藝分離和回收有機廢水的工藝流程。利用Aspen Plus模擬的T-x-y曲線與實驗數據進行擬合，確定選用NRTL熱力學方法，分別對以甘油和乙二醇為萃取劑的工藝進行了模擬及優化，模擬優化結果表明：以甘油和乙二醇作為萃取劑進行萃取精餾都可以對有機廢水體系進行分離和回收，得到的異丁醇濃度≥98%,乙醇濃度≥99%，均符合設計要求，且分離后均可得到純度為99%以上的萃取劑，可以循環利用。

但是相比于乙二醇作為萃取劑進行萃取精餾時，以甘油作為萃取劑，工藝操作條件簡單，設備和運行費用低，分離效果好，產品純度高。因此確定了以甘油作為萃取精餾分離和回收有機廢水工藝的萃取劑。