廢水中回收醋酸ASPEN模擬

（國環危險廢物處置工程技術（天津）有限公司，天津 300280）

1 含醋酸廢水中回收醋酸的意義

醋酸的用處非常廣泛，可以用作各種調味劑，同時也是抗微生物劑，醋酸是我國應用最早、使用最多的酸味劑，主要用于復合調味料、配制蠟、罐頭、干酪、果凍等。用于調味料時，可將醋酸加水稀釋至4%～5%溶液后，添加到各種調味料中應用[1]。醋酸能夠生產醋酸乙烯、醋酸酯和醋酸纖維素等。聚醋酸乙烯酯可用來制備薄膜和粘合劑，也是合成纖維維綸的原料。醋酸纖維蘇可制造人造絲和電影膠片。醋酸酯是優良的溶劑，廣泛用于油漆工業。醋酸還可用來合成乙酐、丙二酸二乙酯、乙酰醋酸乙酯、鹵代醋酸等，也可制造藥物如阿司匹林等[2]。同時，在農藥等有機化工中也有廣泛應用。醋酸始終為食品業中重要的添加劑[3]。同時，食醋便是醋酸用水勾兌而成，食醋的濃度通常在4%～5%[4]。同時，很多飲料食醋也是重要的調味添加劑。由于醋酸的pH值能夠使微生物失活，所以醋酸也具有防腐的功效，可以當做防腐劑使用。

醋酸做為一種非常重要的有機化工原料，從含醋酸的廢水中回收醋酸，不僅可以有效減少廢水處理的難度[5]，同時，回收的醋酸也具有很高的經濟性。

2 對某組分含醋酸廢水進行模擬

某公司生產某碳三下游產品時，選用了新技術、新工藝，該技術將產生含醋酸廢水。年排廢水量16萬t，醋酸含量10%左右，廢水的具體原始數據見表1。

表1 廢水組成表

廢水規格數據為：溫度 35℃；壓力8bar；流量20062kg·h-1；流量 1033.83kmol·h-1；流量 20.51m3·h-1。

2.1 物性方法的選擇

醋酸具有較強的締合性[6]，根據此類物系進行模擬時，物性方法適宜選用NRTL-HOC模型[7]，即液相選用活度系數方程NRTL進行計算，而汽相選用Hayden-O’Connel狀態方程進行計算。

2.2 簡捷設計模塊DSTWU模擬

精餾塔選用DSTWU模塊，DSTWU模塊主要的作用是能夠得到一些塔的必要參數，包括最小理論板數、實際理論板數、最小回流比、實際回流比等等，DSWU模塊的模擬流程是一股進料，塔頂塔底兩股產品的簡易模型。使用Winn-Underwood-Gilliland方法的簡易設計模塊。

設定模塊位號名稱為C11A-DST，設定塔參數，實際回流比為最小回流比的1.2倍，塔頂微正壓120kPa，塔底140kPa，塔頂水的摩爾回收率設定為99.9%，塔底醋酸摩爾回收率設定為99.9%，醋酸在塔頂的回收率1-0.999=0.001。如圖1所示。

圖1 簡捷模擬DSTWU模塊輸入

模擬結果，計算出的最小回流比為1.27，最小理論板數為24塊（包括全凝器和再沸器），實際回流比為1.52，實際理論板數為48塊（包括全凝器和再沸器），塔頂和塔底的熱負荷分別為28438.54kW與29901.44kW。塔底產品流股號為113，產品質量分數為99.1%，未達到優等品或一等品要求。結果如圖2、表2所示。

圖2 簡捷模擬DSTWU模塊結果

表2 簡捷模擬DSTWU模塊流股結果

2.3 簡捷設計模塊DSTWU模擬優化

設定塔板數為X軸，回流比為Y軸，生成生產回流比與理論板數關系曲線，見圖3。

圖3 簡捷模擬DSTWU回流比與理論板數關系曲線

通過圖3可以看出，當理論塔板數＞33之后，回流比隨著理論板數的增加，變化不大。故將塔板數33作為輸入參數，結果如圖4所示。

圖4 簡捷模擬DSTWU模塊優化后結果

2.4 嚴格計算模塊RadFrac模擬

使用DSTWU模塊嚴格計算，取得一些基本參數后，嚴格計算模塊RadFrac進行嚴格精餾塔計算。

RadFrac模塊可以對普通精餾、吸收、汽提、萃取精餾、共沸精餾、反應精餾（包括平衡反應精餾、速率控制反應精餾、固定轉化率反應精餾和電解質反應精餾）、三相（汽-液-液）精餾。Rad－Frac適用于兩相體系、三相體系、窄沸點和寬沸點物系以及液相表現為強非理想性的物系。

將圖4中，簡捷模擬DSTWU模塊優化后結果作為輸入參數輸入。如圖5所示。

圖5 嚴格模擬RadFrac模塊輸入

Radfrac模塊計算類型分為，平衡級及非平衡級（Equilibrium、Rate-Based），本模擬采用默認的平衡級模型(Equilibrium)。

RadFrac模塊塔板數的設定默認為理論板數，當然設定實際塔板數也是可行的。設定實際塔板數時，需要設定塔的整體效率。需要注意的是塔板數是包含塔頂冷凝器與塔底再沸器的。本模擬輸入的塔板數為理論板數。

RadFrac模塊冷凝器有四個選項，分別為全冷凝器、部分冷凝器（塔頂產品為氣相）、部分冷凝器（塔頂產品為氣液兩相）和沒有冷凝器。本模擬采用全凝器（Total）。

RadFrac模塊再沸器的選項有三個，分別為釜式再沸器、熱虹吸式再沸器和沒有再沸器。本模擬采用釜式再沸器。

模塊選擇默認的氣-液兩相為有效相態（Vapor-Liquid），模塊的選擇標準方法收斂（Standard）。

操作規定的可選擇性較多，本模擬選擇塔頂產品與進料的流量比及系統回流比，（Distillate to feed ratio）、（Reflux ratio）。

開始模擬，結果顯示，塔頂冷凝器的熱負荷為-40926.964kW，塔底產品質量分數為99.2%。如圖6和表3所示。

圖6 嚴格模擬RadFrac模塊塔頂結果

2.5 嚴格計算模塊RadFrac模擬優化

模擬塔底產品質量分數為99.2%，未達到優等品或一等品要求。設定一個設計規定（Design Specs）產品質量分數99.9%（優等品質量分數為99.8%），設置操縱變量（Vary）為回流比。結果顯示，回流比最大增加至12.62時，產品質量分數依然為99.3%，結果說明回流比為操縱變量時產品質量最大僅為99.3%。

操縱變量（Vary）改為塔頂產品與進料流量比（Distillate to feed ratio），結果顯示當塔頂產品與進料流量比（Distillate to feed ratio）為0.9679時，塔底產品質量分數可以達到99.9%，塔頂冷凝器的熱負荷為-40963.837kW，塔底再沸器的熱負荷為42426.7388kW。如表4，圖7所示，同時生產塔內溫度曲線及塔內主要組分液相組分分布圖，見圖8～9。

表3 嚴格模擬RadFrac模塊流股結果

表4 嚴格模擬RadFrac模塊流股優化后結果

圖7 嚴格模擬RadFrac模塊優化后結果

圖8 嚴格模擬RadFrac模塊塔內溫度分布曲線

圖9 嚴格模擬RadFrac模塊塔內液相質量組成分布曲線

3 結論

本文首先使用簡捷模塊DSTWU進行模擬，得到結果后又使用RadFrac模塊進行嚴格模擬，并對模擬結果進行優化，通過ASPEN的模擬可以看出，當塔頂產品與進料流量比（Distillate to feed ratio）為0.9679時，塔底產品質量分數可以達到99.9%，說明使用精餾方法進行廢水中的醋酸回收是可行的，模擬的結果顯示回收過程中的能耗較高，對于此種情況，可以在實際工作中選用雙效等方式以降低其能耗。