基于Aspen Plus的 1,2-二氯乙烷廢水汽提脫溶過程模擬與優化

張振科，沈杰，張明亮(.浙江沙星科技有限公司，浙江 臨海 37000； .新鄉學院能源與燃料研究所，河南 新鄉 453000)

0 引言

1,2-二氯乙烷(EDC)是一種重要的有機合成原料，同時在精細化工領域又是重要的溶劑，其主要用于氯乙烯、三氯乙烯、乙二胺、三氯乙烷、亞乙烯基氯、四氯乙烯中間體等產品的合成和蠟、脂肪、橡膠等的溶劑[1-4]。在精細化工生產過程中會遇到含EDC的低濃度廢水，由于EDC為生物難降解的揮發性有機氯化物[5]，所以在進入廢水生化處理系統之前，需對該廢水進行預處理，回收廢水中的EDC，達到經濟發展與環境保護良性循環的目的。本文運用Aspen Plus流程模擬軟件[6-8]，對某酸化萃取工段EDC廢水(流量2 500 kg/h，x(EDC)=0.9%，x(NaCl)=24.1%)汽提分離工藝過程進行模擬，以期達到回收溶劑和降低廢水化學需氧量(COD)的目的；另外，通過靈敏度分析優化工藝參數，為工業化設計提供理論參考數據。

1 物性方法選擇

Aspen Plus物性方法提供了一系列物性的計算模型和方法，用來計算熱力學性質和傳遞性質[9]；在模擬過程中，應根據不同物料體系和操作工況選擇正確的物性方法。曲云等[10]采用Aspen Plus軟件中的NRTL物性方法和RADFRAC模塊，考察了不同汽提介質對二氯乙烷殘余量、二氯乙烷損耗量和汽提塔尺寸的影響；陶少輝等[11]采用Aspen Plus軟件中的NRTL物性方法，模擬和優化了以環己烷、甲苯、二氯乙烷為共沸劑萃取精餾2-氯乙醇-水分離過程工藝條件，模擬結果能夠與實驗結果較好吻合；梁燕等[12]利用Aspen Plus軟件ELECNRTL物性方法、Extract模塊和NRTL物性方法、RadFrac模塊，模擬和優化了碳酸鉀水溶液萃取-精餾耦合分離甲苯、乙醇共沸混合物的工藝條件，模擬結果與實驗數據吻合。以上研究表明，NRTL物性方法能夠較好的模擬二氯乙烷水體系，本文研究的有機廢水溶液存在電離平衡NaCl←→Na++ Cl-，屬于電解質系統，因此本文模擬的物性方法選擇ELECNRTL模型[13]，該模型用于計算電解質水溶液系統以及混合溶劑電解質系統，當電解質濃度變為零時，該模型就簡化為NRTL模型。

2 汽提工藝流程

汽提過程工藝流程圖如圖1所示。廢水經換熱器預熱后經流股2從塔頂進入汽提塔，與塔底通入的蒸汽經逆流傳質、傳熱后，廢水中的EDC以氣態形式從塔頂流出，汽提后的廢水從塔底流出。

圖1 汽提工藝流程圖

3 靈敏度分析

汽提過程的關鍵在于汽提塔，因此在整個模擬過程中首先以汽提塔為例，運用靈敏度分析對其各主要操作進行優化，詳細分析各參數對汽提過程的影響。模擬初始操作條件為：廢水進料量2 500 kg/h、理論塔板數30、蒸汽進料量270 kg/h、廢水進料溫度60 ℃、汽提塔操作壓力101 kPa。

3.1 塔板數對分離過程的影響

保持其他初始參數不變，改變汽提塔塔板數，考察塔板數對塔底廢水中EDC含量的去除效率，模擬結果如圖2所示。由圖可知，隨著塔板數的增加塔底EDC質量分數xw逐漸減小，20塊板之后xw減小幅度變化變緩。選擇20塊板作為汽提塔的塔板數。

圖2 塔板數對分離過程的影響

3.2 蒸汽流量對分離過程的影響

設定塔板數為20，保持其他參數不變，以蒸汽流量為分析變量，考察其對分離過程的影響，模擬結果如圖3所示，隨著蒸汽流量加大，塔底廢水中EDC含量xw逐漸降低，其中，蒸汽流量在220～540 kg/h區間增大時，EDC脫除率顯著提升，當蒸汽流量大于540 kg/h時，EDC去除率逐漸趨于平衡，選擇蒸汽流量為540 kg/h。

圖3 蒸汽流量對分離過程的影響

3.3 廢水進料溫度對分離過程的影響

不同廢水進料溫度對塔底廢水中EDC含量的影響如圖4所示，隨著進料溫度的升高，廢水中的EDC去除效率顯著提升，當廢水進料溫度超過100 ℃時，廢水中EDC含量逐漸趨于平衡。由圖4可知，提高廢水進料溫度可以有效提升EDC的去除率，但同時也應該綜合考慮操作成本，在滿足出水達標的同時設定合適的進料溫度。

圖4 廢水進料溫度對分離過程的影響

3.4 操作壓力對分離過程的影響

以操作壓力為分析變量，其他操作條件不變，考察汽提塔操作壓力對EDC去除效率的影響，結果如圖5所示。隨著壓力的增加，汽提后廢水中的EDC含量逐漸升高，因此，在日常操作過程中，如果塔底廢水xw含量超標，保持其他操作條件不變，可以通過減壓操作使塔底廢水xw達標。

圖5 操作壓力對分離過程的影響

4 模擬結果

經過對汽提塔各參數的靈敏度分析，優化得到了汽提塔適宜的設計和各操作參數，如表1所示，經過優化后的汽提塔塔底廢水EDC質量分數可以降低到3.85×10-5，達到處理要求，塔頂EDC質量分數為0.040 8，可以通過靜置分層后得到高濃度EDC。

表1 汽提塔主要工藝參數

5 工藝流程優化

根據汽提塔各工藝參數優化結果，對工藝流程進行節能優化，以期達到降低能耗的目的，優化后的工藝流程如圖6所示。含EDC廢水經換熱器預熱后經流股FH從塔頂進入汽提塔，與塔底通入的蒸汽經逆流傳質、傳熱后，廢水中的EDC以氣態形式從塔頂流出，經冷凝、靜置、分層后，得到有機層為高濃度EDC，水層返回廢水收集池中繼續汽提；塔底廢水經泵送至換熱器熱交換后經流股WC去廢水站進行脫鹽處理。

圖6 汽提工藝流程圖

如圖7所示，考察了不同蒸汽流量條件下對廢水進汽提塔溫度TFH、塔頂采出量FD和其EDC含量xD、塔底采出量FW和其EDC含量xW的影響；結果表明：隨著蒸汽流量從220 kg/h增加至780 kg/h，FW從2 513.31 kg/h下降至2 480.83 kg/h，FD從206.69 kg/h增大至799.17 kg/h，通過對比FW與FD發現，提高蒸汽流量FW略有下降而FD上升較快；另外，xD隨著塔頂采出量的增加而降低，xW隨著蒸汽流量增加而逐漸趨于零；TFH從100.40 ℃緩慢降至99.69 ℃，下降幅度不大，主要是因塔底廢水流量FW緩慢下降造成的。從能耗方面考慮，主要能耗為塔底蒸汽輸入量與塔頂冷凝器輸出量決定，隨著塔底蒸汽量增大，塔頂冷凝器冷負荷也同時增大。在蒸汽流量保持在540 kg/h時，主要流股模擬結果如表2所示。

圖7 蒸汽流量對分離過程的影響

表2 主要流股模擬結果

6 結論

運用Aspen Plus流程模擬軟件對含EDC廢水汽提分離工藝過程進行詳細模擬計算。以汽提塔為例對各主要操作參數進行了靈敏度分析，考察了各主要操作變量對汽提后廢水中EDC含量的影響，得到了汽提塔較優的設計和各操作參數，如表1所示。通過對汽提工藝流程進行節能優化，確定了蒸汽流量在540 kg/h時各流股工況參數，如表2所示。以蒸汽流量為變量，考察了不同蒸汽流量條件下各流股工況參數變化情況，為工業化調試提供參考。