N-甲基吡咯烷酮回收液提純工藝模擬研究

鄭世富，黃佩佩，黃子威，彭偉偉，鄒 亮，羅 松

（江西贛鋒鋰業(yè)股份有限公司，江西 新余 338000）

N-甲基吡咯烷酮(NMP)，分子式:C5H9NO，NMP 屬于氮雜環(huán)化合物，具有一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)，是一種無毒性、沸點(diǎn)高、極性強(qiáng)、粘度低、腐蝕性小、溶解度大、揮發(fā)度低、穩(wěn)定性好、易回收的高效選擇性溶劑[1-2]。廣泛應(yīng)用于石油化工、高精密電子、電路板、鋰電池等領(lǐng)域。NMP 是生產(chǎn)鋰離子電池電極非常重要的輔助材料，主要用于溶解/溶脹PVDF，同時(shí)稀釋漿料，NMP 產(chǎn)品質(zhì)量直接影響高端電子產(chǎn)品的生產(chǎn)與質(zhì)量[3-4]。

我國對(duì)NMP 產(chǎn)品的研發(fā)晚于發(fā)達(dá)國家，高純度NMP 產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝一直被發(fā)達(dá)國家所掌握，電子行業(yè)使用的NMP 主要依靠進(jìn)口[5]。隨著鋰電池行業(yè)的快速發(fā)展，NMP 的需求量與日俱增，NMP 的價(jià)格居高不下，已嚴(yán)重影響我國鋰電池行業(yè)的發(fā)展。如何回收利用低濃度的NMP 水溶液，降低鋰電池行業(yè)的制造成本，受到越來越多研究者的關(guān)注[6]。

騰榮國[7]公開了一種NMP 水溶液純化用滲透汽化膜裝置，該裝置主要包括：滲透汽化膜機(jī)體、霧化機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)和冷凝機(jī)構(gòu)等。通過對(duì)NMP 水溶液進(jìn)行霧化和加壓，從而使霧化后的NMP 水溶液通過汽化膜組，實(shí)現(xiàn)NMP 水溶液的快速純化。郭紅云[8]公開了一種NMP 脫水膜浸透汽化提純裝置，主要包括：氣體增壓泵、第一滲透汽化膜隔斷、中溫冷卻箱、第二滲透汽化膜隔斷等。該裝置利用NMP 氣體的高溫特性，對(duì)NMP氣體分級(jí)冷卻、滲透汽化過濾，使NMP 氣體與水蒸氣分離。滲透汽化膜技術(shù)的關(guān)鍵在于膜的品質(zhì)，高質(zhì)量的膜生產(chǎn)必定引起成本的提高，并且該技術(shù)只適合高濃度NMP 水溶液的提純，因此目前難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

由于NMP 的沸點(diǎn)達(dá)202 ℃，與水的沸點(diǎn)相差較大，因此，本文用減壓精餾技術(shù)實(shí)現(xiàn)NMP 水溶液的提純。以某鋰電公司回收的NMP 水溶液(10 wt%)為設(shè)計(jì)依據(jù)，通過Aspen 模擬，優(yōu)化確定NMP 水溶液減壓精餾塔的工藝條件，為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 工藝模擬研究

1.1 研究方法

Aspen 是一款公認(rèn)的大型流程模擬軟件，廣泛應(yīng)用于化工、石化、煉油等行業(yè)。本文以Aspen為模擬軟件，模擬N-甲基吡咯烷酮回收液提純工藝。通過改變NMP 回收液減壓精餾塔的進(jìn)料方式，確定NMP 回收液減壓精餾塔的最佳進(jìn)料方式；通過靈敏度分析，確定NMP 回收液減壓精餾塔最佳塔板數(shù)和進(jìn)料位置；在優(yōu)化的條件下，得出Aspen 模擬結(jié)果，為工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1.2 工藝初步模擬

以某鋰電公司NMP 回收液為設(shè)計(jì)依據(jù)，處理量按500 kg/h 計(jì)算，通過Aspen 模擬NMP 回收液減壓精餾回收工藝。Aspen 模擬工藝流程見圖1，NMP 回收液通過預(yù)熱器預(yù)熱至一定溫度，被輸送至減壓精餾塔(T101)分離，塔底得到高純度的NMP，回收利用。

圖1 NMP 水溶液減壓精餾工藝流程圖

通過控制減壓精餾塔的回流比(R=0.1)和操作壓力(PaA（絕對(duì)壓力）=0.01 MPa)，改變減壓精餾塔的進(jìn)料方式，得出在不同進(jìn)料方式下，減壓精餾塔各工藝參數(shù)。從表1 可以看出，通過改變減壓精餾塔的進(jìn)料方式，減壓精餾塔的加熱量和塔底NMP 濃度變化不明顯。為有效回收減壓精餾塔塔底物料的熱量，本文設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料方式。

表1 進(jìn)料方式對(duì)NMP 減壓精餾塔參數(shù)的影響

1.3 工藝優(yōu)化

1.3.1 塔板數(shù)優(yōu)化

對(duì)減壓精餾塔的塔板數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，圖2 為減壓精餾塔塔底NMP 濃度隨塔板數(shù)的變化曲線。從圖2 可以看出，減壓精餾塔塔底NMP 濃度隨著塔板數(shù)的增加而增加，當(dāng)塔板數(shù)達(dá)到12 塊時(shí)，塔底NMP 濃度最高，達(dá)99.99 wt%以上，再次增加塔板數(shù)，塔底NMP 的濃度基本無變化。因此，減壓精餾塔塔板數(shù)取12 塊。

圖2 塔底NMP 濃度隨著塔板數(shù)的變化圖

1.3.2 進(jìn)料位置優(yōu)化

圖3 為減壓精餾塔塔底NMP 濃度隨進(jìn)料位置的變化曲線圖。從圖3 可以看出，在控制減壓精餾塔塔板為12 塊的情況下，塔底NMP 濃度隨著進(jìn)料位置增加先增加后降低，當(dāng)進(jìn)料位置為7時(shí)，塔底NMP 濃度最高，因此減壓精餾塔進(jìn)料位置選第7 塊。

1.4 工藝模擬結(jié)果

1.4.1 減壓精餾塔的物料衡算

通過Aspen 工藝模擬優(yōu)化，確定N-甲基吡咯烷酮回收液提純工藝中減壓精餾塔的進(jìn)料方式為泡點(diǎn)進(jìn)料、回流比(R)為0.1、操作絕對(duì)壓力(PaA)為0.01 MPa、塔板數(shù)(N)為12 塊、進(jìn)料位置(F)為第7 塊塔板。在上述工藝參數(shù)下，得出減壓精餾塔各塔板上N-甲基吡咯烷酮的氣相、液相組成圖（圖4）及減壓精餾塔各塔板上氣相、液相流量趨勢圖（圖5）。

圖4 減壓精餾塔中NMP 的氣相、液相濃度

圖5 減壓精餾塔中NMP 氣相、液相流量趨勢圖

從圖4 可以得出，減壓精餾塔中，N-甲基吡咯烷酮的氣相、液相濃度均隨著塔板數(shù)的遞增而增加，在減壓精餾塔塔底，N-甲基吡咯烷酮的氣相濃度為98.69 wt%、液相濃度達(dá)99.99 wt%。

從圖5 可以看出，隨著減壓精餾塔塔板數(shù)的增加，各塔板上氣相流量保持遞增的趨勢，在第12塊塔板上，氣相流量達(dá)到最大，為2328.18 kg/h；在第11 塊塔板上，液相流量最大，為2378.19 kg/h。

1.4.2 減壓精餾塔的能量衡算

通過Aspen 模擬確定減壓精餾塔塔頂液相流量為494.99 kg/h，塔釜?dú)庀嗔髁繛?328.18 kg/h；塔頂氣相冷凝量為329122 J/s，塔底加熱量為332903 J/s，見表2。減壓精餾塔塔頂、塔底能量衡算結(jié)果，可為工程設(shè)計(jì)冷卻量和加熱量提供依據(jù)。

表2 減壓精餾塔能量衡算表

1.4.3 全工藝的物料衡算

表3 為N-甲基吡咯烷酮回收液提純工藝的物料衡算表。從表3 可以看出，原10 wt%的N-甲基吡咯烷酮回收液經(jīng)Aspen 模擬優(yōu)化，確定減壓精餾塔的各工藝參數(shù)，得到純度大于99.99 wt%的NMP 溶液達(dá)到低濃度NMP 溶液有效回收再利用的目的。

表3 N-甲基吡咯烷酮回收液提純工藝物料衡算表

2 結(jié)論

本文以某鋰電公司回收的N-甲基吡咯烷酮水溶液(10 wt%)為設(shè)計(jì)案例，通過Aspen 模擬，對(duì)NMP 回收工藝中減壓精餾塔各進(jìn)料方式進(jìn)行了模擬，確定減壓精餾塔為泡點(diǎn)進(jìn)料，對(duì)減壓精餾塔塔板數(shù)及進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化，確定減壓精餾塔塔板數(shù)為12 塊、進(jìn)料位置為第7 塊塔板。本文還對(duì)減壓精餾塔各塔板中NMP 的氣、液相濃度及全工藝流程的物料平衡進(jìn)行了計(jì)算，得出減壓精餾塔塔底的NMP 濃度達(dá)99.99 wt%。