鋰電池生產(chǎn)中NMP溶劑回收工藝的模擬與優(yōu)化

馬曉冬，黃 衛(wèi)，李聚魁

(1.河哺拓(天津)科技發(fā)展有限公司，天津 300401；2.江蘇天鵬電源有限公司，江蘇 蘇州 223001；3.天津市普萊特科技發(fā)展有限公司，天津 300232)

1 引言

N-甲基吡咯烷酮(NMP)是一種有機(jī)物，化學(xué)式為C5H9NO，分子量99.131，為無(wú)色透明液體，稍有氨味，相對(duì)密度1.026 0 g/cm3，沸點(diǎn)202 ℃，粘度低、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，是一種選擇性強(qiáng)和穩(wěn)定性好的極性溶劑，相對(duì)環(huán)境要求來(lái)說(shuō)其揮發(fā)性較高，具有毒性低、沸點(diǎn)高、溶解力強(qiáng)、不易燃、可生物降解、可回收利用等特點(diǎn)，在鋰電、醫(yī)藥、農(nóng)藥、顏料、清洗劑、絕緣材料等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1-2]。

NMP的回收尚未實(shí)現(xiàn)很好的工業(yè)化，目前缺乏公開(kāi)的研究數(shù)據(jù)。而近年來(lái)隨著手機(jī)、新能源汽車(chē)的大力普及、推廣，鋰電池行業(yè)獲得大力發(fā)展，NMP作為鋰電池正極重要的輔助涂敷材料，使用量大大增加。因NMP較為昂貴且對(duì)人體有害，將其進(jìn)行回收，對(duì)減少污染、保護(hù)環(huán)境和降低鋰電池生產(chǎn)成本有著十分重大的意義[3-4]。本文在前人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入隔壁塔(dividing-wall column,DWC)，對(duì)廢液中的NMP進(jìn)行回收，對(duì)該隔壁塔工藝流程進(jìn)行模擬及優(yōu)化，并與原工藝對(duì)比節(jié)能效果，為利用隔壁塔對(duì)NMP回收工藝工業(yè)化提供理論依據(jù)。

2 工藝流程介紹

某廠NMP兩塔工藝為NMP廢液先進(jìn)入脫水塔T1，塔頂脫出大部分水，塔底剩余的少量水、NMP和高沸物則進(jìn)入T2塔，在塔頂采出NMP產(chǎn)品。DWC的分離原理與常規(guī)精餾塔相同，有上隔板、中隔板、下隔板三種結(jié)構(gòu)，采用上隔板結(jié)構(gòu)，如圖1所示，工藝流程為NMP廢液從隔板左側(cè)進(jìn)入隔壁塔，經(jīng)過(guò)公共提餾段，隔板左側(cè)塔頂出水，水中NMP含量小于1 ppm，隔板右側(cè)塔頂出NMP產(chǎn)品，純度在99.9%以上。

圖1 隔壁塔Fig.1 dividing-wall column.

隔壁塔較傳統(tǒng)兩塔結(jié)構(gòu)，不論是設(shè)備費(fèi)用還是在能量費(fèi)用方面都會(huì)有所節(jié)省。而且由于隔壁塔用單塔代替兩塔，在一定程度上節(jié)約了精餾塔的設(shè)備費(fèi)用以及占地面積。利用隔板塔回收NMP工藝，減少了中間產(chǎn)物返混的程度，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。

3 流程模擬及建模

工藝的建模及計(jì)算均采用Aspen Plus流程模擬軟件。隔壁塔采用如圖2所示的三塔模型代替，其中熱力學(xué)模型采用NRTL，精餾塔則使用RadFrac模塊。給予模型一定的初值，并用序貫?zāi)K法(Aspen Plus中的SM模塊)對(duì)三塔模型進(jìn)行模擬計(jì)算。然后使用Aspen Plus中的設(shè)計(jì)規(guī)定模塊計(jì)算出采出流股的組成達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)各參數(shù)的取值，并將其作為優(yōu)化計(jì)算的初值。

圖2 隔壁塔三塔模型流程Fig.2 Three-tower process of DWC.

4 隔壁塔工藝參數(shù)確定

當(dāng)塔板數(shù)固定時(shí)，影響精餾效果的變量有進(jìn)料位置、理論板數(shù)、回流比等，由于隔壁塔的引入，且采用三塔模型進(jìn)行模擬計(jì)算，該工藝共有5個(gè)可調(diào)設(shè)計(jì)變量：理論板數(shù)NS，進(jìn)料板位置NF，水側(cè)T2回流比R1、NMP側(cè)T3回流比R2，氣相分配比Rv。考慮各個(gè)變量對(duì)工藝熱負(fù)荷和產(chǎn)品純度的影響，得到可調(diào)節(jié)變量的初值。

4.1 理論板

根據(jù)圖1可知，當(dāng)隔壁塔的總板數(shù)一定時(shí)，確定公共提餾段的板數(shù)，就可以確定隔壁的長(zhǎng)度。由圖3(a)可知，公共提餾段T1塔不影響采出的NMP產(chǎn)品含量和再沸器熱負(fù)荷，所以公共提餾段的板數(shù)在3～4塊即可；NMP側(cè)T3塔的塔板數(shù)不影響NMP產(chǎn)品含量，如圖3(b)對(duì)再沸器熱負(fù)荷影響也不大，理論板大于5塊即可；而對(duì)于水側(cè)塔T2，如圖3(c)隨著理論板數(shù)的增大，NMP側(cè)T3塔塔頂采出NMP和水側(cè)T2塔采出水的純度越來(lái)越大，冷凝器熱負(fù)荷越來(lái)越小，所以初值選定15塊。

圖3 理論板數(shù)NS對(duì)產(chǎn)品純度和熱負(fù)荷的影響(a) T1塔；(b) T3塔；(c) T2塔—■—NMP純度，—□—水純度，熱負(fù)荷Fig.3 Effect of NSTAGE on product purity and heat duty.(a) column T1;(b) column T3;(c) column T2.—■—NMP purity,—□—water purity,heat duty

4.2 進(jìn)料板位置

進(jìn)料板位置對(duì)塔熱負(fù)荷的影響，如圖4所示。由圖可以看出，在熱負(fù)荷較小的情況下，進(jìn)料板位置在第7—12塊板附近時(shí)，NMP產(chǎn)品的純度較高且穩(wěn)定。本文初值選定第12塊板進(jìn)料。

圖4 進(jìn)料位置對(duì)產(chǎn)品純度和熱負(fù)荷的影響—■—NMP純度，—□—水純度，熱負(fù)荷Fig.4 Effect of feed stage on product purity and heat duty.—■—NMP purity,—□—water purity,heat duty

4.3 回流比與采出量

保持NMP采出濃度恒定，當(dāng)產(chǎn)品采出量增大時(shí)，所需回流比也會(huì)隨之增大，熱負(fù)荷隨之提高。因此產(chǎn)品的產(chǎn)量以及精餾操作費(fèi)用都會(huì)增大。如圖5(a)(b)所示，綜合考慮產(chǎn)品純度和熱負(fù)荷對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量以及精餾操作費(fèi)用的影響，T2塔和T3塔的回流比初值選定0.15和1.55。

圖5 回流比對(duì)產(chǎn)品純度和熱負(fù)荷的影響(a) T2塔;(b) T3塔—■—NMP純度，—□—水純度，熱負(fù)荷Fig.1 Effect of reflux ratio on product purity and heat duty.(a)Column T2 ;(b) column T3.—■—NMP purity,—□—water purity,heat duty

4.4 氣相分配比

由T1塔塔頂流出的氣相流量分成兩股分別流入T2塔和T3塔，其氣相分配比(流向T2塔的比例)對(duì)產(chǎn)品純度和熱負(fù)荷的影響如圖6所示。氣相分配比為0.2時(shí)，NMP純度大于99.9%，滿足純度要求，廢水中NMP含量小于1 ppm，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 氣相分配比對(duì)產(chǎn)品純度及熱負(fù)荷的影響—■—NMP純度，—□—水純度，熱負(fù)荷Fig.6 Effect of gas distribution ratio on product purity and heat duty.—■—NMP purity,—□—water purity,heat duty

5 隔壁塔優(yōu)化計(jì)算

該工藝的優(yōu)化目標(biāo)是在使NMP的收率盡量高的前提下，使工藝的操作費(fèi)用達(dá)到最小。本文采用NMP產(chǎn)品純度達(dá)99.9%，廢水中NMP含量小于1 ppm，以再沸器能耗QR最小為目標(biāo)，對(duì)三塔模型中的T2塔理論板數(shù)NS2、進(jìn)料位置NF、T2塔回流比RT2、T3塔回流比RT3、氣相分配比Rv等過(guò)程變量進(jìn)行調(diào)優(yōu)。三塔模型的全流程優(yōu)化結(jié)果如表1，相同處理量和相同純度要求下，隔板塔與兩塔工藝能耗比較見(jiàn)表2。

表1 隔壁塔優(yōu)化結(jié)果Table 1 optimization results of DWC.

表2 隔壁塔與兩塔工藝能耗比較Table 2 Comparison of energy consumption between DWC and two-tower process.

6 高效隔壁塔及工藝的實(shí)踐

由本文所述的NMP隔壁塔工藝，集成多管高效填料技術(shù)的組合精餾塔，工藝裝置已在某廠進(jìn)行安裝調(diào)試，如圖7所示，處理量可達(dá)40 t/day，精餾塔為Φ1 800 mm×7 200 mm的高效隔壁塔，有效縮短塔高度，在保證分離效率下實(shí)現(xiàn)二臺(tái)塔的功能。該裝置總高10 m左右，占地面積約10 m2，拆卸、安裝、移動(dòng)方便，節(jié)約了設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和蒸汽消耗費(fèi)用，為多功能、高效隔壁塔工藝裝置的應(yīng)用提供了實(shí)際依據(jù)。

圖7 高效隔壁精餾塔Fig.7 high-efficient DWC.

7 結(jié)語(yǔ)

本文采用隔壁塔對(duì)所設(shè)計(jì)的工藝進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)建模求解，對(duì)隔壁塔工藝進(jìn)行模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到隔壁塔回收工藝的各操作變量的最優(yōu)化參數(shù)。結(jié)果表明，在達(dá)到相同分離要求的前提下，隔壁塔所需的理論板數(shù)比兩塔工藝更少，隔壁塔比兩塔工藝節(jié)能25.9%。該研究不僅有利于鋰電池制造過(guò)程中NMP回收工藝的工業(yè)應(yīng)用，還為隔壁塔在實(shí)際工藝的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。