多級萃取處理丙酮廢水的模擬研究

李 琳，施 蘭，雷 蘭，王 鳳，李凱文，李 靜，葉 昆

(1.六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004；2.中國石油工程建設有限公司 華北分公司，河北 任丘 062550)

丙酮廢水是一種常見的工業廢水，多產生于甲基丙烯酸甲酯、衍生物雙酚 A和喹啉衍生物等化工產品的制備中[1-2]，反應結束后會產生大量的丙酮廢水。丙酮價格逐年上漲，所以在廢水處理時回收丙酮就變得至關重要，一方面有效的避免了水體的污染，另一方面可以提高經濟效益。

目前國內外對于丙酮廢水的處理方法有精餾法[3-4]、蒸餾法[5]和滲透汽化法[6]等。本文采用多級逆流萃取法對丙酮廢水進行分離，因為萃取法一般情況在常溫常壓下操作，設備也相對簡單。通過Aspen Plus 模擬萃取的工藝過程，并分析了萃取劑、萃取級數和萃取溫度等對工藝過程的影響。

1 萃取劑的篩選

為了得到高效的萃取劑，首先利用單級萃取模擬，以丙酮常用萃取劑如二異丙基醚、醋酸丁酯、叔戊基甲基醚、1,2-二氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷等為研究對象，通過比較萃取相和萃余相中丙酮、水和萃取劑的濃度，從而得到最優萃取劑，模擬結果如表1和表2所示。

表1 萃取相中各組分的質量分數

表2 萃余相中各組分的質量分數

從表1可以看出，1,2-二氯乙烷的萃取效率最高，其次是1,1,2-三氯乙烷，但是1,2-二氯乙烷做萃取劑時，對水的夾帶量是最大的，遠高于1,1,2-三氯乙烷。從表2中可以看出，萃余相中萃取劑夾帶量最小的是1,2-二氯乙烷，其次是1,1,2-三氯乙烷，但是其差別并不顯著。綜合考慮，1,1,2-三氯乙烷為最合適的萃取劑。

2 模擬流程的搭建

2.1 建立模擬流程圖

在Aspen plus系統Separators模型下選擇塔Decanter，搭建逆流六級萃取流程，如圖1。

圖1 六級逆流萃取流程

Fig.1 Six-stage countercurrent extraction process

2.2 設置初始參數

輸入組分1,1,2-三氯乙烷、水、丙酮，選擇熱力學模型為NRTL方程。再設定初始數據，以1,1,2-三氯乙烷為萃取劑，萃取溫度20℃，壓力101.325 kPa，丙酮廢水的處理量為30 m3/h，廢水中含丙酮6000 mg/L，萃取劑流量16 m3/h。設置好初始參數后，點擊運行，對6級逆流萃取丙酮水溶液進行模擬計算。

3 實驗結果分析

3.1 萃取級數的影響

在初始溫度和壓力不變的條件下，對不同的萃取級數進行模擬計算，得到圖2。

圖2 萃取級數對萃余液中各組分的影響

從圖2可以看出，隨著級數的增加，萃余液中丙酮的含量是減小的，從二級的767.8 mg/L減小到六級的44.7 mg/L，萃余液夾帶量也是呈減小趨勢，但是改變量很小，為了達到廢水的排放標準，采取六級萃取的工藝流程。

3.2 萃取劑用量的影響

圖3 萃取劑用量對萃余液中各組分的含量的影響

在不同的萃取劑用量下，對萃余液進行分析。采用六級萃取工藝，得到萃取劑用量對萃余液中各組分的含量的影響，如圖3。

從圖3中可以看出，隨著萃取劑1,1,2-三氯乙烷用量的增加，萃余液中丙酮的含量和夾帶量都減小。當萃取劑1,1,2-三氯乙烷用量為16 m3/h時，丙酮含量減小的速度越來越小，最后趨于不變，夾帶量減小的情況也是在萃取劑1,1,2-三氯乙烷用量為16 m3/h時出現拐點。所以，繼續增加萃取劑的用量，也無法再有效的提高廢水的處理效果，還會增加操作費用。綜上所述，萃取劑1,1,2-三氯乙烷的最佳用量為16 m3/h。

3.3 萃取溫度的影響

在不同的萃取溫度下，對萃余液中各組分的含量進行分析。XA表示萃余液中的丙酮的含量，XB表示萃余液中的夾帶量。萃取溫度取10～50℃，對萃余液中各組分進行計算，得到表3。

表3 不同萃取溫度的影響

從表3可以看出，隨著溫度的增加，XA逐漸增大，XB先減小后增加，在25℃達到最小值。說明低溫是有利于萃取操作的，因為對于部分互溶的三相體系，當溫度降低時，兩相區會相應擴大。常溫20℃時XA的含量為45 mg/L，10℃時為42 mg/L，減小優勢不明顯，考慮到節能，最適合的操作溫度為常溫。

4 結論

(1)利用模擬軟件AspenPlus建立單級萃取流程，對常用萃取劑進行模擬計算，得到最合適的萃取劑是1,1,2-三氯乙烷。

(2)熱力學模型選擇NRTL方程，應用靈敏度分析了萃取級數、萃取劑用量和萃取溫度對丙酮廢水的萃取影響。得到最合適的萃取條件是萃取級數為六級、萃取劑用量為16 m3/h、萃取溫度為常溫，萃余液中丙酮的含量由初始的6000 mg/L 下降到45 mg/L。