楊德明，陶 磊，葉夢飛，杜 鵬

(常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

針對低濃度N，N－二甲基乙酰胺(DMAC)有機(jī)廢水的處理回收，目前比較節(jié)能的回收工藝一般采用多效精餾［1－4］，但能耗還是偏高。而機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR)熱泵蒸餾技術(shù)［5－11］是將過程產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，提高蒸汽的壓力、溫度和焓值，再將此高溫高壓蒸汽在換熱器中冷凝放熱，充分利用其二次蒸汽的潛熱，以達(dá)到大幅度節(jié)能的效果。

本文針對DMAC沸點(166℃)較高的特點，提出了三種不同的MVR精餾回收工藝，采用Aspen Plus化工流程模擬軟件，對三種工藝流程進(jìn)行模擬計算和優(yōu)化，研究分析MVR熱泵精餾的特點，為DMAC廢水的回收處理和MVR熱泵技術(shù)在精餾領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)和設(shè)計參考。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，規(guī)定塔底再沸器的傳熱溫差為15℃。精餾塔選用填料塔，類型為 Mellapak500X型規(guī)整填料，等板高度 HETP取 0.4 m［12］。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table.1 Basic data

2 MVR熱泵精餾工藝流程

MVR熱泵一般適合于塔頂塔底溫差不大的蒸餾過程［13－15］。由于蒸汽壓縮機(jī)其壓縮比一般不會超過2，因此若塔釜溫度太高，經(jīng)一次壓縮后的蒸汽冷凝溫度難以滿足塔釜換熱所需的溫差要求，為此筆者提出了以下三種工藝方案:(1)MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝;(2)三級MVR單塔精餾工藝;(3)三級MVR三塔精餾工藝。

2.1 MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝(方案1)

MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝流程見圖1。T1塔采用MVR熱泵蒸餾濃縮，T2塔采用常規(guī)精餾，兩塔均在常壓下操作。T1塔頂蒸汽V1進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮后升溫升壓，為T1塔底再沸器供熱，冷凝液經(jīng)減壓后部分回流，部分作為廢水采出。T1塔釜液(DMAC濃縮液)進(jìn)入T2塔，在T2塔內(nèi)把剩余的水在塔頂脫除，T2塔釜液即為合格的DMAC成品。T1塔由壓縮蒸汽供熱，T2塔由外部蒸汽供熱。

圖1 MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝流程Fig.1 Schemeof MVR－convention double－tower distillation

2.2 三級MVR單塔精餾工藝(方案2)

三級MVR單塔精餾工藝流程見圖2。由于塔底得到的是DMAC成品，因此塔底物料的溫度約為155℃(DMAC含量為99%時的泡點溫度)。單級壓縮無法使塔頂蒸汽溫度滿足塔底傳熱溫差的要求，因此必需采用多級壓縮，以提高塔頂蒸汽溫度。根據(jù)塔底溫度以及規(guī)定的傳熱溫差(15℃)可知，離開末級壓縮機(jī)的蒸汽溫度應(yīng)達(dá)到170℃(155+15=170℃，飽和溫度)，對應(yīng)的壓力為0.8 MPa(絕)。該塔采用常壓操作，規(guī)定每級壓縮比為2，則采用三級壓縮即可滿足工藝要求。整個系統(tǒng)無需外部蒸汽供熱，全部能耗由壓縮機(jī)提供。

圖2 三級MVR單塔精餾工藝流程Fig.2 Scheme of three stage MVR distillation

2.3 三級MVR三塔精餾工藝(方案3)

三級MVR三塔精餾工藝流程見圖3。三個塔均在常壓下操作，塔頂蒸汽匯集后進(jìn)入C1壓縮機(jī)。經(jīng)一次壓縮的蒸汽部分為T1塔底再沸器供熱，部分進(jìn)入C2壓縮機(jī)再次壓縮;二次壓縮蒸汽部分為T2塔底再沸器供熱，部分進(jìn)入C3壓縮機(jī)第三次壓縮;三次壓縮蒸汽全部為T3塔底再沸器供熱。三個塔塔底換熱后的冷凝液經(jīng)減壓后部分分配到各塔做回流，部分作為廢水采出。整個系統(tǒng)無需外部蒸汽供熱，全部能耗由壓縮機(jī)提供。

圖3 三級MVR三塔精餾工藝流程Fig.3 Scheme of three stage MVR － triplex－tower distillation

3 MVR熱泵精餾工藝模擬

選用Aspen Plus軟件中的RADFRAC模塊模擬計算精餾塔、Compr模塊模擬計算壓縮機(jī)。選用NRTL－RK物性計算方法，以能耗最低為目標(biāo)函數(shù)對各工藝進(jìn)行優(yōu)化計算。其中壓縮機(jī)的熱功比定義為制熱量與壓縮機(jī)的輸入功率之比，表示壓縮機(jī)熱功轉(zhuǎn)化的能力。

為考察比較以上三種MVR熱泵精餾工藝的節(jié)能效果，筆者對常規(guī)單塔精餾工藝進(jìn)行了優(yōu)化模擬，結(jié)果見表2。

表2 常規(guī)單塔精餾模擬結(jié)果Table.2 Simulation results of convention single － tower distillation

表3 MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝模擬結(jié)果Table.3 Simulation results of MVR －convention doubletower distillation

3.1 MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝模擬結(jié)果

增加T1塔塔頂?shù)膹U水采出量，可以提高T1塔塔底DMAC的含量，導(dǎo)致塔底溫度升高，為此必須提高壓縮機(jī)的壓縮比才能保證塔底再沸器規(guī)定的傳熱溫差。因此T1塔塔底DMAC含量的高低勢必同時會影響壓縮機(jī)的功耗和T2塔的能耗。表3給出了不同T1塔塔底DMAC含量與各工藝參數(shù)以及能耗之間的關(guān)系。

由表3可以看出，隨著T1塔底DMAC含量的提高，總能耗先下降而后又上升?？紤]到目前壓縮機(jī)壓縮比的限制，因此采用壓縮比為2，即T1塔底DMAC含量為55.9wt%的工況，該工況的能耗為605.5 kW。

3.2 三級MVR單塔精餾工藝模擬結(jié)果

精餾塔采用常壓操作，若規(guī)定每級壓縮比為2，則采用三級壓縮即可滿足工藝要求。優(yōu)化模擬結(jié)果見表4，該工藝的總能耗為994.37 kW。

表4 三級MVR單塔精餾工藝模擬結(jié)果Table.4 Simulation results of three－ stage MVR singletower distillation

3.3 三級MVR三塔精餾工藝模擬結(jié)果

由于塔頂采出的水量與塔底物料中DMAC的含量有直接的關(guān)系，因此同時滿足塔底再沸器的熱負(fù)荷以及傳熱溫差條件，就要求與之對應(yīng)的壓縮機(jī)的壓縮量和壓縮比也要相應(yīng)的調(diào)整。在規(guī)定了每級壓縮比為2的條件下，利用軟件中的設(shè)計規(guī)定，對三級MVR三塔精餾工藝進(jìn)行優(yōu)化模擬，結(jié)果見表5。

3.4 模擬結(jié)果匯總與綜合經(jīng)濟(jì)效益評價

四種DMAC回收精餾工藝的能耗以及相應(yīng)的熱功比結(jié)果見表6，表中的節(jié)能效果是以常規(guī)單塔精餾工藝為基準(zhǔn)計算得出。綜合經(jīng)濟(jì)效益用年總費(fèi)用進(jìn)行評價。年總費(fèi)用(δ)主要由以下四部分組成:塔釜加熱蒸汽費(fèi)用(α)、塔頂冷卻水費(fèi)用(β)、壓縮機(jī)耗電費(fèi)用(γ)以及設(shè)備折舊費(fèi)(λ)。采用以下費(fèi)用模型計算各精餾工藝的年總費(fèi)用，假定設(shè)備使用周期為10年，結(jié)果一并見表6。

表5 三級MVR三塔精餾工藝模擬結(jié)果Table.5 Simulation results ofthree－stage MVR triplextower distillation

式中 CB——蒸汽單價/元·t－1;

CW——冷卻水單價/元·t－1;

CM——電價/元·(kW·hr)－1;

CC——塔的造價/元·m－3;

CA——換熱器造價/元·m－2;

Cy——壓縮機(jī)造價/元·臺－1;

QB——再沸器負(fù)荷/kW·a－1;

rB——蒸汽潛熱/kW·t－1;

Wa——冷卻水年消耗量/t·a－1;

WM——年消耗電量/kW·hr·a－1;

H——塔高/m;

A——換熱器總面積/m2;

φ——塔徑/m。

表6 各精餾工藝能耗與綜合經(jīng)濟(jì)效益比較Table.6 Comparison of energy consumption and overall economic benefits for different schemes

由表6可以看出，采用MVR熱泵技術(shù)處理稀DMAC溶液，可大幅度節(jié)約回收過程的能耗，其平均節(jié)能效果到達(dá)81%，就其三種MVR熱泵精餾工藝而言，方案3的節(jié)能效果最好，且熱功比也比較大。但就綜合經(jīng)濟(jì)效益而言，方案2(MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝)是一條比較合適的新型節(jié)能技術(shù)方案。

4 結(jié)論

(1)MVR熱泵精餾工藝非常適合處理類似稀DMAC溶液中有機(jī)溶劑的回收過程，可大幅度節(jié)約回收過程的能耗。

(2)單純采用多級壓縮以提高壓縮比的方式，會導(dǎo)致壓縮機(jī)熱功比的下降，并不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果，應(yīng)視物系的性質(zhì)和濃縮程度而定。

(3)對于本文提出的回收體系，三級MVR三塔精餾工藝最為節(jié)能，與常規(guī)單塔精餾工藝相比，節(jié)能效果到達(dá)90.3%。但綜合經(jīng)濟(jì)效益評價結(jié)果表明，MVR－常規(guī)兩塔精餾工藝是一條最為合適的新型節(jié)能技術(shù)方案。

［1］孫欽鶴，胡仰棟，伍聯(lián)營.低濃度DMF廢水的熱集成回收新工藝［J］.計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2012，29(4):413 －418.

［2］岳金彩，閆飛，鄒亮，等.精餾過程節(jié)能技術(shù)［J］.節(jié)能技術(shù)，2008，26(1):64 －67.

［3］楊德明，廖巧，王楊.差壓熱耦精餾回收處理含二甲基乙酰胺廢水的工藝研究［J］.現(xiàn)代化工，2010，30(9):65 －67.

［4］王桂云，張述偉，劉長厚.雙效精餾節(jié)能影響因素的研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2007，25(1):148 －151.

［5］龐衛(wèi)科，林文野，戴群特.機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)研究進(jìn)展［J］.節(jié)能技術(shù)，2012，30(4):312 －315.

［6］高麗麗，張琳，杜明造.MVR蒸發(fā)與多效蒸發(fā)技術(shù)的能效對比分析［J］.現(xiàn)代化工，2012，32(10):84 －86.

［7］Christopher Enweremadu，Adekojo Waheed，Jeremiah Ojediran.Parametric study of an ethanol－ water distillation column with direct vapour recompression heat pump.Energy for Sustainable Development，2009，13:96 －105.

［8］Díez E，Langston P，Ovejero G，et al.Economic feasibility of heat pumps in distillation to reduce energy use［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29(5):1216 －1223.

［9］楊德明，陶磊.基于多級蒸汽再壓縮熱泵的稀DMF水溶液蒸餾濃縮工藝［J］.石油化工，2012，41(11):1298 －1301.

［10］戴群特，楊魯偉，張振濤，等.蒸汽再壓縮熱泵系統(tǒng)用于固體干燥節(jié)能分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(4):353 －356.

［11］Kazuo Matsuda，Kenichi Kawazuishi，Yasuki Kansha.Advanced energy saving in distillation process with self－h(huán)eat recuperation technology［J］.Energy，2011，36:4640 －4645.

［12］俞曉梅，袁孝競，等.塔器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［13］G.Uday Bhaskar Babu，Etendra K.Pal，Amiya K.Jana.An Adaptive Vapor Recompression Scheme for a Ternary Batch Distillation with a Side Withdrawal［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，2012，51:4990 －4997.

［14］馮惠生，劉葉鳳，單純，等.蒸餾過程節(jié)能減排的策略與新技術(shù)裝備［J］.化工進(jìn)展，2011(30):381－387.

［15］趙博，馬國遠(yuǎn)，許樹學(xué).水蒸氣再壓縮熱泵系統(tǒng)的性能分析［J］.制冷技術(shù)，2012，32(2):29－32.