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        物料衡算法在化工環(huán)評(píng)工程分析中的應(yīng)用

        2019-06-04 08:33:38孫佳佳
        浙江化工 2019年5期
        關(guān)鍵詞:氫氧化鉀三氟工段

        孫佳佳

        (江蘇省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,江蘇 南京 210042)

        1 工程分析方法對(duì)比

        環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中工程分析章節(jié)為報(bào)告的重中之重,決定了評(píng)價(jià)的針對(duì)性、合理性和準(zhǔn)確性。而工程分析中的污染物排放情況為工程分析的主要目的,是后續(xù)污染控制措施、環(huán)境影響預(yù)測(cè)、污染物總量控制的基礎(chǔ)。工程分析一般有類比分析法、實(shí)測(cè)法、實(shí)驗(yàn)法、物料平衡計(jì)算法、查閱參考資料分析法等分析方法[1]。

        類比分析法是利用與擬建項(xiàng)目類型相同的現(xiàn)有項(xiàng)目的設(shè)計(jì)資料或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程分析的方法,是定量結(jié)果較為準(zhǔn)確的方法。但該方法要求時(shí)間長(zhǎng)、工作量大。采用此法時(shí),要求本項(xiàng)目與類比對(duì)象之間具有一定的相似性:包括建設(shè)項(xiàng)目的性質(zhì)、建設(shè)規(guī)模、車間組成、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝路線、生產(chǎn)方法、原料、燃料來(lái)源與成分、用水量和設(shè)備類型;污染物排放類型、濃度、強(qiáng)度與數(shù)量,排放方式與去向,以及污染方式與途徑等。

        實(shí)測(cè)法是選擇相同或相似的工藝作為類比對(duì)象,通過(guò)實(shí)測(cè)的方法推斷本項(xiàng)目的污染物排放情況;實(shí)驗(yàn)法是通過(guò)小試或中試的手段來(lái)確定關(guān)鍵的污染參數(shù)。查閱參考資料法是利用同類已有的環(huán)評(píng)資料或可行性研究報(bào)告等資料進(jìn)行工程分析。此方法較簡(jiǎn)便,但所得結(jié)果準(zhǔn)確度不夠。

        物料衡算法是根據(jù)具體建設(shè)項(xiàng)目的產(chǎn)品方案、工藝路線、生產(chǎn)規(guī)模、原材料消耗以及治理措施,運(yùn)用質(zhì)量守恒定律,即投入系統(tǒng)的總物料必須等于產(chǎn)品數(shù)量和物料流失之和,核算污染物排放量。該方法具有一定的針對(duì)性及可操作性,在化工項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛。

        2 物料衡算的方法

        物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守恒定律,凡引入某一系統(tǒng)或設(shè)備的物料重量Gm,必等于所得到的產(chǎn)物重量GP和物料損失量Gt之和,

        即:Gm=GP+Gt。

        物料衡算的基本資料是“技術(shù)經(jīng)濟(jì)定額指標(biāo)”,而技術(shù)經(jīng)濟(jì)定額指標(biāo)又是工廠在生產(chǎn)時(shí)間中積累起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)因具體條件而異,如地區(qū)差別、機(jī)械化程度、原料品種、成熟度、新鮮度及操作條件等不同,選用時(shí)要根據(jù)具體條件而定。

        在物料衡算過(guò)程中,應(yīng)先確定該過(guò)程的基本方程式和建立數(shù)學(xué)模型,詳細(xì)了解工藝流程,生產(chǎn)過(guò)程具體用到的設(shè)備類型、數(shù)量、型號(hào)等,了解生產(chǎn)過(guò)程的具體控制參數(shù)(包括溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間等)。計(jì)算對(duì)象可以是全廠、某車間、某一生產(chǎn)線、某一產(chǎn)品,在一年或一月或一日或一個(gè)班次,也可以是單位批次的物料數(shù)量。

        環(huán)評(píng)中的物料平衡與工程設(shè)計(jì)中物料平衡有所區(qū)別在于:工程設(shè)計(jì)中考慮主要原料和產(chǎn)品的投入和產(chǎn)出,而忽略了其他排入環(huán)境的那部分的損失量,在環(huán)評(píng)中物料平衡主要側(cè)重?fù)p失部分以何種形式和途徑進(jìn)入環(huán)境[2]。

        3 案例研究

        3.1 某項(xiàng)目基本情況

        2-溴-3,3,3-三氟丙烯是由溴素和三氟丙烯合成的一種性能較優(yōu)越的新型滅火藥劑,具有高效、環(huán)保的生態(tài)安全性和相容性,其在大氣中易降解,存活時(shí)間短,滅火產(chǎn)物中無(wú)HF和HBr,對(duì)環(huán)境無(wú)污染。使用前景廣闊。

        3.2 工藝流程簡(jiǎn)述

        本項(xiàng)目以三氟丙烯及溴氣為原料,通過(guò)合成反應(yīng)生成2-溴三氟丙烯,反應(yīng)完全后加入氫氧化鉀水溶液,并以乙醇為溶劑發(fā)生消去反應(yīng),生成2-溴-3,3,3-三氟丙烯和溴化鉀。工藝流程主要分為合成工段、消去工段、精餾提純工段、乙醇母液回收處理工段、溴化鉀過(guò)濾蒸發(fā)干燥工段。

        3.3 物料衡算的具體方法

        3.3.1 物料衡算的依據(jù)

        根據(jù)項(xiàng)目的反應(yīng)方程式、轉(zhuǎn)化率確定化學(xué)單元的物料變化,根據(jù)反應(yīng)物、生成物、溶劑等參與生產(chǎn)過(guò)程的物料的沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、溶解度等理化性質(zhì)及生產(chǎn)過(guò)程的溫度、壓力、時(shí)間等確定生產(chǎn)過(guò)程物理單元的出入平衡。

        3.3.2 物料衡算的具體過(guò)程

        (1)鹵代:利用物料泵將三氟丙烯氣體計(jì)量通入過(guò)濾器,過(guò)濾后通入反應(yīng)釜,與計(jì)量后的液溴在反應(yīng)釜中發(fā)生合成反應(yīng),反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為99.9%,反應(yīng)方程式為:

        合成反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行,反應(yīng)時(shí)間為8 h,為保證生產(chǎn)過(guò)程的安全性,反應(yīng)過(guò)程中設(shè)備留有一泄壓管道,管道后接一冷凍罐,該過(guò)程部分未反應(yīng)的三氟丙烯及溴氣(G1-1)揮發(fā),三氟丙烯揮發(fā)率約為10%,溴氣揮發(fā)率為4%。

        (2)消去:通入氫氧化鉀水溶液,并以乙醇作為溶劑,使氫氧化鉀與合成反應(yīng)生成的2-溴三氟丙烯發(fā)生消去反應(yīng),反應(yīng)過(guò)程中氫氧化鉀過(guò)量;同時(shí),上步合成反應(yīng)中過(guò)量的溴素被帶入消去反應(yīng)釜中,溴素與水和過(guò)量的氫氧化鉀反應(yīng)生成溴化鉀。

        2-溴三氟丙烯與氫氧化鉀反應(yīng)方程式如下:

        2溴三氟丙烯+氫氧化鉀→2-溴-3,3,3-三氟丙烯+水+溴化鉀

        156 160 256 18 103

        溴素與水和氫氧化鉀的反應(yīng)如下:

        2Br + 2H2O = 4HBr + O2

        320 36 324 32

        HBr +KOH = KBr + 水

        81 56 119 18

        消去反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行,反應(yīng)時(shí)間為8 h。

        (3)精餾提純冷凝:消去反應(yīng)完成后,生成產(chǎn)品2-溴-3,3,3-三氟丙烯以及溴化鉀、水和少量氧氣,物料中除上述物質(zhì)外還有過(guò)量的氫氧化鉀,作為溶劑的乙醇以及反應(yīng)中未完全反應(yīng)的三氟丙烯。產(chǎn)品2-溴-3,3,3-三氟丙烯的沸點(diǎn)為34℃,精餾過(guò)程將溫度控制在45℃,壓力為常壓,精餾7 h,脫出的2-溴-3,3,3-三氟丙烯經(jīng)冷凝裝置二級(jí)冷凝,冷凝溫度為-7℃,冷凝時(shí)間為7 h,包裝待售。該過(guò)程中有不凝氣(G1-2)產(chǎn)生,其中氧氣、三氟丙烯全部飛出,2-溴-3,3,3-三氟丙烯冷凝效率為99.9%,乙醇冷凝效率為99.2%,水冷凝效率為98.8%。

        (4)蒸餾冷凝:精餾提純后的精餾殘液轉(zhuǎn)入蒸餾塔常壓蒸餾,對(duì)乙醇進(jìn)行提濃,蒸餾溫度為85℃,單批次蒸餾時(shí)間為10 h,預(yù)計(jì)年運(yùn)行120個(gè)批次。乙醇和水在70℃時(shí)達(dá)到共沸,少量水隨乙醇被蒸出,脫出的乙醇經(jīng)二級(jí)冷凝后循環(huán)套用。該工序有不凝汽(G1-3)產(chǎn)生,冷凝效率為98%。

        (5)離心分離:將蒸餾提濃后的蒸餾釜底殘液轉(zhuǎn)入離心過(guò)濾設(shè)備中過(guò)濾,將固體與液體分離,過(guò)濾出溴化鉀晶體,分離效率根據(jù)溴化鉀在水中溶解度確定。與下步蒸發(fā)冷凝再離心分離后的溴化鉀晶體一起進(jìn)行干燥處理。

        (6)蒸發(fā)冷凝:離心過(guò)濾后的濾液中主要物質(zhì)為乙醇、水、氫氧化鉀及少量的溴化鉀,該工序利用結(jié)晶器對(duì)離心分離后的濾液進(jìn)行蒸發(fā),將乙醇和水蒸出并冷凝,蒸發(fā)溫度為95℃,單批次蒸發(fā)時(shí)間為10 h,預(yù)計(jì)年運(yùn)行120批次。蒸出的蒸氣經(jīng)冷凝裝置冷凝后進(jìn)入廢水,冷凝效率為94%。該工序有不凝汽(G1-4)和廢水(W1-1)產(chǎn)生。

        (7)離心分離:蒸發(fā)后殘液轉(zhuǎn)入離心機(jī)中過(guò)濾,將固體與液體分離,過(guò)濾出溴化鉀晶體,離心效率根據(jù)溴化鉀在水中溶解度確定。該工序有離心分離液回用至消去工段。

        (8)干燥:對(duì)過(guò)濾后的溴化鉀利用烘干機(jī)進(jìn)行干燥,去除溴化鉀中攜帶的乙醇及水,干燥溫度為120℃,單批次干燥處理5 h,預(yù)計(jì)年運(yùn)行144批次。干燥完成的溴化鉀晶體包裝待售。該工序有干燥廢氣(G1-5)產(chǎn)生。

        (9)物料平衡小結(jié):根據(jù)以上生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù),可以繪制相應(yīng)的物料平衡圖,給出每步工藝的進(jìn)項(xiàng)及出項(xiàng),得出三廢產(chǎn)生情況,具體見圖1及表1。

        表1 項(xiàng)目物料平衡表/(t/a)

        4 結(jié)論及展望

        目前,由于化工企業(yè)對(duì)將要建設(shè)的項(xiàng)目的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及物理過(guò)程的分離參數(shù)了解有限,有的企業(yè)在項(xiàng)目建設(shè)前甚至無(wú)技術(shù)人員,因此企業(yè)無(wú)法給出項(xiàng)目中各工藝的物料分離效率等參數(shù),環(huán)評(píng)中的各參數(shù)基本為評(píng)價(jià)人員根據(jù)現(xiàn)有論文或按物料的理化性質(zhì)確定,較為理論化和理想化。在實(shí)際生產(chǎn)中,操作條件的變動(dòng)很容易造成各工藝效率的變化,從而引起三廢產(chǎn)生量的變化,導(dǎo)致環(huán)評(píng)數(shù)據(jù)失真。

        為提高環(huán)評(píng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,建議環(huán)評(píng)報(bào)告工程分析內(nèi)容可采取實(shí)測(cè)法、實(shí)驗(yàn)法與物料平衡法相結(jié)合的方式,根據(jù)相同或相似的企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況,或通過(guò)小試中試手段確定關(guān)鍵參數(shù),再通過(guò)物料平衡法確定入方及出方,以推算出污染物的產(chǎn)生情況。

        圖1 本項(xiàng)目物料平衡圖

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