(國環(huán)危險廢物處置工程技術(天津)有限公司,天津 300280)
醋酸的用處非常廣泛,可以用作各種調味劑,同時也是抗微生物劑,醋酸是我國應用最早、使用最多的酸味劑,主要用于復合調味料、配制蠟、罐頭、干酪、果凍等。用于調味料時,可將醋酸加水稀釋至4%~5%溶液后,添加到各種調味料中應用[1]。醋酸能夠生產(chǎn)醋酸乙烯、醋酸酯和醋酸纖維素等。聚醋酸乙烯酯可用來制備薄膜和粘合劑,也是合成纖維維綸的原料。醋酸纖維蘇可制造人造絲和電影膠片。醋酸酯是優(yōu)良的溶劑,廣泛用于油漆工業(yè)。醋酸還可用來合成乙酐、丙二酸二乙酯、乙酰醋酸乙酯、鹵代醋酸等,也可制造藥物如阿司匹林等[2]。同時,在農(nóng)藥等有機化工中也有廣泛應用。醋酸始終為食品業(yè)中重要的添加劑[3]。同時,食醋便是醋酸用水勾兌而成,食醋的濃度通常在4%~5%[4]。同時,很多飲料食醋也是重要的調味添加劑。由于醋酸的pH值能夠使微生物失活,所以醋酸也具有防腐的功效,可以當做防腐劑使用。
醋酸做為一種非常重要的有機化工原料,從含醋酸的廢水中回收醋酸,不僅可以有效減少廢水處理的難度[5],同時,回收的醋酸也具有很高的經(jīng)濟性。
某公司生產(chǎn)某碳三下游產(chǎn)品時,選用了新技術、新工藝,該技術將產(chǎn)生含醋酸廢水。年排廢水量16萬t,醋酸含量10%左右,廢水的具體原始數(shù)據(jù)見表1。
表1 廢水組成表
廢水規(guī)格數(shù)據(jù)為:溫度 35℃;壓力8bar;流量20062kg·h-1;流量 1033.83kmol·h-1;流量 20.51m3·h-1。
醋酸具有較強的締合性[6],根據(jù)此類物系進行模擬時,物性方法適宜選用NRTL-HOC模型[7],即液相選用活度系數(shù)方程NRTL進行計算,而汽相選用Hayden-O’Connel狀態(tài)方程進行計算。
精餾塔選用DSTWU模塊,DSTWU模塊主要的作用是能夠得到一些塔的必要參數(shù),包括最小理論板數(shù)、實際理論板數(shù)、最小回流比、實際回流比等等,DSWU模塊的模擬流程是一股進料,塔頂塔底兩股產(chǎn)品的簡易模型。使用Winn-Underwood-Gilliland方法的簡易設計模塊。
設定模塊位號名稱為C11A-DST,設定塔參數(shù),實際回流比為最小回流比的1.2倍,塔頂微正壓120kPa,塔底140kPa,塔頂水的摩爾回收率設定為99.9%,塔底醋酸摩爾回收率設定為99.9%,醋酸在塔頂?shù)幕厥章?-0.999=0.001。如圖1所示。
圖1 簡捷模擬DSTWU模塊輸入
模擬結果,計算出的最小回流比為1.27,最小理論板數(shù)為24塊(包括全凝器和再沸器),實際回流比為1.52,實際理論板數(shù)為48塊(包括全凝器和再沸器),塔頂和塔底的熱負荷分別為28438.54kW與29901.44kW。塔底產(chǎn)品流股號為113,產(chǎn)品質量分數(shù)為99.1%,未達到優(yōu)等品或一等品要求。結果如圖2、表2所示。
圖2 簡捷模擬DSTWU模塊結果
表2 簡捷模擬DSTWU模塊流股結果
設定塔板數(shù)為X軸,回流比為Y軸,生成生產(chǎn)回流比與理論板數(shù)關系曲線,見圖3。
圖3 簡捷模擬DSTWU回流比與理論板數(shù)關系曲線
通過圖3可以看出,當理論塔板數(shù)>33之后,回流比隨著理論板數(shù)的增加,變化不大。故將塔板數(shù)33作為輸入?yún)?shù),結果如圖4所示。
圖4 簡捷模擬DSTWU模塊優(yōu)化后結果
使用DSTWU模塊嚴格計算,取得一些基本參數(shù)后,嚴格計算模塊RadFrac進行嚴格精餾塔計算。
RadFrac模塊可以對普通精餾、吸收、汽提、萃取精餾、共沸精餾、反應精餾(包括平衡反應精餾、速率控制反應精餾、固定轉化率反應精餾和電解質反應精餾)、三相(汽-液-液)精餾。Rad-Frac適用于兩相體系、三相體系、窄沸點和寬沸點物系以及液相表現(xiàn)為強非理想性的物系。
將圖4中,簡捷模擬DSTWU模塊優(yōu)化后結果作為輸入?yún)?shù)輸入。如圖5所示。
圖5 嚴格模擬RadFrac模塊輸入
Radfrac模塊計算類型分為,平衡級及非平衡級(Equilibrium、Rate-Based),本模擬采用默認的平衡級模型(Equilibrium)。
RadFrac模塊塔板數(shù)的設定默認為理論板數(shù),當然設定實際塔板數(shù)也是可行的。設定實際塔板數(shù)時,需要設定塔的整體效率。需要注意的是塔板數(shù)是包含塔頂冷凝器與塔底再沸器的。本模擬輸入的塔板數(shù)為理論板數(shù)。
RadFrac模塊冷凝器有四個選項,分別為全冷凝器、部分冷凝器(塔頂產(chǎn)品為氣相)、部分冷凝器(塔頂產(chǎn)品為氣液兩相)和沒有冷凝器。本模擬采用全凝器(Total)。
RadFrac模塊再沸器的選項有三個,分別為釜式再沸器、熱虹吸式再沸器和沒有再沸器。本模擬采用釜式再沸器。
模塊選擇默認的氣-液兩相為有效相態(tài)(Vapor-Liquid),模塊的選擇標準方法收斂(Standard)。
操作規(guī)定的可選擇性較多,本模擬選擇塔頂產(chǎn)品與進料的流量比及系統(tǒng)回流比,(Distillate to feed ratio)、(Reflux ratio)。
開始模擬,結果顯示,塔頂冷凝器的熱負荷為-40926.964kW,塔底產(chǎn)品質量分數(shù)為99.2%。如圖6和表3所示。
圖6 嚴格模擬RadFrac模塊塔頂結果
模擬塔底產(chǎn)品質量分數(shù)為99.2%,未達到優(yōu)等品或一等品要求。設定一個設計規(guī)定(Design Specs)產(chǎn)品質量分數(shù)99.9%(優(yōu)等品質量分數(shù)為99.8%),設置操縱變量(Vary)為回流比。結果顯示,回流比最大增加至12.62時,產(chǎn)品質量分數(shù)依然為99.3%,結果說明回流比為操縱變量時產(chǎn)品質量最大僅為99.3%。
操縱變量(Vary)改為塔頂產(chǎn)品與進料流量比(Distillate to feed ratio),結果顯示當塔頂產(chǎn)品與進料流量比(Distillate to feed ratio)為0.9679時,塔底產(chǎn)品質量分數(shù)可以達到99.9%,塔頂冷凝器的熱負荷為-40963.837kW,塔底再沸器的熱負荷為42426.7388kW。如表4,圖7所示,同時生產(chǎn)塔內(nèi)溫度曲線及塔內(nèi)主要組分液相組分分布圖,見圖8~9。
表3 嚴格模擬RadFrac模塊流股結果
表4 嚴格模擬RadFrac模塊流股優(yōu)化后結果
圖7 嚴格模擬RadFrac模塊優(yōu)化后結果
圖8 嚴格模擬RadFrac模塊塔內(nèi)溫度分布曲線
圖9 嚴格模擬RadFrac模塊塔內(nèi)液相質量組成分布曲線
本文首先使用簡捷模塊DSTWU進行模擬,得到結果后又使用RadFrac模塊進行嚴格模擬,并對模擬結果進行優(yōu)化,通過ASPEN的模擬可以看出,當塔頂產(chǎn)品與進料流量比(Distillate to feed ratio)為0.9679時,塔底產(chǎn)品質量分數(shù)可以達到99.9%,說明使用精餾方法進行廢水中的醋酸回收是可行的,模擬的結果顯示回收過程中的能耗較高,對于此種情況,可以在實際工作中選用雙效等方式以降低其能耗。