焦宏偉，丁仕海，梅 華,2

（1.江蘇諾盟化工有限公司，江蘇 南京 210009；2.南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210009）

近年來(lái)，我國(guó)的化學(xué)工業(yè)得到了快速發(fā)展，但隨之而來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，其中因有機(jī)廢氣排放而引發(fā)的大氣污染問(wèn)題尤為嚴(yán)重，為此，在減少有機(jī)廢氣排放的基礎(chǔ)上，需要選用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行凈化處理[1]。目前化工有機(jī)廢氣的處理方法主要有以下幾種[2-5]：1）吸附法，即利用活性炭、分子篩等吸附劑進(jìn)行吸附；2）燃燒法，即在高溫條件下將有機(jī)物氧化分解為二氧化碳和水；3）生物處理法，即利用菌群對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解；4）吸收法，即選用合適的吸收劑來(lái)吸收廢氣中的有機(jī)物等。這些方法廣泛應(yīng)用于工業(yè)有機(jī)廢氣的處理中，但在處理廢氣的同時(shí)也損耗了較多的有機(jī)物，造成了資源的浪費(fèi)，因此需要針對(duì)不同廢氣的特點(diǎn)，選擇合適的方法，以實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的資源化回收并使尾氣達(dá)標(biāo)排放。

江蘇某化工企業(yè)有一股含甲苯、硝基甲苯的有機(jī)廢氣，需要根據(jù)該尾氣的特點(diǎn)，采用工廠現(xiàn)有物料作為吸收劑，在確保廢氣達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，回收廢氣中的有機(jī)物。本文使用Aspen Plus軟件，對(duì)該工廠的廢氣處理工藝流程進(jìn)行模擬優(yōu)化，得到了關(guān)鍵參數(shù)，并以此為依據(jù)進(jìn)行了工業(yè)化設(shè)計(jì)。

1 有機(jī)廢氣處理工藝流程的模擬

1.1 有機(jī)廢氣的組成及達(dá)標(biāo)要求

來(lái)自工廠的有機(jī)廢氣流量為5100Nm3·h-1，進(jìn)氣溫度為60℃，廢氣總管壓力為-5kPa，廢氣組成如表1所示。廢氣排放出口需滿(mǎn)足GB 31571-2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中甲苯限值為15mg·m-3，硝基苯類(lèi)限值為16mg·m-3。

表1 工廠有機(jī)廢氣的組成Table1 Composition of organic waste gas from factory

1.2 工藝流程

為使尾氣出口總管的甲苯和硝基甲苯均能達(dá)到排放要求，采用了兩級(jí)吸收流程，對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行回收和凈化。尾氣自一級(jí)吸收塔T101底部進(jìn)入，一塔吸收劑經(jīng)E101冷卻后，自T101頂部進(jìn)入塔內(nèi)噴淋。液氣逆流過(guò)程中，液體對(duì)廢氣中的有機(jī)物進(jìn)行吸收凈化。廢氣自T101塔頂出來(lái)后去二級(jí)吸收塔T102，在該塔內(nèi)經(jīng)二塔吸收劑噴淋處理后達(dá)標(biāo)排放。二塔吸收劑進(jìn)入塔內(nèi)前需經(jīng)E103冷卻降溫。一級(jí)吸收塔底部的富液，一部分經(jīng)降溫后送入塔內(nèi)循環(huán)吸收，另一部分回車(chē)間精制以回收甲苯等有機(jī)物。二級(jí)吸收塔底部的廢液去廢水池。采用Aspen Plus軟件對(duì)該流程進(jìn)行建模模擬，模擬流程圖如圖1所示。

圖1 有機(jī)廢氣處理工藝流程模擬圖Fig.1 Chart of treatment process of organic waste gas

1.3 吸收劑的選擇

吸收劑的種類(lèi)對(duì)吸收塔吸收效果的影響很大，不僅要考慮吸收劑與廢氣中有機(jī)物的相似相容性，還要考慮吸收劑的引入是否會(huì)帶來(lái)新的污染。為了回收尾氣中的甲苯、硝基甲苯等有機(jī)物，本文選擇工廠精制工段的中間品混合硝基甲苯作為一塔吸收劑，其中鄰、間、對(duì)硝基甲苯的比例為6∶0.4∶3.6，吸收后的富液回車(chē)間精制工段，以回收甲苯等有機(jī)物。二級(jí)吸收塔以水為吸收劑，可去除廢氣中的硝基甲苯等有機(jī)物，使其達(dá)標(biāo)排放。

2 有機(jī)廢氣處理工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.1 一級(jí)吸收塔吸收劑的用量和進(jìn)料溫度的確定

吸收溫度對(duì)吸收塔吸收效果的影響較大，溫度的改變會(huì)使溶質(zhì)的溶解度發(fā)生顯著變化，所引起的物性變化還會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)系數(shù)的改變，對(duì)吸收速率有很大影響[6]。

利用Aspen Plus軟件模擬了不同的吸收劑用量下，一級(jí)吸收塔的出口尾氣中甲苯含量隨吸收劑進(jìn)料溫度的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。當(dāng)吸收劑用量一定時(shí)，隨著進(jìn)料溫度降低，出口尾氣中的甲苯含量顯著降低，說(shuō)明低溫有利于吸收的進(jìn)行。溫度較低時(shí)，甲苯的平衡蒸氣壓降低，增大了吸收的推動(dòng)力。當(dāng)溫度低于15℃，其降幅減緩，繼續(xù)降低溫度對(duì)吸收效果的影響不大。

在出口尾氣中的甲苯含量一定時(shí)，隨著吸收劑的用量增加，最佳吸收劑的進(jìn)料溫度隨之升高。圖2中，在確保出口尾氣中的甲苯含量為15mg·m-3的前提下，當(dāng)吸收劑的進(jìn)料流量分別為2500kg·h-1和3000kg·h-1時(shí)，其對(duì)應(yīng)的進(jìn)料溫度分別為22℃和37℃。因此當(dāng)工藝無(wú)法滿(mǎn)足合適的吸收溫度時(shí)，可以增加吸收劑的用量以達(dá)到相同的吸收效果。為盡可能降低吸收劑的用量并兼顧填料的潤(rùn)濕率，選擇吸收劑的進(jìn)料溫度為20℃。該工廠的公用工程配置有8℃低溫水，可滿(mǎn)足此溫度要求，由此確定吸收劑的用量為2500kg·h-1。

圖2 不同吸收劑用量下溫度對(duì)甲苯含量的影響Fig.2 Effect of tempetature on toluene content under different absorbent flow

2.2 二級(jí)吸收塔吸收劑的用量和進(jìn)料溫度的確定

圖3是不同的吸收劑用量下，二級(jí)吸收塔的出口尾氣中，硝基甲苯的含量隨吸收劑進(jìn)料溫度的變化情況。當(dāng)吸收劑用量一定時(shí)，隨著進(jìn)料溫度的升高，出口尾氣中的硝基甲苯含量逐漸升高，這與一級(jí)吸收塔的情況一致。

圖3 不同的吸收劑用量下溫度對(duì)硝基甲苯含量的影響Fig.3 Effect of tempetature on nitrotoluene content under different absorbent flow

圖4是不同的吸收劑進(jìn)料溫度下，一級(jí)吸收塔和二級(jí)吸收塔的溫度分布曲線。由圖4可知，自塔頂至塔底，溫度逐漸降低，吸收劑的進(jìn)料溫度較高時(shí)情況尤為明顯。以吸收劑的進(jìn)料溫度為40℃的曲線為例，塔頂?shù)?塊塔板的溫度為35℃，塔底最后1塊塔板的溫度為15℃，溫差為20℃，但吸收劑進(jìn)料溫度為15℃時(shí)，塔頂和塔底的溫差僅為1.6℃。原因在于：1）尾氣進(jìn)入二塔的溫度為23℃，當(dāng)吸收劑的進(jìn)料溫度高時(shí)，氣相和液相之間的直接傳熱會(huì)使液相溫度降低；2）進(jìn)入二級(jí)吸收塔的尾氣中的硝基甲苯含量在0.01(vt)%左右，二塔中溶質(zhì)的溶解熱小于吸收劑水的氣化熱，使得二塔溫度降低。當(dāng)吸收劑的進(jìn)料溫度高時(shí)，二塔僅在塔下部溫度較低的塔板上有較好的吸收效果。圖4中，當(dāng)吸收劑的進(jìn)料溫度分別為30℃和40℃時(shí)，第13～19塊塔板處的吸收效果較好，第1～12塊塔板上硝基甲苯幾乎沒(méi)有吸收效果。從圖3也可以看到，當(dāng)溫度大于30℃后，出口尾氣中的硝基甲苯含量基本不變。根據(jù)工廠的實(shí)際情況，確定二塔吸收劑的進(jìn)料溫度為15℃，此時(shí)吸收劑用量需達(dá)到6000kg·h-1才能滿(mǎn)足硝基甲苯的排放要求。

圖4 二級(jí)吸收塔的溫度分布曲線Fig.4 Temperature distribution curve of secondary absorber

2.3 吸收塔理論板數(shù)的確定

改變理論塔板數(shù)，考察一塔出口尾氣中的甲苯含量，以及二塔出口尾氣中硝基甲苯含量的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖5。結(jié)果顯示，隨著理論板數(shù)增加，兩級(jí)吸收塔尾氣中的有機(jī)物含量均逐漸降低。當(dāng)理論板數(shù)為17塊時(shí)，一級(jí)吸收塔出口尾氣中的甲苯含量為11.9mg·m-3，能夠滿(mǎn)足排放要求；當(dāng)理論板數(shù)為19塊時(shí)，二級(jí)吸收塔出口尾氣中的硝基甲苯含量為12.3mg·m-3，符合排放要求。從圖5可以看出，增加理論塔板數(shù)有利于吸收操作，尾氣中的有機(jī)物含量持續(xù)降低，但繼續(xù)增加理論塔板數(shù)，對(duì)尾氣中有機(jī)物含量的降低有限，且會(huì)增加設(shè)備造價(jià)。綜合尾氣排放要求和經(jīng)濟(jì)性，確定一級(jí)吸收塔的理論板數(shù)為17塊板，二級(jí)吸收塔的理論板數(shù)為19塊板。

圖5 理論板數(shù)對(duì)有機(jī)物含量的影響Fig.5 Effect of theoretical number of plate on organic content

3 工業(yè)應(yīng)用及效果

根據(jù)Aspen Plus的模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)了有機(jī)廢氣資源化回收與凈化裝置，并于2021年4月投入使用。從實(shí)際運(yùn)行情況看，該裝置的設(shè)計(jì)合理，能夠滿(mǎn)足尾氣排放要求，同時(shí)可以回收尾氣中93%以上的有機(jī)物。模擬結(jié)果與裝置的實(shí)際運(yùn)行情況的對(duì)比如表2所示。

表2 實(shí)際運(yùn)行情況與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison between actual operation and calculated results

由表2可見(jiàn)，該裝置出口尾氣中的甲苯含量為9.6mg·m-3，滿(mǎn)足規(guī)范要求的15mg·m-3，比計(jì)算值11.9mg·m-3略低。這是由于在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，一塔吸收劑的進(jìn)料溫度為17℃，比設(shè)計(jì)值20℃略低，從而能夠更好地吸收甲苯。從圖2也可看出，當(dāng)吸收劑的進(jìn)料溫度為17℃時(shí)，出口尾氣中的甲苯含量為8.9mg·m-3，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值能夠吻合。

該裝置尾氣出口中的硝基甲苯含量為13.4mg·m-3，略大于計(jì)算值12.3mg·m-3，但也能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求的16mg·m-3。

實(shí)際運(yùn)行中，進(jìn)入裝置的有機(jī)廢氣的流量范圍為2000～5200Nm3·h-1，波動(dòng)較大。為了減少吸收劑用量，該裝置可根據(jù)有機(jī)廢氣的進(jìn)氣流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)吸收劑用量。一塔吸收劑用量的調(diào)節(jié)范圍為2000～2700kg·h-1，二塔吸收劑用量的調(diào)節(jié)范圍為3000～6400kg·h-1。根據(jù)工廠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該裝置每年可以回收甲苯220t，年節(jié)省人民幣176萬(wàn)元。

4 結(jié)論

本文利用Aspen Plus軟件，對(duì)有機(jī)廢氣資源化回收與凈化裝置中的吸收塔進(jìn)行了模擬計(jì)算，基于模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了工業(yè)化設(shè)計(jì)并投入運(yùn)行，得出如下結(jié)論：

1）采用工廠精制工段的中間品混合硝基甲苯作為一塔的吸收劑，模擬結(jié)果顯示，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，年回收甲苯和硝基甲苯分別為312.4t和39.4t；

2）有機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)吸收塔處理后，模擬結(jié)果顯示，出口尾氣中的甲苯含量為11.9mg·m-3，硝基甲苯含量為12.3 mg·m-3，符合排放要求；

3）經(jīng)過(guò)計(jì)算，一塔吸收劑的進(jìn)料溫度為20℃、進(jìn)料流量為2500kg·h-1較為合適；二塔吸收劑的進(jìn)料溫度為15℃、進(jìn)料流量為6000kg·h-1較為合適。

4）經(jīng)過(guò)計(jì)算，一級(jí)吸收塔和二級(jí)吸收塔的理論板數(shù)分別為17和19時(shí)，能夠獲得較好的吸收效果且能兼顧經(jīng)濟(jì)性；

5）工業(yè)化運(yùn)行結(jié)果顯示，該裝置能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，尾氣能夠達(dá)標(biāo)排放，年可回收甲苯220t。