浸出车间尾气吸收系统操作参数模拟优化

温小荣，梁椿松，孙明奎，管 磊，杨学洪(迈安德集团有限公司，江苏 扬州 225127)

根据国家环境保护行业标准HJ/T 184—2006，浸出尾气一级排放标准中溶剂含量不得高于5 000 mg/m3。因此，提高尾气中溶剂的回收率，降低溶剂消耗不仅对油脂企业的经济效益有着极其重要的作用，同时对环境保护也具有重要的意义[1]。

对于自由气体中溶剂的回收，目前国内外主要采用3种方法，即冷冻回收法、固体吸附法和液体吸收回收法[2]。目前，较为经济的、适用于大中型油脂企业的方法为矿物油吸收法。

矿物油尾气吸收系统主要包括吸收塔，解析塔，富油泵，贫油泵和换热器。尾气系统各个设备的操作参数控制合适与否关系到尾气中溶剂的含量，若操作不当将大大增加生产成本和造成环境污染。因此，研究各个关键操作参数对尾气溶剂含量的影响，优化工艺参数，对指导生产操作有着重要的意义。

PRO II 软件是Simsci公司开发的大型流程模拟软件，在化学、石油、天然气、合成燃料工业等方面可提供复杂、正确及可靠的模拟功能。 PRO II不仅可以为化工流程设计提供数据，还可以对现有流程进行优化，提高企业效益。

本文以PRO II为模拟工具，建立浸出车间尾气系统模拟流程，优化各关键操作参数，期望能对浸出车间尾气系统设计和实际生产操作有一定的指导和借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 尾气来源与组成

尾气来自1 000 t/d大豆坯片浸出车间，进吸收塔尾气温度35℃，尾气中空气流量为100.3 kg/h，正己烷流量为147.5 kg/h，水蒸气流量为5.7 kg/h。

1.2 模拟软件

模拟软件采用PRO II 9.2版本。

1.3 物性方法

采用NRTL(活度系数)物性方法。

2 结果与讨论

2.1 模拟流程图(见图1)

图1 尾气系统PRO II模拟流程图

图1中T1和T2分别为吸收塔和解析塔，选用PRO II中Distillation模块，设定无冷凝器和再沸器，塔板数为12(实际生产中填料大多采用的是鲍尔环，填料高度为6 m，等板高度为500 mm)。P1为富油泵，P2为贫油泵，E1为换热器，E2为进入吸收塔冷却器，E3为进入解析塔加热器。矿物油为碳原子数在18～30之间的烃类混合油，用物质C22H46代替，标记为M-O；经过浸出车间最终冷凝器冷凝后的尾气从吸收塔第12块塔板底部进入，标记为FEED；解析塔直接汽由第12块塔板底部进入，标记为STEAM。

2.2 矿物油循环量选择

选择合适的矿物油循环量十分重要，循环量过小，造成填料塔喷淋密度低，填料不能获得良好的湿润；循环量过大，势必会增大循环泵的负荷和增加蒸汽耗量。最小喷淋密度Umin计算公式如下：

Umin=(Lw)minσ

式中：Umin为最小喷淋密度，m3/(m2·h)；(Lw)min为最小湿润速率，m3/(m·h)；σ为填料的比表面积，m2/m3。

对于直径为Φ25 mm，比表面积为219 m2/m3的鲍尔环填料，可取最小湿润速率(Lw)min为0.08 m3/(m·h)[3]。因此，该鲍尔环的最小喷淋密度Umin=0.08×219=17.5 m3/(m2·h)。塔径为 0.5 m 的鲍尔环填料塔喷淋量为最小喷淋密度与塔截面积的乘积，即喷淋量Q=UminS=17.5×3.14×(0.5÷2)2=3.4(m3/h)。考虑一定的余量，保证填料表面能充分湿润，实际生产过程中控制矿物油循环量为4 m3/h，即3 308 kg/h(矿物油密度为827 kg/m3)。

2.3 解析温度对残溶的影响

图2为在矿物油循环量4 m3/h、直接汽量120 kg/h、解析塔塔顶压力100 kPa(本文中出现的压力均为绝对压力)的条件下，尾气残溶和贫油残溶随解析温度的变化曲线。

图2 解析温度对贫油残溶和尾气残溶的影响

由图2可以看出，尾气残溶与贫油残溶变化趋势一致，均随着解析温度的升高而下降。解析温度从80℃升至125℃，贫油残溶由9 289 mg/m3降至1 mg/m3，尾气残溶由31 037 mg/m3降至5 mg/m3。原因是解析温度升高，增加了溶剂在矿物油中的蒸气压，使溶剂更容易从矿物油中脱除，从而使贫油残溶降低，贫油残溶越低，进入吸收塔对尾气捕集效果越好，尾气残溶随之降低。解析温度大于105℃时，尾气残溶和贫油残溶变化曲线趋于平缓。考虑到解析温度太高，矿物油容易发生氧化分解，且增大蒸汽消耗，实际生产过程中建议控制解析温度为105℃。

2.4 解析塔塔顶压力对残溶的影响

图3为在矿物油循环量4 m3/h、直接汽量120 kg/h、解析温度105℃的条件下，尾气残溶和贫油残溶随解析塔塔顶压力的变化曲线。

图3 解析塔塔顶压力对尾气残溶和贫油残溶的影响

由图3可以看出，随着解析塔塔顶压力升高，尾气残溶和贫油残溶随之升高，解析塔塔顶压力由常压(100 kPa)降至60 kPa，贫油残溶由146 mg/m3降至1 mg/m3，尾气残溶由518 mg/m3降至3 mg/m3。这是因为解析塔塔顶压力越高，残溶矿物油的沸点越高，溶剂越难被汽提出来，贫油残溶随之升高，而贫油残溶的升高势必会引起尾气残溶的升高。

因为负压解析在相同的矿物油循环量、解析温度和直接汽量的条件下，尾气残溶比常压残溶低，所以有的油脂厂家选择将解析塔的气相管道并入第一蒸发器的气相管道，从而形成40～53.32 kPa的真空[4]。需要指出的是，在真空下，气体的密度减小，与常压解析塔相比，相同质量流量的的水蒸气和溶剂气在真空解析塔中气速更快。因此，在设计时，真空解析塔塔径要大于常压解析塔的和吸收塔的，否则，真空一旦过高，解析塔很容易发生液泛。

2.5 直接汽量对尾气残溶的影响

解析塔是根据水蒸气蒸馏的原理将富油中溶剂汽提出来，直接汽量取决于操作压力和设备的混合效率[5]。不同解析塔塔顶压力下直接汽量对尾气残溶的影响见图4。

由图4可以看出，负压解析可以明显节约直接蒸汽，压力越高要达到相同的尾气残溶需要消耗更多的直接蒸汽，如要使尾气残溶达到160 mg/m3，解析塔塔顶压力为60 kPa时只需要80 kg/h的直接汽量，而压力为80 kPa和100 kPa时则分别需要 110 kg/h 和136 kg/h的直接汽量。而在相同的解析塔塔顶压力下，尾气残溶随着直接汽量的增加呈下降的趋势，如在常压下，直接汽量为80 kg/h时尾气残溶为7 533 mg/m3，而在170 kg/h时可降低至20 mg/m3。而在实际生产过程中一般需要控制尾气残溶1 000 mg/m3以下，常压解析需要的直接汽量为110 kg/h，60 kPa下解析需要直接汽量为65 kg/h，为常压下的59%。

图4 不同解析塔塔顶压力下直接汽量对尾气残溶的影响

2.6 物料平衡表

设定矿物油循环量为4 m3/h，进解析塔温度为105℃，解析塔塔顶压力为100 kPa和60 kPa时的PRO II模拟物料平衡表分别如表1和表2所示。

表1 解析塔塔顶压力为100 kPa下PRO II模拟物料平衡表

表2 解析塔塔顶压力为60 kPa下PRO II模拟物料平衡表

续表2

项目FEED进气VENT尾气S1吸收塔底液S4解析塔进液S5解析塔气相S6解析塔底液S9吸收塔进液STEAM直接汽总质量流量/(kg/h)254106345634562123309330865质量分数/% 正己烷58．20．08524．34．369．50．02430．02430 水/水蒸气2．26．10030．30．03080．0308100．0 空气39．693．8000．3000 矿物油0095．795．70．099．999．90质量流量/(kg/h) 正己烷147．50．1148．2148．2147．40．80．80 水/水蒸气5．76．50．20．264．21．01．065．0 空气100．399．70．60．60．6000 矿物油003307．43307．403307．43305．90

由表1和表2可以看出，35℃的混合汽FEED被冷却至35℃的矿物油(S9)逆流吸收后，由于吸收过程中放热，吸收塔底部液相出口(富油)温度达到42℃，富油中溶剂质量分数为4.3%。残溶4.3%的富油经过换热和加热至105℃后进入解析塔，在常压和负压解析塔中分别通入110 kg/h和65 kg/h饱和水蒸气，溶剂在水蒸气的作用下被脱出。富油变成贫油过程中溶剂汽化吸热，常压和负压解析塔底部液相温度分别降至101℃和100℃，贫油残溶分别降至274 mg/m3和243 mg/m3，贫油经过换热和冷却后再次进入吸收塔，将尾气残溶分别降至955 mg/m3和852 mg/m3，均小于5 000 mg/m3，满足尾气国家排放标准。

3 结 论

利用模拟软件PRO II对油脂浸出车间尾气吸收系统进行流程模拟和参数优化发现，吸收塔吸收效果的好坏取决于解析塔的解析效果，而解析温度、解析塔塔顶压力和直接汽量是影响解析效果的关键因素。进入解析塔富油温度大于105℃，贫油中溶剂脱除较为彻底。负压解析有利于溶剂的脱除，在同样的脱除效果下(尾气残溶<1 000 mg/m3)，解析塔塔顶压力为60 kPa时的直接汽量为常压解析的59%。因此，在尾气系统设计时考虑负压解析，有助于降低尾气中的残溶和节约蒸汽。

[1] 冯子龙, 杨振娟, 赵树超, 等. 浸出车间尾气处理系统的改进与探讨[J]. 中国油脂, 2004, 29(2):27-29.

[2] 刘玉兰. 油脂制取与加工工艺学[M]. 2版. 北京: 科学出版社, 2009: 297-300.

[3] 夏清, 陈常贵. 化工原理[M]. 天津: 天津大学出版社, 2005:185-187.

[4] WOLF H, HAMILTON R J, CHLLIAUW G. Edible oil processing[M].2nd ed. USA: Willey-Blackweel, 2013:117-123.

[5] O’BRIEN R D. Fats and oils: formulating and processing for applications[M]. 2nd ed. Baca Raton: CRC Press, 2004:147-153.