物料衡算法在化工环评工程分析中的应用

孙佳佳

（江苏省安全生产科学研究院，江苏 南京 210042）

1 工程分析方法对比

环境影响评价报告中工程分析章节为报告的重中之重，决定了评价的针对性、合理性和准确性。而工程分析中的污染物排放情况为工程分析的主要目的，是后续污染控制措施、环境影响预测、污染物总量控制的基础。工程分析一般有类比分析法、实测法、实验法、物料平衡计算法、查阅参考资料分析法等分析方法[1]。

类比分析法是利用与拟建项目类型相同的现有项目的设计资料或实测数据进行工程分析的方法，是定量结果较为准确的方法。但该方法要求时间长、工作量大。采用此法时，要求本项目与类比对象之间具有一定的相似性：包括建设项目的性质、建设规模、车间组成、产品结构、工艺路线、生产方法、原料、燃料来源与成分、用水量和设备类型；污染物排放类型、浓度、强度与数量，排放方式与去向，以及污染方式与途径等。

实测法是选择相同或相似的工艺作为类比对象，通过实测的方法推断本项目的污染物排放情况；实验法是通过小试或中试的手段来确定关键的污染参数。查阅参考资料法是利用同类已有的环评资料或可行性研究报告等资料进行工程分析。此方法较简便，但所得结果准确度不够。

物料衡算法是根据具体建设项目的产品方案、工艺路线、生产规模、原材料消耗以及治理措施，运用质量守恒定律，即投入系统的总物料必须等于产品数量和物料流失之和，核算污染物排放量。该方法具有一定的针对性及可操作性，在化工项目环境影响评价中应用广泛。

2 物料衡算的方法

物料衡算是根据质量守恒定律，凡引入某一系统或设备的物料重量Gm，必等于所得到的产物重量GP和物料损失量Gt之和，

即：Gm=GP+Gt。

物料衡算的基本资料是“技术经济定额指标”，而技术经济定额指标又是工厂在生产时间中积累起来的经验数据，这些数据因具体条件而异，如地区差别、机械化程度、原料品种、成熟度、新鲜度及操作条件等不同，选用时要根据具体条件而定。

在物料衡算过程中，应先确定该过程的基本方程式和建立数学模型，详细了解工艺流程，生产过程具体用到的设备类型、数量、型号等，了解生产过程的具体控制参数（包括温度、压力、反应时间等）。计算对象可以是全厂、某车间、某一生产线、某一产品，在一年或一月或一日或一个班次，也可以是单位批次的物料数量。

环评中的物料平衡与工程设计中物料平衡有所区别在于：工程设计中考虑主要原料和产品的投入和产出，而忽略了其他排入环境的那部分的损失量，在环评中物料平衡主要侧重损失部分以何种形式和途径进入环境[2]。

3 案例研究

3.1 某项目基本情况

2-溴-3，3，3-三氟丙烯是由溴素和三氟丙烯合成的一种性能较优越的新型灭火药剂，具有高效、环保的生态安全性和相容性，其在大气中易降解，存活时间短，灭火产物中无HF和HBr，对环境无污染。使用前景广阔。

3.2 工艺流程简述

本项目以三氟丙烯及溴气为原料，通过合成反应生成2-溴三氟丙烯，反应完全后加入氢氧化钾水溶液，并以乙醇为溶剂发生消去反应，生成2-溴-3，3，3-三氟丙烯和溴化钾。工艺流程主要分为合成工段、消去工段、精馏提纯工段、乙醇母液回收处理工段、溴化钾过滤蒸发干燥工段。

3.3 物料衡算的具体方法

3.3.1 物料衡算的依据

根据项目的反应方程式、转化率确定化学单元的物料变化，根据反应物、生成物、溶剂等参与生产过程的物料的沸点、熔点、溶解度等理化性质及生产过程的温度、压力、时间等确定生产过程物理单元的出入平衡。

3.3.2 物料衡算的具体过程

（1）卤代：利用物料泵将三氟丙烯气体计量通入过滤器，过滤后通入反应釜，与计量后的液溴在反应釜中发生合成反应，反应转化率为99.9%，反应方程式为：

合成反应在常温常压下进行，反应时间为8 h，为保证生产过程的安全性，反应过程中设备留有一泄压管道，管道后接一冷冻罐，该过程部分未反应的三氟丙烯及溴气（G1-1）挥发，三氟丙烯挥发率约为10%，溴气挥发率为4%。

（2）消去：通入氢氧化钾水溶液，并以乙醇作为溶剂，使氢氧化钾与合成反应生成的2-溴三氟丙烯发生消去反应，反应过程中氢氧化钾过量；同时，上步合成反应中过量的溴素被带入消去反应釜中，溴素与水和过量的氢氧化钾反应生成溴化钾。

2-溴三氟丙烯与氢氧化钾反应方程式如下：

2溴三氟丙烯+氢氧化钾→2-溴-3，3，3-三氟丙烯+水+溴化钾

156 160 256 18 103

溴素与水和氢氧化钾的反应如下：

2Br + 2H2O = 4HBr + O2

320 36 324 32

HBr +KOH = KBr + 水

81 56 119 18

消去反应在常温常压下进行，反应时间为8 h。

（3）精馏提纯冷凝：消去反应完成后，生成产品2-溴-3，3，3-三氟丙烯以及溴化钾、水和少量氧气，物料中除上述物质外还有过量的氢氧化钾，作为溶剂的乙醇以及反应中未完全反应的三氟丙烯。产品2-溴-3，3，3-三氟丙烯的沸点为34℃，精馏过程将温度控制在45℃，压力为常压，精馏7 h，脱出的2-溴-3，3，3-三氟丙烯经冷凝装置二级冷凝，冷凝温度为-7℃，冷凝时间为7 h，包装待售。该过程中有不凝气（G1-2）产生，其中氧气、三氟丙烯全部飞出，2-溴-3，3，3-三氟丙烯冷凝效率为99.9%，乙醇冷凝效率为99.2%，水冷凝效率为98.8%。

（4）蒸馏冷凝：精馏提纯后的精馏残液转入蒸馏塔常压蒸馏，对乙醇进行提浓，蒸馏温度为85℃，单批次蒸馏时间为10 h，预计年运行120个批次。乙醇和水在70℃时达到共沸，少量水随乙醇被蒸出，脱出的乙醇经二级冷凝后循环套用。该工序有不凝汽（G1-3）产生，冷凝效率为98%。

（5）离心分离：将蒸馏提浓后的蒸馏釜底残液转入离心过滤设备中过滤，将固体与液体分离，过滤出溴化钾晶体，分离效率根据溴化钾在水中溶解度确定。与下步蒸发冷凝再离心分离后的溴化钾晶体一起进行干燥处理。

（6）蒸发冷凝：离心过滤后的滤液中主要物质为乙醇、水、氢氧化钾及少量的溴化钾，该工序利用结晶器对离心分离后的滤液进行蒸发，将乙醇和水蒸出并冷凝，蒸发温度为95℃，单批次蒸发时间为10 h，预计年运行120批次。蒸出的蒸气经冷凝装置冷凝后进入废水，冷凝效率为94%。该工序有不凝汽（G1-4）和废水（W1-1）产生。

（7）离心分离：蒸发后残液转入离心机中过滤，将固体与液体分离，过滤出溴化钾晶体，离心效率根据溴化钾在水中溶解度确定。该工序有离心分离液回用至消去工段。

（8）干燥：对过滤后的溴化钾利用烘干机进行干燥，去除溴化钾中携带的乙醇及水，干燥温度为120℃，单批次干燥处理5 h，预计年运行144批次。干燥完成的溴化钾晶体包装待售。该工序有干燥废气（G1-5）产生。

（9）物料平衡小结：根据以上生产过程中的参数，可以绘制相应的物料平衡图，给出每步工艺的进项及出项，得出三废产生情况，具体见图1及表1。

表1 项目物料平衡表/（t/a）

4 结论及展望

目前，由于化工企业对将要建设的项目的化学反应转化率及物理过程的分离参数了解有限，有的企业在项目建设前甚至无技术人员，因此企业无法给出项目中各工艺的物料分离效率等参数，环评中的各参数基本为评价人员根据现有论文或按物料的理化性质确定，较为理论化和理想化。在实际生产中，操作条件的变动很容易造成各工艺效率的变化，从而引起三废产生量的变化，导致环评数据失真。

为提高环评数据的准确度，建议环评报告工程分析内容可采取实测法、实验法与物料平衡法相结合的方式，根据相同或相似的企业的实际生产情况，或通过小试中试手段确定关键参数，再通过物料平衡法确定入方及出方，以推算出污染物的产生情况。

图1 本项目物料平衡图