多级萃取处理丙酮废水的模拟研究

李 琳，施 兰，雷 兰，王 凤，李凯文，李 静，叶 昆

(1.六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004；2.中国石油工程建设有限公司 华北分公司，河北 任丘 062550)

丙酮废水是一种常见的工业废水，多产生于甲基丙烯酸甲酯、衍生物双酚 A和喹啉衍生物等化工产品的制备中[1-2]，反应结束后会产生大量的丙酮废水。丙酮价格逐年上涨，所以在废水处理时回收丙酮就变得至关重要，一方面有效的避免了水体的污染，另一方面可以提高经济效益。

目前国内外对于丙酮废水的处理方法有精馏法[3-4]、蒸馏法[5]和渗透汽化法[6]等。本文采用多级逆流萃取法对丙酮废水进行分离，因为萃取法一般情况在常温常压下操作，设备也相对简单。通过Aspen Plus 模拟萃取的工艺过程，并分析了萃取剂、萃取级数和萃取温度等对工艺过程的影响。

1 萃取剂的筛选

为了得到高效的萃取剂，首先利用单级萃取模拟，以丙酮常用萃取剂如二异丙基醚、醋酸丁酯、叔戊基甲基醚、1,2-二氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷等为研究对象，通过比较萃取相和萃余相中丙酮、水和萃取剂的浓度，从而得到最优萃取剂，模拟结果如表1和表2所示。

表1 萃取相中各组分的质量分数

表2 萃余相中各组分的质量分数

从表1可以看出，1,2-二氯乙烷的萃取效率最高，其次是1,1,2-三氯乙烷，但是1,2-二氯乙烷做萃取剂时，对水的夹带量是最大的，远高于1,1,2-三氯乙烷。从表2中可以看出，萃余相中萃取剂夹带量最小的是1,2-二氯乙烷，其次是1,1,2-三氯乙烷，但是其差别并不显著。综合考虑，1,1,2-三氯乙烷为最合适的萃取剂。

2 模拟流程的搭建

2.1 建立模拟流程图

在Aspen plus系统Separators模型下选择塔Decanter，搭建逆流六级萃取流程，如图1。

图1 六级逆流萃取流程

Fig.1 Six-stage countercurrent extraction process

2.2 设置初始参数

输入组分1,1,2-三氯乙烷、水、丙酮，选择热力学模型为NRTL方程。再设定初始数据，以1,1,2-三氯乙烷为萃取剂，萃取温度20℃，压力101.325 kPa，丙酮废水的处理量为30 m3/h，废水中含丙酮6000 mg/L，萃取剂流量16 m3/h。设置好初始参数后，点击运行，对6级逆流萃取丙酮水溶液进行模拟计算。

3 实验结果分析

3.1 萃取级数的影响

在初始温度和压力不变的条件下，对不同的萃取级数进行模拟计算，得到图2。

图2 萃取级数对萃余液中各组分的影响

从图2可以看出，随着级数的增加，萃余液中丙酮的含量是减小的，从二级的767.8 mg/L减小到六级的44.7 mg/L，萃余液夹带量也是呈减小趋势，但是改变量很小，为了达到废水的排放标准，采取六级萃取的工艺流程。

3.2 萃取剂用量的影响

图3 萃取剂用量对萃余液中各组分的含量的影响

在不同的萃取剂用量下，对萃余液进行分析。采用六级萃取工艺，得到萃取剂用量对萃余液中各组分的含量的影响，如图3。

从图3中可以看出，随着萃取剂1,1,2-三氯乙烷用量的增加，萃余液中丙酮的含量和夹带量都减小。当萃取剂1,1,2-三氯乙烷用量为16 m3/h时，丙酮含量减小的速度越来越小，最后趋于不变，夹带量减小的情况也是在萃取剂1,1,2-三氯乙烷用量为16 m3/h时出现拐点。所以，继续增加萃取剂的用量，也无法再有效的提高废水的处理效果，还会增加操作费用。综上所述，萃取剂1,1,2-三氯乙烷的最佳用量为16 m3/h。

3.3 萃取温度的影响

在不同的萃取温度下，对萃余液中各组分的含量进行分析。XA表示萃余液中的丙酮的含量，XB表示萃余液中的夹带量。萃取温度取10～50℃，对萃余液中各组分进行计算，得到表3。

表3 不同萃取温度的影响

从表3可以看出，随着温度的增加，XA逐渐增大，XB先减小后增加，在25℃达到最小值。说明低温是有利于萃取操作的，因为对于部分互溶的三相体系，当温度降低时，两相区会相应扩大。常温20℃时XA的含量为45 mg/L，10℃时为42 mg/L，减小优势不明显，考虑到节能，最适合的操作温度为常温。

4 结论

(1)利用模拟软件AspenPlus建立单级萃取流程，对常用萃取剂进行模拟计算，得到最合适的萃取剂是1,1,2-三氯乙烷。

(2)热力学模型选择NRTL方程，应用灵敏度分析了萃取级数、萃取剂用量和萃取温度对丙酮废水的萃取影响。得到最合适的萃取条件是萃取级数为六级、萃取剂用量为16 m3/h、萃取温度为常温，萃余液中丙酮的含量由初始的6000 mg/L 下降到45 mg/L。