溶媒回收工艺计算及节能措施分析

张海杰 赵云龙

华北制药河北华民药业有限责任公司 河北石家庄 050000

在我国，有机溶媒常用于制药，其本身具有直接、间接分散高分子化合物且不与该类高分子化合物发生反应的性能，因此用途十分广泛[1]。常见的有机溶媒主要包括二甲基甲酰胺、甲苯、芳烃、二氯甲烷、二硫化碳等等，该类物质大多为有毒物质，且据研究表明，该类物质大多具有较强的致癌性，若放任常用有机溶媒的制药、造纸及纺织企业对其进行排放将对自然环境造成巨大的损害。且由于有机溶媒成本价格较高、使用时能耗巨大，因此目前大多企业都已将注意力转移到了溶媒的回收与节能领域。

1 精馏简介

目前我国主要的溶媒回收方法属于精馏操作中的一类，其主旨在于利用含有溶媒的废料内相对发挥度的差异将各组分进行分离，与简单的蒸馏过程相比，精馏过程是利用精馏塔顶高浓度轻组分回流于蒸馏塔内部建立气液平衡的过程，该过程能够实现轻、重组分的深度分离。随着回流比的增大，塔顶的轻组分浓度也会随之升高，精馏塔板的数量也会随之减少。

2 最小回流比

根据物料平衡，可以对精馏段操作线的方程进行推导，得到：

3 确定最少理论板数

由于降低塔板数可借由加大回流比来实现，因此实现全回流时，塔板数最小理论书应当为Nmin。

根据全回流的特点可知，根据物料衡算可得出芬斯克方程：

4 计算塔板数

计算塔板数通常运用捷算法，而捷算法又会用到吉利兰图，横坐标为最小回流比及回流比的差值比例，纵坐标为是理论最小塔板数与实际塔板数的差值比例，如此便可实现对回流比和实际塔板数的关联[4]。

而吉利兰图也可以用李德公式来进行表示：

若0 ＜x ≤0.01，y =1-18.5715x

若0.01 ＜x ≤0.9，y =0.545827-0.591422x +0.002743/x

若0.9 ＜x ≤1，y =0.16595-0.16595x

综上所述，精馏塔的塔板数计算应当分为三步，第一步对最小回流比进行计算，第二部对理论最小塔板数进行计算，第三部对合适的回流比进行选择，并利用李德公式实现塔板数的计算。

5 分析能耗

对蒸馏塔进行能量衡算，发现：

其中Rs为整齐的汽化热，F×Hf为原料液所带入的热量，由于原料液带入的热量及馏出液带走热量与汽化热、冷凝热相比小得多，因此为对讨论进行简化，可将上方公式简化为S×Rs≈Qc。

而由回流比的定义可知，R = L/D，如精馏塔采用泡点回流，塔顶能量达到平衡，则冷凝热应等于塔顶蒸出的蒸汽汽化热。

对于连续精馏而言，蒸汽耗量以及加热负荷都可以直接用利用以上结语进行计算，但针对塔顶采出轻组分浓度恒定的间歇精馏，回流比会随着精馏过程的进度过程而不断增大，而采出量则会不断减少，塔釜传热负荷近似常数。由物料衡算可知，精馏塔的处理速度与塔釜汽化能力存在如下关系：

在该式中，V 是轻组分的汽化量，单位是kmol/s，F 是原料液的处理能力，单位是kmol/s，因R 是x 的函数，所以该式无法得出解析解，只能对数值进行解答。

6 节能措施

自热力学角度进行分析，精馏过程内能够将混合物分离为纯度相对较高的组分，其本身也是熵降低的过程，因此需要外界做功，理想溶液分离功应当为：

举例而言，若将苯、甲苯、二甲苯的混合物分离为99.5%的苯，由上方公式可得，分离功是722KJ/kmol，如回流比能取2，则蒸馏过程则是92344KJ/kmol，精馏过程从理论来说仍有巨大的节能空间。通过节能的角度考虑，可以将有机溶媒可以转变为大型的废溶媒贮罐，可以将大批的原料液与之混合，一方面可以做到贮液量增大，满足精馏进料的基本要求，另一方面也可以通过与原料液混合，原料液浓度相对稳定，从而令间歇精馏转变为连续精馏，达到降低能耗的效果。除此之外，还可以采取多效精馏的方式，提高精馏过程内的蒸汽利用率，若能够实现采用双塔二效的精馏乙醇，基本可以做到节约百分之二十到四十的蒸汽耗量。虽说多效精馏的相关工艺目前仍存在设备投资高与系统复杂的问题，但在对量大、热高、物质稳定性较强的溶媒回收过程中效果优良，在对有机溶媒回收中具有绝对的积极意义。

7 结语

目前溶媒回收主要采取精馏的方法，当前我国的制药企业应当针对企业内部的实际状况，尽力地为连续精馏提供创造有利条件，相关企业应当选择回流比，从而使精馏设备的运行成本及投资达到最优化。本文对间歇及连续精馏的计算公式与步骤进行了说明，并提出了溶媒回收工艺相关的节能措施。