基于Aspen Plus的 1,2-二氯乙烷废水汽提脱溶过程模拟与优化

张振科，沈杰，张明亮(.浙江沙星科技有限公司，浙江 临海 37000； .新乡学院能源与燃料研究所，河南 新乡 453000)

0 引言

1,2-二氯乙烷(EDC)是一种重要的有机合成原料，同时在精细化工领域又是重要的溶剂，其主要用于氯乙烯、三氯乙烯、乙二胺、三氯乙烷、亚乙烯基氯、四氯乙烯中间体等产品的合成和蜡、脂肪、橡胶等的溶剂[1-4]。在精细化工生产过程中会遇到含EDC的低浓度废水，由于EDC为生物难降解的挥发性有机氯化物[5]，所以在进入废水生化处理系统之前，需对该废水进行预处理，回收废水中的EDC，达到经济发展与环境保护良性循环的目的。本文运用Aspen Plus流程模拟软件[6-8]，对某酸化萃取工段EDC废水(流量2 500 kg/h，x(EDC)=0.9%，x(NaCl)=24.1%)汽提分离工艺过程进行模拟，以期达到回收溶剂和降低废水化学需氧量(COD)的目的；另外，通过灵敏度分析优化工艺参数，为工业化设计提供理论参考数据。

1 物性方法选择

Aspen Plus物性方法提供了一系列物性的计算模型和方法，用来计算热力学性质和传递性质[9]；在模拟过程中，应根据不同物料体系和操作工况选择正确的物性方法。曲云等[10]采用Aspen Plus软件中的NRTL物性方法和RADFRAC模块，考察了不同汽提介质对二氯乙烷残余量、二氯乙烷损耗量和汽提塔尺寸的影响；陶少辉等[11]采用Aspen Plus软件中的NRTL物性方法，模拟和优化了以环己烷、甲苯、二氯乙烷为共沸剂萃取精馏2-氯乙醇-水分离过程工艺条件，模拟结果能够与实验结果较好吻合；梁燕等[12]利用Aspen Plus软件ELECNRTL物性方法、Extract模块和NRTL物性方法、RadFrac模块，模拟和优化了碳酸钾水溶液萃取-精馏耦合分离甲苯、乙醇共沸混合物的工艺条件，模拟结果与实验数据吻合。以上研究表明，NRTL物性方法能够较好的模拟二氯乙烷水体系，本文研究的有机废水溶液存在电离平衡NaCl←→Na++ Cl-，属于电解质系统，因此本文模拟的物性方法选择ELECNRTL模型[13]，该模型用于计算电解质水溶液系统以及混合溶剂电解质系统，当电解质浓度变为零时，该模型就简化为NRTL模型。

2 汽提工艺流程

汽提过程工艺流程图如图1所示。废水经换热器预热后经流股2从塔顶进入汽提塔，与塔底通入的蒸汽经逆流传质、传热后，废水中的EDC以气态形式从塔顶流出，汽提后的废水从塔底流出。

图1 汽提工艺流程图

3 灵敏度分析

汽提过程的关键在于汽提塔，因此在整个模拟过程中首先以汽提塔为例，运用灵敏度分析对其各主要操作进行优化，详细分析各参数对汽提过程的影响。模拟初始操作条件为：废水进料量2 500 kg/h、理论塔板数30、蒸汽进料量270 kg/h、废水进料温度60 ℃、汽提塔操作压力101 kPa。

3.1 塔板数对分离过程的影响

保持其他初始参数不变，改变汽提塔塔板数，考察塔板数对塔底废水中EDC含量的去除效率，模拟结果如图2所示。由图可知，随着塔板数的增加塔底EDC质量分数xw逐渐减小，20块板之后xw减小幅度变化变缓。选择20块板作为汽提塔的塔板数。

图2 塔板数对分离过程的影响

3.2 蒸汽流量对分离过程的影响

设定塔板数为20，保持其他参数不变，以蒸汽流量为分析变量，考察其对分离过程的影响，模拟结果如图3所示，随着蒸汽流量加大，塔底废水中EDC含量xw逐渐降低，其中，蒸汽流量在220～540 kg/h区间增大时，EDC脱除率显著提升，当蒸汽流量大于540 kg/h时，EDC去除率逐渐趋于平衡，选择蒸汽流量为540 kg/h。

图3 蒸汽流量对分离过程的影响

3.3 废水进料温度对分离过程的影响

不同废水进料温度对塔底废水中EDC含量的影响如图4所示，随着进料温度的升高，废水中的EDC去除效率显著提升，当废水进料温度超过100 ℃时，废水中EDC含量逐渐趋于平衡。由图4可知，提高废水进料温度可以有效提升EDC的去除率，但同时也应该综合考虑操作成本，在满足出水达标的同时设定合适的进料温度。

图4 废水进料温度对分离过程的影响

3.4 操作压力对分离过程的影响

以操作压力为分析变量，其他操作条件不变，考察汽提塔操作压力对EDC去除效率的影响，结果如图5所示。随着压力的增加，汽提后废水中的EDC含量逐渐升高，因此，在日常操作过程中，如果塔底废水xw含量超标，保持其他操作条件不变，可以通过减压操作使塔底废水xw达标。

图5 操作压力对分离过程的影响

4 模拟结果

经过对汽提塔各参数的灵敏度分析，优化得到了汽提塔适宜的设计和各操作参数，如表1所示，经过优化后的汽提塔塔底废水EDC质量分数可以降低到3.85×10-5，达到处理要求，塔顶EDC质量分数为0.040 8，可以通过静置分层后得到高浓度EDC。

表1 汽提塔主要工艺参数

5 工艺流程优化

根据汽提塔各工艺参数优化结果，对工艺流程进行节能优化，以期达到降低能耗的目的，优化后的工艺流程如图6所示。含EDC废水经换热器预热后经流股FH从塔顶进入汽提塔，与塔底通入的蒸汽经逆流传质、传热后，废水中的EDC以气态形式从塔顶流出，经冷凝、静置、分层后，得到有机层为高浓度EDC，水层返回废水收集池中继续汽提；塔底废水经泵送至换热器热交换后经流股WC去废水站进行脱盐处理。

图6 汽提工艺流程图

如图7所示，考察了不同蒸汽流量条件下对废水进汽提塔温度TFH、塔顶采出量FD和其EDC含量xD、塔底采出量FW和其EDC含量xW的影响；结果表明：随着蒸汽流量从220 kg/h增加至780 kg/h，FW从2 513.31 kg/h下降至2 480.83 kg/h，FD从206.69 kg/h增大至799.17 kg/h，通过对比FW与FD发现，提高蒸汽流量FW略有下降而FD上升较快；另外，xD随着塔顶采出量的增加而降低，xW随着蒸汽流量增加而逐渐趋于零；TFH从100.40 ℃缓慢降至99.69 ℃，下降幅度不大，主要是因塔底废水流量FW缓慢下降造成的。从能耗方面考虑，主要能耗为塔底蒸汽输入量与塔顶冷凝器输出量决定，随着塔底蒸汽量增大，塔顶冷凝器冷负荷也同时增大。在蒸汽流量保持在540 kg/h时，主要流股模拟结果如表2所示。

图7 蒸汽流量对分离过程的影响

表2 主要流股模拟结果

6 结论

运用Aspen Plus流程模拟软件对含EDC废水汽提分离工艺过程进行详细模拟计算。以汽提塔为例对各主要操作参数进行了灵敏度分析，考察了各主要操作变量对汽提后废水中EDC含量的影响，得到了汽提塔较优的设计和各操作参数，如表1所示。通过对汽提工艺流程进行节能优化，确定了蒸汽流量在540 kg/h时各流股工况参数，如表2所示。以蒸汽流量为变量，考察了不同蒸汽流量条件下各流股工况参数变化情况，为工业化调试提供参考。