双效汽提精馏在高氨氮废水处理中的应用研究

＊尹喆 申涛 宋云华 苏小平

（1.中国石化催化剂北京分公司 北京 102400 2.西北民族大学 甘肃 730030 3.北京化工大学 北京 100029）

前言

在化工生产过程中，精馏单元一直是产品分离和提纯的重要的手段，然而精馏过程是能量消耗最大的单元操作之一，精馏过程消耗的能量约占整个化工企业消耗总能量的25%～40%，但目前精馏过程能量利用效率只有10%左右。随着能源价格上涨，作为精馏过程主要使用的加热介质——水蒸气的价格逐年增高，精馏的操作费用也随之大幅度增加，对于氨氮废水处理来说，操作成本的增加企业无法承受，因此针对精馏的节能问题越来越受到企业的重视。

目前节能型精馏技术如多效精馏、热泵精馏、热耦精馏等相继在工业中的精馏过程中得到应用[1-2]，然而相比较常规单效精馏设备简单、投资低、易于控制和维护和检修成本低而言，复杂的热泵精馏、多效精馏和热偶精馏在操作过程中工艺路线复杂尤其是热泵精馏过程应用高速旋转设备，设备运行操作可调整的参数幅度窄、可控性差，容易导致废水处理不达标、设备检修量大等问题。废水处理装置环保达标是企业稳定生产的主要保障，因此操作稳定性高、节能效果明显的废水处理技术，是针对氨氮废水处理工艺设计的主要出发点和关键点，作者以炼油催化剂生产装置产生的高氨氮废水为例，提出双效汽提精馏工艺，在本工艺中充分考虑系统的能量回收和操作稳定性，研究表明，其节能效果显著，操作稳定性高。

1.工艺流程者简

针对氨氮废水处理通常用的公用工程蒸汽基本在0.6MPa·G左右，如果第二效精馏采用减压精馏，虽然增大传热温差，减少传热面积，节省投资，然而减压精馏需要配置真空系统，在抽真空过程中废气中的氨不可避免的进入到真空系统，造成氨的二次废水或废气产生，因此本工艺设计采用加压—常压的工艺流程。

和双效蒸发类似，按照进料和加热介质的进料方向，双效精馏可以分为平流型、并流型、逆流型[3]，由于高氨氮废水脱氨，仅仅处理一种介质，显然通过合理的设计单塔能完成废水的氨的达标排放，因此本工艺选择并流型的工艺，即废水分成两股分别进入加压塔和常压塔内完成脱氨。

双效汽提精馏脱氨工艺流程图如图1。将经过加碱调节pH值至11.5～12.0之间的高氨氮废水和脱氨后的废水进行预热后，按照一定的比例分别进入到加压汽提塔和常压汽提塔内。进入到加压汽提脱氨塔内的高氨氮废水和自塔釜加入的蒸汽逆流接触，在加压塔内进行汽提脱氨。加压塔顶出来的含氨蒸汽进入到常压汽提塔再沸器内作为常压汽提塔加热热源使用，此时含氨蒸汽经过冷凝后进入到塔顶回流罐I内，并通过泵全回流至加压汽提塔顶部作为回流液，而常压汽提塔再沸器出来的浓氨气进入到常压汽提塔精馏段上部，与常压汽提塔经过汽提精馏的浓氨气一起再次经过精馏进入到塔顶冷凝器内。

图1 双效汽提脱氨工艺图

进入到常压汽提塔内的另一股氨氮废水和经过再沸器来的蒸汽在塔内进行汽提精馏，并于加压塔来的浓氨气一起进入到塔顶冷凝器内冷凝，冷凝后的浓氨水全回流至常压精馏塔顶部作为回流液，塔顶冷凝器仅采出气相浓氨气，进入到吸收塔内用一定量的工艺水吸收成浓氨水，不凝气通过吸收塔塔顶达标排放。

经过加压汽提塔汽提后的脱氨废水温度比较高，且压力也比较高，因此可以直接进入到常压汽提塔塔釜内，并于常压塔经过脱氨的废水一起通过泵和高氨氮废水经过进出口换热器换热后排入后续系统中。

经过汽提脱氨后的浓氨气进入到吸收塔内，经过循环吸收增浓段，然后再次进入到吸收段用工艺水进行净化吸收，吸收塔塔釜的氨水浓度约20%回用于生产。

2.汽提脱氨塔操作参数的选择

结合蒸汽的压力双效汽提脱氨的工艺特点，当加热蒸汽的压力为0.6MPa·G时，设置加压塔的操作压力为0.3MPa·G，塔釜操作温度143℃，常压塔的操作压力0.0MPa·G，塔釜操作温度100℃。经过加压塔的脱氨废水进入到常压塔内闪蒸，不但有利于加压塔内脱氨废水的氨的进一步降低，而且闪蒸的蒸汽可以作为常压塔的热源使用。

汽提蒸汽量的计算

汽提脱氨最小汽液比可按照公式（1）计算。

3.汽提脱氨塔阻力降的计算

为减少汽提脱氨塔的阻力降，本系统选用填料塔为汽提脱氨塔，在计算汽提脱氨塔阻力降之前，先要对汽提脱氨塔塔径及传质单元数进行计算。

填料塔塔径的大和小是根据生产能力和空塔气速来计算的，空塔气速可通过公式（3）确定。

泛点气速跟汽液流量、物性系数及填料的类型和尺寸等因素有关系，目前工程上经常采用Eckert通用关联图计算uf。

汽提塔的塔径计算公式如下：

式中：Vs—操作条件下混合气体体积流量，m3/s。

然后再根据填料塔的相关计算公式[4]，计算出传质单元高度和传质单元数，从而计算出填料塔的填料高度，根据填料的高度可采用Eckert通用关联图计算出填料塔的操作压力降。

4.系统控制方案

高氨氮废水经过预热器预热后，通过比例控制将废水分别进入加压塔和常压塔内，控制进料比例按照加压塔进料量和常压塔进料量的比例约为0.55:0.45。进入加压塔内的废水塔釜的温度控制加压塔的进入的蒸汽的进料量，温度控制不低于140℃，加压塔塔顶压力控制为气相采出的量控制，控制压力不低于0.35MPa。

针对常压塔的控制，由于压力为常压，无需过多控制回路，仅需要监控塔釜和塔顶温度即可。另外针对加压塔和常压塔全部采用全回流，仅采出气相的方式进行汽提脱氨。控制回路少，控制方案简单可靠。而最后浓氨水吸收塔，通过废水中氨氮含量计算出需要加入工艺水的量即可。

5.结果与讨论

文章以中国石化某催化剂厂80m3/h高氨氮废水处理为例子，因为废水中氨氮含量通常在6000mg/L左右，废水通过处理后，按照《无机化学工业污染物排放标准》限值即5mg/L以下，得到的氨水浓度为20%，分别应用单塔汽提精馏技术和双效汽提脱氨技术对废水处理进行计算，其中双效汽提装置加压和常压塔的进水比按照0.55:0.45比例计算，计算结果见表1。

表1 项目汽提精馏成本计算表

由表1可以看出，采用双效汽提工艺比常规单塔汽提脱氨工艺相比节省操作费用的40.7%，年操作成本节约1007万元，可见其节能降耗效果非常明显，其在农药行业废水处理中实践表明[5]，和常规气体脱氨相比较节约蒸汽50%左右。另外，本系统设计过程中充分考虑加压塔和常压塔的压力差，并利用其温差的不同，使加压塔脱氨后废水不直接外排，而是进入常压塔塔釜内闪蒸，减少脱氨废水外送泵的同时，充分利用系统的热量。本系统不采用液相采出，而是全部由气相采出的形式，液相全回流的形式，然后通过浓氨气吸收的形式实现浓氨水的回收利用，与常规操作控制回流比和精馏塔温度及塔釜压力联锁控制相比较而言，该系统控制回路少，简单可靠，便于在工程上实施。

6.结论

精馏技术是重要的生产技术之一，但是作为能耗比较大的工艺操作，如何实现精馏技术的节能是提升企业竞争力的重要环节。双效精馏技术是目前常用的节能技术之一，但是双效精馏在实际工业中的应用存在控制节点多，操作中联锁逻辑过于复杂，导致操作过程中往往不能很好的稳定操作，从而致使精馏过程达不到分离要求。本文针对高氨氮废水处理提出了采用双效精馏技术的有针对性的措施，通过合理的工艺设计和操作参数的选择，在工艺上采用液相全回流和气相采出工艺，然后结合吸收塔工艺进行浓氨水的吸收，系统简单可靠。通过和常规的精馏脱氨对比表明，采用双效汽提精馏工艺比常规单塔汽提脱氨工艺相比节省操作费用的40.7%。