孙 莹,赵艳菲,王豪杰,王许云

(青岛科技大学 化工学院,山东 青岛 266000)

高浓度有机废水对水体环境污染程度大，处理难度高，若直接排放将造成环境污染以及有价值产品的浪费，因此有机废水中有机物的分离和回收是国内外环保的重要课题之一[1]。天津大学韩振为[2]等针对含有甲醇和二氧六环的乙醇-水共沸体系，选择环己烷为共沸剂，采用共沸精馏两塔流程实现了脱水；章连众[3]等人研究了不同醇-水-低共熔溶剂的气液相平衡问题，指出以低共熔溶剂为萃取剂的精馏方法对乙醇-水物系的分离有良好的效果；在萃取精馏法分离醇水物系的过程中，Kroon课题[4-5]组研究出合适的LTTMs打破了乙醇-水共沸体系；李豪[6]等通过模拟发现，以甘油为萃取剂，对异丁醇-乙醇-水体系的分离效果更好，工艺操作条件更简单，设备和运行费用更低。

本文以含有乙醇与叔丁醇的有机废水为研究对象，建立过程模型，并对其分析优化，得到最优生产工艺。

1 萃取精馏过程的模拟

本文以处理量为18t/h，含水88%，含乙醇8%，含叔丁醇4%的有机废水为研究对象，热公用工程为0.5MPa(表压强)蒸汽，冷公用工程为30℃循环水，进行萃取精馏工艺流程模拟。

1.1 物性方法及萃取剂的选择

水-乙醇-叔丁醇物系属于强极性非电解质真实溶液体系，有二元交互作用参数与液液平衡数据。根据该体系的物性特点，本文选择的物性方法为UNIQUAC。

常用作萃取剂的物质有苯、丙三醇、甘油和乙二醇等。在现有的公用工程的加热和冷却能力下甘油不能选用；乙二醇的极性较大、沸点高，常用于分离醇类体系，且乙二醇价格相比其他萃取剂价格低廉[7]。因此本文选择乙二醇为萃取剂。

1.2 工艺流程的确定

本文采用萃取精馏[8]的方法，利用四个塔对原始废水进行处理，依次分离出大部分水、乙醇、叔丁醇和剩余的少量水。

首先在浓缩脱水塔T1的塔底将大部分的水除去，剩余的乙醇、叔丁醇和少量水进入乙醇分离塔T2；同时向塔T2加入萃取剂乙二醇进行萃取精馏，塔顶馏出物为达标乙醇，塔釜采出的叔丁醇、乙二醇和少量水进入叔丁醇分离塔T3；同时向塔T3加入乙二醇，塔顶采出达标的叔丁醇，塔釜采出的乙二醇和少量的水进入萃取剂回收塔T4进行分离。从节约成本的角度考虑，塔T4塔釜的乙二醇经换热冷却进入塔T2和塔T3进行循环利用[9]。工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图
Fig.1 Process Flow Chart

2 萃取精馏过程的优化

2.1 精馏塔操作参数的优化

为了降低系统设备投资和能量消耗，对精馏塔的回流比、理论塔板数、进料量、进料位置等参数进行了优化设计[10]。本文以塔T1为例说明具体优化过程。

2.1.1 质量回流比的优化

在精馏操作中，选择适宜的回流比对分离效果和经济性都有着重要的影响。回流比增大，理论塔板数减少，而塔釜热负荷增大，操作费用随之增大。以T1塔釜采出的水的流率与纯度为指标，对T1的回流比进行优化，结果如图2所示。

图2 质量回流比的优化
Fig.2 Optimization of Mass Reflux Ratio

由图2可知，当回流比为2时塔釜采出率以及塔釜采出水的质量纯度基本保持不变，为了减小操作成本，选取T1质量回流比为2。

2.1.2 T1理论塔板数的优化

以T1塔釜采出的水的流率与纯度为指标，对T1的理论塔板数进行优化，结果如图3所示。

图3 T1理论板数的优化Fig.3 Optimization of The Number of Theoretical Plates

由图3可知，理论塔板数为32时，塔釜水的质量流率及纯度达到最大并趋于稳定，为了减少操作费用，将塔板数优化设定为32块。

2.1.3 塔釜采出量的优化

图4 塔釜采出量的优化
Fig.4 Optimization of Bottom Extraction Amount

对釜液质量流率进行灵敏度分析后发现，塔釜采出水的质量流率随塔釜采出流率增大而增大，但水的纯度基本不变，所以选择T1塔釜采出质量流率为15600kg/h。

2.1.4 原料进料位置的优化

以塔釜水的流率及纯度为指标，考察原料进料位置对精馏塔分离效果的影响，其结果如图5所示。

图5 进料板的优化
Fig.5 Optimization of Feed Plate

由图5可知，随着原料进料位置的降低，塔釜水的流率及纯度呈先上升后下降的变化趋势。综合考虑，将T1的原料液进料位置确定为第24块。

2.2 各塔操作参数汇总

同样，对其余各塔进行灵敏度分析，可得到各塔最优的设计、操作参数，汇总见表1。

表1 各塔操作数汇总表Table 1 Summary Table of Operands of Each Tower

3 小结

通过Aspen Plus模拟计算，以乙二醇为萃取剂，用于叔丁醇-乙醇-水体系的分离，可以使乙醇和叔丁醇的质量分数均在98%以上，排放的废水中乙醇、叔丁醇的含量均小于50×10-6，从而实现叔丁醇、乙醇的有效回收和有机废水的达标排放。本文的模拟结果可以为进一步的工业放大实验提供理论依据。