丁丽 王之宁(中化环境科技工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

精细化工生产过程，无论是医药、农药、染料及新材料的生产，各工序会产生大量酸性尾气(酸性成分主要为HCl)，尾气吸收处理装置高效、稳定运行，对周围环境、操作人员身体健康产生重大影响。同时酸性尾气吸收后，可作为原料进行回用，同时减少环保装置处理压力，提高企业经济效益[1]。

目前，市面上比较流行的化工过程模拟软件包括Aspen Plus、ProII、Chemcad 等[2]。相比于其他模拟软件，Chemcad[3]具有价格低廉、数据库详尽、收敛迅速等优点，其广泛应用于炼油、石化、气体工业、热电联产、精细化工、制药、生化、污染防治、工业安全及清洁生产领域中。对于生产规模相对较小，原料品种较多的精细化工生产过程模拟计算，Chemcad 是一个较好的选择。

1 模拟模型的建立

1.1 模拟流程图

目前，各精细化工生产车间采用较多的是，以聚丙烯为主要材料的水循环喷淋吸收酸性尾气系统[4]。主要设备包括吸收塔、吸收液储槽、循环水泵、引风机等组成

Chemcad 提供提供50 种以上的单元操作模块， 可将各单元操作串联起来， 形成完整流程的模拟功能。根据吸收流程在Chemcad 软件中选择操作单元并建立模拟系统流程，包括吸收塔、储槽、泵、风机、节点、冷却器6 个操作单元，2 个输入流，2 个输出流及10 个系统内物流，模拟流程图如图1 所示。

图1 Chemcad中吸收系统模拟流程图

1.2 热力学模型选择

Chemcad 软件提供了多种K 值(气液平衡)模型及H 值(焓值)模型。由于尾气吸收过程为负压操作，因此影响K 值的主要因素为溶液性质。在HCl-H2O 二元组分系统中，HCl 分子被解离成离子，形成电解质溶液。因此K 值模型选择用于模拟水中电解质组分的PPAQ 模型。H 值模型根据系统推荐，选择SRK模型。HCl-H2O 体系在0.1MPa 下的气液平衡如图2 所示。

图2 0.1MPa下HCl-H2O体系气液平衡

1.3 边界条件

(1)进料条件：工况下，进气370Nm3/h，HCl 含量5%(vol%)；系统补水量0.2m3/h；喷淋液流量1.1m3/h，温度28℃。

(2)吸收塔操作条件：操作压力0.08MPa(A)，理论塔板数6，填料直径25mm，比表面积223m2/m3，孔隙率0.95，散堆。

2 计算结果分析与讨论

2.1 计算结果

根据边界条件，系统模拟结果如表1 所示。计算结果表明，在该工况条件下，HCl 气体大量被水吸收，吸收率为99.89%。根据《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)[5]，HCl 排放浓度限值为100mg/m3，排放口20m 高，排放速率限值0.43kg/h。本模拟系统引风机出口HCl 浓度91.4mg/m3，流量0.0332kg/h，该系统不需要下级碱吸收塔，即可满足排放标准。同时，工况条件下系统可以产生13.65%浓度的盐酸，产量为220.7kg/h。

2.2 进气浓度的影响

在实际化工生产过程中，一般尾气中HCl 浓度会有一定的波动。其他边界条件不改变的情况下，尾气浓度的升高，导致系统补水量升高，并且成线性关系。如前所述，尾气排放的HCl 占进入系统的比例很小，可近似认为进入系统的HCl 等于产品盐酸中的HCl。在一定的吸收温度，进入系统的HCl 线性的增加，与之气液平衡的水的量线性的增加。

表1 尾气吸收系统计算数据表

2.3 喷淋量、喷淋液温度的影响

既有设备投入运转之后，除补水量以外，其可变的操作参数为塔顶喷淋液流量及喷淋液温度，在一定喷淋液温度条件下，尾气浓度随喷淋液循环量的增加，先急剧降低，后又缓慢升高，并且随着喷淋液的温度的升高，趋势变得更为明显。尽管此吸收系统从物料进出角度来看，是水吸收HCl 的过程，但是直接进入吸收塔顶的介质为一定浓度的盐酸溶液，在喷淋液循环量增加的情况下，吸收速率大于解吸速率，逐渐达到操作条件下的最佳的液气比(L/V)。喷淋液循环量增加进一步的增加，逐渐偏离最佳的液气比，喷淋液向尾气解吸速率大于吸收速率，因此，在喷淋液进一步增加的情况下，尾气浓度升高。同时，温度的提高，利于解吸过程，随着喷淋液温度的提高，尾气浓度急剧的升高。

2.4 系统的优化

由2.3 的分析结果可知，塔顶以盐酸液喷淋吸收制约吸收效果，影响塔顶尾气浓度，将原有吸收塔分为两段吸收，补充新鲜水的位置改变到吸收塔上段顶部，形成上部水吸收，下部盐酸液吸收的两级吸收过程，边界条件同1.3 节，其流程及计算结果如图3 和表2。

图3 两段吸收系统模拟流程图

表2 两段吸收系统计算数据表

计算结果表明，在系统改动不大的情况下，采用塔顶补水的方式，尾气排放HCl 浓度由91.4mg/m3降低到5.78mg/m3，HCl吸收率由99.89%提高到99.99%，可以有效减少塔顶尾气HCl浓度。

3 结语

(1)尾气吸收系统采用一段吸收流程，在1.3 节中的工况条件下，该吸收系统可以实现较高的HCl 吸收率，尾气可以达标排放，不需要进一步进行碱吸收。

(2)在一定喷淋液循环量下，喷淋液的温度越低，其吸收效果越好，但其冷却温度越低，相应的操作费用相应的增加。实际操作过程中，需在经济可行的范围内，使吸收液得到充分冷却，实现经济效益与环境效益的统一。

(3)在一定操作条件下，在未达到最佳液气比时，可通过增加喷淋液循环量，降低塔顶尾气HCl 浓度。超过最佳液气比，由于气液平衡的限值，无法通过增加喷淋量降低尾气HCl 浓度，相反，HCl 浓度会有所升高。

(4)一段吸收流程处理能力有限，当需处理尾气HCl 含量发生波动时、吸收喷淋液冷却条件不佳、喷淋循环量过小时，尾气无法达标排放，需进一步进行碱吸收处理。

(5)系统采用两段吸收流程，吸收塔由一段变为两段，塔高略有提高，设备投资有所增加，系统可在流程变化不大，有效降低吸收塔顶尾气HCl 浓度。