江阴化工污泥处理方法步骤：从工业废水中提纯二氯甲烷的方案设计

一、问题描述

某化工厂工业废液的主要成分为二氯甲烷（90wt%）、甲醇（6wt%）、三乙胺（2wt%）和水的混合液，该废液的产生量35M3/天。如何处理这些废液? 请查找物性数据等资料，提出你的完整分离方案（分段流程和设备选型及依据），回收得到二氯甲烷溶剂，纯度≥99.5%。

二、分离方法的选择

本体系为四元混合物体系，其中四个组分的沸点为：

表1 二氯甲烷、甲醇、三乙胺、水的沸点

组分	二氯甲烷	甲醇	三乙胺	水
沸点℃	39.8	64.7	89.5	100

由此可以看出二氯甲烷沸点最低，同时二氯甲烷和甲醇的在37.6℃存在共沸，共沸组成

t/℃

x2

ye2

yc2

|Δy2|/ye2

37.9

0.2906

0.1561

0.1591

0.0192

40.0

0.4711

0.2018

0.1935

0.0411

43.1

0.6574

0.2734

0.2729

0.0018

47.3

0.7756

0.3765

0.3784

0.0050

50.8

0.8394

0.4789

0.4794

0.0010

从上表可以看出，基于NRTL活度系数方程计算的气液平衡数据和实验结果相符度很高，故可以利用该物性方法进行后续模拟计算。

四、流程设计与模拟

4.1 流程设计

将整个分离过程分为二氯甲烷的提纯和乙二醇的回收两部分，乙二醇从塔顶进入萃取塔B1，混合物原料从塔下部分进入。混合物原料中绝大部分甲醇、三乙胺、水被乙二醇萃取出来从塔底流出，提纯后的二氯甲烷则从萃取塔顶部馏出。萃余相再进入回收塔B2实现萃取剂的回收利用。下面是模拟流程图。

图1 从工业废水中提纯二氯甲烷模拟流程图

4.2 工艺参数设计

本过程需要设计主要的工艺参数包括萃取剂用量，萃取塔塔板数、回流比、馏出率、进料位置以及回收塔塔板数、回流比、馏出率、进料位置。

因为萃取剂用量依赖于塔的的工艺参，所以应计算出合理的萃取塔参数，再确定萃取剂用量。数根据文献[1]实验结论，萃取剂滴加速度和馏出液馏出速度之比为（20~22）/10时，分离效果最好。所以不妨先假定萃取剂用量为进料量的2倍。

4.2.1 萃取塔的参数设计

萃取塔选用RadFrac模块进行模拟，先设定初始进料状况和塔参数，然后进行优化。

表3 萃取塔初始进料状况

	温度/℃	压力/bar	流量/(kg/h)	组成（质量分率）
原料	25	1	2000	CH2Cl2=0.9 CH4O=0.06 C6H15N=0.02 H2O=0.02
萃取剂	25	1	4000	C2H6O2=1

表4 萃取塔初始操作参数

塔板数	冷凝器型式	质量回流比	质量馏出率	原料进料位置	萃取剂进料位置	塔压/bar
30	全凝器	1.5	0.27	5	20	1

在初始条件下，模拟计算得到的二氯甲烷馏出物质量分率为0.988，没有达到目标纯度，下面利用灵敏度分析先对塔板数进行优化。

图2 馏出物中二氯甲烷的质量分率随塔板数的变化

由图2可以看出，随着塔板数的增加，馏出物中二氯甲烷的质量分率先快速增加，最后趋于稳定，这里我们取二氯甲烷的最大质量分率对应的最小塔板数30。

下面利用灵敏度分析对进料位置进行优化。

图3 馏出物中二氯甲烷的质量分率随进料位置的变化

由图3可以看出，随着混合物进料位置的变化，馏出物中二氯甲烷的质量分率先增加后减小，在第19块塔板处取得最大值，故可以将混合物进料位置设定在19块塔板。随着萃取剂C2H6O2进料位置的变化，馏出物中二氯甲烷的质量分率不断减小，故将C2H6O2进料位置设定为第2块塔板。

下面对回流比进行灵敏度分析。

图4 馏出物中二氯甲烷的质量分率随质量回流比的变化

由图4可知，随着质量回流比的增大，馏出物中二氯甲烷的质量分率不断增加，考虑到增加回流比会增大操作成本，而且在回流比为2.2时，馏出物中二氯甲烷的质量分率已经达到0.99499，后续对萃取剂用量的优化完全有可能达到提纯目标，故将质量回流比定为2.2。

图5 馏出物中二氯甲烷的质量分率随萃取剂用量的变化

下面利用灵敏度分析对萃取剂用量和馏出率进行优化。按文献[1]实验得到的90%的二氯甲烷收率，塔顶馏出量应该取1630 kg/h（2000*0.9/0.995=1628 kg/h），然后考察馏出物中二氯甲烷的质量分率随萃取剂用量的变化。

从图5可以看出，随着萃取剂用量的增加，馏出物中二氯甲烷的质量分率先增加后趋于稳定，在萃取剂用量为3000 kg/h时，馏出物中二氯甲烷的质量分率达到0.995002，已经满足提纯要求，故将萃取剂用量定为3000 kg/h。

图6 馏出物中二氯甲烷的质量分率随馏出率的变化

在萃取剂用量为3000 kg/h时，在考察馏出物中二氯甲烷的质量分率随馏出率的变化，证实了馏出率大于0.326之后无法满足提纯要求。故最终质量馏出率为0.326。

综上所述，萃取塔设计的工艺参数为：

表5 萃取塔设计工艺参数

塔板数	原料进料位置	萃取剂进料位置	质量回流比	质量馏出率	E/F（萃取剂原料质量比）
30	2	19	2.2	0.326	1.5

其中，馏出二氯甲烷纯度为0.995001，二氯甲烷回收率为90.1%。

4.2.2 回收塔的参数设计

回收塔的作用是对萃取剂乙二醇进行回收，根据前面模拟计算的结果，回收塔进料组成为：

表6 回收塔的进料组成（质量分率）

二氯甲烷	甲醇	三乙胺	水	乙二醇
0.0528	0.0335	0.0119	0.0119	0.8899

为了提高乙二醇的馏出纯度和收率，需要对回收塔的工艺参数进行优化。优化过程基本上和萃取塔类似，选用RadFrac模块模拟，利用灵敏度分析依次确定塔板数、进料位置、回流比、馏出率。下面直接给出计算结果：

表7 回收塔设计工艺参数

塔板数	冷凝器型式	质量回流比	质量馏出率	进料位置	塔压/bar
18	全凝器	0.5	0.11	8	1

其中，回收乙二醇的纯度为0.99992，回收率为100%。

六、结论

1、本方案设计了用乙二醇做萃取剂，从工业废水中提纯二氯甲烷的萃取精馏流程，并实现了萃取剂的回收，二氯甲烷的纯度达到了0.995，收率为90.1%。

2、采用Aspen对萃取流程进行模拟优化，优化的萃取塔塔板数为30，质量回流比为2.2，质量馏出率为0.326，萃取剂和原料的质量比为1.5；回收塔塔板数为18，质量回流比为0.5，质量馏出率为0.11。

参考文献

[1] 柯凌进, 黄燕, 高晓芬,等. 从三元混合溶剂中回收二氯甲烷的试验[J]. 中国医药工业杂志, 2002, 33(08).

[2] 邵少花, 顾正桂. 二氯甲烷-甲醇-丙酮-水体系汽液平衡测定和关联[J]. 化学工程, 2012, 40(10):40-43.

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