MVR热泵精馏处理回收稀DMAC水溶液

MVR热泵精馏处理回收稀DMAC水溶液杨德明;陶磊;叶梦飞;杜鹏【摘要】针对稀DMAC水溶液中DMAC的回收，提出了三种机械蒸汽再压缩(MVR)热泵精馏方案，即MVR-常规两塔精馏工艺、三级MVR单塔精馏工艺和三级MVR三塔精馏工艺•采用AspenPlus化工流程模拟软件,以能耗最低为目标函数,对以上三种工艺方案分别进行了模拟与优化,得到了每种热泵精馏方案合适的工艺参数和设备参数•研究结果表明:与常规单塔精馏工艺相比，以上三种MVR热泵精馏工艺节能分别为81.7%、69.9%和90.3%;因此就节能而言，采用三级MVR三塔精馏工艺为最佳;基于综合经济效益评价,MVR-常规两塔精馏工艺为处理本体系的最佳精馏工艺.期刊名称】《节能技术》年(卷),期】2013(031)005【总页数】4页(P409-412)【关键词】稀DMAC水溶液;MVR热泵;精馏;流程模拟;节能【作者】杨德明;陶磊;叶梦飞;杜鹏【作者单位】常州大学石油化工学院,江苏常州213164;常州大学石油化工学院,江苏常州213164;常州大学石油化工学院,江苏常州213164;常州大学石油化工学院,江苏常州213164【正文语种】中文中图分类】TQ028;TQ051.5针对低浓度N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)有机废水的处理回收，目前比较节能的回收工艺一般采用多效精馏［1-4］,但能耗还是偏高。而机械蒸汽再压缩(MVR)热泵蒸馏技术［5-11］是将过程产生的二次蒸汽经压缩机压缩后，提高蒸汽的压力、温度和焓值，再将此高温高压蒸汽在换热器中冷凝放热，充分利用其二次蒸汽的潜热，以达到大幅度节能的效果。本文针对DMAC沸点(166°C)较高的特点，提出了三种不同的MVR精馏回收工艺，采用AspenPlus化工流程模拟软件，对三种工艺流程进行模拟计算和优化，研究分析MVR热泵精馏的特点，为DMAC废水的回收处理和MVR热泵技术在精馏领域的应用提供理论依据和设计参考。基础数据模拟基础数据见表1,规定塔底再沸器的传热温差为15C。精馏塔选用填料塔，类型为Mellapak500X型规整填料，等板高度HETP取0.4m［12］。表1基础数据Table.1Basicdata序号项目数值1处理量/进料中DMAC含量5000kg・h-1/10wt%2进料热状况饱和液体3塔底再沸器传热温差15C蒸出废水中DMAC含量02.5x10-3wt%5产品DMAC纯度>99.0wt%6DMAC回收率>99.9%4MVR热泵精馏工艺流程MVR热泵一般适合于塔顶塔底温差不大的蒸馏过程［13-15］。由于蒸汽压缩机其压缩比一般不会超过2,因此若塔釜温度太高,经一次压缩后的蒸汽冷凝温度难以满足塔釜换热所需的温差要求，为此笔者提出了以下三种工艺方案:(1)MVR-常规两塔精馏工艺;(2)三级MVR单塔精馏工艺;(3)三级MVR三塔精馏工艺。MVR-常规两塔精馏工艺(方案1)MVR-常规两塔精馏工艺流程见图1。T1塔采用MVR热泵蒸馏浓缩，T2塔采用常规精憎，两塔均在常压下操作。T1塔顶蒸汽VI进入压缩机压缩后升温升压，为T1塔底再沸器供热，冷凝液经减压后部分回流，部分作为废水采出。T1塔釜液（DMAC浓缩液）进入T2塔，在T2塔内把剩余的水在塔顶脱除，T2塔釜液即为合格的DMAC成品。T1塔由压缩蒸汽供热，T2塔由外部蒸汽供热。图1MVR-常规两塔精憎工艺流程Fig.lSchemeofMVR-conventiondouble－towerdistillation2.2三级MVR单塔精憎工艺（方案2）三级MVR单塔精憎工艺流程见图2。由于塔底得到的是DMAC成品，因此塔底物料的温度约为155°C（DMAC含量为99%时的泡点温度）。单级压缩无法使塔顶蒸汽温度满足塔底传热温差的要求，因此必需采用多级压缩，以提高塔顶蒸汽温度根据塔底温度以及规定的传热温差（15°C）可知，离开末级压缩机的蒸汽温度应达到170C（155+15=170C,饱和温度），对应的压力为0.8MPa（绝）。该塔采用常压操作，规定每级压缩比为2，则采用三级压缩即可满足工艺要求。整个系统无需外部蒸汽供热，全部能耗由压缩机提供。图2三级MVR单塔精憎工艺流程Fig.2SchemeofthreestageMVRdistillation2.3三级MVR三塔精憎工艺（方案3）三级MVR三塔精憎工艺流程见图3。三个塔均在常压下操作，塔顶蒸汽汇集后进入C1压缩机。经一次压缩的蒸汽部分为T1塔底再沸器供热，部分进入C2压缩机再次压缩;二次压缩蒸汽部分为T2塔底再沸器供热，部分进入C3压缩机第三次压缩;三次压缩蒸汽全部为T3塔底再沸器供热。三个塔塔底换热后的冷凝液经减压后部分分配到各塔做回流，部分作为废水采出。整个系统无需外部蒸汽供热，全部能耗由压缩机提供。图3三级MVR三塔精憎工艺流程Fig.3SchemeofthreestageMVR-triplextowerdistillationMVR热泵精馏工艺模拟选用AspenPlus软件中的RADFRAC模块模拟计算精馏塔、Compr模块模拟计算压缩机。选用NRTL-RK物性计算方法，以能耗最低为目标函数对各工艺进行优化计算。其中压缩机的热功比定义为制热量与压缩机的输入功率之比，表示压缩机热功转化的能力。为考察比较以上三种MVR热泵精馏工艺的节能效果，笔者对常规单塔精馏工艺进行了优化模拟，结果见表2。表2常规单塔精馏模拟结果Table.2Simulationresultsofconventionsingle-towerdistillation塔板数回流比塔底温度/°C冷凝器负荷/kW再沸器负荷/kW塔径/塔高/m换热器总面积/m2300.171553308.533299.891.5/12523表3MVR-常规两塔精馏工艺模拟结果Table.3SimulationresultsofMVR-conventiondoubletowerdistillation不同工况数据123456T1塔操作压力项目/kPa101.3101.3101.3101.3101.3101.3压缩机出口压力/kPa182.3202.6233.0273.5364.7压缩比（无因次）1.81.92.02.32.73.6蒸汽冷凝温度/°C117.4119.1120.7125.2130.5140.4T1塔底温度/°C102.4104.1110.0114.7124.8T1塔底热负荷/kW2643.02939.43084.83226.43360.3T1塔底DMAC浓度/wt%33.746.355.970.680.090.1压缩机进气量/kg・h-1420046704900512252205325压缩机电耗/kW175.0213.9311.7386.4526.8热功比（无因次）15.113.712.610.38.56.4T2塔顶冷凝负荷/kW826.3493.7342.4177.5113.851.7T2塔底热负荷/kW847.1513.7361.6194.6129.162.7总能耗/kW1022.1727.6605.5506.3515.5T1塔径/塔高/m0.9/81.0/81.0/81.0/81.0/81.29/8T2塔径/塔高/m0.8/60.6/60.5/60.4/60.3/60.3/6换热器总面积/m2404382372361358355MVR-常规两塔精馏工艺模拟结果增加T1塔塔顶的废水采出量，可以提高T1塔塔底DMAC的含量，导致塔底温度升高，为此必须提高压缩机的压缩比才能保证塔底再沸器规定的传热温差。因此T1塔塔底DMAC含量的高低势必同时会影响压缩机的功耗和T2塔的能耗。表3给出了不同T1塔塔底DMAC含量与各工艺参数以及能耗之间的关系。由表3可以看出，随着T1塔底DMAC含量的提高，总能耗先下降而后又上升。考虑到目前压缩机压缩比的限制，因此采用压缩比为2,即T1塔底DMAC含量为55.9wt%的工况，该工况的能耗为605.5kW。3.2三级MVR单塔精馏工艺模拟结果精馏塔采用常压操作，若规定每级压缩比为2，则采用三级压缩即可满足工艺要求优化模拟结果见表4，该工艺的总能耗为994.37kW。表4三级MVR单塔精馏工艺模拟结果Table.4Simulationresultsofthree-stageMVRsingletowerdistillation项目数据T1塔操作压力/kPa101.3压缩机进汽量/kg・h-15259.0第三级蒸汽冷凝温度/°C171.0T1塔底温度/°C155.1T1塔底DMAC含量/wt%99.0T1塔底热负荷/kW3329.89平均热功比（无因次）3.35三级压缩机总电耗/kW994.37塔径/塔高/m1.5/12换热器面积/m23423.3三级MVR三塔精馏工艺模拟结果由于塔顶采出的水量与塔底物料中DMAC的含量有直接的关系，因此同时满足塔底再沸器的热负荷以及传热温差条件，就要求与之对应的压缩机的压缩量和压缩比也要相应的调整。在规定了每级压缩比为2的条件下，利用软件中的设计规定，对三级MVR三塔精馏工艺进行优化模拟，结果见表5。3.4模拟结果汇总与综合经济效益评价四种DMAC回收精馏工艺的能耗以及相应的热功比结果见表6，表中的节能效果是以常规单塔精馏工艺为基准计算得出。综合经济效益用年总费用进行评价。年总费用（6庄要由以下四部分组成:塔釜加热蒸汽费用（a）、塔顶冷却水费用⑹、压缩机耗电费用（Y）以及设备折旧费（入）。采用以下费用模型计算各精馏工艺的年总费用，假定设备使用周期为10年，结果一并见表6。表5三级MVR三塔精馏工艺模拟结果Table.5Simulationresultsofthree-stageMVRtriplextowerdistillation项目T1-C1T2-C2T3-C3操作压力/kPa101.3101.3101.3压缩机出口压力/kPa202.6405.2810.4压缩机进汽量/kg・h-15455.0631.074.7压缩蒸汽冷凝温度/°C120.7144.2171.0塔底温度/°C104.7124.8156.0塔底再沸器传热温差/°C15.919.415.0塔底物料中DMAC含量/wt%50.090.199.0再沸器热负荷/kW2977.36364.0370.79压缩机电耗/kW271.7741.048.00热功比（无因次）12.5510.608.84塔径/塔高/m1.0/80.4/60.3/4总能耗/kW320.81换热器总面积/m2350式中CB——蒸汽单价/元•t-1CW———冷却水单价/元•t-1;CM——电价/元・(kW・hr)-1;CC—塔的造价/元•m-3;CA——换热器造价/元・m-2;Cy——压缩机造价/元•台-1;QB—一再沸器负荷/kW・a-1;rB—蒸汽潜热/kW・t-1;Wa—冷却水年消耗量/t・a-WM——年消耗电量/kW・h「aH——一塔高/m;A——换热器总面积/m2;申 塔径/m。表6各精馏工艺能耗与综合经济效益比较Table.6Comparisonofenergyconsumptionandoveralleconomicbenefitsfordifferentschemes精馏工艺能耗/kW节能效果/[%]平均热功比年总费用/万元・a-13299.89//112.24方案1605.5081.711.178.32方案2994.3769.93.3596.45方案3常规单塔精馏320.8190.310.6691.37由表6可以看出，采用MVR热泵技术处理稀DMAC溶液，可大幅度节约回收过程的能耗，其平均节能效果到达81%，就其三种MVR热泵精馏工艺而言，方案3的节能效果最好，且热功比也比较大。但就综合经济效益而言，方案2(MVR-常规两塔精馏工艺)是一条比较合适的新型节能技术方案。结论MVR热泵精馏工艺非常适合处理类似稀DMAC溶液中有机溶剂的回收过程，可大幅度节约回收过程的能耗。单纯采用多级压缩以提高压缩比的方式，会导致压缩机热功比的下降，并不能达到最佳的节能效果，应视物系的性质和浓缩程度而定。对于本文提出的回收体系，三级MVR三塔精馏工艺最为节能，与常规单塔精馏工艺相比，节能效果到达90.3%。但综合经济效益评价结果表明，MVR-常规两塔精馏工艺是一条最为合适的新型节能技术方案。参考文献[1]孙钦鹤，胡仰栋，伍联营•低浓度DMF废水的热集成回收新工艺[J].计算机与应用化学，2012，29(4):413-418.[2]岳金彩，闫飞，邹亮，等•精馏过程节能技术[J].节能技术，2008,26(1):64-67.[3]杨德明，廖巧，王杨.差压热耦精馏回收处理含二甲基乙酰胺废水的工艺研究[J].现代化工，2010,30(9):65-67.[4]王桂云，张述伟，刘长厚•双效精馏节能影响因素的研究[J].节能技术，2007，25(1):148-151.[5]庞卫科，林文野，戴群特•机械蒸汽再压缩热泵技术研究进展[J].节能技术，2012，30(4):312-315.[6]高丽丽，张琳，杜明造.MVR蒸发与多效蒸发技术的能效对比分析[J].现代化工，2012，32(10):84-86.[7]ChristopherEnweremadu，AdekojoWaheed，JeremiahOjediran.Parametricstudyofanethanol-waterdistillationcolumnwithdirectvapourrecompressionheatpump.EnergyforSustainableDevelopment，2009，13:96-105.[8]DiezE,LangstonP,OvejeroG,etal.Economicfeasibilityofheatpumpsindistillationtoreduceenergyuse[J].