MVR熱泵精餾處理回收稀DMAC水溶液

MVR熱泵精餾處理回收稀DMAC水溶液楊德明;陶磊;葉夢飛;杜鵬【摘要】針對稀DMAC水溶液中DMAC的回收，提出了三種機械蒸汽再壓縮(MVR)熱泵精餾方案，即MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝、三級MVR單塔精餾工藝和三級MVR三塔精餾工藝.采用AspenPlus化工流程模擬軟件，以能耗最低為目標函數(shù)，對以上三種工藝方案分別進行了模擬與優(yōu)化，得到了每種熱泵精餾方案合適的工藝參數(shù)和設備參數(shù).研究結(jié)果表明:與常規(guī)單塔精餾工藝相比，以上三種MVR熱泵精餾工藝節(jié)能分別為81.7%、69.9%和90.3%;因此就節(jié)能而言，采用三級MVR三塔精餾工藝為最佳;基于綜合經(jīng)濟效益評價,MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝為處理本體系的最佳精餾工藝.【期刊名稱】《節(jié)能技術》【年(卷)，期】2013(031)005【總頁數(shù)】4頁(P409-412)【關鍵詞】稀DMAC水溶液;MVR熱泵;精餾;流程模擬;節(jié)能【作者】楊德明;陶磊;葉夢飛;杜鵬【作者單位】常州大學石油化工學院，江蘇常州213164;常州大學石油化工學院，江蘇常州213164;常州大學石油化工學院，江蘇常州213164;常州大學石油化工學院,江蘇常州213164【正文語種】中文【中圖分類】TQ028;TQ051.5針對低濃度N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)有機廢水的處理回收，目前比較節(jié)能的回收工藝一般采用多效精餾［1-4］，但能耗還是偏高。而機械蒸汽再壓縮(MVR)熱泵蒸餾技術［5-11］是將過程產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮后，提高蒸汽的壓力、溫度和焓值，再將此高溫高壓蒸汽在換熱器中冷凝放熱，充分利用其二次蒸汽的潛熱，以達到大幅度節(jié)能的效果。本文針對DMAC沸點(166。0較高的特點，提出了三種不同的MVR精餾回收工藝，采用AspenPlus化工流程模擬軟件，對三種工藝流程進行模擬計算和優(yōu)化，研究分析MVR熱泵精餾的特點，為DMAC廢水的回收處理和MVR熱泵技術在精餾領域的應用提供理論依據(jù)和設計參考。1基礎數(shù)據(jù)模擬基礎數(shù)據(jù)見表1,規(guī)定塔底再沸器的傳熱溫差為15。。精餾塔選用填料塔，類型為Mellapak500X型規(guī)整填料，等板高度HETP取0.4m［12］。表1基礎數(shù)據(jù)Table.1Basicdata序號項目數(shù)值1處理量/進料中DMAC含量5000kg-h-1/10wt%2進料熱狀況飽和液體3塔底再沸器傳熱溫差15。蒸出廢水中DMAC含量^2.5x10-3wt%5產(chǎn)品DMAC純度>99.0wt%6DMAC回收率>99.9%42MVR熱泵精餾工藝流程MVR熱泵一般適合于塔頂塔底溫差不大的蒸餾過程［13-15］。由于蒸汽壓縮機其壓縮比一般不會超過2，因此若塔釜溫度太高，經(jīng)一次壓縮后的蒸汽冷凝溫度難以滿足塔釜換熱所需的溫差要求，為此筆者提出了以下三種工藝方案：(1)MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝;(2)三級MVR單塔精餾工藝;(3)三級MVR三塔精餾工藝。MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝(方案1)MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝流程見圖1。T1塔采用MVR熱泵蒸餾濃縮，T2塔采用常規(guī)精餾，兩塔均在常壓下操作。T1塔頂蒸汽V1進入壓縮機壓縮后升溫升壓，為T1塔底再沸器供熱，冷凝液經(jīng)減壓后部分回流，部分作為廢水采出。T1塔釜液（DMAC濃縮液）進入T2塔，在T2塔內(nèi)把剩余的水在塔頂脫除，T2塔釜液即為合格的DMAC成品。T1塔由壓縮蒸汽供熱，T2塔由外部蒸汽供熱。圖1MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝流程Fig.1SchemeofMVR-conventiondouble-towerdistillation2.2三級MVR單塔精餾工藝（方案2）三級MVR單塔精餾工藝流程見圖2。由于塔底得到的是DMAC成品，因此塔底物料的溫度約為155°C（DMAC含量為99%時的泡點溫度）。單級壓縮無法使塔頂蒸汽溫度滿足塔底傳熱溫差的要求，因此必需采用多級壓縮，以提高塔頂蒸汽溫度。根據(jù)塔底溫度以及規(guī)定的傳熱溫差（15C）可知，離開末級壓縮機的蒸汽溫度應達到170°C（155+15=170°C,飽和溫度），對應的壓力為0.8MPa（絕）。該塔采用常壓操作，規(guī)定每級壓縮比為2，則采用三級壓縮即可滿足工藝要求。整個系統(tǒng)無需外部蒸汽供熱，全部能耗由壓縮機提供。圖2三級MVR單塔精餾工藝流程Fig.2SchemeofthreestageMVRdistillation2.3三級MVR三塔精餾工藝（方案3）三級MVR三塔精餾工藝流程見圖3。三個塔均在常壓下操作，塔頂蒸汽匯集后進入C1壓縮機。經(jīng)一次壓縮的蒸汽部分為T1塔底再沸器供熱，部分進入C2壓縮機再次壓縮;二次壓縮蒸汽部分為T2塔底再沸器供熱，部分進入C3壓縮機第三次壓縮;三次壓縮蒸汽全部為T3塔底再沸器供熱。三個塔塔底換熱后的冷凝液經(jīng)減壓后部分分配到各塔做回流，部分作為廢水采出。整個系統(tǒng)無需外部蒸汽供熱，全部能耗由壓縮機提供。圖3三級MVR三塔精餾工藝流程Fig.3SchemeofthreestageMVR-triplex-towerdistillation3MVR熱泵精餾工藝模擬選用AspenPlus軟件中的RADFRAC模塊模擬計算精餾塔、Compr模塊模擬計算壓縮機。選用NRTL-RK物性計算方法，以能耗最低為目標函數(shù)對各工藝進行優(yōu)化計算。其中壓縮機的熱功比定義為制熱量與壓縮機的輸入功率之比，表示壓縮機熱功轉(zhuǎn)化的能力。為考察比較以上三種MVR熱泵精餾工藝的節(jié)能效果，筆者對常規(guī)單塔精餾工藝進行了優(yōu)化模擬，結(jié)果見表2。表2常規(guī)單塔精餾模擬結(jié)果Table.2Simulationresultsofconventionsingle-towerdistillation塔板數(shù)回流比塔底溫度/^冷凝器負荷/kW再沸器負荷/kW塔徑/塔高/m換熱器總面積/m2300.171553308.533299.891.5/12523表3MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝模擬結(jié)果Table.3SimulationresultsofMVR-conventiondoubletowerdistillation不同工況數(shù)據(jù)123456T1塔操作壓力項目/kPa101.3101.3101.3101.3101.3101.3壓縮機出口壓力/kPa182.3202.6233.0273.5364.7壓縮比（無因次）1.81.92.02.32.73.6蒸汽冷凝溫度/1117.4119.1120.7125.2130.5140.4T1塔底溫度/^102.4104.1110.0114.7124.8T1塔底熱負荷/kW2643.02939.43084.83226.43360.3T1塔底DMAC濃度/wt%33.746.355.970.680.090.1壓縮機進氣量/kg-h-1420046704900512252205325壓縮機電耗/kW175.0213.9311.7386.4526.8熱功比（無因次）15.113.712.610.38.56.4T2塔頂冷凝負荷/kW826.3493.7342.4177.5113.851.7T2塔底熱負荷/kW847.1513.7361.6194.6129.162.7總能耗/kW1022.1727.6605.5506.3515.5T1塔徑/塔高/m0.9/81.0/81.0/81.0/81.0/81.29/8T2塔徑/塔高/m0.8/60.6/60.5/60.4/60.3/60.3/6換熱器總面積/m2404382372361358355MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝模擬結(jié)果增加T1塔塔頂?shù)膹U水采出量，可以提高T1塔塔底DMAC的含量，導致塔底溫度升高，為此必須提高壓縮機的壓縮比才能保證塔底再沸器規(guī)定的傳熱溫差。因此T1塔塔底DMAC含量的高低勢必同時會影響壓縮機的功耗和T2塔的能耗。表3給出了不同T1塔塔底DMAC含量與各工藝參數(shù)以及能耗之間的關系。由表3可以看出，隨著T1塔底DMAC含量的提高，總能耗先下降而后又上升?？紤]到目前壓縮機壓縮比的限制，因此采用壓縮比為2,即T1塔底DMAC含量為55.9wt%的工況，該工況的能耗為605.5kW。3.2三級MVR單塔精餾工藝模擬結(jié)果精餾塔采用常壓操作，若規(guī)定每級壓縮比為2，則采用三級壓縮即可滿足工藝要求。優(yōu)化模擬結(jié)果見表4，該工藝的總能耗為994.37kW。表4三級MVR單塔精餾工藝模擬結(jié)果Table.4Simulationresultsofthree-stageMVRsingletowerdistillation項目數(shù)據(jù)T1塔操作壓力/kPa101.3壓縮機進汽量/kg-h-15259.0第三級蒸汽冷凝溫度/^171.0T1塔底溫度/^155.1T1塔底DMAC含量/wt%99.0T1塔底熱負荷/kW3329.89平均熱功比（無因次）3.35三級壓縮機總電耗/kW994.37塔徑/塔高/m1.5/12換熱器面積/m23423.3三級MVR三塔精餾工藝模擬結(jié)果由于塔頂采出的水量與塔底物料中DMAC的含量有直接的關系，因此同時滿足塔底再沸器的熱負荷以及傳熱溫差條件，就要求與之對應的壓縮機的壓縮量和壓縮比也要相應的調(diào)整。在規(guī)定了每級壓縮比為2的條件下，利用軟件中的設計規(guī)定，對三級MVR三塔精餾工藝進行優(yōu)化模擬，結(jié)果見表5。3.4模擬結(jié)果匯總與綜合經(jīng)濟效益評價四種DMAC回收精餾工藝的能耗以及相應的熱功比結(jié)果見表6，表中的節(jié)能效果是以常規(guī)單塔精餾工藝為基準計算得出。綜合經(jīng)濟效益用年總費用進行評價。年總費用(8)主要由以下四部分組成:塔釜加熱蒸汽費用(a)、塔頂冷卻水費用平)、壓縮機耗電費用(Y)以及設備折舊費(入)。采用以下費用模型計算各精餾工藝的年總費用，假定設備使用周期為10年，結(jié)果一并見表6。表5三級MVR三塔精餾工藝模擬結(jié)果Table.5Simulationresultsofthree-stageMVRtriplextowerdistillation項目T1-C1T2-C2T3-C3操作壓力/kPa101.3101.3101.3壓縮機出口壓力/kPa202.6405.2810.4壓縮機進汽量/kg-h-15455.0631.074.7壓縮蒸汽冷凝溫度/^120.7144.2171.0塔底溫度/^104.7124.8156.0塔底再沸器傳熱溫差/^15.919.415.0塔底物料中DMAC含量/wt%50.090.199.0再沸器熱負荷/kW2977.36364.0370.79壓縮機電耗/kW271.7741.048.00熱功比(無因次)12.5510.608.84塔徑/塔高/m1.0/80.4/60.3/4總能耗/kW320.81換熱器總面積/m2350式中CB——蒸汽單價/元丈-1;CW——冷卻水單價/元t-1;CM——電價/元?(kW?hr)-1;CC——塔的造價/元-m-3;CA——換熱器造價/元?m-2;Cy——壓縮機造價/元.臺-1;QB再沸器負荷/kW-a-1;rB蒸汽潛熱/kW?t-1;Wa——冷卻水年消耗量/t-a-1;WM——年消耗電量/kW-hr-a-1;H——塔高/m;A——換熱器總面積/m2;中塔徑/m。表6各精餾工藝能耗與綜合經(jīng)濟效益比較Table.6Comparisonofenergyconsumptionandoveralleconomicbenefitsfordifferentschemes精餾工藝能耗/kW節(jié)能效果/[%]平均熱功比年總費用/萬元^-13299.89//112.24方案1605.5081.711.178.32方案2994.3769.93.3596.45方案3常規(guī)單塔精餾320.8190.310.6691.37由表6可以看出，采用MVR熱泵技術處理稀DMAC溶液，可大幅度節(jié)約回收過程的能耗，其平均節(jié)能效果到達81%，就其三種MVR熱泵精餾工藝而言，方案3的節(jié)能效果最好，且熱功比也比較大。但就綜合經(jīng)濟效益而言，方案2(MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝)是一條比較合適的新型節(jié)能技術方案。4結(jié)論MVR熱泵精餾工藝非常適合處理類似稀DMAC溶液中有機溶劑的回收過程，可大幅度節(jié)約回收過程的能耗。單純采用多級壓縮以提高壓縮比的方式，會導致壓縮機熱功比的下降，并不能達到最佳的節(jié)能效果，應視物系的性質(zhì)和濃縮程度而定。對于本文提出的回收體系，三級MVR三塔精餾工藝最為節(jié)能，與常規(guī)單塔精餾工藝相比，節(jié)能效果到達90.3%。但綜合經(jīng)濟效益評價結(jié)果表明，MVR-常規(guī)兩塔精餾工藝是一條最為合適的新型節(jié)能技術方案。參考文獻[1]孫欽鶴，胡仰棟，伍聯(lián)營.低濃度DMF廢水的熱集成回收新工藝[J].計算機與應用化學，2012,29(4):413-418.[2]岳金彩，閆飛，鄒亮，等.精餾過程節(jié)能技術[J].節(jié)能技術，2008,26(1):64-67.[3]楊德明，廖巧，王楊.差壓熱耦精餾回收處理含二甲基乙酰胺廢水的工藝研究[J].現(xiàn)代化工，2010,30(9):65-67.王桂云，張述偉，劉長厚.雙效精餾節(jié)能影響因素的研究[J].節(jié)能技術，2007,25(1):148-151.[5]龐衛(wèi)科，林文野，戴群特.機械蒸汽再壓縮熱泵技術研究進展[J].節(jié)能技術，2012,30(4):312-315.[6]高麗麗，張琳，杜明造.MVR蒸發(fā)與多效蒸發(fā)技術的能效對比分析[J].現(xiàn)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].AppliedThe