废水中回收醋酸ASPEN模拟

（国环危险废物处置工程技术（天津）有限公司，天津 300280）

1 含醋酸废水中回收醋酸的意义

醋酸的用处非常广泛，可以用作各种调味剂，同时也是抗微生物剂，醋酸是我国应用最早、使用最多的酸味剂，主要用于复合调味料、配制蜡、罐头、干酪、果冻等。用于调味料时，可将醋酸加水稀释至4%～5%溶液后，添加到各种调味料中应用[1]。醋酸能够生产醋酸乙烯、醋酸酯和醋酸纤维素等。聚醋酸乙烯酯可用来制备薄膜和粘合剂，也是合成纤维维纶的原料。醋酸纤维苏可制造人造丝和电影胶片。醋酸酯是优良的溶剂，广泛用于油漆工业。醋酸还可用来合成乙酐、丙二酸二乙酯、乙酰醋酸乙酯、卤代醋酸等，也可制造药物如阿司匹林等[2]。同时，在农药等有机化工中也有广泛应用。醋酸始终为食品业中重要的添加剂[3]。同时，食醋便是醋酸用水勾兑而成，食醋的浓度通常在4%～5%[4]。同时，很多饮料食醋也是重要的调味添加剂。由于醋酸的pH值能够使微生物失活，所以醋酸也具有防腐的功效，可以当做防腐剂使用。

醋酸做为一种非常重要的有机化工原料，从含醋酸的废水中回收醋酸，不仅可以有效减少废水处理的难度[5]，同时，回收的醋酸也具有很高的经济性。

2 对某组分含醋酸废水进行模拟

某公司生产某碳三下游产品时，选用了新技术、新工艺，该技术将产生含醋酸废水。年排废水量16万t，醋酸含量10%左右，废水的具体原始数据见表1。

表1 废水组成表

废水规格数据为：温度 35℃；压力8bar；流量20062kg·h-1；流量 1033.83kmol·h-1；流量 20.51m3·h-1。

2.1 物性方法的选择

醋酸具有较强的缔合性[6]，根据此类物系进行模拟时，物性方法适宜选用NRTL-HOC模型[7]，即液相选用活度系数方程NRTL进行计算，而汽相选用Hayden-O’Connel状态方程进行计算。

2.2 简捷设计模块DSTWU模拟

精馏塔选用DSTWU模块，DSTWU模块主要的作用是能够得到一些塔的必要参数，包括最小理论板数、实际理论板数、最小回流比、实际回流比等等，DSWU模块的模拟流程是一股进料，塔顶塔底两股产品的简易模型。使用Winn-Underwood-Gilliland方法的简易设计模块。

设定模块位号名称为C11A-DST，设定塔参数，实际回流比为最小回流比的1.2倍，塔顶微正压120kPa，塔底140kPa，塔顶水的摩尔回收率设定为99.9%，塔底醋酸摩尔回收率设定为99.9%，醋酸在塔顶的回收率1-0.999=0.001。如图1所示。

图1 简捷模拟DSTWU模块输入

模拟结果，计算出的最小回流比为1.27，最小理论板数为24块（包括全凝器和再沸器），实际回流比为1.52，实际理论板数为48块（包括全凝器和再沸器），塔顶和塔底的热负荷分别为28438.54kW与29901.44kW。塔底产品流股号为113，产品质量分数为99.1%，未达到优等品或一等品要求。结果如图2、表2所示。

图2 简捷模拟DSTWU模块结果

表2 简捷模拟DSTWU模块流股结果

2.3 简捷设计模块DSTWU模拟优化

设定塔板数为X轴，回流比为Y轴，生成生产回流比与理论板数关系曲线，见图3。

图3 简捷模拟DSTWU回流比与理论板数关系曲线

通过图3可以看出，当理论塔板数＞33之后，回流比随着理论板数的增加，变化不大。故将塔板数33作为输入参数，结果如图4所示。

图4 简捷模拟DSTWU模块优化后结果

2.4 严格计算模块RadFrac模拟

使用DSTWU模块严格计算，取得一些基本参数后，严格计算模块RadFrac进行严格精馏塔计算。

RadFrac模块可以对普通精馏、吸收、汽提、萃取精馏、共沸精馏、反应精馏（包括平衡反应精馏、速率控制反应精馏、固定转化率反应精馏和电解质反应精馏）、三相（汽-液-液）精馏。Rad－Frac适用于两相体系、三相体系、窄沸点和宽沸点物系以及液相表现为强非理想性的物系。

将图4中，简捷模拟DSTWU模块优化后结果作为输入参数输入。如图5所示。

图5 严格模拟RadFrac模块输入

Radfrac模块计算类型分为，平衡级及非平衡级（Equilibrium、Rate-Based），本模拟采用默认的平衡级模型(Equilibrium)。

RadFrac模块塔板数的设定默认为理论板数，当然设定实际塔板数也是可行的。设定实际塔板数时，需要设定塔的整体效率。需要注意的是塔板数是包含塔顶冷凝器与塔底再沸器的。本模拟输入的塔板数为理论板数。

RadFrac模块冷凝器有四个选项，分别为全冷凝器、部分冷凝器（塔顶产品为气相）、部分冷凝器（塔顶产品为气液两相）和没有冷凝器。本模拟采用全凝器（Total）。

RadFrac模块再沸器的选项有三个，分别为釜式再沸器、热虹吸式再沸器和没有再沸器。本模拟采用釜式再沸器。

模块选择默认的气-液两相为有效相态（Vapor-Liquid），模块的选择标准方法收敛（Standard）。

操作规定的可选择性较多，本模拟选择塔顶产品与进料的流量比及系统回流比，（Distillate to feed ratio）、（Reflux ratio）。

开始模拟，结果显示，塔顶冷凝器的热负荷为-40926.964kW，塔底产品质量分数为99.2%。如图6和表3所示。

图6 严格模拟RadFrac模块塔顶结果

2.5 严格计算模块RadFrac模拟优化

模拟塔底产品质量分数为99.2%，未达到优等品或一等品要求。设定一个设计规定（Design Specs）产品质量分数99.9%（优等品质量分数为99.8%），设置操纵变量（Vary）为回流比。结果显示，回流比最大增加至12.62时，产品质量分数依然为99.3%，结果说明回流比为操纵变量时产品质量最大仅为99.3%。

操纵变量（Vary）改为塔顶产品与进料流量比（Distillate to feed ratio），结果显示当塔顶产品与进料流量比（Distillate to feed ratio）为0.9679时，塔底产品质量分数可以达到99.9%，塔顶冷凝器的热负荷为-40963.837kW，塔底再沸器的热负荷为42426.7388kW。如表4，图7所示，同时生产塔内温度曲线及塔内主要组分液相组分分布图，见图8～9。

表3 严格模拟RadFrac模块流股结果

表4 严格模拟RadFrac模块流股优化后结果

图7 严格模拟RadFrac模块优化后结果

图8 严格模拟RadFrac模块塔内温度分布曲线

图9 严格模拟RadFrac模块塔内液相质量组成分布曲线

3 结论

本文首先使用简捷模块DSTWU进行模拟，得到结果后又使用RadFrac模块进行严格模拟，并对模拟结果进行优化，通过ASPEN的模拟可以看出，当塔顶产品与进料流量比（Distillate to feed ratio）为0.9679时，塔底产品质量分数可以达到99.9%，说明使用精馏方法进行废水中的醋酸回收是可行的，模拟的结果显示回收过程中的能耗较高，对于此种情况，可以在实际工作中选用双效等方式以降低其能耗。