DMF_DMAc废液回收工艺能耗对比研究_陈利斌.pdf

Vol.54 No.2（2023）ZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYN,N-二甲基甲酰胺（DMF）和 N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）是两种优良溶剂，具有良好的化学特性和相对的热稳定性，在纺丝、医药、农药生产和涂料行业等领域有着广泛的用途。随着聚酰亚胺膜、芳纶等产业的飞速发展，DMF 和 DMAc 的市场潜能被进一步激发。DMF 和 DMAc 的价格较高，因此有必要对生产废液中的 DMF、DMAc 进行回收，以降低企业的生产成本，同时降低后续废水浓度，利于生化处理，保护环境1。DMF的沸点约153，DMAc的沸点约164，与水的沸点相差很大，且不会形成共沸物，理论上单塔精馏就能实现分离。DMF 精馏回收需要大量的热量将水蒸出，有数据表明，DMF 回收成本的80%用于热能消耗2，特别是对于稀溶液，造成吨产品的回收成本高，回收效益差；因此需要考虑热集成、热泵、萃取等工艺技术或手段来降低能耗。本文通过 Aspen 流程模拟软件，对多效精馏（双效精馏和三效精馏）、热泵精馏和萃取+精馏 4种不同工艺路线在不同废液浓度下的吨产品蒸汽消耗和运行费用进行对比研究。1工艺流程模拟DMF 与 DMAc 性质接近，本文以含 DMF 的废液为研究对象，对 3.2 t/h 处理量、DMF 浓度（质量百分数）分别为 5%、10%、20%和 40%的废液进行研究。Aspen 流程模拟采用 NRTL 物性方法。多效精馏和热泵精馏流程中包含提浓塔和精馏塔，废液先经提浓塔除去大部分水后再进精馏塔进一步分离提纯。提浓塔在塔釜进料，精馏塔以气相进料。加热介质采用蒸汽，塔顶水和分离得到的 DMF 成品冷却到 45。DMF 的回收纯度为 99.5%。1.1多效精馏多效精馏工艺是目前应用最多也是最成熟的分离回收工艺，其技术核心是热集成，即利用高压塔的塔顶蒸汽作为相邻低压塔再沸器的热收稿日期：2022-11-30作者简介：陈利斌（1984），男，硕士，高级工程师，主要从事化工工艺开发和设计工作。E-mail:chen-。DMF/DMAc 废液回收工艺能耗对比研究陈利斌，许可，朱志坤，郑高吉，周靖鑫（浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州310030）摘要：以DMF浓度为5 wt%40 wt%的废液为研究对象，利用Aspen Plus软件，对双效精馏、三效精馏、热泵精馏和萃取+精馏4种工艺路线的吨产品蒸汽消耗（SPP）做了模拟计算和对比。结果表明，当DMF浓度在24 wt%以下时，SPP由小到大依次是热泵精馏、萃取+精馏、三效精馏、双效精馏；当DMF浓度在24 wt%33 wt%之间时，SPP由小到大依次是萃取+精馏、热泵精馏、三效精馏、双效精馏；当DMF浓度在33 wt%40 wt%之间时，各工艺的SPP都很接近，差别已不明显。本文还对比了仅考虑蒸汽消耗和压缩机电耗费用在内的吨产品操作费用，结果类似。关键词：N,N-二甲基甲酰胺（DMF）；N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）；废液回收；吨产品蒸汽消耗；Aspen Plus文章编号：1006-4184（2023）02-0032-05DOI:10.3969/j.issn.1006-4184.2023.02.007安全环保32-2023年第54卷第2期源，减少新鲜蒸汽的消耗3。效数越多，能量利用率越高，但设备投资费用也随之增大。常见的是双效精馏和三效精馏。双效精馏工艺模拟流程见图 1。图 1 中：C1 为提浓塔，C2 为精馏塔，模拟设定的操作压力分别为绝压 16 kPa 和 42 kPa。C2塔顶蒸汽用于加热 C1 塔塔釜（图 1 中虚线所示），实现一次热集成。此工艺新鲜蒸汽主要用于汽化器（HEATER）和 C2 塔釜再沸器。三效精馏工艺在双效基础上增加一台提浓塔，二级提浓。二级提浓塔塔顶蒸汽用于加热一级提浓塔塔釜，精馏塔塔顶蒸汽用于加热二级提浓塔塔釜，实现两次热集成。不同废液浓度下，双效和三效精馏工艺吨产品蒸汽消耗（SPP）模拟计算结果见表 1。1.2热泵精馏热泵精馏工艺模拟流程如图 2 所示。图 2 中T1 为浓缩塔，T2 为精馏塔。T1 操作压力为 65 kPa(A)，T2 操作压力为 20 kPa(A)。T1 塔分离除去大部分水，塔顶二次蒸汽经热泵即压缩机（COMP）压缩升压、升温后给自身塔釜再沸器提供热量，塔釜物料提浓至 60%左右，再进精馏塔和精制塔实现DMF 的进一步提纯。新鲜蒸汽主要用于汽化器（H2）和 T2 塔釜再沸器。热泵精馏吨产品汽耗和压缩机用电负荷（轴功率）的模拟计算结果见表 2。图1双效精馏工艺流程模拟图表1不同废液浓度下双效精馏和三效精馏吨产品汽耗DMF浓度/wt%吨产品蒸汽消耗/(t/t)双效三效518.5312.67109.106.24204.322.96401.871.33图2热泵精馏工艺流程模拟图33-Vol.54 No.2（2023）ZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRYZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRY1.3萃取+精馏对于水溶液中 DMF、DMAc 的萃取，目前研究较多、效果较好的萃取剂是氯仿（三氯甲烷）4-5。本模拟计算以氯仿作为萃取剂，先从废液中萃取出DMF，再用精馏塔将萃取相中的氯仿和 DMF 分离开。萃取+精馏工艺模拟流程见图 3。表2不同废水浓度下热泵精馏工艺的汽耗和压缩机功率DMF 浓度/wt%吨产品蒸汽消耗/(t/t)吨产品压缩机用电/(kWh/t)54.601165103.01538202.18222401.7556图 3 中：T1 为萃取器，萃取剂与废液流量比为 2；T2 为精馏塔，常压操作，蒸汽主要用于 T2塔再沸器加热。萃取+精馏工艺吨产品汽耗模拟计算结果见表 3。图3萃取+精馏工艺流程模拟图表3不同废水浓度下萃取+精馏工艺汽耗结果DMF 浓度/wt%吨产品蒸汽消耗/(t/t)58.69104.46202.33401.232结果与讨论由表 1表 3 可见，随着废液中 DMF 浓度的增加，双效精馏、三效精馏、热泵精馏和萃取+精馏 4 种工艺的吨产品蒸汽消耗均随之降低。将表1表 3 的数据整理成图 4。由图 4 可见，当废液中 DMF 质量浓度在24%以下时，热泵精馏工艺的吨产品蒸汽消耗最小，萃取+精馏次之，三效精馏较大，双效精馏最大；当废液中 DMF 质量浓度在 24%33%之间时，萃取+精馏工艺的吨产品蒸汽消耗最小，热泵精馏次之，稍优于三效精馏，双效精馏仍旧最大；当废液中 DMF 质量浓度在 33%40%之间时，萃取+精馏工艺的吨产品蒸汽消耗最小，三效精馏图4四种工艺不同废水浓度吨产品蒸汽消耗对比图废水中 DMF 浓度（wt%）吨产品蒸汽消耗补充/（t/t 产品）34-2023年第54卷第2期（下转第41页）稍优于热泵精馏，双效精馏仍最大，但结果都很接近，差别已不明显。在低浓度下，热泵精馏虽然吨产品汽耗更小，但该工艺需配套设置蒸汽压缩机，压缩机的功率较大，使得运行电费增加，一定程度上抵消了节省蒸汽带来的效益。若蒸汽单价按 220 元/t，电价按1 元/kWh，则 4 种回收工艺仅考虑蒸汽消耗和压缩机电耗的吨产品操作费用对比结果见图 5。由图 5 可见，废液中 DMF 质量浓度小于15%时，热泵精馏工艺费用最低，萃取+精馏次之，三效精馏较大，双效精馏最大；当废液中 DMF 质量浓度在 15%21%时，萃取+精馏工艺的吨产品操作费用最小，热泵精馏次之，三效精馏较大，双效精馏最大；当废液中 DMF 质量浓度在 21%40%时，热泵精馏工艺按上述定义的吨产品操作费用已超过三效精馏，升至第二。需注意，蒸汽单价和电价会在一定程度上影响上述对比结果。3结论利用 Aspen 软件对双效精馏、三效精馏、热泵精馏和萃取+精馏 4 种不同工艺流程回收 DMF浓度为 5%40%(wt.)的废液进行了模拟计算。计算结果表明:（1）随着废液中 DMF 浓度的升高，不同回收工艺的吨产品蒸汽消耗（SPP）均降低；当 DMF 浓度在24%以下时，SPP 由小到大依次是：热泵精馏，萃取+精馏，三效精馏和双效精馏；当 DMF 浓度在 24%40%之间时，萃取+精馏工艺能耗逐渐占优，热泵精馏和三效精馏居中，双效精馏工艺仍旧最大。对于仅考虑蒸汽消耗和压缩机电耗费用的吨产品操作费用，以浓度 15%和21%为分界点，有类似结果。（2）当废液中 DMF 浓度在 40%以上时，各工艺的节能效果已差别不大，装置投资将成为主要考量因素；热泵精馏工艺在处理低浓度废液时能耗优势明显，但处理 24%40%较高浓度时竞争力不强（因沸点升的影响，40%以上浓度的废液不再适合采用热泵精馏工艺）；双效精馏工艺能耗始终最高，三效精馏和萃取+精馏工艺在处理 24%40%浓度的废液时相比热泵精馏更具竞争力。以上计算仅从蒸汽消耗和压缩机电耗的角度给出各种回收工艺的模拟计算值，实际运行会有热能、电能的损耗，回收装置工艺路线的选取需结合装置投资、装置的运行稳定性、装置占地面积、DMF 的水解特性以及产品纯度要求（如回收的 DMF 成品中是否允许有氯仿等萃取剂掺入）等综合评判后确定。参考文献：1李楠楠，赵越，韩振为，等.DMF回收装置扩能技术改造J.化工进展，2009，28(S2)：349-350.2王伯平，魏鹏程.DMF回收设备的节能探讨J.聚氨酯工业，2002(4):43-46.3赵舜华，宋锡瑾，张景涛，等.合成革生产废水中DMF的节能回收新工艺J.化工进展，2007(9)：1347-1350.4林泉，朱慎林，戴猷元.溶剂萃取法回收与处理含DMAc废水的研究J.水处理技术，2002(4)：196-199.5王京，曾庆翔.应用Aspen Plus筛选DMF废水回收萃取剂J.化学工程与装备，2007(2)：85-87.图5 4种工艺不同废水浓度吨产品操作费用/35-2023年第54卷第2期（上接第35页）Comparative Study on Energy Consumption of DMF/DMAc Waste LiquidRecovery ProcessCHEN Li-bin,XU Ke,ZHU Zhi-kun,ZHENG Gao-ji,ZHOU Jing-xin(Zhejiang TITAN Design&Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310030,China)Abstract:Taking the waste liquid with DMF concentration of 5%40%(wt.)as the research object,thesteam consumption per ton product(SPP)in four process routes of double-effect distillation,three-effectdistillation,heat pump distillation and extraction+distillation was simulated and compared by using AspenPlus.The results show that when DMF concentration is bel