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在医药及相关化工行业生产中，主要通过溶媒洗涤、真空抽滤、真空干燥的传统方法处理原料药及其他后序产品，最后溶媒和水分被真空抽走以达到洗涤和干燥的目的，而洗涤溶剂主要采用的就是丙酮溶剂。在传统工艺中，要挥发掉大量的丙酮溶剂，且丙酮排放浓度和体积都是不稳定的，具有间歇性。到目前为止，吸收法回收废气中丙酮的研究都是连续性的[1~4]，处理间歇排放的丙酮尾气有一定的局限性，并没有专门针对间歇排放丙酮尾气的吸收法回收的研究。目前吸收法回收丙酮的工艺一般都为连续工艺，其过程为：丙酮和空气的混合气从吸收塔底部进入塔内，吸收剂从吸收塔顶部进入，大量丙酮被吸收剂吸收，在塔内完成气液传质，得到塔底液为吸收富液，从吸收塔底部流出，再将吸收液送入解吸塔进行精馏，在塔顶得到纯度较高的丙酮[5]。吸收法的工艺流程图如图1所示。针对间歇排放的丙酮尾气，连续法具有一定的局限性。在此类尾气回收的问题上，更要从工艺的整体性来考虑。因此，针对丙酮尾气排放的间歇性，本文提出一种新的吸收-解吸操作方式——循环吸收-解吸工艺。其主要特点为：（1）将吸收塔分为上、下两段，上段用新鲜吸收剂吸收，以保证排放的丙酮达到国家排放标准，下段用循环的吸收液吸收，以得到浓度较高的丙酮溶液，便于节省后续解吸的能耗； （2）鉴于丙酮尾气排放的间歇性，考虑吸收过程和解吸过程分两步完成，共用一个塔，节省设备成本。系统的相平衡关系是分离过程模拟计算的基础，根据热力学平衡数据可得到可靠的热力学模型[6]。流程中主要成分是丙酮、空气和水，丙酮和水是极性分子，因此该体系可视为极性物系。NRTL模型可以用二元数据推算多元溶液的性质，且其适用性很强，对酮、醇、醚体系均有较高的预测精度。采用活度系数模型中的NRTL模型，并采用UNIFAC模型补充缺失的参数。对于在低压下含有可溶气体并且其浓度很小的系统，使用亨利定律模拟液相中的超临界组分的溶解度。为使丙酮尾气在排放达标的情况下使用较少的吸收剂、较小的塔设备并得到较高浓度的吸收液，借助化工流程模拟软件Aspen Plus探讨吸收剂用量、吸收塔塔板数、吸收液返塔位置以及吸收液返塔比例等参数对吸收过程的影响，寻求适宜的操作条件，以达到较大的经济效益。在吸收塔的计算中，吸收塔的气体入口条件是由前一工序决定的，不能随意改变，而吸收剂的用量需要通过工艺计算来确定。考察液气比与塔顶排放尾气中丙酮的浓度的关系如图2所示。 从图2中可以看出，液气比每增加0.1，尾气中丙酮的浓度开始下降较快，当液气比增加至1.6后，再增加液气比，对尾气中丙酮的浓度影响减缓。当液气比为1.5时，尾气中的丙酮含量基本达到排放要求。综合考虑尾气浓度的排放要求及设备费用，最终确定液气比L/V为1.5。从图3可以看出，随着理论板数的增加，塔顶尾气中丙酮含量呈现下降的趋势，当理论板数为12时，尾气中丙酮的含量可以达到排放要求。综合考虑尾气浓度的排放要求和设备费用，最终确定理论板数为12块。新工艺将吸收塔下段的部分吸收液循环回塔内，以得到浓度较高的丙酮水溶液，便于节省后续解吸的能耗。吸收液返回不同的理论板，吸收效果不同。在其他参数不变的情况下，考察吸收液返塔位置对塔顶尾气中丙酮含量的影响以及对塔底吸收液浓度的影响，结果如图4所示。■-The mass fraction of Acetone in the bottom of column(*104)；▲-The mass fraction of Acetone in the top of column (ppm)由图4中可以发现，随着吸收液返回塔板位置的下移，吸收效果逐渐增强，下移至第10块理论板时，吸收效果最好，再往下移，吸收效果减弱。分析其原因：吸收液返回塔内的位置越往下，吸收塔上段液相中丙酮的含量越低，液相组成与其平衡组成的偏离程度越大，传质推动力越大，吸收效果越理想。随着吸收液返塔位置的下移，丙酮与空气的混合气与吸收液的接触空间越来越少，气液传质效果开始减弱。吸收液返回塔内的比例不同，吸收液的浓度也随之变化，考察不同比例的吸收液返回塔内吸收液的浓度变化和尾气中丙酮的含量变化，结果如图5所示。图5 吸收液返塔比例对塔顶丙酮浓度和塔底吸收液浓度的影响■-The mass fraction of Acetone in the bottom of column(*104)；▲- The mass fraction of Acetone in the top of column (ppm)从图5可以看出，以新鲜水为吸收剂时，吸收剂吸收丙酮的效率较高；当新鲜水的质量不变时，塔底部分含丙酮的水溶液循环至塔内做吸收剂时，随着吸收液返塔比例的增加，吸收液中丙酮浓度逐渐增加，增加至一定量后开始下降，尾气中丙酮的含量降低至一定量后开始上升。实际应用中需要考虑到吸收液循环量过大时，塔下部的操作负荷也相应加大，塔的压降加大，塔径也随之加大。本装置采用60%吸收液返回塔内。循环吸收-解吸操作的吸收单元和解吸单元在一个塔内完成，考虑到填料塔结构简单、生产能力大、分离效率高、操作弹性大、持液量小、压降低的优势，本工艺采用填料塔来完成。当塔的理论板数超过10块时，一般采用规整填料[7]，本工艺的吸收操作有12块理论板，选用工业中应用较为广泛的金属孔板波纹填料Mellapak-250Y。本设计采用苏尔寿公司开发的塔器计算软件SUL COL对吸收塔进行设计和核算，气相和液相在正常流量和增大减小10 %负荷时的设计计算结果见表1所示，塔径为0.7m，填料层高度为6m。在吸收塔工艺操作参数确定的情况下，确定解吸塔的塔板数，并对解吸工艺进行优化，探讨解吸塔的进料位置、回流比和进料温度、进料量对能耗的影响，寻求适宜的操作条件，以达到较大的经济效益。本工艺吸收塔和解吸塔共用一个塔设备，因此，吸收塔的塔径和高度决定了解吸塔的进料范围和理论板数。根据经验：吸收时波纹板填料Mellapak-250Y的理论板数NT取2 m-1，12块理论板的高度即为6 m；解吸时，波纹板填料Mellapak-250Y的理论板数NT取3 m-1， 塔高6 m可得解吸塔的理论板为18块。解吸塔的进料位置对解吸的效果有很大影响。利用Radfrac模块中的设计规定与灵敏度分析，在塔板数和回流比的情况下，考察进料位置与产品质量的关系，结果如图6所示。■- The mass fraction of Acetone in the bottom of column (%)；▲- The purity of Acetone in the top of column由图6可知，随着进料位置由上往下变化，塔顶产品中丙酮的纯度先增加，再逐渐减小；塔釜液中丙酮的含量先减少，再逐渐增加。在第9块板进料时，塔顶中丙酮的纯度最大，塔釜液中丙酮的含量最少。因此，吸收液从第9块板进入解吸塔比较合理。除了上述因素外，回流比和进料热状况也是影响分离效果的主要因素。在Aspen Plus的“设计规定”中通过规定塔顶产品的纯度来求最小回流比。考察不同进料温度下的最小回流比以及达到规定产品纯度时所需的进料加热器的热负荷、再沸器的热负荷和两台换热器的热负荷之和的关系。模拟结果如图7、8所示。从图中可以看出，在塔顶产品中丙酮纯度相同的前提下，随着进料温度的增加，最小回流比逐渐增加，进料加热器的热负荷随之增加，再沸器热负荷逐渐减小。对两台换热器的热负荷进行加和，得到：随着进料温度的增加，加热器和再沸器的总热负荷是逐渐增加的，但是变化幅度不大，从537 kW增加至544 kW。因此，针对该工况，可以不必在吸收液进解吸塔之前对其进行加热，吸收液直接用泵送入解吸塔内。另外，考虑到解吸塔塔釜液中的水温度较高，可以利用这部分热量在吸收液进解吸塔之前为其加热，从而降低再沸器的热负荷。由于丙酮尾气排放的间歇性，将吸收塔和解吸塔共用一个塔。在尾气排放停止时，将一段时间储存的吸收液一起解吸来分离丙酮和水，因此解吸塔的塔径也是0.7 m。在塔径确定的情况下，进料量的范围可以大致确定。借助塔器计算软件SUL COL，对解吸塔的进料量进行反复的估计和模拟核算，气相和液相正常流量和增大减小10%负荷时的核算结果见表2所示。从表2可以看出计算结果比较合理，此时的进料量为11000 kg/h，相当于4个小时的吸收液质量流量。由于丙酮尾气排放的间歇性，因此可以在尾气排放停止时，将4小时的吸收液一起解吸分离丙酮和水。利用过程综合的相关方法对循环吸收-解吸工艺流程的进行模拟优化，利用化工过程模拟软件Aspen Plus对改进的吸收过程进行模拟优化，再现有的生产条件下，得到吸收的工艺参数：吸收塔的液气比为1.5，理论板数为12块板，吸收液在第10块理论板处返回，返回的比例为60%比较合理，所用的吸收剂越少，吸收液浓度越高；根据确定的吸收工艺对吸收塔进行设计，选择规整填料Mellapak-250Y，塔径为0.7m，填料层高度为6m；根据吸收塔的设计结果，得出解吸塔的理论板数为18块板，对解吸过程进行模拟优化，得到解吸塔的最优进料位置为第9块板，回流比为2.8时所用能耗最低，利用解吸塔塔釜液中的水可以在吸收液进塔之前为其加热，降低再沸器的热负荷。[1] 高前进.丙酮蒸馏塔的工艺模拟与优化[J]. 化工生产与技术, 2009, 16(3): 59-61.[2] 马杰.从真空系统排出的溶剂挥发混合气中回收丙酮的方法:CN 101585755 A[P]. 2009-11-25.[3] Stroud M，Bogopa M，Keitshokile D C，etal．BCL sulphurcapture options[C]The southern African institute of mining and metallurgy base metals [4] Meyer S, Juno E, Watts N. Dynawave Wet Gas Scrubbing: A New Alternative for Claus Unit Tail Gas Clean-Up[C] PROCEEDINGS OF THE LAURANCE REID GAS CONDITIONING CONFERENCE. 2006: 137-152.[5] Ciric A R, Huchette S G. Multiobjective optimization approach to sensitivity analysis: waste treatment costs in discrete process synthesis and optimization problems[J]. Industrial & engineering chemistry research, 1993, 32(11): 2636-2646.[6] 马沛生,李永红. 化工热力学[M]. 北京: 化学工业出版社,2009.[7] 现代填料塔技术指南[M]. 中国石化出版社, 1998.
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