从工业废水中提纯二氯甲烷的方案设计

化工分离工程作业

题目从工业废水中提纯二氯甲烷的方案设计学号

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定稿日期：2015 年12 月20 日

从工业废水中提纯二氯甲烷的方案设计

一、问题描述

某化学制药厂工业废液的主要成分为二氯甲烷（90wt%）、甲醇（6wt%）、三乙胺（2wt%）和水的混合液，该废液的产生量35M3/天。如何处理这些废液? 请查找物性数据等资料，提出你的完整分离方案（分段流程和设备选型及依据），回收得到二氯甲烷溶剂，纯度≥99.5%。

二、分离方法的选择

本体系为四元混合物体系，其中四个组分的沸点为：

表1 二氯甲烷、甲醇、三乙胺、水的沸点

组分二氯甲烷甲醇三乙胺水

沸点℃39.8 64.7 89.5 100

由此可以看出二氯甲烷沸点最低，同时二氯甲烷和甲醇的在37.6℃存在共沸，共沸组成为二氯甲烷0.9427（质量分率），故用普通的精馏方法难以得到高纯度的二氯甲烷。根据文献报道，柯凌进等[1]采用0.15g/ml 醋酸钾乙二醇溶液作为分离剂，用加盐萃取精馏法对某抗生素原药合成所产生的二氯甲烷-甲醇-水三元体系的母液进行分离，得到了纯度为99.6%的二氯甲烷。

本次设计借鉴并简化该方法，拟用乙二醇为萃取剂，用萃取精馏的方法提纯二氯甲烷，并借助Aspen Plus软件模拟分离过程，同时实现萃取剂的回收。

三、物性方法的选择

本四元体系为极性非电解质体系，考虑采用NRTL方程描述该体系的热力学行为，二元交互作用参数来自Aspen数据库。没有找到四元体系的气液平衡数据，考虑到体系主要组成为二氯甲烷和甲醇，下面将基于Aspen数据库计算的二氯甲烷—甲醇的气液平衡数据和文献实验数据[2]进行比较，以验证物性方法是否合理。

表2 二氯甲烷（1）—甲醇（2）的气液平衡数据

t/℃x2y e2y c2|Δy2|/y e2

37.9 0.2906 0.1561 0.1591 0.0192

40.0 0.4711 0.2018 0.1935 0.0411

43.1 0.6574 0.2734 0.2729 0.0018

47.3 0.7756 0.3765 0.3784 0.0050

50.8 0.8394 0.4789 0.4794 0.0010

从上表可以看出，基于NRTL活度系数方程计算的气液平衡数据和实验结果相符度很

高，故可以利用该物性方法进行后续模拟计算。

四、流程设计与模拟

4.1 流程设计

将整个分离过程分为二氯甲烷的提纯和乙二醇的回收两部分，乙二醇从塔顶进入萃取塔B1，混合物原料从塔下部分进入。混合物原料中绝大部分甲醇、三乙胺、水被乙二醇萃取出来从塔底流出，提纯后的二氯甲烷则从萃取塔顶部馏出。萃余相再进入回收塔B2实现萃取剂的回收利用。下面是模拟流程图。

图1 从工业废水中提纯二氯甲烷模拟流程图

4.2 工艺参数设计

本过程需要设计主要的工艺参数包括萃取剂用量，萃取塔塔板数、回流比、馏出率、进料位置以及回收塔塔板数、回流比、馏出率、进料位置。

因为萃取剂用量依赖于塔的的工艺参，所以应计算出合理的萃取塔参数，再确定萃取剂用量。数根据文献[1]实验结论，萃取剂滴加速度和馏出液馏出速度之比为（20~22）/10时，分离效果最好。所以不妨先假定萃取剂用量为进料量的2倍。

4.2.1 萃取塔的参数设计

萃取塔选用RadFrac模块进行模拟，先设定初始进料状况和塔参数，然后进行优化。

表3 萃取塔初始进料状况

温度/℃压力/bar 流量/(kg/h) 组成（质量分率）

CH2Cl2=0.9 CH4O=0.06 原料25 1 2000

C6H15N=0.02 H2O=0.02 萃取剂25 1 4000 C2H6O2=1

表4 萃取塔初始操作参数

塔板数 冷凝器型式 质量回流比

质量馏出率

进料位置

塔压/bar

原料

萃取剂 30

全凝器

1.5

0.27

5

20

1 在初始条件下，模拟计算得到的二氯甲烷馏出物质量分率为0.988，没有达到目标纯度，下面利用灵敏度分析先对塔板数进行优化。

图2 馏出物中二氯甲烷的质量分率随塔板数的变化

由图2可以看出，随着塔板数的增加，馏出物中二氯甲烷的质量分率先快速增加，最后趋于稳定，这里我们取二氯甲烷的最大质量分率对应的最小塔板数30。

下面利用灵敏度分析对进料位置进行优化。

图3 馏出物中二氯甲烷的质量分率随进料位置的变化

NSTAGE

M a s s F r a c t i o n o f C H 2C l

2

Feed stage

M a s s F r a c t i o n o f C H 2

C l

2

由图3可以看出，随着混合物进料位置的变化，馏出物中二氯甲烷的质量分率先增加后减小，在第19块塔板处取得最大值，故可以将混合物进料位置设定在19块塔板。随着萃取剂C 2H 6O 2进料位置的变化，馏出物中二氯甲烷的质量分率不断减小，故将C 2H 6O 2进料位置设定为第2块塔板。

下面对回流比进行灵敏度分析。

图4 馏出物中二氯甲烷的质量分率随质量回流比的变化

由图4可知，随着质量回流比的增大，馏出物中二氯甲烷的质量分率不断增加，考虑到增加回流比会增大操作成本，而且在回流比为2.2时，馏出物中二氯甲烷的质量分率已经达到0.99499，后续对萃取剂用量的优化完全有可能达到提纯目标，故将质量回流比定为2.2。

图5 馏出物中二氯甲烷的质量分率随萃取剂用量的变化

下面利用灵敏度分析对萃取剂用量和馏出率进行优化。按文献[1]实验得到的90%的二氯

Mass reflux ratio

M a s s F r a c t i o n o f C H 2C l

2

Mass flow of extractant / (kg/h)

M a s s f r a c t i o n o f C H 2C l

2