Chemcad 軟件在 精細化工生產中酸性尾氣吸收模擬的應用

丁麗 王之寧(中化環境科技工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

精細化工生產過程，無論是醫藥、農藥、染料及新材料的生產，各工序會產生大量酸性尾氣(酸性成分主要為HCl)，尾氣吸收處理裝置高效、穩定運行，對周圍環境、操作人員身體健康產生重大影響。同時酸性尾氣吸收后，可作為原料進行回用，同時減少環保裝置處理壓力，提高企業經濟效益[1]。

目前，市面上比較流行的化工過程模擬軟件包括Aspen Plus、ProII、Chemcad 等[2]。相比于其他模擬軟件，Chemcad[3]具有價格低廉、數據庫詳盡、收斂迅速等優點，其廣泛應用于煉油、石化、氣體工業、熱電聯產、精細化工、制藥、生化、污染防治、工業安全及清潔生產領域中。對于生產規模相對較小，原料品種較多的精細化工生產過程模擬計算，Chemcad 是一個較好的選擇。

1 模擬模型的建立

1.1 模擬流程圖

目前，各精細化工生產車間采用較多的是，以聚丙烯為主要材料的水循環噴淋吸收酸性尾氣系統[4]。主要設備包括吸收塔、吸收液儲槽、循環水泵、引風機等組成

Chemcad 提供提供50 種以上的單元操作模塊， 可將各單元操作串聯起來， 形成完整流程的模擬功能。根據吸收流程在Chemcad 軟件中選擇操作單元并建立模擬系統流程，包括吸收塔、儲槽、泵、風機、節點、冷卻器6 個操作單元，2 個輸入流，2 個輸出流及10 個系統內物流，模擬流程圖如圖1 所示。

圖1 Chemcad中吸收系統模擬流程圖

1.2 熱力學模型選擇

Chemcad 軟件提供了多種K 值(氣液平衡)模型及H 值(焓值)模型。由于尾氣吸收過程為負壓操作，因此影響K 值的主要因素為溶液性質。在HCl-H2O 二元組分系統中，HCl 分子被解離成離子，形成電解質溶液。因此K 值模型選擇用于模擬水中電解質組分的PPAQ 模型。H 值模型根據系統推薦，選擇SRK模型。HCl-H2O 體系在0.1MPa 下的氣液平衡如圖2 所示。

圖2 0.1MPa下HCl-H2O體系氣液平衡

1.3 邊界條件

(1)進料條件：工況下，進氣370Nm3/h，HCl 含量5%(vol%)；系統補水量0.2m3/h；噴淋液流量1.1m3/h，溫度28℃。

(2)吸收塔操作條件：操作壓力0.08MPa(A)，理論塔板數6，填料直徑25mm，比表面積223m2/m3，孔隙率0.95，散堆。

2 計算結果分析與討論

2.1 計算結果

根據邊界條件，系統模擬結果如表1 所示。計算結果表明，在該工況條件下，HCl 氣體大量被水吸收，吸收率為99.89%。根據《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)[5]，HCl 排放濃度限值為100mg/m3，排放口20m 高，排放速率限值0.43kg/h。本模擬系統引風機出口HCl 濃度91.4mg/m3，流量0.0332kg/h，該系統不需要下級堿吸收塔，即可滿足排放標準。同時，工況條件下系統可以產生13.65%濃度的鹽酸，產量為220.7kg/h。

2.2 進氣濃度的影響

在實際化工生產過程中，一般尾氣中HCl 濃度會有一定的波動。其他邊界條件不改變的情況下，尾氣濃度的升高，導致系統補水量升高，并且成線性關系。如前所述，尾氣排放的HCl 占進入系統的比例很小，可近似認為進入系統的HCl 等于產品鹽酸中的HCl。在一定的吸收溫度，進入系統的HCl 線性的增加，與之氣液平衡的水的量線性的增加。

表1 尾氣吸收系統計算數據表

2.3 噴淋量、噴淋液溫度的影響

既有設備投入運轉之后，除補水量以外，其可變的操作參數為塔頂噴淋液流量及噴淋液溫度，在一定噴淋液溫度條件下，尾氣濃度隨噴淋液循環量的增加，先急劇降低，后又緩慢升高，并且隨著噴淋液的溫度的升高，趨勢變得更為明顯。盡管此吸收系統從物料進出角度來看，是水吸收HCl 的過程，但是直接進入吸收塔頂的介質為一定濃度的鹽酸溶液，在噴淋液循環量增加的情況下，吸收速率大于解吸速率，逐漸達到操作條件下的最佳的液氣比(L/V)。噴淋液循環量增加進一步的增加，逐漸偏離最佳的液氣比，噴淋液向尾氣解吸速率大于吸收速率，因此，在噴淋液進一步增加的情況下，尾氣濃度升高。同時，溫度的提高，利于解吸過程，隨著噴淋液溫度的提高，尾氣濃度急劇的升高。

2.4 系統的優化

由2.3 的分析結果可知，塔頂以鹽酸液噴淋吸收制約吸收效果，影響塔頂尾氣濃度，將原有吸收塔分為兩段吸收，補充新鮮水的位置改變到吸收塔上段頂部，形成上部水吸收，下部鹽酸液吸收的兩級吸收過程，邊界條件同1.3 節，其流程及計算結果如圖3 和表2。

圖3 兩段吸收系統模擬流程圖

表2 兩段吸收系統計算數據表

計算結果表明，在系統改動不大的情況下，采用塔頂補水的方式，尾氣排放HCl 濃度由91.4mg/m3降低到5.78mg/m3，HCl吸收率由99.89%提高到99.99%，可以有效減少塔頂尾氣HCl濃度。

3 結語

(1)尾氣吸收系統采用一段吸收流程，在1.3 節中的工況條件下，該吸收系統可以實現較高的HCl 吸收率，尾氣可以達標排放，不需要進一步進行堿吸收。

(2)在一定噴淋液循環量下，噴淋液的溫度越低，其吸收效果越好，但其冷卻溫度越低，相應的操作費用相應的增加。實際操作過程中，需在經濟可行的范圍內，使吸收液得到充分冷卻，實現經濟效益與環境效益的統一。

(3)在一定操作條件下，在未達到最佳液氣比時，可通過增加噴淋液循環量，降低塔頂尾氣HCl 濃度。超過最佳液氣比，由于氣液平衡的限值，無法通過增加噴淋量降低尾氣HCl 濃度，相反，HCl 濃度會有所升高。

(4)一段吸收流程處理能力有限，當需處理尾氣HCl 含量發生波動時、吸收噴淋液冷卻條件不佳、噴淋循環量過小時，尾氣無法達標排放，需進一步進行堿吸收處理。

(5)系統采用兩段吸收流程，吸收塔由一段變為兩段，塔高略有提高，設備投資有所增加，系統可在流程變化不大，有效降低吸收塔頂尾氣HCl 濃度。