Chemcad 軟件在 精細(xì)化工生產(chǎn)中酸性尾氣吸收模擬的應(yīng)用

丁麗 王之寧(中化環(huán)境科技工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

精細(xì)化工生產(chǎn)過程，無論是醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料及新材料的生產(chǎn)，各工序會產(chǎn)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(wěn)定運(yùn)行，對周圍環(huán)境、操作人員身體健康產(chǎn)生重大影響。同時酸性尾氣吸收后，可作為原料進(jìn)行回用，同時減少環(huán)保裝置處理壓力，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)庫詳盡、收斂迅速等優(yōu)點，其廣泛應(yīng)用于煉油、石化、氣體工業(yè)、熱電聯(lián)產(chǎn)、精細(xì)化工、制藥、生化、污染防治、工業(yè)安全及清潔生產(chǎn)領(lǐng)域中。對于生產(chǎn)規(guī)模相對較小，原料品種較多的精細(xì)化工生產(chǎn)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(xì)化工生產(chǎn)車間采用較多的是，以聚丙烯為主要材料的水循環(huán)噴淋吸收酸性尾氣系統(tǒng)[4]。主要設(shè)備包括吸收塔、吸收液儲槽、循環(huán)水泵、引風(fēng)機(jī)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(lián)起來， 形成完整流程的模擬功能。根據(jù)吸收流程在Chemcad 軟件中選擇操作單元并建立模擬系統(tǒng)流程，包括吸收塔、儲槽、泵、風(fēng)機(jī)、節(jié)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(tǒng)內(nèi)物流，模擬流程圖如圖1 所示。

圖1 Chemcad中吸收系統(tǒng)模擬流程圖

1.2 熱力學(xué)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(fù)壓操作，因此影響K 值的主要因素為溶液性質(zhì)。在HCl-H2O 二元組分系統(tǒng)中，HCl 分子被解離成離子，形成電解質(zhì)溶液。因此K 值模型選擇用于模擬水中電解質(zhì)組分的PPAQ 模型。H 值模型根據(jù)系統(tǒng)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(jìn)料條件：工況下，進(jìn)氣370Nm3/h，HCl 含量5%(vol%)；系統(tǒng)補(bǔ)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(shù)6，填料直徑25mm，比表面積223m2/m3，孔隙率0.95，散堆。

2 計算結(jié)果分析與討論

2.1 計算結(jié)果

根據(jù)邊界條件，系統(tǒng)模擬結(jié)果如表1 所示。計算結(jié)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(jù)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(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(tǒng)引風(fēng)機(jī)出口HCl 濃度91.4mg/m3，流量0.0332kg/h，該系統(tǒng)不需要下級堿吸收塔，即可滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。同時，工況條件下系統(tǒng)可以產(chǎn)生13.65%濃度的鹽酸，產(chǎn)量為220.7kg/h。

2.2 進(jìn)氣濃度的影響

在實際化工生產(chǎn)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(dǎo)致系統(tǒng)補(bǔ)水量升高，并且成線性關(guān)系。如前所述，尾氣排放的HCl 占進(jìn)入系統(tǒng)的比例很小，可近似認(rèn)為進(jìn)入系統(tǒng)的HCl 等于產(chǎn)品鹽酸中的HCl。在一定的吸收溫度，進(jìn)入系統(tǒng)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(tǒng)計算數(shù)據(jù)表

2.3 噴淋量、噴淋液溫度的影響

既有設(shè)備投入運(yùn)轉(zhuǎn)之后，除補(bǔ)水量以外，其可變的操作參數(shù)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(huán)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(tǒng)從物料進(jìn)出角度來看，是水吸收HCl 的過程，但是直接進(jìn)入吸收塔頂?shù)慕橘|(zhì)為一定濃度的鹽酸溶液，在噴淋液循環(huán)量增加的情況下，吸收速率大于解吸速率，逐漸達(dá)到操作條件下的最佳的液氣比(L/V)。噴淋液循環(huán)量增加進(jìn)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(jìn)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(tǒng)的優(yōu)化

由2.3 的分析結(jié)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(bǔ)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(jié)，其流程及計算結(jié)果如圖3 和表2。

圖3 兩段吸收系統(tǒng)模擬流程圖

表2 兩段吸收系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)表

計算結(jié)果表明，在系統(tǒng)改動不大的情況下，采用塔頂補(bǔ)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(jié)語

(1)尾氣吸收系統(tǒng)采用一段吸收流程，在1.3 節(jié)中的工況條件下，該吸收系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高的HCl 吸收率，尾氣可以達(dá)標(biāo)排放，不需要進(jìn)一步進(jìn)行堿吸收。

(2)在一定噴淋液循環(huán)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(yīng)的操作費(fèi)用相應(yīng)的增加。實際操作過程中，需在經(jīng)濟(jì)可行的范圍內(nèi)，使吸收液得到充分冷卻，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一。

(3)在一定操作條件下，在未達(dá)到最佳液氣比時，可通過增加噴淋液循環(huán)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(dāng)需處理尾氣HCl 含量發(fā)生波動時、吸收噴淋液冷卻條件不佳、噴淋循環(huán)量過小時，尾氣無法達(dá)標(biāo)排放，需進(jìn)一步進(jìn)行堿吸收處理。

(5)系統(tǒng)采用兩段吸收流程，吸收塔由一段變?yōu)閮啥危呗杂刑岣撸O(shè)備投資有所增加，系統(tǒng)可在流程變化不大，有效降低吸收塔頂尾氣HCl 濃度。