溶媒回收工藝計算及節能措施分析

張海杰 趙云龍

華北制藥河北華民藥業有限責任公司 河北石家莊 050000

在我國，有機溶媒常用于制藥，其本身具有直接、間接分散高分子化合物且不與該類高分子化合物發生反應的性能，因此用途十分廣泛[1]。常見的有機溶媒主要包括二甲基甲酰胺、甲苯、芳烴、二氯甲烷、二硫化碳等等，該類物質大多為有毒物質，且據研究表明，該類物質大多具有較強的致癌性，若放任常用有機溶媒的制藥、造紙及紡織企業對其進行排放將對自然環境造成巨大的損害。且由于有機溶媒成本價格較高、使用時能耗巨大，因此目前大多企業都已將注意力轉移到了溶媒的回收與節能領域。

1 精餾簡介

目前我國主要的溶媒回收方法屬于精餾操作中的一類，其主旨在于利用含有溶媒的廢料內相對發揮度的差異將各組分進行分離，與簡單的蒸餾過程相比，精餾過程是利用精餾塔頂高濃度輕組分回流于蒸餾塔內部建立氣液平衡的過程，該過程能夠實現輕、重組分的深度分離。隨著回流比的增大，塔頂的輕組分濃度也會隨之升高，精餾塔板的數量也會隨之減少。

2 最小回流比

根據物料平衡，可以對精餾段操作線的方程進行推導，得到：

3 確定最少理論板數

由于降低塔板數可借由加大回流比來實現，因此實現全回流時，塔板數最小理論書應當為Nmin。

根據全回流的特點可知，根據物料衡算可得出芬斯克方程：

4 計算塔板數

計算塔板數通常運用捷算法，而捷算法又會用到吉利蘭圖，橫坐標為最小回流比及回流比的差值比例，縱坐標為是理論最小塔板數與實際塔板數的差值比例，如此便可實現對回流比和實際塔板數的關聯[4]。

而吉利蘭圖也可以用李德公式來進行表示：

若0 ＜x ≤0.01，y =1-18.5715x

若0.01 ＜x ≤0.9，y =0.545827-0.591422x +0.002743/x

若0.9 ＜x ≤1，y =0.16595-0.16595x

綜上所述，精餾塔的塔板數計算應當分為三步，第一步對最小回流比進行計算，第二部對理論最小塔板數進行計算，第三部對合適的回流比進行選擇，并利用李德公式實現塔板數的計算。

5 分析能耗

對蒸餾塔進行能量衡算，發現：

其中Rs為整齊的汽化熱，F×Hf為原料液所帶入的熱量，由于原料液帶入的熱量及餾出液帶走熱量與汽化熱、冷凝熱相比小得多，因此為對討論進行簡化，可將上方公式簡化為S×Rs≈Qc。

而由回流比的定義可知，R = L/D，如精餾塔采用泡點回流，塔頂能量達到平衡，則冷凝熱應等于塔頂蒸出的蒸汽汽化熱。

對于連續精餾而言，蒸汽耗量以及加熱負荷都可以直接用利用以上結語進行計算，但針對塔頂采出輕組分濃度恒定的間歇精餾，回流比會隨著精餾過程的進度過程而不斷增大，而采出量則會不斷減少，塔釜傳熱負荷近似常數。由物料衡算可知，精餾塔的處理速度與塔釜汽化能力存在如下關系：

在該式中，V 是輕組分的汽化量，單位是kmol/s，F 是原料液的處理能力，單位是kmol/s，因R 是x 的函數，所以該式無法得出解析解，只能對數值進行解答。

6 節能措施

自熱力學角度進行分析，精餾過程內能夠將混合物分離為純度相對較高的組分，其本身也是熵降低的過程，因此需要外界做功，理想溶液分離功應當為：

舉例而言，若將苯、甲苯、二甲苯的混合物分離為99.5%的苯，由上方公式可得，分離功是722KJ/kmol，如回流比能取2，則蒸餾過程則是92344KJ/kmol，精餾過程從理論來說仍有巨大的節能空間。通過節能的角度考慮，可以將有機溶媒可以轉變為大型的廢溶媒貯罐，可以將大批的原料液與之混合，一方面可以做到貯液量增大，滿足精餾進料的基本要求，另一方面也可以通過與原料液混合，原料液濃度相對穩定，從而令間歇精餾轉變為連續精餾，達到降低能耗的效果。除此之外，還可以采取多效精餾的方式，提高精餾過程內的蒸汽利用率，若能夠實現采用雙塔二效的精餾乙醇，基本可以做到節約百分之二十到四十的蒸汽耗量。雖說多效精餾的相關工藝目前仍存在設備投資高與系統復雜的問題，但在對量大、熱高、物質穩定性較強的溶媒回收過程中效果優良，在對有機溶媒回收中具有絕對的積極意義。

7 結語

目前溶媒回收主要采取精餾的方法，當前我國的制藥企業應當針對企業內部的實際狀況，盡力地為連續精餾提供創造有利條件，相關企業應當選擇回流比，從而使精餾設備的運行成本及投資達到最優化。本文對間歇及連續精餾的計算公式與步驟進行了說明，并提出了溶媒回收工藝相關的節能措施。