低含水量乙酸廢液分離過程的模擬與能耗-經濟性分析

文章編號：1006-3080（2025）04-0468-08

中圖分類號：TQ028.3

文獻標志碼：A

乙酸是一種重要的有機酸和有機溶劑，在乙酐、乙酸酯及乙酸纖維素等化工產品生產過程中有著重要的作用]。乙酸的生產方法主要有乙醇氧化法[2]木質素制備法3]、甲醇基化法4等。其中，甲醇羰基化法具有轉化率高、產率高等優點而受到關注5，被廣泛應用于乙酸化工生產中，但生產過程中會產生大量含乙酸、丙酸、水和金屬鹽等雜質（質量分數分別約為 70% 、 20% 了 5% 和 4% 的乙酸廢液。隨著環保要求的日趨嚴格，沒有達到國標要求的乙酸廢液必須以危廢形式進行處理，因而增加了企業的運行成本。為降低危廢處理量、減少企業運行成本、實現企業的可持續發展，開發和探索乙酸廢液回收工藝愈加重要。

在分離乙酸廢液過程中，由于乙酸和水的沸點十分相近，相對揮發度接近于1，導致乙酸和水的分離十分困難。因而，乙酸和水分離工藝的探索是企業進行乙酸廢液回收中最為關鍵的問題之一。目前，乙酸和水的分離工藝主要包括精餾法、膜分離法和吸附法等[7-9]。其中，精餾法是一種基于多次部分汽化和部分冷凝促使液體混合物能夠順利完成分離的方法[10]，也是目前工業上最為成熟的工藝之一。但是對于乙酸-水體系，采用普通的精餾分離技術需要很大的回流比和塔板數，成本和能耗很高。為了降低分離費用，可采用基于熱泵、萃取和共沸技術的特殊精餾方法實現乙酸和水體系的分離[1]。其中，熱泵精餾通過提高塔頂蒸汽流股的品位并代替再沸器熱源，可以節省絕大部分熱能，如Shahandeh等[12]設計了熱泵精餾分離水和甲酸，總能耗較常規精餾降低了 70.04% ，證明熱泵精餾具有較高的節能效益。萃取精餾是一種通過添加萃取劑增大體系組分相對揮發度從而達到節能降本目的的分離技術[13]，Li等[14]提出了一種萃取精餾流程工藝分離廢水中乙酸乙酯和二惡烷，熱集成后的流程較普通精餾流程在總能耗和年總投資成本方面分別降低 28.18% 和 24.28%

Leng等[15]使用二甲基亞砜（DMSO）和對二甲苯（PX）萃取精餾分離乙酸甲酯、四氫呋喃和甲醇形成的共沸物，熱集成后的萃取精餾流程煙效率提高了8.06% CO₂ 排放量降低了 33.26% ，可見萃取精餾可以降低難分離組分的分離成本和能耗。與萃取精餾相似，共沸精餾也可用于難分離體系的分離，如Ma等[1研究了環己烷作為共沸劑共沸精餾分離甲醇和甲基丙烯酸甲酯，也體現出了較強的節能作用。有很多研究者對乙酸-水體系的精餾分離流程進行了深入的探索，如唐守勝等[7采用共沸精餾的方法研究了乙酸溶液（乙酸質量分數為 40% 的分離過程；常洪委等[18]對比研究了不同萃取劑對乙酸溶液（乙酸質量分數為 3% ）的分離效果；You等[19]探究了采用 N- 甲基乙酰胺作為萃取劑分離乙酸溶液（乙酸質量分數為 50% ）的能耗和經濟性能。以上大多數精餾分離流程針對的均是含水量較高的乙酸溶液，而對于低含水量乙酸廢液的分離缺乏詳細研究。因此，探究低含水量乙酸溶液的分離工藝既是乙酸生產工廠實現廢液回收的重要技術攻克點，也是關鍵科學問題。

本文以低含水量的乙酸廢液為研究對象，分別構建了常規精餾、熱泵精餾、萃取精餾、共沸精餾共4種工藝的乙酸-水分離模擬流程，以期回收滿足國家標準需求的乙酸產品和獲取低含水量的乙酸廢液在不同情況下的最佳分離工藝，并分析對比這4種分離工藝的能耗和經濟性。最后探究在不同的廢液處理規模下這4種不同分離工藝的差異。

乙酸廢液分離工藝

針對低含水量乙酸廢液的回收問題，本文構建了常規精餾、萃取精餾、共沸精餾和熱泵精餾共4種不同的分離流程，如圖1所示。因為乙酸-水溶液具有強非理想特性，故采用能夠處理任意極性和非極性混合物的NRTL-HOC方法作為模擬過程的熱力學物性方法[20]。

圖1（a）所示為常規精餾，該流程只包含一座精餾塔，乙酸和水分別從塔底和塔頂流出。在常規精餾的基礎上，熱泵精餾將再沸器和冷凝器集成為一個換熱器，塔頂的蒸汽在壓縮后代替熱源與塔底的物流進行換熱，換熱后各流股部分回流[21]，如圖1（b）所示。與常規精餾相似，在熱泵精餾中，乙酸和水分

圖1各工藝模擬流程

Fig.1Simulation process of each technology

別從塔底和塔頂流出。圖1（c）和1（d）分別為共沸精餾和萃取精餾。其中，在共沸精餾中，水與共沸劑形成低沸點共沸物在塔T301的塔頂餾出，而萃取精餾流程中水在萃取劑里的溶解度較小，故水單獨從塔T401塔頂餾出。共沸精餾和萃取精餾兩種工藝都是通過添加夾帶劑增大體系的相對揮發度促進乙酸和水的分離，所以相對于常規精餾，共沸精餾和萃取精餾分別在乙酸分離塔T301、T401之后增加了一座夾帶劑回收塔T302、T402對夾帶劑進行回收。

2能耗和經濟性評價方法

2.1 能耗評價

為了便于對比各種能耗，根據折能系數（GB/T2589—2020）將不同能源消耗量轉化為綜合能耗。乙酸-水溶液分離過程的總能耗表示為：

其中， E 為綜合能耗， E_i 為第 i 種能源消耗量， k_i 為第 i 種能源的折能系數。

2.2 經濟性評價

乙酸-水溶液分離過程的經濟性可用年度總成本（TAC）來評價，表示為：

式中， n 為投資回報期年限，TCC是乙酸-水溶液分離過程的設備成本，TOC為總公用工程成本。

為簡化計算過程，設備成本主要考慮了塔、換熱器、壓縮機等成本較高的設備，忽略了泵、閥門、容器罐和運輸管道等成本較小的設備[22]。因此，設備成本可表示為：

TAC=C_t+C_s+C_ex+C_com

C_t=21142.4×D^1.066×H^0.802

C_s=967.1×D^1.55×H

C_ex=5.85×A^0.65×m

C_com=12135.7856×ρ^0.82

式中， C_t?C_s?C_ex?C_cc C_com 分別為塔身成本、塔板成本、換熱器成本和壓縮機成本; D 為塔內徑； H 為塔高;A 為換熱面積; m 為換熱器系數； ρ 為電消耗量。

總公用工程成本主要包括蒸汽、冷凝水和用電成本，可表示為：

式中， a_i 為第 i 種資源各公用工程使用1h所需的成本， β 為運行時間。

3 案例分析

3.1 基礎數據

本文案例來源于某工廠乙酸生產過程，根據該乙酸生產過程的實際運行條件，可得預處理去除丙酸和金屬鹽雜質后廢液的組成：乙酸質量分數為94.53% 、水質量分數為 5.47% ，處理量為 。依據相關研究可知，環丁砜和醋酸異丙酯有較強的改變乙酸-水體系相對揮發度的能力[23-25]，所以本文選擇環丁砜作為萃取劑，醋酸異丙酯作為共沸劑。回收的乙酸產品需滿足國標GB/T1628—2020的要求，即乙酸產品質量分數應至少為 99.8% 。假設工廣每年運行 8000h ，各工藝的投資回報年限為 3a 。

本文將常規精餾、萃取精餾、共沸精餾和熱泵精餾4種工藝流程在AspenPlus中進行構建并模擬，具體模擬過程為：首先采用簡捷計算的方法獲得乙酸溶液分離過程的基礎參數，然后基于此構建乙酸溶液分離過程的嚴格模擬流程，最后采用靈敏度分析的方法確定滿足產品生產需求的操作參數。

3.2 模擬結果

采用本文所構建的常規精餾、萃取精餾、共沸精餾和熱泵精餾4種工藝對乙酸-水溶液進行處理，可得到各流程的參數和產品流股結果，如表1所示。為了方便描述，在圖表中采用CD、HPD、AD和ED分別表示常規精餾、熱泵精餾、共沸精餾和萃取精餾。

由表1可知，從產品流股的質量濃度上看，不管是常規精餾、萃取精餾、共沸精餾還是熱泵精餾，均能獲得滿足國標GB/T1628—2020需求的乙酸產品，說明本文所構建的4種分離方法均能實現乙酸廢液的有效回收，滿足乙酸生產工業的廢液處理要求。從分離流程的設備和操作參數上看，常規精餾采用1個精餾塔實現乙酸-水的分離需要很大的塔板數和回流比，這意味著分離過程的順利實現需要投入較大的設備費用和操作費用。從降低操作費用的角度出發，熱泵精餾在常規精餾的基礎上，通過增加壓縮機而實現塔頂熱量的回收利用，但該技術本身并沒有影響乙酸-水體系的分離，所以塔板數、進料塔板數和回流比參數與常規精餾保持一致。為降低乙酸-水的分離難度，萃取精餾和共沸精餾引入了夾帶劑，但同時也額外增加了一座回收夾帶劑的塔?？傮w上來說，夾帶劑的引入均降低了乙酸分離塔的塔板數和回流比。對比共沸精餾可以發現，萃取精餾能大幅度降低乙酸分離塔的塔板數和回流比，但其夾帶劑回收階段所需要的條件卻嚴苛于共沸精餾。

表1流程模擬結果

Table1 Process simulation results

3.3不同乙酸溶液分離工藝的能耗與經濟性對比

各工藝所需的能源種類不盡相同，為了對比不同分離工藝的能耗情況，本文給出了回收每噸乙酸產品的能耗，如表2所示。

由表2可見，從能源消耗的總量上看，相比于常規精餾，熱泵精餾和共沸精餾的綜合能耗均有所降低（分別下降了 87.08% 和 37.35% ，而萃取精餾的綜合能耗卻有所增加（提高了 21.77% ）。其中，熱泵精餾的能源消耗量降低得最多，這是因為熱泵精餾使用較少的電能回收了塔頂的蒸汽的能量從而大大降低了分離過程對外界能源的需求量。萃取精餾能耗增加的原因是需要使用壓力更高的蒸汽公用工程。因為萃取劑的沸點較高，回收萃取夾帶劑需要更高的溫度和操作條件，所以需要高壓蒸汽和更大的塔板數與回流比，這與表1所得到的結果一致。

表2生產每噸乙酸的能耗

Table 2Energy consumption of per ton acetic acid production

從經濟性的角度進一步分析各個流程的能耗，圖2給出了乙酸溶液不同分離方法的公用工程費用。由圖2可見，從能源費用上看，相比于常規精餾，3種特殊精餾的公用工程費用均有所降低。這與表2結果有差異。萃取精餾盡管使用了高壓蒸汽，但其使用量并不大，所以萃取精餾的公用工程費用也是降低的。

進一步對不同分離過程的設備費用進行對比分析，結果如圖3所示。由圖3可見，相比于常規精餾，熱泵精餾的設備費用增加了 31.68% ，而共沸精餾和萃取精餾的設備費用則分別降低了 25.38% 和54.41% 。從設備費用的組成上看，塔的費用最高。由表1可知，熱泵精餾在常規精餾的基礎上，增加壓縮機以回收塔頂的蒸汽的能量，所以設備費用有所增加。而萃取精餾和共沸精餾由于引入夾帶劑降低了乙酸溶液的分離難度，減少了塔板數的需求量，從而使設備費用均顯著降低。

為了綜合評價4種分離工藝的經濟性，圖4給出了年度總成本的對比結果?？梢钥闯觯啾扔诔Ｒ幘s，熱泵精餾、共沸精餾、萃取精餾的年度總成本均有所下降，分別下降了 0.40% 、 28.48% 和 41.08% 。從年度總成本的組成上看，設備費用遠遠大于公用工程費用，故各分離流程的年度總成本主要是由設備成本的大小決定的，這也導致了設備成本更低的分離流程具有更好的經濟性。熱泵精餾公用工程的費用優勢無法彌補設備成本的劣勢，從而并沒有過多地降低乙酸溶液分離過程的總費用，而設備費用較低的萃取精餾和共沸精餾則更具有經濟性。綜合上述分析可得，在3年投資回報期內，萃取精餾是最佳的乙酸溶液分離方法。

圖2不同分離方法的公用工程費用

Fig.2Utility costs for different separation methods

圖3不同分離方法的設備費用

Fig.3Equipment costs for different separation methods

4不同進料規模下乙酸溶液分離過程的經濟效益對比分析

為了應對工廠未來增產導致的乙酸廢液處理量增大的情況，進一步模擬了 4000，6000，8000t/a 進料規模下不同乙酸廢液的分離工藝。各流程在處理不同規模的廢液時所得乙酸產品的質量分數如表3所示，可見得到的乙酸產品符合國標要求。

為了更好地描述不同情況下廢液的分離經濟性，以經濟效益指標（即產品收入減去總費用）來對比不同進料規模下分離過程的經濟性（取乙酸的市場價格 428.6USD/t^[26] ）。圖5給出了投資回報期內和回報期外的經濟效益，其中實線和虛線分別表示投資回報期之外、之內的經濟效益的變化趨勢。

圖4不同分離方法的年度總成本Fig.4TAC fordifferent separation methods

表3不同進料流量下不同分離方法得到的乙酸產品質量分數Table3Mass fraction of acetic acid products obtained bydifferent separation methodsunder different feedflowrates

圖5不同進料規模下不同分離方法的系統經濟效益Fig.5Economic benefits of different separation methods underdifferent feed flowrates

由圖5可以看出，不管是在投資回報期內還是在投資回報期外，與常規精餾方法相比，采用特殊精餾技術的乙酸溶液分離過程的經濟效益均會提高。在投資回報期內，隨著廢液處理量增大，各流程的經濟效益呈增大趨勢。相比于其他特殊分離方法，熱泵精餾的經濟效益相對較差。這是因為在投資回報年限內，經濟效益取決于年度總成本，而年度總成本則主要取決于設備費用，熱泵精餾的設備費用占比最高。對比萃取精餾和共沸精餾，可以發現隨著乙酸廢液處理量增大，共沸精餾會反超萃取精餾的經濟效益。為了進一步分析在投資回報期內經濟效益變化的原因，圖6給出了不同進料規模下不同分離方法的系統費用占比情況。

由圖5和圖6可得，隨著廢液處理規模的增加，公用工程成本的占比也會增加（即在廢液處理量增大的過程中，設備成本的增長速率低于公用工程成本），所以，對公用工程成本降低能力較弱的分離工藝其經濟效益也會降低。但在投資回報期外，不同精餾過程經濟效益的大小依次為熱泵精餾 |gt;; 共沸精謠 萃取精餾，并且各流程經濟效益并不會隨著廢液處理規模的改變而顯著改變。這是因為在本文案例中，在投資回報期之外經濟效益只與公用工程成本相關。

綜上可知，熱泵精餾在投資回報期之外的經濟效益最高，隨著時間的推移，熱泵精餾的總經濟效益會超越共沸精餾和熱泵精餾，表4給出了熱泵精餾總經濟效益反超另外兩種特殊精餾總經濟效益的投資時長。由表4可知，熱泵精餾的經濟效益超過另外兩種分離工藝經濟效益的投資時長會隨著進料量的變化而變化。熱泵精餾更適用于大規模、長周期的應用場景。

圖6不同進料規模下不同分離方法的系統費用占比情況

Fig.6Cost proportion of different separation methods for different feed flowrates

表4熱泵精餾總經濟效益超過萃取精餾和共沸精餾經濟效益的總年份

Table 4Years inwhich the total economic benefits ofHPD exceed those ofEDand AD

5結論

針對低含水量的乙酸廢液中乙酸的處理問題，本文建立了常規精餾、萃取精餾、共沸精餾和熱泵精餾4種不同的分離工藝并在AspenPlus平臺上構建了相對應的模擬流程，通過處理乙酸廢液的實際工業案例來探究4種方法在經濟和能耗上的優劣，并進一步分析對比了這4種分離方法在處理不同規模廢液時的經濟效益，主要得出以下結論：

（1）針對乙酸廢液分離問題，采用常規精餾、萃取精餾、共沸精餾和熱泵精餾4種不同的分離工藝均能回收滿足國標要求的乙酸產品。

（2）在投資回報期內，熱泵精餾能耗和公用工程成本最小，能耗較常規精餾下降了 87.08% ，而萃取精餾設備成本和年度總成本最小，較常規精餾分別下降了 54.41% 和 41.08% 。故在投資回報期內，萃取精餾是最適合乙酸廢液回收的技術。并且，在投資回報期內，各流程的經濟效益和公用工程成本占比均隨著廢液處理規模的增加而增大，所以熱泵精餾和共沸精餾這類降低公用工程成本能力更強的工藝更適合大規模生產，而降低設備成本能力更強的萃取精餾更適合小規模生產。

（3）在投資回報期外，隨著廢液處理規模的增大，各流程的經濟效益并不會顯著變化，但是熱泵精餾總經濟效益超過萃取精餾和共沸精餾兩種工藝的時間會縮短，所以熱泵精餾更適合長期生產。

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Simulation and Energy-Economic Analysis for Separation Process of Acetic Acid Waste Liquid with Low Water Content

HUANG Liangdel， TONG Zhangfa1.2， JIN Yong3， JIANG Yinghua1.2

（1.School of Chemistry and Chemical Engineering， Guangxi University，Nanning 530o04， China; 2. Guangxi Key

LaboratoryofPetrochemical Resource Processing and ProcessIntensification Technology，Nanning 530o04， China; 3. Guangxi Huayi Energy Chemical Co. Ltd， Qinzhou 5350o0， Guangxi， China）

Abstract： The aetic acid production process can produce a considerable amount of waste liquids.Thus，recycling acetic acid from those liquids is one ofthe key approaches for acetic acid industryto helpachieve energyconservation， emission reduction，and sustainable development.For the separation and recovery of acetic acid waste liquids with low watercontent，fourdifrentseparationsimulationprocesses，amelyconventionaldistiltion，extractivedsilation， azeotropic distillation，and heat pump distilation are established，and theenergy consumption and economy of these four separation processes are analyzed and compared with each other comprehensively.Taking a practical acetic acid production industry as an example，the strengths and weaknesss of the four methods proposed in this paper are investigated.The results indicate that allthese four separation processes are capable of recovering acetic acid products that meet the requirementsof GB/T 1628—2020.In terms of energy consumption and utility cost， the energy consumption of the heat pump distilation is the lowest among these four separation processes，while that of the extractivedistilation is the highest.Nevertheless，the equipment investmentcostof the heat pump distillation is relatively higher，and theextractive distilationseparation process exhibits better economic feasibility.Through a comprehensive comparisonof theseparation efects under different scales，itis found that as the feeding flowrate of Waste liquid increases，the utility cost proportion and economic benefit of the separation process show rising trends. Meanwhile，the heat pump distilation and azeotropic distillation are more suitable for long-term and large-scale production situations，and the extractive distillation is better suited for short-term and smal-scale production ones.

Key words： acetic acid waste liquid; separation and recovery； distilation technology; energy consumption analysis; economic evaluation

（責任編輯：張欣）