吸收法处理二氯甲烷废气的模拟计算及优化

Vol.37，No.92019年9月中国资源综合利用Ｃｈｉｎａ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ应用研究吸收法处理二氯甲烷废气的模拟计算及优化陈伟民1，孙玉玉2，李伟伟1（1.南京源恒环境研究所有限公司；2.中建安装集团有限公司，南京 210009）摘要：针对工业废气二氯甲烷难处理的问题，本研究提出了运用两塔串联吸收流程，采用Aspen Plus软件进行模拟计算。经过模拟计算分析，笔者确定了两吸收塔所用的吸收剂分别为N,N-二甲基甲酰胺（以下简称DMF）、水。采用严格计算模型计算可得，最终吸收塔2出口二氯甲烷、DMF废气浓度均小于5 mg/m3。通过实验室验证，结果与计算结果基本一致，为放大设计提供了依据。关键词：二氯甲烷；DMF；Aspen Plus；吸收中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：1008-9500(2019)09-0155-03DOI:10.3969/j.issn.1008-9500.2019.09.048Simulation Calculation and Optimization of Dichloromethane Waste Gas Treatment by Absorption Chen Weimin1, Sun Yuyu2, Li Weiwei1(1. Nanjing Yuanheng Environmental Research Institute Co., Ltd.; 2. China Construction Industrial & Energy Engineering Group Co., Ltd., Nanjing 210009, China)Abstract: In order to solve the problem of difficult treatment of dichloromethane from industrial waste gas, a two-tower tandem absorption process was proposed and simulated by Aspen Plus software. After simulation calculation and analysis, the absorbents used in the two absorption towers are N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as DMF) and water. The exhaust gas concentrations of dichloromethane and DMF at the outlet of the final absorption tower 2 are less than 5 mg/m3 by rigorous calculation model. Through laboratory verification, the results are basically consistent with the calculation results, which provides a basis for the amplification design.Keywords: dichloromethane; DMF; Aspen Plus; absorption当前，二氯甲烷作为一种应用非常广泛的有机溶剂，被大量用于医药、化工、纺织和涂料等行业[1]。但是，二氯甲烷具有较大的毒性，对环境和人体健康造成很大的威胁，1976年已经被美国环境保护局列入65类有毒污染物清单中[2]。针对二氯甲烷等含氯有机物的治理，人们已经探索出多种治理方法，其中较为成熟的有冷凝、吸附、焚烧和氧化还原等方法，此外，生物降解技术、催化燃烧技术、吸收-催化联合技术等新型技术也不断发展[3-7]。但是，它们存在二次污染，如产生活性炭危废，焚烧产生二噁英、氯气等有毒有害气体。吸收是一种有效降低二氯甲烷尾气浓度的方法，通过吸收剂的再生，可以达到循环使用的目的，不产生二次污染[8]。本文采用流程模拟软件Aspen Plus对二氯甲烷废气分离过程进行研究，确定吸收剂种类、吸收流程和吸收塔操作参数，同时在理论计算的基础上进行试验认证，为工业废气净化设计奠定了基础。1 废气组成及计算要求本工艺流程所涉及的主要组分为二氯甲烷、DMF、水。常压下，三者的物性如表1所示。收稿日期：2019-07-10作者简介：陈伟民（1987-），男，江苏兴化人，硕士研究生，工程师，研究方向：石油化工技术、环保。－　１５５　－应用研究中国资源综合利用第9期组分二氯甲烷DMF水分子量84.9373.0918.01熔点（℃）-97-610表1 组分的物性沸点（℃）39.75153100密度（g/cm3）1.330.9451.00CAS75-09-268-12-27732-18-5废气进气量为1 000 m3/h，其中二氯甲烷的浓度为1 000 mg/m3。模拟计算拟达到的要求为：出气二氯甲烷含量小于5 mg/m3，吸收剂含量小于5 mg/m3。2 模拟计算与结果优化采用Aspen Plus严格精馏吸收模型进行模拟计算，采用二级吸收对二氯甲烷废气系统进行吸收过程模拟计算，分析研究规律变化，为实际应用打下基础。二氯甲烷吸收流程如图1所示。别以乙二醇、乙醇、二甲基乙酰胺、DMF为吸收剂，分别考察了其吸收效果和出口吸收剂浓度的影响，结果如表2所示。表2 不同吸收剂吸收效果二氯甲烷出口浓度吸收剂出口浓度吸收剂（mg/m3）（mg/m3）乙二醇45.427.9乙醇34.114 815二甲基乙酰胺44.0442DMF29.9972用量（kg/h）1 1001 1001 1001 100从表2可以看出，除乙二醇外，三种吸收剂乙醇、二甲基乙酰胺、DMF均可作为二氯甲烷废气的吸收剂。以乙醇作为吸收剂，乙醇出口浓度偏高，再以水作为二级吸收剂可以实现对乙醇的吸收和除去，但是由于乙醇与水共沸，分离回收乙醇难度较大；以二甲基乙酰胺作为吸收剂，在相同的流量下，其吸收效果不及乙醇、DMF，同时二甲基乙酰胺来源也不广泛、价格也比较昂贵，实用性也较差；在相同的流量下，DMF作为吸收剂，吸收效果较乙醇、二甲基乙酰胺好；其作为一种溶剂，来源较为广泛、易得。虽然吸收塔出口浓度较二甲基乙酰胺高，但是以水作为吸收剂可以将DMF完全吸收下来，同时DMF与水不存在共沸，分离回收相对容易，可以实现DMF、水的闭合循环。综上所述，选定DMF作为二氯甲烷废气的一级吸收剂。2.2 吸收塔1模拟优化以DMF为吸收剂，本研究分别考察了塔板数对吸收效果、吸收剂用量的影响，具体情况如图2、图3所示。图1 二氯甲烷废气净化流程流程说明如下：二氯甲烷废气从吸收塔1底部进入，与吸收剂1在吸收塔内逆流接触，吸收除去，塔釜吸收液经解析再生循环使用，塔顶一级净化气进入到吸收塔2中；在吸收塔2中与吸收剂2发生逆流接触，除去吸收剂1和少量二氯甲烷，塔釜吸收液解析后循环使用，塔顶尾气达标排放。2.1 吸收剂的筛选吸收剂的类型对吸收效果存在很大影响，吸收剂要对吸收组分有着较强的溶解性。考虑到二氯甲烷属于极性有机溶剂，通过相似相容原理，本文首先分图2 尾气浓度与塔板数的关系－　１５６　－第9期陈伟民等：吸收法处理二氯甲烷废气的模拟计算及优化应用研究3 试验论证采用鼓泡、稀释法配置二氯甲烷废气浓度1 000 mg/m3 的废气，采用自制吸收塔对吸收过程进行研究，分别得到吸收塔1、2塔顶出气组成。具体试验结果如表5所示。表5 吸收塔吸收结果项目名称二氯甲烷（mg/m3）DMF（mg/m3）塔釜进气组成1 0000吸收塔1出气组成4.5945吸收塔2出气组成4.54.2从表5可以看出，出气浓度与模拟计算基本一致，模拟计算结果正确。图3 DMF进料量对出气二氯甲烷浓度的影响从图2、图3可以看出，随着塔板数的增大，塔顶二氯甲烷浓度越来越低；当塔板数为12时，塔顶二氯甲烷浓度小于5 mg/m3。因此，选定塔板数12块。当进料流量为1 100 kg/h时，塔顶二氯甲烷浓度小于5 mg/m。继续增大进料流量，二氯甲烷出气浓度变化很小，因此选定DMF流量为1 100 kg/h。在最优的吸收分离条件下，吸收塔1的吸收结果如表3所示。表3 吸收塔1吸收结果项目名称二氯甲烷（mg/m3）DMF（mg/m3）塔釜进气组成1 0000塔顶出气组成4.897234 结论采用两塔串联吸收二氯甲烷废气，最终出气二氯甲烷浓度降到5 mg/m3以下。经模拟计算，本研究确定吸收塔1塔板数12块，最佳进料量1 100 kg/h。试验验证表明，结果相差不大，满足工业放大需求。参考文献1 2 3 4 5 6 叶由忠.二氯甲烷、氯仿国外市场分析[J].中国氯碱，2001，（2）：341-344.黄开莲.二氯甲烷对人危害研究进展[J].铁道劳动安全卫生与环保，1996，（3）：113-117.周天潇.大孔树脂吸附法处理二氯甲烷废气研究[D].杭州：浙江大学，2014.程 吉.催化还原法处理二氯甲烷废气研究[D].杭州：浙江大学，2011.Schraa G，Zehnder A J B.Biodegradation of chlorinated compounds[M].Berlin：Springer Netherlands，1986.赵世芳.甲烷和二氯甲烷高效催化燃烧催化剂的制备和性能研究[D].兰州：中国科学院兰州化学物理研究所，2009.从表3可以看出，采用DMF作为吸收剂，可以满足相关要求，即吸收塔1出口气浓度中二氯甲烷的浓度小于5 mg/m，但是出口气体中DMF浓度较高，需要进行处理达标后排放。2.3 吸收塔2模拟优化考虑到DMF时强极性溶剂，与水可以无限混溶，同时水与DMF不存在共沸等问题，易于分离回收再循环，因此用水作为吸收塔2的吸收剂。以水作为吸收剂，吸收效果如表4所示。表4 吸收塔2吸收结果项目名称二氯甲烷（mg/m3）DMF（mg/m3）塔釜进气组成4.8972塔顶出气组成4.74.937 徐 涛，金一中，程 吉.吸收-催化还原法处理模拟二氯甲烷废气实验研究[J].浙江大学学报（理学版），2013，40（2）：207-210.从表4可以看出，以水作为吸收剂，尾气二级出口中二氯甲烷、DMF的含量能够降到5 mg/m3以下，满足要求。8 黄桂凤.溶液吸收结合铁碳微电解降解二氯甲烷和二硫化碳[D].杭州：浙江工业大学，2014.－　１５７　－