氯苯废水中苯和氯苯的回收.docx

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氯苯废水中苯和氯苯的回收

氯苯废水中苯和氯苯的回收

——《化工过程模拟与优化》课程概念设计

学生王劲松肖继波

年级造纸学院环境工程系2001博

指导教师钱宇教授

陆恩锡教授

2001年12月17日

目录

1前言..........................................................2

2输入信息......................................................3

3处理方法选择...................................................3

3.1苯和氯化苯的物理性质........................................3

3.2氯化苯生产废水处理方法选择..................................4

4汽提法回收氯化苯废水中苯及氯苯的工艺............................4

5汽提回收模拟计算................................................5

6汽提塔主体设计..................................................5

6.1塔径计算....................................................5

6.2填料层高度计算..............................................6

7效益分析........................................................6

7.1经济效益....................................................6

7.2环境效益....................................................7

8结论............................................................7

9几个问题的讨论..................................................7

参考文献...........................................................8

致谢...............................................................9

附录1ASPENPLUS模拟过程输入数据...............................10

附录2ASPENPLUS模拟结果........................................12

0前言

概念设计又称为“预设计”，在根据开发基础研究成果、文献数据、现有类似的操作数据和工作经验，按照所开发的新技术工业化规模而作出的预设计，用以指导过程研究及提出对开发性的基础研究进一步的要求，所以它是实验研究和过程研究的指南，是开发研究过程中十分关键的一个步骤。

概念设计不同于工程设计，因而不能作为施工的依据，但是成功的概念设计不但可以节省大量的人力和物力，而且又可以加快新技术的开发速度，提高开发的水平和实用价值。

即使一个很普通的单一产品的生产过程，也可能有104～109个方案可供选择。

如何从技术、经济的角度把最有希望的方案设计出来，是作为强化研究开发工作的方向，这是一种系统化的分级决策过程，也正是概念设计的内含所在。

概念设计是设计者综合开发初期收集的技术经济信息，通过分析研究之后。

对开发项目作出一种设想的方案，其主要内容包括：

原料和成品的规格，生产规模的估计，工艺流程图简要说明，物料衡算和热量衡算，主要设备的规模，型号和材质的要求，检测方法，主要技术和经济指标，投资和成本的估算，投资回收预测，三废治理的初步方案以及对中试研究的建议。

随着计算技术和计算机技术的发展,化工流程过程模拟软件也越来越成熟，计算机辅助设计也日趋广泛。

在进行概念设计时，采用流程系统模拟物料衡算和热量衡算，投资和成本估算等问题以及采用流程模拟软件进行整体优化也越来越普遍。

本文采用国际上最成功和最流行的过程模拟软件之一的ASPLENPLUS作为辅助设计的主要工具。

与过程有关的物料和能量的衡算基本上由该软件给出，并从设计流程计算的收敛与否来检验该流程是否可行。

课题设计背景：

锦化集团2.5万t/a氯苯产生的生产废水含有高浓度的苯及氯苯，若直接排入污水场处理，对污水处理场的微生物有严重的毒害作用，极大的影响污染物降解率，同时造成资源浪费，因此治理氯化苯废水，回收废水中苯及氯化苯不仅能带来一定的经济效益，而且具有巨大的环境效益和社会效益。

由于氯化苯废水的可生化性差，常规的生化及化学投药处理效果均不理想，目前尚无成熟的工艺处理此种污水。

通过比较氯化苯废水的几种处理方法，从而提出采用气提法来回收氯化苯废水中的苯及氯化苯。

本文通过概念设计，确定了用气提法来回收氯化苯废水中的苯及氯化苯，并对其进行经济效益评价。

本文按照以下基本步骤进行设计：

1.氯化苯生产废水处理方法选择；

2.汽提法回收废水中苯及氯苯的工艺；

3.设计方案模拟计算；

4.效益分析；

1输入信息

苯和氯化苯是两种重要的基本化工原料：

氯化苯可用于合成苯酚、二硝基氯苯、三硝基氯苯、染料农药原料以及医药、炸药、橡胶助剂，苯是生产炸药、塑料、农药等的重要原料。

氯化苯生产废水中由于含有一定浓度的苯和氯化苯，若直接排放，会对污水处理场的微生物有极其严重的毒害作用，从而加大后续处理的难度并影响污废水的处理效果，因此对氯化苯生产废水中的苯及氯化苯进行回收具有重大的现实意义与理论意义。

氯化苯生产工艺中酸苯分离、真空泵、废水罐排放废水中含有一定浓度的苯及氯化苯，在车间正常生产时，对所排废水进行24h监测，其水质水量见表一所示。

表一氯化苯废水水质水量一览表

序号

名称

流量

ρ（苯）

m3.h-1

ρ（氯苯）

mg.L-1

ρ（二氯苯）

mg.L-1

1

酸性呼吸下水

0.75

934.4

101.90

2

酸苯分离下水

1.4

608.80

136.70

5.25

3

副产盐酸下水

0.94

124.25

59.64

4

真空泵排水

2.13

14.91

427.40

5.25

5

北门污水沟水

6.12

19.88

79.52

6

废水罐排水

0.31

2644.00

550.00

7

中和泵群排水

1.90

556.64

47.22

8

水量合计及水质平均值

13.55

273.10

146.20

1.37

另外，经分析废水PH值为2～4，呈强酸性。

2处理方法选择

2．1苯和氯化苯的主要物理性质

苯的主要物理性质：

常温下为无色透明液体,沸点80.1℃,在水中溶解度为1.865ｇ/L（25℃）,与水的共沸点为69.25℃（101.3kＰa）,共沸组成是苯91.16%,水8.84%。

氯化苯的主要物理性质：

常温下为无色透明液体，沸点132℃，在水中溶解度为0.049ｇ/（100ｇ水）（30℃），与水的共沸点为90.2℃（共沸组成：

氯化苯1.6％，水28.4%）。

2．2氯化苯生产废水处理方法选择

根据苯及氯化苯的物理性质，可采用物理方法处理，包括吸附法、精馏法和汽提法。

采用吸附法分离，由于污水流量较大，采用升流式移动床串联，达到95％的去除率所需吸附床尺寸为φ2.44m×10.7m（2个），而且吸附剂与解吸剂的用量高达20t，同时需频繁进行吸附剂再生切换，流程复杂；采用精馏法处理，由于塔顶和塔底物物性相近，所需塔板数过多，操作上较为困难，从热力学角度考虑为达到分离要求所需能耗过高；采用汽提方法处理，设备容积小，流程较简单，操作容易，回收率较高。

由此通过这种简单比较可初步确定选择汽提法回收废水中的苯、氯化苯及二氯苯。

3汽提法回收氯化苯废水中苯及氯苯的工艺

汽提法回收苯及氯苯的工艺流程见图一所示：

将来自氯化苯生产工艺中酸苯分离、真空泵、废水罐的排放废水及其它各段废水充分混合后，用泵打入中和反应器内，加入来自其它工段的废碱与废水充分混合，调节PH值为6～9之间。

经过格栅去除固体悬浮物质后，利用中和反应器的高位压差将废水送至机械过滤器以除去细小悬浮微粒，然后经列管式换热器预热到80℃之后进入汽提塔。

经汽提后，塔顶的汽提蒸汽经冷凝后送至凝液罐中进行油水分离。

凝液罐中部的凝结水进入污水处理场，顶层和底层的苯、氯化苯及二氯苯进入分离罐进一步分离后回用。

4汽提回收模拟计算

根据苯、氯苯、二氯苯水溶液的极性特点，利用污水中苯、氯苯的浓度及污水处理要求，用ASPANPLUS流程模拟软件对废水中苯及氯苯的汽提法回收进行模拟。

其模拟流程图如图二所示。

图二汽提法回收氯苯废水中苯和氯苯模拟流程图

流程模拟输入数据见附录一。

模拟计算结果见表二。

表二模拟计算结果统计表

塔

顶

温度/℃

104.7

压力/MPa

0.12

气相采出负荷/（Kg.h-1）

200

冷凝器负荷/（106KJ.h-1）

0.032

塔

底

温度/℃

109.3

压力/MPa

0.14

采出液体量/（Kg.h-1）

13350

采出液体中苯质量分数

2.5×10-22

采出液体中氯化苯质量分数

3.1×10－18

采出液体中二氯苯质量分数

8×10－5

预热器负荷/（106KJ.h-1）

11.0

理论级数

11

回收率/%

100％

流程模拟详细结果见附录二。

5汽提塔的主体设计

5.1塔径的计算

由ASPEN模拟计算结果，塔内上升气体的摩尔流量平均为0.018kmol/s，以其所对应的状态：

380k、130kPa。

计算其体积流量Vs如下:

Vs＝0.018×8.31×4380/130＝0.4374m3/s

再由D＝

计算塔径

式中:

Vs－体积流量，m3/s

u－空塔速率，m/s

由工程上经验数据，对于该体系可取u＝0.6m/s，代入数据，得到

D＝0.964m，圆整得D＝1m

5.2填料层高度的计算

填料层的高度用等板高度法计算+

H＝NP×HETP

NP＝NT/η

由Aspan模拟计算结果，NT＝11，取塔效率η为70％

则NP＝11/0.7＝16

由经验数据，取等板高度HETP＝0.5m

代入上式

H＝16×0.5＝8m

即填料层的高度为8米。

6效益分析

6．1经济效益

工艺流程中的蒸汽和冷凝水采用其它工段的废热和冷凝水。

按正常废水排放量和正常排放浓度，回收率按95％计。

每年可回收苯（一年按330天计）：

回收氯化苯：

回收二氯苯：

苯、氯化苯及二氯苯的市场价格分别按2400元/t、2750元/t、4500元/t计算，则总共可创效益10.85万元/年。

从而缓解了污水处理厂“建得起，养不起”的矛盾。

6．2环境效益

用传统方法包括吸附法和精馏法处理氯化苯废水投资巨大，回收率低，处理后废水不能达标排放，并且处理后废水中还含有一定的苯及氯化苯，因而给后续处理工艺带来一定的困难。

使用这种汽提回收法可有效处理氯化苯废水，充分回收了其中的苯、氯化苯及二氯苯等有用化工原料，苯及氯化苯的去除减少了对污水生化处理的危害，处理后废水达到国家一级排放标准，从而实现了污染物的资源化及氯化苯的清洁生产，为污水处理场全面实现达标排放提供了前提保证。

7结论

7.1通过简单的比较，选定了用汽提法来回收氯化苯废水中的苯及氯化苯从而达到处理氯化苯废水的目的，并设计了汽提法回收氯化苯废水的废水处理工艺；

7.2用AspanPlus流程模拟软件模拟汽提法回收氯化苯废水中苯和氯化苯所得出的结果是合理的；

7.3用汽提法回收氯化苯废水中的苯及氯化苯具有一定的经济效益和环境效益，缓解了污水处理厂“建得起，养不起”的矛盾。

8几个问题的讨论

8.1由于作者所掌握的化工方面的知识有限，加上时间关系，对于用AspanPlus流程模拟软件模拟汽提法回收氯化苯废水中苯和氯化苯，只是作了模拟方面的内容，没有对这种汽提法回收作出优化，因此对模拟所得出的预热器和冷凝器的负荷及其它一些指标有待于进一步优化后作出改进；

8.2用汽提法回收氯化苯废水中的苯及氯苯作为氯化苯废水处理的现行的最佳方法，也有待于进一步优化和改进。

参考文献

[1][美]J.M.道格拉斯著.蒋楚生等译.化工过程的概念设计.北京：

化学工业出版社，1994年

[2]吴指南等编著.基本有机化工工艺学.北京：

化学工业出版社，1990年

[3]杨冀宏，麻德贤编著.过程系统工程导论.北京：

烃加工出版社，1989年

[4]ASPLENPLUSMANUL.

[5]王志文主编.化工容器设计.北京：

化学工业出版社，1990年

[6]RichardTurton,RichardC.Bailie,WallaceB.Whiting,JosephA.Shaeiwitz.Analysis,Synthesis,andDesignofChemicalProcesses.America:

PrenticeHall

[7]焦志强，沈文玲.汽提法回收氯化苯废水中的苯及氯化苯.氯碱工业，2000年7月

[8]曾科，卜秋萍，陆少鸣主编.污水处理厂设计与运行.北京：

化学工业出版社，2001年

[9]唐收印，汪大翚等编.废水处理工程.北京：

化学工业出版社，1998年

致谢

作者在完成本文的过程中，得到了指导教师钱宇教授和陆恩锡教授的悉心指导和殷切教诲，钱教授和陆教授严谨的治学态度、宽广的领域知识、兢兢业业的工作作风、孜孜不倦的工作精神以及开拓进取高瞻远瞩的思想意识，时刻激励作者完成本文的信心和勇气。

在本文完成之际，作者谨对两位教授致以崇高的敬意和衷心的感谢！

在用ASPANPLUS模拟软件模拟汽提法回收氯化苯废水中苯及氯苯的过程中，还得到了化工学院吴剑博士、李谦博士、文政博士、环境工程系颜智勇博士、成文博士及其他同学的大力支持与帮助，在此一并表示衷心感谢！

附录一：

ASPANPLUS模拟过程输入数据

附录二：

ASPANPLUS模拟结果

Substream:

MIXED

MoleFlowkmol/sec

123

CALCI-01.00000191181681.000001911816812.94632197E-33

BENZE-01.0000132468036.0000132468036.0000132468036

CHLOR-01.0000049213668.0000049213668.0000049213668

M-DIC-013.53110125E-083.53110125E-085.3389562E-11

WATER.208827332.208827332.00299561463

MassFlowkg/sec

CALCI-01.000212179929.0002121799293.2699283E-31

BENZE-01.00103475605.00103475605.00103475605

CHLOR-01.000553941173.000553941173.000553941173

M-DIC-01.00000519083041.000005190830417.84843433E-09

WATER3.762082853.76208285.0539668363

TotalFlowkmol/sec.208847447.208847447.00301378285

TotalFlowkg/sec3.763888923.76388892.0555555414

TotalFlowcum/sec.00378892731.00396665728.0782389949

TemperatureK298.15343.15377.806009

PressureN/sqm120000120000120000

VaporFrac001

LiquidFrac110

SolidFrac000

EnthalpyJ/kmol-285657104-282415791-237254123

EnthalpyJ/kg-15850296.9-15670445.7-12870586.6

EnthalpyWatt-59658756.8-58981817-715032.409

EntropyJ/kmol-K-162681.609-152606.928-38126.0206

EntropyJ/kg-K-9026.73789-8467.72259-2068.26438

Densitykmol/cum55.120468152.6507415.0385202143

Densitykg/cum993.391694948.881806.710074835

AverageMW18.022192618.022192618.4338236

Substream:

MIXED

MoleFlowkmol/sec

456

CALCI-012.94632197E-33.000001911816810

BENZE-01.00001324680363.32163039E-270

CHLOR-01.00000492136681.52929811E-230

M-DIC-015.3389562E-113.52576229E-080

WATER.00299561463.205831717.0462570296

MassFlowkg/sec

CALCI-013.2699283E-31.0002121799290

BENZE-01.001034756052.59464641E-250

CHLOR-01.0005539411731.72135348E-210

M-DIC-017.84843433E-09.000005182981980

WATER.05396683633.70811601.83333334

TotalFlowkmol/sec.00301378285.205833664.0462570296

TotalFlowkg/sec.05555554143.70833338.83333334

TotalFlowcum/sec.000363556212.004084862131.30516958

TemperatureK323.15382.494248376.15

PressureN/sqm120000140000110000

VaporFrac.0047427094101

LiquidFrac.99525729110

SolidFrac000

EnthalpyJ/kmol-281758014-279397387-239241087

EnthalpyJ/kg-15284838.4-15508149.3-13279898.3

EnthalpyWatt-849157.47-57509387.8-11066582

EntropyJ/kmol-K-156991.67-144238.135-37289.9567

EntropyJ/kg-K-8516.50065-8006.03957-2069.90714

Densitykmol/cum8.2897300450.3893785.0354413941

Densitykg/cum152.811421907.823387.638486638

AverageMW18.433823618.016165618.01528

Substream:

MIXED

MoleFlowkmol/sec

6789

CALCI-010000

BENZE-010000

CHLOR-010000

M-DIC-010000

WATER.0462570296.0462570296.0462570296.0462570296

MassFlowkg/sec

CALCI-010000

BENZE-010000

CHLOR-010000

M-DIC-010000

WATER.83333334.83333334.83333334.83333334

TotalFlowkmol/sec.0462570296.0462570296.0462570296.0462570296

TotalFlowkg/sec.83333334.83333334.83333334.83333334

TotalFlowcum/sec1.30516958.835304525.000838773235.000873855492

TemperatureK376.15375.487938298.15338.581283

PressureN/sqm110000110000101300101300

VaporFrac1.64089753500

LiquidFrac0.35910246511

SolidFrac0000

EnthalpyJ/kmol-239241087-253875399-285682722-282783162

EnthalpyJ/kg-13279898.3-14092226.1-15857800.8-15696850.8

EnthalpyWatt-11066582-11743521.9-13214834.1-13080709.1

EntropyJ/kmol-K-37289.9567-76264.0243-162687.738-153614.464

EntropyJ/kg-K-2069.90714-4233.29664-9030.54175-8526.89848

Densitykmol/cum.0354413941.05537744455.148433152.9344154

Densitykg/cum.638486638.99764016993.514463953.628315

AverageMW18.0152818.0152818.0152818.01528

B1

16