溫小榮，梁椿松，孫明奎，管 磊，楊學(xué)洪(邁安德集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 184—2006，浸出尾氣一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)中溶劑含量不得高于5 000 mg/m3。因此，提高尾氣中溶劑的回收率，降低溶劑消耗不僅對(duì)油脂企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著極其重要的作用，同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)也具有重要的意義[1]。

對(duì)于自由氣體中溶劑的回收，目前國(guó)內(nèi)外主要采用3種方法，即冷凍回收法、固體吸附法和液體吸收回收法[2]。目前，較為經(jīng)濟(jì)的、適用于大中型油脂企業(yè)的方法為礦物油吸收法。

礦物油尾氣吸收系統(tǒng)主要包括吸收塔，解析塔，富油泵，貧油泵和換熱器。尾氣系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的操作參數(shù)控制合適與否關(guān)系到尾氣中溶劑的含量，若操作不當(dāng)將大大增加生產(chǎn)成本和造成環(huán)境污染。因此，研究各個(gè)關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)尾氣溶劑含量的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)操作有著重要的意義。

PRO II 軟件是Simsci公司開(kāi)發(fā)的大型流程模擬軟件，在化學(xué)、石油、天然氣、合成燃料工業(yè)等方面可提供復(fù)雜、正確及可靠的模擬功能。 PRO II不僅可以為化工流程設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)，還可以對(duì)現(xiàn)有流程進(jìn)行優(yōu)化，提高企業(yè)效益。

本文以PRO II為模擬工具，建立浸出車(chē)間尾氣系統(tǒng)模擬流程，優(yōu)化各關(guān)鍵操作參數(shù)，期望能對(duì)浸出車(chē)間尾氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)操作有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 尾氣來(lái)源與組成

尾氣來(lái)自1 000 t/d大豆坯片浸出車(chē)間，進(jìn)吸收塔尾氣溫度35℃，尾氣中空氣流量為100.3 kg/h，正己烷流量為147.5 kg/h，水蒸氣流量為5.7 kg/h。

1.2 模擬軟件

模擬軟件采用PRO II 9.2版本。

1.3 物性方法

采用NRTL(活度系數(shù))物性方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬流程圖(見(jiàn)圖1)

圖1 尾氣系統(tǒng)PRO II模擬流程圖

圖1中T1和T2分別為吸收塔和解析塔，選用PRO II中Distillation模塊，設(shè)定無(wú)冷凝器和再沸器，塔板數(shù)為12(實(shí)際生產(chǎn)中填料大多采用的是鮑爾環(huán)，填料高度為6 m，等板高度為500 mm)。P1為富油泵，P2為貧油泵，E1為換熱器，E2為進(jìn)入吸收塔冷卻器，E3為進(jìn)入解析塔加熱器。礦物油為碳原子數(shù)在18～30之間的烴類(lèi)混合油，用物質(zhì)C22H46代替，標(biāo)記為M-O；經(jīng)過(guò)浸出車(chē)間最終冷凝器冷凝后的尾氣從吸收塔第12塊塔板底部進(jìn)入，標(biāo)記為FEED；解析塔直接汽由第12塊塔板底部進(jìn)入，標(biāo)記為STEAM。

2.2 礦物油循環(huán)量選擇

選擇合適的礦物油循環(huán)量十分重要，循環(huán)量過(guò)小，造成填料塔噴淋密度低，填料不能獲得良好的濕潤(rùn)；循環(huán)量過(guò)大，勢(shì)必會(huì)增大循環(huán)泵的負(fù)荷和增加蒸汽耗量。最小噴淋密度Umin計(jì)算公式如下：

Umin=(Lw)minσ

式中：Umin為最小噴淋密度，m3/(m2·h)；(Lw)min為最小濕潤(rùn)速率，m3/(m·h)；σ為填料的比表面積，m2/m3。

對(duì)于直徑為Φ25 mm，比表面積為219 m2/m3的鮑爾環(huán)填料，可取最小濕潤(rùn)速率(Lw)min為0.08 m3/(m·h)[3]。因此，該鮑爾環(huán)的最小噴淋密度Umin=0.08×219=17.5 m3/(m2·h)。塔徑為 0.5 m 的鮑爾環(huán)填料塔噴淋量為最小噴淋密度與塔截面積的乘積，即噴淋量Q=UminS=17.5×3.14×(0.5÷2)2=3.4(m3/h)?？紤]一定的余量，保證填料表面能充分濕潤(rùn)，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中控制礦物油循環(huán)量為4 m3/h，即3 308 kg/h(礦物油密度為827 kg/m3)。

2.3 解析溫度對(duì)殘溶的影響

圖2為在礦物油循環(huán)量4 m3/h、直接汽量120 kg/h、解析塔塔頂壓力100 kPa(本文中出現(xiàn)的壓力均為絕對(duì)壓力)的條件下，尾氣殘溶和貧油殘溶隨解析溫度的變化曲線(xiàn)。

圖2 解析溫度對(duì)貧油殘溶和尾氣殘溶的影響

由圖2可以看出，尾氣殘溶與貧油殘溶變化趨勢(shì)一致，均隨著解析溫度的升高而下降。解析溫度從80℃升至125℃，貧油殘溶由9 289 mg/m3降至1 mg/m3，尾氣殘溶由31 037 mg/m3降至5 mg/m3。原因是解析溫度升高，增加了溶劑在礦物油中的蒸氣壓，使溶劑更容易從礦物油中脫除，從而使貧油殘溶降低，貧油殘溶越低，進(jìn)入吸收塔對(duì)尾氣捕集效果越好，尾氣殘溶隨之降低。解析溫度大于105℃時(shí)，尾氣殘溶和貧油殘溶變化曲線(xiàn)趨于平緩?？紤]到解析溫度太高，礦物油容易發(fā)生氧化分解，且增大蒸汽消耗，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中建議控制解析溫度為105℃。

2.4 解析塔塔頂壓力對(duì)殘溶的影響

圖3為在礦物油循環(huán)量4 m3/h、直接汽量120 kg/h、解析溫度105℃的條件下，尾氣殘溶和貧油殘溶隨解析塔塔頂壓力的變化曲線(xiàn)。

圖3 解析塔塔頂壓力對(duì)尾氣殘溶和貧油殘溶的影響

由圖3可以看出，隨著解析塔塔頂壓力升高，尾氣殘溶和貧油殘溶隨之升高，解析塔塔頂壓力由常壓(100 kPa)降至60 kPa，貧油殘溶由146 mg/m3降至1 mg/m3，尾氣殘溶由518 mg/m3降至3 mg/m3。這是因?yàn)榻馕鏊攭毫υ礁?，殘溶礦物油的沸點(diǎn)越高，溶劑越難被汽提出來(lái)，貧油殘溶隨之升高，而貧油殘溶的升高勢(shì)必會(huì)引起尾氣殘溶的升高。

因?yàn)樨?fù)壓解析在相同的礦物油循環(huán)量、解析溫度和直接汽量的條件下，尾氣殘溶比常壓殘溶低，所以有的油脂廠(chǎng)家選擇將解析塔的氣相管道并入第一蒸發(fā)器的氣相管道，從而形成40～53.32 kPa的真空[4]。需要指出的是，在真空下，氣體的密度減小，與常壓解析塔相比，相同質(zhì)量流量的的水蒸氣和溶劑氣在真空解析塔中氣速更快。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，真空解析塔塔徑要大于常壓解析塔的和吸收塔的，否則，真空一旦過(guò)高，解析塔很容易發(fā)生液泛。

2.5 直接汽量對(duì)尾氣殘溶的影響

解析塔是根據(jù)水蒸氣蒸餾的原理將富油中溶劑汽提出來(lái)，直接汽量取決于操作壓力和設(shè)備的混合效率[5]。不同解析塔塔頂壓力下直接汽量對(duì)尾氣殘溶的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，負(fù)壓解析可以明顯節(jié)約直接蒸汽，壓力越高要達(dá)到相同的尾氣殘溶需要消耗更多的直接蒸汽，如要使尾氣殘溶達(dá)到160 mg/m3，解析塔塔頂壓力為60 kPa時(shí)只需要80 kg/h的直接汽量，而壓力為80 kPa和100 kPa時(shí)則分別需要 110 kg/h 和136 kg/h的直接汽量。而在相同的解析塔塔頂壓力下，尾氣殘溶隨著直接汽量的增加呈下降的趨勢(shì)，如在常壓下，直接汽量為80 kg/h時(shí)尾氣殘溶為7 533 mg/m3，而在170 kg/h時(shí)可降低至20 mg/m3。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中一般需要控制尾氣殘溶1 000 mg/m3以下，常壓解析需要的直接汽量為110 kg/h，60 kPa下解析需要直接汽量為65 kg/h，為常壓下的59%。

圖4 不同解析塔塔頂壓力下直接汽量對(duì)尾氣殘溶的影響

2.6 物料平衡表

設(shè)定礦物油循環(huán)量為4 m3/h，進(jìn)解析塔溫度為105℃，解析塔塔頂壓力為100 kPa和60 kPa時(shí)的PRO II模擬物料平衡表分別如表1和表2所示。

表1 解析塔塔頂壓力為100 kPa下PRO II模擬物料平衡表

表2 解析塔塔頂壓力為60 kPa下PRO II模擬物料平衡表

續(xù)表2

項(xiàng)目FEED進(jìn)氣VENT尾氣S1吸收塔底液S4解析塔進(jìn)液S5解析塔氣相S6解析塔底液S9吸收塔進(jìn)液STEAM直接汽總質(zhì)量流量/(kg/h)254106345634562123309330865質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% 正己烷58．20．08524．34．369．50．02430．02430 水/水蒸氣2．26．10030．30．03080．0308100．0 空氣39．693．8000．3000 礦物油0095．795．70．099．999．90質(zhì)量流量/(kg/h) 正己烷147．50．1148．2148．2147．40．80．80 水/水蒸氣5．76．50．20．264．21．01．065．0 空氣100．399．70．60．60．6000 礦物油003307．43307．403307．43305．90

由表1和表2可以看出，35℃的混合汽FEED被冷卻至35℃的礦物油(S9)逆流吸收后，由于吸收過(guò)程中放熱，吸收塔底部液相出口(富油)溫度達(dá)到42℃，富油中溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%。殘溶4.3%的富油經(jīng)過(guò)換熱和加熱至105℃后進(jìn)入解析塔，在常壓和負(fù)壓解析塔中分別通入110 kg/h和65 kg/h飽和水蒸氣，溶劑在水蒸氣的作用下被脫出。富油變成貧油過(guò)程中溶劑汽化吸熱，常壓和負(fù)壓解析塔底部液相溫度分別降至101℃和100℃，貧油殘溶分別降至274 mg/m3和243 mg/m3，貧油經(jīng)過(guò)換熱和冷卻后再次進(jìn)入吸收塔，將尾氣殘溶分別降至955 mg/m3和852 mg/m3，均小于5 000 mg/m3，滿(mǎn)足尾氣國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

利用模擬軟件PRO II對(duì)油脂浸出車(chē)間尾氣吸收系統(tǒng)進(jìn)行流程模擬和參數(shù)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，吸收塔吸收效果的好壞取決于解析塔的解析效果，而解析溫度、解析塔塔頂壓力和直接汽量是影響解析效果的關(guān)鍵因素。進(jìn)入解析塔富油溫度大于105℃，貧油中溶劑脫除較為徹底。負(fù)壓解析有利于溶劑的脫除，在同樣的脫除效果下(尾氣殘溶<1 000 mg/m3)，解析塔塔頂壓力為60 kPa時(shí)的直接汽量為常壓解析的59%。因此，在尾氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮負(fù)壓解析，有助于降低尾氣中的殘溶和節(jié)約蒸汽。

[1] 馮子龍, 楊振娟, 趙樹(shù)超, 等. 浸出車(chē)間尾氣處理系統(tǒng)的改進(jìn)與探討[J]. 中國(guó)油脂, 2004, 29(2):27-29.

[2] 劉玉蘭. 油脂制取與加工工藝學(xué)[M]. 2版. 北京: 科學(xué)出版社, 2009: 297-300.

[3] 夏清, 陳常貴. 化工原理[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2005:185-187.

[4] WOLF H, HAMILTON R J, CHLLIAUW G. Edible oil processing[M].2nd ed. USA: Willey-Blackweel, 2013:117-123.

[5] O’BRIEN R D. Fats and oils: formulating and processing for applications[M]. 2nd ed. Baca Raton: CRC Press, 2004:147-153.