75t丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程
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研究背景
丙烯腈生产装置的工艺废水主要来自两段急冷塔和脱氰组分塔的废水。在一段急冷塔，用水洗去反应气中的聚合物和催化剂粉尘。该段污水经催化剂沉降后，产生高浓度含氰水。该废水含有丙烯腈、乙腈、氢氰酸、丙烯醛、乙醛、丙腈及大量聚合物等。二段急冷废水含有20％左右的硫酸铵，另外含有同一段急冷废水相近的污染物，只是污染物浓度低。丙烯腈生产废水属于公认的难降解高浓度有机废水，其中丙烯腈属于我国确定的58种优先控制和美国EPA规定的114种优先控制的有毒化学品之一。随着各国对于工业废水排放要求的不断提高，丙烯腈废水的达标排222放已经成为制约丙烯腈生产企业发展的重要因素。目前，丙烯腈装置三废处理是根据污染物不同形态，采取高处排放、焚烧、四效蒸发、掩埋等措施进行处理。
目前，大型丙烯腈生产装置都采用四效蒸发方法处理废水，不仅提浓了原料液，使其满足后续工序的要求，而且节省了大量的水源和一定量的蒸汽，对系统的节能减排具有实际意义。丙烯腈废水经四效蒸发预处理后，废水量大大减少，焚烧单元负荷操作相对简单。四效蒸发方法减少了蒸汽用量，做到了节能减排，在丙烯腈工业废水处理中应用广泛。
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工艺流程介绍
以75kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发流程模拟。
工业流程
某260kt/a丙烯腈生产装置产生的废水温度113℃，压力600kPa，流率75148.1kg/h，其中含有丙烯腈聚合物（以C6H8N2O计算）816kg/h。丙烯腈装置的运行需要大量的水，为了节约新鲜水，并减少污水处理系统的负荷，必须大大浓缩工艺污水。采用四效蒸发器系统可回收大部分工艺水，只有少部分废水送至焚烧炉或生化处理系统。
丙烯腈装置四效蒸发器系统采用并流加料法，工艺流程如图5－33所示。工艺污水（物流号70）进入第一效蒸发器（V－5001），蒸发所需热量由加热器（E－5001）提供。液体被泵强制循环加热后部分蒸发，在汽液分离器中分相后一部分液体被送到第二效蒸发器，部分液体被泵强制循环入加热器的进口进行加热闪蒸。第一效蒸发器的热源是0.37MPag的饱和蒸汽，来自蒸汽管网。
第二效蒸发器进料（物流号72）是一效蒸发器来的未蒸发的残液，液量由一效蒸发器液位调节器控制，蒸发所需热量由一效蒸发器顶部蒸汽（物流号71）提供。进入第二效蒸发器的液体继续进行循环加热、闪蒸汽化、汽液分离、液液分配的过程。
第三效蒸发器进料（物流号74）是二效蒸发器未蒸发的残液，进料量由二效蒸发器液位调节器控制，蒸发所需热量由二效蒸发器顶部蒸汽（物流号73）提供。
第四效蒸发器进料（物流号76）是三效蒸发器未蒸发的残液，进料量由三效蒸发器液位调节器控制，蒸发所需热量由三效蒸发器顶部蒸汽（物流号75）提供，蒸发残液（物流号84）送焚烧炉处理。
第四效蒸发器顶部蒸汽依次通过两个串联的冷凝器（E-5005、E-5006）冷凝冷却，约90％的蒸汽在冷凝器E－5005中冷凝，不凝气相由真空泵抽至火炬总管。四效蒸发器的操作压力由第四效蒸发器顶部的压力控制器调节真空泵出口气体返回入口的量来控制。
冷凝器E-5005用循环冷却水（CWS，进口33℃，400KPa，出口43℃）作为冷凝冷却介质。冷凝器E-5006用循环冷冻水（RWS，进口0℃，400KPa，出口10℃）作为冷凝冷却介质。
第一、二、三、四效蒸发器的二次蒸汽冷凝液汇总后（物流号80）在换热器（E-5007）内与汽提塔（T-5001）的一股釜液（物流号83）换热升温・然后送入汽提塔进行汽提处理，以脱去冷凝液中残存的轻组分。汽提塔有30块实际塔板，塔顶操作压力0.08MPag，塔釜再沸器用0.37MPag的饱和蒸汽加热。约占进料15.3%质量分数的液体从塔顶被汽提蒸出，这股含轻组分的汽相（物流号85）入回收塔T-3001塔（下一单元）冷凝回收。汽提后的釜液分成两部分，55％（质量分数）釜液（物号83）被进塔冷凝液换热回收热量后送回丙烯腈装置循环利用，45％质量分数）的釜液（物流号82）用循环冷却水（进口33℃，400KPa）冷却至50℃后运至生化系统进一步处理。
四效蒸发器的工艺设计数据详见附表1
参数 | 1效 | 2效 | 3效 | 4效 |
P/MPag | 0.105 | 0.046 | 0.072（A） | 0.02（A） |
t/℃ | 121.5 | 111.0 | 90.4 | 59.8 |
浓缩液中聚合物质量分数/％ | 1.3 | 1.7 | 2.7 | 5.9 |
加热器热负荷/MW | 9.1 | 8.33 | 9.12 | 10.23 |
分离要求
要求通过四效蒸发流程把废水中的水分蒸出83％，冷凝后的净化水作为工艺循环水使用，使浓缩液中的丙烯腊聚合物质量浓度达到5.9％以上。多效蒸发器的最终压力不低于20kPa，求四效蒸发流程的直接蒸汽消耗量。
绘制模拟计算流程图
用汽液闪蒸器、换热器、分配器三个块组合构成一台强制外循环蒸发器，把丙烯腈装置废水四效蒸发系统工艺流程化为模拟计算流程图，如图1-2所示。
（a）四效蒸发单元
（b）蒸汽冷凝液气提单元
图1-2 四效蒸发系统模拟流程图
图1-2（a）所示为四效蒸发模拟流程：图1-2（b）所示为蒸汽冷凝液汽提模拟流程，两图合起来构成完整的四效蒸发系统模拟流程。
02
模拟软件全局性参数设置
计算类型选择“ Flowsheet＂，选择计量单位制，设置输出格式。单击“Next＂按钮，进入组分输入窗口，在＂“ Component ID”中输入组分水与丙烯腈聚合物C6H8N2O，物性方法选择 UNIFAC方程的物性集。
把题目给定的进料物流信息填入对应栏目中，蒸汽消耗量暂时填入10000kgh，然后使用“ Design Specifications”功能调整蒸汽的用量，以控制浓缩液中的丙烯腈聚合物质量浓度不低于5.9％。
03
模块参数
设置各个模块参数的设置可参考附表1的四效蒸发器工艺设计数据。
第一、二、三、四效蒸发器中汽液闪蒸器模块的热负荷均设置为零，各闪蒸压力按附表1的附表1的设计数据设置，第四效蒸发器汽液闪蒸器参数设置如图1-3所示。
图1-3第四效蒸发器气液闪蒸器参数设置
第一、二、三、四效蒸发器中换热器模块采用简捷计算模式，换热器模拟设定（Exchanger specification）选择热流体出口汽化分率（Hot stream outlet vapor fraction）为零，不计压降，第四效蒸发器换热参数设置图1-4所示
图1-4第四效蒸发器换热器参数设置
第一、二、三、四效蒸发器中分配器设定分流浓缩液体的分配比分别为0.78、0.74、0.64、0.42，第四效蒸发器分配参数设置如图1-5所示。
图1-5第四效蒸发器分配器参数设置
汽提塔（T-5001）采用RadFrac模块，假设汽提塔版效率为0.6，取理论塔板数18块，从第一块塔板上进料，设置塔顶操作压力0.08MPag，塔板压降0.7Kpa，根据题目给定的汽提塔蒸出率，设置塔釜液体流率52290Kg/h，汽提塔参数设置如1-6所示。
图1-6汽提塔参数设置
使用“ Design Specifications”功能，通过调整第一效蒸发器直接蒸汽加入量控制第四效蒸发器浓缩液的浓度，达到题目规定的蒸发要求。
使用“ Design Specifications＂”功能，调整进入冷凝器E-5005循环冷却水的流率，使循环冷却水的温升为10℃。
使用“ Design Specifications”功能，调整进入冷凝器E-5006循环冷冻水的流率，使循环冷冻水的温升为10℃。
04
工艺模拟结果
至此，图1-2所示四效蒸发系统各计算模块的参数设置完毕，可以运行，结果见图1-7、图1-8
图1-7四效蒸发系统模拟结果1——节点物流性质
由1-7，最终浓缩液（物流号84）中丙烯腈聚合物（C6H8N2O）的质量分数为0.059，蒸发水分74332.1－12594.9=61737.2（kg/h），废水中水分的蒸发率为
1-12594.9/74332.1=83.06%
达到题目规定的蒸发要求，四效蒸发过程消耗直接蒸汽（物流号LS）为15644kg/h，单位质量直接蒸汽蒸发水分61737.2／15644=3.95。与单效蒸发相比，四效蒸发时直接蒸汽的利用效率增加了3倍。
图1-7中物流72、74、76、84是四效蒸发过程中由上一效蒸发器进入下一效蒸发器的浓缩液，其温度、浓度与附表1的工艺设计数据非常吻合。
图1-8给出了四台蒸发器加热器的换热计算结果，可见四台蒸发器加热器的热负荷与附表1的工艺设计数据也非常吻合。
（a）第一效蒸发器热负荷
（b）第二效蒸发器热负荷
（c）第三效蒸发器热负荷
（d）第四效蒸发器热负荷
图1-8四效蒸发系统模拟结果2——蒸发器热负荷
参考文献：
[1]包宗宏、武文良.化工计算与软件应用 化学工业出版社
（注：小编悄悄告诉你，在后台回复“丙烯腈四效蒸发”即可获得本模拟的源文件哟~）
END
本期编辑：陈弘男
本期排版：王怡