陈利斌，许可，朱志坤，郑高吉，周靖鑫
（浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310030）
N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）是两种优良溶剂，具有良好的化学特性和相对的热稳定性，在纺丝、医药、农药生产和涂料行业等领域有着广泛的用途。随着聚酰亚胺膜、芳纶等产业的飞速发展，DMF 和DMAc 的市场潜能被进一步激发。DMF 和DMAc 的价格较高，因此有必要对生产废液中的DMF、DMAc 进行回收，以降低企业的生产成本，同时降低后续废水浓度，利于生化处理，保护环境[1]。
DMF 的沸点约153 ℃，DMAc 的沸点约164 ℃，与水的沸点相差很大，且不会形成共沸物，理论上单塔精馏就能实现分离。DMF 精馏回收需要大量的热量将水蒸出，有数据表明，DMF 回收成本的80%用于热能消耗[2]，特别是对于稀溶液，造成吨产品的回收成本高，回收效益差；
因此需要考虑热集成、热泵、萃取等工艺技术或手段来降低能耗。本文通过Aspen 流程模拟软件，对多效精馏（双效精馏和三效精馏）、热泵精馏和萃取+精馏4种不同工艺路线在不同废液浓度下的吨产品蒸汽消耗和运行费用进行对比研究。
DMF 与DMAc 性质接近，本文以含DMF 的废液为研究对象，对3.2 t/h 处理量、DMF 浓度（质量百分数）分别为5%、10%、20%和40%的废液进行研究。Aspen 流程模拟采用NRTL 物性方法。
多效精馏和热泵精馏流程中包含提浓塔和精馏塔，废液先经提浓塔除去大部分水后再进精馏塔进一步分离提纯。提浓塔在塔釜进料，精馏塔以气相进料。加热介质采用蒸汽，塔顶水和分离得到的DMF 成品冷却到45 ℃。DMF 的回收纯度为99.5%。
1.1 多效精馏
多效精馏工艺是目前应用最多也是最成熟的分离回收工艺，其技术核心是热集成，即利用高压塔的塔顶蒸汽作为相邻低压塔再沸器的热源，减少新鲜蒸汽的消耗[3]。效数越多，能量利用率越高，但设备投资费用也随之增大。常见的是双效精馏和三效精馏。双效精馏工艺模拟流程见图1。
图1 双效精馏工艺流程模拟图
图1 中：C1 为提浓塔，C2 为精馏塔，模拟设定的操作压力分别为绝压16 kPa 和42 kPa。C2塔顶蒸汽用于加热C1 塔塔釜（图1 中虚线所示），实现一次热集成。此工艺新鲜蒸汽主要用于汽化器（HEATER）和C2 塔釜再沸器。
三效精馏工艺在双效基础上增加一台提浓塔，二级提浓。二级提浓塔塔顶蒸汽用于加热一级提浓塔塔釜，精馏塔塔顶蒸汽用于加热二级提浓塔塔釜，实现两次热集成。
不同废液浓度下，双效和三效精馏工艺吨产品蒸汽消耗（SPP）模拟计算结果见表1。
表1 不同废液浓度下双效精馏和三效精馏吨产品汽耗
1.2 热泵精馏
热泵精馏工艺模拟流程如图2 所示。图2 中T1 为浓缩塔，T2 为精馏塔。T1 操作压力为65 kPa(A)，T2 操作压力为20 kPa(A)。T1 塔分离除去大部分水，塔顶二次蒸汽经热泵即压缩机（COMP）压缩升压、升温后给自身塔釜再沸器提供热量，塔釜物料提浓至60%左右，再进精馏塔和精制塔实现DMF 的进一步提纯。新鲜蒸汽主要用于汽化器（H2）和T2 塔釜再沸器。热泵精馏吨产品汽耗和压缩机用电负荷（轴功率）的模拟计算结果见表2。
表2 不同废水浓度下热泵精馏工艺的汽耗和压缩机功率
图2 热泵精馏工艺流程模拟图
1.3 萃取+精馏
对于水溶液中DMF、DMAc 的萃取，目前研究较多、效果较好的萃取剂是氯仿（三氯甲烷）[4-5]。本模拟计算以氯仿作为萃取剂，先从废液中萃取出DMF，再用精馏塔将萃取相中的氯仿和DMF 分离开。萃取+精馏工艺模拟流程见图3。
图3 萃取+精馏工艺流程模拟图
图3 中：T1 为萃取器，萃取剂与废液流量比为2；
T2 为精馏塔，常压操作，蒸汽主要用于T2塔再沸器加热。
萃取+精馏工艺吨产品汽耗模拟计算结果见表3。
由表1～表3 可见，随着废液中DMF 浓度的增加，双效精馏、三效精馏、热泵精馏和萃取+精馏4 种工艺的吨产品蒸汽消耗均随之降低。将表1～表3 的数据整理成图4。
表3 不同废水浓度下萃取+精馏工艺汽耗结果
图4 四种工艺不同废水浓度吨产品蒸汽消耗对比图
由图4 可见，当废液中DMF 质量浓度在24%以下时，热泵精馏工艺的吨产品蒸汽消耗最小，萃取+精馏次之，三效精馏较大，双效精馏最大；
当废液中DMF 质量浓度在24%～33%之间时，萃取+精馏工艺的吨产品蒸汽消耗最小，热泵精馏次之，稍优于三效精馏，双效精馏仍旧最大；
当废液中DMF 质量浓度在33%～40%之间时，萃取+精馏工艺的吨产品蒸汽消耗最小，三效精馏稍优于热泵精馏，双效精馏仍最大，但结果都很接近，差别已不明显。
在低浓度下，热泵精馏虽然吨产品汽耗更小，但该工艺需配套设置蒸汽压缩机，压缩机的功率较大，使得运行电费增加，一定程度上抵消了节省蒸汽带来的效益。若蒸汽单价按220 元/t，电价按1 元/kWh，则4 种回收工艺仅考虑蒸汽消耗和压缩机电耗的吨产品操作费用对比结果见图5。
图5 4 种工艺不同废水浓度吨产品操作费用
由图5 可见，废液中DMF 质量浓度小于15%时，热泵精馏工艺费用最低，萃取+精馏次之，三效精馏较大，双效精馏最大；
当废液中DMF 质量浓度在15%～21%时，萃取+精馏工艺的吨产品操作费用最小，热泵精馏次之，三效精馏较大，双效精馏最大；
当废液中DMF 质量浓度在21%～40%时，热泵精馏工艺按上述定义的吨产品操作费用已超过三效精馏，升至第二。需注意，蒸汽单价和电价会在一定程度上影响上述对比结果。
利用Aspen 软件对双效精馏、三效精馏、热泵精馏和萃取+精馏4 种不同工艺流程回收DMF浓度为5%～40%(wt.)的废液进行了模拟计算。计算结果表明:
（1）随着废液中DMF 浓度的升高，不同回收工艺的吨产品蒸汽消耗（SPP）均降低；
当DMF 浓度在24%以下时，SPP 由小到大依次是：热泵精馏，萃取+精馏，三效精馏和双效精馏；
当DMF 浓度在24%～40%之间时，萃取+精馏工艺能耗逐渐占优，热泵精馏和三效精馏居中，双效精馏工艺仍旧最大。对于仅考虑蒸汽消耗和压缩机电耗费用的吨产品操作费用，以浓度15%和21%为分界点，有类似结果。
（2）当废液中DMF 浓度在40%以上时，各工艺的节能效果已差别不大，装置投资将成为主要考量因素；
热泵精馏工艺在处理低浓度废液时能耗优势明显，但处理24%～40%较高浓度时竞争力不强（因沸点升的影响，40%以上浓度的废液不再适合采用热泵精馏工艺）；
双效精馏工艺能耗始终最高，三效精馏和萃取+精馏工艺在处理24%～40%浓度的废液时相比热泵精馏更具竞争力。
以上计算仅从蒸汽消耗和压缩机电耗的角度给出各种回收工艺的模拟计算值，实际运行会有热能、电能的损耗，回收装置工艺路线的选取需结合装置投资、装置的运行稳定性、装置占地面积、DMF 的水解特性以及产品纯度要求（如回收的DMF 成品中是否允许有氯仿等萃取剂掺入）等综合评判后确定。
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