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含酚废水协同萃取剂的筛选与脱酚工艺优化控制的研究

王玉军  
【摘要】:随着中国能源安全问题的日趋重要,清洁生产成为社会发展的需要,目前新型化工产业开始倾向生产洁净能源。但是化学工业产生的含酚废水杂质含量大、组成成分复杂,有机物含量和化学需氧量高、生化性能差,不达标排放会破坏环境和危害人类健康。含酚废水中包括大量的挥发性单元酚和不挥发多元酚,这些物质的降解与回收不易。针对多元酚脱除率低的问题,本文对煤气化废水中酚类物质的脱除展开了萃取剂筛选、流程模拟、动态控制一体化的废水脱酚处理工艺的研究。首先,运用分子模拟的方法计算单一萃取剂与酚的相互作用。采用Gaussian软件分别计算了甲基异丁基酮(MIBK)、甲基丙基酮(MPK)、甲基异丙基酮(MIPK)、甲基戊烯酮、正丁醇、仲丁醇、正戊醇、异戊醇与酚的相互作用能,通过构型优化、频率分析、原子拓扑分析(AIM)、自然键轨道(NBO)分析,解析萃取的本质和机理,筛选出新型的酮类萃取剂和辅助萃取剂。结果表明甲基戊烯酮与苯酚、邻苯二酚的作用力最大为-45.86 k J·mol~(-1)、-35.96 k J·mol~(-1),MPK次之。正戊醇与苯酚相互作用能最大,为-29.67 k J·mol~(-1)。萃取机理结果表明萃取剂与酚之间主要以氢键形式结合,静电作用、氢键强度和稳定化能大小为甲基戊烯酮MPKMIPKMIBK。通过分子模拟的方法进行协同萃取剂与酚的相互作用计算与分析。采用Gaussian软件计算了MIBK、MPK、MIPK、甲基戊烯酮分别和正戊醇作为协同萃取剂与酚类、水的相互作用,进行了非共价键作用(NCI)的分析,研究了协同萃取机理,确定最佳协同萃取溶剂。结果表明甲基戊烯酮+正戊醇与苯酚、邻苯二酚的相互作用能最大,分别为-46.13 k J·mol~(-1)、-43.13 k J·mol~(-1),并且与水相互作用能差值的绝对值最大,为-14.30 k J·mol~(-1)、-11.30 k J·mol~(-1)。萃取机理分析结果表明酮分子的O和酚分子的-OH以及酚的O和正戊醇的-OH以氢键形式结合,氢键作用来自O的第二孤对电子与O-H反键σ轨道之间,协同萃取剂的静电作用、氢键强度、稳定化能高于单一萃取剂。结果预测甲基戊烯酮+正戊醇在保证单元酚的萃取基础之上提高多元酚的萃取效果。建立了甲基戊烯酮和正戊醇协同萃取脱酚工艺流程,采用Aspen Plus对全流程进行了模拟优化,验证了萃取剂性能。并以年度总费用(TAC)为目标确定了流程的最优参数。萃取塔模拟结果表明甲基戊烯酮与正戊醇的配比为6:4,相比为1:12.92,萃取级数为4。以TAC为目标对溶剂回收塔、汽提塔进行参数优化后TAC最小为1953(1000$/year),模拟结果显示苯酚、邻苯二酚的脱除率分别达到了99.95%、97.97%,总酚浓度由6499 mg/L降到了56 mg/L。相同萃取剂用量下,协同萃取剂与甲基戊烯酮单一萃取剂相比邻苯二酚的脱除率提高了16.71%,与正戊醇单一萃取剂相比邻苯二酚的脱除率提高了28.65%。此外,协同萃取时补加的新鲜萃取剂用量仅为0.95 kg/h,具有萃取剂用量少的优势。最后,采用Aspen dynamics对协同萃取脱酚流程进行了动态控制分析,考察了在±10%进料流量和±5%组成扰动下动态控制效果,结果表明采用的基础控制方案可使干扰下的过程运行能够较快恢复稳定值,控制器表现出了良好的抗干扰性,控制方案有效,萃取脱酚工艺的装置能够安全、平稳的运行。


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