摘要：为了对煤化工废水中的固定床气化含酚废水进行处理，研究提出对含酚废水的萃取脱酚流程进行模拟，并对液-液相平衡数据进行分析，最终得出最佳的萃取参数。实验表明，通过分析不同的温度等影响因素下萃取相参数，选取萃取等级为6，萃取相比例为1：3.5的萃取参数，得出总酚剩余的质量浓度为298 mg/L，萃取率为93.05%，单元酚的剩余质量浓度为75.1 mg/L，萃取率为83.1%。可见研究基于萃取流程模拟对含酚废水脱酚萃取的有效性，为煤工厂含酚废水处理提供了技术支持。

　　关键词：流程模拟；萃取脱酚；液液相平衡；含酚废水

　　0引言

　　煤化工技术是一种清洁技术，能够提高煤炭的使用效率，主要将煤从固体转化为其他形态，从而实现高效的利用率，因此被广泛地运用。但是，由于该技术的运用过程中会产生化工废水，其中最主要的是固定床气化含酚废水，其成分复杂，具有很强的毒性，处理起来相当复杂。因此，如何有效解决煤化工废水处理问题刻不容缓。研究提出基于流程模拟对固定床气化含酚废水进行有机萃取剂萃取，并且优化了相应的工艺流程，结合平衡釜法进行定量分析，根据萃取特性液液相平衡分析萃取数据，获得最佳的萃取参数。实现对废水处理的高效性和有效性。

　　1萃取含酚废水体系液液相平衡和流程模拟研究

　　1.1萃取剂工艺优化与选取

　　传统的煤气化工艺产生的污水复杂，含有大量酚，使得工厂处理含酚污水的成本和投入越来越高。因此为提高煤化工高浓度含酚废水萃取脱酚的处理效果，减轻废水排放环境污染，降低处理成本，研究采用Aspen Plus流程模拟软件对煤化工废水萃取脱酚流程进行了优化设计。与传统的高浓度煤气化含酚废水处理方法相比，萃取脱酚工艺的处理效果更好，并且操作更加便捷。萃取剂的组成简单，回收利用方便、环保，价格便宜成本低，物理萃取剂在萃取过程中，不需要与酚进行化学反应，脱酚能力较好。但是萃取剂的选取对于脱酚和萃取效果影响至关重要，理想的萃取剂需要做到脱酚能力强、分离性好、稳定性好，易于回收等。研究选取了各性能较好的乙酸仲丁醇，相对分子质量116.16，呈现无色的液体，有水果香味，沸点112.3℃,相对密度为0.859，不溶于水，表面张力24.6 dyne/cm，黏度0.666 7 mPa·s，性能易燃，与水的混合共沸物温度为87.46℃,水和乙酸仲丁酯的体积比为0.205:0.795，没有腐蚀性，成本为6 500元/t。研究通过萃取剂比较选取，并利用流程模拟进行脱酚萃取效果预测，在液液平衡情况下采用方法分析相关的影响因素，找出最优的分离参数，具体流程如图1所示。

　　脱酚萃取剂的选取需要满足以下几点：溶剂密度小于水的密度；不与水互溶，便于水溶分离；溶剂的沸点小于水的沸点，防止共沸；并且与酚类之间的分配系数较高。在固定床气化含酚废水脱酚萃取的过程中，废水温度对萃取也有一定的影响。温度升高，会使得萃取效果提高，实现有效分离，主要原因是萃取剂与废水的溶解度增大，但是萃取剂的用量也会增大，成本增加，因此对萃取剂的选取还需要考虑温度的影响，另外，在萃取工艺过程中，会产生一种工艺余热，即热量。研究对该部分资源进行回收利用，采用Aspen Plus进行能耗计算，构建余热溶剂回收，由此优化原有的萃取流程。具体为将萃取塔的萃取相与回收的萃取剂进行换热操作，然后将萃取塔釜的萃取相与废水进行换热操作，由此实现萃取脱酚能耗的充分利用。

　　1.2含酚废水体系液液相平衡及流程模拟

　　萃取剂萃取过程中描述两个组分不同的液相经过充分混合后，在一定温度和压力下，某些组分在这两液相中的浓度不再发生变化，如温度、压力相等。从而表明这些组分在这两相间的正反传递速率相等，即液液平衡，是一种物理现象，也是设计萃取剂工艺的基础。通常达到液液平衡需要进行测定，有浊点法、变温法、平衡釜法三种，研究采用的是平衡釜法。平衡釜是一种装有两个相互隔离的室的容器，其中一个室装有一种液体，另一个室装有另一种液体。在一定温度下，两种液体之间会发生分配，达到平衡时，两种液体的化学势相等。通过测量两种液体的体积和质量，就可以计算出分配系数，确定两种液体的化学势。相比其他方法，可以在不同温度下进行实验，从而研究液液相平衡的温度依赖性。在化学反应中，液液相平衡的研究可以帮助确定反应物和产物的比例，从而优化反应条件。在萃取达到液液平衡后，还需要对萃取数据和平衡数据进行定量分析，从而充分了解萃取的效果，研究采用了热力学模型进行数据关联。关于数据的测定研究采用了两种液相按照不同质量比进行混合，构成四元体系。采用流程模拟软件对固定床气化含酚废水萃取工程进行流程模拟，首先需要确定萃取过程，采用流程软件进行液液相平衡数据拟合，在达到液液平衡后，两种液相(Ⅰ、Ⅱ)中的化学物质的摩尔分数乘积相等，见式（1）：

　　式中：γiⅠ、γiⅡ分别是两种液相对应的活度系数，xiⅠ、xiⅡ是两种液相平衡共存时各组分的摩尔分数。为了能够定量分析相平衡数据，研究采用热力学模型的活度系数方程，运用能够用于多元系统的NRTL方程获得二元交互作用参数，进行处理和关联，数学表达见式（2）：

　　|τji=gji-gii/RT，（gji=gij），τii=τjj=0

　　|.Gji=exp（-αjiτji），(αji=αij），Gii=Gjj=1

　　式中：gji为组分j与i之间的交互作用能量参数。R为理想气体常数；T为绝对温度，K；αji为可调特性参数，τji为NRTL（Non-random two liquid）方程交互作用参数。数据关联的过程中，需要对实验数据进行测量，构建方程和参数估计。研究采用最小二乘法对目标函数线性化，见式（3）：

　　式中：i为组分数；k为实验数据组数；exp为实验值，cal为计算值。然后选择合适的初值，获得最优化的二元交互作用方程。

　　2固定床气化含酚废水有机萃取剂模拟实验

　　2.1有机萃取剂模拟实验准备与设计

　　为了验证流程模拟以及研究萃取优化工艺对有机萃取剂萃取固定床气化含酚废水脱酚效果，研究开展实验对此进行分析。实验选取了某天然气厂的固定床气化含酚废水数据进行流程模拟研究，选取乙酸仲丁酯作为脱酚萃取剂，实验对不同的温度下进行实验，分析获得脱酚萃取剂能够达到最佳萃取效果的情况参数。实验装置主要包括平衡釜、温度计、压力计、混合器、反应釜等部分。平衡釜用于维持反应体系的温度和压力，在一定条件下形成液液平衡。温度计和压力计用于监测反应的温度和压力，保持反应体系温度和压力稳定。混合器用于在平衡釜中混合两种液体，使反应体系达到平衡状态。反应釜则是用于接收反应物和产物的反应容器。

　　2.2实验结果分析

　　实验对萃取流程优化进行验证，经过流程模拟，获得优化后的能耗，见表1。可以看出，在流程优化之前，介质为2.5 MPa的饱和蒸汽下，溶剂回收塔再沸器中，能耗从23504157.1kJ/h到23504157.116329857kJ/h，减少了7 174 300.1 kJ/h，蒸汽与冷却水用量减少了3 267.9 kg/h，整体能耗减少了11 347 388.1 kJ/h。可见流程优化的萃取脱酚流程减少了能耗，减少了资源浪费，提高了萃取流程的资源利用效率。

　　图2-1为不同温度下液液平衡的实验数据与预测数据的比较，其中图案表示实验数据，实线表示模拟数据。可以看出，实测数据与模拟数据基本接近，可见流程模拟的准确性。图2-2为研究进行实验数据的Hand方程热力学一致性检验结果，可以看出，不同温度下，方程自变量与因变量以一定的比例上升，并且具有稳定性。图2-3为不同萃取级数下萃余相酚质量浓度趋势图，可以看出，随着萃取等级的增大，总体酚的质量浓度下降趋势越来越快，随着比例的增大，质量浓度也随之下降，直至490 mg/L左右。图2-4为苯酚与总酚不同比例与不同萃取级的趋势比较，可以看出，两者的比例随着等级的减少而下降。

　　实验通过比较和分析不同情况下的乙酸仲丁酯与苯二酚液液相平衡，综合选取萃取相比为1:3.5以及萃取等级为6的萃取参数，萃取效果在此情况下能够达到最佳。达到萃取液液相平衡时，萃取率为93.05%，总酚剩余的质量浓度为298 mg/L，单元酚的剩余质量浓度为75.1 mg/L，萃取率为83.1%。

　　3结论

　　固定床气化含酚废水是煤化工废水的一种，是在煤的气化、干馏、净化及化工产品合成过程中产生的废水，是一种最难以治理的工业废水，处理难度大。研究提出一种基于流程模拟的废水有机萃取剂方法，优化工艺流程，通过分析萃取剂的影响因素和参数，得出最佳的萃取参数。实验表明，经过分析，优化后的流程工艺能耗整体减少，并且得出最佳萃取参数萃取相比为1:3.5以及萃取等级为6的萃取参数，萃取率达到了90%以上，并验证了结果的可靠性。可见基于流程模拟对含酚废水萃取效果的可行性。但是研究得出的需求参数仅在设置的温度情况下进行分析，全面性并不足，因此在未来的研究中还需要对萃取剂性能、废水的多种物质进行全面分析。

　    参考文献:

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