馬曉冬，黃 衛(wèi)，李聚魁

(1.河哺拓(天津)科技發(fā)展有限公司，天津 300401；2.江蘇天鵬電源有限公司，江蘇 蘇州 223001；3.天津市普萊特科技發(fā)展有限公司，天津 300232)

1 引言

N-甲基吡咯烷酮(NMP)是一種有機物，化學式為C5H9NO，分子量99.131，為無色透明液體，稍有氨味，相對密度1.026 0 g/cm3，沸點202 ℃，粘度低、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，是一種選擇性強和穩(wěn)定性好的極性溶劑，相對環(huán)境要求來說其揮發(fā)性較高，具有毒性低、沸點高、溶解力強、不易燃、可生物降解、可回收利用等特點，在鋰電、醫(yī)藥、農(nóng)藥、顏料、清洗劑、絕緣材料等行業(yè)中被廣泛應用[1-2]。

NMP的回收尚未實現(xiàn)很好的工業(yè)化，目前缺乏公開的研究數(shù)據(jù)。而近年來隨著手機、新能源汽車的大力普及、推廣，鋰電池行業(yè)獲得大力發(fā)展，NMP作為鋰電池正極重要的輔助涂敷材料，使用量大大增加。因NMP較為昂貴且對人體有害，將其進行回收，對減少污染、保護環(huán)境和降低鋰電池生產(chǎn)成本有著十分重大的意義[3-4]。本文在前人實驗的基礎上引入隔壁塔(dividing-wall column,DWC)，對廢液中的NMP進行回收，對該隔壁塔工藝流程進行模擬及優(yōu)化，并與原工藝對比節(jié)能效果，為利用隔壁塔對NMP回收工藝工業(yè)化提供理論依據(jù)。

2 工藝流程介紹

某廠NMP兩塔工藝為NMP廢液先進入脫水塔T1，塔頂脫出大部分水，塔底剩余的少量水、NMP和高沸物則進入T2塔，在塔頂采出NMP產(chǎn)品。DWC的分離原理與常規(guī)精餾塔相同，有上隔板、中隔板、下隔板三種結構，采用上隔板結構，如圖1所示，工藝流程為NMP廢液從隔板左側進入隔壁塔，經(jīng)過公共提餾段，隔板左側塔頂出水，水中NMP含量小于1 ppm，隔板右側塔頂出NMP產(chǎn)品，純度在99.9%以上。

圖1 隔壁塔Fig.1 dividing-wall column.

隔壁塔較傳統(tǒng)兩塔結構，不論是設備費用還是在能量費用方面都會有所節(jié)省。而且由于隔壁塔用單塔代替兩塔，在一定程度上節(jié)約了精餾塔的設備費用以及占地面積。利用隔板塔回收NMP工藝，減少了中間產(chǎn)物返混的程度，從而達到了節(jié)能的目的。

3 流程模擬及建模

工藝的建模及計算均采用Aspen Plus流程模擬軟件。隔壁塔采用如圖2所示的三塔模型代替，其中熱力學模型采用NRTL，精餾塔則使用RadFrac模塊。給予模型一定的初值，并用序貫模塊法(Aspen Plus中的SM模塊)對三塔模型進行模擬計算。然后使用Aspen Plus中的設計規(guī)定模塊計算出采出流股的組成達到設計要求時各參數(shù)的取值，并將其作為優(yōu)化計算的初值。

圖2 隔壁塔三塔模型流程Fig.2 Three-tower process of DWC.

4 隔壁塔工藝參數(shù)確定

當塔板數(shù)固定時，影響精餾效果的變量有進料位置、理論板數(shù)、回流比等，由于隔壁塔的引入，且采用三塔模型進行模擬計算，該工藝共有5個可調設計變量：理論板數(shù)NS，進料板位置NF，水側T2回流比R1、NMP側T3回流比R2，氣相分配比Rv?？紤]各個變量對工藝熱負荷和產(chǎn)品純度的影響，得到可調節(jié)變量的初值。

4.1 理論板

根據(jù)圖1可知，當隔壁塔的總板數(shù)一定時，確定公共提餾段的板數(shù)，就可以確定隔壁的長度。由圖3(a)可知，公共提餾段T1塔不影響采出的NMP產(chǎn)品含量和再沸器熱負荷，所以公共提餾段的板數(shù)在3～4塊即可；NMP側T3塔的塔板數(shù)不影響NMP產(chǎn)品含量，如圖3(b)對再沸器熱負荷影響也不大，理論板大于5塊即可；而對于水側塔T2，如圖3(c)隨著理論板數(shù)的增大，NMP側T3塔塔頂采出NMP和水側T2塔采出水的純度越來越大，冷凝器熱負荷越來越小，所以初值選定15塊。

圖3 理論板數(shù)NS對產(chǎn)品純度和熱負荷的影響(a) T1塔；(b) T3塔；(c) T2塔—■—NMP純度，—□—水純度，熱負荷Fig.3 Effect of NSTAGE on product purity and heat duty.(a) column T1;(b) column T3;(c) column T2.—■—NMP purity,—□—water purity,heat duty

4.2 進料板位置

進料板位置對塔熱負荷的影響，如圖4所示。由圖可以看出，在熱負荷較小的情況下，進料板位置在第7—12塊板附近時，NMP產(chǎn)品的純度較高且穩(wěn)定。本文初值選定第12塊板進料。

圖4 進料位置對產(chǎn)品純度和熱負荷的影響—■—NMP純度，—□—水純度，熱負荷Fig.4 Effect of feed stage on product purity and heat duty.—■—NMP purity,—□—water purity,heat duty

4.3 回流比與采出量

保持NMP采出濃度恒定，當產(chǎn)品采出量增大時，所需回流比也會隨之增大，熱負荷隨之提高。因此產(chǎn)品的產(chǎn)量以及精餾操作費用都會增大。如圖5(a)(b)所示，綜合考慮產(chǎn)品純度和熱負荷對產(chǎn)品的產(chǎn)量以及精餾操作費用的影響，T2塔和T3塔的回流比初值選定0.15和1.55。

圖5 回流比對產(chǎn)品純度和熱負荷的影響(a) T2塔;(b) T3塔—■—NMP純度，—□—水純度，熱負荷Fig.1 Effect of reflux ratio on product purity and heat duty.(a)Column T2 ;(b) column T3.—■—NMP purity,—□—water purity,heat duty

4.4 氣相分配比

由T1塔塔頂流出的氣相流量分成兩股分別流入T2塔和T3塔，其氣相分配比(流向T2塔的比例)對產(chǎn)品純度和熱負荷的影響如圖6所示。氣相分配比為0.2時，NMP純度大于99.9%，滿足純度要求，廢水中NMP含量小于1 ppm，達到排放標準。

圖6 氣相分配比對產(chǎn)品純度及熱負荷的影響—■—NMP純度，—□—水純度，熱負荷Fig.6 Effect of gas distribution ratio on product purity and heat duty.—■—NMP purity,—□—water purity,heat duty

5 隔壁塔優(yōu)化計算

該工藝的優(yōu)化目標是在使NMP的收率盡量高的前提下，使工藝的操作費用達到最小。本文采用NMP產(chǎn)品純度達99.9%，廢水中NMP含量小于1 ppm，以再沸器能耗QR最小為目標，對三塔模型中的T2塔理論板數(shù)NS2、進料位置NF、T2塔回流比RT2、T3塔回流比RT3、氣相分配比Rv等過程變量進行調優(yōu)。三塔模型的全流程優(yōu)化結果如表1，相同處理量和相同純度要求下，隔板塔與兩塔工藝能耗比較見表2。

表1 隔壁塔優(yōu)化結果Table 1 optimization results of DWC.

表2 隔壁塔與兩塔工藝能耗比較Table 2 Comparison of energy consumption between DWC and two-tower process.

6 高效隔壁塔及工藝的實踐

由本文所述的NMP隔壁塔工藝，集成多管高效填料技術的組合精餾塔，工藝裝置已在某廠進行安裝調試，如圖7所示，處理量可達40 t/day，精餾塔為Φ1 800 mm×7 200 mm的高效隔壁塔，有效縮短塔高度，在保證分離效率下實現(xiàn)二臺塔的功能。該裝置總高10 m左右，占地面積約10 m2，拆卸、安裝、移動方便，節(jié)約了設備費用、安裝費用和蒸汽消耗費用，為多功能、高效隔壁塔工藝裝置的應用提供了實際依據(jù)。

圖7 高效隔壁精餾塔Fig.7 high-efficient DWC.

7 結語

本文采用隔壁塔對所設計的工藝進行改進。通過建模求解，對隔壁塔工藝進行模擬與優(yōu)化設計，得到隔壁塔回收工藝的各操作變量的最優(yōu)化參數(shù)。結果表明，在達到相同分離要求的前提下，隔壁塔所需的理論板數(shù)比兩塔工藝更少，隔壁塔比兩塔工藝節(jié)能25.9%。該研究不僅有利于鋰電池制造過程中NMP回收工藝的工業(yè)應用，還為隔壁塔在實際工藝的應用提供了一定的理論依據(jù)。