氨基树脂油漆生产废水的处理.doc

《 化 工 过 程 数 学 模 型 与 计 算 机 模 拟》
课 程 案 例 设 计 与 模 拟

氨基树脂油漆生产废水的处理

目 录
一、 前言 1
二、 目的和意义 2
三、 设计的基本情况 2
3．1 氨基树脂油漆生产废水处理采用的方法 2
3．2 采用的流程 3
3．3 设计主要内容 3
3．4 设计主要参数 3
四、 废水处理过程的设计 4
4．1 间歇对连续 4
4．2 流程图的输入输出结构 4
4．3 粗甲醇、粗丁醇分离塔（T-1） 4
4．4 恒沸精馏塔（T-2） 5
4．5甲醇精馏塔（T-3） 6
五、 经济效益分析 7

氨基树脂油漆废水处理过程的设计与模拟
一、 前言
概念设计又称为“预设计”，在根据开发基础研究成果、文献的数据、现有类似的操作数据和工作经验，按照所开发的新技术工业化规模而作出的预设计，用以指导过程研究及提出对开发性的基础研究进一步的要求，所以它是实验研究和过程研究的指南，是开发研究过程中十分关键的一个步骤。
概念设计不同于工程设计，因而不能作为施工的依据，但是成功的概念设计不但可以节省大量的人力和物力，而且又可以加快新技术的开发速度，提高开发的水平和实用价值。即使一个很普通的单一产品的生产过程，也可能有104～109个方案可供选择。如何从技术、经济的角度把最有希望的方案设计出来，是作为强化研究开发工作的方向，这是一种系统化的分级决策过程，也正是概念设计的真谛。
概念设计是设计者综合开发初期收集的技术经济信息，通过分析研究之后。对开发项目作出一种设想的方案，其主要内容包括：原料和成品的规格，生产规模的估计，工艺流程图机简要说明，物料衡算和热量衡算，主要设备的规模，型号和材质的要求，检测方法，主要技术和经济指标，投资和成本的估算，投资回收预测，三废治理的初步方案以及对中试研究的建议。
随着计算技术和计算机技术的发展,化工流程过程模拟软件也越来越成熟，计算机辅助设计也日趋广泛。在进行概念设计时，采用流程系统模拟物料衡算和热量衡算，投资和成本估算等问题以及采用流程模拟软件进行整体优化业越来越普遍。本文采用国际上最成功和最流行的过程模拟软件之一的ASPLEN PLUS作为辅助设计的主要工具。与过程有关的物料和能量的衡算基本上有该软件给出，并从设计流程计算的收敛与否来检验该流程是否可行。
本文通过概念设计，其目标是寻找最佳工艺流程（即：选择过程单元以及这些单元之间的相互连接）和估算最佳设计条件。采用分层次决策的方法和简捷设计能消去大量无效益的方案。本文按照以下基本步骤进行设计计算：
¨ 间歇对连续；
¨ 流程图的输入-输出结构；
¨ 分离系统的总体结构；
二、 目的和意义
氨基树脂（amino resin）是由氨基化合物和甲醛缩聚而成的热固性树脂，它通常作为涂料生产的原料。涂料工业所用的氨基树脂必须用醇类醚化改性，使之可溶于有机溶剂中，它在热固性涂料中起交联作用。氨基树脂漆中，氨基树脂与醇酸树脂、聚酯树脂、热固性丙烯酸树脂、环氧树脂配合，可制得性能突出的氨基树脂漆。该漆硬度高，光泽高，抗水性、耐候性好。广泛应用于涂装汽车、自行车、家用电器、轻工等产品，起保护和装饰作用。据统计，1997年我国氨基树脂产量44406吨，到2001年可能达到9万多吨，基本上用于涂料（油漆）的生产。
在氨基树脂油漆的生产过程中，会产生大量的废水，水中含有相当一部分甲醇、丁醇及少量的甲醛，如果直接排放会对受纳水体产生严重的污染。目前我国氨基树脂涂料生产企业对生产废水基本上没有进行有效处理，水中的甲醇、丁醇有用物质也没有得到回收，浪费了资源，增加了成本。因此本设计的目的就是根据我国氨基树脂涂料生产废水治理的现状，提出这类废水处理的方法，达到回收有用物质，减轻污染，保护环境和为企业增加效益。为此，本设计按照概念设计的思路，寻找氨基树脂涂料生产废水处理的最佳工艺流程和最佳设计条件。
三、 设计的基本情况
3．1 氨基树脂油漆生产废水处理采用的方法
由于废水中含有相当多的甲醇和丁醇，因此采用采用精馏的方法将它们与水分离，将甲醇、丁醇从废水中回收，并精制成达到生产树脂的回用浓度。在丁醇-甲醇-水三元体系（甲醛可忽略），丁醇和水系统具有最低共沸点，且为部分互溶体系，因此需采用恒沸蒸馏，并在流程中设置油水分离器，第三组分甲醇的存在改变了丁醇和水的互溶体系，降低了丁醇在油相中的浓度，增加了丁醇在水相的损失。当甲醇浓度达到某个极限浓度时，油水分层现象会消失，无法回收75%-80%的丁醇产品。同时，丁醇的沸点为118℃，甲醇的沸点仅65℃，但丁醇的相对挥发度比甲醇大。精馏时，甲醇组分首先蒸出，可是最后才能蒸干净，丁醇馏分夹在中间。因此，一次精馏无法获得两种纯组分。针对此种情况，我们拟采用间歇二级精馏法。
3．2 采用的流程
主要含有甲醇、丁醇的废水进行分离精制。先将废水储槽中的废水泵送至蒸馏釜，进行初级精馏。在塔顶温度65-72℃时，回收粗甲醇馏分和粗丁醇馏分；釜液汇入污水管，去二级生化处理。
粗甲醇和粗丁醇馏分在T-2内再进行恒沸蒸馏。塔顶得到粗甲醇，送往T-3精制；塔底得到丁醇和水，送入分水器。在粗甲醇精制过程中，塔顶可得精甲醇，釜液返回废水储槽；在粗丁醇精制过程中，经分水器分层后，上层可得90%以上的精丁醇，下层水返回溶液储槽。

3．3 设计主要内容
¨ 三个精馏塔的计算
¨ 经济效益分析
3．4 设计主要参数
进水量10000kg/h，进水组成：甲醇8％，丁醇10％，甲醛0.5％，水81.5％。
回收甲醇的纯度达95%以上
回收丁醇的纯度达90%以上
经过处理后，最终排出的废水应满足生化处理的要求。
四、 废水处理过程的设计
4．1 间歇对连续
选择一个连续的处理过程，操作费用和物流费用以年为基准，一年按330计，则操作时数为7920 h/a。
4．2 流程图的输入输出结构
本过程中的原料即是氨基树脂油漆生产排放的废水，由于本设计以分离有用物质为主，因此无须再使用其它原料，也不用对进料进行进一步处理。处理过程中无化学反应，因此不会有副产物出现，这有利于达到处理的目的。废水处理后得到较纯的甲醇和丁醇，可以作为产品使用，由于去除了大量的有机物（甲醇和丁醇），大大地降低了有机符合，使得处理后的出水容易进行生化处理，因此在用化工过程对废水进行处理后，接着进行生化深度处理，可以保证出水达到排放标准。
4．3 粗甲醇、粗丁醇分离塔（T-1）
塔的主体设计:
根据Aspenplus的模拟结果（详见附录1），塔采用简捷计算有：
回馏比R=1.00
塔板数N=20
进料塔板位置 18
冷凝器热负荷Q冷凝器=1026260watt
再沸器热负荷Q再沸器=1159130watt
实际设计的过程中，取塔板效率E=0.6，则有实际的塔板数为N实际=20/0.6=33，板间距取0.35m，两端共加上2m，则塔的高度为：
H=33*0.35+2=13.55m
此塔的横截面积可由下式计算：

按塔顶处计算，有：
V=（R+1）D=（1+1）×47=94kmol/h
M=30
Tb=780C=172.4F
代入公式可以算出：

根据
可以计算出塔径：
D=0.616m
取塔径为0.65m.
4．4 恒沸精馏塔（T-2）
回馏比R=0.405
塔板数N=20
进料塔板位置 10
冷凝器热负荷Q冷凝器=461662watt
再沸器热负荷Q再沸器=477249watt
实际设计的过程中，取塔板效率E=0.6，则有实际的塔板数为N实际=20/0.6=33，板间距取0.35m，两端共加上2m，则塔的高度为：
H=33*0.35+2=13.55m
此塔的横截面积可由下式计算：

按塔顶处计算，有：
V=（R+1）D=（1+0.405）×32.3=45.38kmol/h
M=30
Tb=690C=156.2F
代入公式可以算出：

根据
可以计算出塔径：
D=0.426m
取塔径为0.45m.
4．5甲醇精馏塔（T-3）
回馏比R=0.56
塔板数N=20
进料塔板位置 13
冷凝器热负荷Q冷凝器=376567watt
再沸器热负荷Q再沸器=376209watt
实际设计的过程中，取塔板效率E=0.6，则有实际的塔板数为N实际=20/0.6=33，板间距取0.35m，两端共加上2m，则塔的高度为：
H=33*0.35+2=13.55m
此塔的横截面积可由下式计算：

按塔顶处计算，有：
V=（R+1）D=（1+0.56）×24.62=38.4kmol/h
M=30
Tb=650C=149F
代入公式可以算出：

根据
可以计算出塔径：
D=0.4m
取塔径为0.45m.
五、 经济效益分析

根据计算，在经过处理后，可得到甲醇788kg/h，丁醇950kg/h。甲醇价格2000元/吨，丁醇价格4500元/吨，则经济潜力：
EP2=(4500×0.950＋2000×0.788) ×7920＝4.63×107元/年

附录1
METHANOL SEPARATION
ASPEN PLUS (R) IS A PROPRIETARY PRODUCT OF ASPEN TECHNOLOGY, INC.
(ASPENTECH), AND MAY BE USED ONLY UNDER AGREEMENT WITH ASPENTECH. RESTRICTED RIGHTS LEGEND: USE, REPRODUCTION, OR DISCLOSURE BY THE U.S. GOVERNMENT IS SUBJECT TO RESTRICTIONS SET FORTH IN (i) FAR 52.227-14, Alt. III, (ii) FAR 52.227-19, (iii) DFARS 252.227-7013(c)(1)(ii), or (iv) THE ACCOMPANYING LICENSE AGREEMENT, AS APPLICABLE. FOR PURPOSES OF THE FAR, THIS SOFTWARE SHALL BE DEEMED TO BE "UNPUBLISHED" AND LICENSED WITH DISCLOSURE PROHIBITIONS.CONTRACTOR/SUBCONTRACTOR: ASPEN TECHNOLOGY, INC. TEN CANAL PARK, CAMBRIDGE, MA 02141.
TABLE OF CONTENTS

RUN CONTROL SECTION.................................... 1
RUN CONTROL INFORMATION........................... 1
DESCRIPTION....................................... 1

FLOWSHEET SECTION...................................... 2
FLOWSHEET CONNECTIVITY BY STREAMS................. 2
FLOWSHEET CONNECTIVITY BY BLOCKS.................. 2
COMPUTATIONAL SEQUENCE............................ 2
OVERALL FLOWSHEET BALANCE......................... 2

PHYSICAL PROPERTIES SECTION............................ 3
COMPONENTS........................................ 3

U-O-S BLOCK SECTION.................................... 4
BLOCK: EX-1 MODEL: HEATER.................... 4
BLOCK: PUMP-1 MODEL: PUMP...................... 4
BLOCK: PUMP-2 MODEL: PUMP...................... 5
BLOCK: PUMP-3 MODEL: PUMP...................... 6
BLOCK: T-1 MODEL: DSTWU..................... 7
BLOCK: T-2 MODEL: DSTWU..................... 8
BLOCK: T-3 MODEL: DSTWU..................... 9
BLOCK: V-1 MODEL: DECANTER.................. 10

STREAM SECTION......................................... 12
1 10 11 12 13..................................... 12
2 3 4 5 6......................................... 13
7 8 9............................................. 14
PROBLEM STATUS SECTION................................. 15
BLOCK STATUS...................................... 15
ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/9/2010 PAGE 1
METHANOL SEPARATION
RUN CONTROL SECTION

RUN CONTROL INFORMATION
-----------------------

THIS COPY OF ASPEN PLUS LICENSED TO GUANGDONG ENGINEERING EQUIP.

TYPE OF RUN: EDIT

INPUT FILE NAME: _3620abc.inm

INPUT PROBLEM DATA FILE NAME : _3620abc VERSION NO. 1
OUTPUT PROBLEM DATA FILE NAME: _1343hti VERSION NO. 1
LOCATED IN:

PDF SIZE USED FOR INPUT TRANSLATION:
NUMBER OF FILE RECORDS (PSIZE) = 0
NUMBER OF IN-CORE RECORDS = 256
PSIZE NEEDED FOR SIMULATION = 1

CALLING PROGRAM NAME: apmain
LOCATED IN: D:\ASPENT~1\AP100\xeq

SIMULATION REQUESTED FOR ENTIRE FLOWSHEET

DESCRIPTION
-----------

GENERAL SIMULATION WITH ENGLISH UNITS : F, PSI, LB/HR, LBMOL/HR,
BTU/HR, CUFT/HR. PROPERTY METHOD: NONE FLOW BASIS FOR INPUT: MOLE
STREAM REPORT COMPOSITION: MOLE FLOW
ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/9/2010 PAGE 2
METHANOL SEPARATION
FLOWSHEET SECTION

FLOWSHEET CONNECTIVITY BY STREAMS
---------------------------------

STREAM SOURCE DEST STREAM SOURCE DEST
1 ---- PUMP-1 2 PUMP-1 EX-1
5 EX-1 T-1 4 T-1 T-2
3 T-1 PUMP-2 7 T-2 T-3
6 T-2 V-1 9 T-3 ----
8 T-3 ---- 11 V-1 PUMP-3
10 V-1 ---- 12 PUMP-2 ----
13 PUMP-3 ----

FLOWSHEET CONNECTIVITY BY BLOCKS
--------------------------------

BLOCK INLETS OUTLETS
PUMP-1 1 2
EX-1 2 5
T-1 5 4 3
T-2 4 7 6
T-3 7 9 8
V-1 6 11 10
PUMP-2 3 12
PUMP-3 11 13

COMPUTATIONAL SEQUENCE
----------------------

SEQUENCE USED WAS:
PUMP-1 EX-1 T-1 T-2 T-3 V-1 PUMP-3 PUMP-2

OVERALL FLOWSHEET BALANCE
-------------------------

*** MASS AND ENERGY BALANCE ***
IN OUT RELATIVE DIFF.
CONVENTIONAL COMPONENTS (KMOL/HR )
METHA-01 24.9671 24.9671 0.000000E+00
N-BUT-01 13.4911 13.4911 0.263337E-15
WATER 452.394 452.394 0.000000E+00
FORMA-01 1.66521 1.66521 0.000000E+00
TOTAL BALANCE
MOLE(KMOL/HR ) 492.517 492.517 0.000000E+00
MASS(KG/HR ) 10000.0 10000.0 -0.181899E-15
ENTHALPY(WATT ) -0.389519E+08 -0.380212E+08 -0.238959E-01

ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/9/2010 PAGE 3
METHANOL SEPARATION
PHYSICAL PROPERTIES SECTION

COMPONENTS
----------

ID TYPE FORMULA NAME OR ALIAS REPORT NAME
METHA-01 C CH4O CH4O METHA-01
N-BUT-01 C C4H10O-1 C4H10O-1 N-BUT-01
WATER C H2O H2O WATER
FORMA-01 C CH2O CH2O FORMA-01
ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/9/2010 PAGE 4
METHANOL SEPARATION
U-O-S BLOCK SECTION

BLOCK: EX-1 MODEL: HEATER
------------------------------
INLET STREAM: 2
OUTLET STREAM: 5
PROPERTY OPTION SET: NRTL-RK RENON (NRTL) / REDLICH-KWONG

*** MASS AND ENERGY BALANCE ***
IN OUT RELATIVE DIFF.
TOTAL BALANCE
MOLE(KMOL/HR ) 492.517 492.517 0.000000E+00
MASS(KG/HR ) 10000.0 10000.0 0.000000E+00
ENTHALPY(WATT ) -0.389518E+08 -0.381694E+08 -0.200867E-01

*** INPUT DATA ***
TWO PHASE TP FLASH
SPECIFIED TEMPERATURE C 90.0000
SPECIFIED PRESSURE KPA 150.000
MAXIMUM NO. ITERATIONS 30
CONVERGENCE TOLERANCE 0.00010000

*** RESULTS ***
OUTLET TEMPERATURE C 90.000
OUTLET PRESSURE KPA 150.00
HEAT DUTY WATT 0.78241E+06
OUTLET VAPOR FRACTION 0.00000E+00

V-L PHASE EQUILIBRIUM :

COMP F(I) X(I) Y(I) K(I)
METHA-01 0.50693E-01 0.50693E-01 0.18801 2.5244
N-BUT-01 0.27392E-01 0.27392E-01 0.15551 3.8636
WATER 0.91853 0.91853 0.65114 0.48254
FORMA-01 0.33810E-02 0.33810E-02 0.53483E-02 1.0768
ASPEN PLUS VER: WIN32 REL: 10.0-1 05/9/2010 PAGE 5
METHANOL SEPARATION
U-O-S BLOCK SECTION

BLOCK: PUMP-1 MODEL: PUMP
----------------------------
INLET STREAM: 1
OUTLET STREAM: 2
PROPERTY OPTION SET: NRTL-RK RENON (NRTL) / REDLICH-KWONG

*** MASS AND ENERGY BALANCE ***
IN OUT RELATIVE DIFF.
TOTAL BALANCE
MOLE(KMOL/HR ) 492.517 492.517 0.000000E+00
MASS(KG/HR ) 10000.0 10000.0 0.000000E+00
ENTHALPY(WATT ) -0.389519E+08 -0.389518E+08 -0.372066E-05

*** INPUT DATA ***
OUTLET PRESSURE (KPA ) 150.000
PUMP EFFICIENCY 0.60000
DRIVER EFFICIENCY 1.00000

FLASH SPECIFICATIONS:
LIQUID PHASE CALCULATION
NO FLASH PERFORMED
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS 30
TOLERANCE 0.00010000

*** RESULTS ***
VOLUMETRIC FLOW RATE (CUM/HR ) 10.4347
PRESSURE CHANGE (KPA ) 30.0000
NPSH AVAILABLE (METER ) 12.4134
FLUID POWER (WATT ) 86.9561
BRAKE POWER (WATT ) 144.927
ELECTRICITY (WATT )