一种从低浓度水溶液中分离回收高沸点有机物的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种从低浓度水溶液中分离回收高沸点有机物的装置及方法，属于化学工程分离技术领域。
【背景技术】
[0002]从稀溶液中回收高沸点有机物在生物质燃料提取、废水净化等领域应用范围广泛。糠醛和苯胺分别是胺类和呋喃环系最具代表性的高沸点有机物之一，从稀溶液中分离直接获得高纯度糠醛和苯胺具有重要的价值。
[0003]糠醛(学名呋喃甲醛)的生产是通过酸性水解生物质(玉米芯、棉子壳等)原料中的半纤维素物质得到。经水解后的水解液中糠醛的质量百分含量约为2~8 wt%，目前国内糠醛厂采用蒸馏法从水解液中分离提纯糠醛，第一次为初精馏，可以将糠醛浓度提高至90wt%~92 wt% (水与糠醛恒沸点时的浓度)，然后再采用多级精馏进行糠醛的精制。精馏过程会消耗大量的蒸汽，因此能耗占糠醛生产成本的很大比重，如何降低糠醛分离回收的能耗是研宄的热点。
[0004]中国专利CN103214439A公开了一种利用装填有非极性大孔吸附树脂的固定床吸附水解液中的糠醛，然后再通过洗脱剂解吸得到较高浓度的糠醛洗脱液，最后再经过处理后得到糠醛目标产品，该吸附-解吸的工艺较繁琐，设备投资大。中国专利CN103254158A公开了利用生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛的方法及装置:渗透汽化膜对水解液中糠醛具有高的吸附选择性，当膜吸附平衡后在膜的下游通过抽真空将膜中优先吸附的糠醛和少量水以低压混合蒸汽的形式解吸出来，最后再将糠醛与水蒸汽冷凝收集，此工艺收集的糠醛仍然需要进一步精制，并且糠醛的精制过程耗能很大。
[0005]苯胺是化工行业重要的中间体之一，在染料、农药、橡胶助剂等行业中具有广泛应用，废水中苯胺含量较高(质量分数lwt%~3wt%)，目前工业上常用的苯胺废水处理手段有萃取法、吸附法。吸附法不适宜处理浓度较高的苯胺废水，并且吸附剂的再生较困难，经过几次再生后，吸附容量损失较大。萃取法(CN1600696A、CN102936079A)容易造成水体的二次污染，需要多级萃取，设备投资大，并且难以得到可以回用的高纯度苯胺。
【发明内容】
[0006]针对糠醛生产能耗大、苯胺废水处理工艺繁琐这种现状，本发明旨在提供一种低能耗、流程简单的渗透汽化-分级冷凝耦合装置及工艺分离回收低浓度水溶液中的高沸点、水溶性有机物一糠醛与苯胺。
[0007]本发明提供的一种从低浓度水溶液中分离回收高沸点有机物的装置，包括渗透汽化段和分级冷凝段，所述渗透汽化段包括原料储槽、料液循环泵、渗透汽化槽，渗透汽化槽内设有渗透汽化膜组件；所述分级冷凝段包括第一级冷凝器和第二级冷凝器，第一级冷凝器和第二级冷凝器串联连接，第二级冷凝器末端与真空泵连接，第一级冷凝器下端连接第一储料罐，第二级冷凝器下端连接第二储料罐，第二储料罐通过循环泵连接原料储槽。
[0008]本发明提供的一种从低浓度水溶液中分离回收高沸点有机物的方法，包括以下步骤:
(1)将低浓度有机物的水溶液通入渗透汽化槽，与具有选择性分离有机物功能的渗透汽化膜在膜的上游侧充分接触并达到吸附动态平衡；
(2)通过真空泵在渗透汽化膜下游产生低压真空，使上游侧吸附在膜表面的高沸点有机物-水发生汽化，并透过膜在渗透汽化膜的下游侧脱附形成有机物-水低压混合蒸汽；
(3)将膜的下游侧富集的有机物-水低压混合蒸汽依次通入两个串联的冷凝器，依据绝压数值大小选择第一冷凝器温度范围，在第一级冷凝器中获得高纯度液态高沸点有机物，纯度大于99.9wt% ；
(4)未被冷凝的水蒸汽与小部分有机蒸汽被截留在第二级冷凝器中，第二级冷凝器与渗透汽化槽连接，将小部分有机蒸汽输送到渗透汽化槽中进行二次分离回收。
[0009]上述方案中，所述低浓度水溶液为有机物浓度在0.1-8 wt%范围的水溶液。
[0010]上述方案中，所述高沸点有机物为沸点在150~230 °C范围的胺类和呋喃环系常温液态有机物。
[0011]上述方案中，所述高沸点有机物为糠醛或苯胺。所述糠醛水溶液的浓度为:lwt%~8wt% ;苯胺水溶液的浓度为:0.lwt%~4wt%。
[0012]上述方案中，所述的具有选择性分离有机物功能的渗透汽化膜为聚醚嵌段聚酰胺膜。
[0013]上述方案中，所述渗透汽化膜下游的低压真空条件为:绝压在30~2000 Pa范围。
[0014]上述方案中，所述的第一级冷凝器温度控制在-30~30 °C;第二级冷凝器的温度为-200?-50 0Co
[0015]上述方案中，所述低浓度有机物的水溶液的初始温度为30~95 °C。
[0016]由于本发明提供的渗透汽化膜分离过程具有分离效率高、能耗低、工艺简单、无二次污染等优点，而且:(I)苯胺是高沸点、水溶性有机物，可以通过渗透汽化-分级冷凝耦合工艺直接从低的水溶液中回收到高纯度无色苯胺液体；(2)糠醛是高沸点(161.7°C)水溶性有机物，水解液中的糠醛可以通过渗透汽化-分级冷凝的工艺一步回收到高纯度无色糠醛液体，此法降低了从稀水解液中分离回收糠醛的能耗，具有很重要的工业应用价值。
[0017]本发明的工作原理:由于渗透汽化膜分离具有不受汽液平衡限制的优点，具有高吸附选择性渗透汽化膜优先吸附低浓度水溶液中的有机物，然后膜的另一侧抽真空使吸附的有机物与少量水汽化，最后将被膜富集的低压有机蒸汽(有机物具有较高的沸点)与水蒸汽进行分级冷凝，容易冷凝的有机蒸汽首先被截留在第一级冷凝器中，未被冷凝的水蒸汽与小部分有机蒸汽被截留在第二级冷凝器中。通过渗透汽化-分级冷凝工艺，其中高沸点、水溶性的苯胺、糠醛从各自低浓度水溶液中被提取出来，并且回收的糠醛与苯胺的纯度均大于 99.9wt%。
[0018]本发明的有益效果:
(1)通过渗透汽化-分级冷凝耦合工艺可以从低浓度水溶液中直接分离获得高纯度高沸点液态有机物；
(2)分离过程无需添加化学试剂，无二次污染； (3)分离过程中原料液的温度控制在较低的温度(低于95V )下操作，能耗低且分离效率尚;
(4)耦合工艺流程简单、操作方便，获得的高纯度有机物无需进一步纯化；
(5)首次将分级冷凝工艺应用于渗透汽化法回收高沸点有机物，增加了第二级冷凝器，使苯胺或糠醛产品的回收利用率高。
【附图说明】
[0019]图1是本发明渗透汽化-分级冷凝工艺流程示意图。
[0020]图中:1-原料储槽；2_料液循环泵；3_渗透汽化槽；4_第一级冷凝器；5_第二级冷凝器；6_真空泵；7_阀门，8-第一储料罐；9_第二储料罐；10_残液循环泵。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0022]实施例1:从低浓度水溶液中分离回收高沸点有机物的装置
如图1所示，包括渗透汽化段和分级冷凝段，所述渗透汽化段包括原料储槽1、料液循环泵2、渗透汽化槽3，渗透汽化槽3内设有渗透汽化膜组件；所述分级冷凝段包括第一级冷凝器4和第二级冷凝器5，第一级冷凝器4和第二级冷凝器5串联连接，第二级冷凝器5与真空泵6连接，即在两级冷凝器末端连接真空泵，第一级冷凝器4下端通过阀门7连接第一储料罐8，第二级冷凝器5下端通过阀门连接第二储料罐9，第二储料罐9通过残液循环泵10连接原料储槽I。冷凝后产品通过阀门控制进入到储料罐中。
[0023]采用上述装置分离回收高沸点有机物的工艺过程为:
由于渗透汽化膜分离具有不受汽液平衡限制的优点，具有高吸附选择性渗透汽化膜优先吸附低浓度水溶液中的有机物，然后膜的另一侧抽真空使吸附的有机物与少量水汽化，最后将被膜富集的低压有机蒸汽(有机物具有较高的沸点)与水蒸汽进行分级冷凝，容易冷凝的有机蒸汽首先被截留在第一级冷凝器中，冷凝后进入第一储料罐中，未被冷凝的水蒸汽与小部分有机蒸汽被截留在第二级冷凝器中，冷凝后进入第二储料罐中，第二储料罐中的液体经残液循环泵进入到原料储槽中。通过渗透汽化-分级冷凝工艺，其中高沸点、水溶性的苯胺、糠醛从各自低浓度水溶液中被提取出来，并且回收的糠醛与苯胺的纯度均大于99.9wt%0
[0024]实施例2:从低浓度水溶液中分离回收高沸点糠醛
(1)将浓度为2wt%的糠醛水溶液加热至800C，通过料液循环泵将糠醛水溶液以流速120 L/h循环通入渗透汽化槽中，使膜吸附达到平衡，膜组件中渗透汽化膜的面积为20.4cm2；
(2)在膜的下游侧，两级冷凝器的末端抽真空，，使膜下游压力维持在绝压30Pa ;
(3)将糠醛与水的低压混合蒸汽引入温度为_29°C、换热面积为0.1 m2的第一级冷凝器中，未被冷凝的糠醛与水的低压混合蒸汽引入与第一级冷凝器串联的第二级冷凝器中，第二级冷凝器温度为_196°C ;
(4)采用卡尔费休水分仪测得第一级冷凝器中收集的糠醛纯度为99.92 wt%,收集速率为240 g/(m2.h);第二级冷凝器中收集的糠醛纯度为25 wt%,收集速率为610 g/(m2.h)。
[0025]实施例3:从低浓度水溶液中分离