一种锂电生产中NMP回收热泵精馏的方法及设备与流程

本发明属于锂电池生产技术领域，尤其是涉及一种锂电生产中nmp回收热泵精馏的方法及设备。

背景技术：

n-甲基吡咯烷酮，英文名称n-methylpyrrolidone，即nmp，是重要的化工原料，是一种选择性强和稳定性好的极性溶剂，也是锂电池生产过程中常用到的溶剂，在锂电池生产过程中，制作锂电池正负极材料、制作锂电池隔膜时多使用nmp为溶剂，而生产过程中，随着锂电池正负极材料、隔膜的生产，所用的nmp溶剂不断的挥发，通常生产过程中会将挥发的nmp抽走，并吸收处理然后排放，会造成nmp原料的严重浪费，同时也会造成环境的污染，因此，有必要将挥发的nmp气体回收重复利用，以提高nmp的利用率，减少环境污染，但由于制备电极材料时，随溶剂挥发会带出一部分重杂化合物和金属离子、游离胺等，回收得到的nmp纯度很低，吸收液中存在着吸收剂、重杂化合物、金属离子、游离胺等杂质，使回收得到的nmp无法直接用作溶剂重复利用，而要对回收得到的nmp进行分离提纯必然会产生大量的能量消耗，因此，如何对锂电池生产过程中挥发浪费的nmp进行有效回收并分离，得到可直接用作锂电池生产的溶剂的nmp，并减少回收分离所需的能耗是目前所需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种锂电生产中nmp回收热泵精馏的方法及设备，使用该方法和设备可将锂电池生产过程中挥发出的nmp废气进行回收并提纯，得到电子级nmp，可直接用作锂电池生产中的溶剂，且耦合热泵技术，将精馏塔塔顶蒸汽用作塔釜再沸器的热源，显著降低整套设备的能耗。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种锂电生产中nmp回收热泵精馏的方法，包括以下步骤：

第一步，用水吸收锂电池生产过程中挥发出的nmp废气，得到nmp废液；

第二步，将nmp废液输送至第一脱水精馏塔进行分离，脱除轻组分，采出重组分，优选的，经第一脱水精馏塔分离后，第一脱水精馏塔的塔顶采出的轻组分中nmp浓度不大于500mg/l；

第三步，将第一脱水精馏塔的塔釜采出的重组分输送至第二脱水精馏塔进行分离，脱除轻组分，采出重组分，优选的，经第二脱水精馏塔分离后，第二脱水精馏塔的塔釜采出重组分中水的浓度不大于100mg/l；

第四步，将第二脱水精馏塔的塔釜采出重组分输送至nmp精馏塔进行分离，脱除重组分，采出轻组分，优选的，经nmp精馏塔分离后，nmp精馏塔的塔顶采出轻组分中nmp浓度不小于99.9％，

其中，还将第一脱水精馏塔的塔顶轻组分气体经压缩机升压升温，然后作为nmp精馏塔的塔釜再沸器的热源，加热再沸器中的混合液，第一脱水精馏塔的塔顶轻组分气体在再沸器换热后一部分采出，一部分回流至第一脱水精馏塔。

由于锂电池正负极材料、隔膜生产过程中，溶剂中溶有大量的金属离子、重杂等，nmp挥发的过程中会携带一部分金属离子、重杂化合物和游离铵等，因此，以水为吸收剂吸收挥发nmp后得到的吸收液中存在60-95％的nmp、5-40％的水、少量重杂化合物、少量游离铵和金属离子，但要将回收后的nmp作为溶剂使用，要求溶液中nmp浓度不小于99.9％、水的含量不大于100mg/l、游离铵含量不大于1mg/l、金属离子含量不大于1mg/l，因此，要将沸点分别比nmp低和高的物质与nmp分离，且要达到上述浓度要求，本申请中使用三塔技术，将三个精馏塔串联分别对nmp混合物进行一次脱水、二次脱水、nmp精制提纯最终得到电子级的nmp溶剂，可供锂电池材料生产重复使用，大大的节约了nmp原料。且该方法将精馏与热泵技术耦合，通过压缩机将精馏装置塔顶产生的蒸汽升温升压，将其低品位热能转化为高品位热能，用作塔釜再沸器的热源，充分利用设备中废气的能量，降低设备整体能耗。

技术方案中，优选的，还包括将第一脱水精馏塔的塔顶采出的轻组分液化，用作吸收锂电池生产过程中挥发出的nmp废气的吸收剂。第一脱水精馏塔的塔顶采出轻组分中主要为水，将精馏分离出的水再次通入nmp吸收塔的吸收剂入口，重复利用，可补给一部分吸收塔的吸收剂，减少吸收过程中水资源的消耗，节约能耗，并且提高水的利用率。

技术方案中，优选的，还包括将第二脱水精馏塔的塔顶采出的轻组分液化，与第一步中得到的nmp废液共同作为第一脱水精馏塔的进料。第二脱水精馏塔的塔顶采出轻组分中，含有50％-85％左右的nmp，将其与nmp废液一起作为第一脱水精馏塔的进料，再次利用，提高nmp回收率。

该nmp回收精制方法中精馏分离出的废废水被nmp废气吸收系统回收利用，装置内部形成闭环循环，整个回收精制装置中只有吸收塔的出气口排放含有微量nmp的废气和nmp精馏塔的塔釜重组分出口排放含有少量nmp的釜残，装置的危废、废液排出端少，排放量小，实现了循环经济和绿色化工。

技术方案中，优选的，第一脱水精馏塔的操作压力为20-100kpa，回流比为0.2-1，理论塔板数为40-60，塔顶温度为60-100℃，塔釜温度为135-180℃。

技术方案中，优选的，第二脱水精馏塔的操作压力为10-50kpa，回流比为1-4，理论塔板数为25-50，塔顶温度为100-135℃，塔釜温度为140-170℃。

技术方案中，优选的，nmp精馏塔的操作压力为10-50kpa，回流比为0.5-3，理论塔板数为40-60，塔顶温度为140-170℃，塔釜温度为145-175℃。

采用上述工艺参数经三塔技术分离后，得到的nmp溶剂中nmp的浓度不低于99.9％，水含量不高于100mg/l，游离铵含量不高于1mg/l，金属离子含量不高于1mg/l。

本发明另一目的是提供一种锂电生产中nmp回收热泵精馏的设备，包括吸收装置、缓冲装置、第一脱水精馏装置、第二脱水精馏装置、nmp精馏装置和压缩机，吸收装置的进液口与吸收剂供给装置连接，吸收装置的出液口与缓冲装置的入口连接，缓冲装置的出口与第一脱水精馏装置的进料口连接，第一脱水精馏装置的塔釜重组分采出口与第二脱水精馏装置的进料口连接，第一脱水精馏装置的塔顶气体出口与压缩机的入口连接，nmp精馏装置包括第三再沸器，压缩机的出口与第三再沸器的热介质入口连接，第三再沸器的热介质出口一路与第一脱水精馏装置的塔顶轻组分采出口连接，另一路与第一脱水精馏装置的塔顶回流入口连接，第二脱水精馏装置的塔釜重组分采出口与nmp精馏装置的进料口连接。

技术方案中，优选的，第一脱水精馏装置的塔顶轻组分采出口与吸收装置的进液口连接。

技术方案中，优选的，第二脱水精馏装置的塔顶轻组分采出口与缓冲装置的入口连接。

技术方案中，优选的，还包括回流液容器和第一回流泵，第三再沸器的热介质出口一路与第一脱水精馏装置的塔顶轻组分采出口连接，另一路与回流液容器连接，回流液容器通过第一回流泵与第一脱水精馏装置的塔顶回流入口连接。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.可将锂电池电极材料生产中挥发的nmp回收并提纯，最终分离可得到电子级nmp溶剂，可直接用于锂电池生产中正负极材料的溶剂使用，大大提高了nmp的利用度；

2.精馏与热泵技术耦合，通过压缩机将精馏装置塔顶产生的蒸汽升温升压为高压饱和蒸汽，将其低品位热能转化为高品位热能，用作塔釜再沸器的热源，充分利用设备中废气的能量，降低设备整体能耗；

3.精馏分离出的废水被nmp废气吸收系统回收利用，装置内部形成闭环循环，整个回收精制装置中只有吸收塔的出气口排放含有微量nmp的废气和nmp精馏塔的塔釜重组分出口排放含有少量nmp的釜残，装置的危废、废液排出端少，排放量小，实现了循环经济和绿色化工。

附图说明

图1是本发明实施例的锂电池生产中nmp回收精制的设备的结构示意图。

图中：

1、吸收装置2、脱水精馏装置3、脱水精馏装置

4、nmp精馏装置5、精馏塔6、再沸器

7、压缩机8、回流液容器9、回流泵

10、精馏塔11、冷凝器12、再沸器

13、精馏塔14、冷凝器15、再沸器

16、吸收剂供给装置17、吸收塔18、回流泵

具体实施方式

下面结合附图对本发明中nmp回收热泵精馏的设备做进一步描述：

如图1所示，本实施例所述的一种锂电池生产中nmp回收精制的设备包括吸收装置1、缓冲装置15、脱水精馏装置2、脱水精馏装置3、nmp精馏装置4和压缩机7，吸收装置1的进液口与吸收剂供给装置16连接，吸收装置1的出液口与缓冲装置15的入口连接，缓冲装置15的出口与脱水精馏装置2的进料口连接，脱水精馏装置2的塔釜重组分采出口与脱水精馏装置3的进料口连接，脱水精馏装置2的塔顶气体出口与压缩机7的入口连接，nmp精馏装置4包括再沸器15，压缩机7的出口与再沸器15的热介质入口连接，再沸器15的热介质出口一路与脱水精馏装置2的塔顶轻组分采出口连接，另一路与脱水精馏装置2的塔顶回流入口连接，脱水精馏装置3的塔釜重组分采出口与nmp精馏装置4的进料口连接。吸收装置1中以水为吸收剂将锂电池电极材料生产中挥发的nmp吸收，将吸收液送至缓冲罐15中收集，缓冲罐15中的nmp吸收液送入三个串联精馏装置进行精馏提纯，吸收液经脱水精馏装置2进行初步脱水，塔顶采出水，塔釜采出nmp及部分水，然后将塔釜采出的重组分通入脱水精馏装置3中进一步脱水，经脱水精馏装置3后将nmp中的水进一步分离，脱水精馏装置3的塔顶采出nmp和水，塔釜采出主要为nmp并含有少量重杂化合物、金属离子、游离铵、水的重组分，塔釜重组分通入nmp精馏装置4进一步提纯其中nmp，经nmp精馏装置4分离后，塔顶采出为浓度不小于99.9％的nmp、浓度不大于100mg/l的水、浓度不大于1mg/l的游离铵、浓度不大于1mg/l的金属离子，塔釜采出含有50％-80％nmp，少量重杂化合物、金属离子、游离铵的重组分。该装置采用三塔串联方式，可将锂电池电极材料生产中挥发的nmp回收并提纯，nmp精馏塔4塔顶可采出电子级nmp，可直接用作锂电池生产中nmp溶剂使用，大大提高了nmp的利用度。并且，该设备中将精馏与热泵技术耦合，脱水精馏装置2的塔顶产生的蒸汽经压缩机7进行升压升温，将塔顶的低品位热能转化为可利用的高品位热能，送至nmp精馏装置4的塔釜再沸器的热介质换热区域中，作为再沸器的热源，从而合理的利用了塔顶蒸汽的热量，显著降低设备的能耗，与热泵耦合后的精馏设备与单纯的三塔串联精馏设备相比，可节能30％以上，且本设备中，选择利用脱水精馏装置2的塔顶蒸汽为nmp精馏装置4的再沸器的热源，脱水精馏装置2的塔顶气相中主要为水蒸气，水的焓值最大，作为再沸器热源供能最高，可大大降低设备能耗。

其中，压缩机7可以使用变频电机提供动力，也可以使用背压式汽轮机提供动力，优选的，可将背压式汽轮机的蒸汽排出口与本设备中三个精馏塔中任一的再沸器的热介质入口连接，利用背压式汽轮机排出的蒸汽的热量为再沸器提供补充热源，有效利用热量，降低设备能耗；也可以在任一精馏装置的进料口处设置换热器，将背压式汽轮机的蒸汽排出口与换热器的热介质入口连接，利用排出的蒸汽的热量通过换热器与进料换热，使精馏装置的进料被预热，减少塔釜的能耗。

优选的，其中脱水精馏装置2的塔顶轻组分采出口与吸收装置1的进液口连接，将脱水精馏装置2分离出的水进一步引入吸收装置1作为吸收剂重复利用，可作为吸收剂的补充，降低吸收nmp时水的消耗量，并将精馏装置2的废液循环利用。优选的，脱水精馏装置3的塔顶轻组分采出口与缓冲装置15的入口连接，脱水精馏装置3的塔顶轻组分采出中仍含有50％-80％左右的nmp，该装置将其引入缓冲罐15中，再次作为精馏装置2的进料，与从吸收装置1吸收的nmp废液一起作为进料，从而将精馏装置3的废液循环利用，充分利用了废液中的nmp。该装置中精馏分离出的废液被系统回收利用，装置内部形成闭环循环，整个回收精制装置中只有吸收塔的出气口排放含有微量nmp的废气和nmp精馏塔的塔釜重组分出口排放含有少量nmp的釜残，装置的危废、废液排出端少，排放量小，实现了循环经济和绿色化工。

优选的，该装置还包括回流液容器8和回流泵9，回流液容器可以为回流罐，nmp精馏装置4的再沸器的热介质出口一路与脱水精馏装置2的塔顶轻组分采出口连接，另一路与回流液容器8连接，回流液容器8初步储存由再沸器输送的冷却后的脱水精馏装置2的塔顶轻组分，然后经回流泵9将其输送至脱水精馏装置2的塔顶回流入口进行回流。

优选的，吸收装置1包括吸收塔17和回流泵18，吸收塔17的气体进口与nmp废气来源连接，吸收剂供给装置16和脱水精馏装置2的塔顶轻组分采出口与吸收塔17的贫液入口连接，吸收塔17的富液出口一路通过回流泵18与吸收塔17的富液回流入口连接，另一路与缓冲装置15的入口连接。

优选的，该装置中脱水精馏装置2包括精馏塔5和再沸器6，缓冲装置15的出口与精馏塔5的进料口连接，精馏塔5的塔顶气体出口与压缩机7的入口连接，压缩机7的出口与nmp精馏装置4的塔釜再沸器的热介质入口连接，再沸器的热介质出口一路与精馏塔5的塔顶回流入口连接，另一路与精馏塔5的塔顶轻组分采出口连接，精馏塔5的塔釜液体出口一路与再沸器6的入口连接，另一路与精馏塔5的塔釜重组分采出口连接，再沸器6的出口与精馏塔5的塔釜回流入口连接。精馏塔5可以使用板式塔，也可以使用填料塔。

优选的，脱水精馏装置3包括精馏塔10、冷凝器11和再沸器12，脱水精馏装置2的塔釜重组分采出口与精馏塔10的进料口连接，精馏塔10的塔顶气体出口与冷凝器11的入口连接，冷凝器11的出口一路与精馏塔10的塔顶回流入口连接，另一路与精馏塔10的塔顶轻组分采出口连接，精馏塔10的塔釜液体出口一路与再沸器12的入口连接，另一路与精馏塔10的塔釜重组分采出口连接，再沸器12的出口与精馏塔10的塔釜回流入口连接。

优选的，nmp精馏装置4包括精馏塔13、冷凝器14和再沸器15，脱水精馏装置3的塔釜重组分采出口与精馏塔13的进料口连接，精馏塔13的塔顶气体出口与冷凝器14的入口连接，冷凝器14的出口一路与精馏塔13的塔顶回流入口连接，另一路与精馏塔13的塔顶轻组分采出口连接，精馏塔13的塔釜液体出口一路与再沸器15的入口连接，另一路与精馏塔的塔釜重组分采出口连接，再沸器15的出口与精馏塔13的塔釜回流入口连接。

本实施例所述的锂电池生产中nmp回收热泵精馏的设备采用三塔串联方式，可将锂电池电极材料生产中挥发的nmp回收并提纯，最终分离可得到电子级nmp，可直接用于锂电池生产中溶剂使用，大大提高了nmp的利用度；精馏与热泵技术耦合，通过压缩机将精馏装置塔顶产生的蒸汽升温升压为高压饱和蒸汽，将其低品位热能转化为高品位热能，用作塔釜再沸器的热源，充分利用设备中废气的能量，降低设备整体能耗；精馏分离出的废水被nmp废气吸收系统回收利用，装置内部形成闭环循环，整个回收精制装置中只有吸收塔的出气口排放含有微量nmp的废气和nmp精馏塔的塔釜重组分出口排放含有少量nmp的釜残，装置的危废、废液排出端少，排放量小，实现了循环经济和绿色化工。

下面结合几个实施例对本发明锂电池生产中nmp回收热泵精制的方法做进一步介绍：

实施例一

本实施例所述的nmp回收热泵精馏的方法，使用上述nmp回收热泵精馏设备，包括如下步骤：

第一步，以水为吸收剂，使用吸收塔对锂电池隔膜或电极材料生产时挥发的nmp废气进行回收，操作压力为101.3kpa，操作温度20度，液气比在0.72左右，处理得到nmp废液；

第二步，将nmp废液输入脱水精馏塔2进行分离，操作压力为20kpa，回流比为0.2，理论塔板数为60，塔顶温度为60℃，塔釜温度为135℃，经精馏塔2分离后得到的塔顶轻组分气体主要为水蒸气，nmp浓度小于500mg/l。将精馏塔2的塔顶轻组分气体经压缩机7升压升温，将低品位热能转化为高品位热能，然后作为nmp精馏塔4的塔釜再沸器的热源，与再沸器中的混合液进行换热，经再沸器换热出来的塔顶轻组分一部分回流至精馏塔2，另一部分输送至吸收塔作为吸收剂再利用，节约处理中的水资源的消耗。塔釜采出重组分中包括水1.8％，nmp97.6％，重杂组分0.6％，游离铵3mg/l，金属离子31mg/l。

第三步，将脱水精馏塔2的塔釜采出的重组分通入脱水精馏塔3进行分离，操作压力为10kpa，回流比为1，理论塔板数为50，塔顶温度为100℃，塔釜温度为140℃，经精馏塔3分离得到的塔顶采出轻组分中含有75％左右的nmp，其余主要为水，塔釜采出重组分中主要包含nmp99.2％，重杂组分0.8％，游离铵0.4mg/l，金属离子35mg/l，水的含量79mg/l，该精馏塔的塔顶采出轻组分经冷凝器液化后，一部分回流，另一部分被输送至缓冲罐，与吸收塔输送的待分离的nmp原料一起输送至精馏塔3的进料口，进一步分离，提高nmp废液中nmp的回收率；

第四步，将脱水精馏塔3的塔釜采出重组分通入nmp精馏塔4进行分离，操作压力为10kpa，回流比为0.5，理论塔板数为60，塔顶温度为140℃，塔釜温度为145℃，经nmp精馏塔4分离得到的塔顶采出轻组分中nmp含量为99.9％，还含有含量小于100mg/l的水、小于1mg/l的游离铵、小于1mg/l的金属离子，塔釜采出中含有60％的nmp，40％重杂化合物、610mg/l金属离子。得到的塔顶采出轻组分可直接作为锂电池生产过程中的溶剂使用。

实施例二

本实施例所述的nmp回收热泵精馏的方法，使用上述nmp回收热泵精馏设备，包括如下步骤：

第一步，以水为吸收剂，使用吸收塔对锂电池隔膜或电极材料生产时挥发的nmp废气进行回收，操作压力为101.3kpa，操作温度20度，液气比在0.72左右，处理得到nmp废液；

第二步，将nmp废液输入脱水精馏塔2进行分离，操作压力为20kpa，回流比为1，理论塔板数为40，塔顶温度为100℃，塔釜温度为180℃，经精馏塔2分离后得到的塔顶轻组分气体主要为水蒸气，nmp浓度小于450mg/l。将精馏塔2的塔顶轻组分气体经压缩机7升压升温，将低品位热能转化为高品位热能，然后作为nmp精馏塔4的塔釜再沸器的热源，与再沸器中的混合液进行换热，经再沸器换热出来的塔顶轻组分一部分回流至精馏塔2，另一部分输送至吸收塔作为吸收剂再利用，节约处理中的水资源的消耗。塔釜采出重组分中包括水1.4％，nmp98.3％，重杂组分0.3％，游离铵26mg/l，金属离子29mg/l。

第三步，将脱水精馏塔2的塔釜采出的重组分通入脱水精馏塔3进行分离，操作压力为50kpa，回流比为4，理论塔板数为25，塔顶温度为135℃，塔釜温度为170℃，经精馏塔3分离得到的塔顶采出轻组分中含有75％左右的nmp，其余主要为水，塔釜采出重组分中主要包含nmp99.5％，重杂组分0.5％，游离铵0.7mg/l，金属离子33mg/l，水的含量80mg/l，该精馏塔的塔顶采出轻组分经冷凝器液化后，一部分回流，另一部分被输送至缓冲罐，与吸收塔输送的待分离的nmp原料一起输送至精馏塔3的进料口，进一步分离，提高nmp废液中nmp的回收率；

第四步，将脱水精馏塔3的塔釜采出重组分通入nmp精馏塔4进行分离，操作压力为50kpa，回流比为3，理论塔板数为40，塔顶温度为170℃，塔釜温度为175℃，经nmp精馏塔4分离得到的塔顶采出轻组分中nmp含量为99.95％，还含有含量小于100mg/l的水、小于1mg/l的游离铵、小于1mg/l的金属离子，塔釜采出中含有70％的nmp，30％重杂化合物、410mg/l金属离子。得到的塔顶采出轻组分可直接作为锂电池生产过程中的溶剂使用。

实施例三

本实施例所述的nmp回收热泵精馏的方法，使用上述nmp回收热泵精馏设备，包括如下步骤：

第一步，以水为吸收剂，使用吸收塔对锂电池隔膜或电极材料生产时挥发的nmp废气进行回收，操作压力为101.3kpa，操作温度20度，液气比在0.72左右，处理得到nmp废液；

第二步，将nmp废液输入脱水精馏塔2进行分离，操作压力为20kpa，回流比为0.6，理论塔板数为45，塔顶温度为70℃，塔釜温度为120℃，经精馏塔2分离后得到的塔顶轻组分气体主要为水蒸气，nmp浓度小于500mg/l。将精馏塔2的塔顶轻组分气体经压缩机7升压升温，将低品位热能转化为高品位热能，然后作为nmp精馏塔4的塔釜再沸器的热源，与再沸器中的混合液进行换热，经再沸器换热出来的塔顶轻组分一部分回流至精馏塔2，另一部分输送至吸收塔作为吸收剂再利用，节约处理中的水资源的消耗。塔釜采出重组分中包括水1.9％，nmp97.9％，重杂组分0.2％，游离铵30mg/l，金属离子30mg/l。

第三步，将脱水精馏塔2的塔釜采出的重组分通入脱水精馏塔3进行分离，操作压力为25kpa，回流比为2，理论塔板数为40，塔顶温度为110℃，塔釜温度为150℃，经精馏塔3分离得到的塔顶采出轻组分中含有75％左右的nmp，其余主要为水，塔釜采出重组分中主要包含nmp99.7％，重杂组分0.3％，游离铵0.3mg/l，金属离子41mg/l，水的含量77mg/l，该精馏塔的塔顶采出轻组分经冷凝器液化后，一部分回流，另一部分被输送至缓冲罐，与吸收塔输送的待分离的nmp原料一起输送至精馏塔3的进料口，进一步分离，提高nmp废液中nmp的回收率；

第四步，将脱水精馏塔3的塔釜采出重组分通入nmp精馏塔4进行分离，操作压力为25kpa，回流比为0.6，理论塔板数为55，塔顶温度为150℃，塔釜温度为155℃，经nmp精馏塔4分离得到的塔顶采出轻组分中nmp含量为99.9％，还含有含量小于100mg/l的水、小于1mg/l的游离铵、小于1mg/l的金属离子，塔釜采出中含有75％的nmp，25％重杂化合物、557mg/l金属离子。得到的塔顶采出轻组分可直接作为锂电池生产过程中的溶剂使用。

以上对本发明的几个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。