14-创新性说明书

长安大学 风与天幕2019 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛宁夏长城能化年产10万吨高纯VAM项目创新性说明书设计单位长安大学设计团队风与天幕队成员姓名周慧、吴雪雪、穆原冰、王艺凡、卢楷彬指导教师叶林静、罗钰、邢建宇、周昭辉、谈 震2019年7月18日 目 录第一章 原料方案及其体系创新21.1原料方案21.2产品结构方案创新2第二章 清洁生产技术创新52.1废气处理创新52.2废水处理技术创新52.3废渣处理技术创新52.4碳排放减少5第三章 反应技术及分离技术创新73.1乙炔醋酸法制取醋酸乙烯技术73.2乙炔水合法制取乙醛技术73.3共沸精馏技术7四、过程节能技术创新84.1热集成创新8五、新型过程设备应用技术创新95.1固定反应器95.2陶瓷膜105.3新型屏蔽泵105.4“扭曲管”的使用11六、环境保护技术创新13第一章 原料方案及其体系创新1.1原料方案以乙炔和醋酸为原料生产醋酸乙烯，上游母厂为湿法电石发生工艺生产乙炔。我国的电石资源相当丰富，目前，我国大多数醋酸乙烯的生产仍采用气相乙炔法，而传统乙炔法生产醋酸乙烯方法可能造成较大的污染，如何解决生产过程中产生的污染问题成为了一个重要的课题，从电石生产乙炔，再从乙炔生产醋酸乙烯，两者采用新法结合起来，不但能够充分利用资源，还能够大大的减轻生产过程中产生的污染。因此本项目具有充足的普适性以及较好的节能推广价值。表1-1 年原材料消耗表材料名称含量来源年消耗/吨乙炔99.99%来自总厂39800醋酸 99.8%来自总厂86330近年来，随着石油资源的逐步匮乏，新能源尚未成熟，改变能源结构，对传统生产方法进行改造成为了设计者们的新思路，即本项目所使用的乙炔气相法生产醋酸乙烯。总产从电石开始生产乙炔，本项目所建分厂从乙炔开始生产醋酸乙烯。本工艺流程利用乙炔和醋酸为原材料，提出新思路，解决了上游生产过程中产生的污染问题，同时实现了乙炔和醋酸的更高价值的资源化利用，符合石化和化学工业“十三五”发展规划。 1.2产品结构方案创新表1-2 产品结构一览表编号产品纯度产量（吨/年）1VAM99.8%1226142乙醛40%9152纳米级碳酸钙同时，总厂利用电石废渣和CO2生产配备生产食品级碳酸钙本项目利用乙炔和醋酸生产醋酸乙烯，除主产品醋酸乙烯外，同时还将副产物乙醛分离提纯，同时将未能循环回去的乙炔气体反应成乙醛，一起构成了最后的副产。此外，本项目过程中产生的废水将导回湿法乙炔发生工艺流程中，本项目产生的CO2将与电石废渣一起生产纳米级碳酸钙和食品级碳酸钙。本项目最终年产纯度为99.88%的醋酸乙烯122614吨，年产纯度为99.82的乙醛3704.6吨。主产品醋酸乙烯与副产品额乙醛就近销售于宁东能源基地。废水、废气、废渣送回总产与总产前流程有效结合，进行资源化利用。854.4吨优等品甲酸甲酯，主产品甲基丙烯酸甲酯与副产品甲酸甲酯在南京工业园区附近就近销售，8.32万吨剩余C4输送回总厂烷基化装置和燃料油装置，与总厂产品体系有效融合。本项目产品特色集成方案如下图：图1-1 本项目系统集成图图1-2纳米级碳酸钙的制备图1-3食品级轻质碳酸钙的制备第二章 清洁生产技术创新2.1废气处理创新项目利用未处理完全的废气资源化处理，其中，将未能循环回去的乙炔气使用乙炔水合法转化成产品乙醛，做到清洁生产少污染。 2.2废水处理技术创新在生产醋酸乙烯的过程中，将产生大量的废水，如果直接排放，会造成非常严重的污染，如果处理后再排放，费用又会很高，本项目将废水导回总厂湿法发生工艺生产乙炔的流程中，使废水能够再利用，资源化，从而达到减少污染和排放的目的。2.3废渣处理技术创新电石废渣是从电石生产乙炔再生产醋酸乙烯的一个重大污染问题之一，如何处理废渣也成为了生产过程中的一个重点和难点，为实现清洁生产，本项目提出将电石废渣处理成纳米级碳酸钙和食品级碳酸钙的处理方案，总厂配备生产这两种产品的装置处理电石废渣，本项目实现了原料来源清洁，而且具有良好的经济效益，原料来源也会相对市场便宜。2.4碳排放减少本工艺的碳排放部分来源于VAM合成工段，部分来源于生产公用工程（蒸汽、电能等）所产生的碳排放。为了降低氧化工段的碳排放，本项目选用四川维尼纶厂研发的39#催化剂，相较于醋酸锌-活性炭催化剂和醋酸锌-普通椰壳催化剂，通过控制反应温度和压力，有效减少了副产物CO2的产生，乙炔选择性提高5-10，减少副产物CO2的生成，有效减少单产碳排放。为了进一步节能降耗，本项目进行换热网络的集成设计，并且使用热集成分析技术降低能耗，有效地减少每吨产品的碳排放量。节能减排情况如表2-1所示。表2-1 节能减排情况表项目热公用工程（KW）冷公用工程（KW）匹配前38926.826512.2匹配后3395722591节能百分率12.77%14.79能量优化量13.59%每年碳排放减少量4.03万吨标煤/年每吨产品碳排放减少量0.403吨标煤/吨产品第三章 反应技术及分离技术创新3.1乙炔醋酸法制取醋酸乙烯技术本项目乙炔和醋酸的过程，相比较于传统工艺，本项目采用了新型催化剂，将产物分离次序调整为乙炔、乙醛、VAM、醋酸，将过程未能循环的乙炔气制成乙醛。3.2乙炔水合法制取乙醛技术本项目将未能循环回去的乙炔通过乙炔水合法制成乙醛，采用非汞催化剂氧化锌，避免了传统方法带来的污染。3.3共沸精馏技术在本项目中，醋酸回收利用过程中，需要实现水和醋酸和分离。一直以来，直接分离水和醋酸得到的醋酸纯度都不是很高，没办法让醋酸直接回到醋酸加料处使用。本项目通过分离副产物丁烯醛，间接实现水和醋酸的分离。通过查阅物性手册，并通过Aspen共沸物查询功能，发现水和醋酸及丁烯醛存在三元共沸体系，因此选择丁烯醛作为塔顶主要产品，醋酸作为塔顶主要产品，进行共沸精馏，塔底将得到纯度为99.99%的醋酸。本工艺所使用的共沸精馏，简单易操作，很好地解决了醋酸和水分离的问题，简化工艺流程，从而降低了设备投资和操作费用。四、过程节能技术创新4.1热集成创新本项目使用了夹点分析和热集成节能技术，运用了Aspen Energy Analyzer V9.0软件，得到适用于本系统的换热网络方案。使厂区内的冷热物流在合理范围内换热，从而达到节省能量的目的，最终获得一个能量较大回用的换热网络，如下图所示：图4-1换热网络相较于热集成技术直接用公用工程进行换热的换热网络，运用热集成前后能耗对比如下：表4-1公用工程对比表项目冷公用工程/KW热公用工程/KW总计/KW直接公用工程38926.826512.265439换热网络设计339572258156538能量减少量/%12.7714.7913.60可以发现节能效果显著，能量回用率较大，加强了生产过程的经济性，能量回收率（节能率）达到13.60%，热集成分析详细参见8-换热网络及热集成。五、新型过程设备应用技术创新5.1固定反应器鉴于我国煤、天然气资源比较丰富，目前醋酸乙烯的生产中乙炔法仍占主导地位。目前，通过改造后的新型固定床反应器在工业中具有重要的应用价值。通过对固定床列管反应器进行改造，实现操作参数优化，从而提高醋酸乙烯产品质量和产量。本项目的新型反应器具有三套管结构的固定床反应器，通过改善反应器的换热方式从而提高反应器的换热能力。本文所研究的具有新型换热结构的固定床反应器的结构如图 5-1 所示。该新型列管式固定床反应器的每只管束为三套管结构，套管间隙装填催化剂形成催化剂床层；内管两端封闭，侧壁开孔通过管道与反应器壳程相连，实现将反应物与冷却介质的隔离。反应物气体由上封头进入催化剂床层，带有产品的混合气由床层侧壁导出。冷却介质分两部分进入反应器，一部分经壳程来冷却催化剂床层；另一部分经导管自下而上进入内管，到达封闭的内管顶部后向下折流来冷却催化剂床层，从而实现了冷却介质自内外两侧对催化剂床层进行冷却。图5-1新型列管式固定床反应器的结构简图详细见4-反应器设计说明书5.2陶瓷膜陶瓷膜组件在诸多领域应用广泛。陶瓷膜组件具有较高的分离效率且稳定性好。同时陶瓷膜组件具有良好的抵抗能力，可以耐酸碱、高温以及大部分有机溶剂，因此决定其具有良好的抵抗外界污染和再生性能。除此之外，陶瓷膜组件还具有较高的机械强度、较小的过滤阻力以及较低的能耗和较长的使用寿命，加之操作维护简便，因而广泛应用于食品领域、医药领域、精细化工领域和植物深加工等领域。在VAM合成反应器中，使用的催化剂为催化剂醋酸锌-氧化铝，在气液固三相反应中，催化剂颗粒会随反应的进行而流失，为了防止催化剂固体影响后续工段的分离过程，且回收醋酸锌-氧化铝。本项目创新地使用陶瓷膜组件对催化剂和液相物料进行过滤，以达到催化剂颗粒与物料的有效分离。图5-2陶瓷膜管结构示意5.3新型屏蔽泵为了贯彻绿色节能的理念，本项目所用泵通过市场调查决定采用新型节能屏蔽泵，该系列泵由上海佰诺泵阀有限公司生产，从而替代了以往高耗能的常规屏蔽泵产品。常规屏蔽式电动机与同功率同极数普通电动机相比效率要低10个百分点，功率因数则更低。但是该系列泵磁路为径向结构，结构简单、漏磁较少，由于空间的限制，采取这种特殊的隔磁方式，减小隔磁桥的尺寸来增大磁阻，使漏磁减小，使用较少钕铁硼永磁体能够提供电动机所需的气隙磁密。该设计使泵的整体效率提高，利用哈氏合金、钕铁硼永磁材料，使电机效率高、功率因数高及功率密度大、过载能力强，且温升低，噪声小，长期高温运行时可靠性高，无泄漏、防爆、耐腐蚀等特点，且可以在200下稳定运行。图5-3 新型屏蔽泵泵5.4“扭曲管”的使用本项目VAM合成工段放出大量热，出反应器的混合气体温度较高，热量被逐级利用，所涉及的换热器均为气-气相换热器。而气-气相换热器的总传热系数较低，导致换热面积较大，设备费用增加，占地面积增加。且流体易在管内结垢，严重影响换热的同时造成换热器寿命的降低以及能耗的消耗增加。针对上述问题，本项目在VAM合成工段换热器中使用了能同时改善换热器壳程及管程的传热效率的传热元件 “扭曲管”，其工作原理如下：图5-4 扭曲管管束示意图扭曲管是由普通圆管经压扁扭转制得，截面为椭圆形，两头仍为圆形截面，椭圆截面连续扭转变化，形成螺旋形流道，每经过一个导程截面旋转360度；在长轴处形成点支撑，每旋转60度形成一次支撑，一个导程六个支撑点，管束之间的空间即为螺旋形的流道。扭曲管管内流体旋转流动，在截面上形成二次流；壳程截面长轴处形成自支撑结构，流道也为螺旋形，壳程流体边旋转边纵向流动，强化传热的同时降低了压力损失，另外，纵流也避免了流体诱导的管束振动。洛阳石油化工公司成功地将螺旋扭曲扁管换热器在抚顺石油化工公司减四线油装置中进行了工业试验。结果显示，与传统折流板换热器相比，扭曲管换热器总传热系数可提高1.7倍，换热面积节省63%，投资节省30%由华东理工大学能源转换实验室与如皋赛孚机械有限公司合作加工的扭曲管冷凝器成功应用于江苏双马化工有限公司脂肪酸的生产，与折流板冷凝器相比，换热管面积减少21.6%，换热管长度减少25%。综上所述，扭曲管换热器具有传热效率高，压降小，不易积垢的突出优点，可应用于本项目的气-气换热过程。六、环境保护技术创新本项目实现资源化利用的同时实现清洁生产，本项目通过“三大处理”废水处理、废气处理、废固处理，以及“两小循环”分离乙炔气体循环、醋酸循环，实现物料的最大化利用，大幅减少了废液、废气以及废固的产生。具体如下：湿法电石发生工艺废水未循环乙炔气制成产品乙醛废气废固集中处理，其中固体催化剂返厂重制废固表6-1项目废气一览表序号排放气名称有害物组成排放量m3/h排放点排放方式排放去向处理方法名称含量%1吸收尾气N287.1259.324醋酸精制塔塔顶连续送往总厂瓦斯管网燃烧供热O24.168H2O2.75CO23.94C2H21.34表6-2 项目废水一览表序号废水名称有害物成分及浓度（wt%）排放量（kg/h）排放点排放方式排放去向处理方法1反应废水水98.69%，碳四0.1%1032.60乙醛精制塔塔底连续送回总厂前流程反应回收利用2共沸精馏塔废水水97.74%，有机物0.01%6543.05醋酸精制塔连续送回总厂前流程反应回收使用3生活废水等COD、氨氮、SS500全厂生活设施间歇送厂区污水处理厂分解处理表6-3 项目废固一览表序号排放废固名称有害物名称排放量（吨/年）排放点排放方式排放去向处理方法1氧化锌氧化锌0.8t/a乙醛反应器2年/次供应商回收回收2醋酸锌-氧化铝催化剂重金