3-创新性说明书-catalyst

年产6万吨叔丁胺项目 创新性说明书11 | 哈尔滨理工大学Catalyst团队目录第1章 原料方案及其体系创新11.1 原料方案11.2 产品结构方案创新1第2章 反应技术及分离技术创新22.1 反应精馏塔22.2 萃取精馏塔2第3章 过程节能技术创新43.1 热泵精馏技术43.2 蒸汽透平53.3 热集成创新5第4章 新型过程设备应用技术创新74.1 隔壁塔74.2 新型塔板的应用84.3 新型节能屏蔽泵84.4 Fluent换热器流场和温度场模拟9第1章 原料方案及其体系创新1.1 原料方案本项目是为中国石化齐鲁石油化工公司设计一座分厂，位于山东省淄博市齐鲁化学工业园区，目的是以异丁烯为原料生产非燃料油用途的有机化工产品。本项目年利用碳四12万吨，提纯异丁烯用于叔丁胺的生产，叔丁胺年产6万吨。碳四组分主要来源于石油化工行业，然而在我国经常得不到充分的利用而被焚烧掉，造成极大的浪费。通过对其组成成分及特性分析，本项目最终选择乙烯蒸汽裂解后的抽余碳四作为本工艺原料。因此本项目具有充足的普适性以及推广价值。本项目利用的齐鲁石化烯烃厂碳四组成与性质如表1-1所示。表1-1 齐鲁石化烯烃厂碳四组成与性质异丁烷异丁烯1-丁烯正丁烷顺2-丁烯反2-丁烯含量，w/%2.9046.8030.636.524.039.12沸点，-11.7-6.9-6.3-0.53.70.9相对挥发度1.2091.0701.0480.8710.770.843本工艺流程以此实现了碳四资源化利用，符合可持续发展战略，实现减少碳四的浪费，同时为国内异丁烯行业提供了一条全新的原料方案。1.2 产品结构方案创新本项目以齐鲁石化烯烃厂的抽余碳四组分及外购的液氨为原料进行叔丁胺的生产，采用原子利用率高的异丁烯直接胺化法，相较于传统的制备叔丁胺的方法（如异丁烯-氢氰酸法），实现了叔丁胺生产的清洁化和提高原子利用率的转变。本项目主副产品方案见表1-2。表1-2 本项目主副产品一览表序号产品规格，wt%产量，t/a备注1叔丁胺99.996.0万主产品22-丁烯96.085.8万副产品3异丁烷96.893135.5副产品第2章 反应技术及分离技术创新2.1 反应精馏塔本项目以抽余碳四组分为原料提取高纯异丁烯，工艺的核心在于异丁烯与1-丁烯的分离，这两种物质之间的沸点差小于1，相对挥发比值小于1.05，所以只用普通精馏不能分离出高纯度的异丁烯。本工艺采用反应精馏技术，在氢气氛围下将1-丁烯转化为2-丁烯，便于异丁烯与1-丁烯的分离，在反应精馏塔将化学反应和普通精馏耦合于单个设备中进行，可以同时对反应和精馏过程进行强化，催化剂为Ni/Al2O3和氢气，氢气在体系中循环利用，动力学数据参考金韵、陈伟等人的研究结果。省去了异构化反应器以及连接设备，缩短了工艺流程，降低了投资成本。该反应精馏模拟流程如图2-1所示。图2-1 反应精馏模拟流程图2.2 萃取精馏塔由于异丁烯与异丁烷的沸点相差仅4.83，其相对挥发度在此温度范围内约为1.13，采用普通蒸馏方法分离需理论板数超过100。若采用萃取精馏，选择N-甲基吡咯烷酮（NMP）为萃取剂，异丁烯能与NMP互溶，NMP的加入使异丁烯与异丁烷的相对挥发度大幅度提高，从而将异丁烷分离出来。使用NMP萃取精馏原理：碳四组分中，烯烃含有碳碳双键，当双键上的电子云靠近含有强极性分子，如酮、醇或水的时候，会被氧原子吸引而产生偏移，生成分子间氢键，而烷烃分子中碳碳单键均为稳定的化学键，并不会与极性分子发生作用。利用这一原理，当向碳四混合物中引入极性溶剂时，烃分子与溶剂分子之间的结合力会因烃分子中含有的双键数量不同而产生明显差异，双键数量愈多，结合力愈强，对应的组分愈趋向于向液相富集。这种作用力的差异的最终结果是碳四组分之间的相对挥发度差异增大，从而使得精馏分离变得更容易。由于纯NMP在本工艺条件下操作的压力为9bar，此时NMP的沸点为318.29，本工艺采用NMP加水的新方式，其中加入软水，萃取剂含水1.56%（质量分数），能够使萃取剂的沸点降低至256.31，能耗显著降低。两者沸点对比如图2-2所示。图2-2 沸点对比第3章 过程节能技术创新3.1 热泵精馏技术当精馏塔的塔顶塔底温度相近，且分离物质沸点相近的时候，如果进行热泵技术可以有效回收一部分能量，从而使得冷热公用工程用量均可以明显减小，从而节约能量。通过热泵技术，将功转化为热能，提升流股的温度品味，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而使得冷热公用工程的用量均有所减少。这样，消耗少量电能（用于做功），节省大量的热量与冷量，便可以有效节约能量。通过对2-丁烯提纯塔分析可知，精馏塔塔顶塔釜存在较大热平台，且温差较小，因此采用热泵技术，以塔顶气体为工质，塔顶气体经压缩机压缩升温后，与塔釜液相换热，使之汽化，同时使自身降温，再经冷却为液相，部分回流至精馏塔。塔釜液体再经辅助加热后，部分回到塔釜，部分进入冷凝器中冷凝采出。热泵精馏塔结构如图3-1所示：图3-1 热泵精馏塔结构图若不使用热泵精馏，其塔顶冷却能耗为 5391.74kW，塔底加热能耗为 4659.52kW；使用热泵精馏时，压缩机电耗为 482.747kW，辅助冷却器冷却能耗为 548.551kW和734.59kW。机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数约为 3.29，因此热泵精馏加热能耗为 1588.24kW，总能耗节约了 71.43%。3.2 蒸汽透平反应器进口温度较高且含有大量能量，本项目采用透平机回收大量高品位能量（产生250，5MPa的气体物质）。这部分能量若能合理利用，将会在一定程度降低生产装置的能耗与操作成本。透平机模拟如图3-2所示。图3-2 透平机模拟示意图采用高压蒸汽推动透平带动压缩机运转即能够极大地回收高品味能量、大幅度降低电耗，又能节约大量的资金，降低每吨产品的能耗，具有切实可观的经济效益，其能耗对比如图3-3。图3-3 蒸汽透平运用前后电耗比较3.3 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3-4原料预处理工段换热网络图图3-5叔丁胺精制工段换热网络图相较不采用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表3-1：表3-1 冷、热公用工程用量及最大公用工程用量换热工段热公用工程(kJ/h)冷公用工程(kJ/h)最大热公用工程(kJ/h)最大冷公用工程(kJ/h)原料预处理工段2.3091077.251075.2871078.851107叔丁胺生产工段5.683107-5.683107-叔丁胺精制工段2.0291074.9441072.111075.0071072-丁烯提纯工段5.863107-5.863107-总流程1.5881081.2191081.8941081.386108从上表计算可知，节约公用工程量为14.41%，节约公用工程量13.1MW。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。第4章 新型过程设备应用技术创新4.1 隔壁塔隔壁塔技术是一种效果优良的过程强化与精馏节能技术。具有特殊结构的隔壁塔相比常规精馏塔具有较高的热力学效率。对于相同的分离任务，隔壁塔所需的能耗较低，同时隔壁塔技术的应用也降低了设备数量和投资。从本质上，精馏过程是物理有效能转化为扩散有效能的过程，同时伴随物理有效能的降价损失。热力学第二定律分析显示，精馏过程的高耗能主要表现为再沸器输入热量使用效率的低下，再沸器输入的能量大部分转移给塔顶冷凝器的冷凝剂，而真正提供给物流有效能的部分很少。可以用下式简单地表述精馏过程的热力学效率，一般地，精馏塔的热力学效率在5%15%，最多能达到30%，精馏过程的节能可通过减少过程热损失、余热充分回收、减少本身对能量的需求和提高热力学效率等方法实现。通过传热传质的同时耦合，隔壁塔的过程热力学效率得到提高，从而实现能耗的减少。隔壁塔模型图如图4-1所示，进料F为粗叔丁胺，侧线出料S为高纯叔丁胺，本项目同时模拟了隔壁塔工艺数据与普通双塔精馏工艺数据。经普通双塔精馏与隔壁塔精馏工艺流程比较，若使用普通双塔精馏，其1塔顶冷却能耗为 756.269kW，塔底加热能耗为 554.157kW，其2塔顶冷却能耗为 1778.22kW，塔底加热能耗为 1764.5kW；使用隔壁塔精馏时，塔顶冷却能耗为 1131.1kW，塔底加热能耗为 900.279kW，总能耗节约了 58.14%。图4-1 隔壁塔模型图4.2 新型塔板的应用在本工艺所有精馏塔中采用新型高效ADV高性能浮阀塔板，正是在F1型浮阀塔板的基础上，吸取其有利因素，并克服其缺点而开发的，在浮阀结构和塔板结构上有其独特之处，。运用新型塔板使鼓泡均匀细化，传质更加充分，减少了雾沫夹带，提高了传质效率；减弱了低负荷下部分浮阀关闭所引起的脉动现象，降低了总板压降；克服了F1型浮阀在阀孔中旋转、导致浮阀易磨损和脱落且不稳定的缺点，减弱或消除塔盘弓形区域的涡流和滞流死区。ADV浮阀具有独特的阀脚和阀孔结构，使其不会旋转，这不仅克服了F1浮阀旋转带来的弊端，同时使ADV浮阀具有一定的导向作用。ADV微分浮阀的导向作用有利于消除塔板上液体滞留现象，提高液体分布的均匀度。采用新的塔板连接方式，使塔板连接处也可布阀，提高整个塔盘的阀孔排列均匀度，进一步提高塔板效率和处理能力，同时大大缩短安装时间。采用鼓泡促进器使整个塔板鼓泡均匀，同时使气体分布也趋于均匀，从而增加了塔板的处理能力和提高了传质效率。ADV浮阀塔板结构如图4-2所示。图4-2 ADV浮阀塔板结构示意图4.3 新型节能屏蔽泵为了贯彻绿色节能的理念，本项目所使用的液氨泵与叔丁胺泵采用了新型节能屏蔽泵，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。而该系列泵相比常规屏蔽泵而言其整体效率显著提高，其利用哈氏合金、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。4.4 Fluent换热器流场和温度场模拟本项目设计过程中采用FLUENT14.5对换热器E0111列管内流体流动和传热特性进行数值模拟。在GAMBIT中建立物理简化模型，并生成网格。采用六面体结构化网格，并对网格质量进行检查，每个网格单元的最小内角大于18、最小雅克比矩阵与最大雅克比矩阵行列式的比值大于0.7。根据求解目标利用CFD前处理软件GAMBIT建立换热器的物理模型。确定所解决问题的特征之后，一般需要按照以下的基本步骤来解决问题。图4-3 网格图、流体速度云图、温度云图和速度矢量图利用GAMBIT创建物理模型后划分网格，并导入FLUENT后选择合适的求解器：2D，3D，2DDP，3DD