4-创新性说明书

2019“东华科技恒逸杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛参赛队员：李开朗 游翔宇 陈家辉 宋江怡 余佳佳指导老师：周志伟 汤吉海 崔 群 谷和平 符开云扬子石化10万吨/年醋酸乙烯酯创新性说明书目 录第一章 清洁生产技术创新11.1 生产过程资源化利用11.2 单产碳排放减少11.3 重馏分、废水一体化处理技术2第二章 反应技术及分离技术创新42.1 分子筛吸附二氧化碳脱水4第三章 过程节能技术创新73.1 热泵精馏技术73.2 低供热源变压吸收技术83.3 换热网络集成优化9第四章 新型过程设备应用创新104.1 包含气体分布器的反应器104.2 分离设备结构创新134.3 换热设备结构创新1416扬子石化10万吨/年醋酸乙烯酯项目 - 16 -创新性说明书第一章 清洁生产技术创新1.1 生产过程资源化利用图1-1循环示意图为了实现生产过程资源的有效利用，本项目工艺实现多个循环。物理吸收过程采用工艺原料醋酸，避免引进其他物质，化学吸收剂经再生后循环。醋酸乙烯酯循环有助于更好地去除醋酸甲酯等低沸物。项目中阻聚剂可循环利用，催化剂可送回资质单位。1.2 单产碳排放减少本项目的碳排放来自于副反应中产生的大量二氧化碳及来源于生产公用工程（蒸汽、电能等）所产生的碳排放。为了降低公用工程碳排放，本项目进行换热网络的集成设计，并且使用热泵精馏等节能技术降低能耗，有效地减少每吨产品的碳排放量。根据国家发改委的推荐算法，每燃烧1吨标准煤会排放2.62吨CO2、8.5公斤SO2和7.4公斤氮氧化物。节能减排情况如表1-1所示。表1-1 节能减排情况项目热公用工程（MW/a）冷公用工程（MW/a）热集成前65.7059.84热集成后52.4649.54能量减少百分率20.3%17.2%能量优化量23.7碳排放减少量2.603万吨CO2/年每吨产品碳排放减少量0.257吨CO2/吨产品对于副反应中生成的大量二氧化碳，本项目采用在乙烯回收工段将其回收采集吸附提纯制工业级CO2，送芳烃厂作为工业原料。1.3 重馏分、废水一体化处理技术图1-2重馏分、废水进行一体化处理装置本项目使用南京工业大学专利技术对重馏分、废水进行一体化处理。在旋流流化床反应器上部扩大段和底部各配置一个空气入口，通入两股气体，以空气为氧化剂，一股空气从反应器底部进入旋流流化床反应器中，将酯类精馏残液和废水加入到旋流流化床中进行临氧裂解：临氧裂解后的气体进入固定床催化氧化反应器中进行催化氧化反应：固定床催化氧化反应器出口排出的气体经过换热器换热冷却、再经气液分离罐气液分离，液体达GB1575-2018 工业锅炉水质标准，可进循环水管网进行回用。气体达DB32/3151-2016 化学工业挥发性有机物排放标准，可直接排放。其示意图如下。图1-3重馏分、废水进行一体化处理示意图第二章 反应技术及分离技术创新2.1 分子筛吸附二氧化碳脱水在醋酸乙烯酯的生产工艺中，由于发生乙烯完全氧化的副反应会生成一定量的CO2气体。近年来，随着全球气候变暖的加剧，对于CO2、CH4等温室气体的排放也提出了更高的要求。本项目总厂扬子石化有限公司作为国家温室气体排放奖励基金奖励单位，开发了CO2制CO，CO2生物法制取丁二酸，CO2中和废碱液等减排措施。在此基础上，本项目考虑将副反应产生的CO2气体吸附脱水后送总厂作为工业原料使用，实现了CO2的减排。在诸多固体吸附剂中，分子筛以其优良的选择性吸水性能而广泛应用于工业气体的脱水过程。不同型号的分子筛筛孔的孔径不同，可按照被吸附物质的分子大小有选择地吸附杂质气体组分。常用的脱水分子筛有3A、4A两种型号，实践表明，经脱水过程后，原料气中的水分含量可降至1ppm。实践经验证明，分子筛脱水工艺在低水分分压、高温、高气体流速等苛刻条件下仍能保持比其他固体吸附剂高的吸附容量，且技术发展快、应用广，其主要特点是：能耗低，工艺适用范围较广；产品纯度高且可灵活调节；工艺流程简单，可实现多种气体的分离；装置自动化程度高，操作方便；装置调节能力强，操作弹性大；投资小，操作费用低，维护简单，检修时间少，开工率高；吸附剂使用周期长，正常操作下吸附剂一般可以使用十年以上；环境效益好，除因原料气的特性外，装置的运行不会造成新的环境污染。具体的分子筛选型论证详见附录四二氧化碳吸附脱水说明书图2-1分子筛吸附两塔操作示意图图2-2吸附塔进口物流组成图2-3吸附塔出口物流组成由Aspen Adsorption模拟结果，出口CO2气体经脱水后可以作为工业原料利用，减少碳排放量，经济效益环境效益俱佳。第三章 过程节能技术创新3.1 热泵精馏技术当精馏塔的顶底温度相近 ，且存在较大热平台的时候，如果进行热泵精馏技术可以有效回收一部分能量，从而使得冷热公用工程均明显减小从而节约能量。通过热泵技术，将功转化为提升流股的温度品位，使原本不能换热的流股可以进行，从而使得冷公用工程量均有所减少。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。通过热集成分析可知，精馏塔T0304塔顶釜存在较大热平台，且温差较小，因此采用热泵技术，以塔顶气体为工质与釜液相换热使之部分汽化，同时使自身降温，再经深度冷凝得醋酸乙烯酯，部分回流至精馏塔。釜液体再经辅助加热后，进入闪蒸罐通过控制气出料分率来控制塔釜再沸比，闪蒸罐气体循环回提馏段底部液相为水、少量醋酸乙烯酯及高沸物送往废液处理。热泵精馏结构如下图：图3-1热泵精馏结构图综合考虑热源温度及压力选用塔顶气体加压式热泵精馏，塔顶蒸出气体经压缩后与塔底采出液体换热，再经减压后深度冷凝，流程能耗主要由压缩机和冷凝器产生。若不使用热泵精馏，其塔顶冷却能耗为11.38MW，塔底加热能耗为11.31MW；使用热泵精馏时，压缩机电耗为1.82MW，辅助冷却器冷却能耗为2.77MW。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5987.8kW。普通精馏与热泵精馏能耗对比如下表所示，表3-1 无热泵技术和热泵技术方案对比项目无热泵技术热泵技术冷公用工程消耗（kw）11377.52770热公用工程能耗（kw）11309.4879.6压缩机功耗（kw）05987.8总能耗（kw）22686.99637.4换热器费用（万元/年）41.2165.8压缩机费用（万元/年）096塔设备费用（万元/年）32.2832.28操作费用（万元/年）25361310费用节省（万元/年）1005.4从表中可以看出，使用热泵精馏虽然将增加部分设备投资费用，但是同时也将大大节约能耗，综合考虑，使用热泵精馏技术可以使本流程更为经济节能。由表可知，考虑到压缩机采用蒸汽驱动，热泵技术比无热泵技术节省能13049.5kW，节省幅度达57.52%。热泵技术节省热耗39.31%，节约冷耗75.65%，设备一次性投资费用增加了220.6万元，每年可节省费用1005.4万元，具有显著的节能效果。3.2 低供热源变压吸收技术低供热源的变压再生工艺，是对现有热钾碱脱除二氧化碳工艺的改进，其特征在于溶液再生系统采用一级解吸塔的加压闪蒸段与一级解吸塔和二级解吸塔以及亚音速喷射器组成的变压再生流程，本流程采用“中温变换、一次脱碳、低温变换、二次脱碳”，二次脱碳吸收塔采取上、下两段、上段进低温贫液和下段进高温贫液的分流优化操作，本方案实现了多段吸收，多段解吸，使吸收解吸的效率大大提高，具有使原工艺流程热耗大幅度降低的特点。加压闪蒸段（即图中加热蒸发段）入口的脱碳吸收富液组成是：碳酸钾20 - 36 % (重量），一种或多种催化剂总重为0.5 - 5.0 % (重量），缓蚀剂(V205) 0.2 - 1.0 %（重量），溶液温度范围是95 120，溶液再生度范围是1.65 - 1.96，喷射器则必须采用可调式气体喷射泵，本发明中的流程和操作参数就是依据造成一级解吸塔和二级解吸塔压力差别的可调式气体喷射泵的设计要求来确定的。一级解吸塔塔顶压力范围是0.14 - 0.18MPa (绝）， 以一级解吸塔塔顶出来的CO2再生气作为亚音速喷射器的动力气来抽吸二级解吸塔，使二级解吸塔塔顶压力范围在0.095 - 0.105MPa(绝），在不允许出现负压时，塔顶压力范围在0.1002 - 0.102MPa (绝）；由于二级解吸塔被抽吸，其塔底温度比加压再生塔塔底温度低15 左右，有利于实现其他低品位热源的能量利用。图3-2 变压吸收流程图表3-2 热耗对比信息表热公用工程/kW单位体积CO2再生热耗（kw/Nm3CO2）传统吸收110313703 kw/ Nm3CO2变压吸收4986186.9kw/ Nm3CO2能耗减少量6057516.1kw/ Nm3CO2能耗减少量/%54.8554.85经过变压吸收后，减少热公用工程605kw，能耗减少量达54.85%，单位体积CO2再生能耗减少7516.1kw，减少量达54.85%。 3.3 换热网络集成优化本项目基于夹点分析技术、利用Aspen Energy Analyzer V10.0软件来进行换热网络的设计。为了充分集成过程中的热量，本项目采用了热泵精馏在精馏设备上节省能量，同时设计全厂换热网络来提高能量集成的效果,寻找合适的节能措施以达到最大限度的能量回收。最终获得的换热网络如图示：图3-3 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为22台，包含4台内部能量回收的换热器，数目大大减少且换热网络更为精简。公用工程对比信息表如下表所示:表3-3 公用工程对比信息表冷公用工程/kW热公用工程/kW总计/kW直接公用工程5984065700125540换热网络设计4954052460102000能耗减少量/%17.220.318.75经过优化后，运用热泵精馏能量集成技术最终可回收能量2.37104kW，即23.7MW，能量回收率达18.75%。所需冷公用工程为4.954104kW，所需热公用工程5.246104kW。第四章 新型过程设备应用创新4.1 包含气体分布器的反应器常用的气体分布器是由主进风管、风管分布器和风孔等构成的管孔式装置。固定设置的风孔在进行单一气相反应时，反应物易在气体分布器的风孔处堵塞、结焦，影响正常生产。当装置直径较大时，由于风管设置的问题，气体从位置不同的开孔处流出的速率不同，所以此种分布器很难达到均匀分布气体的目的。对于大直径的装置，若气相分布不均匀，极有可能造成气体的偏流与短路，气相混合差，严重影响设备的运行与效率。据此，我们采用南京工业大学朱明、刘晓勤等人在专利CN 103007830 A中提供的解决方案进行进料方式的优化改进。具体解决方案为一种新型的气体分布器，其特征是由单片的分布盘或者是多片的分布盘构成的分布器；其中分布盘由挡流板1和扇形叶片2构成；扇形叶片2围绕在挡流板1周围，形成等距的环形阵列；挡流板、扇形叶片处于同一水平面上，如图3-5所示。图4-1 气体分布器在本反应器中，我们采用双分布盘构成的分布器。相邻两片扇形叶片旋转的间隔角度为6，即每隔 6角设置一块扇形叶片；扇形叶片自身的夹角 为6；两块扇形叶片之间留有一定的空隙作为气体通道，气体通道的宽度与扇形叶片的宽度相等；扇形叶片的外径D2一般为设备主体直径的80%，即3.6m。对于同一个单片分布盘，每个叶片及叶片之间的夹角都相等，叶片自身的夹角都相等，如图3-4所示。图4-2 双盘气体分布器在气体流经通道设置挡流板，使从入口管道进来的工艺气体，受到挡流板的阻挡，防止气体直接穿透设备中心的小部分区域从出口流出。水平布置的扇形叶片起到引流、导流的作用，一方面使气体沿叶片的伸展方向流动，一方面使气体沿叶片的宽度方向流动，最终达到均匀分布的目的，气体分布方式如图3-7所示。图4-3气体分布方式使用OPENFOAM中的simple-FOAM求解器对反应器内的气体流速进行模拟计算，由paraview软件导出流场分布图如下，可以看出双盘气体分布器有效改进了反应器内气体流速分布，使其分布更加均匀。图4-4加分布器前反应器入口流场分布图4-5加分布器后反应器入口流场分布4.2 分离设备结构创新由于本项目中醋酸乙烯精制工段气液相负荷大，且醋酸乙烯酯易聚合，如果使用普通筛孔塔盘将会容易出现雾沫夹带加剧以及筛孔堵塞等现象，这将影响装置的运行周期和产品质量。我们在精制工段(产品精制塔)采用复合斜孔塔板斜孔塔板是一种斜孔交错排列的塔板，塔板上有合理的汽液流动，气体以水平方向喷出，相邻孔喷出的气体不互相对冲，气体分布均匀，也不彼此叠加而致使液体不断加速，塔板上保持适当的存液量，汽液接触充分，雾沫夹带少，允许汽液负荷高，且有一定的自清洗作用。它避免了气体垂直向上喷(如筛板)和气体有相互干扰(如泡罩、浮阀板)不利于生产能力的提高及气体都向一个方向喷射(如浮动喷射板)不利于塔板效率的缺点。复合斜孔塔板将斜孔塔板的气相通道-斜孔的排列方向作一定的调整,使板上气相对液相流动产生一定的推动作用,减少液相在板上停留时间,使板上液层厚度降低,板压降减小,从而达到增加液相处理能力的目的。实验表明,该塔板的板上液层厚度低、塔板压力降小、雾沫夹带量少,尤其适用于大液相负荷存在。复合斜孔塔板通过改善板上气液接触,提高了板效率,具有自清洁能力,适用于易堵易聚合物系。醋酸乙烯精馏塔采