4-创新性说明书

扬子石化5.5104t/a高活性聚异丁烯项目 创新性说明书目 录第一章 工艺创新点11.1 膜分离11.1.1 膜分离和其他工艺的对比11.1.2 膜分离21.1.3 膜分离器的选择21.1.4 膜的选择和设计41.2 工段内水的循环利用81.3 工段之间水的利用81.4 异丁烯提纯工段9第二章 过程节能技术创新102.1 换热网络设计与热集成102.2 热泵精馏节能分析效果102.3 双效精馏节能分析效果12第三章 设备创新143.1 反应器创新143.1.1 液氨直冷式聚合釜143.1.2 聚合釜釜壁抛光143.1.3 内外双螺带式搅拌器143.1.4 反应釜滑车安全创新153.2 塔填料163.3 换热设备创新173.4 流体输送设备创新183.5 混合设备创新18第四章 安全生产创新204.1 厂区布置安全204.2 生产设备安全20 中国矿业大学（北京）Alpha.团队 I扬子石化5.5104t/a高活性聚异丁烯项目 创新性说明书第一章 工艺创新点1.1 膜分离1.1.1 膜分离和其他工艺的对比传统的二氯甲烷与水的分离主要采用共沸精馏，萃取精馏、吸附分离等。1.1.1.1 共沸精馏共沸精馏原理是改变原溶液的先对挥发度来实现分离，加入的第三种组分称之为共沸剂，共沸剂还会和原料中的一个或者多个组分形成共沸物。共沸精馏分为均相精馏和非均相精馏。在工业中常用共沸精馏实现相对挥发度接近于1或者是形成共沸物的组分之间的分离，但是在操作中要考虑到共沸剂的购入和共沸剂后期分离回收的问题，能耗很高。其中，共沸剂的选择不恰当也会影响分离效果。在本例中，实现二氯甲烷和水的分离，至少要两个精馏塔，其中一个分离二氯甲烷，另外一个分离出来共沸剂，流程复杂化。1.1.1.2 萃取精馏萃取精馏过程主要通过萃取精馏塔完成，萃取剂从萃取精馏塔的上段加入原料从塔的下段加入，塔顶产物回流以减少馏出物中的溶剂量。根据查找文献，原有的工艺所使用的萃取剂大多为疏水基有机物，如已烷、氯仿、高碳醇类物质作为萃取剂，但这些萃取剂使用时会造成环境污染，而本工艺中使用了水作为萃取剂分离出产物，然后通过相分离储罐静置分层后，二氯甲烷中还会含有少量水分，达不到其纯度为聚合级的分离效果。1.1.1.3 吸附分离吸附分离主要是利用分子筛或金属化合物进行选择性吸附分离，根据分离物质的分子结构大小，常用的为 4A 分子筛。虽然吸附法脱水是一种能耗低、工艺操作简单且环保的工艺，4A 分子筛是一种高效能选择性超微型吸附剂，对有机溶剂中水的脱除既有广泛的应用前景和经济效应，但考虑到其前段分离为相分离器，其中的水含量相对不稳定，而 4A 分子筛又具有最大饱和吸附量所以其用量不好确定，并且在 4A 分子筛在吸附水的同时，也会对二氯甲烷进行吸附，在达到对水的饱和吸附时，4A 分子筛对二氯甲烷的吸附率达到自身质量的10%，若采用 4A 分子筛处理较大量的含水二氯甲烷时，则需考虑到二氯甲烷的回收问题。因此其投资相对大且效率不够高，过程要求过于复杂。1.1.2 膜分离相对于这些传统的分离工艺手段，膜分离具有低能耗，操作方便，过程简单（易放大与自控）、高效率、设备集中化程度高等优点，膜法分离有机液体中的水分脱除已在工业中运用比较成熟的工艺，渗透气化(PVAP) 是膜技术中较新的一种,它和反渗透有相似的传质过程。由于其具有高的分离选择性、低能耗、低设备投资及操作条件温和等优点,近几年来日益成为膜分离领域研究的热点膜分离在节能及环保方面具有极大的实际意义。1.1.3 膜分离器的选择在二氯甲烷净化分离工艺中，本项目设计小组利用Aspen plus 8.8对高活性聚异丁烯合成工段详细模拟后，在分离溶剂二氯甲烷和水的时候，由于要求循环溶剂中水的含量在600PPM以下，而二氯甲烷又微溶于水，溶解度1.32g/100g水（25），水在二氯甲烷中溶解度为1.16g/100g二氯甲烷。二氯甲烷和水38.1的时候存在共沸，共沸组成是1.5%（水、质量分数）。而采用普通的精馏方法根本不能严格达到预期分离效果。在对比其他工艺后，本项目设计小组拟采用膜分离器分离二氯甲烷和水，从而得到其纯度达到聚合级要求的二氯甲烷 。各种膜组件的特性如表1-1所示。表1-1 膜组件特性项目名称中空纤维毛细管式螺旋卷式平板式管式填充密度高中中低低清洗难易中易易压力降高中中中低可否高压操作可否可较难较难膜形式限制有有无无无通过上表的比较，结合膜材料的特性，最后选择板框式膜组件，其结构如下图所示。图1-1 剖面图1 膜框；2 膜；3 支撑板；4、5 垫圈；6 料液主流道；7 进框流道；8 框内料液流道图1-2正面图图1-3板框式膜组件图凝缩进料渗透汽化膜上游下游扩散汽化吸附蒸汽图1-4 分离原理以有机溶剂中组分蒸汽分压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解与扩散速率不同的性质来实现混合物分离的技术过程。 含水的料液被加热后进入液相室，膜对料液中的水分子有选择透过性，水分子溶解吸附于膜表面，由于真空的作用，在膜的另一侧不断汽化为蒸汽，使水分子得以不断地渗透通过膜。膜组件出口得到无水级的产品。 1.1.4 膜的选择和设计1.1.4.1 膜分离材质及形状的选择考虑到现有的技术水平，通过查找文献得知，分离二氯甲烷和水的膜分离工艺，采用一种功能性分离膜，从二氯甲烷中选择性渗透水。可以被用作水分离膜的是可从醇与水的混合液中选择性地渗透水的分离膜，该膜具有选择性渗透来分离醇组分的膜或通过选择性渗透来分离水的膜，优选使用选择性分离水的膜。水分离膜选择取决于被分离物质的分子大小及分离要求，其中有机膜包括、但不限于聚二甲醇膜、丙烯酸丙烯腈共聚物膜、离子化聚氨基葡糖膜、复合膜（其中提供马来酸交联的PVA活性层）和聚合物合金膜；无机膜中有A型沸石膜，陶瓷膜材料等等，其中无机分离膜的水分离系数（）至少为1000，渗透量（Q）至少为 0.01。A型沸石平膜可以通过将具有孔直径约为1um的多孔铝载体作为基材侵入代一种包括硅酸钠、氢氧化钠、铝酸钠和氢氧化铝（其组成中 H2O/Na2O=60，SiO2 /Na2O=1，SiO2/Al2O3=2d）的混合溶液中，随后将其温度80100下进行水热反应312小时。此外可通过重复侵入和水热反应，可以对膜的特性进行调节可控制。聚乙烯醇的分子链上有大量的羟基，其结构规整，并且是严格的线性结构，因此膜的化学性质稳定，机械强度高，分子之间的氢键使其具有足够的热稳定性。同时其具有良好的耐溶剂性能和成膜性能，能形成表面光滑的、非常坚韧的、耐撕裂的膜，因此在工业中应用广泛。我国是PVA生产能力和产量最大的国家，PVA的品种规格齐全，价格低廉。根据山东蓝景公司的使用该膜分离乙醇水的工艺，我们优先选用复合膜（带有PVA夹层）的膜。图1-5是该膜的微观结构。图 1-5复合膜断面1.1.4.2 膜分离工艺操作条件及详细计算膜分离工艺操作条件当除去水分时，从水的渗透率的角度考虑，高温是有利的，但从水的分离性能考虑，低温是有利的，优选温度为 7090。当操作压力为 0.49MPa时，即使膜反面为常压，水也能分离，但是在这种情况下 ，流速很小，因此，优选使用真空泵，以使水能够有效地除去。由于真空泵的使用，会使得能耗增加，为了减少真空泵的负荷，在真空泵之前加上冷却装置，将透过膜的汽化水冷却下来。下表是本次膜分离要达到的分离效果：表1-2 分离效果流量（kg/h）组成（质量分数）进料498050.997(CH2Cl2)0.002(H2O)出料49602.4760.999(CH2Cl2)膜分离的计算本项目设计小组通过 Aspen Plus 对 聚异丁烯合成工段的模拟，得出二氯甲烷/水的流量为49805.855kghr-1。其中含水量为0.2%（wt）,分离要求为渗余侧水含量为0.006%（wt）。当使用具有膜面积为0.01m2的分离膜时，由组成为0.2%（wt）的水，99.7%（wt）的二氯甲烷，MTBE（692PPM、质量分数）组成的溶液在80，绝对压力 0.3bar 下开始用真空泵从渗透侧抽真空，并进行全蒸发分离，得到如下公式：aAB=YA/YB*XA/XB其中A代表水，B代表另外组分，XA和XB分别代表在液体进料一侧水 A的重量分数和另外组分B的重量分数， YA和YB分别代表在渗透侧水 A 的重量分数和另外组分B的重量分数。同样，渗透流量是指每单位膜面积每小时的渗透重量，并可用如下公式表示：Q=在渗透侧所有组分的质量0.01*100kgm-2h-1所需膜面积为：A=进料流量/Q最后计算出所需膜总面积为 A=435.79375m2膜组件的特性参数见下表：表1-3 膜组件的特性参数膜材料PVA膜结构内压式膜有效长度1400mm组件长度1500mm组件外壳材料不锈钢材、ABS膜材料PVA膜速率150700 Lm2 h-1膜面积435.79m2操作极限温度150使用寿命2年操作压力0.5bar渗透通量0.08kg/m2h考虑到膜分离面积需要一定的裕度，所以选用6组膜分离组件。每套膜分离器的膜面积为80m2。工业生产图如图1-6所示。图1-6工业生产图1.2 工段内水的循环利用图1-7 工段内水的循环利用在异丁烯提纯工段中，在甲醇回收塔T-0106我们可以将甲醇和水分离，在塔顶得到质量分数为99.3%的甲醇，在塔底得到近乎纯的水，可以将这一股水循环到水洗塔T0102和MTBE回收塔T-0105。这样可以大大减少新鲜水的用量。1.3 工段之间水的利用图1-8 工段之间水的利用在异丁烯回收塔T-0104的塔顶我们可以得到质量分数为99.9%的异丁烯，在塔釜可以得到质量分数为95.7%的水，这一股物流中还含有少量的甲醇和极少量的TBA和异丁烯。我们将这一股水引入到第二个聚合工段的终止釜，去终止聚合反应。这样一来，大大减少了工艺中的用水量，也减少了废水处理的负荷。1.4 异丁烯提纯工段图1-9 异丁烯提纯工段当MTBE裂解之后，首先面临的问题就是物质分离问题，其中主要的物质就是MTBE，异丁烯和甲醇三种。一般的思路是先用大量的水洗去产物中的甲醇，这种方案的缺点有二：一是因为MTBE 的存在会影响甲醇在水中的溶解度，使得分离效果不好；而是这种工艺需要大量的水洗去甲醇。我们在此现将MTBE分离出去，然后再分离其中剩余的少量的甲醇使得异丁烯的纯度达到要求。第二章 过程节能技术创新2.1 换热网络设计与热集成在工厂的初步设计阶段，利用Aspen Energy Analyzer 8.8进行计算机辅助换热网络的设计和优化，同时结合合成工艺要求，最终以实现最大程度的经济效益为目标，来指导热量集成网络的设计和优化。结合Aspen Plus 8.8全流程的模拟校核导入Aspen energy analyzer 8.8的流股数据并进行修改；输入公用工程以及换热器费用函数；将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer 8.8，在能量分析器中，对最小夹点温差进行经济评估，获得总费用-最小夹点温差关系曲线；根据导入的流股信息，根据经验选取夹点最小夹点温差为21，可以获得整个车间的冷热流股的温焓图和组合曲线，之后获得最小公用工程用量，以及夹点的温度；根据实际情况对冷热公用工程参数进行了调整，使其更符合实际情况与工艺特点。最终手动优化的方案虽然较系统生产的方案费用有所上升，但是其更具可行性，且换热单元数量大大降低，降低了成本。且手动优化后系统的稳定性与安全性得到了大大提高。从以上计算可知，年节约热公用工程量为19.27%，节约冷公用工程量为17.25%。经过优化后，节能201.8kW。共需要冷公用工程484.1KW，热公用工程422.8KW。所使用的冷公用工程为：循环冷却水、冷冻剂，热公用工程为低压蒸汽、中压蒸汽。公用工程均可由化工园区提供。此外，本项目还采取了热泵精馏，双效精馏等新型节能技术，节约了大量能量。具体的换热网络设计详见附录三 较大能量回用的换热网络设计。2.2 热泵精馏节能分析效果在异丁烯精制塔用热泵精馏代替原来的普通精馏。由于在达到异丁烯要求的纯度上，普通精馏塔的塔顶和塔底的温度差比较低。塔顶温度为3.46oC，塔底温度为19.84，温度差为16.38。所以我们在精制异丁烯的时候，先将塔顶蒸汽通过压缩机压缩升温后再去再沸器中冷凝放热，将热量传给塔底之后，冷凝后的塔顶物流返回塔顶作为回流。普通精馏分离出来高纯异丁烯流程如图2-1所示：图2-1 异丁烯精制普通精馏Aspen Plus模拟异丁烯精制热泵精馏塔Aspen模拟流程如图2-2所示：图2-2 异丁烯精制热泵精馏Aspen Plus模拟经过对热泵精馏和常规精馏的模拟，我们将热泵精馏流程与常规精馏能耗的对比如下：表2-1 热泵精馏与普通精馏能耗对比能耗/kW热泵精馏659.53常规精馏1159.504节能效果43.12%热泵精馏流程与常规精馏流程的能耗对比如表2-1所示，热泵精馏节约能耗为43.12%。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，费用大大降低，综合考虑，使用热泵精馏技术可以使本流程更为经济节能。2.3 双效精馏节能分析效果在异丁烯提纯工段中有甲醇回收塔，在本次设计中，通过普通的单塔精馏回收甲醇和双效精馏回收甲醇的模拟，发现双效精馏更为节能。我们首先将要分离的水和甲醇的混合物加入到第一个塔（加压）中，塔的压力为5.5bar,第一个塔塔顶流股的蒸汽去给第二个塔（常压塔）的塔釜加热，将热量换走之后此流股再返回到第一个塔的塔顶作为回流。本设计中遇到的甲醇和水的分离属于比较容易分离的物系，所以在此处的节能措施仅仅是采用了双效精馏，并没有增加效数。一是因为随着效数的增加，节能虽然增加，但是节能的效率确实再逐渐下降，而是因为随着效数的增加，操作维护费用在增加，而我们所得到的甲醇产品的产量和纯度增加并不显著，结合市场上甲醇的销售价格，经济上不划算。甲醇回收普通精馏塔Aspen模拟流程如图2-3所示：图2-3 甲醇回收普通精馏塔Aspen模拟甲醇回收双效精馏塔Aspen模拟流程如图2-4所示：图2-4 甲醇回收双效精馏Aspen Plus流程经过对双效精馏和常规精馏的模拟，我们将双效精馏流程与常规精馏能耗的对比如下：表2-2 双效精馏与普通精馏能耗对比能耗/kW双效精馏5708常规精馏8183.16节能效果30.23%双效精馏流程与常规精馏流程的能耗对比如表2-2所示，双效精馏节约能耗为30.23%。第三章 设备创新3.1 反应器创新3.1.1 液氨直冷式聚合釜目前我国在聚异丁烯生产领域所使用的聚合釜，大多数都是采用夹套式聚合釜，其中有的内置鼠笼式列管，冷却介质通常采用低温盐水或乙二醇水溶液，冷量利用率低。本设计提供了一种液氨直冷式聚合釜, 满足了聚合反应所需要的传热面积。冷却系统具备较高压力的能力, 使不互溶液相催化剂的分散、混合更好, 从而进一步提高了反应器的生产效率, 改善了产品质量。该设计通过采用新型结构, 有效地提高了聚合釜的单位体积传热面积和撤热能力, 冷却系统的耐压程度高, 解决了聚合釜散热能力不足的问题，同时采用液氨直冷形式, 冷量利用率高, 制冷能耗降低。 图3-1 内冷管俯视图3.1.2 聚合釜釜壁抛光聚合釜釜壁的好坏，一是影响到传热效率（反应速率），另则影响到反应中的黏釜和结料，而釜壁的好坏一般体现在其表面的光洁度，光洁度越高越好。目前采取的方法有两种：一是采用防粘釜技术（加防黏釜剂），另一种就是对其进行表面抛光。专业的抛光技术人员对釜壁进行抛光，使釜壁光洁度明显增加，传热效果和防粘釜也明显提升，既缩短了反应时间，又使清洗次数降低，节约成本。3.1.3 内外双螺带式搅拌器目前我国在聚异丁烯生产领域所使用的聚合釜大多数都采用普通搅拌器，搅拌效率不高，无法使催化剂充分分散。本项目采用多功能内外双螺带式搅拌器，充分增大搅拌面积，满足催化剂分散和混合要求，节约反应时间，有效防止结块，并使产物相对分子质量分布得到改善，有利于得到高品质聚异丁烯。图3-2 内外双螺带式搅拌器3.1.4 反应釜滑车安全创新负重滑车主要用来承载内冷管组的自重，其负重轮是并列的两只单列向心球轴承，阻力小，成本低。图3-3 负重滑车导向滑车的主要作用是保证内冷管组向壳体内部滑行时的轨迹为直线，防止内冷管组在滑行时左右晃动。图3-4 导向滑车3.2 塔填料本工艺流程设计T-0102水洗塔与T-0104MTBE回收塔为填料塔，填料材质采用苏寿尔公司最新型的NeXRings型散装填料如图3-1所示.图3-5 NeXRings新型填料与传统的填料相比具有压降降低50%、处理能力提高40%和传质效率提高49%的优点。两中填料材质各项性能对比如图3-2所示。图3-6 各种填料性能对比3.3 换热设备创新对于换热器E0301，本项目选择一种采用静态混合先进专利技术的新型换热器JLGH 型高效换热器。E0301为产品加热器器，将终止釜出口的粗聚异丁烯产品加热，使其从-35升温至20进入水洗塔。JLGH型高效换热器是利用特殊结构的内插元件（具体结构见下图）使传热得到强化。管内流体在做切割移位、重叠的过程中，使物料在横截面上达到径向流动，使管壁处的流体流向管中央，管中央的流体流向管壁处，这种流态能使其传热过程得到强化，滞留内层大大减薄，传热系数大幅度提高。JLGH型高效换热器比普通列管式换热器的传热系数可提高3-8倍，当介质粘度越高、滞留内层的问题越严重时，JLGH型高效换热器的优越性越大。图3-7 JLGH 型高效换热器内插件3.4 流体输送设备创新对于大流量泵，我们采用变频泵。当阀门关小时，非变频泵局部阻力会增大，需要额外多消耗一部分能量且在调节幅度较大时离心泵往往在低效率区工作，因此经济性较差。而本项目采用变频泵，其流量随转速的下降而减小，动力消耗也相应降低，因此从能量消耗看是比较合理的。今年来，变频技术迅速发展