Word200311 设计文档Word源文件6 创新性概述

烟烟台台大大学学 “2 20 01 17 7 东东华华科科技技- -陕陕鼓鼓杯杯” 第第十十一一届届全全国国大大学学生生化化工工设设计计竞竞赛赛 唐唐泽泽彬彬 李李知知谦谦 盛盛 磊磊 刘刘 莹莹 毕毕晓晓琳琳 田田 晖晖 赵赵 旗旗 杜杜玉玉朋朋 任任万万忠忠 指指导导 老老师师 全全体体 成成员员 M Mu us se e 团团队队创创新新性性概概述述 2017年年 “东华科技东华科技陕鼓杯陕鼓杯” 第十一全国大学生化工设计竞赛第十一全国大学生化工设计竞赛 烟台火电厂烟气深度脱硫 及年产2.2万吨硫化氢项目 创新性概述 设计单位烟台大学化学化工学院 设计团队MUSE 成员姓名唐泽彬 李知谦 盛 磊 刘 莹 毕晓琳 指导教师田 晖 赵 旗 杜玉朋 任万忠 2017 年 6 月 30 日 烟台大学烟台大学 MuseMuse 团队团队 目录目录 创新性概述创新性概述 1.工艺路线的改进和创新 -4 1.1 采合成硫化氢新工艺 -4 1.2 克劳斯尾气循环 -4 2.流程模拟创新 -5 3.换热网络优化 -6 4.克劳斯反应器选型创新 -7 烟台大学烟台大学 MuseMuse 团队团队 1. 1. 工艺路线的改进和创新工艺路线的改进和创新 1. 工艺路线的改进和创新工艺路线的改进和创新 1.1 采合成硫化氢新工艺采合成硫化氢新工艺 本工艺流程短、设备紧凑、自控程度高、产气量大，产品质量稳定，能够本工艺流程短、设备紧凑、自控程度高、产气量大，产品质量稳定，能够 满足市场对不同体积分数要求硫化氢新产品的需求，特别是所产高纯硫化氢适满足市场对不同体积分数要求硫化氢新产品的需求，特别是所产高纯硫化氢适 用于生产多种精细含硫化合物。用于生产多种精细含硫化合物。 在传统工艺中，溶剂法易产生结焦现象，后期反应效率降低，难以工业化 运行；直接合成的方法虽然流程简单，但存在硫磺蒸发效率低，设备抗硫材质 选择困难和温度的有效控制的工业实施问题。通过查阅资料发现，现有一液体 硫磺与氢气合成硫化氢新工艺。 ，本工艺克服了现有硫化氢合成工艺存在的技术 缺陷，找到了适宜的设备材质，解决了硫磺的输送难题，使硫磺的进料更方便。 经过比对分析发现，新工艺对溶剂法有流程短、设备紧凑、自控度高的优 势，对传统直接合成的方法有产气量大，产品气质量稳定，经济效益大的优势。 综合工艺和效益的考虑，我们采用液体硫磺与氢气直接合成硫化氢新工艺 来制取硫化氢。此方案有以下优势： 流程短、设备紧凑、自控程度高、产气量大，产品质量稳定。 能够满足市场对不同体积分数要求硫化氢新产品的需求，特别是所产高 纯硫化氢适用于生产多种精细含硫化合物。 蒸汽、用电量等与传统工艺相比大幅降低，且工艺稳定可靠。 (比较过程详见“初步设计说明书5.2 硫化氢合成工艺对比”)。 1.2 克劳斯尾气循环克劳斯尾气循环 本着经济节约，提高原料利用率的原则，我们采用了克劳斯尾气循环来提本着经济节约，提高原料利用率的原则，我们采用了克劳斯尾气循环来提 高硫元素的利用率。此方案整体能耗不高，无需进行复杂困难的废水处理，又高硫元素的利用率。此方案整体能耗不高，无需进行复杂困难的废水处理，又 符合经济节约的原则。符合经济节约的原则。 由克劳斯三级反应器得到的尾气中还含有较多的硫化氢，既达不到尾气排 放标准，同时造成了原料的浪费。起初，我们尝试采用灼烧法来处理尾气，含 有硫化氢的尾气变成了二氧化硫的尾气，还需要再想办法去处理二氧化硫，且 烟台大学烟台大学 MuseMuse 团队团队 1. 1. 工艺路线的改进和创新工艺路线的改进和创新 这个方式消耗能量相对而言较大，不符合经济节约的要求，废气处理成为了重 要问题。 本着经济节约，提高原料利用率的原则，我们采用了克劳斯尾气循环来提 高 硫元素的利用率。此方案有以下优势： 流程简单，无废弃物排放。 能够提高硫原子的利用率。 (比较过程详见“初步设计说明书5.5 克劳斯反应单元”)。 2. 流程模拟创新流程模拟创新 使用使用 AspenAspen PlusPlus 进行全流程的模拟过程中，由于涉及到独立循环、嵌套循进行全流程的模拟过程中，由于涉及到独立循环、嵌套循 环和交叉循环多个复杂的循环回路，我们通过指定撕裂流股、设置收敛模块、环和交叉循环多个复杂的循环回路，我们通过指定撕裂流股、设置收敛模块、 利用利用 CalculatorCalculator 工具等方法使流程更易收敛。工具等方法使流程更易收敛。 全流程模拟计算顺序如图 2-1 所示： 图 2-1 模拟计算顺序 在脱硫单元及制硫化氢反应单元，利用 Calculator 工具对循环载气物流进 行模拟。如下图所示： 烟台大学烟台大学 MuseMuse 团队团队 3. 3.换热网络优换热网络优 化化 图 2-2 深度脱硫单元模拟流程图 图 2-3 制硫化氢反应单元模拟流程图 详见“初步设计说明书5.6 流程模拟优化” 。 3. 换热网络优化换热网络优化 以以 Aspen Energy Analyzer 进行换热网络设计的同时，用进行换热网络设计的同时，用 Aspen EDR 进行进行 换热器的设计，得到最终换热网络。换热器的设计，得到最终换热网络。 在进行换热网络设计优化的过程中，先通过 Aspen Plus 流程模拟确定了全 流程的换热任务，然后通过 Aspen Energy Analyzer 导入各流股信息，得出温焓 分布，以进行各流股间温焓的匹配，确定初步的换热方案，针对每个换热方案 以 Aspen EDR 进行换热器的设计，综合考虑传热系数的大小及换热器台数的多 少后确定最终的换热方案，得到最终换热网络如图 3-1 所示： 烟台大学烟台大学 MuseMuse 团队团队 3. 3.换热网络优换热网络优 化化 图 3-1 最终换热网络 该换热网络在保持换热单元数不变的同时实现了节省热耗 39.8%，节省冷 耗 31.8%。节能效果如表 3-1 所示： 表 3-1 节能效果比较 项目 冷公用工程 GJ/h 热公用工程 GJ/h 换热器数目 换热面积 m2 匹配前261.0 2124600 匹配后 157.021 18500 节能效果% 326.7 222.7 31.8 39.8 具体换热网络数据见“附录第三章 热集成与节能技术” 。 4. 克劳斯反应器选型创新克劳斯反应器选型创新 这里我们选择了陕西智慧环保科技有限公司的一种适用于高浓度原料气的这里我们选择了陕西智慧环保科技有限公司的一种适用于高浓度原料气的 新型克劳斯新型反应器。新型克劳斯新型反应器。 （专利号：（专利号：CN 203333297） ） 烟台大学烟台大学 MuseMuse 团队团队 4. 4.克劳斯反应器选型创新克劳斯反应器选型创新 图 4-1 新型克劳斯反应器 1-段外筒；2-人孔；3-中段锥筒；4-支座；5-下段外角；6-进口气；7-出口气；8-下管板； 9-列管组；10-1：环形折流板；10-2：环形折流板；11-上管板；12-不锈钢内筒；13-耐火瓷球； 14-折板扶正器；15-催化剂床； 烟气中的二氧化硫经过深度脱硫单元吸收解吸后浓度可达 90%以上，大大 超过一般回收酸性气的含硫量，克劳斯反应一级出口气体温度可达 500，普 通钢材制造的克拉斯反应器不能承受。如果钢材表面过热（超过 343） ，可达 H2S 直接反应。一般解决方法有以下几种，一是采用等温反应器从床层中移除 多余热量，缺点是设备造价过高，对于催化剂耐温较好的克劳斯反应不合算； 二是仍采用绝热反应器，但改用更耐热的材料制造，缺点还是造价过高，而且 反应产物气的温度最终需要降低到冷凝器分离出产物硫所需的温度（130-160） 还需要换热设备冷却反应产物气；三是采用内衬耐热材料的反应器，缺点还是 结构复杂造价也高。 而新型的克劳斯反应器与上述相比，具有以下三个优点： 1、反应器外壳不接触高温产物气体，比普通克劳斯反应器耐受高纯度原料 气带来的更高的反应温度而不需要采用更耐高温的外壳材料； 2、利用产物气体下降通道与原料气换热，节省外置换热器； 3、只有下管板与外筒连接，列管组与内筒为浮动结构，受热自由向上膨那 胀，不受应力，因而结构简单耐用，简化装置流程。 新型反应器具体反应流程如下所示：这里上段外筒通过中段锥筒连接下段 烟台大学烟台大学 MuseMuse 团队团队 4. 4.克劳斯反应器选型创新克劳斯反应器选型创新 外筒；中段锥筒连接支座，下段外筒侧面设进气口底面设出气口；所述下段外 筒内侧连接有下管板，上管板通过列管束连接下管板并连接一个装填催化剂的 不锈钢内筒；不锈钢内筒的外侧与上段外筒之间为环形空隙，内筒外侧四周方 向连接有不与外筒连接的折板扶正器；列管束的管间为原料气通道管内为产出 气通道。外壳不接触高温产物气体，适应高浓度原料气带来的更高反应的温度 而不需要耐高温的外壳材料和耐热衬里；节省外置换热器；列管组连接内筒构 成浮动内件