9-创新性说明书

2019“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工竞赛山东齐鲁石化分厂年产20万吨醋酸乙烯项目创新性说明书西南大学乙炔吃醋队团队成员：何林海、罗成、李任元、杨鑫、周义芳指导老师：张钰婷、雷洪、王晓丹、李龙芹 2019“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工竞赛 创新性说明书目录1.原料方案创新12.洁净生产清洁技术22.1绿色催化剂应用22.2三废资源化处理技术22.2.1废气资源化处理22.2.2废水资源化处理32.2.3废固资源化处理52.2.4资源循环和利用52.3单产碳排放减少73.反应技术及分离技术创新83.1高效反应新工艺83.2高效分离新技术83.2.1双塔体系83.2.2膜分离技术93.3反应分离集成技术104.过程节能技术创新104.1换热网络集成优化104.1.1不含热泵精馏104.1.2含热泵精馏124.1.3有无热泵精馏节能对比134.2相变潜热的多效及热泵利用技术144.2.1热泵精馏技术145.新型过程设备应用技术创新155.1反应器结构创新155.2分离设备结构创新165.2.1洗涤塔165.3输送设备结构创新175.3.1节能屏蔽泵175.4换热设备结构创新185.4.1螺旋管换热器185.4.2热管换热器195.4.3列管式换热器中洁能芯的使用206. 控制系统技术创新226.1 SIS安全仪表系统226.2 紧急停车系统(ESD)23乙炔吃醋队 1. 原料方案创新本项目为中国石化齐鲁石油化工分公司年生产20万吨醋酸乙烯资源化项目，主要原料来源于中国石化齐鲁石油化工公司。传统的生产醋酸乙烯的方法有乙烯法和乙炔法，其中乙烯法又分为Bayer技术和USI技术，而这两种方法的原料气组成均为乙烯、醋酸、氧气、氮气。我们通过对原料方案的性能经济指标对比和总厂生产醋酸乙烯装置目前的生产能力，本项目则采用乙烯：醋酸：氧气：二氧化碳：水（摩尔比）=0.5:0.15:0.05:0.28:0.02混合进料，将副反应生成的二氧化碳代替氮气，进而实现抑制副反应CO2的生成，以提高醋酸乙烯的选择性，实现CO2的资源化利用。表1-1 原料一览表原料名称主要组成与含量（摩尔比）用量（万吨/年）来源乙烯C2H40.57.8总厂供给醋酸CH3COOH0.1514.8全部外购氧气O20.055.9总厂供给二氧化碳CO20.280.08全部外购水H2O0.021.5全部外购本工艺流程以紧扣中国制造2025中提出的绿色发展2020指标，实现了CO2的资源化利用，抑制了醋酸乙烯副反应CO2的生成，减小了二氧化碳的排放。本项目最终将制得20万吨/年度的纯度为99.99%的醋酸乙烯产品和副产0.5万吨/年的99.99%乙醛产品，符合低碳战略方针和可持续发展战略，为国内醋酸乙烯行业开启了一条低碳生产、高效创收的新方法途径。2.洁净生产清洁技术2.1绿色催化剂应用催化剂是实现乙烯气相氧化法制醋酸乙烯（VAc）工艺的关键。对于乙烯气相氧化制醋酸乙烯（VAc）的催化剂曾经历很漫长的发展，从单一的纯钯金催化剂，到在钯金催化剂中加入另一种金属的双催化剂，例如Pd-Au、Pd-Pt、Pd-Cd等负载型双金属催化剂，研究发现，双金属催化剂的性能比单金属催化剂的性能更好，其中Pd-Au催化剂的活性近似是纯钯催化剂活性的16倍，选择性也达到 94%。目前，乙烯气相制醋酸的催化剂仍以Pb、Au催化剂为主，但仍存在催化剂活性组分混合不均匀，表面积小，热稳定性差，机械性能差等缺点，由此造成催化性能不好且易失活等问题。为了使催化剂避免出现问题，本工艺选用Pd-Au-KAc/SiO2为基础的复合催化剂。该催化剂首先通过浸渍、干燥、高温焙烧制得，在原Pd-Au/SiO2催化剂的基础上，加入助催化剂KAc以提高催化剂的催化性能，使得醋酸和乙烯转化率大大提高，同时并降低了副反应的发生，提高了产物的选择性，进而减少了三废的产生和排放，从源头上抑制了三废的产生。本工艺所选用的Pd-Au-KAc/SiO2为基础的金属复合催化剂具有催化活性高、选择性高、催化损耗小、使用寿命长、绿色环保等优势。2.2三废资源化处理技术2.2.1废气资源化处理2.2.1.1废气组成及排放量本项目生产过程中副反应会产生CO2，在CO2吸收解吸工段采用乙醇胺做吸收剂，吸收CO2，在CO2解吸塔（T0302）中解吸出主要含CO2和水蒸汽的气体，该气体经过膜分离处理可以回收大部分的CO2。其通过膜分离处理后的废气组成如表2-1所示。表2-1废气组成表序号气体名称气体组成排放量/（Nm3/h）排放点排放方式处理去向名称含量（wt）1膜分离器H2O85.9359.37膜分离器连续送至废气废水联合站，临氧裂解，催化氧化CO210.19乙烯3.87氧气0.02乙醛0.012.2.1.2 废气处理及去向本项目废气中含有二氧化碳和少量的乙烯及乙醛等，不能直接排放，本项目产生的废气均进废气废水联合净化站进行处理。固定床反应器出口处的气体经过换热器冷凝后经过气液分离器得到的气体中VOCs的含量不高于40mg/m3，可直接排空。气相VOCs含量采用色谱法分析，色谱柱为毛细管柱，标准气为甲烷。气相色谱条件为：柱温100，检测器和汽化室温度均为200。全厂对排空处VOCs含量进行实时监控，一旦浓度超过浓度上限，将排空阀切断，所有排空气体送至废气事故储罐，分析超标原因。2.2.2废水资源化处理2.2.2.1废水组成及排放量本项目废水一览表如表2-2所示。表2-2 废水组成表序号废水名称排放源排放量，kg/h废水成分及含量，wt排放方式处理去向1生产废水乙醛精制塔塔底9190.2H2O 98.1、C4H6O2 1.8连续送至废气废水联合站，临氧裂解，催化氧化2生产废水闪蒸罐（V0301）12554.4H2O 98.47、HCO3- 0.69，MEA+ 0.75%连续3生活污水生活设施130COD、氨氮、SS间歇经化粪池处理后送园区污水处理厂2.2.2.2处理方法及去向（1）本本项目所产生的废水主要分为两股，一股是从乙醛精制塔塔底出来的含醋酸乙烯废水，含量低于2；另一股是从CO2吸收解吸工段闪蒸罐（V0301）排放出来的含少量HCO3-和MEA+的废水。本项目采用废气废水联合净化，即将排放废气与化工废水联合一步法净化的方法，在旋流流化床-固定床反应器串联的装置中，通过临氧裂解与催化氧化的一体化技术同时处理废水及废气。装置流程图如下：图2-1 废气废水联合净化法示意图在旋流流化床反应器上部扩大段和底部各配制一个气体入口，一股空气与废气混合后从反应器底部进入旋流流化床反应器的流化段，令一股空气后从扩大段的切向进入反应器中；将乙醛精制塔塔底废液及生产中的废水加入到旋流流化床反应器中进行临氧裂解；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，固定床反应器出口处的气体经过换热器换热冷却得到的液体COD不超过80mg/L，可直接进入循环水系统，冷凝后经过气液分离器得到的气体中的VOCs的含量不超过40mg/m3，可直接排空。（2）初期雨水：本项目设有初期雨水调节池，收集装置内被污染地面的污染雨水，生产污水后地面冲洗水，经初级雨水调节池调节后，用调节池上的污水泵提升至厂区内的污染雨水管道，排入全厂污水处理场进行处理。（3）生活污水：经化粪池处理后送园区污水处理厂。2.2.3废固资源化处理2.2.3.1废固一览表本项目固体废物主要包括催化剂和生活垃圾，组成见表2-3。表2-3 废固一览表序号污染物名称排放点产生量，kg/a有害物成分排放方式排放去向1钯金催化剂R01011148.3Pd间歇厂家回收2二氧化硅（载体）R010121818.0二氧化硅间歇厂家回收3生活垃圾生活区19350生活垃圾间歇垃圾处理站4生产包装物垃圾生产区50000低毒或腐蚀性间歇分类回收集中处理2.2.3.2废固处理方法及去向本项目主要废固为失效催化剂，在装置大检修时，将需要更换的上述材料取出集中收集，封装好后分别送至供应商回收。催化剂处理常用的方法为浓缩、消化、脱水、干燥、固化及回收。生活垃圾收集后送至垃圾处理厂进行处理。生产包装物垃圾经分类回收后集中处理，使废渣排放安全、合理、绿色、环保。2.2.4资源循环和利用本项目一共分为VAc合成工段、预分离工段、CO2吸收解吸工段和VAc精制工段。Aspen plus工艺流程模拟图见下图：图2-2 VAc合成工段和预分离工段流程图图2-3 CO2吸收解吸工段和VAc精制工段流程图从上述流程可以看出生产过程有多股循环物料。对于一个大型连续生产过程来说，物料循环利用能大大提高过程的连续性，减少开停车次数和操作费用，增强生产能力，整个流程共7个循环。在VAc合成工段里，流程中共有3个循环，主要循环物料为洗涤塔和CO2吸收塔的气体（主要成分为乙烯、二氧化碳、氧气和水蒸气）和来自醋酸回收塔的循环醋酸。整个醋酸乙烯生产的工艺流程中会造成新鲜原料的损耗，需要从外界进行补充。我们使用 Aspen Plus对整个过程进行模拟时，通过调节各个精馏塔的操作参数，分离出符合生产要求的循环气体和循环醋酸，将其循环套用。通过循环大大减少了从外界的补充量，从而提高了生产的经济性实现了对循环醋酸热量的回收利用。在预分离工段里，流程中共有2个循环。通过使用 Aspen Plus对后续分离操作进行参数调控，洗涤塔采用的吸收剂均是来自于醋酸回收塔的循环醋酸，不需要加任何新鲜醋酸；同时，溶于液体中的反应气经汽提塔全部提回洗涤塔，避免了粗醋酸乙烯产品后续的分离困难和实现了未反应气体的循环使用。在CO2吸收解吸工段，流程共有1个循环。我们使用MEA水溶液对流程产生的CO2进行化学吸收并解吸，通过调整CO2吸收塔和CO2解析塔的参数，在CO2解吸塔得到高浓度的MEA水溶液，通过补加定量定浓度的MEA水溶液，实现了将MEA循环回CO2吸收塔，充实现了MEA的循环利用，减小了MEA的使用，节约了成本。、在VAc精制工段，流程共有1个循环。醋酸回收塔塔顶的采出物经过冷凝分相后，有机相（主要是VAc）送入VAc精制塔共沸分离，塔顶得到水和VAc按共沸比的混合物，塔底得到VAc产品。我们将塔顶的混合物循环回液液分相器分相，实现了物流的循环利用，并节约了一个液液分相器。2.3单产碳排放减少本项目使用热集成节能技术，运用Aspen Energy Analyzer V9软件，对工艺中的热量进行回收利用，实现了全流程换热网络的设计与优化。项 目冷公用工程（kw）热公用工程(kw)总费用（cost/s）未优化前71388.8994666.670.3408不含热泵精馏53207.7876305.560.2236含热泵精馏51638.8949361.100.1800总节能比率27.67%47.86%47.18%本项目在实现换热网络的设计与优化基础上，通过热泵精馏技术，实现了能量的回收利用，冷公用工程回收总能量19750.00KW，热公用工程回收热量45305.57KW，总共节能65055.57KW，节能39.18%，总费用节约了47.18%。同时，我们通过膜分离技术回收废气中的水和CO2，得到了高纯度的CO2，将其循环利用，减少了单碳排放量。3.反应技术及分离技术创新3.1高效反应新工艺目前工业上醋酸乙烯（VAc）的生产方法主要是乙烯法和乙炔法等。世界上大多醋酸乙烯酯生产厂家都是采用乙烯法和乙炔法，其中乙炔法分为乙炔气相法和乙炔液相法，乙烯法又分为乙烯气相法和乙烯醋酸法，但乙炔液相法和乙烯液相法都因为其缺点较多而被淘汰。其中，乙炔法气相法又分为电石乙炔法和天然气乙炔法，但由于电石乙炔法单台设备产能大，投资少，但电石渣污染严重，三废处理成本高，对环境污染大等缺点逐渐被淘汰，天然气乙炔法由于乙炔成本高也逐渐被淘汰；而乙烯法由于其工艺性和经济性更具有优势而占据主导地位。目前，全球82%以上的醋酸乙烯产能均采用乙烯法生产，18%采用乙炔法生产。但由于我国电石资源丰富，故电石乙炔法在我国仍占主导地位。目前国内电石乙炔法生产醋酸乙烯总产能约为200.0万吨/年，约占总生产能力的62.40%。乙炔法以醋酸锌为催化剂，但是该催化剂存在易失活、生产能力不高、污染严重、能耗高等缺点。但因此本项目创新性的选择了乙烯气相法Bayer工艺生产醋酸乙烯。Bayer工艺的产品质量高、副反应少、成本低、对设备和管道的腐蚀性小且时空收率高，容易规模生产，效益明显，是目前生产醋酸乙烯最经济合理的先进工艺，且该工艺绿色环保，具有广阔的生产前景。3.2高效分离新技术3.2.1双塔体系在VAc精制工段，我们采取双塔体系，如图3.1。我们将醋酸回收塔塔顶的组分（醋酸乙烯、水、少量乙醛）经过冷凝后输送到液液分相器进行分相，上层为有机相，即粗醋酸乙烯，下层为水相。粗醋酸乙烯再送入VAc精制塔在常压下采取共沸精馏，塔顶得到共沸比例的水和醋酸乙烯共沸物，送入进料前的液液分相器进行冷凝分层，塔底得到浓度为99.99%的醋酸乙烯产品。图3-1 双塔体系示意图在该工段中，我们团队成功的将醋酸回收塔和VAc精制塔通过液液分相器进行连接，实现了双塔体系。正常操作条件下，醋酸回收塔塔顶出来的液体需一个液液分离器分相，进而将有机相送入VAc精制塔；而VAc精制塔塔顶出来的组分也需一个液液分离器进行分相，水相则和前一分相器混合后进行汽提，而有机相循环回塔顶，实现物流的循环使用。我们则巧妙的将两个液液分相器合一，实现流程的循环操作，不仅得到了高纯度的醋酸乙烯产品，而且节约了一台液液分相器，减少了经济成本。3.2.2膜分离技术膜分离技术是基于混合气体中 CO2与其它组分透过膜材料的速度不同而实现 CO2与其它组分的分离。由于气体组成部分在物理或化学性质的差异，一些气体分子通过膜渗透快。膜方法通过压缩和热交换来获得较高的压力，并且产生二氧化碳产品。该方法投资低、能耗低、操作方便，是发展迅速的节能型气体分离技术本项目废气的产生主要是CO2解吸塔塔顶的气，其质量分数为C2H40.0788%，CO214.22%，H2O84.96%，MEA0.47%及部分离子。通过低压闪蒸得到粗CO2混合气，其质量分数组成为C2H40.503%，CO288.33%，H2O11.17%。由于本项目生产的CO2较少，因此，采用聚丙烯膜对粗CO2混合气进行膜分离，主要是分离CO2和H2O，最终得到高纯度的CO2。一部分作为本项目的原料，另一部分则作为副产品出售。通过膜分离技术，我们创新的实现了CO2的资源化利用，减少碳的排放量。3.3反应分离集成技术本项目CO2吸收解吸工段中，我们采用MEA法脱碳。在CO2吸收塔中，MEA贫液与含CO2气体逆流接触，发生化学反应，吸收气体中的CO2，塔底得到MEA富液，经预热后送往CO2解吸塔。在CO2解吸塔中，CO2在高温低压条件下发生化学解吸过程，塔顶得到CO2混合气，经冷凝低压闪蒸后送入膜分离装置（聚丙烯膜）分离水和CO2，得到的CO2循环利用；废气和废水送至废气废水联合站，通过临氧裂解和催化氧化处理；塔底得到MEA浓溶液，经补加新鲜MEA水溶液后循环回CO2吸收塔，实现MEA的循环利用，减少MEA的消耗。CO2吸收塔和CO2解吸塔体现了反应与分离的集成。 4.过程节能技术创新4.1换热网络集成优化4.1.1不含热泵精馏工艺对于整个流程的换热过程进行了集成，并通过能量松弛法对其进行优 化。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（优化前，不含热泵精馏）图4-2 换热网络（系统推荐优化方案，不含热泵精馏）图4-3 换热网络（优化后，不含热泵精馏）我们对于热集成前后的能量消耗进行了对比：表4-1 热集成前后对比（不含热泵精馏）项目冷公用工程（kw）热公用工程(kw)总费用（cost/s）匹配前71388.8994666.670.3408匹配后53207.7876305.560.2236节能比率25.47%19.40%34.39%由表4-1可知，不含热泵精馏时，对整个流程进行换热网络热集成后，冷公用工程节约能量18181.11KW，节能25.47%；热公用工程节约能量18361.11KW，节能19.40%，总共节能26.46%（Aspen Energy Analysis），总的费用降低34.39%，加强了生产过程的经济性。4.1.2含热泵精馏通过分析，得到不含热泵精馏的复合曲线，如下图所示：图4-4 复合曲线（不含热泵精馏）经分析，夹点附近存在一段倾斜平台区，其中蓝色线代表T0401再沸器中塔底精HAc蒸发相变热，红色线代表T0401冷凝器中塔顶粗VAc冷凝相变热。其中由于溶液中含有H2O、HAc等组分，导致HAc回收塔耗能较高。由于塔顶与塔底的温差较小，因此可以对本塔采用热泵精馏技术，提升蒸发所产生二次蒸汽的温位，将其用于蒸发过程的加热，从而增加系统内部的换热量。我们通过能量松弛法对其进行优化。最终获得一个能量较大回用的换热网络，如下图所示：图4-5换热网络（系统推荐优化方案，含热泵精馏）图4-6 （优化后，含热泵精馏）我们对于热集成前后的能量消耗进行了对比：表4-2 热集成前后对比（含热泵精馏）项目冷公用工程（kw）热公用工程(kw)总费用（cost/s）匹配前71388.8969111.100.2974匹配后51638.8949361.100.1800节能比率27.67%28.58%39.48%由表4-2可知，含热泵精馏时，对整个流程进行换热网络热集成后，冷公用工程节约能量19750.00KW，节能27.67%；热公用工程节约能量19750.00KW，节能39.48%，总的费用降低39.48%，加强了生产过程的经济性。4.1.3有无热泵精馏节能对比通过换热网络的集成和优化，我们将有无热泵精馏得到的公用工程能量消耗和总费用进行了对比，见下表：表4-3 热集成前后对比项目冷公用工程（kw）热公用工程(kw)总费用（cost/s）不含热泵精馏53207.7876305.560.2236含热泵精馏51638.8949361.100.1800节能比率2.95%35.31%19.50%由表可知，有热泵精馏时，冷公用工程节约能量1568.89KW，节能2.95%；热公用工程节约能量26944.46KW，节能35.31%。虽然加入热泵精馏后冷公用工程节能不明显，但热公用工程节能明显，故总费用节约19.50%。4.2相变潜热的多效及热泵利用技术4.2.1热泵精馏技术热泵系统的工作原理：如下图所示，来自蒸发器的低温低压蒸气经压缩机升温升压，达到所需温度和压力的蒸气流经冷凝器，蒸气放出热量，降温冷凝成液相，经节流膨胀后压力继续下降。低压液相工质流入蒸发器后，由于沸点很低，很容易吸收热量再蒸发，又形成低温低压蒸气。把蒸发器放入低品位热源中吸收热量，吸收了热量的蒸气再进入压缩机，如此循环，就能使低温热量不断流到温度较高的地方，实现热量的有效回收利用，其代价是不断给压缩机提供机械能或电能。图4-7 热泵精馏原理示意图本项目将醋酸回收塔（T0401）改造为热泵精馏塔，通过热泵精馏技术，提升塔顶蒸汽的温位，增加系统内部的换热量。将普通精馏和热泵精馏的能耗进行对比，需要注意点是，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；在经过相关计算后，具体对比结果如下：图4-8 T0401热泵精馏示意图操作方式热能能耗（KW）电能能耗（KW）总能耗（KW）节能分率冷凝器再沸器普通精馏39737.239143.8078881热泵精馏23992.013370.632953.970316.510.9%5.新型过程设备应用技术创新5.1反应器结构创新在本项目醋酸乙烯合成工段，乙烯、醋酸和氧气反应制醋酸乙烯为强放热反应，当氧气和乙烯浓度过高时，反应放热剧烈，传统反应器存在死区，容易造成反应热聚集爆炸。故本项目醋酸乙烯反应器采用新型的固定床列管式反应器（专利：用来进行催化气相反应的套管反应器及其运行方法，专利号 CN1738676）。相比与传统反应器，该新型反应器有以下特点：（1）用没有危险而且还经济的方法进一步提高进行处理的反应气体的装载量；（2）气体分配腔14的设计，使得输入接触管的反应气体尽可能均匀，特别是无涡流以及无停顿地流入接触管；（3）通过管道74输送给气体入口罩60的量通过部分透过性的密封件72环绕的均匀的进入死区22，对气体进行吹扫。图5-1 新型列管式固定床反应器纵向剖视图5.2分离设备结构创新5.2.1洗涤塔对于反应器出来的反应气，传统的方法是通过冷凝气液分离后，气体分别先后进行酸洗和水洗，然后塔顶气体去CO2吸收解吸工段。传统的将酸洗和水洗操作分为两个单元，不仅占据了很大的面积，更增加了设备的投资。在本项目预分离工段中，如图3所示，我们选择将酸洗塔和水洗塔双塔一体化，在洗涤塔中，在塔的中部，我们先用醋酸洗涤吸收VAc产品，再在塔顶使用水喷淋，充分吸收挥发出的醋酸，避免因气体中醋酸的夹带造成MEA的消耗增大，同时也利用水洗后的醋酸溶液进一步吸收VAc产品，在单塔中实现了VAc的两次吸收。酸洗塔和水洗塔的一体化，节约了醋酸的用量，减少了塔的占地面积，降低了设备的投资费用。图5-1 酸洗塔和水洗塔一体化（洗涤塔）示意图5.3输送设备结构创新5.3.1节能屏蔽泵由于醋酸乙烯具有有毒有害，易燃易爆的特性，一旦出现泄露，后果不堪设想，为了避免危险事故的发生，我们输送含有醋酸乙烯的泵均采用屏蔽泵。屏蔽泵型号：PBG40-100(I)。屏蔽泵是泵和电机合二为一的产品，在电机定子内表面和转子外表面各一个特殊金属材料制成屏蔽套，将它们各自密填充，不和所输送的腐蚀液体介质接触，使电机的铁心和绕组不受腐蚀，使定子绕组保持良好的绝缘性能，加之该泵叶轮和电机同轴相连，结构上只有静密封，保证了所输送的液体的一滴不漏，完全避免了泄露对环境造成的污染，真正起到了安全环保的作用。此外，还有如下几个优点：1.因带有轴承监测器，可检查轴承磨损情况，电机逆旋转、缺相、短路情况和是否进入固体异物等。2.因从电机到泵是流水作业，可实行质量管理，提高了应变能力。3.采用了新型接线盒，大幅度的提高了接线盒的耐压强度和密封效果，可在露天使用。4.在标准型上加上诱导轮在吸入困难时也可使用。其结构如图所示：图5-2 屏蔽泵示意图5.4换热设备结构创新5.4.1螺旋管换热器在工艺生产过程中，为了充分的回收可用热量，减少能量的消耗，我们需要对不同物料之间进行换热。通常情况下，我们不可避免的会遇到换热面积大的情况，例如本项目中反应器出口的物料对原料气进行预热，通过换热网络的分析与计算，我们发现物料换热面积达到了6322m2，针对如此大面积的换热，传统的管壳式换热器不适合此类换热，故我们团队选择新型的、传热面积大的螺旋管换热器进行换热，通过2台螺旋管换热器穿联，两级换热，实现高效传热和热量回收。（专利：一种新型螺旋缠绕管式换热器 CN201821058467.1）图5-3 螺旋管换热器示意图螺旋管式换热器是由一组或多组缠绕成螺旋状的管子置于壳体之中制成的。他的特点是结构紧凑、传热面积比直管大，温差应力小。螺旋管式换热器的优点：(1)因螺旋管中的滞流传热系数大于直管的，所以可用于高粘流体的加热或冷却；(2)螺旋管式换热器中的流动可认为是逆流流动；(3)因传热管呈蛇形盘管状，具有弹簧作用，所以没有热应力造成的破坏漏失；(4)紧凑，安装容易。5.4.2热管换热器在本项目VAc精制工段中，由于T0401采用热泵精馏，塔顶压缩的高压高温气体将对塔底物流进行再沸。考虑到传热效率及传热温差小等问题，我们选择新型换热器热管换热器进行换热，实现热量的最大化回收与利用。其中，热管换热器的工作介质选择水为换热介质。5.4.2.1热管换热器的原理热管内蒸发段工质受热后将沸腾或蒸发，吸收外部热源热量，产生汽化潜热，由液体变为蒸汽，产生的蒸汽在管内一定压差的作用下，流到冷凝段，蒸汽遇冷壁面及外部冷源，凝结成液体，同时放出汽化潜热，并通过管壁传给外部冷源，冷凝液靠重力(或吸液芯)作用下回流到蒸发段再次蒸发。如此往复，实现对外部冷热两种介质的热量传递与交换。图5-4 热管换热器原理示意图5.4.2.2热管换热器的特点热管换热器的结构有别于其他形式的换热器。热管换热器具有一些显著特点：传热效率高，结构紧凑，换热流体阻力损失小，外形变化灵活，环境适应性强。1、热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时基本不影响换热器运行。热管换热器用于易燃、易爆、腐蚀性强的流体换热场合具有很高的可靠性。2、热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。3、对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式解决换热器的磨损和堵灰问题。5.4.3列管式换热器中洁能芯的使用能源是国民经济可持续发展的重要保证，而在列管式换热器中热量传热效果不佳，而且还由于无机物沉淀结垢、微生物滋生繁衍、污泥杂物淤积等在换热管内形成日益增厚的污泥层，大幅度降低了传热效率，造成严重的能源浪费。为此，人们想了各种方法来研发高效换热技术和设备，来提高能源的利用效率。虽然新研发的各种技术，能够提高换热能力，但是长期运行所积累下的污垢将使得多数强化管面临尴尬的境地。为了更好地解决换热器中强化传热和污垢难题，我们团队在列管式换热器中采用一种转子组合式强化传热装置“洁能芯”，具有在线自动清除污垢和强化传热双重功能。洁能芯的原理是洁能芯在管内介质的冲击下快速旋转，使得介质由层流转化为以螺旋运动为主的复杂运动。这种流动有利于增强管内介质的湍流程度，增加