4-创新性说明书

中粮生化年产11.6万吨醋酸乙烯酯项目 创新性说明书目录第一章 原料方案及其体系创新31.1原料方案31.2产品结构方案创新41.3绿色发展2020指标之能耗下降幅度51.4绿色发展2020指标之二氧化碳排放量下降幅度61.5绿色发展2020指标之用水量下降幅度61.6绿色发展2020指标之工业固体废物综合利用率8第二章 清洁生产技术创新92.1 工艺路线创新92.2 催化剂结构创新92.3 厌氧IC-深层曝气接触氧化处理废水工艺9第三章 反应技术及分离技术创新123.1反应精馏集成123.2分子筛吸附脱水技术123.3共沸精馏技术143.4萃取精馏技术15四、过程节能技术创新164.1热泵精馏技术164.2朗肯循环174.3热集成创新17五、新型过程设备应用技术创新195.1新型反应器195.1.1反应器结构创新195.2 新型塔设备255.2.1 新型塔板的应用255.3新型泵的运用275.4 换热器创新285.4.1 新型防振动换热器的应用285.5 多级离心式压缩机的使用295.6 储存设备创新305.6.1 新型醋酸乙烯储罐的使用305.6.2 新型乙烯储罐的使用315.6.3 新型醋酸储罐的使用32六、环境保护技术创新35第一章 原料方案及其体系创新1.1原料方案本工艺采用乙烯气相法，先将生物质乙醇脱水制得乙烯原料气，乙烯原料气精制后纯度达到99.99%，与醋酸、氧气进行反应，合成醋酸乙烯。该工艺资源化利用创新点如下：1.以往醋酸乙烯合成通常采用电石乙炔法，以电石为原料先制取乙炔气，再用乙炔和醋酸进行反应生成醋酸乙烯。这种方法得到的产品纯度略低于乙烯法，而且产生的电石渣固废较多，目前我国对电石渣综合利用的水平还处于较低的阶段，电石渣的大量排放会带来严重的环境污染。在以往的乙烯法生产中，乙烯主要来源于石油，我国是一个富煤少油的国家，乙烯的价格较高，自给能力差。因此采用非石油方法提供乙烯对于醋酸乙烯的合成来说具有良好的经济价值。本项目利用生物质乙醇为原料制取乙烯，可以有效避免乙烯法生产醋酸乙烯对于石油资源的依赖，同时生物质属于绿色可再生资源，符合绿色生产的要求。2.在乙烯与醋酸、氧气反应的过程中，乙烯的单程转化率较低，有相当一部分乙烯与氧气发生副反应生成了二氧化碳。这些二氧化碳如果直接排放到大气中，将会加剧温室效应。因此，本项目对醋酸乙烯合成反应器出口的混合气进行分离，该混合气含有乙烯、乙酸、二氧化碳、醋酸乙烯等通过反应精馏塔对二氧化碳进行捕集，得到高纯度乙烯精馏气体和二氧化碳气体，工序主要包括吸收、解吸、再生三个部分。最终可以得到纯度为99.0%的二氧化碳，不仅降低了碳排放，而且增加了副产物的经济价值。3.生物质能源是人类历史上最重要的能量来源之一。自从人类开始使用火，就一直在开发利用生物质能源。就现在而言，生物质能源是世界第四大能量消耗的来源，仅次煤炭、石油和天然气，大力发展生物质能源具有相当大的意义。与煤炭、石油和天然气等化石燃料不同，生物质能源是可再生的能源。生物质原料数量巨大而且分布广，可开发能力巨大。如果这些能源能够充分利用，将极大地缓解我国目前的能源困境。从我国的生物质储量和国内外的生物质研究和实践上看，我国生物质能源的开发利用是具有创新意义的。4.生物质纤维素是世界上分布最广泛、储量最丰富的可再生生物质资源，是极具潜力的燃料乙醇生产原料。生物质乙醇法生产醋酸乙烯，流程上与石油乙烯法有诸多相似之处，不同之处在于乙烯的来源不一样。以石油为原料制乙烯，成本变动较大，乙烯的成本受到国际市场、国际政治等诸多条件限制。但目前我国生物质资源丰富，我国拥有世界先进的生物质乙醇生产技术和生产设备，以生物质乙醇为原料制备醋酸乙烯，具有良好的生态效益与战略意义。生物乙醇制醋酸乙烯主要包括四个部分：乙醇脱水制乙烯、乙烯气体精制、乙烯氧化制醋酸乙烯、醋酸乙烯精制。因此本项目具有充足的普适性以及较好的节能推广价值。 表1-1 中粮生化生物乙醇组成成分含量（质量分数）乙醇93.7%水7.3%本工艺流程以此实现了生物质乙醇的资源化利用，符合石化和化学工业“十三五”发展规划，实现了利用乙醇生产高附加值、又有市场需求的醋酸乙烯产品。1.2产品结构方案创新表1-2 产品结构一览表序号产品规格（%）产量（万吨/年）备注1醋酸乙烯99.811.6优等品2二氧化碳99.070.55合格品本项目以生物质乙醇及醋酸、氧气为原料进行醋酸乙烯的生产，相较于以电石乙炔、石油乙烯为原料生产醋酸乙烯，减少了工艺对环境的污染，实现了生物质乙醇的资源化利用。本项目年产11.6万吨醋酸乙烯和0.55万吨合格二氧化碳，主产品醋酸乙烯与副产品二氧化碳在蚌埠沫河口工业园区附近就近销售。本项目产品特色集成方案如下图：图1-1 本项目系统集成图1.3绿色发展2020指标之能耗下降幅度本项目使用热集成节能技术，运用Aspen Energy Analyzer V10.0软件，实现了较大能量会用的换热网络设计。此外，在过程中运用热泵精馏新型节能技术，利用了组合曲线中塔顶塔底的能量，达到更大的能量回收。加入热泵精馏节能技术并优化设计之后，最终优化设计的换热网络如下：图7-1 换热网络最终优化设计方案通过以上热集成技术优化后，本项目实现节能可回收能量1.77105kW，能量回收率达35.8%，所需热公用工程为7.71108kJ/h（2.14105kW），所需冷公用工程3.74108kJ/h（1.04105kW），此外，通过热泵精馏节约能耗3374.529kW，精馏过程总能耗节约88.8%,总过程节能53.32%。1.4绿色发展2020指标之二氧化碳排放量下降幅度本工艺的碳排放部分来源于乙烯氧化工段，部分来源于生产公用工程（蒸汽、电能等）所产生的碳排放。为了降低工艺的碳排放，本项目分别选用碱液和乙醇胺溶液吸收生成的副产品CO2，其中乙醇脱水工段的吸收液富液因量过少，为降低设备成本项目选择采用新型处理方法（见2.4）处理吸收液富液，醋酸乙烯工段的二氧化碳经过乙醇胺溶液的捕集可达到纯度99%以上，并用于工业实际，有效减少单产碳排放。为了进一步节能降耗，本项目进行换热网络的集成设计，并且使用热泵精馏、朗肯循环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，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 节能减排情况表项目热公用工程（MW）冷公用工程（MW）匹配前378117匹配后214104节能百分率43.5% 11.2% 能量优化量177每年碳排放减少量17.42万吨标煤/年每吨产品碳排放减少量1.41吨标煤/吨产品1.5绿色发展2020指标之用水量下降幅度化工生产除了耗能外，还是一个大量耗水的过程。本着节能减排的生产原则，降低水资源的消耗是工艺设计过程中的重点之一。本项目中耗水量较大，因此利用 water design 软件对本工艺的水资源消耗过程进行优化，并建立水集成网络，最大限度降低水资源的消耗。本项目用水量如下表所示：生产小时 h每小时单耗水量 t占生产用水量比值 %20度冷却水8000333.9585.8%生活用水800092.3%废液处理用水8000338.5%罐区用水8000133.4%总计8000388.95利用Water Design进行设计，设计结果如下所示：初步方案：优化方案：经过优化后，新鲜水的重复利用率可达40%，节水效果良好。新鲜水用量/(t/h)重复利用率优化前全部水量388.9540%优化后再生水利用155.871.6绿色发展2020指标之工业固体废物综合利用率本项目采用生物乙醇法生产醋酸乙烯，生产过程中废固仅为失效催化剂，具体组成如下所示。废固排放表序号排放废固名称有害物名称排放量（吨/年）排放点排放方式排放去向处理方法1乙醇脱水催化剂活性氧化铝8.4乙醇脱水反应器2年/次供应商回收回收2乙烯氧化催化剂Pd-Au/活性炭3.2乙烯氧化反应器2年/次供应商回收回收3生产包装物低毒或腐蚀性物质32.3生产使用间歇送资质单位处理降解4生活垃圾生活垃圾3.12生活区间歇送垃圾处理站降解废固的处理及去向本工程产生的废渣主要有失效的催化剂、生产包装物和生活垃圾。除了生活垃圾属于一般废固外，其余废固属于危废HW06，产生量为47吨/年，生活垃圾按人均0.2kg/d计算，生活垃圾产量为3.12t/a。乙醇脱水工段使用活性氧化铝为催化剂，满载时填充两为16.79吨，以平均失活时间为2年计，每年失活量为8.4吨。乙烯氧化工段使用Pd-Au/活性炭催化剂，满载时填充量6.4吨，以平均失活时间两年计，每年失活量为3.2吨。废催化剂送回供应厂家进行回收处理。每次更换下来的废催化剂全部装入密闭容器，并在容器外壁贴上明显标签，慎防同其他固废混淆。如不能及时运出，需将容器放入固定堆放催化剂的仓库进程暂存。厂区内的生活垃圾则属于一般固废，生活垃圾按人均0.2kg/d计算。项目职工日常生活垃圾实行袋装化管理，定点封闭储存，及时清运，送入垃圾处理中心。第二章 清洁生产技术创新2.1 工艺路线创新项目利用生物质乙醇脱水的高反应选择性，结合三级压缩、深冷双塔分离技术，通过乙醇制备精制乙烯，进而生成醋酸乙烯，相较于以乙炔为代表的乙炔法制醋酸乙烯和电石法制醋酸乙烯，减少了工艺对环境的污染，同时，工艺循环利用醋酸及乙烯原材料，捕集制得副产品二氧化碳等。实现了生物质乙醇的资源化利用。本项目做到清洁生产，大部分废液均为纯度达92%的水，全流程废气产生量少。2.2 催化剂结构创新本项目在醋酸乙烯酯合成反应中采用一种特殊的钯金催化剂，应用了熊宇杰课题组规划的具有内凹型构造的金属钯纳米晶体。经过构造对称性的下降和颗粒尺度的增大，使其能够在可见光宽谱范围内吸光。该规划的共同之处在于，纳米构造的顶级锋芒处具有超强的聚光才能从而发生部分高温，完成了太阳能运用和催化活性在空间分布上的合二为一。此外，活性炭具有微晶结构，微晶排列完全不规则，其机械强度大、耐磨性能好，结构稳定，吸附所需能量小，有利于再生。活性炭催化剂具有类结晶缺陷结构、高的比表面积和发达的孔隙结构、丰富的表面官能团，能与气体(杂质)充分接触。根据胡华林的研究发明，在混酸(体积比，98%硫酸:65%硝酸=1:1)氧化的基础上，进一步用聚乙烯亚胺对柱状活性炭进行表面聚合物改性，以聚合物改性后的柱状活性炭为载体制备特殊的钯金催化剂，其在气相反应中具有高效催化效果，生产过程中基本不产生“三废”。2.3 厌氧IC-深层曝气接触氧化处理废水工艺乙烯气相氧化法制醋酸乙烯的过程中产生一定量的副产物丙烯酸，其作为废水酸性极强，废水中的CODcr值可达10000-100000 mgL-1，其特点是成分复杂，浓度高并且具有非常大的生物毒性。同时，丙烯酸废水其自身BOD/COD值远远的低于0.3，可生化性很差，基于丙烯酸废水自身CODcr值较高的特点，单一的处理工艺很难达到排放标准。因为在生物降解前由于空气吹脱会发生严重的气味，并伴有很大的生物毒性，抑制好氧生物菌的生长，该废水单一的好氧处理实际上是不可能的。此外，在乙醇脱水制乙烯工段因采用碱液吸收少量副产品二氧化碳，从成本节约和设备费用的角度考虑，工艺采用废水处理的方法解决吸收完二氧化碳的钠盐溶液。而较高的含盐质量会对废水生物处理工艺系统带来抑制作用，当盐质量分数高于1%时会使细胞的活性丧失，细胞产生瓦解，盐浓度的增加会带来盐析作用加强，脱氢酶的活性降低，新陈代谢作用的减小以及细胞成分的不断释放，从而使CODcr比降解速率减小，从而会影响微生物基质降解速率，以至于有机物的去除率下降。盐浓度的增加会对厌氧污泥带来抑制作用。因此本项目采用厌氧IC-深层曝气接触氧化法处理以上两种废水。厌氧生物法处理丙烯酸及其衍生物废水能耗较低，对营养物质需求少，污泥产量小，所产气体可以加以利用，最重要的是可以处理高浓度丙烯酸及其衍生物废水，这样可以减小进水的稀释比例，在工业上具有重要的价值，是具有很高应用前景的处理方法。本项目在厌氧工艺的选择上，基于目前工业常用的UASB反应器的基础上选择厌氧IC反应器。厌氧IC反应器是UASB反应器的升级版，相当于上下两个UASB反应器的叠加使用，下层的UASB反应器具有较高的有机负荷率，可起到预处理作用，上层的UASB反应器的负荷较低，可起到深度处理作用。IC反应器相当于两级UASB反应器的工艺处理，因此处理的稳定性更好，出水水质更好。同时，在处理高含盐废水时，深层曝气接触氧化效果突出，具有高含盐污水处理工程实例，采用深层曝气接触氧化处理工艺处理该工程高浓度工业废水是可行的，并且使整体工艺的耐冲击负荷及容积负荷大大提高。厌氧IC与深层曝气接触氧化均为较高池型，在工程建设中可相互利用池壁，减少工程投资，并具有一定的整体协调性，两工艺组合具有一定的优势。通过好氧与厌氧工艺的分别选择，确定选用厌氧（IC）与好氧（深层曝气接触氧化）的组合工艺对高浓度废水进行处理。处理过程如下：高浓度工业废水与其他污水混合后，经过预酸化处理，依次进入厌氧IC反应器、深层曝气接触氧化池，通过二沉池沉淀处理后进入深度处理阶段处理。经过预处理及二级处理后的废水再通过曝气生物滤池一砂滤一臭氧氧化灭菌的组合工艺深度处理，达标排放;曝气生物滤池和砂滤的反冲洗水以及二沉池的剩余污泥，通过初沉池排泥，进入污泥浓缩池，加药浓缩沉淀后，利用板框压滤机使污泥脱水外运。第三章 反应技术及分离技术创新3.1反应精馏集成本项目为生物质乙醇资源化利用制备醋酸乙烯的过程，由于副反应过程涉及二氧化碳的生成，对环境造成污染，于是我们考虑采用反应精馏技术进行二氧化碳的捕集，合理化利用反应生成的副产物二氧化碳。反应精馏是通过精馏的方法将反应物与产物分离开，以破坏可逆反应的平衡关系，使反应继续向生成产物的方向进行，从而可提高反应的转化率、选择性和生产能力。此外，反应精馏过程还可通过化学反应破坏气液平衡关系，从而可加快传质速率，缩短反应时间。对于放热反应，反应所释放出的热量可作为精馏所需的汽化热，从而可降低能耗和操作费用。本工艺采用的是以单乙醇胺（MEA）为主体的混合胺体系，活化剂采用了N-甲基二乙醇胺（MEDA），该活化剂与 CO2的反应机理与 MEA 不同，与 CO2反应不形成稳定的氨基甲酸盐，从而使得1molMEA最大CO2吸收容量为1mol，本工艺采用反应和精馏耦合，循环的吸收试剂使工艺成本大大降低，同时达到乙烯精制和原料循环的目的。3.2分子筛吸附脱水技术乙烯精制工段中，乙醇脱水后产物乙烯气体中含有大量的水蒸气，烯水比约为1：1.3。水分会对后续乙烯精制及乙烯产品质量产生不良影响，应通过先进的分离技术将乙烯中的水分脱除，在考察了现有的脱水工艺后，我们选用分子筛脱水技术来解决这一问题。分子筛吸附脱水工艺在低水分、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：1)脱水深度高，能够满足天然深冷加工要求；2)受进口介质的工艺参数（压力、温度、流量）影响小，工艺适用范围较广，适应性强；3)对装置的腐蚀性小,投资小，操作费用低，维护简单，检修时间少，开工率高；4)装置自动化程度高，操作方便,占地面积小；5)工艺流程简单，可实现多种气体的分离；6)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；7)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。特别是，分子筛脱水剂能够将水露点降低至-70，广泛使用于深冷分离的场合产品纯度高且可灵活调节。本工艺原料处理量为70.9 t/h(78.77 Nm3/h)，规模较大，工业上一般采用三塔流程。在三塔流程中，两塔进行原料吸附脱水的同时，另一塔进行吸附剂的再生、冷却，在一塔完成吸附过程后，另一塔已经再生完成，可以进行吸附操作，此时进行切换，继续进行吸附脱水操作。塔流程的工艺过程如下：表3-1 两塔方案时间分配表吸附塔0-8h8-16h16-24h分子筛脱水塔1吸附阶段再生阶段吸附阶段分子筛脱水塔2吸附阶段吸附阶段再生阶段分子筛脱水塔3再生阶段吸附阶段吸附阶段从上表可以看出，每个时间段都有两个塔处于吸附阶段，一个塔处于再生阶段，通过控制系统实现三塔塔的合理切换，从而保证下游供气的连续性。本工艺中两塔的控制与模拟流程图如下：图3-1 分子筛吸附脱水塔控制与模拟示意图3.3共沸精馏技术通过查阅物性手册和文献资料发现，虽然醋酸和水不会形成恒沸物，但由于其二者的沸点接近，水与醋酸的相对挥发度为1.86，属于典型的高度非理想性体系，醋酸不仅在液相中有强缔合作用，且在汽相中即使处于低压下其缔合作用也非常明显。当采用传统的普通精馏分离醋酸乙烯-醋酸-水三者时，需要较大的操作回流比，能耗较高，因醋酸乙烯与水的作用较醋酸-水弱，因而采用以共沸体系模拟醋酸与水，使大部分水与醋酸从精馏塔塔底以缔合形式馏出，部分的水与醋酸乙烯从塔顶馏出，因有机液与水液溶解度不高，在分相罐中分层后水相直接采出，所得产品通过回流部分返回塔顶以增大分离效率，通过该方法可以得到质量分数为97的醋酸乙烯和95%的醋酸，两者分别送往下一精馏塔进行精制达到优等品纯度。与现有工业技术方法相比较，本工艺的采用共沸精馏分离醋酸与醋酸乙烯后进一步进行产品精制，简单易操作，避免了工业上高回流比的出现，从而降低了操作费用。3.4萃取精馏技术（1）醋酸与水萃取精馏醋酸与水的分离十分不易进行，当采用传统的普通精馏分离时，需要较大的操作回流比，能耗较高，因而本项目采用萃取精馏，液相采用 NRTL-HOT方程修正其非理性。萃取精馏是对不易分离的混合物中加入一种萃取溶剂，使难分离组分间的相对挥发度增大，从而达到设计的分离要求。萃取精馏法利用水不溶于萃取剂的特性，利用萃取剂打破醋酸与水的缔合体系，进行萃取精馏分离。作为一种较好的芳烃萃取剂，本工段采用己二腈作为萃取剂，经刘绪江实验证明其萃取效果较好，从能耗和分离效果综合来看，己二腈的结果是最理想的。通过萃取精馏，塔顶分离出质量分数98.8%的水，塔底萃取出的醋酸与己二腈进入萃取剂回收塔，进行萃取剂己二腈的回收，并在塔顶得到99.88的产品醋酸。（2）醋酸乙烯与水萃取精馏甘油作为一种高沸点的有机溶剂，在精馏过程中气化较少，减少了脱水的能量消耗，在回收塔回收试剂时可避免和降低萃取剂蒸发所需的能耗。甘油的强带水能力、高沸点和无毒性使其成为最佳的萃取剂。萃取精馏法利用甘油与水以任意比互溶而乙烯微溶于水的特性进行萃取精馏分离。通过萃取精馏，塔顶分离出醋酸乙烯，塔底萃取出的水与甘油进入萃取剂回收塔，进行萃取剂甘油的回收，并在塔顶得到97.2的产品水。四、过程节能技术创新4.1热泵精馏技术当精馏塔的塔顶塔底温度相近，且存在较大热平台的时候，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。通过热集成分析可知，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，使之部分汽化，同时使自身降温，再经深度冷却后分离得醋酸甲酯、醋酸乙酯等杂质送往废水处理厂，液相回流至精馏塔。塔釜液体经过分配器控制塔底采出量，再沸液体经辅助加热后汽化，循环回提馏段底部，液相出料为精制的醋酸乙烯产品，热泵精馏塔结构如下图所示：图4-1 热泵精馏结构图两种精馏方式能耗对比如下表所示：若不使用热泵精馏，T0404塔底再沸器耗能2321.96kW，塔顶冷凝器耗能2326.66kW；使用热泵精馏时，辅助加热器耗能21.72kW，辅助冷凝器耗能320.31kW，压缩机电耗为291.18kW，机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数取3，故热泵精馏总能耗为1215.57kW，节省3433.05kW，精馏过程总能耗节约73.8%。在无热泵精馏时，从组合曲线上我们可以看到，夹点的两侧有因为物质汽化潜热所造成的“热平台”，使得过程可以回收的热量很小。在引入热泵精馏之后，由于流股的温位提升，使得热平台中热流股的一部分提高，可以和冷流股进行更多的换热，于是提高了能量回收率。在未使用热泵精馏技术时，换热过程的组合曲线如图 5-1 所示，理论所需冷公用工程5.68104kW，热公用工程1.78105kW。在使用热泵精馏后，换热过程的组合曲线如图 6-1 所示，理论所需热公用工程1.95105kW，需要冷公用工程能量为3.59104kW。表6-1 两种精馏方式能耗对比操作方式能耗对比/kW冷凝器再沸器普通精馏2326.662321.96热泵精馏320.3121.72节能百分率86.23%99.06%通过热泵精馏技术,对比均用公用工程可知，节约热公用工程1.83105kW,节约冷公用工程8.31104 kW，节能约53.32%，通过热泵精馏技术节省能耗3433.05kW，可见，利用热泵精馏技术可以通过提升热组合曲线的温位，改变组合曲线热平台，以此实现有效的能量回收，实现节能。4.2朗肯循环通过分析温焓图的平台区，红色平台区大部分为物流S0427 To S0428的相变热，该流股有大量能量可以回收，因此设计朗肯循环，将中温热源能量转化为机械能加以利用。朗肯循环分为以下四步：（1） 工质从高温热源处吸热汽化；（2） 蒸汽推动透平机做功；（3） 工质向低温冷源放热；（4） 工质经泵加压循环。图5-1 工质R600朗肯循环其中，透平机C0402可提供机械能400 kW。4.3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 V10.0 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4-2换热网络优化后的换热网络所需换热器数目为40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。公用工程对比如表4-2所示表4-1 公用工程对比信息表热公用工程/kW冷公用工程/kW总计/kW直接公用工程3.781051.171054.96105换热网络设计2.141051.041053.18105能耗减少量1.641051.321041.77105能耗减少率/%43.5%11.2%35.8%经过优化后，可回收能量1.77105kW，能量回收率达35.8%，所需热公用工程为7.71108kJ/h（2.14105kW），所需冷公用工程3.74108kJ/h（1.04105kW）。热集成分析详细参见附录二 能量回收的换热网络设计。五、新型过程设备应用技术创新5.1新型反应器5.1.1反应器结构创新近年来，随着醋酸乙烯生产规模的不断扩大，反应器直径不断增大，均匀、快速移热问题就成为工程开发的关键问题之一。这又归结为反应器内流体的均匀分布问题。如果流体不能均匀分布、热量不能及时移走，形成飞温，造成局部温度过高，不仅影响催化剂和反应器的利用效率，影响目的产物的选择性、收率，而且可能会造成反应器的损坏，最终影响装置的安全运行。为了解决以往技术中存在的大直径列管式固定床反应器壳程管间换热介质流动不均匀，壳程存在较大流动死区，导致反应器存在换热效率不高，径向温度偏大等问题，从而提高醋酸乙烯的选择性和收率，本项目选用王莉等人在专利CN203494494U中发明的列管式固定床反应器作为本项目醋酸乙烯合成的反应器。 图5-1 R0302反应器示意图表5-1 R0302反应器内件名称代号名称代号名称1反应器筒体11进料口2反应管注：反应列管未全部示出，仅以反应管2a、2b、2c为代表12进料分布器3载热流体进口导流筒13出料口4载热流体出口导流筒14催化剂卸出口5下管板15反应管底部惰性瓷球6上管板16进口小孔7折流板17出口小孔8折流盘20折流板穿孔9载热体入口21折流盘穿孔10载热体出口22反应管顶部惰性瓷球该反应器包括反应器筒体（1）、反应管（2a，2b，2c）、载热流体进口导流筒（3）、载热流体出口导流筒（4）、至少两个环状折流板（7）和至少一个盘状折流盘（8），所述的折流板（7）和折流盘（8）沿反应管（2a，2b，2c）轴向交替排列，折流板（7）和折流盘（8）上开有供反应管（2a，2b，2c）穿过的穿孔（20a，20b，21a，21b），其中各反应管穿孔（20a，20b，21a，21b）间开旁路孔（24，25）；所述反应管（2a，2b，2c）固定在上管板（6）和下管板（5）之间；所述的反应 器筒体（1）上部设有原料进料口（11），下部设有反应产物出料口（13），中部设有载热流体进口导流筒（3）、载热流体出口导流筒（4），其中载热流体进口导流筒（3）位于反应管（2a，2b，2c）下端筒体（1）壁面上，载热流体进口导流筒（3）的外侧壁面（19）上设有载热体入口（9），载热流体入口（9）通过载热流体进口导流筒（3）以及内侧筒体（1）壁面上设置的进口小孔（16）与反应管（2a，2b，2c）之间的间隙相通；载热流体出口导流筒（4）位于反应管（2a，2b，2c）上端筒体（1）壁面上，载热流体出口导流筒（4）的外侧壁面（23）上设有载热流体出口（10），内侧筒体（1）壁面上开有出口小孔（17），载热体出口（10）通过载热流体出口导流筒（4）以及内侧筒体（1）壁面上设置的出口小孔（17）与反应管之间的间隙相通；所述的上管板（6）上方进料口（11）下方设有进料分布器（12），下管板（5）位于出料口（13）上方，催化剂装在反应管（2a，2b，2c）内，催化剂底部和顶部分别装至少一层惰性瓷球（15a，15b，15c，22a，22b，22c，瓷球详细见2.2），反应管下端面设有催化剂支撑装置（18）。图5-2载热流体进口导流筒（3）的C-C方向剖面图18为催化剂支撑弹簧或格栅；箭头表示流体流动方向图5-3载热流体进口导流筒（3）的A-A方向俯视图19为导流筒（3）的外侧壁面，箭头代表流体流动方向图5-4载热流体出口导流筒（4）的B-B方向俯视图23为载热体出口导流筒（4）的外侧避免，箭头表示流体流动方向图5-5载热流体出口导流筒（4）的D-D方向剖面图图5-6折流环（7）的正视图图5-7折流环（7）的俯视图R1为旁路孔区域内环半径；R2为折流板内环半径图5-8折流盘（8）的俯视图R3为旁路孔区域半径；R4为折流盘半径图5-9折流盘（8）的正视图上述技术方案中，优选所述环状折流板（7）的个数比盘状折流盘（8）的个数多一个。优选环状折流板（7）为环形结构，所述的盘状折流盘（8）为圆形结构。上述技术方案中优选所述的折流环（7）和折流盘（8）上的反应管穿孔（20a，20b，21a，21b）正三角形均匀排列。上述技术方案中优选所述的折流环（7）和折流盘（8）上各反应管穿孔（20a，20b，21a，21b）间开供载热流体经过的旁路孔（24，25），每个反应管穿孔（20a，20b，21a，21b）周围均匀分布6个旁路孔（24，25），旁路孔（24，25）为圆形、方形、椭圆形中的任意一种。上述技术方案中优选所述的旁路孔（24，25）在反应管穿孔（20a，20b，21a，21b）间居中布置，直径为13mm，反应管分布区域旁路孔的开孔率为0.11%。折流环（7）上供载热流体经过的旁路孔（24）区域圆环半径R1大于折流环半径R2，R1/R2为1.21.5。上述技术方案中优选所述的折流盘（8）上供载热流体经过的旁路孔（25）区域半径R3小于折流盘半径R4,R3/R4为0.40.8。在本项目的列管式固定床反应器中，折流板、折流盘、载热流体进口导流筒、载热流体出口导流筒等都是为了强化列管式固定床反应器壳程流体的传热效果而采用的技术措施，其中传统的折流板和折流盘能增大壳程流体的湍动程度，提高换热系数，但是也会造成局部区域流体流动受阻，湍动强度降低，形成流动死 区，造成较大的径向温差。在本项目所使用的列管式固定床反应器中，通过在折流板和折流盘上流动死区区域反应管穿孔间设置供载热流体轴向穿过的旁路孔，能减少壳程流体的流动死区，提高局部区域湍动强度，提高换热系数，缩小径向温差，尤其是饱和水做为载热流体时，在反应器筒体内换热后，部分蒸发为水蒸汽而形成气液两相流，水蒸汽易在折流板处聚集形成流动死区，影响换热效果，折流板和折流盘上旁路孔的设置使得部分水汽混合物一边沿折流板做径向流动，一边沿折流板上的旁路孔做轴向流动，从而减小了流动死区的存在。因而反应器具有流体分布均匀，流动死区小，换热面积利用率高，传热效率高，径向温差小等优点。在同一径向截面上流体分布的均匀度最大偏差为4.5%，取得了较好的技术效果。详细见设备设计及选型说明书。5.1.2 惰性陶瓷球应用惰性陶瓷球在诸多领域应用广泛。惰性陶瓷球具有较高的分离效率且稳定性好。同时惰性陶瓷球具有良好的抵抗能力，可以耐酸碱、高温以及大部分有机溶剂，因此决定其具有良好的抵抗外界污染和再生性能。除此之外，惰性陶瓷球还具有较高的机械强度、较小的过滤阻力以及较低的能耗和较长的使用寿命，加之操作维护简便，因而广泛应用于食品领域、医药领域、精细化工领域和植物深加工等领域。在醋酸乙烯酯合成反应器中，使用的催化剂为Pd-Au贵金属催化剂，在气固相反应中，催化剂颗粒会随反应的进行而流失，为了防止催化剂固体影响后续工段的分离过程，且回收贵金属催化剂。本项目创新地使用惰性陶瓷球对催化剂和液相物料进行过滤，惰性瓷球作为反应器内催化剂的支撑和覆盖材料，可缓冲进入反应器内液体和气体对催化剂的冲击，保护催化剂，并改善反应器内液体和气体的分布，以达到催化剂颗粒与物料的有效分离的目的。5.2 新型塔设备5.2.1 新型塔板的应用工业装备塔设备中，以板式塔应用较为广泛,而板式塔中的气液接触元件以制造安装简单、操作弹性大、处理效率高的浮阀应用较广。浮阀主体具有阀片和阀腿,阀片的形状为三角形、圆形或矩形,阀腿的数量是两条或三条。目前，工业上常用的浮阀是阀片为圆形的F1型浮阀。F1型浮阀操作时，气流从阀片四周向外喷出，由于气体通道的面积受到限制,使气体流动速度过大，阀片上方气液接触不良，浮阀周围压降增加，雾沫夹带量大，传质效率低；同时，由于圆形浮阀周向不固定，在操作中容易旋转产生磨损，导致浮阀脱落，从而造成板式塔内相短路，严重降低塔板处理效率。近年来，ADV高效微分浮阀塔由于具有较传统F1型浮阀塔更好的分离特性，操作弹性等综合性能而成为今后新型塔板重要的发展方向。本项目的T0301浮阀塔拟采用ADV高校微分浮阀塔。根据专利CN206810296 U中的描述，椭圆微分浮阀塔有一个椭圆形的阀片，椭圆阀片的长轴和短轴两端分别对称设有四个阀腿，四个阀腿把椭圆圆周均分为四部分，每一部分椭圆圆周中点设有向下倾斜的支臂，四个阀腿下端都设有阀脚；四个阀腿的高度相等；阀片长轴线上均匀分布三个矩形导孔，阀片上表面对应所述矩形阀孔位置设有浮阀腔体，浮阀腔体朝向椭圆短轴的方向设有分散导孔；阀片的形状是椭圆形，每对相邻阀腿之间的椭圆圆周中点上设一个向下倾斜的支臂，共四个均匀分布，阀片长轴线上均匀分布三个矩形导孔，阀片上表面对应所述矩形阀孔位置设有浮阀腔体，浮阀腔体朝向椭圆短轴的方向设有分散导孔，四个阀腿均匀分布在分布在椭圆形阀片的轴线端部。这种椭圆形微分浮阀塔具有结构简单，使用方便，成本低，制造方便，可以一次冲压完成。将该椭圆形浮阀置于塔板的阀孔中，周向固定,在使用时不易脱落等优点，可大大提高气液传质效率。其示意图如下所示。图中：1-阀片，2-支臂，3-阀腿，4-矩形导孔，5-阀腔，6-阀脚，7-分散导孔。 主视图 左视图俯视图5.2.2 新型塔板的应用本项目精馏体系中主要存在醋酸乙烯和水等物质，由于醋酸乙烯酯具有共轭双键，该双键较活泼，导致醋酸乙烯酯存在自聚情况，即使加入稳定剂也不能完全抑制其自聚反应。实际生产应用证明,含醋酸乙烯酯的精馏塔若采用填料传质,时间一长就会发生堵塔现象,不能长期正常运行。使用传统浮阀塔板不能很好的解决塔板堵塞等问题，同时浮阀塔板较大，通过查阅各种资料了解到，New-vst Plus 塔板板孔较大且无活动部件,一般不易被较脏的或黏性物料堵塞。另外,气液是在喷射状态下离开帽罩的,气速较高,对罩孔本身有较强的自冲洗能力,物流中含有的颗粒、聚合物、污垢等杂质难以在罩孔聚集并堵塞罩孔。故 New-vst Plus 塔板比较适合解决上述存在的内件堵塞的问题，同时该塔板已在实际工厂中得到良好的应用及效益。图5-10 New-vst Plus塔板传质过程示意图使用New-vst Plus塔板，与F1浮阀相比，全塔效率提高10%以上。压降在低负荷时与F1型浮阀相当,高负荷时比F1浮阀低20% 30%,且负荷愈大,压降愈低。减少了设备投资，降低了能耗，很好地解决了体系自聚导致内件堵塞的问题，同时也具有较大的经济效益。5.3新型泵的运用醋酸乙烯生产中涉及到的介质有醋酸、乙烯和氧气等，具有易燃、易爆、易挥发、有腐蚀及有毒有害等特性，这些物质泄漏不仅会造成环境污染，还可能造成其它事故，因此在装置上液体输送应选用磁力泵。但该泵存在液体不上量、泵自停、内磁缸与隔离罩的磨损及轴套腐蚀等故障，对醋酸乙烯生产造成一定影响。磁力泵是无机械密封、绝对无泄漏的离心泵，具有全封闭，不泄漏，安全性好，使用寿命长，运行稳定，噪音较小等优点，因而被广泛应用在石油化工、制药、环保及冶金等领域，尤其是输送易燃、易爆、易挥发、强腐蚀及有毒有害的介质。本项目醋酸输送泵决定采用一种新型耐酸防腐环保泵，根据专利CN 109185215 A的介绍，该泵包括叶轮、泵室、前护盖、后护盖，泵室和前护盖、后护盖的钢质外壳内衬有一层铅或铅合金或聚四氟乙烯或耐酸橡胶衬层作为耐酸保护层;在耐酸保护层内侧再衬有-层非金属材料作为耐酸耐磨衬层,在耐酸保护衬层和耐酸耐磨衬层之间设有间隙,在间隙中填充有耐酸密封隔热材料。其具有很好的耐酸、耐磨、耐高温性和耐急冷急热性能,在泵送浆料含高浓度强酸,含高硬度颗粒，且高温高压得严苛工况下,有较长的使用寿命。其示意图如下所示。图中：1、叶轮，2、泵室，3、前护盖，4、后护盖，5、钢质外壳，6、耐酸保护层，7、耐酸密封隔热材料，8、耐酸耐磨衬层，9、间隙，10、翻边，11、法兰，12、金属箍。图5-115.4 换热器创新5.4.1 新型防振动换热器的应用根据发明专利一种防共振管束式换热器CN 102997743 A，为防止换热器在工作中管束震动，设计换热器结构如图 5-12 所示。图5-12换热器结构视图图5-13 A-A和B-B侧面结构剖视图管束式换热器在运行过程中，流体在壳程横向冲刷管束，由于工况的变化以及流动状态的复杂性，换热管总会发生或大或小的振动。产生振动的振源为流体稳定流动产生的振动、流体速度的波动、通过管道或其它连接件传播的动力机械振动等，横向流是流体诱导管束振动的主要根源。现有的管束式换热器主要通过降低壳程流体流速、适当减小折流板间距等方式防止共振，均不能系统减少共振效果，同时也降低了生产效率，使生产更加繁琐。本项目采用了一种防共振管束式换热器，壳体内设置有换热管，换热管通过设置在壳体两端的管板支撑固定，壳体靠近两端的外侧壁上分别设置有与壳体内部相通的流体进口和流体出口，壳体内壁上至少设置有两个上下错位的折流板，折流板之间设置有若干支撑板，换热管穿过折流板和支撑板，并且折流板和支撑板之间设置有若干纵向排列的防共振板。这种防共振管束式换热器能够有效降低换热管与折流板之间的振动，从而使换热管与折流板换热管孔之间的摩擦减小，提高了管束式换热器的使用寿命，也提高了管束式换热器的工作效率。为了保证流体流向稳定，折流板和支撑板与壳体内壁连接部位设置有纵向分布的旁路挡板。为了保证流体进口内流体冲力变小，流体进口内侧设置有防冲板。这种防共振管束式换热器能够有效降低换热管与折流板之间的振动，从而使换热管与折流板换热管孔之间的摩擦减小，提高了管束式换热器的使用寿命，也提高了管束式换热器的工作效率。5.5 多级离心式压缩机的使用多级离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似，依靠动能的变化来提高气体压力。离心式压缩机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动气体运动或者使气体得到动能，然后使部分动能转化为压力能从而提高气体的压力。本项目使用多级离心式压缩机，乙烯气通过离心式压缩机，分离出舍弃的水，经过三级压缩，得到更加纯净的所需产品原料。相较于其他压缩机，离心式压缩机明显的优点是：(1) 离心式压缩机的气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小，相对于活塞式压缩机，在制冷量相同时，重量较活塞式轻 58 倍；(2) 由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，运转平衡，操作可靠，运转率高，摩擦件少，因之备件需用量少，维护费用及人员少；(3) 工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。在化工流程中，离心式压缩机对化工介质可以做到绝对无油的压缩过程；(4) 离心式压缩机为一种回转运动的机器，它适宜于工业汽轮机或燃汽轮机直接拖动。本项目使用副产蒸汽驱动工业汽轮机作动力，离心式压缩机为热能综合利用提供了可能。5.6 储存设备创新5.6.1 新型醋酸乙烯储罐的使用本项目生产的最终产品为醋酸乙烯，所以其储存问题是一个非常值得注意的问题。醋酸乙烯单体是一种容易发生聚合反应的化学中间体，也是许多聚合和乳液应用的组成成分之一。在可控的状况下，醋酸乙烯单体会聚合形成醋酸乙烯聚合物，但是当自由基含量过高时，就会发生失控的聚合反应。失控的醋酸乙烯聚合反应十分剧烈，产生的压力波动可达到40bar。而多数醋酸乙烯存储装置中的醋酸乙烯储罐无法承受这些压力环境，广西维尼纶厂精醋酸乙烯储罐就是因这个原因发生爆炸，造成重大生产安全责任事故，其他各大醋酸乙烯生产厂家也均发生过醋酸乙烯储罐失控聚合的未遂事故。相对于醋酸乙烯储罐存储粗醋酸乙烯，大部分醋酸乙烯储罐中存储的精醋酸由于后续聚合工序的需要，一般情况下不加入阻聚剂，其暴聚危险性要远高于粗醋酸乙烯。因此，需要针对精醋酸乙烯发生聚合失控的情景，开发有效的报警及控制方法，消除暴聚危险性，防止事故的发生，满足实际情况的需要。本项目采用专利CN 102514853 A的技术，采用了一种醋酸乙烯存储装置，其包括醋酸乙烯储罐、设置在所述醋酸乙烯储罐上的醋酸乙烯物料进料阀、设置在所述醋酸乙烯储罐上的温度检测装置、冷却器、由喷淋头和供水管道构成的喷淋水装置和备用装置，所述醋酸乙烯储罐经所述冷却器与所述备用装置相连接。通过提供这种醋酸乙烯存储装置，并且在该醋酸乙烯存储装置中存储有精醋酸乙烯时，通过醋酸乙烯存储装置在运行及停车过程中，为存储在其中的精醋酸乙烯设置合理的报警温度、提出有效的控制措施，从而防止精醋酸乙烯自聚反应进一步发生失控，保证精醋酸乙烯在静态情况下安全存储，在动态情况下安全操作。图5-15 醋酸乙烯储罐结构5.6.2 新型乙烯储罐的使用由于液态乙烯储罐为中空的圆柱形平底拱顶容器，在其内部储有大量液态乙烯的情况下，其侧壁底部的开口处的压力就很大，温度也很低(约-104)，从储罐的结构来看，此处还集中了很大的应力，因而随着时间的推移，液态乙烯储罐有破裂的安全隐患。为了防止储罐破裂后溢出的大量低温液态乙烯造成冻伤、大量蒸发、燃烧、爆炸等事故，通常将液态乙烯储罐安置于围堰中央，从而利用围堰来拦蓄溢出的液态乙烯，避免溢出的液态乙烯到处流淌，引发更大的事故。因围堰的容积至少要设置得与液态乙烯储罐容积一样大，而在高度设置方面按照消防部门的规定，不能太高，所以通常情况下液态乙烯储罐围堰的占地面积非常大，这样，液态乙烯储罐与围堰外的液态乙烯输送泵之间的液态乙烯输出管就比较长，低温的液态乙烯沿该输出管从储罐到输送泵的过程中吸收环境的热量会产生大量的蒸发气，要将这些蒸发气重新转化为液态乙烯，或者将其压缩输出，都需要耗费很多的能量。而且，蒸发气在液态乙烯输出管中的存在会造成输送泵的汽蚀，引起泵运行的震动进而损坏泵，带来经济损失和安全环保问题。本项目采用专利CN 202082602 U的技术，液态乙烯输送泵位于内罐内部的输送泵井内，且顶端位于液态乙烯的液面以下，输送泵井依次穿过内罐吊顶的输出口、绝热材料和外罐拱顶的输出口与位于外罐外部的液态乙烯输出管相连，这样，液态乙烯输送泵可从内罐内部对液态乙烯加压，液态乙烯在压力作用下沿输送泵井、液态乙烯输出管到达外部的液态乙烯使用设备(如气化器等)，并且液态乙烯输入管也依次穿过外罐拱顶的输入口、绝热材料和内罐吊顶的输入口与内罐内部相通，这样，圆柱体形的液态乙烯储罐的所有开口都设置于其上部拱顶位置，这些开口处没有压力作用，也无