WORD2-设计文档集3-VELA 创新点概述

扬子石化6.5万吨/年硫磺回收项目创新说明创新点概述南京工业大学VELA团队参赛成员：王 韩|于驷勇|陈绍煌|张麟平|钱心语指导教师：包宗宏|周志伟|周荣飞|武文良|崔咪芬扬子石化6.5万吨/年硫磺回收项目2017 “东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛 目 录目 录1第一章 总述2第二章 创新部分31.1 原料与产品结构31.2 两级助燃风量调节控制31.2.1 Claus基本反应31.2.2 空气和酸性气比率控制的意义31.2.3 控制功能的实现41.3 干气膜分离技术回收硫化氢51.4蒸汽发生器使用T型槽道增加经济效益6第三章 特色部分82.1 换热网络优化82.2 热泵技术92.3 中间再沸器技术102.4 基于fluent软件的克劳斯炉优化112.5 酸性气、胺液、尾气三大循环12第一章 总述本项目设计符合技术创新性要求：在清洁生产技术创新方面，本项目以胺法脱硫及克劳斯法制硫磺为基础，设置酸性气、胺液、尾气三大循环，在提高脱硫率的同时减少MDEA的消耗，并提高硫磺转化率。在反应技术及分离技术创新方面，本项目采用创新性干气膜分离技术，提高硫化氢回收量及硫磺产量。此外，设置两级助燃风量调节控制，提高硫磺回收单元的硫磺回收率。在过程节能技术创新方面，本项目采取热泵节能技术，从而减少能耗，具有良好的节能效果；同时进行换热网络优化，以求达到最好的节能环保效果。在新型过程设备应用技术创新方面，本项目依据干气膜分离技术，设置膜分离器进行硫化氢的高效回收；使用异型槽道管对换热器进行结构优化，以此回收余热、实现低温热源回收利用；此外，使用Fluent软件，对急冷塔进行优化。第二章 创新部分1.1 原料与产品结构本项目为扬子石化6.5万吨/年硫磺回收项目，设计产品结构为年产6.5万吨液态硫磺。项目兼具环保效应和经济效益，硫脱除率为97.1%，硫回收率达99.9%。本项目原料来自扬子石化总厂，由扬子石化160万吨/年延迟焦化装置富气、80万吨/年延迟焦化装置富气、一加氢装置尾气、二加氢装置尾气、120万吨/年柴油加氢装置产品汽提塔顶气、一加氢低分气、二加氢低分气、三加氢100万吨/年加氢裂化装置低分气与汽提塔顶气以及三加氢120万吨/年柴油加氢装置低分气组成。辅助原料氢气也由总厂其他工段产生。同时，脱硫后干气回到总厂作再利用，如通入燃料网；酸性气进入后续硫磺回收单元。因而本项目与总厂实现了良好的互利共赢关系。1.2 两级助燃风量调节控制本项目采用两级助燃风量调节控制来提高硫磺回收部分的硫磺回收率。1.2.1 Claus基本反应H2S + 1.5O2 SO2 + H2O2H2S + SO2 2H2O + 1.5S2总：H2S + 0.5O2 0.5S2 + H2O1.2.2 空气和酸性气比率控制的意义由Claus反应机理可知：若O2过剩，则氧化过程中生成的SO2过剩，过剩的SO2在转化过程中因得不到足够的SO2反应而进入尾气。因此，尾气中H2S和SO2含量的比率可以成为判断硫转化率的指标，硫转化率越高，则硫回收率越高。Claus反应的基本操作是以H2S与氧不充分燃烧（O2/H2S摩尔比为0.5:1）为基础，目的是使进入的尾气中的H2S/ SO2摩尔比达到2:1。事实上，对任何装置和操作条件而言，最佳的硫回收率均取决于能否保持空气与酸性气的比率，使尾气中产生的H2S/ SO2摩尔比达到2:1。随着硫磺回收率的提高，尾气中H2S和SO2比率对空气和酸性气的比率非常敏感。我们是通过控制进入主燃烧室的助燃风量来控制空气与酸性气的比率。大于和小于要求风量都会降低硫回收率，并且一旦进入主燃烧室的空气/酸性气比率不正确，造成的转化率损失是无法补偿的。当风量保持在Claus反应最佳需求的102%和98%是，所计算的硫损耗（H2S和SO2）增加情况见表1.1。表1.1表明，为了最大限度地提高转化率，必须对空气和酸性气的比率进行非常精密的控制。表 1.1 Claus硫转化器损耗项目要求风量的98%要求风量的100%要求风量的102%硫损耗（H2S和SO2）/%3.122.462.75损耗/%0.66-0.291.2.3 控制功能的实现控制系统是通过控制进入主燃烧器的助燃空气风量来控制空气和酸性气的比率。助燃空气风量取决于酸性气流量和酸性气中H2S、可燃组分含量。进料酸性气的流量变化非常快，因而系统的比率控制部分的运算必须非常迅速和精确。酸性气流量变化引起的助燃风需求量变化，由主风阀调节；酸性气组分含量变化通常慢的多，操作时一般作恒量处理，它引起的助燃风需求量的变化由微调风阀调节。当进入主燃烧器的空气和酸性气比率不正确时，必然会引起尾气中H2S/ SO2摩尔比偏离2:1，尾气分析仪便会输出这个偏离信号，去调节微调风阀，从而使进入主燃烧器的空气和酸性气比率趋于正确。正常操作时，用酸性气流量信号控制主风阀，用尾气分析仪信号控制微调风阀，并根据装置负荷对分析仪增益进行修改。微调风阀和主风阀是并行设置的，两个阀的动作相互独立。装置进料由炼油厂酸性气构成，为得到正确的总助燃风量，必须根据酸性气组分含量，计算出所需的助燃风量。图1.1是空气和酸性气比率控制信号流程图。主风阀微调风阀燃烧空气炼厂酸性气图 1.1 控制信号流程图1.3 干气膜分离技术回收硫化氢本项目应用了先进的气体膜分离技术，在脱硫及胺液再生工段应用聚丙烯中空纤维膜组件。膜分离过程分为管程、膜以及壳程三个传质阶段，气、液在膜的两侧均处于层流状态，分别产生气相边界层和液相边界层。中空纤维膜管程中H2S从气相主体扩散到气相边界层，随后通过膜孔，发生努森扩散和分子扩散至气液接触面，与壳程中的MDEA溶液发生化学反应。在浓度差的作用下，上述过程不断进行，从而实现回收85%脱硫后干气中的硫化氢，吸收剂中几乎不含烃类，可重新回收硫化氢1144吨/年，每年可增加硫磺产量1077吨，经济效益增加103.4万元。一般工艺对达到标准的脱硫后干气不作处理，然而硫化氢在干气中的含量依然较高（50mg/L），回收其中硫磺也能产生一定的经济效益，所以对硫化氢的回收利用有很大的应用价值。本项膜分离器中，采用酸性通入走管程，吸收液通入壳程，水平逆流的操作方式，用25%（t）MDEA溶液做吸收剂，在吸收剂流速1 m/min，气体流速0.6 m/min，气体压力0.14 MPa，液体压力0.13 MPa，温度35的条件下，脱硫效率达85%。1.4蒸汽发生器使用T型槽道增加经济效益本项目共有四台蒸汽发生器。为了提高效益，充分利用余热，本团队就蒸汽发生器结构进行创新，使用T型槽管替换传统光管。（主要参考文献为高效异型换热管传热及阻力特性实验研究，顾春辉）换热器中的换热量除了与换热面积和平均传热温差成正比外，还与一个表明传热过程强弱程度的传热系数K有关。当换热器中换热面积及平均传热温差确定时，传热系数愈高，则换热量越大。因而,要使换热器中传热过程强化,亦即要提高换热器在单位体积、单位时间的换热量。可以通过三种途径来实现，即增大平均传热温差、增加换热面积和提高传热系数。本团队选择从提高传热系数下手，选用异型管进行性能提升。本项目蒸汽发生器为有相变传热。有相变传热是指在对流换热中发生蒸汽凝结或液体沸腾的换热过程，有相变传热常用的异型管有锯齿形翅片管、花瓣形翅片管、T形管和表面多孔管等。因为本团队所处学校，南京工业大学，是南京圣诺热管有限公司主要股东。南京圣诺热管有限公司是隶属于中圣集团的海外上市公司，是与南京工业大学产、学、研紧密合作的国家级高新技术企业。公司以热管及高效传热技术为核心、研发创新为动力、工程总承包为主体、节能装备制造为基础，是致力于工业领域能量回收与利用的国际化工程公司。因而此次本团队的热管对比数据从公司获得，最终选择了T型槽管。T型槽管由于其加工简便和具有良好的沸腾传热性能，已经成为近年来国际上主要的沸腾强化管之一。表面多孔管不仅能在小温差下保持核态沸腾，且具有高的临界热流密度和良好的抗垢能力等优点。多孔表面对水的沸腾换热有显著的强化作用，故又将其称为高效强化沸腾换热表面。图 1.3 T型罐半剖图南京圣诺热管有限公司提供的三种型号T型槽管对比如下表：表 1.3 T型管与光管传热系数对比热通量管型低热通量（q=15152）中热通量（q=75758）高热通量（q=121212）比值比值比值T管9#60614.42118742.58153432.38#444343.24129502.82186762.87#31242.2880081.74109491.64光管5#13711.0045911.0066601.0经过比选，本团队最终选择T型槽管9#，对四台蒸气发生器进行设备创新。最终使用小温差传热技术实现低能源高品质回收利用，且蒸气产量增加，年创效益增加。改造后特点为：1）15传热温差即可实现泡状沸腾传热2）换热表面气液两相流加剧，防止污垢产生3）内扩展凹腔提供了液体稳定的气化核心4）较光管的沸腾传热系数提高 1.5-5倍。图 1.4 中圣T型槽管第三章 特色部分2.1 换热网络优化本项目通过使用Aspen Energy Analyzer软件，根据夹点设计法，结合本厂设备布置的实际情况，在满足设计目标公用工程费用最小和设备费用最小的情况下，设计出全装置最优的冷热流股匹配方案。最终优化后的换热网络如下图所示：图 2.1 最终优化后的换热网络图图 2.2 优化后的换热网络数据最终本项目的总费用指数为0.03682，所需热公用工程为6.129103 kW，即6.129 MW；冷公用工程为9.710103 kW，即9.710 MW。以下为换热网络优化前与最终优化方案节能效果对比表。表 2.1 节能效果对比表项目热公用工程消耗（MW）冷公用工程消耗（MW）换热网络优化前16.1119.69换热网络优化后6.1299.71节省百分率61.95%50.68%相比自动调优换热网络合成的工艺流程，总费用降低约42.7%，能量回收效果十分明显。由此可以看出，进行冷热流股匹配后，全流程公用工程能耗量下降明显，能够节省热耗61.95%，节省冷耗50.68%，节能效果显著。2.2 热泵技术热泵是在精馏过程中通常采用的一种有效的节能技术。采用热泵工艺，不仅可使生产能耗大幅降低，而且可使冷却介质的温度在生产操作中不再具有决定性的作用。胺再生塔Aspen模拟流程如图1.2所示，塔釜液体与压缩后的水蒸气进行换热，随后塔釜液体气液分离，气相回流，液相采出。压缩后的水蒸气经第一次换热后，为达到充分换热的目的，进行第一次气液分离，分离后液相回流，气相采出，冷凝后气相去下一工段，液相回流至塔。图 1.2 胺再生塔Aspen模拟流程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 1.2 热泵精馏与普通精馏能耗对比项目冷却能耗/MW加热能耗/MW热泵精馏-7.8241.89常规精馏-38.7254.19节能效果79.80%22.69%热泵精馏流程与常规精馏流程的能耗对比如表1.2所示，其中热泵精馏中的压缩机电耗为7.40 MW，电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数为3.29，故热泵精馏加热能耗为41.89 MW。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。2.3 中间再沸器技术吸收稳定系统的作用是将粗汽油和压缩富气分离为干气（C2）、液态烃（C3-C4）和稳定汽油（C5-C12）。其中解吸塔顶部的进料是吸收后得到的饱和吸收油（C1-C12），塔底设置再沸器。将吸收油中C2组分(干气)解吸出来，塔底得到脱乙烷汽油，塔顶的解吸气含有液态烃组分重新返回吸收塔被吸收。吸收稳定装置的解吸塔使用一次通过中间再沸器或进料预热设施允许更低温度的回流热量被使用，都减少更高温度的热量的需要。但是利用稳定汽油的余热以降低解吸塔再沸器热源的这两种途径对整体能耗和效益的影响是不同的。解吸塔按进料方式有热进料（全部进料预热）、冷进料、冷热双股进料（部分进料预热）、中间再沸器流程（中间加热）四种流程。在解吸塔中部设置的中间再沸器以稳定汽油为热源，充分结合冷、热两种进料方式的优点，避免了进料可能存在的轴向传质反混问题。吸收效果和上部冷却负荷与冷进料工艺非常接近，解吸塔再沸器热负荷与热进料几乎相等，从整体能耗和经济效益方面相比较都是最佳的。也就是说解吸塔采用中间再沸器技术回收稳定汽油余热是最优化的方案。相对于塔底再沸器而言，解吸塔内设置中间再沸器来提供部分气相。即，利用较低温位的热量作为热源，进料口和塔底间的抽出液经中间再沸器加热气化后返回塔内。工业应用结果表明，中间再沸器技术在装置节能增效和提高塔处理能力方面具有独特作用。因而，本项目粗汽油解吸塔（T0103）使用中间再沸器技术，增加中间再沸器E0104，降低了塔底再沸器热负荷，同时降低能耗、提升解吸塔性能。图 2.3 中间再沸器技术2.4 基于fluent软件的克劳斯炉优化本项目使用fluent软件进行复杂流体的流动模拟，从而解决设备劣势，增加项目实力。Fluent是通用的CFD软件，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流体的流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解算的自适应网格技术及成熟的物理模型，使Fluent在层流和湍流、传热、化学反应、多相流、多孔介质等方面有广泛应用。在克劳斯炉优化当中，本