4-创新性说明书

金陵石化分厂年产40万吨醋酸乙烯项目创新性说明书，中国矿业大学（北京）NEXT团队目录第一章 工艺创新点11.1 原料循环11.1.1 乙烯循环11.1.2 醋酸循环21.1.3 萃取剂循环21.1.4 循环总结21.2 工艺压力设置31.3 膜分离31.3.1 膜分离简介31.3.2 膜组件的选择41.3.3 膜分离方案一41.3.4 膜分离方案二81.3.5 方案对比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 次低压蒸汽再生偶联溴化锂冰机制冷技术112.4 冷却水梯级利用122.5 萃取精馏减压操作122.6 精馏塔塔顶部分冷凝操作132.7 节能总结14第三章 设备创新163.1 反应器创新163.2 填料塔创新173.3 换热器创新173.4 输送设备创新181中国矿业大学（北京）NEXT团队第一章 工艺创新点1.1 原料循环本工艺流程设计多股循环物流，包括原料乙烯气体、乙烯醋酸混合液循环、高浓度醋酸乙烯循环（3股）、萃取剂循环以及水循环。同时，本工艺采取新型膜分离技术分离二氧化碳，达到纯化乙烯的效果，并将乙烯循环运至合成工段的进料缓冲罐内，提高原料利用率；采取萃取精馏和热泵精馏分离醋酸和水，将醋酸循环运至进料缓冲罐、初分塔和洗气塔进料处。图1-1 全流程循环物流总览1.1.1 乙烯循环本项目采用乙烯过量的方法来生产醋酸乙烯，为了提高反应的总转化率，180oC的反应器出口物料（包括醋酸乙烯、水、乙烯和二氧化碳等）经过降温和醋酸喷淋分离粗产品醋酸乙烯后，剩余的反应气体中大部分的乙烯循环进入反应器内继续反应；少部分反应气体（主要是二氧化碳和乙烯）用热钾碱法来净化去除二氧化碳，净化后的气体再循环至反应器，从而能够有效避免惰性气体的积累。经过乙烯循环，将反应转化率从9%提高到16.09%，从而能达到绿色制造的生产指标。图1-2 乙烯循环Aspen Plus模拟1.1.2 醋酸循环本项目中原料醋酸对于反应而言，相对过量，经醋酸乙烯合成反应器后仍存在较多的未参与反应的醋酸，同时洗气过程中消耗了大量醋酸，因此，对醋酸进行必要的有效处理，将大大降低生产的成本费用，故在本项目中将未参加反应的和洗塔后的粗醋酸（质量分数：0.6495），经初步分离、二次精制分离，使其质量分数达到0.9967。醋酸精制塔塔顶的废水醋酸量仍较高（质量分数为：0.2883）将其与气液分离罐罐底的含酸水（质量分数为：0.5428）进行混合得到的混合液体醋酸的质量分数为0.5060，进入萃取精馏塔，萃取剂环丁砜在塔上部第三块板的位置进入，萃取精馏塔塔顶馏出较纯的水，塔底液体进入萃取剂回收塔，萃取剂回收塔塔顶得到较纯醋酸0.9650。醋酸精制工段的醋酸经储罐分配至各醋酸缓冲罐进行循环，提高了原料使用率，减少了有机废液处理量，实现绿色生产。1.1.3 萃取剂循环醋酸精制工段的萃取剂再生塔T0402塔底得到萃取剂环丁砜，其质量浓度接近100%，将其全部循环到萃取精馏塔T0401前的溶剂缓冲罐中，萃取剂循环后仅需少量萃取剂环丁砜的进行补充，即可使醋酸的萃取精馏连续稳定进行。1.1.4 循环总结1）乙烯气体循环充分回收醋酸乙烯合成反应中未反应的乙烯，提高了原料的利用率，循环量达到70%。2）乙烯醋酸混合液循环，减少了废液的排放量，降低了产品的生产成本，提高了原料的利用率。3）萃取剂环丁砜循环物流，通过调节收敛参数、萃取精馏塔和萃取剂再生塔的参数，充分回收萃取过程中的萃取剂，达到了萃取剂几乎100%的回收。4）醋酸乙烯精制过程中，多股物流中存在大量的醋酸乙烯，为了减少浪费和提高原子利用率，对其进行模拟循环，并且循环全部收敛，并且最终废液排放过程中醋酸乙烯和醋酸的排放量极少。5）水循环过程中，将萃取精馏塔塔顶排放的质量分数为95.96%的水模拟循环至耗水量大的洗气塔前，进行水资源的循环利用，在减少废液排放的同时，达到了节水96%的效果。1.2 工艺压力设置本项目中压力设置为前高后低形式，从前到后工艺压力提及下降，前段压力高可提高系统的处理能力，且便于物流的输送，减少了整个工厂的加压设备使用和降低了加压设备的的功率，同时，使用减压阀降温降压，减少了换热设备费的投入，简化了工艺。在本项目中使用两处减压阀设置，第一处是醋酸乙烯合成工段的带压液体节流减压后进入初馏塔，第二处是初馏塔塔底粗醋酸在进入醋酸精制塔塔前进行节流降压。另外，为降低萃取剂再生塔的塔底温度，对萃取剂再生塔进行减压操作，压力降低至50kPa左右，塔底温度降低30，塔底再沸器可使用中压蒸汽作为加热介质。1.3 膜分离本项目采用膜分离工艺对乙烯和二氧化碳的混合气体进行分离以回收乙烯，进而循环利用。拟采取两种方案：一是使用大连欧科膜技术工程有限公司和德国GKSS研究所研发的高分子复合膜透过乙烯，乙烯回收率可达75；二是使用聚丙烯材质的中空纤维膜组件，使二氧化碳透过膜而乙烯被截留，控制二氧化碳脱除率同样在75，通过对比选用分离效果较好的膜分离方案。1.3.1 膜分离简介膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。分离膜能使混在一起的物质分开,有两种方法:（1）微滤膜分离,即根据混合物的不同物理性质,主要是质量、体积和几何形态差异,用过筛的办法将其分离;（2）反渗透膜分离,即根据混合物的不同化学性质,进入到膜内的速度(称溶解速度)不同,达到其分离的目的。物质的溶解速度差越大,则分离效率越高。回收尾气中乙烯采用后一种方法。膜的分离性能和透过性能是相互关联的,要求相同高的分离性能,就必须牺牲一部分透量,这样就会增加操作费用。近年来,气体膜分离技术在氢气回收、空气分离、水汽脱除和二氧化碳回收等方面得到了广泛应用。与其它分离技术相比,膜分离技术具有工艺、设备简单,能耗低,运行可靠性高等诸多优点。1.3.2 膜组件的选择膜组件按结构可分为中空纤维式，毛细管式，螺旋卷式，平板式和管式等，其优缺点各不相同，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式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1.3.3 膜分离方案一1.3.3.1 选择膜组件有机蒸汽膜法回收技术是九十年代兴起的新型膜分离技术，正在逐渐应用于石化行业中乙烯、丙烯、氯乙烯及其它烷烯烃的回收和大气柜中液化气、天燃气凝析油的回收等。目前，全世界拥有膜法有机蒸气（VOC）回收知识产权的研发机构只有德国GKSS和美国MTR。大连欧科膜技术工程有限公司通过与GKSS的专利技术合作，获得了在亚太地区唯一的膜法有机蒸气（VOC）回收技术的专利经营许可权，在吉林石化、辽化、燕化等应用膜法乙烯回收系统7套，效益显著。同样以中石化上海石化公司为例，该公司引进了膜分离设备,以回收醋酸乙烯生产过程中放空气体中的部分乙烯。对工艺进行优化后,装置运行情况良好。通过表1-1的比较，结合膜材料的特性，调阅各类文献，最后选择大连欧科膜技术工程有限公司的中空纤维式膜组件。欧科膜技术公司进口德国GKSS研究所的高分子复合膜，具有耐有机溶剂、耐高压、分离性能高等优点，其材质主要是聚酰亚胺。其结构如下：图1-3 中空纤维膜器 图1-4 膜组件剖面图1.3.3.2 膜分离设计1.原工艺条件由Aspen模拟结果数据可知，未经处理的循环气流量53085.5 kg/h，压力为1.5Mpa，温度19.82，组成如下：表1-2未经处理的循环气主要组成组分质量分数C2H40.6923CO20.3057O20.0002H2O0.0007CH40.0008C2H60.0003膜分离设备的主要性能指标是乙烯单体回收率为75%。其它数据详见物料衡算部分。进气的温度、压力和组成的波动可直接造成设备的性能指标波动。2. 物料衡算原料侧:未处理的循环气膜渗透侧:富乙烯气体渗余侧:二氧化碳尾气图1-5 膜分离方案一过程示意图根据乙烯的回收率75%，通过 Aspen Plus 中Sep模块对尾气处理的模拟，得到三股流股组成，作为设计参数如下表所示：表1-3 膜分离方案一设计参数参数原料侧渗透侧渗余侧流量 kmol/h1717.781130.02587.76压力 Mpa1.50.111.4温度 21.5319.3819.38体积分数C2H40.77780.86950.5908CO20.21890.13040.3992O20.000200.0006H2O0.00120.00010.0038CH40.001500.0045C2H60.000300.00103. 膜组件数学模型的建立本项目采用欧科膜技术公司进口德国GKSS研究所的高分子复合膜，其材质主要是聚酰亚胺。对中空纤维膜分离器的数学模型作如下合理的假设：(1)流体总体流动和该点的渗透为错流；(2)渗透侧全混，无浓度和压力变化；(3)膜的渗透性能与压降和浓度的变化无关；(4)忽略支撑层的影响。图1-6 膜分离计算过程示意图对总过程组分i物料恒算得yiEFE= xiFFF- xiRFR对于任意面积元上由气体渗透方程得d(xiF)=-Ji(xiPx-yiPy)dA等式左右两端分别从膜进口到膜出口积分xiRFR-xiFFF=-Ji(xiPx-yiPy)mA由上式联立得如下方程yiEFE=Ji(xiPx-yiPy)mA式中组分i的平均分压差为(xiPx-yiPy)m=xiFPF-yiEPE-xiRPR-yiEPElnxiFPF-yiEPExiRPF-yiEPE那么组分i的回收率为i=yiEFExiFFF=Ji(xiPx-yiPy)mAxiFFF注：xiF，xiR和yiE分别为原料侧，渗余侧和渗透侧的组分i的摩尔分率；FF，FR和FE分别为原料侧，渗余侧和渗透侧的体积流量，m3/h；PF，PR和PE分别为原料侧，渗余侧和渗透侧的气体总压力，MPa；xi，yi分别为某位置膜两侧组分i的摩尔分率；px，py分别为某位置膜两侧的气体总压，MPa；A为膜面积，m2；(xiPx-yiPy)m为膜两侧的平均分压差，MPa；Ji为组分i的渗透速率，m3/（hm2Pa）。4.膜组件计算说明查找相关文献并向大连欧科膜技术公司咨询可得：乙烯渗透系数：J=0.0000027 m3/（hm2Pa），乙烯回收率：=0.75。由物料恒算可知乙烯在原料侧，渗余侧和渗透侧的摩尔分数为xiF=0.7778，xiR=0.5908，yiE=0.8695原料侧，渗余侧和渗透侧的气体总压力分别为PF=1.5Mpa，PR=1.4Mpa，PE=0.11Mpa那么带入上面数据可得乙烯在膜两侧的平均分压差为(xiPx-yiPy)m=xiFPF-yiEPE-xiRPR-yiEPElnxiFPF-yiEPExiRPF-yiEPE=0.89 Mpa所以分离乙烯气体的总膜面积为A=ixiFFFJi(xiPx-yiPy)m=0.750.77782477.52(m3/h)0.00000270.89106=601.44m2原装置中排放气经气体粗滤器F-0301、气体精滤器F-0302除去其中含有的液滴和粉尘，净化后的气体进入膜分离器M-03010302，在一定的压差推动下，渗透侧得到的富集乙烯气去原装置回收压缩，尾气去装置原放空系统。设备明细表如下。表1-4 设备明细表序号位号设备名称规格型号性能指标单位数量1F-0301粗滤器型号：SF0060/2.5产地：大连台102F-0302精密过滤器型号：MF0060/2.5产地：大连（滤芯德国）台103M-0301膜分离器外壳材质：碳钢设计压力：4.0MPa台104M-0302膜分离组件产地：大连中空纤维膜组件膜面积：4m2/根产地：进口根1505/管道阀门支架等包括系统所需球阀、截止阀、闸阀、调节阀、配套的管道支架等套11.3.4 膜分离方案二分析方案一分离结果，可以看出尾气中乙烯体积分数仍达0.6，这时因为原料侧乙烯浓度过高导致。因此我们从另一个角度考虑，选择透过二氧化碳而不透过乙烯的膜组件，即使渗透侧量较小，只要膜对二氧化碳/乙烯的选择性足够，就可以使得渗余侧乙烯含量较高而渗透侧为较纯的二氧化碳，从而达到回收利用乙烯的目的。通过查阅文献和咨询相关人员我们采用聚丙烯材质的中空纤维膜组件，这种膜组件对二氧化碳/乙烯的选择性高达30，其分离示意图如下：原料侧:未处理的循环气膜渗透侧: 二氧化碳尾气渗余侧: 富乙烯气体图1-7 膜分离方案二过程示意图根据二氧化碳的回收率0.75%，同样根据 Aspen Plus 中Sep模块对尾气处理的模拟，得到三股流股组成，作为设计参数如下表所示：表1-5 膜分离方案二设计参数参数原料侧渗透侧渗余侧流量 kmol/h1717.78310.101407.68压力 Mpa1.50.111.4温度 21.5319.3819.38体积分数C2H40.78150.10820.9298CO20.21460.89180.0655O20.000200.0003H2O0.001400.0017CH40.001500.0018C2H60.000300.0004查找相关文献可得：二氧化碳渗透速率：J=0.00000025 m3/（hm2Pa），二氧化碳回收率：=0.60，二氧化碳/乙烯的分离系数为31.1。由物料恒算可知二氧化碳在原料侧，渗余侧和渗透侧的摩尔分数为xiF=0.2146，xiR=0.8918，yiE=0.0655原料侧，渗余侧和渗透侧的气体总压力分别为PF=1.5Mpa，PR=1.4Mpa，PE=0.11Mpa那么带入上面数据可二氧化碳在膜两侧的平均分压差为(xiPx-yiPy)m=xiFPF-yiEPE-xiRPR-yiEPElnxiFPF-yiEPExiRPF-yiEPE=0.68 Mpa所以分离二氧化碳气体的总膜面积为A=ixiFFFJi(xiPx-yiPy)m=0.750.21462545.77 (m3/h)0.000000250.68106=2410.2 m21.3.5 方案对比根据以上两种方案设计过程的结果，得到膜分离方案对比表1-1。表1-6 膜分离方案对比对比参数方案一方案二主要透过物质乙烯二氧化碳富乙烯侧摩尔分数乙烯0.86950.9298二氧化碳0.13040.0655尾气侧摩尔分数乙烯0.59080.1082二氧化碳0.39920.8918乙烯回收率0.750.97二氧化碳脱除率0.620.75所需膜面积/m2601.442410.2从上表可以看出，方案一在乙烯回收率0.75的条件下，二氧化碳脱除率0.62，回收气体的乙烯摩尔分数为0.87；方案二在二氧化碳脱除率0.75的条件下，乙烯回收率0.97，且回收气体的乙烯摩尔分数为0.93。通过比较可以看出方案二的分离效果更好，比方案一乙烯回收率提高18%，乙烯纯度提高10%，但是方案二所需膜面积是方案一的四倍左右，装置体积和费用较大。因此在资金充足的情况下，我们优先选用方案二对混合气体进行膜分离，实现乙烯的循环利用，可节约乙烯97%。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 10.0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 10.0全流程的模拟校核导入Aspen energy analyzer 10.0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 10.0，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5，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，且冷热负荷消耗量大大降低，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。反应原料需预热，而反应器出口物需降温，故可使反应出口物流先与冷原料进行热交换，是原料得以被加热，产物得以被降温，实现了较大能量的回收利用。本项目通过热集成技术，节能 33334kW，总节能3.26%，需要热公用工程为1.731109 kJ/h，冷公用工程为1.830109 kJ/h，实现了较大能量的回收利用。所使用的冷公用工程为：循环冷却水、5的低温冷水，热公用工程为0.23MPa次低压蒸汽、0.8MPa的低压蒸汽、4MPa的中压蒸汽。公用工程均可由金陵石化母厂动力部门提供。此外，本项目还采取了热泵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 较大能量的换热网络的设计。2.2 热泵精馏节能分析效果热能消耗在全球的能源消耗中，所占比例最大。在能量的不断转化过程中，约有58.5%的能量是以排气、蒸汽、热水（低温）等热量形式损失的，其中，100以下的热损失能占很大的比重。在化学工业、石油化工生产中，精馏是一个主要的耗能领域。大工业精馏装置能源利用率虽然不到10%，但是常规精馏塔具有设备简单、初期投资低等优点，至今仍被人们广泛采用。当精馏塔的塔顶塔底温度跨越夹点的时候，如果进行热泵精馏可以有效回收，一部分能量，从而使得冷热公用工程用量均可以明显减小，从而节约能量。热泵精馏以工质的来源可分为两大类：一类是直接式热泵精馏,以塔中的物质为工质;另一类是间接式热泵精馏,以额外的循环物质（如制冷剂、水等）为工质。热泵精馏的流程选择要密切结合具体条件(如当地的燃料价格,所利用余热的品位及数量,高品位能的用途等),以便充分发挥各热泵精馏流程的优势,取得最大的节能效果和经济效益。热泵是一种将能量由低温处(低温热库)传送到高温处(高温热库)的装置。且它提供给温度高的地方的能量要大于它运行所需要的能量。对于精馏生产而言，如果能把塔顶气相的热量充分用于加热塔底物料，就能节省大量的外供热和供冷。本项目中醋酸精制塔塔顶塔底温度接近，温差为18.3，故设置其为热泵精馏，采用机械式蒸汽再压缩式（MVR）热泵精馏。如下图所示。本热泵精馏是以塔顶蒸汽作为工质。塔顶蒸汽经压缩升温后进入塔底再沸器，在此冷凝放热使塔釜液再沸腾，塔顶蒸汽冷凝为液体则经节流阀减压后，一部分作为产品采出，另一部分作为回流。为了使回流温度能够满足塔顶温度控制的要求，增设辅助冷却器以对回流液进一步冷却。而塔底液体被加热后进入闪蒸模块，严格控制其汽化分率，气体回流到塔内，液体作为产品采出。图2-1 醋酸精制塔热泵精馏Aspen Plus模拟通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冷却能耗/kw加热能耗/kw热泵精馏-17637.3245818.7常规精馏-146241143126节能效果87.94%67.99%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 次低压蒸汽再生偶联溴化锂冰机制冷技术本项目中醋酸乙烯精制塔 T0202 的再沸器和二级气液液分离罐 V0202 使用0.23MPa的次低压蒸汽作为加热热源，次低压蒸汽由 125 液化为 124 的饱和液体，放出潜热，提供热量。本项目中产物一级冷却器 E0104 的冷公用工程采用次低压蒸汽再生，124 的饱和液体再生为 125 的饱和气体，从而副产次低压蒸汽，用以提供全厂次低压蒸汽热源的使用。另外，乙烯、氧气和醋酸反应生成醋酸乙烯的反应是放热反应，反应过程放出大量热，本项目采用列管式固定床反应器，使用管间走次低压热水，汽化成为次低压蒸汽，进入次低压蒸汽管网。经过模拟计算，再生的次低压蒸汽量补充可补充全厂次低压蒸汽的使用量，并富余111.49万吨/年的次低压蒸汽。但次低压蒸汽品位较低，使用范围较小，利用价值较低。另外，本项目中对低温冷冻水需求量较大，一级气液液分相器需较低温度的冷却介质进行冷却。吸收式制冷机是一种以热能为动力、利用溶液的特性来完成制冷循环的机械。目前常用的由下列两类：一类是以氨为制冷剂、水为吸收剂的氨水吸收式制冷机；另一类是以水为制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂的溴化锂吸收式制冷机。吸收式冷水机组以热能为动力，与利用电能为动力的制冷机相比，可以明显节约电能。溴化锂冰机可以利用锅炉蒸汽、热电厂二次蒸汽、工厂废热、高温热水等作为热源，运行费用较低，以一台2800kW的制冷机组为例，国产离心式制冷机耗电800kW，而溴化锂吸收式制冷机除功率较小的屏蔽泵以外，没有其他运动部件，仅耗电12kW，可节电788kW。此外，溴化锂冰机结构简单、运行平稳，所用工质无臭、无毒、无爆炸、无燃烧、对人体无害，溴化锂冰机还具有安全、便于管理、易于实现自动化等优点。本项目所需制冷最低温度在0以上，在溴化锂冰机的适用范围内，故本项目使用溴化锂冰机进行制冷，既满足全厂制冷需求，又充分利用工厂的废热余热。本项目反应器出口蒸汽为0.35MPa，故适合采用双效溴化锂吸收式制冷机。与单效型机器的不同之处是：它装有高压和低压两个发生器和两个溶液交换器。高压发生器产生冷剂蒸汽，再次作为低压发生器的热源。这样，不仅有效地利用了冷剂蒸汽的热量，而且减少了机器的排热量，因而制取单位冷量所需的加热量和冷凝器的冷负荷均可减少，机组效率大大提高。根据计算和实际测量的数据，加热量约为单效溴化锂机型的1/22/3，冷凝负荷约为1/2，热力系数可提高到0.95以上。从而达到节能40%以上的效果。2.4 冷却水梯级利用为减少冷公用工程的消耗，本项目的产品精制工段采用冷却水梯级利用的工艺，醋酸精制单元的循环冷却水给醋酸降温后由 20 升至 25，再作为醋酸乙烯精制单元的的冷工质，将 75 左右的醋酸乙烯降温至 40，同时控制冷却水出口温度不超过 40。2.5 萃取精馏减压操作由于醋酸与水的相对挥发度很小，故本项目对醋酸废液采用萃取精馏技术进行醋酸的回收，但萃取精馏采用的萃取剂为高沸点物质，因此萃取剂回收塔的再沸器热负荷较大、温度较高。萃取剂回收塔为常压塔时，塔底温度达到290，中压蒸汽无法满足使用温度要求，故需要高能耗的加热炉，针对这一问题，本项目采用减压操作，塔顶压力降为-78kPag，经减压操作后，萃取剂回收塔的热负荷大大降低，塔底温度下降40，降为240，中压蒸汽可满足加热要求。表2-2 常压精馏与减压精馏能耗对比冷却能耗/kw加热能耗/kw总能耗/kw加热介质常压精馏-28530.540742.369272.8天然气减压精馏-31198.435589.966788.3中压蒸汽节能效果-9.35%12.65%3.59%从上表中可以看出，采用减压操作后，冷负荷有所增加，热负荷有所减少，但总能耗呈下降趋势，减压精馏相比常压精馏总能耗下降3.59%，更重要的是采用减压蒸馏，再沸器的加热介质发生改变，加热介质的成本大大降低。2.6 精馏塔塔顶部分冷凝操作由于本项目采用乙烯过量的工艺来制取醋酸乙烯，且生成二氧化碳，这两种主要气体皆为不凝性气体，在液体物流中常常存在，虽然含量较少，但对精馏分离的塔顶冷负荷和温度有较大影响，因此本项目对初馏塔、醋酸乙烯精制塔、醋酸萃取精馏塔皆采用部分冷凝的操作，与全部冷凝操作相比较，部分冷凝降低了塔顶冷负荷和塔底热负荷，升高了塔顶的馏出物的温度，从而改变了冷却介质的使用，由高成本的低温冷水、甚至冷冻盐水改为了使用循环冷却水，大大降低了冷公用工程的费用。同时还对部分冷凝的气相质量分数进行了优化选择，下面以醋酸乙烯精制塔T0202为例进行说明。图2-2 醋酸乙烯精制塔塔顶温度与气相分率关系图图2-3 醋酸乙烯精制塔总能耗与气相分率关系图分析以上两图，可以看出，随冷凝器出口气相分率的提高，塔顶温度不断升高，醋酸乙烯精制塔T0202和二级气液液分离罐V0202总能耗不断下降，综合考虑塔顶温度变化和总能耗变化趋势，既要有效降低能耗，又不能使塔顶馏出物温度过高，选取醋酸乙烯精制塔塔顶冷凝器出口气相质量分率为0.07，此时塔顶温度为46，T0202和V0202的总能耗为37705kW。与采用全部冷凝相比，部分冷凝能耗降低3367kW，冷却介质由冷冻盐水改成循环冷却水，冷公用工程成本大大降低。表2-3 全部冷凝与部分冷凝能耗对比冷却能耗/kw总能耗/kw塔顶温度冷却介质全部冷凝-19642.4410728冷冻盐水部分冷凝-18157.13770546循环冷却水节能效果7.56%8.20%2.7 节能总结本项目在热集成基础上采用了热泵精馏、低中压蒸汽再生和冷却水梯级利用的等节能技术方案，得到全流程公用工程能量消耗与目标值之间的对比图如下图所示，各项指标均降为目标值以下，其中热公用工程降为目标值的 92.08%，冷公用工程降低为目标值的 91.09%，碳排放量降为目标值的 91.24%。图2-4 节能技术使用后的实际能耗与目标值对比图第三章 设备创新3.1 反应器创新为了提高反应速率，在反应器入口前设静态混合器，使乙烯和醋酸蒸汽与氧气充分混合。该装置是一种没有运动部件的高效混合设备，其基本工作机理是利用固定在管内的混合单元体改变流体在管内的流动状态，以达到不同流体之间良好分散和充分混合的目的。静态混合器是一种先进的单元设备，和搅拌器不同的是，它的内部没有运动部件，主要运用流体流动和内部单元实现各种流体的混合以及结构特殊的设计合理性。静态混合器与孔板柱、文氏管、搅拌器、均质器等其它设备相比较具有效率高、能耗低、体积小、投资省、易于连续化生产。静态混合器中，流体的运动遵循着“分割-移位-重叠”的规律，混合过程的中起主要作用的是移位。移位的方式可分为两大类：“同一截面流速分布引起的相对移位和“多通道相对移位”，不同型号混合器的移位方式也有所不同。静态混合器不仅应用于混合过程，而且可以应用于与混合-传递有关的过程，包括气/气混合、液/液萃取、气/液反应、强化传热及液/液反应等过程。静态混合器广泛应用于塑料、化工、医药、矿冶、食品、日化、农药、电缆、石油、造纸、化纤、生物、环保等多个行业。由于该产品耗能低、投资省、效果好、见效快，为用户带来了可观的经济效益。本项目拟采用SV型静态混合器，其结构如图3-1。该装置是由一定规格的波纹板组装而成的圆柱体，其技术特性如下：最高分散程度为1-2m，液液相及气气相不均匀度系数为s X15%，适用于粘度102厘泊的液液、液气、气气的混合乳化，反应、吸收、萃取、强化传热过程。图3-1 SV型静态混合器3.2 填料塔创新本工艺中T0101，T0102，T0301，T0402，T0403均为填料塔，通过Aspen Plus V10塔设计结果可以看出塔径较大，塔高较高，因此我们拟采用一种新型填料来降低装置费用。规整填料具有低压降、高效率、通量大等优点，因此在蒸馏、气体分离等化工分离操作方面应用非常广泛。现如今在塔设备不断发展的大背景下，填料塔发展方向为：大型高效化。因为丝网波纹填料所具有独特的丝网结构，此结构具有的毛细作用使得液体在填料表面有非常好的润湿性。而且丝网波纹填料本身结构的空隙率较大和一直以来在工业应用中所表现的低持液量，使得该填料有希望具备低压降、高传质效率的优点。北京化工大学传质与分离实验室根据填料塔内流体流动规律和气液两相间的传质规律，设计出一款高效BH型填料，它采用折线式波纹结构（其波纹构型如图3-2），波纹线折角以45-30-45变化。BH型新型高效填料由于其特有的优点,已经在化工、石化、炼油等工业中得到广泛的应用,表明其具有广阔的发展前景。图3-2 BH高效填料网状结构BH型新型高效填料，其创新点在于：一是填料波纹线呈折线式变化，液膜在波纹线折线交点处流向发生变化，流动的液膜发生扰动，气体向上流动时亦发生同样情况。此时流体底层和流动边界层减薄，传质阻力减小，并且在拐点处由于流体流向发生变化，增加了液膜表面更新的机会，提高了扩散速率，强化了气液传质过程；二是填料表面经过特殊的物理和化学处理，液体在其表面成膜性更好，单位体积内液膜面积大为增加，汽液有效传质面积增大，能大大强化汽液接触，提高填料的分离效率。该新型高效填料具体内容可参照专利号CN200410080055.4，本项目拟对填料塔使用BH新型填料，较传统波纹填干板压降平均下降30，液泛气速平均提高了6.5，具有更大的操作弹性，更高的生产能力。3.3 换热器创新换热器是石油化工、冶金、电力等行业的主要设备，其设计制造水平的高低直接关乎换热效果，影响能耗。目前管壳式换热器约占我国全部换热器量的70%80%，石化企业换热器更是占全部设备的40%以上。国内外绝大多数在役的管壳式换热器还在采用垂直弓型折流板结构，存在流动死区大、壳程流动阻力大、易积垢等不足，换热器整体