10-创新性说明1-设计文档集创新性说明

镇海炼化72kt/a硫磺回收制二硫化碳生产项目创新性说明22017“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛镇海炼化72kt/a硫磺回收制二硫化碳生产项目创新性说明团队名称： 安徽工程大学硫芳百世团队 指导老师： 李芳 方兴龙 杨仁春 李兴扬 任一鸣 团队成员： 吴中善 李涛 杨近 黄旭 潘维利 完成时间：2017年7月目 录第一章 清洁生产技术创新11.1 深度脱硫技术11.1.1 原料预处理创新11.1.2 吸收剂选择创新11.2 脱除硫的资源化利用21.3 排碳减少创新2第二章 反应技术及分离技术创新32.1 高效反应新工艺32.2 甲烷膜分离技术应用3第三章 过程节能创新63.1 换热网络集成优化6第四章 过程设备应用创新114.1 反应器结构创新（采用高效换热管）114.2 塔设备结构创新（采用新型浮阀塔板）124.3 输送设备结构创新（采用新型动力压缩机）13第五章 控制过程创新1415第一章 清洁生产技术创新1.1 深度脱硫技术本项目采用原料富集+二级克劳斯+尾气加氢还原法进行脱硫，设计工艺单程脱硫率约95%，尾气还原富集后，送回克劳斯燃烧炉循环，总脱硫率达99.96%。来自镇海炼化的含硫废气经本项目脱硫后，尾气经火炬系统后可直接排放，无需外加其他尾气处理装置。1.1.1 原料预处理创新本项目采用原料预处理工艺，先对来自镇海炼化总厂的含硫废气进行富集，再通入克劳斯工段脱硫，减少了约33.6%（）的气量，降低了后续设备的负荷和投资费用。1.1.2 吸收剂选择创新本工艺使用尾气处理工段使用的吸收剂碳酸丙烯酯（PC），对原料气进行吸收富集。原料预处理工段与尾气吸收富液分别解析后，贫液一同送入含水PC储罐，而后进入脱水塔进行PC脱水，送入高纯PC储罐，同时供原料预处理工段与尾气吸收工段使用。PC循环流程图如图1-1所示。图1-1 总工艺流程图1.2 脱除硫的资源化利用本项目以克劳斯脱硫工艺产生的硫磺为原料，和天然气以甲烷硫磺法合成二硫化碳，且采用甲烷硫磺法中的高压非催化法。甲烷硫磺法为二硫化碳合成工艺中最清洁的方法，远优于传统的木炭硫磺法。合成二硫化碳的方案比较如下。表1-1 合成二硫化碳工艺多方案比选方案木炭硫磺法半焦硫磺法甲烷硫磺法运行费用高中等低技术难度低中等高产能低中等高污染高中等低间歇/连续间歇间歇连续1.3 排碳减少创新本项目产物为二硫化碳，若以传统的木炭硫磺法为生产工艺，会造成大量的木炭资源浪费以及二氧化碳排放。本工艺以甲烷硫磺法生产二硫化碳，反应条件无氧环境，主反应无二氧化碳生成。且本工艺采用专利（CN02123527）中的技术，使用甲烷、乙烷总含量97%的天然气，可有效减少结焦生炭的情况发生，反应过程中几乎无碳排放。甲烷硫磺法制二硫化碳工艺流程图如图所示。图1-2 甲烷硫磺法制二硫化碳工艺流程图第二章 反应技术及分离技术创新2.1 高效反应新工艺本项目产物为二硫化碳，若以传统的木炭硫磺法为生产工艺，会造成大量的木炭资源浪费以及二氧化碳排放。本工艺以甲烷硫磺法生产二硫化碳，且本工艺采用专利（CN02123527）中的技术，使用甲烷、乙烷总含量97%的天然气。不仅能有效减少结焦生炭的情况发生，而且甲烷转化率可稳定在97%以上，甚至可达98%。2.2 甲烷膜分离技术应用来自硫化氢储罐的气体，含有少量甲烷杂质气，不利于克劳斯工艺硫化氢与二氧化硫进料2:1比例的控制。本项目采用甲烷膜分离器对甲烷进行过滤。图2-1 中空纤维膜分离器示意图表2-1 气体分子在聚酰亚胺非对称复合膜中的渗透速率(30 )序号组分渗透速率Ji/GPU1CH43.52CO21123H2S1794H2O40005O219.66N23.6使用MATLAB编程对膜分离过程进行模拟，信息如下：1.程序信息：clc;clear all%逆流接触的模型_membrane separatorna(1)= 516.3832; nb(1)= 588890; ni(1)= 271874; S=6200; N=1000000; ds=S/N; P_h=17*101325; P_l=101325; %Qa=1/0.0224*0.76*36*76*10-6/101325;%Qb=1/0.0224*0.76/13*36*76*10-6/101325;%Qa=4.219108624*10-6;Qb=215.7772696*10-6;na1_(1)=1E-11;nb1_(1)=1E-11;for i=1:N;na(i)=na(1)-na1_(i);nb(i)=nb(1)-nb1_(i);na1_(i+1)=na1_(i)+Qa*ds*P_h*na(i)/(na(i)+nb(i)+ni(1)-P_l*na1_(i)/(na1_(i)+nb1_(i)+ni(1); nb1_(i+1)=nb1_(i)+Qb*ds*P_h*nb(i)/(na(i)+nb(i)+ni(1)-P_l*nb1_(i)/(na1_(i)+nb1_(i)+ni(1); endR=na(N)/na(1) %甲烷的分离比R_2=nb(N)/nb(1)%硫化氢的分离比hydrogen_1=na1_(N+1)%被富集的那一侧的甲烷摩尔量hydrogen=na(N)%剩下出口的甲烷摩尔量xishouji_1=nb1_(N+1)%被富集的那一侧的吸收剂摩尔量xishouji=nb(N)%剩下出口的吸收剂摩尔量2.运行结果R =0.8885R_2 =0.0220hydrogen_1 =57.6018hydrogen =458.7815xishouji_1 =5.7593e+05xishouji =1.2956e+04由MATLAB运行结果可知，当有效膜面积为6200 m2，表观膜面积430 m2时，聚酰亚胺膜可达到所需分离效果。第三章 过程节能创新3.1 换热网络集成优化在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被被冷却。大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。将所提取的工艺流股输入Aspen Energy Analyzer中,并对最小传热温差进行经济评估，获得总费用和温差的关系曲线图，如下图所示：图3-1 总费用最小温差关系图从上图观察可以发现，20 左右，曲线下降速度缓慢，再往后总花费几乎不变，因此我们选取最小传热温差为20 。绘制出最小传热温差等于20 时的温焓图，结果如下：图3-2 温焓（T-H）图由T-H图可以看出，系统在较大的焓值区间有较好的换热潜力，并且此换热网络为阈值问题，由图可看出需要被冷却的能量远远超出需要被加热所需的能量，即换热网络中的公用工程采用冷公用工程，然后进行物流之间的换热匹配，实现系统最大程度的热量集成。综合考虑系统中物流换热潜力、物流性质、以及物流输送，即可进行物流之间的换热匹配，在物流间的换热设计过程中，还需要考虑设备个数，以及由于换热面积所产生的设备投资费用。在设计完所有的物流间换热后，其余的物流换热则通过公用工程实现，进而完成整个系统的全部换热。从组合曲线上我们可以得到我们热集成所的能量目标： 图3-3 Targets View图需要热公用工程能量为0 kJ/h,；需要冷公用工程能量为112522217 kJ/h；总换热面积：35623 m2。得到总组合曲线如图3-4所示：图3-4 总组合曲线图通过对以上数据图表的深入分析，我们建立并优化了热交换网络，根据Aspen Energy Analyzer的计算,所有参与换热的流股形成的换热网络如图3-5所示：图3-5 换热网络图再使用Aspen energy analyzer的换热网络自动生成功能，在所生成的方案中选择一套经济且换热面积较小的方案，如下图所示：图3-6 优化前的设计方案该换热网络的换热器数目为29，按照最小换热器台数原则，撤去若干台换热器，如换热器能量很小，甚至接近0 kJ/h，这些换热器的设置并不合理，可以撤除。在换热网络中出现的换热器Loop回路也是使得操作费用增加的原因，在实际操作中，一般不能有Loop回路的存在，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到换热器，打破回路，减少换热器数目。再通过path通路来调节换热量，使换热器的热负荷得到松弛，甚至减少换热器的数目。另外，相距较远的物流间换热会使管路成本增大，增加设备投资成本，且操作不稳定，此类换热器需要删除。经过以上调节之后，最后获得换热网络如图3-7所示：图3-7 优化后的换热网络优化后的换热网络所需换热器数目为16台，包含6台流股热量回收利用的换热器，数目减少且结构更为精简，可节省34.36%的能源消耗。表3-1 公用工程信息表冷公用工程/(kJ/h)热公用工程/(kJ/h)合计/(kJ/h)优化前公用工程用量136533020.658847841.719538086.2优化后公用工程用量120382994.87860778.0128243772.8节约能源/%11.83%86.64%34.36%第四章 过程设备应用创新4.1 反应器结构创新（采用高效换热管）换热设备在化工装置中占有重要地位，在装置动力消耗和投资方面占整个工程的重要份额，其性能的改善对于改进系统的用能过程、降低能量消耗具有重要意义。本项目中PC脱水塔再沸器采用高通量管。高通量管是在光管的内表面或外表面上覆盖一层多孔性的金属烧结层，使传热表面大为增加，并提供大量的汽化核心，以强化管内或管外泡核沸腾传热的换热管。内表面多孔高通量管见图4-1，外表面多孔高通量管见图4-2：图4-1 内表面多孔高通量管图4-2 外表面多孔高通量管由于烧结型高通量换热管表面具有一层包含相互连通、形状各异的凹穴与孔隙的多孔层，与普通换热器相比，高通量管换热器的传热系数可达2000 W/m2K以上，可以在很小的温差下（约10 ）维持沸腾，阻垢性能良好。高通量管换热器体积小，占地面积小，节省投资。4.2 塔设备结构创新（采用新型浮阀塔板）本项目在精馏塔中新型浮阀塔板（专利：CN201520308408），包括浮阀和塔板，所述浮阀安装在塔板设置的阀孔中，所述的浮阀包括阀片，所述阀片竖直设置有多根弹性阀腿，所述弹性阀腿顶部为弧形，所述弹性阀腿底端设置有弹性卡片，所述弹性卡片相对与弹性阀腿表面向外侧弯折，相邻阀腿之间都安装有丝网。新型浮阀塔板通过设置的丝网，可将雾沫中的气泡打碎消除，而雾沫中夹带的液沫附在丝网表面上，进而达到气液两相分离的目的，消除了雾沫夹带，从而可提高传质效率。若物料含有一些颗粒状物质的气体通过金属丝网时，丝网可起到一定的过滤作用，避免物料损失，提高传质效率。丝网还能够有效避免从阀面冲出的气流发生对冲现象。图4-3 新型浮阀塔板的结构示意图4.3 输送设备结构创新（采用新型动力压缩机）反应器进料压缩机是本项目重要的设备，保证了反应器反应条件及后续工况的稳定。本项目采用燃气轮机取代蒸汽轮机驱动压缩机，充分利用全厂废气，并加置余热锅炉进行余热回收，使得整个系统循环利用，实现节能降耗环保。图4-4 燃气轮机剖面图第五章 控制过程创新固定极限流量防喘振控制方案：本项目采用了离心式和活塞式两种压缩机。对于离心式压缩机，喘振是其安全运行的隐患。所谓喘振，就是当压缩机的运行点流量值低于其极限流量值时所发生的流量逆向现象。喘振会使压缩机出口流量、压力不稳定，甚至对压缩机造成损害。因此需对喘振现象进行防范和控制。本项目中离心式压缩机采用固定极限流量防喘振控制方案。该控制方案的控制策略是假设在最大转速下，离心压缩机的喘振点流量为Qp（已考虑安全余量），如果能够使压缩机入口流量总是大于该临界流量Qp，则能保证离心压缩机不发生喘振。控制方案是当入口流量小于该临界流量