7-创新性说明书

吉林化工学院-Top Way团队 15目 录第一章 创新性概述1第二章 工艺方案创新32.1项目设计概想32.2工艺技术创新32.3催化剂创新42.4生产过程创新5第三章 反应器创新6第四章 换热网络的优化8第五章 园区三废集群化处理125.1废气处理125.2废水处理135.3废固处理145.4本项目与中国制造202514第一章 创新性概述当前，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，国际产业分工格局正在重塑。在这一重大历史机遇来临时，我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领中国制造2025，按照“四个全面”战略布局要求，实施制造强国战略，加强统筹规划和前瞻部署力争通过三个十年的努力，到新中国成立一百年时，把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦打下坚实基础。经过建国以来60多年特别是改革开放30多年的发展，我国石化化工行业整体技术水平不断提升，产业规模不断扩大，已经成为世界石化化工大国，为我国向石化化工产业强国迈进打下了坚实的基础。（一）行业规模位居世界前列，2014年我国石化化工行业主营业务收入14.06万亿元。（二）集约化水平不断提升。（三）原料、产品结构不断优化。化工新材料整体自给率提高到60%左右。（四）节能减排取得成效。（五）科技创新能力不断提升。（六）两化融合取得显著成效。尽管成绩显著，但建设石化化工强国的任务依然艰巨。与世界强国相比，我国石化化工行业“大而不强”的问题依然突出。主要表现在以下几个方面：（一）基础产品产能过剩，高附加值产品自给率低。（二）产业集中度偏低，同质化竞争现象突出。（三）发展方式相对粗放，质量和效益有待提高。（四）自主创新能力不强，缺乏行业领先的核心技术。（五）信息化水平低，“两化”深度融合差距较大。（六）节能、环保以及安全管理水平有待提高。“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”是中国制造2025提出的基本方针，也是中国制造发展的总体要求。这一基本方针也为石化和化工行业的发展指明了方向。中国制造2025为化工行业发展带来新的机遇，当前石化和化工行业发展面临新形势和新问题。主要有以下几个方面：（一）全球经济复苏缓慢，国内经济增长放缓，对石油化工产品需求减弱，经济下行压力仍在持续。（二）我国石化行业产能结构性过剩矛盾凸显，传统产业进入低利润时代，转型升级和结构调整的任务十分艰巨。（三）资源环境的约束达到上限，节能减排、绿色发展呈刚性约束，传统发展方式面临严峻挑战。（四）国际和国内竞争更趋激烈，技术创新成为行业和企业发展的最大变数。缺乏竞争力的企业生存压力加大，可能面临新一轮洗牌。中国制造2025提出全面推行绿色制造，要推进石化化工等传统制造业绿色改造，给石化化工行业提出了明确的目标要求。化工产品与人们生活息息相关，绿色制造显得格外重要。要大力促进生物产业发展，控制和削减化石能源消费量。全面推行循环生产方式，促进企业、园区、行业间链接共生、原料互供、资源共享。发展绿色园区，推进工业园区产业耦合，实现近零排放。传统石化化工产业以化石原料为主，资源消耗大，污染物排放多，化工行业产业链长，产品以液体和气体居多，原料互供，易于实现循环经济，园区化发展正是化工行业的典型特征。随着化工园区的逐步规范发展，必将使化工行业真正迈入绿色、低碳、循环发展的健康发展轨道。同时，膜材料、吸附材料等是治理水污染、大气污染的重要物质技术支撑，是制造业实现绿色发展的技术支撑。遵循中国制造2025指出的方针，坚持绿色发展，以创新驱动，加强节能环保技术、工艺、装备推广应用，全面推行清洁生产，发展循环经济，提高资源回收利用效率，构建绿色制造体系，走生态文明的发展道路，才能实现我国化学工业的转型升级。本项目是为吉林石化设计一座醋酸乙烯分厂，综合考虑安全、环保与效益等的前提下，通过一系列工艺创新、设备创新、节能降耗创新、清洁生产创新，通过多个循环以及过程集成与强化，实现了在不引入污染性原料与高品位能量的情况下，多元化利用吉林石化年产85万吨乙烯，使用乙烯气相法生产高品质的醋酸乙烯。第二章 工艺方案创新2.1项目设计概想本项目依托吉林石化85万吨乙烯生产装置，背靠吉林化学工业循环经济示范园区，紧邻吉林石化，降低能耗、减少三废排放，在园区内原料互供、资源共享、污染共治是本项目基于厂址选择、原料来源考虑后得到的绿色发展构想。本项目设计之初的想法是基于吉林石化现有的乙烯生产装置，改变其下游生产单一化的格局。就东北亚的乙烯生产来说，主要原料来源为石脑油和轻柴油，其成本价格最初便劣势于国外的厂家如北美的乙烷制乙烯。乙烯原料来源单一、成本高，在未来必将制约国内如吉林石化这样的以乙烯为基础的石油化工企业。基于以上考虑，本项目设计的一个初衷便是打破吉林石化乙烯生产受限于石脑油和聚乙烯上下游发展的困局。除此之外，将醋酸乙烯下游产品如聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、乙烯基共聚树脂等结合吉林石化现有的聚乙烯、合成橡胶、合成树脂等生产装置，将吉林石化打造成以乙烯、丙烯为基础，上下游一体化，多样性、集群化的化工生产基地。2.2工艺技术创新随着时代的发展和科技的进步，生产醋酸乙烯的工艺也在不停的更新换代，乙炔液相法和乙烯液相法由于能耗和环保等原因，已经基本淘汰，被相应的气相法所取代，其他生产醋酸乙烯的方法如甲醇法和二甲醚法等还处于实验室阶段，无法进行大规模工业化生产。所以世界上现行的三种工艺分别为电石乙炔法、天然气乙炔法和乙烯气相法，三种工艺优劣比较如表1所示。表1 三种现有工艺优劣比较生产工艺乙烯气相法电石乙炔法天然气乙炔法反应方式固定床气相流化床气相固定床气相反应温度/165185180220180220反应压力/Mpa0.490.98常压常压空速/（Lh-1）20402100110150200270物质的量比C2H4：HAC：O2=9：4：1.5HAC：C2H2=1：2.53.5HAC：C2H2=1：34催化剂金、钯贵有金属ZnAc2/活性炭ZnAc2/活性炭催化剂寿命/d720900150180300400乙酸单程转化率%152030455060空时收率/%681.01.32.02.5主要优点副产物少，设备腐蚀性小，催化剂活性高，产品质量好技术成熟，投资少，单台设备产能大，催化剂易得热能利用好，催化剂价廉易得，副反应少主要缺点催化剂价格高电石渣污染严重乙炔成本高对生产醋酸乙烯的三种工艺技术进行整体比较发现，不论哪种方法生产，产品中的醋酸乙烯气体的含量都可以达到99.5%以上，但是乙炔法中的副产物相对较多，尤其是醛类物质，其含量比乙烯法产生的要高很多，醛类物质对醋酸乙烯的聚合反应会产生较大的影响，如果为了生产聚乙烯醇产品，则乙炔法生产醋酸乙烯所得到的聚乙烯醇产品的质量不如乙烯法高。另外，从环保的角度来讲，乙炔法生产醋酸乙烯过程中单位生产成本较高，能耗较大，产生的环境污染比较严重，相对比起来，乙烯法的能耗低而且环境污染小，因此在醋酸乙烯生产过程中采用乙烯法居多。 在未来，提高醋酸乙烯产品质量、降低能耗，加强醋酸乙烯生产技术的创新研究，必定是醋酸乙烯工艺技术发展的趋势。考虑到未来乙烯在国内市场应当继续呈兴盛发展态势，供求的缺口逐年减少。加之近年来国家和社会层面对环保的重视，国民环保意识的增强，国内外市场对醋酸乙烯质量的要求越来越高，且使用乙烯法生产的醋酸乙烯可以以高性能的优势避免国内的低价竞争，采用公式协议价的方式进入高端市场。最终本项目综合比较不同技术方案的投资、原料消耗、转化率、能耗、本质环保等部分，参考原料、经济、产量、环保、市场等诸多要素，在依托吉林石化年产85万吨乙烯生产背景下，从长远的发展来看选择使用乙烯气相法工艺生产醋酸乙烯。2.3催化剂创新本项目生产工艺乙烯气相法使用上海石化生产的新型钯-金负载型催化剂（CTV-III）,并以醋酸钾为助催化剂生产醋酸乙烯。该工艺将醋酸蒸发器得到的原料气与氧气进行氧化偶联反应，可直接得到醋酸乙烯。该工艺采用一个工艺单元（醋酸蒸发器）替代传统的直接原料混合，简化了工序，节省了资金，且避免了酸污染，绿色化程度进一步提高，使乙烯气相法的路线更具有竞争力。近年来，随着新型钯-金-醋酸钾系列催化剂的开发，即使在醋酸/乙烯摩尔比降低的情况下，也可以达到较高的转化率和选择性。综上所述，乙烯气相法具有较大的经济效益和社会效益，是今后研究的热点，发展前景良好。2.4生产过程创新在清洁生产方面为达到中国制造2025中提出的绿色发展2020年的指标，对生产过程中的副产物二氧化碳、乙醛等，在气体处理工段进行统一回收利用，其中乙醛在经过气体处理工段的吸收后进入醋酸乙烯精制工段进行精制作为副产品出售，提高生产过程的附加值和利用率。在原料消耗方面，本项目针对整个生产过程进行了乙烯循环和醋酸循环。乙烯循环：反应器出口气体进行冷却后，一部分直接通入反应器内进行反应，另一部分送入第二工段进行气体处理，除掉乙醛及二氧化碳后，通入反应器内循环使用。醋酸循环：本项目生产过程中，使用了大量醋酸作为吸收剂，粗醋酸在第三工段进行收集和精制，醋酸精馏塔得到纯度为90%的醋酸，再次进行循环利用。原料循环合理、高效的提高了原料利用率，降低了生产成本。符合中国制造2025中提出的绿色发展2020年的指导思想。第三章 反应器创新醋酸乙烯生产工艺可以选用连续反应器，连续反应器主要由流化床、固定床。流化床虽然可以增加两相间的接触面积，传热面积以及具有传质速率快等特点，但是由于催化剂颗粒的剧烈运动，造成固体颗粒与流体的严重返混，导致反应物浓度下降，转化率下降，催化剂颗粒的剧烈运动也造成了催化剂破碎率增大，增加了催化剂的损耗。同时催化剂还会与器壁发生剧烈碰撞，易造成设备与管道的腐蚀，增大设备损耗。固定床中催化剂颗粒固定不动，返混少，反应物的平均浓度高，反应速率较快，可以克服上述流化床缺点。除此之外，固定床内的流体流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；反应器的操作方便、操作弹性较大。列管式固定床反应器有以下优点：（1）返混小，流体可同催化剂进行有效解除，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性；（2）催化剂机械损耗；（3）结构简单，它的投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间；（4）列管式固定床相对于一般固定床而言，更容易控制热量的传递过程。结合上述分析，为减少因催化剂磨损造成的浪费以及方便实现长时间的高效率连续化生产，固定床反应器为较为合适。醋酸乙烯反应器采用两个气体分布器，分别设置在原料气体入口和反应器中间位置。我们找到了天津大学的发明专利：本发明涉及一种气体分布器和包括所述气体分布器的醋酸乙烯合成反应器。所述气体分布器包括扩径稳流部段和球形封头，所述扩径稳流部段的第一端与该列管式醋酸乙烯合成反应器的封头相连，与所述第一端相对的所述扩径稳流部段的第二端与所述气体分布器的球形封头相连或一体成形，所述扩径稳流部段第一端的直径大于反应器入口的直径，在所述球形封头区域范围内均匀地设置有分布孔。通过计算流体力学方法研究表明，采用上述结构的气体分布器，可以很好实现气体的均匀分布。采用上述结构的催化剂支撑方式能够大大简化反应器的结构，便于设备的制造，安装和拆卸维护，并且能够减少催化剂脱落等事故出现几率；采用上述的测温方式可以更好地提高反应器的控制精度。（天津大学。气体分布器和包括所述气体分布器的醋酸乙烯合成反应器:中国,201210240615.2P。2012-07-12。） 图1醋酸乙烯合成反应器的气体分布器注释：1.醋酸乙烯合成反应器；2.醋酸乙烯合成反应器顶端的椭球形封头；3.循环气体入口；4.气体分布器；5.扩径稳流部段；6.气体分布器的球形封头；7.分布孔；8.反应管；9.圆柱与圆锥符合式弹簧；10.复合式弹簧的锥形段；11.复合式弹簧的圆柱段；12.热电偶套管；13.测温点；14.催化剂床层；15.惰性瓷球层；16.设置在缓冲扩径部段第二端的开孔；17.反应器的下管板；18.反应器的上管板将反应器设计成上下两段，冷却水两进，低压蒸汽两出的结构，不仅可以移走反应热，使物料在反应器内充分完成传热传质，而且利用气包将反应热收集变为低压蒸汽，作为热源供应其它装置，实现了反应热的回收利用。具体的设备设计及反应器设计参见设备设计及选型说明书。第四章 换热网络的优化本项目采用乙烯法合成路线，直接以吉林石化总厂所产的乙烯、醋酸为原料，和氧气混合，在PdAu负载型催化剂的催化下生产醋酸乙烯。在生产过程中运行操作成本是一个重要评价参数。原料的预热、精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。本项目工艺由醋酸乙烯合成、气体处理、醋酸乙烯精制三个工段组成。流程中冷热物流较多，潜在的热量可供回收，通过对换热网络的设计和优化，可以尽可能地实现流程内部热量的集成和最大化利用，以减少公用工程的消耗，降低能耗。为此，我们运用Aspen Energy Analyzer V9软件来进行换热网络的设计，并且寻找可能节能的措施，以最大限度的降低成本。通过对本项目工艺流股温度和换热要求的分析，为了尽可能降低系统能耗费用以及总厂可供公用工程的来源，本换热网络需要的冷公用工程包括循环冷却水、除盐水，热公用工程包括为125的低压蒸汽、175的中压蒸汽、250的高压蒸汽，均可由厂区公用工程中转站提供，形成与总厂的公用工程集成。在设计合理的前提下，为了减少有效能的损失，合成最大热回收量，以最小设备数、最小换热面积、最小操作费用为目标，进行不同方案的筛选和优化。从而确定出最后的换热方案。 本项目醋酸乙烯合成过程为新鲜的原料乙烯和循环的乙烯先与反应器出口的粗产品进行换热，预热后与来自储罐的原料醋酸在醋酸蒸发塔T0101中进行混合加热，形成混合气。然后混合气与反应器出口的粗产品再次进行换热，并与原料氧气混合后，进入列管式固定床反应器R0101，经过以二氧化硅为载体的PdAu负载型催化剂催化，在165180，0.60.8MP,空速18002000/h的条件下进行氧化偶联反应，生成醋酸乙烯和水。由于本项目反应是放热反应，反应温度也过高，所以反应器出口的粗产品混合液能量较高，基于创新节能环保的考虑，在经过反复比较后对反应器出口的粗产品进行了两次换热，如图2所示。图2反应器出口换热化热网络优化过程如下所示。图3未优化的换热网络在此换热网络下的公用工程数据以及能耗如图4所示。图4公用工程数据以及能耗换热网络的设计，自由度较大，所获得的方案数目众多，但是合理的换热网络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑工艺流股换热的可能性，最好还要将设备费用等因素也考虑进去，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，此类换热器也需要删除。以便获得最为合理的换热网络。在Aspen Energy Analyzer V9给出的Design中选取其中最为经济且换热面积较小的设计方案进行后续优化过程。优化后的换热网络如图5所示。图5优化后的换热网络通过对系统工艺流股的能耗分析，为了尽可能地利用组合曲线平台区潜热，在工艺流程中，进一步进行了换热网络的集成和优化，优化后的换热网络所需要的换热器数目为21台，包括2台热量回收利用换热器（E0101,E0103），可回收热量4004.17KW。换热网络中，公用工程使用情况如表2所示。表2换热网络公用工程信息表项目热公用工程/kW冷公用工程/kW总计/kW直接公用工程（优化前）124000110600234600换热网络设计103600108200211800能耗减少量/%16.452.179.72由上表可以看出，本项目经过优化后，可节省公用工程22800kW，能量回收率为9.72%，其中，所需热公用工程为103600kW，所需冷公用工程为108200kW。进行冷热流股匹配后，公用工程用量大大降低，达到了很好的节能效果，能量回用率较大，加强了生产过程的经济性。第五章 园区三废集群化处理5.1废气处理（一）废气的产生化工厂的主要大气污染物来源有：加热炉和锅炉排放的燃烧气体；生产装置产生的不凝性气体；反应的副产气体；化工厂物料往返输送所产生的跑、冒、滴、漏气体等。本项目所产生的废气有：工艺流程中产生的废气二氧化碳、乙烯、乙醛等；生产过程中各塔顶及容器可能逸散的乙烯、醋酸乙烯、乙醛等；同时，开停工及操作不正常时排放的气体（如安全阀排放气）等。（二）废气的处理废气处理的基本方法有：除尘法（将粉尘从气体中分离出来）；吸附法（使废气与多孔性固体物质相接触，使废气中有害组分选择性吸附在固体内外表面）；冷凝法（利用不同物资在同一温度下有不同的饱和蒸汽压，将混合气体冷凝，使其中某种污染物凝结成液体，从而由混合气体中分离出来）；吸收法（用适当的液体吸收剂处理气体混合物，以除去其中的一种组分）；直接燃烧法（有机化合物的高温绕少，是废气转化成CO2和水）。针对本项目产生的废气，提出具体如下措施：（1）工艺废气处理：生产过程中所产生的废气大部分为二氧化碳，还有醋酸乙烯合成工段中未反应的乙烯和反应副产物乙醛。本项目将采用不同的方法将其分类处理。首先在气体处理工段添加吸收塔，对工艺流程中产生的多余乙烯和乙醛进行回收，乙烯回流进入醋酸乙烯合成工段，乙醛则进入醋酸乙烯精制工段，成为副产物。其次在气体处理工段使用热钾碱法吸收绝大多数的二氧化碳。最后剩下的少部分废气则和其他废气如氮气、氧气水蒸气等汇总送往总厂经火炬燃烧再由碳捕集装置进行碳捕集后符合大气污染物综合排放标准GB 16297-1996中相关排放标准再进行排放。（2）无组织排放废气控制：1）阀门的选定及彻底的维修。阀门的设置是考虑从质量优良的厂家定货。另外，消耗零件实施定期更换。2）使用泄漏检测与修复技术（LDAR），监测厂内易发生泄漏的密封点，并修复超过一定浓度的密封点，从而达到控制原料泄漏损失和环境保护的目的。5.2废水处理（1）废水产生本工程产生的污水主要分为生产废水、生活污水、地面洗水和雨水。其中生产废水主要为醋酸废液、乙醛废液；醋酸乙烯精制塔残液、设备内部冲洗废液；生活污水主要为厂前区排放，清洁用水包括地面洗水和设备外用水。（2）废水处理1）生产废水工艺废水：分类送至总厂吉林石化的大型污水处理厂处理达标后排入松花江中。设备内部冲洗废液、精馏塔残液：则送至有资质厂家回收处理。2）生活废水生活污水排入全厂生活污水干管，最终进入园区生活排水管网。3）地面洗水工艺装置区和罐区围堰内的地面冲洗水和下雨时的初期雨水，经排水地沟收集，然后经全厂地下排水管网送至总厂的污水处理厂。4）应急事故池等本项目还将建设两个事故水收集池和一个污水收集池，具体池容及相关要求将根据项目环境影响评价文件及批复要求实施，突发性事故时的消防废水则汇集事故水收集池，最终通过泵送总厂污水处理设施处理达标。5）排放指标经污水处理厂处理后的污水达到污水再利用工程设计规范GB50335-2002中循环水补充水水质要求，水质指标如表3所示。表3水质指标项目pH浊度BOD5CODNH3-N外观及嗅味指标6-95mg/L10mg/L60mg/L1mg/L无不快感生活污水须经处理达到