3-创新性说明书

扬子石化年产15万吨醋酸乙烯酯项目创新性说明书目录第1章原料方案及其体系创新11.1 原料方案11.2 产品结构方案创新1第2章反应技术及分离技术创新22.1 共沸精馏塔22.2 流化床反应器2第3章过程集成创新33.1 热集成创新33.2 水集成4第4章新型过程设备应用技术创新64.1 萃取隔壁塔64.2 旋风分离器94.3 新型塔板1011第1章 原料方案及其体系创新1.1 原料方案本项目是为扬子石化企业设计一座生产醋酸乙烯酯的分厂，位于江苏省南京市南京化学工业园区西南部，并对现有的醋酸乙烯酯生产工艺进行了改进，年产15万吨醋酸乙烯酯。本项目选择总厂乙烯、空分得到的氧气以及本工艺原料。因此本项目具有充足的普适性以及推广价值。本项目所采用的原料组成与用量如表1-1所示：表1-1 主要原材料、辅助材料来源一览表项目名称数量/吨来源运输方式主要原材料乙烯52041.37中国石油化工扬子石化分公司 管道运输乙酸107608.4南京扬子石化碧辟乙酰公司管道运输氧气67879空压站管道运输辅助原材料醋酸甲酯876.7江苏省瑞丰高分子材料有限公司槽车运输甘油731常州市天恒工贸有限公司罐车运输对苯二酚30上海沣瑞化工有限公司罐车运输Pd-Au/SiO2催化剂7.86南京化学试剂股份有限公司槽车运输乙醇胺198.48南京化学试剂股份有限公司罐车运输1.2 产品结构方案创新本项目以扬子石化烯烃厂的乙烯、醋酸以及空分装置得到的氧气进行醋酸乙烯酯的的生产，采用原子利用率高的Leap法，相较于传统的制备醋酸乙烯酯的方法（如Bayer法，USI法），实现了醋酸乙烯酯生产的清洁化和提高原子利用率的转变，实现了醋酸原料的资源化利用。本项目主副产品方案见表1-2。表1-2 本项目主副产品一览表表序号 产品 规格，wt% 产量，t/a 备注 1 醋酸乙烯酯99.6 15.0万主产品 2 二氧化碳99.97000副产品 第2章 反应技术及分离技术创新2.1 共沸精馏塔醋酸/水体系相对挥发度不大，是典型的非理想体系，醋酸不仅在液相有强烈的缔合作用，在气相中缔合作用也很严重。当醋酸/水分离要求较高时，采用普通精馏难以实现。根据物料特性，选择加入合适的共沸剂进行共沸精馏，可大量减少塔板数和降低回流比。本项目选择廉价易回收的醋酸甲酯作为共沸剂分离醋酸与水。Aspen Plus流程模拟图如图2-1所示：图2-1 共沸精馏Aspen Plus模拟设计2.2 流化床反应器本项目中的反应器用来完成乙烯、乙酸和氧气在催化剂作用下在反应器内完成反应。主反应为醋酸氧酰化反应，该反应特点如下：1. 在工业上的催化剂一般为固体Pd-Au/SiO2，且该反应为强放热反应。2. 催化剂容易结焦失活，连续工业化不允许频繁停车来更换催化剂，否则会导致产品质量的不稳定以及额外的能量与原料消耗。现有反应器反应体系不稳定，不利于放大设计。列管式固定床反应器虽然好地解决了撤热问题，但由于采用了冷却水撤热，冷却水由于流量、温度的扰动容易造成反应床层热点温度漂移，进而导致反应体系不稳定，不利于反应器的放大设计。针对以上情况，本项目创新地采用了流化床反应器，既实现了沿程移热功能，使反应体系温度保持在160的工艺条件范围，同时又通过精密的控制系统实现了生产过程连续化。因此，本工艺选择流化床反应器。反应器设计详见反应器设计说明书。第3章 过程集成创新3.1 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3-1至图3-3所示：图3-1 第一、二工段优化后换热网络图3-2 第三工段优化后换热网络图3-3 第四工段优化后换热网络我们对于热集成前后的能量消耗进行了对比，结果见表3-1：表3-1 优化后公用工程用量项目热公用工程（KJ/hr）冷公用工程(KJ/hr)优化前3.8161084.32108优化后3.241083.82108节能百分率（%）15.0911.57从上表计算可知，节约热公用工程量为15.09%，节约冷公用工程量11.57%，节约能量为29.8MW，加强了项目的经济性。3.2 水集成水系统集成的研究任务包括水系统的分析，综合和改造。水系统的分析是指获得用水系统的最小新鲜水用量和最小废水流量目标；水系统的综合是指设计用水网络，通过水的回用、再生和循环等达到上述目标；水系统的改造是指通过改变现有的用水网络，达到最大限度限度的水回用和最小程度产生废水。本设计项目工艺流程为生产醋酸乙烯酯工艺。此工艺中需要大量的工艺用水，从而在生产过程中会产生大量的废水，造成水资源的浪费，而且对环境产生严重污染，所以我们必须对废水进行净化处理。对其工艺用水重复利用，提高水利用率，增加经济效益。优化前、后的用水网络如图3-4所示。图3-4 初步用水网图3-5 优化后的用水网络3、用水网络优化对比表3-2 用水网络优化对比用水网络水源新鲜水用量节水率初步全部新鲜水9058t/h6.6%优化再生复用600.3t/h第4章 新型过程设备应用技术创新4.1 萃取隔壁塔本项目萃取精馏塔加入甘油使VAc和水之间的相对挥发度增大，不再形成共沸物，可以达到清晰分割，再将甘油与水进行精馏分离，回收甘油。考虑到本项目体系中甘油单程耗量大，采取萃取精馏会消耗大量萃取剂与能量。进行简单模拟后发现塔釜和塔顶负荷确实较大，且两塔塔顶与塔釜温差远远大于10，不能采用热泵技术降低能耗。自然而然联想到热耦合技术，查阅相关文献后发现，隔壁塔可以完成一个塔分离三个组分的任务，而且孙兰义等人发表的隔壁精馏塔技术进展一文报道称：与传统两塔流程相比隔壁精馏塔能耗降低30左右，总设备投资降低30左右。所以可以采用隔壁塔萃取精馏来改进普通萃取精馏，预计可以达到较好效果。隔壁精馏塔简称隔壁塔（Dividing-Wall Column, DWC）、隔离壁塔、分壁式塔在传统精馏塔中沿着塔体轴向焊接（或非焊接）一块隔壁，将塔体分为左右两侧，隔壁上下分别共用一段精馏段和提馏段。其设计与发明是传统精馏塔的巨大变革。图4-1给出了Petlyuk 塔和隔壁塔的示意图。可以看出，Petlyuk 塔由预分离塔和主塔构成，预分离塔塔顶和塔底分别通过交叉流股与主塔连接。隔壁塔的隔壁上端以上共用一段精馏段，隔壁下端以下共用一段提馏段，隔壁左侧为预分离塔，隔壁右侧相当于Petlyuk 塔主塔的交叉流股之间的塔段。这样在三元物系A/B/C 在单塔内实现分离得到了A、B、C三种产品。隔壁塔是实现热耦精馏Petlyuk 塔的际方法。当不考虑隔壁的传热时，两者在热力学上是等效的。图4-1 Petlyuk 塔和隔壁塔的示意图隔壁塔用于某些三元物系的分离，其最初用来分离轻、重组分含量较小的物系。近来，隔壁塔已更广泛地用来分离烃类、醇类、醛类、酯类、缩醛类、胺类等混合物。此外，隔壁塔已应用于共沸精馏、萃取精馏和反应精馏。隔壁塔据其隔壁在塔壳中的轴向位置，可分为三种类型：隔壁在中间，隔壁在底部和隔壁在顶部。图4-2给出了三种类型隔壁塔简图。一般地，常用隔壁在中间类型分离非共沸物系，用隔壁在底部类型可实现共沸精馏，而用隔壁在顶部类型可实施萃取精馏。因此，本萃取精馏项目采用隔壁在塔顶的类型。图4-2隔壁塔的三种类型（a）隔壁在中间、(b)隔壁在底部、(c)隔壁在顶部本项目萃取精馏隔壁塔是由隔壁（竖直板）分隔开的左、右两侧塔壳构成的。混合物A/B 和溶剂S进入萃取精馏隔壁塔，溶剂S与重组分B作用，降低了B的蒸汽压，使得B的挥发度减小。轻组分A从左侧塔顶采出，组分B 和S 在右侧塔实现分离，组分B从右侧塔顶采出，几乎纯的S从塔底采出并循环打入左侧塔内。需要注意的是左、右侧塔共用一段提馏段和一个再沸器，且共用的提馏段是在隔壁底部与塔底之间。图4-3给出了萃取精馏塔的原理示意图。图4-3 萃取隔壁塔原理示意图由于隔壁顶部左、右两侧被隔开，液相无法流入右侧，故隔壁顶部无液相分配比。隔壁底端的上升汽相被分割到隔壁两侧，此汽相分配比与塔顶塔底与公共精馏区顶部压力的压力差成比例，最终由隔壁位置决定。Aspen Plus流程模拟图如图4-4所示：图4-4 萃取精馏隔壁塔双塔模型工艺流程模拟综上所述，在原理上使用隔壁塔是可行的，因此采用隔壁塔进行设计，进料被萃取液共约379kmol/h，其中含218kmol/hVAc以及159kmol/h水，加入萃取剂甘油约210kmol/h。根据Aspen Plus模拟优化得到，主塔含27块理论塔板，萃取液从第15块板进料，萃取剂从第4块板进料。副塔含5块理论塔板，公共提馏区含10块理论塔板，左、右侧塔共用一段提馏段和一个再沸器。隔壁塔是将传统的两塔分离集中为一个塔，其具有以下优点：（1）能够大幅度降低整个流程的设备投资与操作费用，而且利用内部物质耦合及内部能量耦合等过程可以显著降低系统能耗，节约能源，提高系统的热力学效率。（2）隔壁塔巧妙地实现了两塔功能，进料侧相当于萃取分离塔，出料一侧相当于萃取剂回收塔，让两个塔中的能量在同一个塔中反复循环利用，极大地节省了能耗，同时还节省了冷凝器、再沸器以及管道的投资。（3）在分离三组分混合物时，在同样的理论板数和分离要求下，采用隔壁精馏塔要比常规的双塔精馏流程所需的能量明显降低。（4）隔壁塔尤其适合于热敏性组分的分离，这是因为在操作过程中物料只被加热一次，在塔釜中的停留时间相对较短。但萃取精馏隔壁塔也存在以下不足之处：（1）结构复杂，各区域之间通过耦合物流相互连接，自由度比简单塔明显增多，从而增加了其设计优化、操作和控制的难度，尤其是隔壁塔的控制问题。（2）隔壁板精馏塔并非适用于所有的精馏分离，其对分离纯度、进料组成、相对挥发度及塔的操作压力都有一定的要求：由于采用隔壁塔分离三组分混合物是在同一塔设备内完成，故整个分离过程的压力不能改变。4.2 旋风分离器从流化床本身操作而言，细粉的带出将破坏流化床内颗粒分布，影响流化质量；大量细颗粒的逸出又造成环境污染。所以气固分离装置是回收细颗粒的重要部件。本反应器采用内旋风分离器。PV型旋风分离器结构简单，其性能优于国外同类高效旋风分离器，已广泛用于国内各大炼厂的流化床催化裂化反应器和再生器中。长期以来,除美国DuPont公司开发出一种两级旋分器外，该反应器所用旋分器都是三级串联的。1998年，国内成功开发了一种新型两级旋分器，这是一项国外丙烯腈生产领域还没有的新技术。1999年4月，新型两级旋风分离器成功地用于齐鲁石化公司丙烯腈厂2.5万t/a扩能至4万t/a的技术改造中，运行良好。经比较分析，故本项目也采用该种PV型PV-E型串联组成的新型两级旋风分离器。图4-2 PV型旋风分离器示意图图4-3 PV-E型旋风分离器结构示意图关键的第二级使用的是结构独特的PV-E型旋风分离器。以标准旋风分离器的尺寸计算方法作为估算，切向进口速度ui取为12-18m/s较合适，此处取ui=13m/s，切向进口面积：Si=Vui=15135.213/360017=0.323m2旋风分离器直径：D=4S0.5=40.3233.140.5=0.64m实际切向进口速度：ui=4VD2=415135.213/36003.140.642=13.1m/s安装尺寸：h=D2=0.32m，B=D4=0.16m，D1=D2=0.32m，S=D8=0.08m，H1=2D=1.28m，H2=2D=1.28m，D2=D4=0.16m图4-4 安装尺寸图4.3 新型塔板在本工艺所有精馏塔中采用新型高效ADV高性能浮阀塔板，正是在F1型浮阀塔板的基础上，吸取其有利因素，并克服其缺点而开发的，在浮阀结构和塔板结构上有其独特之处，。运用新型塔板使鼓泡均匀细化，传质更加充分，减少了雾沫夹带，提高了传质效率；减弱了低负荷下部分浮阀关闭所引起的脉动现象，降低了总板压降；克服了F1型浮阀在阀孔中旋转、导致浮阀易磨损和脱落且不稳定的缺点，减弱或消除