Word2003版5、创新性说明

“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 I 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明书 1 目录目录 第一章第一章 原料利用方案创新原料利用方案创新.1 第二章第二章 产品结构方案创新产品结构方案创新.2 第三章第三章 工艺创新工艺创新.4 3.1 工艺创新 .4 3.2 反应技术创新 .5 3.2.1 天然气乙炔法.5 3.2.2 电石乙炔法.5 3.2.3 石油乙烯法.5 3.3 催化剂的创新 .7 3.4 气相阻聚的创新 .8 第四章第四章 设备创新设备创新.10 4.1 塔盘结构优化 .10 4.1.1 复合塔板的应用.10 4.1.2 新型塔盘浮阀的应用.10 4.2 反应器结构优化 .11 4.2.1 载热体导流筒.11 4.2.2 折流挡板.12 4.2.3 催化剂支撑装置.13 4.3 换热器传热优化 .14 4.3.1 防腐技术.14 4.3.2 高效传热管的应用.15 4.3.3 新型换热管箱结构的应用.17 4.4 输送设备创新 .18 4.4.1 节能屏蔽泵的应用.18 第五章第五章 分离技术创新分离技术创新.20 5.1 分子筛吸附脱水 .20 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 2 5.2 萃取精馏 .21 第六章第六章 自控模拟系统自控模拟系统.22 第七章第七章 节能降耗技术创新节能降耗技术创新.23 第八章第八章 环境保护创新环境保护创新.28 8.1 指导思想 .28 8.2 风险分析 .28 8.3 废水处理技术创新 .29 1生产废水处理.29 2生活废水处理.29 8.4 废气处理技术创新 .30 8.4.1 水膜除尘+活性炭吸附法：.30 8.4.2 新型废气处理装置.30 8.5 废渣处理技术创新 .31 1生产固废.31 2生活固废.31 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明书 1 第第1章章 原料利用方案创新原料利用方案创新 醋酸乙烯酯的传统生产原料主要有乙炔和乙烯两种。由于国内煤炭资源丰 富，价格低廉。因此，大部分生产厂家选择电石乙炔法生产醋酸乙烯酯。但是 电石乙炔法污染严重，不符合中国制造2025中提出的绿色发展2020年指标 ，加上能耗高，投资大，乙炔法被淘汰只是时间的问题。而乙烯法虽然污染小 ，能耗低，但在国内乙烯价格昂贵，甚至高于醋酸乙烯酯的价格，因此直接利 用乙烯生产醋酸乙烯酯在经济上不合理。 本项目创新性的使用总厂石油裂解等产生的炼厂干气，不同来源的炼厂气 其组成各异，通常含有8-20%的乙烯和10- 25%左右的乙烷，还有丙烯、丙烷等有用组分。项目采用中冷油吸收法分离出 所需原料乙烯，实现了资源再利用，降低了生产成本，提高了项目的市场竞争 力。 表表1-1 原料一览表原料一览表 项目规格年消耗量/吨来源运输方式 炼厂干气工业级266320天津石化管道运输 醋酸工业级122543天津石化车辆运输 氧气工业级230391空分系统管道运输 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 2 第第2章章 产品结构方案创新产品结构方案创新 近年来醋酸乙烯需求正在稳步提升，预计今后几年，世界醋酸乙烯的需求 量以年均2.6%的速度增长，到2020年需求量达到644.4万吨。其中，增长最快的 是东南亚地区，消费量的年均增长率达到5.8%；增长最慢的地区是西欧地区， 消费量的年均增长率只有0.3%。而国内醋酸乙烯酯市场虽已趋于饱和状态，但 我国每年仍需从国外大量进口高品质的醋酸乙烯酯，本项目生产的醋酸乙烯酯 纯度高达99.99%，建成投产后可以很好的补足国内高品质醋酸乙烯酯的市场缺 口，减少对进口的依赖情况。 本产品不仅在国内市场供应，部分产品还将销售到需求量大的国家或地区 ，如东南亚，东北亚等。扩宽了本产品的国际市场，抗风险能力显著增加。 综上所述，本项目用炼厂干气制醋酸乙烯酯符合市场发展的需求，符合我 国的国情，拉动地区经济增长。 表表2-1 醋酸乙烯酯进出口情况一览表醋酸乙烯酯进出口情况一览表 进口情况出口情况 年份 进口量/吨进口金额/万美元出口量/吨出口金额/万美元 2008254992.9332334.2912073.901325.70 2009256110.8419717.94228.6237.23 2010257669.8221636.6318248.291634.68 2011252420.4825165.7720544.762709.66 2012267000.1325432.107937.691350.85 2013295501.4027002.013444.27923.24 2014193025.2319889.16175142.7122470.50 2015177191.8915241.99123798.0911872.28 2016221819.0416086.64199396.8815860.19 2017229016.8219292.32154599.7212004.23 2018 256795.4823187.36152865.9614280.08 表表2-2 产品规格表产品规格表 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 3 醋酸乙烯酯 项目指标 纯度（wt%）99.84 品质优等品 水分 0.01 外观无色易挥发液体 数量/万吨15 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 4 第第3章章 工艺创新工艺创新 3.13.1 工艺创新工艺创新 炼厂气加工是石油炼厂的重要任务之一。若分离回收其中的乙烷和乙烯， 聚合级乙烯则可作为石油化工以及聚烯烃装置原料，乙烷可供乙烯装置作为裂 解原料。因此从炼厂干气中分离回收轻烃具有重大的经济效益和社会效益。 目前国内外从炼厂干气中回收聚合级乙烯的方法有变压吸附法、中冷油吸 收法和深冷分离法，虽然已取得一定成果，但都存在一些问题：变压吸附法设 备庞大，轻烃回收率不高，产品很难达到聚合級乙烯的要求；传统中冷油吸收 法乙烯收率低，能耗高；深冷分离法仅适用于干气量较大的情况，且流程复杂 ，能耗大，运行成本高。 由于本项目采用炼厂干气作为原料，故本项目采用了一种从炼厂干气中回 收聚合级乙烯工艺以解决上述问题，包括炼厂干气进行压缩、脱除酸性气体。 具体工艺如下： 1、所述脱碳四塔脱除干气中的C4及C4以上组分； 2、再在脱甲烷塔中用吸收剂将C2或C2+轻烃组分吸收下来，并用塔顶气在 膨胀机中膨胀作功获得的低温来冷凝塔顶气中的C2+组分； 3、在乙烯精馏塔内将被吸收的乙烯与吸收剂分离，塔釜出料的C2+组分作 为脱甲烷塔的吸收剂，塔顶气经冷凝节流膨胀系统得到低温的聚合級乙烯； 本工艺的积极效果是：工艺简单，乙烯回收率高、纯度达到聚合級；具有 非常宽广的操作范围，可保证干气中C2+组分含量变化时，系统能稳定操作；本 发明的前加氢、前脱碳四和中冷油吸收工艺，一方面清除了重碳四和碳五二烯 烃的聚合危险，另一方面整个工艺过程(除膨胀机)温度不低于- 70，且完全消除了氮氧化物和二烯烃，避免了两者在- 102形成确化树脂而带来的安全隐患；此外，本发明不需要乙烯制冷系统，采 用塔顶气在膨胀机中膨胀作功获得的的低温来冷凝塔顶气中的C2+组分，而且回 收了节流膨胀系统中的大量冷量，因此可降低系统的能耗，使运行成本降低， 而且能提高C2+组分的回收率。 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 5 3.23.2 反应反应技术创新技术创新 3.2.13.2.1 天然气乙炔法天然气乙炔法 以天然气为原料，部分氧化裂解制得乙炔，采用固定床反应器气相催化合 成酷酸乙烯酯，是由法国罗纳普朗克公司开发成功，并实现工业化生产。国 内四川川维引进有生产装置。 主要反应方程式如下： C2H2CH3COOHCH3COOCH=CH2 H=-118KJ/mol 反应条件：气相170250，在Zn(OAc)2催化剂作用下反应，乙炔的转化率 为6070%，乙炔的选择性为93%，醋酸的得选择性为99%。但因为该反应在我 国受天然气资源和水电资源的限制，存在生产成本太高和安全问题，使该反应 现在很少使用。 3.2.23.2.2 电石乙炔法电石乙炔法 电石乙炔法是用水与电石发生反应生成乙炔，采用沸腾床反应器气相催化 合成醋酸乙烯酯，是最早实现工业化的一种生产方法。国内有10家聚乙烯醇生 产厂采用电石乙炔法原料路线。该反应分为两个部分：第一部分在120140， FeCl3为催化剂下反应： 反应方程式为： CH3CHO+(CH3CO)2OCH3CH(OCOCH3)2 第二步是分解反应，在120，酸的催化下反应： 反应方程式为： CH3CH(OCOCH3)2CH3COOCH=CH2+CH3COOH 就技术本身而言，电石乙炔法存在着众所周知的环境污染问题，同时其能 耗较高，已不宜再建新厂。 3.2.33.2.3 石油乙烯法石油乙烯法 以石油裂解联产的乙烯为原料，和氧、醋酸蒸汽在贵金属Pd- Au(Pt)催化剂和100200、0.60.8MPa的条件下，在固定床反应器中反应，反 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 6 应产物经分离、精馏得到醋酸乙烯酯产品。乙烯法有液相法和气相法两种，其 中液相法所用氯化钯催化剂体系中含有氯离子，对设备有强烈的腐蚀性，装置 运转时间较短，目前已经被淘汰。 传统的乙烯法路线主要有Bayer法和USI法，两者都采用气相固定床工艺， 技术流程也很相似，它们的区别在Bayer法催化剂以Pd- Au为主体，硅胶为催化剂载体，反应压力为0.51.1MPa；而USI法催化剂以Pd- Pt为主体，采用- Al2O3为载体，反应压力为常压。由于Bayer法具有醋酸单程转化率高、催化剂 活性高、选择性好等优点，目前工业生产中大部分采用Bayer法。 目前，乙烯法由于具有副产物少，设备腐蚀性小，催化剂活性高，产品质 量好等优点而占主导地位。 主要反应方程式如下： C2H4CH3COOH1/2O2CH3COOCH=CH2H2O 主要副反应为： C2H4+3O22CO2+2H2O 现有技术中存在的问题是乙烯和醋酸的单程转化率低、反应的时空收率的 问题，提供一种乙烯气相氧化法酷酸乙烯的制备方法，该方法具有乙烯和醋酸 的单程转化率高、反应的时空收率较高的特点。 为解决上述技术问题，本项目采用的技术方案如下：一种乙烯气相氧化法 醋酸乙烯的制备方法，使原料混合气在140180C的温度和0.61.0MPa的压力 下在固定床立管式反应器中与催化剂床层接触进行反应得到含醋酸乙烯的反应 产物，所述原料混合气以摩尔比计组成为乙烯：醋酸：氧气=(7585)：(1020) ：(37)，所述催化剂以SiO2、A12O3或其混合物为载体，负载活性组分包括金 属钯、金属金、和碱金属醋酸盐，催化剂中钯的含量为310g/L、金的含量为1 5g/L、碱金属醋酸盐的含量为2050g/L，所述固定床立管式反应器包括位于反 应器中部的催化剂床层(1)以及原料混合气进料口(2)和反应产物出料口(3)所述混 合气进料口(2)与反应产物出料口(3)分别位于反应器高度方向的相对两端，在于 在催化剂床层高度的1/54/5处设置至少一个氧气补加口(4)，与所述氧气补加口( 4)相对应，在所述氧气补加口(4)上游附近设置在线分析口(5)，根据在线分析结 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 7 果通过所述氧气补加口(4)补加氧气维持氧气浓度以摩尔百分比计占反应混合气 组成的34%的技术方案，较好的解决了问题，可用于乙烯气相氧化法制备醋酸 乙烯的工业生产中。 图图3-1 固定床立管式反应器固定床立管式反应器 本项目采用新型的固定床立管式反应器，弥补了氧气在反应过程中发生的 消耗，大大的提高了乙烯和醋酸的单程转化率，有效地提高了反应的时空收率 和选择性。实验表明，相同条件下，采用本发明后乙烯的单程转化率高达8.2% ，醋酸的单程转化率高达52%，时空收率高达400g/L.hr，选择性高达94.5%，而 现有技术的乙烯的单程转化率仅为6.5%，醋酸的单程转化率仅为42%，时空收 率仅为360g/L.hr，选择性仅为93.7%，取得了较好的技术效果。 3.33.3 催化剂的催化剂的创新创新 乙烯气相法合成酷酸乙烯工艺自1968年实现工业化以来，已迅速发展成为 生产醋酸乙烯的首选工艺。对于乙烯气相法合成酷酸乙烯催化剂的研究，目前 国内外均十分活跃，且着重从载体、制备方法和活化能活性组份等方面进行。 CT-II型与Bayer-I型的Pd-Au活性层与外壁间距为0.2- 0.4mm，活性组分分布方式为蛋白型不均匀分布。KR-II、CT-II型催化剂的Pd- Au活性层与外壁间距为零，活性组分分布方式为蛋壳型不均匀分布。通过催化 剂载体形状的比较筛选，结合工业生产装置现状，在CTV- IV型催化剂的基础上，通过异形载体开发，适当提高催化剂活性组分的含量， “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 8 保持合适的钯金原子比，制成活性组份是蛋壳型分布的环柱型CTV- V醋酸乙烯催化剂，其性能较CTV- IV型催化剂有了明显的提升。催化剂各种规模制备样品的表征测试结果表明， CTV- V型催化剂物相结构稳定性好，制备工艺稳定、重现性好。在900毫升评价装置 上，CTV-V型催化剂的性能明显优于CTV- IV型，其中催化剂活性提高46%以上，同时催化剂选择性大于94%。 鉴于已成功开发基F蛋壳型CTV-V型醋酸乙烯催化剂，因此CTV- V新型醋酸乙烯催化剂仍采用活性组份星蛋壳形分布的醋酸乙烯崔化剂制备方 法。 3.43.4 气相阻聚的创新气相阻聚的创新 醋酸乙烯是世界上产量最大的50种化工原料之一。醋酸乙烯聚合或共聚得 到的合成高分子化合物，醋酸乙烯通过生产聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、缩醛树脂 等一系列衍生物，在涂料、合成纤维、皮革加工、土壤改良等领域得到了越来 越广泛的应用。 醋酸乙烯单体(VA)是一种容易发生聚合反应的化学中间体，也是许多聚合 物和乳液应用的组成成分之一。实验室数据显示，正常情况下保存的规格级醋 酸乙烯单体(VA)不会形成聚合物，但是经验证明，聚合引发剂很容易被引入体 系中，从而引发酷酸乙烯单体(VA)的聚合反应。正是由于该物质容易发生聚合 ，为防止失控的聚合事故的发生，应采取多种安全预防措施。失控的聚合反应 是指醋酸乙烯(VA)发生无法控制的聚合反应。在可控的状况下，醋酸乙烯单体( VA)会聚合形成酷酸乙烯聚合物，但是当自由基含量过高时，就会发生失控的 聚合反应。失控的酷酸乙烯聚合反应十分剧烈，产生的压力波动可达到40bar。 而多数储罐无法承受这些压力环境。 本项目提供一种新的醋酸乙烯气相阻聚方法。该方法用于醋酸乙烯气相阻 聚中，具有阻聚效果好、安全性较高的优点。方法如下：将置换气体通过进气 管线通入所述醋酸乙烯罐中，气体通过醋酸乙烯罐的呼吸阀或放空阀排出，待 置换到气相中O22000ppm后，维持储罐正压，或维持罐内压力平衡后关闭气相 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 9 出料管线：在储罐出料或卸料操作时，采用所述气体维持储罐正压：其中，所 述气体包括CO、H、CH、He、O2、CO、NO、NO、SO2、SO3中的至少一种， CO2、H、CH、He的含量不能同时为零，CO2、N、H、CH、He的含量之和小 于等于100%，且O21000ppm，CO5000ppm，N2O1000ppm，NO2000ppm， SO2200ppm，SO3200ppm。在该方案中，优选地，所述醋酸乙烯罐的温度为0 45C。 上述技术方案中，优选地，所述气体组成体积分数为CO：2080%，N2：1 070%，H2：3060%，CH4：050%，He：10100%，且O2500ppm，CO200 0ppm，N2O500ppm，NO1000pm，SO2100ppm，SO3100ppm。采用本技术 方案，醋酸乙烯装置储罐或者醋酸乙烯运输储罐中采用上述气体进行操作后， 将从根源上抑制聚合自由基的形成，取得了较好的技术效果。 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 10 第第4章章 设备创新设备创新 4.14.1 塔盘结构优化塔盘结构优化 4.1.14.1.1 复合塔板的应用复合塔板的应用 本项目涉及塔19座，其中板式塔14座，且多为浮阀塔，故应用一种导向孔 与F1浮阀组合的复合塔板。其为提供一种能够提高F1浮阀塔板的开孔率，同时 能够抑制鼓泡层的高度，提高传质效率的复合塔板。塔板本体上安装有多个F1 型浮阀，在F1型浮阀的空隙处开有作为斜吹式气体通道的导向孔或舌孔。这种 新型复合塔板在原有的F1浮阀塔板的基础上加适当导向孔或舌孔等气体通道， 提高了F1浮阀塔板的开孔率，同时，由于气流具有良好的推液作用，气体上升 斜切入液层，也起着横切和抑制鼓泡层高度的作用，可以有效避免F1浮阀板开 孔率增大后鼓泡层过高带来的各种弊端，能够降低塔的压降，具有更大的通量 。 图图4-1 复合塔板示意图复合塔板示意图 4.1.24.1.2 新型塔盘浮阀的应用新型塔盘浮阀的应用 本项目应用了一种新型浮阀，为一种塔盘浮阀，它包括圆形阀片，转轴和 阀脚，所述转轴的底部连接有阀脚。此浮阀通过圆形阀片底部连接有转轴，气 体进入塔盘浮阀后，促使浮阀发生旋转，旋转的浮阀起到了搅拌液体的作用， 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 11 使液体中的含气率比较均匀，提高传质效率，转轴中部设置有弹簧，塔盘浮阀 能随着气相负荷的不同而上下自由浮动，从而能适应不同气相负荷，圆形阀片 顶部设置有导向孔，部分气流经由导向孔进入间液层，解决了传统浮阀上端存 在传质死区的不足，圆形阀片边缘为向下倾斜的锯齿形边，使气体流出浮阀侧 边时被分割成许多股小气流，从而增加气液接触比面积，提高塔板传质效率。 图图4-2 新型浮阀示意图新型浮阀示意图 4.24.2 反应器结构优化反应器结构优化 乙烯气相法合成醋酸乙烯酯的反应是乙烯、醋酸与纯氧之间发生的强放热 氧化反应，反应放出的热量需要及时移走，否则会造成局部高温，不仅影响催 化剂和反应器使用情况，还会影响反应选择性及收率，选取的列管式固定床反 应器较适用此种较高温度情况。 在反应过程中，乙烯、醋酸与氧气在管内装填的环柱形CTV- 型催化剂存在下气固相催化生成醋酸乙烯酯，反应强放热由管间流体中压饱 和水移走，使反应维持恒温条件，同时考虑到反应器热点等问题，将对反应器 进行结构上的优化。 4.2.14.2.1 载热体导流筒载热体导流筒 为了降低入口流体的横向流速，消除流体诱发的管子振动；提高提高热交 换效率，有效避免热点局部高温等现象；降低载热体用量，减少装置的操作费 用，特在反应器上增设载热流体导流筒。 该结构优化措施引用了一种反应器结构优化方法。随着醋酸乙烯生产规模 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 12 的不断扩大，反应器直径不断增大，均匀、快速移去反应热就成为工程开放的 关键问题。此种优化方法针对存在大直径列管式固定床反应器壳程管间换热介 质流动不均匀，存在死区，导致反应器存在换热效率不高，径向温度分布不均 匀的缺点，从而导致醋酸乙烯的选择性和收率降低的问题，提供了一种用于乙 烯气相法生产醋酸乙烯反应器结构优化方法。 该方法主要是在原有反应器结构进行优化，在反应器上部及下部设置载热 体入口导流筒、载热体出口导流筒。通过设置带有大小不等均匀分布的导流孔 的载热流体进口导流筒，对进口载热流体均匀分流，从而实现载热流体通过小 孔均匀进入列管式固定床反应器壳程，减少壳程径向截面的流体分布不均匀程 度，提高反应器换热能力。同样，载热体出口导流筒通过大小不等均匀分布的 导流孔对出口载热体进行均匀合流，从而实现载热流体通过小孔均匀离开列管 式固定床反应器壳程。 图图4-3 反应器导流筒示意图反应器导流筒示意图 4.2.24.2.2 折流挡板折流挡板 为提高反应器的换热效率及起到支撑管束的需在反应器内设置折流挡板或 折流盘。 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 13 在此对折流板结构进行优化，增强反应体系的换热，从而提高醋酸乙烯的 选择性及收率。该固定床列管式反应器的折流板，包括两个环状折流板和一个 倒锥形折流盘，其结构优化在于折流板和折流盘沿反应管轴向交替排列；环状 折流板具有上开口和下开口，且上开口在水平方向的投影面积小于下开口在水 平方向的投影面积即上开口面积小于下开口。 倒锥形折流盘选用倒圆锥形，其侧面与底面之间的夹角为5，倒圆锥的上 底面与筒体横截面的面积比为0.7；折流板与折流盘上开有供反应管穿过的圆形 穿孔，与反应管间隙优选为2mm。 图图4-4 圆锥形折流盘及环形折流板圆锥形折流盘及环形折流板 4.2.34.2.3 催化剂支撑装置催化剂支撑装置 作为列管式固定床反应器，催化剂装填在管内，故需在反应管下端设置催 化剂支撑装置，故引用了一种催化剂支撑结构。传统的催化剂支托形式包括管 帽形式和弹簧式支托结构，这两种结构存在加工难度大，通气阻力大且安装工 作量等缺点。 这种催化剂支撑结构针对列管式固定床反应器采用孔网板支托结构，把整 个下管板伸出管板下端的反应管布管区分成若干个分区，每一个分区用一块上 面铺有金属丝网的薄孔板支托，薄孔板和金属丝网通过螺栓和管板固定，从而 形成一个整体的催化剂孔网板支托结构。这种结构避免了传统列管式固定床反 应器催化剂支托结构加工难度大，易松脱，安装及维修工作量大，管内通气阻 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 14 力大等问题，使催化剂的安装、更换更加方便快捷，提高了工作效率，同时降 低了后期维护、保养成本，安全可靠性高。再就是系统阻力降低，节能降耗明 显，适用于本项目中反应器尺寸较大而反应管内填料高度较高的反应器。 图图4-5 催化剂支撑装置示意图催化剂支撑装置示意图 4.34.3 换热器传热优化换热器传热优化 在化工企业投资建设中，换热设备的投资占据重要地位，一般约占设备总 投资的2040，且在化工企业日常运行周期内，换热器类设备损坏的百分比例 最高，远高于塔器、容器等设备损坏比例，故应用高效、节能的换热设备或是 完善对于换热设备的维护和检修是优化安全生产的保证，是提高企业经济的重 要途径之一。在此，从以下方面考虑换热器在传热方面以及防腐除垢方面的优 化。 4.3.14.3.1 防腐技术防腐技术 换热器大多都是用碳钢制造，而换热器中流动介质往往都是有腐蚀性的， 直接威胁管束及整个换热设备的使用寿命。目前，换热设备的防腐手段主要有 以下几种：一是涂层防腐；二是镀层防腐；三是电化学保护；四是渗层保护； 五是换热器本身选用耐蚀材质；六是热喷涂（HVFO）膜。 在此采用换热管束喷涂技术，低碳钢经化学喷涂之后，可以大幅度提高设 备的防腐能力，同时涂层均匀性好、附着力强、硬度高、抗磨性能优良。采用T H-901喷涂处理，TH- 901涂层是金属镀层，其传热系数与钢铁相近，不会降低传热效率。 以E0101为例，其管程为含酸性气体的富胺液，具有较强腐蚀性，而我们采 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 15 用的20号碳钢管耐腐蚀性较差。采用TH- 901涂层，管束采用管内灌涂、管外喷淋并经热处理的方法，其具有优异的耐温 （介质的长期工作温度200），耐水、酸、有机溶剂，耐含腐蚀性介质的工 业用水等性能。预计经TH- 901喷涂处理后，设备耐蚀性比先前至少提高46倍，而镀覆成本仅为碳钢管造 价的70%80%左右；且由于涂层是非晶结构，因此不但有防腐蚀性能，而且不 宜结垢。 4.3.24.3.2 高效传热管的应用高效传热管的应用 为了改善热交换器的性能，提高设备的紧凑型，适应大型化工装置的生产 工艺要求，发展高效强化传热技术势在必行。强化传热的方式多种多样，而针 对列管式换热器的核心换热元件 换热管的强化技术在诸多强化技术效果尤为显著，对换热器的强化主要指两个 方面：一方面是通过改良换热管的表面性能，使之更加符合传热机理的要求， 促进总传热系数的提高；另一方面是通过对管子形状的改造，同时扩大管内、 管外的有效传热面积，提高传热管性能。 1、波纹管、波纹管 波纹管是在普通换热管（光管）的基础上经特殊工艺加工而成的一种管内 外都有凹凸波形，既能强化管内也能强化管外的双面强化管。波纹管由于其特 殊的结构见下图4- 6，即其截面的周期性变化，使换热管内外流体处于规律性的扰动状态，流体在 管内周期性的能量积累与释放使整个内表面受到流体冲刷，由于冲刷良好，不 易形成污垢层，从而使换热系数得到提高。 简而言之，波纹管不仅具有换热面积大、流体阻力增加少、不易结垢、传 热效率高等优点，并且与传统换热管相比其等壁厚结构没有另外增加，故在部 分换热器中应用了此种强化传热管。 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 16 图图4-6 波纹管结构示意图波纹管结构示意图 2、高效螺纹管、高效螺纹管 螺纹管因其制造简单，传热性能及力学性能良好而广泛应用于化工领域。 这里采用一种新型高效螺纹管，其结构示意图如下图4- 7，它是一种交叉螺纹管，高效螺纹管由于交叉螺纹线使得壁面产生一定的宏观 变形，进而产生一个持续的湍流导致边界层减薄，管内螺旋线并没有使管内流 体产生螺旋流动。此种高效螺纹管交叉网格会导致湍流的持续局部扩展，从而 降低了边界层厚度，在交叉位置产生2个旋转方向相反的涡流，有利于增强传热 性能。其中螺旋角度=25，螺纹深度H=1mm，螺距L=12.20mm的交叉螺纹管 强化效果最好。螺纹管一般用于管内给热系数比管外给热系数大1倍以上的场合 ，故在满足此条件下都可以选用此种交叉螺纹管。 图图4-7 高效螺纹管结构示意图高效螺纹管结构示意图 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 17 图图4-8 高效螺纹管表面网络高效螺纹管表面网络 4.3.34.3.3 新型换热管箱结构的应用新型换热管箱结构的应用 管壳式换热器是一种通用的换热设备，工业中应用广泛，具有结构简单、 坚固耐用、造价低廉等特点，在换热设备中占据主导地位。但是，现有的管壳 式换热器中用于汇集换热管的管板与换热管之间都是直接采用刚性连接，在工 作时，换热管壁温与壳体壁温存在较大温差，会产生很大的温差应力，再与介 质压力产生的应力叠加起来，可能会造成换热管的弯曲或使换热管与管板连接 处发生泄漏，甚至会使换热管上的应力超过许用应力从而造成换热管从管板上 拉脱，容易发生安全生产事故。 本项目通过采用一种新型的换热器管箱结构，即其包括若干个换热管、用 于汇集换热管的管板、管箱、若干个支撑定位设备、以及一体成型的壳体和封 头，换热管、管板和管箱设置在壳体的内部，还包括波纹管，所述波纹管一端 与换热管的一端固定密封连接，所述波纹管另一端与管板的一侧固定密封连接 ，所述管板的另一侧与管箱固定密封连接，所述换热管通过波纹管与管箱连通 ，所述管箱通过支撑定位设备与壳体连接。支撑定位设备包括若干个支撑筋板 和与管箱匹配的抱箍，所述支撑筋板的一端固定连接在抱箍的外表面上，所述 支撑筋板的另一端设有T型凸起，所述壳体内表面设有轴向的滑道，所述滑道上 设有与T型凸起匹配的T型凹槽，所述T型凸起滑动连接在T型凹槽内，所述抱箍 可拆卸的连接在管箱上，保证管板2和管箱3可以进行轴向的自由膨胀或者收缩 的浮。 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 18 本项目通过采用实用新型的换热器管箱结构，通过在换热管的一端固定连 接波纹管，再通过波纹管与管板固定连接，利用波纹管吸换热器上的热变形力 以及介质压力产生的应力，从而防止了换热管的弯曲，避免了换热管和管板连 接处发生泄漏，保证了设备的安全可靠；通过设置密封装置，保证了管箱与壳 体之间的密封，并能实现管箱整体能沿轴向自由的浮动;通过将支撑定位设备设 计为滑动连接在壳体，保证管箱能沿轴向自由浮动。 图图4-9 新型管箱示意图新型管箱示意图 4.44.4 输送设备创新输送设备创新 4.4.14.4.1 节能屏蔽泵的应用节能屏蔽泵的应用 目前，广泛应用于石油、化工、轻工、医药工业等领域的屏蔽泵是由电动 机和泵组成一体的无泄漏泵，其主要特点是在电动机定子内表面和转子外表面 设置有屏蔽套，而且屏蔽套是不导磁材料，实际上加大了定子和转子间的非导 磁间隙；因而造成泵功耗增大，屏蔽式电动机与同功率同极数普通电动机相比 效率要低10个百分点，功率因数则更低。 本项目采用了一种新型的节能屏蔽泵，包括泵体、叶轮、转轴和高效节能 电动机，转轴的前部安装叶轮，转轴的后部安装高效节能电动机的转子组件， 所述转子组件包括转子铁心、转子屏蔽套和转子挡板;所述转子组件还包括永磁 体，在转子铁心内部开有永磁体槽，永磁体嵌入永磁体槽中，前后两端用转子 挡板固定。所述永磁体槽沿转子铁心的轴向开设并且前后贯通，永磁体充满整 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 19 个永磁体槽。永磁体槽共四条，四条永磁体槽对称于转轴设置在转子铁心内并 成矩形排列。且永磁体槽之间设有隔磁磁桥。永磁体由钕铁硼永磁材料制作而 成。永磁体的最大去磁工作点范围设置为所用钕铁硼永磁材料在最高工作温度 时退磁曲线拐点的110% 150%。 该种新型节能屏蔽泵，具有诸多优点，首先是磁路为径向结构，其次结构 简单、漏磁较少，由于空间的限制，必须采取特殊的隔磁方式，减小隔磁桥的 尺寸来增大磁阻，使漏磁减小，使用较少钕铁硼永磁体能够提供电动机所需的 气隙磁密。最后新型泵的整体效率提高，利用钕铁硼永磁材料，使电机效率高 、功率因数高及功率密度大、过载能力强，且温升低，噪声，长期高温运行时 可靠性高，无泄漏、防爆、耐蚀、防腐等特点，且可以在200下正常运行。 图图4-10 新型节能屏蔽泵结构示意图新型节能屏蔽泵结构示意图 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 20 第第5章章 分离技术创新分离技术创新 5.15.1 分子筛吸附脱水分子筛吸附脱水 干气除杂工段中，脱除原料气中酸性气体CO2、H2S后，混合气中含有8.6 的水分。水分会对后续乙烯精馏工段产生不良影响，应通过先进的分离技术将 醇后C4中的水分脱除，在考察了现有的脱水工艺后，我们选用分子筛脱水技术 来解决这一问题。 分子筛吸附脱水工艺在低水分、高温、高气体流速等苛刻条件下仍能保持 比其他固体吸附剂高的吸附容量，且技术发展快、应用广，其主要特点是：能 耗低，工艺适用范围较广；产品纯度高且可灵活调节；工艺流程简单，可实现 多种气体的分离；装置自动化程度高，操作方便；装置调节能力强，操作弹性 大；投资小，操作费用低，维护简单，检修时间少，开工率高；吸附剂使用周 期长，正常操作下吸附剂一般可以使用十年以上；环境效益好，除因原料气的 特性外，装置的运行不会造成新的环境污染。 本工艺原料处理量为37562.2kg/h(3740.1 Nm3/h)，规模较大，工业上一般采用三塔流程。在三塔流程中，两塔进行原料 吸附脱水的同时，另一塔进行吸附剂的再生、冷却，在一塔完成吸附过程后， 另一塔已经再生完成，可以进行吸附操作，此时进行切换，继续进行吸附脱水 操作。 塔流程的工艺过程如下： 表表5-1 两塔方案时间分配表两塔方案时间分配表 吸附塔0-8h8-16h16-24h 分子筛脱水塔1吸附阶段再生阶段吸附阶段 分子筛脱水塔2吸附阶段吸附阶段再生阶段 分子筛脱水塔3再生阶段吸附阶段吸附阶段 从上表可以看出，每个时间段都有两个塔处于吸附阶段，一个塔处于再生 阶段，通过控制系统实现三塔的合理切换，从而保证下游供气的连续性。 本工艺中两塔的控制与模拟流程图如下： 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 21 图图5-1 分子筛吸附脱水塔控制与模拟示意图分子筛吸附脱水塔控制与模拟示意图 5.25.2 萃取精馏萃取精馏 本工艺醋酸乙烯酯精制工段过程中的水在一般的工艺流程中难以脱除干净 ，对醋酸乙烯酯的纯度造成影响，从而影响产物醋酸乙烯酯的产率，在此种情 况下醋酸乙烯酯、水属难分离系统，使用普通的精馏塔的能耗大且达不到效果 。在本工艺中使用甘油萃取精馏塔（T- 0403）是在100KPa下分离醋酸乙烯酯与水，采用甘油作为萃取剂，因为水在甘 油中以任意比例互溶，然后通过分液，从而达到除水的预期效果，通过对溶剂 甘油进行回收，减少萃取剂的用量，从而节约成本，具体示意图如下： 图图5-2 萃取精馏模拟流程图萃取精馏模拟流程图 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 22 第第6章章 自控模拟系统自控模拟系统 本项目首先用Labview对控制系统进行自控模拟，通过Labview对塔温，塔 压等参数进行控制，模拟出一套最佳控制方案；然后采用DCS监视、控制和操 作，实现对整个流程进行集中控制。 图图6-1 控制前面板控制前面板 图图6-2 程序框图程序框图 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 23 第第7章章 节能节能降耗技术创新降耗技术创新 本工艺采用Aspen Energy Analyzer V9.0对全局进行了换热网络优化设计，通过夹点技术分析设计换热网络的计算 过程及比较方案，绘制了实施热集成技术前后的过程组合曲线图，分析了夹点 温度与节能综合经济效益，通过设计流股间换热，使得各工段间热量充分循环 利用，减轻了公用工程的压力，从而达到节能和节省投资的目的。 图图7-1 优化前总费用优化前总费用-最小传热温差关系曲线图最小传热温差关系曲线图 由图7- 1可以看出，传热温差为17时总费用最小，因此选取最小传热温差为17。在 此最小传热温差下的过程组合曲线见图7-2，总组合曲线如图7-3所示。 图图7-2 优化前过程过程组合曲线图优化前过程过程组合曲线图 “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 24 图图7-3 优化前的总组合曲线优化前的总组合曲线 通过流股间换热和换热网络的设计及优化以及使用热泵精馏节能技术等， 从而确定新的夹点。 图图7-4 优化后总费用优化后总费用-最小传热温差关系曲线图最小传热温差关系曲线图 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 25 图图7-5 优化后过程组合曲线图优化后过程组合曲线图 由优化前后的总费用- 最小传热温差关系曲线图和过程组合曲线图相比较可以看出，随着最小传热温 差的增大，总费用先减小后增大。选择总费用最小时的最小传热温差：14。 将最小传热温差设为14，可以得到热集成过程的能量目标： 图图7-6 优化后过程能量目标优化后过程能量目标 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，以便获得最为合理的换热网络。 在Aspen Energy Analyzer “东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛 26 V9.0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。 未优化前的换热网络： 图图7-7 优化前全流程换热网络优化前全流程换热网络 优化后的换热网络： 按照最小换热器台数原则，还可以去若干台换热器。当用多种公用工程换 热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如在使用冷却水 和制冷剂冷却时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂，而不使 用两种公用工程，以节省设备费用。 图图7-8 优化后的换热网络优化后的换热网络 年产15万吨醋酸乙烯酯项目-创新性说明 27 因此，可以看出全局优化换热网络为全工艺流程节约了大量的能量消耗， 并