Word20033-创新性说明

镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 四川大学远航团队四川大学远航团队 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 四川大学远航团队四川大学远航团队 20162016 年年“东华科技东华科技- -陕鼓杯陕鼓杯” 第十届全国大学生化工设计竞赛第十届全国大学生化工设计竞赛 镇海炼化镇海炼化 1818万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 团队名称：团队名称：四川大学远航团队四川大学远航团队 指导老师：指导老师：党亚固、李赛党亚固、李赛 团队成员：团队成员：王超、曾文、陈缘、梁潇、李倩王超、曾文、陈缘、梁潇、李倩 完成时间：完成时间：20162016 年年 8 8 月月 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 1 / 21 目录目录 一、原料方案及其体系创新一、原料方案及其体系创新.1 1.1 原料方案原料方案.1 1.2 产品结构方案创新产品结构方案创新.1 二、清洁生产技术创新二、清洁生产技术创新.3 2.1TS-1 分子筛催化剂的应用分子筛催化剂的应用.3 2.2 三废资源化处理三废资源化处理.3 2.3 单产碳排放的减少单产碳排放的减少.4 三、反应技术及分离技术创新三、反应技术及分离技术创新.6 3.1 带有水蒸气稀释剂的丙烷脱氢工艺带有水蒸气稀释剂的丙烷脱氢工艺.6 3.2 变压吸附（变压吸附（PSA）.6 3.3 反应分离集成技术反应分离集成技术.7 四、过程节能技术创新四、过程节能技术创新.9 4.1 蒸汽透平蒸汽透平.9 4.2 热泵精馏热泵精馏.10 4.3 双效精馏双效精馏.12 4.4 中间再沸技术中间再沸技术.13 五、新型过程设备应用技术创新五、新型过程设备应用技术创新.16 5.1 环氧化板式反应器环氧化板式反应器.16 5.2 热管等温反应器热管等温反应器.17 5.3 新型塔板的运用新型塔板的运用.18 5.4 新型节能屏蔽泵新型节能屏蔽泵.19 5.5 新型可连续空载磁力泵新型可连续空载磁力泵.19 5.6 高效急冷废热锅炉的运用高效急冷废热锅炉的运用.20 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 1 / 21 一、原料方案及其体系创新一、原料方案及其体系创新 1.1 原料方案原料方案 本项目为镇海炼化 18 万吨/年丙烷资源化利用的新建项目，主要原料来自 中石化镇海炼化轻烃回收装置的 C3LPG 和气体分馏装置的精制碳三。经过对原 料方案的性能经济指标对比和总厂炼化装置目前生产能力，本项目采用较低丙 烷含量的 C3LPG（60%）和较高丙烷含量的精制碳三（92%）以 2.36:1 的质量 比例混合进料，既能充分利用不同装置的丙烷资源，又能保证本项目的产量达 标。原料结构见表 1-1。 表表 1-1 原料结构方案原料结构方案 原料名称原料名称主要组成与含量主要组成与含量用量（万吨用量（万吨/年）年）来源来源 C3H860.0% C4H810.7%C3LPG 粗品 C4H1023.0% 17.8 来自总厂 轻烃回收装置 C3H892.1% 精制碳三 C3H65.3% 7.6 来自总厂 气体分馏装置 本工艺流程以此实现了丙烷的资源化利用，增长了石油化工的产业链，符 合可持续发展战略，为国内炼化行业开启了一条低碳生产、高效创收的新方法 途径。 1.2 产品结构方案创新产品结构方案创新 本项目秉持着丙烷资源化利用和与总厂乃至园区产品体系有效融合的理念， 为了将取自轻烃回收装置的 C3LPG 和气体分馏装置的精制碳三充分利用，本项 目在产品结构方案上进行了调整与创新，详情见表 1-2。 表表 1-2 产品结构方案产品结构方案 产品名称产品名称产量（万吨产量（万吨/年）年）利用去向利用去向 环氧丙烷21.9去往下游聚酯产业链 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 2 / 21 丙二醇甲醚1.08去往下游硝基纤维产业 氢气0.70去往总厂加氢管网 本项目的产品结构多样，提高了原子利用率，实现充分资源化；同时产品 体系与总厂乃至园区集成，形成有效融合体系，即从炼化到下游聚酯产业链的 一体化。 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 3 / 21 二、清洁生产技术创新二、清洁生产技术创新 2.1TS-1 分子筛催化剂的应用分子筛催化剂的应用 环氧化反应选择具有沸石微孔结构的 TS-1 催化剂，以 SiO 为载体，Ti 为 活性中心，是一种具有 MFI 拓扑结构、骨架中含有钛原子的杂原子分子筛，其 具有与 ZSM-5 分子筛相同的孔道结构，结构如图 3-1 所示。其在催化转化反应 过程中，甲醇溶剂中的过氧化氢和丙烯反应只 生成环氧丙烷和水，原子利用率高。催化剂在 45、0.4MPa 下进行反应，反应条件温和、 活性高。催化剂主要成分为 SiO 与 Ti，基本 无毒、对环境友好、安全性高、能耗低，基本 不产生环境污染，符合绿色催化剂的生产工艺 运用。 图图 3-1 TS-1 催化剂骨架催化剂骨架 2.2 三废资源化处理三废资源化处理 本项目过程中会产生四种废水、三种废气、九种废固，其中可利用的轻组 分气体、重组分液体可循环至总厂再利用，甲醇废液、富氧气体可送至燃烧管 网利用，充分实现三废资源化利用，其具体利用如表 2-1 所示。 2-1 三废资源化利用情况三废资源化利用情况 有害物组成有害物组成序序 号号 三废三废 名称名称名称名称含量含量% 排放量排放量 t/h 排放排放 去向去向 处理处理 方法方法 CH3OH99.36 1甲醇废液 C4H10O0.32 0.02 送至总厂燃烧 管网 燃烧利用 C4H827.93 C4H1061.532 重组分 液体 C5H129.07 8.68 回总厂轻烃回 收装置 循环利用 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 4 / 21 C3H80.003 3冷凝水 C3H60.007 2.12送至凉水塔循环利用 CH418.82 C2H454.81 C2H616.1 4 轻组分气 体 C3H67.72. 1.53 送往总厂干气 回收装置 循环利用 CH458.76 C2H66.05 C3H615.51 5 轻组分气 体 C3H817.87 0.30 送往总厂干气 回收装置 循环利用 6富氧气体O299.320.53送至燃烧管网助燃 本项目废气充分利用，基本实现无排放，废液基本实现回收循环利用，其 中的含醚废水经过氧化分解处理后达标排放，包括催化剂废固均送至厂家回收 处理，生活废固送至园区统一处理，从而保证清洁生产。 2.3 单产碳排放的减少单产碳排放的减少 本项目在工艺流程中采用高效绿色的反应技术，丙烯环氧化工艺选择的是 Dow-BASF 公司的 HPPO 法，相比其他环氧化工艺，该工艺绿色环保，能耗较 传统工艺降低 30%45%，能有效减少单产碳排放。 本项目在丙烷脱氢工段采用天然气燃烧生成烟道气对脱氢反应加热，天然 气燃烧过程产生大量二氧化碳，项目选择将烟道尾气统一送至总厂对二氧化碳 回收捕集再利用，从而减少单产碳排放，其碳排放节能算表见表 2-2。 表表 2-2 单产碳排放节能算表单产碳排放节能算表 烟道尾气二氧化碳流率烟道尾气二氧化碳流率 （t/h） 产品环氧丙烷流率产品环氧丙烷流率 （t/h） 单产碳排放减少量单产碳排放减少量 （吨二氧化碳（吨二氧化碳/吨产品）吨产品） 10.8127.380.39 从上表可知，将烟道尾气中的二氧化碳回收捕集能够有效减少单产碳排放 量。 为了进一步节能降耗，本项目在采用热泵精馏、双效精馏、中间再沸器等 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 5 / 21 热集成技术对原工艺系统进行优化后，公用工程能耗显著降低，有效地减少了 每吨产品的碳排放量，具体节能减排情况见表 2-3。 表表 2-3 优化后节能减排信息表优化后节能减排信息表 项目项目热公用工程热公用工程/(kJ/h)冷公用工程冷公用工程/(kJ/h) 匹配前 1.4651091.339109 匹配后 7.4931085.936108 物流匹配节能百分率48.9%55.7% 能量优化量 1.461109kJ/h 每年碳排放减少量39.9 万吨标煤/年 每吨产品碳排放减少量1.82 吨标煤/吨产品 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 6 / 21 三、反应技术及分离技术创新三、反应技术及分离技术创新 3.1 带有水蒸气稀释剂的丙烷脱氢工艺带有水蒸气稀释剂的丙烷脱氢工艺 本项目丙烷脱氢反应所选用催化剂为 Pt/Sn-Al2O3，与 Catofin 工艺中的 Cr 系催化剂相比，Pt 系催化剂有着更好的催化活性且对环境友好。但 Pt 系催化剂 有着容易结焦失活、操作循环周期短的缺点，为了克服这一缺点，本项目在丙 烷原料中混入一股水蒸气一并送入丙烷脱氢反应器进行反应。与不添加稀释剂 的丙烷脱氢工艺相比，添加水蒸气作为稀释剂有着以下两方面的优点： （1）添加水蒸气作为稀释剂能够有效抑制 Pt 系催化剂的结焦速率，延长 反应循环周期时间； （2）添加水蒸气作为稀释剂能够适当降低原料丙烷的分压，丙烷脱氢是分 子数增加的反应，降低丙烷分压能够促进反应往正方向移动。 3.2 变压吸附（变压吸附（PSA） 本装置采用变压吸附技术（PSA） ，从氢气与轻质烷烃混合气中分离提纯氢 气。变换气在温度 25下进入变压吸附塔，在吸附塔中弱吸附质组分 H2从吸 附塔上部流出储罐以便后续利用；强吸附质组分 CH4等被吸附，通过逆放和抽 空等步骤解吸出来作为燃料使用。 本方案将主要含有 H2、CH4的轻组分气体规格如下表 3-1 所示。 表表 3-1 轻组分气体主要组成轻组分气体主要组成 图图 3-1 变压吸附模拟变压吸附模拟 该变压吸附过程采用装载 5A 分子筛的床层实现对富氢气体的提纯。利用 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 7 / 21 Aspen Adsorption 软件对变压吸附过程进行了模拟。模拟如图 3-1。通过变压吸 附模拟，调整各吸附步骤的循环时间和床层高度使床层出口气体达到较高的值， 最终出口的 H2的质量分率达到了 99.8%（摩尔分率 99.995%） 。结果如图 3-2。 具体操作过程详见附录五 变压吸附说明书 。 图图 3-2 变压吸附模拟结果变压吸附模拟结果 3.3 反应分离集成技术反应分离集成技术 图图 3-3 脱氧分解塔工艺流程脱氧分解塔工艺流程 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 8 / 21 本项目环氧丙烷合成工段中，经环氧化反应器（R0301）出口物流含有未 反应完全的双氧水与氧气。双氧水在高温、中性条件下不稳定，其存在不仅会 使生产系统产生安全隐患，同时作为杂质会影响主副产品的质量。为将双氧水 与氧气一并脱除，本项目利用了反应精馏技术并在脱氧分解塔（T0301）中得 到体现，其工艺流程图如图 3-3 所示。 从图 3-3 可知，反应器出口物流进入脱氧分解塔（T0301） ，该塔为填料塔 并装填有二氧化锰催化剂用于分解双氧水，双氧水分解产生的氧气与进塔物流 中的氧气一并通过精馏脱除。在脱氧分解塔（T0301）内部既存在双氧水的分 解反应，又存在对氧气的分离，由此实现反应分离集成技术的创新 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 9 / 21 四、过程节能技术创新四、过程节能技术创新 4.1 蒸汽透平蒸汽透平 经丙烷脱氢后的物流温度较高且含有有大量能量，本项目采用急冷废锅回 收大量高品位能量（产生 300，6.4MPa 的汽水混合物） 。这部分能量若能合 理利用，将会在一定程度降低生产装置的能耗与操作成本。在原有的丙烷脱氢 工艺（Oleflex，Catofin）中并未涉及到该类能量的融合与利用。为了合理地将 高品味能量利用并融入工艺体系中，本项目在原丙烷脱氢的工艺基础上进行改 进并对这部分高品味能量的利用进行了设计。 从急冷废热锅炉得到的汽水混合物分流后，一小股物流作为丙烷脱氢稀释 剂与原料混合后进入丙烷脱氢反应单元。大部分气液混合物在汽包内经由气液 分离后，饱和水蒸汽经过热后推动透平产电，经直接代替原有的电能供能方式。 工艺流程如图 2-1。 图图 4-1 蒸汽透平压缩做功流程示意图蒸汽透平压缩做功流程示意图 电耗节约结果与成本节约对比结果见表 2-1、表 2-2。 表表 4-1 全厂电力能耗对比算表全厂电力能耗对比算表 原工艺全厂电耗功率（kW） 采用蒸汽透平工艺 全厂电耗功率（kW） 电力能耗 节约百分比 15809.26781.357.1% 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 10 / 21 原工艺全厂 每年电耗（kWh） 采用蒸汽透平工艺 全厂每年电耗（kWh） 1.2651085.425107 表表 4-2 成本节约算表成本节约算表 透平发电量透平发电量 （kW） 年操作时间年操作时间 （小时（小时/年）年） 电价电价 （元（元/kW h） 节约成本节约成本 （万元（万元/年）年） 9027.980000.72777.9 从上表可知，采用高压蒸汽推动透平带动压缩机运转即能够极大地回收高 品味能量、大幅度降低电耗，又能节约大量的资金，降低每吨产品的能耗，具 有切实可观的经济效益。 4.2 热泵精馏热泵精馏 丙烷与丙烯物性非常接近，常规的精馏分离难度大、能耗高。现有分离丙 烷和丙烯的低压精馏法，设备投资和能耗都较大；而对于分离丙烷和丙烯的高 压精馏法，需要的更多的理论板数和较大的回流比。通过分析塔设备相关数据， 发现丙烯塔塔顶与塔底温差仅有 9.5，采用热泵精馏的节能优势便体现了出来。 热泵精馏是将塔顶的气相物料经压缩机加压升温后进入塔底再沸器，对塔 底物流进行加热，塔顶物流再经加压阀减压、辅助冷凝器冷却后进入回流罐。 热泵精馏工艺流程图见图 4-2。 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 11 / 21 图图 4-2 开式开式 B 型热泵精馏流程图型热泵精馏流程图 热泵精馏有着不同的形式，如：闭式热泵、开式热泵。在分离效果相同的 条件下，拟将开式 A 型热泵、开式 B 型热泵与普通精馏的能耗效果进行对比。 需要注意点是，机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数约 为 3.29；在经过相关计算后，具体对比结果见表 4-3。 表表 4-3 普通精馏与热泵精馏能耗对比算表普通精馏与热泵精馏能耗对比算表 热能能耗对比 （kW）操作方式操作方式 冷凝器再沸器 电能能耗对比 （kW） 总能耗对比 （kW） 采用热泵精馏 节能分率 普通精馏普通精馏4584447240 93084 开式开式 A 型型 热泵系统热泵系统 8331 97284033656.7% 开式开式 B 型型 热泵系统热泵系统 6150 75483098366.7% 将上述能耗与公用工程耗量结合，按冷却水 1 元/吨、175低压蒸汽 180 元/吨、250中压蒸汽 210 元/吨的价格对操作成本进行对比；可以得到操作成 本对比算表，如表 4-4 所示。 表表 4-4 普通精馏与热泵精馏操作成本对比算表普通精馏与热泵精馏操作成本对比算表 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 12 / 21 热能操作成本 （元/小时）操作方式操作方式 冷凝器再沸器 电能成本 （元/小时） 总操作成本 （元/小时） 操作成本 节能分率 普通精馏普通精馏395513966 17921 开式开式 A 型型 热泵系统热泵系统 719 6810752962.0% 开式开式 B 型型 热泵系统热泵系统 531 5284581567.6% 通过对比不难看出，使用热泵精馏能够有效地降低冷凝器与再沸器的热负 荷，减少公用工程耗量并降低生产操作成本。采用开式 B 型热泵精馏技术较开 式 A 型热泵精馏技术具有更好的节能效果；若按年生产时间 8000 小时计，每 年可节约操作成本 9685 万元人民币。可见利用热泵精馏分离丙烷丙烯具有很大 的发展前景与应用范围。 4.3 双效精馏双效精馏 在本项目环氧丙烷合成工段中涉及到大量甲醇与水的分离（T0306 甲醇回 收塔） ，使用普通精馏方式不仅能耗较高，同时塔内汽液两相流率较大不易于设 备的建造与操作控制。本项目在采用了双效精馏技术后，装置能耗与操作成本 皆有大幅度的下降，双效精馏工艺流程图见图 4-3。 图图 4-3 双效精馏流程图双效精馏流程图 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 13 / 21 将逆流双效精馏与普通精馏进行能耗对比；在经过相关计算后，具体对比 结果见表 4-5。 表表 4-5 普通精馏与双效精馏能耗对比算表普通精馏与双效精馏能耗对比算表 公用工程能耗对比（kW） 操作方式操作方式 冷凝器再沸器 普通精馏普通精馏109270112625 双效精馏双效精馏5459865610 节能分率节能分率50.0%41.7% 将上述能耗与公用工程耗量结合，按冷却水 1 元/吨、175低压蒸汽 180 元/吨、250中压蒸汽 210 元/吨的价格对操作成本进行对比；对操作成本进行 对比可以得到操作成本对比算表，如表 4-6 所示。 表表 4-6 普通精馏与双效精馏操作成本对比算表普通精馏与双效精馏操作成本对比算表 公用工程操作成本对比（元/小时） 操作方式操作方式 冷凝器再沸器 总操作成本对比 （元/小时） 普通精馏普通精馏94273586745294 双效精馏双效精馏47102089525605 双效精馏操作成本节约分率43.5% 通过对比不难看出，使用热泵精馏能够有效地降低冷凝器与再沸器的热负 荷，减少公用工程耗量并降低生产操作成本。若按年生产时间 8000 小时计，采 用双效精馏技术每年可节约操作成本 1.58 亿元人民币。可见利用热泵精馏分离 丙烷丙烯具有很大的发展前景与应用范围。 4.4 中间再沸技术中间再沸技术 本项目第三工段的 PM 回收塔，塔顶温度 142.6、塔底温度 171.7，该 塔温度分布图见图 4-4。 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 14 / 21 图图 4-4 PM 回收塔温度分布图回收塔温度分布图 从温度分布图可知该塔提馏段（第 11 至第 30 块塔板）温度分布不均匀。 虽然塔顶塔底温差仅有 29，但该温差使得塔顶物流需使用温度较高的 250 中压蒸汽加热；若能引入中间再沸技术，将能够使用温度较低、价格相对低廉 的 175低压蒸汽对物流进行加热，从而达到节约操作成本的目的。 本项目在采用了中间再沸技术后，设备投资与操作成本皆有大幅度的下降， 采用中间再沸器的精馏工艺流程图见图 2-5。 图图 4-5 中间再沸精馏流程图中间再沸精馏流程图 将引入中间再沸技术与普通精馏进行能耗对比；在经过相关计算后，具体 对比结果见表 4-7。 表表 4-7 普通精馏与引入中间再沸技术精馏能耗对比算表普通精馏与引入中间再沸技术精馏能耗对比算表 公用工程能耗对比（kW）公用工程用量对比（ton/hr） 操作方式操作方式 冷凝器再沸器中间冷却水 175低250中 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 15 / 21 再沸器压蒸汽压蒸汽 普通精馏普通精馏8238384781 7108 178 引入中间再沸引入中间再沸 技术精馏技术精馏 81844444163736570616693 将上述能耗与公用工程耗量结合，按冷却水 1 元/吨、175低压蒸汽 180 元/吨、250中压蒸汽 210 元/吨的价格对操作成本进行对比；经对比可以得到 操作成本对比算表，如表 4-8 所示。 表表 4-8 普通精馏与双效精馏操作成本对比算表普通精馏与双效精馏操作成本对比算表 公用工程操作成本对比（元/小 时） 操作方式操作方式 冷却水 175低 压蒸汽 250中 压蒸汽 总操作成本对比 （元/小时） 操作成 本节约 分率 普通精馏普通精馏7108 3738044488 引入中间再沸引入中间再沸 技术精馏技术精馏 7061118801593034871 21.6% 通过对比不难看出，引入中间再沸技术能够有效地降低塔底再沸器的热负 荷，减少高品味公用工程耗量并降低生产操作成本。若按年生产时间 8000 小时 计，采用双效精馏技术每年可节约操作成本 7694 万元人民币。 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 16 / 21 五、新型过程设备应用技术创新五、新型过程设备应用技术创新 5.1 环氧化板式反应器环氧化板式反应器 本项目中环氧化反应器采用的是工业板式反应器（专利：具有板式热交换 器的等温化学反应器，专利号 CN200980105341.2） ，所述反应器克服了管式反 应器催化剂装填量小，压降大，大规模生产需要多台并联的缺点，板式反应器 比管式反应器系统能耗降低 20%以上，设备投资降低约 25%，配套费用降低 15%以 上，以 20 万吨/年环氧丙烷规模为例，投资比同等规模技术降低 34 亿元。 图图 5-1 工业板式反应器内部剖面图工业板式反应器内部剖面图 图图 5-2 换热板组与冷管换热板组与冷管 1-反应器进口管，反应器进口管， 5-中心集液管，中心集液管，7-冷却介质进口，冷却介质进口，8-催化剂卸出管口，催化剂卸出管口，9-出汽管口出汽管口 14-反应器出口管，反应器出口管， 17-冷管进口，冷管进口，18-冷管出口，冷管出口，19-冷管出口分配器，冷管出口分配器，20-外分布筒外分布筒 21-冷管进口分配器，冷管进口分配器，22-主分配管，主分配管，23-换热板组分配管，换热板组分配管，24-换热板组，换热板组，25-板翅板翅 26-冷管出水管，冷管出水管，27-冷管横截面，冷管横截面，28-换热板出汽管，换热板出汽管，29-冷管，冷管，30-换热板，换热板，31-紧固箍紧固箍 32-反应器壳体，反应器壳体，33-换热板组水汽收集管，换热板组水汽收集管，34-环形筋板环形筋板 本项目设计的板式反应器克服了现有管式反应器内部换热结构存在的管式 换热系数低，难以实现传热强化，冷热流非全逆流换热，即有效传热温差小， 体积大，安装维修不方便，耗材多，造价高，以及平均反应温度较低，导致加 氢反应速率低，催化剂耗量大，投资大等问题和缺点，适合于大规模的生产。 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 17 / 21 图图 5-3 板式板式 C3H6浓度分布浓度分布 图图 5-4 板式板式 PO 浓度分布浓度分布 图图 5-5 管式管式 C3H6浓度分布浓度分布 图图 5-6 管式管式 PO 浓度分布浓度分布 本团队以环氧化反应器为例，分别设计了不同尺寸的列管式固定床反应器 和板式反应器，最终通过 COMSOL Multiphysics 5.1 模拟结果得出板式和管式 反应器的情况。板式反应器较之管式反应器更容易实现等温，且 C3H6转化率 和 PO 收率更高。板式液固相催化反应装置，增大了腔内传热系数，强化了传热， 因此大大降低了热点温度，同时大大增加了催化剂利用系数，大幅降低了设备运行 阻力并提高装置的生产能力。 5.2 热管等温反应器热管等温反应器 本项目丙烷脱氢反应器采用的是热管等温反应器（文献：热管反应器等温 性能的研究） ，能在现有的多段绝热固定床的基础上提高丙烷的转化率，即能使 多段绝热转化率 34%的基础上在等温反应器中提高到 38%。 丙烷脱氢反应时一个强吸热反应，设计合理的反应器结构是控制反应器等 温的关键。本项目的等温反应器采用的是内部填埋热管的间接加热方式，热管 均匀排列在等温固定床层中，采用烟道气加热热管壳层的碱金属，使之发生相 变稳定传热，保持催化剂床层温度分布均匀，同时控制烟道气流量使其达到等 温的目的。 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 18 / 21 其排列方式大致如图 5-7。7 根管均匀排布在管内，中心管和其余 6 根管围 绕中心排布，保证排布合理和温度分布均匀。 图图 5-7 热管在反应器中的排列热管在反应器中的排列 5.3 新型塔板的运用新型塔板的运用 本项目在脱重塔中采用新型高效 3D 圆阀塔板 （专利：浮阀鼓泡器，专利号 ZL01265985.1） ，将 3D 圆阀周边设计成锯齿状的下凹导流片结构，使 气液接触周长比同样开孔面积的 F1 浮阀周长增 加为了减少阀顶的传质死区，3D 圆阀中央向下 开出 3 个鼓泡口，鼓泡口连着下凹的导向片，结构 如图 5-8 所示。 图图 5-8 3D 圆阀塔板圆阀塔板 结构示意图结构示意图 特点：（1）圆阀周边的下凹导流片和圆阀顶端开设的下凹导向片使上升的 气流从多个方位进入液层，形成了一个分层次多方位的鼓泡立体传质模型，使 鼓泡均匀细化，传质更加充分，提高了传质效率；（2）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；（3）阀孔的特殊设计使 3D 圆阀 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等； （4）在塔板的弓形区域合适的方向布置该阀，通过阀的顺流导向，可以减弱或 消除塔盘弓形区域的涡流和滞流死区；（5）阀顶导向片和周边区域的导流片的 低位设计，使从阀顶鼓泡口和周边导流片的缝隙斜向鼓出的气泡通过板上液层 的距离加大，气液两相接触时间增长，从而气液两相传质更加充分，也减少了 镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用项目万吨丙烷资源化利用项目 创新性说明创新性说明 四川大学远航团队四川大学远航团队 19 / 21 雾沫夹带。 因此，在此处采用新型高效 3D 圆阀塔板能极大地提高传质效率，加强塔 的分离能力。 5.4 新型节能屏蔽泵新型节能屏蔽泵 为了贯彻绿色节能的理念，本项目所使用的泵采用了新型节能屏蔽泵，其 数目约占总泵数的 2/3，该系列泵由上海佰诺泵阀有限公司生产，从而替代了以 往高耗能的常规屏蔽泵产品。 常规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。而该系列泵相比常规屏蔽泵而言其整体效率显著提高，其利 用哈氏合金、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，噪声小，长期高温运行时可靠性高，无泄漏、防爆、耐 腐蚀等特点，且可以在 200下稳定运行。 下面以 G50-32-9NY，Q50，H32，N7.5KW 屏蔽泵为例，其能耗节约结果 与成本节约对比结果见表 5-1、表 5-2： 表表 5-1 节能泵与常规泵能耗对比表节能泵与常规泵能耗对比表 名称名称 电机效电机效 率率 功率因功率因 素素 额定电流额定电流 （A） 额定有功功率额定有功功率 （kWh） 电力能耗电力能耗 节约比节约比 常规屏蔽泵74%0.8318.5A10.1 节能屏蔽泵92.80%0.9812.5A8.06 20.2%