科技学院-硫留馏2设计集07创新性说明

1、目录1. 工艺方案创新11.1 MVR 结晶工艺11.2MVR 结晶技术原理11.3MVR 蒸汽再压技术的应用22.CO2 超临界热泵技术应用. 42.1 热泵技术42.2 热泵技术工作原理42.3超临界热泵技术53.亚硫酸铵鼓泡氧化塔创新63.1 亚硫酸铵氧化塔设计63.2 新型专利的. 63.3 反应工艺条件73.4 反应器的传质传热84新型固液输送泵的. 114.1 技术背景. 114.2 工作原理. 114.3优势. 125.新型耐腐蚀换热管的. 135.1 传统换热管弊端135.2 换热管原理135.3 技术优势141. 工艺方案创新本项目的产品为利用未达到排放标准的含硫烟气运用氨法

2、脱硫的技术，年产 4.8 万吨硫酸铵和年产 12 万吨。产品结构稳定，增强了抗风险能力。本项目共分为四个工段，分别是二氧化硫捕集工段，亚硫酸铵氧化工段，MVR 结晶工段和1.1 MVR 结晶工艺MVR 结晶工艺在该项目过程中接受由上一工段来的硫酸铵溶液，经抽真空、预热后进入奥斯陆结晶器，含硫酸铵晶体的溶液进入离心设备进行固液分离，分离得到的硫酸铵进入捕集工段。干燥室干燥后装袋。母液一部分回流增加硫酸铵浓度，一部分回流至母液槽。由蒸发结晶器顶部出来的蒸汽经压缩机压缩后，与一部分生蒸汽混合后作为热源预热原料，达到节约生蒸汽目的。图 1-1 反应精馏塔模型1.2MVR 结晶技术原理MVR 结晶技术的

3、原理是溶液在一个降膜蒸发器里，通过物料循环泵在加热管内循环。初始蒸汽用新鲜蒸汽在管外给热，将溶液加热沸腾产生二次蒸汽，产生的二次蒸汽由涡轮增压风机吸入，经增压后，二次蒸汽温度提高，作为加热热源进入加热室循环蒸发。正常启动后，涡轮压缩机将二次蒸汽吸入，经增压后变为加热蒸汽，就这样源源不断进行循环蒸发。蒸发出的水分最终变成冷凝水排出多效蒸发过程中，蒸发器某一效的二次蒸汽不能直接作为本效热源，只能作为次效或次几效的热源。如作为本效热源必须额外给其能量，使其温度(压力)提高。蒸汽喷射泵只能压缩部分二次蒸汽，而 MVR 蒸发器则可压缩蒸发器中所有的二次蒸汽.从蒸发器出来的二次蒸汽，经压缩机压缩，压力、温

4、度升高，热焓增加，然后送到蒸发1器的加热室当作加热蒸汽使用，使料液维持沸腾状态，而加热蒸汽本身则冷凝成水。这样，原来要废弃的蒸汽就得到了充分的利用，回收了潜热，又提高了热效率，生蒸汽的经济性相当于多效蒸发的 30 效。为使蒸发装置的制造尽可能简单和操作方便，经常使用单效离心再压缩器，也可以是高压风机或透平压缩器。这些机器在 1：1.2 到 1：2 压缩比范围内其体积流量较高。对于低的蒸发速率，也可用活塞式压缩机、滑片压缩机或是螺杆压缩机。 蒸发设备紧凑，占地面积小、所需空间也小。又可省去冷却系统。对于需要扩建蒸发设备而供汽，供水能力，场地不够的现有工厂，特别是低温蒸发需要冷冻水冷凝的场合，可以

5、收到既节省投资又取得较好的节能效果。1.3MVR 蒸汽再压技术的应用对于硫酸铵结晶工段，普通的结晶技术一般为蒸发结晶，诱导结晶，大都存在能耗过高，所以本项目采用 MVR 蒸汽再压缩技术，以蒸发出来的蒸汽作为工作介质，经压缩机压缩提高蒸汽品位，作为热源利用蒸汽潜热预热原料，此技术除了第一次加入热介质后，不会再消耗其他能量，大大节约了能耗。图 1-2 三效蒸发技术对比了三效蒸发技术和MVR 结晶技术，可以发现MVR 结晶技术的优势，如下图所示：表 1-1MVR 蒸汽再压缩技术前后对比结果2采用热 MVR 蒸汽再压缩技术，虽然多一个压缩机，一个换热器，以及真空泵的能耗，但是任由一定的节能效果。可以将

6、需要冷凝的二次蒸汽通过压缩再次利用，以替代新鲜蒸汽，不但避免了使用新鲜蒸汽，而且彻底摒弃了冷却塔，大大降低了运行费用，真正做到了环保节能，节水，节约费用。具有结构紧凑，运行平稳，自动化程度高的特点。通过对比可以发现，经过本团队的在该工段创新使用 MVR 蒸汽压缩技术，节能效率达到 132%。3项目三效蒸发MVR 在压缩技术消耗蒸汽量 Kg/h6035.21500操作温度/10370操作压力/bar0.50.25压缩机负荷/kW/702总能耗/kW38621667.5节能132%2. CO2 超临界热泵技术应用本团队再设计时为充分利用过程中的热量，真正达到降低能耗，节约资源的目的，在二氧化碳捕集

7、工段应用超临界热泵技术。2.1 热泵技术热泵是一种制热装置，该装置以消耗少量电能或能为代价，将环境中蕴含的大量免费热能或生产过程中的无用低温废热变为满足用户要求的高温热能，热泵的工即热泵获得的有用热能总是大于所消耗的电能或能，而用燃烧加热或电加热等装置制热时，获得的热能一般小于所消耗的电能或的燃烧能，这是热泵与普通加热装置的根本区别，也是热泵制热最明显的优点。热泵按其工作原理可分为蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵、化学热泵、蒸汽喷射式热泵、热电热泵等。其中，蒸汽压缩式热泵也称为机械压缩式热泵，其主要特点是利用电或内燃机等动力机械驱动压缩机使工质在热泵中循环并发生状态变化，实现热泵的连续高效制热。2.

8、2 热泵技术工作原理热泵系统的工作原理与制冷系统的工作原理是一致的。要搞清楚热泵的工作原理，首先要懂得制冷系统的工作原理。制冷系统（压缩式制冷）一般由四部分组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为：低温低压的液态制冷剂（例如氟利昂），首先在蒸发器（例如空调室内机）里从高温热源（例如常温空气）吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气体在冷凝器内被低温热源（例如冷却水）冷却凝结成高压液体。再经节流元件（毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等）节流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制冷循环。热泵的性能一般用制冷系数（COP 性能系数）来评价。制冷系数的定

9、义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比。通常热泵的制冷系数为 3-4 左右，也就是说热泵能够将自身所需能量的 3 到 4 倍的热能从低温物体传送到高温物体。所以热泵实质上是一种热量装置，工作时它本身消耗很少一部分电能，却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取 4-7 倍于电能的装置，温度进行利用，这也是热泵节能的原因。欧美日都在竞相开发新型的热泵。据报导新型的热泵的制冷系数可 6 到 8。如果这一数值能够得到普及的话，这4意味着能源将得到更有效的利用。热泵的普及率也将得到惊人的提高。2.3超临界热泵技术在工段，塔所需要的温度较高，采用普通的工质的热泵循环会导致COP 较低，热泵效率不

10、高，但是本身就可以作为一种制冷工质，近年来由于二氧化碳作为天然工质，对环境无害性逐渐受到人们的重视。同时 C02 绝热指数大，因此压缩机排的临界温度很低，只有 311，因此二气温度较高，比较适合产生较高的温度。氧化碳循环必然在接近或超过临界点的区域运行，在超临界压力下具有比热大、导热系数高、动力黏度小的特点。由于工质的蒸发温度较高，所以整个热泵循环将为超临界C02 循环，因此可以用C02 热泵对流程的富液预热，并对解吸塔提供 105的高温热能。图 2-1超临界热泵技术由于工段需要大量的生蒸汽，故采用热泵技术以达到节能的目的，本厂有具有前热泵设计中可选用的循环工质有 HCFCS、副厂品二氧碳，并

11、且超临界HCS、 HFCS、天然工质、混合工质等几类。本文选取 C02 作为工质，这是由于 C02 作为天然制冷工质，除了对环境无害，还具有较高的绝热指数，较低的黏度，较好的传热性能等优点，因此能产生较高的温度，保证解吸所需高温热能。53. 亚硫酸铵鼓泡氧化塔创新传统的亚硫酸铵的氧化过程即是亚硫酸铵与氧气结合生成硫酸铵的过程，低浓度的亚硫酸铵较容易氧化，具有较高的氧化速率，但在亚硫酸铵或硫酸铵浓度较高的溶液中，亚硫酸铵的氧化速率较低，受浆液温度、值、比、气液接触面积、盐浓度、氧气溶解速率等多种因素影响。该项目在传统的亚硫酸铵鼓泡氧化塔引入了一项新型专利，改变了传统普通鼓泡塔氧化率低同时易出现返

12、混现象。3.1 亚硫酸铵氧化塔设计本团队在设计亚硫酸铵氧化塔之前，详细了解了亚硫酸铵的氧化过程的影响主要包括温度、pH、亚硫酸铵的初始浓度、空气流量，硫酸铵的初始浓度等几个方面。同时许多学者都得到了相对同样的结论，即亚硫酸铵的氧化率随其浓度的增大而降低，随着硫酸铵浓度，随氧气浓度，温度升高而提高，反应最适 pH 值在 5-8 之间。该反应器用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。反应器的类型多

13、种多样，按其结构来分大致可以分为管式、釜式、塔式、固定床和流化床等类型。每种反应器均有其自身的特点，选型时需要结合反应器的特性进行综合分析，做出合理选择，具体反应器类型及特征。3.2 新型专利的通过莫建松等人的专利 CN103212348A一种亚硫酸铵的氧化装置与工艺发明一种氧化高浓度亚酸铵的装置，控制反应物的pH 值在 7-8，反应器顶部压力控制在 0.01-0.3Mp，多孔板间距 2-5m，底部氧化风管距底部 30-60mm，氧化率可达 99.9%。6图 3-1 反应器结构简图1- 氧化反应器；2-氧化风机；3-多孔板；4-氧化风管；5-来料浆液管道；6-加氨管道；7-浆液排出泵；8-压力

14、表；9-空气控制阀。装置包括底部带有浆液排出泵的氧化槽，还包括与所述氧化槽顶部连通的加氨管道，氧化风管位于氧化槽下部，氧化槽内布置若干层的多孔板。将亚硫酸铵浆液送入浆液槽中，加氨水调节亚硫酸铵浆液的 Ph 值为 8，再从氧化槽的顶部送入氧化槽中，所述亚硫酸铵浆液从氧化槽的顶部缓慢流向氧化槽的底部，氧化空气经氧化风管射流成小气泡进入硫酸铵浆液中，再经多孔板破碎后与硫酸铵浆液接触进行氧化反应，氧化反应结束后由浆液排出泵泵出。本发明能快速氧化高浓度硫酸铵溶液中亚硫酸铵，降低硫酸铵回收成本，氧化过程中不存在氨逃逸和二氧化硫逃逸。3.3 反应工艺条件反应器温度：65进料温度：65 出料温度：65 进料浆

15、液 pH：8.2出料浆液 pH：6.8反应器反应压力：1.1bar氧气的进料压力：2.4bar氧气进料体积流量：1183.06m3/h液体进料体积流量：19.01 m3/h7反应器中的液体平均密度： L 1165.78 kg m ，液体的平均黏度：3.88875104 Pa s ，液体的平均表面张力：.007 N m ；反应器中气体的平LL，气体的黏度： G .21152 10 Pa s 。5均密度： G .2033 kgm 33.4 反应器的传质传热通过对比亚硫酸铵鼓泡氧化塔，发现传统鼓泡塔反应器内的传质过程中，一般气膜的传质阻力较小，可以忽略，而液膜传质的阻力的大小决定了传质速度的快慢。在

16、湍动区操作时，液体的扩散系数、液体性质、气泡当量比表面积以及气体表面张力等成为影响传质系数的主要。鼓泡床中由于气泡的运动，床层中的液体剧烈扰动。流体对换热器壁的传质系数比自然对流传热系数大 10 余倍之多，通常它不成为热交换中的主要阻力。本团队根据专利设计的亚硫酸铵鼓泡氧化塔，通过了应器器工艺校核，反应条件确定，反应体积估算完毕后，选用倪琼等人实验得到的宏观反应动力学，通过COMSOLMultiphysics化学反应工程模块对其进行拟合，模拟结果如下：图 3-2 亚硫酸铵氧化反应器浓度反应体积关系8图 3-3 亚硫酸铵氧化反应器浓度停留时间关系其中 A 为亚硫酸铵；B 为氧气；C 为硫酸铵。可

17、见在反应时间为 6 小时时，反应基本达到要求，继续延长时间，反应变化不大。由于在 COMSOL 的模拟过程中是以拟均相反应，无需在考虑反应反应床层中的气泡体积。反应器尺寸确定后，用 COMSOL 模拟了硫酸铵在反应器中的浓度变化，模拟结果如下：图 3-4 反应器中硫酸铵的浓度分布图9通过本团队的模拟结果显示，亚硫酸铵氧化鼓泡反应器设计合理，氧化率达到96.65%。详细设计见设备设计文档。104新型固液输送泵的4.1 技术背景目前市场上流水输送泵种类繁多。但能够通用一个种不同性质流体，如粘稠、易结晶、含固体杂质的泵不常见，对于流体输送不同流体和输送工艺通常要求采用不同类型的泵。如离心水泵、齿轮泵

18、等等，只能于一种或几种流体传输，当需要在不同场合和不同时段传输不同特性的流体时，如果实施更换泵，不仅需要准备许多不同泵而且更换也是非常难以实现。本团队经多方面研究，决定在 MVR 结晶车间采用新型固液输送泵来实现本项目的实现要求。4.2 工作原理这种固液混合物输送泵其特征在于：其包括分配器、混合装置、供料槽、主体安装、液体压强机壳、液体压强管道、散热装置、行路驱动系统、建模型运动输送、中控箱、马达驱动控制、压力输送管道拖拉机所诉主体安装架的一侧设有拖拉架。另一侧有要所述设有混合装置。所述主体安装架上安装有驱动器简和液体油罐。所述马达驱的上部设有控制系统。所述压力输送管，通过管道以后和装置相连接。所述供料槽前端安装有分派器。所述拖拉机下侧设有接地轮。图 4-1 固液输送泵结构图114.3优势通过本团队研究发现本实用新型