化工設計大賽作品創(chuàng)新性說明

福建聯(lián)合石化年產(chǎn)25萬噸丙烯項目目錄TOC\o"1-3"\h\u29838第１章反應器設計創(chuàng)新 3813第２章分離技術(shù)與節(jié)能降耗技術(shù)創(chuàng)新 75725第３章高效塔板的使用 1231823第４章高效催化劑的使用 135605第５章工藝路線創(chuàng)新 1410513第６章環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新 1518735第７章安全儀表系統(tǒng)SIS設計 18Polymath程序模擬與優(yōu)化如下（R201）：圖1-2Polymath模擬與優(yōu)化程序丙烯摩爾分率沿反應器徑向的變化：圖1-3丙烯摩爾分率沿反應器徑向的變化得到各反應器的尺寸如下：表1-2各反應器尺寸反應器位號氣體出口內(nèi)徑/mm反應器內(nèi)徑/mm催化劑床層厚度/mm催化劑床層長度/m材料R2011200240040060Cr18Ni9R2021200240034060Cr18Ni9R2031200240034060Cr18Ni9R2041200240042060Cr18Ni9經(jīng)過優(yōu)化的反應器模型可使丙烷的單程轉(zhuǎn)化率可達38%，丙烯總的選擇性可達90%，總的收率可達70%，年產(chǎn)可達25萬噸，滿足設計要求。經(jīng)過計算催化劑的結(jié)焦量是C=0.00195802gcoke/(molcat),這為實時監(jiān)測催化劑的失活程度及工業(yè)廢渣的量化提供了重要依據(jù)。結(jié)焦?jié)舛扔嬎愎剑篈spen中使用平推流反應器模擬移動床催化劑為小顆粒球形催化劑，易磨損，為達到年產(chǎn)量25萬噸，我們采用四臺串聯(lián)徑向移動床反應器，床層壓降小，返混小，故在Aspen中采用平推流反應器（PFR）模擬。圖1-4反應器的Aspen模擬分離技術(shù)與節(jié)能降耗技術(shù)創(chuàng)新熱泵精餾通過外加功將能量自低位傳至高位的系統(tǒng)成為熱泵系統(tǒng)。熱泵是以消耗一定量的機械功為代價，把低溫位熱能溫度提高到可以被利用的程度。由于所獲得的可利用能量遠遠超過輸入系統(tǒng)的能量，因而可以節(jié)能。本項目采用塔底液體閃蒸式熱泵精餾。塔底液體閃蒸式熱泵精餾是以塔底液體為工質(zhì)，塔底液體經(jīng)減壓閥減壓閃蒸降溫后，與塔頂氣相換熱、汽化，然后經(jīng)壓縮機壓縮到與塔底溫度、壓力相同的狀態(tài)后送入塔底，塔頂氣相冷凝后作為回流。圖2-1熱泵精餾模擬熱泵精餾沒有冷凝器和再沸器，其streams、泵和壓縮機的參數(shù)設置如下：圖2-2streams界面設置圖2-3泵的界面設置圖2-4壓縮機的界面設置圖2-5壓縮機計算結(jié)果由圖可知，壓縮機功率為9540.0671kW，效率為72%。塔底液體閃蒸式熱泵精餾的能耗主要由壓縮機的能耗以及冷卻器的冷公用工程。壓縮機功率為9540.0671kW，熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)為3.29，相當于消耗了31386.8208kW熱能，冷卻器冷耗為10214.5039kW。而普通精餾的熱耗為48031.4636kW，冷耗為48699.6565kW，所以節(jié)約熱耗34.65%，節(jié)約冷耗79.03%，并且減少了高品位冷劑的使用。換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化本項目利用夾點技術(shù)和AspenEnergyAnalyzer對全場換熱網(wǎng)絡進行設計與優(yōu)化。圖2-6未集成的換熱網(wǎng)絡公用工程用量如下：表2-1未集成的公用工程用量冷公用工程用量4.423×104KJ/s44.23MW熱公用工程用量6.816×104KJ/s68.16MW圖2-7集成后的換熱網(wǎng)絡公用工程用量如下：表2-2集成后的公用工程用量冷公用工程用量3.476×104KJ/s34.76MW熱公用工程用量6.124×104KJ/s61.24MW圖2-8節(jié)能效果分析高效塔板的使用所有板式塔均采用高效塔盤，為了簡化塔內(nèi)件的設計和降低設備投資費用，選用我校自主專利塔板CTST。圖3-1CTST立體傳質(zhì)塔板示意圖1.運行過程CTST立體傳質(zhì)塔板是一系列大通量高效噴射型塔板，該塔板是一種空間結(jié)構(gòu)塔板。氣體自板孔進入噴射罩中，在塔板板孔處形成縮流，在板孔附近形成低壓區(qū)，液體受罩體內(nèi)外壓差和板面液面高度靜壓強的作用自罩體底隙進入罩內(nèi)，氣液兩相在塔板空間充分接觸，經(jīng)歷了接觸、傳熱、傳質(zhì)的過程，采用并流噴射操作，有效控制返混，減少霧沫夾帶，從而既保證較高的傳質(zhì)效率，又大大提高氣液兩相的處理能力。2.CTST優(yōu)點(1)處理能力大，可達F1浮閥的150%~250%，空塔動能因子可達3.7m/s(kg/m3)0.5；(2)效率高：比F1浮閥塔高10%以上；(3)板壓降低：低于F1浮閥30%以上，可用于減壓場合；(4)操作彈性大：可達5.4~7.2；(5)具有消泡性能：適于處理易發(fā)泡物料；(6)具備抗堵塞能力：可處理含固體顆粒易自聚物料。圖3-2單板壓降與板孔動能因子關(guān)系比較高效催化劑的使用本項目采用UOP公司自主研發(fā)的Pt-Sn/Al2O3催化劑，工藝條件的控制指標如下表所示：表4-1反應催化劑詳情項目指標催化劑大小球形催化劑，dp=2mm空隙率0.4密度/(Kg/m3)3800反應溫度/℃550~650反應壓力/MPa0.1丙烷的轉(zhuǎn)化率為88%，丙烯的選擇性為90%。工藝路線創(chuàng)新采用先進的膜分離技術(shù)回收脫氫尾氣中的氫氣。本設計設置氫氣膜分離單元主要是考慮回收大部分脫氫尾氣中的氫氣，因為尾氣本身有一定的壓力，且經(jīng)過反應器后氫氣的量得到了增加，摩爾分率達到了57.6%，所以利用膜分離的方法回收氫氣能收到很好的經(jīng)濟性。本設計的氫氣膜分離單元示意如圖5-1。經(jīng)過反應工段脫氫尾氣送入氫氣膜分離裝置，回收95.8%純度達99.95%的氫氣一部分循環(huán)回反應工段用于稀釋劑，減少了新鮮氫氣的補充量，節(jié)省了生產(chǎn)成本；經(jīng)過跟福建能源公司聯(lián)系，剩下的氫氣可供給公交車作為新能源，按市價氫氣每噸1.65萬元為工廠創(chuàng)造收入約為1.72億元。非滲透氣進入選擇性加氫反應器繼續(xù)下一步的反應。74.7%的滲透氣送往反應工段作為氫氣稀釋劑25.3%的滲透氣送管道通往福州公共交通集團有限責任公司作為公交車新能源使用氫氣膜分離裝置74.7%的滲透氣送往反應工段作為氫氣稀釋劑25.3%的滲透氣送管道通往福州公共交通集團有限責任公司作為公交車新能源使用氫氣膜分離裝置57.6%的富氫氣體來自反應工段非滲透氣進入選擇性加氫反應器圖5-1氫氣的來源和去向環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新CO2的創(chuàng)新處理本項目通過使用小球藻來吸收處理燃燒產(chǎn)生的大量CO2。此工藝在流程上共分為兩個部分：培養(yǎng)和固碳。在培養(yǎng)體系中，捕集下來的二氧化碳和空氣混合，培養(yǎng)氣內(nèi)二氧化碳的濃度占20%，在培養(yǎng)體系內(nèi)，小球藻為半連續(xù)培養(yǎng)，使其從穩(wěn)定期過渡到指數(shù)增長期，反應器內(nèi)的小球藻濃度達到1g/L時，將小球藻連同培養(yǎng)液打入固碳塔1號。固碳體系，混合后的氣體中，二氧化碳所占濃度為45%，常壓通入固碳塔，并做氣體循環(huán)。同時料液導入與導出同樣做循環(huán)。固碳塔1號和2號的區(qū)別在于，1號內(nèi)利用的小球藻吸收濃度為1.5g/L—3g/L，而在2號內(nèi)小球藻的翻倍濃度是2.5g/L—5g/L。2號塔內(nèi)的小球藻在反應結(jié)束后，分離，導出產(chǎn)品。圖6-1CO2處理裝置圖工業(yè)廢水的創(chuàng)新處理本項目的廢水主要來源有采樣器冷卻水回水、精餾塔分離廢液、排放閃蒸罐排液，初期雨水等。污水中含有有機物、MDEA、S-等有害物質(zhì)，為了實現(xiàn)工業(yè)廢水零排放標準，我廠將新型生物膜技術(shù)（如下圖7-2）與我校自主研發(fā)的混鹽結(jié)晶分離提純技術(shù)進行處理。圖6-2生物膜反應器原理圖各功能槽的構(gòu)成及功能如下1）原水槽：首先將解析塔廢液裝入原水槽中，按照解析塔廢液與自來水的體積比為2:1的比例加入自來水降溫（廢液溫度120℃左右），然后加入少量絮凝劑并攪拌去除膠狀物質(zhì)，當有處理后的排放水排出后，用此排放水代替自來水進行降溫處理,調(diào)污水PH為中性。2）調(diào)整槽。經(jīng)過預處理后的污水按照一定的流量注入調(diào)整槽。在調(diào)整槽中將原水與少量種污泥混合并曝氣，對溶解性有機物進行污泥化處理。3）生物反應槽（設置固定濾床的槽）。生物反應槽共設置8個，其內(nèi)填充大量生物巢濾床系統(tǒng)（填充率約80%）。前3個生物反應槽中的生物巢球狀濾材的直徑為12.5cm（比表面積60m2/m3）中間3個生物反應槽中的生物巢球狀濾材的直徑為12.5cm（比表面積80m2/m3），最后2個生物反應槽中的生物巢球狀濾材的直徑為10cm（比表面積100m2/m3）。各反應槽均采用上部流入、下部流出的方式通過管道相互連通。反應槽內(nèi)重復進行厭氧消化和好氧處理，通過曝氣攪拌在同一槽內(nèi)生成好氧層和厭氧層。各槽的曝氣量和攪拌強度根據(jù)具體情況分別進行調(diào)整，維持各槽內(nèi)固定濾床和上部水層之間的氧化還原電位處于400mV左右。再通過各槽之間的上部水層和曝氣量的調(diào)整，維持各槽之間的氧化還原比為電位差值在100~300mV之間。經(jīng)過各種生物反應槽的連續(xù)處理，污水內(nèi)的懸浮固體（MLSS）質(zhì)量濃度不斷下降，到最終生物反應槽處，污水的MLSS的質(zhì)量濃度一般達到80mg/L以下。該實驗循環(huán)過程如下圖6-3所示：圖6-3實驗循環(huán)流程圖在生物處理過程中會伴隨著產(chǎn)生沼氣、硫化氫、氨氣等氣體，為實現(xiàn)零排放，將這些氣體返回廢水槽加堿中和得到混鹽進一步處理后將達到目的。經(jīng)生物處理過濾之后的含鹽水進入中水池，接著經(jīng)過膜濃縮使部分清水分離出來，含鹽水變?yōu)闈恹}水，此時利用我校自主研發(fā)的混鹽結(jié)晶分離提純技術(shù)，使各種鹽類分離結(jié)晶，成鹽可銷售，達到零排放。安全儀表系統(tǒng)SIS設計我們在常規(guī)的控制方案外采用一套獨立的安全儀表系統(tǒng)（SIS），對照安監(jiān)局文件，明確了本危險化工工藝的特點，確定了重點監(jiān)控的工藝參數(shù)，裝備和完善自動控制系統(tǒng)，大型和高度危險化工裝置按照推薦的控制方案裝備緊急停車系統(tǒng)，有效降低了生產(chǎn)工藝的安全風險?？刂品桨溉缦聢D：圖7-1丙烷脫氫制丙烯反應器SIS概念設計圖如上圖所示，在丙烷脫氫反應器出塔氣體管路上設計三個安全壓力高傳感器。正常操作中，能通過基本過程控制系統(tǒng)使出口管道壓力低于壓力安全高設定值，傳感器通過電纜將信號傳遞給安全邏輯控制器，安全邏輯控制器通過1oo2D系統(tǒng)（1oo2表示2選1的表決系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即兩個通道有一個健康操作即能完成所需的安全功能；D代表該邏輯控制器帶有診斷功能）對信號進行2oo3表決和診斷。完成后，輸出兩個信號，使電三通磁閥帶電，從而使進料管道上的關(guān)斷閥和加熱爐的燃料管道上的關(guān)斷閥打開，原料能正常加熱并進入反應器。當操作出現(xiàn)異常時，如反應器溫度飛升，靠基本過程控制系統(tǒng)無法使反應器溫度下降時，出塔氣體壓力升高，超過壓力安全高的設定值，信號傳遞給安全邏輯控制器，通過2oo3表決機制，如果確實有兩個壓力不正常，邏輯控制器輸出信號使三通電磁閥失電，從而使原料（丙烷、氫氣）進料關(guān)斷閥和