年產(chǎn)25萬(wàn)噸丙烯項(xiàng)目化工設(shè)計(jì)

1、. 石化年產(chǎn)25萬(wàn)噸丙烯項(xiàng)目目錄第 章 反應(yīng)器設(shè)計(jì)創(chuàng)新1第 章 分離技術(shù)與節(jié)能降耗技術(shù)創(chuàng)新6第 章 高效塔板的使用11第 章 高效催化劑的使用12第 章 工藝路線創(chuàng)新13第 章 環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新14第 章 安全儀表系統(tǒng)SIS設(shè)計(jì)17第 章 反應(yīng)器設(shè)計(jì)創(chuàng)新通過(guò)六個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了丙烷脫氫反應(yīng)器從無(wú)到有的完整設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路如下：圖1-1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)思路其中，反應(yīng)器模擬模型的構(gòu)建是通過(guò)Polymath實(shí)現(xiàn)的。1. 以目標(biāo)產(chǎn)物丙烯的摩爾分率作為分析變量 丙烷脫氫的主副反應(yīng)如下：主反應(yīng)： C3H8C3H6+H2 Hr=116.0754KJ/mol副反應(yīng)： C3H8C2H4+CH4 Hr=75.8671KJ/mo

2、l C2H4+H2C2H6 Hr=-136.98KJ/mol C3H8+H2C2H2+C+4H2 Hr=330.595KJ/mol 可以看出，丙烷脫氫是一系列的平行連串反應(yīng)。對(duì)于復(fù)合反應(yīng)，我們不能單純的考慮關(guān)鍵反應(yīng)物丙烷的轉(zhuǎn)化率，也要關(guān)注目標(biāo)產(chǎn)物丙烯的選擇性和收率。所以本次設(shè)計(jì)以目標(biāo)產(chǎn)物丙烯在混合氣體中的摩爾分率為分析變量，分別找到丙烷和丙烯的最優(yōu)轉(zhuǎn)化率和選擇性。2. 催化劑結(jié)焦 本項(xiàng)目采用UOP公司的Oleflex生產(chǎn)工藝，裝置為絕熱式徑向移動(dòng)床反應(yīng)器，催化劑是該公司自主研發(fā)高活性、高選擇性的Pt-Sn/Al2O3。由于反應(yīng)條件是高溫，會(huì)導(dǎo)致丙烷深度脫氫，并且在高溫下C-C鍵裂解反應(yīng)在熱力學(xué)

3、上比C-H鍵裂解更有利，這也加劇了碳（C）在催化劑表面沉積導(dǎo)致Pt-Sn/Al2O3催化劑失活。本次設(shè)計(jì)采用張新平丙烷脫氫氧化制丙烯過(guò)程的模型化與優(yōu)化的動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)，考慮結(jié)焦量對(duì)反應(yīng)速率的影響，通過(guò)Polymath對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行模擬和優(yōu)化，最終得到合適的反應(yīng)器尺寸。結(jié)焦動(dòng)力學(xué)方程摘錄如下： C=Cm+CM CM=k2c*t 部分動(dòng)力學(xué)參數(shù)如下：表1-1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)表Polymath程序模擬與優(yōu)化如下（R201）：圖1-2 Polymath模擬與優(yōu)化程序丙烯摩爾分率沿反應(yīng)器徑向的變化：圖1-3 丙烯摩爾分率沿反應(yīng)器徑向的變化得到各反應(yīng)器的尺寸如下： 表1-2 各反應(yīng)器尺寸反應(yīng)器位號(hào)氣體出口內(nèi)徑

4、/mm反應(yīng)器內(nèi)徑/mm催化劑床層厚度/mm催化劑床層長(zhǎng)度/m材料R201 1200 2400 400 6 0Cr18Ni9R202 1200 2400 340 6 0Cr18Ni9R203 1200 2400 340 6 0Cr18Ni9R204 1200 2400 420 6 0Cr18Ni9 經(jīng)過(guò)優(yōu)化的反應(yīng)器模型可使丙烷的單程轉(zhuǎn)化率可達(dá)38%，丙烯總的選擇性可達(dá)90%，總的收率可達(dá)70%，年產(chǎn)可達(dá)25萬(wàn)噸，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算催化劑的結(jié)焦量是C=0.00195802gcoke/(molcat),這為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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?jì)算公式：3. Aspe

5、n中使用平推流反應(yīng)器模擬移動(dòng)床 催化劑為小顆粒球形催化劑，易磨損，為達(dá)到年產(chǎn)量25萬(wàn)噸，我們采用四臺(tái)串聯(lián)徑向移動(dòng)床反應(yīng)器，床層壓降小，返混小，故在Aspen中采用平推流反應(yīng)器（PFR）模擬。圖1-4 反應(yīng)器的Aspen模擬第 章 分離技術(shù)與節(jié)能降耗技術(shù)創(chuàng)新1. 熱泵精餾通過(guò)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(jī)械功為代價(jià)，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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)輸入系統(tǒng)的能量，因而可以節(jié)能。本項(xiàng)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(jī)壓縮

6、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(méi)有冷凝器和再沸器，其streams、泵和壓縮機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下：圖2-2 streams界面設(shè)置圖2-3 泵的界面設(shè)置圖2-4 壓縮機(jī)的界面設(shè)置圖2-5 壓縮機(jī)計(jì)算結(jié)果由圖可知，壓縮機(jī)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(jī)的能耗以及冷卻器的冷公用工程。壓縮機(jī)功率為9540.0671kW，熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)為3.29，相當(dāng)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48699.656

7、5kW，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。2. 換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化 本項(xiàng)目利用夾點(diǎn)技術(shù)和Aspen Energy Analyzer對(duì)全場(chǎng)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。圖2-6 未集成的換熱網(wǎng)絡(luò)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(luò)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/s61.24M

8、W圖2-8 節(jié)能效果分析第 章 高效塔板的使用所有板式塔均采用高效塔盤，為了簡(jiǎn)化塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)和降低設(shè)備投資費(fèi)用，選用我校自主專利塔板CTST。圖3-1 CTST立體傳質(zhì)塔板示意圖1.運(yùn)行過(guò)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(jìn)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(qiáng)的作用自罩體底隙進(jìn)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(guò)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(diǎn)(1) 處理能力大，可達(dá)

9、F1浮閥的150%250%，空塔動(dòng)能因子可達(dá)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(chǎng)合；(4) 操作彈性大：可達(dá)5.47.2；(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(dòng)能因子關(guān)系比較第 章 高效催化劑的使用本項(xiàng)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(biāo)如下表所示：表4-1 反應(yīng)催化劑詳情項(xiàng)目指標(biāo)催化劑大小球形催化劑，dp=2mm空隙率0.4密度/(Kg/m3)3800反應(yīng)溫度/550650反應(yīng)壓力

10、/MPa0.1丙烷的轉(zhuǎn)化率為88%，丙烯的選擇性為90%。第 章 工藝路線創(chuàng)新采用先進(jìn)的膜分離技術(shù)回收脫氫尾氣中的氫氣。本設(shè)計(jì)設(shè)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?yàn)槲矚獗旧碛幸欢ǖ膲毫Γ医?jīng)過(guò)反應(yīng)器后氫氣的量得到了增加，摩爾分率達(dá)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(jì)性。本設(shè)計(jì)的氫氣膜分離單元示意如圖5-1。經(jīng)過(guò)反應(yīng)工段脫氫尾氣送入氫氣膜分離裝置，回收95.8%純度達(dá)99.95%的氫氣一部分循環(huán)回反應(yīng)工段用于稀釋劑，減少了新鮮氫氣的補(bǔ)充量，節(jié)省了生產(chǎn)成本；經(jīng)過(guò)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(jià)氫氣每噸1.65萬(wàn)元為工廠創(chuàng)造收

11、入約為1.72億元。非滲透氣進(jìn)入選擇性加氫反應(yīng)器繼續(xù)下一步的反應(yīng)。74.7%的滲透氣送往反應(yīng)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(tuán)有限責(zé)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(lái)自反應(yīng)工段非滲透氣進(jìn)入選擇性加氫反應(yīng)器圖5-1 氫氣的來(lái)源和去向第 章 環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新1. CO2的創(chuàng)新處理 本項(xiàng)目通過(guò)使用小球藻來(lái)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(gè)部分：培養(yǎng)和固碳。在培養(yǎng)體系中，捕集下來(lái)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(guò)渡到指數(shù)增長(zhǎng)期，反應(yīng)器內(nèi)的小球藻濃度達(dá)到1g/L時(shí)

12、，將小球藻連同培養(yǎng)液打入固碳塔1號(hào)。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(shí)料液導(dǎo)入與導(dǎo)出同樣做循環(huán)。固碳塔1號(hào)和2號(hào)的區(qū)別在于，1號(hào)內(nèi)利用的小球藻吸收濃度為1.5g/L3g/L，而在2號(hào)內(nèi)小球藻的翻倍濃度是2.5g/L5g/L。2號(hào)塔內(nèi)的小球藻在反應(yīng)結(jié)束后，分離，導(dǎo)出產(chǎn)品。圖6-1 CO2處理裝置圖2. 工業(yè)廢水的創(chuàng)新處理本項(xiàng)目的廢水主要來(lái)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(jī)物、MDEA、S-等有害物質(zhì)，為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水零排放標(biāo)準(zhǔn)，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)

13、進(jìn)行處理。 圖6-2 生物膜反應(yīng)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(lái)水的體積比為2:1的比例加入自來(lái)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(dāng)有處理后的排放水排出后，用此排放水代替自來(lái)水進(jìn)行降溫處理,調(diào)污水PH為中性。2）調(diào)整槽。經(jīng)過(guò)預(yù)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(duì)溶解性有機(jī)物進(jìn)行污泥化處理。3）生物反應(yīng)槽（設(shè)置固定濾床的槽）。生物反應(yīng)槽共設(shè)置8個(gè)，其內(nèi)填充大量生物巢濾床系統(tǒng)（填充率約80%）。前3個(gè)生物反應(yīng)槽中的生物巢球狀濾材的直徑為12.5cm（比表面積6

14、0m2/m3）中間3個(gè)生物反應(yīng)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(gè)生物反應(yīng)槽中的生物巢球狀濾材的直徑為10cm（比表面積100m2/m3）。各反應(yīng)槽均采用上部流入、下部流出的方式通過(guò)管道相互連通。反應(yīng)槽內(nèi)重復(fù)進(jìn)行厭氧消化和好氧處理，通過(guò)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(qiáng)度根據(jù)具體情況分別進(jìn)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(guò)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100300mV之間。經(jīng)過(guò)各種生物反應(yīng)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

15、，到最終生物反應(yīng)槽處，污水的MLSS的質(zhì)量濃度一般達(dá)到80mg/L以下。該實(shí)驗(yàn)循環(huán)過(guò)程如下圖6-3所示：圖6-3 實(shí)驗(yàn)循環(huán)流程圖在生物處理過(guò)程中會(huì)伴隨著產(chǎn)生沼氣、硫化氫、氨氣等氣體，為實(shí)現(xiàn)零排放，將這些氣體返回廢水槽加堿中和得到混鹽進(jìn)一步處理后將達(dá)到目的。經(jīng)生物處理過(guò)濾之后的含鹽水進(jìn)入中水池，接著經(jīng)過(guò)膜濃縮使部分清水分離出來(lái)，含鹽水變?yōu)闈恹}水，此時(shí)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(dá)到零排放。第 章 安全儀表系統(tǒng)SIS設(shè)計(jì)我們?cè)诔Ｒ?guī)的控制方案外采用一套獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS），對(duì)照安監(jiān)局文件，明確了本危險(xiǎn)化工工藝的特點(diǎn)，確定了重點(diǎn)監(jiān)控的工藝參數(shù)，裝備和

16、完善自動(dòng)控制系統(tǒng)，大型和高度危險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)?？刂品桨溉缦聢D：圖7-1 丙烷脫氫制丙烯反應(yīng)器SIS概念設(shè)計(jì)圖如上圖所示，在丙烷脫氫反應(yīng)器出塔氣體管路上設(shè)計(jì)三個(gè)安全壓力高傳感器。正常操作中，能通過(guò)基本過(guò)程控制系統(tǒng)使出口管道壓力低于壓力安全高設(shè)定值，傳感器通過(guò)電纜將信號(hào)傳遞給安全邏輯控制器，安全邏輯控制器通過(guò)1oo2D系統(tǒng)（1oo2表示2選1的表決系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)通道有一個(gè)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(duì)信號(hào)進(jìn)行2oo3表決和診斷。完成后，輸出兩個(gè)信號(hào)，使電三通磁閥帶電，從而使進(jìn)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(jìn)入反應(yīng)器。當(dāng)操作出現(xiàn)異常時(shí)，如反應(yīng)器溫度飛升，靠基本過(guò)程控制系統(tǒng)無(wú)法使反應(yīng)器溫度下降時(shí)，出塔氣體壓力升高，超過(guò)壓力安全高的設(shè)定值，信號(hào)傳遞給安全邏輯控制器，通過(guò)2oo3表決機(jī)制，如果確實(shí)有兩個(gè)壓力不正常，邏輯控制器輸出信號(hào)使三通電磁閥失電，從而使原料（丙烷、氫氣）進(jìn)