化工設(shè)計(jì)大賽-作品創(chuàng)新性說明

1、福建聯(lián)合石化有限公司年產(chǎn)25萬噸丙烯（PDH）ERFP I作品創(chuàng)新性說明設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì):烷轉(zhuǎn)工藝指導(dǎo)老師：王洪海李春利單海 王桂贊武宇新杰瑩永藝?yán)滋Affl作者單位:河北工業(yè)大學(xué)1東華科技-陜鼓林0 第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽目錄第1章反應(yīng)器設(shè)計(jì)創(chuàng)新3第2章分離技術(shù)與節(jié)能降耗技術(shù)創(chuàng)新7第3章高效塔板的使用12第4章高效催化劑的使用13第5章工藝路線創(chuàng)新14第6章環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新15第7章安全儀表系統(tǒng)SIS設(shè)計(jì)18第1章反應(yīng)器設(shè)計(jì)創(chuàng)新通過六個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了丙烷脫氫反應(yīng)器從無到有的完整設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路如下:催化劑選擇反應(yīng)器類型選擇反應(yīng)器模擬模型構(gòu)建反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反應(yīng)器操作條件模擬優(yōu)化動(dòng)力學(xué)參數(shù)校正圖1-1反應(yīng)器

2、設(shè)計(jì)思路其中，反應(yīng)器模擬模型的構(gòu)建是通過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：Hr=116,0754KJ/mol Hr=75,8671KJ/molHr=-136.98KJ/molH =330.595KJ/mol r主反應(yīng)：C3H8 fH6+為副反應(yīng)：C3H8-C2H4+ch4C2H4+H2C2H6C3H8+H2C2H2+C+4H2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

3、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)上比C-H 鍵裂解更有利，這也加劇了碳9）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:k- = k 1c * (C max -

4、Cm )2 + k 2 c dtC=Cm+CMCm = C m ax*k 1c * t1 + C max klc * tCM=k2c*tEaic 11、kic = k 0 ic * exp(*(- - -)R t tma = (1-al* Cm) + a 2* Cm *exp4 a 3* CM Cmal = a 01* exp( - Eaa1 (1 ) R t tm部分動(dòng)力學(xué)參數(shù)如下:表1-1動(dòng)力學(xué)參數(shù)表參數(shù)數(shù)值0.5242 mmol/(g.min.bar)Koi3.46Ej34.57 kJ/molAH-85.817 kJ/mol30.00465 mmol/(g.min.bar)Ea2137.

5、31 kJ/mol%0.000236 inmol/Cg.min.bar)154.54 kJ/mol卻948.92 g cat/g cokeEaal9.61 kJ/mol399 g cat/g coke出40.07kmc234 g coke /g cat.minkozc1.45E-6 g coke /g cat.minE一3S.43 kJ/molEa2c125.51 kJ/molCmax1.04E-3 g coke /g catPolymath程序模擬與優(yōu)化如下（R201）：dfm1)/d(r) = 2 *r*3.14 * I * 3800000*(1 - ml) * a * r1 - ml *

6、 r2 + (2 - ml) * r3) / Ntdfm2)/d(r) = 2 *r*3.14 * I * 3800000*(-m2 * a * r1 + (1 - m2) * r2 - m2 * r3) / Nt碘料衡算d(m3)/d(r) = 2* r *3.14*1* 3800000*(-m3 * a * r1 - m3 * r2 + (1 - m3) * r3)/ Ntdit)/d(r) = 2 * 3,14 * r * I * 3800000 * (-Hr1 * a * r1 - Hr2 * r2 - Hr3 * r3) / (Nt * Cp)版量衡算N1 = Nt * mlN2 =

7、 Nt * m2N3 = Nt * m3Nt = NO / (1 - ml - m2 + m3)版應(yīng)氣總量沿管長(zhǎng)的變化mol/miny1 = (y10*(1 - ml - m2 + m3)/(y10 +y20 + 2* y30 + y40) - ml - m2 y2 = (y20 + y30) * (1 - ml - m2 + m3) + ml - m3 y4 = (y40 + y30) * (1 - ml - m2 + m3) + m2 - m3Hr1 = (116 0754 +39.484 * 10 A (-3) *t -46.4 *10 A (-6) * t A2 + 222,346*

8、10 入A3-534505* 10 A (-13) *t A4)*10 A3Hr2 = 175.8671 +34.496 *10 A (-3) * t - 68 45 *10 A (-6) * t A2 + 5083*10 A(-10)*t A3- 144.916*10 AA4)*10A3Hr3 = (-136.98 - 24 679 * 10 A (-3) * t + 6.5835 * 10 * (-6) *t A2 + 1380177 * 10 A (-10) * t A 3 - 61 269 *10A (-13) *t A4)*10A3 a = (1 - a1 * Cm) + a2 *

9、Cm * exp(-a3 * CM / Cm) a1 = a01 * 做*9 61 *10 A3*(1 / t-1 / a01 = 948.92 a2 = 399 a3 = 40,07Cm = (1.04 * 10 A (-3) A 2 * (k1 c * t) / (1 + 1 04 * 10 A (-3) * k1 c * t)鋤力學(xué)方程參數(shù)CM= k2c*t k1c = 234*e(-38 43*10A3*(1 /t-1 /tm)/R) k2c = 1.45 * 10 * (-6) * exp(125.51 * 10 A3 * (1 /t -1 /tm) / R) r1 = k1 * (

10、Pc3h8 - Pc3h8 * Ph2 / Keq) / (1 + Pc3h6 / K1) Keq = e(16.858 - 15394/t + 148728/t A2) * 101 325 K1 =351 *e(85.817*10 A3*(1 / t-1 /tm) / R) * 101.325 k1 = 9.75 *10A(-5)* e率卜 34.57 *10A3*(1 /t-1 /tm)/R) k2 = 2.95 * 10 A (-8) * exp(-137.31 * 10 *3 * (1 /t -1 /tm) / R) r2 = k2 * Pc3h8 r3 = k3 * Pc2h4 *

11、Ph2任副反應(yīng)反應(yīng)熱k3 = 1 66 * 10 A (-9) * exp(-154.54 * 10 *3 * (1 /t -1 /tm)/R)Pc3h8 = P*y1升各物質(zhì)的壓力Ph2 = P * y2Pc3h6 = P*m1Pc2h4 = P*y4Cp = Cp1 * y10 + Cp2 * y20 + Cp3 * y30 + Cp4 * 0 013Cp1 = (-5.338 + 310.239 * 10 A (-3) *t - 164.64 * 10 A (-7) *t A2 + 346.908 * 10 A (-10)A3)#各物質(zhì)的比熱容Cp2 = (29.062 - 0 82 *

12、 10 * (-2) *t + 1 9903 * 10 A (-6) * t A2)Cp3 = (8.181 + 161 465 *10 A (-3) * t - 400.71 *10A(-7)*t*2 +694 209 *10* (-10)*t*3)Cp4 = (5 084 + 225.639 *10 A (-3) *t - 999.265 * 10 A (-7) *t A2 + 133.106 * 10 A (-10) *t A3)y10 = 0 485y20 = 0,496y30 = 0,006y40 = 0P= 101,325版應(yīng)壓力：kpal = 6化劑床層長(zhǎng)度,mNO = 6486

13、9 711版應(yīng)器總的進(jìn)料量,mol/mintm = 793R = 8.314 m1ifl) = 0.013 m2(0) = 0 m3(0) = 0 006 r(O) = 06 r(f) = 09 t(0) = 866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/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R2011200240040060Cr18Ni9R2021200240034060Cr18Ni9R2031200240034060Cr

14、18Ni9R2041200240042060Cr18Ni9經(jīng)過優(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)25萬噸，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過計(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：C = fC（） + fC（） +. + tnC（Tn）t 0t1tn-13. Aspen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

15、平推流反應(yīng) 器（PFR）模擬。圖1-4反應(yīng)器的Aspen模擬第2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熱泵精饋模擬福建聯(lián)合石化年產(chǎn)25萬噸丙烯項(xiàng)目熱泵精餾沒有冷凝器和再沸器，其strea

16、ms、泵和壓縮機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下:Configuration (reams Pressure CondenserThermosiphon Config. Reboiler | 3-PhaseFeed streamsNameStageConventionL-HUI155Un-StageHUI1Above-StageC3110Above-StageProduct streamsNameStagePhaseBasisFlowUnitsFlow ratioFeed specsV1VaporMassFeed basisLI155LiquidMassFeed basis圖2-2 streams界面設(shè)置*/S

17、pecifications Calculation Options 1 Flash Options 1 UtilityModelPump outlet specificationQ Discharge pressure:0.755MPa二Pressure increase:MPa_Pressure ratio:Power required:w_JC Use performance curve to determine discharge conditions* PumpTurbineEfficienciesDriver:Pump:圖2-3泵的界面設(shè)置Specificationsj Calcul

18、ation Options | Power Loss j y Convergence | Integration Parameters j UtilityModel and typeModel:# CompressorTurbineType： | Isentropic using ASME methodOutlet specification(* Discharge pressure:0.775MPaTPressure increase:MPaTPressure ratio:U Power required:|kW,dC Use performance curves to determine

19、discharge conditionsEfficienciesIsentropic:Polytropic:Mechanical:圖2-4壓縮機(jī)的界面設(shè)置Summary Balance Parameters Performance Regression Utilitv UsageCompr resultsCompressor model:ASME isentropicPhase calculations:Vapor phase calculationIndicated horsepower:9540.06703kWBrake horsepower:9540.06703kWNet work re

20、quired:9540.06703kWPower loss:0kWEfficiency:0.72Mechanical efficiency:1Outlet pressure:0.775MPaOutlet temperature:34,1333135CIsentropic outlet temperature:24,519936CVapor fraction:1Displacement:Volumetric efficiency: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，

21、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48699.6565kW，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。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。= =-114 To FEED l,jea105 To-iM：12977 4 kW公用工程用量如下:LS914 0 kWRrtgefan: 1CwlETNigf.工u12+QC圖2-6未集成的換熱網(wǎng)絡(luò)表2-1未集成的公用工程用

22、量冷公用工程用量熱公用工程用量4.423 X 104KJ/s6.816 X104KJ/s44.23MW68.16MWCwllng WaterHL:匕,SKOT LP SteamHT5OUT TO Fg 皆 3u syr。-智七55_電審匚 8MPRTN TO MTSOUT-To ReDoHereT102_TO_L105Mie t- 事能隔 r 宜!:jwaidM* L2 TOL-3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 X104KJ/S34.76MW熱公用工程用量6.124 X104KJ/S61.24MW錯(cuò)誤！對(duì)優(yōu)化前后的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能

23、效果分析得到下圖，藍(lán)色代表冷公用工程，紅色 代表熱公用工程?？梢妰?yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果顯著。圖2-8節(jié)能效果分析第3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。1 .運(yùn)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(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

24、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)F1浮閥的150%250%，空塔動(dòng)能因子可達(dá)3 .7m/s(kg/m3)o.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。160014001200M 1000 d 57.6%的富氫氣體來自反應(yīng)工段25.3%的滲透氣送管道通往福州公共交通氫氣膜分離裝置集團(tuán)有限責(zé)任公司作為公交車新能源使用74.7%的滲透氣送往反應(yīng)工段作為氫氣稀釋劑圖5-1氫氣的來源和去向第

25、6章環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新1 . CO2的創(chuàng)新處理本項(xiàng)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(gè)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(zhǎng) 期，反應(yīng)器內(nèi)的小球藻濃度達(dá)到1g/L時(shí)，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

26、內(nèi)的小球藻在反應(yīng)結(jié)束后，分離，導(dǎo)出產(chǎn)品。2 .工業(yè)廢水的創(chuàng)新處理本項(xiàng)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(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)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(dāng)有處理后的排放水排出后，用此排放水代替自來水 進(jìn)行降溫處理,調(diào)污水PH為中性

27、。2）調(diào)整槽。經(jīng)過預(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60m2/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，通過曝 氣攪

28、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，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)過程如下圖6-3所示:出來，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)，使靠物污泥消化預(yù)處理：固液分離，pH調(diào)整，水溫調(diào)整上清水少量種污泥各種鹽類分離結(jié)晶，成鹽可銷售，達(dá)到零排放。第7章安