最新化工设计大赛作品创新性说明资料

目录

第１章反应器设计创新 (2)

第２章分离技术与节能降耗技术创新 (7)

第３章高效塔板的使用 (11)

第４章高效催化剂的使用 (13)

第５章工艺路线创新 (14)

第６章环保技术创新 (14)

第７章安全仪表系统SIS设计 (18)

第 １ 章 反应器设计创新

通过六个步骤，实现了丙烷脱氢反应器从无到有的完整设计。设计思路如下：

图1-1 反应器设计思路

其中，反应器模拟模型的构建是通过Polymath 实现的。 1. 以目标产物丙烯的摩尔分率作为分析变量 丙烷脱氢的主副反应如下：

可以看出，丙烷脱氢是一系列的平行连串反应。对于复合反应，我们不能单

纯的考虑关键反应物丙烷的转化率，也要关注目标产物丙烯的选择性和收率。所以本次设计以目标产物丙烯在混合气体中的摩尔分率为分析变量，分别找到丙烷和丙烯的最优转化率和选择性。 2. 催化剂结焦

本项目采用UOP 公司的Oleflex 生产工艺，装置为绝热式径向移动床反应器，催化剂是该公司自主研发高活性、高选择性的Pt-Sn/Al2O3。由于反应条件是高温，会导致丙烷深度脱氢，并且在高温下C-C 键裂解反应在热力学上比C-H

主反应： C 3H 8→C 3H 6+H 2 △Hr=116.0754KJ/mol 副反应： C 3H 8→C 2H 4+CH 4 △H r =75.8671KJ/mol

C 2H 4+H 2→C 2H 6 △H r =-136.98KJ/mol C 3H 8+H 2→C 2H 2+C+4H 2 △H r =330.595KJ/mol

键裂解更有利，这也加剧了碳（C ）在催化剂表面沉积导致Pt-Sn/Al 2O 3催化剂失活。

本次设计采用张新平《丙烷脱氢氧化制丙烯过程的模型化与优化》的动力学模型及参数，考虑结焦量对反应速率的影响，通过Polymath 对反应器进行模拟和优化，最终得到合适的反应器尺寸。

结焦动力学方程摘录如下：

c k Cm C c k dt

dC

2)max (*12+-=

C=C m +C M

]*1m a x *1*1[

*m a x 2

t

c k C t

c k C Cm +=

C M =k2c*t ))1

1(*exp(

*0tm

t R Eaic ic k kic --= ]*3e x p [**2)*11(Cm

CM

a Cm a Cm a a -+-= ))1

1(1exp(

*011tm t R Eaa a a --=

部分动力学参数如下：

表1-1 动力学参数表

Polymath程序模拟与优化如下（R201）：

丙烯摩尔分率沿反应器径向的变化：

图1-3 丙烯摩尔分率沿反应器径向的变化

得到各反应器的尺寸如下：

表1-2 各反应器尺寸

反应器位号 气体出口内径/mm 反应器内径/mm 催化剂床层厚度/mm 催化剂床层长

度/m 材料 R201 1200 2400 400 6 0Cr18Ni9 R202 1200 2400 340 6 0Cr18Ni9 R203 1200 2400 340 6 0Cr18Ni9 R204 1200

2400

420

6

0Cr18Ni9

经过优化的反应器模型可使丙烷的单程转化率可达38%，丙烯总的选择性可达90%，总的收率可达70%，年产可达25万吨，满足设计要求。经过计算催化剂的结焦量是C=0.00195802gcoke/(molcat),这为实时监测催化剂的失活程度及工业废渣的量化提供了重要依据。

结焦浓度计算公式：???-+++=n

n t t n t t t t T C T C T C C 1

2

1

1

)(....)()(11

3. Aspen 中使用平推流反应器模拟移动床

催化剂为小颗粒球形催化剂，易磨损，为达到年产量25万吨，我们采用四台串联径向移动床反应器，床层压降小，返混小，故在Aspen 中采用平推流反应器（PFR ）模拟。

图1-4 反应器的Aspen模拟

第２章分离技术与节能降耗技术创新

1.热泵精馏

通过外加功将能量自低位传至高位的系统成为热泵系统。热泵是以消耗一定量的机械功为代价，把低温位热能温度提高到可以被利用的程度。由于所获得的可利用能量远远超过输入系统的能量，因而可以节能。

本项目采用塔底液体闪蒸式热泵精馏。

塔底液体闪蒸式热泵精馏是以塔底液体为工质，塔底液体经减压阀减压闪蒸降温后，与塔顶气相换热、汽化，然后经压缩机压缩到与塔底温度、压力相同的状态后送入塔底，塔顶气相冷凝后作为回流。

图2-1热泵精馏模拟

热泵精馏没有冷凝器和再沸器，其streams、泵和压缩机的参数设置如下：

图2-2 streams界面设置

图2-3 泵的界面设置

图2-4压缩机的界面设置

图2-5压缩机计算结果

由图可知，压缩机功率为9540.0671kW，效率为72%。

塔底液体闪蒸式热泵精馏的能耗主要由压缩机的能耗以及冷却器的冷公用工程。压缩机功率为9540.0671kW，热电转换系数为 3.29，相当于消耗了31386.8208kW热能，冷却器冷耗为10214.5039kW。而普通精馏的热耗为48031.4636kW，冷耗为48699.6565kW，所以节约热耗34.65%，节约冷耗79.03%，并且减少了高品位冷剂的使用。

2.换热网络的优化

本项目利用夹点技术和Aspen Energy Analyzer对全场换热网络进行设计与优化。

图2-6未集成的换热网络

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/s 44.23MW

热公用工程用量 6.816×104KJ/s 68.16MW

图2-7 集成后的换热网络

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/s 34.76MW

热公用工程用量 6.124×104KJ/s 61.24MW

图2-8 节能效果分析

第３章高效塔板的使用

所有板式塔均采用高效塔盘，为了简化塔内件的设计和降低设备投资费用，选用我校自主专利塔板CTST。

图3-1 CTST立体传质塔板示意图

1.运行过程

CTST立体传质塔板是一系列大通量高效喷射型塔板，该塔板是一种空间结构塔板。气体自板孔进入喷射罩中，在塔板板孔处形成缩流，在板孔附近形成低压区，液体受罩体内外压差和板面液面高度静压强的作用自罩体底隙进入罩内，气液两相在塔板空间充分接触，经历了接触、传热、传质的过程，采用并流喷射操作，有效控制返混，减少雾沫夹带，从而既保证较高的传质效率，又大大提高气液两相的处理能力。

2.CTST优点

(1) 处理能力大，可达F1浮阀的150%~250%，空塔动能因子可达

3.7m/s(kg/m3)0.5；

(2) 效率高：比F1浮阀塔高10%以上；

(3) 板压降低：低于F1浮阀30%以上，可用于减压场合；

(4) 操作弹性大：可达5.4~7.2；

(5) 具有消泡性能：适于处理易发泡物料；

(6) 具备抗堵塞能力：可处理含固体颗粒易自聚物料。

图3-2 单板压降与板孔动能因子关系比较

第４章高效催化剂的使用

本项目采用UOP公司自主研发的Pt-Sn/Al2O3催化剂，工艺条件的控制指标如下表所示：

表4-1反应催化剂详情

项目

指标

球形催化剂，dp=2mm

催化剂大小

空隙率0.4

密度/(Kg/m3)

3800

反应温度/℃ 550~650 反应压力/MPa

0.1

丙烷的转化率为88%，丙烯的选择性为90%。

第 ５ 章 工艺路线创新

采用先进的膜分离技术回收脱氢尾气中的氢气。

本设计设置氢气膜分离单元主要是考虑回收大部分脱氢尾气中的氢气，因为尾气本身有一定的压力，且经过反应器后氢气的量得到了增加，摩尔分率达到了57.6%，所以利用膜分离的方法回收氢气能收到很好的经济性。

本设计的氢气膜分离单元示意如图5-1。经过反应工段脱氢尾气送入氢气膜分离装置，回收95.8%纯度达99.95%的氢气一部分循环回反应工段用于稀释剂，减少了新鲜氢气的补充量，节省了生产成本；经过跟福建能源公司联系，剩下的氢气可供给公交车作为新能源，按市价氢气每吨1.65万元为工厂创造收入约为1.72亿元。非渗透气进入选择性加氢反应器继续下一步的反应。

图5-1 氢气的来源和去向

第 ６ 章 环保技术创新

1. CO2的创新处理

25.3%的渗透气送管道通往福州公共交通

集团有限责任公司作为公交车新能源使用

74.7%的渗透气送往反应工段作为氢气稀释剂

氢气膜分离装置

57.6%的富氢气体来自反应工段

非渗透气进入选择性加氢反应器

本项目通过使用小球藻来吸收处理燃烧产生的大量CO2。 此工艺在流程上共分为两个部分：培养和固碳。

在培养体系中，捕集下来的二氧化碳和空气混合，培养气内二氧化碳的浓度占20%，在培养体系内，小球藻为半连续培养，使其从稳定期过渡到指数增长期，反应器内的小球藻浓度达到1g/L 时，将小球藻连同培养液打入固碳塔1号。

固碳体系，混合后的气体中，二氧化碳所占浓度为45%，常压通入固碳塔，并做气体循环。同时料液导入与导出同样做循环。固碳塔1号和2号的区别在于，1号内利用的小球藻吸收浓度为1.5g/L —3g/L ，而在2号内小球藻的翻倍浓度是2.5g/L —5g/L 。2号塔内的小球藻在反应结束后，分离，导出产品。

图6-1 CO2处理装置图

来自捕集CO 2

CO 2

CO 2

废气

微藻

微藻

培养液

废液

混合器

培养液

废气

空气

取藻

反应器1

反应器2

2.工业废水的创新处理

本项目的废水主要来源有采样器冷却水回水、精馏塔分离废液、排放闪蒸罐排液，初期雨水等。污水中含有有机物、MDEA、S-等有害物质，为了实现工业废水零排放标准，我厂将新型生物膜技术（如下图7-2）与我校自主研发的混盐结晶分离提纯技术进行处理。

图6-2 生物膜反应器原理图

各功能槽的构成及功能如下

1）原水槽：首先将解析塔废液装入原水槽中，按照解析塔废液与自来水的体积比为2:1的比例加入自来水降温（废液温度120℃左右），然后加入少量絮凝剂并搅拌去除胶状物质，当有处理后的排放水排出后，用此排放水代替自来水进行降温处理,调污水PH为中性。

2）调整槽。经过预处理后的污水按照一定的流量注入调整槽。在调整槽中将原水与少量种污泥混合并曝气，对溶解性有机物进行污泥化处理。

3）生物反应槽（设置固定滤床的槽）。生物反应槽共设置8个，其内填充大量生物巢滤床系统（填充率约80%）。前3个生物反应槽中的生物巢球状滤材的直径为12.5cm（比表面积60m2/m3）中间3个生物反应槽中的生物巢球状滤材的直径为12.5cm（比表面积80m2/m3），最后2个生物反应槽中的生物巢球状滤材的直径为10cm（比表面积100m2/m3）。各反应槽均采用上部流入、下部流出的方式通过管道相互连通。反应槽内重复进行厌氧消化和好氧处理，通过曝气搅拌在同一槽内生成好氧层和厌氧层。各槽的曝气量和搅拌强度根据具体情况分别进行调整，维持各槽内固定滤床和上部水层之间的氧化还原电位处于

400mV左右。再通过各槽之间的上部水层和曝气量的调整，维持各槽之间的氧

化还原比为电位差值在100~300mV之间。经过各种生物反应槽的连续处理，污水内的悬浮固体（MLSS）质量浓度不断下降，到最终生物反应槽处，污水的MLSS的质量浓度一般达到80mg/L以下。

该实验循环过程如下图6-3所示：

图6-3 实验循环流程图

在生物处理过程中会伴随着产生沼气、硫化氢、氨气等气体，为实现零排放，将这些气体返回废水槽加碱中和得到混盐进一步处理后将达到目的。

经生物处理过滤之后的含盐水进入中水池，接着经过膜浓缩使部分清水分离出来，含盐水变为浓盐水，此时利用我校自主研发的混盐结晶分离提纯技术，使各种盐类分离结晶，成盐可销售，达到零排放。

第７章安全仪表系统SIS设计

我们在常规的控制方案外采用一套独立的安全仪表系统（SIS），对照安监局文件，明确了本危险化工工艺的特点，确定了重点监控的工艺参数，装备和完善自动控制系统，大型和高度危险化工装置按照推荐的控制方案装备紧急停车系统，有效降低了生产工艺的安全风险。控制方案如下图：

图7-1丙烷脱氢制丙烯反应器SIS概念设计图

如上图所示，在丙烷脱氢反应器出塔气体管路上设计三个安全压力高传感器。正常操作中，能通过基本过程控制系统使出口管道压力低于压力安全高设定值，传感器通过电缆将信号传递给安全逻辑控制器，安全逻辑控制器通过1oo2D 系统（1oo2表示2选1的表决系统结构，即两个通道有一个健康操作即能完成所需的安全功能；D代表该逻辑控制器带有诊断功能）对信号进行2oo3表决和诊断。完成后，输出两个信号，使电三通磁阀带电，从而使进料管道上的关断阀和加热炉的燃料管道上的关断阀打开，原料能正常加热并进入反应器。当操作出现异常时，如反应器温度飞升，靠基本过程控制系统无法使反应器温度下降时，出塔气体压力升高，超过压力安全高的设定值，信号传递给安全逻辑控制器，通

过2oo3表决机制，如果确实有两个压力不正常，逻辑控制器输出信号使三通电磁阀失电，从而使原料（丙烷、氢气）进料关断阀和加热炉的燃料管道上的关断阀关闭。与此同时，丙烷脱氢反应器塔塔顶放空阀打开，将塔内气体排放至火炬系统进行焚烧处理。当危险解除后，可通过系统设定恢复正常。此外，在合成塔周围设置有诸多其他类型的传感器，以全方位控制丙烷脱氢反应器的安全操作。其他传感器有丙烷、氢气进料流量安全低传感器，反应器有毒气体、可燃气体检测探头，反应器温度安全高、低传感器等。

在该反应器SIS设计中，将SIS与基本过程控制系统分开布局设计，以免两者耦合干扰。此外，采用2oo3表决机制，使得系统具有容错能力，避免因测量错误等而导致的停车。