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1、XX石化30万吨/年乙二醇项目目 录第1章原料方案的改进和创新11.1.原料方案的改进和创新1第2章产品结构方案创新32.1.产品多样化32.2.乙二醇-芳烃-聚酯一体化技术3第3章反应技术和工艺创新43.1.反应精馏塔43.2.五大循环5第4章分离技术64.1.模拟移动床吸附技术64.2.膜分离技术回收氢气84.3.一氧化碳吸附分离8第5章节能技术95.1.精馏塔热泵的引入95.2.中间冷凝技术11第6章自动控制系统创新13第7章环境保护技术创新157.1.废酸再利用157.2.乙炔尾气再利用15II创新性说明书第1章 原料方案的改进和创新1.1. 原料方案的改进和创新本项目是利用天然气生产
2、乙炔的乙炔尾气经分离提纯后的CO和H2来生产更高价值的乙二醇。乙炔曾是世界化学工业中“有机合成工业之母”，也是我国五年计划以来长期列入发展计划的八大基础有机原料之一，应用范围广泛，有几千种衍生化学品。天然气制乙炔无环境污染，目前已成为发达国家生产乙炔的主导方法，国内天然气制乙炔技术已基本成熟。天然气和空气分别经过预热后进行反应，生成乙炔，一氧化碳，二氧化碳及水蒸气的混合气体，混合气体经过除碳黑，压缩，提纯后得到纯净的乙炔尾气。乙炔尾气的主要成分是CO、H2，和合成气的成分相同（乙炔尾气加氢转化后组成如表11所示）。合成气中CO和H2的摩尔比为1:2，乙炔尾气中的CO和H2摩尔比为1:2.3，二
3、者组成十分接近。表11乙炔尾气加氢转化后组成表组成H2COCO2CH4C2H2C2H4C2H6O2+ArN2体积分数/%61.9226.939.385.005e-620e-60.420.341.01本项目以乙炔尾气经分离提纯后的CO和H2生产乙二醇具有两项明显的优势：一是现成的乙炔尾气原料优势，省去了煤制合成气的步骤，同是也为公司XX石化有限公司处理了乙炔尾气，经济环保；二是优质稳定的乙炔尾气和甲醇的提供。以下为该原料方案的创新和优势：1) 相对于传统的石油制乙二醇路线来说，石油制取环氧乙烷水解合成乙二醇，产品的产量需要依赖不可再生能源石油，且水解过程需要消耗大量的电，所以传统的石油路线需要较
4、高的成本。本项目用乙炔尾气提纯的合成气制乙二醇，在充分利用乙炔尾气的同时，也大大降低了生产成本，减少了废气的排放，具有清洁环保的特点；2) 相对于传统的煤制合成气制乙二醇路线来说，煤制合成气在生产过程中会产生较多的杂质，若想得到聚酯级的乙二醇较难且在后续的分离提纯过程中会用到较多的设备，大大提高成本。目前的煤制乙二醇工艺来说还未能很好的得到聚酯级的乙二醇大大的降低了经济效益，本项目利用乙炔尾气经分离提纯后的合成气较为干净，在后续的生产过程中可以较容易的得到聚酯级的乙二醇，且整个生产过程较为清洁；3) 相对于碳酸乙烯酯法制乙二醇，虽然碳酸乙烯酯生产方法较为清洁，但是该工艺不是很成熟，单程转化率较
5、低，产量较低，水解过程需要消耗大量电，目前还未完全工业化，面对当前我国乙二醇的巨大缺口和对乙二醇的巨大需求，该工艺很难满足生产要求。本项目采用的合成气生产乙二醇路线以一种清洁的方式能更好地满足我国的乙二醇生产要求。而相对于新型的乙二醇合成路线，大部分还处于实验室阶段，技术不够完善未能实现工业化，因此本项目的工艺路线更环保，更可靠安全，能大规模生产来满足我国当前的乙二醇需求，该工艺路线是一个绿色环保，安全且有较大经济效益的项目。第2章 产品结构方案创新2.1. 产品多样化本项目的主要产品有聚酯级和防冻液乙二醇、碳酸二甲酯、丁二醇，可以通过调节工艺条件和物料配比，根据市场需求，调节产品结构，且该项
6、目的三种产品都有较好的市场前景和经济效益。相对于其他传统的乙二醇路线，提高了工艺的可变灵活性，提高了原料的原子利用率，完成了过程的绿色生产。2.2. 乙二醇-芳烃-聚酯一体化技术本项目是为XXX集团设计一座合成气制乙二醇的分厂。该集团的子公司XX石化集团天然气制乙炔厂和甲醇厂为本项目提供原料，生产30万t/年的乙二醇。且本项目生产的聚酯级乙二醇与母公司XX石化有限公司年产800万吨（准备扩建为1800万吨/年）芳烃项目对接，以乙二醇和精对苯二甲酸为原料，生产聚酯，形成乙二醇芳烃聚酯一体化的产业链，即保证上游产品的有效利用，又体现下游产品的拓展，具有产品可分可合、产业链不断延伸等优势。第3章 反
7、应技术和工艺创新3.1. 反应精馏塔反应精馏（Reactive Distillation，简称RD）就是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程。反应精馏相对传统的反应与分离，最大优势就是反应的进行与反应产物的转移同时进行。对于可逆反应，反应产物及时转移出反应区驱动了反应向着产物生成的方向进行。因而可提高单程转化率，在一定程度上变可逆反应为不可逆反应。反应精馏塔的优点如下： 破坏了可逆反应平衡，增加了反应的选择性和转化率，使反应速度提高，从而提高了生产能力； 精馏过程可以利用反应热，节省了能量； 反应器和精馏塔合成一个设备，节省投资； 对某些难分离的物系，可以获得较纯的产品。对于第一工段的亚
8、硝酸甲酯酯化反应，我们采用反应精馏塔来进行反应。如图31所示， 酯化反应气体从反应精馏塔的下部进入塔中，在反应精馏塔的反应段与上部喷淋的甲醇逆流接触，发生酯化反应，生成亚硝酸甲酯和水，同时伴随有副反应生成硝酸。塔顶设有冷凝器，将塔顶出口气（含有氮气、一氧化碳、一氧化氮、亚硝酸甲酯、甲醇）冷却，分离出其中的液相并回流后，送往气液分离器。反应精馏塔塔底得到含有硝酸、甲醇和水的混合液进入甲醇回收塔。我们利用了Aspen Plus对亚硝酸甲酯酯化反应体系中反应精馏行模拟计算，如图31所示：图31反应精馏塔图31反应精馏中，反应精馏塔（R101）塔顶冷却能耗为54405.00kW，塔底加热能耗为2979
9、2.89kW。本项目运用了反应精馏塔，增加反应的选择性和转化率，提高了分离效率和生产能力，节约能源同时又节省投资。3.2. 五大循环ASPEN流程模拟中，实现了五大循环，实现清洁生产。纵观整个流程，实现了甲醇循环，NO循环，CO循环，氢气循环和脱附剂循环共五大循环，实现了原料高效利用，节省原料，也实现了清洁生产。第4章 分离技术4.1. 模拟移动床吸附技术吸附分离技术发展的早期主要采用固定床，以简单的穿透-再生间歇方式进行吸附分离，对吸附剂容量的利用率比较低，并且对于强吸附组分而言只相当于一个平衡级分离效果。为了提高吸附分离的效率，出现了移动床，固体吸附剂在重力作用下自上而下移动，原料，解析剂
10、在固定位置进入，抽出液，抽余液在固定位置抽出，吸附剂与流动相逆流接触。但此过程中大量吸附剂在吸附柱内以及外部循环，要求吸附剂具有很高的耐磨性，否则粉末很难处理。为解决移动床的上述问题，出现了模拟移动床工艺。模拟移动床工艺原理：吸附剂装填于固定床中不移动，通过周期性的改变流动相各股物料的进出口位置造成固定相和流动相的相对逆流运动，解决了移动床工艺所遇到的困难，使吸附分离技术在更多的领域中得以运用。粗乙二醇经皂化反应除去酯类杂质之后，得到的产物中含有甲醇、乙醇、水、乙醇酸甲酯、草酸二甲酯、乙二醇、丙二醇、丁二醇等组分。其中丁二醇的沸点为196.4、乙二醇的沸点为197.3，由于两者沸点十分接近，且
11、能形成共沸物，若用普通精馏法需要很高的回流比和理论板数而导致投资大、能耗高，故一般采用共沸精馏的方法将其分离。但在共沸精馏中大量的乙二醇与共沸剂形成共沸物从精馏塔塔顶精馏出去，而且在后续过程中乙二醇与共沸剂必须分离，因此能耗较高。本项目根据乙二醇、丁二醇的物性差异，将液相产物通过模拟移动床装置，得到的抽出液为丁二醇和解析剂的混合物，抽余液为乙二醇和解析剂的混合物，抽出液和抽余液分别通过普通精馏塔得到丁二醇、乙二醇和解析剂，以此用较低的能耗来分离乙二醇和丁二醇。图41模拟移动床装置流程图如图41所示，乙二醇粗产品在流量控制器的作用下经由转阀进入吸附塔。通过转阀的作用,进出模拟移动床装置的有四股主
12、要物流,它们由转阀分配到模拟移动床装置中。这些物流分别是:进入的原料：乙二醇粗产品(A+B) 进入的解吸剂：来自分馏部分的循环解吸剂（D）流出的抽出液：丁二醇和解析剂的混合物(A+D)流出的抽余液：乙二醇和解析剂的混合物(B+D)。在任何给定的时间主要有“四条”床层管线在发挥作用,随着各种物流进入和流出吸附室,转阀的作用是按照组分分布曲线沿模拟移动床装置移动,周期性地开关液体进料的位置和出料位置。同时环路泵用来实现从一个吸附剂室底到另一个吸附剂室顶的循环。从转阀来的抽出液在流量控制器的作用下，抽出液进入丁二醇分离塔（B精馏塔）进行分离，进入该塔的主要物质为丁二醇和解析剂的混合物，塔顶采出解析剂
13、回到解吸剂缓冲罐，塔釜得到丁二醇。从转阀来的抽余液在流量控制器的作用下进入乙二醇分离塔（A精馏塔）进行分离。进入该塔的主要物质为乙二醇和解析剂的混合物,在精馏的作用下，塔顶得到解析剂回到解吸剂缓冲罐，塔釜得到乙二醇。本项目采用的模拟移动床装置的床层数为10个，床层1、2、3为脱附区，床层4、5、6为精制区，床层7、8、9为吸附区，床层10为隔离区。模拟移动床操作压力0.1MPa，操作温度为30。吸附剂选苏青牌DA201-A树脂，脱附剂为甲醇。4.2. 膜分离技术回收氢气气体膜分离技术是一种新型的化工分离技术。由于它具有能耗低、投资省、占地面积小和使用方便等特点，现已在石化和化工工业中得到广泛的
14、应用。 在气体膜分离技术中，氢气分离膜占有很大的比重。到目前为止，氢气膜分离技术是开发应用得最早，技术上最成熟，取得的经济效益十分显著的气体膜分离技术。本项目采用先进的气体膜分离技术回收了的催化加氢尾气中90%的氢气，非渗透气送至燃气总管作燃气，本技术在节能减排的同时，也具有相当可观的经济效益。4.3. 一氧化碳吸附分离本工艺的羰化工序采用一氧化碳过量的方法转化亚硝酸甲酯生成草酸二甲酯，该方法在生成过程中会产生一定量的一氧化碳，本着节能环保、绿色化学的原则，有必要从反应废气中回收一氧化碳。本工艺采用变压吸附的方法，以由Cu+-活性炭-稀土化合物制得的高选择性NA性络合物吸附剂对一氧化碳进行，使
15、其在一氧化氮混合气中被分离并循环利用。考虑到工艺的连续性，本工艺采用新型变压吸附法，以并联两吸附塔为基础，在一定的循环周期中分别经过升压、吸附、泄压、脱附、惰性气体吹扫和升压五个步骤重复操作，在保证生产连续的前提下，高效回收一氧化碳。与普通工艺相比，采用本方法回收一氧化碳，效率可提高50%，同时能节省能耗73.2%。第5章 节能技术5.1. 精馏塔热泵的引入热泵系统就是一个制冷系统，冷却剂经压缩后在较高压力下冷凝，放出的热量供再沸器中的物料汽化；被液化的冷剂经过膨胀，在低压下汽化，汽化时将塔顶冷凝器的热量移去。冷剂相当于一个热库，通过冷凝与汽化将塔顶的低温位热送到高温位利用。整个系统因而得名热
16、泵(Heat Pump)。热泵系统中压缩机消耗的能量。是唯一由外界提供的能量，它比再沸器直接加热消耗的能量少得多，一般只相当于后者的20-40%，由此可见热泵节约能耗的作用。常规的精馏塔是用外来介质从塔顶冷凝器取走热量，同时利用外来介质向塔釜加入热量，塔顶温度低于塔底温度。深冷分离中采用将精馏塔与制冷循环结合起来，使塔顶热量传给塔底。按照热力学第二定律，为了从温度较低的塔顶取出热量，而又同时将这部分热量送到温度较高的塔釜，外界必须向精馏塔做功，这相当于用“泵”（压缩机）把热量从低温处送到高温处。因此这样的精馏系统被称为热泵精馏系统。对于第二工段的碳酸二甲酯常压分离塔符合使用热泵的条件:碳酸二甲
17、酯常压分离塔塔顶温度64.4、塔釜温度80.8，顶底温差较小，仅16.4;被分离物系的组分因沸点相近较难分离。根据流程，热泵可分为精馏塔闭式和精馏塔开式流程。由于碳酸二甲酯常压分离塔塔顶物料可作为工质，有较好的压缩特性和较大的气化潜热，同时开式流程更加简单，因此我们选用了精馏塔开式流程。而精馏塔开式流程包括开式A型（塔顶蒸汽直接压缩式）、开式B型(塔底液体闪蒸再沸式)两种流程。开式A型热泵精馏是以塔顶采出气体作为工质的热泵精馏，精馏塔塔顶气体与塔底采出的釜液换热，冷凝放热使釜液再沸，冷凝液经节流阀减压降温后，一部分作为产品出料，另一部分作为精馏塔塔顶的回流。热泵精馏取消了塔顶冷凝器，以塔底再沸
18、器代替，这实际上是用一个换热器兼作塔顶冷凝器和塔底再沸器。我们利用了Aspen Plus对碳酸二甲酯常压分离塔的普通精馏和开式A型（塔顶蒸汽直接压缩式）流程进行模拟计算，流程如图51、图52所示：图51碳酸二甲酯常压分离塔普通精馏流程示意图图52碳酸二甲酯常压分离塔开式A型热泵精馏流程示意图图51中普通精馏（T206A）中，塔顶冷却能耗为1148.75kW，塔底加热能耗为992.31kW。热泵精馏中压缩机电耗为104.52kW，辅助冷却器（E203）冷却能耗为261.16kW。机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数约为3.29，因此热泵精馏加热能耗为343.87kW。普通精馏与热
19、泵精馏能耗对比如表51所示：总能耗节约了71.74%。表51普通精馏与热泵精馏能耗对比表普通精馏热泵精馏节能率/%冷却能耗/kW1148.75261.1677.27加热能耗/kW992.31343.8765.35总能耗/kW2141.06605.0371.745.2. 中间冷凝技术第二工段草酸二甲酯分离塔（T204）塔顶温度为75.7，塔釜温度为169，整个塔温差很大。因此采用中间冷凝技术。在适当位置上设置中间冷凝器，可使全塔气、液相负荷均匀，从而缩小塔径，减少设备投资。另外设置中间冷凝器充分利用了精馏过程中的废热，减少了精馏过程的可逆性，提高了热力学效率。我们利用了Aspen Plus对普通
20、精馏和中间冷凝技术进行流程模拟，流程如图53、图54所示：图53普通精馏模拟图54中间冷凝技术模拟普通精馏与中间冷凝技术能耗对比如表52所示，总能耗节约了12.35%。表52普通精馏与中间冷凝技术能耗对比表普通精馏中间冷凝技术节能率/%塔顶冷凝器能耗/kW7543.736751.2410.51塔底再沸器能耗/kW3106.012448.6521.16冷凝器能耗/kW135.05总能耗/kW10649.749334.9412.35第6章 自动控制系统创新本项目采用现场总线技术与智能仪表管控一体化的现场总线控制系统DCS，在主要控制器上采用带芯片处理器的智能仪表。仪表与仪表、仪表与现场总线间的信息
21、传输采用数字信号，克服了模拟信号的抗干扰能力低的缺点。优势主要体现在以下几个方面：1) 充分利用了计算机强大的计算处理能力，实现指示、记录、报警、实时反馈信号、降低滞后时间，保证精确控制，能够根据工况变化进行调整，时刻优化控制变量及控制要求，使生产得到优化，保证在生产同等产量的时候效率和产品的品质更高；2) 降低了工作人员的劳动强度，统一管理，提高了各仪表阀门的自动化程度；3) 仪表间的连接采用总线连接，线路简单，方便安装和检修；4) 仪表主要为智能仪表，仪表之间可以相互联系，实时调整，精确控制；5) 现场设备可以相互通信，统一组态，构成所需的控制系统；6) 硬件和安装费维护费用低。换热器在化
22、工、石油、动力、原子能等工业部门广泛应用，它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一，换热器被加热物料出口温度的有效控制是保证质量、节能和安全生产的重要条件之一。要保证被加热物料出口的温度就需要有效且可靠的温度仪表自动化控制系统，换热器的控制系统有多种。换热器控制系统既要考虑可操作性的问题又要考虑安全问题，那么从可操作性角度对换热器温度控制方案的要求有：1) 温度调节过程中加热物料或介质流量的大小不会对加热物料或介质的上游造成影响，如压力升高，物料无去处等。2) 在满足工艺的条件下还要考虑安全问题3) 因为旁通调节无法保证100%的加热物料或介质都被
23、冷却到指定温度，若对换热后加热物料或介质的温度有要求则不能采取旁路调节；4) 控制方案在生产过程中是否易实现自动控制且平稳。本项目中的亚硝酸甲酯反应精馏塔，由于亚硝酸甲酯属于易燃易爆物品，需要严格控制物料出口温度，因此我们采用了三通控制阀被加热物料和加热介质的流量，如下图61所示：图61三通控制阀可以更严格的控制温度，物料的出口温度通过三通阀的调节，来控制进出换热器蒸汽的量，多余的可以返回再继续利用，这样既严格控制了物料温度又可以做到节能，更加有效的利用了加热介质的热量。第7章 环境保护技术创新7.1. 废酸再利用酯化工段NO、O2与甲醇发生主反应生成主产物亚硝酸甲酯和水的同时也会发生副反应，
24、生成亚硝酸甲酯和副产物硝酸，反应如式（7-1）。硝酸作为一种无机酸，腐蚀性和毒性较大，过去的处理方法是送去废水处理厂进行中和处理，该做法无疑与绿色环保的生产原则相违背。为能有效利用硝酸，达到绿色环保的生产原则，本项目在酯化工段用一个鼓泡式反应器对副产物硝酸进行最大限度的转化，使其生成工艺原料亚硝酸甲酯，反应如式（7-2）。通过对反应的物料衡算可知，该反应转化率达到94.9%，能有效转化94.9%的硝酸，相比较传统的处理方法，本方法具有较高的经济效益。 （7-1） （7-2）7.2. 乙炔尾气再利用本项目是以母厂天然气制乙炔排放的乙炔尾气为最初原料，为母厂处理了废气，同时又将废气进一步加工成具有高经济效益的乙二醇，变废为宝，符合绿色生产要求。17