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创新性说明
一、清洁生产技术的创新
为解决“C9矛盾”,将C9转化为具有更高价值的二甲苯和苯,目前工业上多采用传统歧化与烷基转移工艺;为了打破二甲苯热力学平衡,提高对二甲苯的选择性,采用甲苯择形歧化工艺。为了充分利用择形歧化工艺的优势,并处理。9矛盾,工业上采用择形歧化与苯和碳九芳烃烷基转移组合工艺(组合工艺)。如下图所示:
图1组合工艺流程图
由于甲苯择形歧化工艺只能处理纯甲苯,对原料组成限定很高,即对上游工艺过程的的分离要求高。甲苯择形歧化能产生高PX选择性的二甲苯和苯,但该反应消耗甲苯量多,并产生大量的苯,而苯是整个芳烃装置过程中毒性最大的物质,应尽量减少苯的生成。
由上述可知,为实现当今化工“绿色、环保、安全”的新型理念,不宜选择
XXXXX炼化分厂-年产55万吨PX项目
甲苯择形歧化工艺。综合多种因素,本项目利用绿色环保的“甲苯甲醇***化”
工艺代替传统的“甲苯择形歧化”工艺。
本项目对芳烃组合工艺加以改进,形成
“C6+C9烷基化”和“甲苯甲醇***化”
的新型组合工艺,即本项目的核心工艺
流程。其中的TCM为甲苯甲醇***化。如下图所示:
图2组合工艺改进流程图
二、反应技术及设备应用技术的创新一多釜串联模型
针对甲苯甲醇***化(以下简称:三甲化)工艺,其反应器有三种类型:固定床、移动床、流化床。目前工业上多采用固定床反应器。以下为其三种反应器的对比:
固定床反应工艺:
优势:转化率较高,工程化开发成熟
反应条件:6°C、、临氢
问题:活性逐渐衰减,产品分布不断变化,催化剂寿命较短
移动床反应工艺:
1
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优势:转化率较高,与固定床催化剂相当
反应条件:4~5°C、~、临氢
问题:催化剂成型较难,工艺复杂
流化床反应工艺:
优势:温度均匀,活性、产品分布稳定,易于大型化
反应条件:4~5C、、不临氢
问题:催化剂活性略低
经查阅资料,目前工业上固定床较之其它两种反应器应用较多。但经过对甲苯甲醇***化反应体系的分析,流化床反应器在三甲化工段具有更强的适用性,所以本项目拟采用流化床作为甲苯甲醇***化的反应器。然而由于流化床内粒子强烈混合,倾向于全混流反应器,将引起物料的大量返混,可能导致反应物的转化率和选择性均降低。且甲苯甲醇***化反应中甲苯的单程转化率低,为提高甲苯的转化率,理论上可以降低甲苯/甲醇摩尔比,但由此会副产大量的混合烯烃。为了解决上述问题,本项目采用两级流化床反应器串联,从而提高甲苯的转化率和降低反应器的体积。工艺流程如下图所示:
图3两级流化床流程图
经过Aspenplus模拟单级流化床和两级流化床的结果对比如下表所示:
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表1流化床结果对比
单级流化床
两级流化床
甲苯转化率
%
%
甲醇转化率
72%
80%
由上表可以看出,两级流化床较之单级流化床的转化率高,能够达到工艺要求。
据文献所示,甲苯甲醇***化工艺一直未被广泛应用,主要原因是因为该工艺的催化剂易失活,不稳定。结合该特点和流化床反应器的特点,本项目拟采用再生塔对催化剂进行循环再生。其流程如下所示:
图4流化床与再生塔流程图
两级流化床共用一个再生塔,失活的催化剂从塔上部输送到再生塔底部,经空气再生后从再生塔上部经管道输送到各流化床底部。此流程即达到催化剂再生循环过程。
三、分离技术的创新
XXXXX炼化分厂-年产55万吨PX项目
1、分离序列的优化
一般情况下,物质的分离方法中精馏分离是分离方法的首选,本项目中物质的分离基本上采用精馏塔即可达到分离要求。对于多组分的分离,需要用多个精馏塔,这些精馏塔的排序对费用往往产生较大的影响。即在设计时,必须考虑精馏塔分离序列综合问题,并决定最佳分离序列。
对于混合芳烃原料组分C6~10进行分离时,由公式得:
sR1SS[2(R1)]!
RjRjR!(R1)!
j1
其分离序列的总数目Sr=14,即欲将原料分离为C6C7C8C9C10,共有14种不同的分离序列,工艺上要求确定最佳的分离序列。我们采用相对费用函数法求得最佳分离序列c6c7Ic8c9c10,c6Ic7,c8ic9c10,c9Ic10。其具体的分离序列对应的工艺流程图如下所示:
图5精馏塔最佳分离序列
2、模拟移动吸附床分离技术
欲从混合二甲苯中分离出高纯度的PX产品,本项目采用的是美国环球油品公司(UOP)的模拟移动床分离技术。该技术吸取了固定床工艺和移动床工艺各自的优点,并避免其各自的缺点。其主要构思:吸附剂床层在塔内固定不动,吸附剂不断交替的进入吸附段和解吸段,即是定期同时移动物料进出的位置。其
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模拟图如图6所示:
图6模拟移动吸附床图
四、过程节能技术的创新
本项目采用“夹点匹配原则”设计了全厂换热网络,构成能量级别高低综合利用的总能体系。这种体系,有效能的内外部损失都将大为减小,同时显著减少了公用工程的耗用量,达到了“按质用能,按需供能”的指导原则。同时,本项目还采用顺流双效精馏技术和热泵技术,从而实现了能量的最大限度的利用。1、双效精馏技术
多效精馏是化学工业中较为常见的一种精馏节能措施,将精馏塔分成能位不同的多塔,能位较高塔的塔顶蒸汽向能位较低塔的再沸器供热,同时它自己也被冷凝。其节能的关键是要选择适宜的各塔操作压力,其中应用最普遍的是双效精馏。
本项目中二甲苯异构化工段采用双效精馏来分离PDEB和PX,由于第一个塔的塔釜需要加入热量,其余各塔不再需要由外界进行供热,因此具有非常明显
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的节能效果。其具体流程图如下图所示:
图7双效精馏塔模拟图
经过吸附分离塔出来的PX和PDEB,进入顺流双效精馏塔。双效精馏塔塔1无需冷凝器,直接气体出料与双效精馏塔2塔釜液体进行换热将塔釜的冷液汽化。该换热器既充当了塔1的冷凝器,也充当了塔2的再沸器,从而减少了公用工程的用量,达到高效节能的目的。由Aspenplus计算两种方案可知,%,具有明显的节能效果,实现了能量的自给自足,有很好的经济效益。
2、开式A型热泵精馏
通过外加功将热量自低位传至高位的系统称为热泵系统。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。经过Aspenplus模拟可知,甲醇塔(T0302)冷凝器和再沸器的负荷量很大,于是本项目在甲醇塔处采用高效节能的开式A型热泵技术。其具体流程图如下图所示:
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XT
A
Q
JL
图8甲醇塔热泵模拟图
图中的换热器既充当了甲醇塔的冷凝器,也充当了该塔的再沸器,从而减少了公用工程的用量,达到高效节能的目的。由Aspenplus计算两种方案可知,%,具有明显的节能效果,实现了能量的自给自足,有很好的经济效益。
五、控制方案的创新
图9串级控制加热炉
XXXXX炼化分厂-年产55万吨PX项目
常规控制:为控制加热炉出的温度,一般通过控制燃料气的流量来控制出温度,从而保证物料达到工艺所要求的温度,为单回路控制操作。但是考虑到该加热炉是将苯、C9和氢气加热至反应温度,当燃料气不足时,出温度达不到反应温度,即大部分物料没有参加反应,从而导致系统中的苯的积累,而且后续工段的操作条件均会过度偏离稳态,最终导致所有车间失常。同时从环保安全而言,苯是整个工艺中毒性最大的物质,生产过程中一定要严格控制其量。为解决这个问题,本项目中采用串级控制,即添加副回路来控制出温度。
如图所示,当燃料气不足时,将选择器切换到PIC109控制,通过控制燃料油的压力来控制温度。而燃烧燃料油时,需用雾化蒸汽将燃料油雾化。本项目中通过控制雾化蒸汽与燃料油的压差来控制燃料油的燃烧量。最终来控制加热炉出
的温度来保证烷基化反应的进行,来保证后续工段的正常运行。
六、反应器设计优化
根据文献资料初步确定固定床反应器的条件,在该条件下我们用ComsolMultiphysic多物理场模拟软件对反应器进行了模拟。设定3种不同的长径比反应器尺寸得到了三种反应器中物质的浓度分布以及单程反应PX的收率,从而确定了反应器最佳的尺寸。
经过大量的计算和图文对比,,,%左右,%,反应转化率及收率均达到最优,故我们选择该长径比作为反应器的几何尺寸。
经济评价
Aspeneconomic是Aspen公司系列软件的一部分,可以进行化工经济预算,我们把Aspenplus模拟的数据导入其中,然后软件将根据模拟的条件,以及其数据库中自带的价格信息,进行设备价格的估算。计算结果将为我们提供技术经济计算的参考。