外循环乙氧基化反应装置换热系统模拟与优化研究

论文摘要

乙氧基化是在催化剂的催化作用下,环氧乙烷(EO)与含有活泼氢的化合物发生的开环加成反应,是工业中生产聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂的重要方法。外循环反应装置是目前工业中应用最广泛的乙氧基化物生产装置,该装置采用半间歇操作,主要由反应釜和外部换热系统构成,还包括处理起始物料的前处理釜和处理产品的后处理釜。外循环乙氧基化装置的换热系统由物料换热器、换热介质冷却器和换热介质加热器组成,由于乙氧基化反应需要在410～455K的高温下进行,并具有强放热的特征,在工艺中既有加热问题又有冷却问题,换热系统的设计和调控是影响装置生产效率的关键。针对现有乙氧基化装置在设计和运行中存在的调节效果差、增长比低、生产周期长等问题,本文以聚乙二醇(PEG)工业装置为背景,通过建立相关模型,采用HYSYS软件模拟等方法,从理论上开展了外循环乙氧基化装置换热系统的研究工作。旨在为工业装置换热系统的模拟分析、操作控制、设计改进、优化用能等提供理论基础和数据参考。论文的主要研究内容、采用的方法和取得的主要结论包括以下几个方面:(1)分析了外循环乙氧基化装置换热系统关键设备和关键参数对装置的影响,研究表明:外部换热器的容积是影响装置的增长比的关键因素,但装置中反应釜的容积越大,其影响作用越小;对于双循环换热系统,生产周期随着小循环换热器换热面积的增加而缩短,对单循环换热系统,平均生产周期随着生产中间体的增长比的增加而延长;外循环物料流量影响到物料在反应釜中的更新时间,其更新时间越长,越不利于生产窄分子量的产品,更新时间越短越不利于EO在反应釜中反应完全,在保证EO在反应釜中反应完全的前提下,应尽量提高外循环物料的流量;在未达到EO聚合速度瓶颈的情况下,换热介质的流量和温位可间接影响到EO聚合速度, EO聚合速度随换热介质的流量近似呈线性增大,而与换热介质进物料换热器温度呈抛物线变化,在不同的换热介质循环流量下都存在一个可以使EO聚合速度最大的进口温度。此外,模拟结果还表明EO聚合速度对换热介质流量的敏感性高于对改变换热介质进口温度的敏感性。(2)对外循环乙氧基化反应热的利用问题进行了研究。结果表明,工艺放热量约为所需加热量60倍,有很大的节能潜力,但现有工艺没有采用直接热交换回收反应热的可行性。提出了以增加热回收循环系统为主的可利用反应热的改进工艺,研究表明,工艺改进后热量方面的投资只有原工艺的16.7%,动力方面投资增加9.1%左右,总能量投资只有原工艺的30.2%,改进工艺回收期为两个月左右,有显著的节能效果以及很好的可行性。(3)采用HYSYS动态模拟方法,对换热系统在不同调节方式下的响应状况进行了模拟和分析。结果表明,以换热介质流量为调节方式,物料出换热器温度大约在90s达到稳定,以换热介质的温度为调节方式,物料出换热器温度大约在155s达到稳定点。模拟结果说明在对换热系统进行调节时,其相关参数的变化存在一定的滞后时间,且物料出换热器温度对以流量为调节方式的响应时间较短,说明以换热介质流量为调节方式可以取得较好的调节效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 乙氧基化反应及工艺介绍
• 1.1.1 乙氧基化反应的特点
• 1.1.2 乙氧基化工艺及装置沿革
• 1.1.3 外循环乙氧基化工艺及其重要概念
• 1.2 外循环乙氧基化换热系统
• 1.2.1 外循环乙氧基化装置换热系统的作用及技术要求
• 1.2.2 外循环乙氧基化装置换热系统的基本类型
• 1.3 间歇/半间歇过程用能优化研究进展
• 1.4 HYSYS 模拟软件介绍
• 1.5 本文的研究内容和目的
• 2 外循环乙氧基化装置换热系统综合分析
• 2.1 换热系统对生产装置的影响
• 2.1.1 物料换热器的作用及选择
• 2.1.2 外循环部分总容积对增长比的影响
• 2.1.3 单循环或双循环对生产周期的影响
• 2.2 换热系统关键参数对装置的影响
• 2.2.1 外循环物料流量对装置的影响
• 2.2.2 换热介质的流量和温位对聚合反应速度的影响
• 2.3 换热系统对生产多产品的适应性
• 2.4 本章小结
• 本章符号说明
• 3 用能优化及换热系统改进
• 3.1 工艺用热状况分析
• 3.2 以利用反应热为目的的换热系统改进
• 3.2.1 改进工艺的实施方法
• 3.2.2 相关参数的确定
• 3.2.3 节能效果分析
• 3.3 本章小结
• 本章符合说明
• 4 装置对不同调节作用的响应状况研究
• 4.1 HYSYS 动态模拟技术
• 4.2 外循环乙氧基化装置的主要调节方式
• 4.3 换热系统对调节作用的动态响应
• 4.4 本章小结
• 5 总结
• 5.1 论文的主要工作及取得的结论
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文