基于元易创新理论的低温甲醇洗气体净化技术创新研究

日期:2021-02-19 作者: 硕博论文网 编辑:vicky 点击次数:164
论文价格: 150元 论文编号: sb2021012912071234491 论文字数:41544 所属栏目:工程硕士
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
本文是一篇工程硕士论文,元易创新理论是在专利地图、TRIZ、多维空间地图的基础上而总结完善出来的创新理论,将其应用于低温甲醇洗气体净化技术创新路径创建过程中形成以下几个结论:
本文通过专利收集和分析,获得大量低温甲醇洗领域的众多专利,对检索的结果进行分析,收集到低温甲醇洗气体净化领域的众多技术趋势,包括申请总体趋势分析得到低温甲醇洗技术的发展历程、IPC 分析说明低温甲醇洗工艺主要应用于石油、煤气及炼焦工业(含一氧化碳的工业气体)行业中的气体净化工序,对系统出口合成气中硫化氢和二氧化碳是主要控制指标、申请人排名获得专利申请主要集中在传统的石油化工企业和设计院所等。在专利分析过程中,工程技术人员对低温甲醇洗系统知识进行了一次较深的认识和学习,提高工程技术人员的专业知识,进一步为企业的技术创新方向提供知识和人员储备。

1 绪论

1.1 研究背景和研究意义
1.1.1 研究背景
煤炭作为最重要的矿物燃料,引发了工业革命的发展,在当前使用的一次能源中占比为 23%。2010 年,世界上的煤炭产量(无烟煤和褐煤)约 72.73 亿吨,其中我国约占 48%,共计 32.4 亿吨,为主要煤炭生产国。目前我国原油对外依存度在 57%以上,天然气也将近 32%[1] [2],国内的产量增长完全跟不上与市场需求量的增长,现代煤化工的发展将有助于国家能源结构优化,并为传统能源企业带来更多的发展机遇。主要转换技术有煤的燃烧、焦化、气化、液化以及煤基化学品等多个领域。在煤气化过程中,各种工艺的原料气中,都含有一定量的硫化氢、氢氰酸、二氧化碳、水及其他杂质,这些物质会使下游工艺中的催化剂中毒降低活性使收率和使用周期减少,所以必须进行气体净化将煤气中的杂质特别是硫化氢去除。
1.1.2 研究意义
在理论上,创新是世界进步的动力,更是国家和社会发展的源泉和动力。也因此创新方法一直以来是国内外专家关注的焦点。随着我国在不同的科技领域,取得很大的飞跃,中国的科技研发能力越来越更多的服务于我国社会主义建设中。作为技术管理人员,我们更有责任对自己的研究领域不断进行技术创新;本研究更一步丰富和完善元易创新理论,使之体系更完整健全,不仅可以适用于机电磁、煤层气开采等行业,还在能源化工的化工流程操作中得到验证,进一步拓展创新方法使用领域,更好的服务各个行业的创新发展。
在应用上,以低温甲醇洗气体净化领域专利信息为基础,生成相应的关键词,从而得到该领域的创新元素,利用创新元素和创新法则的不同耦合关系,生成多种多样的技术创新方案,随之进行审查评价选择最佳技术方案进行实施。归纳总结出技术创新的一般规律,指导低温甲醇洗气体净化系统技术创新。该创新理论对企业创新发展具有深远的意义,能解决部分生产过程中出现的问题,进行工艺流程和工艺指标优化,提高企业生产效率和生产效益,从而提高企业技术创新能力和市场竞争力。
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1.2 研究问题和研究理论的可行性
1.2.1 研究问题
低温甲醇洗工艺是利用甲醇在低温下对气体的选择吸收性不同而进行气体净化的。在当今化工工业生产过程中,尤其是煤化工领域低温甲醇洗气体净化装置是不可替代的,该装置不仅气体净化效果好、原料易得,更重要的是经济运行性能优于其他气体净化工艺。但是在低温甲醇洗气体净化装置运行过程中存在很多问题,比如硫化氢超标、冷量损失严重、甲醇消耗大、废水 COD 超标等,不仅影响产品质量,而且严重影响装置长周期安全稳定运行,从社会和企业都亟待对该装置技术创新进行进一步研究。
1.2.2 研究理论的可行性
随着社会越来越重视技术创新,国内外各种技术创新方法不断出现。元易创新理论是基于创新维度与创新法则耦合构建创新路径的一种创新方法。元易创新理论的创新具有直观性、多样性和普适性,而元易创新理论的创新维度和创新法则均具有动态性和开源性,随着新产业、新工艺、新理论、新材料等新型企业的不断出现,对元易创新理论的创新维度和九种创新法则内容进行补充、扩展、完善、替代使之更加完整。该理论的可行性和有效性最先在煤层气开发利用领域得到验证,由于低温甲醇洗气体净化工艺是基于甲醇在低温下对酸性气体的吸收去除杂质的,该装置包括多种多样的设备、仪表参数等,理论上与元易创新理论中的九维九法相关联,所以将其应用于低温甲醇洗技术创新研究是可行的。
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2 文献回顾

2.1 气体净化技术相关研究
煤的气化是通过化学变化将固态物质直接转化为以气体物质为主的过程。气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧等。煤气化技术是发展煤基化学品(甲醇、乙二醇等)、煤基液体燃料、煤制天然气、制氢等的关键技术。但是在煤气化过程中产生 CO、H2、CH4等可燃气体和 CO2、N2等非可燃气体,同时不可避免地也会产生一些对环境有害的副产物,其中最主要的气相污染物是颗粒粉尘、硫氧化物和氮氧化物的前躯体、卤化物以及一些微量的金属和非金属单质。如果直接使用会造成下游装置的腐蚀和污染,特别在当代煤化工中由于后续产品对原料气的需求不同,需要经过变化和净化得到合适比例的原料气,这就需要对气化装置产生的粗煤气进行变换净化处理,特别是对其中的硫化氢、有机硫和 CO2。以下是介绍几种煤化工应用较多的气体净化方法,重点介绍低温甲醇洗气体净化技术。
2.1.1 聚乙二醇二甲醚法
聚乙二醇二甲醚法也称 Selexol 净化法,是美国联合(Allied)化学公司福朗克波特(Frank Porer)在 1958 年发明了在高压下能溶解酸性气体的良好溶剂低温聚乙二醇二甲醚(Selexol)。1965 年,美国联合化学公司开发出多组分的聚乙二醇二甲醚的混合溶剂用于合成气净化。1982 年 Norton 公司获得该项技术,1989 年联碳公司获得专利权,1993 年 UOP 公司与联碳公司合并,独家取得批发 Selexol 技术许可证。我国南京化学工业集团研究院经过多年研究,于20 世纪 90 年代成功开发出聚乙二醇二甲醚脱除各种合成气中硫化物和二氧化碳工艺,称为 NHD 法[3]。NHD 溶剂的主要成分为聚乙二醇二甲醚的混合物,属于物理吸收溶剂。
NHD 溶剂不仅对 H2S、CO2、COS 等酸性气体有较强的吸收能力,而且能选择性地脱除合成气中H2S。该工艺适用于天然气为原料的氨厂,也可用于以煤为原料、硫化物和二氧化碳含量较高的氨合成气、甲醇合成气等气体的净化。
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2.2 创新理论国内外研究现状
2.2.1 国外创新理论研究
熊彼特[30]创新理论表明创新就是一种新的生产函数,企业是创新的主体,社会的创新发展离不开企业家精神。阿利赫舒列尔[31]创立 TRIZ 理论,也称为发明问题解决理论。解决从提出问题到解决问题的各种方法,其中重要的理论之一是技术系统进化理论、需求进化定律、冲突解决理论等。Li 与 Huang 等[32]利用 TRIZ 理论中的冲突解决理论,40 条发明理论解决技术冲突,4 条分离原理解决物理冲突等原理对接线器的创新设计,使接线器的设计借助于其他领域的设计灵感,使接线器更加完善。Wits 与 Vaneker 等[33]运用产品设计中的冲突及发现方法,构建 FBS 模型,创建电子产品模块化结构与界面,更好的服务客户,并运用 TRIZ 理论解决设计中的矛盾,开发出基于 TRIZ 技术与 FBS 模型的产品界面矛盾解决方法。
野滋和赤尾样二在 20 世纪 60 年代提出质量功能展开(Quality FunctionDeployment,QFD),是一种基于客户需求带动产品开发的方法。Lo 等[34]将 QFD创新设计理念应用于三维形态图表的制作,为了更好简单明的应用,通过大量的实践开发了相应的计算机辅助设计系统。Kuijt-Evers 等[35]利用冲突矩阵,应用 40 条发明原理和技术冲突的 39 个工程参数,并根据 QFD 构建用户需求与工程特性关系,以螺丝刀为切入点,设计出人机舒适的工具。Yeh 等[36]结合四段式(产品规划阶段、零件配置阶段、工艺设计阶段和生产控制阶段)QFD、TRIZ发明问题解决理论、需求进化理论、技术进化理论与冲突解决理论、环境生态等要素设计出笔记本电脑的绿色设计。Melgoza 等[37]利用 QFD 与 TRIZ 方法,在医疗设备创新方面解决了气管支架设计中的几何与材料物理矛盾,设计出满足病人需求的气管支架。
图 3.2 元易创新理论创新机理图
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3 相关理论基础 ........................ 26
3.1 低温甲醇洗技术相关理论 ......................26
3.1.1 低温甲醇洗原理 ......................... 26
3.1.2 低温甲醇洗的优点 ....................... 28
4 基于元易创新理论的技术创新路径构建 .................... 35
4.1 专利检索与收集 .......................35
4.1.1 专利数据检索 ................... 35
4.1.2 专利检索平台 ...................... 35
5 低温甲醇洗气体净化技术创新方案的路径识别 .............. 44
5.1 低温甲醇洗气体净化技术数据收集 ............................44
5.1.1 专利信息检索途径 ......................... 44
5.1.2 专利检索方案 ......................... 44

6 技术方案的实施

6.1 低温甲醇洗工艺基本流程
低温甲醇洗装置的主要工艺流程是由冷却、吸收、闪蒸、再生、精馏等单元组成。该工艺流程的特点是气体的净化度高,选择吸收性好,经济运营指标好。酸性气体脱除可以在同一个吸收塔中进行,吸收塔塔盘型式一般选用高效浮阀塔盘,塔盘可根据符合调整浮阀的高度,避免漏液和液泛等现象。吸收后的甲醇溶液在进行减压闪蒸和加热再生,使甲醇溶液可以循环使用。
以下是鲁奇工艺的低温甲醇洗基本流程简述,图 6.1 为该项目低温甲醇洗工艺流程图。
6.1.1 原料气冷却及氨洗涤
来自一氧化碳变换工序的压力为 3.45Mpa,温度为 40℃的原料气经原料气/合成气换热器Ⅰ(E04201)冷却至 16.5℃,冷却后的原料气进洗氨塔(C04207)利用经锅炉给水冷却器(E04224)冷却后的锅炉给水进行洗涤,除去原料气中绝大部分的 NH3等杂质,出洗氨塔的洗涤废水送至变换汽提塔。洗涤后原料气从洗氨塔顶部出塔,为了防止原料气中夹带的少量水蒸汽在低温时冷凝结冰,向出洗氨塔的原料气中喷入少量甲醇。最后原料气经原料气/合成气换热器Ⅱ(E04203)、原料气终冷器(E04225)冷却到约-27.3℃进甲醇洗涤塔(C04201)。
表 3.3 创新元族(维度)表
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7 结论与展望
随着国际和国内科技市场的活跃发展,技术创新不仅能代表区域经济发展的强大动力,更关系到各个企业的生死存亡,是企业生存发展的基石,对国家经济水平的提高、社会文明发展的进步以及全体人民对美好生活的向往都有重要意义。有效的创新理论和方法可以给企业带来新的技术增长点,提供企业产品的质量和效率,从而使企业在激烈的竞争中立于不败之地。元易创新理论是在专利地图、TRIZ、多维空间地图的基础上而总结完善出来的创新理论,将其应用于低温甲醇洗气体净化技术创新路径创建过程中形成以下几个结论:
⑴ 通过专利收集和分析,获得大量低温甲醇洗领域的众多专利,对检索的结果进行分析,收集到低温甲醇洗气体净化领域的众多技术趋势,包括申请总体趋势分析得到低温甲醇洗技术的发展历程、IPC 分析说明低温甲醇洗工艺主要应用于石油、煤气及炼焦工业(含一氧化碳的工业气体)行业中的气体净化工序,对系统出口合成气中硫化氢和二氧化碳是主要控制指标、申请人排名获得专利申请主要集中在传统的石油化工企业和设计院所等。在专利分析过程中,工程技术人员对低温甲醇洗系统知识进行了一次较深的认识和学习,提高工程技术人员的专业知识,进一步为企业的技术创新方向提供知识和人员储备。
⑵ 在专利分析的过程中,进行关键词分析,得到低温甲醇洗气体领域热点关键词,并通过关联词聚集、专家访谈、工程实践经验对获得的关键词进行二次删选和补充,并于相关联的创新法则对应,形成低温甲醇洗气体净化领域关键创新要素。
⑶ 对低温甲醇洗气体净化领域的创新要素与创新维度相关联而得到技术创新要素后,利用已确定的元易创新理论创新维度和创新法则耦合路径,将创新维度和创新法则进行变换和重组得到众多的新的技术创新路径,进而提出低温甲醇洗气体净化领域在工艺设计和实际操作过程中的技术创新方案。
参考文献(略)


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