毕业论文-年产28万吨乙二醇清洁生产工艺设计

1、湖南理工学院本科毕业论文 学 号 毕业设计（论文）题目:年产28万吨乙二醇清洁生产工艺设计 作 者 届 别 2016届 学 院 化学化工学院 专 业 化学工程与工艺 指导教师 职 称 高级工程师 校外指导 职 称 工程师 完成时间 2016 年4 月18日 湖南理工学院本科毕业论文 页 共 25页2.2间接法生产乙二醇工艺流程总图图2 间接法生产乙二醇工艺流程总图湖南理工学院本科毕业论文 2.流程模拟与优化2.3物料衡算及能量衡算概述物料衡算： 项目使用中石化巴陵分公司化肥事业部所产的合成气制乙二醇工艺，制得纯度为99.9%的乙二醇，年产量为28万吨；副产碳酸二甲酯。在已确定化学生产工艺和流程

2、后，由定性阶段转向定量阶段，通过对整个生产系统、生产车间，以及部分重要的生产单元进行物料衡算计算出主、副产品的产量，原材料的消耗定额、“三废”排放量及组成，以及产品收率等各项经济技术指标，从而定量地评述初步设计所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进，为后阶段的设计提供数据。二、能量衡算：本厂设计乙二醇年产量为28万吨，我们通过对整个流程中的能量进行衡算，从而进一步定量的描述，便于我们根据设备的热负荷选型，确定在流程中的能量输入位置、整体的公用工程消耗量、能量利用效率等。通过能量衡算，我们可以进一步发现过程中能量利用不合理的环节，从而设计热集成以实现能量的最大化利用

3、。2.4物料衡算及能量衡算举例反应精馏塔T0104是气相一氧化氮、氧气与液相甲醇反应生成亚硝酸甲酯的关键设备，进出物料较多，对其进行物料、能量衡算具有重大意义，验证该设备计算的合理性事关重要。但对该塔物料、能量衡算计算复杂，由于使用现代设计手段、采用过程模拟软件将其计算交由计算机完成，大大简化了人工计算量，提高了效率，详细的计算结果如表1所示。图3 反应精馏塔T0104流程图表1 反应精馏塔T0104物料、能量衡算总览表INOUTPFD编号0112020102020203020702080209Aspen编号MN0MN1NOO2ME-2ME0,H2OMN温度 1563.515.515.5351

4、14.836.1压力 bar2122555气化率1111001摩尔流量 kmol/hr11935.17741.5173.666346.324245.64189.31312044质量流量 kg/hr351359.324498.5211011081.82136038.2124710.1398377.7体积流量 cum/hr142615.520477.9643.8854148.609174.203180.32461429.57焓 Gcal/hr-44.862-34.6810.079-0.024-240.898-236.988-100.221MassFlow kg/hr亚硝酸甲酯18557.24119

5、8.36600013.897104299.7草酸二甲酯0000000碳酸二甲酯0307.385000307.3850乙二醇0000000乙醇酸甲酯0000000甲醇18592.1422776.6400136038.2111893.321126.32乙醇0000000一氧化碳57059.6548.01000057107.66一氧化氮63294.1428.92311000021866.17氮气192621.3122.5780000192743.9氧气00011081.82000氢气0000000水11.3716.32300012495.540.251二氧化碳1223.48110.293000012

6、33.774计算结果进入该塔物料523087.84kg，从该塔出523087.8kg，输入量基本等于输出量，误差为，误差源于软件计算的系统误差，并在允许范围之内，可以认为物料守恒；能量衡算结果，表明该塔需要输入-19573.281kw的能量，即对外放出19573.281kw的能量。（全部物料能量衡算详见附件物料能量衡算计算书及Aspen plus源文件）2.5流程优化设计举例本节以乙二醇减压塔T0202的优化为例，对塔板数、进料位置、回流比三个参数进行优化得到最优的工艺参数。（1）塔板数的优化减压精馏塔T0202的作用是在塔釜得到乙二醇。系统采用Aspen Plus中Sensitivity对乙

7、二醇减压精馏塔塔板数进行优化，优化结果如下所示：表2 乙二醇分离塔塔板数灵敏度分析表塔板数塔顶乙二醇的质量分数200.117479210.095845220.078241230.063693240.051508250.041201260.032417270.024921280.018542290.013282300.009174310.009174320.009174图4 塔顶乙二醇的质量分数与塔板数的关系图由图可知，当塔板增加到30时，随着塔板数的继续增加，对塔顶乙二醇含量的影响较小，且塔板数为30时已经达到了对产品的初步提纯，所以我们取塔板数为30。（2）进料位置的优化进料板的位置取决于进

8、料的热状态以及塔内操作状况，进料板位置选取对分离效果影响很大，采用Aspen Plus中Sensitivity对乙二醇减压精馏塔进料板位置进行优化，优化结果如下所示：表3 分离塔优化结果进料位置塔底乙二醇采出量 KG/HR塔底乙二醇回收率233566.610.961246334069.280.975642434410.460.985412534601.760.99089634717.10.994193734788.620.996241834831.410.997467934853.970.9981131034856.80.9981941134833.740.9975331234791.910.

9、9963361334740.110.9948521434679.750.9931231534609.150.9911021634525.670.9887111734425.460.9858421834303.150.9823391934150.660.9779722033955.70.972389图5塔底乙二醇的回收率与进料位置关系图 图6 不同塔板数时再沸器热负荷随进料位置的变化图分析上述图表可知，当选取进料位置为第10块板时，塔底乙二醇的回收率最高。因此本塔选择第10块板作为进料板。（3）回流比的优化精馏过程中回流比对能耗有很大的影响，因此，我们要选取一个能达到分离效果的最小回流比。我们采

10、用Aspen Plus中Sensitivity对回流比进行优化，优化结果如下所示。表4 乙二醇减压精馏塔回流比与分析表回流比塔底乙二醇采出量 KG/HR 0.2629098.170.4630559.180.6631648.630.8632477.511.0633109.141.2633597.321.4633980.281.6634285.81.8634539.022.0634746.052.234856.752.2634883.032.4634907.082.6634912.392.8634914.65334915.6湖南理工学院本科毕业论文 3.热集成及换热网络优化设计湖南理工学院本科毕业

11、论文 3.热集成及换热网络优化设计图7塔底乙二醇采出量与回流比关系图（4）优化结论分析图表可知，当回流比大于2.2时，对分离效果的提高没有明显影响。为了在达到分离要求的基础上，使能耗降到最低。因此我们选取2.2作为乙二醇减压精馏塔T0202的最佳回流比。3.热集成及换热网络优化设计3.1概述本章进行流程的冷热流股之间的能量匹配设计并构建换热网络。热集成旨在最大程度的利用流程内部的能量，减少公用工程的消耗，从而减少操作费用，降低生产成本。通过对流程流股的深入分析，利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络，其主要步骤如下19-21： （1）确定流程中需要换热的冷流股和热流股；

12、（2）利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（GCC）； （3）确定最小传热温差； （4）找出夹点及最小冷、热公用工程用量； （5）构建优化换热网络。设计过程中，为了禁止能量的跨越夹点传递，除了要满足夹点设计准则，还要满足夹点处的匹配准则。但是，最大能量回收的换热网络中往往会存在回路（冷端与热端合成以后）， 导致换热器个数大于最小换热器个数，使设备费用增加。另外，为了满足流股匹配，需要经常进行流股分割，一方面使网络复杂性增加，一方面流股分割在实际 当中并不很适用。因此，在最大能量回收的网络结构上，我们可以用能量松弛法，通过允许能量的跨夹点穿越，以增加公用工程为代价，来减少换热器个数，减

13、少总费用。为了避免出现不合理的长距离换热，减少管道和动力设备的投资。我们把全流程分成三个部分分别进行换热网络设计，这样做虽然没有达到全厂的能量最大利用化，但是可以降低设备投资，降低总投资。3.2组合温焓图及组合曲线绘制使用Aspen Energy Analyzer软件分别对三段工艺流程进行分析，根据物流数据，取定最小温差分别为17、6、5，得到以下三幅组合温焓图。图8 CO偶联车间、乙二醇合成车间、副产分离分离车间温焓图3.3构建和优化换热网络通过使用自动推荐设计，一氧化碳偶联车间、乙二醇合成车间分别得到20组自动优化结果，碳酸二甲酯分离车间由于设备较少只得到4组优化方案。选择流程相对简单、合

14、理，经济投资相对较低的方案，再进行手动优化，删除部分低功率小面积换热器，修改不合理换热，分别得到三个车间的换热网络方案，详细方案如下。3.3.1偶联车间换热网络图9 CO偶联车间换热方案3.3.2加氢车间换热网络图10 加氢车间换热方案3.3.3副产物分离的换热网络图11 副产分离车间换热方案3.4物流换热网络的详细说明 换热网络优化结果均绘制成工艺流程图（PFD）及带控制点的管道流程图（PID），主要车间的换热方案详细说明如下：3.4.1偶联及副产分离车间反应器R0101进料分别与反应器出料（E0101）、再生反应精馏塔进料（E0102）换热后进入反应器反应，反应器出料在与进料换热冷却后再引

15、入公用工程循环水冷却（E0103），吸收塔T0101塔顶冷却器E0104采用冰盐水冷却， T0102、T0103、T0104塔顶冷凝器E0105、 E0107、E0110均采用循环水冷却，T0102再沸器选用4.0Mpa蒸汽加热；再生反应精馏塔T0104进料在与R0101进料换热后再使用循环水冷却（E0108），T0104再沸器采用由反应器R0101所产的0.2Mpa蒸汽加热，为防止蒸汽量不足和冷凝水损耗，引用低压蒸汽进入R0101和E0109循环换热的系统，补充蒸汽或驰放多余冷凝水。T0105再沸器E0111采用0.8Mpa蒸汽加热，T0106再沸器E0114采用0.2Mpa蒸汽加热，T01

16、05塔顶出料冷却E0113、及T0106冷凝器E0115采用循环水，T0105塔顶冷凝器E0112选用低压蒸汽的冷凝水冷却副产低压蒸汽。3.4.2加氢车间DMO进料使用4Mpa蒸汽预热汽化（E0201）混合氢气，再与反应出料换热（E0202），反应器R0201副产的0.8Mpa蒸汽换热（E0203），再引用4Mpa蒸汽加热；反应器出料分别给T0202再沸器E0208、T0203再沸器E0211、T0201再沸器E0206提供热量，最后引入循环水冷却E0205；T0201、T0203塔顶冷凝器E0207、E0212均采用循环水冷却，T0202塔顶先经过循环水换热（E0209），再采用冰盐水冷却（

17、E0210）说明：气液分离罐由于压力降低温度自身就会降低，无需引用公用工程冷却换热网络上引入公用工程有误（对应流程图为V0202、换热网络上为V201），且无法删除因此无需考虑该换热。（流程图纸详见图册及图纸源文件）3.5节能效果主要车间的冷热公用工程节能效果对比如下表所示。对比基准为完全使用公共工程。湖南理工学院本科毕业论文 4.典型设备的设计及选型湖南理工学院本科毕业论文 4.典型设备的设计及选型 表5 偶联车间热集成前后冷热公用工程对比表项目热公用工程（MW）冷公用工程（MW）换热单元数总换热面积（104m2）匹配前63.61132.4103.381匹配后15.4484.21102.63

18、1节能75.72%36.40%表6 加氢车间热集成前后冷热公用工程对比表项目热公用工程（MW）冷公用工程（MW）换热单元数总换热面积（104m2）匹配前94.9497.30101.115匹配后21.9139.57121.162节能76.92%59.33%表7 全流程热集成前后冷热公用工程对比表项目热公用工程（MW）冷公用工程（MW）换热单元数总换热面积（104m2）匹配前174.09244.88254.604匹配后44.85130.91273.916节能74.23%46.54% 综上，进行冷热流股匹配后，公用工程消耗量下降显著，能够节省热耗74.23%，节省冷耗32.2%，我们采用分段优化换热

19、网络，节能效果也可以达到满意的目标，根据模拟结果，设备投资成本并没有显著变化。因此这种做法可行可靠，达到了节能的效果，也大大地节约了操作成本。4.典型设备的设计及选型本设计完成了2套反应器、10座塔器、26组换热器、16套机泵、4套压缩机组及22组储罐、缓冲罐的设计，鉴于本文篇幅有限并结合本人分工，故仅以换热器设计为例说明。4.1概述综合考虑本次设计任务及制造、经济等个方面，本次设计结构上主要采用管壳式换热器，从功能上需要选型设计预热器、加热器、再沸器和冷却器等，具体选取进料预热器（E0201）作为典型设备进行详细设计。结合工业上的使用，决定选择管壳式换热器，结构上选用固定管板换热器（BEM型

20、）。由一氧化碳偶联车间得到的草酸二甲酯需要经过预热与氢气混合，温度需要由170升温至200，而整个流程中并无工艺物流温度达到200摄氏度以上，因此需采用公用工程加热，我们选用4.0Mpa蒸汽进行加热，为防止草酸二甲酯因受热不均结晶，因此工艺物流选择走管程，以便清洗和控制结晶；4.0Mpa蒸汽走壳程。4.2设计原则换热器类型有很多种，每种型式都有特定应用范围。在某一场合下性能很好的换热器，若换到另一种场合可能传热效果和性能都将会有很大的改变。所以，针对具体情况并参照相关设计手册及设计标准22-27正确地选择换热器的类型是很重要的。4.3换热器设计校核举例使用Apsen Plus软件中HeatX简

21、捷设计计算模块，计算得到初步换热面积为15.8m2与换热网络优化中计算的换热面积13.0 m2基本一致，通过查阅相关标准25-26，选定内径400mm，管长3000mm，管径19mm，换热面积为28.4m2的双管程列管式换热器。初步确定型号为BEM400-2.5-28.4-4/19-2 I.我们再将主要数据导入Aspen Exchanger Design&Rating软件中进行校核，修改计算方式（Calculation mode）为校核和检查（Rating/Checking），修改物流信息，根据标准添加换热器详细尺寸，如图12所示.图12 换热器详细尺寸输入通过计算，仅有一处报警，该报警可以忽

22、略，软件校核结果如下图所示。图13换热器EDR软件校核结果（校核的详细结果见Aspen Exchanger Design&Rating备份文件及报告）校核得到管程壳程流体流速、压降均满足设计要求，温差虽大于50但是没有发生振动；传热系数也在工艺设计手册经验取值范围内，符合实际生产；换热器换热裕量在结垢后也达到最小换热面积的1.25倍，可以满足在各种工况下均达到换热要求。湖南理工学院本科毕业论文 5.车间、配管、自控湖南理工学院本科毕业论文 5.车间、配管、自控图14 换热器热阻及换热裕量结果综上，预热器E0201的选型结果为BEM400-2.5-28.4-4/19-2 I，设备数：1台。其余典

23、型设备包括换热器设计详细计算及选型结果详见附件初步设计说明书、附件反应器设计计算说明书、附件塔器设计计算说明书、附件设备一览表。5.车间布置与配管计算、自动控制设计及管道仪表流程图的绘制5.1车间布置及配管计算完成设备的设计计算与选型，确定了相关设备的尺寸，在满足工艺及流程、方便生产操作、便于安装和检修、环境保护和安全生产的要求同时，依据化工装置布置设计的相关规定与标准32-36，本设计完成了车间布置的设计。进而进行了管道计算，结合工况条件完成了管道管径计算及材质选择，依据化工装置管道布置设计的相关规定与标准37-43，使用Pdsoft软件完成了三维配管的工作。本设计选址在岳阳市巴陵石化，建设

24、在巴陵石化化肥事业部的扩建用地上，根据厂区选址的实际情况，做了实地考察，最后绘制了厂区总图，并使用三维软件搭建了厂区模型。（以上图纸和配管设计见附件图册及CAD源文件）5.2自动控制设计及管道仪表流程图的绘制本设计遵循“运行可靠、操作方便、技术先进、经济合理”的原则，根据工艺装置的生产规模、流程特点、产品质量、工艺操作要求，并参考国内外类似装置的自动化水平，对主要生产装置实施集中监视和控制；对辅助装置实施岗位集中监视和控制。设置全厂中央控制室，采用集散控制系统（DCS）28-30和紧急停车系统（ESD）30-31对全厂的生产装置及与工艺生产装置相配套的公用工程部分进行控制及事故处理。以DMO甲

25、醇吸收塔T0101塔顶控制为例说明控制方案的设计。T0101为吸收塔，塔顶进料甲醇吸收反应生成的气相，分离DMO和未反应的亚硝酸甲酯等，甲醇沸点较低，吸收过程中产生的热会将部分甲醇蒸发，因此要在塔顶设置冷凝器将其冷却回流，塔顶采出的是亚硝酸甲酯等气相。塔顶进料为从储罐而来的液相甲醇，故需要通过流量调剂控制进料量；塔顶冷凝器出料的温度决定着挥发的气相甲醇能否有效的冷凝，故采用温度调节来控制塔顶冷凝器的冷却介质的流量；塔顶采出的是气相物料，塔内的压力越高表明气相越多，故在塔顶安装压力传感器控制塔顶回流罐的气相采出阀门开度；塔顶回流罐中的液相甲醇液位高度决定着塔顶回流的甲醇的流量，故在塔顶回流罐设置

26、液位计控制回流阀门的开度。综上考虑对吸收塔T0101塔顶采用图15的控制方案。图15 T0101塔顶自动控制方案根据管道计算结果和自动控制方案设计结果按照绘制工艺图的相关标准44绘制了反应和分离车间、公用工程以及储罐区总计13张的管道仪表图。（图纸详见附件图册及CAD源文件）湖南理工学院本科毕业论文 6.总结总结本设计使用Aspen Plus软件进行了过程模拟与优化，使用Aspen Energy Analyzer软件完成了本工艺的换热网络设计，使用Aspen Exchanger Design and Rating等软件完成了典型设备的设计与选型，使用AutoCAD软件绘制了工艺流程图、管道仪表

27、流程图、车间布置图、厂区总图等工程图纸，使用Pdsoft软件进行三维配管设计，并使用三维软件搭建了工厂模型。最终依据相关国家标准45、参照化工工艺设计手册等完成了年产28万吨煤制乙二醇的初步设计阶段的工艺设计，并编写了可行性研究报告、初步设计说明书等文件。本设计结论：在中石化巴陵石化分公司化肥事业部（洞庭氮肥厂）基础上设计扩建一套年产28万吨乙二醇（EG）项目是可行的，并为中小型合成氨厂提供了一种发展思路。7.设计分工说明本设计为年产28万吨乙二醇清洁工艺设计，是一座工厂的完整设计，工艺流程较长，需要计算的设备较多，工作量较大。故本设计是合作完成的，除我以外参与本次设计课题的成员还有12级化工

28、专业李希龙、邓俊霞和13级的顾竞芳、宋健，本论文是每位成员依据各自分工不同而独立完成的，论文书写也是有所偏重的，完整设计作品列表请见附件，现将设计分工说明如下：闻昭权：负责副产分离车间和乙二醇精制车间部分塔设备优化、部分常规塔设备计算、全部流程模拟的整合优化、换热网络优化设计、换热器设计选型、自动控制设计、PFD和P&ID图纸绘制、其他图纸的修改审核、管道计算等工作，以及相关部分的设计文档书写。李希龙：负责乙二醇加氢、精制车间流程优化、加氢反应器的设计计算、反应器的装配图绘制、部分常规塔设备的计算、PFD和P&ID图纸审核、车间布置设计及图纸绘制、经济评价等工作，以及相关部分的设计文档书写。邓

29、俊霞：负责一氧化碳偶联车间的流程优化、反应精馏塔的设计计算、乙二醇减压塔的设计计算、塔器的装配图绘制、动力设备的选型计算、管道计算等工作，以及相关部分的设计文档的书写。顾竞芳：负责可行性研究调查、环境评价、安全评价、全部文档整理与书写。宋健：管道计算和3D配管设计、3D厂区模型及相关部分文档的书写。湖南理工学院本科毕业论文 参考文献湖南理工学院本科毕业论文 参考文献参考文献1刘光启等主编. HYPERLINK /redirect/bed2CA6tfDCif665BT9LWY8y8Ul8qRHNwCQhdIF6tDJbuc8Q69wvm9I7OdgepSGHxRoYhlfI8W2bi1JnAQk

30、PB8D9o6ZqwA t /_blank 化学化工物性数据手册有机卷M.北京:化学工业出版社.2002.2李学强等.国内煤制乙二醇现状及发展建议J.洁净煤技术,2014(6).3朱建芳,钱伯章.环氧乙烷的技术进展与市场分析J.化工科技市场,2007(7):1-7.4王海蔷,刘昱.环氧乙烷生产技术J.化工科技,2012(3):67-70.5章洪良.环氧乙烷直接催化水合制乙二醇的研究J.石油化工技术经济,2009(5):53-56.6黄格省,李雪静,杨延翔,曲静波.合成气制乙二醇产业化发展现状及分析J.石化技术与应用,2015,(1):75-79.7Ei DuPontS De Nemours a

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