Give me five-创新性说明书

上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 目录 一、产品结构创新一、产品结构创新 . 1 1.1 产品结构创新. 1 二、工艺流程创新二、工艺流程创新 . 2 2.1 工艺流程. 2 2.2 反应精馏塔. 2 2.3 反应器与反应精馏塔偶合. 4 2.4 喷射式混合器. 6 2.5 原料叔丁醇. 7 2.6 脱烃塔预分离工艺. 7 2.7 产品回收工艺. 8 2.8 脱水吸附塔. 9 三、节能方案创新三、节能方案创新 . 11 3.1 换热网络. 11 3.2 热泵精馏. 12 3.3 水循环系统. 13 四四、控制系统、控制系统 . 14 4.1 紧急停车系统（ESD） . 14 五五、环境影响评价、环境影响评价 . 15 六六、安全风险预评估、安全风险预评估 . 16 6.1 安全风险评价方法. 16 6.2 安全对策措施. 16 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 1 一、产品一、产品结构创新结构创新 1.11.1 产品产品结构创结构创新新 本项目为上海赛科石油化工有限公司高纯度扩建项目得到纯度 99.9%的高 纯度异丁烯，其中有部分直接去往附近化工厂，如：上海璐彩特公司。解决了高 纯度异丁烯原料缺口的问题， 且运输出售方便； 其余则进入出售以制备丁基橡胶、 农药工厂以及其他精细化工部门。 本工艺流程在产品结构上既满足了市场需求，又弥补了附近化工厂原料缺 口，实现了高纯度异丁烯资源的最大化符合国家可持续发展战略的要求。 图图 1.1.1 1 原料方案原料方案和产品和产品结构结构 99.9% 异丁异丁烯烯 丁基橡丁基橡 胶厂胶厂 其他其他 农药工业农药工业 制杀虫剂制杀虫剂 混合混合 C4 附近化工厂附近化工厂 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 2 二、工艺流程二、工艺流程创新创新 2 2.1 .1 工艺流程工艺流程 本工艺路线分为混合碳四制备叔丁醇工艺、 叔丁醇制备高纯度异丁烯和水循 环系统工艺三段，以混合碳四中的异丁烯和水为主要原料，制取高纯度异丁烯。 具体工艺流程如下图所示： 图图 2.1 2.1 混合碳四制备叔丁醇混合碳四制备叔丁醇工段工段流程图流程图 图图 2.2.2 2 叔丁醇制备高纯度异丁烯叔丁醇制备高纯度异丁烯工段工段流程图流程图 图图 2.3 2.3 水循环系统工段水循环系统工段流程图流程图 该工艺路线由母厂混合碳四废气和水作为原料，工艺原料费用极低，且异丁 烯收率高、纯度高，受外供原料约束很小，工艺经济收益较高；蒸汽需求量低、 “三废”排放量小、对于项目建设所需基础设施配套条件要求较低，操作条件简 单，操作费用低，建设和运行管理相对容易。详细对比见初步设计说明书。 2 2. .2 2 反应精馏塔反应精馏塔 本工艺路线主要分为三个工段，第一个工段是混合 C4制备叔丁醇工段，第 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 3 二个工段是叔丁醇制备异丁烯工段，第三个工段是水循环工段。相比于传统的制 备叔丁醇工艺， 我们用反应精馏替代了水合反应工段， 将反应与精馏过程相结合， 从设备上来看有效减少了塔高和塔的制造成本；从反应收率来看，提高了异丁烯 的转化率。 图图 2.2.4 4 混合碳四制备叔丁醇工段混合碳四制备叔丁醇工段流程图流程图 反应精馏塔将反应和分离两个操作单元结合在同一个装置中， 有效解决了部 分反应过程和分离过程的难题。有效地强化了内部物质耦合与内部能量耦合。经 过大量基础的理论研究，反应精馏塔在实际生产中已经得到了相当广泛的应用， 在很多反应过程中起到提高反应和分离效率的重要作用， 为化工生产过程降低了 巨大的成本。 图图 2.42.4 传统反应工艺流程图传统反应工艺流程图 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 4 图图 2.52.5 反应精馏图反应精馏图 反应是化工过程中极为重要的环节，精馏是物质分离中能耗巨大的一个步 骤， 反应精馏塔将二者巧妙地结合在同一反应装置中，是化学工业发展过程中十 分重要的创新发明，降低了酯化反应、醚化反应等许多工业生产中的生产成本， 成为现代化工领域中重要的先进技术。 考虑到异丁烯水合反应是一个可逆反应， 异丁烯的转化率受到反应平衡的限 制，传统的逆流水合工艺异丁烯转化率一般在 60%左右，所以我们在工艺中引入 反应精馏，通过在反应中不断将生成的叔丁醇从反应段移出，使反应的平衡得以 不断向水合反应方向进行，从而大大提高了异丁烯的转化率。通过 Aspen Plus 模拟和优化，异丁烯的转化率达到 80%以上。 2. 2.3 3 反应器与反应器与反应精馏塔反应精馏塔偶合偶合 混合碳四制备叔丁醇工艺路线以异丁烯水合制备叔丁醇工艺为基础进行优 化改进，以混合碳四中的异丁烯和水为主要原料，制取叔丁醇。具体工艺流程如 下图所示： 图图 2.2.6 6 混合碳四制备叔丁醇工段混合碳四制备叔丁醇工段 在异丁烯水合反应器中主要进行如下反应： 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 5 异丁烯水合反应是一个可逆的放热反应， 本工艺考虑到转化率和反应速率的 双重限制，将反应温度设定为 60，反应压强设定为 0.75MPa。根据文献可得收 化学平衡限制，该反应在 60、0.75MPa 的条件下的最高转化率在 85%左右，为 进一步提高转化率，节约原料，节约制造成本，本工艺在水合反应器后设置反应 精馏塔，反应分离同步进行，在反应的过程中移去产物叔丁醇，打破化学平衡， 使平衡向正方向移动，将反应转化率由 85%提高至 98%，大大提高了能源的利用 率。 使反应在远离平衡时在轴向绝热固定床反应器内进行反应， 反应器结构简单， 造价低廉，且催化剂填充量相对更少。在反应接近平衡时在反应精馏塔内进行反 应，可打破平衡，有效并最高效地发挥反应精馏塔的作用。 由于项目产量较大，达 10wt/a，故设置单个反应精馏塔，塔高将很高。将 反应器与反应精馏塔偶合的工艺与单个反应精馏塔作对比。 在 aspen 中作了单个 反应精馏塔的模拟，如图 2.7 所示： 图 2.7 单个反应精馏塔的 aspen 模拟流程 并进行了灵敏度分析，如图 2.8 所示： 图 2.8 Sensitive analysis 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 6 可以得到单个反应精馏塔在转化率达到 98时，所需要的理论塔板数大约 为 90 块，取塔板效率为 75，实际塔板数为 120 块。不计算裙座与底座，单个 反应精馏塔塔高约为 67.5m，是反应器与反应精馏塔偶合所得塔高的 4 倍左右。 对比数据如下表所示： 比较项目比较项目 反应器反应器+反应精馏塔反应精馏塔 单个反应精馏塔单个反应精馏塔 塔高（约） 40m 67.5m 理论塔板数 42 90 实际塔板数 56 120 表 2-1 反应器与反应精馏塔耦合与单个反应精馏塔各项数据对比 在经济成本上， 国内一个高近百米的反应精馏塔造价与一般反应精馏塔相比 高很多，显而易见，普通的轴向绝热式固定床反应器与反应精馏塔的耦合在造价 上更加节约。 在安全方面， 塔的高度越高所受的风载越大， 在同等条件下安全问题越突出， 需要增加加强圈、壁厚、地脚螺栓等等一系列措施。 故综合考虑，选用径向固定床反应器与反应精馏塔耦合更符合经济、安全、 技术现实。 2 2. .4 4 喷射式混合器喷射式混合器 喷射混合器具有良好的流动及混合特性，有利于强化传质，改善内部浓度和 温度分布，并且喷射混合器不消耗机械能，在某些场合还可以用作反应器，加快 反应进程，提高反应的选择性。 异丁烯水合反应器内发生的是液-液-固三相反应。若在反应器进料前不进行 预混合，则水与异丁烯接触不充分，反应的速率将大大降低。故水和异丁烯在进 入异丁烯水合反应器之前， 用喷射式混合器将二者充分混合， 以达到微观尺度的 混合。 喷射式混合器主要由喷嘴、接受室、混合室、扩散器组成，如图 2.9 所示。 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 7 图 2.9 喷射式混合器结构示意图 2 2. .5 5 原料叔丁醇原料叔丁醇 由于叔丁醇价格较高，目前市场上少有利用叔丁醇制备高纯度异丁烯的工 厂， 而本工艺所用的叔丁醇由本工厂第一工段的混合碳四和水制备而成，且混合 碳四来自于母厂的废气，如此一来，达到了废气利用的目的、减少母厂废气排放 符合保护环境的宗旨、符合绿色可持续发展理念，使生产所需的原料费用降至最 低的同时提高了本厂的竞争力，使本厂的经济效益最大化。 2 2. .6 6 脱烃塔脱烃塔预分离工艺预分离工艺 由于混合碳四原料中含有部分除异丁烯以外的碳四气体混合物， 在反应中不 仅难以除去，而且还会在水循环的过程中不断累积，严重影响产品的纯度指标。 若在叔丁醇合成高纯度异丁烯工段设法除去，则要考虑打破分子结构，使分子异 构化的工艺实现，工艺复杂且成本较高。本工艺使用脱烃塔 T0102 预分离的方 式，将碳四混合物中的废气在第一工段及时分离排放，使其质量流率由 229kg/hr 降至 17kg/hr，除去了流程中 92.6%的废气，大大提高了产品纯度指标，简化了 工艺流程，降低了工艺成本。 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 8 图图 2.2.9 9 脱烃塔预分离工艺脱烃塔预分离工艺 2 2. .7 7 产品产品回收工艺回收工艺 在叔丁醇制备高纯度异丁烯工段中，为除去粗产品异丁烯中混杂的叔丁醇， 利用叔丁醇在水中溶解度极大的物理特性， 使产品中大部分的叔丁醇通过水洗的 方式除去。然而此工艺虽然提高了异丁烯的纯度，保证了产品的纯度指标，却使 部分异丁烯损失，严重影响了产品的质量指标。为了再提高纯度指标的同时达到 目标年产量，本工艺引入产品回收塔，将水洗塔底部的水通入提纯塔 T0203 中 进一步回收异丁烯。这一工艺不仅回收了 99.2%的异丁烯，也使废水的纯度由 68.2%提高至 95%，使废水达到了可用循环水指标，可进行循环利用。总而言之， 异丁烯产品回收工艺具有双重提纯的效果， 在提高产品质量指标的同时达到了可 循环利用的目的，达到了经济效益的双重飞跃。 图图 2.2.1010 产品回收工艺产品回收工艺 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 9 2 2. .8 8 脱水吸附脱水吸附塔塔 在叔丁醇制备高纯度异丁烯的工段中，粗异丁烯需要经过脱叔丁醇、脱水吸 附塔才能得到 99.9%的高纯度异丁烯。 图图 2.2.5 5 叔丁醇制备高纯度异丁烯叔丁醇制备高纯度异丁烯工段工段流程图流程图 在工业上，为分离异丁烯-水系统，常用打破水分子中的氢键，使水作为轻 组分从塔顶排出的方式纯化异丁烯， 达到纯度指标。 考虑到此方法工艺条件苛刻、 操作复杂、费用较高、经济效益低等缺点，因此要进一步提纯需要特殊的工业技 术。目前国际上使用的技术有特殊精馏法、膜分离法、生物质吸附法和分子筛吸 附法等，其中国内外目前应用最广泛的是分子筛吸附法和生物质吸附法。 生物质吸附剂相对分子筛吸附剂来说：生物质的寿命短，每次更换生物质的 时候会加大成本；当吸附塔中的温度超过 200时，生物质会部分热解；生物质 再生的时候消耗的电量多，投资大，生物质的强度低、易碎。而分子筛的使用寿 命长，在严格的再生条件下，经过 2000 次再生后，分子筛吸附容量仅下降 30% 左右，可以降低设备的费用；分子筛的高温吸附能力强，在 250时分子筛尚有 3.5%的吸水量，可使乙醇含量达到 99.5%以上。所以相对长久来说，采用分子筛 吸附法脱水制取高纯度异丁烯，更加经济、合理。 因此，本工艺中引入了脱水吸附塔，高纯度异丁烯脱水吸附剂采用 3A 分子 筛，以柱形和球形混合装填，同时，提高床层温度、低温高速率下更有利于工业 生产， 且分子筛吸附剂高温下仍能保持很好的吸附性能，更加有利于工业上的实 施，有效降低成本，提高收益。 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 10 图图 2.2.6 6 脱水脱水吸附吸附塔塔 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 11 三、节能方案三、节能方案创新创新 3. 3.1 1 换热换热网络网络 本工艺对于整个流程的换热过程进行了集成，使用 Aspen energy analyzer 获 得一个能量较大回用的换热网络，如下图所示： 图图 3 3.1.1 较优化的较优化的换热网络换热网络 此方案费用指数为 0.1599，所需换热器为 30 台。本小组做过初步核算，若 换热流股均采用公用工程，则共需热公用工程 1.925 108 kJ/h ，冷公用工程 9.515 107kJ/h，换热器数目为 17 台，总费用指数为 0.1863。我们发现从软件自 动生成的方案中存在许多不合理和待优化之处， 于是采用能量松弛法对换热网络 进行了进一步优化，得到如下换热网络： 图图 3 3.2.2 最终最终的的换热网络换热网络 最终我们的总费用指数为 0.1585， 所需热公用工程为 1.925 108kJ/h， 冷公用 工程为 9.515 107kJ/h，换热器数目变为 21 台。 相比不进行换热网络合成的工艺流程， 总费用降低约 15%。 可以说能量回收 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 12 效果比较明显。 另外，我们对于热集成前后的能量消耗进行了对比： 表表 3 3.1.1 热集成前后热集成前后对比对比 冷公用工程耗量冷公用工程耗量 热公用工程耗量热公用工程耗量 热热集成前集成前 KJKJ/hr/hr 1.415 108kJ/h 1.943 108kJ/h 热热集成后集成后 KJKJ/hr/hr 9.515 107kJ/h 1.925 108kJ/h 节能节能效果效果 32.76% 1% 可以发现节能效果显著，能量回用率较大，加强了生产过程的经济性。 3. 3.2 2 热泵精馏热泵精馏 热泵是在精馏过程中通常采用的一种有效的节能技术。采用热泵工艺，不仅 可使生产能耗大幅降低， 而且可使冷却介质的温度在生产操作中不再具有决定性 的作用。 叔丁醇精馏塔的热泵精馏流程如图 5.3 所示，塔顶叔丁醇（物料 S-1）经压 缩机压缩后与塔釜废水（物料 S-10）进行换热，随后经节流膨胀、辅助换热， 部分回流，部分采出。由于该塔塔顶为气相出料，塔釜为液相出料，因此塔顶塔 釜处均加设分流器分离回流物流（物料 S-6、S-11）与产物（物料 S-7、S-9）。 图图 5.3 叔丁醇精馏叔丁醇精馏塔塔“A 型热泵”型热泵”Aspen Plus 流流程程 经过对热泵精馏和常规精馏的模拟， 我们将热泵精馏流程与常规精馏能耗的 对比如下： 表表 5.1 热热泵精馏与普通精馏能耗对比泵精馏与普通精馏能耗对比 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 13 冷却能耗/MW 加热能耗/MW 热泵精馏 -11.4457 13.3054 常规精馏 -16.2228 17.5350 节能效果 29.45% 24.12% 热泵精馏流程与常规精馏流程的能耗对比如表 5.1 所示，其中热泵精馏中的 压缩机电耗为 0.8394MW，电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数为 3.29，故热泵精馏加热能耗为 2.7616MW。 从表中可以看出，使用热泵精馏虽然将增加部分设备投资费用，但是同时也 将大大节约能耗，综合考虑，使用热泵精馏技术可以使本流程更为经济节能。 3. 3.3 3 水循环系统水循环系统 在本工艺流程中，低浓度异丁烯水合制备叔丁醇需要大量的工业水，同时在 叔丁醇提纯以及水解制备高纯度异丁烯中有大量工业废水产生， 这些工业废水的 纯度为 98%以上，可进行处理并进入循环系统。废水中含有约 500kg/hr 的叔丁 醇，若不及时除去，会在循环中不断累积，影响第一工段异丁烯水合转化率，故 将废水先通入水处理塔，利用除去大部分的叔丁醇。另外，水在整个流程的流动 中会将反应精馏塔中的部分催化剂共同带出，同时，由于流经金属管道，水中亦 掺杂金属离子，故将从水处理塔塔釜流出的循环水通入阴床、阳床过滤器将杂质 除去，以防在循环过程中不断累积影响产品指标。 水循环系统使几乎 100%的水资源实现了再利用，大大减少了工业用水量， 降低成本，达到经济环保的目标。 图图 3.3 3.3 水循环系统工段水循环系统工段流程图流程图 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 14 四四、控制系统、控制系统 4. 4.1 1 紧急停车系统（紧急停车系统（ESDESD） ESD 紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于 DCS 集散控制系统，其 安全级别高于 DCS。在正常情况下，ESD 系统是处于静态的，不需要人为干预。 作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只 有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过 DCS 系统，而直接由 ESD 发出保护 联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。 ESD 紧急停车装置，在石化行业有着广泛的应用。实际上它也是通过高速 运算 PLC 来实现控制的。为一切为了安全考虑，所以在硬件保护上做得较为完 善，而且他要考虑到在事故状态下，现场控制阀位及各个开关的位置。 在过程控制系统中，要设置一套安全仪表系统，对过程进行监测和保护，把 发生恶性事故的可能性降到最低，最大限度地保护生产装置和人身安全，避免恶 性事故的发生，构成了生产装置最稳固、最关键的最后一道防线。 上海赛科年产 10 万吨高纯度异丁烯项目-创新性说明书 15 五五、环境影响、环境影响评价评价 环境影响评价运用环境风险评估和环境影响评价、 三废处理的分析方式对环 境现状、施工期环境和生产期环境进行评价，确立了废水污染物三项（化学需氧 量、生物需氧量、有害有机物）、废气污染物两项（氮氧化物排放量、工业粉尘） 和固定废物一项（工业固体废物）共六个总