DOC1-设计文档0-项目摘要

“S-green”团队项目摘要2017年“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛中石化镇海炼化柴油加氢精制工段含硫废气的深度脱硫及资源化利用项目项目摘要团队名称：宁波工程学院S-green团队指导老师：李正辉、周琦、李颖团队成员：盛雨冬、钮舒静、张佳强、陈艳波、俞沛杰完成时间：2017年7月目录1项目简介12废气量及产品方案23工艺设计34节能设计45设备设计56厂区选址与布置87清洁生产108经济分析109项目总结111 项目简介硫化氢废气是石油化工行业排在首位的职业及环境的危害因素，分布范围广，接触人员多，毒性危害大。尤其是随着高含硫原油加工量的增加，如何有效的脱除硫化氢成为一个亟待解决的问题。目前镇海炼化柴油加氢精制工段所产的硫化氢废气采用的脱硫工艺是利用普通的醇胺溶液提纯硫化氢且利用克劳斯法生产硫磺，回收效率最高能达到98，此方法装置直接投资费用高，硫磺回收成本大于市场销售收入，而且硫磺市场的供给已远大于需求。随着人们对环保要求的日益重视，本项目针对镇海炼化柴油加氢精制工段所产的硫化氢废气设计了一家将含硫酸性废气深度脱硫并予以资源化利用的分厂。镇海炼化柴油加氢精制工段所排放的酸性废气含有大量的氢气及少量硫化氢、二氧化碳等气体，本项目采用砜胺溶液（MDEA:SULF:H2O=4:3:3）作为吸收剂对硫化氢进行吸收，回收率可达99.99%，并对所得的硫化氢进行资源化利用生产精细化工产品二甲基二硫（DMDS）和二甲基亚砜（DMSO）。脱硫废气中的CO2经分离提纯后可制备甲醇，在减少碳排放的同时也可以满足工艺的原料所需。达到年处理8.5亿标立方米含硫酸性废气产2.6万吨二甲基二硫并和1万吨二甲基亚砜的目的，以实现在保护环境的同时有效利用资源以及与园区产品体系的有效融合。本团队在工艺设计中，兼顾经济效益和清洁生产，思路明确，亮点突出，其主要体现在以下几个方面：l 以镇海炼化柴油加氢精制装置所产生的含硫废气为废气源，将硫含量降低到17ppm以下，实现了深度脱硫；l 同时生产DMDS、DMSO两种产品，两种中间产物甲硫醇、甲硫醚也可作为产品出售，且可通过改变原料硫化氢和甲醇的用量比，灵活调节产品产量，具有良好的市场适应能力；l 载体硫化法生产二甲基二硫的过程中需消耗硫磺，缓解硫磺的市场压力；l 工艺路线过程包含吸收剂、甲醇、硫化氢、二甲基二硫等9个循环系统，提高了原子利用率；l 采用载体硫化法，该方法能耗低、产品收率高、硫和甲硫醇的转化率均接近100%；l 使用萃取精馏塔分离甲硫醇和甲硫醚，以工艺中产生的水为萃取剂，不引入新的物质，且省去了普通精馏塔的设备投资和巨大能耗；l 将废气中的CO2提纯用以制备甲醇，甲醇为生产过程中的原料，提高了原子的利用率，减碳90%。2 废气量及产品方案我们此次选定的废气源为镇海炼化柴油加氢精制工段所排放的废气。此工段原料气流量达每小时约11.2万标立方米，其中硫化氢含量为12550mL/m3，具体组成如表1、表2所示。表1 镇海炼化5月份柴油加氢精制工段废气排放数据表原料气流量（Nm3/h）硫化氢含量（mL/m3）硫化氢流量（Nm3/h）111700125501340表2含硫废气各组成成分占比组分H2SCO2CH4C2H6C3H8H2占比（体积分数）0.0120.0080.01120.00230.00380.9627通过以硫化氢为原料下游产物的对比，由于硫磺、硫化钠、硫化锌产能过剩，硫脲、蛋氨酸等有机物生产工艺过于复杂因此不给予考虑。而硫化氢和甲醇反应能生成甲硫醇或甲硫醚，并且根据调整硫化氢和甲醇的反应配比可得到不同比例的甲硫醇和甲硫醚，二者互为正负产物，能灵活满足市场的需求，下游产物分别为二甲基二硫和二甲基亚砜。综合考虑硫化氢的处理程度、资源化利用产品的市场等因素，确定产品为DMDS和DMSO，具体产品方案见表3。此外利用工艺中分离所得的二氧化碳生产甲醇作为后续主工艺所需的原料，既节省原料的成本，又可以减少温室气体二氧化碳的排放量，达到了经济环保的双重效果。表 3产品方案表产品名称单位数量规格二甲基二硫万吨2.699.8%二甲基亚砜万吨199.9%3 工艺设计本项目经过产品选择和工艺方案论证，以砜胺溶液为吸收剂进行湿法脱硫，设计了硫化氢提纯工段，达到对废气的深度脱硫。以硫化氢为原料合成甲硫醇和甲硫醚。参考美国PennWalt公司生产DMDS的工艺进行二甲基二硫合成工段。同时还设计了二甲基亚砜合成工段和CO2制甲醇工段。并实现了全流程稳态模拟与优化。工艺流程如图1所示，详见初步设计说明书第四章化工工艺及系统。图1 工艺流程框图4 节能设计 换热网络优化在本项目中，涉及公用工程量较多。为了充分利用能量，本项目通过使用Aspen Energy Analyzer软件，根据夹点设计法，结合实际情况，进行流股匹配，设计出了一种最优的冷热流股匹配方案（见图2）。同时将优化后的换热网络返回流程模拟和PID图纸，对比分析得出最优节能效果（见图3）。详见Aspen流程模拟源文件和PID图纸。全厂各工段换热网络的匹配方案如图所示，节能效果如图3所示。图2 全流程换热网络匹配方案19.21%23.05%图3 节能效果图（单位：MW） 热泵精馏甲醇精制采用热泵精馏有着设备简单、投资少、分离效果好和运行成本低的优势。图4和图5分别为热泵精馏流程图和热泵精馏运用前后能耗比较图，经过Aspen对比模拟，热泵精馏总能耗节约58.6%。详见创新性说明第三章。图5热泵精馏运用前后能耗比较图4热泵精馏模拟流程图 中间再沸技术硫化氢回收塔温差大，因此采用中间再沸技术。在适当位置上设置中间再沸器，从而缩小塔径，减少运行成本。同时设置中间再沸器充分减少了优质热能，提高了热力学效率。详见创新性说明第三章。图6 中间再沸器技术模拟流程图5 设备设计本项目设计过程中主要对固定床列管式反应器、萃取精馏塔进行了详细设计，对换热器、泵、压缩机等设备进行了选型。详见典型设备设计与选型和反应器设计说明书。 新型浮阀踏板图7 ADV微分浮阀塔板结构示意图图为ADV微分浮阀塔板结构示意图，ADV微分浮阀塔板具有以下几个特点：改进了F1浮阀阀顶无气液接触的状况，ADV微分浮阀塔板，在阀面上开设了固阀。从而充分利用了顶上的空间，提高了传质效率，并且固阀的结构也同时提高了操作弹性在阀脚上作了新的结构设计，不同于F1浮阀，使用中不会造成阀件的旋转，脱落或者卡壳。除了阀件的改进，在塔板构造上，也作出了一些变化，如采用了鼓泡促进器，降低了液面梯度，从而降低了气相分布的不均匀。塔板的流体力学和传质实验及实际工业应用结果均表明：相比F1浮阀塔板，ADV微分塔板的塔板压降、雾沫夹带率、漏液率均较低。并且传质性能能够提高10%上，生产能力也能增加30%上，比F1浮阀塔板有着更好的流体力学和传质性能。特别是在常压或需要加压的设备中，ADV微分塔板应用较为广泛。在国内外，己有超过350座塔使用ADV微分塔板进行设计或改造，效果良好。因此，在此处采用新型ADV微分浮阀塔板能极大地提高传质效率，加强塔的分离能力。 新型复合型塔板图8 NS-3复合并流塔板结构示意图图为NS-3复合并流塔板的结构示意图，NS-3复合并流塔板具有以下几个特点：NS3复合塔板吸取了New VST的立体结构，采用可降低压降的条形开孔，孔上方设置带有开孔的长条倾斜立体罩，罩内气体通道呈正锥形，罩外气体通道呈倒锥形，大大提高了气体通道面积，使最小气体通道面积可超过50%，最高可达65%，为塔板开孔率超过40%提供了可能性。长条倾斜立体罩外倒锥形空间设置有规整填料，一方面使气液并流的雾沫流通过填料进行高效传质与传热，另一方面利用填料除沫作用减少雾沫夹带，同时倾斜长条罩板为填料设置提供了支撑。 长条形罩体又作为塔板的加强筋板，提高了塔板的强度，解决了塔器大型化塔内件结构和安装的难题。中国石油大学，开发的NS倾斜长条塔板与三维规整填料耦合的NS复合并流塔板，很好的结合了板式塔及填料塔的优点，使板效率提高30%上，因此节省了能耗。这一创造，很好的了填料在大型塔的运用问题。在塔体不变的情况下，运用这种复合塔板改造旧塔内件，能够提高产量70%上、降低能耗，并且产品质量也有所提高。因此，在此处采用新型复合型塔板能有效提高传质效率，结合了板式塔和填料塔的特点，很好的解决了填料在大型塔的运用问题。6 厂区选址与布置 选址确定图9 厂区选址本项目将厂址定在位于浙江省宁波市镇海区宁波石化经济技术开发园区内，靠近总厂中石化镇海炼化，具体位置如图所示。园区作为浙江省石油化工重点发展的炼油基地之一，公共设施完善，企业集群使内部产业链优势明显；原料液化石油气直接来自总厂，方便快捷；三废处理、公用工程均有配套产业供应；园区还得到了政府的政策扶助优惠和资金技术支持，注重产业的健康可持续发展。 总厂布置总图布置根据人车分离理念，分设车流通道和人员通道，减少交通阻力。采用了平行布置，将生产区与生活区布置在厂区径向干道两侧，使二者互不影响。并且根据紧凑集中理念，合理布置厂区内建筑及车间位置，达到高效稳定安全的生产布置。厂区长为332m，宽为228m，厂区占地总面积为71376m2，主要包括生活和管理区、生产辅助区、生产工艺区和储运区等区域。我们使用Auto CAD进行厂区的平面设计（厂区平面布置图如图所示）图10厂区平面布置图 三维布置本项目利用Auto CAD 进行了设备布置图的绘制，确定设备的摆放位置，方便生产，同时对厂区进行三维设计，如图所示。详见车间平立面、车间三维布置和厂区三维布置源文件。图11厂区三维效果图7 清洁生产本项目为硫化氢深度脱硫及资源化利用生产DMDS和DMSO的清洁生产工艺，主要体现为：1. 镇海炼化对含硫废气的处理为普通醇胺溶液湿法脱硫，处理后废气中硫化氢浓度降为56ppm。本项目采用砜胺溶液作为吸收剂进行湿法脱硫，可将硫化氢排放标准降为17ppm，排放量为0.212kg/h，在恶臭污染物排放标准（CB14554-1993）中硫化氢的排放标准值为0.33kg/h，实现了深度脱硫；2. 将脱硫后的废气再经过分离提纯出CO2用以制备甲醇，甲醇作为后续工艺的原料使用，在减少碳排放的同时，降低成本；3. 工艺路线过程包含吸收剂、甲醇、硫化氢、二甲基二硫等9个循环系统，既提高了原子利用率，也减少了三废排放；4. 采用DETA、K2WO4ZnCl2/Al2O3等绿色催化剂，基本保证低污染乃至无污染，实现项目环境友好和生产经济；5. 废气均实现了循环利用，提高了原子利用率，催化剂产生的废固直接由出售厂家回收，生活废固降解处理，废液除部分含盐废水结晶出售外，其他均送往总厂处理。8 经济分析本厂经济技术分析遵循相关经济指标与分析方法，在充分了解市场价格后，借助 Aspen Economic Analyzer进行辅助计算，对全厂投资、利润、现金流量等进行了详细估算与说明，结果见表4。计算可知，本厂总投资51762.1万元，年利润22554万元，投资回收期9.42年。分析结果表明，本厂在经济上可行，具有较高的经济效益。详见可行性研究报告第八章第九章。表 4综合经济技术指标表序号指标名称单位数值1设计规模亿Nm3/a8.52年操作时间小时/年76003工程项目总投资万元51762.14固定资产投资万元13831.75直接材料费万元/年1314.96总定员人1017年成本费用万元/年26350.98全厂总产值万元/年558009年净利润总额万元/年2255410投资利润率%43.611投资利税率%56.912内部收益率%5.013投资回收期年9.4214投资净现值（税后）万元/年21278.19 项目总结本团队以“安全稳定、节能环保、合理创新、和谐发展、切合实际”为理念完成了镇海炼化柴油加氢精制工段含硫废气的深度脱硫及资源化利用项目的设计任务。本设计中，采用Aspen Plus对流程进行了设计与稳态模拟、物料及能量衡算，利用Aspen Dyna