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中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 2 万吨万吨/ /年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 20182018“东华科技东华科技- -陕鼓杯陕鼓杯” 第十二届全国大学生化工设计竞赛第十二届全国大学生化工设计竞赛 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 2 万吨万吨/ /年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 项目摘要项目摘要 MARVELMARVEL 团队团队 成员姓名：刘思蕊成员姓名：刘思蕊 黄彬彬黄彬彬 黄黄 巧巧 夏筱风夏筱风 陈志文陈志文 指导教师：赵彬然指导教师：赵彬然 陈立宇陈立宇 刘恩周刘恩周 郝青青郝青青 吴吴 乐乐 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 2 万吨万吨/ /年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 2018 “东华科技东华科技-陕鼓杯陕鼓杯” 第十二届全国大学生化工设计竞赛第十二届全国大学生化工设计竞赛 中石化泉州分厂 2 万吨/年异戊二烯生产项目 项目摘要 2018 年 8 月 10 日 设计单位西北大学化工学院 设计团队MARVEL 队 成员姓名刘思蕊 黄彬彬 黄 巧 夏筱风 陈志文 指导教师赵彬然 陈立宇 刘恩周 郝青青 吴 乐 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 I 目录目录 1.项目简介项目简介.1 2.原料产品确定原料产品确定.1 3.工艺设计工艺设计.1 4.节能设计节能设计.2 5.创新说明创新说明.5 6.设备设计设备设计.6 7.清洁生产清洁生产.6 8.厂区选址与布置厂区选址与布置.7 9.安全环境分析安全环境分析.9 10.经济效益分析经济效益分析.9 11.项目总结项目总结. 11 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 1 1.项目简介项目简介 本项目是在中化泉州石化设计一座分厂，对中化泉州石化有限公司石油炼 制项目 1200 万吨/年石油炼制中副产品抽余 C4 中的异丁烯进行资源化利用，项 目以总厂石油炼制产生的副产物抽余 C4 中的异丁烯为原料，结合烯醛一步法 设计醚醛一步法的异戊二烯合成工艺，制得异戊二烯产品，建于福建省泉州市 泉惠石化工业园区。 2.原料产品确定原料产品确定 本项目设计的是中石化泉州分厂 2 万吨/年异戊二烯生产项目，其原料为来 自总厂的副产物抽余 C4，实现对抽余 C4 中高附加值组分异丁烯的资源化利用。 表表 1 中化泉州石化中化泉州石化 1200 万吨万吨/年炼油副产物抽余年炼油副产物抽余 C4 组成与性质组成与性质 成分成分含量（含量（Vol/%）成分成分含量（含量（Vol/%） 丙烯2.33顺-2-丁烯6.19 异丁烷4.87反-2-丁烯3.62 异丁烯44.89正丁烷7.91 1-丁烯30.19 本项目以总厂供应的抽余 C4 以及工艺水和外厂的甲醇、甲醛水溶液为原 料进行异戊二烯的生产，同时副产无水叔丁醇。实现了抽余 C4 的资源化利用。 表表 2 本项目主副产品一览表本项目主副产品一览表 序号序号产品产品规格（规格（%）产量产量备注备注 1异戊二烯99.92 万吨主产品 2无水叔丁醇99.81.2 万吨副产品 3.工艺设计工艺设计 本项目经过产品选择和工艺方案论证，以烯醛一步法为基础设计醚醛一步 法的异戊二烯合成工艺。设计了叔丁醇合成工段、甲基叔丁基醚合成工段、异 戊二烯合成工段组成的工艺流程，并实现了全流程稳态模拟与优化。 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 2 工艺流程详见初步设计说明书第四章化工工艺与系统。 来自总厂的抽余 C4 与工艺水分别经过换热器，达到反应温度 70，进入 固定床反应器，在反应器中发生的反应为异丁烯水合生成叔丁醇，反应后液体 进入油水分离器，油相到下一工段继续反应，水相进入叔丁醇精馏塔，在塔顶 得到 85%左右的叔丁醇溶液，塔釜几乎全为水。剩余 C4 与甲醇经过换热器， 进入反应精馏塔，塔中异丁烯与甲醇生成甲基叔丁基醚，异丁烯转化率达到 99%以 上，塔顶冷凝液进入纯净 C4 精馏塔，在塔顶将剩余 C4 组分以气体形式排除， 两塔底得到甲基叔丁基醚，纯度在 99%以上，进入下一工段继续反应。 甲基叔 丁基醚与甲醛水溶液经过蒸发器、过热器，加热到反应温度 300，进入流化 床反应器，反应器中同时发生甲基叔丁基醚生成甲醇和异丁烯的吸热反应，异 丁烯和甲醛合成异戊二烯的放热反应，通过控制原料比及反应温度可以实现吸 放热量平衡，有效利用反应热。该工段采用三个流化床串联反应，加深反应深 度。并加入主要副产物叔丁醇抑制副反应，提高异戊二烯选择率与收率。反应 后气体可作为热源为其他物流的加热提供热量，物物换热后经过压缩、降温， 进入吸收塔，吸收剂为叔丁醇精馏塔塔釜，吸收塔塔底液体经过水膜分离器， 得到水循环继续作为吸收剂。吸收塔塔顶气体进入异戊二烯精馏塔，在塔底得 到 99%以上的无水叔丁醇，作为副产品。塔顶冷凝液进入异戊二烯膜分离器， 得到纯度较高的产品异戊二烯。 4.节能设计节能设计 （1 1）换热网络优化）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。同时将优化后的换热网络返回流程模 拟和 PID 图纸，对比分析得出最后方案，详见 Aspen 流程模拟源文件和 PID 图 纸。全厂换热网络的匹配方案如图 1 所示。 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 3 图图 1 全厂换热网络匹配方案全厂换热网络匹配方案 相较不采用热集成技术直接用公用工程进行换热的换热网络，运用热集成 前后能耗对比如下： 表表 3 公用工程对比表公用工程对比表 项目项目冷公用工程冷公用工程/MW热公用工程热公用工程/MW总计总计/MW 直接公用工程11.25011.21722.467 换热网络设计6.8676.83313.700 能量减少量/%38.9639.0839.02 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，能 量回收率（节能率）达到 39.02 %。 （2 2）空冷技术）空冷技术 T0201 反应精馏塔塔顶出料温度较高，直接用循环水冷却耗费的公用工程 量大，耗能高。本项目采用先空冷再水冷的冷却方式，合理利用设备，节约能 耗。空冷器散热面积大，有利于降低介质温度，但空冷器降温范围有限，因此 在空冷器之后加水冷器可以稳定控制温度；其次，塔顶出料与循环冷却水温差 太大，当水的流量、流速不够时容易结垢，在水冷之前加空冷可避免结垢问题； 最后，从成本及后期维修费用分析，塔顶空冷器后加水冷器换热方式较为经济。 总之，采用空冷加水冷的工艺技术经济可靠，可以起到明显的节能效果。 表表 4 空冷器使用前后公用工程对比表空冷器使用前后公用工程对比表 项目项目冷却水用量冷却水用量空气用量空气用量(kg/h) 直接循环水冷却直接循环水冷却4.15105/ 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 4 加入空冷器加入空冷器1.751051.73106 费用节省量费用节省量/%57.83/ （3 3）全厂能耗）全厂能耗 参考综合能耗计算通则（GB2589-2008）对本项目综合能耗进行计算， 计算结果如表 表表 5 全厂能耗一览表全厂能耗一览表 消耗量消耗量 单位耗量单位耗量年耗量年耗量 能耗低热值或能耗指标能耗低热值或能耗指标 总能耗总能耗 104 单位能耗单位能耗 序号序号项目项目 单位单位数量数量单位单位数量数量单位单位数量数量MJ/aMJ/t 1电kWh/t1128.8104kWh1806MJ/t3.606501.63250.8 2工艺软水t/t7480104 t1.496MJ/t14.2321.28910.6445 3循环冷却水t/t193.8104t310.08MJ/t4.191299.2649.6 4冷冻盐水t/t1.6104t2.56MJ/t153.31392.47196.235 5低压蒸汽t/t0.831104t1.329MJ/t2302.653060.221530.11 6中压蒸汽t/t0.6855104t1.097MJ/t3122.063424.891712.45 7仪表空气Nm3/t12.8104 Nm320.48MJ/Nm31.1723.961611.9808 8工厂空气Nm3/t6.7104 Nm310.72MJ/Nm30.889.43364.7168 9氮气Nm3/t9.2104 Nm315.42MJ/Nm311.72180.72290.361 合计合计14913.78 7456.89 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 5 5.创新说明创新说明 （1 1）抽余）抽余 C4C4 资源化利用技术资源化利用技术 抽余 C4 资源化利用技术直接用石油化工厂废气或废液 C4 中的异丁烯作为 反应原料参与反应，有效的将废气/废液资源化利用。且异丁烯下游产品主要以 高浓度异丁烯为原料，但高浓度异丁烯较难获得且价格昂贵，利用抽余 C4 中 的较低浓度异丁烯（质量分数在 40%左右）获得高效益的下游产品是一种更节 能且易获得经济效益的方法。 （2 2）反应精馏技术）反应精馏技术 常用的反应器多为搅拌釜反应器、固定床反应器、流化床反应器，但都具 有一定的缺点，且转化率容易受到限制。本项目在甲基叔丁基醚的合成中采用 反应精馏技术，一边反应一边精馏，边反应边移走产物，有利于反应的进一步 转化。在本项目中，反应精馏过程中，抽余 C4 中异丁烯的转化率达到 99%， 包括反应精馏塔在内，仅需要两个塔就可以达到异丁烯转化率高，得到纯度较 高的甲基叔丁基醚的生产目的。反应精馏不仅提高了目的产物甲基叔丁基醚的 收率，也在一定程度上减少设备的投资，以及转换设备时的能量损失，是一种 既高产有节能的生产技术。 （3 3）醚醛一步法技术）醚醛一步法技术 项目将传统的烯醛一步法改良为醚醛一步法，将异丁烯与甲醛合成异戊二 烯过程转变为甲基叔丁基醚与甲醛合成异戊二烯和甲醇。实际反应过程分为甲 基叔丁基醚生成异丁烯和甲醇，异丁烯和甲醛进一步生成异戊二烯，第一步为 吸热反应，第二步为放热反应，通过控制反应温度与进料比可以实现吸放热量 平衡，有效利用反应热，不需要添加或移走热量，实现能量的高效利用。 （4 4）多级流化床串联技术）多级流化床串联技术 传统反应多为单独一个反应器进行反应，但大多实际生产的过程中，反应 物的单程转化率很低，导致原料利用率低，产品纯度低。本项目在异戊二烯合 成过程中，采用流化床串联反应，以加深反应深度，在第一个反应器中不断加 入甲基叔丁基醚，并在串联的三个反应器中分别不断加入甲醛，以提高甲基叔 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 6 丁基醚和异丁烯的转化率，最终甲基叔丁基醚的转化率可达到 98%以上，异丁 烯转化率达到 80%以上。 （5 5）膜分离技术）膜分离技术 目前工业上大多采用闪蒸、精馏、吸收等方法分离混合物以的达到想要的 产品，以及较高的产品纯度，但这些常规方法大多无法得到纯度很好的产物， 且容易受到混合物中个组分的沸点、饱和蒸气压、溶解度等物性参数的影响。 本项目中采用膜分离技术，脱乙酰壳多糖薄膜与 Ag+或 Cu+离子螯合，可以有 效地分离烯烃和烷烃，以及烯烃和二烯烃，得到纯度较高的异戊二烯产品。 6.设备设计设备设计 本项目设计过程中主要对叔丁醇反应器等设备进行了详细设计，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。 7.清洁生产清洁生产 本项目为利用总厂副产抽余 C4 为原料生产异戊二烯的清洁生产工艺，主 要体现为： （1）将国内资源化利用程度低的抽余 C4 加以利用，实现了 C4 烃向资源 化利用方向转变，起到节能减排、清洁生产、废弃物资源化利用和提高经济效 益的作用。 （2）工艺路线过程进行吸收剂水的循环，既提高了水资源利用率，也减少 了废水排放； （3）使用高效分离技术膜分离技术，直接将异戊二烯纯度提高到 99.9%， 扩大了经济效益。 （4）结合烯醛一步法设计醚醛一步法的异戊二烯合成工艺使用甲基叔 丁基醚（MTBE）在反应器中生成异丁烯和甲醇，继而异丁烯与加入的甲醛反 应生成异戊二烯。该法在同一反应器内进行吸热和放热两种反应（裂解和缩合） ，热效率高，流程短，副产物少，三废排放少，产品容易精制，各项能耗都显 著降低。 （5）反应工艺采用绿色催化剂，基本保证低污染乃至无污染，实现项目环 境友好型、生产经济型； 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 7 8.厂区选址与布置厂区选址与布置 (1)(1)选址确定选址确定 图图 2 厂区选址厂区选址 本项目将厂址定在福建省泉州市泉惠石化工业园区内。 该园区是湄洲湾石化基地的重要组成部分，规划面积 33.8km2，2012 年 9 月升格为省级开发区，属国家一类开放口岸，2014 年实现石化产值约 400 亿元。 工业园区配套公用工程和周边基础设施完善，完全可满足大工业、大项目入驻 需要。 (2)(2)总厂布置总厂布置 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 311m，南北方向宽 255m，总面积（不包括发展预留地） 为 79305m2。，主要包括管理区、辅助生产区、生产工艺区和储运区等区域。 我们使用 AutoCAD 进行厂区的平面设计，厂区平面布置图如图 3 所示。 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 8 图图 3 厂区平面布置图厂区平面布置图 (3)(3)三维布置三维布置 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，同时对厂区三维进行设计，如图 4 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。 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 9 图图 4 厂区三维效果图厂区三维效果图 9.安全环境分析安全环境分析 通过使用 RiskSystem 环境风险评价软件，对厂区各原料、罐区进行风险定 性分析，然后结泉州市的气象条件、居住区分布及本项目的特征，对事故发生 后的危害范围及风险进行预测，做出环境风险评价（ERA）和环境影响评价 （EIA），为本项目的风险决策及管理提供依据，并为工程的设计和施工提供 依据。 10.经济效益分析经济效益分析 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。计算可知，项目预期总投资为 11786.71 万元，投资 15 年后，累积现金流量 47679.93 万元，所得税后投资回收期为 5.83 年。分析结果 表明，本项目在经济上是可行的，醚醛一步法技术具有较高的经济效益。详见 详细内容见初步设计说明书第二十六章。 表表 6 主要经济技术指标表主要经济技术指标表 序号序号项目名称项目名称单位单位数值数值 一年产年产 2 万吨异戊二烯万吨异戊二烯t/a20000 二产品方案产品方案 1异戊二烯t/a20000 2无水叔丁醇t/a12000 三年操作时间年操作时间h8000 四主要原材料、辅助原料用量主要原材料、辅助原料用量 1抽余 C4t/a61600 2工艺水t/a14960 3甲醇t/a282 4甲醛水溶液t/a52800 5固体杂多酸催化剂t/a8.99 中石化泉州分厂中石化泉州分厂 2 万吨万吨/年异戊二烯生产项目年异戊二烯生产项目 10 6大孔 S 树脂催化剂t/a1.05 7CRN 活性炭催化剂t/a2.5 五公用动力消耗量公用动力消耗量 1冷却水t/a3100552 2冷冻盐水t/a25600 3低压蒸汽t/a13296 4中压蒸汽t/a10968 5电kWh18060800 6仪表空气Nm3/a204800 7工厂空气Nm3/a107200 8氮气Nm3/a154200 六三废排放量三废排放量 1废水t/a4898.8 2废气Nm3/a3619.824 3废固t/a38.74 七全厂定员全厂定员人78 八总占地面积总占地面积亩119 九工程项目总投资工程项目总投资万元11786.71 1建设投资投资万元10142.79 2建设期利息122.5