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2017“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛宁波经济技术开发区石油化工园区含硫废气综合治理及资源化项目项目摘要上海电力学院一碗炸酱面-SPN团队成员：王思宇 杜舒华 陈永泰 郭波 魏小琴指导老师：朱晟 郭文瑶 辛志玲 徐群杰宁波经济技术开发区石油化工园区含硫废气综合治理及资源化项目项目摘要目 录1 项目简介12 工艺介绍(资源化利用)13 安全设计防护44 创新技术利用45 设备设计与选型56 自动控制57 车间布置与厂区设计58 经济评价69 软件使用610 项目总结6I1 项目简介本项目是宁波经济技术开发区石油化工园区含硫废气源丰富的基础上，建设一套含硫废气综合治理及资源化装置，目标生产2.2万吨/年甲硫醇，349吨/年甲硫醚和234吨/年二甲醚。硫化氢下游产物甲硫醇，具有较高的活性，易与其他物质反应构成含硫化合物，在农药、医药、食品等方面具有广泛的用途。甲硫醇是生产灭多威、倍硫磷、扑草净等农药的中间体。甲硫醇在作为食品和饲料添加剂方面主要是用于合成蛋氨酸，蛋氨酸是动物的一种必需氨基酸，是强化饲料的营养剂；是氨基酸输液、复合氨基酸的主要成分之一。其另外一种下游产物甲硫醚， 是一种有机硫化物，是生产二甲基亚砜、蛋氨酸及农药的中间体。可以用作有机化合物、树脂、无机化合物、聚合反应和氰化反应的溶剂。用作分析试剂，聚丙烯腈和其他合成纤维纺丝及液压油方面。还可用作城市煤气的赋臭剂、工业净化剂、涂料脱膜剂、电池低温防腐剂、农药渗透剂等。局部用于血液药品、植物病理学和营养物中。还可用作多数无机物的溶剂、催化剂。本项目以环境友好型生产为基础，以火力发电厂废气中的二氧化硫和石油精炼工业废气中的硫化氢为原料生产甲硫醇和甲硫醚，符合环保发展和经济发展的方向。此外，本项目产品新、具有较高的附加值，市场潜力大，效益突出，又能出口创汇，能够取得一定的经济效益、社会效益和环境效益。2 工艺介绍(资源化利用)在原料选择方面，我们使用园区内火电厂排放的含二氧化硫烟气和炼化厂排放的含硫化氢酸性废气，通过加氢转化反应和合成反应制备高附加值的甲硫醇产品。通过本项目的建设，实现了对整个地区的生态环境保护，加速了我国含硫废气资源化利用的升级与转型，符合可持续发展战略，从原料来源做到真正意义上的资源化。表2.1 主要原材料、辅助材料和燃料来源表项目名称数量来源运输方式备注原料二氧化硫4.54108 Nm3/a火电厂烟道气管道自镇海电厂、北仑电厂硫化氢4.68106 Nm3/a炼厂酸性废气管道自镇海炼化、埃索中油辅助材料MDEA2.4 t/a外购汽运自南京复优化工贸易有限公司氢气3.20107 Nm3/a园区内厂家提供管道自林德气体(宁波)有限公司甲醇15708.32 t/a园区内厂家提供汽运宁波市镇海鸿鑫化工有限公司燃料干气1.23106 Nm3/a总厂提供管道-在工艺选择上，我们注重生产过程资源化，力求原料的最大利用率，充分利用含硫废气本身的成分进行工业化应用。在工艺流程模拟中，我们采用了“六大循环”，将三股吸收剂、硫化氢、甲醇、和甲醇甲硫醚恒沸物进行回收循环利用，物料循环利用能大大提高过程的连续性，减少开停车次数和操作费用，增强生产能力。同时通过工艺路线优化，得到了物料的最大利用率。项目产生的碳排放可送往总厂碳捕集装置，减少了温室气体的排放。各主要循环物料硫化氢、甲醇、MDEA的质量损失率都在0.1%以下，做到了生产过程资源化。在三废处理方面，本项目实现资源化利用的同时实现清洁生产，因此在生产过程中仅产生三股废气，两股废水以及少量废固。废气中大部分为氮气、氧气和二氧化碳，含少量氢气、烃类，微量的硫化氢或二氧化硫等气体，故可经火炬燃烧后直接送往总厂碳捕集装置进行碳捕集。当本厂正常生产时，废水以COD为主，本项目污水处理站采用Fenton氧化法对废水进行综合处理，处理工艺如图2.1所示。Fenton氧化法是一种高效且经济的废水高级氧化技术。Fenton试剂在处理废水中作用主要包括对有机物的氧化和混凝作用，氧化作用是指过氧化氢和亚铁离子反应产生强氧化性的羟基自由基(OH)，氧化降解废水中污染物，具有混凝作用是因为反应中生成的Fe(OH)3胶体具有混凝、吸附功能。在处理高COD废水时，Fenton氧化法具有氧化能力强、设备简单、易于操作、操作成本低等优点。本厂废固主要为废弃催化剂，将其统一送往有处理资质的单位进行统一处理。图2.1 Fenton氧化法废水处理工艺示意图在催化剂选择方面，我们选用高效高选择性催化剂，尽量减少副产物的生成，并利用新型卧式水冷反应器，达到生产的连续性和可控性，使得反应能够达到我们的要求，减少分离任务和三废排放，在生产源头做到了清洁生产。在产品的精制方面，我们根据纳奇尔(Nadgir)等于1983年提出的有序试探法，再结合各待分离组分的沸点、腐蚀性、分离难易程度和在原料中的所占份额等实际情况，设计了甲硫醇合成反应产物的分离序列(如图2.2所示)，优化了工艺流程，提高了产品的纯度，降低了过程的能耗，保证主、副产品的产量与纯度，实现产品的资源化利用。图2.2 甲硫醇合成反应主要产物分离序列具体工艺流程及环境保护参见初步设计说明书。表2.2 本项目产品及规格序号产品规格(%)产量备注1甲硫醇99.92.25104 t/a主产品2二甲醚99.8234.4 t/a副产品3甲硫醚99.9349.2 t/a副产品3 安全设计防护安全是工业生产最重要的考虑因素，本项目贯彻“安全第一，预防为主，综合治理”的指导思想，设计了从上至下的五个安全保护层次。首先，整个工厂建立统一的HSE管理体系，把健康、安全、环境整合在一起形成一个管理体系综合管理。从项目的HSE管理方针、管理机构、人力资源、物质保障和遵循法律法规出发，进行整个体系的设计。其次，项目生产采用先进的本质安全理念，从流程设计、操作条件、储存运输、设备选型等方面来减少事故发生的可能性和危害性。再次，本项目生产中涉及到了国家危险工艺中的加氢工艺，运用DCS、SIS和ESD等控制手段对加氢反应器和氢气压缩机进行重点监控，并对整个工艺流程运用自动化手段进行工艺控制。然后，本项目在全厂布置上严格遵循石油化工企业设计防火规范和建筑设计防火规范，使设计做到规范标准；在平时生产操作时，通过多次的安全培训，提高员工安全意识，规范安全操作，降低人为事故发生的概率。最后，本项目制定全面的事故应急预案，运用ALOHA和Risksystem软件对泄漏事故进行模拟，为应急措施的制定提供依据。4 创新技术利用本项目采用含硫废气制备甲硫醇工艺。在设备上，使用了符合该工艺的卧式水冷反应器，高效型浮阀塔板，锥形双螺杆压缩机及“洁能芯”换热设备。节能方面，我们对整个厂区进行了热集成分析，使厂区内的冷热物流在合理范围内自己换热，从而达到节省能量的目的，并且采用了双效精馏以及热泵精馏技术来减少单元操作能耗。在控制方面，本工艺过程大部分的控制回路都采用常规单回路P&ID控制。对于温度较高，危险性较大的两台反应器，我们分别采用独立的安全仪表系统(SIS)进行控制，有效降低了生产过程的安全风险。具体详见创新性说明书。5 设备设计与选型本项目设计过程中主要对卧式水冷反应器、固定床列管式反应器、精馏塔、换热器、气液分离器等进行了设计。对储罐、泵，压缩机等进行了选型。具体计算及选型见典型设备选型计算说明书。6 自动控制仔细研究了本工艺的反应条件及工艺要求后，设计了与本工艺相对应的自控方案。考虑到常规单回路反馈控制策略(即P&ID控制)已在工业现场广泛应用，P&ID的调节也相对简单，易于让工程师和现场操作人员接受，本工艺过程大部分的控制回路都采用常规单回路P&ID控制。为提高过程的动态性能，对于特殊的工序，也采用了一些相对复杂的控制策略，具体如下：(1) 单闭环比值控制(2) 双闭环比值控制(3) 前馈-反馈控制(4) 串级控制(5) 分程控制(6) 均匀控制(7) 安全联锁控制详情参见初步设计说明书第十章。7 车间布置与厂区设计本项目设计过程中采用PDMS软件对全厂车间进行了设备建模和详细的管道布置，并得到了各个方向的视图。利用Auto CAD绘制了车间布置图。具体详见PDMS源文件及设计图册。本项目设计过程中根据相关规范对厂区进行了布置，利用Auto CAD绘制了厂区平面布置图。具体详见Auto CAD图纸绘制源文件及设计图册。8 经济评价本项目从总投资估算、产品成本估算、收入分析、经济指标分析几个方面对项目的经济性进行了分析，从投资利润率、投资利税率、静态投资收益率、投资回收期等指标可以看出本项目具有良好的经济效益，经济可行。具体详见经济分析。9 软件使用表9.1 软件使用一览表用途软件名称流程模拟Aspen Plus V8.4换热网络优化和设计Aspen Energy Analyzer V8.4塔设备设计与校核Aspen Plus V8.4，Cup-Tower，KG-Tower，Sulcol，SW6-2011换热器设计与校核Aspen Plus V8.4，Aspen Exchanger Design and Rating V8.4，SW6-2011自动控制、厂区设计Auto CAD车间布置及三维制作PDMS，Auto CAD，3D-Max，Lumion反应器流场模拟COMSOL Multiphysics 5.2泄露扩散模型模拟ALOHA，Risksystem10 项目总结本项目设计过程中，我们通过文献查阅设计了含硫废气制甲硫醇的工艺，完成了Aspen Plus流程设计与模拟，对设计的工艺流程进行了充分的验证。采用Aspen Energy Analyzer对系统进行了换热网络的设计和优化；应用多种选型软件对各设备进行了设计与选型，完成了二氧化硫加氢转化反应器装配图(1张)，甲硫醇合成反应器装配图(1张)，精馏塔装配图(1张)和换热器装配图(1张)；设计了系统自动控制方案，绘制了流程PFD图(12张)，P