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金陵石化分厂年产40万吨醋酸乙烯项目项目摘要1目录1.项目简介12.原料及产品方案22.1 原料组成22.2 产品方案23.工艺介绍34.节能设计与创新54.1换热网络54.2 热泵精馏塔54.3次低压蒸汽再生偶联溴化锂冰机制冷技术64.4 冷却水梯级利用65.设备设计与选型86.自动控制方案97.车间布置与厂区设计107.1 车间布置107.2 厂区设计108.能耗129.安全环境分析1310.经济分析1411.项目总结1616中国矿业大学（北京）NEXT团队1.项目简介 本项目为金陵石化分厂年产40万吨醋酸乙烯项目，采用德国Bayer 乙烯法工艺，利用来自金陵石化总厂的乙烯、总厂空分系统提供的氧气以及外购的醋酸为主要工业原料，使用上海石油化工研究院的CTV-催化剂，在列管式固定床反应器中合成醋酸乙烯。反应尾气较大部分循环至反应器前，少部分进行净化处理；粗产品依次经过初馏、脱轻组分、脱重组分，产品纯度达到 99.94%。本工艺包括醋酸乙烯合成工段、产品精制工段、尾气处理工段和醋酸精制工段四个部分。在生产过程中，设有多股循环物流，包括原料乙烯气体、乙烯醋酸混合液循环、高浓度醋酸乙烯循环（3股）、萃取剂循环以及水循环。分别通过对乙烯、醋酸的循环，使反应转化率有所提高，减少有机废液的处理量，实现绿色生产；通过对萃取剂的循环，减少了萃取剂的使用量，使萃取精馏能够稳定连续进行。通过水循环，减少废液排放并节水96%。设备方面，在反应器入口前设置静态混合器，保证乙烯、醋酸蒸汽与氧气充分混合；在填料塔中采用BH型新型高效填料，强化气液传质过程，增大气液有效传质面积，强化气液接触，提高分离效率；换热器采用全封闭流道连续型无中心管螺旋折流板换热器，使换热器传热效率较原先提高了79.8%。在分离技术上，采用过程系统工程有序直观推断的方法进行分离序列的综合，在优化的基础上采用萃取精馏、膜分离技术提高分离效率，做到工艺创新。过程节能方面，在流程模拟的基础上进行换热网络设计，装置能耗大大降低；同时运用热泵精馏、次低压蒸汽再生偶联溴化锂冰机制冷技术、冷却水梯级利用等技术，做到节能降耗。本项目生产的醋酸乙烯能够很好的满足我国醋酸乙烯市场，为下游聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、醋酸乙烯-乙烯共聚物等产业提供原料。2.原料及产品方案2.1 原料组成本项目每年生产醋酸乙烯40万吨，年需乙烯 24.52万吨，即549.56万Nm3，来自金陵石化母厂；年需醋酸29.51 万吨，主要由江苏索普化工提供；年需氧气22.8万吨，即511万Nm3，来自金陵石化的炼化空分系统。辅助原料为二级除盐水，由总厂除盐水管道供应。催化剂为CTV-III，催化剂第一年按100000元/吨购入138.84吨，催化剂寿命为三年，后续每年产生46.28吨失活催化剂，交由供应商以旧换新，中间价差按照催化剂单价的10%计，即10000元/吨。表2-1主要原料、辅助原料来源表项目名称数量来源运输方式备注原材料乙烯24.52万吨总厂提供管道由总厂送往本项目醋酸29.51万吨外购汽运购自江苏索普化工氧511万Nm3总厂提供管道由总厂送往本项目辅助原料除盐水39.91万吨总厂除盐水管网管道由总厂送往本项目环丁砜38.45吨外购汽运购自南京中淳生物科技有限公司碳酸钾15.46吨外购汽运购自连云港中鸿化工有限公司表2-2 催化剂供应表催化剂名称型号单位装填量年耗量寿命/年醋酸乙烯合成催化剂CTV-t138.8446.2832.2 产品方案主要产品：本项目采用乙烯法生产醋酸乙烯，主要产品为99.94%（wt%）醋酸乙烯。本项目没有副产品。表2-3 主产品醋酸乙烯规格序号项目指标1醋酸乙烯质量分数/%99.942密度（25 ）/（kg/m3）0.933色度（铂-钴）/号54蒸发残渣505酸度（以乙酸计）/（mg/kg）406醛含量（以乙酸计）/（mg/kg）2007水分/（mg/kg）4003.工艺介绍本工艺在德国 Bayer 乙烯法的基础上进行了改进，共有四个工段，包括醋酸乙烯合成工段、产品精制工段、尾气处理工段和醋酸精制工段四个主要工段。醋酸乙烯合成工段主要任务是将来自总厂的乙烯和醋酸经醋酸蒸发塔混合后与 O2 混合进入列管式反应器进行反应，反应热由循环水带走，副产0.35MPa低压蒸汽，反应器出口产物先对原料进行预热，然后从吸收塔底部进入，塔顶喷淋醋酸，回收醋酸乙烯，不凝气从塔顶离开，一部分循环至乙烯进料罐，另一部分去尾气处理工段。产品精制工段主要任务是将醋酸乙烯与醋酸、水和轻组分进行分离。粗产品依次经过初馏塔、一级闪蒸、二级闪蒸、醋酸乙烯精制塔，得到优等醋酸乙烯，所得醋酸乙烯纯度在 99.9% 以上。尾气回收工段主要任务是对一部分尾气进行净化，除去乙烯气体中的醋酸乙烯和CO2。尾气经洗气塔、洗除气体中携带的醋酸乙烯，洗净后的气体从塔顶离开进入膜组件，通过膜组件进行分离，得到较纯的乙烯气体循环至反应器前乙烯缓冲罐，处理后的废气主要含有CO2和乙烯，送至火炬燃烧处理。醋酸精制工段主要任务是将未参加反应并分离出来的粗醋酸与洗气塔底部流出的含酸废水进行精制回收。在该工段中使用萃取精馏与热泵精馏两种精馏方式，实现高效分离和节能降耗。全流程框图如图3-1所示，由Aspen Plus模拟软件得到工艺流程图如图3-2所示：图3-1 全流程框图图3-2 Aspen Plus全流程模拟4.节能设计与创新4.1换热网络在工厂的初步设计阶段，利用Aspen Energy Analyzer 10.0进行计算机辅助换热网络的设计和优化，同时结合合成工艺要求，最终以实现最大程度的经济效益为目标，来指导热量集成网络的设计和优化。先分别对四个车间各个工艺流股以及公用工程进行热量的匹配，以节能综合经济效益为目标进行换热网络优化设计，去除回路、不经济的小换热器、距离太远管路成本过高的换热关系，然后调试设计出全装置最优的冷热流股匹配方案。并将换热网络方案应用到工艺流程设计中。换热网络如图4-1：图4-1 全装置换热网络优化后的换热网络消耗热公用工程为1.638109 kJ/h，冷公用工程为1.830109 kJ/h，总换热面积为47100m2，经过分析可用发现其换热器总面积以及总公用工程有所下降，并且此设计更符合工厂中冷公用工程的使用方式，同时对换热器的进出口温度及换热面积进行了合理的调控，综合来看，该设计更加符合工厂实际，同时尽可能使同工段冷热工艺物流进行热交换，避免跨工段换热导致公用工程建设费用上升。4.2 热泵精馏塔本项目中醋酸精制塔塔顶塔底温度接近，温差为18.3，故设置其为热泵精馏，采用机械式蒸汽再压缩式（MVR）热泵精馏。如图4-2所示。本热泵精馏是以塔顶蒸汽作为工质。塔顶蒸汽经压缩升温后进入塔底再沸器，在此冷凝放热使塔釜液再沸腾，塔顶蒸汽冷凝为液体则经节流阀减压后，一部分作为产品采出，另一部分作为回流。为了使回流温度能够满足塔顶温度控制的要求，增设辅助冷却器以对回流液进一步冷却。而塔底液体被加热后进入闪蒸模块，严格控制其汽化分率，气体回流到塔内，液体作为产品采出。图4-2 醋酸精制塔热泵精馏Aspen Plus模拟通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4-1 热泵精馏与普通精馏能耗对比冷却能耗/kw加热能耗/kw热泵精馏-1763745818常规精馏-146241143126节能效果87.94%67.99%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，费用大大降低，综合考虑，使用热泵精馏技术可以使本流程更为经济节能。4.3次低压蒸汽再生偶联溴化锂冰机制冷技术本项目使用溴化锂机组，充分利用工厂的废热余热，并提供工厂低温冷冻水和循环冷却水的使用。溴化锂机组以余热、废热、排热等低势能为热能源，可以节约能耗，提高能源的一次利用率，节能减排效果突出。该机组以热能为动力，与利用电能为动力的 制冷机相比，可以明显节约电能。以一台2800kW的制冷机组为例，国产离心式制冷机耗电800kW，而溴化锂吸收式制冷机除功率较小的屏蔽泵以外，没有其他运动部件，仅耗电12kW，可节电788kW。溴化锂吸收式制冷机的应用可以缓解电力的紧缺，平衡冬夏电力负荷，具有现实意义，节约的电能可用于其它生产，创造更可观的价值本项目采用双效溴化锂吸收式制冷机。与单效型机器的不同之处是：它装有高压和低压两个发生器和两个溶液交换器。高压发生器产生冷剂蒸汽，再次作为低压发生器的热源。这样，不仅有效地利用了冷剂蒸汽的热量，而且减少了机器的排热量，因而制取单位冷量所需的加热量和冷凝器的冷负荷均可减少，机组效率大大提高。根据计算和实际测量的数据，加热量约为单效溴化锂机型的1/22/3，冷凝负荷约为1/2，热力系数可提高到0.95以上。从而达到节能40%以上的效果。4.4 冷却水梯级利用为减少冷公用工程的消耗，本项目的产品精制工段采用冷却水梯级利用的工艺，醋酸精制单元的循环冷却水给醋酸降温后由 20 升至 25，再作为醋酸乙烯精制单元的的冷工质，将75左右的醋酸乙烯降温至 40，同时控制冷却水出口温度不超过 40。5.设备设计与选型本设计团队对醋酸乙烯反应器R0101、醋酸乙烯精制塔T0202、醋酸乙烯产品冷却器E0205、气液分离器V0302、醋酸进料泵P0101、尾气压缩机C0104、醋酸原料罐V0104、乙烯混合缓冲罐V0102等设备进行了详细设计。利用Aspen Plus进行塔设计，对于溢流型板式塔，保证降液管液位高度/板间距均介于0.20.5之间，保证每块塔板的液泛因子（Flooding factor）均应介于 0.60.85之间；对于填料塔，保证每段填料的高度在 46 米，段间设置液体再分布器，保证整个填料层的能力因子（Fractional Capacity）均应介于0.40.8 之间。然后利用对塔设备进行了工艺设计、水力学校核，得到合适的水力学负荷性能图，对于溢流型板式塔，应保证降液管液体停留时间大于4秒，利用SW6对塔设备进行机械强度校核，校核过程充分考虑风载荷，地震载荷等，最终得到设备筒体壁厚、封头壁厚、裙座（或支耳）厚度、地脚螺栓大小及个数。利用Aspen EDR对换热器进行了详细设计，传热系数基于传热膜系数、固壁热阻和垢层热阻计算，校核结果保证换热器内冷、热流股的流态均应为湍流态（雷诺值大于6000），换热器面积裕度在 30%50%，压降合理。同时本项目对换热面积较大的换热器如E0401采用全封闭流道连续型无中心管螺旋折流板换热器，使换热器传热效率较原先提高了79.8%，大大减小装置体积。对于反应器，我们参考相关文献得到其动力学数据并且依此进行Aspen Plus动力学反应器模拟；以此为基础，依照反应特点选择适合其反应的类型、设计温度、设计压力，并且对反应器直径、长度进行计算。考虑到实际生产过程中的反应速率、催化剂寿命、反应器体积、反应器换热方式等，选取最优反应条件为176、800kPa(表压)。 本项目共选泵58台，对压力较高的泵采用上海佰诺泵阀有限公司自主研发的新一代化工屏蔽电泵，实现输送设备结构创新。本项目还对压缩机、蒸发器、储罐、回流罐等设备进行了合理选型。设备的详细选型结果见附录五 设备选型一览表、典型设备选型计算说明书6.自动控制方案本项目共设置约120套的控制回路。根据装置检测点和控制回路数量、全厂自动化水平要求和社会发展的情况，醋酸乙烯生产装置过程控制系统设置情况为：采用1套集散型控制系统（DCS）对主流程实施过程检测、数据处理、过程控制、能量平衡核算、计量管理、用电设备状态显示等，以提高全厂自动化水平、减轻劳动强度，降低生产成本；采用1套安全联锁系统（SIS）对装置中的醋酸乙烯合成反应器设备和生产过程进行安全联锁保护，确保装置安全、稳定、长期高效运行。保证有关生产人员的安全。压缩机控制系统随设备成套提供，随设备成套提供的控制系统与中央控制系统DCS之间主要信号进行数据通讯，部分关键信号采用硬接线连接。选择的控制系统除满足以上要求之外，还从醋酸乙烯生产规模、系统投入、系统性能及实用性等多方位考虑。项目使用Aspen Dynamics软件对非均相共沸精馏体系进行了动态模拟，经阶跃测试，该控制系统设计合理，鲁棒性强，并为PID图纸绘制提供依据。设计中对各工段详细绘制了P&ID工艺管道及仪表流程图，具体详见AutoCAD图纸源文件及项目图纸集。7.车间布置与厂区设计7.1 车间布置对于车间整体布置，考虑到厂房受工艺等条件的限制，厂房的平面形式采用长方形型布置，对醋酸乙烯精制车间进行了详细介绍。对于车间设备平立面布置，以工艺为主导，既保证了水平和垂直方向上的连续性，减少物料的交叉往返；又充分利用厂房的垂直空间布置设备，做到经济合理；最后本项目按照相关国家标准以及流程模拟结果进行车间设备平立面布置，具体详见AutoCAD源文件及项目图纸集。本项目设计过程中采用Pdmax2.0软件对醋酸乙烯精制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及管道轴测图。具体详见Pdmax2.0车间设备三维布置、Pdmax2.0三维配管及项目图纸集。醋酸乙烯精制车间Pdmax配管图如图7-1所示：图7-1 醋酸乙烯精制车间Pdmax配管图7.2 厂区设计厂区的布置考虑厂区地形、地质结构、风向等因素，综合本项目的生产和产品性质、特点和工艺流程最终确定了总厂布置图。并且通过四个大门对人流、物流以及消防进行分离，避免交叉，达到高效稳定安全的生产布置。厂区东西长450m，南北长250m，总占面积87500m2，主要包括厂前区、生产装置区、辅助生产区、储运区。生产区的西南侧为消防水池、消防站、消防泡沫站和紧急事故池。本厂消防站为小型消防站，如遇特大火情，为方便金陵石化厂消防总站消防车辆进出和生产区工作人员的及时逃生。另外，我们使用AutoCAD进行厂区的平面设计（厂区布置图如图7-2所示），并且利用利用Sketch Up软件绘制了厂区的三维效果图，有助于直观地了解厂区全貌。在安全方面，依照GB50160和GB50016，厂区的构建物、生产装置以及各个区域及厂区周边都相应考虑了其安全间距，具体详见初步设计说明书第三章。图 7-2 厂区布置图8.能耗参考石油化工设计能耗计算标准（GB/T 50441-2007）对本项目综合能耗进行计算，计算结果如表8-1所示：表8-1 综合能耗表序号项目名称单位数量1综合能耗吨标煤/年101751.42能耗单位产品能耗吨标煤/吨0.239单位CO2排放吨CO2/吨0.596万元GDP能耗吨标煤/万元0.264通过设计多种节能措施，使得本装置能耗达到同行业较为先进的水平，可见本项目能耗合理。能耗具体计算见初步设计说明书第二十四章。9.安全环境分析本项目运用Risk System软件对厂区内的乙烯、醋酸、醋酸乙烯等储罐区进行了重大危险源辨识并根据物质的物性进行了罐区物质的源相分析，继而根据源相分析的结果进行池或事故模型预测、沸腾液体扩展蒸汽爆炸预测、蒸汽云爆炸模型预测并分析了事故的伤害范围；此外还运用了ALOHA软件对相关储罐进行了蒸汽云爆炸事故、BLEVE事故、池火事故、中毒事故的模拟；还采用了HAZOP分析软件、爆炸危险指数评价对重大危险源进行风险预评估。最后，通过安全预评价和后期完善的安全措施，可使投产运行后的安全风险降低在可控范围之内。10.经济分析本项目从总投资估算、产品成本估算、销售收入分析、财务评价与经济指标几个方面对本项目的经济性进行了分析。从投资利润率、投资利税率、资本金利润率、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。全厂综合经济数据见表10-1：表10-1 主要经济数据表序号项目名称单位数值一产品方案1醋酸乙烯产量104t/a40二年操作时间h8000三主要原材料、辅助原料用量1乙烯104t/a24.522醋酸104t/a29.513氧气104Nm35116水104t/a39.917环丁砜t/a38.458乙酸钾t/a15.469催化剂 CTV-IIIt46.28四公用动力消耗量1电104kWh/a18929.82循环冷却水104t/a30959.4833低温冷水104t/a1488.024空气104t/a9662.8750.35MPa蒸汽再生104t/a128.9760.23MPa蒸汽17.4870.8MPa蒸汽80.9684MPa蒸汽43.739仪表空气Nm3/a13