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华晨化工11万吨/年MMA生产项目项目摘要目录1.项目简介12. 原料和产品的确定22.1 原料组成22.2 产品23. 工艺流程设计23.1 甲基叔丁基醚预处理与裂解工段33.2 异丁烯精制工段43.3 甲基丙烯醛合成精制工段43.4 甲基丙烯酸甲酯合成精制工段54. 自动控制系统65. 节能与技术创新75.1 换热网络优化75.2 双效精馏86. 设备设计及优化107. 厂址选择137.1 厂址137.2 厂区布置168. 环境安全分析179. 经济效益分析1710. 总结181.项目简介本项目是利华益集团股份有限公司华晨化工分公司11万吨/年MMA生产项目，选址为山东省东营市利津县,占地80000平方米。地理位置优越，拥有公路、铁路、水路等多种运输方式，具有良好的地理环境。本项目以总厂利华益集团生产的甲基叔丁基醚（MTBE）为原料，采用“一反五塔”MTBE裂解制异丁烯技术、利用直接甲基化法由异丁烯合成生产市场效益更好、需求量更高的甲基丙烯酸甲酯（MMA）。在项目设计中思路明确，亮点突出：（1）尽量采取原料的循环利用，如急冷喷淋用的水循环、MMA萃取精馏塔的DMC循环、以及流程中的甲醇循环，减少原料需求量；（2）尽量利用节能新技术，如熔盐换热系统、双效换热、换热网络优化以及高效新型催化剂（大连化物所最新研究的MAL合成MMA的Au-CoOx合成催化剂），来降低能量损耗；（3）利用绿色环保的碳酸二甲酯萃取剂，兼顾经济效益和清洁生产，减少系统对环境的不利影响；（4）利用新型过程设备，如MAL急冷吸收塔，可以提高甲基丙烯醛的吸收率，同时吸收装置尾气达到了不钝化氧化催化剂活性的要求，提高了传质和分离效率。（5）对各项废液、废气、废渣进行合理处理，并最大程度得到资源化利用。在全国乃至全世界都要打好污染防治这一攻坚战的背景下，具有毒性和污染性的MTBE作为汽油的辛烷值添加剂已不再有优势，逐渐被乙醇汽油所代替。那么，100多家MTBE生产厂家所面临的危机将如何解决，成为化工行业所面临的问题。从长远考虑，甲基叔丁基醚转产是未来的一个趋势，本项目不仅为总厂生产的MTBE提供的新的去处，拓展了总厂利华益集团的业务范围，增加了总厂的企业效益，同时也为MMA下游产业链项目提供原料。2. 原料和产品的确定2.1 原料组成本项目以MTBE为主要原料，其组成如表2-1所示。表2-1 原料组成原料MTBEH2OIB1-BUT-01MEOHTBA摩尔分数/%0.9610.0190.0030.0060.0050.0052.2 产品本项目产品方案以国家的行业政策和发展规划为依据进确定，并充分考虑国内际的市场前景和容量。主产品及其规格如Error! Reference source not found.所示。表2-2 产品指标产品规格（%）产量（万吨/年）备注MMA99.9911主产品3. 工艺流程设计本项目经过产品选择和工艺方案论证，选择生产能力大、转化率高、选择性高、成本低、产品质量好等优点的“一反五塔”技术实现MTBE的裂解，以及转化率与选择性较高、设备费用降低、单程产率大、流程简化且避免了酸污染，绿色化程度进一步提高的直接甲基化法进一步合成MMA。MTBE由利华益集团总厂提供，甲醇、DMC以及各项催化剂采用外购形式。全流程分为MTBE制异丁烯工段、MAL合成精制工段、MMA合成精制工段以及双效精馏工段并实现了全流程的稳态模拟及优化。工艺流程简图见图3-1：（详情见初步设计说明书第四章化工工艺系统）图3-1 工艺流程简图来自总厂的MTBE先经预精馏塔进行进一步精制，达到合成异丁烯的纯度后进入MTBE裂解反应器进行裂解合成异丁烯，裂解气经冷却吸收塔进行初分，塔顶轻组分进入IB脱轻塔，进行异丁烯的进一步精制，塔底重组分主要为甲醇混合液，进入裂解气甲醇精制塔进行甲醇精制，以供MAL精制过程以及MMA合成过程使用。经精制后的异丁烯与过滤后的空气混合后进入MAL合成反应器，合成的MAL经急冷吸收塔、气液分离器以及MAL精制塔进行MAL精制。精制过的MAL与空气、甲醇混合后进入MMA合成反应器，经氧化酯化合成并精制后得到最终产品MMA.在本工艺流程中，采用裂解气甲醇精制塔和DMC高压精馏塔进行双塔双效换热，与常规精馏相比，能节省能耗31.8%。3.1 甲基叔丁基醚预处理与裂解工段工艺流程简述：本项目通过高纯度异丁烯生产MMA，由于来自总厂的MTBE含有部分酸性物质，会对下一步异丁烯氧化反应的催化剂造成影响，所以MTBE裂解制备异丁烯前必须对原料进行精制，而由于MTBE的沸点居中多以采用侧线出料，反应过程中需要控制反应温度和反应压力，减少副产物的生成。裂解过程中主反应方程式为副反应方程式为图3-2 甲基叔丁基醚预处理与裂解工段3.2 异丁烯精制工段工艺流程简述：查阅文献可知，合成MMA的异丁烯纯度需要大于99%，而来自冷却吸收塔的异丁烯含有少量原料、水和副产物二甲醚，脱除水、MTBE等重组分后，异丁烯的纯度已经达到纯度要求，但是含有的二甲醚等轻组分会对下一步氧化反应催化剂有严重影响，所以必须进行脱除轻组分处理。图3-3 异丁烯精制工段3.3 甲基丙烯醛合成精制工段工艺流程简述：本项目采用了异丁烯直接甲基化法生产MMA，该工艺第一步需要将异丁烯氧化为甲基丙烯醛，这里用到的氧化剂是空气，氧化过程中有水生成，下一步反应需要用到甲醇，所以我们先用甲醇将水和甲基丙烯醛吸收，这样增大混合物的相对挥发度，有利于甲基丙烯醛的精制。主反应方程式：副反应方程式：图3-4 异丁烯氧化及甲基丙烯醛精制3.4 甲基丙烯酸甲酯合成精制工段工艺流程简述：本项目采用合成MMA方式第二步是直接氧化酯化反应，查阅文献选择MAL：甲醇 =1：11，由于MMA与甲醇相对挥发度接近于1，形成共沸物，所以选择用清洁萃取剂碳酸二甲酯（DMC）进行萃取精馏，为了萃取剂DMC的循环利用，分别对甲醇和DMC、MMA和DMC进行分离，其中甲醇、DMC分离与前面裂解气甲醇精制采用双塔双效精馏，MMA和DMC采取正常精馏方式。主反应方程式：副反应方程式：图3-5 甲基丙烯酸甲酯合成精制工段4. 自动控制系统本厂遵循“技术先进、经济合理、运行可靠、操作方便”的原则，根据工艺装置的生产规模、流程特点、产品质量、工艺操作要求，并参考国内类似装置的自动化水平，对主要生产装置实施集中监视和控制；对辅助装置实施岗位集中监视和控制。本装置采用集散控制系统DCS，DCS系统完成装置的基本过程控制、操作、监视、管理，同时还需完成顺序控制、工艺联锁和部分先进控制等功能。DCS系统由操作站、辅助操作台、打印机、PC机、控制站、I/O机柜、安全栅或/及端子柜、配电柜及网络设备等组成。所选用的DCS系统是整个工厂管理和控制系统的一部分，现场仪表检测所得各种工艺参数，通过现场监视和控制站连到总线上，实时数据可通过网络接口连接到工厂数据管理网上，主要的和重要的参数集中到中央控制室由DCS系统显示和控制，不重要的参数其设定点不经常调整的参数，可采用就地显示和控制。必须在现场操作和监视的机组或设备，则应在机组或设备附近的现场安装仪表或操作盘，例如压缩机、大型机泵、换热器等。装置的复杂控制系统，如原料组分含量的在线测定、循环气的组分含量的在线测定、补入物料的比例控制，反应器出口温度与反应进料温度、进料组成的比值控制、工业自动分析数据处理和控制这些都将在DCS中完成，并随着今后装置的运行情况探求出装置的优化控制条件。此外，本项目还对各个设备进行了危险和操作性分析（HAZOP），以保证工艺安全性。5. 节能与技术创新5.1 换热网络优化在Aspen Energy Analyzer V8.8 给出的推荐方案中选取其中最为经济且换热面积较小的推荐方案5进行后续优化工程。推荐方案5如图5-2所示：图5-1 优化前的方案综合考虑系统中物流换热潜力、物流性质、以及物流输送，考虑最佳物流之间的换热匹配，在物流间的换热设计过程中，兼顾考虑换热器设备个数，以及由于换热面积所产生的设备投资费用，以减少不必要的换热设备个数及投资。在设计完所有的物流间换热后，其余的物流换热则通过冷热公用工程实现，进而完成整个系统内部换热网络的构建。图5-2 全流程换热网络优化图下表是经过换热网络优化后最终的能耗节省比例：表5-1 换热前后能量消耗对比热公用工程消耗（MW）冷公用工程消耗（MW）换热网络构建前68926472换热网络构建后56235457节省的百分率18.418.5%5.2 双效精馏由于化工分离过程能耗巨大，所以必须采取合适的节能措施，本项目我们利用DMC高压精馏塔与裂解气甲醇精制塔进行双塔双效精馏，这里是把DMC高压精馏塔的塔顶蒸汽作为热流体走壳程，裂解气甲醇精制塔塔底液体作为冷流体走管程。图5-3 甲醇双效换热流程图经过生效精馏节省了很多能量，下面是能耗对比表。表5-2 双塔双效精馏与常规精馏能耗对比表常规精馏双塔双效精馏塔DMC高压精馏塔裂解气甲醇精制塔DMC高压精馏塔裂解气甲醇精制塔塔顶热负荷/KW8753334311.75356034311.7塔底热负荷/KW57528.233939.757528.20总能耗/KW145061.268251.4111088.234311.7节省能耗/%031.86. 设备设计及优化本项目设计过程中主要对每个精馏塔灵敏度分析和优化 、反应器进行动力学模拟和优化，以此选择合适的操作条件、设备结构等.以侧线出料位置、回流比等指标对 T-0101灵敏度分析与优化结果如下图所示：其他具体说明可以参照初步设计说明书。图6-1 侧线出料位置灵敏度分析图6-2 回流比灵敏度分析查阅文献得到MAL氧化酯化的动力学模型，并进行平推流反应器的动力学模拟，模拟后以反应器长度、反应管直径结构指标对MAL氧化酯化反应器进行灵敏度分析如下图所示：其他具体说明可以参照初步设计说明书。图6-3 反应器长度灵敏度分析图6-4 反应器直径灵敏度分析除此之外，我们还利用MATLAB、COMSOL反应器设计软件进行计算核对动力学模型的正确性，以及反应过程的合理性：分析结果如下图所示：具体内容参照设备设计文档。图6-5 列管长度与异丁烯、甲基丙烯醛浓度关系图图6-6 列管长度与异丁烯转化率关系图图6-7 反应时间与反应物和产物浓度关系图7. 厂址选择7.1 厂址通过前期调研和资料搜集初步考虑一下三个备选厂址：1、利华益集团股份有限公司2、山东寿光鲁清石化有限公司3、洛阳石油化工工程公司三个备选地具体情况对比如表7-1：16表7-1 厂址选择对比表备选厂址厂区一厂区二厂区三利华益集团股份有限公司山东寿光鲁清石化有限公司洛阳石油化工工程公司概况区域位置山东省东营市利津县山东省寿光市渤海工业园河南洛阳市涧西区七里河生产规模以石油化工、制药为核心产业，纺织服装、消毒液为两翼产业，跨行业、跨国、多元化经营的国家大型企业集团。集生产、销售于一体的股份制民营企业，占地5000余亩，主要生产加工销售柴油、汽油、液化石油气、MTBE、聚丙烯等石油化工产品原油一次加工能力超过1000万吨/年，26万吨/年芳烃抽提、21.5万吨/年对二甲苯、32.5万吨/年精对苯二甲酸地质条件地形黄河冲积平原济阳坳陷盆地地势西高东低，境内山川丘陵交错，地形复杂多样抗震强度8级6级7级自然气候条件气温温带季风型大陆性气候温带季风型大陆性气候暖温带大陆性季风气候年平均降水550-650厘米593.8毫米615毫米主导风向季风南偏东南风季风交通运输铁路黄大铁路，德大铁路益羊铁路纵贯南北，与胶济铁路相接，货物可直达中国各地陇海铁路，焦柳铁路，三洋铁路公路高速G18、G25和S7211、东营-滨州-济南高速公路、荣乌高速和长深高速公路济青、荣乌2条高速公路连霍高速，二广高速，宁洛高速，郑卢高速，洛栾高速，济洛高速（开工），尧栾西高速空运距县城50公里的4D级东营胜利机场，是黄河三角洲地区的中心机场，年旅客吞吐量100万人次，货运吞吐量7000吨。距潍坊机场40千米，距离青岛机场1.5小时车程，距离济南机场2.5小时车程洛阳北郊机场供电供电充足，东营利津电网年供电量3.5亿千瓦时园区由国家电网35/110/220KV变电站直接供电全市有500kv变电站1座，220kv变电站8座110kv变电站65座供水水资源丰富，年可利用总量16亿立方米以上，给水工程已成体系水资源丰富，由园区统一供应涧西辖区内有洛河、涧河、王祥河等多条河流经过，且地下水资源较为丰富原材料材料供应供应充足供应充足供应充足燃料供应丰富丰富丰富市场条件产品销售好好一般市场前景好好好政策优惠海关，商检，银行等职能服务部门和机构“一站式”服务；享受国家级经济开发区优惠政策工业园区税收优惠，水电费优惠税收优惠优势政策优惠多，市场条件好地区需求量集中原料供应充足，市场前景好劣势相对可用面积较少相对可用面积较少无重要的政策优惠综合各方面因素，我们将厂址选择在山东省利津县工业园区。根据利津县产业发展规划（2009-2020），该地区整体规划为：抓住大型化工企业向沿海转移的机遇，以市场需求为导向，以科技创新和体制创新为动力，以项目建设为核心，充分利用利津县丰富的土地、石油、盐的资源和现有产业基础，积极发挥龙头企业的带动作用，同时瞄准国际先进化工企业，争取在重大项目上与知名化工企业的合作，积极引进相关化工企业进驻园区，按照循环经济发展模式，以建设大型炼化一体化装置为依托，大力发展精深加工，努力向下游延伸产业链，产品逐步向精细化工领域拓展，走大型化、园区化和一体化道路，努力将利津打造成为黄河三角洲专业化和特色化的化工产业基地。以利华益集团为载体，做大做强石油化工产业，拉长产业链，发展以丙烯、甲苯等为原料的石化中下游产品，打造“百亿化工园”，尽快形成原料油加工、低碳烯烃、精细化工、化工新材料等化工产业集群。7.2 厂区布置总图设计时充分考虑与总厂原有布局的协调统一。合理确定安全防火间距，优化管廊排布，充分保证了安全生产、人车分离、节约用地、合理绿化等要求。本厂按照生产功能分区集中布置，分为办公区、生产区、辅助生产区、储罐区及发展用地等。区域间以绿化带及公路进行隔开，以保证安全，为职工提供货良好、适宜的生产生活条件。图7-1 总平面布置图8. 环境安全分析本项目运用Risk System软件对厂区内的MMA、MTBE、甲醇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火事故模型预测、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；采用了HAZOP分析软件、对化学火灾、爆炸危险指数评价对重大危险源进行风险预评估后设置SIS、DCS相结合的控制系统，实现对设备和系统的稳定控制。具体内容详见初步设计说明书第二十二章环境保护专篇以及环境影响评价报告和典型储罐泄露模拟报告书。9. 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。表9-1 利润及利润分配表序号项目金额（万元）备注1产品销售收入2200002总成本费