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京博4.5万吨异丁烯资源化利用项目摘要 2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛 京博4.5万吨异丁烯资源化利用项目设计摘要重庆三峡学院“今烯何烯”团队 团队成员：崔朦、艾星宇、刘玺、程远其、肖洋 指导老师：谢永生、赖庆轲、陈星、黄美英、梁克中 11目录一、项目简介1二、MMA市场分析1三、生产工艺概述23.1原料的确定23.2工艺确定33.3工艺流程说明33.3.1 MAL合成工段43.3.2 MMA合成工段43.3.3 MMA提纯与精制工段5四、清洁生产5五、工厂设计5六、节能设计86.1换热网络集成86.2节能技术9七、安全设计9八、经济技术指标10九、总结10一、项目简介本项目设计兼顾经济效益性、绿色环保性和清洁生产理念。在考虑经济效益的同时，积极使用节能环保生产技术，如热泵精馏，夹点分析，三废处理并兼顾经济性和环保性。并利用Aspen等软件完成了工艺方案选择、工艺路线设计、工艺过程模拟与优化、换热网络优化、换热器设计；使用CAD绘制了工艺物料流程图（PFD）、管道及仪表流程图（PID）、关键设备装配图、车间设备布置图；同时采用CAD works工程软件在对配管进行设计的基础上，利用Sketch Up设计了三维车间、三维工厂，利用Fluent软件对反应器结构进行改进和优化；采用Adobe After Effects和Adobe Premiere软件对动画进行后期处理。本项目所有设计均遵循HSE理念，HSE是健康（Health）、安全（Safety）和环境（Environment）管理体系的简称。其核心价值观是责任、关爱、共享和沟通。项目安全环保理念贯穿全厂。二、MMA市场分析随着MMA下游产品的应用开发，MMA将广泛应用于汽车工业，特种油漆 、特种涂料、导光板、平板显示器等，这将使市场需求不断增加，同时国内MMA的生产也不断扩大以满足市场的需求 。MMA的主要用途是作为单体制造各种均聚物和共聚物，通过聚合可得到透明度好、强度高的耐用树脂产品。经过多年的发展，目前，我国MMA的生产呈现以下几个特点：（1）近几年我国MMA产能扩张较快，2016年已达87.3万吨/年，但高端产品仍存在较大缺口，主要依赖进口。（2）国内MMA主要用于生产PMMA，消费领域较为单一，消费、应用领域亟需多样化。（3）受反倾销政策的利好，进口有望呈下降趋势，对国内企业而言是一个机会。近年来，我国MMA的需求量稳步增长，已成为仅次于美国和日本的全球第三大消费市场,2014年我国MMA的表观消费量为65.73万吨，2005-2014年年均增长率为11.02%。2015年我国MMA产量增长了14%，但由于反倾销初步措施的出台及市场供应过剩，致MMA进口量较上年同期减少22.63%，表观消费量也小幅减少至65.19万吨。2016年我国MMA产量大幅增长了20%，进口量下降至15.76万吨，出口量基本与上年持平，全年MMA表观消费量为69.59万吨。甲基丙烯酸甲酯既是一种有机化工原料，又可作为一种化工产品直接应用。其中，作为有机化工原料，主要应用于有机玻璃（PMMA）的生产，也用于聚氯乙烯助剂ACR的制造以及作为第二单体应用于腈纶生产。除此之外，在涂料、纺织、粘接剂等领域也得到了广泛地应用。三、生产工艺概述3.1原料的确定本项目的原料来自于山东京博石油化工有限公司生产的高纯异丁烯，异丁烯与干燥空气反应氧化生成甲基丙烯醛(MAL)，最后MAL与甲醇在干燥空气的条件下生成MMA。全过程三废产生少，绿色环保，无深冷系统，能耗低，且将成本控制到最低，原料转化率高，工艺最佳。石油炼制和石油化工生产过程中副产大量C4烃类,如何充分合理利用这些副产资源，进行深加工产品的开发，已经引起了人们的广泛关注，其综合利用开发是提高企业经济效益的重要途径，亦是实现炼化资源综合利用的必由之路。本项目还需要甲醇，甲醇是一种重要的、需求量巨大的基本有机化工原料，也是一种新型的清洁能源。综上所诉原料来源充足有保障。3.2工艺确定异丁烯的化工利用目前混合碳四中的异丁烯因其纯度低，多采用合成MTBE工艺用来生产汽油辛烷值的调和组分。MTBE裂解可以得到高纯度的异丁烯，是重要的有机化工基本原料。异丁烯直接氧化(C4法)生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)技术，与传统的丙酮氰醇法以及其他方法比较，此法具有原料来源广泛，催化剂活性高、选择性好、寿命长，反应收率和原子利用率高，无污染、环境友好、成本低的优势，具备很强的竞争力。通过对各工艺的各项技术指标和优缺点对比分析比较，选择异丁烯直接氧化生产甲基丙烯酸甲酯方法，该法具有工艺原料廉价易得，收率高，产品质量好，三废容易处理、生产成本低等优点。3.3工艺流程说明工艺以异丁烯为原料，异丁烯与干燥空气反应氧化生成甲基丙烯醛(MAL)，最后MAL与甲醇在干燥空气的条件下生成MMA。主要流程包括MAL合成工段，MMA合成工段、MMA提纯与精制工段三个工段。3.3.1 MAL合成工段图3-1MAL合成工段流程图3.3.2 MMA合成工段图3-2MMA合成工段流程图3.3.3 MMA提纯与精制工段图3-3MMA提纯与精制工段流程图四、清洁生产本项目为山东京博石油化工有限公司年产7.4万吨MMA项目，实现了石油化工资源化利用，符合石化和化学工业“十二五”发展规划中提出的“推广化工园区产业集聚，能源有效利用、排放集中治理等先进生产方式，实现废弃物减量化和资源化，构建循环经济产业链。”本项目采取多个循环，将未反应的原料循环利用，采用热泵精馏，实现了能源的合理利用。本项目对经济和环保的可持续发展有重要意义。项目所有的废水、废气、废物均采取了可行的处理方法进行处理，处理后的废水可以达到国家标准规定的排放指标；处理后的废气二氧化碳浓度高可可送总厂的尿素处理厂；废固经过回收预处理返回经销商。工艺反应条件温和，设备安全规范，保证生产安全。因此本项目符合清洁生产的要求并且在原料利用上在经济和环保两方面达到了双赢。五、工厂设计虑了原料、市场、交通、政策、环境承受能力等各方面因素，厂址选择在山东省滨州市博兴县经济技术开发区。在此基础上，根据国家相关行业标准，结合实际情况，本设计团队采用Auto CAD进行了厂区布置、车间布置和管道布置，如下图所示：图5-1厂区平面布置图图5-2三维管道布置图图5-3车间平面布置图 图5-4车间三维布置图图5-5 厂址地理位置六、节能设计6.1换热网络集成在本项目中，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，结合本厂设备布置的实际情况，进行流股匹配，以经济节能为目标进行优化，通过选定最佳最小传热温差6后进行换热网络的自行设计，再进一步手动优化，结合人工校核，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，对比分析得出最优。详见Aspen流程模拟源文件和PID图纸。最终配结果如下所示：图6-1换热网络的优化方案6.2节能技术本项目属于高耗能产业的一种，在项目的建设和管理方面都要注意采取高效节能措施，措施主要包括：（1）优化全厂总工艺流程，设计好需用公用工程最少的热交换网络，节省蒸汽量与冷却水量，并且尽量使其他技术的选择在总体上满足全厂流程最优化的要求；（2）装置采用间热进料，减少中间罐的数量及热量损失；（3）合理安排全厂蒸汽平衡和热交换网络，利用装置剩余热量对需热物流加热。同时对全厂各系统用汽加以优化，使全厂用汽与产汽之间基本达到平衡；（4）大型转动设备采用蒸汽驱动，减少能量转化过程的效率损失；（5）动力供应和工艺过程相结合，高中压蒸汽尽量先用作动力，驱动工艺透平设备，产生的蒸汽用于工艺过程，以提高能量利用效率；（6）对装置及系统产生的凝结水、锅炉排污和生产污水进行深度利用，处理后的回收水用作循环水补水，对于能够进行一水多用的设备及工艺尽量做到一水多用，从而节省水耗量，降低能耗；（7）减少新鲜水用量，减少排污，清污分流。污水处理场进水分为高浓度污水和低浓度污水，高浓度污水处理后排放，低浓度污水处理后回用；（8）换热器采用高效、低压降换热器提高效率，减少能耗，在机泵的选用上选用高效机泵和高效节能电机，提高设备效率；（9）选用高效变压器和电器设备，合理选择机泵和驱动电机的容量；（10）采用先进的自动控制系统，使得各系统在优化条件下操作，提高全厂的用能水平；（11）加强设备及管道的隔热和保温等措施，对所有高温设备及管线均选用优质保温材料，减少散热，提高装置及系统的热回收率。七、安全设计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，本项目生产中的原料硫化氢和产品甲硫醇、甲硫醚均是易燃易爆剧毒的危险品，本项目加强对这些物质的储运管理和提高防泄漏措施。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Risk System软件对泄漏事故进行模拟，为应急措施的制定提供依据。八、经济技术指标经过对项目进行投资估算和财务评价，全厂的综合经济技术指标如下表所示。表8-1 主要技术经济指标序号指标名称单位数值1设计规模万吨/年7.42占地面积平方米74734.753建筑面积平方米18798.014年操作时间小时/年72005工程项目总投资万元38511.556固定资产投资万元25725.967直接材料费万元/年51704.758总定员人1179年成本费用万元/年111181.8610投资利润率%3511投资利税率%50.612内部收益率%2113投资回收期年5.0314投资净现值（税后）万元/年65256.03九、总结本次设计大赛要求以异丁烯为原料生产非燃料油用途的有机化工产品，并资源化利用，通过对市场、工艺、经济等各方面条件的综合考虑，我们选择以异丁烯为原料，异丁烯与干燥空气反应氧化生成甲基丙烯醛(MAL)，最后MAL与甲醇在干燥空气的条件下生成MMA。本项目采用目前先进的合成路线和可靠设备。主要原料为总厂在山东省滨州市博兴县经济开发区，园区内甲醇，来源丰富，并且可以直接用管道输送，供应便利。本项目工艺具有较高的原料利用率，充分利用了资源