Word200302-设计文档集0-项目摘要

廣西科技大学Guangxi University of science and technology 2018“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛中石化茂名石化分公司10万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目项目摘要设计团队：GKD战队团队成员：骆参升 李纪良 曾高康 黄天烽 郭啊萍指导老师：黄承都 郭 艳 谢清若 张昆明2018年8月目 录1. 项目简介32. 原料与产品介绍32.1原料来源32.2产品介绍43. 工艺介绍43.1 原料MTBE裂解工段53.2 MAL合成工段63.3 MMA合成工段74.节能措施74.1换热网络优化74.2其他节能措施95.设备设计116. 控制系统117.厂区选址与布置117.1厂区选址117.2总图布置128.环境风险评估139.经济分析1310.总结1515GKD中石化茂名石化分公司10万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目项目摘要项目摘要1. 项目简介本项目厂址选择在广东省茂名市高新产业园区，利用中国石油化工股份有限公司茂名石化分公司生产的甲基叔丁基醚（MTBE）作为原料，在催化剂下裂解生产异丁烯，再利用异丁烯来生产甲基丙烯酸甲酯（MMA）产品。现拟建，以MTBE为原料，通过裂解制得异丁烯，再通过异丁烯直接甲基化法每年生产10万吨MMA，同时副产1188吨/年的甲基丙烯酸，项目经济效益良好、十分有市场前景，且清洁环保。MMA是一种重要的有机化工原料，主要用于生产有机玻璃(PMMA），聚氯乙烯助剂（ACR）、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯-丁二烯共聚物（MBS），也可用作树脂、胶黏剂、涂料、离子交换树脂、纸张上光剂、纺织印染助剂、皮革处理剂、润滑油添加剂、原油降凝剂、木材和软木材的浸润剂、电机线圈的浸透剂、绝缘灌注材料和塑料型乳液的增塑剂等，用途十分广泛。本项目采用异丁烯氧化为甲基丙烯醛（MAL），甲基丙烯醛与甲醇和氧气进行一步氧化酯化反应生产MMA的工艺路线。此路线工艺技术先进，满足市场需求的同时，既对环境不造成危害，又符合我国资源结构，合理利用资源，具有良好发展前景。本项目符合当今国家节能减排要求和“十三五”规划，可显著提高对石油和石油加工产物中相关馏分资源的利用，可为社会、经济可持续发展做出重要贡献，具有突出的社会效益；同时可以最大程度地利用异丁烯来生产高附加值化工产品，经济效益明显。经济发展和社会可持续发展两者紧密结合，实现了双赢局面。2. 原料与产品介绍2.1原料来源本项目的原料来自总厂的MTBE，通过管道进入本厂；甲醇选用工业级合格品，从广东省甲醇生产厂采购，通过汽运的方式进入本厂，并置于原料储罐内储存。生产原料的规格、用量和来源见表2-1。表2-1 生产原料规格、用量和来源项目名称规格数量来源运输方式主要原料MTBE99.3%120000t/a总厂提供管道空气-249136.2Nm3/a自然界-甲醇99.9%35500吨/年外购汽运辅助原料YL-I型工业催化剂-5.08t/2a外购汽运Mo12Bi16Fe1Co8Ce0.4Cs0.4K0.2Sb0.48Ni0.12Ox催化剂-3.43t/2a外购汽运Pd5Pb3Mg3/-Al2O3金属催化剂-1.56t/2a外购汽运对苯二酚-50.00t/a外购汽运分子筛-5.86t/1.5a外购汽运2.2产品介绍本项目以甲基丙烯酸甲酯为主产品，甲基丙烯酸为副产品，产品的产量和规格如表2-2所示。表2-2 本项目主、副产品的产量及规格序号产品产量规格备注1甲基丙烯酸甲酯10万吨/年99.9%主产品2甲基丙烯酸1188吨/年99.99%副产品3. 工艺介绍本工艺路线主要由原料MTBE裂解工段、异丁烯氧化合成甲基丙烯醛工段、甲基丙烯醛-甲醛一步氧化酯化合成甲基丙烯酸甲酯工段所构成。工艺系统包括甲基叔丁基醚（MTBE）裂解、甲基丙烯醛（MAL）合成、甲基丙烯酸甲酯(MMA)合成三个工段。本项目MMA生产的工艺流程方框图如图3-1所示。图3-1 本项目MMA生产的工艺流程方框图3.1 原料MTBE裂解工段MTBE裂解工段主要有MTBE预处理单元、MTBE裂解单元、甲醇精制单元、异丁烯精制单元；其工段主要包括固定床反应器、塔设备等主体设备。MTBE裂解工段Aspen模拟流程简图如图3-2所示。图3-2 MTBE裂解工段Aspen模拟流程图原料来自总厂提供的MTBE，原料MTBE经预处理，进入裂解反应单元，反应条件为215，6bar。裂解出来的异丁烯和甲醇及副产物经冷却，进入水洗塔T0101下部，自上而下的循环水与塔内自下而上的干气逆流接触，气体中大部分甲醇与水相互溶解而脱除。异丁烯及不易溶于水的副产物从塔顶流出，经压缩机加压至4bar后进入脱水塔，塔釜水经冷却，与补充水混合，经泵加压至3bar进入T0103塔顶顶部。塔顶经精馏后得到异丁烯及其轻组分，异丁烯及其轻组分经减压阀，减压至3bar。从上一单元干气从T0103釜部进入，塔釜异丁烯及其轻组分（异丁醇、MTBE、MSBE、二甲醚等）与塔顶循环水逆流接触。T0103塔顶馏出粗异丁烯，经精制得到高纯度异丁烯。T0103塔釜甲醇溶液与T0101甲醇溶液进行混合，输入至甲醇精制塔，塔顶得到高纯度甲醇，塔釜水经冷却器冷却，进入T0101塔顶。3.2 MAL合成工段制备MAL工段主要有原料预处理单元、加压冷却单元、反应单元、萃取单元、脱轻单元、异丁烯回收单元、MAL精制单元、1,3,5-三氧杂环己烷（三聚甲醛）回收单元。主要包括压缩机、反应器、塔、罐等主体设备。其制备MAL工段模拟流程简图如图3-3所示。图3-3 MAL合成工段Aspen模拟流程图制备MAL原料源于MTBE裂解工段中高纯度异丁烯，异丁烯、空气经空压机压缩机加压与水进入混合器。原料经加热器加热至380，进入反应合成MAL单元。MAL及其副产物经冷却系统冷却后，将气体加压至5bar，气体进入下一个冷却系统，进行冷却。自下而上的干气与自上而下的循环水逆流接触，水洗塔在5bar的压力操作下，三聚甲醛全部从塔釜馏出，塔釜馏出绝大部分MAL，少量的异丁烯，氮气及氧气等。空气、异丁烯等气体从塔顶排出。本项目采用水萃取MAL，所需萃取剂水仅需5000kg/h，就可以萃取10858kg/h甲基丙烯醛至塔釜，吸收率可高达99.26%。与同类技术相比，可大大节省萃取剂成本，相比于甲醇萃取法，更经济，更安全。萃取物从塔T0201塔釜进入脱轻塔，异丁烯，丙酮，氮气，氧气等轻组分，从塔顶流出。塔T0202塔顶尾气和 T0201塔顶文献进入气体混合器，进入吸收系统。本项目采用变温吸附装置对异丁烯进行回收。变温吸附装置塔顶成分经检测达标后，采取放空方法将气体放空。在脱轻塔塔釜馏出液，经过精制可以制备高纯度MAL。MAL塔釜主要馏出物有：水及三聚甲醛，冷却经闪蒸后，分离出部分废水。水经过处理后经处理后部分可作为T0201水洗原料，部分去水池。3.3 MMA合成工段MMA制备原料来源于MTBE裂解工段中甲醇精制单元，以及来自上工段高纯度MAL。同时，以空气中氮气和氧气为原料。该工段含有间歇反应器、精馏塔、分子筛塔等主体设备。其制备聚合级MMA工段模拟流程简图如图3-4所示。图3-4 MMA合成工段Aspen模拟流程图进入反应器原料经过预处理后，进入间歇反应器。经实验进行验证，当在间歇反应条件下，使用催化剂的最佳工艺条件为T=80，P=0.3MPa，PH=7.1，n（MeOH）：n（MAL）=8:1。反应催化剂为Pd5Pb3Mg3/-Al2O3金属催化剂，采用浸渍法制备而成,该催化剂具有催化剂用量少,醇醛比例低,反应时间短等优点。重复使用多次后,仍具有较高的选择性,且主要活性组分不易流失。4. 节能措施4.1换热网络优化换热网络的设计自由度较大，获得的方案也较多，但合理的换热网络需要经过筛选与优化。在换热网络设计时，需要考虑流股换热的合理性，以节能综合经济效益为目标进行换热网络的优化。在Aspen Energy Analyzer V8.4给出的design中选取其中最为经济且换热面积较小的设计方案进行后续优化，本项目的换热网络优化结构图如图4-1所示。图4-1 本项目换热网络优化结构图优化前与优化后的设计方案结果对比如表4-1和表4-2所示。表4-1 优化前与优化后的结果对比Network Cost Indexes优化前设计方案Cost Index优化后设计方案Cost IndexHeating/（USD/s）0.48910.3867Cooling/（USD/s）0.0013190.001882Operating/（USD/s）0.50230.4055Captital/USD1058000012500000Total/（USD/s）0.61030.5338Network Performance优化前设计方案 HEN优化后设计方案 HENHeating/(kJ/h )702300000699500000Cooling/(kJ/h )224000000319600000Number of Units50.0067.00Number of Shells143.0165.0Total Area/m3117044900优化前和优化后的公用工程费用如表4-2所示。表4-2 优化前与优化后公用工程费用对比冷公用工程热公用工程优化前设计方案/MW101149优化后设计方案/MW89138节能效果/%40.220.34.2其他节能措施（1） 使用顺流双效精馏在本项目原料MTBE裂解工段中涉及到大量甲醇与水的分离，使用普通精馏方式不仅能耗较高，同时塔内气液两相流较大不利于设备的建造于操作控制。本项目在采用了顺流双效精馏技术后，装置能耗和操作成本皆有大幅度的下降。顺流操作是物流进入高压塔，经分离后，高压塔釜釜液作为低压塔的原料液进入低压塔进行精馏操作。工作蒸汽只输入高压塔的再沸器，高压塔产生的塔顶蒸汽作为低压塔再沸器的热源。塔顶蒸汽为较纯的甲醇，再沸器中冷凝后部分回流，部分作为产品。并流双效精馏流程图如图4-1所示，其模拟流程见图4-2。图4-1 顺流双效流程图Aspen顺流双塔流程的模拟示意图图4-2 Aspen顺流双塔流程的模拟示意图单塔精馏与双塔精馏塔顶参数对比，见表4-3。表4-3 普通精馏与顺流双效精馏能耗对比表操作方式公用工程能耗对比（kW）冷凝器再沸器普通精馏-4044.344790.10顺流双效精馏-1904.452877.24节能分率52.91%39.93%由计算结果可知，采用逆流双效精馏技术后，冷公用工程用量降低了52.91%，热公用工程用量下降了39.93%，节能效果明显，经济效果好。普通精馏和顺流双效精馏的公用工程用量对比如图4-3所示。图4-3 普通精馏与顺流双效精馏公用工程对比5.设备设计根据 Aspen 的模拟结果，结合化学反应工程的经验我们分别对三种不同类型的反应器进行了设计，得出反应器的具体参数。利用 SW6-2011 及 CUP-tower 软件对流程中的典型塔设备进行了工艺设计、基本参数设计和机械强度校核。利用 SW6-2011 和 Exchanger Design and Rating 对全部的换热器进行了工艺设计、选型、基本参数设计和机械强度校核。此外还对泵、闪蒸罐、压缩机、储罐等设备进行了设计选型，详见设备设计说明书。6. 控制系统本项目年产10万吨MMA，同时副产1188吨MAA，是易燃、有毒、危险、连续生产、高投资运行的化工项目，应配置可靠、先进的控制设备，以保障工厂的安全连续生产。针对本项目的特点，本装置内的生产装置、公用工程及辅助设施利用DCS（集散控制系统）进行集中操作、控制和管理；同时采用了SIS（安全仪表系统）进行控制，来实现安全要求；全厂采用了ESD（紧急停车系统），事故一旦发生能够得到有效控制。此外，本项目还进行了危险和操作性分析（HAZOP），以保证工艺安全性，详见初步设计说明书。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Auto CAD图纸源文件及项目图纸。7. 厂区选址与布置7.1厂区选址本项目厂址选址位于广东省茂名市高新产业园区项目厂址如图7-1所示。图7-1 本项目厂址所在地7.2总图布置全厂主要分为储罐区、辅助生产区、装置区、行政管理区、生活区五个部分，总占地面积为47560m2。其中储罐区包括原料储罐区和产品储罐区等；辅助生产区包括仪修车间、消防站、停车场、三废处理区、分析化验室、压缩机厂房、储水池等；装置区包括MTBE裂解工段装置区、MAL工段装置区、MMA工段装置区等。行政管理区包括行政楼、规划用地；生活区包括医务室、食堂、员工休息室等。厂区布置图如图7-2所示。图7-2 厂区布置图8. 环境风险评估本项目采用风险系统软件Risk system对厂区内的MTBE储罐、甲醇储罐、异丁烯储罐、甲基丙烯酸储罐和甲基丙烯酸甲酯储罐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，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，分析事故的伤害范围和介质泄漏扩散范围。并用危险与可操作性软件HAZOPkit对储罐节点进行了分析，同时运用噪声评估软件针对装置主要噪声源进行分析，据此采取系列措施，使装置噪声达到环境安全标准。9. 经济分析本项目技术经济分析遵循相关经济指标与分析方法，在充分调研市场价格后，对项目总投资、项目总成本、销售收入和税金进行详细估算与说明，对投资利润率、投资利税率、资本金利润率、投资回收期等指标进行分析比较，可以看出本项目财务可行且具有良好的经济效益。本项目主要技术经济指标见表9-1。表9-1 技术经济指标表序号项目名称单位数值一生产规模104t/a12二年操作日h7500三产品方案1MMAt/a1000002MAAt/a1188四主要原材料、辅助材料用量1MTBE104t/a12.002空气104 Nm3/a24.913甲醇104t/a3.554YL-I型工业催化剂t/2a5.085Mo12Bi16Fe1Co8Ce0.4Cs0.4K0.2Sb0.48Ni0.12Ox催化剂t/2a3.436Pd5Pb3Mg3/-Al2O3金属催化剂t/2a1.567对苯二酚t/a50.008分子筛t/1.5a5.86五公用动力消耗量1低压蒸汽104t/a31.502中压蒸汽104t/a37.503循环冷却水104t/a941.824高压蒸汽104t/a37.505仪表空气104 Nm3/a133969.506电104kWh/a19496625六三废排放量1废气104 t/a153.422废水104t/a1.303废固t/a252.93七全厂定员人150八总占地面积m292500九工程项目总投资万元53866.081建设投资万元43305.072建设期利息万元1900.003流动资金万元8661.01十年销售收入万元182970十一成本和费用1年均总成本费用万元152373.192年均经营成本万元148515.88十二年均净利润总额万元21103.45十三年均销售税额及附加万元2458.87十四财务评价指标1投资利润率%52.202投资利税率%56.804投资回收期（静态）年7.856全投资财务内部收益率（税后）%20.07全投资财务净现值（税后 i=0.12）万元144657.37十五清偿能力指标1人民币借款