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“上海赛科”年产10万吨醋酸乙烯酯项目项目摘要项目摘要目录1.项目简介12.原料产品确定13.工艺设计24.节能设计34.1换热网络优化34.2热泵技术35.设备设计45.1固定床反应器45.2新型降噪压缩机55.3新型填料的运用65.4新型换热管的使用66.清洁生产67.厂区选址与布置67.1选址确定77.2总厂布置77.3三维布置88.安全环境分析89.经济效益分析910.项目总结10i 郑州大学物以烯为贵团队“上海赛科”年产10万吨醋酸乙烯酯项目项目摘要1.项目简介本项目是为上海赛科石油化工有限责任公司（以下称“上海赛科”）利用乙烯气相法建设一座年产10万吨醋酸乙烯酯（纯度为99.99%）的分厂，以上海赛科的产物乙烯，其所在上海化学工业区内的气体供应公司提供的氧气，以及上海吴泾化工有限公司提供的醋酸作为原料生产纯度大于99.99%的醋酸乙烯酯。该法比我国传统方式更加环保，是我国未来醋酸乙烯酯生产的发展方向。本项目所得的产物醋酸乙烯酯纯度更高，有利于改善我国醋酸乙烯酯生产过剩但纯度较低的状况。总体而言，这是一个响应国家可持续发展经济方针的化工项目。本项目年产10.9万吨醋酸乙烯酯（VAC），副产乙醛1271吨。本团队在工艺设计中，兼顾经济效益和清洁生产，思路明确，亮点突出，其主要体现在如下几个方面： 对来自总厂的乙烯进行资源化利用，利用萃取精馏技术提纯VAC； 工艺流程中实现乙烯、醋酸、喷淋液三大循环，二氧化碳吸收剂、甘油循环两小循环，提高原子利用率；采用夹点分析方法以及热集成等节能技术对工艺流程进行优化，利用反应热副产蒸汽等方式提高效率、降低能耗；采用新型填料提高传质效率，新型降噪压缩机降低噪声污染，新型换热管改善传热效率。2.原料产品确定本项目原料、辅助材料、催化剂消耗量及来源见表1表1原料、辅助材料、催化剂消耗量 项目名称数量（t/a）来源运输方式备注原料乙烯40310.1总厂提供管道醋酸25823.9外购公路购自吴泾化工氧气3989.1总厂提供管道辅助原料MDEA6199.2外购公路购自上海诺泰甘油11008.8 外购公路购自上海今瑞氮气2720.8总厂提供管道催化剂CTV-型10.84外购公路购自中石化本工艺为了最大化实现经济效益，同时兼顾绿色环保的原则，在主产醋酸乙烯酯之外，同时副产乙醛。经本项目调查，副产均可在当地出售，大大减少了销售运输成本，也提高了销售效率。表2 项目主副产品表序号产品规格（%）产量备注1醋酸乙烯酯99.99109090吨主产品2乙醛961271吨副产品3.工艺设计本项目经过产品选择和工艺方案论证，采用乙烯气相法工艺，设计了醋酸乙烯酯合成工段和醋酸乙烯酯精制工段，实现了全流程稳态模拟与优化。工艺流程如图1所示，详见初步设计说明书第四章化工工艺与系统。图1 工艺流程框图醋酸乙烯酯合成工段：新鲜乙烯和循环乙烯混合进入醋酸蒸发器，顶部喷淋乙酸，在蒸发器内的填料上，乙烯和醋酸逆流接触，饱和了醋酸的乙烯气体从塔顶引出，送到氧气混合器与氧气混合后，送入醋酸乙烯酯合成反应器。反应温度为145，压力为8bar。反应出来的气体混合气经过多步冷却进入闪蒸罐，闪蒸出来的气体含有少量醋酸乙烯酯和醋酸，液体送入精馏工段。闪蒸气经过醋酸喷淋塔和水洗塔得到较为纯净的乙烯循环气，然后再经过MDEA溶液吸收CO2后即可得到纯净的乙烯循环气进行循环。被送到精馏工段的醋酸乙烯酯合成反应液，除含有醋酸乙烯酯外，还含有醋酸、水，乙醛等组分。先将其送入醋酸回收塔，塔底采出为醋酸和水的混合物，进一步去除水得到纯醋酸进行回收利用。塔顶采出送入分相罐，一部分水被除去，此时余下反应液中仍含有部分水，利用甘油进行萃取精馏，塔底采出的甘油进一步回收利用，塔顶采出的含有少量杂质的醋酸乙烯酯送入乙醛塔。此时塔底采出即为纯醋酸乙烯酯，浓度达99.99%，塔顶采出送入乙醛回收塔进行乙醛浓缩，塔顶采出高纯度乙醛，浓度可达96%以上，经过冷凝器冷凝后，得到副产物乙醛，塔底采出送入废液处理装置进行处理。4.节能设计4.1换热网络优化在本项目中，设计公用工程量较多。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，结合实际情况，进行流股匹配，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，对比分析得出最后的方案，详见Aspen流程模拟源文件和PID图纸。全厂换热网络匹配方案如图2所示。图2 全厂换热网络匹配方案经过热集成对换热网络进行优化后，共需要冷用工程49.47MW，热公用工程27.08MW，与优化前相比，节能19.85MW。4.2热泵技术将乙醛精制精馏塔T0205的冷凝器取消，直接引出塔顶气相，通过压缩机加压，使得塔顶气相的温度提高一个等级，作为热源至塔釜再沸器换热，放出热量冷凝部分气体，再经节流阀减压降温，输出乙醛产品，一部分液体回流至塔内进行再次分离。塔釜则在换热过程中已经达到再沸负荷的要求，其结构如图所示：图3 塔顶蒸汽压缩式热泵精馏流程图考虑压缩机做功和冷却器能耗，热泵技术比无热泵技术节省能耗79.87kW，节省幅度达56.05%。热泵技术节省冷耗75.31%，节省热耗74.51%。5.设备设计本项目设计过程中主要对醋酸乙烯酯合成反应器等设备进行了详细设计，对换热器、泵、压缩机等设备进行了选型。详见典型设备设计与选型和反应器设计说明书。5.1固定床反应器乙烯与醋酸氧化成醋酸乙烯酯的反应为放热反应，因此在低温下操作对反应有利，在保证反应速率的情况下，使得反应能在较低的温度下进行，从而使反应进行的程度更大。由于反应物全是气体，故整个氧化反应是均相反应过程，并采用CTV-型固体催化剂，则选择固定床管壳式反应器。并且反应所用的催化剂不需要频繁更替，从而克服了固定床反应器的缺点。采用固定床管壳式反应器，可使得催化剂机械损耗小，从而降低了催化剂的用量，同时，在此反应器中，反应器造成的返混小，流体与催化剂可进行充分接触，反应转化率高。固定床管壳式反应器结构简单，设备费用低。西安汉术化学工程股份有限公司公开了一种列管式固定床反应器催化剂孔网板支托结构（专利号CN206823748U）,把整个下管板伸出管板下端的反应管布管区分成若干个分区,每一个分区用一块上面铺有金属丝网的薄孔板托,薄孔板和金属丝网通过螺栓和管板固定,从而形成了一个整体的催化剂孔网板支托结构。本实用新型列管式固定床反应器催化剂孔网板支托结构解决了传统列管式固定床反应器催化剂支托结构加工难度大,易松脱,安装及检修工作量大,管内通气阻力大等问题,使催化剂的安装、更换更为方便快捷,提高了工作效率,同时降低了后期维护、保养成本,安全可靠性高,再就是系统阻力降低,节能降耗明显,特别适用于反应管内充装填料高度较高的反应器。图4 列管式固定床反应器催化剂孔网板支托结构5.2新型降噪压缩机为达到绿色环保的目的，本项目根据专利选择珠海格力电器股份有限公司压缩机排气降噪结构及压缩机CN201710805250.6，减少压缩机噪声污染。在端盖内设置膨胀腔，压缩机内由转子压缩后的气体通过排气管进入膨胀腔，利用膨胀式消声原理经过膨胀消声后，气体通过排气管和端盖上的排气口排出压缩机，通过内置膨胀式排气降耗的方式，能够有效降低压缩机排气噪声，解决对于降噪安装空间有限的问题，不会产生较高的投资成本。结构如图所示：图5新型降噪压缩机5.3新型填料的运用本项目采用金属波纹型的进阶版填料，MellapakPlus填料（由苏尔寿公司制造），与常规Mellapak填料相比，每米理论级数值相同，性能却提高了50%之多。Mellaparkplus规整填料的各项指标都较优异。美国精馏协会（FRI）对新一代 Mellapakplus规整填料也进行了性能测试，并证实与 Mellapak填料相比， Mellapakplus M规整填料处理能力最大可提高40，鉴定其为高性能、高处理量的规整填料。其他同类型的填料都难以达到如此高的处理能力。由于具有以上性能优点，对于新建的精馏塔，如果使用Mellapakplus填料进行设计，则塔径可以得到明显缩小，从而降低客户的前期一次性投资成本；而为了达到提高产能的目的，对旧塔进行升级改造，在维持相同分离效率的前提下，用 Mellapakplus M填料替换传统的填料，可大幅度提高原装置的生产能力。5.4新型换热管的使用乙烯法制醋酸乙烯酯是一个强放热反应，设计合理的反应器结构是控制反应器温度的关键。本项目反应器采用螺纹翅片形式的换热管，传热系数可提高20%，更好地实现了热量的传递，保持催化剂床层温度分布均匀，同时严格控制冷却水的流量使其达到控温的目的。图6螺纹翅片换热管结构6.清洁生产本项目为气相乙烯法生产VAC以及副产乙醛的清洁生产工艺，主要体现为：通过“三大循环”原料气乙烯循环、醋酸循环、喷淋废液循环，以及“两小循环”MDEA二氧化碳吸收剂循环、甘油循环，实现物料的最大化利用，大幅减少了废液、废气以及废固的产生。在生产过程中仅产生四股废气、五股废水以及少量废固，且废水、废气、废固都最大程度的进行回收利用或者燃烧供热，实现环保生产的目的。7.厂区选址与布置7.1选址确定图7 厂区选址项目建设地位于上海赛科北侧预留空地上，项目用地处现为空地，占地109250平方米，符合本项目用地需求。项目厂址如图5所示。7.2总厂布置总图布置根据人车分离理念，分设车流通道和人员通道，减少交通阻力。采用了平行布置，将生产区生活区布置在厂区径向干道两侧，使二者互不影响。并且根据紧凑集中理念，合理布置厂区内建筑及车间位置，达到高效稳定安全的生产布置。厂区长410m，宽237m，总产地面积109250m2，主要包括管理区、辅助生产区、生产工艺区和储运区等区域。我们使用AutoCAD进行厂区的平面设计，厂区平面布置图如图11所示。图8厂区平面布置7.3三维布置本项目利用Auto CAD进行了设备布置图的绘制，确定设备的摆放位置，方便生产，同时对厂区三维进行设计，如7所示。详见车间平立面、车间三维布置和厂区三维布置源文件。图9厂区三维效果图8.安全环境分析本项目运用Risk System软件对厂区内的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；采用了HAZOP分析软件、道化学火灾、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和DCS相结合的控制系统，实现对设备和系统的稳定控制。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，对全厂投资、利润、现金流量等进行了详细估算与说明。计算可知，本厂总投资44631万元，年利润18812.1万元，动态投资回收期7.66年。分析结果表明，本项目在经济上是可行的，相较于现有的VAC生产技术具有较高的经济效益。详见经济分析。表6 综合经济技术指标序号项目名称单位数值一生产规模万t/a10.1二产品方案1VACt/a1090902乙醛t/a1271三年操作时间h7920四主要原材料、辅助原料用量1乙烯t/a40310.12醋酸t/a25823.93MDEAt/a3099.64甘油t/a11008.8 5工艺软水t/a78006CTV-催化剂t/a10.84五公用动力消耗量1电度65082003热油万t/a9.9654高压蒸汽万t/a22.275中压蒸汽万t/a7.006低压蒸汽万t/a12.727仪表空气Nm3/a620008氮气Nm3/a22009冷却水万t/a118.2210丙烯万t/a264.44六三废排放量1废水t/a14039.642废气t/a32300.773废固t/a186.34七全厂定员人104八总占地面积m210925九工程项目总投资1建设投资万元34513.92流动资金万元5177.13建设期利息万元4940十年总销售收入万元93238.8十一年总成本万元62022.68十二年利润总额万元18812.1十三年销售额税金及附加万元6133.3十四财务评价指标1投资利润率%56.202投资利税率%69.93资本金净利润率%42.24投资回收期（静态）年6.105投资回收期（动态）年7.666财务内部收益率%25.47财务净现值万元33717.298净现值率%75.5十五清偿能力指标1人民币借款偿还期（含投产期）年610.项目总结本项目以“安全稳健、节能环保、资源化利用、可持续发展、有效融合”的设计原则进行了初步设计。通过查阅文献、市场调研确定了乙烯气相法工艺，然后采用Aspen Plus软件完成全流程的工艺模拟，并对全流程进行物料衡算和能量衡算。再根据模拟数据并结合Aspen Energy Analyzer软件对过程进行了热集成分析，确定了本项目的节能方案。在此基础上再用Aspen Plus软件对所需的公用工程进行了模拟计算和优化设计。根据流程模拟数据对设备进行选型，并利用