word20131-设计文档0-项目摘要

洛阳石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目 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35.设备设计56.清洁生产107.厂区选址与布置108.安全环境分析129.经济效益分析12210.项目总结143 浙江工业大学Pray 6团队1/11.项目简介本项目是以中石化洛阳石油化工有限公司天然气化工项目为基础的配套子项目，拟以洛阳石化提供的乙炔和醋酸为生产原料，进行醋酸乙烯酯（VAC）的生产。本项目年利用天然气3.9亿m3，年产207135吨醋酸乙烯酯，副产巴豆醛922.53吨，建于洛阳石化产业聚集区洛阳石化东侧预留发展空地上。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： 以来自总厂的乙炔和醋酸为生产原料，利用高效反应手段生产醋酸乙烯酯； 工艺流程中实现醋酸、乙炔的四大循环、工艺软水的二小循环，提高原子利用率；采用热泵精馏技术、双效精馏、夹点分析和热集成技术等多项节能技术对工艺流程进行优化，提高效率、降低能耗；利用共沸精馏对二元共沸体系实现高效分离，减少污染，并对后续三废详细处理；采用隔壁塔技术提高产品分离程度，新型填料技术提高分离效率，新型换热器增效节能，新型气液分离器优化系统运行，新型磁力泵降耗节本2.原料产品确定本项目设计的是年产207135吨醋酸乙烯酯，其原料为来自洛阳石化天然气化工项目生产的乙炔和醋酸。本项目生产过程绿色环保，原子经济性高，同时也创造了巨大的经济效益。表1洛阳石化提供原料乙炔组成与性质成分含量（vol/%）成分含量（vol/%）乙炔 99.7二氧化碳 60010-6一氧化碳 20010-6氮、氩 210010-6丙二烯 40010-6氧 21010-6表2洛阳石化提供原料醋酸组成与性质成分含量（wt/%）成分含量（wt/%）醋酸 98.5水 0.8甲酸 0.30乙醛 0.10蒸发残渣 0.03铁 0.0004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，同时副产巴豆醛。经本项目调查，两类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3 项目主副产品表序号产品规格（%）产量备注1醋酸乙烯酯99.85207135主产品2巴豆醛99.23922.53副产品图1 本项目总集成图3.工艺设计本项目经过产品选择和工艺方案论证，本项目选择美国Borden和Blawkeox公司开发的天然气乙炔技术以及乙醛氧化制醋酸技术。总厂使用德国BASF部分氧化法技术制取乙炔，采用英国BP公司甲醇低压羰基化合成技术制取醋酸。设计了醋酸乙烯酯合成工段、醋酸乙烯酯精制工段、乙醛氧化工段以及醋酸回收工段组成的工艺流程，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 工艺流程框图在醋酸乙烯酯合成工段，来自总厂的原料乙炔和醋酸经蒸发塔蒸发预热后，送至反应器进行合成，反应混合气送至醋酸乙烯精制工段精制。经吸收后，得到未被吸收的乙炔气体及产品混合液。未被吸收的乙炔气体经净化后作为循环气体返回蒸发塔。产品混合液经分离精制后，得到气相的乙醛和乙炔混合气体送至乙醛氧化工段，经吸收、脱水、氧化工序后，产品混合液返回至醋酸乙烯酯精制工段；醋酸乙烯酯粗产品经脱水后得到成品醋酸乙烯酯；醋酸混合液送至醋酸回收工段，经共沸、脱水、精制等工序得到巴豆醛副产品及回收醋酸，精制后的醋酸返回蒸发塔及吸收塔循环利用。最终本项目得到主产醋酸乙烯酯207135吨，副产巴豆醛922.53吨。4.节能设计 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 V9.0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55.65MW，热公用工程46.76MW，与优化前相比，节能50.34MW。 热泵精馏图3 热泵精馏模拟流程图 表3 热泵精馏运用前后能耗比较在热泵粗分塔采用热泵精馏有着设备简单、投资少、分离效果好、运行成本低的优势。经过Aspen对比模拟，热泵精馏总能耗节约90.47%。 双效精馏通过双效精馏，改进醋酸回收流程，总能耗由原来普通精馏37971.9kW，降低到32184.1kW，节能5787.8kW。图4双效精馏模拟流程图 表4双效精馏运用前后能耗比较 隔壁塔分离精制能耗从原来双塔流程的冷耗18273.99kw，热耗31174.1kw，到单个分壁精馏塔共节能节能11.6%。 图5隔壁塔萃取精馏模拟流程图 表5隔壁塔运用前后能耗比较5.设备设计本项目设计过程中主要对塔、醋酸乙烯酯合成反应器、乙醛氧化鼓泡塔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。 新型气体分布器气体入口管道的直径小于反应器的直径，若反应气直接由小直径的气体入口喷入大直径的反应器内，在气体入口附近区域，气体速度过大，气体所具有的能量以动能为主，静压能很小，对进入反应器内的气体沿反应器径向方向的分配十分不利，由此往往导致反应气体在进入反应器之后分布不均匀，进而影响反应的转化率及选择性。因此，在反应气体入口处布置气体分布装置具有十分重要的作用。根据专利CN202893325U，本反应器采用新型气体分布器，具有结构简单、气体分布均匀、压降小、制造安装方便等特点。此新型气体分布器结构如下图所示，包括扩径稳流部段和球形封头。扩径稳流部段的第一端与反应器的封头通过法兰相连，第二端与球形封头相连，沿圆周方向均匀地设置分布孔。图6 气体分布器结构简图 环形分布器由于本反应器采用水-水蒸汽作为移热介质，因此移热介质的的进出口的均匀分布及均匀收集对于移热效果有较大的影响。传统环形分布器均采用环形通道内侧壁均匀开孔的方式，但未考虑到环形通道内速度分布和静压分布都不均匀，通道内部存在漩涡，使得流体分布不均匀。因此，根据百璐、耿中峰等人的研究（环形分布器内的变质量流动的CFD模拟研究），本反应器的下环形分布器沿环形通道内侧壁开孔，孔直径逐渐递减；上环形分布器沿环形通道内侧壁圆周均匀开孔。图7 环形分布器结构简图 盘环形折流板由于本反应器的直径较大且列管数量较多，容易产生流动死区。因此，为了提高移热介质的流速，增强壳程流体湍动程度，改善传热效果，在反应器的壳程需要加设折流板。传统的反应器均采用弓形折流板，但对于本反应器特殊的水-水蒸汽移热介质，水汽化变成水蒸汽后流体体积增大，弓形折流板往往不能满足水-水蒸汽两相均匀分布的要求。根据专利CN202893318U，本工艺采用圆盘-圆环形折流板，且中心切除率沿反应器轴向向上逐渐增大，能够更好地适应水汽化变成水蒸汽后流体体积增大的流动状况。图8 折流板分布简图 新型氧气分布器乙醛氧化是一个气液两相反应，因此氧气在反应液中的分布显得尤为重要，若分布情况不佳，将造成氧化程度不均匀，从而增加副反应的发生，降低醋酸的收率。为了改善其体在反应器内的分布情况，本项目采用湖南省湘维有限公司改进后的新型氧气分布器。该新型氧气分布器由两个圆环组成，如图所示，氧气从进料管中进入，通过氧气支管与氧气分布器相连，气体经分布器上遍布的小孔进入液相。由于两个圆环的作用，使塔内的气体分布均匀，气液接触良好，有利于减少副反应的发生，提升醋酸的收率。图9 新型氧气分布器形状图 高效导向筛板本项目精馏体系中主要存在醋酸乙烯酯、醋酸、水、乙炔、乙醛、巴豆醛等物质，由于醋酸乙烯酯为易自聚物，在加料板附近及塔釜上面的几块塔板上极易发生自聚现象，时间一长会发生堵塔现象，不能长期正常运行。醋酸乙烯酯脱水塔使用传统筛板不能很好地解决堵塔、液泛等问题，通过查阅资料，高效导向筛板于普通筛板的基础上，在液相的进口区设置呈斜台状的鼓泡促进器，并在塔板上增设了百叶窗导向孔。这种改进增大了有效鼓泡面积，使塔板操作由鼓泡型变成了喷射型，在降低液面梯度的同时使气体分布均匀，从而使干板压降减小、雾沫夹带减少、传质效率提高。图10高效导向筛板结构示意图高效导向筛板较传统塔板的生产能力大50%100%，分离效率高20%40%，塔压降低，重量轻，其造价约相当于泡罩塔板的40%，浮阀塔板的60%，抗堵性好，对高粘度、易自聚、含固体颗粒等特殊物系的精馏尤其适用。 螺旋缠绕管式换热器本项目醋酸乙烯酯合成工段由于反应放出大量热，出反应器的混合气体温度品位较高，热量被逐级利用，所涉及的换热器均为气-气相换热器。而气-气相换热器的总传热系数较低，导致换热面积较大，设备费用增加，占地面积增大。且流体易在管内结垢，严重影响换热的同时造成换热器寿命的降低以及能耗增加。针对上述问题，本项目在醋酸乙烯酯合成工段采用了换热效率高、能耗少、运行费用省、结垢倾向低、占用空间小等性能优势的螺旋缠绕管式换热器，其主要由缠绕管芯体、壳体以及中心管组成，详细结构图如图11。图11 螺旋缠绕管式换热器结构图 新型CQB-N氟塑料磁力泵由于本项目原料及吸收剂醋酸具有腐蚀性，为了贯彻绿色节能的理念，本项目所用泵通过市场调查决定采用新型CQB-N氟塑料磁力泵。本新型CQB-N氟塑料磁力泵应用现代磁力学原理，利用永磁体实现无接触间接传动。当电机带动外转子（即外磁钢）旋转时，通过磁场的作用磁力线穿过隔离套带动内转子（即内磁钢）和叶轮同步旋转，介质完全封闭在静止的隔离套内，从而达到无泄漏抽送介质的目的，以静密封取代动密封，使泵的过流部件处于密封状态，彻底解决了机械密封传动泵无法避免的泡、冒、滴、漏之现象，是消除环境污染，创造节能、环保、安全、无泄漏工厂的理想选择。图12 CQB-N氟塑料磁力泵6.清洁生产本项目为利用我国丰富天然气资源生产醋酸乙烯酯以及副产巴豆醛的清洁生产工艺，主要体现为：利用国内丰富的天然气资源，作为本厂生产醋酸乙烯酯的原料，生产过程绿色环保，且原子经济性高，能创造巨大的经济效益。3工艺路线过程进行醋酸、乙炔的四大循环，工艺软水的二小循环，既提高了原子利用率，也减少了三废排放；使用高效反应、分离技术，对醋酸混合液进行分离精制，减少了混酸的排放，提高了醋酸的循环利用率，同时扩大了经济效益；本项目在醋酸乙烯酯合成反应中使用醋酸锌/活性炭催化剂，基本保证低污染乃至无污染，实现项目环境友好型、生产经济型；7.厂区选址与布置 选址确定本项目将厂址定在洛阳石化东侧预留发展空地上，具体位置如图13所示。图13 厂区选址项目建设地公共设施完善，企业集群使内部产业链优势明显；乙炔、醋酸等原料由总厂直接经管线输送至本项目，方便快捷；三废处理、公用工程均有配套产业供应。项目所在地得到政府的政策扶助优惠和资金技术支持，产业的可持续发展。 总厂布置厂区长350m，宽320m，总产地面积112000m2，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14所示。图14厂区平面布置图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。 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，如图15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15厂区三维效果图8.安全环境分析本项目运用RiskSystem软件对厂区内的醋酸乙烯酯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、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、DCS和ESD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，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。计算可知，本厂总投资50540.5万元，年利润17278.0万元，投资回收期6.54年。分析结果表明，本项目在经济上是可行的，相较于现有的醋酸乙烯酯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年资源化利用天然气规模亿m33.9二产品方案1醋酸乙烯酯t/a2071352巴豆醛t/a922.53三年操作时间h8000四主要原材料、辅助材料用量1乙炔t/a655252醋酸t/a1473453氧气t/a16484醋酸锰催化剂t/a0.35醋酸锌/活性炭催化剂t/a25.276硅橡胶中空纤维膜m2/a37007工艺软水t/a16758对苯醌t/a20.7五公用动力消耗1电kWh/a446908002循环冷却水t/a398848003低压蒸汽t/a4050004中压蒸汽t/a2720005循环冷冻剂t/a6636007氮气Nm3/a23656六三废排放量1废液（水）t/a11142.12废气m3/h169.23废固t/a45.9七全厂定员人169八总占地面积亩168.0九综合能耗总量吨标煤/年82774十单位产品综合能耗吨标煤/吨产品0.4十一工程项目总投资万元50540.51建设投资万元42649.12流动资金万元6397.43建设期利息万元1494.0十二年销售收入万元156735.0十三年总成本万元135535.3十四年利润总额万元17278.0十五年销售额税金及附加万元3921.7十六财务评价指标1投资利润率%34.192投资利税率%41.953投资回收期（静态/动态）年6.54/8.274资本金净利润率%42.435财务内部收益率%23.76财务净现值万元