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2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛中国石化齐鲁石油化工公司分公司年产十六万吨异壬醇项目项目概要团队名称： Gems Quest团队 团队成员： 王绍光 张萌 周鹏 宋震 吴郑欣 指导老师：夏力 孙晓岩 徐环斐 王政 田文德2018年8月中国石化齐鲁石油化工公司分公司年产十六万吨异壬醇项目 项目概要目录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77.厂址选择与布置78.安全环境分析99.经济效益分析91.项目简介本项目是为中石化齐鲁石化设计一套异丁烯资源化利用的分厂，并有效结合石化到长链醇行业，本项目混合碳四年利用50.4万吨，异壬醇年产16万吨，建于山东省淄博市齐鲁化学工业园区。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： 以总厂混合碳四和氢气、合成气为原料，分离异丁烯后得到的混合碳四均能返回总厂具体装置，实现体系融合； 工艺流程中实现氢气、异壬醇两大循环，提高原子利用率；采用双效精馏、反应精馏、变压精馏等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；采取异丁烯选择性二聚工艺，高效分离，减少污染，并对后续三废详细处理；采用涓流床反应器提高反应能力，新型塔板提高分离能力，采用智慧泵站可大大提升水循环系统运行的安全性，降低设备故障率。2.原料产品确定本项目设计的是50.4万吨/年混合碳四，其中的异丁烯资源化利用制异壬醇，其原料方案采用混合进料，原料混合碳四来自总厂80万吨/年裂解制乙烯装置、260万吨/年催化裂化装置，氢气及合成气分别来自齐鲁石化25.5万m3/h产氢装置、齐鲁石化10万m3/h CO和H2煤气化装置。混合碳四的摩尔组成如表1所示：表1 原料组成表成分含量/ mol%异丁烯0.3041-丁烯0.155正丁烷0.13异丁烷0.2811,3-丁二烯0.0022-丁烯0.127绘制成饼状图如图1所示：图1 混合碳四摩尔组成图形成了以99.9%异壬醇为主的产品体系：表2 本项目产品方案序号产品规格（%）产量（万吨/年）备注1异壬醇99.9%16主产品3.工艺设计本项目经过产品选择和工艺方案论证，采用丹东明珠特种树脂有限公司的异丁烯制二异丁烯叠合反应工艺结合中国科学院上海有机化学研究所提出的新型异构化催化剂。设计了由聚合工段、氢甲酰化工段、加氢工段以及精制工段组成的工艺流程，并实现了全流程稳态模拟与优化。工艺流程如图2所示，详见初步设计说明书第四章化工工艺系统。图2 工艺流程框图来自中国石化齐鲁石油化工公司的混合碳四经过聚合反应，聚合反应包括在固定床反应器R0101中的聚合反应和在反应精馏塔T0101中的聚合反应，反应精馏塔T0101塔顶产物为除异丁烯后的混合碳四（醚后碳四），返回总公司利用，塔底产物为经过聚合反应生成2,4,4-三甲基-2-戊烯、2,4,4-三甲基-1-戊烯和三聚异丁烯，经过脱重塔T0102除去重组分三聚异丁烯，塔顶的2,4,4-三甲基-2-戊烯、2,4,4-三甲基-1-戊烯经过异构化反应器R0102使得2,4,4-三甲基-2-戊烯异构为2,4,4-三甲基-1-戊烯，然后与合成气混合进入氢甲酰化反应器R0201，经氢甲酰化反应后的气液混合物经过气液分离罐分离，液体进入精制塔T0201除去轻组分，包括氢甲酰化副反应产生的异辛烷和未反应的异辛烯等轻组分，塔底产品与压缩后的氢气进入加氢反应器R0301，发生加氢反应，反应后的气液混合物经气液分离罐，分离的氢气经过二级压缩冷凝循环利用，液体进入脱轻塔T0401脱除轻组分，塔底液体进入产品塔T0402，塔顶产出高纯度的满足生产要求的产品异壬醇，塔底为少量异壬醇和高沸物，进入脱重塔T0403，塔底产出高沸物，塔顶产出较高纯度的异壬醇进入产品塔T0402循环分离。因此，此流程能在产品塔T0402塔顶采出高纯度的满足生产要求的产品异壬醇。4.节能设计 换热网络优化为了充分利用能量，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，对比分析得出最后方案，详见Aspen流程模拟源文件和PID图纸。全厂换热网络的匹配方案如图3所示。图3 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，共需要冷公用工程30.59MW，热公用工程22.55MW，与优化前相比，节能8.8MW。节能效果如下图所示：图4 全换热网络节能效果对比同时完成了冷热换热网络的模拟，进行EDR设计。详见EDR设计源文件。 双效精馏本项目工艺过程中，精馏塔T0402为产品塔，塔顶气相温度为198.7，为高品位的热源。T0102为反应精馏塔，塔底再沸液体的温度为172.7。因此，T0102的再沸器可以以 T0402塔顶气相作为热源进行换热。采用双效精馏技术后，公用工程耗量下降明显，达到了较好的节能效果，前后能耗对比情况如表3所示。表3 普通精馏与双效精馏技术能耗对比普通精馏双效精馏技术节能率冷却能耗（MW）19.2913.3030.89%加热能耗（MW）19.4913.50总能耗（MW）38.7826.805.设备设计 智慧泵站本项目采用了以高效设备、智能控制、智慧运维、智慧管控为基础，以降低循环水综合能耗为目标的工业领域智慧高效水输送系统智慧泵站。其在改造后综合能效至少可提升20%以上。同时，因设备管理运维的自动化水平提升，用于水泵维护的人力成本将减少50%以上。可大大提升水循环系统运行的安全性，降低设备故障率，提升系统的可用性水平。 立式热虹吸式再沸器立式热虹吸再沸器适用于低压和真空操作，由于流体循环速率高，传热系数比较大，物料在换热管内的停留时间短，不易结垢，管程容易清洗，常用于易结垢的工况，占地面积小，安装费用以及价格都比较低：汽液混合物在蒸馏塔内进行分离，省去再沸器的分离空间，分馏效果小于一块理论板。EDR校核后的立式热虹吸式再沸器如图5所示。图5 立式热虹吸式再沸器 接触式磁力密封运用HAZOP节点分析，对项目生产中易发生泄漏的地方进行分析，为减少有毒有害气体向大气的扩散，我们设计了磁力密封装置以最大程度杜绝扩散，保护环境。利用磁体能够吸引铁磁性物质的性质，通过轴向的补偿，磁力密封能使两端面紧密贴合，不仅可减小泄漏量，还可降低能源损耗，提高设备的运转效率。图6 磁力密封装置如图7所示是本项目的磁力密封装置，主要由静环、动环和密封圈组成。其中，静环为磁性材料，由高剩磁铝镍合金材料制成，其表面光滑，具有良好的热稳定性，且耐磨性好；动环为石墨；O型圈对径向配合进行密封。6.清洁生产本项目为异丁烯资源化利用生产异壬醇的清洁生产工艺，主要体现为：（1） 采用混合碳四、氢气、合成气作为原料路线，将国内消费量随MTBE类的辛烷值添加剂不再需要而逐渐下降的异丁烯原料资源利用，是石化异丁烯行业发展循环经济、实现节能减排、清洁生产、废弃物资源化利用和提高经济效益的重要途径；（2） 工艺路线过程进行氢气、异壬醇两大循环，既提高了原子利用率，也减少了三废排放；（3） 过程副产废物返回总厂：除去异丁烯的混合碳四返回总厂利用，未被完全利用的合成气送至燃烧管网，过程中分离的轻组分返回总厂，其余废液、废固均有效处理，实现三废资源化利用；（4） 二聚工艺采用异丁烯选择性二聚工艺，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.厂址选择与布置 选址确定图8 厂区选址本项目将厂址定在位于山东省淄博市临淄县齐鲁化学工业园区内，靠近总厂中石化齐鲁石化。具体位置如图8所示。 园区是山东省政府与中国石化集团的重要合作项目，是国家正式批准设立的国内第三家专业化工园区，基础设施完善，企业集群使内部产业链优势明显；原料混合碳四直接来自总厂，方便快捷；三废处理、公用工程均有配套产业供应；园区还得到了政府的政策扶助优惠和资金技术支持，注重产业的健康可持续发展。 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，将生产区与生活区布置在厂区轴向干道两侧，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240m，宽190m，厂区占地面积41150m2（根据化工工艺设计手册（第四版）知厂区占地面积不包括围墙内的占地面积，本厂区的占地面积为4450m2），主要包括生活区、生产区、生产辅助区、储罐区和公用工程等区域。我们使用Auto CAD进行厂区的平面设计（厂区平面布置图如图9所示）：图9 厂区平面布置图 三维布置本项目利用Auto CAD 对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10。详见车间平立面、车间三维布置和厂区三维布置源文件。图10 厂区三维效果图8.安全环境分析本项目原料与产品包含氢气、3,5,5-三甲基己醇等易燃易爆物质，故生产储运过程中对于安全格外重视。本项目对生产区和储罐区进行了重大危险源辨识，运用EIAN2.0噪音软件对厂区及其周边环境进行噪声评价；还采用了HAZOP分析软件、爆炸危险指数评价对重大危险源进行风险预评估后设置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，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103858.22万元，年利润62770.88万元，投资回收期5.01年。分析结果表明，本厂在经济上是可行的，具有较高的经济效益。详见可行性研究报告第八章第九章。表4 综合经济技术指标序号指标名称单位数值1设计规