初步设计说明书

洛阳吉利区年产6万吨甲基丙烯酸甲酯项目河南科技大学 鼎鼎化工团队团队成员：张卫生郭相江赵紫君王海岩朱新月初步设计说明书河南科技大学 鼎鼎化工团队目录1.总论11.1设计依据则11.1.1设计依据11.1.2设计原则11.2项目概况21.2.1项目名称21.2.2企业法人21.2.3拟建地点21.2.4项目性质21.3工艺特点21.4原料及产品方案31.5厂址概况31.6主要技术经济指标32.原料方案与产品营销52.1概述52.2辅助原材料52.2.1甲醇52.3.2对苯二酚62.3.3MAL(甲基丙烯醛)62.3.4氢气62.4产品营销72.4.1PEST分析72.4.2波特五力分析92.4.3营销策略的制定103.工艺流程简介123.1MAL合成工段123.1.1反应精馏塔123.1.2MAL合成反应器133.1.3急冷塔133.1.4脱水塔143.1.5吸收塔143.1.6MAL合成反应工段流程说明143.2MMA合成工段153.2.1MMA合成反应器153.2.2精馏塔163.2.3相分离装置163.2.4膜分离装置163.2.5MMA合成反应工段流程说明173.3全流程说明174.工艺流程的仿真模拟与优化184.1工艺流程的仿真模拟194.1.1MAL合成工段的仿真模拟194.1.3全流程分析234.2流程优化254.2.1T301MMA精馏塔的优化255.物料衡算及能量衡算305.1概述305.2物料衡算325.2.1物料衡算的意义325.2.2物料衡算的基本原理325.2.3物料衡算任务325.2.4工艺系统物料衡算一览表325.3能量衡算335.3.1能量衡算的意义335.3.2能量衡算的基本原理335.3.3能量衡算任务345.3.4工艺系统能量衡算一览表346.换热网络设计346.1概述346.2夹点技术设计准则346.2.1物流数目准则356.2.2热容流率准则356.2.3最大换热负荷准则356.3换热网络集成356.3.1分工段换热网络集成366.3.2全流程换热网络集成427.设备设计及选型487.1MAL合成反应器487.1.1MAL合成原理487.1.2反应器设计计算547.2反应精馏塔设计607.2.1设计依据607.2.2操作条件607.2.3设备选型627.2.4反应精馏塔精馏段设计637.3溶剂回收塔设计647.3.1KG-TOWER在塔盘工艺结构计算中的运用647.3.7塔体结构设计717.3.8塔设备强度设计及稳定校核767.3.9机械设计汇总表907.4换热器的选型设计917.4.1设计依据917.4.2概述927.4.3换热器类型的确定927.4.4参考参数937.4.5具体设计957.4.6计算结果汇总1008.仪表与自动控制1028.1概述1028.1.1设计范围1028.1.2控制水平1028.2仪表的选择1038.2.1仪表的选型原则1038.2.2控制室监控系统1038.3设备的控制方案1048.3.1离心泵的自动控制1048.3.2储罐的自动控制1058.3.3压缩机的自动控制1068.3.4精馏塔的自动控制1078.3.5反应器的自动控制1088.4危险性和可操作性分析（HAZOP）1108.4.1概述1108.4.2HAZOP分析的工作程序1108.4.3常用的工艺参数及引导词1118.4.4HAZOP分析应用1128.5AspenDynamics动态模拟与优化1148.5.2液位报警设定1169.总图布置1199.1设计依据1199.2设计范围1199.3设计理念1199.4厂址概述1199.4.1园区概况1199.4.2周边环境概况1209.5总图布置1219.5.1厂区总图布局概述1219.5.2生产区的布置1229.5.3辅助生产区1229.5.4原料及产品储罐区1229.5.5行政办公及生活区1239.5.6检修及消防区1239.5.7发展用地与三废处理区1249.5.8总平面布置经济指标1249.6厂内运输布置1259.6.1运输布局要求12510.车间布置12810.1设计依据及布置原则12810.1.1设计依据12810.1.2布置原则12810.2车间划分概述12910.3MAL合成车间12910.3.1车间整体布置12910.3.2各类设备布置12910.3.3车间布置图12910.4MMA合成车间13010.4.1车间整体布置13010.4.2各类设备布置13110.4.3车间布置图13111.管道布置图13211.1管道布置依据13211.2管道布置要求13211.3管道敷设方式13311.3.1架空敷设13311.3.2地面以下敷设13411.4主要设备的管道布置13511.4.1塔的管道布置13611.4.2泵的管道布置13611.4.3换热器的管道布置13611.4.4容器的管道布置13711.4.5管廊上的管道布置13712.分析化验13812.1设计依据13812.2设计原则13912.3分析化验室的目的和任务13912.3.1中心化验室的任务13912.3.2车间化验室的任务14012.4中心主要检测项目14012.4.1原料检测14012.4.2产品检测14012.4.3环保检测14112.5中心化验室主要仪器配备表14112.6车间化验室14313.公用工程建设14413.1设计原则14413.2冷公用工程系统14413.2.1概述14413.2.2冷却水系统14513.2.3冷冻盐水系统14513.3热公用工程14513.3.1概述14513.3.2蒸汽系统14613.3.3蒸汽冷凝水回收系统14614.土建14714.1设计依据14714.2厂区建筑设计范围14714.3厂区地理情况14714.4建筑与结构设计方案14814.4.1设计理念14814.4.2设计原则14814.4.3设计方案14915.给排水系统15015.1概述15015.2设计依据15015.3设计原则15015.4给排水系统设计15115.4.1给水系统设计15115.4.2排水系统设计15215.5节水措施15316.供电与电信工程15416.1设计标准154供配电系统设计规范GB50052-9515416.2设计范围15416.3设计理念15416.4设计原则15516.5供电电源和通信选择15516.6供电方案选择15516.6.1供配电系统15516.6.2供电方式15616.6.3负荷等级及供电方案15616.7电信方案15716.8供电线路的设计15716.9防雷、接地、防静电措施15817.采暖通风及空气调节15917.1设计依据15917.2厂址气候条件15917.3设计范围16017.4设计参数16017.5设计方案16117.5.1采暖供暖设计16117.5.2空气调节设计16118.储运系统16218.1设计依据16218.2储运系统概述16318.2.1罐区概述16318.2.2储存注意事项16318.2.3罐区安全措施16418.2.4运输规划16418.2.5运输安全16418.2.6运输注意事项16519.维护与维修16519.1概述16519.2设计依据及原则16619.2.1设计依据16619.2.2设计原则16619.3设备维护16619.3.1巡回检查16619.3.2同步检修与协同检查16719.4检修基本内容16719.4.1换热器的检修16719.4.2泵的检修16819.4.3塔设备的检修16819.4.4储罐的检修16819.4.5管道的检修16919.4.6电动机的检修16919.5维修人员管理16920.消防专篇17020.1设计依据17020.2主要危险物分析17020.3建筑防火等级17120.4消防系统17320.4.1消防站17320.4.2消防给水系统17320.4.3防雷接地17420.4.4火灾自动报警系统17420.4.5可燃及有毒气体探测系统17520.4.6灭火器17520.5消防安全措施17520.5.1基础消防措施17520.5.2厂区消防布置17620.5.3生产过程的防火防爆17720.6消防定员17721.劳动安全与工业卫生17821.1设计概述17821.2设计标准及依据17821.2.1设计标准17821.2.2设计依据17921.3建设地区安全卫生17921.3.1拟建设地点17921.3.2安全卫生状况17921.4有害因素分析18021.4.1易燃易爆18021.4.2毒性18021.4.3噪声18021.4.4其他危害18121.5安全防范措施18121.5.1防火防爆措施18121.5.2泄漏应急措施18121.5.3防噪措施18221.5.4其他防范措施18221.6工业卫生18222.工厂组织和劳动定员18222.1工厂体制与组织机构18222.2机构职权分布18322.3管理机制18422.3.1公司管理策略18422.3.2公司激励策略18422.4企业文化18622.5劳动定员18622.6员工培训18722.6.1工人、技术人员和生产管理人员来源18722.6.2人员培训规划18822.6.3专业技术知识培训18822.6.4岗位、技能适应性培训18823.环境保护18923.1设计依据18923.1.1环境保护法律18923.1.2环境质量标准18923.1.3排放标准18923.2厂址与厂区环境现状19023.2.1厂址工程概况19023.2.2厂区环境现状19023.3主要污染源和主要污染物排放量19023.4设计中采取环保措施19223.4.1建设期污染防治措施19223.4.2运营期间污染防治19223.5环境影响评价分析19523.6绿化195主要参考文献：196河南科技大学 鼎鼎化工队洛阳吉利区年产6万吨甲基丙烯酸甲酯项目 环境影响报告1.总论1.1设计依据则1.1.1设计依据（1）本设计小组编制的年产6万吨MMA项目可行性研究报告；（2）2018年“东华科技陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛设计任务书；（3）石化和化学工业“十三五”发展规划；（4）产业结构调整指导目录（2015年本）（修正）；（5）化工工厂初步设计文件内容深度规定（HG/T20688-2000）及有关专业国家标准。（6）中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国劳动安全法等相关的国家法律、法规；（7）本设计团队编制的可行性报告、安全预评价、环境评估报告等；（8）洛阳吉利区石油化工园区地理、人文、经济等因素；1.1.2设计原则(1)严格遵守国家和地区的相关政策以及法律法规，符合国家的产业政策、投资方向及行业和地区的规划；(2)采用成熟而先进可靠的工艺生产技术，以保证工厂生产运行稳定、能耗低、产品品质优良；(3)产品生产与质量指标均符合国家及地方办法的各项相关标准；(4)坚持科学发展、以人为本，重视环境保护、安全和工业卫生。三废治理、消防、安全、劳动保护措施必须同主体装置的设计、建设、投运同时进行。污染物的排放必须达到规定的指标，并保证工厂安全运行和操作人员的健康不受损害；(5)充分利用洛阳市吉利区石油化工园区的现有条件和优势，以及洛阳市现有的经济条件，化工园区和相当有利的发展形势，有效地对园区进行改造，加快建设进度，以经济建设为中心，关注民生经济以及相关支柱产业的发展。(6)做好市场调研，分析和风险性评价，降低建设成本，在环保，经济的基础上，提高企业受益和经济效益，增强项目产品在市场上的优势。(7)产品生产和质量指标符合国家及地方颁发的各项相关标准。(8)注重过程中与社会的沟通合作，注重项目的社会效益以及环保效益，贯彻落实“可持无发展”的原则，在进行设计、选择过程中进行详细全面的论证。1.2项目概况1.2.1项目名称洛阳石油化工总厂宏达实业总公司6万吨/年甲基丙烯酸甲酯生产项目1.2.2企业法人洛阳石油化工总厂宏达实业总公司1.2.3拟建地点河南省洛阳市吉利区石油化工聚集区1.2.4项目性质本项目的目标是为某一石化总厂(洛阳石油化工总厂宏达实业总公司)设计一座异丁烯下游产品MMA的合成分厂，加快异丁烯化工的综合发展，以提高资源利用率和综合经济效益，在资源的优化与利用方面具有重要意义。1.3工艺特点本工艺主要分为甲基丙烯醛（MAL）合成工段和甲基丙烯酸甲酯（MMA）合成工段。在MMA合成工艺中，我们采用日本旭化成的直接甲基化法合成工艺，该工艺方法具有工艺流程简单，产品纯度和收率高，甲醇回收利用率高，副产物少，不造成环境污染等优点。1.4原料及产品方案本项目主要原料为异丁烯，辅助原料为甲醇、氢气、甲基丙烯醛（MAL）、N-甲基吡咯烷酮等物质，其主要规格及用量请见表1-1。表1-1原料规格与用量序号物质名称规格年消耗量（万吨/年）1异丁烯/42甲醇99.9%2.473甲基丙烯醛99.5%0.0534N-甲基吡咯烷酮99.5%0.0125氢气工业级0.026对苯二酚工业级0.005本项目主要产品为甲基丙烯酸甲酯（MMA），产品规格及生产量见表1-2。表1-2产品规格及产量产品名称纯度产品等级年产量/吨甲基丙烯酸甲酯99.9%优级品600001.5厂址概况本厂是依托于洛阳石油化工总厂宏达实业总公司宏力化工厂C4综合加工子系统，位于洛阳市高新技术产业开发区吉利科技园区内的高新技术企业。本厂通过由原料集成、产品集成构成的综合集成方案，使工业园的资源达到充分共享，为本厂实现了集中、高效、便利的管理。1.6主要技术经济指标通过对项目的实施进行规划及财务评价，本项目的综合规划建设期为2年，投产期为2年，第一年的生产能力为全负荷的60%，第二年的生产能力为全负荷的80%，达产期设计为11年，总工期为15年。本项目的主要经济技术指标如表1-3所示。表1-3项目综合经济技术指标项目指标项目指标工程总投资（万元）47,472固定资产投资（万元）52,566总成本（万元/年）161,078全场总产值（万元）219,500亏盈平衡点（%）70%投资利润率（%）42.7投资回收期（年）6.1投资利税率（%）62.9投资净现值（万元）38,282内部收益率（%）31.62.原料方案与产品营销2.1概述根据第十二届大学生化工设计竞赛要求，本厂是依托于洛阳石油化工总厂宏达实业总公司宏力化工厂C4综合加工子系统，位于洛阳市高新技术产业开发区吉利科技园区内的高新技术企业。本厂通过由原料集成、产品集成构成的综合集成方案，使工业园的资源达到充分共享，为本厂实现了集中、高效、便利的管理。2.2辅助原材料2.2.1甲醇本项目在MMA合成反应器中要求甲醇达到工业级一级合格品。其来源来自洛阳市泰禾商贸有限公司，甲醇规格如表2-1所示。表2-1甲醇规格甲醇项目指标甲醇纯度（wt%）99.9%色度/Hazen单位（铂-钴色号）5密度0.7910.793沸程1.0高锰酸钾/min30酸（以HCOOH的质量分数计）/%0.003碱的质量分数（以NH3的质量分数计）0.008羰基化合物的质量分数（以HCHO计）蒸发残渣的质量分数0.0030.005蒸发残渣的质量分数0.0032.3.2对苯二酚本项目对对苯二酚要求较高，其纯度达到工业级合格品，用量也较小。其来源来自广州市纳城化工有限公司，工业用对苯二酚符合GB/T23959-2009的技术标准，其规格如表2-5所示。表2-5对苯二酚规格项目指标对苯二酚（wt,%）99.0邻苯二酚（wt,%）0.05熔融点（）171175烧碱残渣（wt,%）0.3重金属（以Pd计，wt%）0.005重金属（以Pd计，wt%）0.004溶解性通过检验2.3.3MAL(甲基丙烯醛)本项目在MMA合成反应器后的物料中需要补加MAL，其纯度要求达到工业级一级合格品，来源于濮阳市三源易兴科技有限公司，MAL规格如表2-2所示。表2-2MAL规格MAL项目指标纯度（wt%）99.5%水分0.5外观无色液体包装160Kg/桶2.3.4氢气本项目对H2为工业级合格品，其来源洛阳市聚宏利工业气体有限公司，H2规格符合GB/T3634-1995工业氢的技术指标,H2规格如表2-4所示。表2-4H2规格项目规格纯度（%）99.0氧含量（%）0.4氨含量（%）0.6氯符合检验碱符合检验游离水（ml/瓶）100注：表中纯度和含量以体积分数表示（V/V）。2.4产品营销消费者和生产者都是市场的主体，在市场经济体制下，只有维持两者供需关系平衡，才能产生一个动态稳定的市场环境，但由于信息交流、竞争关系等各方面因素，导致市场是多变的，但在不同行业中，其变化的快慢和变化的幅度并不相同，往往与企业性质和销售环境等方面有关。对于化工行业具有投资大、规模大、建设期长、回收年限长、市场变化缓慢、受产业链影响大等特点。所以对于产品的生产与销售有很大的影响，据此，我们对本厂进行产品营销分析，并采用PEST分析法和波特五力分析法进行验证。2.4.1PEST分析模型概述PEST分析是帮助企业检阅其外部宏观环境的一种方法。对宏观环境因素进行分析，不同行业和企业根据自身特点和经营需要，分析的具体内容会有差异，但一般都应对政治（Political）、经济（Economic）、技术（Technological）和社会（Social）这四大类影响企业的主要外部因素进行分析。其主要模型关系如图2-1所示图2-1PEST分析模型关系图模型分析：从政治法律角度看；国家对于化工企业的导向，是鼓励资源综合利用和走可持续性发展的道路。特别是十二五中的规划纲领中指出：持扩大开放与区域协调发展相结合，协同推动沿海、内陆、沿边开放，形成优势互补、分工协作、均衡协调的区域开放格局，加快产能调整。这包含着石油化工行业的上游、中游、下游的生产项目建设，是石化行业发展的良好机遇。从经济的角度看；主要包括宏观和微观两个方面。宏观上我国石化行业产量已居世界第二，但人口基数大、发展需求大，以至于石化行业还有很大的发展前景，特别是重化工的下游生产，有着难以想象的发展空间。微观上现今C4混合物主要以燃料利用为主，对其深加工的比例不足2%严重低于发达国家的70%左右的水平，这不符合国民情况和社会发展。从技术的角度看；国内综合利用C4的厂商，主要表现在技术落后、生产设备差、利用率不高，导致综合效率低下、厂家利润不够没有竞争力。而本公司采用日本最新的异丁烯生产MMA的工艺路线，并结合厂区工业园的环境优势，可以大大地弥补原料来源和产品销售的问题。从社会的角度看；C4的综合利用挽救了C4作为燃料使用的浪费行为，同时采用本厂工艺生产MMA可以节约能源，对于环境保护和可持续发展具有积极意义。2.4.2波特五力分析模型概述五力分析是帮助企业制定企业战略的一种方法。用于竞争战略的分析，可以有效地分析企业的竞争环境和生存能力。五力组成是：供应商的议价能力、购买者议价的能力、潜在竞争者进入的能力、替代品的替代能力、行业内竞争者的竞争能力。五中力量的不同组合变化，都会很大程度上影响企业盈利潜力的变化。其模型关系如图2-2所示。图2-2波特五力分析模型关系图供应商的议价能力本厂是以洛阳石油化工总厂宏达实业总公司为依托的C4综合利用项目，主体原料的来源由母厂提供，所以原料的价格等都十分依赖母厂的生产状况，但对于茂名石化的大企业，只要国内石化市场稳定和国际石化行业相对稳定，作为下游企业则不会出现动荡，特别是本厂作为其C4综合利用子系统，供给关系更加牢固。购买者的议价能力本厂生产的MMA主要是为树脂厂、橡胶厂等下游厂家提供生产原材料，而这些厂往往规模小、生产能力低，所以对MMA需求量小，导致产品供给不能实现前向一体化，而作为上游企业却可以实现后者一体化，从而导致下游企业在追求MMA原料成本最低的原则下，具有购买范围不定的表现。新进入者的威胁在国家宏观调控和市场调控的双手下，导致C4混合烃的深加工具有很大的商业价值和社会效益，投资者的涌进是必然的，特别是随着供求关系的变化，市场形势最终将趋于短期动态平衡和长期动态平衡。这些对本厂的销售市场都是很大的挑战。替代品的威胁化工是一个大行业，生产方法和生产路线是多种多样的，当一种工艺优于另一种工艺时，替代的威胁就涌现出来，对于优胜劣汰的市场，最终会淘汰弱者。所以这些不确定的因素都影响着MMA的未来。同业竞争者的竞争程度竞争是不可避免的，大部分化工行业之间利益是相互纠缠，但销售主体是不变的，在销售过程中为追求利润最大化，这就导致了相互竞争的问题，所以合理分析同行竞争，适时地对C4加工或者产品结构进行调整都是十分必要的。2.4.3营销策略的制定通过PEST和五力法对本项目的外部环境（机遇和威胁）分析后，可以制定出本厂的营销策略。如下： 加大技术、管理投入，降低产品成本。技术是第一生产力，在同等市场条件了，只有通过技术的创新和管理的完善，才能提高企业抗风险的能力，得到更多的利润和竞争力。 提高产品质量、树立企业形象产品质量的好坏是企业的硬功夫，也是吸引消费对象的法门，在其他企业尚未抓住C4综合利用的机遇时，以优质的产品和贴心的服务抢占先机，并树立企业良好形象，才能在竞争中处于优势地位。 积极推销、沟通，建立固定的供销关系网络特别是本地市场，要吸引本地用户对有产品的肯定，对于邻厂的供求关系要维持并时刻注重服务，对于母厂要时刻注意其生产方向，为自己后续处理做好充足准备，建立信息交流平台维护供销关系网络。 鼓励创新，开发新工艺新产品本厂现今利用日本最新的C4处理工艺，对于现今来说是最新的，但对于石化方面的企业，其工艺先进性的优势会随着时间推移而逐步减弱，落后就挨打，要抢占市场的先机，在他人未意识到的情况下，鼓励C4加工技术的创新，同时加强与相关科研所的合作。 完善生产，降低成本混合C4烃中组分多，但本项目仅仅利用了其中的主要部分，剩余资源被浪费，这样加大了企业成本，只有完善生产和规模化集中化的发展才能达到利润最大化，从而更好的提高企业综合能力。3.工艺流程简介本设计项目工艺为以洛阳石油化工总厂宏达实业总公司生产异丁烯为原料，经过MAL合成工段、MMA合成工段最后生产MMA产品（其纯度达到聚合级要求）。下面将对本工艺中涉及的两个工段分别进行介绍。3.1MAL合成工段MAL合成工段主要包含了反应精馏塔、MAL合成反应器、急冷喷淋塔、脱水塔及吸收塔等过程，下面对各部分分别进行介绍。3.1.1反应精馏塔反应精馏塔的作用是将从萃取精馏塔塔顶排出的液体抽余C4中的1-丁烯在氢气氛围作用下，转化为2-丁烯，从而实现异丁烯的提纯。异构反应精馏法是将1-丁烯到2-丁烯的异构反应与普通精馏相结合的一种分离方法。由于在抽余C4中异丁烯和1-丁烯的沸点相差很小，相对挥发度之比仅为1.02，采用普通精馏无法将1-丁烯与异丁烯分离，而异构反应精馏法利用丁烯骨架异构反应，将抽余碳四中的1-丁烯转化为沸点较高的2-丁烯，再将异丁烯和2-丁烯通过普通精馏分离，从而达到从抽余C4中得到高纯度的异丁烯。对1-丁烯液相临氢异构反应的热力学的分析表明，在压力为0.71.6Mpa,温度为280K到360K之间时，1-丁烯的单程转化率很高，在93%以上，如存在多个反应级有望将原材料中的1-丁烯全部转化为2-丁烯。对丁烯反应体系的分析表明，异丁烯和1-丁烯的沸点相差极小，无法用精馏分离，但异丁烯与2-丁烯的沸点相差相对较高，精馏分离可以实现。因此，将丁烯临氢异构反应与精馏结合，可以在精馏分离异丁烯和2-丁烯的同时，将C4组分中的1-丁烯全部转化，以实现异丁烯的提纯。虽然异构反应体系中氢气并不参与反应，但氢气的存在对反应精馏过程有诸多益处：（1）抽余C4原料中会有微量的丁二烯以及炔烃残余，会对异丁烯的聚合反应产生干扰。异构反应的Ni/Al2O3催化剂对丁二烯和炔烃的加氢反应也具有很高的催化活性，可以通过加氢反应将原料中残余的微量丁二烯和炔烃转化为丁烯或丁烷。降低产品中丁二烯和炔烃的含量；（2）可为催化剂活化提供必要的H原子。保持催化剂活性，促进异构反应的进行；（3）氢气的存在还能阻止C4组分碳化反应的发生，抑制催化剂结焦，提高催化剂的使用寿命。3.1.2MAL合成反应器MAL合成反应器的作用是将从反应精馏塔内出来的高纯度的异丁烯，与氧气、氮气和水蒸汽在摩尔比为n（异丁烯）：n（氧气）：n（氮气）：n（水蒸汽）=1:2:12:1.5的条件下，发生反应生成甲基丙烯醛（MAL）。异丁烯制备甲基丙烯醛的催化剂目前主要以钼铋体系为主，并添加铁、钴等助剂来提高催化剂的选择性和稳定性。由于本反应热效应较大，不宜采用绝热式反应器，故本反应器采用列管式固定床反应器，此种反应器具有良好地传热性能，管内温度较易控制，返混小、选择性高，有利于MAL合成反应的进行。在本反应器中，将Mo-Bi系列催化剂填充在列管内，异丁烯与氧气在催化剂环境下接触反应，使得异丁烯迅速氧化生成甲基丙烯醛。本项目中的MAL合成反应采用80（Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1）/20Si复合氧化物为催化剂，通过实验对比发现，在温度为350，压力为0.1MPa的反应条件下，异丁烯的转化率可达到97%，MAL的选择性可达到89%，从而获得较高收率的反应条件下，异丁烯的转化率可达到97%，MAL的选择性可达到89%，从而获得较高收率的MAL产品。3.1.3急冷塔急冷塔是在0.1MPa的条件下，对从MAL合成反应器中出来的350MAL、水蒸气、空气组成的混合物进行降温。在急冷塔的上部设置喷淋装置，同时在其下部也设置一个喷淋装置，塔上部的喷淋装置主要是提供喷淋水对进料混合物进行降温，稍下部的喷淋装置主要是重复利用来自脱水塔塔底的水，经过喷淋水喷淋后，一部分水和对苯二甲酸酸等重组分从塔底排除，而剩下的大部分的水蒸气、MAL、空气等物质从塔顶排出。3.1.4脱水塔脱水塔是在0.145MPa的条件下，将从急冷塔出来的水蒸气、MAL、空气混合物中的水脱除。在脱水塔的上部引入了来自MMA合成反应工段的MAL和甲醇的混合液体，来自急冷塔的MAL、水蒸气、空气混合物与MAL和甲醇的混合液体在塔内逆向接触，这样使得轻组分中MAL的含量增高，以使得产品产量增高，同时使得水等重组分从塔底排出，空气、MAL、甲醇气体从塔顶排出。3.1.5吸收塔吸收塔是在0.5MPa的条件下，将从脱水塔出来的MAL、甲醇、空气混合物中的空气排出，并将MAL和甲醇液化为液体。在吸收塔的上部引入来自MMA合成反应工段的MAL和甲醇的混合液体，来自脱水塔的混合气体与来自MMA合成反应工段的混合液体逆向接触，使得MAL和甲醇液化为液体，同时使得重组分中MAL和甲醇的含量增高，以提高最终产品的产量。空气等气体则从塔顶排出，MAL和甲醇混合液体从塔底排出。3.1.6MAL合成反应工段流程说明MAL合成反应工段流程简图如图3-2所示。图3-2MAL合成反应工段流程简图从萃取精馏塔塔顶出来的抽余C4经换热由泵加压输送至反应精馏塔，在氢气氛围条件下，用Ni/Al2O3作为催化剂进行临轻异构反应精馏，塔底得到2-丁烯，丁烷等重组分送至燃料储罐，塔顶得到质量分数96.4%以上的异丁烯。异丁烯经过与O2，N2及水蒸气混合后,用熔盐预热至反应温度350，反应压力1atm大气压下，用80(M0.2Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1)/20Si作为催化剂，在列管式固定床反应器中进行催化氧化反应合成MAL，还有一些副反应生成的气体杂质。从反应器出来气体的温度较高，送至急冷喷淋塔降温。为了充分利用能量及考虑到MAL可能会因为高温发生自聚，采用内置蛇管，外设夹套急冷喷淋空塔塔进行降温，蛇管内通入工艺冷却水与气体换热副产低压饱和蒸汽，用作其他工段的热源，上面设立循环水喷淋与气体直接接触降温及除去气体中的重组分，从急冷喷淋塔底部出来的液体为含有重组分的水送至三废处理中心，气体经风机输送至脱水塔中，气体温度为73，由于水与MAL形成的共沸物，甲醇与MAL形成共沸物用循环的原料甲醇从塔顶喷淋降温，使得甲醇被汽化从塔顶排出，塔底得到的为水及少部分MAL，经泵输送至急冷塔中作为循环水使用。由脱水塔顶部得到的气体混合物经压缩机加压后送至脱水塔底部进料，与来自被冷却的常温循环甲醇逆流接触，气体中的甲醇及MAL被冷却吸收从塔釜液排出，未被吸收的未反应的包括异丁烯在内的气体杂质由塔顶排放至火炬系统处理。3.2MMA合成工段MMA合成工段主要包含了MMA合成反应器、MMA精馏塔、相分离储罐、膜分离等过程，下面对各部分分别进行介绍。3.2.1MMA合成反应器MMA合成反应器的作用是将从吸收塔出来的MAL液体转化为MMA产品。在反应器上部将甲醇液体和MAL液体一起通入反应器，并在塔体通入空气。MAL和甲醇在氧气的氛围下，在反应器中发生合成反应，反应过程中耗氧率较低，仅为0.2，甲醇和MAL的质量比为10，并向反应器中加入少量的对苯二酚作为阻聚剂。MMA合成反应采用改性琳德拉催化剂，在催化剂的作用下，MAL与甲醇发生直接甲基化反应，使得MAL直接转化为MMA产品，通过实验归纳总结得到，当琳德拉催化剂的用量为3.4%时，MAL的转化率和MMA的选择性都达到最高值，使得产品的收率最大。MMA合成反应为气液固三相反应，故采用浆态床反应器，在反应器底部引入空气，鼓动床层，有利于气液固三相的接触，并抑制床层堵塞。本反应采用改性琳德拉催化剂，通过实验整理证明，当反应温度为70，反应压力为0.3MPa时，MMA产物的收率最高，故本反应器的工艺条件为T=70，压力0.3MPa。3.2.2精馏塔精馏塔的作用是分离MMA合成反应器中出来的液体混合物，得到MMA产品。从MAL合成反应器中出来的液体经泵输送至精馏塔中，由于液体中存在多组共沸物体系，因此采用普通的精馏分离出MMA较困难，能耗较高，通过查找文献报道，因此采用外加物质改变其组分相对挥发度，破坏其共沸体系，报道中的萃取剂有用MAL，离子液体，己烷，C4以上的醇类及水作为萃取剂进行萃取精馏分离，考虑到其萃取剂的工业应用情况及操作费用，使用来源广泛的水作为萃取剂进行萃取精馏，塔顶得到甲醇及MAL和甲醇共沸物，循环使用，塔底得到水及MMA。3.2.3相分离装置从精馏塔塔底得到的水和MMA混合物经换热后由泵输送至相分离储罐，由于MMA在水中的溶解度很少（MMA在水中溶解度为1.15g/g，水在MMA中溶解度为1.5g/g），并且MMA的沸点（100101）和水的沸点（100）相差太小，MMA的相对密度0.9440（20/4），采用普通的精馏分离方法将会造成能耗较高，因此可以采用静置分层的方法分离MMA和水，储罐上方采出MMA，下方排出的为含有少量重组分的水分，经处理后由泵输送至精馏塔中循环使用。设计的相分离装置时考虑到其停留时间至少一个小时的容量，采用一个储罐用于静置，一个储罐用于进出料。3.2.4膜分离装置膜分离装置的作用是为了得到高纯度的MMA产品，进一步脱除其中含有的微量水分。根据查找相关文献得知，相对于分子筛吸附等传统的分离工艺手段，膜分离具有低能耗，操作方便，过程简单（易放大与自控）、高效率、设备集中化程度高等优点，膜法分离有机液体中的水分脱除已在工业中运用比较成熟的工艺，渗透气化(PVAP)是膜技术中较新的一种,它和反渗透有相似的传质过程。由于其具有高的分离选择性、低能耗、低设备投资及操作条件温和等优点，因此最后本项目设计小组采用技术成熟的膜分离法提纯MMA。3.2.5MMA合成反应工段流程说明MMA合成反应工段流程简图如图3-3所示。图3-3MMA合成反应工段流程简图由吸收塔底部采出的含有MAL的甲醇，循环甲醇原料及补加反应所消耗的甲醇预热后混合后经泵输送至MMA合成反应器中，采用浆态床反应器，下方为空气鼓泡进行搅拌，在Pd1Pb0.6Fe0.3/CaCO3催化剂的作用下，MAL和甲醇被催化氧化酯化反应生成MMA，还有一部分CO等气体杂质，这些气体杂质同未反应完的空气一同送入到火炬系统中。经过反应器后的液体经泵输送至精馏塔中，用水作为萃取剂进行萃取精馏，塔顶得到的为未反应完的甲醇及MAL，经换热后除去其中少量的丙烯酸甲酯等杂质后与补加的MAL组成循环甲醇原料，塔顶得到MMA和水，经换热后进入相分离装置，分离出的水经处理后送入到精馏塔中循环使用，MMA中还含有少量的水分通过膜分离装置进一步脱除微量水分，得到其纯度达到聚合级要求的MMA产品。3.3全流程说明本项目设计以洛阳石油化工总厂宏达实业总公司生产的异丁烯经过深加工后生成MMA产品的全流程简图说明如图3-4所示。图3-4全流程流程简图4.工艺流程的仿真模拟与优化现代化工设计常用的模拟软件有Aspen，Pro-，ChemCAD等流程模拟软件，而过程模拟是整个设计的基础，它为后续设计提供物料，能量，物性参数等信息。过程模拟最为重要的任务有以下几点：1.对各个候选工艺进行分析判断是否可行；2.选择最为合适的工艺方案；3.对所选择的工艺方案进行优化设计，考虑到其工艺的可靠性及经济性，最后确定其最优工艺操作条件。在整个设计过程中，采用AspenPlus对整个工艺流程进行了较为精确的计算，由于AspenPlus的原理是序贯模块法，而整个工艺流程中含有循环回路，也就是说在这个流程是一个不可分割的子系统，因此模拟时先对单个设备进行模拟计算，再对各个工段进行模拟计算，进而为整个工艺流程提供物料和能量平衡提供参数。在对工艺叙述时，将整个工艺流程分为工段分别叙述。经过查找文献，选择热力学模型，采用NRTL作为MAL合成工段和MMA合成工段的局部模型。4.1工艺流程的仿真模拟本项目的目标是为某一石化总厂(洛阳石油化工总厂宏达实业总公司)设计一座异丁烯下游产品MMA的合成分厂，加快异丁烯化工的综合发展，以提高资源利用率和综合经济效益，在资源的优化与利用方面具有重要意义。4.1.1MAL合成工段的仿真模拟MAL合成工段工段主要包括加氢反应器、脱轻塔、萃取精馏塔、溶剂回收塔等主体设备。其MAL合成工段模拟流程简图如图4-1所示。图4-1MAL合成工段模拟流程简图反应精馏塔模拟反应精馏塔内的物料来自于萃取精馏塔塔顶馏出物，其主要组成为异丁烯（i-B），顺式-2-丁烯（c-B），反式-2-丁烯（t-B），1-丁烯（1-B），正丁烷（n-B），异丁烷（IB）六种组分，在Ni/Al2O3催化剂和微量氢气存在情况下，会发生1-丁烯和2-丁烯之间的双键异构反应和2-丁烯两种异构体之间的顺反异构反应。通过查找资料研究表明，这些反应可以看做是一级液相反应，并可以表示为下列的独立反应：（1）1-C4H8Trans-C4H8（2）Trans-C4H82-C4H8（3）Trans-C4H8+H2N-C4H10其中（1）是双键异构反应，（2）是顺反异构，（3）是加氢反应。（1），（2）为可逆反应，（3）为不可逆反应，各反应速率表达式如下：其中，由于异构体系中氢气的含量很少，加氢反应一般可以忽略。上式中的反应速率常数K和活化能由查找文献的动力学实验结果回归得到，结果如表3-2所示。表3-2反应速率常数K和反应活化能Ea速率常数k（molkg-1s-1）表观活化能Ea（kJmol-1）K1=exp（9.57457-4241.2629/T）35.26K2=exp（22.4903-9324.8158/T）77.53K3=exp（6.2474-2381.6756/T）19.80碳四体系中组分的活度系数采用Scatchard-Hildebrand方程计算，该方程适合于烃、轻体系。通过文献知，对1-丁烯液相临氢异构反应的热力学的分析表明，在压力为0.71.6MPa，文帝为280360K之间时，1-丁烯的单程转化率很高，若存在多个平衡级反应，则可将1-丁烯全部转化。反应精馏塔的模拟采用严格的Radfrac模型，反应精馏塔的平衡级模型特点在于物料衡算方程中加入反应物的改变量，并且在能量衡算方程中加入反应热的对应项，对于丁烯异构反应精馏的平衡模型，其基本假设如下：（1）全塔共有包括冷凝器（第1级）和再沸器（第2级）在内的n个平衡级；（2）每个平衡级可视为全混流反应器；（3）气液两相处于相平衡；（反应仅发生于液相）；（5）过程设为定常态。本工艺选择反应精馏塔的操作条件为塔压7bar，理论板数为70，C4进料板数为35，氢气进料板数为40，催化剂的装填段为2040，选择汽相采出的部分冷凝器的板式塔。MAL合成反应器模拟MAL合成反应器内发生的反应主要有以下几个独立反应：（1）iso-C4H8MAL+H2O（2）iso-C4H8+5O22CO2+2CO+4H2O（3）5iso-C4H8+11O22C8H6O4+2C2H4O2+10H2O（4）2iso-C4H8+3O22C3H6O+2CO+2H2O这些反应涉及到的元素数为3个（碳、氢、氧），独立反应数为4个。模拟时根据所查找的文献，得到MAL合成反应器的进出口组成，再根据质量守恒求出各物质的收率及每个反应器的反应物的转化率，结合理论可推导出其宏观动力学数据，但也可以通过选择化学计量反应器的模型方法，通过设定每个反应的转化率和目标产物的收率来模拟计算。因此，最终选择化学计量反应器RStoic作为加氢反应器模型进行模拟。将异丁烯、氧气、氮气及水蒸气混合后（原料气的摩尔组成为I-C4H8：H2O:O2：N2=1:1.5:2:12）加热至反应温度进入MAL合成反应器，在催化剂80（Mo12Bi1Fe2.0Co7.0V0.2Cs0.1）/20Si的作用下发生氧化反应，所选反应器器的类型为列管式固定床反应器。由于反应为放热反应，因此需采用工艺循环冷却水移走反应热，使反应保持恒温条件。本工艺所选择的MAL合成反应器的操作条件为1atm,350。急冷喷淋塔模拟急冷喷淋塔采用外置夹套和内置蛇形管进行取热，塔的顶端和中上部都有水直接与气体逆流接触喷淋降温，除去气体中的重组分。因此，在AspenPlus里将其抽象为一个换热器和吸收塔模型进行模拟，换热器移走的热量将用于蛇形管和夹套取热副产低压蒸汽，吸收塔模型采用Radfrac模型，考虑到气体中的MAL会与水形成共沸体系，因此迭代计算时采用Azeotropic的收敛方式。塔的操作条件为1atm，无再沸器和冷凝器。脱水塔模拟脱水塔内发生的是物理吸收过程，通过未反应完全的循环甲醇原料从塔的顶部喷淋，与来自塔底的气体逆流接触传热传传质，由于甲醇与MAL形成共沸物的结合能力更高，使之原先的MAL和水的共沸体系被破坏，水作为重组分从塔底采出经泵输送至急冷喷淋塔循环使用，来自塔顶的甲醇将被汽化，随气体一同从塔顶排出。在操作压力1.45bar，温度64的条件下，无再沸器和冷凝器，可将气体中的含水量脱至4.3%（体积分数）以下，从而达到分离的目的。吸收塔模拟吸收塔的原理与脱水塔的原理基本类是，来自