word20131-设计文档0-项目摘要

扬子石化年产10万吨甲基丙烯酸甲酯项目 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46.清洁生产87.厂区选址与布置88.安全环境分析109.经济效益分析1010.项目总结12 浙江工业大学A4团队 1/1扬子石化年产10万吨甲基丙烯酸甲酯项目 摘要1.项目简介本项目是以中石化扬子石油化工有限公司千万吨炼油、近百万吨乙烯为基础的配套子项目，拟以扬子石化提供的C4抽余油和园区提供的甲醇为生产原料，对异丁烯进行资源化利用。本项目年利用C4抽余油15万吨，年产10万吨甲基丙烯酸甲酯（MMA），副产醇后C4与甲酸甲酯的量分别为8.3万吨以及854吨，建于南京化学工业园区扬子石化北侧预留发展空地上。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： 对来自总厂的C4抽余油进行资源化利用，利用反应精馏与气相脱水氧化化技术提纯MMA； 工艺流程中实现甲醇、甲基丙烯醛、水三大循环，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；利用萃取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；采用隔壁塔萃取精馏技术提高产品分离程度，采用新型流化床反应器、浆态床反应器提高反应能力，新型塔板减少产品聚合，新型屏蔽泵降低能耗，新型换热元件改善传热效率。2.原料产品确定本项目设计的是资源化利用15吨/年的C4抽余油及异丁烯绿色生产甲基丙烯酸甲酯，其原料为来自扬子石化的C4抽余油以及园区内公司惠生能源提供的甲醇。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扬子石化C4抽余油组成与性质 Vol%成分含量成分含量正丁烷6.52异丁烯46.37异丁烷2.902-丁烯13.151-丁烯30.63丁二烯0.03温度：25流量：18000kg/hr压力：5bar总量：150000t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MMA之外，同时副产甲酸甲酯与醇后C4。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2 项目主副产品表序号产品规格（%）产量备注1MMA99.95102497吨主产品2甲酸甲酯96854.5吨副产品3醇后C499.99983238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，采用齐鲁研究院的异丁烯水合法、分壁塔萃取精馏技术和中科院过程所张锁江课题组的叔丁醇氧化与甲基丙烯醛（MAL）一步氧化酯化工艺。设计了叔丁醇合成工段、MAL合成工段以及MMA合成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 工艺流程框图来自总厂的C4抽余油经过水合预反应器同水混合后，通过反应精馏的处理后可以分离醇后C4与产物叔丁醇，克服传统精馏技术能耗较高、塔板数过多等问题，叔丁醇通过脱碳塔进入MAL合成工段，先高温脱水形成异丁烯之后，与空气混合氧化成MAL，加压后用甲醇洗，废气水洗后进重新回收甲醇，而MAL和甲醇的混合液进入MAL氧化酯化反应器，产物先分理出较轻的甲酸甲酯副产物，其余进入热泵粗分塔，将甲醇分离出来，利用环己酮萃取回收甲醇中的MMA，与MMA精制塔所得MMA产品混合，最终进入产品储罐。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69.28MW，热公用工程15.47MW，与优化前相比，节能43.16MW。 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83.2%。 双效精馏通过双效精馏，改进甲醇回收流程，总能耗由原来普通精馏4243.79kw，降低到2996.07kw，节能1247.72kw。 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 分壁塔萃取精馏能耗从原来双塔流程的25Gcal/hr，21 Gcal/hr到单个分壁萃取精馏塔共节能节能10%。 图5隔壁塔萃取精馏模拟流程图 表5双效精馏运用前后能耗比较5.设备设计本项目设计过程中主要对分隔壁塔、甲基丙烯醛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。 流化床反应器本项目流化床采用小颗粒且粒度范围较宽的催化剂，可以消除内扩散阻力，且利用内置换热管及时移走反应放出大量热量，使整个床层在近于等温条件下操作，易于控制，利于传质。由于催化剂颗粒处于稳定的流动状态，所以采用补加催化剂的方式，维持流化床内好的流化条件。且设备结构简单，适用于大型化生产。可以解决目前现有固定床反应器内部换热结构存在的管式换热系数低，难以实现传热强化，催化剂耗量大且难以实现连续或生产等问题。图6 流化床反应器 新型屏蔽泵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节能屏蔽泵，该系列泵由上海佰诺泵阀有限公司生产，从而替代了以往高耗能的常规屏蔽泵产品。常规屏蔽式电动机与同功率同极数普通电动机相比效率要低10个百分点，功率因数则更低。但是该系列泵磁路为径向结构，结构简单、漏磁较少，由于空间的限制，采取这种特殊的隔磁方式，减小隔磁桥的尺寸来增大磁阻，使漏磁减小，使用较少钕铁硼永磁体能够提供电动机所需的气隙磁密。该设计使泵的整体效率提高，利用哈氏合金、钕铁硼永磁材料，使电机效率高、功率因数高及功率密度大、过载能力强，且温升低，噪声小，长期高温运行时可靠性高，无泄漏、防爆、耐腐蚀等特点，且可以在200下稳定运行。 图7 IMC系列可连续空载衬氟磁力泵 新型塔板的运用本项目精馏体系中主要存在叔丁醇、甲基丙烯醛、甲基丙烯酸甲酯、甲醇和水等物质，由于甲基丙烯醛和甲基丙烯酸甲酯具有共轭双键，该双键较活泼，导致甲基丙烯醛和甲基丙烯酸甲酯存在自聚情况，即使加入稳定剂也不能完全抑制其自聚反应。实际生产应用证明,含甲基丙烯醛和甲基丙烯酸甲酯的精馏塔若采用填料传质,时间一长就会发生堵塔现象,不能长期正常运行。使用传统浮阀塔板不能很好的解决塔板堵塞等问题，同时浮阀塔板较大，通过查阅各种资料了解到，New-vst Plus塔板板孔较大且无活动部件,一般不易被较脏的或黏性物料堵塞。另外,气液是在喷射状态下离开帽罩的,气速较高,对罩孔本身有较强的自冲洗能力,物流中含有的颗粒、聚合物、污垢等杂质难以在罩孔聚集并堵塞罩孔。故New-vst Plus塔板比较适合解决上述存在的内件堵塞的问题，同时该塔板已在实际工厂中得到良好的应用及效益。图8 New-vst Plus塔板传质过程示意图使用New-vst Plus塔板，与F1浮阀相比，全塔效率提高10%以上。压降在低负荷时与F1型浮阀相当,高负荷时比F1浮阀低20% 30%,且负荷愈大,压降愈低。减少了设备投资，降低了能耗，很好地解决了体系自聚导致内件堵塞的问题，同时也具有较大的经济效益。 “扭曲管”的使用本项目甲基丙烯醛合成工段由于氧化反应放出大量热，出反应器的混合气体温度品味较高，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，占地面积增加。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的消耗增加。针对上述问题，本项目在甲基丙烯醛合成工段换热器中使用了能同时改善换热器壳程及管程的传热效率的传热元件 “扭曲管”，其工作原理如下： 图9 扭曲管管束示意图扭曲管是由普通圆管经压扁扭转制得，截面为椭圆形，两头仍为圆形截面，椭圆截面连续扭转变化，形成螺旋形流道，每经过一个导程截面旋转360度；在长轴处形成点支撑，每旋转60度形成一次支撑，一个导程六个支撑点，管束之间的空间即为螺旋形的流道。扭曲管管内流体旋转流动，在截面上形成二次流；壳程截面长轴处形成自支撑结构，流道也为螺旋形，壳程流体边旋转边纵向流动，强化传热的同时降低了压力损失，另外，纵流也避免了流体诱导的管束振动。6.清洁生产本项目为C4抽余油资源化利用生产MMA以及副产甲酸甲酯及醇后C4的清洁生产工艺，主要体现为：对C4抽余油进行纯化分离，将国内资源化利用程度低的醇后C4加以利用，将其作为总厂芳烃烷基化原料，起到节能减排、清洁生产、废弃物资源化利用和提高经济效益的作用。3工艺路线过程进行甲醇、水、甲基丙烯醛三大循环，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，将含甲醇废水进一步回收利用，减少了有机物废水的排放，同时扩大了经济效益。本项目不叔丁醇脱水反应器以及甲基丙烯醛合成反应器中使用活性氧化铝与钼铋催化剂，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 选址确定图10 厂区选址本项目将厂址定在扬子石化北侧预留发展空地上，具体位置如图10所示。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；火炬气废气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97170m2，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。厂区平面布置图11 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12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12厂区三维效果图8.安全环境分析本项目运用Risk System软件对厂区内的甲醇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93034.6万元，年利润35476.5万元，投资回收期6.42年。分析结果表明，本项目在经济上是可行的，相较于现有的MMA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C4抽余油处理规模t/a151200二产品方案1MMAt/a1024972甲酸甲酯t/a854.43醇后C4t/a83238四年操作时间h8400五主要原材料、辅助原料用量1甲醇t/a333992C4抽余油t/a1512003工艺软水t/a5372504工艺空气t/a438277.65大孔磺酸型树脂t/a0.556活性氧化铝t/a2.157钼铋催化剂t/a62.78Pd-Pb/Al2O3催化剂t/a2.09环己酮t/a58.9六公用动力消耗1冷却水t/a1014325202冷却剂t/a897708003低压蒸汽t/a5787604中压蒸汽t/a3922805电kWh1234806仪表空气Nm3/a3687607氮气Nm3/a362880七三废排放量1废水t/a121302废气m3/h40329.33废固t/a76.85八全厂定员人198九总占地面积亩138.4十工程项目总投资万元93034.61建设投资万元77651.82流动资金万元11647.83建设期利息万元3735.0十一年销售收入万元191137.7十二年总成本万元147378.6十三年利润总额万元35476.5十四年销售额税金及附加万元8282.6十五财务评价指标1投资利润率%38.132投资利税率%47.043投资回收期（静态/动态）年6.42/8.994财务内部收益率%21.65财务净现值万元45608.210.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、市场调研确定了以C4抽余油，采用异丁烯水合、叔丁醇气相脱水氧化及甲基丙烯醛一步氧化酯化工艺，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KUP-Tower、KG-Tower、