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中海壳牌石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目 摘要中海壳牌石化年产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23.工艺设计34.节能设计55.设备设计76.清洁生产127.厂区选址与布置138.安全环境分析159.经济效益分析1510.项目总结17 贵州大学 飞跃：化工厂 中海壳牌石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目 摘要1.项目简介随着我国石油工业的快速发展，我国已成为世界上最大VAC生产国和消费国，VAC的需求量与日俱增，醋酸乙烯酯是年消费量数百万吨的大宗化学品，在我国亦有超过55年的生产历史，现有生产技术成熟稳定，同时也意味着在先进技术的应用方面具有较大的提升空间。为此，能够“合理、安全、绿色、高效、环保”地生产VAC已经成为了亟待解决的社会性课题。鉴于以上背景，本项目以“清洁、安全、环保”的理念为惠州大亚湾经济技术开发区设计一座年产20万吨醋酸乙烯酯项目的能够满足上述需求的化工生产装置.本项目是以中海壳牌石油化工股份有限公司166万吨乙烯为基础的配套子项目，拟以中海壳牌石化提供的乙烯和永基化工提供的甲醇为生产原料生产醋酸乙烯酯。本项目年利用乙烯172811.2吨，年产20万吨甲基醋酸乙烯酯（VAC），副产醋酸量为45275.75吨，建于惠州大亚湾经济技术开发区西南侧预留发展空地上。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VAC原料来源之一的醋酸创新性地选择了甲醇低压羰基化法生产，且采用了负载型 Ni-Mo-La/AC 绿色催化剂。工艺流程中实现甲醇、一氧化碳、乙烯三大循环，提高原料利用率；采用环境友好型的乙烯气相氧化法生产VAC，并使用新型固定床反应器。在一定程度上提高了热交换效率,能够有效的避免“飞温”现象的发生,也降低了载热体的用量,减少了装置的操作成本。采用热泵精馏、共沸精馏、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；并对三废进行资源化处理。采用新型换热元件扭曲管改善传热效率；采用新型节能屏蔽泵，替代了以往高耗能的常规屏蔽泵。采用变压吸附对一氧化碳进行处理，并进行多塔分离，提高分离效果。2.原料产品确定本项目设计的是乙烯气相氧化法生产醋酸乙烯酯，其原料为来自中海壳牌石化的乙烯以及园区内公司永基化工提供的甲醇。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原材料质量标准序号名称纯度年需求量1甲醇99.85104975.7吨2CO10016614808 Nm33乙烯10018058694Nm34氧气1008742456 Nm35工艺软水10057600吨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VAC之外，同时副产醋酸。经本项目调查，主副产品均可在当地出售，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（%）年产量备注1VAC99.8520万吨主产品2醋酸99.9945275.75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，采用甲醇低压羰基化法、乙烯气相氧化法工艺。设计了醋酸合成合成工段、VAC合成工段以及VAC精制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 工艺流程框图经循环气体压缩机压出的气体和补充乙烯通过第2热交换器，利用来自反应器的反应气进行预热后，进入醋酸蒸发器的下部。在醋酸蒸发器中，原料气与从上部流下的醋酸进行逆流接触，被醋酸所饱和，从醋酸蒸发器顶部出来，用过热蒸汽加热到稍高于反应温度后进入氧气混合器，与氧气急速均匀地混合，达到规定的含氧浓度，并严格防止局部氧气过量，以防爆炸。从氧气混合器导出的原料气，在配管中途添加喷雾状的碳酸钾溶液后，进入列管式固定床反应器。列管中装填钯-金催化剂，管间走中压热水，原料气在给定的温度、压力条件下与催化剂接触反应放出的反应热被管间的热水所吸收，并汽化而产生中压蒸汽。反应产物含醋酸乙烯、CO2、水和其它副产物，以及未反应的乙烯、乙酸、氧和惰性气体，从反应器底部导出。反应产物分步冷却到60左右，进入吸收塔，塔顶喷淋冷乙酸，把反应气体中的醋酸乙烯加以捕集，从塔顶出来的未反应原料气，大部分经压缩机增压后，重新参加反应，小部分去循环气精制部分，脱除CO2进行净化。反应生成的醋酸乙烯、水和未反应的乙酸一起作为反应液送至初馏塔，分出乙酸循环使用；塔顶出来的蒸汽经冷凝后送脱气槽进行降压，并脱除溶解在反应液中的乙烯等气体。此气体也循环使用，脱气的反应液经汽提、脱水等处理后送去精馏提纯。来自醋酸分离塔的小部分循环气，含CO2达1530，先进入水洗塔，在塔中部再用乙酸洗涤一次，除去其中少量的醋酸乙烯，塔顶喷淋少量的水，洗去气体夹带的乙酸，以免在CO2吸收塔中消耗过多的碳酸钾。水洗后的循环气一部分放空，以防止惰性气体的积累，其余部分进入CO2吸收塔，在0.60.8MPa，100120条件下与30的碳酸钾溶液逆流接触，以脱除气体中的CO2。经过吸收处理后的气体，CO2含量降至0.019左右，经冷凝干燥除去水分后，再回循环压缩机循环使用。反应液在脱气槽中分为两层，下层主要是水，送汽提塔回收少量的醋酸乙烯。上层液为含水的粗醋酸乙烯，送脱水塔进行脱水，然后进入脱轻馏分塔除去低沸物后，再进脱重馏分塔，塔顶蒸气经冷凝后即得质量达聚合级要求的醋酸乙烯精品，最终进入产品储罐。纯醋酸乙烯的聚合能力很强，在常温下就能缓慢聚合，形成的聚合物易堵塞管道，影响正常操作。因此，在纯醋酸乙烯存放或受热的情况下，必须加入阻聚剂，如对苯二酚、二苯胺、乙酸铵等。 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。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42.44MW，热公用工程34.28MW，与优化前相比，节能62.06MW。 热泵精馏图3 热泵精馏模拟流程图在VAC精制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4730815Watt，节省幅度达85.77%。热泵精馏节省热耗100%，节约冷耗78.79%。表3 热泵精馏运用前后能耗比较项目普通精馏热泵精馏冷公用工程能耗（Watt）2827951599792热公用工程能耗（Watt）26880690压缩机功耗（Watt）0181692泵功耗（Watt）03721总能耗（Watt）55160207852055.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。 新型列管式反应器本项目醋酸乙烯酯反应器采用等温列管式固定床反应器，管内装填催化剂，壳程通冷凝水及时移走反应产生的热量，控制反应温度。固定床中催化剂颗粒固定不动，返混少，反应物的平均浓度高，反应速率较快，可以克服流化床的缺点。除此之外，固定床内的流体流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性；可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力；结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂；反应器的操作方便、操作弹性较大。综上，醋酸乙烯酯反应过程中热效应很大，催化剂不易失活，同时催化剂颗粒小，价格昂贵，且返混对反应体系不利，故选定反应器类型为列管式固定床反应器。列管式固定床反应器有以下优点：返混小，流体可同催化剂进行有效解除，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性；催化剂机械损耗；结构简单，它的投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间；列管式固定床相对于一般固定床而言，更容易控制热量的传递过程。因此，列管式固定床是甲基丙烯醛反应比较理想的反应设备。图3 新型固定床反应器 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4新型屏蔽泵 新型甲醇防爆泵防爆泵一般用于输送易燃易爆介质，或用于爆炸性危险场所，要求泵体采用防爆材料，如铝合金，不锈钢等材质。上海上石机械生产的防爆泵具有结构简单，性能平稳，转速高，体积小，重量轻，效率高，流量大，容易操作和维修等优特点。上海上石机械制造有限公司防爆甲醇泵为单级单吸离心泵，用于输送不含固体悬浮颗粒的酒，酒精或乙醇，甲醇等液体，(更换叶轮可输送含小颗粒结晶甲醇)，适应温度范围较宽，被输送的介质的温度为3969。泵进口压力不大于0.7MPa,广泛用于化工，石油，酒精，冶金，合成纤维，食品，医药等部门。防爆甲醇泵适合输送流量范围22000米/小时，配备防爆电机。根据输送不同的介质，部件的材质可根据客户要求选用1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni9，304L，SUS316L，Cr18Ni12Mo2Ti等材料制造。图5 甲醇输送泵 “扭曲管”的使用本项目醋酸乙烯酯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，本项目在醋酸乙烯酯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6 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。 高效除沫气液分离器为了达到更好的气液分离效果，本项目在在丝网部分参考黑龙江鑫达晟机械科技有限公司的专利CN201520216299.4一种高效除沫气液分离器来解决气液分离不够彻底，无法适应长时间的气液分离工作的问题。该新型技术与现有技术相比具有以下效果：蒸汽经过第一丝网捕沫器和第二丝网捕沫器逐层分离后由蒸汽挡板进行最终的气液分离，分离效果更加彻底，同时利用震动装置，使附着在除沫装置上的液滴快速下落，在气液分离器工作的同时进行初步清理，使设备工作时间更长，本实用新型提高了工作效率，延长了工作时间，保证了气液分离质量，从根本上解决了蒸汽夹带物料的问题，从而保证了蒸发器更高效更稳定的运行。具体结构图如下图所示：图7高效除沫气液分离器结构图6.清洁生产本项目为乙烯氧乙酰化生产VAC以及副产醋酸的清洁生产工艺，主要体现为：采用夹点分析节能技术对工艺流程进行优化，提高效率、降低能耗，并对后续三废详细处理，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、一氧化碳、乙烯三大循环，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。本项目对VAC原料来源之一的醋酸创新性地选择了甲醇低压羰基化法生产，且采用新型催化剂，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惠州大亚湾经济技术开发区西南侧预留发展空地上，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；乙烯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360m，宽233m，总产地面积83880m2，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、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，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46865.65万元，年利润22057.0万元，投资回收期6.8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产品方案1VACt/a208296.12醋酸t/a3671二年操作时间h8000三主要原材料、辅助原料用量1甲醇t/a104975.72工艺软水t/a576003Ni-Mo-La/AC催化剂t/a4.64CT-2型催化剂t/a135乙烯t/a1728006一氧化碳t/a941157氧气t/a87036.72四公用动力消耗1电kwh101432560kwh2循环冷却水t/a53920240t3循环冷冻剂t/a223412.8t4高压蒸汽t./a7734.4t5中压蒸汽t/a143601.6t6低压蒸汽t48450.768t7空气Nm3/a12627128Nm38氮气Nm3/a362880Nm3五三废排放量1废水t/a61731.92废气m3/h53209.63废固t/a22.1六全厂定员人198七总占地面积亩126八工程项目总投资万元46865.651建设投资万元38804.052流动资金万元5820.613建设期利息万元2241九年销