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扬子石化年产15万吨醋酸乙烯酯项目项目摘要11目录1. 项目介绍12. 工艺确定13. 产品确定14. 工艺设计15. 节能设计36. 设备设计57. 清洁生产68. 厂区选择与布置79. 安全环境分析910. 经济分析91. 项目介绍本项目是为扬子石化新建一个年产15万吨醋酸乙烯酯项目，选址在江苏省南京化学工业园。以总厂生产的乙烯为原料，采用乙烯气相法Leap工艺与乙酸、氧气在催化剂的催化下生成醋酸乙烯酯（VAc）。本项目可以为总厂拓宽企业的业务范围，实现多元化经营，也可以为醋酸乙烯酯的下游产业链项目提供原料，与南京扬子石化当地的原料到产品的体系相结合。2. 工艺确定Leap技术作为一种新兴的乙烯气相法工艺，无论是工艺原理还是操作过程，都与传统的乙烯气相法的醋酸乙烯工业化生产技术(Bayer技术与USI技术)非常相似。但是，BP公司开发的Leap技术，采用流化床反应器，改善了反应过程的传热，从而提高了醋酸乙烯的产率，单台反应器生产能力与传统的乙烯气相法相比提高了一倍。催化剂寿命也延长一倍以上。此外，由于采用流化床反应器，可以减少或除去反应器所需的大量冷却管/盘管，也便于采用较小的反应器，还可以除去固定床工艺所需的液体蒸馏塔及气体预热交换器等，使装置投资减少30%。因此本项目选择Leap技术。3. 产品确定本项目是年产15万吨醋酸乙烯酯项目，经过简单的Aspen流程模拟，得到副产物二氧化碳、醋酸甲酯和醋酸乙酯。由于醋酸甲酯和醋酸乙酯的量太少，本项目选择二氧化碳作为副产物。产品方案如表1：表1 产品方案及规格序号产品规格%产量t/a备注1醋酸乙烯99.6150000主产品2二氧化碳99.97708副产品4. 工艺设计本工艺主要分为原料预处理工段、醋酸乙烯酯合成工段、二氧化碳捕集工段和分离精制工段。原料粗乙烯、空分装置得到的氧气以及经蒸发器得到的气态醋酸混合加压升温，进入流化床反应器制得粗VAc，经醋酸吸收实现产品富集。吸收分离原料气与杂质CO2后，经萃取隔壁塔分离产品、水以及萃取剂，得到的产品进一步精制得到高纯度醋酸乙烯产品。流程模拟图见图1。图1 全厂流程模拟图1. 原料预处理工段从原厂低温高压储存的液态乙烯用甲醇作为预热介质，加热成为气态乙烯，空分装置得到的氧气、经醋酸蒸发器得到的气态醋酸以及各组分循环使用的物料，经压缩机在原料混合罐按照9：1：3的固定进料比混合，接着进入换热器预热到160进入流化床反应器。2. 醋酸乙烯酯合成工段混合物预热后进入流化床反应器，以Pd-Au-SiO2为催化剂，醋酸钾为助催化剂，在温度160，压力0.78MPa的条件下进行氧乙酰化反应得到粗产品醋酸乙烯酯，反应后的粗产品经换热器后等比例分成两股物料，进入并联的醋酸精馏塔T0201、T0202，塔顶主要成分为气态的乙烯、氧气、氮气、醋酸乙酯、醋酸乙烯酯等物质，由于醋酸与水的相对挥发度较为接近，两塔塔釜主要成分为醋酸以及少量的水，塔釜物流减压换热后进入以醋酸甲酯为共沸剂的共沸精馏塔T0203，塔顶为乙酸甲酯与水的共沸物，经E0209冷却由气态变为液态后，进入液液倾析器油水两相分相，醋酸甲酯回收进入储罐，塔釜分离出高纯度的乙酸经泵P0207加压后循环使用。反应的方程式为：C2H4+1/2O2+CH3COOH=CH3COOCHCH2+H2O由于该反应为强放热反应，所以选择反应器类型为流化床反应器。流化床在等温环境下操作，使催化剂由于过热而引起的失活减少到最低限度；在流化床反应器中，通过将反应介质(液体)引入流化床中，利用介质的蒸发潜热使反应器冷却，从而达到及时移除反应热的目的，同时减少反应器所需的冷却管(盘)，缩小反应器体积；流化床工艺可以省略固定床工艺所需的液体蒸馏塔及气体预热交换器。3. 二氧化碳捕集工段醋酸经换热加压后与粗产品醋酸乙烯酯进入醋酸吸收塔T0301，醋酸低温吸收醋酸乙烯以及其他有机杂质如乙醛、醋酸乙酯、醋酸甲酯等物质，而乙烯、氮气、氧气等不被醋酸吸收或微量吸收的物质从醋酸吸收塔塔顶出来，经压缩机C0301加压，E0304、E0305降温后进入MEA吸收塔T0302吸收其中的二氧化碳，未被吸收的乙烯、氧气、氮气等物质循环使用。塔釜物流为MEA+、MEACOO等物质，经E0303升温减压后进入MEA溶剂再生塔T0303，塔釜物流为乙醇胺溶液，一部分进入储罐，另一部分循环使用，溶剂再生塔塔顶出料主要为二氧化碳，经二氧化碳膜分离技术分离出杂质得到高纯度的二氧化碳。4. 醋酸乙烯分离精制工段醋酸吸收醋酸乙烯之后，经E0401和E0402升温后进入醋酸精馏塔T0401，塔釜醋酸和少量的水进入醋酸与水的共沸精馏塔T0402，塔釜得到高纯度的醋酸循环使用，塔顶物料进入萃取隔壁塔T0403，以甘油为萃取剂，塔顶出料为纯度99.2%的醋酸乙烯酯，塔侧线出料为水，塔釜出料为甘油，并循环使用。塔顶出料进入醋酸乙烯精制塔T0404，除去乙醛、醋酸乙酯、醋酸甲酯等杂质。并得到纯度为99.6%的醋酸乙烯酯。5. 节能设计 换热网络优化在本项目中，涉及公用工程量较多。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，对比分析得出最优。详见Aspen流程模拟源文件和PID图纸。对全流程进行换热网络优化，结果见图2至图4所示，节能效果如表2所示。与此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。图2 第一、二工段优化后换热网络图3 第三工段优化后换热网络图4 第四工段优化后换热网络表2 优化后热公用工程用量项目热公用工程（KJ/hr）冷公用工程(KJ/hr)优化前3.8161084.32108优化后3.241083.82108节能百分率（%）15.0911.57从上表计算可知，节约热公用工程量为15.09%，节约冷公用工程量11.57%，节约能量为29.8MW。 用水网络优化水系统集成的研究任务包括水系统的分析，综合和改造。水系统的分析是指获得用水系统的最小新鲜水用量和最小废水流量目标；水系统的综合是指设计用水网络，通过水的回用、再生和循环等达到上述目标；水系统的改造是指通过改变现有的用水网络，达到最大限度限度的水回用和最小程度产生废水。本设计项目工艺流程为生产醋酸乙烯酯工艺。此工艺中需要大量的工艺用水，从而在生产过程中会产生大量的废水，造成水资源的浪费，而且对环境产生严重污染，所以我们必须对废水进行净化处理。对其工艺用水重复利用，提高水利用率，增加经济效益。优化后的用水网络如图5所示，水夹点分析图如图6所示。图5 优化后的用水网络图6 水夹点分析图用水网络优化后，再生复用水600.3t/h，比优化前节约用水6.6%。表3 用水网络优化对比用水网络水源新鲜水用量节水率初步全部新鲜水9058t/h6.6%优化再生复用600.3t/h6. 设备设计本项目设计过程中主要对反应器、塔、换热器等设备进行了详细设计，对泵、压缩机、储罐等设备进行了选型。本项目共1个反应器、10个塔、36个换热器、36个储罐和25个泵。 流化床反应器本项目中的反应器用来完成乙烯、乙酸和氧气在催化剂作用下在反应器内完成反应。主反应为醋酸氧酰化反应，该反应特点如下：1. 在工业上的催化剂一般为固体Pd-Au/SiO2，且该反应为强放热反应。2. 催化剂容易结焦失活，连续工业化不允许频繁停车来更换催化剂，否则会导致产品质量的不稳定以及额外的能量与原料消耗。现有反应器反应体系不稳定，不利于放大设计。列管式固定床反应器虽然好地解决了撤热问题，但由于采用了冷却水撤热，冷却水由于流量、温度的扰动容易造成反应床层热点温度漂移，进而导致反应体系不稳定，不利于反应器的放大设计。针对以上情况，本项目创新地采用了流化床反应器，既实现了沿程移热功能，使反应体系温度保持在160的工艺条件范围，同时又通过精密的控制系统实现了生产过程连续化。详见典型设备设计与选型说明书。 Fluent模拟计算本项目设计过程中采用Fluent 16.0 对E0304 U型管换热器的流体流动和传热特性进行数值模拟。在GAMBIT中建立简化的物理模型，并生成网格。将网格导入到Fluent中进行数值模拟计算，得到温度场云图和速度场云图，由图可看出，管程出口温度模拟值与理论值偏差小于10%，符合设计要求。 图7 速度场云图 图8温度场云图7. 清洁生产醋酸乙烯的生产采用环境友好型Leap法工艺，基本保证低污染乃至无污染，实现项目环境友好、生产经济，符合中国制造2025绿色发展指标。对本项目产生的三废进行有效利用。本项目产生的废气分为两部分，一部分量少但大部分为有机物，可供热燃烧，因此充入氮气送往总厂瓦斯管道燃烧供热；一部分量大，但水蒸气含量为96.5%，送入前处理车间蒸汽系统，为原料预热，节约能源。本项目工艺路线过程进行乙烯、乙酸、醋酸甲酯、乙醇胺等循环，既提高了原子利用率，也减少了三废排放。8. 厂区选择与布置 厂区选址经过项目组的讨论，认为南京扬子石化是理想的总厂厂址。扬子石化拥有年产65万吨乙烯的能力，其下属公司碧辟乙酰公司专项生产醋酸及其下游产品，因此，原料充足，满足本项目的需求。扬子石化所在园区为南京化学工业园区，是南京唯一的一家经国家批准，以发展石油化工为主的化学工业园区。该工业园区公用工程、三废处理均有配套的处理系统，交通便利，有专用的港区、铁路，位于多条高速公路的中心枢纽位置。表3是扬子石化作为总厂的优势总结。表4 扬子石化优势总结特点概括环境优渥中石化扬子石油化工公司所在工业园区经济发达，交通便利，气候宜人交通便利南京化学工业园区与南京主城连成一体，多条高速公路在此汇集，拥有专用铁路和港区，运输方便市场充盈南京化学工业园区下游企业众多，可实现产品就地销售，节约运输成本政策支持园区鼓励国内高新技术环保企业落户园区，出台一系列优惠政策，为本项目的实施提供了很大的优惠设施完善中石化扬子石油化工有限公司公用工程、三废处理建设完善，预留空地多，能满足项目进一步发展本项目选址在扬子石化的预留地上，预留地面积为284亩。本项目用地178.7亩（11.9万m2），满足本项目需求。图5为厂区卫星图。图9 厂区卫星图 总图布置总图布置根据人进出口与物料进出口分离理念，分设人流通道和物流通道，减少交通阻力。将生产区与生活区布置在厂区两侧，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397.4米，宽300米，总面积119100m2，主要包括生活行政区、辅助生产区、生产装置区和储运区等区域。我们使用Auto CAD进行厂区总平面布置图、厂区消防水总平面布置图、厂区消防泡沫总平面布置图、厂区消防器材总平面布置图、防雷防静电接地总平面图、可燃气体报警及火灾自动报警布置总平面图、爆炸区域划分总平面图，详见项目图册。厂区总平面布置图见图6。图10 厂区总平面布置图9. 安全环境分析本项目运用Risk System软件对厂区内的乙烯、乙酸、醋酸乙烯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BLEVE事故、池火事故模型预测、沸腾液体扩展蒸汽爆炸预测、蒸汽云爆炸模型预测，分析了事故的伤害范围；此外还运用了Fault Tree Analysis事故树分析软件分析了乙烯管道、醋酸乙烯酯储罐的泄露原因，运用Risk system软件对乙烯储罐和醋酸乙烯储罐进行了蒸汽云爆炸事故、池火事故、中毒事故的模拟；运用EIAN软件对厂区及其周边环境进行噪声评价；采用了HAZOP分析方法、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。详见图11环境安全设计部分。环境安全图11 环境安全设计组成10. 经济分析本项目总资金为57601.42万元，其中：固定资产投资47309.93万元，建设期利息2850万元，流动资金7141.49万元。本项目财务内部收益率为22.27%，投资利润率42.54%，投资利税率52.32%；静态投资回收期（税后）6.38年，动态投资回收期（税后）8.24年，借款偿还期3年。主要技术经济指标如表5。表5 主要技术经济指标 序号项目名称单位数值一生产规模万t/a15二产品方案1醋酸乙烯酯t/a1500002二氧化碳t/a7708三年操作时间h8000续表5 主要技术经济指标四主要原材料、辅助原料用量1O2t678762乙酸t107608.43乙烯t/a52041.374Pd-Au/SiO2催化剂t/a7.865乙酸甲酯t/a876.76甘油t/a7317对苯二酚t/a308乙醇胺t/a198.48五公用动力消耗量1冷却水万t/a72002冷冻盐水万t/a49.563低压蒸汽万t/a11.544中压蒸汽万t/a13.65电kWh520659446仪表空气Nm3/a15589007氮气Nm3/a354680六三废排放量1废水t/a37731.462废气万m3/a41253废固t/a17.56七全厂定员人136八总占地面积亩178.8九工程项目总投资万元57601.421固定资产投资万元47609.932流动资金万元7141.49十年总销售收入万元117616.64十一年总成本万元87478.64十二年利润总额万元24508.63十三年销售额税金及附加万元5629.37十四财务评价指标1投资利润率%42.55续表5 主要技术经济指标2投资利税率%52.323投资回收期（静态/动态）年6.38/8.244财务内部收益率%22.175财务净现值万元44658.37本项目万元产值综合能耗为161.54kgce，低于中国制造2025中绿色发展