20102 设计文档集0-项目摘要

茂名石化8万吨/年MMA生产项目 项目摘要WORTH DOING 13项目摘要1.项目简介本项目是为中石化茂名分公司设计一座以碳四抽余油中异丁烯为原料，年产8万吨甲基丙烯酸甲酯的分厂，选址于茂名产业转移工业园。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： 以总厂乙烯裂解装置和丁二烯抽提装置的碳四抽余油中的异丁烯为原料，生产甲基丙烯酸甲酯，使企业的产业链得到延伸。 工艺流程中实现甲醇、工业软水等物质的循环利用，提高原子利用率，实现清洁的工业生产。采用热泵精馏、急冷塔副产中压蒸汽、内部热集成共沸精馏塔、预共沸精馏加膜分离组合技术等多项节能技术对工艺流程进行优化。采用甲醇醚化裂解工艺预处理碳四抽余油来制备高纯度异丁烯，采用二步氧化酯化工艺制备甲基丙烯酸甲酯，并对后续三废详细处理。采用浆态床反应器提高反应能力，内部热集成共沸精馏塔提高分离能力，预共沸精馏加膜分离组合工艺提高产品品质。2.原料及产品的确定本项目设计的是8万吨/年甲基丙烯酸甲酯的分厂。其原料为中石化茂名分公司乙烯裂解装置和丁二烯抽提装置的碳四抽余油中的异丁烯。表1为碳四抽余油组成。表1碳四抽余油组成原料组成含量丙烷0.0002环丙烷0.0009异丁烷0.038正丁烷0.14乙炔0.0005反-2-丁烯0.07531-丁烯0.26异丁烯0.43顺-2-丁烯0.03491,3-丁二烯0.0004丙烯0.0065乙烯基乙炔0.00651-丁炔0.0066其他0.0002合计1本项目的产品为含量99.99%的高纯度甲基丙烯酸甲酯。表2为产品甲基丙烯酸甲酯组成。表2产品组成产品组成含量甲基丙烯酸甲酯0.9999水0.00013.工艺设计本项目经过产品选择和工艺论证，最终采用甲醇醚化裂解法在抽余碳四中提纯异丁烯，异丁烯二步氧化酯化法制备甲基丙烯酸甲酯工艺。设计了由原料预处理工段、MAL合成工段、MMA合成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1所示，详见初步设计说明书第四章化工工艺系统。图1工艺流程在原料预处理工段，来自储罐的过量甲醇经过甲醇净化器后与碳四抽余油经混合器混合后进入MTBE合成反应器，原料碳四抽余油中的异丁烯大部分转化成甲基叔丁基醚；少量未反应的异丁烯与补充的甲醇进入MTBE反应精馏塔，经过反应精馏塔的反应和分离作用之后，醚后碳四在塔顶排出；甲基叔丁基醚和剩余甲醇进入MTBE裂解反应器，在MTBE反应器中甲基叔丁基醚发生裂解反应，生成异丁烯和甲醇；裂解后的产物与补充的水分别进入甲醇吸收塔，在甲醇吸收塔塔顶排出高纯度异丁烯进入MAL合成工段，塔底产出水和甲醇的混合物进入脱水塔；水和甲醇的混合物在脱水塔的分离作用下，将水从塔底排出通往甲醇吸收塔循环使用，塔顶排出粗甲醇；粗甲醇进入甲醇回收塔，主要的有机杂质为二异丁烯与少量甲醇形成共沸物在塔顶排出，塔底产出精制甲醇通往混合器循环使用。在MAL合成工段，来自原料预处理工段的高纯度异丁烯与水蒸汽、过量的空气进入混合器后一起通往MAL反应器；在MAL反应器中异丁烯和空气中的氧气发生氧化反应生产甲基丙烯醛；反应后的产物与来自MMA合成及精制工段的循环水分别通往急冷塔，反应物进行降温，降温后的反应产物在塔顶排出进入脱水塔，废水在塔底排出通往废水处理站；反应产物与循环回的甲醇分别进入脱水塔，反应产物进行脱水处理，脱水后的反应产物在塔顶排出进入MAL提纯塔，塔底排出水通往急冷塔循环使用；脱水后的反应产物与来自MMA合成及精制工段的循环甲醇分别进入MAL提纯塔，塔顶排出贫氧空气进行收集处理，塔底排出甲基丙烯醛和甲醇的混合物一起通往MMA合成及精制工段。在MMA合成及精制工段，来自MAL合成工段的甲基丙烯醛和甲醇的混合物和补充甲醇一起通入MMA合成浆态床反应器；空气经加压后通入MMA浆态床反应器与甲基丙烯醛和甲醇反应生成甲基丙烯酸甲酯，贫氧空气在浆态床反应器上部排出，反应生成的甲基丙烯酸甲酯和过量的甲醇一起通往内部热集成共沸精馏塔；补充水与甲基丙烯酸甲酯和甲醇的混合物分别进入内部热集成共沸精馏塔，甲醇在塔顶排出分成三股，分别循环回该工段的反应混合器、MAL合成工段的脱水塔和MAL提纯塔，塔顶不凝气排出MMA浆态床未排净的空气，塔底产出甲基丙烯酸甲酯和水混合物，进入相分离器；在相分离器中甲基丙烯酸甲酯和水由于密度不同自动分层进行分离，将水相分为三股，分别通往该工段内部热集成共沸精馏塔、MAL合成工段的反应前混合器和急冷塔循环使用，酯相通往预共沸精馏塔；塔顶排出甲基丙烯酸甲酯和水的共沸物进入膜分离装置，分离出的废水收集处理，高纯度甲基丙烯酸甲酯送往带有阻聚剂的储罐进行储存；预共沸精馏塔塔底产出高纯度甲基丙烯酸甲酯送往带有阻聚剂的储罐进行储存。4.节能设计4.1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P&ID图纸，对比分析得出最优。详见Aspen Plus流程模拟源文件和P&ID图纸。全厂各工段换热网络的匹配方案如图2所示，节能效果如图3所示。图2全流程换热网络匹配方案图3优化前后节能对比4.2急冷塔副产中压蒸汽在MAL合成工段中急冷塔有大量的热量可以进行利用，故将该急冷塔设计成可以副产中压蒸汽的形式，将副产的中压蒸汽用于原料预处理工段的MTBE裂解反应器。详见创新性说明书，该工艺如图4所示。图4急冷塔副产中压蒸汽4.3热泵精馏的应用原料预处理工段中脱水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 Plus对比模拟，热泵精馏总能耗节约29%。详见创新性说明。热泵精馏在Aspen Plus中模拟如图5所示。图5热泵精馏在Aspen Plus中模拟4.4内部热集成共沸精馏塔在MMA合成及精制工段中分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇时使用内部热集成共沸精馏塔。该工艺不但提高了分离效率，而且节约热能11.2%，节约冷量50%。详见创新性说明书。该工艺在Aspen Plus中模拟如图6所示。图6内部热集成共沸精馏塔在Aspen Plus中的模拟4.5预共沸精馏与膜分离组合工艺在MMA合成及精制工段，为将甲基丙烯酸甲酯精制达到高纯的浓度，本团队创新性地采用了预共沸精馏与膜分离组合工艺。该工艺不但可以大幅度提高产品的质量，而且能耗更低。详见创新性说明。该工艺如图7所示。图7预共沸精馏与膜分离组合工艺5.设备设计本项目设计过程中主要对MMA合成反应器、MTBE合成反应精馏塔等非标设备进行了详细设计，对换热器、储罐、泵、压缩机等标准设备进行了选型。详见设备选型与典型设备设计。5.1液固膨胀床反应器在MTBE合成过程中，采用液固膨胀床反应器，既能够提高传质效果，保证催化剂利用率，还能够提高传热效果，防止反应器内局部过热损害催化剂，同时减少二聚异丁烯等副产物的选择性。使用COMSOL Multiphysics 5.3a软件模拟反应器内异丁烯浓度分布如下图，可知异丁烯浓度随反应器轴线减小，且反应器后半部分浓度变化较小，反应已基本平衡，所以在该反应器后使用反应精馏塔提高异丁烯转化率。图8反应器轴径相异丁烯浓度分布图5.2鼓泡塔浆态床反应器在甲基丙烯酸甲酯合成时，选用鼓泡塔浆态床反应器，该反应器为气液固三相操作，其中液固两相可以当作均相处理。该反应器没有运动部件，无需为搅拌器密封；维护费用低；粒内扩散阻力小，催化剂的利用率高；与搅拌反应器相比只要较小的平面空间；与固定床反应器比较可以用高液体循环速率带来的高有效传热速率。详见设备选型与典型设备设计。利用ANSYS15.0模拟优化后增加气体分布器时的气液分布情况。图9增加气体分布器时的气液分布情况图5.3内部热集成共沸精馏塔在MMA合成及精制工段中分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇时使用内部热集成共沸精馏塔。其中内塔为精馏段，选用板式塔，外塔为提馏段，选用散装鲍尔环。高温的精馏段与低温的提馏段进行换热，达到节能的目的，两塔均通过CUP-Tower和Aspen Plus V9软件进行水力学校核，且均满足操作要求。利用COMSOL Multiphysics 5.3a对该塔优化后的结构进行温度分布分析，分析结果如下图所示。图10温度分布分析结果图6.清洁生产本项目为生产甲基丙烯酸甲酯的清洁生产工艺，主要体现为：选用二步氧化酯化法，避免中间体甲基丙烯酸的产生，使原料利用率提高；同时废水循环利用，减少了废水的产生。7.厂区选址及布置本项目将厂址定在位于广东省茂名产业转移工业园，靠近总厂中石化茂名石化分公司。园区作为广东省石油化工重点发展的炼油基地之一，公共设施完善，企业集群使内部产业链优势明显；原料碳四抽余油直接来自总厂，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。图11厂区选址示意图8.安全环境分析本项目运用 Risk System 软件对厂区内的甲基丙烯酸甲酯、碳四抽余油、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 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；运用 EIAN软件对厂区及其周边环境进行噪声评价；运用Aspen EpSelon对厂区产生的污水进行分析评价；运用了EIAW水质评价预测等软件进行了环境影响方面的评价；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.经济效应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65870.1万元，年利润31867.3万元，投资回收期6.1年。分析结果表明，本厂在经济上是可行，具有较高的经济效益。详见可行性研究报告第四章第五章。表3综合经济技术指标序号指标名称单位数值1设计规模万吨/年82年操作时间小时/年80003工程项目总投资万元65870.14固定资产投资万元36548.55直接材料费万元/年64593.86总定员人887年成本费用万元/年125524.58全厂总产值万元/年171442.89年净利润总额万元/年31867.310投资利润率%46.411投资利税率%59.212内部收益率%23.7313投资回收期年6.114投资净现值（税后）万元/年53533.310.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、市场调研确定了以碳四抽余油中的异丁烯为原料，采用甲醇醚化裂解工艺和二步氧化酯化工艺生产甲基丙烯酸甲酯。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。并根据模拟数据结合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SW6、Aspen Plus V9和Suplak3.0对所示塔设备进行校核；对于反应器，采用COMSOL Multip