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扬子石化10万吨醋酸乙烯酯项目 - 18 -摘要2019“东华科技恒逸杯”扬子石化10万吨醋酸乙烯酯摘要第十三届全国大学生化工设计竞赛参赛队员：李开朗 游翔宇 陈家辉 宋江怡 余佳佳指导老师：周志伟 汤吉海 崔 群 谷和平 符开云 一、项目简介本项目为中石化扬子石化有限公司年产10万吨醋酸乙烯酯项目，利用扬子石化总厂的乙烯为原料、通过乙烯气相氧化法制备醋酸乙烯酯，达到原料的充分利用并实现清洁生产。本项目亮点突出，主要体现在以下几个方面：1.清洁生产方面为了实现生产过程资源的有效利用，本项目工艺实现乙烯、醋酸两大循环。物理吸收过程采用工艺原料醋酸，避免引进其他物质，化学吸收剂经再生后循环。醋酸乙烯酯循环有助于更好地去除醋酸甲酯等低沸物。本项目使用南京工业大学专利技术对重馏分、废水进行一体化处理。经临氧裂解-催化氧化后的水和气均达到直接排放要求。2.反应及分离技术方面本项目乙烯氧化反应生产醋酸乙烯酯发生的同时会发生乙烯完全氧化生成二氧化碳的副反应，为响应中国制造2025号召，减少CO2排放，通过分子筛吸附后将二氧化碳作为工业原料利用，大大减少了二氧化碳的排放。3.过程节能方面本项目的碳排放来自于副反应中产生的大量二氧化碳及来源于生产公用工程（蒸汽、电能等）所产生的碳排放。为了降低公用工程碳排放，本项目进行换热网络的集成设计，并且使用热泵精馏等节能技术降低能耗，有效地减少每吨产品的碳排放量。4.新型设备应用方面通过使用新型反应器、换热器、输送设备、分离设备达到高效反应、低耗节能的目的。二、原料和产品的确定本项目以扬子石化生产的乙烯为主要生产原料，利用乙烯气相氧化法，年制得10万吨醋酸乙烯酯，产品浓度达到99.9%。所用乙烯通过管道运输的方式运送到本生产区。具体指标如下表所示：表2-1 扬子石化乙烯组成性质一览表项目质量指标实验方法乙烯99.95% molminGBT/T 3391甲烷+乙烷0.05% molmaxGBT/T 3391C3以及C3以上的10ppmmolmaxGBT/T 3391乙炔5 ppmmolmaxGBT/T 3391氧1 ppmmolmaxGBT/T 3396一氧化碳1 ppmmolmaxGBT/T 3394二氧化碳5 ppmmolmaxGBT/T 3394氢5 ppmmolmaxGBT/T 3393总氮（以氨计）0.2 ppmmolmax总硫 (以硫计)1 ppmmolmaxGBT/T 11141水1 ppmmolmaxGBT/T 3727甲醇4 ppmmolmaxGBT/T 12701氯1 ppmwtmax羰基化合物1 ppmmolmax砷化物0.3 ppmwtmaxCOS0.02ppmmolmax主要产品：本项目以总厂的乙烯为原料，年产10万吨的醋酸乙烯酯产品及1900吨的乙醛产品。表2-2 本项目产品方案序号产品规格（%）产量1 醋酸乙烯酯99.910万吨2乙醛99.61900吨三、工艺设计本项目为中石化扬子石化有限公司年产10万吨醋酸乙烯酯项目，利用扬子石化乙烯厂的乙烯为原料，通过由醋酸乙烯酯合成工段及精制工段、乙烯回收工段、醋酸回收工段组成达到原料的充分利用并实现清洁生产。图3-1 本项目工艺全流程乙烯在等温列管式固定床反应器中与醋酸、氧气，氧化生成醋酸乙烯酯，经过气体分离塔后得到醋酸乙烯的混合液进入粗分工段，混合气进入乙烯回收工段。来自气体分离塔釜部的反应液进脱气槽，顶部脱出的含乙烯和二氧化碳等不凝气体与气体分离塔顶部气体混合去乙烯回收工段，由醋酸分离塔加料泵运输加料以进行醋酸分离。轻重分离塔塔顶蒸汽经塔顶冷凝器冷凝后，不凝气体送乙烯回收工段。液体中分出了几乎全部的低沸物，同时混合了大量的醋酸乙烯酯，将料液送入脱轻塔回收其中的醋酸乙烯酯。轻重分离塔塔釜液主要为醋酸乙烯酯和乙酸乙酯，由塔釜液泵送产品精制塔加料。醋酸乙烯合成工段和及精制工段未反应的乙烯经两段酸洗、水洗、吸收进行回收得到纯度较高的乙烯，并将回收后的乙烯循环回醋酸乙烯合成进行反应。为防止高沸物在醋酸蒸发器底部聚集，来自醋酸蒸发器塔釜液，由醋酸泵送第一蒸发器脱去不凝气体，不凝气体送乙烯回收工段，液体送第二蒸发器，借助减压蒸发使高纯度醋酸从塔顶蒸出，再次经过第三、第四蒸发器，同样经过减压蒸发，醋酸和少量高沸物进入醋酸精制塔分离，醋酸精制塔减压操作，塔顶采出几乎脱除了全部高沸物的醋酸，循环回之前工段进行洗涤。第四蒸发器底部采出高沸物和少量醋酸，送废液处理。四、节能设计1.换热网络优化本项目基于夹点分析技术、利用Aspen Energy Analyzer V10.0软件来进行换热网络的设计。为了充分集成过程中的热量，本项目采用了热泵精馏在精馏设备上节省能量，同时设计全厂换热网络来提高能量集成的效果,寻找合适的节能措施以达到最大限度的能量回收。最终获得的换热网络如图4-1所示：图4-1 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为22台，包含4台内部能量回收的换热器，数目大大减少且换热网络更为精简。公用工程对比信息表如下表所示:表4-1 公用工程对比信息表冷公用工程/kW热公用工程/kW总计/kW直接公用工程5984065700125540换热网络设计4954052460102000能耗减少量/%17.2 20.318.75经过优化后，运用热泵精馏能量集成技术最终可回收能量2.37104kW，即23.7MW，能量回收率达18.75%。所需冷公用工程为4.954104kW，所需热公用工程5.246104kW。2低供热源变压吸收技术低供热源的变压再生工艺，是对现有热钾碱脱除二氧化碳工艺的改进，其特征在于溶液再生系统采用加压再生塔的加压闪蒸段与一段再生塔和二段再生塔以及亚音速喷射器组成的变压再生流程，本流程采用“中温变换、一次脱碳、低温变换、二次脱碳”，二次脱碳吸收塔采取上、下两段、上段进低温贫液和下段进高温贫液的分流优化操作，本方案实现了多段吸收，多段解吸，使吸收解吸的效率大大提高，具有使原工艺流程热耗大幅度降低的特点。加压闪蒸段入口的脱碳吸收富液组成是：碳酸钾20 - 36 % (重量），一种或多种催化剂总重为0.5 - 5.0 % (重量），缓蚀剂(V205) 0. 2 - 1. 0 %（重量），溶液温度范围是95 - 120C， 溶液再生度范围是1. 65 - 1. 96，喷射器则必须采用可调式亚音速喷射器，本发明中的流程和操作参数就是依据造成一段再生塔和二段再生塔压力差别的可调式亚音速喷射器的设计要求来确定的。一段再生塔塔顶压力范围是0. 14 - 0. 18MPa (绝）， 以一段再生塔塔顶出来的CO2再生气作为亚音速喷射器的动力气来抽吸二段再生塔， 使二段再生塔塔顶压力范围在0. 095 - 0. 105MPa (绝），在不允许出现负压时，塔顶压力范围在0. 1002 - 0. 102MPa (绝）；由于二段再生塔被抽吸，其塔底温度比一段再生塔塔底温度低15 左右，有利于实现其他低品位热源的能量利用。图4-2 变压吸收流程图表4-2 热耗对比信息表热公用工程/kW单位热耗体积CO2再生热耗（kw/Nm3CO2）传统吸收110313703 变压吸收4983242能耗减少量60520461 能耗减少量/%54.8554.85经过变压吸收后，减少热公用工程605kw，能耗减少量达54.85%，单位体积CO2再生能耗减少7516.1kw，减少量达54.85%。 五、新型设备应用1 包含气体分布器的反应器常用的气体分布器是由主进风管、风管分布器和风孔等构成的管孔式装置。固定设置的风孔在进行单一气相反应时，反应物易在气体分布器的风孔处堵塞、结焦，影响正常生产。当装置直径较大时，由于风管设置的问题，气体从位置不同的开孔处流出的速率不同，所以此种分布器很难达到均匀分布气体的目的。对于大直径的装置，若气相分布不均匀，极有可能造成气体的偏流与短路，气相混合差，严重影响设备的运行与效率。据此，我们采用南京工业大学朱明、刘晓勤等人在专利CN 103007830 A中提供的解决方案进行进料方式的优化改进。具体解决方案为一种新型的气体分布器，其特征是由单片的分布盘或者是多片的分布盘构成的分布器；其中分布盘由挡流板1和扇形叶片2构成；扇形叶片2围绕在挡流板1周围，形成等距的环形阵列；挡流板、扇形叶片处于同一水平面上，如图3-5所示。图5-1 气体分布器在本反应器中，我们采用双分布盘构成的分布器。相邻两片扇形叶片旋转的间隔角度为6，即每隔 6角设置一块扇形叶片；扇形叶片自身的夹角 为6；两块扇形叶片之间留有一定的空隙作为气体通道，气体通道的宽度与扇形叶片的宽度相等；扇形叶片的外径D2一般为设备主体直径的80%，即3.6m。对于同一个单片分布盘，每个叶片及叶片之间的夹角都相等，叶片自身的夹角都相等，如图3-4所示。图5-2 双盘气体分布器在气体流经通道设置挡流板，使从入口管道进来的工艺气体，受到挡流板的阻挡，防止气体直接穿透设备中心的小部分区域从出口流出。水平布置的扇形叶片起到引流、导流的作用，一方面使气体沿叶片的伸展方向流动，一方面使气体沿叶片的宽度方向流动，最终达到均匀分布的目的，气体分布方式如图3-7所示。图5-3气体分布方式2、分离设备结构创新由于本项目中醋酸乙烯精制工段气液相负荷大，醋酸乙烯酯易聚合，如果使用普通筛孔塔盘将会容易出现雾沫夹带加剧以及筛孔塔盘堵塞等现象，这将影响装置的运行周期和产品质量。我们在精制工段(产品精制塔)采用复合斜孔塔板斜孔塔板是一种斜孔交错排列的塔板，塔板上有合理的汽液流动，气体以水平方向喷出，相邻孔喷出的气体不互相对冲，气体分布均匀，也不彼此叠加而致使液体不断加速，塔板上保持适当的存液量，汽液接触充分，雾沫夹带少，允许汽液负荷高，且有一定的自清洗作用。它避免了气体垂直向上喷(如筛板)和气体有相互干扰(如泡罩、浮阀板)不利于生产能力的提高及气体都向一个方向喷射(如浮动喷射板)不利于塔板效率的缺点。复合斜孔塔板将斜孔塔板的气相通道-斜孔的排列方向作一定的调整,使板上气相对液相流动产生一定的推动作用,减少液相在板上停留时间,使板上液层厚度降低,板压降减小,从而达到增加液相处理能力的目的。实验表明,该塔板的板上液层厚度低、塔板压力降小、雾沫夹带量少,尤其适用于大液相负荷存在。复合斜孔塔板通过改善板上气液接触,提高了板效率,具有自清洁能力,适用于易堵易聚合物系。醋酸乙烯精馏塔采用复合斜孔塔板,成功地解决了塔板易堵塞的难题,延长了该系统运行周期。图5-4复合斜孔塔板3.新型换热器结构本项目采用新型的换热管排列方式及新型换热器孔板。由中心向半径增大方向逐层排布的方法排布换热管，换热管在圆周方向均匀分布，并采用间隔排列的圆环形和圆盘形折流板，以实现壳程流体的均匀流动。通过采用以上方式，换热管束在圆周方向均匀排布，壳程流体在交替排列的圆环形折流板和圆盘形折流板的作用下，均匀地向径向扩散流动或向中心汇合流动，每根换热管周围均有流体通过，整个流场不存在死区，换热管的利用率为接近100，可显著减小换热面积的设计余量。孔板的逐层排布示意图如图5-5所示：图5-5 孔板排布示意图圆环形折流板的结构示意图如图5-6所示：图5-6 圆形折流板结构示意图圆盘形折流板的结构示意图如图5-7所示：图5-7 圆盘形折流板结构示意图六、厂址选择与布置1.厂址选择项目建设地位于扬子石化烯烃厂东南侧空地上，项目用地处现为空地，占地面积为74.3亩，符合本项目用地需要。项目厂址如下图所示：283m175m 图6-1 项目厂址所在地2.厂区布置厂区布置为矩形，厂区四面公路环绕。厂内可划分为厂前区、辅助生产区、工艺生产装置区以及储运区。厂区常年风向为东南风。根据厂区气候以及各区域的设置要求规定，总体布局图如下：图6-2 厂区总平面布置3.三维布置项目组运用Smart3D、3ds Max、Lumion等软件进行配管、建模、渲染后得到本项目的三维工厂模型及视频，三维工厂设计如图所示。图6-3 工厂三维设计七、经济分析本项目设计对扬子石化乙烯新建一套醋酸乙烯酯生产装置，醋酸乙烯酯产量为10万吨/年。项目预期总投资为4.2亿元，投资15年后，累积现金流量12.6亿元，所得税后投资回收期为5.2年。本项目主要技术经济指标如下表所示：表7-1 主要技术经济指标表序号项目名称单位数值一产品方案1醋酸乙烯酯t/a1013242乙醛t/a1944二年操作时间h8000三主要原材料、辅助原料用量1乙烯t/a34989.312醋酸t/a69825.123氧气m3/a17904324工艺软水t/a501405对苯二酚t/a56BAYER-型催化剂t/a57醋酸钾助催化剂t/a7.328碳酸钾吸收剂t/a9.1459分子筛吸附剂t/a0.13四公用动力消耗量10.35MPa自产低压蒸汽t/a-5640020.8MPa低压蒸汽t/a1610003循环冷却水t/a197920004冷冻水t/a2160005电kWh /a96801006氮气m3/a699007仪