20102-设计文档集1-项目摘要

镇海炼化10万吨/年异丁烯资源化利用项目项目摘要第一章 项目简介1.1概述本项目为中国石化镇海炼油化工股份有限公司利用厂内FCC及乙烯装置生产的混合碳四中的异丁烯生产的甲基叔丁基醚（MTBE）进行深度加工项目。中国石化镇海炼油化工股份有限公司拥有2300万吨/年原油加工能力和100万吨/年乙烯裂解装置。本项目由甲基叔丁基醚（MTBE）经两步法制16万吨 / 年高纯度甲基丙烯酸甲酯（MMA）。项目流程框图见图1-1图1-1 项目流程框图1.2高纯异丁烯制备工艺选择经过调研，镇海炼化厂生产的异丁烯主要存在于混合碳四中，而混合碳四主要产自FCC装置和乙烯装置，其中的异丁烯组分被用作生产甲基叔丁基醚（MTBE）。由于混合C4中各组分沸点相近，尤以异丁烯和1-丁烯沸点更接近(异丁烯：-6.9，1-丁烯：-6.3)，二者相对挥发度为1.022，精密分离需要374块理论板，工业上难以实现，因此工业上分离异丁烯基本采用化学法进行。被广泛应用的化学法主要有硫酸吸收法、催化水合法、叔丁醇法、MTBE裂解法、异构化法等。由于镇海炼化总厂的混合碳四被用来生产MTBE，而MTBE的需求量正在逐年减小，那么利用现有的MTBE装置生产高纯异丁烯便可节约大量的设备投资，所以就镇海炼化总厂而言，MTBE裂解制高纯异丁烯便是最优方案。1.3甲基丙烯酸甲酯合成工艺选择目前世界已工业化的MMA生产技术包括丙酮氰醇法（ACH法）、异丁烯氧化法（i-C4法）、乙烯法（BASF法）、甲基甲基丙烯酸甲酯法和改进丙酮氰醇法（MGC法），其中丙酮氰醇法和异丁烯氧化法是目前世界最主要的MMA生产工艺。异丁烯氧化法制备MMA的几条路线中，目前采用的工业化的主要是以下两条路线：第一条路线，简称两步氧化法，即由异丁烯或叔丁醇气相催化氧化为甲基丙烯醛（MAL），甲基丙烯醛再催化氧化为甲基丙烯酸（MAA），然后甲基丙烯酸与甲醇在催化剂作用下发生酯化反应生成MMA。它的优点在于充分利用了原料丰富的C4馏分，减少了环境污染，但也存在设备多、工艺复杂、使用腐蚀性硫酸以及制酸步骤使用的催化剂寿命短、整体产率低等缺点。第二条路线，简称直接甲基化法，即异丁烯或叔丁醇催化氧化为MAL，MAL再一步氧化酯化为MMA。这条路线由日本旭化成公司首先开发成功并进行了中试。该工艺不经过甲基丙烯酸步骤，有效地避免了甲基丙烯酸聚合等副反应，原子经济性高、设备简单，是当今世界上最具吸引力的MMA生产工艺之一。本项目釆用日本旭化成公司直接甲基化法。18镇海炼化10万吨/年异丁烯资源化利用项目项目摘要第二章 工艺流程介绍本项目依据绿色工艺的要求，贯彻节能减排、提高经济效益的原则，对工艺原料、工艺模块均进行了创新设计，并在此基础上进行了技术集成，对各工段涉及的工艺进行比选，条件优化，全流程模拟和能量匹配。全厂工艺流程如图2-1所示。图2-1 全流程工艺模拟镇海炼化10万吨/年异丁烯资源化利用项目项目摘要2.1 MTBE裂解工段此工段以总厂混合碳四生产的MTBE为原料，目的为制备异丁烯供下一工段合成使用。原料甲基叔丁基醚由镇海炼化有机合成厂甲基叔丁基醚贮罐，经泵输送输送并由换热器（H101）加热至80。与来自异丁烯脱重塔（T102）按照一定比例混合后进入醚处理塔预热器（H102）。加热后进入裂解反应器（R101）。在裂解反应器（R101）中，甲基叔丁基醚在固体酸催化剂的催化作用下裂解生成异丁烯和甲醇，同时发生相应的副反应。反应裂解气从裂解反应器（R101）下部出料口出来后，经甲醇精馏塔进料加热器（H105）降温、醚预热器（H101）、换热器（H103）底部，在冷却吸收单元（T104）中脱除甲醇，获得粗异丁烯产品。粗异丁烯产品进入脱MTBE塔（T102），塔底产出的MTBE回流至裂解反应器继续裂解，塔顶产出精制异丁烯（113），供应下一步MAL的合成。冷却塔（T104）中的甲醇水相由经过换热器（H105）加热后，进入甲醇脱水塔（T105）进料板，通过精馏，塔顶气相物料经甲醇脱水塔冷凝器冷凝后，与甲醇精馏塔（T103）塔顶气相冷凝后甲醇混合，流入存贮罐。甲醇脱水塔废水回流至甲醇脱水塔（T105）循环利用。图2-2第一公工段工艺模拟2.2甲基丙烯醛合成工段此工段以高纯异丁烯和氧气为原料，生产合成产品所需的甲基丙烯醛(MAL)。第一工段生产的异丁烯（113）和塔T202回流的异丁烯（225）混合，先由出反应器的气体预热，再加热至380度进反应器。与此同时，将工业纯氧（204）与循环保护的氮气（205）混合加压加热至380度进入反应器进行反应。反应器的主反应和副反应为出反应器气体先为原料预热后，再与塔T201塔底再沸器换热，再与塔T201进料换热，最后冷却至5度，进行气液分离。气相小部分排放送至第三工段催化燃烧装置，大部分做氮气循环。液相经油水分离器分出水相排放，甲基丙烯醛相经塔T201精馏后塔底产出甲基丙烯醛，塔顶经塔T202分出塔底的异丁烯回流，以及塔顶的二甲醚和氮气氧气等。塔顶气体经冷却得到液态二甲醚回收和气态氮气氧气排放。图2-3第二工段工艺模拟2.3甲基丙烯酸甲酯合成工段此工段以MAL、氧气和甲醇为原料，生产合成产品所需的甲基丙烯酸甲酯 (MMA)。将前两个工段产生的甲醇（301）、甲基丙烯醛（224）以及回流的甲醇和甲基丙烯醛（350）混合冷却至80度，与通入反应器的工业纯氧、循环氮气进行反应。出反应器的物流先与T303进料物流交叉换热，再冷却至5度，进行气液分相。气相小部分进行催化燃烧，大部分进行循环。液相进行液液分相。甲醇水相经精馏T303精馏回收甲醇，酯相经精馏塔T301排放塔顶不凝气和有机气体至催化燃烧装置，塔顶液体为甲醇和甲基丙烯醛回流。塔底为甲基丙烯酸甲酯、副产物甲基丙烯酸和水。经过渗透蒸发膜分离S302脱去水，再经精馏T302，塔顶出甲基丙烯酸甲酯，塔底出甲基丙烯酸等副产物。图2-4第三工段工艺模拟第三章 节能设计创新3.1换热网络通过Aspen Energy Analyzer软件，然后根据夹点设计法，对全流程换热网络进行优化，最大程度的利用流程内部的能量，减少公用工程的消耗，从而减少操作费用，降低生产成本。最终确定的换热网络如图所示：图31第一工段换热网络优化图3-2第二工段换热网络优化图3-3第三工段换热网络优化将Aspen Energy Analyzer得到的结果手动调优，得到热集成之后的换热网络，虽然换热面积有所增加，但可以节省公用工程，换热单元数也同样减少，能够节省能量约40%。3.2分离序列本项目综合考虑了分离序列对于分离能耗的影响。以二甲醚的分离为例，在第一工段，异丁烯含量远远大于二甲醚含量，此时精馏分离需要较大的回流比和处理量。由于二甲醚对于下一阶段的反应为惰性，所以可以在第二工段分离。在第二工段，大量的异丁烯被氧化为沸点更高的甲基丙烯醛，异丁烯与二甲醚的分离处理量大大减小，从而节约了分离能耗。在经过相关计算后，具体节能对比结果见表3-1。表3-1不同位置分离能耗对比算表分离位置处理量对比（kmol/h）回流比对比总能耗对比（kW）节约能耗（kW）第一工段242.38149.434192.59第二工段11.766.3231.523979.07第四章 设备选型与采用的新型设备4.1概述根据Aspen Plus的模拟结果，本团队对工艺中的异丁烯氧化反应器R0201、初馏塔T0101、换热器E0112进行了详细设计，包括基本的设备设计参数和特殊内构件的设计。利用SW6-2011及Aspen Plus软件对流程中的T0101-T0105设备进行了工艺设计、基本参数设计和机械强度校核。利用SW6-2011和Aspen EnergyDesign and Rating对全部的换热器进行了工艺设计、选型、基本参数设计和机械强度校核。利用COMSOL Multiphysics 5.2对反应器R0201进行了反映体积和反应时间模拟,并做出R0201与E0106的三维模拟。此外还对泵、鼓风机、压缩机、储罐、非罐区罐等设备进行了选型，使用SW6-2011对部分罐进行设备的强度校核和重量计算。图 4-1 Comsol软件对反应器反应体积、时间模拟及E0106流线图4.2新型过程设备应用创新4.2.1新型烯烃氧化反应器本项目中氧化反应器采用的是新型列管式反应器（专利：一种适用于烯烃氧化的列管式反应器，专利号CN107952400A），所述反应器克服了列管式反应器现有技术中制备甲基丙烯醛过程中对热量控制不当，容易引发床层热点温度差异过大，对于催化剂寿命及反应器运行均会带来负面影响的问题。该专利新型列管式换热器有下述三点创新：（1）由于反应气异丁烯与氧气容易发生反应，不宜长时间接触以免深度反应。本反应器在41进料段沿物流流动方向设置44锥形件与45文丘里喷管。有利于物料快速混合，有助于进了的平稳，有助于反应的进行。 图4.2 新型列管式反应器图 图4.3 反应套管图 图4.4 新型进料管结构11-载热体进口管， 12-载热体出口管，21-上端封头，22-下端封头，23-物料进口，24-物料出口， 3-反应管，41-进料段，42-开口段，43-孔口44-锥形件，45-文丘里喷管（2）在42开口段的43孔口外周覆盖有合金膜层，该合金膜层为316不锈钢膜层。该膜层具备的磁场作用令原料气体从受到原本的短程力变为长程力-库仑力。促进原料气体在反映空间分布更加均匀。（3）该反应器设置多级换热，反应管外侧采用螺纹处理面，以求获得更优的换热效果，避免热点温度的出现。本项目设计的新型列管式反应器克服了现有管式反应器催化床温度分布不均，出现热点温度等问题和缺点。4.2.2折流杆换热器的应用折流杆是管壳式换热器的一种新型式。壳程以折流圈上的杆式结构代替了传统的弓形折流板结构，四个折流圈为一组，使每根换热管在四个方向由折流杆加以支撑固定，使壳程流体由横向流动变为平行流动。该结构极大地提高了传热效率、降低了流体流动阻力，消除了壳程的横向流动，有效地克服了管束振动。具有传热效率高、壳程压降低、管束抗振性好等优点。与现行管壳式换热器相比：（1）强化壳程传热，提高传热膜系数30%以上；（2）减小壳侧阻力降40%以上；（3）改善壳侧传热综合性能，使/P提高50%以上。图4.5 折流板换热器结构4.2.3新型渗透蒸发膜组件的运用在本项目生产工艺中，需要在MMA于MAA产品中分离出少量的H2O。根据aspen模拟，使用传统精馏操作达到所制定分离纯度需要30以上的回流比，严重增加了塔顶冷凝器的热负荷，极大的增加了工艺能耗。故本项目在有机相脱水中采用渗透蒸发膜组件分离MMA、MAA体系中中存在的0.7%水（专利：渗透蒸发膜组件，专利号CN103861456A）。代替传统精馏操作。渗透蒸发是用于液(气)体混合物分离的一种新型膜技术。它是在液体混合物中组分蒸气分压差的推动下，利用组分通过致密膜溶解和扩散速度的不同实现分离的过程，其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取和吸收等传统方法难以完成的分离任务。本渗透蒸发膜组件，多孔板和网孔板为渗透膜提供支撑部件，多孔板和料液板将渗透膜紧密夹持，料液板上的密封圈将组件端板与料液板之间的空间分成进料空间和出料空间，温热有机物料通过进料口在承压的情况下进入进料空间，形成的蒸汽经过渗透膜进入出料空间，并自出料口引出体系外。本设计提供的渗透蒸发膜组件尤其适用于温热有机物料，并可以具有宽敞的出料空间，有利于渗透气迅速被带走。 图4.6 渗透蒸发膜3D结构示意图 图4.7 渗透蒸发原理示意图1端板2盖板3料液板4渗透膜5多孔板6网孔板7密封圈8进料空间9出料空间 11出料口12进料口4.2.4新型CQF氟塑料磁力泵由于本项目第三工段泵P0309，P0314输送介质含甲基丙烯酸，有极强的腐蚀性，因此我们选用新型的CQF氟塑料磁力泵，保证设备抗腐蚀性能力，实现安全生产。磁力驱动泵（简称磁力泵）是将永磁联轴器的工作原理用于离心泵的高科技产品，氟塑料磁力泵，其过流部件全部采用氟塑料制造，设计合理，工艺先进，具有全密封，无泄漏，耐腐蚀性能极强等特点，其性能达到世界同类产品的先进水平，已广泛替代进口磁力泵。磁力泵以静密封取代动密封，使泵室处于完全密封状态，取消了轴封、利用磁力耦合间接驱动，完全消除了滴漏的烦恼，不污染使用场地。由于泵的过流部分选用“氟塑料合金”制造。可连续输送任意浓度的酸,碱等腐蚀介质毫不受损。第五章 厂址选择及厂区布置本项目选址于宁波石化经济技术开发区。 宁波石化经济技术开发区位于杭州湾南岸，宁波镇海区西北侧辽阔的海涂上，规划面积56.22平方公里。宁波石化经济技术开发区水陆交通便捷、四通八达，区域优势明显。园区距宁波市区仅14公里，距东方深水良港北仑港仅24公里，紧邻中国最大的液体化工码头。项目厂址如图5-1所示，厂区平面布置图如6-2所示：图 51 厂区地址 图 52 厂区平面布置图本项目整个厂区呈矩形布置，东西方向跨度280m，南北方向跨度210m，厂区总占地面积58800m2。整个厂区分为四个部分：生活区，辅助生产区，生产区及储运区，符合石油化工企业防火规范GB50160-2008、建筑设计防火规范GB50016-2014等。使用Sketch Up进行厂区设计，如图5-3所示。 图 53 Sketch Up 三维效果图第六章 自动化控制本项目所涉及装置对过程控制和安全联锁系统的要求很高，对工艺过程进行自动控制及安全报警，并在装置发生紧急事故时能够自动联锁报警停车。因此过程控制选用集散控制系统（DCS）实现本装置的数据采集、程序控制等功能。同时选用安全仪表系统（SIS），来实现装置的安全联锁和紧急停车。6.1集散控制系统(DCS)作为过程控制系统的核心，DCS 提供了生产过程的基本控制、数据采集、生产报表打印、历史数据的记录、操作人员通过操作界面对装置进行监视、操作。其它控制系统均具有与DCS 的通讯能力，重要信息将传送到DCS监视和控制。6.2安全仪表系统(SIS)SIS系统按照故障安全型设计，可与DCS系统实时数据通信。SIS系统设工程师站，顺序事件记录（SER）站，相应的报警及操作通过辅助操作台上的开关、按钮及DCS 系统的操作站来完成。6.3 模型预测控制系统（MPC） (1)预测模型 (2)反馈校正 (3)滚动优化 (4)参考轨迹采用非最小化描述的模型，系统鲁棒性、稳定性较好。采用滚动优化策略，而非全局一次优化，能及时弥补由于模型失配、畸变、干扰等因素引起的不确定性，动态性能较好。易将算法推广到有约束、大迟延、非最小相位、非线性等实际过程，尤为重要的是，它能有效地处理多变量、有约束的问题。6.4管理信息系统（MIS） 实时数据库技术为核心的实时生产信息管理系统。生产信息管理和化工自动化控制系统的配合进行，不仅能够收集并构建、完善企业生产的整体数据库，同时还能够方便对数据的分析总结。这样使企业设备和管理系统相联系，保证了企业的快速健康发展。为企业节约了大量的人力、物力成本。增强了核心科技的竞争力。第七章 环境与安全本项目采用能量梯级利用以及应用新型换热设备，有效减少了单产碳排放量。同时，机泵设备采用变频调速电机，降低电耗、合理布置管路管线、提高循环冷却水的浓缩倍数，达到绿色生产、节能节水的目的。项目对三废进行资源化处理，厂区废水主要为工艺冷凝水、生活污水及含醇废水，其中工艺冷凝水可循环利用，其余污水按照组分分类送入污水处理站；厂区废气主要为净化后达标的烟气，将其送至主厂烟囱排放至大气；厂区废固主要为生活垃圾和失效的催化剂，可将其分类后送至废固处理中心进一步回收。对本项目进行安全预评估，项目建设前成立HAZOP分析小组，对PID总控制流程图开展头脑风暴，划分节点并分析可能存在的偏差及其造成的后果，针对现有措施提出相应的建议措施，对照风险评估矩阵综合评估该项目安全可行。第八章 经济分析本项目利用镇海炼化总厂混合碳四生产的MTBE制得高纯异丁烯然后经异丁烯直接甲基化法合成甲基丙烯酸甲酯，产品方案见表8-1。表8-1本项目产品方案及规格（单位：万元）编号项目规格单位单价生产负荷100%销售量销售收入1甲基丙烯酸甲酯（MMA）优级品吨1.5160000240000.0产品销售收入240000.08.1原料、辅助材料的用量及来源本项目所使用主要原料及辅助原料来源、动力消耗分别见表8-2、表8-3所示。表8-2主要原材料、辅助材料一览表项目名称单位数量来源运输方式原料甲基叔丁基醚万吨/年15.96总厂提供从总厂通过管道运输工业纯氧万吨/年8.45外购公路、铁路运输辅料工艺软水万吨/年3.738总厂提供从总厂通过管道运输蒸汽万吨/年11.102总厂提供从总厂通过管道运输表8-3 公用工程消耗一览表编号材料名称单位消耗量使用方式来源1生活水t/h2连续使用总厂2循环水t/h1568连续使用总厂3软化水t/h12连续使用总厂4冷冻水t/h254连续使用总厂5高压蒸汽kg/h10000开工用6中压蒸汽kg/h2400连续使用7低压蒸汽kg/h9300连续使用8低低压蒸汽kg/h7200连续使用9热水t/h10连续使用10电kW450开工110011氮气Nm3/h20间断60012仪表空气Nm3/h360连续使用13动力空气Nm3/h300间断8.2总投资估算 表8-4总投资估算编号项目资金/万元1固定资产费35006.632无形资产88203延递资产640.64总预备费3907.45建设期贷款利息39206流动资金5951工程总投资58245.63第九章 项目总结在此项目设计中确定了一条以总厂混合碳四中的异丁烯生产的MTBE为原料，