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项目摘要2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛中石化镇海炼化年产6.5万吨甲基丙烯酸1.5万吨新戊二醇项目项目摘要团队名称：宁波工程学院C-Bond团队指导老师：李正辉、周琦、李颖团队成员：汤慧峰、陈恒、方梓潼、胡银杰、罗吴佳玥完成时间：2018年7月镇海炼化年产6.5万吨甲基丙烯酸1.5万吨新戊二醇项目 项目摘要目录1项目简介12原料及产品方案33工艺设计34节能设计45设备设计66厂区选址与布置87清洁生产108经济分析109项目总结11宁波工程学院C-Bond团队 I1 项目简介2018年6月27日，国务院印发给各政府部门的打赢蓝天保卫战三年行动计划（国发201822号）提出要加快发展清洁能源和新能源和车船结构升级，提前推广使用国六排放标准，并强调了要加快油品质量升级，从2019年01月01日开始全面供应符合国六标准的车用汽柴油，停止销售低于国六标准的汽柴油。特别指出要加强对油品制售企业的质量监督管理，严厉打击生产、销售、使用不合格油品和车用尿素行为，禁止以化工原料名义出售调和油组分，禁止以化工原料勾兑调和油。MTBE是一种高辛烷值（研究法辛烷值115）汽油添加剂和抗爆剂，可以与汽油任意比例互溶而不发生分层现象，有良好的调和效应，调和辛烷值高于其净辛烷值。但研究发现，它会破坏地下水质，是一种污染物。并且，如果汽油中的MTBE的含量超过7%，汽车排放中的氮氧化物会增加。因此，中国在逐渐发展清洁能源汽车的同时，也采取了有效措施改进现有燃油汽车的排放问题。十五部委出台的关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案规定，2020年基本实现全覆盖推广使用乙醇汽油，车用乙醇汽油不得人为加入含氧有机化合物。所以当推广使用乙醇汽油而不再需要甲基叔丁基醚（MTBE）类的辛烷值添加剂后，如何利用（MTBE的原料）异丁烯生产既有使用价值又有市场需求量的下游产品成为一个亟待解决的问题。目前，镇海炼化气分I/II装置生产的C4馏分输送至宁波昊德化学工业股份有限公司。宁波昊德化工将C4馏分作为原料，通过一系列工艺生产出高纯度的异丁烯。随着人们对环保要求的日益重视，MTBE的使用逐渐减少，本项目利用镇海炼化气分I/II装置生产的C4馏分经宁波昊德化工加工后生产的高纯度异丁烯，设计了一家以异丁烯为原料生产具有市场前景的高附加值产品的分厂。同时该项目通过原料互供循环网，促进了宁波市化工园区内企业产品的资源互供与合作，具有深远的战略意义。本项目以异丁烯为原料，经过催化氧化生产中间产物甲基丙烯醛（MAL）。一部分MAL经催化氧化生产得到目标产品甲基丙烯酸（MAA）；另一部分MAL催化加氢生成异丁醛，再经羟醛缩合、催化加氢等工艺生产目标产品新戊二醇（NPG）。另外，MAA可与甲醇经酯化反应制得甲基丙烯酸甲酯（MMA）等下游产品，市场前景广阔。项目流程如下图1所示。本项目达到年处理6万吨异丁烯产6.5万吨甲基丙烯酸1.5万吨新戊二醇的目的，既符合了相关政策要求，又充分利用了资源，项目产品与园区产品体系做到了有效融合，同时加强了园区内企业之间的合作，达到互利共赢的效果。催化氧化催化氧化异丁烯催化加氢甲基丙烯酸（MAA）甲基丙烯醛（MAL）（）催化氧化异丁醛催化加氢羟醛缩合甲基丙烯酸甲酯（MMA）或其他化工产品新戊二醇图1 项目流程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，其主要体现在以下几个方面：l 以镇海炼化气分I/II装置所产的C4馏分经宁波昊德化工加工生产的高纯异丁烯为原料，既达到化工生产的要求，又促进化工园区内企业的资源互供与合作；l 同时生产两种产品MAA和NPG，废液中高纯度的1115酯经提纯加工包装后也可作为产品出售，且可根据不同时间段市场需求的变化，灵活调节产品产量，具有良好的市场适应能力，抗风险能力强；l 所选厂址条件优越，原料供应可靠，运输距离短，交通运输便利，政策优惠多，产品就地销售。l 本项目经济效益较好，内部收益率（税后）达到27%，盈亏平衡点1.53万吨，说明本项目具有很强的抗风险能力。l 本项目可改善基本化工原料供应结构，解决当地就业，拉动当地相关产业发展。本项目无移民安置问题，不占用农田和耕地，社会风险极小。2 原料及产品方案我们此次选定的原料为宁波昊德化学工业股份有限公司（下文简称“宁波昊德化工”）加工镇海炼化气分I/II装置含异丁烯的C4组分后生产的高纯度异丁烯。异丁烯具体规格如表1所示。表1 宁波昊德化工出品异丁烯规格原料产能（万t/a）纯度异丁烯6.099.5%通过以异丁烯为原料下游产品的对比，由于丁基橡胶、聚异丁烯产能过剩，供大于求，聚合物生产工艺较为复杂，甲基丙烯酸甲酯（MMA）市场趋于饱和，因此不给予考虑。而异丁烯和氧气反应能生成MAL和MAA，并且根据市场需求变化，可调整生产MAA或NPG的MAL的量。MAL经催化加氢产得异丁醛，再与甲醛缩合、加氢产得NPG，产品能灵活满足市场的需求，且MAA既可直接作为产品，也可与醛类通过酯化反应制得其他化工产品。综合考虑环境保护的要求、资源化利用产品的市场等因素，确定产品为MAA和NPG，具体产品方案见表2。表2 产品方案表产品名称单位数量规格甲基丙烯酸（MAA）万吨6.599.9%新戊二醇万吨1.599.99%3 工艺设计本项目经过产品选择和工艺方案论证，对原料异丁烯进行催化氧化，再经过催化加氢与羟醛缩合等过程，合成产品MAA和NPG。参考中国化学赛鼎宁波工程有限公司生产MAA和MAL的工艺设计了MAL合成工段与MAA的合成部分。参考德国赢创罗姆有限责任公司制备高纯度甲基丙烯酸的方法设计了MAA的合成与精制工段。部分参考上海华谊丙烯酸有限公司由甲基丙烯醛加氢连续生产异丁醛的工艺设计了异丁醛的合成与提纯工段。参考北京三聚新材料股份有限公司产新戊二醇的工艺设计了新戊二醇的合成与精制工段。并实现了全流程稳态模拟与优化。工艺流程图2所示，详见初步设计说明书第四章化工工艺及系统。图2 工艺流程框图4 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，设计出了一种最优的冷热流股匹配方案（见图3）。同时将优化后的换热网络返回流程模拟和PID图纸，对比分析得出最优节能效果（见图4）。详见Aspen流程模拟源文件和PID图纸。全厂各工段换热网络的匹配方案如图3所示，节能效果如图4所示。图3 全流程换热网络匹配方案图4 节能效果图（单位：MW） 热泵精馏甲基丙烯酸精制采用热泵精馏有着设备简单、投资少、分离效果好和运行成本低的优势。图5和图6分别为热泵精馏流程图和热泵精馏运用前后能耗比较图，经过Aspen对比模拟，热泵精馏总能耗节约72.12%。详见创新性说明第三章。图5 热泵精馏模拟流程图图6 热泵精馏运用前后能耗比较5 设备设计 洁能芯的使用本项目设计过程中主要对固定床列管式反应器、精馏塔进行了详细设计，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。管壳式换热器中，普遍存在着传热效率低下的问题，而且还由于无机物沉淀结垢、微生物滋生繁衍、污泥杂物淤积等在换热管内形成日益增厚的污泥层，大幅度降低了传热效率，造成严重的能源浪费。传热效率低下和传热表面积结垢所造成的传热劣化问题一直是制约提高能源利用率的瓶颈问题。工业中应用最广的是列管式换热器，由于细长管内介质流动中沿管壁为速度缓慢的边界层，对流传热效率低，而且普遍存在管内结垢的问题严重影响换热。针对上述问题，我们采用了洁能芯技术来减轻管内结垢影响换热的问题。图7 洁能芯结构原理图该装置由固定架，转子和支撑轴等部件组成。两固定架分别承插固定在换热管的两端，转子的表面有螺棱，转子上有中心孔，支撑轴穿过转子的中心孔固定在两定架上。在换热器传热管内放置多个转子，转子的总长度略小于传热管长度，转子的外径小于传热管的内径，转子的中心孔直径略大于支撑轴的外径。支撑轴的中心线与传热管的中心线基本重合。转子在流体介质的作用下不需要外部动力即能自如转动。在介质冲击下，转子自动悬浮于换热管中心，并且当流场稳定时，可将管内转子看作整体同步转动图8 洁能芯实物图采用洁能芯技术优点有：1. 加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动，并可以防止污垢的沉积 ，使传热强化并起到清洁的作用。2. 流体中间区域密度较大的冷流体趋于向外流动，与靠近边缘的密度较小的热流体相混合，这种径向混合现象可更有效地提高换热效率。3. 整体的表面传热系数分布比较均匀。 梯形立体传质塔盘（CTST）的运用对于立体传质塔板，主要有以下优点：1. 气、液两相通过能力大；2. 塔板传质效率高；3. 塔板压降低，操作弹性大；4. 能处理含固体颗粒、容易自聚、易发泡的特殊物料；5. 塔板上液面梯度对操作的影响稍小；6. 设备投资小，改造方便，施工周期短，运转周期长。经过综合分析，考虑到气液两相的量和易自聚的问题，我们在MAA精制塔中使用该类塔板。图9 CSTS塔板结构简图图10 CSTS塔板工作原理使用该类塔板，虽然会增加塔板单位造价，但是与普通塔板相比其处理量更大能提高26%，效率可提高18%20%，操作弹性更大且适合易自聚的物料，综合节能达1516%，综合各个方面考虑后选用该塔板是可行的。6 厂区选址与布置 选址确定图11 厂区选址本项目将厂址定在位于浙江省宁波市镇海区宁波石化经济技术开发园区内，靠近总厂中石化镇海炼化，具体位置如图11所示。园区作为浙江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；原料液化石油气直接来自总厂，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。 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，将生产区与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。厂区长为342m，宽为228m，厂区占地总面积为77976m2，主要包括生活和管理区、生产辅助区、生产工艺区和储运区等区域。我们使用Auto CAD进行厂区的平面设计（厂区平面布置图如图12所示）图12 厂区平面布置图 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，同时对厂区进行三维设计，如图13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13 厂区三维效果图7 清洁生产本项目为以异丁烯为原料生产MAA和NPG的清洁生产工艺，主要体现为：1.MTBE虽然是一种高辛烷值汽油添加剂，但它会破坏地下水质，是一种水污染物。并且，如果汽油中的MTBE的含量超过7%，汽车排放中的氮氧化物会增加。因此，本项目利用其原料异丁烯，采用环保工艺，生产产品MAA和NPG；2.工艺路线过程包含H2、甲基丙烯醛、甲基丙烯酸等循环系统，既提高了原子利用率，也减少了三废排放；3.采用钼系、负载型Ir等绿色催化剂，基本保证低污染乃至无污染，实现项目环境友好和生产经济；4.废气均实现了循环利用，提高了原子利用率，催化剂产生的废固直接由出售厂家回收，生活废固降解处理，废液除部分1115酯回收包装出售外，其他均送往总厂处理。8 经济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，结果见表3。计算可知，本厂总投资21097.74万元，年利润16326万元，投资回收期5.92年。分析结果表明，本厂在经济上可行，具有较高的经济效益。详见经济分析。表3 综合经济技术指标表序号指标名称单位数值1设计规模万吨/年62年操作时间小时/年80003工程项目总投资万元21097.744固定资产投资万元13166.835直接材料费万元/年71956.76总定员人1017年成本费用万元/年98096.28全厂总产值万元/年1380009年净利润总额万元/年1632610投资利润率%65.411投资利税率%83.612内部收益率%2713投资回收期年5.9214投资净现值（税后）万元/年25294.89 项目总结本团队以“安全稳定、节能环保、合理创新、和谐发展、切合实际”为理念完成了镇海炼化年产6.5万吨甲基丙烯酸1.5万吨新戊二醇项目的设计任务。本设计中，采用Aspen Plus对流程进行了设计与稳态模拟、物料及能量衡算