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2018“东华科技陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛扬子石化年产8万吨甲基丙烯酸甲酯项目参赛队员：蔡楚源 何泽兴 彭建文 刘琦玮 陈思帆指导老师：汤吉海 包宗宏 周志伟 刘定华 崔 群2018“东华科技陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛13目录一、项目简介1二、原料和产品的确定1三、工艺设计2四、节能设计3五、新型设备应用5六、厂址选择与布置8七、经济分析10一、项目简介本项目为中石化扬子石化有限公司年产8万吨甲基丙烯酸甲酯项目，利用扬子石化总厂的C4馏分为原料，通过叔丁醇合成、直接甲基化合成甲基丙烯酸甲酯（MMA）工艺，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.清洁生产方面使用新型催化剂，简化甲基丙烯醛（MAL）氧化反应生成甲基丙烯酸（MAA）步骤，达到绿色生产目的；工艺实现甲醇和水的两大循环，通过膜分离技术可使28.16t/h甲醇进行循环，最大程度地利用资源；使用新型有机废水降毒技术，使有机毒物降解率达到90%以上。2.反应及分离技术方面将C4叔丁醇异丁烯MMA反应过程简化为C4叔丁醇MMA反应过程，简化工艺流程，使反应更加高效；利用先进的醛水分离技术，将原料中的甲醇作为醛水分离剂，达到资源利用最大化；利用先进的膜分离技术分离甲醇，将甲醇中的水含量由24.5%（wt%）降至0.5%（wt%）以下；通过背包式反应精馏技术提高MAL的转化率和MMA的收率。3.过程节能方面通过换热网络集成优化达到最大限度的能量回收；通过双效精馏技术降低公用工程能耗。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炼油厂C4馏分为主要生产原料，年需求量13.26万吨，利用直接甲基化法，年制得8万吨MMA，产品浓度达到99.9%。所用C4馏分通过储运车运输的方式运送到本生产区。具体指标如下表所示：表2-1 扬子石化炼油厂C4组成性质一览表成分含量（wt%）成分含量（wt%）异丁烯43.021-丁烯26.01正丁烷16.01顺-2-丁烯3.49异丁烷3.8反-2-丁烯7.54丙烷0.13温度35：压力：0.1MPa主要产品：在对异丁烯下游产品方案选择上，本项目以总厂的C4馏分为原料，年产8万吨的MMA产品。主产品MMA规格如表2-2所示。表2-2 本项目主产品MMA规格项目指标规格甲基丙烯酸甲酯，wt%99.9优等品异丁酸甲酯，wt%98三、工艺设计本项目通过产品选择和工艺论证 ，设计包括叔丁醇合成技术和异丁烯直接甲基化法制MMA技术。工艺包括反应器的设计、选型，包括5个反应器；分离设备的设计，包括11座塔设备设计、选型、校核，6个气液分离器的设计、选型、校核；换热设备的设计，包括24台换热器的设计、校核；输送设备的选用，包括4台压缩机、46台泵的选用；能量集成回收利用网络、物料集成网络。本项目有叔丁醇合成、MAL合成、MMA合成及精制、甲醇回收四个工段。全厂工艺流程图如图3-1所示。图3-1 本项目工艺全流程叔丁醇合成工段将C4中的异丁烯在列管式固定床反应器中水合生成叔丁醇，经过粗叔丁醇精馏塔精馏后得到醇水比1：1的混合液进入下一工段。MAL合成工段将混合液与氧气在列管式固定床反应器中反应，得到MAL。MAL经脱重塔脱重后用甲醇吸收，甲醇和MAL的混合液进入下一工段，甲醇混合气体进入甲醇回收工段。MMA合成及精制工段将含水量较低的醇醛混合液与甲醇、氧气进入反应釜进行氧化酯化反应，生成MMA，经过精馏等工序精制后得到高纯度的MMA产品。甲醇回收工段将MAL合成工段和MMA合成及精制工段未反应的甲醇经精馏、闪蒸、膜分离进行回收得到纯度较高的甲醇，并将回收后的甲醇循环回MAL合成、MMA合成及精制工段进行反应。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 V9.0软件来进行换热网络的设计。同时，寻找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 优化后的设计方案经过优化后，可回收能量0.752105kW，即75.20MW，能量回收率达24.55%。所需热公用工程为1.172105kW，所需冷公用工程1.139105kW。2.逆流双效精馏技术本项目将单塔拆分为双塔，在双塔中，加压精馏塔塔内压力约为0.6MPa，塔顶气相温度为117.9，为高品位的热源。常压精馏塔塔底再沸液体的温度为83.2。因此，T0401的再沸器可以以 T0402塔顶气相作为热源塔顶气相作为热源进行换热。工艺流程图如下图所示：图4-2 逆流双效精馏技术通过双效精馏技术,对比两塔均用公用工程可知，节约冷公用工程35.04%，热公用工程19.99%。通过双效精馏节约能耗25.9MW，所节约能耗折算直接经济成本2161.25万元，节能效果显著。五、新型设备应用1.新型反应器本项目中，在MAL反应器中，原料气由上方管口通入。该反应器筒体直径4500mm，直径较大，存在原料气未能在装置内均匀分布的情况。因此，我们运用双盘气体分布器，设置于装置内部。该分布器具有结构简单，加工、安装方便，具有较大的操作弹性，可以有效节约制造和操作、维护费用。两盘装气体分布器示意图如图5-1所示：图5-1 两盘装气体分布器示意图通过设置两盘装气体分布器，有效改善气体分布，加强气体混合，压降合理（出口截面压差小于3%），有利于反应进行。2.新型分离设备由于本项目中甲醇回收工段的塔设备存在气液相符合差距大的情况，且处理量较大，易造成严重雾沫夹带。因此需使用有效措施使其塔内流体流动情况得到改善。立体传质型塔板(CTST)是在垂直型塔板基础上改进的一种新型塔板，由开有矩形孔的塔板、两侧开有筛孔的梯形喷射罩及分离板组成，其结构如图所示。 图5-2 立体传质塔板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5-3所示：图5-3 孔板排布示意图圆环形折流板的结构示意图如图5-4所示：图5-4 圆形折流板结构示意图圆盘形折流板的结构示意图如图5-5所示：图5-5 圆盘形折流板结构示意图4.新型输送设备本项目采用单级中开双吸离心泵，闭式双吸式叶轮具备良好的汽蚀性能，因为叶轮的每侧进水量只有同流量单吸叶轮的一半背靠背双吸式叶轮具有自平衡特点，无需额外能量去平衡轴向水推力减小了机械损失、提高了效率。轴承位于转子叶轮的两侧，减少了轴的变形，使泵运行更加平稳。扬程较高的泵型采用双蜗壳设计，有效平衡径向力，减小轴所受扭矩和轴承负荷。该泵可卧式安装或立式安装；顺时针或逆时针旋向，在布置时适应流程能力极强。 图5-6 单级中开双吸式离心泵图六、厂址选择与布置1.厂址选择项目建设地位于扬子石化炼油厂北侧空地上，项目用地处现为空地，占地面积为125.7亩，符合本项目用地需要。项目厂址如下图所示：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Plant Design System、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13.26万吨/年C4馏分新建一套甲基丙烯酸甲酯生产装置，甲基丙烯酸甲酯产量为8万吨/年。项目预期总投资为6.5亿元，投资15年后，累积现金流量17.51亿元，所得税后投资回收期为6.4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1MMAt/a848072异丁酸甲酯t/a1100二年操作时间h7200三主要原材料、辅助原料用量1C4t/a1.331052空气Nm3/a2.341083甲醇t/a4.551044工艺软水t/a3.491045异丁烯水合催化剂t/a2136叔丁醇氧化催化剂t/a14.647MAL催化氧化催化剂t/a18.29六公用动力消耗量1冷却水t/a1.4110820.4MPa蒸汽t/a9.1510530.8MPa蒸汽t/a4.851054电kWh1.001075仪表空气Nm3/a3.541066氮气Nm3/a1.20105七三废排放量1废水t/a758002废气m3/h29585.523废固t/a142.8八全厂定员人52九总占地面积亩125.7十工程项目总投资万元64695.851建设投