2-设计文档集中国石油大学-SSR团队0-项目摘要

SSR SSR 1 1 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 1.项目简介 目前国内炼油装置产生的硫化氢废气，大部分简单还原为硫磺，回收价值低，经济效 益不明显。近年来，在石化行业中，硫化氢下游产品的开发和应用越来越受到关注，利用 硫化氢资源合成高附加值有机硫产品已成为当前研究发展的方向。 本项目依托中化泉州石化有限公司 230 万吨/年轻烃回收装置干气资源，设计一套年产 2.7 万吨二甲基亚砜装置，采用 MDEA-MEA 复合胺液深度脱硫（H2S 20mg/Nm3） ，硫化氢 -甲醇路线合成高附加值二甲基亚砜产品。全装置由干气净化、硫醚合成精制及亚砜合成精 制三个单元构成，具有工艺先进、技术成熟、经济合理、能耗低及环保优势显著等特点。 2.废气源及资源化利用方案确定 本项目轻烃回收干气原料性质表如表 2-1 所示。 表表 2-1 原料干气性质表原料干气性质表 组成 体积分数% H2S 22.17 H2O 0.42 CH4 13.58 C2H6 13.89 C3H8 0.65 I-C4H10 0.03 N-C4H10 0.29 C5 2.80 H2 46.17 质量流量 kg/h 3750.00 104t/a 3.00 温度 27.00 压力 MPa(G) 0.65 本项目产品方案为主产二甲基亚砜， 联产甲硫醇及净化干气， 产品体系如表 2-2 所示。 表表 2-2 产品体系产品体系 序号 产品 规格（%wt） 产量（104t/a） 备注 1 二甲基亚砜 99.9 2.71 主产品 2 甲硫醇 98.0 0.12 副产品 3 净化干气 18mg/Nm3 1.72 副产品 SSR SSR 2 2 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 3.工艺设计 本项目经脱硫和资源化利用工艺技术方案论证， 采用 MDEA-MEA 胺洗工艺深度脱硫， 甲醇-硫化氢工艺合成二甲基硫醚，二氧化氮液相乳化氧化工艺生产二甲基亚砜。工艺系统 共包含干气脱硫、胺液再生、硫醚合成、产物预分离、硫醚精制及甲醇回收、亚砜合成和亚 砜精制七个工段。工艺设计中采用 NO2液相乳化氧化高效反应新工艺，采用萃取精馏、变 压吸附等高效分离新技术， 并对硫醚合成反应产物进行分离序列设计， 获得最佳分离顺序。 工艺流程方框图如图 3-1 所示，详见初步设计说明书第四章。 图图 3-1 项目工艺流程方框图项目工艺流程方框图 原料干气自总厂轻烃回收装置来，经胺法深度脱硫后得到净化干气与解吸酸性气。净 化干气送回总厂综合利用装置。解吸酸性气吸附脱水后，混合甲醇经压缩进入硫醚合成反 应器合成甲硫醚。反应产物逐级冷却后依次经 H2S 汽提、共沸物预分离、萃取精馏得到醇 醚混合物与甲醇-水混合物。 甲醇-水混合物经双效精馏分离后分别循环。 醇醚混合物进一步 分离得到副产品甲硫醇与中间产品甲硫醚。甲硫醚混合二氧化氮、氧气进入硫醚氧化塔合 成二甲基亚砜，反应生成粗亚砜一路循环回流充当反应溶剂，一路经碱洗、减压蒸发、减 压蒸馏得到工业级优等品二甲基亚砜。 4.节能设计 （1）换热网络设计优化 工艺流程中涉及公用工程量较多，为充分回收利用能量，本项目使用 Aspen Energy SSR SSR 3 3 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 Analyzer 软件，根据夹点设计法，结合实际情况，进行流股匹配，设计出一种相对较优的冷 热流股匹配方案，同时将优化后的换热网络添加至流程模拟和 P&ID 图纸。详见 Aspen Plus 流程模拟源文件及 P&ID 图纸。本项目同时完成冷热换热网络的模拟，并进行换热器 EDR 设计。详见 Aspen EDR 设计源文件。 全流程换热网络如图 4-1 所示。详见换热网络与节能设计第一章。 图图 4-1 全流程换热网络全流程换热网络 （2）逆流双效精馏 本项目中甲醇与水的分离操作采用逆流双效精馏技术，可有效降低分离能耗，减少操 作成本。与普通精馏对比，冷耗节约 66.3%，热耗节约 36.3%。流程模拟示意图如图 4-2 所 示。详见换热网络与节能设计第二章。 图图 4-2 逆流双效逆流双效精馏模拟流程图精馏模拟流程图 SSR SSR 4 4 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 （3）蒸汽压缩式热泵技术 本项目中使用蒸汽压缩式热泵技术，利用正丁烷作为热泵工质，由胺液再生塔塔顶取 热向塔底供热，实现能量的回收利用。冷耗节约 64.6%，热耗节约 24.6%。流程模拟示意 图如图 4-3 所示。详见换热网络与节能设计第二章。 图图 4-3 蒸汽压缩式热泵技术模拟流程图蒸汽压缩式热泵技术模拟流程图 （4）共沸物预分离 本项目中萃取精馏塔前设置预分离塔，目的是减少萃取剂用量，降低过程能耗。经对 比，不设置预分离塔时，萃取剂用量大而塔顶甲硫醚回收率低，设置预分离塔后，萃取剂 用量大幅下降且塔顶甲硫醚回收率达 99.9%wt。由于萃取剂用量大幅减少，能耗也相应降 低。冷耗节约 21.9%，热耗节约 42.9%。流程模拟示意图如图 4-4 所示。详见换热网络与 节能设计第二章。 图图 4-4 共沸物预分离模拟流程图共沸物预分离模拟流程图 SSR SSR 5 5 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 （5）节能减排效果对比 本项目依据 GB/T 50441-2016石油化工设计能耗计算标准 ，将节能设计前后的冷热 公用工程消耗量（包括热泵压缩机的电耗）折算为年耗量进行对比，且根据国家发改委的 推荐，每燃烧 1 吨标准煤将排放 2.62 吨 CO2。节能减排效果如表 4-1 所示。每吨产品能耗 计算表如表 4-2 所示。 表表 4-1 节能减排效果对比节能减排效果对比 项目 节能设计前 节能设计后 公用工程消耗（MJ/a） 79048.67 53366.17 能量优化量（MJ/a） 25682.5 综合节能分率 32.5% 年碳排放减少量 2.296 万吨 CO2/年 每吨产品碳排放减少量 0.8457 吨 CO2/吨产品 表表 4 4- -2 2 每吨产品能耗每吨产品能耗计算表计算表 能耗项目 年消耗量 折算当量标油系数 折算能耗 单位能耗 单位 数量 单位 数量 kgoe/a kgoe/t 能耗指标 104MJ/a 56849.4 MJ/kgoe 41.868 13578245.92 500.16 合计 500.16 5.设备设计 本项目设计过程中对胺液再生塔、 硫醚合成反应器等设备进行了详细设计， 对换热器、 泵、压缩机等设备进行了选型。详见设备设计说明书和反应器设计说明书 。 （1）反应器设计 在反应器设计方面，本团队参考相关文献得到动力学数据并进行 Aspen Plus 动力学反 应器模拟，依照反应特点选择适合的反应器型式并建立完整的反应器模型。 对于硫醚合成反应器，本团队采用新型 IKT-31 催化剂，利用 COMSOL 软件计算出硫 醚合成反应的反应体积和停留时间，对反应器尺寸进行优化，并对反应器中温度、浓度、 压力等分布进行了计算， 相关结果详见 反应器设计说明书 和 COMSOL 源文件。 图 5-1、 5-2 分别为硫醚浓度分布图及反应器压力分布图。 SSR SSR 6 6 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 图图 5-1 DMS 浓度分布浓度分布 图图 5-2 反应器压力分布反应器压力分布 在硫醚乳化氧化体系中，本团队采用先进的乳化氧化塔反应器，并对各分区域温度进 行严格控制。在反应器结构方面，采用微型陶瓷矩鞍环填料提高传递效率，并采用新的换 热夹套和盘管型式进行多段换热，同时对反应器进料纯度进行严格控制，使反应转化率保 持在 98%左右。详见反应器设计说明书第三章。 （2）新型塔板的运用 本项目设计板式塔时，选用中国石油大学（华东）自主设计的 SFV 浮阀，SFV 全通 导向浮阀塔板技术的核心是其鼓泡元件SFV 全通导向浮阀，如图 5-3 所示。 图图 5-3 SFV 全通导向浮阀结构全通导向浮阀结构 SFV 全通导向浮阀将导向浮阀和微分浮阀的优点集于一身：阀面上的微型固定阀充分 利用浮阀上方的空间， 使气体分散更加细密均匀， 气液接触更加充分， 从而提高传质效率； 前阀腿上开的导向孔及矩形阀体可发挥气流推液作用，将动量传递给水平流动的液体，减 小塔板上的液面梯度，减少塔板上液相返混，且可消除塔板上液体滞留区；导向孔上端侧 条可有效地减少漏液；另外，气体从阀体的 3 个方向通过，可以减小返混，提高传质效率。 SSR SSR 7 7 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 （3）高效波纹板式换热器 对于正丁烷蒸发器 E0103 设计为人字形波纹板式换热器，换热器冷端流体为正丁烷， 热端流体主要为硫化氢、水，通过热流体供热，将正丁烷蒸发，完成热泵工质循环。 板式换热器结构如图 5-4 所示： 图图 5-4 板式换热器结构板式换热器结构 本项目中换热器 E0103 的型号为：BZR0.8-0.6-98N-V。 （4）新型节能屏蔽泵和变频泵 本项目对输送密封要求严格的工段采用新型节能屏蔽泵替代以往高耗能的常规屏蔽泵 产品。常规屏蔽式电动机与同功率同极数普通电动机相比效率要低 10 个百分点，功率因数 则更低。而该系列泵相比常规屏蔽泵而言其整体效率显著提高。 节能降耗是当前社会发展的趋势，变频泵通过改变转速来调整泵的特性曲线，从而使 泵达到新的工作点达到改变流量的目的。为了解决“大马拉小车”的现象，本项目在设计过 程中选择三菱公司 FR-F500 系列变频器，使用变频调速器来改变泵的转速来调整流量，大 大节约电能，达到节能减排的目的。 6.清洁生产 本项目以硫化氢为原料，清洁生产高附加值二甲基亚砜产品，主要体现为： （1）采用硫化氢为原料路线，将炼厂中废气资源化利用，是石化行业发展循环经济、 实现节能减排、清洁生产、废弃物资源化利用和提高经济效益的重要途径； （2）工艺路线过程完成硫化氢、甲醇两大循环，既提高原子利用率，也减少了三废排 放；同时粗亚砜循环回反应器做自身反应溶剂，几乎可以一次得到特别纯净的产品。 （3）过程副产物均可利用：净化干气去干气综合利用装置，甲硫醇送至附近生物公司 SSR SSR 8 8 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 生产蛋氨酸，氧化尾气经碱洗后送至燃烧管网充当助燃剂，其余废液、废固均有效处理， 实现废物资源化利用； （4）硫醚合成催化剂采用 IKT-31 绿色催化剂，在提高选择性和转化率的基础上保证 低污染乃至无污染，实现项目环境友好型、生产经济型； （5）使用高效反应新工艺与高效分离新技术，过程节能创新，减少单产碳排放。 7.装置选址与布置 （1）选址确定 本装置选址位置如图 7-1 所示。 图图 7-1 装置装置选址选址卫星图卫星图 （2）装置总图布置 本项目以泉州石化厂内道路的路边为界线， 长 180 米， 宽 80 米， 总占地面积为 14400m2。 工艺生产装置宜布置在人员集中场所全年最小频率风向的上风侧，并位于散发可燃气 体的储运设施全年最小频率风向的下风侧。根据选址地点福建泉州的风玫瑰图可以看出， 全年最小频率风向是东南风。本项目中人员集中的场所为外操室，其布置在最小风频的下 风向。本项目储罐数量少、容积小，且危险性小，如果布置在总厂罐区管道成本很大，因此 罐区布置在项目一侧，不与总厂罐区集成。设装卸区，通过油罐车外运产品。 SSR SSR 9 9 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 工艺装置和罐区留有宽度 6 米的环形消防通道，且道路内缘转弯半径为 12m，可供大 型消防车通过。详细设计如图 7-2 所示。 图图 7-2 装置平面布置图装置平面布置图 （3）三维布置 本项目利用 3ds Max 对进行了设备布置图的绘制，确定设备的摆放位置，方便生产， 同时对装置三维进行设计，如图 7-3 所示。详见三维配管设计和装置三维布置源文件。 图图 7-3 装置三维效果图装置三维效果图 8.安全环境分析 本项目运用 Risk system 软件对厂区内的甲醇和二甲基亚砜储罐进行了重大危险源辨 SSR SSR 1010 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 识，并根据物质的物性进行了罐区物质的源相分析，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，分析事故的伤害范围和介质泄漏扩散范围。同时 运用 EINA2.0 噪声评估软件针对装置主要噪声源进行分析，据此采取系列措施，使装置噪 声达到环境安全标准。 废物资源化利用： （1）废气：本项目主要废气为硫醚氧化塔氧化尾气，其主要组成为氧气和二氧化氮。 可先将废气通过碱液除去其中的 NO2，净化氧气可通入燃烧管网作为助燃剂。碱液可经浓 缩结晶制硝酸钠。 （2）废液：本项目产生含盐浓缩液，其主要组成为二甲基亚砜、二甲基砜、亚硝酸钠 和硝酸钠。 利用盛美娥等人的专利方法 （CN 10119559） 可从中有效回收二甲基砜和硝酸钠， 该方法具有降低废渣排放、减少环境污染、工艺简单、能耗小等显著优点。含盐浓缩液处 理路线如图 8-1 所示。 图图 8-1 含盐浓缩液处理路线图含盐浓缩液处理路线图 9.经济效益分析 本项目技术经济分析遵循相关经济指标与分析方法，在充分调研市场价格后，对项目 总投资、项目总成本、销售收入和税金进行详细估算与说明，对投资利润率、投资利税 率、资本金利润率、投资回收期等指标进行分析比较，可以看出本项目财务可行且具有良 好的经济效益。本项目综合经济指标如表 9-1 所示： 表表 9-1 综合经济指标表综合经济指标表 序号 指标名称 单位 数值 1 生产规模 万 t/a 2.71 2 占地面积 平方米 14400 3 年操作时间 小时/年 8000 4 总定员 人 90 SSR SSR 1111 中化泉州石化 3 万吨/年干气脱硫制二甲基亚砜项目项目摘要 续表 9-1 5 工程项目总投资 万元 29978.28 6 年总成本费用 万元/年 17321.27 7 年销售收入 万元/年 34735.02 8 年净利润总额 万元/年 10355.05 9 年销售税额 万元/年 3607.02 10 投资利润率 % 46.06 11 投资利税率 % 58.09 12 资本金净利润率 % 34.54 13 投资回收期（