Word 2010版设计文档3-创新性说明

创新性说明中国石化济南分公司年产3.2万吨叔丁胺项目 创新性说明书目录第一章 工艺技术方案11.1原料方案11.1.1方案比较与选择11.2流程方案3第二章 清洁生产42.1生产清洁42.2三废资源化处理4第三章 过程设备的创新63.1筒式外循环固定床反应器63.2反应精馏塔63.3高压U形管式换热器83.3.1换热器效益8 湖北工业大学什么队 1第一章 工艺技术方案1.1原料方案本项目为中国石化济南分公司新建项目，主要原料来自中国石化济南分公司的气体分馏装置的抽余碳四。本次设计大赛题目是利用异丁烯生产既有使用价值又有市场需求量的下游产品。我们队在前期查阅大量文献，最终确定生产叔丁胺。生产叔丁胺一般使用的是高纯异丁烯。如果直接使用高纯异丁烯，因高纯异丁烯的价格较为昂贵，叔丁胺产量也不是很大，造成其成本相对较高，所以我们最终决定利用价格便宜的碳四组分中的异丁烯。通过本厂自行生产高纯异丁烯，虽然需要增加装置成本，但长远来看，自行生产利益更大。并且我们对如今产能过剩的碳四加以利用，既能充分利用碳四资源，又能保证本项目的产量达标。1.1.1方案比较与选择本项目初步选择生产叔丁胺的原料不直接使用高纯异丁烯，而是通过碳四馏分来生产高纯异丁烯。在碳四馏分上面也还有很多的选择，但都是首先生成MTBE，再裂解生成高纯的异丁烯。一般来自裂解制乙烯装置的碳四烃称为裂解碳四，来自炼厂催化裂化装置的碳四烃称为炼厂混合碳四。这两种碳四馏分一般的组成及含量见下表。表1-1 几种碳四馏分的组成及含量组成炼厂碳四（质量分数/%）裂解碳四（质量分数/%）C30.30.3乙炔类01.83异丁烷35.60.6正丁烷11.02.81-丁烯13.013.6反-2-丁烯14.05.8异丁烯15.522.1顺-2-丁烯10.04.8丁二烯0.447.6C50.20.51.1.1.1炼厂碳四炼厂碳四原料中的异丁烯含量一般低于20%，主要来自是炼油厂催化裂化装置，炼厂碳四馏分富含烷烃，主要是异丁烷。炼厂碳四在经济方面，由于高辛烷值汽油调和原料MTBE的需求在不断增长，在之前相当长的时间里，高价值的燃料利用仍是碳四烃应用的最主要的途径。现如今推广甲醇汽油而不再需要甲基叔丁基醚类的辛烷值添加剂后，碳四馏分应考虑从其他方面入手如何将其有效利用。炼厂碳四的利用途径中，异丁烯与甲醇生产MTBE时主要利用途径之一，在合成MTBE之后的醚后碳四还含有较多丁烯、丁烷可利用，可提供下游产家。1.1.1.2裂解碳四随着我国乙烯生产能力的提高，裂解碳四的产量也越来越大，它作为一种重要的化工原料在国民经济中占有非常重要的地位。裂解碳四中富含40(质量分数)以上的1，3丁二烯，通过丁二烯抽提装置可以生产聚合级的丁二烯产品。还有裂解碳四加氢装置生也是一条利用途径。1.1.1.3碳四原料的选择由于丁二烯单体是生产橡胶的重要原料，用途广泛，近年来市场价格较高，从而使得裂解混合碳四价格明显高于炼厂碳四。若我们采用裂解碳四馏分，首先原料成本增加，其次还需增加一套丁二烯提取装置，增加了装置成本，所以最终选择价格便宜的炼厂混合碳四，来自中国石化济南分公司。其规格如下表：表1-2本项目选择碳四规格原料组成C4H8-5C4H8-1C3H8C4H10-2C4H10-1C4H8-2C4H8-3C4H6-4含量wt/%21140.0140.9985651.2流程方案本项目工艺流程实现了碳四资源化利用，增长了碳四资源的产业链，符合可持续发展战略，为国内炼化行业首创了一条通过碳四馏分生产叔丁胺新工业方法。将两种环境友好型的工艺，MTBE裂解法与异丁烯直接胺化法相结合，大大提高了叔丁胺的产量，解决了国内叔丁胺供不应求的现状。流程图如下： 图1-1 工艺总流程图 湖北工业大学什么队 10第二章 清洁生产2.1生产清洁在工艺选择上，我们力求原料的利用率达到最大化，在尽可能少地损失原料的前提下进行操作；在工艺模拟中，我们采用了未转化的原料循环，主要原料甲醇、液氨、异丁烯循环，萃取剂、吸收剂循环。同时通过优化工艺路线，达到了物料的最大利用率。各主要循环物料的损失率都在0.1%以下，做到了工艺流程清洁化。2.2三废资源化处理在本项目中有一股副产物的废液，一股废气，还要三种废固。其中可利用的废气，主要含量是碳四组分，可作为液化气来燃烧利用，也可排放至总厂火炬装置利用。废固主要是催化剂，回收至厂家再生。还有一股废液主要是反应中的副产物。其中主要成分如下表：表2-1 废液成分表成分异丁烯MTBEMSBE二异丁烯叔丁醇水叔丁胺含量wt/%1.522.811.648.912.41.81该废液中还有二异丁烯与叔丁醇可资源利用，MTBE回去裂解反应器中。本项目设计了一套双效精馏装置将其中的二异丁烯资源化利用的装置。该废水处理装置用的是逆流双效精馏，因高压塔塔顶还含有较多二异丁烯，所以将其循环回低压塔。低压塔塔顶还有少量MTBE，可将其循环回裂解反应器进行利用。最终该套装置获得的二异丁烯质量纯度达97%，每年有1420吨。该套装置不仅资源化了废液，并且运用的比较节能的双效精馏。在资源化废液的同时，降低装置的能耗。设计如下图：图2-1 双效精馏废液处理装置采用该装置本项目只要生活废水产生，生产废水将资源化，真正实现了绿色无污染的生产。每年减少了3300吨的废液产生。第三章 过程设备的创新3.1筒式外循环固定床反应器筒式外循环反应器它的构型就是一个普通的固定床反应器，其内部床层分为三层，每个床层铺细筛板，筛板间隙装填石棉绳，上铺氧化铝惰性磁球，厚度为20cm，磁球上装填催化剂，有效提高了MTBE的收率。反应物料从反应器顶部，经过分布器均匀进入第一床层，再进入第二、第三床层充分反应，生成的MTBE以及未反应的甲醇和碳四从底部采出，抽取一部分经外循环冷却降温，再用泵增压返回反应器顶部与新鲜原料一起进入催化剂床层。MTBE 、合成反应，从化学平衡角度看，反应混合物中MTBE量增多导致反应向左移动，不利于提高反应转化率，异丁烯与甲醇的合成为放热反应，本反应器通过外循环取热方式控制反应器的温度，同时循环物料与碳四、甲醇原料在入口混合后同时进入反应器，从而降低了异丁烯浓度，有利于控制反应。其优点有以下几点：（1）没有高温点存在，它的最高温度是在反应器的出口，对催化剂使用寿命有利。（2）结构简单、造价低、催化剂装卸方便。（3）适用原料碳四中异丁烯含量范围广，无论异丁烯含量高、低都能取得满意的效果，只需随时调整外循环量即可控制反应床层温度。所以本装置反应器采用外循环的工艺。3.2反应精馏塔反应精馏塔将反应和分离两种操作在一个塔设备中同时进行，将反应生成的产物或中间产物及时分离，则可以提高产品的收率，同时又可利用反应热供产品分离，达到节能的目的。目前，反应精馏技术已在多个领域实现了产业化，在某些新领域也取得了一定进展。反应精馏和传统精馏技术相比，具备显著的节能和降低投资的优点。以下用Aspen Plus对反应精馏塔的设计 图3-2 反应精馏塔的设计使用反应精馏塔之后，碳四中的异丁烯已完全转化，大大提高了原料利用率。3.3高压U形管式换热器本项目中，有几台高压换热器，选用普通的换热器其设备费用将很高，所以需要选择能够耐高压的新型换热器。本项目采用的是D形螺栓U形管式高压换热器（专利：D形螺栓U形管式高压换热器，专利号CN104913667A）。所述换热器解决的技术问题是：螺栓法兰式换热器不适合高温高压场合，密封环换热器装拆过程焊接、切割工作量达，拆装困难，不耐腐蚀，且这两种换热器的换热死区大；螺纹锁紧环换热器装拆需要专人专具，主螺纹等结构的机加工量大且制造精度高，装拆过程中容易出现咬死，装拆不便，管箱笨重，制造成本高；隔膜密封换热器隔膜密封盘焊接处易开裂、腐蚀失效，高压时主螺纹尺寸很大使得管箱结构笨重且装拆困难。为解决上述问题，该D形螺栓U形管式高压换热器所采用的技术方案是：包括壳程筒体与管箱筒体之间设有管板，管箱筒体内设有分程箱、定位环、分合环、内部螺栓、内套筒、压环、密封盘等，管箱筒体端部设有平顶盖，两者之间采用沿环向偏心均布的D形螺栓连接，平顶盖与管箱筒体台阶面间依次设有密封盘和外密封垫片，密封盘为一整体结构圆盘，由圆周向圆心依次由密封段、柔性段和加强段组成，密封段与外密封垫片相对布置，柔性段与压环相对布置，密封盘与平顶盖相对的一面为平面，紧贴于平顶盖的端面，平顶盖上设有内圈压紧螺栓和内压杆，通过内圈压环经密封盘的柔性段、压环和内套筒压紧分程箱的一端并使分程箱另一端压紧管板，平顶盖上设有外圈压紧螺栓和外压杆，通过外圈压环经密封盘的密封段压紧外密封垫片，管箱筒体内侧开槽处设有分合环，内部螺栓利用分合环经定位环和环垫压紧分程箱的一端并使分程箱另一端压紧管板。3.3.1换热器效益采用D形螺栓U形管式高压换热器能够获得其他换热器所没有的效益。3.3.1.1与隔膜密封换热器相比（1）本高压换热器密封采用垫片密封，没有隔膜密封盘边缘的焊缝，避免了施焊困难且焊缝处以发生开裂与腐蚀失效等问题。（2）本高压换热器没有主螺栓，而采用D形螺栓连接结构，D形螺栓主要承受剪切力，尺寸较小、设备重量较小，同时制造简单，装拆方便、迅速。3.3.1.2与螺纹锁紧环换热器相比（1）本高压换热器采用了D形螺栓结构代替大梯形螺纹连接，同时将螺纹锁紧环与管箱盖板合为一平顶盖结构，无需专门夹具既可实现平顶盖的快速安装与拆卸，避免螺纹锁紧环拆装过程中出现的螺纹咬死等现象，减少安装和拆卸过程的工作量。（2）本高压换热器采用的D形螺栓，只需将普通螺栓沿螺纹轴向的一侧削平约1/4圈螺纹弧长即可，制造方便，精度要求较低，降低了换热器的制造难度。（3）本高压换热器采用的D形螺栓结构降低了换热器管箱轴向长度，使换热器结构更为紧凑，用料更省，节省了安装和维修空间，也降低了制造成本。3.3.1.3与密封环换热器相比（1）本高压换热器采用垫片密封，没有密封环的密封焊，减少了拆装过程中的焊接、切割工作量，同时避免了密封环处易积液发生腐蚀失效的可能。（2）本高压换热器无大法兰结构，壳程侧壳程入口可以最大限度的靠近管板，有效地减少了换热死区的面积，提高了换热效率，也减轻了一定的重量。采用的D形螺栓U形管式高压换热器与其他换热器相比，都能获得较好的效果，所以最终采用该高压换热器。其具体结构如下图所示：图3-1D形螺栓U形管式高压换热器1-压环，