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项目摘要中国石化济南分公司年产3.2万吨叔丁胺项目 项目摘要目录一、项目简介1二、工艺介绍12.1工艺简介（清洁生产）12.2工艺流程简介32.2.1高纯异丁烯生产工段32.2.2甲醇回收工段42.2.3叔丁胺合成工段4三、设备技术53.1设备设计53.1.1高压U形管式换热器5四、节能设计64.1换热网络优化6五、自动控制系统7六、产区选址与布置86.1选址确定86.2产区布置86.3车间布置9七、安全环境分析9八、经济效益分析10九、总结13 湖北工业大学什么队 1一、项目简介本项目是为中国石化济南分公司设计一套利用异丁烯生产既有使用价值又有市场需求量的年产3.2万吨叔丁胺的分厂。本厂所选异丁烯的原料规格为炼厂碳四馏分。碳四馏分现如今已产能过剩，国内许多地方正在建大型煤制烯烃与煤制油项目。因此，副产的混合碳四将大量增长，而随着天然气工业的发展，碳四作为传统民用液化气的量正逐渐减少。而碳四中的异丁烯是主要资源化的馏分之一。随着全国推广使用乙醇汽油，当推广应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是亟待解决的问题。本工艺既有效利用了碳四馏分，又生产了异丁烯的高价值的下游产品，为济南分公司增加了一条碳四利用的新的产业链。项目选址为中国石化济南分公司发展用地。二、工艺介绍2.1工艺简介（清洁生产）本次项目的设计目标为清洁生产叔丁胺。叔丁胺的合成工艺路线有几十种之多，但国内外曾经及正在应用的具有工业发展前景的主要工艺路线则有以下几种：叔丁脲水解法、N叔丁酰胺水解法、异丁烯氢氰酸法、氢氰酸甲基叔丁基醚法、叔丁醇直接胺化法、异丁烯直接胺化法。在工艺选择上，我们注重清洁生产，力求原料的最大利用率，在尽可能少地损失原料的前提下进行操作，所以我们叔丁胺的工艺选择环境友好型、原子利用率100%的异丁烯直接胺化法，高纯异丁烯生产也是选择较为清洁的MTBE裂解法。在工艺模拟中，我们有多种原料循环及吸收剂萃取剂循环（具体循环见可行性研究报告4.3.1物料集成），将甲醇、萃取剂、吸收剂、液氨、异丁烯进行回收循环利用。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。本工艺在传统异丁烯直接胺化法工艺基础上增加了一段从炼厂碳四馏分以MTBE合成及裂解法生产高纯异丁烯，为叔丁胺合成提供高纯度的异丁烯原料。我们利用总厂的炼厂碳四馏分为主要原料，购买工业级甲醇与碳四馏分中的异丁烯反应，醇烯比选择1.05，通过二段筒式外循环反应器反应生成甲基叔丁基醚，再经过反应精馏塔，深化异丁烯的转化，将炼厂碳四中的异丁烯完全反应彻底，塔底出甲基叔丁基醚，塔顶出醚后碳四。用水萃取醚后碳四中的甲醇，回收其中的甲醇循环使用。因要得到聚合级的异丁烯，所以在甲基叔丁基醚裂解前必须对其进行精制，分离其中二异丁烯、叔丁醇等副产物。裂解主要生成甲醇与异丁烯，利用前水洗工艺，用水吸收甲醇循环使用，异丁烯脱除副产物得到聚合级异丁烯。进入叔丁胺合成工段。因要达较高产量，所以补加了异丁烯，使得胺烯摩尔比为1.5。我们用的叔丁胺合成催化剂是巴斯夫已商业化的BEA沸石催化剂。反应之后分离未反应的液氨与异丁烯进行循环使用。叔丁胺粗产品再脱除副产物得到质量纯度99.9%的叔丁胺。具体工艺流程见图2-1。图2-1 工艺流程方框图本工艺生产过程中产生的三废较少。在三废处理方面，由于工艺流程的清洁化，本工艺只产生一股废液、一股废气。一股废液为塔釜的副产物，副产物都是可再资源化的化工产品，也可在本项目的污水处理站先预处理，再进入总厂的污水处理厂进行处理。而一股废气为工艺中的塔顶轻组分，成分主要是一些碳四成分，可作为工厂火炬装置，充分燃烧不会对环境造成污染。催化剂需要每年更换，及时返回厂家进行回收处理。在废物利用和三废排放中做到了清洁生产。2.2工艺流程简介本工艺主要分为四个工段，分别为：MTBE合成工段、MTBE裂解工段、甲醇回收工段和叔丁胺合成工段。将分为三个部分介绍。2.2.1高纯异丁烯生产工段图2-2 高纯异丁烯生产工段流程图如图2-2所示，此工段为MTBE合成与裂解的工段，主要是为了得到聚合级的异丁烯。来自总厂的炼厂碳四与甲醇经过二级筒式外循环反应器，生成甲基叔丁基醚，在反应精馏塔中深化异丁烯的反应，使其完全转化，塔顶分离出甲基叔丁基醚，塔底分离出醚后碳四，醚后碳四中还有部分甲醇，需要用水萃取循环使用。甲基叔丁基醚精制之后再进入裂解反应器生成甲醇与异丁烯。通过一段前水洗工艺得到聚合级异丁烯。2.2.2甲醇回收工段图2-3甲醇回收工段流程图如图2-3所示，从第一工段萃取塔来的甲醇-水溶液与从第二工段吸收塔来的甲醇-水溶液混合之后，经过两个塔将水与甲醇分离。水达到能够作为吸收剂的纯度，作为循环水，循环回到萃取塔T102与吸收塔T202。甲醇是裂解工段的产物，循环回第一工段再与碳四馏分反应，达到原料的循环使用。2.2.3叔丁胺合成工段图2-4 叔丁胺合成工段流程图如图2-4所示，有一预热器E401与换热器E402。叔丁胺合成工段中，反应器温度250，可以稍加利用。用反应器的高温物料去预热反应原料，一方面减少了加热原料的能耗，另一方面又冷却了反应器出口物料，减少了冷却器E404的能耗。因异丁烯直接胺化法的异丁烯转化率较低，有大部分原料未反应需要循环，所以经过塔T401与塔T402分别循环了液氨与异丁烯。再经过产品的脱重、脱轻塔得到纯度99.9%的叔丁胺产品。三、设备技术3.1设备设计3.1.1高压U形管式换热器本项目中，有压力高达13MPa和28MPa的换热器，所以需要选择能够耐高压的换热器。本项目采用的是D形螺栓U形管式高压换热器。该换热器解决了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、切割工作量大，拆装困难，不耐腐蚀、隔膜密封换热器管箱结构笨重且装拆困难等一系列问题。图3-1 D形螺栓U形管式高压换热器具体详见创新性说明书。四、节能设计4.1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。同时将优化后的换热网络进行模拟，对比分析得出最优。全厂各工段换热网络的优化方案如图4-1、4-2所示，节能效果如图4-3所示。图4-1 第一、二、三工段换热网络优化方案图4-2 第四工段换热网络优化方案图4-3 总流程优化前后能耗对比图五、自动控制系统在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行。自动控制适应了化工生产过程大规模、高效率、连续生产、综合利用的趋势，使生产过程达到安全、平稳、优质、高效的目的，一套好的自动控制系统可以使生产过程在最佳条件下进行，从而稳定生产，降低能耗，实现优质高产。本异丁烯直接胺化制叔丁胺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。因此过程控制选用分散控制系统（DCS）实现本装置的数据采集、程序控制等功能。此外，我们主要采用PLC（可编程逻辑控制系统）进行过程控制与监测，在线控制仪表实时监测工艺流股中气体的含量并将数据送往中心控制室，及时调控装置参数，从而保证整套装置的安全可靠性。并且在厂区的现场，我们还增加了FCS(现场总线控制系统), 实现了现场总线技术与智能仪表管控的一体化，在主要控制器上采用带芯片处理器的智能仪表。现场总线主要包括基层网络和分布控制系统两个层次，现场总线控制系统由现场测量系统、现场控制系统和设备管理系统三部分组成。六、产区选址与布置6.1选址确定图6-1 产区选址本项目将厂址定在位于山东省济南市历城区中国石化济南分公司发展用地，靠近总厂。具体位置如图6-1所示。6.2厂区布置济南炼化占地2.5平方公里，位于胜利、中原两大油田之间，自备铁路与胶济线相连，厂区南北与济王公路和济青高速公路，东与济莱、济广高速相依，地理位置十分优越，交通运输四通八达。总图布置贯彻“十分珍惜和合理利用每一寸土地，切实保护耕地”的基本国策，因地制宜，节约用地，提高土地利用率。坚持做到：符合国情，合理布置生产安全，技术先进，保护环境，节省投资，运营费用低。厂区的布置考虑厂区地形、地质结构、风向等因素，综合本项目的生产和产品性质、特点和工艺流程最终确定了总厂布置图。本项目为中国石化济南分公司的分厂，厂区长400m，宽200 m，总面积为80000m2，建筑物防火类别均为甲类，布局符合石油化工企业防火规范 GB50160-2008及建筑设计防火规范GB50016-2014。根据生产工艺和交通运输要求将厂区分为生产区、辅助生产区、储运区和生活区。济南夏季盛行西南风，冬季盛行东北风，生产区布置在厂区的北部，储运区布置在厂区的西北部，辅助生产区位于厂区南部，临近生产区，生活区位于厂区西南部。厂区人流和物流合理区分，东门为人流通道，西门为物流通道，南门为厂区大门，分担人流，最大限度地减少了车辆在厂内的行驶距离以及与生活区交叉的可能性，保证了厂内的人员安全和人车分离。6.3车间布置本项目在车间布置和三维设计过程中采用了Pdmax专业软件将MTBE合成车间、MTBE裂解车间进行了设备建模、设备布置、管道建模和管道布置，对车间整体进行三维建模，并获得多个方向和视角的基础视图以及相应管道轴测图。车间三维设计完成后，利用Auto CAD软件对车间的平面和立面二维视图进行绘制。具体三维模型和视图详见Pdmax源文件、Auto CAD源文件和设计图册。七、安全环境分析本项目运用Risk System软件对厂区内的液氨、叔丁胺、甲醇等储罐区进行了重大危险源辨识并根据物质的物性进行了罐区物质的源相分析，继而根据源相分析的结果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了事故的伤害范围；此外还运用了ALOHA软件对相关储罐进行了蒸汽云爆炸事故、BLEVE事故、池火事故、中毒事故的模拟；运用EIAN噪音分析软件对厂区及其周边环境进行噪声评价；还采用了HAZOP分析软件、道化学火灾、爆炸危险指数评价对重大危险源进行风险预评估后设置SIS、DCS和ESD相结合的控制系统，实现对设备和系统的稳定控制。八、经济效益分析本工程项目可研报告批准后，自初步设计开始计，建设周期规划为24个月。项目实施期间要积极筹措资金，统筹安排，合理安排设计、采购和施工的交叉作业。在可行性研究报告批准后，要尽快安排技术、设备和材料的询价、招标及合同谈判，按照设备制造周期的长短认真组织设备采购定货和非标设备的制作运输，招标确定施工安装队伍，进行施工和生产准备，确保各阶段进度按期实施，使装置早日投产发挥效益，初步规划建设期为2年，投产期2年,生产能力分别为全负荷的70 %和90 %，达产期为11年，项目寿命为15年。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，对全厂投资、利润、现金流量等进行了详细估算与说明。计算可知，本厂总投资51810.26万元，静态投资回收期4.7年。详细结果见表8-1。分析结果表明，本厂在经济上是可行，具有较高的经济效益。详细可见文档经济分析。表8-1 主要技术经济指标表序号项目名称单位数值一生产规模万吨/年3.18二产品方案1叔丁胺万t/a318002醚后碳四万t/a108000三年操作时间hour8000四主要原材料、辅助材料用量1炼厂碳四t/a1360002液氨t/a72003甲醇t/a3284阳离子交换树脂催化剂t/a135MTBE裂解催化剂t/a15.16BEA沸石催化剂t/a20.9五公用动力消耗量1电万度/a2159.62低压蒸汽t/a2367203中压蒸汽t/a565684高压蒸汽t/a91205仪表空气 万Nm3/a986循环冷却水t/a202700007循环冷却剂t/a7000008工艺软水t/a760六三废排放量1废水万t/a7.332生产包装物t/a2003生活垃圾t/a60七全厂定员人240八总占地面积万m28九万元产值综合能耗kgce/万元977.63十单位产品综合能耗kgce/吨4377.76十一工程项目总投资万元51810.261建设投资万元43348.052建设期利息万元19603流动资金万元6502.208十二年销售收入万元133440十三成本和费用年均总成本费用万元90394.83十四年均净利润总额万元24651.93十五年均销售税金万元10175.92十六财务评价指标1投资利润率%63.44%2投资利税率%83.08%3资本金净利润率%77.50%4投资回收期（静态）年4.71785投资回收期（动态i=0.12）年5.626全投资财务内部收益率（税后）%32.98%7全投资财务净现值（税后，i=0.12)万元66797.77十七清偿能力指标人民币借款偿还期（含投产期）年10九、总结对于本项目，我们坚持“节能环保，和谐发展”的理念进行设计。在前期通过查阅大量文献、市场调研，确定了用异丁烯制备既有使用价值又有市场需求量的叔丁胺。工艺选择上都采用环境友好型的工艺，将“绿色化工，科学发展”的思