2010WORD3-设计文档1-摘要

中科炼化100kt/a VAC和45kt/a EC项目项目摘要2019 “ 东华科技-恒逸石化杯 ”第十三届全国大学生化工设计竞赛中国石化中科炼化年产10万吨醋酸乙烯酯和4.5万吨的碳酸乙烯酯项目项目摘要丹东路1号团队队伍成员：崔荣凯、赵越、崔梓铭、王金林、陈子璇指导老师：封瑞江、王吉林、龙文宇、鞠佳、梁飞雪项目摘要一、项目简介本项目旨为中国石化中科炼化有限公司设计一座醋酸乙烯酯生产分厂，以中科炼化生产的乙烯、醋酸和氧气等产品作为本项目所需的原料，采用Bayer法制得高纯醋酸乙烯酯。为达到中国制造2025中提出的绿色发展2020年的指标，减少温室气体排放，因此设计了碳酸乙烯酯合成精制工段对乙烯法副产的二氧化碳进行回收利用，此法提高了产品附加值和原料利用率，拓展了总厂的业务范围，实现企业多元化经营，也为醋酸乙烯酯和碳酸乙烯酯下游产业链项目提供原料，与中科炼化一体化项目原料到产品的体系相结合。在考察中科炼化原料的来源、生产工艺技术、产品发展规划、下游产品市场的需求量及国家的产业政策后，确定本项目作为中科炼化乙烯利用的一期工程，依托中科炼化有限公司每年生产的80万吨乙烯，并为母厂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）装置提供醋酸乙烯酯原料。本项目主要工艺路线为：乙烯、醋酸和氧气按一定比例在155.5、0.8MPa下经初步反应后可得到醋酸乙烯酯，反应产生的副产物二氧化碳与来自总厂的环氧乙烷在130、0.25MPa下反应生成碳酸乙烯酯。本项目为总厂后续扩建作为技术与原料储备，每年利用3.8万吨乙烯，生产10万吨醋酸乙烯，为下游的EVA装置提供醋酸乙烯酯原料。同时每年回收2.4万吨二氧化碳，生产4.5万吨碳酸乙烯酯。本项目同时具备了经济性与环保性，合理可行。主要工艺亮点：（1）全流程通过一系列过程耦合与过程强化，如热泵精馏技术、双效精馏技术、中空纤维膜分离器分离技术、吸收分离技术、相分离技术等，在过程强化的同时，大大降低能耗。（2）工艺流程实现了六大循环，其中包括醋酸循环、乙烯循环、醋酸第一洗液循环、醋酸第二洗液循环、二氧化碳循环及环氧乙烷循环，各循环相互嵌套，提高了原子利用率，实现了资源的高效利用，最大程度上减少了资源的浪费和污染物的排放。（3）工艺流程注重过程节能，设计热泵精馏和多效精馏技术实现单元能量集成与高效利用，通过夹点分析进行换热网络优化，使得能量充分集成。（4）项目借助相关软件，并结合手工计算，详细设计校核了精馏塔、固定床反应器等关键设备。采用了一系列新型设备使过程更加高效。运用MATLAB进行进料板位置模拟，运用Fluent进行CFD模拟，运用COMSOL进行反应器分析，使设备设计更加精确合理。（5）工艺流程绿色环保，无过量废酸的排放和过量二氧化碳的排放，通过中空纤维膜分离技术和相分离技术大大减少降低与废水中污染物的浓度，减轻三废处理压力，环保优势显著。同时运用Screen3Mod进行大气估算、运用EIAW进行水质评价、运用EIAN进行噪声分析、运用Water Design进行水集成优化设计，得到结果均合理可行，符合规定。（6）项目设计注重安全，运用ALOHA完成爆炸分析、运用HAZOP完成安全事故分析、运用Risk system完成环境风险评估等软件进行详细分析，保证项目安全稳定。（7）项目运用多种现代方法辅助设计，运用plant 3D完成车间设备布置和三维配管设计，运用3D MAX完成优化设计，运用Sketchup完成厂区三维布置，运用Lumion进行厂区渲染等。二、原料及产品在考察中科炼化产品发展规划，原料的来源、下游产品市场的需求量、生产工艺技术及国家的产业政策后，确定本项目为中科炼化乙烯一期工程，为其后续扩建作为技术储备。原料乙烯、醋酸和环氧乙烷的具体年消耗量及产品醋酸乙烯酯及碳酸乙烯酯的年产量见下表。1.原料方案序号项目物质单位数值来源备注1原料方案乙烯吨/年38699.10中科炼化一期项目乙烯生产装置醋酸乙烯酯合成工段原料2醋酸吨/年65049.52中科炼化一期项目的醋酸生产装置3氧气吨/年41535.73中科炼化一期项目的空分装置4环氧乙烷吨/年22850.79中科炼化一期项目的环氧乙烷生产装置碳酸乙烯酯合成工段原料2.产品方案产品方案醋酸乙烯酯碳酸乙烯酯执行标准GB/T QNSXHB3003-2017GB/T HG/T 5391-2018规格优等品合格品产量10万吨/年4.5万吨/年三、生产工艺本项目经过产品选择和工艺论证，最终采用乙烯气相Bayer法生产醋酸乙烯酯同时二氧化碳利用环氧乙烷法生产碳酸乙烯酯。设计了由醋酸乙烯酯合成工段、气体分离工段、醋酸乙烯酯精制工段和碳酸乙烯酯合成精制工段组成的工艺流程，并实现了全流程稳态模拟与优化。工艺流程如图1所示，详见初步设计说明书第二章 化工工艺与系统。图1 工艺流程图乙烯、氧气和醋酸以9:2:1比例混合后在反应器中生成醋酸乙烯酯，其中循环乙烯物料经过压缩机和醋酸蒸发器后进入氧气混合器，两物料充分混合后进入固定床醋酸乙烯酯反应器，反应后的乙烯、醋酸、醋酸乙烯酯混合液进入下一工段。来自上一工段的混合气体进行分离首先通过气体分离塔进行气液两相的初步分离，然后塔底的塔釜液体进入脱轻塔中，脱轻塔塔顶的气体返回气体分离塔，塔底的醋酸乙烯酯和醋酸的混合液体进入下一工段。在脱轻塔塔顶脱出的乙烯混合气体中还含有少量的醋酸和醋酸乙烯酯，因为在乙烯混合气体中如果含有含量超过0.1%醋酸就会腐蚀压缩机并造成巨大损失，因此将混合乙烯气体送入水洗塔进一步去除醋酸和醋酸乙烯酯。经过水洗塔的混合乙烯气体经合理计算分为两股物流，其中一股物流的乙烯返回第一车间进行循环利用，另外一股物流经过膜分离器将二氧化碳脱除一部分后返回第一车间进行循环利用。醋酸乙烯酯合成反应液中，除含有醋酸乙烯酯外，还含有醋酸、水，低沸点组分及高沸点组分，塔底采出液分为三股物流一股送至第二车间的水洗塔，一股送至气体分离塔作为喷淋液，另外一股作为醋酸循环液先进入热泵精馏塔后再将塔底采出液送至合成部分的乙酸蒸发器中；塔的顶部引出蒸气，主要组分为醋酸乙烯酯和水，混合液体进入双效精馏分离塔组后精制得到高纯度醋酸乙烯酯。从膜分离器分离出的二氧化碳气体进入碳酸乙烯酯合成精制车间，二氧化碳气体与新鲜的环氧乙烷混合后进入碳酸乙烯酯合成反应器，碳酸乙烯酯和环氧乙烷混合气体进入碳酸乙烯酯精馏塔，高纯度的碳酸乙烯酯从塔底产生，塔顶的环氧乙烷和部分二氧化碳进入蒸发器，将轻组分的二氧化碳蒸出，同时重组分的环氧乙烷返回碳酸乙烯酯合成反应器内。图2 总流程模拟四、节能在本项目中，涉及公用工程较多。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返回流程模拟，对比分析得出最优结果。详见初步设计说明书第三章 过程节能及能耗计算。图3 优化前换热网络图4 优化后换热网络表1 优化前后数据对比项目热公用工程/KW冷公用工程/KW总计/KW直接公用工程（优化前）3.5441045.2171048.761104换热网络设计（优化后）5.1671032.7561043.272104能耗减少量/%14.5847.1762.654.1热泵精馏在本项目工艺过程中醋酸精馏塔T0302，其塔顶温度为132，塔底温度为155，温差为23，所以可以采用热泵精馏技术，从而达到节能的效果。该精馏塔塔顶塔底温度跨越夹点。同时，从冷热物流组合曲线上我们可以看出，夹点的两侧有因为物质汽化潜热所造成的“热平台”，使得过程可以回收的热量很小。塔顶气相压缩式热泵精馏的流程结构图，如图5所示。图5 热泵精馏普通精馏与热泵精馏的能耗对比如表2所示，可以看出，与普通精馏相比，热泵精馏总能耗节约了80.94%，节能效果良好。表2 热泵精馏能耗对比表能耗项目普通精馏热泵精馏节能率冷却能耗/kw3391.19293.1391.36%加热能耗/kw3402.680100%压缩机功率/kw0304.51/总能耗/kw6793.87597.6491.20%4.2双效精馏在本项目中脱水塔T0303的塔顶温度为148，醋酸乙烯酯精馏塔塔底温度为122，温差为26，所以可以采用双效精馏技术。利用加压脱水塔冷凝器作为热源，向常压精馏塔再沸器供热，将加压脱水塔冷凝器和常压精馏塔再沸器耦合成冷凝再沸器，实现热集成，达到节能目的。醋酸乙烯酯的流程结构图如图6所示。图6 双效精馏双效精馏节能效果对比如表3所示，可知相比于双塔精馏，双效精馏节能约15.48%，节能效果良好，具有可行性。表3 双效精馏能耗对比表高压塔低压塔高压塔（双效）低压塔（双效）节能率冷却能耗/kw5225.541651.763312.821720.5826.81%加热能耗/kw6692.16303.106692.160.004.33%总能耗/kw11917.701954.8610004.981720.5815.48%五、创新本项目创新从醋酸乙烯酯反应器、中空纤维膜分离器、醋酸乙烯酯粗分塔、醋酸乙烯酯精制塔、醋酸混合蒸发器等多设备上创新，详见创新性说明书。5.1醋酸乙烯酯反应器优化创新针对醋酸乙烯酯合成反应器，我们对反应器体积和环形分布器进行了研究，运用COMSOL模拟反应器体积并与手动运算相结合得到更加准确的反应器体积，进行环形分布器的研究可以解决超大型列管式反应器换热死区的问题，同时也减小了传热温差，对于以上两部分研究做出以下详细说明。（1）COMSOL模拟反应器体积优化在反应器选型、催化剂选择、机理分析、动力学分析以及反应条件确定之后，利用COMSOL反应工程模块在选定的操作条件下对反应器乙烯转化率和各物料摩尔浓度分布随反应时间的变化关系进行模拟，具体结果如图7所示。图7 COMSOL反应器体积的模拟图（摩尔流率与体积关系图）经过计算，其结果与COMSOL模拟所得结果基本一致。因此，本次模拟结果合理。通过运用COMSOL的模拟可以更好的确定反应器的体积，对于稳定生产有一定操作意义，流程工艺更加优化。（2）Fluent模拟反应器环形分布器设计优化大直径列管式固定床反应器往往存在径向温差偏大的问题，工业上通常采用环形分布器来改善壳程流体的分布，从而减小反应器径向温差，而且减少高速流体对管程的冲击力。我们通过将靠近进口管的三个出口管删除，其中六个出管口形成两个曲面，将接管与曲面连接处改为圆角而不是以前的直角，减小流动阻力，减少扰动。由速度分布云图，图9可以看出，删除6个出口管后，速度分布可以加合理，且每个出口速度大小几乎相等。改进后的圆角设计，更加符合流体力学原理，使流体流动更加充分。通过以上模拟分析改进，最终选定18个出口的设计，该设计在理论上能实现让高温高压高速的换热介质在进入壳程之前，对流体进行合理分配，减小换热介质对管程的冲击，保证反应器的安全运行。图8 环形分布器优化前速度云图 图9 环形分布器优化后速度云图5.2中空纤维膜分离创新在本项目气体分离工段中的水洗塔塔顶流出物，含有大量的惰性气体（CO2等），采用常规精馏分离时惰性气体容易在精馏塔内累计，易造成事故的发生，故不应采用精馏操作。工业上一般采取变压吸附或膜分离的方式来去除惰性气体。其中上海石化、茂名石化等多家企业均采用膜分离技术从乙烯中分离惰性气体。本项目选择美国MTR公司的聚偏氟乙烯中空纤维膜分离器，反应器流出物经中空纤维膜分离器分离后，二氧化碳约除去81.95%，乙烯收率约为99.9%，满足工艺要求。5.3醋酸乙烯酯粗分塔进料位置优化创新运用MATLAB编程输入进料热状况参数q及回流比R等参数，模拟了塔的进料板和塔的实际理论板数得到了塔的理论板数为36，进料板位置为18，得到了最优的进料板位置，能够使得塔顶产品质量增加。图9 MATLAB对于进料板位置的模拟5.4醋酸乙烯酯精制创新水和醋酸乙烯酯存在一个共沸区，目前普通精馏塔分离无法达到设计要求，水和醋酸乙烯酯的二元相图，如图10所示。图10 水和醋酸乙烯酯的二元相图从图中得知水和醋酸乙烯酯在液相/气相摩尔分率比为75%左右时两者存在共沸区，为了需要打破其共沸的状态，本工艺选择采用双效精馏塔和相分离设备共同进行水和醋酸乙烯酯的分离。与现有工艺方法相比较，本工艺的采用进行相分离精馏技术，简单易操作，很好地解决了水和醋酸乙烯酯共沸的问题，简化工艺流程，从而降低了设备投资和操作费用。5.5醋酸混合蒸发器创新来自循环乙烯的物料经过压缩机增压后进入醋酸蒸发器，醋酸蒸发器不同于一般蒸发器，其特点在本体外设物料加热器，在加热器内醋酸不产生相变；在蒸发器的上部安装三块多孔板，板下填装拉西环。如图11所示。图11 醋酸蒸发器原理图新鲜和循环醋酸分别在塔板上及填料上喷淋，与从蒸发器底部送入的混合气逆流接触。在蒸发器内使醋酸在混合气中达到饱和，从而满足工艺条件所要求的混合气中醋酸含量达到20（摩尔分数）。蒸发器在约0.9MPa压力，顶温为122的条件下操作。六、安全环保本项目运用Risk System软件对厂区内的乙烯、醋酸、环氧乙烷、醋酸乙烯酯、碳酸乙烯酯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储罐区物质的分析，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软件对相关的储罐进行了蒸汽云事故、BLEVE事故、池火事