world20130-项目摘要

综合用炼化尾气及醇解废液 年产10万吨醋酸乙烯酯项目 项目摘要 目录1. 项目简介12. 原料产品确定23. 工艺设计44. 节能设计54.1 换热网络设计54.2 双效精馏64.3 双溶剂协同萃取精馏技术74.4 隔板精馏技术85. 设备设计95.1 渗透汽化膜反应器95.2 高效波纹管再沸器95.3 高效气液分离器的使用105.4 新型泵的选用125.5 新型塔板的运用136. 清洁生产167. 厂区选址与布置177.1 选址确定177.2 总厂布置187.3 三维布置198. 安全环境分析209. 经济效益分析2110. 项目总结231/11. 项目简介本项目是以上海石化有限公司资源化回收利用炼制尾气及综合利用聚乙烯醇（PVA）醇解废液及为基础的配套子项目，拟以上海石化提供的炼化尾气、聚乙烯醇（PVA）醇解废液和合成气为生产原料，对醋酸甲酯进行资源化利用。本项目年利用炼化尾气2.4亿Nm3、聚乙烯醇（PVA）醇解废液30万吨，年产10万吨醋酸乙烯酯（VAM），副产甲醇与醋酸的量分别为13.8万吨以及11.6万吨，建于上海市金山区金山工业园内。本团队在工艺设计中，兼顾经济效益和清洁生产，思路明确，亮点突出，其主要体现在如下几个方面：对来自总厂的炼化尾气、聚乙烯醇（PVA）醇解废液进行资源化利用工艺流程中实现醋酸甲酯、乙二醇、水三大循环，提高原子利用率；采用双效精馏塔、隔壁塔、夹点分析和热集成技术等多项节能技术对工艺流程进行优化，提高效率、降低能耗；利用双溶剂协同萃取精馏对双二元共沸体系实现高效分离，减少污染，并对后续三废详细处理；采用HIDiC塔提高产品分离程度，采用渗透汽化膜反应器、反应精馏提高反应能力，新型塔板减少产品聚合，新型泵降低能耗，新型换热管类型改善传热效率。2. 原料产品确定本项目设计的是资源化利用2.4亿/年Nm3炼化尾气以及30万吨/年的聚乙烯醇（PVA）醇解废液绿色生产醋酸乙烯酯（VAM）项目，其原料为来自上海的炼化尾气、聚乙烯醇（PVA）醇解废液以及上海石化公司供的合成气。本项目生产过程绿色环保，原子经济性高，同时也创造了巨大的经济 表2-1 上海石化炼化尾气组成表 Volume%成分含量氢气63.7二氧化碳6.9C1杂质12.0C2杂质7.0C3杂质7.2其他3.2 表2-2 上海石化聚乙烯醇（PVA）醇解废液组成表 Mass%成分含量醋酸甲酯30.7甲醇66.6水2.3其它0.4 表2-3 上海石化合成气组成表 Volume%成分含量氢气24.0氮气7.5一氧化碳61.0二氧化碳1.3其他6.2本工艺为了最大化实现经济效益，同时兼顾绿色环保的原则，在主产醋酸乙烯酯（VAM）之外，同时副产甲醇、醋酸以及乙醛。经本项目调查，三类副产均可在当地出售，大大减少了销售运输成本，也提高了销售效率。表2-4 产品规模序号产品规格（%）产量备注1醋酸乙烯酯99.96100546t主产品2醋酸99115696t副产品3甲醇99.98138464t副产品4乙醛906689t副产品5氢气99.913419t副产品6富烃气体-105473t副产品3. 工艺设计本项目是中石化上海石化股份有限公司炼化尾气以及聚乙烯醇（PVA）装置副产物醋酸甲酯、甲醇再利用项目。该项目采用醋酸乙烯酯（VAM）新型生产工艺，先将醋酸甲酯氢甲酰化合成二乙酸亚乙酯（EDA），再将二乙酸亚乙酯（EDA）裂解得到目标产品：醋酸乙烯酯(VAM)。本项目创新地利用难以处理的炼化尾气以及母厂PVA装置的低价值副产物醋酸甲酯，采用先进的醋酸甲酯生产VAM工艺，年产10万吨醋酸乙烯酯（VAM），不仅能将低价值副产物高效利用制取高价值产品，还能缓解母厂处理副产品的压力，降低原料成本，且目标产品VAM质量完全达到母厂原料需求，达到了副产品原料化的目的。工艺流程如图3-1所示，详见初步设计说明书第四章化工工艺与系统。图3-1 工艺流程框图4. 节能设计4.1 换热网络设计在本项目中，设计公用工程量较多。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返回流程模拟和PID图纸，对比分析得出最后的方案，详见Aspen流程模拟源文件和PID图纸。全厂换热网络匹配方案如图4-1所示。图4-1 全厂换热网络匹配方案经过热集成对换热网络进行优化后，共需要冷用工程81.75MW，热公用工程81.25MW，与优化前相比，节能40.03MW。4.2 双效精馏图4-2 普通精馏与双效精馏对比流程图 表4-1 普通精馏与双效精馏节能减排情况项目普通精馏工艺双效精馏工艺低压塔高压塔塔压/bar117塔顶出料量/（kg/h）24992.478531.5216462.32所需塔板数NT/块201929塔顶温度/64.1764.12123.34塔底温度/104.8577.67166.30冷凝器负荷/kW42142.0714003.270再沸器负荷/kW42424.86019947.52总能耗/kW84366.9333950.794.3 双溶剂协同萃取精馏技术 图4-3 单溶剂萃取精馏与双溶剂协同萃取精馏对比流程图 表4-2 单溶剂萃取精馏与双溶剂协同萃取精馏对比项目萃取精馏塔-水萃取精馏塔-乙二醇双溶剂协同萃取塔压/bar111塔顶醋酸甲酯出料量/（kg/h）10461.997001.09411731.97塔顶醋酸甲酯质量分率%88.1576.6598.05所需塔板数NT/块353535塔顶温度/55.0352.9954.10塔底温度/81.97100.41108.43冷凝器负荷/kW22224.2015910.695797.84再沸器负荷/kW25300.6620339.938994.28总能耗/kW47524.8636250.6214792.124.4 隔板精馏技术本项目精馏塔分离体系的组成复杂多样，为醋酸甲酯、二醋酸亚乙酯、醋酸酐、醋酸、碘甲烷以及其余微量杂质，可以达到清晰分割。经过模拟分析，若想达成分离目的，最佳的方案是首先醋酸甲酯，碘甲烷为轻组分脱离出去，再讲醋酸作为轻组分脱离开来。考虑到本项目体系中分离醋酸甲酯与醋酸的时，单程能量消耗率过大但是通过分析待分离混合物的特性可知，由于物料组分过多，且中间组分的沸点相差不大，无法用经典的完全热耦合精馏塔来完成分离任务。因为在上部公共精馏区，若要得到高纯度的产品，醋酸甲酯在塔顶的纯度为99.98%，这样情况下醋酸仍然会和酸酐形成共聚物，无法从主塔侧线采出获得高纯醋酸。所以本项目采用隔壁在塔顶的隔壁塔形式，这样的分壁塔形式保留了塔顶的公共精馏区与提馏区，避免醋酸和酸酐的接触，使得通过精馏能得到高纯度的醋酸，有效分离多组分物质实现节能与物质分离。表4-3 隔板精馏技术节能减排情况传统精馏塔能耗精馏隔壁塔能耗冷凝器（两台）33711.9 kw冷凝器（一台）17974 kw再沸器（两台）37651.1 kw再沸器（一台）22000 kw总计71363 kw总计39974 kw5. 设备设计本项目设计过程中主要对隔壁塔、滴流床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。详见设备设计及选型说明和精馏隔壁塔。5.1 渗透汽化膜反应器本项目中甲醇与醋酸反应生成醋酸甲酯为酯化反应，相比较传统的釜式反应 器，渗透汽化膜反应器不仅实现了反应的连续化，它还具有以下优势：（1）渗透汽化可以打破汽液平衡的限制,能够很容易将普通蒸馏方法不能处理的汽液恒沸物分离开来。（2）渗透汽化结合到酯化反应的生产工艺中,可以提高酯化反应的平衡转化率及酯的产率。（3）渗透汽化膜反应器是一种将膜组件以一定形式耦合到反应过程中, 并通过渗透汽化打破反应平衡以获得更高收率和反应速率的新型、高效反应器.它集反应和分离于一体, 不仅节约了能耗 , 还提高了反应收率和缩短了反应时间。5.2 高效波纹管再沸器换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用 相当广泛的单元设备之一。据统计 ,在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30% ,在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40 %左右 ,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。上个世纪70年代初发生的世界性能源危机 ,有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗 ,提高工业生产的经济效益 ,要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。在过程工业中，管壳式换热器使用最多，技术比较成熟，但普遍存在着传热效率低下的问题。换热器的强化传热往往只针对单一方向，改变壳程或者管程的传热系数，而复合强化传热方法则是将两者结合，相对复杂。本项目精馏再沸器，所涉及的换热器均为气-液相换热器。而气-液相换热器的总传热系数较低，导致换热面积较大，设备费用增加，占地面积增加。且流体易在管内结垢，严重影响换热的同时造成换热器寿命的降低以及能耗的消耗增加。针对上述问题，本项目在废气提纯工段换热器中使用了能同时提高换热面积和换热效率的传热元件 高效波纹管再沸器，其结构如下：图 5-1高效波纹管再沸器结构示意图图 5-2高效波纹管结构示意图本换热器包括：壳体及其两端的封盖，壳体内通过管板设有换热管，在封盖上设有介质进口和介质出口，在壳体上设有物料进口和物料出口，其中，换热管或是并排设置的多根直管，或是多根并排设置的U型管，其特征在于各换热管的管壁为波纹结构，且各换热管管壁的外表面设有多孔金属层。本实用新型将换热管的管壁结构改为波纹结构，且其外表面涂有多孔金属材料，壳体采用折流杆支撑管束。故本实用新型的波纹换热管与传统的换热管相比较，具有传热系数高、流阻低，抗介质腐蚀能力强等特点。5.3 高效气液分离器的使用在实际应用中，会存在由于气体量大而形成大量液体被夹带从上口出去，为了达到更好的气液分离效果，本项目在气液分离器的选用上参考了丹阳同泰化工机械有限公司的专利CN201810096928.2一种高效气液分离器来解决气液分离不够彻底，无法适应长时间的气液分离工作的问题。传统的气液分离器在物料进入分离器的闪发箱后，物料在闪发箱内运动，这种运动往往伴随着不均匀性，物料难以均匀的分布于闪发箱内，因此导致物料分离效果不佳，分离不干净，不彻底。而在本发明中，所述闪发箱的上端设置有气相出口，所述闪发箱的下端设置有液相出口，所述闪发箱的侧壁上设置有进料口，所述进料口构设为使得物料切线进入闪发箱内，所述闪 发箱内设置有导流分布器，以便使得物料更均匀的分布于所述闪发箱。该发明通过使得物料切线进入圆筒闪发箱，闪发箱内设置有导流分布器，使液体更好 地均匀公布与闪发箱接触。同时通过加热管加热，使物料进一步加热，使挥发气相更加挥发 干净，达到分离效果，与传统的分离器相比，分离效果提升20%以上。具体结构图如下图所示：图5-3 高效气液分离器结构图5.4 新型泵的选用为了贯彻绿色节能的理念，本项目所用泵通过市场调查决定采用SPG新型节能管道屏蔽泵，该系列泵由上海奥丰泵阀制造有限公司生产，从而替代了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。但该系列泵保证完全不泄漏，故可输送对人体和环境、设备有害的及价格昂贵的易泄漏的易燃、易爆液体；不会吸入空气，适用于真空系统及输送与空气接触发生变质的液体；无轴封设计，由静止密封代替了旋转密封，解决了普通泵在传动轴部位的严重泄漏问题；离心泵轴承利用输送液体自行润滑，不需润滑油，故不污染输送液体，并免去了定期注油的麻烦；电机与泵同轴，泵的叶轮直接安装在电动机轴上，装入泵内构成一个绝对不泄漏的密封整体(即屏蔽电泵)；管道屏蔽泵叶轮采用水推力平衡式设计，使转子在运行中可以处于悬浮设计，降低了石墨轴承的轴向磨损，从而提高了使用寿命，降低了运行成本；电机无冷却风扇，却除滚动轴承，故运行噪音和振动都非常小；泵进出口法兰的规格设计与标准阀门相同，且位于同一中心线上，中心低，便于管道布置，使泵房设计也更为合理，实用；零部件的标准化、系列化程度高；新采用的浸渍树脂石墨轴承，具有耐磨性能高、摩擦系数低、不老化、抗泥沙等优点；泵结构合理，体积小、重量轻、占地面积小、运行平稳、安装方便，无须调整，维修方便。图 5-4 SPG新型管道屏蔽泵外形尺寸5.5 新型塔板的运用本项目选用河北工业大学自主专利塔板CTST，立体传质塔板CTST为独特的立体结构，其核心部件为梯形喷射罩，如下图5-8和5-9所示，侧面为带筛孔的喷射板，两端为梯形的端板，上部为分离板。喷射板与塔板间有一定的底隙，为液体进入罩体的通道。塔板上为矩形开孔。分离板的作用一是提供气液接触空间，二是使气液两相有效分离，减少雾沫夹带。 图5-5 CTST塔板结构 图5-6 CTST塔板操作工况立体传质塔板独特的空间结构和喷射型的操作过程将气液传质区域扩展到塔板空间范围，因此充分利用了塔板空间，使之具有如下优越特性：（1）处理能力大，比F1浮阀塔板处理能力提高50%150%；（2）效率高，比F1浮阀高10%以上；（3）板压降低，低于F1浮阀30%以上，可用于减压场合；（4）操作弹性大，其值可达5.47.2；（5）抗堵塞能力强，可处理含固体颗粒易自聚物料；（6）具有消泡性能，适于处理易发泡物料；（7）塔板液流梯度影响小，适于大塔径、高液相负荷场合使用传统浮阀塔板不能很好的解决塔板堵塞等问题，同时浮阀塔板较大，通过查阅各种资料了解到，New-vst Plus塔板（立式连续传质塔板）板孔较大且无活动部件,一般不易被较脏的或黏性物料堵塞。另外,气液是在喷射状态下离开帽罩的,气速较高,对罩孔本身有较强的自冲洗能力,物流中含有的颗粒、聚合物、污垢等杂质难以在罩孔聚集并堵塞罩孔。故New-vst Plus塔板比较适合解决上述存在的内件堵塞的问题，同时该塔板已成功应用于甲基丙烯酸甲酯行业的甲基丙烯醛脱水塔技术中。图5-7 New-vst Plus塔板传质过程示意图操作原理：在塔板至罩顶的立体空间中,液相被进入板孔的气相经过拉膜提升破碎撞击折返喷射互喷分离6个步骤完成传质。具体传质过程为:液体进入罩内被气体向上拉膜提升；气体将液体破碎成液滴；气体和液滴上升碰撞分离板并折返,与上升的气液激烈碰撞；气体和液滴从罩体的侧面喷射板向斜上方喷出；在罩间,喷出罩体的气体和液滴对喷、相互碰撞；喷出罩体的气体和液滴,在密度差的作用下液滴回落至板面经溢流堰流向下层塔板,气体上升至上层塔板。New-vst Plus塔板具有如下主要特点： （1）处理能力大:对于喷射型塔板,由于上升的气液被分离板阻挡,形成的是水平喷射,气液能够有效分离,所以大幅度减小了雾沫夹带,提高了操作上限,增大了气相通过能力。此外,由于气体携带液体并流入帽罩,而不是像浮阀等塔板气体穿过板上液层,因而使塔板上流动的液体基本上为不含气体的清液,故降液管液泛的可能性大大降低,即液相通过能力大。（2）传质效率高：由于New-vst Plus塔板空间利用率高达50%以上,气液在罩内和罩间接触非常充分:一方面气体把液体分散成小液滴,大幅度提高了气液两相接触面积,另一方面激烈的喷射工况使液滴的表面不断更新,以维持高的传质传热推动力。因此,New-vst Plus塔板具有很高的传质效率。工业应用证明,New-vst Plus塔板的全塔效率比F1浮阀提高10%以上。（3）抗堵塞能力强：由于塔板板孔较大且无活动部件,一般不易被较脏或黏性物料堵塞。另外,气液是在喷射状态下离开帽罩的,气速较高,对罩孔本身有较强的自冲洗能力。物流中含有的颗粒、聚合物、污垢等杂质难以在罩孔聚集并堵塞罩孔,故可延长检修周期。（4）压力降低：气体通过New-vst Plus塔板时并不穿过板上液层,而只需克服被气体提升的那部分液体的重力,所以形成的压降要小。New-vst Plus塔板压降在低负荷时与F1型浮阀相当,高负荷时比F1浮阀低20% 30%,且负荷愈大,压降愈低。（5）操作弹性好：New-vst Plus塔板操作下限与浮阀、筛板塔一样,为漏液控制,但是由于New-vst Plus塔板分离板的作用,使雾沫夹带量很少,大大低于浮阀,虽然F1浮阀有适应负荷变化的活动阀片,但New-vst Plus操作弹性仍稍高于F1浮阀。（6）具有消泡作用：由于New-vst Plus是喷射型操作塔板,气体介质直接进入帽罩内,而不需穿过板上液层,因为无发泡机制,所以塔板上液体为清液;另外,高速喷射的液滴回落到塔板时又具有破沫作用,所以New-vst Plus塔板能够处理常规塔板难以处理的易发泡物系。6. 清洁生产本项目为炼制尾气综合利用、聚乙烯醇（PVA）醇解废液资源化生产醋酸乙烯酯（VAM）以及副产醋酸、甲醇以及乙醛的清洁生产工艺，主要体现为：（1）对聚乙烯醇（PVA）醇解废液以及炼化尾气进行纯化分离，将国内资源化利用程度低的醇解废液以及炼制尾气利用，将其作为醋酸甲酯法合成的原料，起到节能减排、清洁生产、废弃物资源化利用和提高经济效益的作用。（2）工艺流程中实现醋酸甲酯、乙二醇、水三大循环，提高原子利用率；（3）使用高效反应、分离技术，将含醋酸甲酯的废液进一步回收利用，减少了有机物废水的排放，同时扩大了经济效益。（4）本项目醋酸甲酯氢甲酰化反应器以及二乙酸亚乙酯（EDA）裂解反应器中使用威尔金森催化剂与三氯化铝改性的大孔苯乙烯阳离子交换树脂，基本保证低污染乃至无污染，实现项目环境友好型、生产经济型；下表为在环保方面与原厂处理的对比分析表6-1 环境可行性原厂处理排放废气本厂排放废气减少废气排放7492 Nm3/h5141.3 Nm3/h35.3%原厂处理排放废液本厂排放废液减少废液排放86423t/a28797t/a66.67%7. 厂区选址与布置7.1 选址确定图7-1 厂区选址上海石化位于海金山工业园区东南部，公司目前占地11.7万平方米。项目建设地位于上海金山工业园南侧预留空地上，项目用地处现为空地，占地175亩，符合本项目用地需求，具体位置如图10所示。项目建设地公共设施完善，企业集群使内部产业链优势明显；火炬气废气由总厂直接经管线输送至本项目，方便快捷；三废处理、公用工程均有配套产业供应。项目所在地得到政府的政策扶助优惠和资金技术支持，产业的可持续发展。7.2 总厂布置总图布置根据人车分离理念，分设车流通道和人员通道，减少交通阻力。采用了平行布置，将生产区生活区布置在厂区径向干道两侧，使二者互不影响。并且根据紧凑集中理念，合理布置厂区内建筑及车间位置，达到高效稳定安全的生产布置。厂区长304.1m，宽384m，总产地面积116774.4m2，主要包括管理区、辅助生产区、生产工艺区和储运区等区域。我们使用AutoCAD进行厂区的平面设计，厂区平面布置图如图7-2所示。图7-2 总厂布置7.3 三维布置本项目利用Auto CAD进行了设备布置图的绘制，确定设备的摆放位置，方便生产，同时对厂区三维进行设计，如图7-3所示。详见车间平立面、车间三维布置和厂区三维布置源文件。图7-3 厂区三维效果图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或事故模型预测、沸腾液体扩展蒸汽爆炸预测、蒸汽云爆炸模型预测并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；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。9. 经济效益分析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，借助Aspen Economic Analyzer进行辅助计算，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150660.5万元，年利润83375.9万元，投资回收期5.83年。分析结果表明，本项目在经济上是可行的，相较于现有的醋酸乙烯酯（VAM）生产技术具有较高的经济效益。详见经济分析。表9-1 综合经济技术指标序号项目名称单位数值一醋酸乙烯酯生产规模t/a100546二产品方案1醋酸乙烯酯t/a1007192甲醇t/a1384743醋酸t/a1158874乙醛t/a66755氢气t/a134196富烃气体t/a105473三年操作时间h8000四主要原材料、辅助原料用量1醇解废液t/a3000002裂解尾气t/a3000003合成气t/a1457004工艺软水t/a118005碘甲烷t/a156326乙二醇t/a429.837威尔金森催化剂t/a141.538三氯化铝改性的大孔苯乙烯阳离子交换树脂t