教程1.设计摘要-10版

1、目录一、项目简介1二、正丁醇市场分析1三、工艺设计23.13.23.3原料产品确定2工艺确定3工艺流程说明33.3.13.3.23.3.33.3.4原料预分离及丙烷脱氢工段4丙烯氢甲酰化工段5加氢工段6产品精制工段7四、清洁生产7五、车间布置及厂区设计8六、节能设计11热集成11热泵精馏12七、 安全设计13八、 动态模拟13九、 技术经济指标14九、 总结15一、项目简介本项目设计兼顾经济效益性、绿色环保性和清洁生产理念。在考虑经济效益的同时，积极使用节能环保生产技术，如热泵精馏，夹点分析，三废处理并兼顾经济性和环保性。利用 Aspen 等完成了工艺方案选择、工艺路线设计、工艺过程模拟与优化

2、、换热网络优化、换热器设计；采用 SW6-2011及 CUP-Tower对塔设备进行了结构设计、基本参数优化和机械强度校核；利用 SW6-2011和 EDR对全部的换热器进行了工艺设计、选型、基本参数设计和机械强度校核；使用 CAD 绘制了工艺物料流程图（PFD）、管道及仪表流程图（）、关键设备装配图、车间设备布置图；同时采用 CAD Worx 工程在对配管进行设计的基础上，利用 3DMAX 设计了三维车间、三维工厂，利用 Fluent器结构进行改进和优化；采用绘声绘影对动画进行后期处理。对反应本项目所有设计均遵循 HSE 理念，HSE 是健康（Health）、安全（Safety）和环境（En

3、vironment）管理体系的简称。其沟通。项目安全环保理念贯穿全厂。价值观是责任、关爱、共享和二、正丁醇市场分析正丁醇是一种重要的有机化工原料，用途非常广泛，主要用于邻苯二甲酸正丁酯、脂肪二元酸和磷酸丁酯、丙烯酸丁酯及醋酸丁酯等，我国丁醇主要用于生产醋酸丁酯、丙烯酸丁酯、邻苯二甲酸二丁酯及等，用量较大的是醋酸丁酯、丙烯酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯（DBP），分别占我国丁醇消费总量的33%、45%和 13%。这些正丁醇的酯类化合物可用于生产乳胶建筑用涂料。另外，正丁醇还可以用做织物制造以及硬质聚氯乙稀抗冲击改性剂，大约有十分之一的丁醇直接作为溶剂供应市场,其他少量用于生产增塑剂、氨基树脂和丁胺等。

4、近年来，丁醇下游市场市场需求量不断增大，但由于工艺技术受限，一直不能满足下游实际生产的需求，对于附加值高、技术含量高的丁醇下游衍生物产品的开发与国外较大差距，丁醇衍生的性能特殊、附加值高的增塑剂类大多需要进口，在技术与市场方面目前还受制于国外。导致丁醇市场产需的主要原因是催化剂的技术生产要求。本工艺设计主要针对丁醇市场需求、炼厂气副产品液化石油气的资源化利用，提高液化石油气的利用率和丁醇产量，满足下游市场对丁醇的需求量。三、工艺设计3.1 原料产品确定本项目的主要原料是来自于茂名实华的重油催化裂化气分装置采用的公司石油化工科学（以下简称石科院）开发的 MIP（名实华izing Iso-Para

5、ffins）工艺技术的改造产生的丙烷。项目为茂年产 30 万吨丁醇项目，厂址选于省茂名市电白区茂名工业园区北片区，现公司两套气分装置处理能力达 54 万吨/年，居业第二位。项目还需要的原料气和氢气来自于茂名工业区园区企业，氢气主要来源于丙烷脱氢工段的副产氢气，少量来源于为于茂名工工业区内的茂名，国内最大的煤制氢装置，采用水煤浆气化和低温甲醇洗工艺技术生产 98%v 的氢气。表 3-1 产品方案序号产品规格（%）产量（吨/年）备注1正丁醇99.928.6主产品3.2 工艺确定丙烷脱氢丙烯的路线有丙烷催化脱氢、丙烷氧化脱氢、膜反应器上的丙烷脱氢新技术和CO2氧化丙烷制丙烯。其中丙烷催化脱氢制丙烯技

6、术已经实现工业化，丙烷氧化脱氢等技术尚在积极的研究当中。丙烷催化脱氢制丙烯已工业化的工艺技术主要是 UOP 公司的 Oleflex 工艺、Lummus-Houdry 公司的 Catofin工艺和 Kruppg 公司的 STAR 工艺。丙烯制丁醇主要有高压法:(Ruhr)技术、巴斯夫(BASF)技术、三菱(MCC)技术、壳牌(S)技术。中压法: 壳牌(S)技术、-化学(Ruhrchemic)技术、三菱(MCC)铑法技术。低压法: 雷普法(Reppe)技术(Eastman)技术(Davy UCC Johnson Mat they )技术、三菱化成(MCC)技术，目前运用较广泛的主要是they )技

7、术。(Davy UCC Johnson Mat综合工艺原料资源可行性，丁醇生产工艺技术的成熟性以及产品市场分析，对本项目工艺路线进行工艺技术、投额、抗风险能力分析、工艺优缺点和建设规模的比较，可知 UOP 公司的 Oleflex 工艺技术对于丙烷脱氢过程具有工艺成熟，丙烷转化率高，催化剂长且环保，可连续再生，连续式反应器，结构简捷，工艺流程短、装置能耗优点等优点，公司的 UCC/DAVY 工艺在制取丁醇过程具有工艺成熟，催化剂活性高，选择性好；消耗低；操作温度、压力低；正异构比高；流程短，设备少；不需要特殊材质；操作平稳，维修方便；液相循环新技术先进等优点，且项目所需原料来源充足，原料价格低，

8、抗风险能力强，故确定本项目的工艺方案采用 UOP 公司的 Oleflex 工艺和英国公司和英国马瑟公司联合开发的第二代低压铑法羰基工艺液相循环工艺相结合的工艺技术，项目共分为原料预分离及丙烷脱氢工段、丙烯氢甲酰化反应工段、加氢工段及产品精制工段四个工段。本项目技术实现了原料综合利用，丙烷脱氢工段的副产氢气经变压吸附纯度达到 99%，可作为加氢工段的原料、经济效益最优化，且生产过程中有害物质较少，实现了从原料到产品的清洁、安全生产，并采用热泵精馏，实现节能。3.3 工艺流程说明本工艺以精丙烷为原料，从丙烷经过催化脱氢后生成丙烯和氢气，丙烯再与2异丁醇971.4副产品气发生氢甲酰化反应生成混合，混

9、合加氢生成产品正异丁醇。主要流程包括原料预分离及丙烷脱氢工段、丙烯氢甲酰化反应工段、加氢工段和产品精制工段四个工段。图 3-1 工艺物料集成图3.3.1 原料预分离及丙烷脱氢工段原料液化石油气（温度：45压力：1.58MPa）进入脱碳四塔，除去液化石油气中碳四及以上组分，丙烷及少量轻烃进入四台连续的脱氢反应器，高温脱氢后反应器出料丙烷丙烯及少量轻烃进入脱乙烷塔出去少量轻烃，丙烷丙烯混合物进入丙烷丙烯分离塔，分离出的丙烯进入丙烯羰基化反应工段、大量未反应的丙烷返回反应器。该工段的工艺流程图如下图所示：图 3-2 原料预分离及丙烷脱氢工段流程图（1）图3-3 原料预分离及丙烷脱氢工段流程图（2）3

10、.3.2 丙烯氢甲酰化工段来自丙烷脱氢工段的丙烯和羰基气、催化剂混合后经预热后进入两台串联的羰基反应器，反应器为带搅拌的鼓泡式反应器，第一反应器的气、液相出料进入第二反应器，第二反应器的气相出料经液分离器后液相循环回反应器，气相作为驰放气放空，第二反应器液相出料经过蒸发器后分离出高浓度的催化剂作为循环使用，分离出的粗中由于溶解有丙烷丙烯，经过冷凝后进入汽提塔，利用进料气汽提出大部分的丙烷丙烯，粗与驰放气混合后进入丁醛稳定塔，将溶解在粗中的气体分离，塔底得到度的混合进入加氢工段。丙烯氢甲酰化工段的工艺流程图如下图所示：图3-4丙烯氢甲酰化工段流程图（1）图3-5丙烯氢甲酰化工段流程图（2）3.3

11、.3加氢工段来自羰基工段的进入蒸发器，生成的气相与氢气混合后进入加氢反应器，加氢反应的转化率及选择性均较高，反应器出料经过冷凝后进行气液分离器，分离出的氢气作循环使用。加氢工段的工艺流程图如下：图 3-6加氢工段流程图3.3.4 产品精制工段混合丁醇液体进入丁醇异构物塔，分离后得到产品正丁醇和异丁醇。产品精制工段流程图如下：图 3-7 产品精制工段流程图四、清洁生产本项目为茂名实华丙烷资源化利用丁醇分厂，选择丙烷含量为 97%的液化石油气为原料，脱氢工段副产的氢气经变压吸附过程后可作为加氢工段的原料，项目中未参与反应的烷烃等可燃性气体经预处理后进入，作为为项目提供动力，实现能源的合理利用，对经

12、济和环保的可持续发展有重要意义。所有的废水、废气、废物均采取了可行的处理方法进行处理，处理后的废水、废气可以达到规定的排放指标；废固经过回收预处理返回经销商，工艺反应条件温和，设备安全规范，保证生产安全；因此本项目符合清洁生产的要求并且在原料利用上在经济和环保两方面达到了双赢。五、车间布置及厂区设计考虑了原料、市场、交通、政策、环境承受能力等各方面，厂址选择在省茂名市电白区茂名工业区北片区。在总图布置合理利用每寸土地，切实保护耕地的基本国策基础上，因地制宜，节约用地，提高土地利用率。坚持做到：符合国情，布置合理，生产安全，技术先进，保护环境，节省投资，运营费低。根据人车分离理念，分设车流通道和

13、通道，减少交通阻力。本设计团队采用 CAD Worx 和 Auto CAD 进行了厂区布置、车间布置和管道布置，如下图所示：图 5-1 厂区布置总图图 5-2三维管道布置图图 5-3加氢车间平面布置图图 5-4车间三维布置图图 5-5 茂名工业区地理位置六、节能设计6.1 热集成在本项目中，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 Energyyzer，根据夹点设计法，结合本厂设备布置的实际情况，进行流股匹配，以经济节能为目标进行优化，通过选定最佳最小传热温差 6后进行换热网络的自行设计，再进一步手动优化，结合人工校核，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

14、热网络返回流程模拟和图纸，对比分析得出最优。详见 Aspen 流程模拟源文件和最终配结果如下所示：图纸。图 6-1 换热网络的优化方案经过热集成对换热网络进行优化后，所需的冷热公用工程耗量如下表所示：表 6-1 热集成前后冷热公用系统对比表6.2 热泵精馏为达到节能降耗的目的在丙烷丙烯分离时采用“热泵精馏分离技术”，根据选择的塔设备和分离任务的特点，选择热泵精馏，经计算节能效果明显，节能如下表所示：表6-2 节能效果表热公用工程能耗/KW冷公用工程能耗/KW无热泵精馏含热泵精馏节能177916.667164333.33383555.55675111.11153.037%54.293%项目热公用

15、系统/kW冷公用系统/kW匹配前匹配后节能99777.77891361.11183555.55675111.11116.258%17.787%七、 安全设计安全是工业生产最重要的考虑，本项目“安全第一，预防为主，综合治理”的指导，设计了从上至下的五个安全保护层次。的 HSE 管理体系，把健康、安全、环境整合在一首先，整个工厂建立起形成一个管理体系综合管理。从项目的 HSE 管理方针、管理机构、人力资源、物质保障和遵循出发，进行整系的设计。其次，项目生产采用先进的本质安全理念，从流程设计、操作条件、运输、设备选型等方面来减少事故发生的可能性和危害性。再次，本项目生产中涉及到了国家工艺中的加氢工艺

16、，运用、ESD等控制对加氢反应器和氢气压缩机进行重点，并对整个工艺流程运用自动化进行工艺控制。然后，本项目在全厂布置上严格遵循石油化工企业设计防火规范和建筑设计防火规范，使设计做到规范标准；在平时生产操作时，通过多次的安全培训，提高员工安全意识，规范安全操作，降低人为事故发生的概率。最后，本项目制定全面的事故应急预案，运用 Risk System进行模拟，为应急措施的制定提供依据。对泄漏事故八、 动态模拟Aspen plus 进行的是工艺的稳态模拟，是工厂连续操作后，工艺条件处于稳定时，物流参数在某一范围内处于稳定值，因此 Aspen plus 模拟得到的是理想情况下的各种物流信息。但是在实际

17、生产中，不可避免会遇到由于设备的故障或者其他的工艺条件改变（开、停车过程）造成流程处于非稳态操作条件下，从而影响的产品的产量和和纯度。基于 fluent对加氢反应器进行优化创新：通过 Fluent 模拟列管式反应器进料口出两种物料的体积分数，从两种物料接触情况间接反映出反应情况，发现优化前在进料口的封头出形成明显的物料真空区域（图 8-1.蓝色部分），对反应的进行不利，影响反应质量，从液体分布器得到启发，在进料口下方放置一块类似筛子的档板进行优化，通过模拟，效果明显，如图 8-2.所示。图 8-1 优化前的动画截图图 8-2 优化后的动画截图九、 技术经济指标本项目设计过程中通过 Aspen

18、Pros Economicyzer 进行初步估算。从总投资估算、产品成本估算、收入分析、经济指标分析几个方面对本项目的经济性进行了分析，从投资利润率、投资利税率、静态投资收益率、投资回收期等指标可以看出本项目具有良好的经济效益，经济可行。详细内容参照可行性研究第章。表 9-1 主要技术经济指标九、 总结本次设计竞赛要求为某一大型综合化工企业设计一座以丙烷为原料且与企业的产品体系有效融合的丙烷资源化利用分厂。通过资料查询，确定本项目的产品结构为正丁醇和异丁醇，建设规模为 30 万吨/年，经过对产品的综合分析，我们采用 UOP（油品）公司的 Oleflex 工艺和英国公司和英国马瑟公司联合开发的第二代低压铑法羰基工艺液相循环工艺相结合的工艺技术，建厂地址在省茂名市电白区茂名工业区北片区工业用地内，以含 97%丙烷的液化石油气为原料，原料直接来源于总厂，原料丰富方便。丙烷制丁醇工艺是一条新兴的工艺路线，其可以在一定程度上资源化利用炼序号指标名称数值1234567891011121314设计规模万吨/年30占地面积平方米66420建筑面积平方米21135.5年操作时间小时/年7200工程项目总投资亿元5.52固定资产投资亿元3.6直接材料费亿元/年9.2总定员人224年成本费用亿元