化工设计例文

本项目为年产10万吨顺丁烯二酸酐，本项目旨在对于大庆石化公司炼油厂中的催化裂化装置、加氢裂化装置、减粘裂化装置、焦化装置和热裂化装置产生的C4烃进行回收利用，采用烯烃法和正丁烷氧化法得到顺丁烯二酸酐产物。本项目注册资金为1亿元人民币，建设期定为三年。1）2011年西北大学化工学院化工设计竞赛参赛指导书;2）国家经济、建筑、环保等相关政策。1.3设计指导思想C4烃来源不同，需求不同，利用途径也各异。总的说来，工业C4烃利用不外乎燃料和化工利用两大方面。燃料利用包括直接燃烧和制成液体燃料(汽油)，化工利用则有多种途径。C4烃馏分中含有丁二烯、正丁烯（包括1－丁烯、顺－2－丁烯、反－2－丁烯）、异丁烯、正丁烷、异丁烷等。丁二烯是生产合成橡胶、合成树脂的重要单体，如与苯乙烯共聚生产丁苯橡胶、与丙烯腈共聚生产丁腈橡胶、自聚生产顺丁橡胶、与苯乙烯和丙烯腈三元共聚生产ABS树脂等；异丁烯是生丁基橡胶的主要原料，也可以生产异戊橡胶，还可以生产甲基叔丁基醚、甲基丙烯酸甲酯及叔丁醇、仲丁醇等；正丁烯近年来开始用于工程塑料（聚1－丁烯树脂），尤其是以1－丁烯作为线性低密度聚乙烯（LLDPE）的共聚单体，其需求量越来越大，正丁烯还可以作为生产顺丁烯二酸酐的原料；丁烷主要作为工业和民用燃料，正丁烷作为生产顺丁烯二酸酐的原料也很有前途。C4烃的化工利用如图1-l所示。丁苯橡胶丁二烯丁腈橡胶顺丁橡胶ABS塑料丁基橡胶甲基叔丁基醚异丁烯甲基丙烯酸甲酯有机玻璃C4馏分异戊二烯异戊橡胶叔丁醇聚1－丁烯合成塑料正丁烯顺丁烯二酸酐增塑剂仲丁醇甲乙基酮溶剂顺丁烯二酸酐正丁烷丁二烯乙烯、丙烯图1－1C4烯烃的化工利用途径C4烃中各组分间的沸点比较接近，同分异构体较多，性质接近，分离比较困难，见表1－2所示。在C4馏分的分离中，首先分出丁二烯，再分离出异丁烯，然后通过精馏分离得到高纯度的1－丁烯。表1－2主要C4烃的沸点及相对挥发度组成沸点，℃相对挥发度51.7℃，0.69Mpa组成沸点，℃相对挥发度51.7℃，0.69Mpa异丁烷-11.731.18正丁烷-0.50.886异丁烯-6.91.03顺-2-丁烯-0.880.8451-丁烯-6.261.015反-2-丁烯3.720.8051，3-丁二烯－4.41.00目前，我国C4烃的利用主要是制取丁二烯，其它烯烃利用率则不高。C4烃的主要衍生物产品是烷基化汽油、甲基叔丁基醚，烷基酚、仲丁醇、甲乙酮、环丁砜、顺酐等。1.4设计原则低碳﹑环保﹑高效﹑节能原则2.1概述碳四烃是重要的石油化工原料,是单烯烃(正丁烯和异丁烯)、二烯烃(丁二烯)、烷烃(正丁烷和异丁烷)的总称。碳四烃主要来源于催化裂化(催化碳四烃)和蒸汽裂解(乙烯裂解副产碳四烃),此外还有油田气回收、乙烯齐聚、异丁烷和丙烯共氧化制环氧丙烷等的副产物。2.1.1项目背景化工装置c4烃全部来源于乙烯裂解装置。裂解装置的产品分布及收率与装置的专利技术、裂解原料组成、裂解深度及裂解操作条件等因素有关。目前，大庆石化公司的乙烯产量为60万t/a，原料以油田轻烃、石脑油及加氢尾油为主。产品有乙烯、丙烯、c4烃和裂解汽油，副产品有混合c5、裂解燃料油、甲烷、氢气等。根据乙烯蒸汽裂解产品典型收率及产量可知，60万吨乙烯裂解装置将产生出16.8万吨C4烃，其中丁二烯含量约为50％，1-丁烯和异丁烯的含量也相当可观。预计将来乙烯产量将扩大到120万f/a，届时c4烃的产量将更大。充分的、合理的利用这部分C4资源，生产高附化工产品，对提高企业经济效益具有重要的意义。

2.1.2厂址选择厂址选择是化工装置建设的一个重要环节，也是一项政策性﹑技术性很强的工作。厂址选择对工厂的建设进度﹑投资数量﹑经济效益﹑环境保护及社会效益等方面都有重大影响。由于只有厂址选择确定之后，才能估算其建投资额和投产后的生产成本，才能对经济效益﹑环境影响﹑社会效益进行分析评估，判断项目的可行性，因此厂址选择工作是可行性研究的一部分。需要考虑原料、能源、水源、运输和环境等方面的条件。a)原料和市场厂址应靠近各种原料产地和销售市场。b)能源化工厂需要大量的动力和蒸汽，应靠近燃料的供应点。c)气候温度适宜，湿度适中。d)运输条件虑靠近尽量考铁路枢纽以及利用河流、运河、湖泊或海洋进行运输的可能性，公路运输可用作铁路和水路的补充。e)供水化工厂使用大量的水，用于产生蒸汽、冷却、洗涤，有时还用做原料。因此，厂址必须靠近水量充足和水质良好的水源。f)对环境的影响应得到当地环保部门的认可，以便于妥善处理废物。g)协作条件选择在贮运、机修、公用工程（电力、蒸汽）和生活设施等方面具有良好协作条件的地区。h)灾害及其他避免低于洪水水位或在采取措施后仍不能确保不受水淹的地段，以及地震、泥石流、滑坡、有开采价值的矿藏、文物保护等地区。我们将选择黑龙江省大庆市萨尔图区。萨尔图区交通发达。区内有大庆火车站、长途客运总站、公共汽车总站。301国道横贯区内，公园桥、铁人桥、东干线立交桥，双向8车道的世纪大道及数十条城乡公路构成了四通八达的交通网络。并且拥有丰富的C4原料。萨尔图区位于大庆市北部，地理位置东经124°52′——125°12′，北纬46°32′——46°52′。全境南北长、东西宽，总面积548平方公里。现有人口45万，流动人口15万。地势东部稍高于西部，海拔高度在145～155米之间。地貌表象为波状起伏的低平原。西南部及西北部有零星沙丘。处于北温带亚欧大陆性季风气候区内。由于距海较远，受蒙古内陆冷空气和日本海暖流季风的影响，气候表现为半湿润、半干旱的温带气候型，四季变化显著。4.水文地质概况大庆市土壤是在特定的地貌、成土母质、气候、水文、植被等成土因素的综合作用下形成的。据《大庆市志》记载，草原土壤占市区总土地面积的18.64%，是主要的耕地土壤；水成土壤主要有草甸土和沼泽土，其中草甸土占市区总土地面积52.3%。全市地处北温带大陆性季风气候区，受蒙古内陆冷空气和海洋暖流季风的影响，总的特点是：冬季寒冷有雪；春秋季风多。全年无霜期较短。雨热同季，有利于农作物和牧草生长。大庆陆相沉积湖盆（秦代）大庆及其周围是个5万平方千米的大湖盆，湖中繁殖无数介形虫、藻、鱼类等生物，历经一亿多年的沉降，盆地内堆积了6千多米厚的沉积层，这种沉积称为陆相沉积。新中国十年大庆前夕于松嫩平原"松基三井"喷出了工业油流，从此宣告了世界上最大的陆相沉积油田-大庆油田的诞生。气象条件大庆光照充足，降水偏少，冬长严寒，夏秋凉爽。全市年平均气温4.2℃，最冷月平均气温－18.5℃，极端最低气温－39.2℃；最热月平均气温23.3℃，极端最高气温39.8℃，年均无霜期143d；年均风速3.8m／s，年>16级风日数为30d；年降水427.5mm，年蒸发1635mm，年干燥度为1.2，大陆度为78.9；年日照时数为2726h，年太阳总辐射量491.4kJ／cm2。由于大陆性和季风共同影响，大庆市年气候变化多端，春夏秋冬四季，寒来暑往，周而复始的循环。冬季受大陆冷高压控制影响，盛行偏北风，寒冷少雪，热量严重匮乏；夏季受副热带海洋气团影响，盛行偏南风，夏季前期干热，后期降水集中且变率大，时有旱涝；春秋两季为过渡季节，春季冷暖多变，干旱多风，风借旱情，旱助风威，水资源严重匮乏；秋季多寒潮，降温急剧，春温高于秋温，春雨少于秋雨。大庆市气候受大陆的影响远甚于海洋，陆地因素在气候形成中起决定作用，全市大陆度K在76.2～81.0之间(远大于50)，为典型的大陆性气候。由于气候的大陆性和季风交替共同影响，在春季的增温和秋季的降温过程中，温度升降频繁且剧烈；同时，由于晴天日数多，昼夜温度变差大。年日照时数在2600至2900小时，生长期（五至九月）日照时数为1300至1350小时。年降水量在400至550毫米之间，生长期降水量一般在350至480毫米之间，占年降水量的85%以上。总的特点是：冬季寒冷有雪；春秋季风多。全年无霜期较短。雨热同季，气候表现为半湿润、半干旱的温带气候型，四季变化显著。选择原因大庆是一座以石油、石化和高科技产业著称的新兴城市，是祖国北方一颗璀璨的明珠，被誉为“绿色油化之都，天然百湖之城，北国温泉之乡”。紧邻黑龙江省西部最重要的经济、文化、教育、医疗、科研中心齐齐哈尔市，经过近年来的快速发展，大庆市已成为黑龙江的重要的城市之一。2009年9月大庆萨尔图机场建设完成并已经开通至北京、上海、广州、青岛、杭州、海拉尔、西安、成都等全国各大中城市的定期直航或者经停航线，并正在调研开放新的航权时刻，萨尔图机场正逐步成为黑龙江省最繁忙的支线航空港。铁路大庆西站正在紧张施工当中，建设中的哈齐城际铁路贯穿大庆市全境。这条铁路大动脉和铁路大庆西站全面建设完成后，大庆市将成为黑龙江省西部重要的交通枢纽。大庆石化有限公司就处于大庆市萨尔图区，该公司乙烯装置附产的MTBE剩余c4量为30—40万t/a，其主要用于裂解炉燃料和民用液化气。炼厂和乙烯裂解C4中的丁二烯、异丁烯和1-丁烯均为重要的有机化工原料，如果当作民用燃料使用是对化工资源的极大浪费。为了充分的利用这些烯烃资源，提高企业的经济效益，我们选择在此建造年产10万吨顺丁烯二酸酐生产厂。并且大庆市在高新技术产业开发区的黄金地段辟建了面积为22万平方米的工业园区，规划出电子产业区、机械加工产业区、化工产业区、商业服务区和行政办公区。工业园区享受国家级开发区的所有优惠政策。附大庆萨尔图区地理图2.2C4原材料、辅料及燃料2.2.1来自炼油厂的炼厂气其中以催化裂化所得液态烃中的C4烃为主，约占液态烃的60%。这部分C4烃组成的特点是丁烷、尤其是异丁烷含量高，不含丁二烯（或者含量甚微），2-丁烯的含量高于1-丁烯。C4烃的组成和产率随原料来源、装置生产方案、操作条件、催化剂等的变化而不同。通常催化裂化C4烃的收率为装置进料量的6～8%，具体数据如表2-l所示。表2－1催化裂化C4烃的典型组成组成含量，%（质）组成含量，%（质）C4烃0.3正丁烷111-丁烯13.0乙丁烷35.6顺-2-丁烯10.0乙丁烯<0.4反-2-丁烯14.0碳五烃0.2异丁烯15.52.2.2烃类裂解制乙烯联产C4烃其特点是烯烃(丁二烯、异丁烯，正丁烯)，尤其是丁二烯含量高、烷烃的含量很低，1-丁烯的含量大于2-丁烯。如以石脑油为裂解原料时，C4烃的产量约为乙烯产量的40%左右。不同裂解原料C4烃的产率和组成如表2-2所示。表2-2不同裂解原料（乙烷不循环）C4馏分产率（质%）产品产率原料乙烷丙烷正丁烷石脑油（中度裂解）轻柴油重柴油乙烯77.53230272319丙烯2.82017.5161514馏分1.94.512.311.58.67.9丁二烯0.81.93.553.93.6正丁烯0.81.11.82.93.12.8异丁烯0.81.423.21.51.4丁烷0.80.150.40.10.12.2.3油田气中的碳四烃组成基本为饱和烃，其中C4烷烃约占l～7％。2.2.4其它来源如乙烯齐聚制a-烯烃时可得到1-丁烯，产量约占a-烯烃产量的6～20％。大庆石化公司炼油厂原油实际加工量已超过了600万t/a，原料主要为大庆原油及掺炼部分俄罗斯原油。炼厂中的重油催化裂化、延迟焦化、蜡油催化裂化等装置都能产生液态烃，其中两套重油催化裂化装置所产液态烃占炼油装置联产C4烃的绝大部分。就目前而言，大庆石化公司每年会产生25万吨左右的C4烃，大庆炼化公司每年约有28万吨的MTBE剩余C4。在液态烃中，c3以下的组分占一半以上，同时含有一定量的异丁烷、异丁烯和正丁烯(1-丁烯和2-丁烯)，而丁二烯的含量甚少。目前，工业上顺酐的生产工艺路线按原料可分为苯氧化法、正丁烷法氧化法、Ｃ４烯烃法和苯酐副产法４种，其中苯氧化法应用最为广泛，但由于苯资源有限，Ｃ４烯烃和正丁烷为原料生产顺酐的技术应运而生，尤其是富产天然气和油田伴生气的国家，拥有大量的正丁烷资源，因此近年来正丁烷氧化法生产顺酐的技术发展迅速，已经在顺酐生产中占主导地位，其生产能力约占世界顺酐总生产能力的８０％。产品性质顺酐(顺丁烯二酸酐)

学名:失水苹果酸、马来酐

英文名:MalaticAcid

分子式:C4H2O3

结构式:

分子量:98.02

性状:顺酐（又称马来酸酐）为无色针状或片状结晶，有刺激性气味与酸味，易燃，升华，易溶于水生成顺丁烯二酸酐，相对密度为1.480，熔点52.85℃，沸点202℃。顺酐可溶于乙醇、乙醚和丙酮，在苯、甲苯和氯仿中有一定溶解度，难溶于石油醚和四氯化碳。顺酐与热水作用会水解成顺丁烯二酸。

用途:顺丁烯二酸酐（简称顺酐）是重要的化工原料之一，主要用途是制造聚合物衍生物和共聚物。主要用于制造不饱和聚酯树脂、醇酸树脂漆、农药马拉硫磷、造纸用施胶剂、润滑油添加剂等，经深加工可生产1、4一丁二醇，r-丁内脂、四氢呋喃、酒石酸、富马酸等系列精细化学品。2001年我国顺酐的表观消费量为14.8万吨，2002年增加到17.9万吨，2003年表观消费量约为21.1万吨。其消费结构为：不饱和聚酯树脂对顺酐的需求量约占总需求量的71.1％，涂料约占6.2％，酒石酸约占3.8％，润滑油添加剂约占0.9％，农用化学品约占1.4％，琥珀酸及酐约占2.4％，BDO、TFH等加氢产品约占2.8％，其他方面约占11.4％。3.1.2产品生产工艺比较（1）苯氧化法苯蒸气和空气（或氧气）在以V2O5－MnO3等为活性组分，α－Al2O3为载体的催化剂上发生气相氧化反应生成顺酐。苯氧化法是生产顺酐的传统生产方法，工艺技术成熟可靠，主要技术有美国SD法、Alusuisle／UCB法和日本触媒化学法等，其中以SD法应用最为普及，Alusuisle／UCB法原料苯的消耗量最低，是较为先进的生产方法。(2)烯烃法该法是以混合Ｃ４馏分中的有效成分正丁烯、丁二烯等为原料，和空气（或氧气），在V2O5－P2O5系催化剂作用下经气相氧化反应生成顺酐，其中正丁烯在反应过程中先脱氢生成丁二烯，再氧化生成顺酐。在反应过程中，除生成主产物外，还副产生成一氧化碳、二氧化碳和水以及少量的乙醛、乙酸、丙烯醛和呋喃等。德国BASF公司和拜尔公司开发了以混合Ｃ４馏分为原料的固定床氧化工艺。日本三菱化成公司开发了以含丁二烯的Ｃ４馏分为原料的流化床氧化制顺酐工艺。由于脱氢属于吸热反应，而且副产物较多，因此，混合Ｃ４烯烃氧化制顺酐发展前途不太乐观。(3)苯酐副产法在由邻二甲苯生产苯酐时，可以副产得到一定数量的顺酐产品，其产量约为苯酐产量的５％。在苯酐生产中，反应尾气经洗涤塔除去有机物后排放到大气中，洗涤液为顺酐和少量的苯甲酸、苯二甲酸等杂质，经浓缩精制和加热脱水后得到顺酐产品。(4)正丁烷氧化法正丁烷氧化工艺是以正丁烷为原料，在V2O5－P2O5系催化剂作用下发生气相氧化反应生成顺酐。该工艺自1974年由美国孟山都等公司实现工业化以来，由于原料价廉、对环境污染小以及欧美等国家正丁烷资源丰富等原因而得到迅速的发展。目前国外以正丁烷为原料生产顺酐的比较典型和先进的工艺技术路线有美国Lummus公司和意大利Alusuisle公司联合开发的正丁烷流化床溶剂吸收工艺，即ALMA工艺；英国BP公司开发的正丁烷流化床水吸收工艺，即BP工艺；美国SD公司开发的正丁烷固定床水吸收工艺，即SD工艺等。3.1.3工艺方案比较2005年我国顺丁烯二酸酐(以下简称顺酐)产量达到270kt,其中采用正丁烷为原料生产的顺酐仅占5%,其余原料均采用苯。而北美洲顺酐的生产早已全部转为经济性和环保性能更好的正丁烷原料,自2004年起,国际市场苯价大幅上涨,苯法生产顺酐的成本远高于正丁烷法。随着全球环保压力越来越大，正丁烷法在满足环保要求以及发展前景方面比苯法更具有生命力。正因为如此，目前全球顺酐生产能力约８０％采用正丁烷路线，而且还有不断增加的趋势。3.1.4本项目选择工艺方案本项目采用正丁烷氧化法生产顺丁烯二酸酐，并且溶剂吸收精制工艺优于水吸收精制工艺,其中,Conser工艺和Huntsman工艺的顺酐收率高,产品质量好,运行费用低。当顺酐作为合成1,4-丁二醇的原料时,采用Huntsman工艺可以省去精制塔,减少运行费用,具有综合优势。3.2本项目工艺说明正丁烷氧化法的生产原理3.2.1主、副反应主反应：主要副反应是原料丁烷和产物顺酐的深度氧化生成一氧化碳和二氧化碳：3.2.2催化剂正丁烷氧化生产顺酐的催化剂是V－P－O系催化剂，主要活性组分是在V2O5－P2O5，助催化剂组分有：Fe、Co、Ni、W、Cd、Zn、Bi、Cu、Zr、Cr、Mn、Mo、B、Si、Sn、U、Ba及稀土元素等的氧化物。加入助催化剂的作用主要是增加催化剂的活性、选择性或调节催化剂表面酸碱度。我国也在研制自己的催化剂，在正丁烷氧化法固定床生产顺酐催化剂的研制方面，北京化工研究院和天津大学也开展了一些工作，并取得了一定的进展。3.2.3操作条件1．反应温度反应温度对正丁烷氧化生产顺酐的转化率和选择性影响如图3－1所示。由图可见，温度升高，则转化率随之增大，但选择性却下降，这是因为温度升高，对生成一氧化碳和二氧化碳的副反应更加有利，所以选择操作温度时，应权衡转化率和选择性两方面来考虑，一般选择在400℃左右。图3－1反应温度对正丁烷氧化生产顺酐的影响图3－2空速对正丁烷氧化生产顺酐的影响1－正丁烷的转化率；2－反应选择性1－正丁烷的转化率；2－顺酐收率2．空速空速对正丁烷氧化生产顺酐的影响如图3－2所示。由图可见，空速太低时，即反应接触时间较长，转化率很高，但顺酐收率很低，这是因为副反应较多。随着空速的增加，即反应接触时间缩短，转化率下降，收率提高，但收率提高一定程度反而会下降，即有一最高值。这是因为随着空速的提高，副反应减少，所以顺酐收率提高，但空速太高，即接触时间太短，主反应都没有进行，所以顺酐收率也会下降。所以空速选择既不能太低，但也不能太高。同时还要考虑催化剂生产能力，设备投资和原料消耗等多种因素。3．原料气中正丁烷的浓度采用固定床工艺时，正丁烷浓度在1.2%～2.2%（体积）范围内，随着原料气中正丁烷浓度的增加，正丁烷的转化率和顺酐的收率都有所下降，但选择性变化不大。当正丁烷浓度为2.6%时，生成的一氧化碳和二氧化碳量在较大增加，即选择性有较大降低。但随正丁烷浓度的增加，催化剂的生产能力增加，所以采用固定床工艺时，生产中多选择正丁烷浓度为1.5%～1.7%。采用流化床反应器时正丁烷的浓度可以比固定床反应器时高。3.2.1本项目工艺特点正丁烷氧化法的主、副反应都是强放热反应，所以在反应过程中必须及时移出反应热，如果操作条件控制不好，反应最终都将生成一氧化碳和二氧化碳。3.2.2工艺流程简述目前正丁烷氧化生产顺酐的生产技术有两大类，一是采用固定床工艺，另一种是采用流化床工艺。在固定床工艺中，由于正丁烷氧化选择性和反应速率均