年产万吨高品质庚烯的工艺流程优化设计

年产万吨高品质庚烯的工艺流程优化设计第1页/共38页年产2.7万吨高品质庚烯的工艺流程优化设计

第2页/共38页1项目概述2项目设计任务及设计方案的选择3生产工艺设计与优化4过程模拟与可行性分析第3页/共38页1项目概述随着经济全球化的发展，石油产品的市场需求量迅速提高，相关石油化学品物价上涨。庚烯是重要的石油产品，其应用范围很广泛。本论文以丙稀与丁烯为原料，采用Dimersol法共聚制备庚烯，并采用ProⅡ作为辅助手段对工艺流程进行了优化，获得纯度高于99.9％的庚烯产品。通过对项目建设投资、原料与燃料动力费等的经济衡算，其投资回收期为两年，资金在很短的时间内可以回收，低于行业的基准投资回收期的要求，所以该项目具有很大的可行性第4页/共38页庚烯的特点及应用庚烯作为重要的石油产品，在工业快速发展的今天，其应用范围非常广泛，主要有：（1）生产高级醇原料。以α-烯烃羰基合成法和有机铝合成法生产庚醇，主要用于生产增塑剂。（2）生产庚酸。用α-烯烃羰基氧化法合成庚酸，主要用于塑料和精细化工方面。（3）作为汽油添加剂。庚烯可以作为汽油的添加剂以提高辛烷值。（4）生产聚乙烯添加剂。在聚乙烯生产过程中加入3％1-丁烯、1-己烯或1-庚烯单体，可以极大地改善聚乙烯地性能。第5页/共38页庚烯生产工艺简介庚烯的合成方法有：石蜡热裂解法、正构烷烃脱氢法和低分子烯烃共聚法。丙稀丁烯共聚法以丙稀丁烯为原料，在催化剂和较温和条件下共聚反应生产高级α-烯烃。丙稀丁烯共聚法工艺的特点是：反应条件温和、生产高效、产品品质高，符合高要求、能耗少等。石蜡热裂解法石蜡热裂解法主要是在高温催化条件下进行，链引发靠C-C键断裂，链延续靠生成自由基与原料相互作用。存在反应主要有裂解、叠合、缩合、异构、环化等，生成低分子烯、双烯、芳烃焦油等。原料为C20-C40石蜡平均分子量270-500，熔点28-70℃。第6页/共38页正构烷烃脱氢法氢正构烷烃脱氢法其特点是：贵金属催化氢氛脱氢选择性可以达到90％、产物以高纯度直链内烯烃为主、产品纯度高，选择性好、单程转化率低，能耗高、不能生产高纯度符合单体共聚要求的高级α-烯烃。第7页/共38页2.项目设计任务及设计方案的选择原料考虑原料的价格问题，本工艺采用的丙稀与丁烯原料分别为纯度较低的催化裂解产物，其组成分别为（摩尔百分比）：原料丙稀成分：丙烯95.23％，丙烷4.77％原料丁烯成分：已丁烷18.38％，正丁烷21.83％，异丁烯5.67％，正丁烯55.73％，正己烯0.09％产品要求不同纯度的庚烯价格差异很大，纯度越高则价格越高，本项目设定的分离目标为获得纯度为99.9％的庚烯产品，庚烯产量达到年产27000吨/年的生产规模，并在达到生产要求的同时，提高副产品的纯度和产量。第8页/共38页原料和产品的市场调研2007年12月国内工业丙烯（丙烯95.23％、丙烷4.77％）价格8500-10000元/吨，工业丁烯（已丁烷18.38％、正丁烷21.83％、异丁烯5.67％、正丁烯55.73％、正己烯0.09％）价格5500-7000元/吨；高纯庚烯价格为12000-13500元/吨，高纯己烯价格为10000-11500元/吨。由于近期石油价格变动较大（达每桶92美元，并有继续上涨的趋势），所以本设计的原料与产品的价格也有很大波动，不考虑价格方面的影响，我们采用如下价格：丙烯价格为9000元/吨，丁烯价格为6000元/吨，高纯庚烯（纯度大于99.5％）价格为13000元/吨，高纯己烯（纯度大于99.5％）价格为11000元/吨，高纯辛烯（纯度大于99.5％）价格约为9000元/吨，高纯癸烯（纯度大于99.5％）价格约为7000元/吨，液化石油气（含C4较多）价格约为5500元/吨。第9页/共38页设计方案选择通过对上述各合成方法的分析，综合成本和技术因素，发现采用低分子烯烃共聚法中的Dimersol法来合成庚烯的可行性高，为此对其进行过程设计、分析模拟和优化都具有重大的实际意义。本设计项目中原料和产品体系复杂，含有的化学成分较多，后期分离工作是重中之重。第10页/共38页反应原理本反应属于烯烃之间的加成反应，尽管目前仍没有明确的动力学方程，但反应过程已基本确定，具体的反应方程有：主反应:C3H6+C4H8C7H14（2-1）副反应：C3H6+C3H6C6H12（2-2）

C4H8+C4H8C8H16（2-3）

C3H6+2C4H8C11H22（2-4）由于体系中存在的副反应较多，为了得到较多量的主要产物，应将转化率和选择性综合起来考虑：第11页/共38页反应条件的选择

反应催化剂的选择催化剂的选择是设计的一个难点，通常采用的是气－固相催化反应，但本试验的反应物均以气态进料，对催化剂的形态和选择性都有一定的要求。本设计大胆尝试了新型催化剂有机金属在为了减少副产物的生成，本反应体系中选择分子筛催化剂进行反应。反应催化剂的选择催化剂的选择是设计的一个难点，通常采用的是气－固相催化反应，但本试验的反应物均以气态进料，对催化剂的形态和选择性都有一定的要求。本设计大胆尝试了新型催化剂有机金属在为了减少副产物的生成，本反应体系中选择分子筛催化剂进行反应。第12页/共38页反应气的组成配比尽管主反应的方程式中丙烯和丁烯的摩尔比为1：1，但作为反应物的丙烯和丁烯，它们大多数来源于石油的精练，纯度不高，含有的杂质多，且反应中有多种副反应的发生，丁烯的需求量将比丙烯大。此外，从市场来源和价格方面分析，为了保证一种原料丙烯在理论上都可以转化完全，从而选择了丙烯和丁烯进料的摩尔流率比约为2：3。这样即可以提高产品的收率，又减轻后期分离工作的负担。反应工艺的选择由于年产量大，反应过程需要逐步进行，若采用间歇法会导致流程中热量传送及过程控制的问题。选择连续式工艺，在保持各股物流的流量一定时，不但使试验中操作易于自动控制，且可充分使用设备资源，增加年产率和经济效益。第13页/共38页

流程分析与设计低级烯烃二聚和共二聚制备高级烯烃反应的条件取决予所用的催化剂，在通常采用的温度和压力范围内，反应没有热力学的限制；但是共二聚反应的速度较低，因此丙烯与丁烯共二聚时，适宜采用分批向反应器内加料的方式，以防止三聚反应的发生。反应过程放热，因此要提供高效的换热设备来移除反应热。原料以液态形式进料，催化剂用己烯包裹后和反应物流一起进入反应器中。所设计的反应器必须要耐压，为了使反应充分，与催化剂的接触时间长，可以采用多股进料，在反应器上设计5个进料口，让原料平分5等份进入反应器，这样可以提高丙烯的转化率。通过文献的查询，以及建立在对以前同学项目设计的理解上，我们根据提出的BFD图得到1-庚烯合成的CFD流程图3.生产工艺设计与优化第14页/共38页图1庚烯合成的CFD流程图

第15页/共38页设计采用的原料和反应后产物的摩尔比与摩尔流量如下：组成丙烯原料摩尔组成丙烯摩尔流量Kmol/hr丁烯原料摩尔组成丁烯摩尔流量Kmol/hr反应后产物摩尔流量Kmol/hr丙烷(C3H8)4.77％4.014.01丙烯(C3H6)95.23％80.002.00异丁烷(C4H10)18.38％39.5839.58正丁烷(C4H10)20.13％43.3443.34异丁烯(C4H8)5.67％12.2112.21正丁烯(C4H8)55.73％120.0053.24己烯(C6H12)0.09％0.2018.60正庚烯(C7H14)35.20正辛烯(C8H16)9.78癸烯(C11H22)6.00表1反应系统主要物流的流量与组成表

第16页/共38页4.过程模拟与可行性分析图2ProⅡ模拟1-庚烯合成流程图第17页/共38页反应器与换热器的模拟反应器的模拟是运用“ConversionReactor”，根据表3中各个反应的选择性进行设定的，采用常温25℃进料，保持反应器45℃、8.5bar的状态，同时采用分离塔塔顶物流为热源，可以对进料进行预热，温度可以达到65~75℃，这里取换热器出口温度为70℃。图3ProⅡ模拟反应器部分流程图第18页/共38页

分离塔的模拟与优化分离塔T1目的：将C4及更轻组分与重组分分离。关键组分：己烯与正丁烷优化分离要求：塔顶正丁烷的回收率大于99.8％，塔底己烯的回收率大于99.4%分离塔T2目的：将己烯与其他重组分分离。关键组分：己烯与庚烯优化分离要求：己烯纯度为99.6％，塔釜已烯的百分含量小于0.0001％采用ProⅡ8.0化工设计软件，通过简化法找到T1的理论塔板数及回流比，

第19页/共38页分离塔T3目的：将庚烯与催化剂及重组分分离。关键组分：庚烯与辛烯优化分离要求：庚烯产品纯度达到99.9%，塔底辛烯的回收率大于99.4％采用ProⅡ8.0化工设计软件，通过简化法找到T1的理论塔板数及回流比分离塔T4目的：将重组分中的辛烯与癸烯分离。关键组分：辛烯与癸烯优化分离要求：辛烯产品纯度达到99.2%，塔底辛烯的纯度达到99.6％采用ProⅡ8.0化工设计软件，通过简化法找到T1的理论塔板数及回流比，第20页/共38页简化法求初值总塔板数进料板R/RminM/Mmin回流比2661.2502.4550.4342461.3752.3160.4772361.5002.1980.5212251.6252.0960.5462151.7502.0080.607总塔板数进料板R/RminM/Mmin回流比42171.2501.9355.65938161.3751.7386.22535151.5001.6336.79134141.6251.5627.35732131.7501.5057.923总塔板数进料板R/RminM/Mmin回流比51181.2501.9983.01546171.3751.8043.31743151.5001.6743.61841151.6251.6043.92040141.7501.5474.221总塔板数进料板R/RminM/Mmin回流比3191.2502.1931.1972881.3752.0111.3172681.5001.8701.4372571.6251.7571.5562471.7501.6831.676分离塔T1分离塔T2分离塔T3分离塔T4第21页/共38页进料板、回流比、热负荷的优化进料板数塔顶回流比再沸器热负荷MKcal/hr冷凝器热负荷MKcal/hr100.27501.4295-0.8951110.27501.4296-0.8951120.26141.4200-0.8856130.26321.4213-0.8868140.28291.4351-0.9007150.35851.4882-0.9537160.58461.6469-1.1125171.15732.0492-1.5146182.60253.0636-2.5292196.73815.9672-5.4328表2分离塔T1进料板位置优化第22页/共38页进料板数塔顶回流比再沸器热负荷MKcal/hr冷凝器热负荷MKcal/hr108.32190.9690-1.0960117.47230.8691-0.9961127.03290.8174-0.9444136.82590.7931-0.9201146.77520.7871-0.9141156.84310.7951-0.9221167.01450.8153-0.9423177.28530.8471-0.9741187.66100.8913-1.0183198.16200.9502-1.0772表3分离塔T2进料板位置优化第23页/共38页进料板数塔顶回流比再沸器热负荷MKcal/hr冷凝器热负荷MKcal/hr152.50000.8532-0.8613162.50000.8531-0.8613172.50000.8530-0.8612182.50000.8531-0.8612192.50000.8531-0.8612202.50000.8531-0.8612212.50000.8532-0.8612222.50000.8531-0.8611232.50000.8531-0.8611242.50000.8531-0.8611表4分离塔T3进料板位置优化第24页/共38页进料板数塔顶回流比再沸器热负荷MKcal/hr冷凝器热负荷MKcal/hr121.45310.2343-0.1654131.24610.2203-0.1515141.10990.2111-0.1423151.02020.2051-0.1362160.96990.2017-0.1328170.96540.2014-0.1325181.04480.2067-0.1379191.28610.2230-0.1542201.81050.2583-0.1895212.87350.3300-0.2612表5分离塔T4进料板位置优化第25页/共38页过程模拟与优化表6分离塔T1的主要物流参数PropertyValueValueStreamNameS3S4StreamDescriptionPhaseLiquidLiquidTemperature47.635165.802Pressure/bar6.0006.200Flowrate/kg-mol/hr154.45069.483CompositionFluidRates/kg-mol/hrFluidRates/kg-mol/hrPROPANE0.0264.01000.0000.0000PROPENE0.0132.00000.0000.0000IBUTANE0.25639.56970.0000.0003BUTANE0.28143.33300.0000.0069IBTE0.07912.19970.0000.00031BUTENE0.34553.23840.0000.00161HEXENE0.0010.09890.26618.49411HEPTENE0.0000.00010.50735.19991OCTENE0.0000.00000.1419.78001UNDECEN0.0000.00000.0866.0000第26页/共38页表7分离塔T2的主要物流参数PropertyValueValueStreamNameS5S6StreamDescriptionPhaseLiquidLiquidTemperature/C103.548148.599Pressure/bar3.0003.200Flowrate/kg-mol/hr18.55850.925Compositionmolar-fractionFluidRates/kg-mol/hrmolar-fractionFluidRates/kg-mol/hrPROPANE0.0000.00000.0000.0000PROPENE0.0000.00000.0000.0000IBUTANE0.0000.00030.0000.0000BUTANE0.0000.00690.0000.0000IBTE0.0000.00030.0000.00001BUTENE0.0000.00160.0000.00001HEXENE0.99618.47870.0000.01531HEPTENE0.0040.07000.69035.12991OCTENE0.0000.00000.1929.78001UNDECEN0.0000.00000.1186.0000第27页/共38页表8分离塔T3的主要物流参数PropertyValueValueStreamNameS7S8StreamDescriptionPhaseLiquidLiquidTemperature/C127.219178.203Pressure/bar2.5002.700Flowrate/kg-mol/hr35.10015.825Compositionmolar-fractionFluidRates/kg-mol/hrmolar-fractionFluidRates/kg-mol/hrPROPANE0.0000.00000.0000.0000PROPENE0.0000.00000.0000.0000IBUTANE0.0000.00000.0000.0000BUTANE0.0000.00000.0000.0000IBTE0.0000.00000.0000.00001BUTENE0.0000.00000.0000.00001HEXENE0.0000.01530.0000.00001HEPTENE0.99935.04930.0050.08041OCTENE0.0010.03520.6169.74481UNDECEN0.0000.00000.3796.0000第28页/共38页表9分离塔T4的主要物流参数PropertyValueValueStreamNameS9S10StreamDescriptionPhaseLiquidLiquidTemperature/C188.564270.854Pressure/bar5.0005.200Flowrate/kg-mol/hr9.8006.025Compositionmolar-fractionFluidRates/kg-mol/hrmolar-fractionFluidRates/kg-mol/hrPROPANE0.0000.00000.0000.0000PROPENE0.0000.00000.0000.0000IBUTANE0.0000.00000.0000.0000BUTANE0.0000.00000.0000.0000IBTE0.0000.00000.0000.00001BUTENE0.0000.00000.0000.00001HEXENE0.0000.00000.0000.00001HEPTENE0.0080.08020.0000.00001OCTENE0.9929.72000.0040.02491UNDECEN0.0000.00010.9965.9999第29页/共38页计算本项目的各产品产量：按照工作时间为8000hr/a计算则本项目的产量为：原材料的消耗：工业丙烯27881.3吨/年工业丁烯96668.7吨/年产品的产量：液化石油气70076.683吨/年己烯12501.114吨/年庚烯27574.049吨/年辛烯8789.051吨/年癸烯7428.294吨/年第30页/共38页经济评估将建设投资（不含建设期利息）的估算分为工程费用、工程建设其他费用和预备费三个部分，分别估算。工程费用又分为建筑工程费、设备及工器具购置费和安装工程费三部分。建设投资估算表（单位：万元人民币）1.1建筑工程费6001.2设备费2815（1）购置2565（2）安装费2501.3基本预备费4601.4涨价预备费1501.5其他建设费用10002建设期利息400合计建设投资5426表10建设投资估算表（单位：万元人民币）第31页/共38页价格泵价格换热器价格罐价格反应器R-101600进料泵P-10115E-101(A/B/C/D/E)75V10110P-102(A/B/C/D/E)75V-10210E-10230分离塔T1340P-103(A/B)30T1冷凝器30T1再沸器30分离塔T2347P-104(A/B)30T2冷凝器15T2再沸器15分离塔T2426P-104(A/B)30T3冷凝器15T3再沸器15分离塔T2367P-104(A/B)30T4冷凝器15T4再沸器15表11主要设备估算表（单位：万元人民币）第32页/共38页表13原料与燃料动力费用估算表（单位：万元人民币）序号项目建设期生产经营期1234561原材料费用1.1丙烯购置费27881.327881.327881.327881.327881.3单价（含税）0.90.90.90.90.9数量/吨27881.327881.327881.327881.327881.31.2丁烯购置费58001.2267668.167668.167668.167668.1单价（含税）0.60.60.60.60.6数量/吨96668.796668.796668.796668.796668.71.3催化剂费用28002800280028002800单价2828282828数量/吨1001001001001002燃料与动力费用30003000300030003000原料与燃料动力合计101849.4101849.4101849.4101849.4101849.4工资与福利费用合计500500500500500500总费用合计50089394.4789394.4789394.4789394.4789394.47第33页/共38页表14销售收入与利润分配估算表（单位：万元人民币）

项目合计建设期生产经营期123456生产负荷80%100%100%100%100%产品销售收入485984.94480999.692101249.615101249.615101249.615101249.615庚烯(吨)172062.0528677.0135846.2635846.2635846.2635846.26销售量(吨/年)132355.43522059.23927574.04927574.04927574.04927574.049单价（含税）1.31.31.31.31.31.3液化气(吨)184989.24430833.74038538.87638538.87638538.87638538.876销售量(吨/年)336368.07856061.34670076.68370076.68370076.68370076.683单价（含税）0.550.550.550.550.550.55己烯(吨)66005.8811000.9813751.22513615.6713615.6713615.67销售量(吨/年)60005.3510000.8912501.11412501.11412501.11412501.114单价（含税）1.11.11.11.11.11.1辛烯(吨)37968.7016328.1177910.1467910.1467910.1467910.146销售量(吨/年)4218.7447031.2418789.0518789.0518789.0518789.051单价（含税）0.90.90.90.90.90.9癸烯(吨)24959.0694159.8455199.8065199.8065199.8065199.806销售量(吨/年)35655.8115942.6357428.2947428.2947428.2947428.294单价（含税）0.70.70.70.70.70.7第34页/共38页表15损益和利润分配表（单位：万元人民币）

序号项目合计建设期生产经营期123456生产负荷80％100％100％100％100％1产品销售收入485984.94480999.692101249.615101249.615101249.615101249.6152销售税金及附加