设计文档集20130 项目摘要

1、 2018 年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛齐鲁石化异丁烯（抽余碳四）资源化利用 项目摘要太原科技大学学贯丁烯团队 指导老师：史宝萍、赵玉英、郭晓霞、石国亮 团队成员：兰岩、李娜、侯国丽、侯瑞麟、梁靖 目录1、项目简介12、工艺介绍(资源化利用)23、安全设计防护44、创新技术利用55、设备设计与选型66、自动控制67、换热网络优化及节能78、车间布置与厂区设计79、经济评价810、软件使用811、项目总结9齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项目摘要 1、项目简介本项目是齐鲁石化异丁烯（抽余碳四）的资源化利用，拟以齐鲁石化炼油厂产品异丁烯（抽余碳四）和甲醇为生产原料，通

2、过二步氧化及酯化工艺路线生产甲基丙烯酸甲酯（MMA），同时副产正丁烷，实现了异丁烯的资源化利用。齐鲁石化近几年平均年产异丁烯（抽余碳四）17 万吨，且稳步增长。齐鲁石化为石油基地，足以保证原料和相关公用工程和基础设施的供应。因此本项目在生产原料上充足，基础设施和市场上有保障，并具有一定的灵活性。异丁烯是重要的烯烃产品，在国民经济中占有重要的地位。我国异丁烯（抽余碳四）产量稳步上升，近几年自给率基本不变，进口依存度一直在 12%左右。本项目采用异丁烯二步氧化工艺，最大程度合理利用异丁烯生产高附加值的化工产品，生产工艺较优，满足市场需求量的同时，相对于其它 MMA 生产工艺，本项目能够大大提高原料

3、利用率，具有良好的发展前景。本项目符合当今国家节能减排的要求和“十三五”规划，显著地提高抽余碳四资源的深加工利用率，提高了我国对炼油产品的利用程度，促进了我国异丁烯（抽余碳四）利用的转型，为社会、经济可持续发展做出重要贡献，具有突出的社会效益；同时最大程度利用甲醇生产高附加值化工产品，经济效益显著。经济发展和社会可持续发展两者紧密结合，实现了双赢局面。图 1-1 项目厂址所在地太原科技大学学贯丁烯1齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项目摘要 2、工艺介绍(资源化利用) 原料选择方面，我们使用齐鲁石化总厂抽余碳四和甲醇，将原本直接燃烧的或者能源化利用的抽余碳四中异丁烯资源化利用起来，加速了我

4、国异丁烯资源化利用的转型，实现了对整个地区生态环境保护，从原料来源上做到了真正意义上的资源化利用。图 2-1 项目集成方案表 2-1主要原材料、辅助材料来源表太原科技大学学贯丁烯2序号名称需要量来源运输方式一主要原料、辅助原料1抽余碳四17 万吨/年齐鲁石化股份管道运输2甲醇3.72 万吨/年齐鲁石化股份管道运输3空气8.634 亿立方米/年来自园区空压站管道运输4脱盐水63.042 万吨/年来自公用工程中转站管道运输二催化剂1大孔磺酸阳离子交换树脂（水合）2.4 吨/年齐鲁石化股份汽车运输2大孔磺酸阳离子交换2.9 吨/年齐鲁石化股份汽车运输各类催化剂正丁烷抽余碳四甲醇齐鲁石化异丁烯资MMA

5、氧气源化利用氮气其余部分送至共用工程 总厂深加工齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项目摘要 在工艺路线选择上，我们注重生产过程资源化，力求原料的最大利用率，同时充分利用抽余碳四本身的成分进行工业化应用。 在工艺过程设计中，我们采用了“九大循环”，将异丁烯、正丁醇、正庚烷、甲醇等进行回收循环利用，同时通过工艺参数优化，实现了对异丁烯资源化利用的最大化。本项目采用热泵精馏技术将精馏过程中产生的热量和冷量进行换热，节省了 20%冷热公用工程。项目产生的有机物废气经过活性炭吸附处理达标后可送往地面火炬，达到尾气排放标准。各主要循环物料异丁烯、甲醇的损失率都较小，甲乙酮、正丁醇和庚烷等萃取剂溶液损失

6、都控制在 0.5%以下，做到了生产过程资源化。 在三废处理方面，本项目实现资源化利用的同时实现清洁生产，因此在生产过程中仅产生三股废气，七股工艺废水以及少量废固。本项目产生的废气经活性炭吸附后送去火炬，达到环保部排放标准后排放。而对于废水处理，由于本项目七股工艺废水含杂质，均可通过适当处理后进入项目回水站，最后一股为少量甲醇废水，根据甲醇废水的特点，本项目污水处太原科技大学学贯丁烯3树脂（脱水）3MoBiV 复合氧化型催化剂0.94 吨/年成都能特公司汽车运输4PMoV 杂多酸盐催化剂3.4 吨/年山东迅达化工汽车运输5大孔磺酸阳离子酯化树脂催化剂4 吨/年齐鲁石化股份汽车运输三萃取剂1庚烷与

7、 MAA混合物240.48 吨/年上海信跃化学汽车运输2正丁醇1117.8 吨/年山东凯越化工汽车运输3甲乙酮627 吨/年抚顺石油物资储备汽车运输齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项目摘要 理站采取二段厌氧消化+SBR（序批式活性污泥法）的方法来对甲醇污水以及各类污水进行综合处理.处理过程如下：高浓度的甲醇废水首先经过二段厌氧消化处理，与 CODCr 低的污水进行混合稀释后，进入活性污泥池进行有氧处理，经有氧处理的废水与清净废水一起进入回水站进行深度处理，经处理后得到的水用于工艺循环水站补充水,生活污水则经化粪后直接送往污水处理站用于调节甲醇废水，实现水资源的资源化利用。本项目的废固主要

8、为反应工段使用的催化剂和催化精馏塔装置使用的填料。两者均交由供应商进行集中处理。生化池产生的污泥统一送往有资质的单位进行处理。生活垃圾则送至垃圾处理站进行处理。在异丁烯氧化反应的催化剂选择方面，我们选用高选择性催化剂 MoBi 系列催化剂，尽量减少副产物的生成，并利用列管式固定床反应器来控制温度，达到生产的可控制性，使得反应能够达到我们的要求，减少分离任务和三废排放，在生产源头上做到了清洁生产。在产品精制方面，我们采用了二级精馏方案，其中最后一级精馏塔为热泵精馏技术，在保证回收率的前提下尽可能降低能耗，且保证主、副产品的产量与纯度，实现产品资源化利用。具体工艺流程及环境保护参见初步设计说明书。

9、表 2-2 本项目产品及规格3、安全设计防护安全是工业生产最重要的考虑因素，本项目贯彻“安全第一，预防为主，综合治理”的指导思想，设计了从上至下的五个安全保护层次。太原科技大学学贯丁烯4产品规格（%）级别产量价格（元/吨）甲基丙烯酸酸甲酯99.9%优等品3.598 万吨/年21000甲基丙烯酸酸甲酯99.5%合格品6.969 万吨/年18000正丁烷99.52%合格品1.302 万吨/年6900齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项目摘要 首先，整个工厂建立统一的 HSE 管理体系，把健康、安全、环境整合在一起形成一个管理体系综合管理。从项目的 HSE 管理物质保障和遵循法律法规出发，进行整

10、个体系的设计。、管理机构、人力资源、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、储存运输、设备选型等方面来减少事故发生的可能性和性。再次，本项目生产中涉及到了国家重点监管工艺中的酯化工艺，运用 DCS、SIS 和 ESD 等控制手段对二步氧化反应器和酯化反应器进行重点监控，并对整个工艺流程运用自动化手段进行工艺控制。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-2015和建筑设计防火规范-2014，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 Risksys

11、tem 软件对泄漏事故进行模拟，得出事故泄露区域，为应急措施的制定提供依据。4、创新技术利用本项目采用树脂水合-脱水工艺对异丁烯进行提纯。在设备上，使用异丁烯水合-脱水反应精馏塔，通过破坏反应平衡来提高反应物转化率，在酯化工段MMA 的提纯过程中使用了热泵精馏技术,充分利用反应中的冷量和热量，节能降耗，符合国家产业政策的呼吁和倡导，使用热泵精馏虽然将增加部分设备投资费用，但是同时也将大大节约能耗，综合考虑，使用热泵精馏技术可以使本流程更为经济节能。在节能方面，我们对整个厂区进行了热集成分析，根据优选匹配原则，以费用最低为目标，实现了厂区内的冷热物流换热的合理匹配，精馏塔上采用了热泵精馏技术降低

12、热公用工程消耗量，从而达到节省能量的目的。在控制方面，除了常规单回路 P&ID 控制，对于温度较高，危险性较大的二步氧化列管式固定床反应器，还采用了安全仪表系统（SIS）和集散型控制系统（DCS），有效降低了生产过程的安全风险。具体详见创新性说明书。太原科技大学学贯丁烯5齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项目摘要 5、设备设计与选型本项目设计过程中根据 Aspen 的模拟结果，通过各种参考文献并结合化学反应工程的经验我们对酯化反应器进行了设计，得出了酯化反应器 R0301 的具体参数。利用 SW6-2011 软件对流程中的典型塔设备进行了工艺设计、基本参数设计和机械强度校核。利用 SW6-

13、2011 和 Exchanger Design and Rating 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。此外还对泵、压缩机、储罐、回流罐等设备进行了设计选型。具体计算及选型见典型设备选型计算说明书。6、自动控制仔细研究了本工艺的反应条件及工艺要求后，设计了与本工艺相适应的自控方案。考虑到常规单回路反馈控制策略（即 P&ID 控制）已在工业现场广泛应用，其调节也相对简单，易于让工程师和现场操作人员接受，本工艺过程大部分的控制回路都采用该控制策略。为提高过程的动态性能，对于特殊的工序，也采用了一些相对复杂的控制策略，具体如下：单闭环比值控制双闭环比值控制前馈-反馈控制

14、串级控制安全联锁控制本项目主要采用 DCS（集散控制系统）进行全流程的控制，包括树脂水合-脱水反应器进料比例控制，塔顶回流流量压力串级控制，酯化反应器多段温度控制等，由于工艺流股中含有可燃性气体异丁烯以及助燃性气体氧气等，存在着安全隐患，因此，对工艺流股中气体的监控尤为重要。我们主要采用 SIS 进行过程控制与监测，在线控制仪表实时监测工艺流股中气体的含量并将数据送往中心控制室，及时调控装置参数，从而保证整套装置的安全可靠性。此外，本项目还对各个设备进行了危险和操作性分析（HAZOP），以保证工艺安全性。详情参见初步设计说明书第十章太原科技大学学贯丁烯6齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项

15、目摘要 7、换热网络优化及节能换热网络优化方法是在在采用夹点设计法得到的最大能量回收换热网络的基础上，经过调优，得到换热设备个数较少的系统结构，从而得到最优或接近最优的设计方案。通过观察我们发现上述换热网络中存在一些热负荷和换热面积比较少，并且换热距离较远的换热，设置明显不合理。通过能量松弛，将其与相邻换热合并，减少换热器数目。在减少换热器的同时，去除了一些不必要的分流操作，可以使总费用有所下降，也使得换热网络更加便于布置。8、车间布置与厂区设计本项目设计过程中根据相关规范对厂区进行了布置，利用 Auto CAD 绘制了厂区平面布置图，同时采用 CAD Worx 软件对酯化车间进行了设备建模和

16、详细的管道布置，并得到了车间三维布置图及管道轴测图。具体详见 Auto CAD 及 CADWorx 图纸绘制源文件及设计图册。总图设计时充分考虑与总厂原有布局的协调统一。合理确定安全防火间距，优化管廊排布，充分保证了安全生产、人车分离、节约用地、合理绿化等要求。本厂按照生产功能分区集中布置，分为储运区、生产区、辅助生产区、厂前区及其他设施等。区域间以绿化带及公路进行隔开，以保证安全，为职工提供货良好、适宜的生产生活条件。太原科技大学学贯丁烯7齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项目摘要 辅助生产区辅助生产区生活区辅助生产区生产区储罐区辅助生产区图 8-1 厂区分块布置图9、经济评价本项目设计

17、过程中通过 Aspen Process Economic Analyzer 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。经过核算，本项目投资利润率为 50.7%、投资利税率为 42.5%、财务内部收益率为 15%、投资回收期为 9 年，通过以上经济指标可以看出本项目经济效益良好，具备投资生产的可行性。具体详见经济分析10、软件使用表 10-1 软件使用一览表太原科技大学学贯丁烯8软件使用一览表流程模拟Aspen Plus V8.8换热网络优化和设计Aspen Energy Analyzer V8.8塔设备设计与校核Aspen Plus V

18、8.8、SW6-2011换热器设计与校核Aspen Plus V8.8、Aspen Exchanger齐鲁石化抽余碳四中异丁烯资源化利用项目项目摘要 11、项目总结本项目设计过程中，我们项目组结合查阅的文献资料，设计了抽余碳四提取异丁烯氧化制甲基丙烯酸甲酯的工艺，基于 Aspen Plus V8.8 完成了流程的建模与优化，同时对设计的工艺流程进行了充分的验证，根据模拟结果改进了工艺流程。采用 Aspen Energy Analyzer 对系统进行了换热网络的设计和优化；应用多种选型软件对各设备进行了设计与选型，完成了酯化反应器图（1 张）；设计了系统自动控制方案，绘制了流程 PFD 图（24

19、 张），P&ID 图（25 张）；对车间进行了布置，完成了 CAD Worx 立体设计（1 个），车间布置三维图（1 张），管道轴测图（12 张），设备布置图（6 张）；对厂区进行了设计，完成了厂区平面布置图（1张）。将软件分析结果与传统经济评价方法结合对项目进行了详细的经济评价。通过查阅相关的参考文献、书籍，阅读相应的国家标准、法律、法规，以及相关的市场调研，对该项目进行了可行性研究以及初步设计，初步设计了工艺流程、热集成及节能技术、设备选型、自动控制、总图运输、环境分析、经济分析、公用工程、劳动定员等方面，确定了项目的可行性。本设计团队注重项目的合理性、可行性、创新性、节能性。本项目设计采用 Aspen plus8.8 软件完成全流程的详细计算，再根据模拟数据并结合 Aspen