中期论文化工设计.docx
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中期论文化工设计
本科中期实验论文
实验题目：
年产3万吨甲基丙烯酸甲酯分厂设计
2013年3月
目录
实验题目：
年产3万吨甲基丙烯酸甲酯分厂设计1
1绪论2
2项目可行性论证4
2.1论证内容4
2.2论证结论4
2.2.1技术可行性4
2.2.2市场可行性4
2.2.3经济可行性5
3项目初步设计5
3.1项目总论5
3.2工艺路线选择6
3.3MMA生产工艺流程模拟6
3.3.1MTBE精制工段6
3.3.2MAL氧化酯化制取MMA工段模拟8
3.4流程优化10
3.4.1水洗塔优化10
3.5设备设计与选型11
3.5.1萃取精馏塔（T108）计算结果11
3.5.2膨胀床反应器计算结果汇总13
3.5.3换热器E-102计算结果汇总15
3.6总图15
3.6.1厂区介绍15
3.6.2厂区布置15
3.7车间布置17
3.7.13D设计图17
3.7.2车间平立面图17
3.8仪表自动化控制18
3.9CAD设计图21
3.9.2PID图22
3.9.3设备装配图24
4项目总结25
参考文献：
27
致谢28
年产3万吨甲基丙烯酸甲酯分厂设计
何超刘鹏薛亮方焕马岑丛
摘要：
本项目为广东省茂名石化工业区配备了一套分离混合C4、对C4进行综合加工生产下游产品（主要是MMA）的化工厂子系统。
建厂于广东省茂名石化工业区。
该项目以外购乙烯装置的裂解混合C4馏分和甲醇为原料，通过茂名石化MEBT装置对混合C4进行分离提纯异丁烯，先将异丁烯氧化成甲基丙烯醛MAL，再用直接甲基化法（Asahi法）将MAL直接与甲醇和氧气进行氧化酯化反应制得MMA。
采用AspenPlus对流程进行模拟、AspenEnergyAnalyzer对全流程进行换热网络优化，运用AutoCAD设计了工艺流程和设备装配图，还利用3Dmax进行了工厂建模，并对其它各种设备进行了设计以及校正。
此外，对于这个设计进行了全方面可行性研究。
关键词：
化工设计；裂解C4；MMA；MAL;模拟计算
1绪论
石油炼制和石油化工生产过程中副产大量C4烃类,如何充分合理利用这些副产资源,进行深加工产品的开发,已经引起了人们的广泛关注，其综合利用开发是提高企业经济效益的重要途径，亦是实现炼化资源综合利用的必由之路。
20世纪90年代以来，由于碳四分离技术与工艺的进步与完善，使得碳四馏分的各种成分得到了分离，为它们作为石油化工原料提供了保证，碳四馏分将是继乙烯和丙烯之后能得到充分利用的石油化工原料之一。
目前我国碳四馏分的化工利用尚处于初期阶段，国内对碳四烃的化工利用率为10%。
尽管炼油厂碳四馏分可直接进入烷基化装置生产高辛烷值的烷基化汽油或叠合汽油，部分用于生产聚丁烯和聚异丁烯；异丁烯用于生产甲基叔丁基醚.茂名石化年产3万吨MMA项目（MTBE）和烷基酚，正丁烯用于生产仲丁醇等，但正在运转的工业化生产装置很少，而且少量运转的工业装置也只是部分利用了碳四馏分，大部分直接作为燃料烧掉。
目前开发的碳四烯烃、碳四烷烃和碳四混合物主要有丁二烯、异丁烯、正丁烯、正丁烷、异丁烷等，均具有化工很好的工业利用价值和前景。
随着原油价格上涨、能源消费结构的变化、加工技术的进步，混合碳四作为石油化工基础原料用于生产具有高附加值的精细化工产品和合成橡胶等技术已成为石油化工研究和投资热点。
加之西气东输管线正式开通，全国已有多个省市开始使用天然气，一些地方出现液化气滞销的局面，这就使得原来用作燃料的碳四馏分有一部分被天然气替代，为碳四资源的有效利用创造了条件。
根据碳四的组分特点，通过化工利用可以生产不少产品，如甲乙酮、丁二烯、丙烯、甲基丙烯酸甲酯（MMA）等。
对于乙烯装置的裂解C4馏分，主要考虑的是丁烯、异丁烯及丁二烯的深加工利用问题。
这里需指出，我国目前异丁烯大部分用于生产MTBE，仅少部分用于其他衍生物如PBE、丁基橡胶及甲基丙烯酸甲酯（MMA）。
甲基丙烯酸甲酯（MMA）是合成树脂、油漆涂料、胶粘剂工业和医用高分子材料的重要原料，与此同时,MMA单体还是合成水处理絮凝剂、织物染整剂、油品添加剂和塑料树脂改性剂等精细化学品的重要原料。
80年代以来,随着应用领域的不断拓展，MMA单体呈现产耗两旺的势头。
根据国内相关部门预测，未来几年国内MMA的需求将以10%左右的速度增长，2011年国内的MMA市场需求量将达到468kt；2011－2016年期间的年均需求增长速度约为7%左3右，2016年国内MMA市场需求将达到650kt左右。
异丁烯的化工利用目前混合碳四中的异丁烯因其纯度低，多采用合成MTBE工艺用来生产汽油辛烷值的调和组分。
MTBE裂解可以得到高纯度的异丁烯，是重要的有机化工基本原料。
异丁烯直接氧化（C4法）生产甲基丙烯酸甲酯（MMA）技术，与传统的丙酮氰醇法以及其他方法比较，此法具有原料来源广泛，催化剂活性高、选择性好、寿命长，反应收率和原子利用率高，无污染、环境友好、成本低的优势，具备很强的竞争力。
2项目可行性论证
2.1论证内容
对该项目涉及的八大方面进行了可行性论证，论证内容概括如下：
1.项目背景
2.厂址选择
3.异丁烯氧化法制MMA技术
4.集成方案
5.节能与节水措施
6.项目实施进度
7.投资估算与资金筹措
8.社会及经济效益分析
2.2论证结论
2.2.1技术可行性
（1）原料易得（乙烯裂解C4）。
（2）项目采用的异丁烯（IB）氧化法制MMA工艺路线，其工艺技术成熟、生产规模和产品方案是切合实际的。
（3）项目利用乙烯裂解C4生产MMA，进行C4资源的深度加工，提高物料利用率。
2.2.2市场可行性
市场调查显示：
近年来，随着MMA在世界范围内的扩张，我国MMA市场也异常火爆，产销两旺，产品供不应求，MMA价格一路上扬。
我国MMA市场需求年增长率达15%，而且需求仍在不断扩大，未来几年将成为仅次于美国和日本的全球第三大消费市场。
并且在2010年，我国甲醇行业虽有部分新建装置因不确定因素投产时间推迟，但全年甲醇总产能预计仍可达到3500万吨，产量大约1500万吨，有一半产能过剩。
据了解，2010年底，国内原计划投产的甲醇在建项目共有25个，新增年产能合计861万吨，意味着2011年全国甲醇产能将超过4000万吨，产能的增茂名石化年产3万吨MMA量已远远大于消费需求的增加量。
另外，我国还有25个拟建或处于规划阶段的甲醇项目，年产能合计2440万吨，新建、在建装置的不断投产，将进一步加剧国内甲醇产能过剩的局面，甲醇进料价格可能有所下滑。
众多调查结果证明MMA具有良好的发展前景。
2.2.3经济可行性
（1）由于采用总厂的乙烯裂解产生后的C4，大大降低了原料成本。
（2）本项目产品MMA价格趋势较稳定，有上升趋势。
本项目实施后，能够为企业带来较好的经济收益，获取良好的投资回报。
3项目初步设计
3.1项目总论
混合C4子综合加工子项目的分厂设计，以工业区裂解制乙烯产生的C4为原料，使得其中的异丁烯在MEBT装置中实现提取，首先由C4的异丁烯和甲醇在催化条件下合成MTBE，其选择性好，转化率高。
然后MTBE高温裂解又生成高纯度异丁烯。
异丁烯与干燥空气反应氧化生成甲基丙烯醛（MAL），最后MAL与甲醇在干燥空气的条件下生成MMA。
全过程三废产生少，绿色环保，无深冷系统，能耗低，且将成本控制到最低，原料转化率高，工艺最佳。
3.2工艺路线选择
该工艺采用目前亚洲市场广泛使用的异丁烯氧化法制取MMA，工艺流程简洁，转化率高，选择性好，原子利用率高，较之西欧采用的ACH法制造MMA的大型工厂，中型规模的异丁烯制造MMA工厂具有对环境压力小，绿色环保等优越性。
不仅如此，从C4中提取异丁烯，加快下游产品的开发，能提高C4资源的利用率，增加C4资源的附加值。
3.3MMA生产工艺流程模拟
过程模拟最为重要的任务有三点：
1.对各候选工艺进行判断是够可行；
2.选择最为适合的工艺方案；
3.对所选工艺方案进行优化设计，确定最优工艺条件。
整个设计过程中，采用AspenPlus对整个工艺流程进行了较为精确的计算，由于Aspenplus的原理是序贯模块法，因此模拟时是对整个流程进行模拟计算，但在叙述时，为了叙述方便，这里将模拟进行分工段叙述。
经文献调研，选择NRTL作为全局物性方法。
3.3.1MTBE精制工段
抽余C4馏分与甲醇合成MTBE后，送入精馏塔内除掉剩余C4，使MTBE得到精制。
合成MTBE使用膨胀床反应器。
甲醇和抽余碳四物料从膨胀床反应器底部进入，向上通过催化剂床，使催化剂床松动并膨胀，正常情况下,膨胀率约在5～15之间。
由于催化剂颗粒是松动的，故有利于床层内的传热和传质，床内径向温度分布均匀，不会产生局部热点，减少了副反应：
床层膨胀后,催化剂颗粒间距加大，床层压降降低，因而有降低能耗的作用。
而且反应器结构简单，催化剂装卸方便，但缺点是操作弹性较小。
由于一反二段床层催化剂仍有一定的活性,此次控制将一反上段催化剂回收,作为反应器前离子过滤器的保护剂,在一定程度上起到了保护反应催化剂的作用。
使用D005阳离子交换树脂，反应温度为318.15K,压强为900000N/sqm。
而MTBE裂解反应器使用列管式固定床反应器，反应温度为398.76K，压强为900000N/sqm，使用一种用卤素调变SiO2负载Al2O3的催化剂，该催化剂使得MTBE的裂解制取异丁烯具有反应温度低、转化率高、异丁烯和甲醇选择性高。
流程模拟图如下：
图1MTBE裂解模拟图
图2一步氧化制MAL模拟图
3.3.2MAL氧化酯化制取MMA工段模拟
图3直接氧化酯化制MMA模拟图
来自精馏塔的MMA进入萃取罐，被氯仿萃取出一定量的甲醇和水，再经过一个闪蒸罐除去氯仿。
Aspenplus模拟MMA精制工段。
图4MMA精制工段模拟图
来自闪蒸罐的MMA经过两次减压精馏，得到纯度为99.5%的MMA。
Aspenplus模拟MMA精制工段II的模拟图见图5。
图5MMA精制工段II模拟图
减压精馏塔T119&T120模拟：
该工段采用RadFrac模块进行模拟，操作温度为280K，压力为0.01Kg/sqcm通过两次减压精馏最终得到纯度为99.5%的MMA.工段内所需的精馏塔的实际模拟过程是先根据分离要求用DSTWU模块计算出最小回流比、实际回流比、理论塔板数以及进料板数，再以这些数据为依据来设置RadFrac模块中的参数，最后在RadFrac模块背景下微调参数来满足分离要求并对精馏塔进行挖潜处理。
3.4流程优化
模拟的最终目的是为了优化流程，以达到某方面的效益最佳如经济效益最佳、节能效果最佳等。
在建立全流程模拟的过程中已经对局部可以寻优的参数进行了寻求最优的求解，这些参数包括个精馏塔的塔板数、回流比、采出率、进料板位置以及吸收他的吸收剂用量等。
而一些反应参数是根据文献所述确定最佳操作条件，这些参数无需进行优化。
下面将举例说明在建立流程时典型设备操作参数优化的过程。
3.4.1水洗塔优化
水洗塔内是物理吸收过程，依据化工原理的只是高压低温有利于吸收，故压力和温度选择在满足工艺要求前提下应符合其在流程中的具体位置，最终确定的操作压力为0.8atm,温度为57℃.因此只需要对水洗塔的吸收剂水的用量进行优化即可，采用AspenPlus中Sensitivity对洗水量进行优化，优化结如图6所示。
图6AspenPlus中Sensitivity对洗水量优化示意图
图6吸水量优化示意图
如上图所示，横坐标洗涤水的用量，纵坐标是塔底出口中甲醇的含量。
当用水量是0.4Kg/s时，甲醇的含量最大，故取0.4Kg/s为洗涤水量。
3.5设备设计与选型
该项目选取工艺中的塔T—108、合成MTBE的反应器—膨胀床反应器、换热器E102进行了详细的设计计算，而其他塔设备、换热器、管道、泵等进行选型。
3.5.1萃取精馏塔（T108）计算结果
表一塔T-108设计一览表
塔-108
基础数据
设计压力（MP）
0.709
设计温度（k）
301.7
操作压力（MP）
1.01
操作温度（k）
320.15
地面粗糙等级
B
地震烈度等级
7
基本风压
400
操作介质
甲醇和水
上封头
直边高度（mm）
25
深度（mm）
25
材料
Q235B
焊缝系数
1
形状
标准椭圆形
壁厚（mm）
9
筒体
材料
Q235B
塔板数
18
内径（mm）
100
壁厚（mm）
9
高度（mm）
10400
焊缝系数
1
下封头
同上封头
裙座
材料
Q235B
结构
圆台
高度（m）
2.5
壁厚（mm）
8
与筒体连接形式
双面焊对接接头
底角
底角800
螺旋
个数
16
材料
Q235
型号
M36
人孔
直径（mm）
450
个数1
直径（mm）
平台
宽度（m）
0.5
包角360
宽度（m）
数量
1
保温
材料
岩棉
厚度（mm）
50
总高度（m）
12.95
操作质量（kg）
5020.4
最小质量（kg）
4193.4
3.5.2膨胀床反应器计算结果汇总
表二反应器进料情况
进料各参数：
Temperature=318.15K
Pressure=900000N/sqm
VaporFrac=0
MassFlow=3.88888892kg/sec
VolumeFlow=0.00576013cum/sec
Enthalpy=-13.552185Gcal/hr
Density=675.138005kg/cum
表3反应器出料状况
出料参数：
Temperature=323.15K
Pressure=900000N/sqm
VaporFrac=0
MassFlow=3.88888892kg/sec
VolumeFlow=0.00560943cum/sec
Enthalpy=-13.960446Gcal/hr
Density=693.276327kg/cum
反应器内参数：
反应器内轴向温差5～11℃,径向温差0～5℃;
反应器的压降小,开工初期到末期压降均在0.03MPa以下。
3.5.3换热器E-102计算结果汇总
表4换热器E-102计算结果汇总
项目
冷物流（原料液）（壳程）
热物流（水）（管程）
质量流量（kg.s−1）
体积流量（m3.s−1
进口温度（oC
出口温度（oC
密度ρ（kg.m−3）
热负荷Q（kW）
热负荷Q（kW）
导热系数λ（W.m−1K1）
污垢热阻dR（m2.K.kW−1）
3.8892.069
0.0060.002
2575
4545
675.138983.1
259.349259.349
0.0003250.0004699
0.1310.659
0.1760.21
3.6总图
3.6.1厂区介绍
厂区用地呈矩形，南北方向约153.0m，东西方向200.0m，占地约30600m2。
本项目按照生产功能，将厂区分为：
厂前区：
包括办公大楼、生活综合楼等。
生产区：
异丁烯分离车间，MAL合成及分离车间，MMA合成及精制车间。
辅助生产及公用工程区：
包括消防站、维修站、中心控制室、化验室、供电站等。
储罐区：
包括碳四储罐、甲醇储罐、氯仿储罐，全场仓库。
3.6.2厂区布置
在保证安全距离的前提下，为合理利用土地，减少管道回转次数，节省管线，整个厂区布置采用了“一”字形理念。
在精馏车间的东面，预留20m×20m作为工厂预留空地。
厂内建筑抗震等级均为6级。
运输线路“T”形布置，厂内车辆不允许掉头逆向行驶，厂内南门和西门两个大门专供货流进出入。
车间按照生产流程垂直布置,与公用工程呈“L”型。
如图7所示。
图7总厂平面布置图
图8总厂3D效果图
3.7车间布置
3.7.13D设计图
图9车间布置3D图
3.7.2车间平立面图
作品中对三个工段都作出了平立面图，现以MMA精制车间为例说明。
图10MMA精制车间工段立面图
图11MMA精制平面图
3.8仪表自动化控制
化工自动化是化工、炼油等化工类型生产过程自动化的简称。
化工生产过程，往往是在密闭的管道和设备中进行，常常具有高压、高温、深冷、有毒、易燃、易爆等特点，因此，必须借助于各种仪表等自动化工具进行自动化生产，才能保证生产的稳定、可靠和安全。
3.8.1精馏塔的控制方案
精馏塔是化工过程中重要的设备，整体上分为塔体部分、塔顶冷凝器、塔顶冷凝罐。
回流罐和塔底再沸器四个主要部分。
精馏塔的主要干扰因素有，进料流量的波动、进料组成的变动、进料温度及热焓的波动，加热剂带入热量及冷凝剂带走热量的变化以及环境温度的变化。
1.温度的控制
轻组分由塔顶蒸出，塔顶温度直接影响产品的质量。
本次设计要求产品纯度高，故将检测元件安装在灵敏板上，有效地提高控制的灵敏度和精度。
2.压力的控制
另外在塔的顶部设有压力计，通过塔顶压力来控制进料。
此外考虑到反应物、产物的危险性，我们在塔顶装有安全阀、塔底装有放净阀。
3.液位的控制
在塔的底部通过控制塔釜采出量来控制塔内液位的稳定。
塔釜设有高、低液位计，通过液位检测来调节控制阀，控制出口流量。
下图是某精馏塔的带控制点图。
图12精馏塔控制方案
4.回流罐的控制
1.回流量的控制
由于通过对加热的导热油流量的调节来控制精馏塔内的温度，回流量虽然也能调节塔温，但是工艺对塔底产品要求更高，因此对回流量的控制要求是保持回流量稳定。
2.回流罐液位的控制
在本工艺中的储罐一般采用液位自动控制机制来调节液位，当液位超过一定的界限后就会产生报警，从而通过调节阀门调节流量，最终达到降低液位的目的，见图13所示的MMA精馏塔塔顶回流罐控制机制。
图13MMA精馏塔塔顶回流罐控制图
3.9CAD设计图
该项目利用CAD绘图工具根据工艺流程做出了PFD和PID图，另结合详细计算设计了设备装配图。
3.9.1PFD图
图14精制异丁烯工段PFD图
图15精制MAL工段PFD图
图16精制MMA工段PFD图
3.9.2PID图
图17MTBE精制工段PID图
图18一步氧化MAL工段PID图
图19直接氧化法制MMA工段PID图
图20精制MMA工段PID图
3.9.3设备装配图
图21精馏塔装配图
4项目总结
本项目MMA是以乙烯裂解装置得到的C4为原料，从中提取异丁烯，通过一步氧化成MAL再氧化酯化合成MMA。
借助MTBE合成及裂解装置将异丁烯从C4中提取出来，剩余的醚后C4可作为原料继续出售，进行下游产品的开发。
甲醇可回收精馏再次利用。
异丁烯氧化合成MMA工艺流程长，中间产物MAL需要进一步水洗、精馏纯化，MMA产品需要闪蒸、萃取、精馏使之纯度达到99.5%，符合市场规范。
对C4资源的深加工对我国综合利用能源、拓展低碳烯烃原料的多样化具有重大的经济意义和战略意义。
MMA被广泛应用于有机玻璃行业、表面涂料行业、PVC改性剂等各领域。
市场前景广阔。
根据对社会需求情况、经济效益、社会效益分析和社会风险分析等方面的综合讨论，项目年产3万吨MMA合成项目具备建厂条件理想、符合产业政策、社会效益良好和原材料资源条件较好等优势，按照社会效益分析的要求，该项目是可行的。
参考文献：
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（江南大学化学与材料工程学院,江苏无锡214122）
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任颖（武汉金中石化工程有限公司，武汉430223）
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（北京燕一石油化工公司研究院,102549）
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李增喜3张锁江1王正平2
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