年產(chǎn)3萬噸甲基丙烯酸甲酯分廠設(shè)計中期論文化工設(shè)計

1、 本科中期實驗論文實驗題目： 年產(chǎn)3萬噸甲基丙烯酸甲酯分廠設(shè)計 目 錄實驗題目： 年產(chǎn)3萬噸甲基丙烯酸甲酯分廠設(shè)計11 緒論22 項目可行性論證42.1 論證內(nèi)容42.2 論證結(jié)論42.2.1 技術(shù)可行性42.2.2 市場可行性42.2.3 經(jīng)濟(jì)可行性53 項目初步設(shè)計53.1 項目總論53.2 工藝路線選擇63.3 mma生產(chǎn)工藝流程模擬63.3.1 mtbe 精制工段63.3.2 mal 氧化酯化制取mma 工段模擬83.4 流程優(yōu)化103.4.1水洗塔優(yōu)化103.5 設(shè)備設(shè)計與選型113.5.1萃取精餾塔（t108）計算結(jié)果113.5.2 膨脹床反應(yīng)器計算結(jié)果匯總133.5.3換熱器e-

2、102計算結(jié)果匯總153.6 總圖153.6.1廠區(qū)介紹153.6.2 廠區(qū)布置153.7 車間布置173.7.1 3d設(shè)計圖173.7.2 車間平立面圖173.8 儀表自動化控制183.9 cad設(shè)計圖213.9.2 pid圖223.9.3 設(shè)備裝配圖244項目總結(jié)25參考文獻(xiàn)：27致謝28年產(chǎn)3萬噸甲基丙烯酸甲酯分廠設(shè)計何超 劉鵬 薛亮 方煥 馬岑叢摘要：本項目為廣東省茂名石化工業(yè)區(qū)配備了一套分離混合c4、對c4 進(jìn)行綜合加工生產(chǎn)下游產(chǎn)品（主要是mma）的化工廠子系統(tǒng)。建廠于廣東省茂名石化工業(yè)區(qū)。該項目以外購乙烯裝置的裂解混合c4 餾分和甲醇為原料，通過茂名石化mebt 裝置對混合c4進(jìn)行

3、分離提純異丁烯，先將異丁烯氧化成甲基丙烯醛mal，再用直接甲基化法（asahi法）將mal 直接與甲醇和氧氣進(jìn)行氧化酯化反應(yīng)制得mma。采用aspen plus對流程進(jìn)行模擬、aspen energy analyzer對全流程進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，運用autocad設(shè)計了工藝流程和設(shè)備裝配圖，還利用3dmax 進(jìn)行了工廠建模，并對其它各種設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計以及校正。此外，對于這個設(shè)計進(jìn)行了全方面可行性研究。關(guān)鍵詞：化工設(shè)計；裂解c4 ；mma；mal ; 模擬計算1 緒論石油煉制和石油化工生產(chǎn)過程中副產(chǎn)大量c4 烴類,如何充分合理利用這些副產(chǎn)資源, 進(jìn)行深加工產(chǎn)品的開發(fā), 已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，其

4、綜合利用開發(fā)是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑，亦是實現(xiàn)煉化資源綜合利用的必由之路。20 世紀(jì)90 年代以來，由于碳四分離技術(shù)與工藝的進(jìn)步與完善，使得碳四餾分的各種成分得到了分離，為它們作為石油化工原料提供了保證，碳四餾分將是繼乙烯和丙烯之后能得到充分利用的石油化工原料之一。目前我國碳四餾分的化工利用尚處于初期階段，國內(nèi)對碳四烴的化工利用率為10%。盡管煉油廠碳四餾分可直接進(jìn)入烷基化裝置生產(chǎn)高辛烷值的烷基化汽油或疊合汽油，部分用于生產(chǎn)聚丁烯和聚異丁烯；異丁烯用于生產(chǎn)甲基叔丁基醚.茂名石化年產(chǎn)3 萬噸mma 項目（mtbe）和烷基酚，正丁烯用于生產(chǎn)仲丁醇等，但正在運轉(zhuǎn)的工業(yè)化生產(chǎn)裝置很少，而且少量運轉(zhuǎn)

5、的工業(yè)裝置也只是部分利用了碳四餾分，大部分直接作為燃料燒掉。目前開發(fā)的碳四烯烴、碳四烷烴和碳四混合物主要有丁二烯、異丁烯、正丁烯、正丁烷、異丁烷等，均具有化工很好的工業(yè)利用價值和前景。隨著原油價格上漲、能源消費結(jié)構(gòu)的變化、加工技術(shù)的進(jìn)步，混合碳四作為石油化工基礎(chǔ)原料用于生產(chǎn)具有高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品和合成橡膠等技術(shù)已成為石油化工研究和投資熱點。加之西氣東輸管線正式開通，全國已有多個省市開始使用天然氣，一些地方出現(xiàn)液化氣滯銷的局面，這就使得原來用作燃料的碳四餾分有一部分被天然氣替代，為碳四資源的有效利用創(chuàng)造了條件。根據(jù)碳四的組分特點，通過化工利用可以生產(chǎn)不少產(chǎn)品，如甲乙酮、丁二烯、丙烯、甲基丙烯

6、酸甲酯（mma）等。對于乙烯裝置的裂解c4 餾分，主要考慮的是丁烯、異丁烯及丁二烯的深加工利用問題。這里需指出，我國目前異丁烯大部分用于生產(chǎn)mtbe，僅少部分用于其他衍生物如pbe、丁基橡膠及甲基丙烯酸甲酯（mma）。甲基丙烯酸甲酯（mma）是合成樹脂、油漆涂料、膠粘劑工業(yè)和醫(yī)用高分子材料的重要原料，與此同時,mma 單體還是合成水處理絮凝劑、織物染整劑、油品添加劑和塑料樹脂改性劑等精細(xì)化學(xué)品的重要原料。80 年代以來,隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，mma 單體呈現(xiàn)產(chǎn)耗兩旺的勢頭。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)部門預(yù)測，未來幾年國內(nèi)mma 的需求將以10%左右的速度增長，2011 年國內(nèi)的mma 市場需求量將達(dá)到46

7、8 kt；20112016 年期間的年均需求增長速度約為7%左3右，2016 年國內(nèi)mma 市場需求將達(dá)到650 kt 左右。異丁烯的化工利用目前混合碳四中的異丁烯因其純度低，多采用合成mtbe工藝用來生產(chǎn)汽油辛烷值的調(diào)和組分。mtbe 裂解可以得到高純度的異丁烯，是重要的有機化工基本原料。異丁烯直接氧化（c4 法）生產(chǎn)甲基丙烯酸甲酯（mma）技術(shù)，與傳統(tǒng)的丙酮氰醇法以及其他方法比較，此法具有原料來源廣泛，催化劑活性高、選擇性好、壽命長，反應(yīng)收率和原子利用率高，無污染、環(huán)境友好、成本低的優(yōu)勢，具備很強的競爭力。2 項目可行性論證2.1 論證內(nèi)容對該項目涉及的八大方面進(jìn)行了可行性論證，論證內(nèi)容概

8、括如下：1.項目背景2.廠址選擇3.異丁烯氧化法制mma技術(shù)4.集成方案5.節(jié)能與節(jié)水措施6.項目實施進(jìn)度7.投資估算與資金籌措8.社會及經(jīng)濟(jì)效益分析2.2 論證結(jié)論2.2.1 技術(shù)可行性（1）原料易得（乙烯裂解c4）。（2）項目采用的異丁烯(ib)氧化法制mma工藝路線，其工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品方案是切合實際的。（3）項目利用乙烯裂解c4生產(chǎn)mma，進(jìn)行c4 資源的深度加工，提高物料利用率。2.2.2 市場可行性市場調(diào)查顯示：近年來，隨著mma 在世界范圍內(nèi)的擴(kuò)張，我國mma 市場也異?；鸨?，產(chǎn)銷兩旺，產(chǎn)品供不應(yīng)求，mma 價格一路上揚。我國mma 市場需求年增長率達(dá)15%，而且需求仍

9、在不斷擴(kuò)大，未來幾年將成為僅次于美國和日本的全球第三大消費市場。并且在2010 年，我國甲醇行業(yè)雖有部分新建裝置因不確定因素投產(chǎn)時間推遲，但全年甲醇總產(chǎn)能預(yù)計仍可達(dá)到3500 萬噸，產(chǎn)量大約1500 萬噸，有一半產(chǎn)能過剩。據(jù)了解，2010 年底，國內(nèi)原計劃投產(chǎn)的甲醇在建項目共有25 個，新增年產(chǎn)能合計861 萬噸，意味著2011 年全國甲醇產(chǎn)能將超過4000 萬噸，產(chǎn)能的增茂名石化年產(chǎn)3 萬噸mma 量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消費需求的增加量。另外，我國還有25 個擬建或處于規(guī)劃階段的甲醇項目，年產(chǎn)能合計2440 萬噸，新建、在建裝置的不斷投產(chǎn)，將進(jìn)一步加劇國內(nèi)甲醇產(chǎn)能過剩的局面，甲醇進(jìn)料價格可能有所下滑。

10、眾多調(diào)查結(jié)果證明mma 具有良好的發(fā)展前景。 2.2.3 經(jīng)濟(jì)可行性（1）由于采用總廠的乙烯裂解產(chǎn)生后的c4，大大降低了原料成本。（2）本項目產(chǎn)品mma價格趨勢較穩(wěn)定，有上升趨勢。本項目實施后，能夠為企業(yè)帶來較好的經(jīng)濟(jì)收益，獲取良好的投資回報。3 項目初步設(shè)計3.1 項目總論混合c4子綜合加工子項目的分廠設(shè)計，以工業(yè)區(qū)裂解制乙烯產(chǎn)生的c4為原料，使得其中的異丁烯在mebt裝置中實現(xiàn)提取，首先由c4的異丁烯和甲醇在催化條件下合成mtbe，其選擇性好，轉(zhuǎn)化率高。然后mtbe高溫裂解又生成高純度異丁烯。異丁烯與干燥空氣反應(yīng)氧化生成甲基丙烯醛（mal），最后mal與甲醇在干燥空氣的條件下生成mma。全

11、過程三廢產(chǎn)生少，綠色環(huán)保，無深冷系統(tǒng)，能耗低，且將成本控制到最低，原料轉(zhuǎn)化率高，工藝最佳。3.2 工藝路線選擇該工藝采用目前亞洲市場廣泛使用的異丁烯氧化法制取mma，工藝流程簡潔，轉(zhuǎn)化率高，選擇性好，原子利用率高，較之西歐采用的ach 法制造mma 的大型工廠，中型規(guī)模的異丁烯制造mma 工廠具有對環(huán)境壓力小，綠色環(huán)保等優(yōu)越性。不僅如此，從c4 中提取異丁烯，加快下游產(chǎn)品的開發(fā)，能提高c4 資源的利用率，增加c4 資源的附加值。3.3 mma生產(chǎn)工藝流程模擬過程模擬最為重要的任務(wù)有三點：1. 對各候選工藝進(jìn)行判斷是夠可行；2. 選擇最為適合的工藝方案；3. 對所選工藝方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確定最優(yōu)

12、工藝條件。整個設(shè)計過程中，采用aspen plus 對整個工藝流程進(jìn)行了較為精確的計算，由于aspen plus 的原理是序貫?zāi)K法，因此模擬時是對整個流程進(jìn)行模擬計算，但在敘述時，為了敘述方便，這里將模擬進(jìn)行分工段敘述。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研，選擇nrtl 作為全局物性方法。3.3.1 mtbe 精制工段抽余c4 餾分與甲醇合成mtbe后，送入精餾塔內(nèi)除掉剩余c4，使mtbe 得到精制。合成mtbe 使用膨脹床反應(yīng)器。甲醇和抽余碳四物料從膨脹床反應(yīng)器底部進(jìn)入，向上通過催化劑床，使催化劑床松動并膨脹，正常情況下,膨脹率約在515 之間。由于催化劑顆粒是松動的，故有利于床層內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)，床內(nèi)徑向溫度分布均

13、勻，不會產(chǎn)生局部熱點，減少了副反應(yīng)：床層膨脹后,催化劑顆粒間距加大，床層壓降降低，因而有降低能耗的作用。而且反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，催化劑裝卸方便，但缺點是操作彈性較小。由于一反二段床層催化劑仍有一定的活性,此次控制將一反上段催化劑回收, 作為反應(yīng)器前離子過濾器的保護(hù)劑, 在一定程度上起到了保護(hù)反應(yīng)催化劑的作用。使用d005陽離子交換樹脂，反應(yīng)溫度為318.15k,壓強為900000n/sqm。而mtbe 裂解反應(yīng)器使用列管式固定床反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為398.76k，壓強為900000n/sqm，使用一種用鹵素調(diào)變sio2 負(fù)載al2o3 的催化劑，該催化劑使得mtbe 的裂解制取異丁烯具有反應(yīng)溫度低、

14、轉(zhuǎn)化率高、異丁烯和甲醇選擇性高。流程模擬圖如下：圖1 mtbe 裂解模擬圖圖2一步氧化制mal 模擬圖3.3.2 mal 氧化酯化制取mma 工段模擬 圖3 直接氧化酯化制mma 模擬圖 來自精餾塔的mma 進(jìn)入萃取罐，被氯仿萃取出一定量的甲醇和水，再經(jīng)過一個閃蒸罐除去氯仿。aspen plus 模擬mma 精制工段。 圖4 mma 精制工段模擬圖 來自閃蒸罐的mma 經(jīng)過兩次減壓精餾，得到純度為99.5%的mma。aspen plus 模擬mma 精制工段ii 的模擬圖見圖5。圖5 mma 精制工段ii模擬圖減壓精餾塔t119&t120 模擬：該工段采用radfrac 模塊進(jìn)行模擬，操作溫度

15、為280k，壓力為0.01kg/sqcm 通過兩次減壓精餾最終得到純度為99.5%的mma.工段內(nèi)所需的精餾塔的實際模擬過程是先根據(jù)分離要求用dstwu 模塊計算出最小回流比、實際回流比、理論塔板數(shù)以及進(jìn)料板數(shù)，再以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)來設(shè)置radfrac 模塊中的參數(shù)，最后在radfrac 模塊背景下微調(diào)參數(shù)來滿足分離要求并對精餾塔進(jìn)行挖潛處理。3.4 流程優(yōu)化模擬的最終目的是為了優(yōu)化流程，以達(dá)到某方面的效益最佳如經(jīng)濟(jì)效益最佳、節(jié)能效果最佳等。在建立全流程模擬的過程中已經(jīng)對局部可以尋優(yōu)的參數(shù)進(jìn)行了尋求最優(yōu)的求解，這些參數(shù)包括個精餾塔的塔板數(shù)、回流比、采出率、進(jìn)料板位置以及吸收他的吸收劑用量等。而一

16、些反應(yīng)參數(shù)是根據(jù)文獻(xiàn)所述確定最佳操作條件，這些參數(shù)無需進(jìn)行優(yōu)化。下面將舉例說明在建立流程時典型設(shè)備操作參數(shù)優(yōu)化的過程。3.4.1水洗塔優(yōu)化水洗塔內(nèi)是物理吸收過程，依據(jù)化工原理的只是高壓低溫有利于吸收，故壓力和溫度選擇在滿足工藝要求前提下應(yīng)符合其在流程中的具體位置，最終確定的操作壓力為0.8atm,溫度為57.因此只需要對水洗塔的吸收劑水的用量進(jìn)行優(yōu)化即可，采用aspenplus 中sensitivity 對洗水量進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)如圖6 所示。圖6 aspen plus 中sensitivity 對洗水量優(yōu)化示意圖圖6 吸水量優(yōu)化示意圖如上圖所示，橫坐標(biāo)洗滌水的用量，縱坐標(biāo)是塔底出口中甲醇的含量

17、。當(dāng)用水量是0.4kg/s 時，甲醇的含量最大，故取0.4kg/s 為洗滌水量。3.5 設(shè)備設(shè)計與選型該項目選取工藝中的塔t108、合成mtbe 的反應(yīng)器膨脹床反應(yīng)器、換熱器e102進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計計算，而其他塔設(shè)備、換熱器、管道、泵等進(jìn)行選型。3.5.1萃取精餾塔（t108）計算結(jié)果表一 塔t-108 設(shè)計一覽表塔-108基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計壓力(mp)0.709設(shè)計溫度(k)301.7操作壓力(mp)1.01操作溫度(k)320.15地面粗糙等級b地震烈度等級7基本風(fēng)壓400操作介質(zhì)甲醇和水上封頭直邊高度（mm）25深度（mm）25材料q235b焊縫系數(shù)1形狀標(biāo)準(zhǔn)橢圓形 壁厚（mm）9筒體材料q2

18、35b塔板數(shù)18內(nèi)徑（mm）100壁厚（mm）9高度（mm）10400焊縫系數(shù)1下封頭同上封頭裙座材料q235b結(jié)構(gòu)圓臺高度（m）2.5壁厚（mm）8與筒體連接形式雙面焊對接接頭底角底角800螺旋個數(shù)16材料q235型號m36人孔直徑（mm）450個數(shù)1直徑（mm）平臺寬度（m）0.5包角360寬度（m）數(shù)量1保溫材料巖棉厚度（mm）50總高度（m）12.95操作質(zhì)量（kg） 5020.4最小質(zhì)量（kg） 4193.43.5.2 膨脹床反應(yīng)器計算結(jié)果匯總表二 反應(yīng)器進(jìn)料情況進(jìn)料各參數(shù)：temperature=318.15 kpressure=900000 n/sqmvapor frac=0ma

19、ss flow=3.88888892 kg/secvolume flow=0.00576013 cum/secenthalpy=-13.552185 gcal/hrdensity=675.138005 kg/cum表3 反應(yīng)器出料狀況 出料參數(shù)：temperature=323.15 kpressure=900000 n/sqmvapor frac=0mass flow=3.88888892 kg/secvolume flow=0.00560943 cum/secenthalpy=-13.960446 gcal/hrdensity =693.276327 kg/cum反應(yīng)器內(nèi)參數(shù)：反應(yīng)器內(nèi)軸向溫

20、差511 ,徑向溫差05 ;反應(yīng)器的壓降小, 開工初期到末期壓降均在0. 03 mpa 以下。3.5.3換熱器e-102計算結(jié)果匯總表4 換熱器e-102計算結(jié)果匯總項目冷物流（原料液）（殼程）熱物流（水）（管程）質(zhì)量流量（kg.s 1） 體積流量（m3.s1進(jìn)口溫度（oc出口溫度（oc密度 （kg.m3）熱負(fù)荷q（kw）熱負(fù)荷q（kw）導(dǎo)熱系數(shù)（w.m1k1）污垢熱阻d r（m2.k.kw1） 3.889 2.069 0.006 0.002 25 7545 45675.138 983.1259.349259.3490.000325 0.00046990.131 0.659 0.176 0.2

21、13.6 總圖3.6.1廠區(qū)介紹廠區(qū)用地呈矩形，南北方向約153.0m，東西方向200.0m，占地約30600m2。本項目按照生產(chǎn)功能，將廠區(qū)分為： 廠前區(qū)：包括辦公大樓、生活綜合樓等。生產(chǎn)區(qū)：異丁烯分離車間，mal 合成及分離車間，mma 合成及精制車間。輔助生產(chǎn)及公用工程區(qū)：包括消防站、維修站、中心控制室、化驗室、供電站等。儲罐區(qū)：包括碳四儲罐、甲醇儲罐、氯仿儲罐，全場倉庫。3.6.2 廠區(qū)布置在保證安全距離的前提下，為合理利用土地，減少管道回轉(zhuǎn)次數(shù)，節(jié)省管線，整個廠區(qū)布置采用了“一”字形理念。在精餾車間的東面，預(yù)留20m20m 作為工廠預(yù)留空地。廠內(nèi)建筑抗震等級均為6 級。運輸線路“t”

22、形布置，廠內(nèi)車輛不允許掉頭逆向行駛，廠內(nèi)南門和西門兩個大門專供貨流進(jìn)出入。車間按照生產(chǎn)流程垂直布置, 與公用工程呈“l(fā)”型。如圖7 所示。圖7 總廠平面布置圖 圖8 總廠3d效果圖3.7 車間布置3.7.1 3d設(shè)計圖 圖9 車間布置3d圖3.7.2 車間平立面圖作品中對三個工段都作出了平立面圖，現(xiàn)以mma精制車間為例說明。圖10 mma精制車間工段立面圖圖11 mma精制平面圖3.8 儀表自動化控制化工自動化是化工、煉油等化工類型生產(chǎn)過程自動化的簡稱?；どa(chǎn)過程，往往是在密閉的管道和設(shè)備中進(jìn)行，常常具有高壓、高溫、深冷、有毒、易燃、易爆等特點，因此，必須借助于各種儀表等自動化工具進(jìn)行自動化

23、生產(chǎn)，才能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定、可靠和安全。3.8.1 精餾塔的控制方案精餾塔是化工過程中重要的設(shè)備，整體上分為塔體部分、塔頂冷凝器、塔頂冷凝罐?；亓鞴藓退自俜衅魉膫€主要部分。精餾塔的主要干擾因素有，進(jìn)料流量的波動、進(jìn)料組成的變動、進(jìn)料溫度及熱焓的波動，加熱劑帶入熱量及冷凝劑帶走熱量的變化以及環(huán)境溫度的變化。1.溫度的控制輕組分由塔頂蒸出，塔頂溫度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。本次設(shè)計要求產(chǎn)品純度高，故將檢測元件安裝在靈敏板上，有效地提高控制的靈敏度和精度。2.壓力的控制另外在塔的頂部設(shè)有壓力計，通過塔頂壓力來控制進(jìn)料。此外考慮到反應(yīng)物、產(chǎn)物的危險性，我們在塔頂裝有安全閥、塔底裝有放凈閥。3.液位的控制在塔

24、的底部通過控制塔釜采出量來控制塔內(nèi)液位的穩(wěn)定。塔釜設(shè)有高、低液位計，通過液位檢測來調(diào)節(jié)控制閥，控制出口流量。下圖是某精餾塔的帶控制點圖。圖12 精餾塔控制方案4.回流罐的控制1. 回流量的控制由于通過對加熱的導(dǎo)熱油流量的調(diào)節(jié)來控制精餾塔內(nèi)的溫度，回流量雖然也能調(diào)節(jié)塔溫，但是工藝對塔底產(chǎn)品要求更高，因此對回流量的控制要求是保持回流量穩(wěn)定。2. 回流罐液位的控制在本工藝中的儲罐一般采用液位自動控制機制來調(diào)節(jié)液位，當(dāng)液位超過一定的界限后就會產(chǎn)生報警，從而通過調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)流量，最終達(dá)到降低液位的目的，見圖13 所示的mma 精餾塔塔頂回流罐控制機制。圖13 mma 精餾塔塔頂回流罐控制圖3.9 cad設(shè)計圖該項目利用cad繪圖工具根據(jù)工藝流程做出了pfd和pid圖，另結(jié)合詳細(xì)計算設(shè)計了設(shè)備裝配圖。3.9.1 pfd圖圖14精制異丁烯工段pfd圖圖15 精制mal工段 pfd圖 圖16 精制mma工段pfd圖3.9.2 pid圖圖17 mtbe精制工段pid圖圖18一步氧化mal工段pid圖圖19 直接氧化法制mma工段pid圖圖20 精制mma工段pid圖3.9.3 設(shè)備裝配圖圖21精餾塔裝配圖4項目總結(jié)本項目mma 是以