《年產(chǎn)80萬噸乙烯環(huán)氧化反應(yīng)工段工藝設(shè)計》17000字（論文）

PAGE年產(chǎn)80萬噸乙烯環(huán)氧化反應(yīng)工段工藝設(shè)計第1章概論 9第1.1節(jié)項目意義 91.1.1環(huán)氧乙烷應(yīng)用情況分類 91.1.2環(huán)氧乙烷發(fā)展情況 101.1.3市場分析和需求預(yù)測 10第1.2節(jié)文獻綜述 121.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 121.2.2環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法 12第1.3節(jié)技術(shù)路線的論證與選擇 13第2章設(shè)計基礎(chǔ) 15第2.1節(jié)裝置規(guī)模與工藝過程組成 152.1.1裝置規(guī)模 152.1.2工藝過程組成 15第2.2節(jié)原料、產(chǎn)品及副產(chǎn)品 152.2.1性質(zhì)與技術(shù)規(guī)格 152.2.2消耗量與產(chǎn)量 20第2.3節(jié)公用物料和能量 212.3.1規(guī)格 212.3.2消耗定額和綜合能耗 21第2.4節(jié)建議采用的標準規(guī)范 21第3章工藝說明 22第3.1節(jié)生產(chǎn)方法與原理 22第3.2節(jié)工藝流程詳述 22第4章工藝計算 25第4.1節(jié)全流程模擬 254.1.1全流程模擬簡述 254.1.2設(shè)計依據(jù) 26第4.2節(jié)物料衡算 27第4.3節(jié)熱量衡算 28第5章設(shè)備設(shè)計 33第5.1節(jié)反應(yīng)器設(shè)計 335.1.1催化劑用量 335.1.2反應(yīng)器參數(shù) 335.1.3床層壓力降的計算 345.1.4傳熱面積計算 355.1.5反應(yīng)器塔徑 375.1.6反應(yīng)器殼體厚度 375.1.7封頭高度及反應(yīng)器高度 37第5.2節(jié)換熱器設(shè)計及選型 385.2.1定性溫度下物性參數(shù) 385.2.2總傳熱系數(shù) 395.2.3換熱管設(shè)計 405.2.4折流板 405.2.5接管 415.2.6換熱器熱量衡算 415.2.7傳熱面積余量 42第5.3節(jié)機泵選型 425.3.1泵設(shè)計選型 425.3.2壓縮機選型 43第5.4節(jié)輔助設(shè)備設(shè)計及管路選型 445.4.1管路選型 44第6章工藝控制條件與自控設(shè)計 45第6.1節(jié)設(shè)備單元控制方案 456.1.1設(shè)計依據(jù) 456.1.2乙烯環(huán)氧化反應(yīng)器控制方案 456.1.3換熱器控制方案 466.1.4泵的控制方案 466.1.5安全及衛(wèi)生自控設(shè)計 47第7章安全與三廢處理 48第7.1節(jié)執(zhí)行的法規(guī)與標準 48第7.2節(jié)危害分析 48第7.3節(jié)三廢處理 487.3.1固廢處理 48第8章工程技術(shù)經(jīng)濟評價 50第8.1節(jié)編制依據(jù) 50第8.2節(jié)建設(shè)投資估算 508.2.1估算辦法 508.2.2設(shè)備購置費 50第8.3節(jié)固定資產(chǎn)投資 518.3.8建設(shè)資產(chǎn)匯總 52第8.4節(jié)建設(shè)期利息 52第8.5節(jié)流動資金 53第8.6節(jié)項目總投資匯總 53第8.7節(jié)產(chǎn)品總成本及費用估算 538.7.1原材料及輔助材料 538.7.2燃料與動力費 538.7.3員工薪資 538.7.4三廢處理費 53第8.8節(jié)銷售收入估算 54第8.9節(jié)稅金估算 54第8.10節(jié)財務(wù)分析 548.10.1財務(wù)現(xiàn)金流量表 548.10.2財務(wù)分析 57附表 59物料平衡表 59設(shè)備一覽表 61工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表和機泵數(shù)據(jù)表 62管道特性表 67參考文獻 82

第1章概論第1.1節(jié)項目意義EO，亦稱環(huán)氧乙烷，EO在室溫下為無色易燃氣體，有輕微的甜味，因為EO具有特殊的結(jié)構(gòu)，所以它很容易發(fā)生加成反應(yīng)和聚合反應(yīng)，此外，它與乙醛為同分異構(gòu)體[1,2]。環(huán)氧乙烷可作為化學消毒劑的成分，屬于冷消毒劑中性能最優(yōu)良的梯隊，也是低溫滅菌技術(shù)中重要的一員，但EO易燃、易爆，因此更適合短途運輸，通常變?yōu)槔鋬鲆后w進行處理和存放[3]。環(huán)氧乙烷不具有強腐蝕性，與其他物品接觸后無異味殘留，因此可以對一部分不耐高溫的材料進行消毒。1938年，為了保存香料，美國化學家LloydHall研發(fā)了環(huán)氧乙烷消毒法，EO消毒法至今仍然可以運用。與此同時，EO承擔著清潔劑的起始劑這一角色，可被運用于洗滌、制藥行業(yè)。近年來乙烯產(chǎn)能持續(xù)擴大，制烯烴技術(shù)發(fā)展迅速，一個國家的化工水平和實力與三烯三苯的產(chǎn)量和利用掛鉤，甚至可以說是呈一定的正比例關(guān)系。如何利用產(chǎn)能持續(xù)擴大的乙烯，讓其發(fā)揮出最大的優(yōu)勢是非常關(guān)鍵的一環(huán)。乙烯可以被氧氣直接氧化制備環(huán)氧乙烷。1.1.1環(huán)氧乙烷應(yīng)用情況分類（1）乙二醇系列目前，國內(nèi)市場中，七成以上的EO是用于生產(chǎn)乙二醇（EG）。乙二醇是石化行業(yè)重要的基礎(chǔ)原料，世界上大多數(shù)國家都會設(shè)置環(huán)氧乙烷/乙二醇聯(lián)產(chǎn)裝備，目前，世界上大多數(shù)工廠使用EO直接水合法，此方法工藝成熟，但生產(chǎn)成本高、消耗大[4]。（2）非離子表面活性劑非離子表面活性劑XR(CH2CH2O)n是環(huán)氧乙烷一個重要的下游產(chǎn)品鏈，通過和含活潑氫的RHX化合物反應(yīng)生成，在這些產(chǎn)品中，脂肪醇醚和烷基酚醚被大量生產(chǎn)和應(yīng)用[5]。這類非離子表面活性劑在酸性和堿性環(huán)境下都能穩(wěn)定存在，且去污能力很強，所以受到制備液體洗滌劑廠家的青睞，隨著合成洗滌劑的發(fā)展，消費者逐漸追求用量小的超濃縮洗滌劑，因此，該類產(chǎn)品的市場需求也逐漸增大[5]。（3）乙醇胺環(huán)氧乙烷與氨反應(yīng)生成乙醇胺，乙醇胺呈堿性，是無色黏稠液體，能吸收部分酸性氣體，在凈化工業(yè)氣體方面有不錯的發(fā)展，同時是乳化劑和原油破乳劑的上游原料。（4）乙二醇醚系列乙二醇醚兼具醇和醚的性質(zhì)，所以可以溶解纖維醋，工業(yè)上稱為溶纖劑[5]。乙二醇醚的用途多種多樣，在汽車工業(yè)和其他機械制造業(yè)中均得到了有效的利用，例如抗凍劑、油漆涂料溶劑等。1.1.2環(huán)氧乙烷發(fā)展情況2018年，泰興金燕建成了20萬t/aEO裝置，中海殼牌建成了15萬t/aEO裝置，我國EO生產(chǎn)能力達442.3萬t/a[6-8]。近年來，國內(nèi)EO產(chǎn)能逐年增大，但是大部分新增生產(chǎn)能力是在原工廠基礎(chǔ)上擴大的，實際新增產(chǎn)能約30%。未來5年，EO預(yù)計新增產(chǎn)能103萬t/a，總供給量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢，將超過500萬t/a，多在華南和華北地區(qū)，基本都配套下游裝置，但是，區(qū)域流動性將逐漸下降，以本地消費為主[7]。1.1.3市場分析和需求預(yù)測近年來，我國EO需求穩(wěn)步增長，主要是因為國家對基礎(chǔ)建設(shè)的投入增加，如高鐵及高速公路，導(dǎo)致增大了減水劑的需求量，對高性能減水劑的需求年均增長率達到8%；近五年來，房地產(chǎn)熱度并未減弱，油漆、涂料的消耗量逐年增加，下游EO需求增長5%—8%。五年來，聚羧酸高效減水劑單體需求量在原有的101萬噸基礎(chǔ)上，增長了60%，2014—2018年EO消費變化如圖1-1所示[9]。圖1-12014—2018年EO消費變化示意隨著“一帶一路”的發(fā)展，未來幾年，聚羧酸減水劑單體的需求增大仍然是EO產(chǎn)能增大的主要原因。2018年我國EO價格走勢如圖1-2[10]所示，不難看出，環(huán)氧乙烷價格在10000元上下徘徊。圖1-22018年我國EO價格走勢示意如前文所述，環(huán)氧乙烷的下游市場產(chǎn)品多種多樣，市場需求度高，多數(shù)環(huán)氧乙烷是通過和乙二醇聯(lián)產(chǎn)得到有效利用，目前，我國乙二醇的需求量也逐年攀升。從乙二醇市場使用率來看，仍然以聚羧酸減水劑單體、表面活性劑、乙醇胺等下游產(chǎn)品為主[11]。種種現(xiàn)象表明，隨著我國民營企業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)氧乙烷的市場占有率不斷提高。同時，龐大的下游市場需求也為EO行業(yè)的發(fā)展提供支持與保障，故建設(shè)生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的項目是很有必要的。第1.2節(jié)文獻綜述1.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）Shell工藝此工藝通過Ag-Re-Cs-S銀催化劑進行催化反應(yīng)，在環(huán)氧乙烷吸收塔的急冷段，去除反應(yīng)生成氣中的醛類物質(zhì)，確保反應(yīng)氣的醛含量處于一個較低值。之后，將貧吸收液輸送至解吸塔提濃段，在環(huán)氧乙烷的水解吸過程中，二元醇的占比會增加約30%，同時貧吸收液被運送到醇閃蒸回收塔，目的是為了防止醇吸收液累積[12]。（2）SD工藝此工藝增加了EO再吸收流程，同時為了使再吸收塔釜液中的環(huán)氧乙烷含量趨于一個穩(wěn)定值，將通過調(diào)節(jié)循環(huán)水量的辦法達到。在反應(yīng)器中使用Cs-Ag催化劑，然后，將反應(yīng)器的生成物通入環(huán)氧乙烷精餾塔，可減少反應(yīng)器中的環(huán)氧乙烷，促進主反應(yīng)的發(fā)生。該工藝的耗水量小，凝液利用率高。同時采用閉環(huán)控制水系統(tǒng)，但水系統(tǒng)置換量小，雜質(zhì)會積聚。（3）UCC工藝在UCC工藝中，使用含有至少一種鋰、鈉、鉀、銣、銫和鋇的陽離子促進劑的銀催化劑，以及硫化物和氟化物陰離子促進劑，在CO2去除系統(tǒng)中選擇改進的本菲爾法，大大提高了吸收能力。環(huán)氧乙烷凈化塔、脫惰性氣塔和精制塔組成環(huán)氧乙烷精制系統(tǒng)，保證產(chǎn)品純度達到工業(yè)要求，再根據(jù)實際需求進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整[13]。1.2.2環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法二十世紀三十年代，環(huán)氧乙烷多采用氯醇法生產(chǎn)，而在上世紀五十年代，大多數(shù)工廠開始使用空氣法或氧氣法。日本Misbishi化學株式會社和Mitsui化學株式會社都采用這種方法，水解法可以水解和中和氯乙醇，生產(chǎn)成本較低，產(chǎn)品純度也低[14-16]。近年來，工業(yè)上多使用銀基催化劑催化乙烯發(fā)生氧化反應(yīng)，目前市場上大多采用直接氧化法[17,18]。迄今，生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的方法如下：（1）氯醇法氯醇法有兩步反應(yīng)：氯氣+水+乙烯→C2H2ClCH2OH+氯化氫;C2H2ClCH2OH+氫氧化鈣→環(huán)氧乙烷+氯化鈣+水缺點如下：1）消耗氯氣，導(dǎo)致廢液和廢氣中含氯，造成污染，環(huán)境壓力增大；2）乙烯單耗高，因為此方法在生產(chǎn)過程中會發(fā)生很多副反應(yīng)，從而導(dǎo)致環(huán)氧乙烷收率偏低；3）環(huán)氧乙烷中含醛量較高，約為4ppm—5ppm，最低也有2ppm[5]。（2）空氣直接氧化法顧名思義，此方法的氧化劑是空氣，所以在工藝流程中，一定要配備空氣凈化裝置。該方法的特點是兩個或多個反應(yīng)器串聯(lián)，為了使主反應(yīng)器中的催化劑保持較高活性，通常憑借低轉(zhuǎn)化率操作，此方法工藝流程廠、設(shè)備投資大[19]。（3）氧氣直接氧化法此法的氧化劑多采用純氧，這樣會使系統(tǒng)中引入的氮氣和氬氣大大減少。未反應(yīng)的乙烯被洗滌后可進入循環(huán)氣壓縮機循環(huán)使用，提高乙烯利用率，但是循環(huán)氣必須脫除CO2，才能循環(huán)回反應(yīng)器，因為如果二氧化碳占比超過15%，催化劑的活性將大幅度下降[19]。第1.3節(jié)技術(shù)路線的論證與選擇氯醇法需要兩步反應(yīng)，而且消耗大量氯氣，將會造成嚴重的環(huán)境污染；其次，EO易異構(gòu)化為乙醛，產(chǎn)品收率較低，故基本被市場淘汰。氧氣法和空氣法這兩種氧化方均采用列管式固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器是整個工藝流程中的重中之重，影響著反應(yīng)效果，兩種方法的生產(chǎn)過程及后續(xù)精制過程基本相同，但是兩者相比，氧氣氧化法優(yōu)勢明顯。（1）流程空氣氧化法需要空氣凈化裝置和多臺反應(yīng)器，氧氣法需要將二氧化碳脫除，用吸收塔和解吸塔將環(huán)氧乙烷分離出來后精制。二者相比，氧氣氧化法工藝流程稍短，設(shè)備較少，建廠投資少。（2）催化劑催化劑用量是一個關(guān)鍵因素，用量少會影響原料的利用率，用量多則造成浪費，增加產(chǎn)品的成本，氧化法中催化劑的選擇性高，因此催化劑需要量少。此設(shè)計中，催化劑大多是銀催化劑，其中含銀量是一個重要的數(shù)據(jù)，德國HülS公司空氣法催化劑中含銀量在20%左右，而Shell公司氧氣法催化劑含銀量約為10%，氧氣法中含銀量幾乎是空氣法的一半[20]。（3）收率和單耗空氣氧化法環(huán)氧乙烷收率低于氧氣法，而且乙烯單耗較高[20]。（4）反應(yīng)溫度空氣法反應(yīng)溫度比氧氣法高，因此使用氧氣法，可以減少更換催化劑的頻率，并且維持生產(chǎn)的平穩(wěn)運行[19]。綜上所述，氧氣氧化法具有明顯的優(yōu)勢，因此此次設(shè)計選用氧氣氧化法。第2章設(shè)計基礎(chǔ)第2.1節(jié)裝置規(guī)模與工藝過程組成2.1.1裝置規(guī)模本次畢業(yè)設(shè)計為80萬噸/年乙烯環(huán)氧化反應(yīng)工段工藝設(shè)計，目前此工藝已經(jīng)在工業(yè)上成熟發(fā)展。2.1.2工藝過程組成原料反應(yīng)氣以一定比例通入氧氣混合站進行混合，在混合均勻后進入E0101換熱器，加熱至指定溫度后，進入反應(yīng)器發(fā)生環(huán)氧化反應(yīng)。在YS-X型銀催化劑的催化下發(fā)生主反應(yīng)，生成環(huán)氧乙烷，并且能產(chǎn)生大量熱能。一部分熱能被導(dǎo)出，另一部分被用于反應(yīng)原料氣的加熱，合理利用熱能，減少公用工程用量，更經(jīng)濟環(huán)保。汽包的壓力控制反應(yīng)器出口溫度。第2.2節(jié)原料、產(chǎn)品及副產(chǎn)品2.2.1性質(zhì)與技術(shù)規(guī)格乙烯環(huán)氧化反應(yīng)主要生成環(huán)氧乙烷，但在此工藝中，副反應(yīng)生成的一部分二氧化碳將會作為循環(huán)氣重新進入反應(yīng)系統(tǒng)，進行循環(huán)反應(yīng)。乙烯表2-1乙烯物性參數(shù)表外觀與形狀無色氣體，具烴類特有的臭味，少量乙烯有淡淡的甜味熔點（℃）-169.4相對密度（水=1）0.61沸點（℃）-103.9相對蒸氣密度（空氣=1）0.99分子式C2H4分子量28.06主要成分純品燃燒熱（kJ/mol）1411.0飽和蒸汽壓（kPa）4083.40（0℃）臨界壓力（MPa）5.04臨界溫度9.2爆炸上限%（V/V）36.95續(xù)表2-1乙烯物性參數(shù)表閃點（℃）無意義爆炸下限%（V/V）2.74引燃溫度（℃）425溶解性不溶于水，微溶于乙醇、酮、苯，溶于醚。溶于四氯化碳等有機溶劑毒性LC50：95000ppm（小鼠吸入）（2）氧氣表2-2氧氣物性參數(shù)表外觀與形狀無色無味氣體熔點（℃）-218.4相對密度（水=1）1.14（-183℃）沸點（℃）-183相對蒸氣密度（空氣=1）1.43分子式O2分子量32主要成分純品汽化熱（kJ/mol）6.82飽和蒸汽壓（kPa）506.62（-164℃）臨界壓力（MPa）5.08臨界溫度-118.95爆炸上限%（V/V）—閃點（℃）—爆炸下限%（V/V）—引燃溫度（℃）—溶解性溶于水、乙醇（3）二氧化碳表2-3二氧化碳物性參數(shù)表外觀與形狀常溫常壓下是一種無色無味的氣體熔點（℃）-56.6（527kPa）相對密度（水=1）1.56（-79℃）沸點（℃）-78.5相對蒸氣密度（空氣=1）1.53分子式CO2分子量44.01續(xù)表2-3二氧化碳物性參數(shù)表主要成分純品蒸發(fā)熱（kJ/mol）25.25飽和蒸汽壓（kPa）1013.25臨界壓力（MPa）7.39臨界溫度31.3爆炸上限%（V/V）—閃點（℃）—爆炸下限%（V/V）—引燃溫度（℃）—溶解性溶于水、烴類多種有機溶劑（4）甲烷表2-4甲烷物性參數(shù)表外觀與形狀常溫常壓下是一種無色無味的氣體熔點（℃）-182.5相對密度（水=1）0.42（-164℃）沸點（℃）-161.5相對蒸氣密度（空氣=1）0.5548分子式CH4分子量16.04主要成分純品燃燒熱（kJ/mol）890.3飽和蒸汽壓（kPa）53.32(-168.8℃）臨界壓力（MPa）4.59臨界溫度-82.6爆炸上限%（V/V）15.4閃點（℃）-188爆炸下限%（V/V）5.0引燃溫度（℃）538溶解性微溶于水，溶于醇、乙醚（5）氮氣表2-5氮氣物性參數(shù)表外觀與形狀常溫常壓下是一種無色無味的氣體熔點（℃）-209.8相對密度（水=1）0.81沸點（℃）-195.6相對蒸氣密度（空氣=1）0.97分子式N2分子量28.01續(xù)表2-5氮氣物性參數(shù)表主要成分純品燃燒熱（kJ/mol）—飽和蒸汽壓（kPa）1026.42(-173℃）臨界壓力（MPa）3.4臨界溫度-147.05爆炸上限%（V/V）—閃點（℃）—爆炸下限%（V/V）—引燃溫度（℃）—溶解性微溶于水（6）氬氣表2-6氬氣物性參數(shù)表外觀與形狀常溫常壓下是一種無色無味的氣體熔點（℃）-189.2相對密度（水=1）1.40沸點（℃）185.9相對蒸氣密度（空氣=1）1.38分子式Ar分子量39.95主要成分純品燃燒熱（kJ/mol）—飽和蒸汽壓（kPa）202.64(-179℃）臨界壓力（MPa）4.9臨界溫度-122.3爆炸上限%（V/V）—閃點（℃）—爆炸下限%（V/V）—引燃溫度（℃）—溶解性微溶于水（7）水表2-7水物性參數(shù)表外觀與形狀常溫下無色透明液體熔點（℃）0相對密度（水=1）1沸點（℃）100相對蒸氣密度（空氣=1）—分子式H2O分子量18.02續(xù)表2-7水物性參數(shù)表主要成分純品燃燒熱（kJ/mol）—飽和蒸汽壓（kPa）3.167(25℃）臨界壓力（MPa）22.05臨界溫度374.3爆炸上限%（V/V）—閃點（℃）—爆炸下限%（V/V）—引燃溫度（℃）—（8）環(huán)氧乙烷表2-8環(huán)氧乙烷物性參數(shù)表外觀與形狀無色氣體，在11℃以下為液體，無色，有醚味的甜味熔點（℃）-112.2相對密度（水=1）0.87沸點（℃）10.4相對蒸氣密度（空氣=1）1.52分子式C2H4O分子量44.02主要成分純品燃燒熱（kJ/mol）1262.8飽和蒸汽壓（kPa）145.91(20℃）臨界壓力（MPa）7.19臨界溫度195.8爆炸上限%（V/V）100閃點（℃）<17.8爆炸下限%（V/V）3引燃溫度（℃）429溶解性易溶于水，與多數(shù)有機溶劑（9）二氯乙烷表2-9二氯乙烷物性參數(shù)表外觀與形狀無色或淺黃色透明液體熔點（℃）-35.7相對密度（水=1）1.26沸點（℃）83.5相對蒸氣密度（空氣=1）3.35分子式C2H4Cl2分子量98.97主要成分純品燃燒熱（kJ/mol）1244.8續(xù)表2-9二氯乙烷物性參數(shù)表飽和蒸汽壓（kPa）13.33(29.4℃）臨界壓力（MPa）5.05臨界溫度261.5爆炸上限%（V/V）16閃點（℃）13爆炸下限%（V/V）6.2引燃溫度（℃）413溶解性微溶于水，可混溶于醇、醚、氯仿具體危害分析將在第7.2節(jié)展開。2.2.2消耗量與產(chǎn)量本設(shè)計以每年開工8000小時計算。進料為一定配比的原料氣，采用連續(xù)生產(chǎn)工藝。表2-10原料消耗量表名稱規(guī)格單位小時消耗量年消耗量乙烯>99.95%(wt)t648.0455184363.52氧氣>99.99%(wt)t186.3501490803.20二氧化碳>99.8%(wt)t72.270578163.52氮氣>99.99%(wt)t62.714501712.96氬氣>99.9%(wt)t29.864238912.00甲烷>99.99%(wt)t657.0055256038.40二氯乙烷>99.9%(wt)kg1.0768612.50最終產(chǎn)物如下表2-11產(chǎn)物產(chǎn)量表名稱小時產(chǎn)量(kg/h)年產(chǎn)量(萬噸/年)環(huán)氧乙烷103872.5683.10水14997.612.00二氧化碳108931.2487.14第2.3節(jié)公用物料和能量2.3.1規(guī)格表2-12公用工程規(guī)格表公用物料名稱運輸方式溫度/℃價格高壓蒸汽管道運輸245280元/噸冷卻水管道運輸251元/噸2.3.2消耗定額和綜合能耗表2-13公用工程消耗表公用物料名稱小時消耗量年消耗量高壓蒸汽255.877t2.047×106t冷卻水150.16kg1.201×106kg第2.4節(jié)建議采用的標準規(guī)范[1]《化工裝置設(shè)備布置設(shè)計規(guī)定》HGT20546-2009[2]《過程測量與控制儀表的功能標志及圖形符號》HG-2014[3]《化工工藝設(shè)計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定》HG/T20519-2009[4]《化工工廠初步設(shè)計文件內(nèi)容深度規(guī)定》HG/T20688-2018[5]《石油化工裝置基礎(chǔ)工程設(shè)計內(nèi)容規(guī)定》GB50160-2018第3章工藝說明第3.1節(jié)生產(chǎn)方法與原理如前文所述，此次設(shè)計選擇氧氣法制備環(huán)氧乙烷反應(yīng)器中主要涉及兩個反應(yīng)，由文獻21查得，兩個反應(yīng)式如下：[1]主反應(yīng)C2H4+0.5O2→C2H4O+105.84kJ/mol[2]副反應(yīng)C2H4+3O2→2CO2+2H2O+1327.2kJ/mol第3.2節(jié)工藝流程詳述本次工藝設(shè)計的全流程框圖如下：圖3-1生產(chǎn)環(huán)氧乙烷全流程框圖由于此次本人的畢業(yè)設(shè)計課題僅為乙烯環(huán)氧化反應(yīng)工段，對后續(xù)工段不做要求，故在此僅對反應(yīng)工段進行詳述。原料為乙烯、氧氣、氮氣、氬氣、甲烷及二氧化碳，反應(yīng)原料氣以一定的配比通入氧氣混合站，均勻混合后通入原料與粗產(chǎn)品熱交換器，從78攝氏度加熱到反應(yīng)需要的140攝氏度后進入反應(yīng)器。本設(shè)計選用YS-X催化劑，在YS-X催化劑的作用下生產(chǎn)環(huán)氧乙烷。反應(yīng)熱的一部分被導(dǎo)出，另一部分用來加熱反應(yīng)原料氣，熱交換之后的反應(yīng)生成氣達到指定溫度后送入后續(xù)工段。1、乙烯進料在原料的選取上，需要選取含硫量在0.01ppm以下的乙烯進入混合站，因為含硫量過高會引起催化劑中毒失活。在ASPEN中將溫度設(shè)置為30℃，壓力設(shè)置為2.1MPa。2、氧氣進料氧氣濃度過高引起爆炸的可能性較大，一般將摩爾分率控制在7%-8%范圍內(nèi)較為適宜，所以在ASPEN中，將氧氣摩爾分率設(shè)定為7.8%進料，能夠保證氧氣含量在爆炸極限之下。3、甲烷進料甲烷來源廣泛便利，目前將其作為致穩(wěn)劑的工廠居多，所以選擇甲烷作為此次設(shè)計的致穩(wěn)劑，并在ASPEN中將甲烷摩爾分率設(shè)定為55%。4、抑制劑反應(yīng)器中存在乙烷被完全氧化的副反應(yīng)，副反應(yīng)會使原料利用率下降，導(dǎo)致經(jīng)濟效益偏差，而且副反應(yīng)放熱量遠高于主反應(yīng)[21]，操作失誤很大概率發(fā)生飛溫等危險情況，所以需要選擇一種抑制劑抑制副反應(yīng)的發(fā)生。目前世界上大多數(shù)工廠選用EDC（二氯乙烷）作為抑制劑。5、循環(huán)氣進料主反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率為12%，大量原料未發(fā)生反應(yīng)，這些氣體經(jīng)過吸收提純后，通過壓縮機壓縮至2.1MPa，再通入混合站混合重新進入反應(yīng)系統(tǒng)。由于反應(yīng)生成氣中含有氮氣和氬氣，故將循環(huán)氣的90%送入混合站，其余部分弛放。6、原料加熱器本設(shè)計中E0101換熱器熱源為管板式換熱器，其中管程通入原料氣，將其從76℃加熱至140℃后進入反應(yīng)器；反應(yīng)氣走殼程，將其從230℃降溫至173℃。7、乙烯環(huán)氧化反應(yīng)器本設(shè)計中選擇列管式固定床反應(yīng)器作為乙烯環(huán)氧化反應(yīng)器，在230℃，2.1MPa的操作條件下進行。原料乙烯會和氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，同時也會發(fā)生乙烯被完全氧化的副反應(yīng)，生成二氧化碳。在此反應(yīng)中，乙烯單程轉(zhuǎn)化率為12%，催化劑選擇性為85%。除此之外，主反應(yīng)和副反應(yīng)都會釋放出大量的熱，為保護催化劑活性不受劇烈影響，以及維持反應(yīng)器溫度穩(wěn)定，需要在殼程通入冷卻水，由于汽化需要大量的熱，通過這一性質(zhì)正好可以撤走大量的反應(yīng)熱。第4章工藝計算第4.1節(jié)全流程模擬4.1.1全流程模擬簡述根據(jù)設(shè)計要求，采用ASPEN對流程進行模擬[22]。首先輸入所需要的基本組分：圖4-1物質(zhì)輸入圖原料含有乙烯、氧氣等非極性分子，故本次設(shè)計選擇PR-BM方法進行模擬計算，并且查看二元交互作用。圖4-2物性方法圖反應(yīng)工段流程模擬圖如下：圖4-3本設(shè)計流程模擬圖模擬結(jié)果如下：圖4-4無警告無錯誤結(jié)果圖反應(yīng)工段流程模擬無警告無錯誤。4.1.2設(shè)計依據(jù)本次工藝設(shè)計借鑒了北京東方化工廠環(huán)氧乙烷車間，生產(chǎn)能力為年產(chǎn)80萬噸環(huán)氧乙烷，生產(chǎn)過程安全系數(shù)取1.04。原料：乙烯、氧氣；反應(yīng)溫度：230℃；操作壓力：2.1MPa；空速：8000h1；催化劑：YS-X型銀催化劑，圓柱形，規(guī)格7.8×6.4mm,堆積密度650kg/m3；乙烯單程轉(zhuǎn)化率：12%；總轉(zhuǎn)化率：88%；乙烯選擇性：85%；年操作時間為8000小時，連續(xù)生產(chǎn)。第4.2節(jié)物料衡算本次設(shè)計要求是設(shè)計年產(chǎn)量為80萬噸環(huán)氧乙烷，按每年開工8000小時連續(xù)生產(chǎn)進行計算，實際每小時生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷可折算為：80×將乙烯、氧氣等原料按照以下比例通入氧氣混合站混合均勻。表4-1原料組成表物質(zhì)C2H4O2CO2CH4N2Ar摩爾分率317.82.25531根據(jù)計算，氣體每小時進料100kmol時，可生產(chǎn)3.162kmolC2H4O，若要達到2269.94kmol/h生產(chǎn)能力，則需原料量：2269.94×考慮到生產(chǎn)過程安全系數(shù)，則實際需要原料量為：71788.11×1.04=74659.63反應(yīng)器入口原料氣詳細數(shù)據(jù)如下表所示：表4-2反應(yīng)器入口組成表物質(zhì)摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量kg/h摩爾分率%質(zhì)量分率%C2H423144.48648045.4431.039.13O25823.45186350.407.811.25CO21642.5172270.442.24.36CH441062.80657004.8055.039.67N22239.7962714.123.03.79Ar746.6029864.001.01.80合計74659.631656249.20100.0100.00已知，乙烯單程轉(zhuǎn)化率及選擇性，通過模擬計算可得反應(yīng)器出口物料組成，如下表所示：表4-3反應(yīng)器出口組成表物質(zhì)摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量kg/h摩爾分率%質(zhì)量分率%C2H420367.14570280.0027.7234.43O23393.28108584.964.626.56續(xù)表4-3反應(yīng)器出口組成表CO22475.71108931.243.376.58CH441062.80657004.8055.8839.67N22239.7962714.123.053.79Ar746.6029864.001.021.80H2O833.2014997.601.130.90C2H4O2360.74103872.563.216.27合計73479.271656249.20100.00100.00由表4-2與表4-3可知，反應(yīng)工段中物料守恒。第4.3節(jié)熱量衡算熱量衡算公式如下：Q1+Q2=Q3+Q4（4-1）帶入反應(yīng)器的熱量Q1根據(jù)《石油化工工藝計算圖表》[23]中查到的各個組分的比熱數(shù)據(jù)，可以計算出各個組分自身攜帶的熱量。理想氣體計算比熱的公式如下：Cp0=B+3.6CT+9.72DT2反應(yīng)器進料氣為140℃，出料氣為230℃。各組分的Cp表4-4各組分Cp0值（k組分COCOCHNCHAr原料氣1.940.940.952.571.05——0.52氧化氣2.240.971.012.901.062.001.720.52在高壓條件下實際氣體的定壓比熱可用下式計算：Cp0?C（R=1.987kcal/kmol·℃）高壓下比熱數(shù)據(jù)可由下式計算得到：Cp=Cp0首先計算各物質(zhì)的對比溫度與對比壓力，根據(jù)內(nèi)插法計算出上述公式中的定壓比熱容。表4-6入口氣體校正參數(shù)組分COCOCHNArω0.0850.0210.2240.0080.040-0.004C-0.29-0.06-0.24-0.10-0.05-0.07C-0.27-0.02-0.28-0.22-0.01-0.28C-0.31-0.06-0.30-0.11-0.05-0.07表4-7出口氣體校正參數(shù)組分COCOCHω0.090.020.230.01C-0.16-0.03-0.11-0.06C-0.11-0.01-0.11-0.02C-0.17-0.03-0.14-0.06組分NArCHω0.040.000.200.34C-0.03-0.03-0.64-1.34C-0.01-0.01-0.96-3.54C-0.03-0.030.83-2.56表4-8各組分比熱表組分COCOCH反應(yīng)器進口氣C1.940.940.942.57C2.040.961.002.63反應(yīng)器出口氣C2.240.971.012.90C2.290.981.042.93組分NArCH反應(yīng)器進口氣C1.050.52——C1.060.54——反應(yīng)器出口氣C1.060.521.722.00C1.070.531.883.18反應(yīng)器入口溫度t1=140℃，t0=0℃則：Q1=imiCpi(t1?計算結(jié)果列于表4-9表4-9帶入反應(yīng)器氣體參數(shù)表組分Cp（kJ/kg·℃XwiXC2.03539.130.796O0.95811.250.108CO1.0054.360.044CH2.63039.671.043N1.0613.790.040Ar0.5351.800.010合計—100.002.041故Q1=WXwiCpit1=1656249.2×2.0412×140=4.733×1反應(yīng)產(chǎn)熱Q2總反應(yīng)放熱：Q2=23144.48×0.12×(0.85×105.84+0.15×1327.2)×1000=8.021×108kJ/h帶出反應(yīng)器熱量Q3氧化氣出口溫度t2=230℃，t0=0℃，則：Q3=imiCpi(t2?表4-10帶出反應(yīng)器氣體參數(shù)表組分Cp（kJ/kg·℃XwiXC2.28934.430.788O0.9806.560.064CO1.0396.580.068CH2.92939.671.162N1.0683.790.041Ar0.5281.800.010C1.8790.900.017H3.1846.270.200合計—100.002.349故Q3=WXwiCpit2=1656249.2×2.3491×230=8.682×1反應(yīng)器撤熱量根據(jù)熱量衡算可知：Q4=Q1+Q2-Q3=(4.733+8.021-8,682)×108=4.072×108kJ/h第5章設(shè)備設(shè)計第5.1節(jié)反應(yīng)器設(shè)計5.1.1催化劑用量（1）催化劑體積催化劑體積VR（m3）的計算公式如下：VR=V0S原料氣在標準狀態(tài)下的流量為：V0=74659.63×22.4=1672375.71m3/h則催化劑總體積VR=V0SV5.1.2反應(yīng)器參數(shù)（1）反應(yīng)器床層截面積計算公式如下：A=V03600u由于V0是標準狀態(tài)下的計算值，則u也該為標準狀態(tài)下的計算值，取11.66m/s。則，A=V03600u=（2）反應(yīng)管根數(shù)反應(yīng)管選用外徑42mm，壁厚3mm規(guī)格。反應(yīng)管根數(shù)計算公式如下：n=VRπ4·根據(jù)上述公式，計算出n=Aπ4·di（3）催化劑床層高度h=V0A則h=V0（4）反應(yīng)器管長L=（1+0.45）×h（5-5）則L=（1+0.45）×5.25=7.61m5.1.3床層壓力降的計算計算公式由文獻24《基本有機化學工程》[24]查到：ΔPH=Gρ其中，催化劑當量直徑計算公式如下：π4·d2計算得到，dP=8.36mm=0.00836m（1）混合氣體粘度計算公式可從文獻25《化學工程手冊》[25]查到，如下：μm0=i=1n表5-1混合氣體各組分相關(guān)參數(shù)表組分yμi/C31.0%0.016O7.8%0.031CO2.2%0.024CH55.0%0.017Ar1.0%0.034N3.0%0.026根據(jù)公式計算出，μm0=0.01603（2）床層壓力降式（5-6）中，H=5.25m，G=m/A=1656249.2/39.84=11.55kg/(m2·s)，ε=0.45，ρg=11.15kg/m3，g=9.81m/s2，dP=代入公式，可得床層壓力降：?P=3672.63kg/m2=3.67kPa5.1.4傳熱面積計算（1）床層對壁面給熱系數(shù)α給熱系數(shù)α1α1diλg混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)可由下式計算得到，λm=i=1ny表5-2混合氣體各組分導(dǎo)熱系數(shù)表組分λW/(m·K)yC0.05031.0%O0.0427.8%CO0.0332.2%CH0.06755.0%Ar0.0391.0%N0.0273.0%可計算得到氣體混合導(dǎo)熱系數(shù)：λm=在230℃，2.1MPa下的氣體體積流量為V=1672375.71×503.15×0.101325273.15×2.1=1由公式（5-2）可求得u=1.036m/s。將上述數(shù)據(jù)代入式（5-9），可得α1=909.78W/(m·K)（2）水對管外壁給熱系數(shù)α給熱系數(shù)α2α2=f·Ψ·λd(當系統(tǒng)壓力是3.5MPa時，飽和水溫度達到242.6℃。查《化工工藝設(shè)計手冊》[26]并且采用內(nèi)插法計算出飽和水的物性參數(shù)，如下所示：表5-3242.6℃下飽和水物性參數(shù)表物性數(shù)據(jù)Ckcal/(m2·℃)1.147λkcal/(m·h·℃)0.535μkg·s/m20.00001146σkgf/m0.002785γkgf/m3806.008γkgf/m318.434反應(yīng)管沸騰面積A`=π·0.042·7.61=1.004m2，G=WA`·γLγV=將上述數(shù)據(jù)代入（5-11），計算得α2=20615.66W/(m2·℃)（3）總傳熱系數(shù)反應(yīng)管導(dǎo)熱系數(shù)λ取17.97W/(m·K)；反應(yīng)管的平均直徑dm=d2壁面污垢熱阻為3.449×10-4m2·K/W。總傳熱系數(shù)的計算見公式（5-12）：K0=1d2由上述公式可計算出，K0=537.31W/(m2·K)。（4）傳熱面積傳熱面積計算公式如下：A需要=Q4K對數(shù)平均溫差ΔTmΔTm=ΔT1?由上述公式可計算出ΔTm=98.75℃，A需要實際傳熱面積A實際=π·d2A實際>A需要，符合設(shè)計要求。5.1.5反應(yīng)器塔徑計算反應(yīng)器塔徑的公式如下：D=t(nt-1)+2bt（5-15）t=1.368d按正三角排列，nt=1.1n=1.139141=217.62≈218；bt=1.4d2=1.4·0.042=0.0588m將上述數(shù)據(jù)代入公式，計算可得：反應(yīng)器筒體直徑D=12595mm，圓整后取12600mm。5.1.6反應(yīng)器殼體厚度計算公式如下：δ=PD2[σ]tφ?P本設(shè)計焊縫系數(shù)取1,封頭采用Q370R材料，筒體也采用Q370R材料，此材料在230℃下許用應(yīng)力為174MPa，計算得到筒體厚度為76.5mm。厚度偏差為0.9毫米，腐蝕裕量取1mm，故：D=76.5+0.9+1=78.4mm，圓整后取80mm。封頭厚度計算方法如上，最后取80mm。5.1.7封頭高度及反應(yīng)器高度選擇橢圓形封頭；H0=D4=H=2·(3150+40)+7610+100+50=13990mm，取反應(yīng)器高度14000mm。第5.2節(jié)換熱器設(shè)計及選型5.2.1定性溫度下物性參數(shù)由ASPEN模擬結(jié)果可得，原料氣從76℃被加熱至140℃，氧化氣從230℃冷卻至173℃。（1）原料氣原料氣定性溫度：t=該溫度下各組分物性參數(shù)如下所示：表5-4各組分物性參數(shù)表（381.15K）組分CPkJ/kg·KλW/(m·K)μcPXC2H41.830.0320.01331.0%O20.940.0330.0257.8%CO20.930.0230.0192.2%CH42.470.0470.01455.0%Ar0.520.0220.0281.0%N21.040.0310.0213.0%由公式CP=Xi·由公式（5-10）可計算得到λ=0.03883W/(m·K)；由公式（5-8）可計算得到μ=0.01511cP ；ρ=PMRT=2.1·22.22（2）氧化氣原料氣定性溫度：T=T該溫度下各組分物性參數(shù)如下所示：表5-5各組分物性參數(shù)表（474.65K）組分CPkJ/kg·KλW/(m·K)μcPXC2H42.160.0460.01627.72%O20.640.0400.03046.20%CO21.000.3100.02333.70%CH42.820.0620.01655.88%N20.520.0260.03330.50%Ar1.050.0380.02510.20%C2H4O1.650.0340.01511.30%H2O1.940.0340.01732.10%由公式CP=Xi·由公式（5-10）可計算得到λ=0.05226W/(m·K)；由公式（5-8）可計算得到μ=0.01767cP ；ρ=PMRT=2.1·總傳熱系數(shù)換熱器采用逆流設(shè)計，由公式（5-14）可計算出其對數(shù)平均溫差：ΔTm=93.（1）管程對流給熱系數(shù)查取相關(guān)規(guī)格，選取外徑25mm、壁厚2mm規(guī)格的換熱管，管內(nèi)氣體流速29m/s，根據(jù)文獻27可知對流給熱系數(shù)公式，如下：α=0.023λdRe0.8PrRe=duρμ=0.021·29·14.691.511·10?5=5α1=0.0230.03883（2）殼程對流給熱系數(shù)Re=duρμ=0.021·31·11.931.767·10?5=α2=0.0230.05226（3）總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)計算公式如下：K=11α+R式中，當流體為有機化合物蒸汽時，污垢熱阻取8.6×10-5m2·K/W。將上述數(shù)據(jù)代入式（5-18）可得：K=638.51W/(m2·K)（4）傳熱面積傳熱量：Q=qCp(t2-t1)=1656249.2/3600·2.056·(140-76)=58645.94kW傳熱面積：S=QK·?tm=58645.94·1000傳熱需要有余量，故S需要=1.15S=1124.39m25.2.3換熱管設(shè)計單程換熱管數(shù)量為：V=mρ=1656249.2n0=Vπ4單管程所需換熱管長度：L=S需要在此選用4500mm規(guī)格管長，故管程數(shù)為1，采用單管程設(shè)計。選用正三角形排列。根據(jù)GBT151/2014[28]，管心距取t=32mm。換熱器殼體內(nèi)徑為：D=1.05tn0因此選擇公稱直徑2000mm的換熱器。5.2.4折流板本次設(shè)計選擇弓形折流板，其圓缺高度是殼體內(nèi)徑的30%。H=0.3×2000=600mm折流板間距h=0.3D=0.3×2000=600mm本次設(shè)計選用600mm擋板間距。折流板數(shù)：NB=L/h-1=4500/600-1=6.5，圓整后取7。5.2.5接管（1）管程流速取44m/s，則其內(nèi)徑為：D1=4V1πu（2）殼程流速取52m/s，則其內(nèi)徑為：D2=4V2πu5.2.6換熱器熱量衡算（1）管程對流給熱系數(shù)利用式（5-17）計算：管程流通截面積：S=π4×3122×0.021管程流體流速：u1=雷諾數(shù)：Re1=0.021×28.26×14.69普朗特數(shù)：Pr1=將上述數(shù)據(jù)代入式（5-17）得α1=1581.03W/(m2·（2）殼程對流給熱系數(shù)α=0.36λdeRe055其中當量直徑：de=4[32代入數(shù)據(jù)可得，de=0.0202m；殼程流通截面積：S0=DB(1-d/t)=2·0.6·(1-25/32)=0.2625m；殼程流體流速：u2=38.564/0.2625=146.91m/s；雷諾數(shù)：Re2=普朗特數(shù)：Pr2=0粘度校正：(μμw將上述數(shù)據(jù)代入式（5-19）得α2=2401.49W/(m2·（3）總傳熱系數(shù)采用式（5-18），得K=712.12W/(m2·K)5.2.7傳熱面積余量換熱面積A需要=Q換熱器實際換熱面積S=πndL=3122×π×0.025×4.5=1103.41m2傳熱面積余量：S?A需要余量較大，可滿足設(shè)計要求。查取換熱器型號，所得參數(shù)如下所示：表5-6E0101換熱器參數(shù)表設(shè)備號公稱直徑/mm公稱壓力/MPa管程數(shù)管數(shù)換熱管規(guī)格管長/mmE010120002.513122?25×24500設(shè)備號管心距/mm換熱面積/m2管排列方式材料數(shù)量備注E0101321103.41正三角形Q345R1第5.3節(jié)機泵選型5.3.1泵設(shè)計選型通過熱量衡算可知，反應(yīng)器撤熱量Q4=4.072×108kJ/h。Q4=m·Cp1·?T1+m·?H+m·Cp2·?T2（5-21）查閱相關(guān)資料并使用內(nèi)插法計算可得，相變焓?H=1882.52kJ/kg，冷卻水密度為996.95kg/m3，粘度為0.000903Pa·s，最終計算得：m=149697.93kg/h。則汽包給水流量為V=150.16m3/h。1、第一段直管直徑為125mm，取管道流速1.4m/s，Re1=0.125×1.4×996.950.000903=1.932×εd=0.025125=0.0002全程阻力：hf1=λ2、第二段直管直徑為100mm，取管道流速1.4m/s，Re1=0.100×1.4×996.950.000903=1.546×εd=0.025100=0.00025全程阻力：hf2=λ3、其他能量損耗90°彎頭的ξ=0.75，入口ξ=0.5，出口ξ=1。計算阻力損失：hf3=ξ綜上，泵的揚程為：H=?Z+?Pρg+根據(jù)上述數(shù)據(jù)，選擇IS-125-100-200型離心泵，主要參數(shù)如下所示：表5-7P0101汽包給水泵性能參數(shù)表型號轉(zhuǎn)速r/min流量m3/h揚程m效率%軸功率kW電機功率kW必需汽蝕余量mIS125-100-2002900200508133.63壓縮機選型由于此次設(shè)計只包含反應(yīng)工段，對于壓縮機未能詳細設(shè)計，故只對壓縮機進行選型，結(jié)合本工段工藝物流的特性，再結(jié)合經(jīng)濟實用的原則，本工段的壓縮機選擇離心式壓縮機。具體選型結(jié)果參考附表設(shè)備一覽表。第5.4節(jié)輔助設(shè)備設(shè)計及管路選型5.4.1管路選型首先通過ASPEN模擬得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過查找相關(guān)文獻[26，27]進行管路的選型，計算方法如下：d=4qVπu下面將對主要管道進行舉例計算。原料混合氣99347.42m3/h，在此選用流速u=25m/s，d=4q在此選用DN1200無縫鋼管，再進行核算：u=4qVπd可知，選型結(jié)果符合工藝要求。所有設(shè)計及選型結(jié)果見管道一覽表。第6章工藝控制條件與自控設(shè)計第6.1節(jié)設(shè)備單元控制方案6.1.1設(shè)計依據(jù)《石油化工自動控制設(shè)計手冊》化學工業(yè)出版社《自動化儀表選型設(shè)計規(guī)定》HG/T20507-20006.1.2乙烯環(huán)氧化反應(yīng)器控制方案在本次設(shè)計中，采用恒溫列管式反應(yīng)器，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，該反應(yīng)器通過與外界換熱，從而保持溫度穩(wěn)定在230℃，反應(yīng)器上設(shè)有放空安全閥，目的是當反應(yīng)器飛溫時，能第一時間被開啟，將器內(nèi)氣體排出，保證安全。而溫度檢測儀表和報警儀表，主要檢測催化劑床層溫度，保證溫度處于一個安全范圍，并且和汽包進行串聯(lián)控制，通過對汽包壓力調(diào)節(jié)來控制反應(yīng)器溫度，不致于催化劑失活或其他異常情況，并且設(shè)置汽包通過蒸汽壓力控制反應(yīng)器撤熱，使反應(yīng)器維持在一個穩(wěn)定的溫度。圖6-1R0101反應(yīng)器控制圖此外，還設(shè)置了反應(yīng)器進料量檢測，保證進料量處于穩(wěn)定值，如果反應(yīng)器出現(xiàn)異常情況，將第一時間切斷進料。6.1.3換熱器控制方案圖6-2E0101換熱器控制圖E0101是物流間換熱器，將對出口氣體的溫度進行檢測及控制，當出口溫度變化時，控制系統(tǒng)將會根據(jù)設(shè)置，對入口流量進行調(diào)節(jié)，例如加熱介質(zhì)被冷卻的不到位，則會適當調(diào)大冷卻介質(zhì)的流量，保證換熱穩(wěn)定。但是這些數(shù)據(jù)都有一個安全范圍，若溫度偏離范圍太大，則會切斷閥門保證安全。6.1.4泵的控制方案此次設(shè)計中，P0101選用的離心泵。圖6-3泵的控制圖按照規(guī)定和經(jīng)驗，一般需要配備用泵，在實際生產(chǎn)中保持一開一備，如圖所示，在流量波動時，通過改變閥門開度調(diào)控流量大小，并根據(jù)泵的壓力變化來保證運行在安全范圍內(nèi)。6.1.5安全及衛(wèi)生自控設(shè)計安全是工廠運行的第一要素，除了以上對設(shè)備的控制外，在開車時還存在許多危險因素，如果出現(xiàn)人為不可控情況，第一時間切斷原料進料，并且開啟卸料閥，這樣不會既影響后續(xù)工段，也不會導(dǎo)致不可承擔的后果出現(xiàn)。之后，等出現(xiàn)異常情況的設(shè)備被調(diào)整到安全可運行的范圍，再重新開車，這樣才能保證流程安全進行。對于此次設(shè)計中所用到的物質(zhì)，如乙烯、環(huán)氧乙烷等，是具有一定的危險性的，人們長期接觸勢必對健康造成威脅。所以，一般工廠中都裝有空氣檢測系統(tǒng)。如果空氣中有害物質(zhì)過量，將打開通風系統(tǒng)，使空氣流通，并會在第一時間報警，提醒廠內(nèi)人員，確保人員處在安全地帶。同時，此次設(shè)計預(yù)計運行15年，期間如果出現(xiàn)設(shè)備老化或者密閉性變差的情況，更甚人員在檢修時導(dǎo)致撞擊產(chǎn)生火花，發(fā)生爆炸和火災(zāi)的可能性增大，所以在工廠設(shè)置了消火栓、防火砂等消防器材，如若發(fā)生起火等危險災(zāi)難，能第一時間進行救援，并且安排專業(yè)人員定期檢測、排查易燃易爆物品，確保產(chǎn)區(qū)無火災(zāi)隱患。此外，通過在墻上加隔音材料、工作人員佩戴防護工具等措施，減少噪聲污染，保護人員健康不受到威脅。第7章安全與三廢處理第7.1節(jié)執(zhí)行的法規(guī)與標準[1]《化工投資項目可行性研究報告編制辦法》（2012年修訂版）（中石化聯(lián)產(chǎn)發(fā)[2012]115號）[2]《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》（GB50160-2018）第7.2節(jié)危害分析流程中危害物質(zhì)為有機氣體，主要有乙烯、環(huán)氧乙烷，有機氣體一般都具有毒性。其危險有害因素多種多樣，對廠內(nèi)工作人員危害最大的不外乎火災(zāi)爆炸和毒物釋放，物理危害例如機械傷害、電傷害、高空墜落、噪音污染等。參與反應(yīng)工段的物質(zhì)具體物性數(shù)據(jù)在第二章中有提及，這里不再贅述。物質(zhì)的主要危害有：人體危害：乙烯、環(huán)氧乙烷對人體皮膚和粘膜具有刺激性，而且在生產(chǎn)過程中，消耗量大，如發(fā)生泄漏，員工短時間少量接觸或吸入會導(dǎo)致頭暈和惡心，若在短時間內(nèi)大量接觸，會導(dǎo)致人員死亡。而氧氣、氮氣、氬氣、二氧化碳、甲烷這些物質(zhì)毒性較小，少量接觸不會對人體造成嚴重威脅，但如若大量釋放到空氣中，會出現(xiàn)人員氧氣中毒或者缺氧窒息等癥狀。但是這些物質(zhì)均無放射性危害。環(huán)境危害：若管道或者設(shè)備發(fā)生泄露，泄露出的氣體不僅會污染廠區(qū)及廠區(qū)附近的空氣，同時水源、土壤也會受到影響，所以一定要定期安排人員檢查。燃爆危害：此次設(shè)計中，乙烯、氧氣、環(huán)氧乙烷均易燃，需要統(tǒng)一管理，安全儲存，在倉庫區(qū)禁止出現(xiàn)明火或者火花，防止火災(zāi)和爆炸。其它危害：在操作現(xiàn)場，人員一定要注意安全，做好防護措施，并且對所有電氣設(shè)備做好接地或惰化措施，避免發(fā)生高溫灼傷、高空墜落、電擊等事故。第7.3節(jié)三廢處理在本次設(shè)計中，乙烯環(huán)氧化反應(yīng)工段僅有固廢產(chǎn)生，無廢液及廢氣。7.3.1固廢處理此次設(shè)計中，固廢為失活催化劑，反應(yīng)器中催化劑一次性裝入135.88噸，兩年更換一次，故一年排放量為67.94噸。失活催化劑將送往催化劑生產(chǎn)廠家，由廠家進行相對應(yīng)處理，再生催化劑。表7-1固廢處理表序號排放物名稱有害物排放量(t/a)排放方式排放去向名稱含量1反應(yīng)器催化劑YS-X型催化劑100%67.94間歇廠家回收第8章工程技術(shù)經(jīng)濟評價第8.1節(jié)編制依據(jù)[1]《化工投資項目可行性研究報告編制辦法》（2012年修訂版）第8.2節(jié)建設(shè)投資估算8.2.1估算辦法通過市場調(diào)查、網(wǎng)絡(luò)詢價確定設(shè)備費用投資。8.2.2設(shè)備購置費表8-1各設(shè)備價格表設(shè)備位號設(shè)備名稱價格/萬元R0101乙烯環(huán)氧化反應(yīng)器198.2E0101氣-氣換熱器90.5E0102洗滌塔進料/釜液換熱器32.2P0101A/B汽包給水泵2.5C0101循環(huán)氣壓縮機450D0101反應(yīng)器蒸汽包1.3D0102反應(yīng)器氣體冷卻器蒸汽包1.3表8-2設(shè)備購置費一覽表編號名稱價格/萬元1工藝設(shè)備費776.002設(shè)備內(nèi)部填充296.063工藝管道及防腐保溫工程532.914儀表自控系統(tǒng)207.245電氣設(shè)備費用149.03續(xù)表8-2設(shè)備購置費一覽表6生產(chǎn)器具費29.617備品備件購置費81.428設(shè)備運雜費88.849其他設(shè)備費740.15總計2901.26第8.3節(jié)固定資產(chǎn)投資表8-3固定資產(chǎn)工程投資表名稱名稱費率價格/萬元建設(shè)工程投資2901.26直接費用土建工程40%1160.50場地建設(shè)20%580.25間接費用20%348.15營業(yè)稅3%86.53城市建設(shè)維護稅7%201.91教育附加稅3%86.53安裝工程反應(yīng)器39.64換熱器36.81泵0.25壓縮機90.00汽包0.52儀表及自控系統(tǒng)41.45其他設(shè)備148.03合計5721.838.3.8建設(shè)資產(chǎn)匯總表8-4建設(shè)期投資一覽表項目名稱價格（萬元）固定資產(chǎn)5721.83無形資產(chǎn)1500遞延資產(chǎn)建設(shè)單元管理費57.22生產(chǎn)準備費173裝置聯(lián)合啟動調(diào)試費57.22設(shè)計費57.22預(yù)備費用858.27合計8424.76第8.4節(jié)建設(shè)期利息2021年中國人民銀行貸款利率如下表所示：表8-52021中國人民銀行貸款匯率期限年利率/%一年期3.85五年期以上4.65本項目建設(shè)期投資為8424.76萬元，貸款4000萬元，其余自籌獲得。具體建設(shè)期利息及還款方案如下表：表8-6建設(shè)期利息估算表（單位：萬元人民幣）序號項目年份12345671借款額4000.004186.003560.652906.222221.361504.65754.622借款利息186.00194.65165.57135.14103.2969.9735.093借款本息和4186.004380.653726.223041.362324.651574.62789.714還款金額—820.00820.00820.00820.00820.00789.715建設(shè)期借款本息和4889.71第8.5節(jié)流動資金按建設(shè)資金的15%估算，則流動資金為1263.71萬元。第8.6節(jié)項目總投資匯總根據(jù)前文所述，項目總投資10578.18萬元。第8.7節(jié)產(chǎn)品總成本及費用估算8.7.1原材料及輔助材料本項目每年從原廠中運輸518萬噸的乙烯，氧氣149萬噸，二氧化碳57.8萬噸，526萬噸甲烷；從外購買氮氣50.2萬噸，單價為5000元/噸，氬氣23.9萬噸，單價為12000元/噸，二氯乙烷8.61噸，單價為3500元/噸；各項原材料和輔助材料費用共計537803.01萬元/年。8.7.2燃料與動力費表8-7燃料與動力費表公用工程名稱單位年消耗量單價（元）總價/萬元冷卻水t/a1201.2810.12高壓蒸汽（3.5MPa）t/a2.047×106280573168.7.3員工薪資我廠發(fā)放的工資為人均1萬元/月，其中包含了五險一金，故一名員工的平均年薪為12萬元。廠內(nèi)共100名員工，則一年1200萬。8.7.4三廢處理費固廢為催化劑，只要將其送回原催化劑制造廠家進行處理即可，費用預(yù)估為50萬元/年；第8.8節(jié)銷售收入估算本項目年產(chǎn)80萬噸環(huán)氧乙烷，但由于只設(shè)計了反應(yīng)工段，對于后續(xù)工段的投資及建設(shè)不能精確分析，所以在這里只售賣主產(chǎn)品，同時根據(jù)市場實際供需情況，及網(wǎng)絡(luò)詢價，每年環(huán)氧乙烷的平均價格為7500元/噸，則總收益為600000萬元。第8.9節(jié)稅金估算表8-8稅金估算總表項目名稱稅率價格/萬元增值稅銷項稅額17%87179.49進項稅額17%86470.70增值稅709.10城市維護建設(shè)稅7%49.64教育附加稅3%21.28企業(yè)所得稅15%533.99第8.10節(jié)財務(wù)分析由產(chǎn)品收入、總成本和稅金可得利潤總額為3622.95萬元，所得稅稅率15%，則需要繳納所得稅543.44萬元，凈利潤為3079.51萬元。8.10.1財務(wù)現(xiàn)金流量表 表8-9財務(wù)現(xiàn)金流量表（一）序號項目建設(shè)期投產(chǎn)期達產(chǎn)期年度12345一現(xiàn)金流入1銷售收入180000.00420000.00600000.00600000.002回收固定資產(chǎn)余值3回收流動資金續(xù)表8-9財務(wù)現(xiàn)金流量表（一）4小計180000.00420000.00600000.00600000.00二現(xiàn)金流出1建設(shè)期投資8424.762流動資本及建設(shè)期利息2153.423總成本費用178910.74417458.39596369.13596369.134銷售稅金及附加21.2849.6470.9270.925償還本息820.00820.00820.00820.006所得稅163.03380.41543.44543.447小計10578.18179915.05418708.44597803.49597803.49三凈現(xiàn)金流量-10578.1884.951291.562196.512196.51四累計現(xiàn)金流量-10578.18-10493.23-9201.67-7005.16-4808.65表8-10財務(wù)現(xiàn)金流量表（二）序號項目達產(chǎn)期年度678910一現(xiàn)金流入1銷售收入600000.00600000.00600000.00600000.00600000.002回收固定資產(chǎn)余值3回收流動資金續(xù)表8-10財務(wù)現(xiàn)金流量表（二）4小計600000.00600000.00600000.00600000.00600000.00二現(xiàn)金流出1建設(shè)期投資2流動資本及建設(shè)期利息3總成本費用596369.13596369.13596369.13596369.13596369.134銷售稅金及附加70.9270.9270.9270.9270.925償還本息820.00789.710.000.000.006所得稅543.44543.44543.44543.44543.447小計597803.49597773.20596983.49596983.49596983.49三凈現(xiàn)金流量2196.512226.803016.513016.513016.51四累計現(xiàn)金流量-2612.14-385.342631.175647.688664.19表8-11財務(wù)現(xiàn)金流量表（三）序號項目達產(chǎn)期年度1112131415一現(xiàn)金流入1銷售收入600000.00600000.00600000.00600000.00600000.002回收固定資產(chǎn)余值3回收流動資金續(xù)表8-11財務(wù)現(xiàn)金流量表（三）4小計600000.00600000.00600000.00600000.00600000.00二現(xiàn)金流出1建設(shè)期投資2流動資本及建設(shè)期利息3總成本費用596369.13596369.13596369.13596369.13596369.134銷售稅金及附加70.9270.9270.9270.9270.925償還本息0.000.000.000.000.006所得稅543.44543.44543.44543.44543.447小計596983.49596983.49596983.49596983.49596983.49三凈現(xiàn)金流量3016.513016.513016.513016.513016.51四累計現(xiàn)金流量11680.7014697.2117713.7220730.2323746.74在項目建設(shè)期，主要是靠投資帶動工廠運營，在第四年開始達產(chǎn)后，有了穩(wěn)定的銷售來源，每年均能盈利3000萬元左右，在第八年時，累計現(xiàn)金流量突破零，建廠15年后累計盈利2.375億元，經(jīng)濟效益較為明顯。8.10.2財務(wù)分析在此只分析反應(yīng)工段相關(guān)財務(wù)。稅后靜態(tài)投資回收期：P=8-1+385.34/2631.17=7.15年，小于化工行業(yè)標準14年。投資利潤率：3622.95/13094.07=27.67%，大于標準26%。投資利稅率：(3622.95+70.92)/13094.07=28.21%資本金凈利潤率：3622.95/4000=90.57%附表物料平衡表StreamName單位12345678相態(tài)汽相汽相汽相汽相汽相汽相汽相汽相溫度℃3020808076.05140230172.63壓力bar2121212121212121質(zhì)量汽相分率11111111質(zhì)量液相分率00000000質(zhì)量固相分率00000000質(zhì)量流量kg/hr77765.4487023.2572285.521419174.991656249.201656249.201656249.201656249.20C2H4kg/hr77765.440.000.00570280.00648045.44648045.44570279.99570279.99O2kg/hr0.0077765.440.00108584.96186350.40186350.40108736.88108736.88CO2kg/hr0.000.006585.0465685.4072270.4472270.44108869.19108869.19CH4kg/hr0.000.0065700.48591304.32657004.80657004.80657004.80657004.80N2kg/hr0.006271.410.0056442.7162714.1262714.1262714.1262714.12ARkg/hr0.002986.400.0026877.6029864.0029864.0029864.0029864.00H2Okg/hr0.000.000.000.000.000.0014981.5914981.59C2H4O-2kg/hr0.000.000.000.000.000.00103798.63103798.63質(zhì)量分率C2H41.000.000.000.400.390.390.340.34O20.000.890.000.070.07續(xù)上表CO20.000.000.090.050.040.040.070.07CH40.000.000.910.420.400.400.400.40N20.000.070.000.040.040.040.040.04AR0.000.030.000.020.020.020.020.02H2O0.000.000.000.000.000.000.010.01C2H4O-20.000.000.000.000.000.000.060.06體積流量cum/hr2874.043115.355798.0887393.1299347.42119807.26145130.30127581.30設(shè)備一覽表序號設(shè)備位號設(shè)備名稱數(shù)量操作溫度（℃）操作壓力（MPa）材質(zhì)質(zhì)量技術(shù)規(guī)格／型號1R0101乙烯環(huán)氧化反應(yīng)器12302.1Q370R396.43tGB150-20112P0101汽包給水泵2200.1IS-125-100-2003E0101氣-氣換熱器12302.1Q345RBEM2000-2.5-1200-5.5/25-1I4E0102洗滌塔進料/釜液換熱器11761.6Q345RBEM900-1.6-422.7-9.0/25-1I5C0101循環(huán)氣壓縮機1802.1TM12506D0101反應(yīng)器蒸汽包11250.16Q235-BFQG-01-2007D0101反應(yīng)器氣體冷卻蒸汽包12423.5Q235-BFQG-01-300工藝設(shè)備數(shù)據(jù)表和機泵數(shù)據(jù)表反應(yīng)器一覽表裝置名稱乙烯環(huán)氧化反應(yīng)器設(shè)備位號R0101反應(yīng)器類型列管式固定床反應(yīng)溫度/°C230工作壓力/MPa2.1質(zhì)量空速/?8000催化劑質(zhì)量/kg135.88催化劑YS-X型銀催化劑床層空隙率0.45催化劑密度/kg/m3650直徑/mm12600催化劑床層高度/mm5.25筒體高度/mm7640反應(yīng)器總體高度/mm14000列管規(guī)格/mm?25×2筒體材料Q370R封頭形狀標準橢圓型泵選型一覽表設(shè)備名稱用途型號流量(m3/h)揚程(m)轉(zhuǎn)速(r/min)軸功率(kW)電動機功率（kW）效率(NPSH)r/m質(zhì)量(泵/底座)P0101汽包給水泵IS125-100-20020050290033.64581%4.5108/160kg換熱器選型一覽表位號名稱圖紙?zhí)栃吞柟Q直徑（mm）公稱壓力（MPa）換熱管數(shù)管尺寸（mm）管心距（mm）管長（mm）管排列方式數(shù)量殼程/管程材料E0101氣-氣換熱器01-01BEM2000-2.5-1200-5.5/25-1I20002.5312225×2324500正三角形1Q345R/20(GB9948)E0102洗滌塔進料/釜液換熱器01-01BEM900-1.6-422.7-9.0/25-1I9001.6110225×2324500正三角形1Q345R/20(GB9948)壓縮機選型一覽表設(shè)備位號壓縮機名稱壓縮機類型進口壓力/MPa出口壓力/MPa進口流量m3/h出口流量m3/h品牌方設(shè)備型號數(shù)量功率/kWC0101循環(huán)氣壓縮機離心式1.62.1—87393.12SAMSUNGTECHWINTM125011200蒸汽包選型一覽表設(shè)備位號設(shè)備名稱數(shù)量操作溫度（℃）操作壓力（MPa）材質(zhì)公稱直徑/mm技術(shù)規(guī)格／型號D0101反應(yīng)器蒸汽包11250.16Q235-B200FQG-01-200D0101反應(yīng)器氣體冷卻蒸汽包12423.5Q235-B300FQG-01-300管道特性表管道號物料狀態(tài)物料名稱公稱直徑（mm）公稱壓力（MPa）管道等級壓力級別絕熱及防腐起點終點溫度（℃）壓力（Mpa）P&ID號厚度（mm）是否防腐PG-0101-200-NID-H氣態(tài)工藝氣體2002.5DN150是管網(wǎng)H0101302.102-01PG-0102-200-NID-H氣態(tài)工藝氣體2002.5DN150是管網(wǎng)H0101202.102-01PG-0103-300-NID-H氣態(tài)工藝氣體3002.5DN150是管網(wǎng)H0101802.102-01PG-0104-1150-NID-H氣態(tài)工藝氣體11502.5DN150是C0101H0101802.102-01PG-0105-1200-NID-H氣態(tài)工藝氣體12002.5DN150是H0101E010176.052.102-01PG-0106-1300-NID-H氣態(tài)工藝氣體13002.5DN150是E0101R01011402.102-02續(xù)上表PG-0107-1450-NID-H氣態(tài)工藝氣體14502.5DN150是R0101E01012302.102-02PG-0108-1350-NID-H氣態(tài)工藝氣體13502.5DN150是E0101E0102172.632.102-01參考文獻[1]KimJS,LeeSEChungHW.Chromosomeaberrationandglutathiones-transferaseactivityinperipherallymphocytesofworkersexposedtoethyleneoxide[J].KoreaJo