年產3萬噸甲基丙烯酸甲酯分廠設計中期論文化工設計

1、 本科中期實驗論文實驗題目： 年產3萬噸甲基丙烯酸甲酯分廠設計 目 錄實驗題目： 年產3萬噸甲基丙烯酸甲酯分廠設計11 緒論22 項目可行性論證42.1 論證內容42.2 論證結論42.2.1 技術可行性42.2.2 市場可行性42.2.3 經濟可行性53 項目初步設計53.1 項目總論53.2 工藝路線選擇63.3 mma生產工藝流程模擬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 設備設計與選型113.5.1萃取精餾塔（t108）計算結果113.5.2 膨脹床反應器計算結果匯總133.5.3換熱器e-

2、102計算結果匯總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設計圖173.7.2 車間平立面圖173.8 儀表自動化控制183.9 cad設計圖213.9.2 pid圖223.9.3 設備裝配圖244項目總結25參考文獻：27致謝28年產3萬噸甲基丙烯酸甲酯分廠設計何超 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 進行綜合加工生產下游產品（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行氧化酯化反應制得mma。采用aspen plus對流程進行模擬、aspen energy analyzer對全流程進行換熱網絡優(yōu)化，運用autocad設計了工藝流程和設備裝配圖，還利用3dmax 進行了工廠建模，并對其它各種設備進行了設計以及校正。此外，對于這個設計進行了全方面可行性研究。關鍵詞：化工設計；裂解c4 ；mma；mal ; 模擬計算1 緒論石油煉制和石油化工生產過程中副產大量c4 烴類,如何充分合理利用這些副產資源, 進行深加工產品的開發(fā), 已經引起了人們的廣泛關注，其

4、綜合利用開發(fā)是提高企業(yè)經濟效益的重要途徑，亦是實現(xiàn)煉化資源綜合利用的必由之路。20 世紀90 年代以來，由于碳四分離技術與工藝的進步與完善，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入烷基化裝置生產高辛烷值的烷基化汽油或疊合汽油，部分用于生產聚丁烯和聚異丁烯；異丁烯用于生產甲基叔丁基醚.茂名石化年產3 萬噸mma 項目（mtbe）和烷基酚，正丁烯用于生產仲丁醇等，但正在運轉的工業(yè)化生產裝置很少，而且少量運轉

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、能源消費結構的變化、加工技術的進步，混合碳四作為石油化工基礎原料用于生產具有高附加值的精細化工產品和合成橡膠等技術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不少產品，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化學品的重要原料。80 年代以來,隨著應用領域的不斷拓展，mma 單體呈現(xiàn)產耗兩旺的勢頭。根據(jù)國內相關部門預測，未來幾年國內mma 的需求將以10%左右的速度增長，2011 年國內的mma 市場需求量將達到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mma 市場需求將達到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工藝用來生產汽油辛烷值的調和組分。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）生產甲基丙烯酸甲酯（mma）技術，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 論證內容對該項目涉及的八大方面進行了可行性論證，論證內容概

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4.集成方案5.節(jié)能與節(jié)水措施6.項目實施進度7.投資估算與資金籌措8.社會及經濟效益分析2.2 論證結論2.2.1 技術可行性（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，其工藝技術成熟、生產規(guī)模和產品方案是切合實際的。（3）項目利用乙烯裂解c4生產mma，進行c4 資源的深度加工，提高物料利用率。2.2.2 市場可行性市場調查顯示：近年來，隨著mma 在世界范圍內的擴張，我國mma 市場也異?；鸨?，產銷兩旺，產品供不應求，mma 價格一路上揚。我國mma 市場需求年增長率達15%，而且需求仍

9、在不斷擴大，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時間推遲，但全年甲醇總產能預計仍可達到3500 萬噸，產量大約1500 萬噸，有一半產能過剩。據(jù)了解，2010 年底，國內原計劃投產的甲醇在建項目共有25 個，新增年產能合計861 萬噸，意味著2011 年全國甲醇產能將超過4000 萬噸，產能的增茂名石化年產3 萬噸mma 量已遠遠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，年產能合計2440 萬噸，新建、在建裝置的不斷投產，將進一步加劇國內甲醇產能過剩的局面，甲醇進料價格可能有所下滑。

10、眾多調查結果證明mma 具有良好的發(fā)展前景。 2.2.3 經濟可行性（1）由于采用總廠的乙烯裂解產生后的c4，大大降低了原料成本。（2）本項目產品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)帶來較好的經濟收益，獲取良好的投資回報。3 項目初步設計3.1 項目總論混合c4子綜合加工子項目的分廠設計，以工業(yè)區(qū)裂解制乙烯產生的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生產工藝流程模擬過程模擬最為重要的任務有三點：1. 對各候選工藝進行判斷是夠可行；2. 選擇最為適合的工藝方案；3. 對所選工藝方案進行優(yōu)化設計，確定最優(yōu)

12、工藝條件。整個設計過程中，采用aspen plus 對整個工藝流程進行了較為精確的計算，由于aspen plus 的原理是序貫模塊法，因此模擬時是對整個流程進行模擬計算，但在敘述時，為了敘述方便，這里將模擬進行分工段敘述。經文獻調研，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，送入精餾塔內除掉剩余c4，使mtbe 得到精制。合成mtbe 使用膨脹床反應器。甲醇和抽余碳四物料從膨脹床反應器底部進入，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，故有利于床層內的傳熱和傳質，床內徑向溫度分布均

13、勻，不會產生局部熱點，減少了副反應：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。而且反應器結構簡單，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, 作為反應器前離子過濾器的保護劑, 在一定程度上起到了保護反應催化劑的作用。使用d005陽離子交換樹脂，反應溫度為318.15k,壓強為900000n/sqm。而mtbe 裂解反應器使用列管式固定床反應器，反應溫度為398.76k，壓強為900000n/sqm，使用一種用鹵素調變sio2 負載al2o3 的催化劑，該催化劑使得mtbe 的裂解制取異丁烯具有反應溫度低、

14、轉化率高、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 進入萃取罐，被氯仿萃取出一定量的甲醇和水，再經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)以及進料板數(shù)，再以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)來設置radfrac 模塊中的參數(shù)，最后在radfrac 模塊背景下微調參數(shù)來滿足分離要求并對精餾塔進行挖潛處理。3.4 流程優(yōu)化模擬的最終目的是為了優(yōu)化流程，以達到某方面的效益最佳如經濟效益最佳、節(jié)能效果最佳等。在建立全流程模擬的過程中已經對局部可以尋優(yōu)的參數(shù)進行了尋求最優(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、進料板位置以及吸收他的吸收劑用量等。而一

16、些反應參數(shù)是根據(jù)文獻所述確定最佳操作條件，這些參數(shù)無需進行優(yōu)化。下面將舉例說明在建立流程時典型設備操作參數(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行優(yōu)化即可，采用aspenplus 中sensitivity 對洗水量進行優(yōu)化，優(yōu)化結如圖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，橫坐標洗滌水的用量，縱坐標是塔底出口中甲醇的含量

17、。當用水量是0.4kg/s 時，甲醇的含量最大，故取0.4kg/s 為洗滌水量。3.5 設備設計與選型該項目選取工藝中的塔t108、合成mtbe 的反應器膨脹床反應器、換熱器e102進行了詳細的設計計算，而其他塔設備、換熱器、管道、泵等進行選型。3.5.1萃取精餾塔（t108）計算結果表一 塔t-108 設計一覽表塔-108基礎數(shù)據(jù)設計壓力(mp)0.709設計溫度(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基本風壓400操作介質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形狀標準橢圓形 壁厚（mm）9筒體材料q2

18、35b塔板數(shù)18內徑（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結構圓臺高度（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操作質量（kg） 5020.4最小質量（kg） 4193.43.5.2 膨脹床反應器計算結果匯總表二 反應器進料情況進料各參數(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反應器內參數(shù)：反應器內軸向溫

20、差511 ,徑向溫差05 ;反應器的壓降小, 開工初期到末期壓降均在0. 03 mpa 以下。3.5.3換熱器e-102計算結果匯總表4 換熱器e-102計算結果匯總項目冷物流（原料液）（殼程）熱物流（水）（管程）質量流量（kg.s 1） 體積流量（m3.s1進口溫度（oc出口溫度（oc密度 （kg.m3）熱負荷q（kw）熱負荷q（kw）導熱系數(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，預留20m20m 作為工廠預留空地。廠內建筑抗震等級均為6 級。運輸線路“t”

22、形布置，廠內車輛不允許掉頭逆向行駛，廠內南門和西門兩個大門專供貨流進出入。車間按照生產流程垂直布置, 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過程自動化的簡稱?；どa過程，往往是在密閉的管道和設備中進行，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行自動化

23、生產，才能保證生產的穩(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備，整體上分為塔體部分、塔頂冷凝器、塔頂冷凝罐。回流罐和塔底再沸器四個主要部分。精餾塔的主要干擾因素有，進料流量的波動、進料組成的變動、進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品的質量。本次設計要求產品純度高，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有壓力計，通過塔頂壓力來控制進料。此外考慮到反應物、產物的危險性，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液位的穩(wěn)定。塔釜設有高、低液位計，通過液位檢測來調節(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熱油流量的調節(jié)來控制精餾塔內的溫度，回流量雖然也能調節(jié)塔溫，但是工藝對塔底產品要求更高，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節(jié)液位，當液位超過一定的界限后就會產生報警，從而通過調節(jié)閥門調節(jié)流量，最終達到降低液位的目的，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，另結合詳細計算設計了設備裝配圖。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 設備裝配圖圖21精餾塔裝配圖4項目總結本項目mma 是以