年产6万吨超高分子量PMMA项目设计
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年产5.7万吨超高分子量PMMA项目 项目摘要
项目摘要
年产6万吨超高分子量PMMA项目 项目摘要
目录
1.项目简介 1
1.1厂址介绍 1
2.原料产品确定 2
3.工艺设计 2
4.节能设计 3
4.1换热网络优化 3
4.2 HIDIC热耦合塔 4
4.3全厂能耗 5
5.设备设计 5
5.1多段组合式固定床反应器的应用 5
5.2新型塔板的运用 6
6.清洁生产 7
6.1 产品清洁 7
6.2 生产清洁 7
6.3 环境清洁 8
7.厂区选址与布置 10
7.1选址确定 10
7.2总厂布置 10
7.3三维布置 11
8.安全环境分析 11
9.经济效益分析 12
10.项目总结 13
年产6万吨超高分子量PMMA项目 项目摘要
1.项目简介
本项目是为某石化设计一座异丁烯进行资源化利用的分厂，并有效结合异丁烯下游产业发展现状，对异丁烯进行资源化利用，本项目年处理异丁烯3.4万吨，年产6万吨超高分子量PMMA，建于XX省XX市化学工业园区。在工艺设计中，兼顾经济效益和清洁生产，思路明确，亮点突出，其主要体现在如下几个方面：
对总厂异丁烯进行资源化利用，产生的高端PMMA销往江苏省周边产业，实现体系融合；
工艺流程中采用异丁烯两步法，提高原子利用率；采用本体聚合法制PMMA，得到超高分子量光学级PMMA；
采用HIDIC精馏、夹点分析和热集成技术等多项节能技术对工艺流程进行优化，提高效率、降低能耗；
利用专利对甲基丙烯醛和水进行分离同时用专利对甲醇和甲基丙烯酸甲酯进行分离，减少污染，并对后续三废详细处理；
采用新型组合式固定床反应器，CTST塔板提高分离能力，新型屏蔽泵降低能耗，新型换热器增强性能，新型填料增强分离效果。
1.1厂址介绍
南京化学工业园位于南京市六合区，是国家级化学工业园区，是继上海之后的中国第二家重点石油化工基地，近期规划面积45平方公里，远期规划面积100平方公里。南京化学工业园位于长江北岸，依托长江深水岸线而建，自然地理条件优越，区位交通优势突出，化工产业基础雄厚，中国石化集团公司在南京地区的多家大型骨干企业均分布在园区内及周边紧邻。
南京化工园重点发展石油化工、基本有机化工原料、精细化工、高分子材料、新型化工材料、生命医药项目。南京化学工业园是新世纪南京经济建设的重点工程，也是中国石化集团重点发展的化学工业基地之一。该地区地理位置优越，交通便利，基础设施完善，产业优势集中。
2.原料产品确定
本项目设计的是利用3.4万吨异丁烯制备6万吨超高分子量PMMA，其原料为来自总厂的异丁烯，实现异丁烯下游产品转型的同时创造了较高的经济效益。
表1 扬子石化异丁烯组成与性质
序号
名称
组分（wt%）
备注
1
丙烷
0.05
异丁烯总量大于98%,
1，3-丁二烯小于0.5%
2
环丙烷
0.005
3
丙二烯
0.016
4
丁烷
余量
5
2-丁烯
0.03
6
叔丁醇
0.01
7
二甲醚
0.0005
8
1-丁烯
0.02
9
异丁烯
99.7
10
甲醇
0.0005
11
水
0.01
12
1，3-丁二烯
0.005
总计
100
本项目针对市场对于高端PMMA的需求，本项目主产分子量为100万以上的PMMA。
表2 本项目主副产品一览表
序号
产品
规格
产量
备注
1
PMMA
分子量大于100万
60000t/a
主产品
3.工艺设计
本项目经过产品选择和工艺方案论证，采用日本旭化成的工艺。设计了甲基丙烯醛合成精制工段、甲基丙烯酸甲酯合成精制工段、MMA本体聚合工段组成的工艺流程，并实现了全流程稳态模拟与优化。
工艺流程如图1所示：
图1全工段流程图
来自总厂的异丁烯经过一步氧化得到甲基丙烯醛，其中甲基丙烯醛与水的分离采用专利得到纯度较高的甲基丙烯醛，得到的高纯度的甲基丙烯醛直接氧化酯化得到高纯的甲基丙烯酸甲酯，其中采用专利分离甲基丙烯酸甲酯与甲醇的混合液，后经过本体聚合制备聚甲基丙烯酸甲酯，该聚甲基丙烯酸甲酯的分子量超过100万的超高分子量PMMA,具有较高的利用价值。
4.节能设计
4.1换热网络优化
在本项目中，涉及公用工程量较多。为了充分利用能量，本项目通过使用Aspen Energy Analyzer软件，根据夹点设计法，结合实际情况，进行流股匹配，设计出了一种最优的冷热流股匹配方案。同时将优化后的换热网络返回流程模拟和PID图纸，对比分析得出最后方案，详见Aspen流程模拟源文件和PID图纸。全厂换热网络的匹配方案如图2所示。
图2 全厂换热网络匹配方案
经过热集成对换热网络进行优化后，共需要冷公用工程11.6MW，热公用工程10MW，与优化前相比，节能6.92MW。
4.2 HIDIC热耦合塔
图3 HIDIC热耦合塔模拟流程图
通过HIDIC热耦合塔可以节省6.526Gcal/h，和两塔均用公用工程相比，节能39.8%。
4.3全厂能耗
参考《综合能耗计算通则》（GB2589-2008）对本项目综合能耗进行计算，计算结果如表
表3 全厂节能一览表
项目
冷公用工程/MW
热公用工程/MW
总计/MW
直接公用工程
15.07
13.45
28.52
换热网络设计
11.6
10.0
21.6
能量减少量/%
23.1
25.7
24.3
5.设备设计
本项目设计过程中主要对多段组合式固定床反应器、T0203正己烷回收塔等设备进行了详细设计，对换热器、泵、压缩机等设备进行了选型。详见《典型设备设计与选型》和《反应器设计说明书》。
5.1多段组合式固定床反应器的应用
本项目采用一种组合式固定床反应器，包括壳体、进料口、出料口、上绝热反应床层、等温反应床层和下绝热反应床层，该固定床反应器通过在等温反应床层的上部设置上绝热反应床层,由此可使催化剂床层温度迅速升高，达到反应所需要温度，提高催化剂床层利用率此外，该绝热反应段还能有效控制反应温度，提高催化剂的整体使用寿命所述等温反应床层内设有沿等温反应床层的轴向均匀设置的换热列管，这种设置方式规整了沿径向流动的气体，使其呈平推流状态，减少了物料返混。与此同时，下绝热反应床层可降低反应器尺寸和制造成本。
图4多段组合式固定床反应器结构图
5.2新型塔板的运用
本本项目选用河北工业大学自主专利塔板CTST，立体传质塔板CTST为独特的立体结构，其核心部件为梯形喷射罩，如下图4-1和4-2所示，侧面为带筛孔的喷射板，两端为梯形的端板，上部为分离板。喷射板与塔板间有一定的底隙，为液体进入罩体的通道。塔板上为矩形开孔。分离板的作用一是提供气液接触空间，二是使气液两相有效分离，减少雾沫夹带。
优点如下：
（1）处理能力大，比F1浮阀塔板处理能力提高50%~150%；
（2）效率高，比F1浮阀高10%以上；
（3）板压降低，低于F1浮阀30%以上，可用于减压场合；
（4）操作弹性大，其值可达5.4~7.2；
（5）抗堵塞能力强，可处理含固体颗粒易自聚物料；
（6）具有消泡性能，适于处理易发泡物料；
图5 CTST塔板
6.清洁生产
本项目为异丁烯资源化利用生产PMMA的清洁生产工艺，主要体现为：
6.1 产品清洁
利用异丁烯制备超高分子量的PMMA是一条产品清洁的路线。超高分子量PMMA性质稳定，对环境友好。
由于其具有很强的韧性和抗划痕硬度，高耐磨性及强耐冲击性，即使在213℃的高温下也能长时间保持力学强度，变形很小甚至可用作战斗机的透明机舱罩等，因此具有很高的经济效益。
6.2 生产清洁
本工艺利用南京扬子石化的异丁烯，实现了异丁烯的资源化利用，起到节能减排、清洁生产和提高经济效益的作用；工艺路线过程进行专利对甲基丙烯醛与水还有甲醇和水的创新性分离，既提高了原子利用率，也减少了三废排放；MAL合成及MMA合成工段采用二氧化硅负载的钼铀绿色催化剂，基本保证低污染乃至无污染，实现项目环境友好型、生产经济型。
6.3 环境清洁
本项目为某石化分公司建立分厂，对三废处理作了完备的方案设计，三废排放表如下表所示：
表4 废水排放一览表
序号
废水名称
有害物成分及浓度（wt%）
排放特性
排放量（kg/h）
排放点
排放去向
排放方式
温度℃
压力MPa
连续
间断
1
甲醇水精馏塔塔顶废水
甲醇（0.25%）
MMA（0.45%）
MAA（0.35%）
99.4
0.1
连续
30000
甲醇水精馏塔塔顶
回收用水站处理
处理后再排放
2
MAL回收塔塔底废水
烃类（3.50%）
95.4
0.1
连续
1182
MAL回收塔塔底
回收用水站处理
处理后再排放
项目产生的污水主要包括工艺废水、生活污水、净化水站污水等废水和工艺循环水站外排污水。工艺废水主要包括甲醇水精馏塔塔顶废水、MAL回收塔塔底废水，主要成份为甲醇、MAL、MAA、低碳烃类等。工艺循环水站外排污水属清净废水。
项目产生的甲醇水精馏塔塔顶废水、MAL回收塔塔底废水、生活污水、净化水站污水等废水进入厂区污水处理站处理后和工艺循环水站外排污水一起进入回收用水站处理。
表5 废气排放一览表
序号
排放气名称
有害物组成
排放特性
排放量m3/h
排放点
排放去向
排放
方式
名称
含量%
温度
℃
压力MPa
连续
间断
1
MAL吸收塔塔顶废气
异丁烯
1.0
64.1
0.7
连续
1163
MAL吸收塔塔顶
大气
通往火炬系统处理后再排放
2
MMA吸收塔塔顶废气
MAL
0.04
41.1
0.1
连续
29843
MMA吸收塔塔顶
大气
通往火炬系统处理后再排放
本工艺所有工段的废气主要含氮气，部分氧气以及少量的烃类物质。直接送往总厂火炬系统处理。
厂区在生产过程中因进料和装卸问题会产生少量烃类物质的泄露，故应做好泄漏警报工作，同时在易泄漏处做好泄露废气的收集，防止其扩散。泄漏废气主要由各种烃类组成，故可将收集的废气直接送往总厂火炬系统处理。
表6 废固排放一览表
序号
排放废渣名称
有害物名称
排放量（吨/年）
排放点
排放方式
排放去向
1
MoO3-UO3/SiO2催化剂
重金属
10
生产
间歇
送资质单位处理
2
Pd5Bi12Fe/SiO2-MgO催化剂
重金属
10
生产
间歇
送资质单位处理
3
废污泥
重金属
50
污水处理站
间歇
喷洒化学药剂再生
4
生产包装物
固态废物
400
装卸区
间歇
送资质单位处理
5
生活区
固态废物
73.2
生活区
间歇
送至垃圾处理站
本过程中产生的废渣较少，主要为废催化剂和废填料，其中可送回催化剂厂回收再生，废吸附剂送回吸附剂厂再生处理。另外还会产生工业垃圾和生活垃圾。
异丁烯氧化催化剂，主要成份是MoO3-UO3SiO2，每3年更换一次，送往供应厂家进行回收处理；酯化催化剂，主要成分为Pd5Bi12Fe/SiO2-MgO，每3年更换一次，送往供应厂家进行回收处理。每次更换下来的废催化剂全部装入密闭容器，并在容器外壁贴上明显标签，慎防同其他固废混淆。如不能及时运出，需将容器放入固定堆放催化剂的仓库进程暂存。
污水处理站产生的泥饼，泥饼中主要含有降解后的有机物和无机物及氮、磷等，化工企业处理污泥属于危险固废，按照危险固废处理，送有处理资质单位处理。
生产包装物送资质单位降解处理。
项目职工日常生活垃圾实行袋装化管理，定点封闭储存，及时清运，送入垃圾处理中心。
7.厂区选址与布置
7.1选址确定
图6厂区选址
本项目将厂址定在南京扬子石化公司东北预留发展空地上，具体位置如图8所示。
项目建设地公共设施完善，企业集群使内部产业链优势明显；火抽余碳四由总厂直接经管线输送至本项目，方便快捷；三废处理、公用工程均有配套产业供应。项目所在地得到政府的政策扶助优惠和资金技术支持，产业的可持续发展。
7.2总厂布置
总图布置根据人车分离理念，分设车流通道和人员通道，减少交通阻力。采用了平行布置，将生产区生活区布置在厂区径向干道两侧，使二者互不影响。并且根据紧凑集中理念，合理布置厂区内建筑及车间位置，达到高效稳定安全的生产布置。厂区长300m，宽400m，总产地面积120000m2，主要包括管理区、辅助生产区、生产工艺区和储运区等区域。我们使用AutoCAD进行厂区的平面设计，厂区平面布置图如图9所示。
图7 厂区平面布置图
7.3三维布置
本项目利用Auto CAD进行了设备布置图的绘制，确定设备的摆放位置，方便生产，同时对厂区三维进行设计，如图10所示。详见车间平立面、车间三维布置和厂区三维布置源文件。
图8 厂区三维效果图
8.安全环境分析
本项目运用Risk System软件对厂区内的甲醇、异丁烯等储罐区进行了重大危险源辨识并根据物质的物性进行了罐区物质的源相分析，继而根据源相分析的结果进行池或事故模型预测、沸腾液体扩展蒸汽爆炸预测、蒸汽云爆炸模型预测并分析了事故的伤害范围；此外还运用了ALOHA软件对相关储罐进行了蒸汽云爆炸事故、BLEVE事故、池火事故、中毒事故的模拟；还采用了HAZOP分析软件、道化学火灾、爆炸危险指数评价对重大危险源进行风险预评估后设置SIS、DCS和ESD相结合的控制系统，实现对设备和系统的稳定控制。
9.经济效益分析
本厂经济技术分析遵循相关经济指标与分析方法，在充分了解市场价格后，借助Aspen Economic Analyzer进行辅助计算，对全厂投资、利润、现金流量等进行了详细估算与说明。计算可知，本厂总投资7.4亿元，年利润2.3亿元，投资回收期4年。分析结果表明，本项目在经济上是可行的，相较于现有的脱硫技术具有较高的经济效益。详见《经济分析》。
表7 综合经济技术指标
序号
项目名称
单位
数值
一
异丁烯处理规模
t
34000
二
产品方案
1
PMMA
t/a
60000
四
年操作时间
h
8000
五
主要原材料、辅助原料用量
1
异丁烯
t/a
34000
2
正己烷
t/a
165
3
工艺软水
t/a
240000
4
甲醇
t/a
19000
5
MoO3-UO3SiO2催化剂
t/a
30
6
6-叔丁基-2，4-二甲基苯酚
t/a
0.056
7
Pd5Bi12Fe/SiO2-MgO催化剂
t/a
45
8
偶氮二异丁腈
t/a
0.08
六
公用动力消耗量
1
冷却水
万t/a
1927.2
2
冷却剂
万t/a
48.8
3
低压蒸汽
万t/a
11.2
4
高压蒸汽
万t/a
2.72
5
电
万kW·h
33636.2
6
仪表空气
Nm3/a
494.0
七
三废排放量
1
废水
m3/h
31182
2
废气
Nm3/h
694534.4
3
废固
t/a
498.2
八
全厂定员
人
335
九
总占地面积
万亩
12
十
工程项目总投资
万元
74151.64
1
固定资产投资
万元
18671.1
2
流动资金
万元
4687.8
十一
年总销售收入
万元
108000
十二
年总成本
万元
83844.4
十三
年利润总额
万元
23804.7
十四
年销售额税金及附加
万元
350.9
十五
财务评价指标
1
投资利润率
%
40
2
投资利税率
%
33
3
投资回收期（静态/动态）
年
4/5
4
财务内部收益率
%
15.4
5
财务净现值
万元
224330.85
10.项目总结
本项目以“安全稳健、节能环保、资源化利用、可持续发展、有效融合”的设计原则进行了初步设计。通过查阅文献、市场调研确定异丁烯的来源，采用日本旭化成公司的工艺制备甲基丙烯酸甲酯，采用本体聚合制PMMA，然后采用Aspen Plus软件完成全流程的工艺模拟，并对全流程进行物料衡算和能量衡算。再根据模拟数据并结合Aspen Energy Analyzer软件对过程进行了热集成分析，确定了本项目的节能方案。在此基础上再用Aspen Plus软件对所需的公用工程进行了模拟计算和优化设计。根据流程模拟数据对设备进行选型，并利用KUP-Tower及SW-6对设备进行设计与校核；对于反应器，采用COMSOL Multiphysici软件进行了反应器的详细设计。在控制上，我们运用HAZOP分析、爆炸危险指数评价系统等一系列方法进行了安全评估后设置SIS、DCS和ESD相结合的控制系统。在环境安全上采用Risk System软件、ALOHA软件等一系列软件进行相关评估。图纸方面，主要完成了PFD（物料流程图）12张，P&ID（带控制点工艺流程图）13张、平立面布置图11张，重要设备装配图、厂区布置。文档方面，完成了包括《可行性研究报告》、《初步设计说明书》、《环境影响评价》等一系列设计文档。
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