清華大學(xué)超臨界隊(duì)(嵌入字體版)

隊(duì)長(zhǎng)：張圣夫隊(duì)員：易橫、李辰鍇、蔣浩、畢敏達(dá)10萬(wàn)噸/年

碳四綜合利用項(xiàng)目——清華大學(xué)超臨界隊(duì)內(nèi)容提要Outline設(shè)計(jì)背景

Background初步設(shè)計(jì)說(shuō)明

PredesignSpecification工廠布置PlantLayout經(jīng)濟(jì)分析

EconomicEvaluation項(xiàng)目總結(jié)

Summary設(shè)計(jì)背景Background1市場(chǎng)分析MarketAnalysis設(shè)計(jì)理念DesignConcept原料產(chǎn)品方案Material

ProductScheme設(shè)計(jì)目標(biāo)DesignTarget1234設(shè)計(jì)理念DesignConcept1-1石腦油蒸汽裂解裝置乙烯、丙烯等基礎(chǔ)原料下游產(chǎn)品碳四處理子系統(tǒng)原料產(chǎn)品方案MaterialProductScheme1-25萬(wàn)噸丁二烯1萬(wàn)噸LPG3萬(wàn)噸丙烯2萬(wàn)噸異丁烯高效利用+提高丙烯乙烯之比市場(chǎng)分析MarketAnalysis1-3合成橡膠項(xiàng)目增加，丁二烯供不應(yīng)求異丁烯：丁基橡膠、烷基化汽油、汽油添加劑，每年8％～10％的增長(zhǎng)速度設(shè)計(jì)目標(biāo)DesignTarget1-4項(xiàng)目單位指標(biāo)(優(yōu)級(jí)品)外觀

無(wú)色透明無(wú)懸浮物1,3-丁二烯W%總?cè)矡Nppm丁二烯二聚物（以4-乙烯基環(huán)己烯計(jì)）ppm羰基化合物（以乙醛計(jì)）ppm阻聚劑（TBC）ppm50-150過(guò)氧化物（以H2O2計(jì)）ppm水含量ppm氣相含氧量(V/V)%項(xiàng)目單位指標(biāo)(優(yōu)級(jí)品)外觀

無(wú)色透明異丁烯（m/m）%丙烷（m/m）%丁烷（m/m）%2-丁烯（m/m）%1-丁烯（m/m）%丁二烯（m/m）%水（m/m）%二聚物（m/m）%項(xiàng)目單位指標(biāo)（優(yōu)等品）丙烯含量(V/V)％≥99.6烷烴(V/V)％≤余量乙烯mL/m3≤50乙炔mL/m3≤2甲基乙炔和丙二烯mL/m3≤5氧mL/m3≤5一氧化碳mL/m3≤2二氧化碳mL/m3≤5丁烯和丁二烯mL/m3≤5硫mg/kg≤1水mL/m3≤10內(nèi)容提要Outline設(shè)計(jì)背景

Background初步設(shè)計(jì)說(shuō)明

PredesignSpecification工廠布置PlantLayout經(jīng)濟(jì)分析

EconomicEvaluation項(xiàng)目總結(jié)

Summary初步設(shè)計(jì)說(shuō)明PredesignSpecification2初步設(shè)計(jì)說(shuō)明PredesignSpecification工藝方案設(shè)備設(shè)計(jì)流程模擬熱量集成自動(dòng)控制丁烯-2+乙烯→2×丙烯工藝方案ProcessScheme2-1異丁烷正丁烷異丁烯丁烯-1丁烯-2丁二烯原料：蒸汽裂解碳四碳四抽余液粗反應(yīng)氣反應(yīng)氣異丁烷正丁烷異丁烯丁烯-1丁烯-2正丁烷丁烯-1丁烯-2正丁烷丁烯-2丁二烯異丁烯丁烯-1丁烯-2產(chǎn)品丙烯LPG碳四分離丙烯合成丁二烯分離N-甲基吡咯烷酮（NMP）乙腈（ACN）二甲基甲酰胺（DMF）生產(chǎn)成本技術(shù)水平理化性質(zhì)溶劑NMPDMFACN50℃丁二烯相對(duì)溶解度111對(duì)順2-丁烯的相對(duì)溶解度1.631.561.43對(duì)1-丁烯的相對(duì)溶解度0.420.420.48蒸汽閃點(diǎn)/℃91582蒸汽在空氣中的爆炸范圍/%1.3-9.82.2-163-16水溶液的腐蝕性無(wú)有無(wú)蒸汽在空氣中的允許濃度/mg/mL4006070毒性LD50/mg/kg5000-1500050-5005-50穩(wěn)定性穩(wěn)定分解少量二甲胺穩(wěn)定項(xiàng)目NMP工藝DMF工藝ACN工藝廠商BASF公司Zeon公司JSR公司產(chǎn)品純度/%98.8~99.9≥99.8≥99.5炔烴含量/(μg/g)<20<20<500丁二烯收率/%98~99≥9897~98設(shè)備數(shù)量/臺(tái)100125>100冷卻水/(t/t)182300230電/(kW·h/t)13514064蒸汽/(t/t)1.5872.5801.900溶劑用量/(kg/t)0.251.250.37生產(chǎn)方法ACNDMFNMP原料48.448.448.4副產(chǎn)28.227.727.9裝置3.72.42.0勞務(wù)1.32.22.2其他生產(chǎn)成本9.712.311.9總生產(chǎn)成本34.937.636.6工藝方案ProcessScheme2-1硫酸萃取法異構(gòu)反應(yīng)精餾法異丁烯分離分子篩法丁烷脫氫法MTBE法水合-脫水法組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%沸點(diǎn)/℃異丁烯44.00-6.9丁烯-128.00-6.24丁烯-221.97-0.88碳四抽余液粗反應(yīng)氣反應(yīng)氣異丁烷正丁烷異丁烯丁烯-1丁烯-2正丁烷丁烯-1丁烯-2正丁烷丁烯-2異丁烯丁烯-1丁烯-2工藝方案ProcessScheme2-1精餾段反應(yīng)段提餾段粗異丁烯去丙烯合成工段抽余碳四保證異丁烯和丁烯-2分離進(jìn)入精餾段之前，丁烯-1完全反應(yīng)保證丁烯-1和丁烯-2分離，打破平衡工藝方案ProcessScheme2-1碳四分離工藝方案ProcessScheme2-1丁烯-2+乙烯→2×丙烯主反應(yīng)

副反應(yīng)工藝方案ProcessScheme2-1主反應(yīng)丁烯-2轉(zhuǎn)化率大于80%異構(gòu)化反應(yīng)選擇性小于5%主反應(yīng)選擇性大于90%8%WO3/SiO2負(fù)載型催化劑丙烯合成工藝方案ProcessScheme2-1流程模擬FlowSheetSimulation2-2丁二烯分離單元異丁烯分離單元丙烯合成單元分模塊模擬循環(huán)物流切割靈敏度分析流程模擬FlowSheetSimulation2-2產(chǎn)品丁二烯異丁烯丙烯溫度/℃48.7520.0018.98壓力/Mpa0.550.701.00氣相分率0.000.000.00質(zhì)量流率/(kg/hr)6313.382580.213881.34體積流率/(m3/hr)10.814.348.15焓流率/(Gcal/hr)2.56-0.420.09密度/(kg/m3)601.43594.68475.98質(zhì)量分?jǐn)?shù)

乙烯0.00000.00000.0005丙烯0.00000.00000.9994異丁烷0.00000.00120.0000正丁烷0.00000.00030.0000異丁烯0.00000.99480.00001-丁烯0.00000.00170.00002-丁烯0.00050.00190.00001,3-丁二烯0.99950.00000.0000氫氣0.00000.00000.0000N-甲基吡咯烷酮（NMP）0.00000.00000.0000水0.00000.00010.0000乙腈（ACN）0.00000.00000.0000戊烯0.00000.00000.0000己烯0.00000.00000.0000

進(jìn)料出料ACNC4H2NMP乙烯丁二烯異丁烯丙烯LPG火炬溫度/℃30.6330.4260.0030.5325.0048.7520.0018.9885.1420.00壓力/Mpa0.600.603.500.700.750.550.701.000.800.70氣相分率0.000.001.000.001.000.000.000.000.001.00質(zhì)量流率/(kg/hr)0.0612626.265.05214.651289.786313.382580.213881.341276.7483.93體積流率/(m3/hr)0.0021.212.000.22145.3110.814.348.152.3413.21焓流率/(Gcal/hr)0.001.490.01-0.810.572.56-0.420.09-1.05-0.01密度/(kg/m3)804.52595.342.53988.598.88601.43594.68475.98555.306.35質(zhì)量流率（kg/hr）

乙烯0.000.000.000.001289.780.000.002.060.000.00丙烯0.000.000.000.000.000.000.003879.141.030.00異丁烷0.00126.260.000.000.000.003.130.00122.930.11正丁烷0.00252.530.000.000.000.000.780.02254.810.02異丁烯0.002777.780.000.000.000.012566.780.11132.1378.751-丁烯0.001767.680.000.000.000.214.360.00197.660.132-丁烯0.001388.890.000.000.003.044.900.00328.760.121,3-丁二烯0.006313.130.000.000.006310.130.000.000.000.00氫氣0.000.005.050.000.000.000.030.000.004.81N-甲基吡咯烷酮（NMP）0.000.000.000.130.000.000.020.007.340.00水0.040.000.00214.520.000.000.210.00207.470.00乙腈（ACN）0.030.000.000.000.000.000.000.000.000.00戊烯0.000.000.000.000.000.000.000.0019.040.00己烯0.000.000.000.000.000.000.000.005.570.00質(zhì)量總計(jì)/(kg/hr)14135.8014135.61焓總計(jì)/(Gcal/hr)1.261.17熱負(fù)荷/(Gcal/hr)-0.09流程模擬FlowSheetSimulation2-2冷熱流股溫焓圖夾點(diǎn)分析換熱網(wǎng)絡(luò)非低溫段、低溫段分別設(shè)計(jì)AspenEnergyAnalyzer夾點(diǎn)報(bào)告循環(huán)NMP熱量集成EnergyIntegration2-3氨制冷系統(tǒng)冷熱流股非低溫段：總共27個(gè)

溫度區(qū)間：41~250℃AspenEnergyAnalyzer處理低溫段：

總共5個(gè)

溫度區(qū)間：-18.9~41℃AspenEnergyAnalyzer處理氨制冷系統(tǒng)流股號(hào)入口溫度/℃出口溫度/℃熱負(fù)荷/(kJ/h)備注T0201-TOP-18.7584-18.85848856819.3742T0201塔頂冷凝T0202-TOP18.976518.87654062199.1384T0202塔頂冷凝T0103-TOP15.100015.00009518491.3171T0103塔頂冷凝T0105-TOP20.000019.90003932613.5002T0105塔頂冷凝TK0203-IN1877.508925.0000534003.9200混合器TK0203入口熱量集成EnergyIntegration2-3溫焓圖非低溫段組合溫焓圖非低溫段換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)報(bào)告換熱溫差10.0K夾點(diǎn)溫度76.2C和198.1C最小熱公用工程14.4MW最小熱冷公用工程8.2MW夾點(diǎn)分析熱量集成EnergyIntegration2-3換熱網(wǎng)絡(luò)以循環(huán)NMP為例熱量集成EnergyIntegration2-3-30℃5℃氨制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)分段一段二段氨流量/(kg/h)6367.58714145.335進(jìn)口條件壓力/bar1.2825.615溫度/℃-30.05.0出口條件壓力/bar12.7712.77溫度/℃196.883.7壓縮比5.161.77壓縮機(jī)功率/kW985.1729.7壓縮機(jī)效率0.720.72熱量集成EnergyIntegration2-3低壓蒸汽中壓蒸汽冷卻水節(jié)省費(fèi)用2404萬(wàn)元/年19.1t/h7.4t/h705.9t/h32.9t/h7.7t/h1558.2t/h設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)不設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)熱量集成EnergyIntegration2-3換熱器塔設(shè)備反應(yīng)器設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4催化劑操作溫度操作壓力質(zhì)量空速8%WO3/SiO2負(fù)載型催化劑250℃3.0MPa2kg/(kgcat·h）丙烯合成反應(yīng)器——反應(yīng)條件設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4催化劑易磨損反應(yīng)微放熱軸向絕熱式固定床反應(yīng)器催化劑易失活需頻繁再生多臺(tái)反應(yīng)器并聯(lián)丙烯合成反應(yīng)器——反應(yīng)特點(diǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4進(jìn)料速率G=6025kg/h質(zhì)量空速WHSV=2h-1催化劑質(zhì)量W=3.41t催化劑體積V=3.09m3床層高度L=3.93m

內(nèi)徑d=1.00m操作氣速u=0.0735m/s床層壓降△p=193.0kPa圓通壁厚Sn=22mm橢圓形封頭厚Sn=22mm裙座高度HB=2.75m人孔數(shù)目n=2總高度H=9.28m熱點(diǎn)溫升△T=8.02℃保溫材料：石棉厚度s=70mm16MnR鋼材Thiele模數(shù)Φ=1.219內(nèi)擴(kuò)散有效因子η=0.913Mears判據(jù)：外擴(kuò)散影響可忽略丙烯合成反應(yīng)器——計(jì)算過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4催化劑填充量：3.41t催化劑顆粒大?。?~6mm床層壓降：193.0kPa內(nèi)擴(kuò)散有效因子：91%外擴(kuò)散可忽略不計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4

距離L/m00.20.40.60.811.2溫度T/℃249.43250.1252.55253.79254.84255.71256.42距離L/m1.41.61.822.22.42.6溫度T/℃256.98257.4257.71257.9258258.02257.96距離L/m2.833.23.43.63.83.93溫度T/℃257.89257.82257.75257.67257.6257.53257.48L=2.347m，熱點(diǎn)溫升8.02℃反應(yīng)氣進(jìn)料口反應(yīng)氣出料口催化劑床層封頭

再生氣入口再生氣出口保溫層設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4設(shè)備參數(shù)高度/m直徑/m壁厚/mm反應(yīng)器主體5.931.022床層：3.93上封頭0.31.222下封頭0.31.222裙座2.75保溫層厚度/mm70總高9.28——選用鋼材16MnR保溫層材料石棉設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4450℃再生溫度0.2MPa再生壓力18.1kg/h平均燒炭速度熱空氣與氮?dú)饣旌蠚?，混合比由體積比1:8開(kāi)始不斷增大再生氣組成丙烯合成反應(yīng)器——再生條件設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4以熱空氣與氮?dú)怏w積比1:4為例進(jìn)行衡算物料衡算入方/(kg/h)出方/(kg/h)干空氣總量

1159.7干煙氣總量1163.2二氧化碳36.5氧氣

52.7氮?dú)?/p>

1105.0一氧化碳15.7

氮?dú)?105.0

氧氣6.0水氣總量7.4水氣總量22.4主風(fēng)帶入2.5生成水氣15.0松動(dòng)氣*5帶入水氣7.4焦炭18.1------合計(jì)1185.2合計(jì)1185.6熱量衡算入方/（104kJ/h）出方/（

104kJ/h）燒焦放熱49.8焦炭脫附熱5.73主風(fēng)升溫31.8焦炭升溫0.40散熱損失9.29松動(dòng)蒸汽升溫0.21催化劑升溫3.62總計(jì)49.8總計(jì)50.4設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4設(shè)計(jì)校核強(qiáng)度設(shè)計(jì)及穩(wěn)定校核整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本尺寸設(shè)計(jì)塔盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)備選型丙烯分離塔板式塔板間距：0.45m直徑：1m自身梁式塔盤(pán)板V-1型重閥可拆式垂直弓形降液管凹形受液盤(pán)等腰三角形排布：中心距75mm排間距77mm負(fù)荷性能圖塔高：26.35m材料：20R壁厚：10mm封頭：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭裙座：圓錐式設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4丙烯分離塔負(fù)荷性能圖1氣體流量下限線2氣體流量上限線3液相流量下限線4液相流量上限線5液泛線13452精餾段134251氣體流量下限線2氣體流量上限線3液相流量下限線4液相流量上限線5液泛線提餾段設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-40-0截面風(fēng)彎矩：

N·mm操作載荷：18901.0kg水壓試驗(yàn)載荷：37636.4kg設(shè)備安裝載荷：16686.2kg外徑：2270mm內(nèi)徑：1670mm厚度：30mm地腳螺栓：M42×4.524個(gè)0-0截面地震彎矩N·mm強(qiáng)度設(shè)計(jì)及穩(wěn)定校核基礎(chǔ)環(huán)及地腳螺栓地震載荷及風(fēng)載荷質(zhì)量載荷強(qiáng)度及穩(wěn)定性設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4溢流堰溢流型式單溢流堰型平直堰堰長(zhǎng)lwm0.75堰高h(yuǎn)wm0.05堰上液頭度howm0.0218板上清液高h(yuǎn)Lm0.0718溢流強(qiáng)度Lim3/(m·h)21.34降液管型式可拆式垂直降液管降液管寬Wdm0.169降液管面積Adm20.088降液管底隙高度h0m0.02降液管內(nèi)清液高度Hdm0.127降液管內(nèi)液體流速w0m/s0.051受液盤(pán)形式凹型受液盤(pán)深度m0.05塔盤(pán)排布浮閥數(shù)N74浮閥中心距tm0.075浮閥排間距t'm0.077開(kāi)孔率φ10.90%開(kāi)孔區(qū)面積Apm20.427校核霧沫夾帶量evkg(液)/kg(氣)0.023漏點(diǎn)氣速u0,漏m/s1.097穩(wěn)定系數(shù)K1.66項(xiàng)目名稱符號(hào)單位精餾段設(shè)計(jì)參數(shù)氣相負(fù)荷Vm3/h555.9183液相負(fù)荷Lm3/h16.0086氣相密度ρVkg/m320.7845液相密度ρLkg/m3478.4295表面張力σN/m0.007683液相粘度μPa·s0.000102基本參數(shù)塔型板式塔塔盤(pán)浮閥塔盤(pán)塔徑Dm1空塔氣速um/s0.197板間距HTm0.45單板壓降hpm0.0418浮閥類型F1(V1)型重閥閥徑dvm0.048起始開(kāi)度hv0m0.0025最大開(kāi)度hvmaxm0.0085閥孔直徑d0m0.0384閥重mvkg0.032材料0Gr13閥孔氣速u0m/s1.82設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4丙烯分離塔再沸器設(shè)計(jì)

——立式熱虹吸再沸器操作條件物性參數(shù)立式熱虹吸熱負(fù)荷傳熱溫差傳熱面積型號(hào)初選顯熱段傳熱系數(shù)蒸發(fā)段傳熱系數(shù)顯熱段和蒸發(fā)段長(zhǎng)度平均傳熱系數(shù)面積裕度校核設(shè)備初選方案論證設(shè)計(jì)條件設(shè)備設(shè)計(jì)EquipmentDesign2-4單元設(shè)備自控方案離心泵換熱器儲(chǔ)罐自動(dòng)控制AutomaticControl2-5自動(dòng)控制AutomaticControl2-5自動(dòng)控制AutomaticControl2-5五個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)TI壓力檢測(cè)點(diǎn)PI壓降檢測(cè)溫度控制流量控制內(nèi)容提要Outline設(shè)計(jì)背景

Background初步設(shè)計(jì)說(shuō)明

PredesignSpecification工廠布置PlantLayout經(jīng)濟(jì)分析

EconomicEvaluation項(xiàng)目總結(jié)

Summary工廠布置PlantLayout3廠址選擇SiteSelection廠區(qū)布置PlantLayout車間布置WorkshopLayout管道布置PipelineLayout上海化學(xué)工業(yè)區(qū)齊全的公用設(shè)施豐富的原料來(lái)源

良好的自然環(huán)境便捷的交通運(yùn)輸廠址選擇SiteSelection3-1廠區(qū)布置PlantLayout3-2儲(chǔ)運(yùn)區(qū)輔助生產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)區(qū)辦公生活區(qū)廠區(qū)布置PlantLayout3-2車間布置WorkshopLayout3-3碳四分離車間車間布置WorkshopLayout3-3碳四分離車間0-0平面車間布置WorkshopLayout3-3碳四分離車間立面圖管道布置PipelineLayout3-4內(nèi)容提要Outline設(shè)計(jì)背景

Background初步設(shè)計(jì)說(shuō)明

PredesignSpecification工廠布置PlantLayout經(jīng)濟(jì)分析

EconomicEvaluation項(xiàng)目總結(jié)

Summary4投資和成本分析123盈利能力分析盈虧平衡分析靈敏度分析經(jīng)濟(jì)分析EconomicEvaluation4序號(hào)工程或費(fèi)用名稱估算價(jià)值（萬(wàn)元）（Value/10,000RMB）1年均銷售收入159460.52年均銷售稅金及附加111802.63年均總成本費(fèi)用5421304年均利潤(rùn)總額34381.25年均所得稅8595.36年均稅后利潤(rùn)25785.9固定資產(chǎn)投資：102971.8萬(wàn)元其中：工程費(fèi)用：

73616.7萬(wàn)元遞延資產(chǎn)：

3204.0萬(wàn)元預(yù)備費(fèi)：

13431.1萬(wàn)元無(wú)形資產(chǎn)：12720.0萬(wàn)元投資和成本分析InvestmentandCostAnalysis4-1項(xiàng)目總投資11.89億元01貸款總額5億元02建設(shè)期貸款利息3525.0萬(wàn)元03流動(dòng)資金12356.6萬(wàn)元04投資和成本分析InvestmentandCostAnalysis4-1投資利潤(rùn)率ROI28.9%投資利稅率Investment

ProfitRate

37.4%投資收益率Investment

RateofReturn

21.7%投資