清華大學超臨界隊(嵌入字體版)

隊長：張圣夫隊員：易橫、李辰鍇、蔣浩、畢敏達10萬噸/年

碳四綜合利用項目——清華大學超臨界隊內(nèi)容提要Outline設計背景

Background初步設計說明

PredesignSpecification工廠布置PlantLayout經(jīng)濟分析

EconomicEvaluation項目總結

Summary設計背景Background1市場分析MarketAnalysis設計理念DesignConcept原料產(chǎn)品方案Material

ProductScheme設計目標DesignTarget1234設計理念DesignConcept1-1石腦油蒸汽裂解裝置乙烯、丙烯等基礎原料下游產(chǎn)品碳四處理子系統(tǒng)原料產(chǎn)品方案MaterialProductScheme1-25萬噸丁二烯1萬噸LPG3萬噸丙烯2萬噸異丁烯高效利用+提高丙烯乙烯之比市場分析MarketAnalysis1-3合成橡膠項目增加，丁二烯供不應求異丁烯：丁基橡膠、烷基化汽油、汽油添加劑，每年8％～10％的增長速度設計目標DesignTarget1-4項目單位指標(優(yōu)級品)外觀

無色透明無懸浮物1,3-丁二烯W%總炔烴ppm丁二烯二聚物（以4-乙烯基環(huán)己烯計）ppm羰基化合物（以乙醛計）ppm阻聚劑（TBC）ppm50-150過氧化物（以H2O2計）ppm水含量ppm氣相含氧量(V/V)%項目單位指標(優(yōu)級品)外觀

無色透明異丁烯（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）%項目單位指標（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設計背景

Background初步設計說明

PredesignSpecification工廠布置PlantLayout經(jīng)濟分析

EconomicEvaluation項目總結

Summary初步設計說明PredesignSpecification2初步設計說明PredesignSpecification工藝方案設備設計流程模擬熱量集成自動控制丁烯-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氣反應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)成本技術水平理化性質(zhì)溶劑NMPDMFACN50℃丁二烯相對溶解度111對順2-丁烯的相對溶解度1.631.561.43對1-丁烯的相對溶解度0.420.420.48蒸汽閃點/℃91582蒸汽在空氣中的爆炸范圍/%1.3-9.82.2-163-16水溶液的腐蝕性無有無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設備數(shù)量/臺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硫酸萃取法異構反應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)量分數(shù)/%沸點/℃異丁烯44.00-6.9丁烯-128.00-6.24丁烯-221.97-0.88碳四抽余液粗反應氣反應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分離進入精餾段之前，丁烯-1完全反應保證丁烯-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

副反應工藝方案ProcessScheme2-1主反應丁烯-2轉化率大于80%異構化反應選擇性小于5%主反應選擇性大于90%8%WO3/SiO2負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)量分數(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/(kg/hr)14135.8014135.61焓總計/(Gcal/hr)1.261.17熱負荷/(Gcal/hr)-0.09流程模擬FlowSheetSimulation2-2冷熱流股溫焓圖夾點分析換熱網(wǎng)絡非低溫段、低溫段分別設計AspenEnergyAnalyzer夾點報告循環(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

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

總共5個

溫度區(qū)間：-18.9~41℃AspenEnergyAnalyzer處理氨制冷系統(tǒng)流股號入口溫度/℃出口溫度/℃熱負荷/(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)絡夾點報告換熱溫差10.0K夾點溫度76.2C和198.1C最小熱公用工程14.4MW最小熱冷公用工程8.2MW夾點分析熱量集成EnergyIntegration2-3換熱網(wǎng)絡以循環(huán)NMP為例熱量集成EnergyIntegration2-3-30℃5℃氨制冷系統(tǒng)壓縮機分段一段二段氨流量/(kg/h)6367.58714145.335進口條件壓力/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壓縮機功率/kW985.1729.7壓縮機效率0.720.72熱量集成EnergyIntegration2-3低壓蒸汽中壓蒸汽冷卻水節(jié)省費用2404萬元/年19.1t/h7.4t/h705.9t/h32.9t/h7.7t/h1558.2t/h設計換熱網(wǎng)絡不設計換熱網(wǎng)絡熱量集成EnergyIntegration2-3換熱器塔設備反應器設備設計EquipmentDesign2-4催化劑操作溫度操作壓力質(zhì)量空速8%WO3/SiO2負載型催化劑250℃3.0MPa2kg/(kgcat·h）丙烯合成反應器——反應條件設備設計EquipmentDesign2-4催化劑易磨損反應微放熱軸向絕熱式固定床反應器催化劑易失活需頻繁再生多臺反應器并聯(lián)丙烯合成反應器——反應特點設備設計EquipmentDesign2-4進料速率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)擴散有效因子η=0.913Mears判據(jù)：外擴散影響可忽略丙烯合成反應器——計算過程設備設計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)擴散有效因子：91%外擴散可忽略不計設備設計EquipmentDesign2-4設備設計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，熱點溫升8.02℃反應氣進料口反應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備設計EquipmentDesign2-4設備參數(shù)高度/m直徑/m壁厚/mm反應器主體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保溫層材料石棉設備設計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氣混合氣，混合比由體積比1:8開始不斷增大再生氣組成丙烯合成反應器——再生條件設備設計EquipmentDesign2-4以熱空氣與氮氣體積比1:4為例進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氮氣

1105.0一氧化碳15.7

氮氣1105.0

氧氣6.0水氣總量7.4水氣總量22.4主風帶入2.5生成水氣15.0松動氣*5帶入水氣7.4焦炭18.1------合計1185.2合計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主風升溫31.8焦炭升溫0.40散熱損失9.29松動蒸汽升溫0.21催化劑升溫3.62總計49.8總計50.4設備設計EquipmentDesign2-4設計校核強度設計及穩(wěn)定校核整體結構設計基本尺寸設計塔盤結構設計設備選型丙烯分離塔板式塔板間距：0.45m直徑：1m自身梁式塔盤板V-1型重閥可拆式垂直弓形降液管凹形受液盤等腰三角形排布：中心距75mm排間距77mm負荷性能圖塔高：26.35m材料：20R壁厚：10mm封頭：標準橢圓封頭裙座：圓錐式設備設計EquipmentDesign2-4丙烯分離塔負荷性能圖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液泛線提餾段設備設計EquipmentDesign2-40-0截面風彎矩：

N·mm操作載荷：18901.0kg水壓試驗載荷：37636.4kg設備安裝載荷：16686.2kg外徑：2270mm內(nèi)徑：1670mm厚度：30mm地腳螺栓：M42×4.524個0-0截面地震彎矩N·mm強度設計及穩(wěn)定校核基礎環(huán)及地腳螺栓地震載荷及風載荷質(zhì)量載荷強度及穩(wěn)定性設備設計EquipmentDesign2-4溢流堰溢流型式單溢流堰型平直堰堰長lwm0.75堰高hwm0.05堰上液頭度howm0.0218板上清液高hLm0.0718溢流強度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受液盤形式凹型受液盤深度m0.05塔盤排布浮閥數(shù)N74浮閥中心距tm0.075浮閥排間距t'm0.077開孔率φ10.90%開孔區(qū)面積Apm20.427校核霧沫夾帶量evkg(液)/kg(氣)0.023漏點氣速u0,漏m/s1.097穩(wěn)定系數(shù)K1.66項目名稱符號單位精餾段設計參數(shù)氣相負荷Vm3/h555.9183液相負荷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)塔型板式塔塔盤浮閥塔盤塔徑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起始開度hv0m0.0025最大開度hvmaxm0.0085閥孔直徑d0m0.0384閥重mvkg0.032材料0Gr13閥孔氣速u0m/s1.82設備設計EquipmentDesign2-4丙烯分離塔再沸器設計

——立式熱虹吸再沸器操作條件物性參數(shù)立式熱虹吸熱負荷傳熱溫差傳熱面積型號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)段長度平均傳熱系數(shù)面積裕度校核設備初選方案論證設計條件設備設計EquipmentDesign2-4單元設備自控方案離心泵換熱器儲罐自動控制AutomaticControl2-5自動控制AutomaticControl2-5自動控制AutomaticControl2-5五個溫度檢測點TI壓力檢測點PI壓降檢測溫度控制流量控制內(nèi)容提要Outline設計背景

Background初步設計說明

PredesignSpecification工廠布置PlantLayout經(jīng)濟分析

EconomicEvaluation項目總結

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?；瘜W工業(yè)區(qū)齊全的公用設施豐富的原料來源

良好的自然環(huán)境便捷的交通運輸廠址選擇SiteSelection3-1廠區(qū)布置PlantLayout3-2儲運區(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設計背景

Background初步設計說明

PredesignSpecification工廠布置PlantLayout經(jīng)濟分析

EconomicEvaluation項目總結

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)濟分析EconomicEvaluation4序號工程或費用名稱估算價值（萬元）（Value/10,000RMB）1年均銷售收入159460.52年均銷售稅金及附加111802.63年均總成本費用5421304年均利潤總額34381.25年均所得稅8595.36年均稅后利潤25785.9固定資產(chǎn)投資：102971.8萬元其中：工程費用：

73616.7萬元遞延資產(chǎn)：

3204.0萬元預備費：

13431.1萬元無形資產(chǎn)：12720.0萬元投資和成本分析InvestmentandCostAnalysis4-1項目總投資11.89億元01貸款總額5億元02建設期貸款利息3525.0萬元03流動資金12356.6萬元04投資和成本分析InvestmentandCostAnalysis4-1投資利潤率ROI28.9%投資利稅率Investment

ProfitRate

37.4%投資收益率Investment

RateofReturn

21.7%投資