华南地区首届大学生化工设计创业大赛.docx

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华南地区首届大学生化工设计创业大赛

“道达尔杯”第三届全国大学生化工安全设计大赛

题目

完成化工生产装置的工程及安全设计。

一、选题

1．总要求

比赛作品应遵守国家现行法律、法规、政策、标准和技术规范，所有数据必须有据可依，项目方案以最终可安全、高效、经济、环境友好地实施为目的。

2．目标产品

目标产品应为国家有重大需求的化学品。

3．工艺流程

工艺流程应包括化学反应、混合物分离、能量交换、流体输送和物料贮存等基本单元，连续生产。

计算基准：

每年330个工作日。

4．产量

综合考虑产品的社会需求、原料供应、投资规模等因素确定装置的产量。

5．质量

生产过程所使用的所有原料、辅料、催化剂及所制得的产品的质量均应符合相关国家标准、部颁标准或行业标准。

6．环境保护

满足相关国家标准、部颁标准或行业标准。

二、作品

1．初赛作品

提交电子版一式一份。

格式：

文本文件采用PDF，工程图采用AutoCAD。

2．决赛作品

提交电子版一式一份，纸版一式三份。

电子版格式：

文本文件采用PDF，工程图采用AutoCAD。

纸版格式：

文本文件以A4纸黑白双面打印，简装成册；工程图按实际图幅提交蓝图，折叠至A4幅面。

电子版作品与纸版作品应完全一致。

三、工程设计

1.工艺设计说明书；

2.带控制点的工艺流程图（PID）；

3.物料与能量衡算，工艺物料流程图（PFD）；

4.分类设备清单；

5.主要设备（任选一台）装配图、零部件图及设计说明书；

6.设备平面布置图；

7.操作规程。

设计文件格式及深度可参考附录，工程图样应满足制图类相关国家标准、部颁标准或行业标准。

四、安全内容

在工艺过程中选择一个典型的物料储罐，对其进行工艺安全分析和评价。

评价专篇至少应包含下列内容：

1、工艺安全分析。

详细阐明装置可能存在的危险和有害因素，可采用表格形式逐项列出，并提出对应的保护措施；

2、安全评价结论与建议。

五、其他说明

不按本题目要求的作品视为形式审查不合格，超出本题目要求的内容不加分。

“道达尔杯”第三届全国大学生化工安全设计大赛

竞赛委员会

2015年3月10日

附录

30万吨/年气体分离装置

一、装置概况

装置原料系催化裂化装置所产的并经脱H2S、硫醇后的液化气，装置公称设计规模30万吨/年，年开工8400小时，操作弹性为60～120%，占地99×29=2871m2（除管廊外），共用管廊占地99×10=990m2。

主要产品是纯度≥99.6%（mol）的精丙烯，副产品有丙烷馏分、碳四馏分和燃料气。

装置按三塔流程设计，即脱丙烷塔、脱乙烷塔和丙烯塔，其中丙烯塔板数较多（200层），为两塔串联。

装置采用集散型控制系统（DCS），配电间布置在联合装置配电间内。

二、工艺流程简述

本装置工艺过程分为脱丙烷部分、脱乙烷部分和精丙烯部分。

脱硫后的液化石油气进入本装置，经凝聚脱水器脱除游离水后进入脱丙烷塔进料罐（D001），液化气经脱丙烷塔进料泵（P001）从脱丙烷塔进料罐抽出，经原料-碳四换热器（E008）换热后再经脱丙烷塔进料加热器（E001）加热，以泡点状态进入脱丙烷塔（C001）第34层塔板。

E001热源为本装置回收的凝结水。

脱丙烷塔采用了69层ADV高效浮阀塔盘，压力控制在1.9MPa（G）。

塔顶的C2、C3馏分经脱丙烷塔顶冷凝器（E012）冷凝冷却后，进入脱丙烷塔回流罐（D002）。

冷凝液一部分用脱丙烷塔回流泵（P002）抽出作为脱丙烷塔（C001）回流，另一部分用脱乙烷塔进料泵（P003）加压后作为脱乙烷塔（C002）进料。

塔底物料碳四馏分经与原料换热后，用碳四冷却器（E009）冷却至40℃后送至气体分馏装置。

脱丙烷塔重沸器（E-002）的热源为0.45MPa蒸汽。

脱乙烷塔采用了57层ADV高效浮阀塔盘，压力控制在2.9MPa（G）。

塔顶碳二、碳三气体经脱乙烷塔顶冷凝器（E005）部分冷凝后，进入脱乙烷塔回流罐（D003），未冷凝的气体主要是乙烷和部分丙烯、丙烷，由回流罐上部经压控阀放至高压瓦斯管网。

冷凝液用脱乙烷塔回流泵（P004）送回脱乙烷塔顶全部作为回流。

脱乙烷塔底物料自压至精丙烯塔1（C003）第59层塔板，作为精丙烯塔进料。

脱乙烷塔重沸器（E003）热源为来自催化裂化装置的103℃热水。

丙烯塔分为两塔串联操作。

丙烯塔1（C-003）塔底丙烷馏分经丙烷冷却器（E007）冷却至40℃后，用丙烷馏分泵（P005）抽出送至罐区。

塔顶气体进入丙烯塔2（C004）底部，丙烯塔2底部液体由丙烯塔中间泵（P007）送回丙烯塔1顶部作为回流。

丙烯塔2顶气体经丙烯塔塔顶冷凝器（E013）冷凝冷却后，进入丙烯塔回流罐（D004），冷凝液用丙烯塔回流泵（P006）从丙烯塔回流罐抽出后一部分送回丙烯塔2顶部作为回流，另一部分经丙烯冷却器（E006）冷却至40℃后用丙烯产品泵（P008）送至罐区。

丙烯塔1重沸器（E004）热源采用来自催化裂化装置的103℃热水。

装置设停工线，当装置停工时，用泵P005将系统内物料抽出送至罐区。

不合格产品也通过此线送至罐区。

装置公用工程管线自系统引进。

三、主要工艺过程操作条件

分馏塔工艺操作条件

项目

操作温度/℃

操作压力/MPa（G）

回流比

进料

塔顶

塔底

回流罐

塔顶

塔底

回流罐

脱丙烷塔

76.3

48.8

107.3

45.7

1.9

1.95

1.85

3.3

脱乙烷塔

45.7

50.6

70.2

40.9

2.9

2.95

2.85

62.6

丙烯塔1

70.2

50.1

58.9

1.96

2.02

丙烯塔2

48.3

50.1

46.1

1.90

1.96

1.85

18.9

四、生产控制

设计范围为气体分馏装置界区内的全部现场控制仪表。

DCS系统监控操作站控制系统另立单元设计。

本装置采用以计算机技术为基础的分散控制系统（下称DCS）。

对全装置进行实时控制、实时显示报警、并生成各种生产和管理用的记录和报表。

1）分馏塔压力控制

分馏塔压力恒定与否，对塔的平稳操作有很大影响，只有在压力稳定的条件下，才能保证分馏塔的产品质量。

本装置分馏塔均设有塔顶压力控制，其中脱丙烷塔、丙烯塔采用热旁路控制，增大或降低塔顶气相冷凝量，达到稳定塔顶压力的目的。

当脱丙烷塔压力过高时，还可进一步通过不凝气的排放来降低压力。

本次设计方案中，采用双调节阀控制，在操作和安装上都更加灵活。

脱乙烷塔顶的不凝气较多，直接通过排放不凝气控制塔顶压力。

2）物料平衡

本装置各工序间采用循向物料平衡控制，即下游随上游的物料的波动而及时变化，从而使进出装置的物料达到总体平衡。

为消除上下游物料波动的干扰，采用液位—流量串级均匀控制方案。

3）热量平衡

为保持塔的热量平衡，对加热蒸汽量和塔顶冷回流量进行流量控制，考虑到原料变化的影响，一般构成塔底温度―加热蒸汽量、塔顶回流罐液位―顶回流量串级调节方式。

4）装置自动化控制水平

为保证生产装置平稳运行、安全生产、降低能耗，提高产品收率、产品质量和操作水平，本装置采用集散型控制系统（DCS）实现对装置生产的监视和控制，以实现全装置的监视控制和自动保护。

DCS应适应工厂集中管理的要求及与上层工厂管理网络连接的可能性。

五、物料组成

1）原料组成

组分

组成（wt%）

C2H4

0.04

C2H6

0.46

C3H6

34.02

C3H8

7.87

iC4H10

19.06

iC4H8

12.89

C4H8-1

5.93

nC4H10

4.07

tC4H8

8.36

cC4H8

7.26

C5H12

0.04

H2O

0.0

H2S

合计

100.00

2）丙烯产品组成

组分

组成（mol%）

C2H6

0.02

C3H6

99.62

C3H8

0.36

合计

100.00

3）丙烷馏分产品组成

组分

组成（mol%）

C3H6

3.93

C3H8

96.00

iC4H10

0.04

iC4H8

0.03

合计

100.00

4）碳四馏分产品组成

组分

组成（mol%）

C3H6

0.07

C3H8

0.08

iC4H10

32.34

iC4H8

22.66

C4H8-1

10.43

tC4H8

14.70

nC4H10

6.91

cC4H8

12.76

C5H12

0.05

合计

100.00

5）燃料气产品组成

组分

组成（mol%）

C2H4

4.67

C2H6

49.61

C3H6

42.24

C3H8

3.48

合计

100.00

六、公用工程（水、电、汽、风等）指标

项目

规格

来源

低压电

380V（-5%～10%）

变电所

1.0MPa蒸汽

压力（1.0±0.02）MPa，温度≮230℃

蒸汽管网

0.45MPa蒸汽

压力（0.45±0.02）MPa，温度≮140℃

蒸汽管网

循环水

压力≮0.40MPa，温度≯28℃

循环水场

净化风

≮0.7MPa

净化风管网

非净化风

≮0.7MPa

非净化风管网

4.0MPa氮气

≮3.8MPa

氮气管网

0.85MPa氮气

≮0.80MPa

氮气管网

七、主要操作条件

项目

单位

脱丙烷塔

脱乙烷塔

丙烯塔1

丙烯塔2

塔顶压力

MPa（g）

1.90

2.90

1.96

1.90

塔顶温度

℃

48.8

50.6

50.1

48.3

塔底压力

MPa（g）

1.95

2.95

2.02

1.96

塔底温度

℃

107.3

70.2

58.9

50.1

回流比

%

3.3

105

18.9

八、物料消耗

1）原材料、公用工程消耗

序号

指标名称

单位

数量

备注

一

主要原料

1

催化液化气

万吨/年

30.0

二

主要产品和副产品

1

丙烯产品

万吨/年

9.98

2

丙烷馏分

万吨/年

2.39

3

碳四馏分

万吨/年

17.30

4

燃料气

万吨/年

0.33

三

消耗指标

1

液化气

万吨/年

30.0

2

催化热水

t/h

466

3

循环水

t/h

2984

4

电

kW

519

5

0.45MPa蒸汽

t/h

18.8

6

氮气

Nm3/h

600

7

仪表空气

Nm3/h

120

8

非净化风

Nm3/h

600

四

装置占地面积

公顷

0.6448

五

三废排放量

1

废气

2

废水

t/次

2.0

3

废渣

2）耗水量

序

号

使用地点或用途

给水（t/h）

排水（t/h）

循环冷水33℃

循环热水41℃

含油污水

1

脱丙烷塔顶冷凝器（E012）

566

566

2

脱乙烷塔顶冷凝器（E005）

241

241

3

丙烯塔顶冷凝器（E013）

2061

2061

4

凝结水蒸汽冷凝器（E011）

39

39

5

丙烷冷却器（E007）

5.5

5.5

6

丙烯产品冷却器（E006）

8.2

8.2

7

碳四馏分冷却器（E009）

48

48

8

机泵冷却

13

13

2.0

合计

2982

2982

2.0

3）耗电量

序号

使用地点

或用途

电压（V）

设备台数

（台）

设备容量

（kW）

轴功率时数（kW）

年工作时数

（h）

年用电量

（万度）

操作

备用

操作

备用

1

脱丙烷塔进料泵（P001）

380

1

1

132

132

74

8400

62.16

2

脱丙烷塔回流泵（P002）

380

1

1

75

75

40

8400

33.6

3

脱乙烷塔进料泵（P003）

380

1

1

75

75

35

8400

29.4

4

脱乙烷塔回流泵（P004）

380

1

1

37

37

19

8400

15.96

5

丙烷馏分泵（P005）

380

1

1

5.5

5.5

2

8400

1.68

6

丙烯塔回流泵（P006）

6000

1

1

250

250

150

8400

126

7

丙烯塔中间泵（P007）

6000

1

1

250

250

150

8400

126

8

丙烯产品泵（P008）

380

1

1

30

30

15

8400

12.6

9

凝结水回收泵（P009）

380

1

1

15

15

9

8400

7.56

10

仪表用电

380

10

8400

8.4

11

照明用电

220

15

4200

6.30

合计

519

429.66

4）蒸汽耗量

序号

使用地点或用途

蒸汽用量t/h

回收凝结水t/h

0.9MPa（g）

0.45MPa（g）

0.9MPa（g）

0.45MPa（g）

1

脱丙烷塔重沸器（E002）

9.3

9.3

吹扫、消防

4.0

合计

4.0

9.3

9.3

九、装置物料平衡表

序号

名称

kg/h

t/d

104t/a

一

原料

1

液化石油气

35720

857.28

30.00

合计

35720

857.28

30.00

二

产品

1

精丙烯

11887.40

285.30

9.98

2

丙烷

2846.12

68.31

2.39

3

混合碳四

20598.78

494.37

17.30

4

燃料气

387.70

9.30

0.33

合计

35720

857.28

30.00

十、主要设备参数

1．概述

1）塔类

本装置共设4台板式塔。

①脱丙烷塔

板式塔，塔内共设69层塔盘。

精馏段、提馏段直径均为φ2400，塔板间距为500mm。

塔盘采用高效浮阀塔盘。

精馏段共设31层，提馏段共设38层.

②脱乙烷塔

板式塔，塔内共设57层塔盘。

精馏段直径为φ1600，进料口以上共17层，塔板间距为450mm；提馏段直径为φ1800，共40层塔盘，塔板间距为450mm。

塔盘采用高效浮阀塔盘。

③丙烯塔

（1）

板式塔，塔内共设100层塔盘。

直径为φ4000，精馏段进料口以上共33层，塔板间距为450mm，提馏段67层塔盘，塔板间距为450mm。

④丙烯塔

（2）

板式塔，塔内共设100层塔盘。

本塔全部为丙烯塔精馏段，直径为φ4000，塔板间距为450mm。

塔盘采用高效浮阀塔盘。

2）容器类

装置共需立式容器4台，卧式容器5台。

3）冷换设备

装置共有换热器24台。

其中重沸器采用T型翅片管重沸器，部分换热器采用波纹管换热器。

4）机泵

装置共需泵18台。

由于气体分馏装置液化气原料已经过双脱装置，含硫量很低，因此设备材质基本为碳钢。

塔板采用高效的ADV浮阀塔板，该塔板通量大效率高，已在多套气体分馏装置中使用，效果良好。

塔底重沸器采用T型槽管，冷凝器采用外螺纹管，以提高传热系数，减小设备尺寸。

2．塔数据

1）脱丙烷塔

设备位号

C001

设备名称

脱丙烷塔

需要台数

1

设备规格

工艺操作数据

名称（或塔板数）

1～38

36～69

单位

物料名称

液化气

操作温度最高/正常/最低

顶48.8/底107.3

℃

操作压力最高/正常/最低

2.05/1.90

MPa（g）

液相流率

105000

50500

kg/h

密度（操作温度下）

462

459

kg/m3

粘度

0.07

0.07

mPa.s

表面张力

dyne/cm

气相流率

83000

65500

kg/h

分子量

55

45

密度（操作温度下）

44

44.8

kg/m3

塔盘数据结构

壳体直径（内径）

2400

2400

mm

塔板形式

ADV高效浮阀塔盘

ADV高效浮阀塔盘

塔截面开孔率

11.20%

9.50%

%

塔板间距

500/700

450/700

mm

溢流程数

双液流

双液流

降液管总面积百分数

25%

15%

%

备注：

水力学计算由塔盘供应商负责

该塔要承受蒸汽吹扫条件：

压力1.0MPa（g），温度：

250℃（过热），183（饱和）。

2）脱乙烷塔

设备位号

C002

设备名称

脱乙烷塔

设备台数

1

设备规格

Φ1800（1600）×33200

工艺操作数据

名称（或塔板数）

1～40

41～57

单位

物料名称

C2，C3馏分

操作温度最高/正常/最低

顶50.6/底70.2

℃

操作压力最高/正常/最低

3.05/2.9

MPa（g）

最高/最低（真空或负压）

MPa（abs）

液相流率

53000

29000

kg/h

密度（操作温度下）

425

450

kg/m3

粘度

0.07

0.07

mPa.s

表面张力

4

3

dyne/cm

气相流率

37500

32000

kg/h

分子量

37

37

密度（操作温度下）

64

64

kg/m3

塔盘数据结构

壳体直径（内径）

1800

1600

mm

塔板形式

ADV浮阀塔盘

ADV浮阀塔盘

塔截面开孔率

8.20%

7.50%

%

塔板间距

450/700

450/700

mm

溢流程数

单液流

单液流

降液管总面积百分数

25%

15%

%

备注：

水力学计算由塔盘供应商负责

该塔要承受蒸汽吹扫条件：

压力1.0MPa（g），温度：

250℃（过热），183℃（饱和）。

3）丙烯塔

（1）

设备位号

C003

设备名称

丙烯

（1）塔

设备台数

1

设备规格

Φ4000×52000（切）

工艺操作数据

名称（或塔板数）

1～67

68～100

单位

物料名称

C3馏分

操作温度最高/正常/最低

顶50.1/底58.9

℃

操作压力最高/正常/最低

2.18/1.96

MPa（g）

最高/最低（真空或负压）

MPa（abs）

液相流率

250000

250000

kg/h

密度（操作温度下）

410

410

kg/m3

粘度

0.07

0.07

mPa.s

表面张力

3.2

3.2

dyne/cm

气相流率

25000

25000

kg/h

分子量

42

42

密度（操作温度下）

45

45

kg/m3

塔盘数据结构

壳体直径（内径）

4000

4000

mm

塔板形式

ADV高效浮阀塔盘

ADV高效浮阀塔盘

塔截面开孔率

12.50%

12.50%

%

塔板间距

450/700

450/700

mm

溢流程数

双液流

双液流

降液管总面积百分数

25%

25%

%

备注：

水力学计算由塔盘供应商负责

该塔要承受蒸汽吹扫条件：

压力1.0MPa（g），温度：

250℃（过热），183℃（饱和）。

4）丙烯塔

（2）

设备位号

C004

设备名称

丙烯

（2）塔

设备台数

1

设备规格

Φ4000×53300（切）

工艺操作数据

名称（或塔板数）

1～100

1～100

单位

物料名称

C3馏分

操作温度最高/正常/最低

顶50.1/底58.9

℃

操作压力最高/正常/最低

2.18/1.96

MPa（g）

液相流率

225000

225000

kg/h

密度（操作温度下）

410

420

kg/m3

粘度

0.07

0.07

MPa.s

表面张力

3.2

3.2

dyne/cm

气相流率

25000

25000

kg/h

分子量

42

42

密度（操作温度下）

45

45

kg/m3

塔盘数据结构

壳体直径（内径）

4000

4000

mm

塔板形式

ADV高效浮阀塔盘

ADV高效浮阀塔盘

塔截面开孔率

12.50%

12.50%

%

塔板间距

450/700

450/700

mm

溢流程数

双液流

双液流

降液管总面积百分数

25%

25%

%

备注：

水力学计算由塔盘供应商负责

该塔要承受蒸汽吹扫条件：

压力1.0MPa（g），温度：

250℃（过热），183℃（饱和）。

3．设备一览表

1）塔类设备一览表

序号

位号

设备名称

主要规格

主要介质

操作条件

设计条件

单重

吨

温度

℃

压力

MPa（g）

温度

℃

压力

MPa（g）

1

C001

脱丙烷塔

ф2400×39980（切线距）内设69层ADV塔盘

液化气

107.3

1.95

130

2.31

80.68

塔内件：

21.83

2

C002

脱乙烷塔

ф1600/1800×33250（切线距）内设57层ADV塔盘

碳二、碳三

70.2

2.95

90

3.41

56.32

塔内件：

8.24

3

C003

丙烯塔

（1）

ф4000×52080（切线距）

内设100层ADV塔盘

碳三

58.9

2.02

80

2.4

238.4

塔内件：

48.73

4

C004

丙烯塔

（2）

ф4000×53380（切线距）

内设100层ADV塔盘

碳三

80

2.4

80

2.4

236.3

塔内件：

48.31

注：

材质均为塔壁16MnR、塔盘Q235-B；

2）管壳式换热器一览表

序号

位号

设备名称

主要规格

管程介质

壳程介质

板间距

1

E001

脱丙烷塔进料加热器

AES400-4.0-30-6/25-4IB

凝结水

液化气

300mm

2

E00