1、 年产 20 万环氧丙烷项目 1 项目设计摘要 一、 设计 范围 本项目根据2013 年“中国石化三井化学杯”第七届全国大学生化工设计 竞赛参赛指导书，以及其他相应设计标准进行设计；设计 范围包括：项目规模、 工艺流程、设备选型、自动控制、辅助工程、厂址厂区、 经 济 分 析 等 设 计 内 容 。 计划将分厂建设在化工园区内，可通过管道输送利用园区 生 产 的 原 料 、 蒸 汽 等 ； 亦可利用相应公用系统， 如火炬、 锅炉、 三废 处理厂等； 园区高压电输送并经分 厂变电处理后使用， 生产及生活用水分别由园区提供； 可减少相应建设成本及运 营成本。 二 、项目 简介 本项目是为中国石油化
2、工股份有限公司设计的一座用丙烯年产 20 万吨环氧 丙烷的分厂。 该分厂名为中国石化济宁光之海石化有限责任公司， 位于山东省济 宁市化学工业经济技术开发区内。 该化学工业经济技术开发区简称济宁化学工业 开发区， 现为中石化联合会园区委员会副主任单位， 该园区内的 60 万吨/ 年烯烃 项目每年可生产丙烯 24 万吨； 本项目与总厂合作， 应用丙烯年产 20 万吨环氧丙 烷； 采用高效一体化 HPPO 绿色洁净生产工艺， 集成了氢氧直接氧化合成过氧化 氢， 再利用丙烯环氧化法合成环氧丙烷的生产工艺。 绿色环保同时高效， 符合可 持续发展，具有非常好的发展前景。 本项目的产品主要为两种，即年产 2
3、0 万吨纯度在 99.9% 以上的环氧丙烷， 以及年产 2000 吨纯度 为 94.0% 环氧丙烷作为副产物。 产品具体规格如表 1 所示： 表 1 本项 目产 品规 格表 产品名 称 检验标 准 纯度（% ） （质量 分数 ） 级别 产量 （万吨 ） 单价 （元/吨） 高纯环 氧丙 烷 GB/T14491-2001 99.9 优等品 20 13000 低纯环 氧丙 烷 GB/T14491-2001 94.0 合格品 0.2 10000 本项目的产品主要为年产 20 万吨纯度大于 99.9% 的环氧丙烷，该产品是优 等品， 产品水分质量分数低于 0.01% ， 符合 GB/T14491-200
4、1 国家标 准。 此纯度年产 20 万环氧丙烷项目 2 的环氧丙烷可销售给生产丙二醇、 丙烯醇、 丙醛、 聚醚、 异丙醇胺、 高级脂肪酸 酯类表面活性剂、增塑剂、医药、农药、香料、泡沫塑料产品的相关厂商。 本项目的副产品为年产 2000 吨的纯度为 94% 的环氧丙烷，可卖给制造农药 的厂家， 环氧丙烷是除草剂异丙甲草胺的中间体， 可用于进一步生产酰胺类除草 剂； 另外此浓度的环氧丙烷也可提供给生产杀菌消毒剂的厂家， 环氧丙烷可用于 生产防腐杀虫剂、消毒剂、抗微生物剂等。 三 、工艺 设计 本工艺采用高效一体化 HPPO 绿色生产工艺，集成了过氧化氢的生 产 过 程 ， 利用过氧化氢和丙烯环氧
5、化合成环氧丙烷， 并实现了溶剂的循环利用。 整个工艺 过程得到纯度为 99.9% 和 94% 的两种环氧丙烷产品， 无联产产品生成， 工艺简单， 废物处理难度低，绿色环保。整个工艺流程可以分为三个 工 段 ： 过 氧 化 氢 工 段 、 环氧丙烷工段、溶剂回收工段，具体流程示意图如图 1 所示： 图 1 工艺 流程 示意 图 3.1 过氧 化氢 工段 如图 2 示，原料气 O 2 和 H 2 、循环溶剂、添 加剂以及保护气 N 2 在双 金 属催 化剂 Pd-Pt 存在下直接氧化合成过氧化氢，闪蒸出未反应的气体后得到 7% 的过 氧化氢溶液，作为环氧化反应的原料进入环氧丙烷工段。 年产 20
6、万环氧丙烷项目 3 图 2 过 氧化 氢工 段工 艺流程 图 3.2 环氧 丙烷 工段 如图 3 所示， 来自第一工段的 H 2 O 2 溶液与丙 烯在钛硅分子筛 TS-1 催化作用 下进行三级环氧化反应，反应后经过三级预分离塔、脱丙烷塔、PO 预分离塔、 PO 精制塔后得到纯度为 99.9% 的环氧丙烷产品。 图 3 环 氧丙 烷工 段工 艺流程 图 3.3 溶剂 回收 工段 如图 4 所示， 该工段的主要任务是回收循环溶剂甲醇， 实现溶剂的循环利用， 主要由过氧化氢分解塔、溶剂回收塔、水洗塔以及甲醇分离塔组成。 年产 20 万环氧丙烷项目 4 图 4 溶 剂回 收工 段工 艺流程 图 四、
7、 热集 成与 节能 设计 4.1 热 集成 为了提高能量的利用率， 采用夹点技术对换热网络进行设计。 以操作费用和 公用工程费用作为目标函数， 利用 Aspen energy analyzer V7.2 对本厂 的换热网络 进行年成本最优化设计，使得热公用工程降低 42.3% ，冷公用工程降低 33.4% ， 总费用降低 36.4% ，结果如图 5 所示： 图 5 最优 换热 网络 在换热网络优化的基础之上， 利用 Aspen plus 对换网络进行模拟， 并充分回 收工艺废料的能量， 我们利用甲醇回收塔釜高温废液加热冷工艺物流， 模拟结果 如图 6 所示： 年产 20 万环氧丙烷项目 5 图
8、 6 模 拟结 果图 4.2 其他 节能 设计 变径塔设计： 本项目共设计 4 个变径塔， 塔的直径有所改变， 与普通的塔相 比有所区别， 减小了塔设备的材料成本等其他相关成本， 减少材料使用， 有助于 节能减排。 反应精馏塔设计： 本项目一共设计了 1 个反应精馏塔， 该塔也符合我们节约 能源的设计理念， 利用一个精馏塔同时实现了反应和分离的任务， 代替了一个反 应器和一个精馏塔，减少了设备的费用，提高了经济效益。 此外本项目的循环水系统， 建筑、 设备保温设计， 催化剂再生技术设计， 高 效节能设备设计也可以达到相应的节能效果。 五、 设备 设计 根据 Aspen plus 的模拟结果，我
9、们对工艺流程中的第三级环氧化反应器 R0202、 PO 预分离塔 T0205、 换热器进行了详细设计， 包括基本的设备设计参数 和特殊内构件的设计。利用 SW6-98 及 KG-tower 软件对流程中的典 型塔设备进 行了工艺设计、 基本参数设计和机械强度校核。 利用 SW6-98 和 Exchanger Design and Rating 对全部的换 热器进行了工艺设计、选型、基本参数设计和机械强度校 核。此外还对泵、反应精馏塔、闪蒸罐、气液分离罐、压 缩 机 、 储 罐 、 缓 冲 罐 、 回流罐等设备进行了选型。 年产 20 万环氧丙烷项目 6 六 、自动 控制 系统 本项目采用现场总
10、线控制 （FCS ） 与集散控制 系统 （DCS ）,控制方案的研究 范围包括空分装置， 过氧化氢合成装置， 环氧丙烷合成装置， 储罐区以及与工艺 生产装置相配套的公用工程控制系统与仪表。 由于工艺流股中含有可燃性气体丙 烯、 丙烷、 氢气以及助燃性气体氧气等， 存在着安全隐患， 因此， 对工艺流股中 氧气的监控尤为重要。我们主要采用 PLC 进行过程控制与监测，在线控制仪表 实时监测工艺流股中氧气的含量并将数据送往中心控制室 ， 及时调控装置参数， 从而保证整套装置的安全可靠性。 七 、厂 址选 择及 厂区 布置 济宁光之海石化公司规划建设于山东省济宁市化学工业经济技术开发区 （简 称济宁化
11、学工业开发区） 内， 位于开发区南北 中心大道东侧与新兴路南侧的预留 用地位置。 济宁是著名的“ 孔孟之乡、 运河之都” ， 项目所在地具有地理 位置优越、 交通运输便利、资源优势突出、原料供应充足，产品需求 量 大 、 工 业 基 础 坚 实 、 科研实力雄厚、人力资源丰富、高起点的产业规划、公用 工 程 设 施 健 全 等 优 点 。 项目所在开发区区位图如图 7 所示： 图 7 项 目所 在开 发区 区位图 年产 20 万环氧丙烷项目 7 本项目厂区， 整体布置为长方形， 东西长 450m ， 南北长约 230m ， 总 面积为 103500 ， 厂区内常年盛行东南风， 因此将贮罐及生产
12、车间置于厂内的西北部， 行政生活区位于东南部， 这样能大大减少厂房排出的尾气对人们生活办公的影响， 为职工提供良好的生活办公环境。 本厂按照生产功能分区集中布置， 分为储罐区、 工艺区、 辅助生产区、 行政 生活区及其他设施等。 行政管理区与其他区域以绿化带及公路进行隔开， 以保证 安全， 为职工提供货良好、 适宜的生产生活条件。 厂区总平面图如图 8 所示，厂 区立体图如图 9 所示： 图 8 厂区 总平 面图 图 9 厂区 立体 总图 年产 20 万环氧丙烷项目 8 本设计中， 厂区道路总体呈网格状， 主体道路设计宽度为 12 米( 双向 四车道) ， 次干道设计宽度为 9 米( 双向两车
13、道) 。 整个厂 区的道路及建、 构筑物都进过严格 规划，布置规整。同时，人流与货流分离，并留有消防安全通道。 八 、经济 分析 通过对本项目的经济预算与评估，得出经济技术指标表，如表 2 所示。 表 2 经 济技 术指 标表 序号 指标 单位 数值 1 设计规 模 万吨/ 年 20 2 年操作 时间 小时/ 年 8000 3 分厂用 地面 积 平方米 103500 4 总定员 人 218 5 工程项 目总 投资 万元 143356.954 6 固定资 产投 资 万元 95408.25433 7 直接材 料费 用 万元/ 年 201242.8 8 年总成 本费 用 万元/ 年 213931.2
14、 9 全厂总 产值 万元/ 年 262000 10 年净利 润总 额 万元/ 年 32232.315 11 投资利 润率 % 32.63 12 投资利 税率 % 41.27 13 投资回 收期 年 5.57 14 内部收 益率 % 23 15 投资净 现值 （税 后） 万元 44403.5 九 、环境 分析 通过本项目的环境影响评价报告分析，本项目采用高效一体化 HPPO 绿色 工艺、多种物料循环使用、催化剂再生技术，最大限度的 节 能 减 排 ， 优 化 设 备 ， 节约物料， 注重“ 三废” 及噪音的处理， 注重施工和生产两大阶段的环境保护工作。年产 20 万环氧丙烷项目 9 从长远角度看
15、， 企业在提高环境绩效的同时， 进而影响企业的竞争力， 促进可持 续发展， 有利于发展循环经济。 最重要的是本项目的环保工作， 不仅可以给本公 司带来长远的经济效益，而且可以给社会带来不可估量的利益。 十 、项目 总结 中国石化济宁光之海石化有限责任公司坚持了以“ 安全稳健、节能环保、和 谐发展” 的设计原则，通过查阅相关的参考文献、书籍，阅读相应的国家标准、 法律、法规，以及相关的市场调研，对该项目进行了可行 性 研 究 以 及 初 步 设 计 ， 初步设计了工艺流程、 热集成及节能技术、 设备选型、 自动控制、 总图运输、 环 境分析、 经济分析、 公用工程、 劳动定员等方面， 确定了项目
16、的可行性。 本设计 团队注重项目的合理性、可行性、创新性、节能性。 本项目设计采用 Aspen plus 软件完成全流程的详细计算， 再根据模拟数据并 结合 Aspen Energy Analyzer 软件对过程进行了 热集成， 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。采用 KG-TOWER 软件对项目工程进行水力学校核，采用 SW6-98 软件进 行设备强度 校核。采用 CAD 软件表示出厂区的总平面图、各工段车间平面图、典型塔设备 图，通过 PFD 以及 PID 图表示出项目的工艺流程以及自动控制系统。采用 PDMAX 软件对项目的车间设计以及整体厂区设计进行立体描述。 采用 3DMAX 对整体厂区进行立体漫游描述。 本设计团队通过文字、 图表、 平面图、 立体图多 种角度表达所设计的项目， 并验证中国石化济宁光之海石化有限责任公司的年产 20 万吨环氧丙烷项目可行。
