年产 20 万吨环氧丙烷项目-项目设计摘要

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20万吨纯度在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
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/T14491-2001国家标准。

此纯度
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O2和H2、循环溶剂、添加剂以及保护气N2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。

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H2O2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。

图4 溶剂回收工段工艺流程图
四、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：
图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。

六、自动控制系统
本项目采用现场总线控制（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
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
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
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。

从长远角度看，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。