煉化18萬噸丙烷資源化利用項目18萬噸丙烷資源化利用項目項目設計摘要煉化18萬噸丙烷資源化利用項目項目摘要PAGE10/=NUMPAGES14-3111.項目簡介本項目是為中石化煉化設計一套丙烷資源化利用的分廠，并有效結合石化到聚氨酯行業，本項目丙烷年利用18萬噸，環氧丙烷年產21.8萬噸，建于浙江省寧波石化經濟技術開發園區。本團隊在工藝設計中，兼顧經濟效益和清潔生產，思路明確，亮點突出，其主要體現在如下幾個方面：以總廠輕烴回收裝置的C3LPG和氣體分離裝置的精制碳三為原料，通過分離得到的各項副產物均能返回總廠具體裝置，實現體系融合；以總廠輕烴回收裝置的C3LPG和氣體分離裝置的精制碳三為原料，通過分離得到的各項副產物均能返回總廠具體裝置，實現體系融合；工藝流程中實現工藝流程中實現氫氣、丙烷、丙烯、甲醇、高壓蒸汽六大循環，提高原子利用率；采用急冷廢鍋、蒸汽采用急冷廢鍋、蒸汽透平、熱泵精餾、雙效精餾、中間冷凝等技術等多項節能技術對工藝流程進行優化，提高效率、降低能耗；采取PSA變壓吸附工藝、HPPO采取PSA變壓吸附工藝、HPPO法等環境友好型工藝，高效分離，減少污染，并對后續三廢詳細處理；采用新型板式反應器、熱管反應器采用新型板式反應器、熱管反應器提高反應能力，新型塔板提高分離能力，新型屏蔽泵降低能耗，新型換熱器增強性能。2.原料產品確定本項目設計的是18萬噸/年丙烷資源化利用制環氧丙烷，其原料方案采用混合進料，來自總廠輕烴回收裝置的17.8萬噸/年C3LPG和氣體分餾裝置的7.6萬噸/年精制碳三：圖1C3LPG組成圖2精制碳三組成形成了以環氧丙烷為主產品，并副產丙二醇甲醚和氫氣的產品體系表1產品方案產品名稱環氧丙烷丙二醇甲醚氫氣技術要求GB/T14491-2001HGT3939-2007GB/T3634.1-2006規格99.99%（質量分數）99.97%（質量分數）99.87%（質量分數）產量21.9萬噸/年1.08萬噸/年0.7萬噸/年3.工藝設計本項目經過產品選擇和工藝方案論證，采用改進ABBLummus公司的Catofin工藝結合贏創與伍德公司的HPPO工藝。設計了由丙烷脫氫工段、丙烯精制工段、環氧丙烷合成工段組成的工藝流程，并實現了全流程穩態模擬與優化。工藝流程如圖3所示，詳見《初步設計說明書》第五章化工工藝系統。圖3工藝流程框圖來自總廠石油煉化輕烴回收裝置的C3LPG經加氫脫有機硫、干法脫無機硫后和氣體分餾裝置來的精制碳三脫去C4、C5重組分后，經過多級預熱進行丙烷脫氫反應，此處采用水蒸氣為稀釋劑的高效反應工藝；脫氫產物經過急冷廢鍋回收熱量，二級壓縮脫除殘余水分，隨后進行冷凍分離，將輕組分（氫氣、甲烷、C2）和C3進行分離。輕組分氣體經變壓吸附裝置分離可以得到工業氫氣循環至加氫管網，少量循環至脫硫工序；物料進入丙烯塔精制丙烯，分離出的丙烷進行循環。丙烯進入環氧丙烷合成工段，與原料過氧化氫、溶劑甲醇混合進入丙烯環氧化反應器，通過反應分離集成技術脫氧后回收丙烯，經過精制得到主產品環氧丙烷。剩余物料將對甲醇溶劑進行回收循環并對丙二醇甲醚進行精制，得到副產物丙二醇甲醚。4.節能設計換熱網絡優化在本項目中，涉及公用工程量較多。為了充分利用能量，本項目通過使用AspenEnergyAnalyzer軟件，根據夾點設計法，結合實際情況，進行流股匹配，設計出了一種最優的冷熱流股匹配方案。同時將優化后的換熱網絡返回流程模擬和PID圖紙，對比分析得出最優。詳見Aspen流程模擬源文件和PID圖紙。全廠各工段換熱網絡的匹配方案如圖4、5所示，節能效果如表3所示。圖4第一、第二工段換熱網絡匹配方案圖5第三工段換熱網絡匹配方案表3節能效果（單位：kW）55.7%48.9%55.7%48.9%同時完成了冷熱換熱網絡的模擬，進行EDR設計。詳見EDR設計源文件。蒸汽透平的運用急冷廢鍋回收熱量的汽水混合物，在汽包內氣液分離后，飽和水蒸汽經過熱后推動透平做功產生電能，送至電力管網穩定后用來推動熱泵精餾壓縮機，極大節約電能。電力能耗節約57.1%。詳見《創新性說明》第三章。圖6蒸汽透平模擬流程圖表4蒸汽透平運用前后電耗比較熱泵精餾圖7熱泵精餾模擬流程圖表5熱泵精餾運用前后能耗比較在丙烯精制采用熱泵精餾有著設備簡單、投資少、分離效果好、運行成本低的優勢。經過Aspen對比模擬，熱泵精餾總能耗節約66.7%。詳見《創新性說明》第三章。雙效精餾在環氧化反應后有大量的甲醇和水的分離，使用熱泵精餾能夠有效地降低冷凝器與再沸器的熱負荷，減少公用工程耗量并降低生產操作成本。冷耗節約50.0%，熱耗節約41.7%。詳見《創新性說明》第三章。圖8雙效精餾模擬流程圖表6雙效精餾運用前后能耗比較中間再沸技術PM回收塔塔頂和塔底溫差達到25℃，因此采用中間再沸技術。在適當位置上設置中間再沸器，從而縮小塔徑，減少運行成本。同時設置中間再沸器充分減少了優質熱能，提高了熱力學效率，運行成本節約21.6%。詳見《創新性說明》第三章。圖9中間再沸技術模擬流程圖5.設備設計本項目設計過程中主要對脫重精餾塔、環氧化反應器等設備進行了詳細設計，對換熱器、泵、壓縮機等設備進行了選型。詳見《典型設備設計與選型》和《反應器設計說明書》。熱管等溫反應器在丙烷脫氫反應體系中，采用了熱管式等溫反應器，等溫保證轉化率。等溫反應器采用傳熱系數高的熱管埋管加熱反應介質，能使多段絕熱轉化率34%的基礎上在等溫反應器中提高到38%。詳見《創新性說明》第五章。圖10熱管式反應器板式反應器本項目環氧丙烷合成工段中環氧化反應器采用的是工業新式板式反應器。本項目分別設計了幾種不同方案的管式和板式反應器，對其丙烯轉化率和環氧丙烷收率等進行對比，相關結果詳見《反應器設計說明書》和COMSOL源文件。對比發現，較之工業常用的管式反應器，板式反應器能有效的提高轉化率和收率、增大傳熱效率、降低催化劑用量等。詳見《創新性說明》第五章。圖11板式反應器結構和模擬結果新型塔板的運用在脫重塔中采用新型高效3D圓閥塔板，結構如圖10所示。運用新型塔板使鼓泡均勻細化，傳質更加充分，減少了霧沫夾帶，提高了傳質效率；減弱了低負荷下部分浮閥關閉所引起的脈動現象，降低了總板壓降；克服了F1型浮閥在閥孔中旋轉、導致浮閥易磨損和脫落且不穩定的缺點，減弱或消除塔盤弓形區域的渦流和滯流死區。詳見《創新性說明》第五章。圖123D圓閥塔板結構示意圖新型節能屏蔽泵和磁力泵本項目所使用的泵采用了新型節能屏蔽泵，其為全封閉、無機械密封的獨特結構；定轉子采用不銹鋼套分別屏蔽密封，輸送液體可進入內部電機冷卻，從而解決普通泵因為輸送介質泄露、污染環境、運行可靠性差、維護困難等問題；轉動部分采用石磨軸承支撐，輸送介質潤滑，是低噪音綠色環保型升級換代替代品。本項目儲罐區用泵均采用新型可連續空載磁力泵，采用特殊定制的滾動式陶瓷軸承，隔離套采用非金屬進口材料，配上獨特的風冷循環結構設計，從而實現磁力泵全天候缺液空載運行“無溫升”、“零泄漏”，保證了生產的安全性。詳見《創新性說明》第五章。高效急冷廢熱鍋爐本項目丙烷脫氫工段采用高效急冷廢熱鍋爐，采用獨特的熱防護結構和高效密集螺旋狀的翅片換熱管，大大強化表面傳熱，能有效保證物料的急冷，抑制主物流丙烷的分解，并增產10%的高壓蒸汽。詳見《創新性說明》第五章。6.清潔生產本項目為丙烷資源化利用生產環氧丙烷的清潔生產工藝，主要體現為：12采用C3LPG、精制碳三作為原料路線，將國內無法依賴的丙烷原料資源利用，是石化丙烷行業發展循環經濟、實現節能減排、清潔生產、廢棄物資源化利用和提高經濟效益的重要途徑；12工藝路線過程進行丙烷、丙烯和甲醇等六大循環，既提高了原子利用率，也減少了三廢排放；34過程副產廢物返回總廠：C1、C2輕組分送至干氣回收裝置，C4、C5重組分送至輕烴回收裝置，副產氫氣送至總廠加氫管網，富氧氣體和甲醇廢液送至燃燒管網，其余廢液、廢固均有效處理，實現三廢資源化利用；345環氧化工藝采用HPPO法和TS-1綠色催化劑，基本保證低污染乃至無污染，實現項目環境友好型、生產經濟型；5使用高效反應、分離技術，同時將天然氣燃燒的二氧化碳補集，送至總廠回收，減少單產碳排放。7.廠區選址與布置選址確定圖13廠區選址本項目將廠址定在位于浙江省寧波市區寧波石化經濟技術開發園區內，靠近總廠中石化煉化。具體位置如圖13所示。園區作為浙江省石油化工重點發展的煉油基地之一，公共設施完善，企業集群使內部產業鏈優勢明顯；原料液化石油氣直接來自總廠，方便快捷；三廢處理、公用工程均有配套產業供應；園區還得到了政府的政策扶助優惠和資金技術支持，注重產業的健康可持續發展。總廠布置總圖布置根據人車分離理念，分設車流通道和人員通道，減少交通阻力。采用了平行布置，將生產區與生活區布置在廠區徑向干道兩側，使二者互不影響。并且根據緊湊集中理念，合理布置廠區內建筑及車間位置，達到高效穩定安全的生產布置。廠區長325m，寬240m，總占地面積78000m2，主要包括生活和管理區、生產輔助區、生產工藝區和儲運區等區域。我們使用AutoCAD進行廠區的平面設計（廠區平面布置圖如圖14所示）。圖14廠區平面布置圖三維布置本項目利用AutoCAD對進行了設備布置圖的繪制，確定設備的擺放位置，方便生產，同時對廠區三維進行設計，如圖15。詳見車間平立面、車間三維布置和廠區三維布置源文件。圖15廠區三維效果圖8.安全環境分析本項目運用RiskSystem軟件對廠區內的環氧丙烷、C3LPG、甲醇等儲罐區進行了重大危險源辨識并根據物質的物性進行了罐區物質的源相分析，繼而根據源相分析的結果進行池火事故模型預測、沸騰液體擴展蒸汽爆炸預測、蒸汽云爆炸模型預測分析了事故的傷害范圍；此外還運用了ALOHA軟件對相關儲罐進行了蒸汽云爆炸事故、BLEVE事故、池火事故、中毒事故的模擬；運用NoiseSystem軟件對廠區及其周邊環境進行噪聲評價；運用了Screen3Mod大氣估算、EIAW水質評價預測等軟件進行了環境影響方面的評價；還采用了HAZOP分析軟件、道化學火災、爆炸危險指數評價對重大危險源進行風險預評估后設置SIS、DCS和ESD相結合的控制系統，實現對設備和系統的穩定控制。環境安全環境安全圖16環境安全設計部分9.經濟效益分析本廠經濟技術分析遵循相關經濟指標與分析方法，在充分了解市場價格后，借助AspenEconomicAnalyzer進行輔助計算，對全廠投資、利潤、現金流量等進行了詳細估算與說明。計算可知，本廠總投資123307.0萬元，年利潤72069.3萬元，投資回收期6.55年。分析結果表明，本廠在經濟上是可行，具有較高的經濟效益。詳見《可行性研究報告》第十九章——第二十章。表7綜合經濟技術指標序號指標名稱單位數值1設計規模萬噸/年202年操作時間小時/年80003工程項目總投資萬元123307.04固定資產投資萬元68376.75直接材料費萬元/年79761.16總定員人1347年成本費用萬元/年139759.98全廠總產值萬元/年2272609年凈利潤總額萬元/年72069.310投資利潤率%48.111投資利稅率%56.512內部收益率%6.5513投資回收期年21.9414投資凈現值（稅后）萬元/年80612.110.項目總結本項目以“安全穩健、節能環保、資源化利用、可持續發展、有效融合”的設計原則進行了初步設計。通過查閱文獻、市場調研確定了以C3LPG和精制碳三為原料，采用改進ABBLummus公司的Catofin工藝結合BASF/DOW公司的HPPO工藝。然后采用AspenPlus軟件完成全流程的工藝模擬，并對全流程進行物料衡算和能量衡算。再根據模擬數據并結合AspenEnergyAnalyzer軟件對過程進行了熱集成分析，確定了本項目的節能方案。在此基礎上再用Aspenplus軟件對所需的公用工程進行了模擬計算和優化設計。根據流程模擬數據對設備進行選型，并利用SW6和KUP-Tower對設備進行校核；對于反應器，采用