年产18万吨丙烯-54万吨环氧丙烷项目-创新性说明书

年产18万吨丙烯-54万吨环氧丙烷项目-创新性说明书年产18万吨丙烯-54万吨环氧丙烷项目创新性说明书目录一、产品结构创新 二、工艺流程创新2.1丙烷脱氢与丙烯环氧化联产工艺流程本工艺路线以Oleflex工艺和HPPO工艺为基础进行优化改进，以丙烷为主要原料，制取丙烯和环氧丙烷。主要分为两个反应阶段，即丙烷脱氢阶段和丙烯环氧化阶段。具体工艺流程如下图所示图2.1丙烷脱氢工段流程图图2.2丙烯环氧化工段流程图该工艺路线丙烯和环氧丙烷收率最高，受外供原料约束很小；蒸汽需求量低、“三废”排放量小、对于项目建设所需基础设施配套条件要求较低，建设和运行管理相对容易。详细对比见初步设计说明书。2.2资源循环与利用从上述流程可以看出生产过程有多股循环物料。对于一个大型连续生产过程来说，物料循环利用能大大提高过程的连续性，减少开停车次数和操作费用，增强生产能力。流程中主要循环物料为甲醇，甲醇作为重要溶剂几乎存在于整个反应中，但可能在分离过程会有损耗，需要从外界进行补充。我们使用AspenPlus对整个过程进行模拟时，通过调节各个精馏塔的操作参数，分离出较高纯度的甲醇，将其循环回去使用作为溶剂。从而减少了从外界的补充量，提高了生产的经济性。2.3反应器本流程共需两种反应器，即丙烷脱氢反应器和丙烯环氧化反应器。其中由于丙烷脱氢反应是强吸热反应且催化剂要不断循环再生，而反应温度在600摄氏度左右，要及时补充能量，由华理自主研发的径向固定床反应器和UOP公司的移动床反应器中得到启发，因此采用四台径向移动床反应器串联及级间加热的方式实现整个反应过程。在丙烷脱氢反应器中，丙烷气体从顶部进入中心管，然后通过中心管上的开孔径向通过催化剂床层，控制催化剂床层厚度和中心管开孔率来实现均匀压降，反应生成丙烯及未反应完的丙烷气体通过分流通道一起上升至反应器顶端，然后进入级间加热炉，升温至600摄氏度后进入下一台反应器继续反应，经过四台反应器后转化率达到30％左右，满足工业要求。而催化剂Pt-Sn/Al2O3贵金属催化剂在移动床层中缓慢移动，进入再生工段CCR不断循环再生，从而保证连续生产。在丙烯环氧化反应器中，由于反应是强放热反应，要及时放热，且催化剂要求反应温度控制在40摄氏度，因此我们选择等温固定床反应器，将反应物丙烯溶解在甲醇溶剂中，与列管中的TS-1催化剂发生反应，同时与壳程中的水进行换热，使反应温度控制在40摄氏度，保持催化剂的活性。2.4变压精馏在丙烯环氧化工段，我们通过一个常压塔和加压塔，将环氧丙烷和甲醇分离，获得较纯的环氧丙烷产品。图2.3变压精馏该项技术先通过一个常压塔将大量甲醇与环氧丙烷分离，后将具有共沸组成的甲醇和环氧丙烷通入一个加压塔。在加压塔中，两者的共沸点发生移动，从而实现分离。2.5恒沸精馏塔由基本实验可知，水和丙二醇单甲醚发生共沸，所以无法使用常规精馏的方法将水和丙二醇单甲醚的混合物完全分离，从而得到合格的丙二醇单甲醚产品。在水与有机物混合溶液分离的常用恒沸剂中，苯可以和水发生恒沸，具体物性见表2.1，适合作为水和丙二醇单甲醚恒沸精馏分离的恒沸剂。表2.1水和苯形成恒沸物的物性参数沸点℃恒沸点℃质量分率/％恒沸组成上层液组成下层液组成苯80.169.491.199.940.07水100.08.90.0699.93苯本身作为常用的化工原料，可以直接从母厂获取；而且苯水恒沸液在静置分层后上层溶液中苯的含量为99.94％(wt)，不用进行处理即可直接循环回恒沸精馏塔中继续使用；同时排出废水中苯的含量也很小(0.3％，wt)，只需要进行简单处理就可以达到直接排放的要求。图2.4恒沸精馏水和丙二醇单甲醚混合物进入恒沸精馏塔T207，补充的新鲜苯从恒沸精馏塔的上部加入。塔底得到符合要求的产物丙二醇单甲醚，塔顶的苯水恒沸物送入倾析器D201中静置分层，苯层作为恒沸精馏塔的回流，而水层则从倾析器中排出。2.6预分离工艺在本工艺中水的质量分率高达98.3%，而产品丙二醇和丙二醇单甲醚含量却较低，而水又与丙二醇单甲醚会形成共沸，因此水的流量对于后续操作各塔的负荷和萃取精馏中萃取剂的用量都有着极大的影响。因此我们决定采用副产物预分离工艺来替代传统的顺序分离工艺，经过副产物预分离塔，将剩余产物一分为二:塔顶得到水和丙二醇单甲醚的恒沸物，塔底得到的是绝大部分的水和丙二醇。之后再通过恒沸精馏和普通精馏分别将丙二醇单甲醚和丙二醇从水中分离。图2.5副产物预分离工艺流程图图2.6传统副产物顺序分离工艺流程通过对两个工艺的对比分析，并结合设备价格，得到如下结果：表2.2预分离工艺与传统顺序分离工艺能耗对比能耗预分离工艺顺序分离工艺节能效果总加热费用/kw0.818*1052.373*10565.53%总冷却负荷/kw1.555*1052.399*10535.18%萃取剂用量/kg/h19538.6574937244.54597.92%由上述对比可知，虽然塔数量增加使设备费用略有增加，但是从操作费用方面来看，加热费用、冷却费用以及萃取剂用量等方面都有了极大的减少，综上所述，采用预分离工艺可以极大的减少能耗，实现节能减排。2.7选用新型塔板塔板是板式塔的主要部件，是两种流体密切接触，进行两相质交换的场所。是决定分离效果的重要原因之一。因此我们针对不同分离目的的塔采用不同的塔板，使塔性能更加的优越。全流程中共选用三种塔板：1、ADV高性能浮阀塔盘，它是在F1型浮阀塔板的基础上，吸取其有利因素，并克服其缺点而开发的，在浮阀结构和塔板结构上有其独特之处。ADV微分浮阀塔顶面有切孔，部分气体由此喷出，形成密气泡，充分利用传质空间，气液接触更充分，提高传质效率。采用鼓泡促进器使整个塔板鼓泡均匀，同时气体分布也趋于均匀，从而增加了塔板处理能力并提高了传质效率。局部采用带有导向作用的ADV微分浮阀，消除塔板上的液体滞止区，使液体分布接近于理想。采用改进的降液管形式，增加鼓泡面积，提高生产能力。采用新的塔板连接方式，使塔板连接处也能布阀，提高塔板的阀孔排列均匀度，进一步提高效率，缩短安装时间。ADV微分浮阀与F1浮阀尺寸相同，可一对一更换，改造时可充分利用原塔内构件，减少安装时间，节约安装时间，节约投资，而获得产量、质量的大幅度提高。2、对于高压、高液气比的塔，选用UOP公司在MD塔板的基础上提出的一种更大通量的塔板-ECMD塔板即增容MD塔板，用挡板-齿缝筛板代替以前的大孔径筛板，降液管布置在塔板的中间，并且相邻两块塔板的降液管以特定的角度交错排列。由于ECMD塔板采用了特殊的结构，使得相邻两块塔板的间距变得更小（较标准MD塔板），因此塔板效率可以用更多的塔板来进行补偿，同时也提高了塔板的气、液负荷能力。用ECMD塔板改造脱乙烷塔，相较于原来的MD塔板，生产能力可提高15%以上。3、对于丙烯/丙烷精馏塔，采用GLITSCH研发的SUPERFRAC塔板，它降液管设计为扇形，出口设有鼓泡面积，具有通量大、压降低、传质效率好的优点。实际生产中板效率可达130%，两相通过能力提高20%~30%，操作弹性达到4:1。

三、节能方案创新3.1换热网络本工艺对于整个流程的换热过程进行了集成，并通过能量松弛法对其进行优化。最终获得一个能量较大回用的换热网络，如下图所示：图3.1换热网络我们对于热集成前后的能量消耗进行了对比：表3.1热集成前后对比冷公用工程耗量热公用工程耗量热集成前KJ/hr3.975*1094.787*109热集成后KJ/hr3.162*1093.974*109节能效果20.45%16.98%可以发现节能效果显著，能量回用率较大，加强了生产过程的经济性。3.2热泵精馏塔热泵是在精馏过程中通常采用的一种有效的节能技术。采用热泵工艺，不仅可使生产能耗大幅降低，而且可使冷却介质的温度在生产操作中不再具有决定性的作用。因此，该工艺非常适合丙烯-丙烷这种沸点非常接近的精馏系统。丙烯全热耦合塔的热泵精馏流程如图3.2所示，塔顶丙烯（物料S-1）经压缩机压缩后与塔釜丙烷（物料S-6）进行换热，随后经节流膨胀、辅助换热，部分回流，部分采出。由于该塔塔顶为气相出料，塔釜为液相出料，因此塔顶塔釜处均加设闪蒸罐分离回流物流（物料S-8、S-9）与产物（物料C3H6—OUT、PP）。图3.2丙烯全热耦合塔“A型热泵”AspenPlus流程经过对热泵精馏和常规精馏的模拟，我们将热泵精馏流程与常规精馏能耗的对比如下：表3.2热泵精馏与普通精馏能耗对比冷却能耗/kw加热能耗/kw热泵精馏-4.028*1041.555*105常规精馏-1.773*1051.844*105节能效果76.27%15.67%热泵精馏流程与常规精馏流程的能耗对比如表3.2所示，其中热泵精馏中的压缩机电耗为47268.57kW，电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数为3.29，故热泵精馏加热能耗为155513.59kW。从表中可以看出，使用热泵精馏虽然将增加部分设备投资费用，但是同时也将大大节约能耗，综合考虑，使用热泵精馏技术可以使本流程更为经济节能。3.3乙烯-丙烯复迭制冷所谓复迭制冷循环是指乙烯-丙烯联合制冷过程，即乙烯冷剂从压缩机出口，经丙烯冷剂冷却冷凝。复迭制冷系统包括两个循环：乙烯循环和丙烯循环，这两个循环均可被看作是单级制冷系统，每个循环使用不同的冷剂。图3.3复迭制冷过程在复迭制冷循环中，如图所示，丙烯与乙烯的单级制冷循环通过冷凝蒸发器联系在一起，即丙烯经过压缩作为乙烯冷凝器的冷源，乙烯在冷凝节流后作低温冷源吸收外部热量。通过复迭的制冷循环，提供了-99℃的冷源。图3.4复迭制冷AspenPlus模拟流程图使用AspenPlus对复迭制冷系统进行了模拟，得出了乙烯的流量为2.615*106kg/h，丙烯流量为6.718*107kg/h。模拟得到的结果表3.3。表3.3复迭制冷AspenPlus模拟结果压缩机乙烯丙烯流量/（kg/h）2.615*1066.718*107进口压力/bar11进口温度/℃-102.610出口压力/bar16.2518出口温度/℃7897压缩机功率/kW1.7544*1063.5765*106压缩机效率0.720.72由上表数据可知，乙烯-丙烯复迭制冷系统能够满足压缩深冷处理的冷量需求。图3.5T103、T201、T203塔顶优化AspenPlus模拟流程图同时，为了减少冷公用工程的种类，降低厂区公用工程的复杂性，我们对T103、T201和T203三座塔的塔顶进行了冷凝器优化，以复迭制冷系统代替冷凝器，分别完成冷量供应。具体数据见表3.4。表3.4塔顶复迭制冷冷凝优化T103塔顶冷凝T201塔顶冷凝T203塔顶冷凝压缩机乙烯丙烯乙烯丙烯乙烯丙烯流量/（kg/h）173103.721444674.388189.05485.637112485.63进口压力/bar111111进口温度/℃-102.610-102.610-102.610出口压力/bar16.251816.251816.2518出口温度/℃789778977897压缩机功率/kW11588.957623625.065912.6825.857.519.04压缩机效率0.720.720.720.720.720.72四、控制系统4.1前馈-反馈控制在丙烯环氧化反应器的设计中，由于反应是强放热反应，绝热温升较大，因此对于该反应器，应严格控制温度，防止反应器出现“飞温”现象。所以，针对丙烯环氧化反应器，我们采用前馈-反馈控制系统，通过主要扰动进口液相压力的变化，调节反应器冷凝水流量，并采用气关阀确保生产安全。同时，采用简单定值控制系统，通过调节出口液相流量来保持反应器内压力。如图：图4.1R201丙烯环氧化反应器前馈-反馈控制系统4.2乙烯-丙烯复迭制冷控制4.2.1丙烯冷凝器的控制根据压缩机当前信号及当前冷凝压力，自动系统判断打开冷凝水阀开度，直至冷凝压力降至设定的范围内。如果系统负荷减少，系统将自动减少冷凝水阀开度，直至冷凝水全部关闭，冷凝压力降至范围内。4.2.2压缩机自动控制每台机组采用系统PLC控制，可显示机组运行时的吸气压力和排气压力，能级，电极电流，总运行时间等参数，根据吸气压力自动增减载荷，机组自动保护报警。具有超前自诊断功能，如排气压力、电流等参数，接近限定值时，禁止压缩机增载，超过限值时强制卸载达到上限值时，故障保护停机。4.2.3事故报警停机在机房设乙烯和丙烯检测传感器，当任何一点的和检测装置检测到乙烯或丙烯浓度达到设定值时发出报警信号并开启相应防爆风机。4.3恒沸精馏的Dynamics控制系统动态模拟在AspenPlus动态模拟中随时能够改变条件，包括原料性质、控制器参数、被控变量设定值等，并观察系统因输入条件变化而产生的动态响应。化工过程中一些重要变量无法直接测量，可使用动态模拟软件对其进行实时计算，通过动态学研究较透彻地掌握其动态特性，为控制器的设计提供依据。在控制系统用于工业装置前先进行模拟测试，可提高控制系统应用的可靠性。本组以本流程中相对最难控制的T207恒沸精馏塔为例进行动态模拟控制。共沸精馏塔的控制主要包括温度控制、流量控制、压力控制、流量控制，具体控制方案及参数如下所示。图4.2T207恒沸精馏塔控制系统恒沸精馏塔控制系统控制器参数设置如下表所示：表4.1恒沸精馏塔控制系统控制器参数设置控制类型标号KCτ/min控制器作用方式控制规律流量控制FC0.50.3反作用PI液位控制LC120正作用PILCwater120正作用PILCorg120正作用PI温度控制TC1.305715.84正作用PI压力控制PC2012反作用PI为测试其控制性能，在系统稳定运行0.5小时后分别给系统干扰，包括进料量±20%（图1、2）、温度±20%（图3、4）、水进料量±20%（图5、6），以下为模拟结果，其中蓝色线表示丙二醇单甲醚的纯度随时间的变化趋势。图4.3丙二醇单甲醚组成随时间的变化趋势图在AspenDynamics中进行动态模拟，测试系统在进料流量扰动出料流量扰动及温度扰动下的控制性能，结果表明共沸精馏塔的各项指标均能在一定时间恢复到规定的数值范围内且产品质量合格，该控制策略的控制效果较好。4.4紧急停车系统（ESD）ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。ESD紧急停车装置，在石化行业有着广泛的应用。实际上它也是通过高速运算PLC来实现控制的。为一切为了安全考虑，所以在硬件保护上做得较为完善，而且他要考虑到在事故状态下，现场控制阀位及各个开关的位置。在过程控制系统中，要设置一套安全仪表系统，对过程进行监测和保护，把发生恶性事故的可能性降到最低，最大限度地保护生产装置和人身安全，避免恶性事故的发生，构成了生产装置最稳固、最关键的最后一道防线。五、环境影响评价环境影响评价运用环境风险评估和环境影响评价、三废处理的分析方式对环境现状、施工期环境和生产期环境进行评价，确立了废水污染物三项（化学需氧量、生物需氧量、有害有机物）、废气污染物两项（氮氧化物排放量、工业粉尘）和固定废物一项（工业固体废物）共六个总量控制因子。根据“十二五”