全国化工设计大赛西北大学朔方设计组创新性说明Word文档下载推荐.docx

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参赛队员：

关文斌李春霞

邢天钟雨心

指导老师：

陈立宇禇雅志

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目录

1.1工艺设计1

2.1设备创新2

2.1.1反应器2

2.1.2热泵2

2.1.3隔离壁精馏塔3

2.1.4膜分离装置4

3.1催化剂的选用5

4.1节能设计5

5.1控制方案6

6.1环境评价系统8

7.1经济评价系统8

创新导航

1.1工艺设计

本项目以中国石化天津总厂生产的丙烯和天津临港工业园内大沽化工厂所生产的双氧水为原料，充分合理的利用天津临港工业园区内的各种公用设施及总厂的现有资源，并以意大利Enichem公司的高效一体化HPPO工艺为基础，在项目可行性研究和项目方案设计及初步工艺设计的基础上，完成中石化20万吨/年环氧丙烷主体装置工艺技术设计。

综合比较现有其他环氧丙烷生产工艺，过氧化氢—环氧丙烷（HPPO）清洁生产工艺是当前环氧丙烷（PO）工业中发展最快的一种方法，它具有环境友好、工艺和设备投资低等优点。

本项目在充分利用已有研究成果的基础上，结合相关领域的先进技术及先进催化剂，实现HPPO工艺生产环氧丙烷的优势，并为推进环氧丙烷的大型工业化做出实质性的贡献。

本项目采用高效一体化HPPO工艺，在反应工段使得混合原料在列管式固定床反应器中进行环氧化反应，原料双氧水经双反应器反应后，选择性达到100%，

同时，流程反应过程将丙烯原料进行了循环利用，最终将副产物进行了分离回收，主产品环氧丙烷最终纯度达到99.88%，为国家优等品。

具体工艺设计如图1-1所示。

图1-1全流程模拟图

2.1设备创新

2.1.1反应器

在环氧化反应的过程中采用了2个列管式固定床反应器串联的方法，首先，列管式固定床反应器具有返混小，催化剂机械损耗小，传热面积大，结构简单等优点，其次，2个列管式固定床反应器串联的使用，提高了原料的选择性，且双反应器在一定条件下可交替使用，从而可提高整个生产流程的效能。

图2-1双固定床反应器流程模拟图

2.1.2热泵

系统中丙烯丙烷的分离利用了热泵技术，该技术利用压缩机，将塔顶低温蒸汽加压升温，作为高压塔釜的加热热源，节能效果显著，其回收的潜热用于过程本身，起到了再沸器和冷凝器的作用，省去了塔顶冷凝器、冷却水和塔釜再沸器、加热蒸汽，使精馏的能耗明显减少。

由Chemcad模拟软件中可以得到，未使用热泵技术前，分离丙烯丙烷所需的热负荷为143908.8MJ/h，使用热泵技术后，所需的热负荷减少为42263.9MJ/h，热负荷减少为原来的29％，大大降低了此处分离设备的能耗，起到了明显的节能效果。

图2-2热泵技术流程模拟图

2.1.3隔离壁精馏塔

本设计在副产物的分离中，采用了隔离壁精馏塔分离技术，只需要单塔就可以完成相同的任务，降低能耗，减少了设备投资，通过隔板两侧进行适当的热量耦合，使放热段的热量直接传递给吸热段，实现了能量的回收利用，从而进一步降低能耗。

由Chemcad模拟软件中可以得到，在副产物分离过程中，若使用普通精馏塔进行分离，则需要双塔联立且所需热负荷为9027.63MJ/h；

若使用隔离壁精馏塔，不仅设备减少且所需热负荷降低为8151MJ/h。

不仅起到了降低能耗的作用，同时也减少了设备投资。

图2-3隔离壁精馏塔技术流程模拟图

2.1.4膜分离装置

本设计在水的分离上，采用了膜分离技术，该膜分离装置采用由山东派力迪生产的103甲基室温嵌段硫化硅橡胶（103-PDMS）膜，它是一种耐热、耐腐蚀、选择分离性很高的膜，除水、除尘效率高，压力损失低，除水率最高可达99%，适用范围广。

图2-4膜分离设备流程模拟图

3.1催化剂的选用

HPPO法制备环氧丙烷的关键在于环氧化反应，该反应过程所用的催化剂为空心钛硅分子筛HPO-1。

环氧化催化剂HPO-1是以石科院开发的具有自主知识产权的空心钛硅分子筛为催化组元、经改性和成型后制备的丙烯双氧水环氧化专用催化剂。

其主要性质见表3-1：

表3-1环氧化催化剂HPO-1的主要性质

项目

数据

外观

白色

活性组元

改性空心钛硅分子筛

堆密度/（

）

0.78

孔体积/（

0.41

比表面积/（

360

双氧水转化率％

≥95

环氧丙烷选择性％

4.1节能设计

近年来，在国家大力倡导建设节约型社会的大环境下，化工行业深入节能降耗，减小环境污染，更加注重装置的基础设计和改造。

尤其是在化工厂的设计初期，做好节能降耗显得尤为重要。

对于年处理20万吨的化工厂，物料的预处理、产品的精制等均需要进行换热，而在这个过程中存在着大量的能量的需求及能量的损耗，需要庞大的公用工程供应体系。

随着能源价格的增长，传统的高能耗企业逐渐向节能型企业发展。

在这种趋势下，节能技术应运而生。

从单个设备的改进到全局的热量集成，节能技术不断的完善发展。

通过对全流程热量的集成运算，得出最优化的换热网络，减少的热能的损耗，增加了全厂能力的利用率，提高了经济效益。

图4-1换热网络优化方案

表4-1换热网络优化方案数据

图4-2夹点分析应用

由以上数据可得，通过对流程进行了热量集成，提高了换热效率，综合其设备投资与能量优化方面，选择方案一为本设计的最优方案。

在最终的实际方案中，我们又根据设备布置和管线的走向，对部分换热器进行了删除组合，达到了既合理利用能量、合理布局换热设备，又减少总投资费用的目的。

详细换热管道走向见带控制点工艺流程图。

5.1控制方案

工程整个生产过程实行自动化控制，包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等多方面的内容。

生产过程的控制和监督系统包括生产过程的控制和监督系统包括数字控制系统（DCS），系统包括操作台，通过总线系统与中央控制装置连在一起。

中央控制装置与外围的分系统连在一起，整个工厂生产有控制系统实现，所有的相关参数都可控制、说明和记录。

并可连锁运营，能保证连续、高效、高质量生产。

本工程所设计的自动操纵控制系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产过程、重要设备进行周期性操作，将生产过程自动地投入运行或自动停车，从而极大减轻操作人员的重复体力劳动，减轻劳动强度同时提高了工艺参数获取的及时性。

本工艺中各精馏塔由于分离物系性质的差异以及分离要求的不同，采用了不同的控制方案：

图5-1精馏塔塔顶控制图

图5-2精馏塔塔釜控制图

以脱双氧水塔T101为例：

T101进料来自一级反应器R0201，流量计控制进口流量。

塔顶进行了流量和温度的控制，塔釜则设置液位检测控制点，当持液量较大时，控制塔釜出液管的阀门开大，当持液量较小时，控制塔釜出液管的阀门开度减小，维持塔釜液量的稳定。

塔釜的温度通过塔釜灵敏板的温度控制再沸器的冷凝水流量的串级控制系统来实现；

塔顶的压力通过控制冷凝水的流量来控制塔顶回流液的流量，从而使塔顶的压力达到稳定。

6.1环境评价系统

本项目为年处理20万吨环氧丙烷项目，属于新建项目，通过使用RiskSystem环境风险评价软件，对厂区各原料及产品储罐区进行风险定性分析，然后结合天津海滨新区当地气象条件、居住区分布及本项目的特征，对事故发生后的危害范围及风险进行预测，做出环境风险评价（ERA）和环境影响评价（EIA），为本项目的风险决策及管理提供依据，并为工程的设计和施工提供依据。

7.1经济评价系统

本项目最初利用ChemCAD软件对塔设备进行设备选材与经济预算，与国内实际工业生产状况有一定差异，所以又选择国内化工经济预算方法与指标进行计算，并用Excel软件辅助计算，最终的预算结果符合国内生产现状。

将之与ChemCAD软件计算结果进行对比，验证了ChemCAD软件在我国内化工经济预算中有一定的缺陷。

朔方设计组编