45kta 1,3-丙二醇项目--设计摘要

设计摘要

丙烯作为一种重要的基础有机化工原料，全球产能已超1亿吨/年，其中约60%用于生产聚丙烯，其余部分生产丙烯腈、环氧丙烷、丙烯酸、异丙苯/苯酚/丙酮、羰基合成醇等基本有机原料。而我国2012年的丙烯产能1800万吨，实际产量1500万吨，其中约75%用于生产聚丙烯，产品品种少、技术含量不高、附加值低严重阻碍了我国丙烯工业的发展。随着我国丙烯产能的快速增长，加快聚丙烯以外的其他丙烯化工产品综合发展已成为我国丙烯化工可持续发展的一项重要课题。

本项目以丙烯为原料，经过氧化、水合、加氢等工序生产高附加值的产品——1,3-丙二醇（1,3-PDO）。1,3-PDO作为合成PTT聚酯纤维的重要原料，具有不可替代性。随着PTT生产技术的进步和应用领域的拓宽，PTT产能将不断扩大，因此未来1,3-PDO需求量也将大大增加，故1,3-PDO的项目前景较好。

一、工艺路线介绍 1.1 原料选择及厂址确定

本项目以石化1000万吨/年炼油项目生产的丙烯为原料。本厂厂址选在XXXX区，以石化公司为依托。XXXX区石油资源丰富，石化企业众多，丙烯产量较大，并且交通便利，地价低廉，远离人口密集区，适合本项目建设。

1.2 设计工艺概述

本项目以丙烯为原料，采用华南理工大学、上海石化的合成工艺生产1,3-PDO。生产过程中产生的废酸液采用北京东方化工厂的废酸处理工艺进行处理。由原料丙烯出发，依次经氧化、吸收、水合、脱醛、加氢、脱水及精馏，最

终获得99.8%（摩尔分数）的工业级1,3-PDO，产量为4.5万吨/年。

1.3工艺流程简述

1.3.1 丙烯醛合成车间

经减压脱硫后原料丙烯与回收丙烯、0.3MPa饱和水蒸汽及加压至0.3MPa的空气混合后经原料预热器升温至280℃，进入氧化反应器氧化合成丙烯醛（反应温度：320℃，反应压力0.3MPa），反应产热可用于产250℃饱和中压蒸汽。反应器出口的物流经多段换热冷却至95℃后，进入废酸吸收塔吸收副产的丙烯酸和乙酸。由吸收塔底部出来的废酸液由于酸浓度过低，无回收价值，而其酸浓度又高于允许排放标准，故须送入废水处理系统进行进一步处理。经副产物脱除后的粗丙烯醛气体经压缩机加压至1MPa，温度升至230.2℃。经冷却器冷却至100℃后，进入气液分离器分离冷凝下来的部分丙烯醛水溶液。余气送往丙烯醛吸收塔进一步吸收分离其中的丙烯醛，洗液与之前的冷凝液混合后送往1,3-PDO合成工段。塔顶出来的余气经分子筛干燥后送入丙烯回收系统进行丙烯回收。

1.3.2 废酸处理车间

由吸收塔底部送来的废酸液经升压泵升压至7MPa，与经多级空压机（每级加压后冷却至40℃）压缩得到的7MPa，40℃空气一起从底部进入氧化反应器，在270℃，7MPa的条件下，充分氧化。反应器顶部出来的物料经冷凝分离，顶部出来的惰性气体经轴功回收装置减压至1atm，温度降至-109.7℃，回收冷量后即可去火炬放空。气液分离器底部出来的废水经冷却器冷却至30℃，再经压力缓冲罐减压至1atm，温度降至29.4℃后，即可排放。

1.3.3 丙烯回收车间

干燥后的废气经冷却器冷却至-90℃，经气液分离器分离出的丙烯，再经闪蒸罐减压分离溶于其中的惰性气体后，进入换热器换热至25℃，得到的丙烯气体循环使用。气液分离器顶部出来的气体经膨胀机减压至1atm，温度降至-148.5℃，经换热器回收冷量后，温度升至22.5℃，与闪蒸罐顶部出来的废气一同去火炬燃烧排放。

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中石油分公司1,3-丙二醇分厂 四川大学ET团队

1.3.4 丙二醇合成车间

由丙烯醛合成工段送来的丙烯醛水溶液经冷却器冷却至40℃后，送入水合反应器于40℃，1MPa的条件下进行水合反应。由反应器出来的物料减压至28kPa，经气液分离器除惰气后，送入丙烯醛回收塔对未反应完的丙烯醛进行回收。塔顶得到的68.0wt%丙烯醛水溶液与水混合，配制成19.8wt%的丙烯醛水溶液，再经泵加压至1MPa，循环使用。塔釜得到的3-羟基丙醛水溶液经泵加压至6MPa后，进入加氢反应系统。

来自水合反应系统的3–羟基丙醛水溶液经冷却器冷却至35℃后，与氢气一起送入一段加氢反应器，在35℃，6MPa的条件下进行一段加氢。由反应器顶部出来气液混合物再进入二段加氢反应器，于120℃，6MPa的条件下进行二段加氢。反应器顶部出来的物料再经冷凝分离回收未反应完的氢气，氢气经部分驰放后回收。脱氢后的粗产品则送入丙二醇精制系统。

由加氢反应系统送来的粗产品（18.7wt%）经真空系统减压至10kPa后，进入脱水釜F0201，于47℃，10kPa下蒸出部分水，得到的水蒸汽去真空系统作为喷射介质。经脱水釜部分脱水后的1,3-PDO的水溶液（34.2wt%）经丙二醇精制塔精制后，塔顶得到的45.4℃水经升压换热后循环使用，塔釜得到99.8%（摩尔分数）的1,3-PDO（杂质主要为一缩PDO）。考虑到1,3–PDO纯度已达标，故不再进行进一步精制。由塔釜出来的1,3-PDO经冷却器冷却至25℃，再经泵升压至常压后输送至产品储罐。

全流程方框流程图见图1-1。

空气水水丙烯丙烯催化氧化一吸二吸丙烯回收去火炬排放水蒸汽废水处理排放水合水循环精馏分离1，3-PDO丙烯醛回收精馏分离两段加氢脱水水循环 - 2 -

图1-1全流程方框流程图

1.4 工艺创新

1.4.1 高效经济的丙烯回收技术

丙烯回收系统采用加压冷凝分离的方法回收余气中的大部分丙烯，以较低的成本回收丙烯原料。同时，该系统中我们采用冷量回收和传统深冷技术，实现了系统冷量的自给自足，达到了节能降耗的目的。

图1-2丙烯回收流程图

1.4.2环境友好的废酸处理技术

废酸处理系统采用北京东方化工厂的废酸处理工艺，通过湿式氧化对废酸液进行处理，运行费用低，有机物去除率高，工艺成熟，有效解决了丙烯酸废水对环境的污染问题。

图1-3 废酸处理流程图

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1.4.3 经济节能的丙二醇精制技术

丙二醇精制系统中，由于粗产品中水含量过高，直接精馏能耗高，分离难度大，鉴于以上考虑，我们选择了减压“蒸发-精馏”的精制方案，在保证收率和产品质量的同时，大大地降低了能耗和设备投资成本。

图1-4 丙二醇精制流程图

二、节能设计 2.1换热网络集成

因为各个工段换热能量有效利用率低下，所以利用Aspen HX-Net软件对整个流程进行换热网络合成，综合考虑匹配可行性、工艺可操作性、能量综合回收以及总费用最小等原则，最终选择最佳的多品位公用工程设计出了各车间的换热网络。并用Aspen Plus验证了换热网络的可行性，确定了公用工程用量。图2-1为全厂换热网络设计，全流程换热网络模拟见图2-2、2-3、2-4。

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图2-1 全厂换热网络设计

图2-2 工艺物流匹配模拟

图2-3 冷公用工程匹配模拟

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图2-4 热公用工程匹配模拟

通过利用夹点技术进行物流匹配及热量回收，达到了很好的节能效果，全流程节能效果见表2-1。

表1 全流程节能效果表

项目 匹配前 物流匹配热量 物流匹配节能百分率 热量回收节约量 热量回收节能百分率 总节能百分率 26.29% 52.35% 26.06% 8.4×103 13.42% 26.73% 热公用工程kW 3.288×104 8.57×103 13.31% 冷公用工程kW 6.441×104

2.2 技术节能

2.2.1 冷量回收节能

本项目中，采用两种形式对冷量进行回收。第一种是冷凝分离后的丙烯升至常温的冷量回收；第二个是利用传统深冷技术制冷得到的冷量。总的回收冷量达到了1.099×107kJ/h，副产轴功1.155×107kJ/h，实现了系统冷量的自给自足，避免了昂贵乙烯冷剂的耗费。

2.2.2 废热回收节能

本项目中，采用废热回收技术对丙烯氧化反应器反应热进行了回收，来产生中压蒸汽。总的回收热量达到了3.112×107kJ/h，年产中压蒸汽14.49万吨，达到了很好的节能效果。

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2.3.3 丙二醇精制系统节能

本项目中，考虑到粗丙二醇中水含量较大（约94.2%，摩尔分数），直接精馏热负荷过大，不经济，故我们采用减压“蒸发-精馏”操作，先进脱水釜脱去部分水，再进丙二醇精制塔精制，实现了分离能耗的降低。

三、设备设计

3.1 反应器的设计与优化

本项目主要涉及到的反应器有氧化反应器、水合反应器以及加氢反应器。我们对其中一个反应器（R0101丙烯氧化反应器）进行了详细设计和优化。丙烯氧化生成丙烯醛为强放热反应，且反应对温度较敏感，需要对反应温度进行控制。经过综合考虑我们选择列管式反应器作为本反应的反应器，通过饱和中压水进行换热控制反应器内的温度。

为了得到更为优化的反应器尺寸，我们使用Comsol反应工程模块对反应时间进行更为精确的拟合计算，最终确定反应停留时间为0.41s时为最佳停留时间。最后我们使用Comsol Multiphysics对反应器管束的尺寸进行模拟优化，确定了反应器管束的尺寸为

，反应管长为2.6m。

3.2 其他设备的设计与选型

根据Aspen plus的模拟结果，我们对工艺流程中的丙烯氧化反应器R0101、丙烯醛吸收塔T0102、冷却换热器E0101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软件对流程中的全部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Aspen Energy 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、鼓风机、压缩机、储罐、缓冲罐、回流罐等设备进行了选型，使用SW6-98对气液分离器、蒸发设备、储罐、缓冲罐、回流罐进行设备的强度校核和重量计算。

详细设计结果参见《初步设计说明书-附录》第三章。

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四、控制方案

本着“安全第一”的设计基本原则，本项目控制方案包括空压装置、催化氧化反应装置、废酸处理装置、加氢反应装置、精馏装置、储罐区以及与工艺生产装置相配套的公用工程部分的控制系统及相关仪表，并在设计控制系统时考虑引进FCS、ESD等先进控制系统。

对于较难控制的往复式压缩机，我们采用了HydroCOM气量无级调节系统进行流量控制。在安全设计时，我们使用危险性和可操作性分析方法（HAZOP）对丙烯运输及储罐、压缩机组、丙烯氧化反应器、1,3-丙二醇精制塔这四个危险性较高的项目进行定性、定量分析和优化。利用Aspen dynamics软件增加了对丙烯醛回收塔、1,3-丙二醇精制塔的控制，通过添加干扰、设计控制方案进行动态模拟，进而观察控制的效果，对设备操作有一定的指导意义。

五、安全设计

我们使用了Risk System软件，对丙烯罐区和氢气罐区进行重大危险源辨识，并采用道氏（Dow）化学火灾、爆炸危险指数评价对丙烯、氢气储罐区进行风险预评估，以及通过安全措施补偿后的危险指数，最终得到丙烯罐区的破坏系数为0.375，氢气储罐区的破坏系数为0.65。表2为补偿后的危险等级比较。

表2 补偿后危险等级比较

单元 F&E1=（F3xMF） 危险等级 补偿前 丙烯罐区 107.52 中等 氢气罐区 120.32 中等 补偿后 丙烯罐区 37.63 最低 氢气罐区 51.74 最低

另外，针对厂区内的安全生产，我们制定了相关条例规范生产，详见《初步设计说明书-下册》第二十章。

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六、工厂设计

我们采用Autodesk CAD进行了工厂平面设计，用Aveva-PDMS软件对车间进行了布置和设备配管，使用Google Sketch up 8进行了其他建筑及公用工程车间的三维建模，最终使用Lumion进行渲染导出。

6.1 总厂布置

全厂划分为生产区、辅助生产区、储运区、办公区、生活区五个区域。在设计厂区车间布局时，在遵守厂区车间布置与防火规范的前提下，还优化了相互联系紧密车间的布局，减少管道回转次数，节省管线，并以人流与物流高度分离为理念布置运输线路。厂区四周均为绿化带，用以将厂区与外界危险因素隔离，保证安全生产。

工厂设置3个大门，南北两个用于日常通行，东边用于运输原料产品，均可作为消防通道使用。

图5-1 厂区布置图

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6.2 车间及管道布置

我们采用Aveva-PDMS软件对丙烯醛合成车间、废酸处理车间、丙烯回收车间和丙二醇合成车间的设备进行了布置，确定了管道的管径和走向，并绘制了管道的轴测图。

七、经济评价

经过对该项目进行投资估算和财务评价，全厂的综合经济技术指标如表3所示：

表3 主要技术经济指标

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 项目名称 设计规模 年操作时间 分厂用地面积 建筑面积 总定员 项目总投资 固定资产投资 总成本 全厂总产值 年净利润总额 盈亏平衡点 投资利润率 投资回收期 投资利税率 投资收益率 财务净现值 财务内部收益率 数值 4.5 8000 126121 39582 140 72867.36 453.80 57731.5 90000 26129.84 19.95 33.22 5. 41.65 50.88 69013.83 26. 单位 万吨/年 小时/年 平方米 平方米 人 万元 万元 万元/年 万元/年 万元/年 % % 年 % % 万元 % - 10 -

八、项目总结

四川大学ET设计团队以“安全稳定、节能环保、合理创新、和谐发展、切合实际”为理念完成了45kt/a 1,3-PDO项目的设计任务。

本设计中，采用Aspen Plus对流程进行了设计与稳态模拟、物料及能量衡算，利用Aspen Dynamics对流程进行了动态模拟，利用Aspen HX-Net进行了换热网络集成设计，使用了Aspen Energy Design and Rating、SW6-98、KG-Tower等软件进行了设备的选型。另外还完成了PFD、PID、车间布置图、管道轴测图、厂区布置图、设备装配图、三维车间图等相关图纸的绘制。编制了《环境评估报告》、《可行性研究报告》及经济分析相关内容，还完成了对储运、公用工程、消防等内容的设计。相应的内容请参照相关文档。

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