大學universe化工設計競賽版本0項目摘要

1、山東昌邑石化 34 萬噸聚丙烯項目項目摘要參賽學校：中山大學化學工程與技術學院參賽隊伍：UNIVERSE指導隊長： 隊員：娜2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要一、項目簡介聚丙烯（Polypropene, PP）是由丙烯單體聚合形成一種高分子聚合物，其熱力性能和機械性能優(yōu)良，廣泛應用于注塑、制管方面、吹膜、涂覆、拉絲、改性工程等各種工業(yè)和民用制品領域。近年來，隨著我國不斷的發(fā)展壯大，包裝業(yè)、業(yè)、醫(yī)療業(yè)、建材業(yè)、汽車業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，對聚丙烯的大量需求，極大地促進了我國工業(yè)的發(fā)展，我國聚丙烯的年生產(chǎn)能力和消費量不斷攀升，目前其國內(nèi)市場缺口達 300 萬噸以上。另一方面

2、，丙烯作為重要的石油化工中間體，主要用于生產(chǎn)聚丙烯、丁醇和丙烯腈等化學品。隨著聚丙烯等下游需求的快速增長，丙烯資源供需缺口同樣逐漸增加。綜上，直接以丙烷為原料，通過丙烷丙烯聚丙烯這一工藝路線逐漸受到了工業(yè)界的重視。本項目計劃在山東昌邑石化原有 8 萬噸/年聚丙烯生產(chǎn)能力綜合擴能改造，設計一套的丙烷綜合利用年產(chǎn)量 34 萬噸/聚丙烯，并副產(chǎn)丁烷和氫氣的大型化工項目。項目上游主要以原廠/進口的丙烷為原料、氫氣為稀釋劑，Pt-Sn/Al2O3 為催化劑，采用 Oleflex 工藝丙烯；使丙烷單程轉化率 33.29，丙烯全程的選擇性和收率分別為 94.68和89.33。下游則使用 Unipol 工藝和

3、 Ziegler-Natta 系列催化劑，利用上游的產(chǎn)物丙烯和原廠補充的 13.4 萬噸丙烯為原料生產(chǎn)聚丙烯；最終得到質(zhì)量分數(shù)為 99.7，相對分子量為 102407的聚丙烯。相對于傳統(tǒng)的丙烯工藝。本設計方案充分利用原廠副產(chǎn)丙烷和丙烯資源深，大大增加了附加值；同時采用國際先進的工藝技術路線和能量集成優(yōu)化技術，顯著提高了資源和能量轉化利用效率。最后，本項目順利投產(chǎn)可使該北方地區(qū)聚丙烯和丙烯市場的供應不足現(xiàn)狀得到一定，也為我國傳統(tǒng)大化工產(chǎn)業(yè)的擴能改造提供積極地示范作用。二、Oleflex 工藝本廠丙烷脫氫制丙烯工段模擬 UOP 公司的 Oleflex 工藝，反應物為丙烷，稀釋劑為氫氣，催化劑為 P

4、t-Sn/Al2O3。采用四段絕熱式固定床反應器，級間采用加熱爐加熱。反應器進料溫度 600 oC，稍高于一個大氣壓。反應方程式如下：中山大學 UNIVERSE 團隊2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要主反應：C3 H8 Û C3 H6 + H 2副反應：C3 H8 + H 2 Þ C2 H6 + CH 4H 2 Þ C2 H6H 2 Þ C6 H14436C3 H6 + C4 H10 Þ CH3C6 H5 + 4H 2C3 H8 Þ C2 H 4 + CH 4C3 H6 + H 2 Þ C2 H

5、4 + CH 4反應器產(chǎn)物先在急冷急冷到 300 oC，然后與反應器進料進行換熱，再經(jīng)過高壓脫水、深冷脫氫、脫乙烷塔以及脫丙烯塔，制得質(zhì)量分數(shù)為 99.4的聚合級丙烯。程丙烯的收率為 89.33。三、Unipol 工藝圖 1 聚丙烯工藝流程本設計在 Unipol 工藝的基礎上進行簡化，采用 Ziegler-Natta 系列的 TiCl4 為主催化劑，TGA 為助催化劑。反應原料主體為丙烯，鏈轉移劑為氫氣，惰性物質(zhì)為氮氣，按質(zhì)量比為3 : 10 : 10542 : 29.6 : 1.38 : 1.45 的比例進入反應器，氣相產(chǎn)物循環(huán)進料，塔底的聚丙烯粗產(chǎn)品中含有丙烷、丙烯、聚丙烯以及少量催化劑，

6、通過減壓以及氮氣吹掃的將聚丙烯中山大學 UNIVERSE 團隊2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要進行提純。分離出的氣相丙烯、丙烷循環(huán)進入反應器。反應得到質(zhì)量分數(shù)為 99.7的聚丙烯，收率接近 100，相對分子質(zhì)量為 102407。四、主要創(chuàng)新點（1）原料充分利用原廠產(chǎn)物丙烷、丙烯，創(chuàng)造具有更高附加價值聚丙烯，有效補全原廠的體系，給原廠帶來可觀的效益。（2）丙烷與氫氣進料通過模擬、分析定為 1:1，有效的提高了丙烯產(chǎn)物的收率。（3）多級壓縮機級間冷卻器換為水直接逆流接觸閃蒸塔，既節(jié)約能耗，又降低了水的含量。（4）采用 TEG 吸水塔與TEG 再生塔聯(lián)合的吸水裝置，有效

7、將產(chǎn)物中水含量減少至 160 ppm。（5）采用脫丙烯內(nèi)部熱耦合塔，較普通脫丙烯塔節(jié)能 72.5。（6）TEG 再生塔以及脫乙烷塔所產(chǎn)生的馳放氣作為氣送往加熱爐中燃燒供能。（7）建立熱電廠，利用天然氣燃燒供電，年產(chǎn)電量 1.6 億kWh，年產(chǎn)氣量 72 萬噸。14 萬噸自用，58 萬噸供給總廠或賣出。（8）丙烯聚合反應器采用新型分布器，反應器氣孔堵塞、粘壁結塊的現(xiàn)象。（9）TEG 再生底釜式重沸器采用高通量管換熱器。（10）丙烷脫氫制丙烯使用新型工藝 Oleflex 工藝，丙烯收率提高，節(jié)能效果明顯。五、熱集成與節(jié)能技術1、換熱網(wǎng)絡設計整個流程的能耗主要發(fā)生在精餾塔、換熱器以及反應器中。在本工

8、藝中，加熱和冷卻介質(zhì)都來自于公用工程，加熱介質(zhì)采用低壓蒸汽、冷卻介質(zhì)采用 20 oC 冷卻水。本工藝程換熱網(wǎng)絡的設計基于 Aspen Energy Analyzer V7.2 完成，最小傳熱溫度 10 oC，夾點溫度為62.5 oC，換熱網(wǎng)絡優(yōu)化結果見圖 2中山大學 UNIVERSE 團隊2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要圖 2 本項目最優(yōu)化換熱網(wǎng)絡圖2.節(jié)能措施（1）馳放氣回收裝置：將 TEG 再生頂氣體以及脫乙烷頂氣體通往熱電廠中燃燒供電或者加熱爐中燃燒放熱。（2）脫丙烯塔：采用內(nèi)部熱耦合塔，通過加壓，使得精餾段高于提餾段，提高精餾段的溫度，只要滿足傳熱溫差要求

9、，就可以實現(xiàn)精餾段與提餾段之間的換熱。（3）工藝物流間換熱：反應器產(chǎn)物與反應器進料之間進行換熱；脫氫塔產(chǎn)物與進料進行換熱；TEG 吸水裝置中，TEG 貧液與 TEG 富液進行換熱；聚丙烯反應器進料混合罐中不同流股間進行換熱。六、自動系統(tǒng)為了保證正常工況下系統(tǒng)連續(xù)、平穩(wěn)的生產(chǎn)和非正常工況下系統(tǒng)具有足夠的應變能力，我們?yōu)轫椖吭O計了以下系統(tǒng)。中山大學 UNIVERSE 團隊2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要圖 3 自動系統(tǒng)圖我們使用了集散系統(tǒng) DCS。以微處理機為，綜合了、計算機、通訊三大技術，是一種組件化、積木化、數(shù)模結合的自動化技術工具。由現(xiàn)場站、操作站、通訊總線三大

10、部分組成。各個部分均采用微處理機，都具有記憶、邏輯、和數(shù)據(jù)運算等功能。DCS 以分散的適應分散的對象，以集中的監(jiān)視、操作和管理來達到掌管全局的目的。七、廠區(qū)選擇與廠址布置項目選址在山東昌邑石油化工園區(qū)，渤海灣，園區(qū)地理位置優(yōu)越，交通便利，氣候宜人。園區(qū)企業(yè)集群的形成使得石化產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢明顯，同時山東高校與科研院所為園區(qū)提供了雄厚的智力和人力資源。此外，山東昌邑石油化工園區(qū)得到了當?shù)氐姆鲋唾Y金技術支持，注重發(fā)展循環(huán)，特別適合本項目的投資建設。中山大學 UNIVERSE 團隊2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要圖 4 廠區(qū)地理位置圖（圖中紅框為建廠選址）廠區(qū)總占地面積為

11、 13 萬平方米，主要由工藝裝置、倉儲設施、輔助公用、生產(chǎn)管理及生活服務等區(qū)域。工廠布置嚴格遵照設計規(guī)范要求，充分考慮了安全、 環(huán)保、未來發(fā)展等因素。我們使用 Auto CAD 進行平面設計，運用 Sketch Up 和 PD Max等構建了廠區(qū)圖。并通過渲染工具 Artls將工廠完真的呈現(xiàn)出來。中山大學UNIVERSE 團隊2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要圖 5 總廠區(qū)平面圖中山大學 UNIVERSE 團隊2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要圖 6 總廠區(qū)三維八、分析本次效益分析參考了化工分析中常用的數(shù)據(jù)處理方式，采用手動計算，應用As

12、pen Process Economic Analyzer 以及 Oracle Crystal Ball進行輔助分析。通過對項目一系列環(huán)節(jié)進行估算和模擬，我們從各方面進行了分析，并對本項目的現(xiàn)金流量、投資成本估算、風險評估以及可行性分析進行了較詳細的說明。圖 7 敏感性分析表中山大學 UNIVERSE 團隊2016 年“東華科技杯”第十屆全國大學生化工設計競賽項目摘要分析結果表明，本項目上可行的。本廠詳細分析見下表表 1分析表項目指標13.4 萬噸/年丙烷消耗量（自產(chǎn)）丙烷消耗量（外購）11.46 萬噸/年丙烯消耗量（自產(chǎn)）13.4 萬噸/年丙烯產(chǎn)量20.5 萬噸/年33.87 萬噸/年聚丙烯產(chǎn)量裝置30 年原料消耗58998.6