1.1  环氧丙烷的发展形势

环氧丙烷，又名氧化丙烯、甲基环氧乙烷，是非常重要的有机化合物原料，是仅次于聚丙烯和丙烯腈的第三大丙烯类衍生物。环氧丙烷主要用于生产聚醚多元醇、丙二醇和各类非离子表面活性剂等，其中聚醚多元醇是生产聚氨酯泡沫、保温材料、弹性体、胶粘剂和涂料等的重要原料，各类非离子型表面活性剂在石油、化工、农药、纺织、日化等行业得到广泛应用。同时，环氧丙烷也是重要的基础化工原料。

中国环氧丙烷生产始于20世纪60年代，采用自行开发的氯醇法工艺路线。20世纪80年代末和90年代初，中国先后引进了日本旭硝子公司、三井东压公司、昭和电工公司和美国陶氏公司氯醇法技术，锦化化工、山东滨化、中石化上海高桥石化、天津大沽化工等企业环氧丙烷装置建成投产后取得了较好的经济效益，生产水平得到较大提高。如今，除中海壳牌25万t/a环氧丙烷装置采用共氧化法外，国内现有80%的环氧丙烷产能使用氯醇法。

随着我国精细化工和聚氨酯工业的发展，环氧丙烷产品市场前景日益广阔，但是目前我国环氧丙烷生产全部采用的是氯醇法生产工艺，该工艺存在对设备腐蚀严重、产生的含氯化钙废水严重污染环境等缺点。

随着环氧丙烷在国内的需求日益增加，国内总体呈现供不应求的态势，且在未来几年内需求量仍有增加，世界范围内对环氧丙烷的需求也在持续增长。鉴于国内环氧丙烷的发展现状，建设一条环氧丙烷生产线是非常必要的。

考虑到世界对能源的利用方向逐渐趋向于无污染、能耗小的方向研究，本项目经研讨决定采用过氧化氢（HPPO）法生产环氧丙烷。现今此法受关注度较高，此法的经济效益较高，是实现可持续发展战略的重要的一步。

1.2  原料供应与厂址确定

由于环氧丙烷的主要原料是丙烯、甲醇、双氧水，为了便于购买原料，本生产线最好临近石油化工厂。经过对全国各地区的石油化工企业的调查、环境因素的分析及市场需求状况的调查后发现。宁波具有很强的地理位置优越性。宁波市具有丰富的能源，便利的交通，有利于原料的运输，其中华东地区占全国环氧丙烷消费的58%，由宁波市向外辐射，因此有助于产品的销售，降低运输成本，具有很强的市场竞争性。

综合上述因素，本项目在宁波市镇海区，为中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司拟建年产200kt的环氧丙烷项目的一座分厂，并在厂区内引进国外先进的生产技术与管理模式，生产设备齐全，生产效率高。产品包括优等品、一等品以及合格品。

二  生产工艺

本生产工艺共分四段，分别为：环氧化反应段、产物预处理段、C3分离段、甲醇精制回收段四个工段。工艺流程模拟总图见图2.1。

图2.1  环氧丙烷生产工艺流程图

1、环氧化反应段

环氧化阶段主要是环氧丙烷的生成阶段，主要是原料丙烯与双氧水进行环氧化反应。环氧化反应采用固定床反应器，反应温度为50℃，反应压强为3MPa，保证反应物在液相条件下进行。反应PO的选择性大于97%。双氧水进料的质量空速为0.7-1.1h-1，丙烯，甲醇，双氧水按一定摩尔比投料，反应产物通往下一个工段。工艺流程模拟如图2.2。

图2.2  环氧化反应

2、产物预处理段

本车间主要是对一车间的产物进行初步的提纯。一车间产出产物主要含有PO.、未反应的双氧水和甲醇，副产物有丙二醇，丙二醇单甲醚，丙烷，甲酸甲酯，乙醛等。主要为高压液相，经过二级闪蒸罐处理，可得到含甲醇、C3气液混合相，经过精馏，塔顶轻组分通入到C3分离段，塔底重组分通入甲醇精制回收车间；和富含甲醇的液相，通过精馏预分离，塔顶轻组分通入C3分离段，塔底重组分通入甲醇精制回收车间。工艺模拟如图2.3。

图2.3  产物预处理段

3、C3分离段

本车间主要是上一工段过来的物流组分主要为PO，丙烯，丙烷，甲醇，极少量氧气的混合体系。首先经过丙烯二级精馏塔得到高纯度的丙烯，进行回收利用，其余组分经过PO二级精馏塔得到符合要求的产品环氧丙烷。除氧器的方法为反应吸收法，将丙烯一级精馏塔顶的产物通入到饱和亚硫酸钠的储罐中，即可有效除去氧气。甲醇则通入甲醇精制回收段进行回收利用。工艺模拟如图2.4。

图2.4  C3分离段

4  甲醇精致回收段

经过丙烯的回收，PO的精制，剩余的物料主要成分为水和甲醇，和一些高沸点杂质。经过甲醇的三级精馏，可得到符合要求规格的甲醇进行回收再利用。在水的精制回收时，可将含有高沸点杂质的水通入到闪蒸罐中，得到纯净的水。工艺流程模拟如图2.5。

图2.5  甲醇精制回收段

三  热网络优化

节约能源是我国的一项基本国策，为推动全社会展开节能降耗，缓解能源瓶颈的制约，建设节能型社会，国家制定了《节能中长期专项规划》，并在2004年11月25日向全社会发布。该“规划”明确指出：能源是战略资源，是全面建设小康社会的重要物质基础的能源约束问题，必须坚持节约优先。

为了能够更好的节约项目的投资成本，提高经济效益，本项目对换热网络的热集成进行了优化，优化过程主要是利用了夹点技术，通过确定夹点然后对整个换热网络进行了真实性的优化，达到了经济效益最大化，能量理由效率最大化，设备投资费用最小化，能源损失最小化的目的。

换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中的换热物流提取出来，组成了换热网络系统其中被加热的物流称为冷物流，被冷却的物流称为热物流。换热的目的不仅是为了使物流温度满足工艺要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工程消耗。基于这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。

为了能够更好的达到换热网络所需要的目标，本项目利用夹点技术，对换热网络进行优化。夹点技术的基本原理夹点技术是以化工热力学为基础，以经济费用为目标函数，对换热网络的整体进行优化设计。优化过程包括冷热物流之间的匹配，冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中一些分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡。

换热网络合成的任务，是确定换热物流的合理匹配方式，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。最终的优化目标是确定出具有最小的设备(换热器、加热器和冷却器)投资费用和操作（公用工程加热与冷却）费用，并满足把每一个工艺物流由初始温度加热或冷却到目标温度的换热网络。

换热网络的消耗代价来自三个方面：换热单元（设备）数，传热面积，公用工程消耗，换热网络合成追求的目标，是使这三方面的消耗都为最小值。

在换热网络中存在一个最小的允许传热温差△Tmin，这一点即为夹点。最小温差是换热网络综合中的一个关键因素。△Tmin=0是冷热物流能量回收达到最大的极限值，此时冷、热公用工程最小，但是设备费用却无限增大。随着△Tmin越大，能量回收减少，同时增加冷、热公用工程用量，且能量回收的减少正好等于冷、热公用工程用量的增加值。最小传热温差可由经验值给定，此时需考虑公用工程和设备投资的价格、换热工质、传热系数、操作弹性等因素的影响。

因为夹点之上使用外部冷却器会使总公用工程消耗增大，从而达不到能量最优的目的，相反，为了避免在夹点之下使用加热器，以保证能量最优，夹点之下的流股数应满足因此流股数目准则为：

（1）对于夹点上方，热物流（包括其分支物流）的数目要小于或等于冷物流（包括其分支物流）数目，即： 

（2）对于夹点上方，热物流（包括其分支物流）的数目要大于或等于冷物流（包括其分支物流）数目，即： 

夹点技术的黄金法则由上述确定夹点的方法可以看出，夹点具有两个特征：

一是该处热、冷物流间的传热温差最小，刚好等于规定的△Tmin；

二是该处（温位）过程系统的热流量为零。

根据夹点原理，由Aspen Energy Analyzer 7.2 模拟出来的换热网络如图5.1，通过软件计算得到的夹点数据，由夹点数据对生成的换热网络进行优化，可得到优化后的热集成网络如图5.2所示。

图3.1 优化前的热集成网络 

图3.2 优化后的热集成网络

通过对换热网络的优化后使本项目的能耗降低了30%，到达了企业节能的要求，并提升了企业的经济效益。由于夹点技术的节能减排效应和经济效益（显著），其在石油、化工等过程工业中的应用越来越广泛。

四  工厂设计布置

4.1  工厂平面布置

经过对生产工艺的研究和当地环境气候的调查后，我们最终将工厂分为生产区、生活区、行政区、控制中心四个区域，在存在危险隐患的地方加高加固围墙，工厂生活区与生产区之间建立消防站以避免出现重大灾难。通过CAD绘图软件画出工厂平面布置图如图4.1。

图4.1  工厂平面布置图

4.2车间布置

生产车间布置根据3D图示如下：

图4.2  环氧丙烷车间分布

五  经济分析

本项目中生产环氧丙烷采用的HPPO法具有投资成本低，污染小，产率高，能耗低等优点，具有很强的市场竞争力。环氧丙烷市场需求逐年增加，具有良好市场前景。此外，宁波市还是化工产品高消费的地区，有非常可观的市场需求与经济效益。本项目可取得可观的经济效益，主要经济指标见表5.1。

表5.1  项目主要经济指标

本次采用Aspen plus软件完成全流程模拟和热量集成与优化，并在此基础上进行了物料衡算、能量衡算、设备设计、设备选型等；此外，还运用CAD绘制车间平面布置图、厂房布置图、三维布置图，并对车间管道进行了布置。本生产工艺环氧丙烷选择性高达97%，并具有耗能少，污染少，投资低等优点。

经过几个月的设计，本小组完成了200kt/a环氧丙烷项目的初步设计，上交的文档主要包括《可行性研究报告》、《初步设计说明书》、《创新性概述》、《设备一览表》，计算机辅助程序有工艺模拟流程，热量集成与优化，塔设备内件的设计和水利校核，换热器设计，PFD图，PID图，车间平立面布置图，厂区平面布置图，车间布置3D图，厂区布置3D图，厂区漫游。

采用的软件及版本主要为Aspen V7.2、Aspen Energy AnalyzerV7.2、Exchanger Design and RatingV7.2、AutoCAD2012、Intergraph CADWorx2013、Cup Tower、Autodesk Maya2012。

由于时间紧迫，任务重，专业知识有限，设计中难免存在疏漏和不足之处，感谢评委专家批评指正!下载本文