1、山東昌邑石化 34 萬噸聚丙烯項(xiàng)目項(xiàng)目摘要參賽學(xué)校：中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院參賽隊(duì)伍：UNIVERSE指導(dǎo)隊(duì)長(zhǎng)： 隊(duì)員：娜2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目摘要一、項(xiàng)目簡(jiǎn)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(jī)械性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)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(lǐng)域。近年來，隨著我國(guó)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(duì)聚丙烯的大量需求，極大地促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)聚丙烯的年生產(chǎn)能力和消費(fèi)量不斷攀升，目前其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)缺口達(dá) 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(xué)品。隨著聚丙烯等下游需求的快速增長(zhǎng)，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(xiàng)目計(jì)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(kuò)能改造，設(shè)計(jì)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(xiàng)目。項(xiàng)目上游主要以原廠/進(jìn)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(zhuǎn)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(bǔ)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?jǐn)?shù)為 99.7，相對(duì)分子量為 102407的聚丙烯。相對(duì)于傳統(tǒng)的丙烯工藝。本設(shè)計(jì)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(shí)采用國(guó)際先進(jìn)的工藝技術(shù)路線和能量集成優(yōu)化技術(shù)，顯著提高了資源和能量轉(zhuǎn)化利用效率。最后，本項(xiàng)目順利投產(chǎn)可使該北方地區(qū)聚丙烯和丙烯市場(chǎng)的供應(yīng)不足現(xiàn)狀得到一定，也為我國(guó)傳統(tǒng)大化工產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)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(yīng)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(yīng)器，級(jí)間采用加熱爐加熱。反應(yīng)器進(jìn)料溫度 600 oC，稍高于一個(gè)大氣壓。反應(yīng)方程式如下：中山大學(xué) UNIVERSE 團(tuán)隊(duì)2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目摘要主反應(yīng)：C3 H8 Û C3 H6 + H 2副反應(yīng)：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(yīng)器產(chǎn)物先在急冷急冷到 300 oC，然后與反應(yīng)器進(jìn)料進(jìn)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?jǐn)?shù)為 99.4的聚合級(jí)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(shè)計(jì)在 Unipol 工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用 Ziegler-Natta 系列的 TiCl4 為主催化劑，TGA 為助催化劑。反應(yīng)原料主體為丙烯，鏈轉(zhuǎn)移劑為氫氣，惰性物質(zhì)為氮?dú)猓促|(zhì)量比為3 : 10 : 10542 : 29.6 : 1.38 : 1.45 的比例進(jìn)入反應(yīng)器，氣相產(chǎn)物循環(huán)進(jìn)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?dú)獯祾叩膶⒕郾┲猩酱髮W(xué) UNIVERSE 團(tuán)隊(duì)2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目摘要進(jìn)行提純。分離出的氣相丙烯、丙烷循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器。反應(yīng)得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 99.7的聚丙烯，收率接近 100，相對(duì)分子質(zhì)量為 102407。四、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)（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(jià)值聚丙烯，有效補(bǔ)全原廠的體系，給原廠帶來可觀的效益。（2）丙烷與氫氣進(jìn)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(jí)壓縮機(jī)級(jí)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(yīng)器采用新型分布器，反應(yīng)器氣孔堵塞、粘壁結(jié)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(shù)1、換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)整個(gè)流程的能耗主要發(fā)生在精餾塔、換熱器以及反應(yīng)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(luò)的設(shè)計(jì)基于 Aspen Energy Analyzer V7.2 完成，最小傳熱溫度 10 oC，夾點(diǎn)溫度為62.5 oC，換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果見圖 2中山大學(xué) UNIVERSE 團(tuán)隊(duì)2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目摘要圖 2 本項(xiàng)目最優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)精餾段與提餾段之間的換熱。（3）工藝物流間換熱：反應(yīng)器產(chǎn)物與反應(yīng)器進(jìn)料之間進(jìn)行換熱；脫氫塔產(chǎn)物與進(jìn)料進(jìn)行換熱；TEG 吸水裝置中，TEG 貧液與 TEG 富液進(jìn)行換熱；聚丙烯反應(yīng)器進(jìn)料混合罐中不同流股間進(jìn)行換熱。六、自動(dòng)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(yīng)變能力，我們?yōu)轫?xiàng)目設(shè)計(jì)了以下系統(tǒng)。中山大學(xué) UNIVERSE 團(tuán)隊(duì)2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目摘要圖 3 自動(dòng)系統(tǒng)圖我們使用了集散系統(tǒng) DCS。以微處理機(jī)為，綜合了、計(jì)算機(jī)、通訊三大技術(shù)，是一種組件化、積木化、數(shù)模結(jié)合的自動(dòng)化技術(shù)工具。由現(xiàn)場(chǎng)站、操作站、通訊總線三大

10、部分組成。各個(gè)部分均采用微處理機(jī)，都具有記憶、邏輯、和數(shù)據(jù)運(yùn)算等功能。DCS 以分散的適應(yīng)分散的對(duì)象，以集中的監(jiān)視、操作和管理來達(dá)到掌管全局的目的。七、廠區(qū)選擇與廠址布置項(xiàng)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(shì)明顯，同時(shí)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(dāng)?shù)氐姆鲋唾Y金技術(shù)支持，注重發(fā)展循環(huán)，特別適合本項(xiàng)目的投資建設(shè)。中山大學(xué) UNIVERSE 團(tuán)隊(duì)2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目摘要圖 4 廠區(qū)地理位置圖（圖中紅框?yàn)榻◤S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(cāng)儲(chǔ)設(shè)施、輔助公用、生產(chǎn)管理及生活服務(wù)等區(qū)域。工廠布置嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)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(jìn)行平面設(shè)計(jì)，運(yùn)用 Sketch Up 和 PD Max等構(gòu)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(xué)UNIVERSE 團(tuán)隊(duì)2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目摘要圖 5 總廠區(qū)平面圖中山大學(xué) UNIVERSE 團(tuán)隊(duì)2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)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(dòng)計(jì)算，應(yīng)用As

12、pen Process Economic Analyzer 以及 Oracle Crystal Ball進(jìn)行輔助分析。通過對(duì)項(xiàng)目一系列環(huán)節(jié)進(jìn)行估算和模擬，我們從各方面進(jìn)行了分析，并對(duì)本項(xiàng)目的現(xiàn)金流量、投資成本估算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及可行性分析進(jìn)行了較詳細(xì)的說明。圖 7 敏感性分析表中山大學(xué) UNIVERSE 團(tuán)隊(duì)2016 年“東華科技杯”第十屆全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目摘要分析結(jié)果表明，本項(xiàng)目上可行的。本廠詳細(xì)分析見下表表 1分析表項(xiàng)目指標(biāo)13.4 萬噸/年丙烷消耗量（自產(chǎn)）丙烷消耗量（外購(gòu)）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