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杨建平PO 产品检验罐系统设计优化分析杨建平（中石化上海工程有限公司，上海 200120）摘要：按环氧丙烷产品检验要求，在环氧丙烷产品精馏塔和成品储罐之间设置 A/B 二台产品检验罐切换操作。根据不同方案操作时间与 A/B 二台储罐液位和操作时间与操作压力变化关系规律，检验罐设计压力 90 kPa 方案无尾气排放，设计压力 14 kPa 方案最高操作压力大于 10 kPa，有尾气排放需设置尾气回收系统。比较排放尾气冷凝回收和吸收回收方案，吸收回收方案全年成本费用 12.22 万元/年，故作为排放尾气回收环氧丙烷方案。产品检验罐设计压力 90 kPa 方案或设计压力 14 kPa 方案均可有效降低环氧丙烷损失，设计压力 90 kPa 方案投资成本费用与运行成本费用之和 63.62 万元/年，设计压力 14 kPa 方案投资成本费用与运行成本费用之和 77.49 万元/年，故将设计压力 90 kPa 方案作为产品检验罐最终的优化设计方案。关键词：环氧丙烷；产品检验罐；尾气回收；设计优化分析中图分类号：TQ 223.26文献标志码：A文章编号：2095-817X（2023）04-0001-007环氧丙烷是丙烯第三大衍生物，仅次于聚丙烯和丙烯腈的大宗基本有机化工品，每年约 7%的丙烯 1生产环氧丙烷，环氧丙烷 2再进一步生产聚醚多元醇、丙二醇、聚氨酯、可降解塑料等产品。经过近几十年的不断发展，我国环氧丙烷产业规模已相当可观，产能约占全球的 30%。随着氯醇 CHPO 法 3逐步淘汰，环保型 4双氧水法 HPPO 5环氧丙烷工艺取得重大进展以及产业政策的导向，环氧丙烷行业将处于持续转型升级状态中。2005 年中石化石油化工科学研究院、中石化上海工程有限公司等单位经过小试 6中试 7后，2014 年建成我国第一套拥有完全自主 8知识产权 100 kt/a 工业规模 HPPO 装置，实现长、满、安、稳、优运行，产品优级品率 100%，打破国外技术垄断 9，成为世界上第三个拥有 HPPO 技术专利商 10。环氧丙烷产品与其他液体化工产品相类似，在产品储罐 11工艺 12设计 13过程 14中，需采用可靠 15安全 16的排放 17技术 18和方法 19，并进一步考虑节能 20降耗措施。环氧丙烷装置中环氧丙烷产品精馏塔出料和环氧丙烷成品储罐 21进料之间，因生产过程产品检验要求，需设置环氧丙烷产品检验罐以保证环氧丙烷成品储罐进料全部合格。收稿日期：2023-04-24作者简介：杨建平（1965），男，高级工程师。从事石油化工工艺开发与设计工作。1 环氧丙烷检验罐设计方案1.1 环氧丙烷物性环氧丙烷含三元环醚结构，具有很高反应活性，又是高毒、低沸点化学品，常压沸点 34.3 。环氧丙烷温度与蒸汽压关系，见表 1。表 1 环氧丙烷温度与蒸汽压关系一览表Tab.1 The relationship between PO temperature and vapor pressure环氧丙烷温度/环氧丙烷蒸汽压/kPa环氧丙烷温度/环氧丙烷蒸汽压/kPa-1014.372058.10023.943085.591038.0640122.22为保证环氧丙烷产品质量，避免生成微量低聚物，环氧丙烷产品储存温度设定为 10 。其储罐在不同排放压力下尾气含环氧丙烷关系，见表 2。表 2 尾气排放压力与环氧丙烷浓度关系一览表Tab.2 The relationship between tail gas discharge pressure and PO concentration尾气排放压力/kPa环氧丙烷浓度/Vol%尾气排放压力/kPa环氧丙烷浓度/Vol%1034.608021.141433.399020.032031.7210019.031化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(4)化工工艺与工程1.2 检验罐设置方案分析根据 GB 501602008（2018 版）石油化工企业设计防火标准第 6.2.3 条：“储存沸点低于 45 的甲 B类液体宜选用压力或低压储罐。”规定 22，综合考虑技术经济因素，环氧丙烷产品检验罐采用低压储罐。按半日（12 h）或全日（24 h）储罐设置罐容，A/B 二台罐轮流切换操作，当 A 罐进料操作完成后切换至 B 罐进料操作，物料满罐后在 8 16 h 内完成产品检验，质量合格后在 3 6 h 内送成品储罐。设置半日罐可减小罐容，降低工程投资；设置全日罐可降低劳动强度，提高操作的可靠性。300 kt/a 环氧丙烷装置可选公称容积 700 m3半日罐和 1 400 m3全日罐；160 kt/a 环氧丙烷装置可选公称容积 400 m3半日罐和 800 m3全日罐。本文考虑4 个方案，其余方案类推。方案 1：300 kt/a，半日罐，700 m3，-0.5/90.0 kPa；方案 2：300 kt/a，半日罐，700 m3，-0.5/14.0 kPa；方案 3：160 kt/a，全日罐，800 m3，-0.5/90.0 kPa；方案 4：160 kt/a，全日罐，800 m3，-0.5/14.0 kPa；方案 1 4 的工艺设计参数，见表 3。表 3 产品检验罐工艺设计参数一览表Tab.3 The process design parameter of product inspection tank方案 1方案 2方案 3方案 4PO 生产规模/（kt/a）300300160160产品检验罐型式半日罐半日罐全日罐全日罐产品质量流量/（t/h）37.537.520.020.0产品体积流量/（m3/h）44442424检验罐储存时间/h12122424检验罐计算罐容/m3533533569569检验罐公称容积/m3700700800800检验罐有效容积/m3720720830830检验罐全容积/m3800800920920产品检验罐直径/mm10 20010 20010 60010 600产品检验罐高度 H/mm9 8009 80010 40010 400产品检验时间/h8.08.016.016.0检验罐出料流量/（m3/h）1781789595检验罐出料时间/h3.03.06.06.0检验罐设计温度/50505050检验罐操作温度/10101010检验罐设计压力/kPa-0.5/90.0-0.5/14.0-0.5/90.0-0.5/14.0泄压孔设定压力/kPa90.014.090.014.0呼气阀排气压力/kPa80.012.080.012.0控制阀排气压力/kPa70.010.070.010.0控制阀补氮压力/kPa1.01.01.01.0呼气阀吸气压力/kPa-0.3-0.3-0.3-0.3方案1在0 24 h操作周期内，环氧丙烷300 kt/a，A/B 二个半日罐，700 m3公称容积，检验罐设计压力90.0 kPa，A 罐/B 罐尾气直连，储罐液位、操作压力随进料/出料时间的变化，见图 1。此方案中，A 罐在 0 8 h 时，满罐，保持液位74%，进行产品质量检验；在 8 11 h 时，合格产品出料，液位从 74%逐步下降到 0%；在 11 12 h 时空罐；在 12 24 h 时，精环氧丙烷进料，液位从 0%逐步上升到74%。B罐在0 12 h时，精环氧丙烷进料，液位从 0%逐步上升到 74%；在 12 20 h 时，满罐，保持液位 74%，进行产品质量检验；在 20 23 h时，合格产品出料，液位从 74%逐步下降到 0%；在23 24 h 时，空罐。在 0 8 h 时，A 罐满罐，B 罐精环氧丙烷 44 m3/h 进料，仅有进料，A/B 罐压力从2化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(4)8.0 kPa 逐步上升到 61.0 kPa；在 8 11 h 时，A 罐合格产品 178 m3/h 出料，B 罐精环氧丙烷 44 m3/h 进料，出料大于进料，A/B 罐压力从 61.0 kPa 逐步下降到3.0 kPa；在 11 12 h 时，A 罐空罐，B 罐精环氧丙烷 44 m3/h 进料，仅有进料，A/B 罐压力从 3.0 kPa 逐步上升到 8.0 kPa；在 12 20 h 时，A 罐精环氧丙烷44 m3/h 进料，B 罐满罐，仅有进料，A/B 罐压力从8.0 kPa 逐步上升到 61.0 kPa；在 20 23 h 时，A 罐精环氧丙烷 44 m3/h 进料，B 罐合格产品 178 m3/h 出料，出料大于进料，A/B 罐压力从 61.0 kPa 逐步下降到 3.0 kPa；在 23 24 h 时，A 罐精环氧丙烷 44 m3/h进料，B 罐空罐，仅有进料，A/B 罐压力从 3.0 kPa逐步上升到 8.0 kPa。由此 A/B 储罐压力波动范围在3.0 61.0 kPa，大于控制阀补氮压力 1.0 kPa，不需要补充氮气；小于控制阀排气压力 70.0 kPa，没有尾气排放。方案 2 在 0 24 h 操作周期内，储罐液位、操作压力随进料/出料时间的变化，见图 2。图 1 操作时间与 A/B 储罐液位和操作压力变化图Fig.1 The variation of operation time and A/B tank level and operation pressure图 2 操作时间与 A/B 储罐液位和操作压力变化图Fig.2 The variation of operation time and A/B tank level and operation pressure方案 2 中，在 0 24 h 操作周期内 A/B 罐轮流切换操作，与方案 1 相类似进行操作工况分析，A/B储罐最高操作压力大于 10.0 kPa，需要排放尾气，每天尾气排放时间 10 14 h，此时控制阀开启，排气压力 10.0 kPa，但是尾气排放压力过低无法进入焚烧炉系统或火炬系统，需要设置增压机，而且在 10.0 kPa3杨建平.PO 产品检验罐系统设计优化分析工况下，尾气中环氧丙烷含量高达 34.60 Vol%，还需设置环氧丙烷尾气回收 23系统。方案 3 在 0 48 h 操作周期内，储罐液位、操作压力随进料/出料时间的变化，见图 3。图 3 操作时间与 A/B 储罐液位和操作压力变化图Fig.3 The variation of operation time and A/B tank level and operation pressure图 4 操作时间与 A/B 储罐液位和操作压力变化图Fig.4 The variation of operation time and A/B tank level and operation pressure方案 3 中，在 0 48 h 操作周期内 A/B 罐轮流切换操作，与方案 1 相类似进行操作工况分析，由此A/B 储罐压力波动范围在 7.0 49.0 kPa，大于控制阀补氮压力 1.0 kPa，不需要补充氮气；小于控制阀排气压力 70.0 kPa，没有尾气排放。方案 4 在 0 48 h 操作周期内，储罐液位、操作压力随进料/出料时间的变化，见图 4。方案 4 中，在 0 48 h 操作周期内 A/B 罐轮流切换操作，与方案 1 相类似进行操作工况分析，A/B储罐最高操作压力大于 10.0 kPa，需要排放尾气，每天尾气排放 8 12 h，此时控制阀开启，排气压力为10.0 kPa，但是尾气排放压力过低无法进入焚烧炉系统或火炬系统，需设置增压机，而且在 10.0 kPa 工况下，尾气中环氧丙烷含量高达 34.60 Vol%，还需设置环氧丙烷尾气回收系统。2 尾气回收方案比较与确定方案 1 4 中：检验罐设计压力 90 kPa 方案无尾气排放，不需要设置尾气回收系统。检验罐设计压力4化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(4)14 kPa 的方案最高操作压力大于 10.0 kPa，有尾气排放，需设置尾气回收系统。由于尾气回收系统要求入口压力为 60 kPa，而检验罐设计压力 14 kPa，储罐尾气排放压力只有 10 kPa，需设置尾气增压机增压至 60 kPa 后，采用低温冷凝方法或吸收塔吸收方法回收环氧丙烷，贫环氧丙烷尾气再送焚烧炉或低压火炬系 统。以设计压力 14 kPa、公称容积 800 m3、增压至60 kPa 的检验罐为例，尾气正常排放量 44.5 m3/h，最大排放量 250 m3/h，环氧丙烷含量 34.60 Vol%，全年量 170.4 t，选用液环泵作为增压机，需配置 45 kW电机，因正常排放量与最大排放量差异较大，需配置60%110%变频器，每年 8 000 h 运行，平均用电消耗 23 kW，年耗电 184 000 kW h。采用冷凝回收和吸收回收二个方案进行技术经济性比较。2.1 尾气冷凝回收方案环氧丙烷尾气每天排放 12h，采用丙烯制冷冷凝环氧丙烷，尾气冷凝温度-15 ，冷凝后的环氧丙烷回收液进入 PO 回收塔塔顶回流罐。需配置DN 5003 000 冷凝换热器 1 台。产品检验罐排放尾气经液环泵增压至 60 kPa 后从冷凝换热器热侧入口流入，经换热排放尾气放热后部分冷凝，不凝尾气从冷凝换热器热侧出口流出送焚烧炉系统或火炬系统，冷凝后的回收液环氧丙烷从冷凝换热器热侧出口流出返回 PO 回收塔塔顶回流罐加以回收。高压丙烯塔塔顶回流泵 2.4 MPa 液相丙烯经换热器后送至压力 0.18 MPa 低压丙烯压缩机入口分液罐。冷凝回收环氧丙烷工艺流程示意图，见图 5。剂 80.0 kg/h，丙烯压缩机耗电 1.8 kW。投资成本费用估算：冷凝换热器 1 台，工艺管道、自控仪表、土建基础各 1 批，工程总投资 13.2 万元，按 10 年平均分摊折算投资费用成本 1.32 万元/年。运行成本费用估算：氮气全年消耗量 123 200 Nm3，电全年消耗量 14 400 kW h，环氧丙烷全年损耗量 24.6 t，运行费用总成本 27.21 万元/年。投资成本费用与运行成本费用之和 28.53 万元/年。2.2 尾气吸收回收方案环氧丙烷尾气每天排放 12 h，采用异丙苯缓冲罐 DC-406 出口 40 异丙苯液相作为吸收剂吸收排放尾气中环氧丙烷。需配置 DN 60010 000 尾气洗涤塔 1 台。排放尾气经液环泵增压至 60 kPa 后进入尾气洗涤塔塔釜，来自异丙苯缓冲罐 DC-406 出口40 异丙苯液相进入尾气洗涤塔塔顶。排放尾气气相与异丙苯液相逆流接触，排放尾气所含环氧丙烷进入到异丙苯液相中。富环氧丙烷的异丙苯液相从尾气洗涤塔塔釜流出返回环氧丙烷回收塔回流罐回收环氧丙烷。贫环氧丙烷排放尾气从尾气洗涤塔塔顶流出进入焚烧炉系统或火炬系统中。吸收回收环氧丙烷工艺流程示意，见图 6。图 5 冷凝回收工艺流程示意图Fig.5 The process flow sketch of condensation recovery图 6 吸收回收工艺流程示意图Fig.6 The process flow sketch of absorption recovery焚烧炉系统回 PO 回收塔回流罐DC-406 来的异丙苯储罐尾气尾气洗涤塔低压丙烯压缩机入口分液罐0.18 MPa高压丙烯塔顶回流泵出口来2.4 MPa液环泵储罐排放尾气焚烧炉系统回收液相 PO 返回PO 回收塔流罐罐顶不凝尾气经 ASPEN PLUS 和 HTRI 软件计算：冷凝后排放尾气中环氧丙烷残留量 6.20 kg/h。冷凝后排放尾气中氮气消耗量 30.8 Nm3/h，需循环使用液相丙烯冷经 ASPEN PLUS 和 FRI 软件计算：吸收后排放尾气中环氧丙烷残留量 1.35 kg/h，需要循环使用液相异丙苯吸收剂 500 kg/h，增加异丙苯循环输送泵耗电 1.0 kw。投资成本费用估算：尾气洗涤塔 1 台，工艺管道、自控仪表、土建基础各 1 批，工程总投资 31.4 万元，按 10 年平均分摊折算投资费用年成本5杨建平.PO 产品检验罐系统设计优化分析3.14 万元/年。运行成本费用估算：氮气全年消耗量 123 200 Nm3，电全年消耗量 4 000 kw h，环氧丙烷全年损耗量 5.4 t，运行费用总成本 9.08 万元/年。投资成本费用与运行成本费用之和 12.22 万元/年。2.3 回收方案的确定冷凝回收方案合计成本费用 28.53 万元/年；吸收回收方案合计成本费用 12.22 万元/年。由此可知吸收回收方案合计年成本费用更低，故确定排放尾气采用吸收回收方案。3 检验罐方案比较与确定3.1 设计压力 90 kPa 方案以方案 3 环氧丙烷 160 kt/a 生产规模，A/B 二个全日罐，800 m3公称容积，检验罐设计压力 90.0 kPa为例，投资成本费用估算：产品检验罐 2 台，工艺管道、自控仪表、土建基础各 1 批，工程总投资 636.2 万元，按 10 年平均分摊折算投资费用成本 63.62 万元/年。运行成本费用估算：无氮气电消耗，运行费用成本 0.0万元/年。投资成本费用与运行成本费用之和 63.62万元/年。3.2 设计压力 14 kPa 方案以方案 4 环氧丙烷 160 kt/a 生产规模，A/B 二个全日罐，800 m3公称容积，检验罐设计压力 14.0 kPa为例，投资成本费用估算：产品检验罐 2 台，增压液环泵 2 台，尾气洗涤塔 1 台，工艺管道、自控仪表、土建基础各 1 批，工程总投资 594.0 万元，按 10 年平均分摊折算投资费用成本 59.40 万元/年。运行成本费用估算：氮气全年消耗量 123 200 Nm3，电全年消耗量 188 000 kW h，运行费用成本 18.09 万元/年。投资成本费用与运行成本费用之和 77.49 万 元/年。3.3 检验罐设计压力的确定设计压力 90 kPa 方案：无论储罐公称容积是700 m3还是 800 m3，无论是半日罐还是全日罐，在正常操作工况下，压力波动范围为 3.0 61.0 kPa 或7.0 49.0 kPa，大于控制阀补氮压力 1.0 kPa，不需要补充氮气；小于控制阀排气压力 70.0 kPa，没有尾气排放，也不需要设置尾气回收系统。在非正常操作工况下，环氧丙烷排放尾气送焚烧炉系统或火炬系统。此方案几乎没有尾气排放、没有环氧丙烷损耗、没有氮气电消耗，不存在非正常操作工况下 VOC 排放对环境影响的可能性。设计压力 14 kPa 方案：无论储罐公称容积是700 m3还是 800 m3，无论是半日罐还是全日罐，在正常操作工况下，最高操作压力大于 10.0 kPa，存在环氧丙烷尾气排放，每天尾气排放 10 14 h 或8 12 h，此时控制阀开启，排气压力 10.0 kPa；但尾气排放压力过低，需设置增压液环泵将排放尾气增压至 60.0 kPa，而且在 10.0 kPa 工况下，尾气中环氧丙烷含量高达 34.60 Vol%，还需设置尾气吸收系统回收环氧丙烷，吸收后的贫环氧丙烷排放尾气送焚烧炉系统或火炬系统。此方案有尾气排放，虽增压后环氧丙烷排放尾气通过异丙苯吸收回收了大部分环氧丙烷，但仍有环氧丙烷损耗、氮气消耗、电消耗，在停氮、停电等非正常操作工况下，存在 VOC 排放污染环境的风险。经分析比较：产品检验罐设计压力 90 kPa 方案或 14 kPa 方案均可有效降低环氧丙烷损失，90 kPa方案投资成本费用与运行成本费用之和更低。综合设计优化分析，确定产品检验罐设计压力 90 kPa。4 结论与建议（1）按环氧丙烷产品检验要求，需设置 A/B 二台产品检验罐。分析生产规模 300 kt/a 或 160 kt/a，产品检验罐公称容积 700 m3或 800 m3，半日罐或全日罐，设计压力为-0.5/90.0 kPa 或-0.5/14.0 kPa 的不同方案，研究操作时间与 A/B 二台储罐液位和操作时间与操作压力变化关系的规律。（2）根据变化关系规律，检验罐设计压力90 kPa 方案无尾气排放，不需设置尾气回收系统；检验罐设计压力 14 kPa 方案最高操作压力大于 10 kPa，有尾气排放，需要设置尾气回收系统。（3）比较排放尾气冷凝回收和吸收回收 2 种方案：冷凝回收成本费用 28.53 万元/年；吸收回收成本费用 12.22 万元/年。吸收回收方案年成本费用更低，故作为排放尾气回收方案。（4）产品检验罐设计压力 90 kPa 方案或设计压力 14 kPa 方案中，90 kPa 方案工艺流程更短，工程实施更简洁。设计压力 90 kPa 方案投资成本费用与运行成本费用之和 63.62 万元/年；设计压力 14 kPa方案投资成本费用与运行成本费用之和 77.49 万元/年。设计压力 90 kPa 方案投资成本费用与运行成本费用更低，经设计优化分析，采用产品检验罐设计压力 90 kPa 的方案。6化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(4)Optimization Analysis of PO Product Inspection Tank System DesignYang Jianping（Sinopec Shanghai Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）Abstract:According to the requirements of propylene oxide product inspection,A/B two product inspection tanks were set up to switch between the propylene oxide product rectification tower and the finished product storage tank.According to the operation time of different schemes and the relationship between the liquid level,operation time and operating pressure of two storage tanks A/B,the test tank design pressure of 90 kPa had no exhaust emission,while the design pressure of 14 kPa had the maximum operating pressure of more than 10 kPa,and the exhaust gas recovery system needed to be set up.Comparing the condensation recovery of exhaust gas and the absorption recovery program,the annual cost of the absorption recovery program was 122,200 yuan/year,which was used as the epoxy propane recovery program of exhaust gas.Product inspection tank design pressure of 90 kPa and design pressure of 14 kPa could effectively reduce the loss of propylene oxide.The sum of investment cost and operating cost of the design pressure of 90 kPa scheme was 636,200 yuan/year,while the sum of investment cost and operating cost of the design pressure of 14 kPa scheme was 774,900 yuan/year.Therefore,the design pressure of 90 kPa scheme was used as the final optimization design scheme of the product inspection tank.Keywords:propylene oxide;product inspection tank;tail gas recovery;design optimization analysis参考文献张科，肖敦峰，李明子，等.我国环氧丙烷产业发展概述 J.1 化肥设计，2022，60（2）：1-5.王玉梅，于钧，刘甦，等.环氧丙烷生产方法及国内发展方向2 J.化学工程师，2001，14（3）：50-51.丁燕.环氧丙烷绿色合成的研究进展 J.精细石油化工，3 2022，39（5）：71-75.单洁，王琪，王全.环氧丙烷的工艺路线及技术改造分析 J.4 天津化工，2023，37（1）：90-94.李明威.国内环氧丙烷工艺技术进展及市场分析 J.广东化5 工，2020，47（11）：112-114.王刚，段学志，袁渭康，等.钛硅分子筛 TS-1 催化环氧丙烷异6 构反应的机理探究 J.化工学报，2021，72（10）：5150-5158.张春雷，马建学，邵敬铭.丙烯-H7 2O2氧化制环氧丙烷绿色合成技术进展 J.化学世界，2006，61（4）：242-245.杨建平，严政，徐尔玲，等.制备环氧丙烷的方法：中国，8 CN201310683291.4 P.2015-10-21.杨 建 平，单 丹，何 琨.环 氧 丙 烷 的 生 产 方 法：中 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