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kta常减压装置减压塔研究设计
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
2500kt/a常减压装置减压塔设计
1前言
原油常减压装置是炼油厂加工原油的第一套装置，它担负着将原油进行初步分离的任务，是炼油厂和许多石油化工企业的龙头装置。
原油一次加工能力即原油蒸馏装置的处理能力常被视为一个国家炼油工业发展水平的标志。
目前我国单套原油蒸馏装置处理能力最大达到8Mt/a，在装置及设备大型化等方面有了新的进展。
防腐技术，初馏塔提压操作，回收轻烃等新工艺在许多常减压装置得到工业应用。
本课题来源于生产实际，其目的是核算或设计一套对石油进行初步分离的常减压装置。
意义在于，通过常减压蒸馏对原油的处理，可以按所指定的产品方案将原油分割得到直馏汽油、煤油、轻柴油、重柴油馏分以及各种润滑油馏分等，为二次加工、三次加工提供更多的原料油。
蒸馏过程和设备的设计是否合理，操作是否良好，对炼油厂生产的影响甚为重大，因此需要考虑多方面因素以达到最优化设计。
本文在阐述常减压装置的工艺流程前提下完成减压塔的设计，文中重点放在塔设计过程中的工艺计算、塔体和塔板主要尺寸设计、流体力学的验算与操作负荷性能图，在此基础上设计合理的蒸馏设备，基本符合设计生产任务。
由于设计数据不够完善，而作者的知识和经验有限，文中如有错误和不妥之处恳请读者和同行批评指正。
2选题背景
2.1研究目的和意义
石油是极其复杂的混合物。
要从原油提炼出多种多样的燃料、润滑油和其他产品，其本的途径是：
将原油分割为不同沸程的馏分然后按照油品的石油要求，除去这些馏分中的非理想组分，或者是经由化学转化形成所需要的组成，进而获得合格的石油产品。
因此，炼油厂必须解决原油的分割和各种石油馏分在加工过程中的分离问题。
蒸馏正是一种合适的手段，而且常常也是一种最经济、最容易实现的分离手段。
原油蒸馏是原油加工的第一道工序，通过蒸馏将原油分成汽油、煤油、柴油等各种油品和后续加工过程的原料，原油蒸馏装置在炼化企业中占有重要的地位，被称为炼化企业的“龙头”。
在炼油厂中一般把常压装置和减压装置连在一块构成常减压装置。
本课题来源于生产实际，其目的是核算或设计一套对石油进行初步分离的常减压装置。
意义在于，通过常减压蒸馏对原油的处理，可以按所指定的产品方案将原油分割得到直馏汽油、煤油、轻柴油、重柴油馏分以及各种润滑油馏分等，为二次加工、三次加工提供更多的原料油。
蒸馏过程和设备的设计是否合理，操作是否良好，对炼油厂生产的影响甚为重大，因此需要考虑多方面因素已达到最优化设计。
2.2国内外发展现状
由于我国的原油性质与国外的主要原油有较大的不同，并考虑到我国能源紧张的情况，我国原油蒸馏装置在改进工艺技术，尽量提高轻油拔出率，改进产品质量和降低能耗等方面采取了不少措施，取得了较显著的效果。
主要有以下几点：
2.2.1防腐蚀
抑制原油蒸馏装置中设备和管线腐蚀的主要方法是：
对低温的塔顶以及塔顶油气馏出线上的冷凝冷却系统采取化学防腐措施，即“一脱三注”—深度电脱盐、注氨、注缓蚀剂和注碱性水。
2.2.2提高拔出率与分馏精确度
原油通过蒸馏得到的各馏分油的总和与原油处理量之比叫做总拔出率。
减压系统当生产裂化原料时，对馏分组成要求不严，对馏分油只要求起残炭和重金属含量要少，在此前提下应尽可能提高拔出率。
提高原油拔出率主要是提高减压塔的拔出率，或提高原油的切割深度。
在减压拔出率上，国内与国外相比存在一定差距。
我国原油减压渣油实沸点的切割温度一般多为520℃-540℃左右，即减压蒸馏最多只能拔出沸点在540℃以前的馏分。
而国
外采用深度的切割技术，已将减压渣油的切割温度设在565℃，有的减压蒸馏的切割温度甚至设在600℃以上。
在相同的气化温度下，真空度愈高，则油品气化率愈高，塔的拔出率也就愈高。
提高拔出率主要从几个方面着手：
完善和提高干式减压蒸馏技术，这是提高拔出率的重要途径；优化操作方案，搞好平稳操作；开展强化蒸馏的实验（即通过向油中加入某种添加剂，改变油的分散状态，以此来提高拔出率）等。
2.2.3节约能量降低消耗
在原油加工能耗中，原油常减压蒸馏装置所占的比例从1980年的25.5%下降到目前的10%以下。
这几年中，通过调整换热流程，提高原油换热温度（最高达300℃以上）；降低加热炉排烟温度，控制过剩空气系数等方法提高加热炉热效率（有的高达90%以上）；发展干式减压蒸馏，降低蒸汽用量；强化低温位热源回收利用，提高热回收率；优化操作，控制最佳回流比；推广调速电机，新型保温材料，磁化节油器等新技术，使常减压蒸馏装置的水、电、气、燃料油（气）的能耗大幅度降低。
2.2.4蒸馏装置的轻烃回收
回收烯烃不仅是石油资源合理利用的需要，也是加工轻质含硫原油实际生产操作的要求。
目前蒸馏装置的轻烃回收一般采用两种方法：
一是与催化裂化装置联合回收轻烃，其最大优点是蒸馏装置无需增加新的设备；二是采用提压操作回收轻烃，选用初馏塔-闪蒸塔-常压组成三塔工艺流程是合理可行的。
原油一次加工能力即原油蒸馏装置的处理能力常被视为一个国家炼油工业发展水平的标志。
1997年我国的原油加工能力已达到200Mt/a，居世界第四位，2010我国将新增炼油能力1亿吨。
2.3减压精馏塔的工艺特征
对减压塔的基本要求是在尽量避免油料发生分解反应的条件下尽可能多地拔出减压馏分油。
做到这一点的关键在于提高汽化段的真空度，为了提高汽化段的真空度，除了需要有一套良好的塔顶抽真空系统外，一般还采取以下几种措施：
（1）减低从汽化段到塔顶的流动压降，主要依靠减少塔板数和降低气相通过每层塔板的压降。
通常在减压塔的两个侧线馏分之间只设3~5块精馏塔板就能满足分馏的要求。
为了降低每层塔板的压降，减压塔内应采用压降较小的塔板，常用的有舌型塔板、网孔塔板、筛板等。
近年来，国内外已有部分地或全部用各种型式的填料以进一步降低压降。
例如在减压塔操作时，每层舌形塔板的压降约为0.2kPa，用矩鞍环（英特洛克斯）填料时每M填料层高的压降约0.13kPa，而每M填料高的分离能力约相当于1.5块理论塔板。
（2）降低塔顶油气馏出管线的流动压降。
为此，现代减压塔塔顶都不出产品，塔顶管线只供抽真空设备抽出不凝气之用，以减少通过塔顶馏出管线的气体量。
因为减压塔顶没有产品馏出，故只采用塔顶循环回流而不采用塔顶冷回流。
（3）一般的减压塔塔底汽提蒸汽用量比常压塔大，其主要目的是降低汽化段中的油气分压。
从总的经济效益来看，减压塔的操作压力与汽提蒸汽用量之间有一个最优的配合关系，在设计时必须具体分析。
近年来，少用或不用汽提蒸汽的干式减压蒸馏技术有较大的发展。
（4）缩短渣油在减压塔内的提留时间。
塔底减压渣油是最重的物料，如果在高温下提留时间过长，则其分解、缩合等反应会进行得比较显著。
其结果，一方面生成较多的不凝气使减压塔的真空度下降；另一方面会造成塔内结焦。
因此，减压塔底部的直径常常缩小以缩短渣油在塔内的提留时间。
（5）减压塔处理的油料比较重、黏度比较高，而且还可能含有一些表面活性物质。
加之塔内的蒸气速度又相当高，因此蒸气穿过塔板上的液层时形成泡沫的倾向比较严重。
为了减少携带泡沫，减压塔内的板间距比常压塔大。
加大板间距同时也是为了减少塔板数。
此外，在塔的进料段和塔顶都设计了很大的气相泡沫空间，并设有泡沫网等设施。
由于上述各项工艺特征，从外形来看，减压塔比常压塔显得粗而短。
此外，减压塔的底座较高，塔底液面与塔底油抽出泵入口之间的高差在10cm左右，这主要是为了给热油泵提供足够的灌注头。
3设计方案确定
3.1方案论证
根据生产任务不同，减压塔可分为润滑油型和燃料油型两种。
然而燃料型减压塔的汽、液相负荷分布与常压塔或润滑油型减压塔有很大不同，而润滑油型减压塔的分馏精确度的要求与原油常压分馏塔差不多，故它的设计计算也与常压塔大致相同。
所以在选取减压塔的设计类型时，我选润滑油型减压塔做为设计对象，这样可以方便于后面与常压塔有关的计算。
根据设计任务书，拟订设计内容，现简单介绍板式塔的设计，综述如下：
板式塔的设计包括设计方案确定、工艺计算、塔体和塔板主要尺寸设计、流体力学的验算与操作负荷性能图、主要接管尺寸和辅助设备的选择。
3.1.1板式塔的工艺计算
在板式塔设计方案确定后首先要进行工艺计算，工艺计算内容包括物料衡算、热量衡算和全塔气液负荷分布计算等。
3.1.2板式塔主要尺寸设计
工艺计算完成后，要进行板式塔板主要尺寸设计，首先根据具体操作条件和物性参数确定采用塔型，然后对该塔型的塔径及塔板结构进行设计，具体方法参考有关塔板结构设计专著，其步骤为：
（１）确定已知工艺条件：
操作温度及压力、气液相负荷、气液相密度等；
（２）设计塔径；
（３）设计堰参数：
确定流型、降液管及堰尺寸；
（４）孔径、孔数与布置：
选择合理的孔径及孔数、对孔布置。
3.1.3流体力学的验算与操作负荷性能图
流体力学的验算与操作负荷性能图目的在于校验各项工艺尺寸已确定了的塔板，在设计任务规定的气液相负荷下能否正常操作，以便决定是否需要对有关的工艺尺寸进行必要的调整。
塔板结构参数确定后，该塔板在不同的气液相负荷内有一稳定的操作范围，越出稳定区，塔的效率显著下降，甚至不能正常操作，将出现各种不正常的流体力学的界限，用曲线表示出来便是操作负荷性能图。
流体力学的验算与确定操作负荷性能图步骤为：
（1）漏夜计算：
计算漏夜点，并计算其稳定性；
（2）计算塔板压降；
（3）校核液泛情况；
（4）计算液体夹带量；
（5）确定操作负荷的允许上下限。
3.2工艺流程概述
图1原油常减压蒸馏装置流程示意图
典型的原油常减压蒸馏装置是以精馏塔和加热炉为主体而组成的所谓管式蒸馏装置。
经过脱盐、脱水的原油（一般要求原油含水小于0.5%、含盐小于10mg/L）由泵输送，流经一系列换热器，与温度较高的蒸馏产品换热，再经管式加热炉被加热至370℃左右，此时原油的一部分已汽化，油气和未汽化的油一起经过转油线进入一个精馏塔。
此塔在接近大气压力之下操作，故称常压（精馏）塔，相应的加热炉就称作常压（加热）炉。
原油在常压塔里进行精馏，从塔顶馏出汽油馏分或重整原料油，从塔侧引出煤油和轻、重柴油等侧线馏分。
塔底产物称作常压重油，一般是原油中沸点高于350℃的重组分，原油中的胶质、沥青质等也都集中在其中。
为了取得润滑油料和催化裂化原料，需要把沸点高于350℃的馏分从重油中分离出来。
如果继续在常压下进行分离，则必须将在重油加热至四五XX以上，从而导致重油，特别是其中的胶质、沥青质等不安定组分发生严重的分解、缩合等化学反应。
这不仅会降低产品的质量，而且会加剧设备的结焦而缩短生产周期。
为此，将常压重油在减压条件下进行蒸馏，温度条件限制在420℃以下。
减压塔的残压一般在8.0kPa左右或更低，它是由塔顶的抽真空系统造成的。
从减压塔顶逸出的主要是裂化气、水蒸气以及少量的油气，馏分油则从侧线抽出。
减压塔底产品是沸点很高（约500℃以上）的减压渣油，原油中绝大部分的胶质、沥青质等都集中于其中。
减压渣油可作锅炉燃料、焦化原料，也可以进一步加工成高黏度润滑油、沥青或催化裂化原料。
4参数的确定
表4-1原始数据润滑油馏分的性质
油品
馏出体积
相对
分子量
密度
收率
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
减顶
90
135
159
191
204
241
267
136
0.7873
0.85
减一
200
258
275
300
313
320
331
237
0.8191
4.3
减二
357
367
384
397
416
424
447
336
0.8439
17.0
减三
422
441
450
454
463
480
490
436
0.8676
9.2
减底
396
494
885
0.9325
31.8
4.1平均沸点的计算
4.1.1体积平均沸点
减顶：
tv=（t10+t30+t50+t70+t90）/5=186℃
同理，减一线：
293.2℃，减二线：
397.6℃，减三线：
457.6℃
4.1.2恩氏蒸馏10%~90%馏分的曲线斜率
减顶：
斜率S=（90%馏出温度-10%馏出温度）/（90-10）=（241-135）/80=1.325
减一线：
0.775，减二线：
0.7125，减三线：
0.4875
4.1.3立方平均沸点
根据tv和S，由《石油炼制工程》图3-4查得立方平均沸点tcu的校正值
表4-2立方平均沸点
名称
tv/℃
S
tcu校正值
tcu
tm校正值
tm
tme
减顶
186
1.325
-3.2
182.8
-12.6
173.4
178.1
减一线
293.2
0.775
-1.2
292
-6
287.2
289.6
减二线
397.6
0.71
-0.8
396.8
-2.4
395.2
396
减三线
457.6
0.49
-0.2
457.4
-1.6
456
456.7
4.2特性因数K
根据《石油炼制与石油化工计算方法图表集》表1-2-26查得各分馏产品的密度校正
值，由《石油炼制工程》图3-6查得K
表4-3特性因数K
名称
K
减顶
0.0046
0.7919
47.2
12.85
减一线
0.0045
0.8236
40.3
11.96
减二线
0.0043
0.8482
35.4
11.42
减三线
0.0042
0.8718
30.6
10.94
4.3平衡汽化温度
以下为各段平衡汽化温度计算:
4.3.1减顶段
表4-4减顶平衡汽化温度
馏出（体积分数）
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
恩氏蒸馏温度℃
90
135
159
191
204
241
267
恩氏蒸馏温差℃
45
24
32
13
37
26
恩氏蒸馏10%-70%点斜率=（204-135）/（70-10）=1.15
由《石油炼制工程》图7-15查得
平衡汽化50%点-恩氏蒸馏50%点=-6
平衡汽化50%点=191-6=185℃
由《石油炼制工程》图7-16查得
表4-5减顶平衡汽化温度
馏出（体积分数）
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
平衡汽化温差℃
22.5
14
17
6
20
15
平衡汽化温度℃
131.5
154
168
185
191
211
226
4.3.2减一线
表4-6减一线平衡汽化温度
馏出（体积分数）
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
恩氏蒸馏温度℃
200
258
275
300
313
320
331
恩氏蒸馏温差℃
58
17
25
13
7
11
恩氏蒸馏10%-70%点斜率=（313-258）/（70-10）=0.92
由《石油炼制工程》图7-15查得
平衡汽化50%点-恩氏蒸馏50%点=+9
平衡汽化50%点=300+9=309℃
由《石油炼制工程》图7-16查得
表4-7减一线平衡汽化温度
馏出（体积分数）
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
平衡汽化温差℃
32
8.5
13
6
5
2.5
平衡汽化温度℃
255.5
287.5
296
309
315
320
322.5
4.3.3减二线
表4-8减二线平衡汽化温度
馏出（体积分数）
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
恩氏蒸馏温度℃
357
367
384
397
416
424
447
恩氏蒸馏温差℃
10
17
13
19
8
23
恩氏蒸馏10%-70%点斜率=（416-367）/（70-10）=0.82
由《石油炼制工程》图7-15查得
平衡汽化50%点-恩氏蒸馏50%点=+27
平衡汽化50%点=397+27=424℃
由《石油炼制工程》图7-16查得
表4-9减二线平衡汽化温度
馏出（体积分数）
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
平衡汽化温差℃
3.5
8.5
6.5
8.5
3.5
7.5
平衡汽化温度℃
405.5
409
417.5
424
432.5
436
443.5
4.3.4减三线
表4-10减三线平衡汽化温度
馏出（体积分数）
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
恩氏蒸馏温度℃
422
441
450
454
463
480
490
恩氏蒸馏温差℃
19
9
4
9
17
10
恩氏蒸馏10%-70%点斜率=（463-441）/（70-10）=0.37
由《石油炼制工程》图7-15查得
平衡汽化50%点-恩氏蒸馏50%点=+5
平衡汽化50%点=454+5=459℃
由《石油炼制工程》图7-16查得
表4-11减三线平衡汽化温度
馏出（体积分数）
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
平衡汽化温差℃
7
4.5
1.5
3
6.5
2.5
平衡汽化温度℃
446
453
457.5
459
462
468.5
471
4.4减压10mmHg下的平衡汽化温度
4.4.1减顶
参考《石油炼制工程》图7-26将常压平衡汽化温度换算成10mmHg下的平衡汽化数据，其结果如下表：
表4-12减顶10mmHg下的平衡汽化温度
工程
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
平衡汽化温差℃
22.5
14
17
6
20
15
常压平衡汽化温度℃
131.5
154
168
185
191
211
226
10mmHg下平衡汽化温度℃
8.5
31
45
62
68
88
103
同理可计算出减一线、减二线、减三线的相关数据，汇总如下表：
表4-13减一线、减二线、减三线10mmHg下的平衡汽化温度
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
减顶
8.5
31
45
62
68
88
103
减一线
100.5
132.5
141
154
160
165
167.5
减二线
241.5
245
253.5
260
268.5
272
279.5
减三线
272
279
283.5
285
288
294.5
297
5减压塔的工艺计算
5.1减压塔的物料平衡
表5-1减压塔的物料平衡
油品`
重量产率w%
处理量
kg/h
kmol/h
进料
250*f率
197343
412.4
减顶
0.85
2.125
2656
19.5
减一线
4.3
10.75
13437
56.7
减二线
17.0
42.5
53125
158
减三线
9.2
23
28750
65.9
减底
31.8
79.5
99375
112.3
5.2确定塔板数
根据同类减压塔的经验数据，确定塔板数为19层
减顶~减一线5层
减一线~减二线4层（含第一中段循环回流）
减二线~减三线4层（含第二中段循环回流）
减三线~过汽化油3层
进料段以下3层
5.3馏塔计算草图
图2精馏塔计算草图
将塔体、塔板、进料及产品进出口、中段循环回流位置、汽提返塔位置、塔底汽提点等绘成草图。
以后的计算结果如操作条件和物料流量等可以陆续填入图中。
这样的计算草图可使设计计算对象一目了然，便于分析计算结果的规律性，避免漏算重算，容易发现错误，因而是很有用的。
5.4塔板压力及塔板压降
对于润滑油型塔板，由于塔板数较少，国内一般维持塔顶残压为40mmHg、真空度为710~720mmHg，每层塔板压降为1.5mmHg，一层破沫网2mmHg。
令塔顶真空度为720mmHg，残压为：
40mmHg
减一线抽出板（第5层）残压：
40+5×1.5=47.5mmHg
减二线抽出板（第9层）残压：
47.5+4×1.5=53.5mmHg
减三线抽出板（第13层）残压：
53.5+4×1.5=59.5mmHg
汽化段（第16层下）残压：
59.5+3×1.5+2=66mmHg
塔底残压：
70.5mmHg
取转油线压力降为262.2mmHg，则加热炉出口压力=66+262.2=328.6mmHg
5.5汽提蒸气用量
侧线产品和塔底残油都用过热水蒸气汽提，使用温度为420℃，压力0.3MPa的过热水蒸气。
参考《石油炼制工程》图7-52和表7-12，取汽提蒸气用量如下：
表5-2汽提蒸气用量
蒸气用量（对产品）%
kg/h
kmol/h
减一线
2%
268.74
14.93
减二线
2%
1062.50
59.03
减三线
2%
575.00
31.94
减底
3%
2981.25
165.63
合计
4887.49
271.53
5.6各侧线温度及塔顶温度的求定
由蒸馏装置的操作参数取进料温度为390℃，取塔底温度比进料温度低7℃，则塔底温度为383℃，参考同类型装置的经验数据，假设塔顶及各侧线温度为：
减顶：
75℃
减一线：
170℃
减二线：
280℃
减三线：
298℃
5.7全塔的热平衡
其中过汽化油量=197343×2%=3946.86kg/h
表5-3全塔的热平衡
物料
流率
kg/h
密度kg/m3
温度
℃
焓
kJ/kg
热量×106kJ/kg
入
方
气相
液相
减顶
2656
0.7873
390
1264
3.36
减一线
13437
0.8191
390
1248
16.77
减二线
53125
0.8439
390
1235
65.61
减三线
28750
0.8676
390
1223
35.15
减底
99375
0.9325
390
1005
99.87
过汽化油
3946.86
390
1187
4.68
汽提蒸气
4887.49
420
3316
16.21
合计
241.65
出
方
减顶
2656
0.7873
75
523
1.39
减一线
13437
0.8191
170
419
5.63
减二线
53125
0.8439
280
712
37.83
减三线
28750
0.8676
298
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