完整版常压塔毕业设计.docx
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完整版常压塔毕业设计
摘要
常压塔是石油加工中重要的流程之一，这次的设计主要就是对125万吨年处理量的原油常压塔进行设计，其中包括塔板的设计。
常压塔的设计主要是依据所给的原油实沸点蒸馏数据及产品的恩氏蒸馏数据，计算产品的相关物性数据从而确定切割方案、计算产品收率。
参考同类装置确定塔板数，进料及侧线抽出位置，再假设各主要部位的操作温度及操作压力，进行全塔热平衡计算。
采取塔顶二级冷凝冷却和两个中段回流，塔顶取热、第一中段回流取热、第二中段回流取热的比依次为5:
2:
3。
经过校核各主要部位温度都在允许的误差范围内。
塔板型式选用F型重阀浮阀塔板，依据常压塔内最大气、液相负荷算得塔板外径为3.0m，板间距为0.45m。
这部分最主要的是核算塔板流体力学性能及操作性能，使塔板在适宜的操作范围内操作。
本次设计的结果表明，参数的校核结果与假设值间的误差在允许范围内，其余均在经验值范围内，因此可以确定，该蒸馏塔的设计是符合要求的。
关键词：
常压塔，浮阀塔板，流体力学。
Abstract
Atmosphericdistillationofpetroleumprocessingisoneofimportantprocesses.Aatmospericdistillationcolumn,whichisabletotreatcrucdoil125Mtayear,isdesignedmainly,includingthedesignofplate.
ThedesignofatmospericdistillationcolumnisbasedonthedatumoftruepointdistillationoftheoilandofEnglerdistilltionoftheproducts.Thecalculationofproductsphsicalpropertyparametersandthecutconceptualandproductsyieldsarealsodasedonthedatum.Thetraynumber,thefeedtrayandthesidestreamwithdrawaltrayaredeterminedbyreferringtothesamekingunit.Thefollowingworkistoassumetheoperatingtemperatureandpressureofalltheimporantpointsofthecolumnandtomaketheenergybalancecalculationforthewholecolumn.Totakethetoptwocoolingandcondensing,thetwobacktothemiddleandthetoptherangeofallowableerror.
AtypeofFvalvetaryisbechosen.Atmospherictowerbasedonthemostgas,liquidexternaldiameteroftheloadtraycanbe3.0m,platespacingof0.45m.Inthissection,Themostimportantworkistocalculatetheaproperarea.
Thedesignresultsshowthattheresultsofparametercalibrationvaluesandassumptionsoftheerrorareintheallowablerange,andtheremainingvaluesareintherangeofexperience,soitcanbeidentifiedthatthedistillationcolumndesignedmeetstherequirements.
Keyword：
Atmosphericdistillatingcolumn,valvetray,-1—COOH）。
低分子量的环烷酸是环戊烷衍生物，较高分子量的环烷酸是二环、三环，甚至是多环的。
环烷酸分子量高低差别很大，沸点范围大约在176.7~343℃之间，密度为0.93~1.02。
在有水蒸气存在时易挥发，不易溶于水，溶于石油烃中。
此类腐蚀主要发生在高温重油部位，如减压塔、减压汽提塔及相应的管线、泵、阀门、换热器等。
高温环烷酸腐蚀发生在液相，但在气液两相的交变部位、在流速冲刷区及产生涡流区腐蚀最为严重。
环烷酸在220℃以下腐蚀很轻，在沸程270~280℃时最为严重，主要机理是环烷酸与铁生成油溶性的环烷酸铁，此后温度再升高，腐蚀又重新加剧，这时环烷酸不但与铁反应生成环烷酸铁，并且破坏硫化物形成的金属保护膜。
而且，环烷酸铁可进一步与系统中的硫酸氢反应生成酸，生成的酸又引起下游设备的腐蚀，如此形成腐蚀循环，加剧对设备的侵害。
因此高酸值比高硫原油腐蚀范围更广，主要反应如下：
2RCOOH+Fe=Fe（RCOO）2+H2
2RCOOH+FeS=Fe（RCOO）2+H2S
生成的Fe（RCOO）2为油溶性腐蚀物质，腐蚀产物被油流带走，因而环烷酸腐蚀的痕迹是金属表面清洁、光滑无垢。
在液流的高温、高流速区域，环烷酸腐蚀呈顺流向的锐边流线状沟槽，在低流速区域，则呈边缘锐利的凹坑状。
1.3.2.4烟气低温露点腐蚀
随着节能工作的不断发展，要求加热炉的排烟温度越来越低，但是烟气中的硫在低温条件下会对余热回收设备的换热面产生强烈的低温露点腐蚀，低温露点腐蚀已成为降低加热炉排烟温度、提高热效率的主要障碍。
此类腐蚀发生在加热炉烟气系统的低温部分，如空气预热器。
由于本装置混炼原油不断增加，燃料油中的硫化物也不断增加，而燃烧主要生成SO2，其中有部分生成SO3，SO2和SO3在露点以下便转变成亚硫酸和硫酸。
因烟气中有蒸汽的存在，当烟气温度低于酸露点温度，预热器的表面就会有酸液析出。
当氯化物燃烧生成的HCl在露点温度下会使酸性介质腐蚀加剧。
此外烟气中还会有大量的CO、HCN、CO2、NO和蒸汽。
在如此多的露点酸影响及作用下，导致翅片板腐蚀穿孔而失效。
与此同时，硫酸蒸汽还会粘附烟气中的灰尘形成不易清除的粘灰，使烟气通道不畅甚至堵塞。
1.3.2.5其他腐蚀因子
原油中所含的腐蚀性不纯物甚多。
经加热炉的高温后可能释放出的腐蚀因子也很多，其中以有机酸、含氮不纯物所释放出的氨（NH3）最为常见。
氨（NH3）的腐蚀：
氨与氯化氢作用生成氯化氨（NH4Cl），氯化氨的饱和溶液极具腐蚀性；硫化氢腐蚀的地方若有氨存在，腐蚀将变得严重，尤其它们的摩尔浓度比大于1（NH3H2S）时，硫化氢水解的第二步被阻止，腐蚀产物变得不具有保护性[5-10]。
1.3.3常压塔的防腐措施
1.3.3.1消除HCl-H2S-H2O型腐蚀的措施
目前普遍采取的工艺防腐措施是：
“一脱三注”。
实践证明，这一防腐措施基本消除了氯化氢的产生，抑制了对常减压蒸馏馏出系统的腐蚀。
（1）脱盐常压塔顶腐蚀的根本原因是由于原油含盐，电化学腐蚀速率主要取决于冷凝水中的HCl浓度，而HCl浓度又主要取决于原油中MgCl2与CaCl2的含量，为了降低HCl生成量，有效地控制腐蚀，必须对原油进行脱盐处理，使含盐量<3mgL，Cl-<40mgL。
（2）注氨水注碱不可能完全抑制HCl气体，用氨水来中和HCl，NH3与HCl生成NH4Cl，氨还能保持塔顶冷却系统呈碱性，使缓蚀剂较好地发挥作用。
（3）注缓蚀剂缓蚀剂是能吸附在金属表面上、形成单分子层的抗水性保护膜，使腐蚀介质不能与金属表面接触，从而保护金属表面不受腐蚀。
（4）注碱水将冷凝水的酸性降低，降低腐蚀速度，注碱效果十分显著，通常可使HCl发生量减少90%左右。
1.3.3.2高温部位硫腐蚀的防腐措施
高温部位硫腐蚀的防腐措施主要是材质升级和系统腐蚀检测。
在材料方面，国外实验研究证明，在538℃以下含铝6%的铝铁合金抗硫化氢和硫腐蚀的能力同含铬29%的合金钢相当，一般粉末包埋渗铝含量可达30%左右，使用渗铝钢可以有效地解决高温硫和硫化氢的腐蚀问题。
国外一些实验也表明，对于高温硫化氢，316L的耐蚀性最好，渗铝钢耐蚀性能优于18－8不锈钢。
在系统腐蚀检测方面，包括腐蚀介质理化分析、腐蚀速率挂片检测、腐蚀定测厚等，其中尤其重要的是不停车高温点测厚，它是防止安全事故的有效手段。
除了高温产生的硫腐蚀外，硫化氢的浓度以及介质的流速都会对设备的腐蚀产生很大的影响。
一方面，硫化氢的浓度越高，对设备的腐蚀性也就越强烈；另一方面，介质流速越高，硫化亚铁的保护膜也越容易脱落，导致结构表面不断地更新、金属结构的腐蚀也进一步加剧。
因此，应尽量地避免热应力、液体停滞或者局部过热，在设备的结构上要使介质能够均匀地流动和分配，减少流向剧变和形成低压区，减少冲蚀。
1.3.3.3高温部位环烷酸腐蚀的防腐措施
（1）混炼将不同酸值的原油通过混合使原油的酸值（KOH）控制在0.5mgg以下，这样可以避免环烷酸的腐蚀。
另外，也可以通过将高酸值原油与低酸值原油交替加工的方法来有效降低环烷酸的腐蚀。
因为在加工低酸值原油时，高温部位的设备表面可能会产生一层保护膜，这层保护膜能够有效减慢环烷酸的腐蚀。
在加工高酸值原油时，保护膜受到一定程度的破坏，在它还没有被完全破坏时，往往就又开始了低酸值原油的冶炼，所以可以达到减轻环烷酸腐蚀的目的。
国外也有炼油厂混炼后原油酸值控制在0.3mgKOHg以下，但原油混炼并不能彻底解决问题。
（2）碱中和过去炼油厂加工高酸原油多采用碱中和的方法。
碱中和可以降低各馏分油的酸值，从而控制环烷酸腐蚀。
但由于注碱会导致催化裂化催化剂中毒，因此目前多数炼油厂不采用这种技术。
（3）材质升级材质升级是控制高酸原油腐蚀的一个有效途径。
在高温部位采用316L材质或碳钢+316L复合板，使用效果良好。
为防止高温腐蚀，国内炼油厂还大量采用了渗铝钢产品。
针对高酸原油对高温部位阀门封面的腐蚀问题，采用SF－5T合金堆焊阀门密封面，取得了良好的防护效果。
一般来说，碳含量大的材料容易遭受腐蚀，而Cr、Ni、Mo等对于增加材料的抗腐蚀性比较有利。
（4）缓蚀剂技术高温缓蚀剂以高分子量、高沸点有机聚合物为原料，其中的极性基团在温度较高时可以吸附在金属材料的表面，从而形成吸附性保护膜，使金属材料免遭腐蚀。
另外，部分缓蚀剂也可与环烷酸直接发生作用，生成环烷酸酯。
而环烷酸酯则可以在金属材料的表面建立起吸附平衡，从而将环烷酸等有机酸与金属表面隔离，以达到保护材料的目的。
国外在应用这类缓蚀剂抑制环烷酸腐蚀方面的研究有近50年的历史，早期主要以胺和酰胺为主，但由于这类缓蚀剂在高温下易分解，因此逐渐被其他品种所代替。
近年来，国外的研究主要以耐高温的磷系和非磷系缓蚀剂为主。
缓蚀剂的使用温度一般在120℃以下，塔顶注入量一般为10ppm左右。
从目前的实验室评价结果来看，以WS－1和7019两种缓蚀剂比较适用生产需要。
使用缓蚀剂增加了额外的费用支出，如果连续使用，一个炼油厂每年可能要花费数十万甚至数百万人民币，因此应当仅在需要的时候注入缓蚀剂。
通常采用腐蚀探针监测腐蚀速度，如果腐蚀速度超过许可的范围，就应加入缓蚀剂。
1.3.3.4在线监测技术
依靠数据采集技术和数值成像技术的发展，并将其应用在常减压蒸馏装置的腐蚀与防护生产中，形成了在线监测技术。
杨欢等人将腐蚀在线监测技术应用于减压填料塔中原料油的腐蚀性监测，并以此来分析装置内部的结构腐蚀情况及影响因素。
研究过程中，研究人员通过监测冷凝水的pH值、Cl-和H2S的质量浓度、水中铁离子的含量以及油品来间接地检测装置内部结构的腐蚀情况。
另外，还通过定期的监测特殊部位的壁厚实现装置腐蚀情况的直接检测。
腐蚀在线监测技术是在设备的运行过程中，对设备的腐蚀或者破坏进行连续的系统测量，其目的是在不影响系统正常运行的情况下发现设备的腐蚀情况，了解腐蚀控制效果，迅速、准确地的判断设备的腐蚀情况和存在的隐患，以便研究制定出恰当的防腐蚀措施。
目前，油气田工业生产系统较为广泛的在线腐蚀监测方法有电阻法、电感法等方法。
向敏等人采用混合结构系统分析和计算腐蚀在线监测系统的可靠性，建立了能够应用于计算系统可靠性、系统平均寿命等的可靠性模型，在实际应用中具有一定的指导意义和实用意义。
作为腐蚀在线监测技术的核心，电阻探针的检测精度会在很大程度上影响在线监测的效果。
因此，研究制约电阻探针测量精度的因素，提高其在腐蚀在线监测的精度具有很强的现实意义。
研究人员使用同一种特定的溶液对以1Crl8Ni9Ti钢、Cr5Mo钢和20#碳钢等为材质的三种探针的性能进行了实验。
实验发现，三种探针获得的测量数据与实际情况均有一定的差距。
需要对探针进行一定的修正。
通过对腐蚀在线监测技术的工作机理的研究，研究者发现通过筛选高温高压密封胶、改进探针焊接质量、改进探针防护导流帽、使用弯头电阻探针以及改进通讯转换器灵敏度的方法，可以实现电阻探针在腐蚀在线监测过程中的使用精度[10-14]。
1.3.3.5其它防腐措施
（1）渗铝钢渗铝是在普通碳钢或其它钢材表面通过一定工艺方法形成一层铝－铁合金的表面处理方法，处理后的材料叫渗铝钢。
渗铝钢具有抗高温氧化、耐腐蚀、抗磨损等特性。
同时保持了原材料的机械性能，在很多使用环境中可以代替昂贵的不锈钢和耐热钢。
从造价上看，渗铝钢的价格是碳钢的1.5倍，是1Crl8Ni9Ti不锈钢的14。
目前，我国渗铝设备可以加工的工件长为9m、最大直径为0.6m。
对于塔内件和塔盘采用渗铝既经济又防腐。
渗铝钢之所以没有得到广泛应用是因为钢材渗铝温度在1000℃左右，此时钢材处于奥氏体区，由于冷却速度不同，母材可能出现各种不同的组织。
对于中、高合金钢而言，这个过程易产生相变引起机械性能变化，如果性能变坏，必须对渗铝钢母材的强度韧性进行重新评价，以防事故发生。
（2）喷铝喷铝是利用燃烧能把铝丝（棒）或粉状材料加热到熔化或软化状态，进而雾化，使其加速沉积在已经预处理（除油和喷砂）的基材表面形成保护层。
喷铝层具有耐腐蚀、耐磨、耐高低温等性能。
铝涂层之所以能防腐是因为在铝表面形成一层稳定的氧化铝薄膜，这种钝化特性使其在许多酸性溶液中都有优良的耐腐蚀性，但对于大面积喷涂由于施工质量无法保证容易产生剥离现象。
在酸性介质中由于氧化铝的电位比金属电位高，将会产生金属阴极电化学腐蚀使塔壁穿孔的现象，也就是孔蚀。
孔蚀是一种破坏性大而又难以及时发现的一种腐蚀。
因此，在设计常压塔时一般不采用喷铝的方法来防腐[5]。
1.4常压塔装置的优化改造
1.4.1常压蒸馏装置存在问题
常压蒸馏装置是化学工业中必不可少的装置，它是利用液体混合物沸点不同，将混合物进行分离。
我国常减压蒸馏装置在运行时存在着一些问题：
（1）初馏塔拔出率低，蒸出油品颜色深。
（2）常压塔分离精度不够，浮阀塔盘的分离效率低，操作弹性小，致使所得产品分离精度降低，侧线馏分重叠较为严重。
（3）换热系统压降大、换热流程不合理，造成原油脱前温度、原油进初馏塔温度、拔头油换热终温均低于原设计点，装置热回收率降低，能耗升高。
特别当处理量增大后，减渣流程的热容流率成倍增长，换热器的面积相对偏小。
一方面常压重油的热量不能有效取出，同时，换热器能量浪费极大。
1.4.2常压蒸馏装置的优化改造
1.4.2.1初馏塔的技术改造
根据存在的问题及在生产中的作用，初馏塔改造以提高加工量为主要目的。
由于原油的处理量较大，塔盘间距较小，容易发生雾沫夹带，所以初馏塔的技术改造必须更换新型高效塔盘，才能实现扩能目标。
通过大量的技术调研以及对几种新型塔盘的比较，采用梯形立体传质塔盘具有优势。
这种梯形立体传质塔盘突破了传统塔盘的鼓泡传质的形式，将气、液传质区域发展到罩内、罩顶、罩间的立体空间范围，塔盘的空间得以充分利用。
其外观为矩形结构，由塔盘、喷射罩、分离板组成。
罩顶分离板使得雾沫夹带量大幅度减少，有利于生产能力的提高,最大生产能力是浮阀塔盘的2倍，具有通量大、效率高、操作弹性大及压降低等诸多特点。
初馏塔改造是梯形立体传质塔盘首次在高黏度、C0以上生产条件下使用。
此外，通过采取增大初馏塔塔盘开孔率，可解决了常减压蒸馏装置加工轻质原油时存在的运行问题。
1.4.2.2常压塔的改造
常压塔的改造是以提高塔盘的分离效率，提高产品质量，确保产品质量稳定为主要目的。
改造部分可以采用压降小、分离精度高的具有两个导向孔且前端阀腿稍长的导向浮阀塔盘，它排布在塔板两侧、液体进口端及中间部位，以消除塔板上的液体滞止区和塔板上的液面梯度，充分发挥了导向浮阀具有的处理能力大、效率高和操作弹性良好的特点，使产品分割清楚，重叠减少；压力降降低；产品质量、轻油收率比改造前有较大提高。
常压塔过气化油通过集油箱随常四线全部抽出后，可以返回常压塔，也可以不返回常压塔，这样可以控制过气化率。
通过控制过气化油的流量可以控制常压炉的初底油出口温度，这对控制装置的能耗是很重要的。
1.4.2.3换热网络的优化改造
换热网络设计的好坏直接影响到装置的能耗水平和冷换设备的选用。
常减压装置原有热量没有得到有效利用，主要表现在换热终温只有265~270℃。
常压换热流程改造，研究人员对所有冷热物流匹配进行重新设计。
在提高热量回收效率的同时，重点解决原油流程压降问题。
运用窄点设计方法，将流程分为吸热部、放热部两部分分别进行设计。
在窄点处，依据窄点处物流匹配原则进行了局部调整，增加一组原油与常压重油换热器，将一中换热器与二、三线换热器由并联改为串联，以减少通过窄点传递的热量。
在远离窄点区尽量保持原流程不动，根据所需换热量大小，选择调整换热器型号，增大换热器面积，以满足换热要求。
1.4.2.4加入定量活性添加剂
目前提高蒸馏馏分油拔出率主要是依靠改进塔内构件、优化操作条件以及采用先进的控制手段，但这一切均需较大的资本投入。
近年来的研究表明，在原油中加入一定量的活性添加剂，可以改善原油加工条件，强化原油蒸馏，提高馏分油收率。
在常压蒸馏过程中，通过向原料中加入强化剂，使其处于活化状态，从而提高轻质油收率，改善产品质量。
关于强化剂强化原油蒸馏的机理，初步归纳为石油分散体系的胶体结构机理、表面张力机理和阻聚机理。
根据目前各炼油厂的需要，采用常压蒸馏强化技术，简单易行，对现有生产流程、操作条件、设备无需进行大的改动，只需要增加注剂泵、添加剂储罐和相应的管线即可，具有技术经济可行性[15-17]。
1.5结语
本次设计主要是针对年处理量125万吨大庆原油的常压设计。
原油常压蒸馏作为原油的一次加工工艺，在原油加工总流程中占有重要作用，在炼厂具有举足轻重的地位，其运行的好坏直接影响到后续的加工过程。
其中重要的分离设备—常压塔的设计，是能否获得高收率、高质量油的关键。
近年来常减压蒸馏技术和管理经验不断创新，装置节能消耗显著，产品质量提高。
但与国外先进水平相比，仍存在较大的差距。
本次设计计算的主要内容是探讨各种馏出产品的性质，塔顶及侧线温度假设和回流热分配，各塔板层气液相负荷以及塔设备的工艺计算。
2常压塔计算部分
大庆原油常压切割方案及产品性质
设计计算任务：
处理量125万吨年，8000小时计（开工330天）年
2.1基础数据处理
表2.1已知各侧线部分性质为
馏分
d420
API0
恩氏蒸馏℃
0%10%30%50%70%90%100%
汽油
煤油
轻柴油
重柴油
重油
0.7288
0.7725
0.8006
0.8200
0.8683
63
50.5
44.2
40.1
6890113124134148162
171179190197204217231
216240270286304331351
293342368385398418437
287400454528
2.1.1体积平均沸点
由公式tv=
得汽油馏分tv==121.8℃
同理煤油馏分tv=197.4℃
轻柴油馏分tv=286.2℃
重柴油馏分tv=382.2℃
2.1.2恩氏蒸馏曲线斜率
由公式斜率=℃%
得汽油馏分斜率==0.725℃%
煤油馏分斜率==0.475℃%
轻柴油馏分斜率==1.1375℃%
重柴油馏分斜率==0.95℃%
2.1.3立方平均沸点
由公式tcu=tv-且可由tv和S10~90%查教材[10]平均沸点温度校正图，得到Δ，于是：
汽油馏分tcu=121.8+1.8=123.6℃
煤油馏分tcu=197.4+1=198.4℃
轻柴油馏分tcu=286.2+1=287.2℃
重柴油馏分tcu=382.2+1=383.2℃
2.1.4中平均沸点
由体积平均沸点tv和恩氏蒸馏曲线斜率S10~90%查教材平均沸点温度校正图，得
汽油馏分tme=121.8+4=125.8℃
煤油馏分tme=197.4+2=199.4℃
轻柴油馏分tme=286.2+5=291.2℃
重柴油馏分tme=382.2+3.8=386℃
2.1.5各馏分分子量M
由比重指数和中平均沸点查教材图2-12，得
汽油馏M=117，煤油馏分M=166，轻柴油馏分M=250，重柴油馏分M=380。
2.1.6特性因数K
由比重指数和中平均沸点查教材图2-12，得
汽油馏分K=12.28，煤油馏分K=12.18，轻柴油馏分K=12.42，重柴油馏分K=12.80。
2.1.7平衡汽化温度
汽油馏分：
已知恩氏蒸馏数据：
0%10%30%50%70%90%100%
6890113124134148162
2.1.7.1换算50%点温度
恩氏蒸馏10～70%斜率δ==0.733℃%
查教材图5-8得
平衡汽化50%点-恩氏蒸馏50%点=-9.8℃
于是平衡汽化50%点=124-9.8=114.2℃
2.1.7.2由教材图5-9查得平衡汽化曲线各段温差
曲线段
恩氏蒸馏温差℃
平衡汽化温差
0～10%
22
9
10～30%
23
13.5
30～50%
11
5
50～70%
10
4
70～90%
14
6
90～100%
14
4
2.1.7.3由50%点及各段温差推算平衡汽化曲线的各点温度
30%=114.2-5=109.2℃70%点=114.2+4=118.2℃
10%点=109.2-13.5=95.7℃90%点=118.2+6=124.2℃
0%点=95.7-9=86.7℃100%点=124.2+4=128.2℃
其他同理得平衡汽化温度
煤油馏分50%点=198.5℃
30%点=198.5-3=195.5℃70%点=198.5+3=201.5℃
10%点=195.5-4=191.5℃90%点=201.5+5.5=207℃
0%点=191.5-6=185.5℃100%点=207+4=211℃
轻柴馏分50%点=291℃
30%点=291-10=281℃70%点=291+8.5=299.5℃
10%点=281-8=273
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