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1、化工设计指导书doc石油加工工艺学课程设计指导书丶任务书广东石油化工高等专科学校石油化工系石油化工教研室2010年11月一. 石油加工工艺学课程设计的教学目的 . . 1二. 原油常压分馏塔工艺设计程序 . . 1三. 课程设计说明书的编写要求 . . 28 四. 课程设计任务书 . . 31一. 石油加工工艺学课程设计的教学目的石油加工工艺学课程设计, 是在讲授本课程重要章节后, 进行具有总结性的教学环节, 按照教学计划安排在第五学期用两周时间完成。通过课程设计, 可以巩固所学的基本知识, 理论联系实际, 培养学生的思维能力, 分析和解决问题的能力, 使学生受到一次石油加工工艺设计的基本训练

2、, 为以后的毕业设计打下基础。课程设计的题目通常选常减压蒸馏装置的常压塔或减压塔的工艺设计。原因是:1. 石油及其产品的蒸馏是炼油装置的最基本单元设备。是任何一次加工与二次加工装置所不可缺少的设备。2. 课程设计一般按排在课程讲完原油的一次加工之后, 与课程的联接较好。3. 蒸馏塔的工艺设计的基本训练较全面, 与所学的基础课联系较密切。下面以原油常压分馏塔工艺设计为例, 讨论它的工艺设计程序。二. 原油常压分馏塔工艺设计程序工艺计算用目前我国的通用方法。(一) 计算所需基本数据1. 原料油性质。其中主要包括实沸点蒸馏数据, 密度, 特性因数, 分子量, 含水量, 粘度和平衡汽化数据等;2. 原

3、料油处理量, 包括最大和最小可能的处理量;3. 根据正常生产和检修情况确定开工天数;4. 产品方案和产品性质;5. 汽提水蒸汽的温度和压力。上述基本数据通常由设计任务给定。此外, 尽可能收集同类型生产装置和生产方案的实标操作数据以资参考。(二) 设计计算步骤1. 根据原料油的性质及产品方案确定产品的收率, 作出物料平衡;2. 列出(有的须通过计算求得)有关各油品的性质;3. 决定汽提方式, 并确定汽提水蒸汽用量;4. 选择塔板的型式, 并按经验数据定出各塔段的塔板数;5. 画出蒸馏塔的草图, 其中包括进料及抽出侧线的位置丶中段循环回流的位置等;6. 确定塔内各部位的压力和加热炉出口压力;7.

4、决定进料过汽化率, 计算汽化段温度;8. 确定塔底温度;9. 假设塔顶及各侧线抽出温度, 作全塔热平衡, 算出全塔回流热。选定回流方式及中段回流的数量和位置, 并合理分配回流热。10. 校核各侧线及塔顶温度, 若与假设值不符, 应重新设计与计算;11. 作出全塔汽丶液相负荷分布图, 并将上述计算结果填在草图上;12. 计算塔径和塔高;13. 作塔板水力学核算;14. 画出塔的结构示意图。(三) 原油常压分馏塔工艺计算实例设计任务:处理量为250万吨/年的胜利原油的常压分馏塔, 原油的实沸点蒸馏数据及平衡汽化数据如图1及表1所示。图1 原油的实沸点蒸馏曲线与平衡汽化曲线1原油在常压下的实沸点蒸馏

5、曲线; 2原油的常压平衡汽化曲线; 3炉出口压力下的原油平衡汽化曲线; 4汽化段油气分压下的原油平衡汽化曲线表1 胜利原油常压切割方案及产品性质产品名称实切点沸点范围产率 %密 度d204恩 氏 蒸 馏 数 据 质体0%10%30%50%70%90%干点汽油1452403023601504.33.510.703734608196109126141煤油1322587.26.670.7994159171179194208225239轻柴2213397.26.910.8265239258267274283296306重柴2754099.89.640.8484289316328341350368376

6、重油31371.573.270.9416344工艺设计计算过程及结果如下:1.油品的性质参数为了以后计算方便, 可以用学过的方法把原油和产品的有关性质参数先计算汇总, 列于表2中。在计算时, 所用到的恩氏蒸馏温度未作裂化校正, 工程上充许这样做。性质参数的计算以汽油为例。体积平均沸点, t(体):汽油, t(体)=(60+81+96+109+126)/5=94.5恩氏蒸馏9010斜率:汽油, (126-60)/(90-10)=0.825/立方平均沸点, t(立)查集(简称图表集)图2-1-1, 得体积平均沸点校正值为: -2.5, 故:汽油, t(立)=t(体)-2.5=94.5-2.5=92

7、中平均沸点, t(中):由图表集图2-1-1查得体积平均沸点校正值为-5, 故:汽油, t(中)=t(体)-5=94.5-5=89.5特性因数 K:由图表集图2-1-2查得: 汽油 K=12.27。分子量 M:由图表集图2-1-2查得: 汽油 M=95.平衡蒸发温度由图表集图2-2-3及图2-2-4计算出汽油平衡蒸发100温度为108.9。临界温度, tkp:由图表集图2-3-7和图2-3-8查得: 汽油 tkp=267.5。临界压力, Pkp:由图表集图2-3-9查得: 汽油Pkp=3.34MPa。焦点温度, tF由图表集图2-2-19查得, 汽焦点温度为328.5。焦点压力, PF由图表集

8、图2-2-18查得, 汽焦点压力为5.91MPa。表2 油品的有关性质参数计算汇总油品名称密 度 d204比重指数oAPI特性因 数 K分子量 M平衡蒸发温度临界参数焦点参数0 %100%温度MPa温度MPa汽油0.703768.112.2795108.9257.53.34328.55.91煤油0.799444.511.74152185.6383.42.5413.43.26轻柴0.826538.811.97218273.6461.61.81475.22.17重些0.848434.412.1290339.6516.61.62529.61.89重油0.941618.211.9原油0.8604322

9、.产品收率及物料平衡物料平衡可参考同一原油丶同一产品方案的生产数据确定。确定后列出物料平衡表。如不能取得实标生产数据, 可根据实沸点数据来确定。如表1所示, 相邻两个产品是互相重叠的, 即实沸点蒸馏(tH-tL)是负值。通常相邻两个产品的实沸点就在这一重叠值的一半处, 因此可取tH和tL之间的中点温度作为这两个馏分的切割温度, 按切割温度, 可以从原油的实沸点曲线得出各产品的收率。决定年开工天数后, 即可作出常压塔的物料平衡表, 如表3所示。表3中没有考虑到损失, 在实标生产中通常取(气体+损失)约占原油的0.5。注: tH为相邻两馏分重馏分实沸点的0点温度; tL为相邻两馏分轻馏分实沸点的1

10、00点温度。 表3 物料平衡表(按每年开工330天计) 油 品产 率，%处 理 量 或 产 量体积质量104t/Yt/Dkg/hkmol/h原 油1001002507576315700产品汽油4.33.518.7726611100117煤油7.26.6716.6950521040139轻柴油7.26.9117.3052421800100重柴油9.89.6424.1073030400105重油71.573.27183.1455512313603.汽提蒸汽用量侧线产品及塔底重油都用过热水蒸汽汽提, 使用的是温度420, 压力0.3MPa的过热水蒸汽。汽提水蒸汽用量与需要汽提出来的轻组分含量有关,

11、其关系大致如图2所示。在设计中可参考表4所列的经验数据选择汽提蒸汽用量。 表5 汽提水蒸汽用量 油品,对油 kg/hkmol/h一线煤油363135.0二线轻柴油265436.3三线重柴油2.885147.3塔底重油24627257合计6763375.6表5为参考图2与表4得出的汽提水蒸汽用量。4.塔板型式和塔板数石油分馏塔塔板数主要靠经验选图2 汽提蒸汽用量(四层汽提塔板) 表4 汽提蒸汽用量(经验值)塔名称产品蒸汽用量, , 对产品常压塔溶剂油1.52.0常压塔煤油23常压塔轻柴油23常压塔重柴油24常压塔轻润滑油24常压塔塔底重油24初馏塔塔底油1.21.5减压塔中、重润滑油24减压塔残

12、渣燃料油24减压塔残渣汽缸油25用, 表6丶表7是常压塔塔板数的参考值。表7 国内某些炼油厂常压塔塔板数被分离的馏分东方红套南京套上海炼厂汽 油煤 油3109煤 油轻柴油996轻柴油重柴油746重柴油裂化原料846最低侧线进料443进料塔底464表6 常压塔塔板数国外文献推荐值被分离的馏分推荐板数轻汽油重汽油68汽 油煤 油68汽 油柴 油46轻柴油重柴油46进料最低侧线36汽提段或侧线汽提4注: 也可用填料代替。参照表6与表7选定的塔板数如下:汽油煤油段 9层(考虑一线生产航煤)煤油轻柴油段 6层轻柴油重柴油段 6层重柴油汽化段 3层塔底汽提段 4层全塔用两个中段回流, 每个用3层换热塔板,

13、 共6层, 全塔塔板总数为34层。5.分馏塔计算草图塔的计算草图必须按图3的要求填写。图3 常压塔的计算草图6.操作压力取塔顶产品罐压力为: 0.131MPa。塔顶采用两级冷凝冷却流程图。取塔顶空冷器压力降为0.01MPa, 使用一个管壳式后冷器, 壳程压力降取0.0171MPa, 故塔顶压力=0.13+0.01+0.017=0.1571MPa (绝)。取每层浮阀塔板压力降为0.00051MPa (4mmHg), 则推算常压塔各关键部位的压力如下: (单位为MPa)塔顶压力 0.157一线抽出板(第9层)上压力 0.161二线抽出板(第18层)上压力 0.166三线抽出板(第27层)上压力 0

14、.170汽化段压力(第30层下) 0.172取转油线压力降为0.0351MPa, 则加热炉出口压力=0.172+0.035=0.2071MPa7.汽化段温度汽化段中进料的汽化率与过汽化率取过汽化率为进料的2(质)(经验值为24)或2.03(体), 则过汽化油量为6314kg/h, 要求进料在汽化段的汽化率为:eF=(4.3+7.2+7.2+9.8+2.03)=30.53(体)汽化段油气分压汽化段中各物料的流量如下:汽油 114kmol/h煤油 139kmol/h轻柴油 100kmol/h重柴油 105kmol/h过汽化油 21kmol/h油气量合计 482kmol/h其中过汽化油的分子量取30

15、0, 水蒸汽257kmol/h(塔底汽提)。由此计算得过汽化段的油气分压为:0.172482/(482+257)=0.112MPa汽化段温度的初步求定汽化段温度应该是在汽化段油气分压0.112MPa之下汽化30.53(体)的温度, 为此需要作出在0.112MPa下的原油平衡汽化曲线, 见图1中的曲线4。在不具备原油的临界参数与焦点参数而无法作出原油的P-T-e相图的情况下, 曲线4可用简化法求定: 由图1可得到原油在常压下的实沸点曲线与平衡汽化曲线的交点为291。将此交点温度换算成在0.112MPa压力下的温度为299。过该交点作垂直于横座标的直线A, 在A线上找到299之点, 过此点作平行于

16、原油常压平衡汽化曲线2的线4, 即为原油在0.112MPa下的平衡汽化曲线。由曲线4可查得当eF为30.53(体)时的温度为353.5, 此即欲求的汽化段温度tF。此tF是由相平衡关系求得, 还需对它进行校核。tF的校核校核的目的是看tF要求下的加热炉出口温度是否合理。校核的方法是作绝热闪蒸过程的热平衡计算以求得炉出口温度。当汽化率eF=30.53(体), tF=353.5, 进料在汽化段中的焓hF计算如表8所示。表8 进料带入汽化段的热量QF(P=0.172MPa, t=353.5)物料焓，Kj/kg热量，kJ/h汽相液相汽油1176117611100=13.05106煤油114711472

17、104=22.94106轻柴油1130113021800=24.63106重柴油1122112230400=34.11106过汽化油111811186314=7.05106重油888888225046=199.84106合计QF=301.62106hF=301.62106/315700=955.4kJ/kg再求出原油在加热炉出口条件下的热焓ho, 按前述方法作出原油在炉出口压力0.207MPa压力之下平衡汽化曲线(即图1中的曲线3)。此处忽略了水分, 若原油中含有水分, 则应按炉出口处油气分压下的平衡汽化曲线计算。因考虑生产航空煤油, 限定炉出口温度不超过360, 由曲线3可读出在360时的汽

18、化率eo为25.5(体)。显然eoeF,即在炉出口条件下, 过汽化油和部分重柴油处于液相。根此可算出进料在炉出口条件下的焓值ho。ho=305.21106/315700=966.77kJ/kg核算结果表明ho略高于hF, 所以在设计的汽化段温度353.5之下, 能保证所需的拔出率(30.53体)。炉出口温度也不致超过充许限度。表9 进料在炉出口处携带的热量(P=0.207MPa, t=360)物料焓，Kj/kg热量，kJ/h汽相液相汽油1201120111100=13.33106煤油116411642104=24.49106轻柴油1151115121800=25.09106重柴油(g)1143

19、114321100=24.12106重柴油(l)9719719300 =9.03106重油904904231360=209.15106合计Qo=305.211068.塔底温度取塔底温度比汽化段低7, 即: 353.5-7=346.59.塔顶及各侧线温度的假设与回流热分配假设塔顶及各侧线温度参考同类装置的经验数据, 假设塔顶及各侧线温度如下:塔顶温度 107煤油抽出板(第9层) 180轻柴油抽出板(第18层) 256重柴油抽出板(第27层) 315则列出全塔热平衡如表10所示。表10 全塔热平衡物料流率，kg/h密 度d204操作条件焓，kJ/kg热量，kJ/hMPa汽相液相入方进料315700

20、0.86040.172353.6955.4301.62106汽提蒸汽67630.290420331622.43106合计322463324.05106出方汽油111000.70370.1571076116.78106煤油210400.79940.1611804449.34106轻柴油218000.86250.16625664514.06106重柴油304000.84840.17031582024.93106重油2313600.94160.175346.5858198.50106水蒸汽67630.157107270018.26106合计322463271.87106 全塔回流热全塔回流热Q=(3

21、24.05-271.87)106 =52.38106 kJ/h回流方式及回流热分配塔顶采用二级冷凝冷却流程, 塔顶回流温度为60。采用两个中段循环回流, 一中在煤油侧线与轻柴油侧线之间(第1113层), 二中位于轻柴油侧线与重柴油侧线之间(第2022层)。回流热分配 热量, kJ/h塔顶 50 26.19106一中 20 10.48106二中 30 15.7010610.侧线及塔顶温度的校核校核应自下而上进行。重柴油抽出板(第27层)按图3中的隔离体系作第27层以下塔段的热平衡如图4及表11所示。图4 重柴油抽出板以下塔段的热平衡表11 第27层以下塔段的热平衡物料流率，kg/h密 度d204

22、操作条件焓，kJ/kg热量，kJ/hMPa汽相液相入方进料3157000.86040.172353.6955.4301.62106汽提蒸汽46270.298420331615.34106内回流L0.8460.170308.5795795L合计320327+L316.96106+795L出方汽油0.170315108011.99106煤油0.170315105522.20106轻柴油0.170315103422.54106重柴油0.17031582024.93106重油0.175346.5858197.68106水蒸汽46270.170315310714.37106内回流L0.8460.1703

23、1510261026L合计320327+L293.68106+1026L由热平衡得: 316.96106+795L=293.68106+1026L所以, 内回流 L=100780kg/h或 100780/282=357.4kmol/h重柴油抽出板上方汽相总量为:117+139+100+357+257=970kmol/h重柴油蒸汽(即内回流)分压为:0.170357/970=0.0626MPa由重柴油常压恩氏蒸馏数据换算在0.0626MPa压力下平衡汽化0点温度为315.5, 与原假设315很接近, 可以认为原假设是正确的。轻柴油抽出板和煤油抽出板温度校核的方法与重柴油的方法相同, 故计算从略。

24、计算结果与假设值相符, 故认为假设是正确的。即:轻柴油抽出板温度256, 煤油抽出板温度 181塔顶温度塔顶冷回流温度to=60 ho=163.3kJ/kg塔顶温度 t1=107 h1=611kJ/kg故塔顶冷回流量 Lo为:Lo=Q/(ht1-hto)=26.19106/(611-163.3)=58500kg/h塔顶油气量(汽油+内回流蒸汽)为(58500+11100)/95=733kmol/h塔顶水蒸汽流量为6763/18=376kmol/h塔顶油气分压为0.157733/(733+376)=0.1038MPa塔顶温度应该是汽油在其油气分压下的露点温度, 由恩氏蒸馏数据换算得汽油常压露点温

25、度为108.9。已知其焦点温度和压力依次为328.5和5.91MPa。在平衡汽化座标纸上作出汽油平衡汽化100点的p-t线, 如图5所示, 得出在0.1038MPa压力下露点温度为110。考虑到不凝气的存在, 该温度乘以系数0.97, 则塔顶温度为:1100.97=106.8与假设的107很接近, 故原假设温度正确。验证在塔顶温度下水蒸汽是否会冷凝。塔顶水蒸汽分压为0.157-0.1038=0.0532MPa, 在此压力下饱和水蒸汽温度为83, 故水汽不会冷凝。图5 汽油的露点线相图11.全塔汽丶液负荷分布图选择塔内几个有代表性的部位(如塔顶丶第一层板下方丶各侧线抽出板上下方丶中段回流进出口处

26、丶汽化段及塔底汽提段等), 求出该各处的汽丶液负荷, 就可以作出全塔汽丶液相负荷分布图。图6就是通过计算1丶8丶9丶10丶13丶17丶18丶19丶22丶26丶27丶30各层及塔底汽提段的汽丶液负荷绘制而成。图6 常压塔全塔汽丶液相负荷分布图12.塔的直径的计算塔径的初算以塔内最大负荷来计算塔径式中 g重力加速度, 9.81m/sWmax允许的最大气体速度, m/s;V气相密度, kg/m3;L液相密度, kg/m3; Ht塔板间距, m;VL液体体积流率, m3;Vv气体体积流率, m3;塔板间距Ht按塔径选定。表12 浮阀塔板间距Ht与塔径D的关系塔板直径D, mm板间距Ht，mm1200140045050060016003000450500600800