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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,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.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
145
240
302
360
～150
4.3
3.51
0.7037
34
60
81
96
109
126
141
煤油
132~258
7.2
6.67
0.7994
159
171
179
194
208
225
239
轻柴
221~339
7.2
6.91
0.8265
239
258
267
274
283
296
306
重柴
275~409
9.8
9.64
0.8484
289
316
328
341
350
368
376
重油
313～
71.5
73.27
0.9416
344
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。
①体积平均沸点,t（体）:
汽油,t（体）=（60+81+96+109+126）/5=94.5℃
②恩氏蒸馏90~10％斜率:
汽油,（126-60）/（90-10）=0.825℃/％
③立方平均沸点,t（立）
查<<石油化工工艺计算图表>>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℃
④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℃
⑤特性因数K:
由图表集图2-1-2查得:
汽油K=12.27。
⑥分子量M:
由图表集图2-1-2查得:
汽油M=95.
⑦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℃。
⑧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℃。
⑨临界压力,Pkp:
由图表集图2-3-9查得:
汽油Pkp=3.34MPa。
⑩焦点温度,tF
由图表集图2-2-19查得,汽焦点温度为328.5℃。
⑾焦点压力,PF
由图表集图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
0.7037
68.1
12.27
95
108.9
257.5
3.34
328.5
5.91
煤油
0.7994
44.5
11.74
152
185.6
383.4
2.5
413.4
3.26
轻柴
0.8265
38.8
11.97
218
273.6
461.6
1.81
475.2
2.17
重些
0.8484
34.4
12.1
290
339.6
516.6
1.62
529.6
1.89
重油
0.9416
18.2
11.9
原油
0.8604
32
2.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100％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/Y
t/D
kg/h
kmol/h
原油
100
100
250
7576
315700
产
品
汽油
4.3
3.51
8.77
266
11100
117
煤油
7.2
6.67
16.69
505
21040
139
轻柴油
7.2
6.91
17.30
524
21800
100
重柴油
9.8
9.64
24.10
730
30400
105
重油
71.5
73.27
183.14
5551
231360
3.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,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/h
kmol/h
一线煤油
3
631
35.0
二线轻柴油
2
654
36.3
三线重柴油
2.8
851
47.3
塔底重油
2
4627
257
合计
6763
375.6
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
1.5～2.0
常压塔
煤油
2～3
常压塔
轻柴油
2～3
常压塔
重柴油
2～4
常压塔
轻润滑油
2～4
常压塔
塔底重油
2～4
初馏塔
塔底油
1.2～1.5
减压塔
中、重润滑油
2～4
减压塔
残渣燃料油
2～4
减压塔
残渣汽缸油
2～5
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①
被分离的馏分
东方红
Ⅱ套
南京Ⅰ套
上海
炼厂
汽油─煤油
3
10
9
煤油─轻柴油
9
9
6
轻柴油─重柴油
7
4
6
重柴油—裂化原料
8
4
6
最低侧线—进料
4
4
3
进料—塔底
4
6
4
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
6～8
汽油─煤油
6～8
汽油─柴油
4～6
轻柴油─重柴油
4～6
进料—最低侧线
3～6
汽提段或侧线汽提
4
①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,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0.170
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=0.2071MPa
7.汽化段温度
①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2~4）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）
②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300,水蒸汽257kmol/h（塔底汽提）。
由此计算得过汽化段的油气分压为:
0.172×482/（482+257）=0.112MPa
③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。
④tF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
1176
1176×11100=13.05×106
煤油
1147
1147×2104=22.94×106
轻柴油
1130
1130×21800=24.63×106
重柴油
1122
1122×30400=34.11×106
过汽化油
～1118
1118×6314=7.05×106
重油
888
888×225046=199.84×106
合计
QF=301.62×106
hF=301.62×106/315700=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℃时的汽化率eo为25.5％（体）。
显然eo根此可算出进料在炉出口条件下的焓值ho。
ho=305.21×106/315700=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
1201
1201×11100=13.33×106
煤油
1164
1164×2104=24.49×106
轻柴油
1151
1151×21800=25.09×106
重柴油（g）
1143
1143×21100=24.12×106
重柴油（l）
971
971×9300=9.03×106
重油
904
904×231360=209.15×106
合计
Qo=305.21×106
8.塔底温度
取塔底温度比汽化段低7℃,即:
353.5-7=346.5℃
9.塔顶及各侧线温度的假设与回流热分配
①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/h
MPa
℃
汽相
液相
入
方
进料
315700
0.8604
0.172
353.6
955.4
301.62×106
汽提蒸汽
6763
0.290
420
3316
22.43×106
合计
322463
324.05×106
出
方
汽油
11100
0.7037
0.157
107
611
6.78×106
煤油
21040
0.7994
0.161
180
444
9.34×106
轻柴油
21800
0.8625
0.166
256
645
14.06×106
重柴油
30400
0.8484
0.170
315
820
24.93×106
重油
231360
0.9416
0.175
346.5
858
198.50×106
水蒸汽
6763
0.157
107
2700
18.26×106
合计
322463
271.87×106
②全塔回流热
全塔回流热Q=（324.05-271.87）×106=52.38×106kJ/h
③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11~13层）,二中位于轻柴油侧线与重柴油侧线之间（第20~22层）。
回流热分配％热量,kJ/h
塔顶5026.19×106
一中2010.48×106
二中3015.70×106
10.侧线及塔顶温度的校核
校核应自下而上进行。
①重柴油抽出板（第27层）
按图3中的隔离体系Ⅰ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
操作条件
焓，kJ/kg
热量，kJ/h
MPa
℃
汽相
液相
入
方
进料
315700
0.8604
0.172
353.6
955.4
301.62×106
汽提蒸汽
4627
0.298
420
3316
15.34×106
内回流
L
~0.846
0.170
~308.5
795
795L
合计
320327+L
316.96×106
+795L
出
方
汽油
0.170
315
1080
11.99×106
煤油
0.170
315
1055
22.20×106
轻柴油
0.170
315
1034
22.54×106
重柴油
0.170
315
820
24.93×106
重油
0.175
346.5
858
197.68×106
水蒸汽
4627
0.170
315
3107
14.37×106
内回流
L
~0.846
0.170
315
1026
1026L
合计
320327+L
293.68×106
+1026L
由热平衡得:
316.96×106+795L=293.68×106+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:
0.170×357/970=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。
②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。
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℃
③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）=26.19×106/（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
0.157×733/（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:
110×0.97=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
①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/s
Wmax─允许的最大气体速度,m/s;
ρV─气相密度,kg/m3;
ρL─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，mm
1200~1400
450
500
600
—
1600～3000
450
500
600
800
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