减压塔设计说明书.docx
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减压塔设计说明书
第五届大学生化工设计创业大赛
10万吨/年特种润滑油基础油项目
指导老师：
黄军左、刘宝生
广东石油化工学院绝对领域参赛队
2011年8月20日
第1章参数的确定1
1.1平均沸点的计算1
1.1.1体积平均沸点1
1.1.2恩氏蒸馏10%~90%馏分的曲线斜率1
1.1.3立方平均沸点1
1.2特性因数K1
1.3平衡汽化温度2
1.3.1减一线2
1.3.2减二线2
1.3.3减三线3
1.4减压10mmHg下的平衡汽化温度3
第2章减压塔的工艺计算4
2.1汽提蒸气用量4
2.2减压塔的物料平衡4
2.3确定塔板数6
2.4塔板压力及塔板压降8
2.5各侧线温度及塔顶温度的求定8
2.6减压塔计算草图9
2.7全塔的热平衡10
2.8回流方式及回流热分配11
2.8.1计算塔顶回流量11
2.8.2计算塔中段回流量12
2.9侧线温度的校核12
2.9.1减三线抽出板下的热平衡12
2.9.2减二线抽出板下的热平衡13
2.9.3减一线的抽出板下的热平衡15
第3章全塔气液负荷分布图18
3.1第1层塔板上的气液负荷18
3.2减一线抽出板的气液负荷18
3.3第3层板上的气液负荷18
3.4减二线抽出板的气液负荷19
3.5第12层板上的气液负荷19
3.6减三线抽出板的气液负荷20
3.7第24层板上的气液负荷20
3.8气液相负荷分布图21
第4章减压塔的工艺尺寸22
4.1塔径的计算及确定22
4.2填料层高度计算23
4.3填料层压降计算23
4.4液体喷淋密度的验算23
4.5液体分布器的计算24
4.6.封头的选型24
4.7人孔的选型24
4.8裙座的选型24
4.9塔的总高度24
减压塔设计说明书
第1章参数的确定
原始数据润滑油馏分的性质如下表1.1所示
表1.1原始数据润滑油馏分的性质
油品
馏出体积
相对分子量
相对密度
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
减一
255
275
281
286
293
304
321
218
0.8045
减二
318
356
364
370
371
387
404
299
0.8234
减三
403
414
421
432
442
458
471
385
0.8528
减底
460
466
473
481
489
493
508
449
0.8570
1.1平均沸点的计算
1.1.1体积平均沸点
减底：
tv=（t10+t30+t50+t70+t90）/5=480.4℃
同理，减一线：
287.8℃，减二线：
369.6℃，减三线：
433.4℃
1.1.2恩氏蒸馏10%~90%馏分的曲线斜率
减底：
斜率S=（90%馏出温度-10%馏出温度）/（90-10）=（493-466）/80=0.3375
同理，减一线：
0.3625，减二线：
0.3875，减三线：
0.4889
1.1.3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的校正值如下表1.2所示。
表1.2立方平均沸点
名称
tv/℃
S
tcu校正值
tcu/℃
tm校正值
tm/℃
tme/℃
减一线
287.8
0.3625
-0.3
287.5
-0.9
286.9
287.20
减二线
369.6
0.3875
-0.2
369.4
-0.7
368.9
369..05
减三线
433.4
0.4889
-0.1
433.3
-0.2
433.2
433.25
减底
480.4
0.3375
-0.5
479.9
-0.4
480.0
479.95
1.2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如下表1.3所示。
表1.3特性因数K
名称
K
减一线
0.0046
0.8045
44.385
12.50
减二线
0.0045
0.8234
40.348
12.77
减三线
0.0043
0.8528
34.424
12.73
减底
0.0042
0.8570
33.611
12.93
1.3平衡汽化温度
以下为各段平衡汽化温度计算:
1.3.1减一线
减一线平衡平衡汽化温度如下表1.4所示。
表1.4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℃
255
275
281
286
293
304
321
恩氏蒸馏温差℃
20
6
5
7
11
17
恩氏蒸馏10%-70%点斜率=（293-275）/（70-10）=0.225
由《石油炼制工程》图7-15查得：
平衡汽化50%点-恩氏蒸馏50%点=+11
平衡汽化50%点=286+11=297℃
由《石油炼制工程》图7-16查得如下表1.5所示。
表1.5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℃
6
4.5
1.5
0.5
2.5
4.1
平衡汽化温度℃
285
291
295.5
297
297.5
300
304.1
1.3.2减二线
减二线平衡气化温度如下表1.6所示。
表1.6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℃
318
356
364
370
371
387
404
恩氏蒸馏温差℃
38
8
6
1
16
17
恩氏蒸馏10%-70%点斜率=（371-3567）/（70-10）=0.25
由《石油炼制工程》图7-15查得：
平衡汽化50%点-恩氏蒸馏50%点=+31
平衡汽化50%点=397+27=424℃
由《石油炼制工程》图7-16查得如下表1.7所示。
表1.7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℃
5
3.5
2.5
0.5
6.5
4.5
平衡汽化温度℃
390
395
398.5
401
401.5
408
412.5
1.3.3减三线
减三线平衡气化温度如下表1.8所示。
表1.8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℃
403
414
421
432
442
458
471
恩氏蒸馏温差℃
11
7
11
10
16
13
恩氏蒸馏10%-70%点斜率=（442-414）/（70-10）=0.467
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=432+6=438℃
由《石油炼制工程》图7-16查得如下表1.9所示。
表1.9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℃
3.5
3.8
5.5
2.5
7.5
3.5
平衡汽化温度℃
426
429.5
432.5
438
440.5
448
451.5
1.4减压10mmHg下的平衡汽化温度
1．减一线
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1.10所示。
表1.10减一线10mmHg下的平衡汽化温度
项目
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
平衡汽化温差℃
6
4.5
1.5
0.5
2.5
4.1
常压平衡汽化温度℃
300
306
310.5
312
312.5
315
319.1
10mmHg下平衡汽化温度℃
142
147.6
151.2
153
154.3
155.6
157.2
2．同理可计算出减二线、减三线的相关数据，汇总如下表1.11所示。
表1.11减一线、减二线、减三线10mmHg下的平衡汽化温度
项目
0%
10%
30%
50%
70%
90%
100%
减二线
234..1
239.5
241.3
245.3
246.1
252.3
256.6
减三线
262
265.5
268.3
273.7
275.7
283.7
287.2
第2章减压塔的工艺计算
2.1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360℃，压力0.095MPa（本设计所指压力如果不做特别说明，均指绝压）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2.1所示。
表2.1汽提蒸气用量
蒸气用量（对产品）/%
kg/h
kmol/h
减一线
40%
346.5
19.25
减二线
35%
801.1
44.51
减三线
40%
2481.1
137.84
减底
20%
403.3
22.41
合计
4032.0
224.00
2.2减压塔的物料平衡
为了计算变压器油闪蒸塔的变压器油回流的量，做变压器油闪蒸塔的隔离体系草图如图2.1所示。
图2.1压器油闪蒸塔的隔离体系草图
由物料
，得1065.1+346.5=866.7+G1，解得G1=544.9kg/h,由于从闪蒸塔塔底出来的水蒸气量极少，故可认为水蒸气全部从闪蒸塔塔顶出来，所以从闪蒸塔塔顶回流的变压器油量为：
544.9-346.5=198.4kg/h
同理可求得减二线的75N润滑油和减三线150N润滑油的回流量分别为：
992.4kg/h，2135.8kg/h。
由于进入减压塔的水蒸气等于出来的水蒸气，水蒸气不参与反应，所以在物流衡算时可以不计入内。
从塔顶出来的油气量也极其微量，可以忽略不计，作减压塔的物料衡算隔离体系草图如图2.2所示。
图2.2减压塔的物料衡算隔离体系草图
进料的摩尔流量为：
各线的产品的摩尔分数及摩尔流量如下表2.2所示
表2.2各线的产品摩尔分数及摩尔流量
序号
产品出料位置
组分
摩尔分数
/%
摩尔流量kmol/h
1
2
3
4
5
减一线
减二线
减三线
减底
合计
变压器油
75N基础油
150N基础油
300N基础油
—
12.34
23.76
49.97
13.93
100
3.98
7.66
16.11
4.49
32.24
减压塔的总物料平衡如下表2.3所示。
表2.3减压塔的总物料平衡
油品
平均相对分子质量
处理量
kg/h
kmol/h
进料
353
11375.1
32.24
闪蒸塔变压汽油回流
218
198.4
0.91
减二线75N油回流
299
992.4
3.32
减三线150N油回流
385
2135.8
5.55
减一线
218
1065.1
4.89
减二线
299
3281.3
10.97
减三线
385
8338.6
21.66
减底
449
2016.7
4.49
2.3确定塔板数
由AspenPlus模拟软件模拟减压塔，其模拟流程及模拟结果如图2.3、2.4、2.5、2.6所示，模拟结果数据详见减压塔AspenPlus模拟结果数据汇总Excel表。
图2.3减压塔模拟流程
图2.4减压塔塔顶模拟结果
图2.5减压塔塔底模拟结果
图2.6减压塔全塔模拟结果
根据同类减压塔的经验数据及AspenPlus软件模拟，确定理论塔板数为40层。
减顶~减一线3层
减一线~减二线9层
减二线~减三线12层（含中段循环回流）
减三线~过汽化油9层
进料段以下8层
2.4塔板压力及塔板压降
对于减压塔，根据经验值，国内一般维持塔顶残压为75mmHg、真空度为710~720mmHg，每层塔板压降为0.476mmHg。
令塔顶真空度为685mmHg，残压为：
75mmHg
减一线抽出板（第3层）残压：
75+3×0.476=76.43mmHg
减二线抽出板（第12层）残压：
76.43+8×0.476=80.24mmHg
减三线抽出板（第24层）残压：
80.24+12×0.476=85.95mmHg
汽化段（第32层下）残压：
85.95+8×0.476+0.5=90.26mmHg
塔底残压：
94.5mmHg，取转油线压力降为262.2mmHg，则加热炉出口压力P=90.26+262.2=352.46mmHg，全塔压力分布模拟结果如图2.7所示。
图2.7全塔压力分布模拟结果
2.5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355℃，取塔底塔底温度为296℃，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：
80℃
减一线：
162℃
减二线：
252℃
减三线：
318℃
全塔温度分布模拟结果如图2.8所示。
图2.8减压塔温度分布模拟结果
2.6减压塔计算草图
做减压塔的隔离体系草图如图2.9所示。
图2.9减压塔的隔离体系草图
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。
2.7全塔的热平衡
进料油汽化率为82%，汽化油量=11375.1×82%=9327.6kg/h，全塔的热平衡如下表2.4所示。
表2.4全塔的热平衡
物料
流率
/（kg/h）
相对密度
温度
/℃
焓/（kJ/kg）
热量×106kJ/h
气相
液相
入
方
进料
11375.1
0.8436
355
1116.1
949.6
12.4643
闪蒸塔变压器油回流
198.4
0.8045
156
655.0
0.1300
减二线75N油回流
992.4
0.8234
248
849.7
0.8432
减三线150N油回流
2135.8
0.8528
312
996.8
2.1290
减一线汽提蒸汽
346.5
156
2754.6
0.9545
减二线汽提蒸汽
801.1
248
2944.7
2.3590
减三线汽提蒸汽
2481.1
312
3089.5
7.6654
减底汽提蒸汽
403.3
360
3206.7
1.2933
合计
18773.7
27.8387
减一线
1065.1
0.8045
162
394.0
0.4170
减二线
3281.3
0.8234
252
630.0
2.0672
减三线
8338.6
0.8528
318
820.8
6.8443
减底
2016.7
0.8570
296
748.5
1.5095
汽提蒸气
4032.0
80
2617.8
10.5550
合计
18733.7
21.3930
全塔回流热
2.8回流方式及回流热分配
塔顶回流油品温度为60℃，使用一个中段回流，位于减二线与减三线之间（17~19层）。
回流热分配如下：
塔顶回流取热65%
中间段回流取热35%
2.8.1计算塔顶回流量
原定塔顶冷凝回流温度为60℃，其焓值为
，塔顶温度为80℃，回流汽油蒸气的焓值为
。
塔顶冷回流量：
kg/h
塔顶油气量：
塔顶水蒸气流量：
塔顶油气分压：
塔顶温度应该是减顶油在其油气分压下的露点温度，在平衡汽化坐标纸上作出减顶油在10mmHg下平衡汽化100%的p-t相图，由图可读出在
下的露点温度78.6℃，与原假设的80℃很接近，故假设正确。
2.8.2计算塔中段回流量
中段循环出口温度为296℃，其焓值为750.8kJ/kg
中段循环回流温度为256℃，其焓值为628.8kJ/kg
中段循环量
2.9侧线温度的校核
2.9.1减三线抽出板下的热平衡
作减三线热量衡算隔离体系草图如图2.10所示。
图2.10减三线热量衡算隔离体系草图
减三线抽出板下的热平衡数据如下表2.5所示。
表2.5减三线抽出板下的热平衡数据
物料
流率
/（kg/h）
相对密度
温度
/℃
焓/（kJ/kg）
热量×106kJ/h
气相
液相
入
方
进料
11375.1
0.8436
355
1116.1
949.6
12.4643
减底汽提蒸汽
403.3
360
3206.7
1.2933
内回流
L
0.8508
318
821.9
821.9L
合计
11778.4
13.7576×106+821.9L
出
方
减一线
866.7
0.8045
318
1034.5
0.8966
减二线
2288.9
0.8234
318
837.1
1.9160
减三线
6202.8
0.8528
318
820.8
5.0913
减底
2016.7
0.8570
296
748.5
1.5095
汽提蒸气
403.3
318
3104.4
1.2520
内回流
L
0.8508
318
1013.4
1013.4L
合计
11778.4
10.6654×106kJ/h+1013.4L
13.7576×106+821.9L=10.6654×106+1013.4L则：
减三线抽出板上的气相总量：
减三线内回流油气分压：
85.95×41.94/92.10=39.14mmHg
参考《石油炼制工程》图7-26将常压平衡汽化数据换算成39.14mmHg下的平衡数据，其结果如下表2.6所示
表2.6将常压平衡汽化数据换算成39.14mmHg下的平衡数据
项目
0%
10%
30%
50%
平衡汽化温差℃
3.5
3.0
5.5
2.5
常压平衡汽化温度℃
426
429.5
432.5
438
39.14mmHg下平衡汽化温度℃
319.5
324.5
328
以上求得的在39.14mmHg下减三线的泡点温度为319.5℃，与原假设的318℃很接近，故假设正确。
2.9.2减二线抽出板下的热平衡
作减二线热量衡算隔离体系草图如图1.11所示。
图1.11减二线热量衡算隔离体系草图
减二线抽出板下的平衡数据如下表2.7所示
表2.7减二线抽出板下的平衡数据
物料
流率
/（kg/h）
相对密度
温度
/℃
焓/（kJ/kg）
热量×106kJ/h
气相
液相
入
方
进料
11375.1
0.8436
355
1116.1
949.6
12.4643
减三线150N油回流
2135.8
0.8528
312
996.8
2.1290
减三线汽提蒸汽
2481.1
312
3089.5
7.6654
减底汽提蒸汽
403.3
360
3206.7
1.2933
内回流
L
0.8214
252
630.8
630.8L
合计
16395.3
23.5520×106+630.8L
出
方
减一线
866.7
0.8045
252
868.5
0.7527
减二线
2288.9
0.8234
252
859.3
1.9669
减三线
8338.6
0.8528
318
820.8
6.8443
减底
2016.7
0.8570
296
748.5
1.5095
汽提蒸气
2884.4
252
2956.4
8.5274
内回流
L
0.8214
252
860.2
860.2L
合计
16395.3
19.6008×106kJ/h+860.2L
减二线抽出板上的气相总量：
3.98+7.66+160.24+57.61=229.49kmol/h
减二线内回流油气分压：
80.24×57.61/229.49=20.14mmHg
参考《石油炼制工程》图7-26将常压平衡汽化数据换算成20.14mmHg下的平衡数据，其结果如下表2.8所示
表2.8将常压平衡汽化数据换酸为20.14mmHg下的平衡汽化温度数据
项目
0%
10%
30%
50%
平衡汽化温差℃
5
3.5
2.5
0.5
常压平衡汽化温度℃
390
395
398.5
401
20.14mmHg下平衡汽化温度℃
253.5
259.5
264.4
以上求得的在20.14mmHg下减二线的泡点温度为253.5℃，与原假设的252℃很接近，故假设正确。
2.9.3减一线的抽出板下的热平衡
作减一线热量衡算隔离体系草图如图1.12所示。
图1.12减一线热量衡算隔离体系草图
减一线抽出板下的平衡数据如下表2.9所示。
表2.9减一线抽出板下的平衡数据
物料
流率
/（kg/h）
相对密度
温度
/℃
焓/（kJ/kg）
热量×106kJ/h
气相
液相
入
方
进料
11375.1
0.8436
355
1116.1
949.6
12.4643
减二线150N油回流
992.4
0.8234
248
849.7
0.8432
减二线汽提蒸汽
801.1
248
2944.7
2.3590
减三
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