年产10万吨丙烯分离工段工艺设计--毕业论文.doc

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本科毕业论文（设计）

年产10万吨丙烯分离工段工艺设计

姓名：

指导教师：

院系：

化学化工学院

专业：

化学工程与工艺

提交日期：

2012年5月5日

目录

中文摘要………………………………………………………………………………1

外文摘要………………………………………………………………………………2

引言……………………………………………………………………………………3

1.绪论………………………………………………………………………………3

概述……………………………………………………………………………3

简介………………………………………………………………………3

丙烯的性质………………………………………………………………3

丙烯的用途………………………………………………………………3

丙烯生产工艺选择及分离流程确定…………………………………………3

生产工艺选择……………………………………………………………3

分离流程确定……………………………………………………………4

设计任务书……………………………………………………………………5

2.工艺流程…………………………………………………………………………5

工艺流程图……………………………………………………………………5

工艺流程简述…………………………………………………………………6

3.物料衡算…………………………………………………………………………6

设计依据………………………………………………………………………6

裂解气及各组分产量…………………………………………………………6

各裂解产物的相对分子量……………………………………………………7

脱丙烷塔物料衡算……………………………………………………………7

脱甲烷塔物料衡算…………………………………………………………10

脱乙烷塔物料衡算…………………………………………………………12

乙烯精馏塔物料衡算………………………………………………………15

丙烯精馏塔物料衡算………………………………………………………16

4.热量衡算…………………………………………………………………………18

乙烯精馏装置热量衡算………………………………………………………18

丙烯精馏装置热量衡算………………………………………………………23

脱甲烷精馏装置热量衡算……………………………………………………26

脱乙烷精馏装置热量衡算……………………………………………………30

脱丙烷精馏装置热量衡算……………………………………………………33

5.设备选型…………………………………………………………………………37

丙烯精馏塔…………………………………………………………………37

丙烯精馏塔操作压力及温度的确定…………………………………37

丙烯精馏塔密度、表面张力的计算…………………………………39

塔板数的确定…………………………………………………………42

精馏塔主要尺寸计算…………………………………………………44

塔板流体力学验算……………………………………………………50

主要设备设计与选型…………………………………………………53

塔高的计算……………………………………………………………55

浮阀塔设计一览表……………………………………………………56

换热器………………………………………………………………………57

试算和初选换热器规格………………………………………………57

核算总传热系数………………………………………………………58

6.生产安全及三废处理……………………………………………………………62

生产安全……………………………………………………………………62

废气处理……………………………………………………………………62

废渣处理……………………………………………………………………62

废水处理……………………………………………………………………62

结束语………………………………………………………………………………63

参考文献……………………………………………………………………………64

致谢…………………………………………………………………………………65

附录…………………………………………………………………………………66

年产10万吨丙烯分离工段工艺设计

刘洋

指导老师：

崔秀云

（黄山学院化学化工学院，黄山，安徽245041）

摘要：

本设计为年产10万吨丙烯分离工段工艺设计。

在设计中简单介绍了丙烯的性质、用途、生产方法和分离方法。

结合国内丙烯的生产状况，选择了烃类热裂解法生产丙烯。

在设计过程中，通过对各个设备的物料衡算、热量衡算,确定了浮阀塔工艺参数和工艺指标，进行设备选型。

同时，绘制了带控制点的工艺流程图和浮阀塔设备图。

关键词：

丙烯；热裂解；浮阀塔

TheSeparationProcessDesignofPropyleneof100,000tons

LiuYang

Director：

CuiXiuyun

（CollegeofChemistryandChemicalEngineering，HuangshanUniversity，Huangshan，Anhui245041）

Abstract:

Thedesignisabouttheseparationprocessofpropyleneof100,000tons.Inthedesignofpropylene,itsimplyintroducedthenature,purpose,methodofproductionandseparation.Combiningthedomesticpropyleneproductionsituation,choosethehydrocarbonsheatcrackingmethodtoproduceacrylic.Inthedesignprocess,throughthevariousequipmentmaterialbalancecalculations,heatbalancecalculations,determinethefloatvalvetowerprocessparametersandprocessindexofequipmenttypeselection.Atthesametime,paintedwiththecontrolpointsoftheprocessflowdiagramandfloatvalvetowerequipmentfigure.

Keywords:

Propylene；ThermalCracking；FloatValveTower

引言

丙烯，是三大合成材料之一，它主要用于生产丙烯晴、异丙烯、丙酮和环氧丙烷等，而这些产品广泛应用于合成纤维、合成塑料、涂料、橡胶、树脂等高聚物的合成。

丙烯系列产品的重要性，在基本有机化学工业中仅次于乙烯系列产品。

丙烯的生产方法有烃类热裂解法、丙烷脱氢法和甲醇制丙烯生产工艺。

基于国内生产丙烯的概况，本设计采用低碳烃裂解法制丙烯，该方法是国内比较流行的生产方法，有着大量的实际经验，易于操作，风险小。

由于本人能力的限制和一些条件的制约，在设计的过程中可能不尽完善，请相关阅读人士批评指正。

1．绪论

概述

简介

丙烯结构式为：

，其分子量：

。

主要用途：

用于制丙烯腈、异丙烯、环氧丙烷和丙酮。

丙烯的性质

丙烯（propylene）常温下为无色、无臭、稍带有甜味的气体。

不溶于水，溶于有机溶剂，是一种属低毒类物质。

丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生产丙烯晴、异丙烯、丙酮和环氧丙烷等。

分子式C3H6,分子量，TboC，Tf=-185.25oC，oC，，ρc3，，，ac[1]。

丙烯的用途

用于制丙烯腈、环氧丙烷、丙酮、聚丙烯等。

丙烯在酸性催化剂存在下聚合，生成二聚体、三聚体和四聚体的混合物，可用作高辛烷值燃料。

丙烯在酸性催化剂存在下与苯反应，生成异丙苯，它是合成苯酚和丙酮的原料。

丙烯在催化剂存在下与氨和空气中的氧起氨氧化反应，生成丙烯腈，它是合成塑料、橡胶、纤维等高聚物的原料。

丙烯生产工艺选择及分离流程确定

生产工艺选择

丙烯的生产方法有烃类热裂解法、丙烷脱氢法和甲醇制丙烯生产工艺：

（1）烃类热裂解

以乙烷、丙烷、轻石脑油、石脑油、轻柴油或重柴油为原料，在800-900oC高温下裂解，在很短的时间内碳链经历了断裂、脱氢等一次反应，和几乎同时发生的一次反应产物的进一步脱氢、叠合、缩合等复杂反应，得到含有乙烯、丙烯、丁二烯、异戊二烯、环戊二烯等重要的化工基本原料的裂解气和含有苯、甲苯、二甲苯的液体产物[4]。

这可以解决炼厂和石脑油裂解副产的出路问题,还可以增产高附加值的乙烯、丙烯产品,成为近年研究较为活跃的领域。

（2）丙烷脱氢法

丙烷脱氢是强吸热过程,可在高温和相对低压下获得合理的丙烯收率。

其优势在于进料单一,产品单一。

与其它生产技术相比,获得同等规模的丙烯产量,丙烷脱氢技术的基建投资相对较低。

虽然丙烷脱氢技术已经成熟，但是，我国目前尚不具备建设丙烷脱氢厂的条件。

其原因关键在于能否获得稳定而又相对低廉的丙烷资源。

目前我国尚不具备这一条件，国内丙烷产量比丙烯更为稀缺,差不多仅为丙烯的一半。

（3）甲醇制丙烯法

甲醇在催化剂的作用下转换成二甲醇、未反应的甲醇和水蒸气的混合物，然后这种混合物在一个固定床反应器内反应生产丙烯，反应器内的温度为420-490oC,压力为130-160kPa，催化剂使用沸石催化剂，反应收率为70%，未反应的原料可以经一循环泵输送至反应器入口[2]。

因为，我国炼油厂工业规模之大、厂家之多，加之烃类裂解制丙烯的技术相对较成熟，故本设计采用烃类热裂解法生产丙烯。

1.2.2分离流程确定

（1）油吸收精馏分离

利用C3、C4作为吸收剂，将裂解气中除了H2、CH4以外的其它组分全部吸收下来，然后在根据各组分相对挥发度不同，将其逐一分开。

此法优点是操作温度高，可节省大量的耐低温钢材和冷量，缺点是得到的裂解气中烯烃纯度低，操作费用高，一般适用小规模生产。

此法已逐步被淘汰。

（2）深冷分离

深冷分离是将裂解气冷却到-100℃以下，此时裂解气中除H2、CH4以外的其它组分全部被冷凝下来，然后再根据裂解气中各低碳烃相对挥发度的不同，用精馏的方法逐一进行分离[3]。

其优点是产品纯度高，分离效果好，缺点是但投资较大，流程复杂，动力设备较多，需要大量的耐低温合金钢。

油吸收精馏分离法得到的裂解气中烯烃纯度低，操作费用高。

又本设计要求的丙烯纯度高（达99.6%以上），且生产规模大（达10万吨/年），故本设计采用深冷分离法制取丙烯。

故而，最终确定的丙烯生产方法是烃类热裂解法，分离工艺是前脱丙烷前加氢工艺。

设计任务书

（1）生产能力：

年产10万吨丙烯；

（2）生产方法：

烃类热裂解法；

（3）分离工艺：

前脱丙烷前加氢工艺；

（4）生产天数：

330天；

（5）产品纯度：

丙烯％；

（6）操作参数:

操作压力为,操作温度为按组分组成计算后的泡点温度。

2.工艺流程

工艺流程图

前脱丙烷分离流程是以脱丙烷塔为界限，将物料分为两部分，一部分为丙烷及比丙烷更轻的组分；另一部分为碳四及比碳四更重的组分，然后再将这两部分各自进行分离，获得所需产品。

前脱丙烷分离流程如图2-1所示：

1

3

4

5

6

7

10

9

Ⅰ～Ⅲ

Ⅳ

2

8

裂解气

C4、C5+

富气

C2～C3

C2

C3

图2-1裂解气净化与分离工艺流程图

1-碱洗塔；2-干燥器；3-脱丙烷塔；4-脱甲烷塔；5-脱乙烷塔；6-乙烯精馏塔；

7-丙烯精馏塔A；8-丙烯精馏塔B；9-加氢脱炔反应器；10-冷箱

工艺流程简述（应为详述）

裂解气首先经过压缩机Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段压缩，压力达到,然后送入碱洗塔

（1），脱除酸性气体。

碱洗后的裂解气经过干燥塔

（2）干燥之后后，进入脱丙烷塔（3），塔顶分出C3以下馏分，即甲烷、氢、C2馏分和C3馏分，再进入Ⅳ段压缩，压力达到，然后进入加氢脱炔反应器（9），之后经冷箱（10）进入脱甲烷塔（4），塔顶分出甲烷、氢，塔釜是C2以上馏分，送入脱乙烷塔（5）。

在脱乙烷塔顶分出乙烯和乙烷，送入乙烯精馏塔（6），通过精馏操作塔顶得乙烯产品，塔釜分出丙烯和丙烷，物料平分为两股输送入丙烯精馏塔A（7）与丙烯精馏塔B（8），通过精馏操作塔顶得到丙烯产品。

脱丙烷塔塔釜得到C4以上馏分。

3.物料衡算

设计依据

（一）生产能力：

10万吨/年，一年按330天计算，即7920小时。

（二）产品丙烯的纯度：

丙烯％；脱甲烷塔塔顶C1以下馏分纯度为99.9%，脱乙烷塔塔顶C2以下馏分纯度为99.99%，塔脱丙烷塔塔顶C3以下馏分纯度为99.8%，乙烯精馏塔塔顶乙烯纯度％，脱丁烷塔塔顶C4馏分％。

（三）计算基准（kg/h）：

P=1×108÷7920=1.2626×104（kg/h）

裂解气及各组分产量

查《基本有机化工工艺学》[4]得表1-11得，

表3-1轻柴油裂解产物组成

原料

轻柴油

原料规格

173～391oC

裂解条件

辐射管出口温度，oC

790

辐射管出口压力，kPa

107

水蒸气/油（质量）

裂解产物组成，%（质量）

H2

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8

C4

C5+

燃料油

杂质+水

合计

100

裂解产物中丙烯的含量14.75%，并且在丙烯塔可得到纯度为99.6%的丙烯，则可认为裂解气中的丙烯全部从丙烯塔分离得出丙烯产品。

丙烯产量为1.2626×104（kg/h），则

则

裂解气的总量=裂解产物的总量-燃料油=8.56×104-1.4766×104=7.0834×104（kg/h）

各裂解产物的相对分子量

查《石油化工基础数据手册》[1]得在常压下：

相对分子质量：

，，，，，，，为便于计算，取，

沸点Tb：

氢气℃，甲烷℃，乙烯℃，乙烷℃，丙烯℃，丙烷℃，正丁烷℃

脱丙烷塔物料衡算

裂解气经碱洗和干燥后，去除了裂解气中的酸性气体和水分，又杂质和水仅占总裂解产物比重的1.15%，且水分居多，故可认为裂解气经碱洗和干燥后进入脱丙烷塔的物料组分有氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、C4、C5+等。

脱丙烷塔

H2

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8C4C5+

H2

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8C4

C3H8C4C5+

图3-1脱丙烷塔物料衡算流程图

（1）进入塔的物料：

①F=69849.6（kg/h）（其中F氢气=513.6（kg/h），F甲烷=8.6456×103（kg/h），F乙烯=1.9688×104（kg/h），F乙烷=3.5952×103（kg/h），F丙烯=1.2626×104（kg/h），F丙烷（kg/h），FC4=8.2604×103（kg/h），FC5+=1.6264×104（kg/h））

②

（2）出塔的物料：

（3）进=出

已知：

脱丙烷塔塔顶C3以下馏分纯度为99.8%，釜液中丙烷含量≤0.05%,则

表3-2脱丙烷塔的进料、出料组成：

（—质量分数%，下同）

组分

aF（%）

aD（%）

aw（%）

氢气

-

甲烷

-

乙烯

-

乙烷

-

丙烯

-

丙烷

C4

C5+

-

由各裂解产物的相对分子量中各组分的物性数据知，氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯为轻组分，丙烷为轻关键组分，C4为重关键组分，C5+为重组分。

采用清晰分割法

计算塔顶和塔底各组分的分布情况，见表3-3：

表3-3物料在塔底塔顶的分布情况：

组分

进料，F’

塔顶，D’

塔底，W’

氢气

-

甲烷

-

乙烯

-

乙烷

7

-

丙烯

-

丙烷

W’

W’

C4

D’

D’

C5+

-

合计

100

D’

W’

物料衡算：

以100kg/h为基准进料，则：

解得：

D’=65kg/h，W’=35kg/h

根据表3-3，以100kg/h为进料基准时，算得的最终塔顶和塔底的分布情况见表3-4。

表3-4最终物料在塔底塔顶的分布情况：

组分

进料，F’

塔顶，D’

塔底，W’

氢气

-

甲烷

-

乙烯

-

乙烷

-

丙烯

-

丙烷

C4

C5+

-

合计

100

65

35

由表3-4可得，当进料为（kg/h）时，塔顶和塔底的出料为：

（kg/h）（其中D氢气（kg/h），D甲烷=8.6456×103（kg/h），D乙烯=1.9688×104（kg/h），D乙烷=3.5952×103（kg/h），D丙烯=1.2626×104（kg/h），D丙烷（kg/h），DC4（kg/h））

（kg/h）（其中W丙烷（kg/h），WC4==8.17064×103（kg/h），WC5+=1.6264×104（kg/h）

脱丙烷塔总物料衡算结果见表3-5。

表3-5脱丙烷塔物料衡算结果表：

（必须的）

组分

Fi

Di

Wi

kg/h

kmol/h

Xi

kg/h

kmol/h

Xi

kg/h

kmol/h

Xi

氢气

0

0

0

甲烷

8.6456×103

8.6456×103

0

0

0

乙烯

1.9688×104

1.9688×104

0

0

0

乙烷

3.5952×103

3.5952×103

0

0

0

丙烯

1.2626×104

1.2626×104

0

0

0

丙烷

2.56×10-3

2.89×10-3

×10-4

C4

8.2604×103

142．42

8.01×10-3

8.17064×103

C5+

1.6264×104

0

0

0

1.6264×104

0．599

总计

1

1

1

3.5脱甲烷塔物料衡算

H2

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8C4

H2

CH4

C2H4

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8

C4

脱甲烷塔

图3-2脱甲烷塔物料衡算流程图

已知：

脱甲烷塔塔顶C1以下馏分纯度为99.9%，釜液中甲烷含量≤0.05%,则

表3-6脱甲烷塔的进料、出料组成：

组分

aF（%）

aD（%）

aW（%）

氢气

-

甲烷

乙烯

乙烷

-

丙烯

-

丙烷

-

C4

-

由各裂解产物的相对分子量中各组分的物性数据知，氢气为轻组分，甲烷为轻关键组分，乙烯为重关键组分，乙烷、丙烯、丙烷和C4为重组分。

采用清晰分割法计算塔顶和塔底各组分的分布情况，见表3-7：

表3-7物料在塔底塔顶的分布情况：

组分

进料，F’

塔顶，D’

塔底，W’

氢气

-

甲烷

W’

W’

乙烯

D’

D’

乙烷

-

丙烯

-

丙烷

-

C4

-

合计

100

D’

W’

物料衡算：

以100kg/h为基准进料，则

；

；

解得：

，

根据表3-7，以100kg/h为进料基准时，算得的最终塔顶和塔底的分布情况见表3-8。

表3-8最终物料在塔底塔顶的分布情况：

组分

进料，F’

塔顶，D’

塔底，W’

氢气

-

甲烷

乙烯

乙烷

-

丙烯

-

丙烷

-

C4

-

合计

100

由表3-8可得，当进料为（kg/h）时，塔顶和塔底的出料为：

（kg/h）（其中F氢气（kg/h），F甲烷=8.6456×103（kg/h），F乙烯=1.9688×104（kg/h），F乙烷=3.5952×103（kg/h），F丙烯=1.2626×104（kg/h），F丙烷（kg/h），FC4（kg/h））

（kg/h）（其中D氢气（kg/h），D甲烷（kg/h），D乙烯（kg/h））

（kg/h）（其中W甲烷（kg/h），W乙烯（kg/h），W乙烷=3.5952×103（kg/h），W丙烯=1.2626×104（kg/h），W丙烷（kg/h），WC4（kg/h））

脱甲烷塔总物料衡算结果见表3-9。

表3-9脱甲烷塔物料衡算结果表：

组分

Fi

Di

Wi

kg/h

kmol/h

Xi

kg/h

kmol/h

Xi

kg/h

kmol/h

Xi

氢气

0

0

0

甲烷

8.6456×103

1×10-3

乙烯

1.9688×104

3×10-4

乙烷

3.5952×103

0

0

0

3.5952×103

丙烯

1.2626×104

0

0

0

1.2626×104

丙烷

2.89×10-3

0

0

0

4.9×10-3

C4

1.54

8.01×10-3

0

0

0

1.36×10-3

总计

1

1

1

脱乙烷塔物料衡算

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8C4

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C2H6

C3H6

C3H8

C4

脱乙烷塔

图3-3脱乙烷塔物料衡算流程图

已知：

脱乙烷塔塔顶C2以下馏分纯度为99.99%，釜液中乙烷含量≤0.02%,则

表3-10脱乙烷塔的进料、出料组成：

组分

aF（%）

aD（%）

aW（%）

甲烷

-

乙烯

-

乙烷

丙烯

34．83

丙烷

-

C4

-

由各裂解产物的相对分子量中各组分的物性数据知，甲烷、乙烯为轻组分，乙烷为轻关键组分，丙烯为重关键组分，丙烷和C4为重组分。

采用清晰分割法计算塔顶和塔底各组分的分布情况，见表3-11：

表3-11物料在塔底塔顶的分布