年产5.4万吨丙烯精馏塔的工艺设计

年产5.4万吨丙烯精馏塔

的工艺设计

目录

摘要............................................................. I 第1章绪论.. (2)

1.1丙烯的性质 (2)

1.1.1 丙烯的物理性质 (2)

1.1.2 丙烯的化学性质 (2)

1.2丙烯的发展前景 (2)

1.3丙烯的生产技术进展 (3)

1.3.1 概况 (3)

1.3.2 丙烯的来源 (3)

1.3.3 丙烯的生产方法 (3)

1.3.4 丙烯生产新技术现状及发展趋势 (4)

第2章丙烯精馏塔的物料衡算及热量衡算 (4)

2.2.1 确定关键组分 (5)

2.2.2计算每小时塔顶产量 (5)

2.2.4物料衡算计算结果见表2.5 (7)

2.3塔温的确定 (8)

2.3.1 确定进料温度 (8)

2.3.2 确定塔顶温度 (8)

2.3.3 确定塔釜温度 (8)

第3章精馏塔板数及塔径的计算 (10)

3.1塔板数的计算 (10)

3.1.1 最小回流比的计算 (10)

3.1.2 计算最少理论板数 (11)

3.1.3 塔板数和实际回流比的确定 (11)

3.2确定进料位置 (11)

3.3全塔热量衡算 (12)

3.3.1 冷凝器的热量衡算 (12)

3.3.2 再沸器的热量衡算 (13)

3.3.3 全塔热量衡算 (13)

3.4板间距离的选定和塔径的确定 (14)

3.4.1 计算混合液塔顶、塔釜、进料的密度及气体的密度 (14)

3.4.2 求液体及气体的体积流量 (16)

3.4.3 初选板间距及塔径的估算 (17)

3.5浮阀塔塔板结构尺寸确定 (18)

3.5.1塔板布置 (18)

3.5.2 溢流堰及降液管设计计算 (19)

3.6塔高的计算 (21)

第四章流体力学计算及塔板负荷性能图 (22)

4.1水利学计算 (22)

4.1.1 塔板总压力降的计算 (22)

4.1.2 雾沫夹带 (23)

4.1.3 淹塔情况校核 (26)

4.2浮阀塔的负荷性能图 (27)

4.2.1 雾沫夹带线 (27)

4.2.2 液泛线 (28)

4.2.3 降液管超负荷线 (29)

4.2.4泄露线 (29)

4.2.5 液相下限线 (30)

4.2.6 操作点 (30)

总论 (32)

致谢 (33)

参考文献 (35)

附录 (38)

年产5.4万吨丙烯精馏装置工艺设计

摘要

本设计任务为设计一个精馏塔来进行丙烯－丙烷混合物的分离，采用连续操作方式的浮阀精馏塔。原料为年产量54000吨的产品，其中丙烯的含量为92.75%(质量分数)，塔顶丙烯的含量为99.6％，塔釜残夜中丙烯的含量不高于2％。设计中采用泡点进料，操作压力为1.74MPa(表压)。将原料液通过预热器加热至泡点温度后送入精馏塔内，塔顶上升蒸汽采用全凝汽冷凝，全凝汽主要用于准备控制回流比，冷凝器在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入贮罐。

浮阀塔的优点是：生产能力大、操作弹性大、塔板效率高、气体压强降及液面落差较小、塔的造价低。浮阀塔已成为国内应用最广泛的塔型。

该物系属于分离物系，操作回流比取最小回流比的1.2倍，塔釜采用间接蒸汽加热，以提供足够的热量，塔底产品冷却后至贮罐。

本文就是对精馏塔的一些物料、热量衡算，工艺计算，结构设计及冷制精馏装置工艺流程图，设备装备图和塔板负荷性能图等。

关键词：丙烯，精馏塔，浮阀塔，雾沫夹带量，开孔率

1 绪论1.1 丙烯的性质

1.1.1 丙烯的物理性质

化学式C

3H

6

,结构简式为CH

3

-CH=CH

2

,烯烃同系列中第二个成员，是仅次于乙

烯和苯的重要有机工业原料，丙烯是无色易燃气体，带有甜味，熔点为-185.20C,沸点为-47.40C；液态时相对密度为0.5193；易液化，临界温度为920C，临界压力为4.56MP

a

；由于它易燃，与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限为2.0%~11.0%（体积）；遇热源和明火有燃烧爆炸的危险，该气体比空气重，能在较低处扩散到相对远的地方，遇火源会着火回燃，燃烧会产生一氧化碳、二氧化碳等气体，不溶于水，溶于有机溶剂。高浓度丙烯对人有麻醉作用，浓度较低时，对眼睛和皮肤有刺激作用。

1.1.2 丙烯的化学性质

丙烯的化学性质活泼，双键上可以发生加成、聚合、氧化反应。在与极性试剂加成时，主要得到符合马尔可夫尼可夫规则的产物，如与硫酸加成，主要生成硫酸氢异丙酯，再经水解生成异丙醇。丙烯与氯和水起加成反应，生成1-氯-2-丙醇，再与碱反应生成环氧丙烷，它是生产丙二醇、聚酯纤维的原料.丙烯在酸性催化剂（如硫酸、无水氢氟酸等）存在下聚合，生成二聚体、三聚体和四聚体的混合物，可用做高辛烷值燃料；在齐格勒-纳塔催化剂存在下聚合生成高分子聚丙烯，与乙烯共聚合成乙丙橡胶。丙烯与苯发生傅氏反应，生成异丙苯，它是合成苯酚和丙酮的原料。除了在双键发生反应之外，与双键相连的甲基上的氢（称为α-氢）具有一定的活性，在甲基上可以发生卤代和多种氧化反应。与氯在高温下发生α-氢取代反应，生成3-氯-1-丙烯，这是制取甘油、树脂的原料（α-位在不同的条件下得到不同的氧化产物）。丙烯醛、丙烯酸和丙烯晴分子中具有双键，可以作为单体进行聚合，得到不同性质和用途的高聚物。丙烯还能直接氧化制取丙酮。

1.2 丙烯的发展前景

丙烯用量最大的是生产聚丙烯，另外丙烯可制丙烯晴、异丙醇、苯酚和丙酮、丁醇和辛醇、丙烯酸及其脂类以及制环氧丙烷和丙二醇、环氧氯丙烷和合成甘油等。近年来，由于丙烯下游产品的快速发展，极大的促进了中国丙烯需求量的快速增长。到2010年，中国将不断新增大型乙烯生产装置，同时炼厂生产能力还将继续扩大，这将增加丙烯的产出。预计2010年，乙烯联产丙烯的生产能力将达到约722万吨/年，丙烯总生产能力将达到1080万吨/年。乙烯装置联产的丙烯占丙烯总供给的比例将进一步提高。但同期下游装置对丙烯的需求量年均增长

速度将达到5.8%，丙烯资源供应略微紧张。到2010年，中国丙烯的表观消费量将到达1049万吨。从当量需求来看，丙烯供需矛盾十分突出。到2010年，丙烯当量需求的年均增长率将达到7.6%，超过丙烯生产能力的增长速度。到2010年，中国对丙烯的当量需求将达到1905万吨，供需缺口将达到825万吨，届时将还有大量丙烯衍生物进口，中国丙烯开发利用前景的广阔。由于聚丙烯（PP）需求的快速增长，亚洲丙烯市场正逐渐趋于供应短缺。在今后10年中，将有大量以乙烷为原料的裂解装置生产能力逐渐建立起来，市场供应丙烯原料。事实上，从全球范围来说，丙烯并不短缺，但从亚洲的情景来看，今后几年中亚洲丙烯的需要主要来自北美，北美估计有100万吨/年裂解生产能力，由于目前的港口限制，其中约50万吨/年丙烯出口。

1.3 丙烯的生产技术进展

1.3.1 概况

丙烯是最早被采用的化工原料，也是生产石油化工产品的主要烯烃之一。一方面广泛用于制取烷基化合物和叠合汽油，以提高汽油的辛烷值；另一方面大量用于制造化工产品，如聚丙烯、环氧丙烷、异丙醇、丙三醇、丙烯晴和异丙基苯等。在所有石油化工原料中，丙烯的产量和消费量增长最快。世界丙烯及其衍生物需求旺盛，市场多呈供不足需的状态，有研究表明，未来五年，乙烯、丙烯缺口近两千万。丙烯需求增长速度一直高于乙烯，丙烯及其衍生物需求和产能近年来均以较高的增长率发展。随着中国石油进口量的迅速增长，必须考虑，应更充分利用我国丰富的煤炭、天然气资源，适度建设和发展MTO/MTP装置，解决目前存在的丙烯供求关系，具有重要的意义。

1.3.2 丙烯的来源

世界上丙烯的来源有蒸汽裂解制乙烯联产丙烯、炼厂催化裂化装置干气、丙烷脱氢、甲醇制烯烃以及近年来所开发的烯烃转化、烯烃易位等工艺。丙烯主要来源是裂解装置，炼厂催化裂化和催化裂解装置，现有生产装置多已采用国内开发的增产丙烯技术，装置开工率超过100%，在中国其他丙烯生产技术如丙烷脱氢、甲醇制烯烃技术、烯烃相互转化、乙烯丁烯异位歧化技术等方面。近年来，中国丙烯工业都是以进口为主，出口相对较少。

1.3.3 丙烯的生产方法

（1）从裂解气、炼厂气中分离：石油化工厂裂解石油得到的石油裂解气中含有丙烯，炼油厂炼制石油时得到的炼厂气中含有丙烯，经过一系列的步骤，可以从它们中分离出丙烯，这是工业上大规模生产丙烯的方法。

（2）醇脱水：是实验室中制备烯烃的重要方法，在催化剂的作用下，加热时，醇脱水可以生成烯烃，醇催化脱水一般分为两类：液相催化脱水，以浓硫酸为催化剂，加热时，醇即脱水生成烯烃；气相催化脱水，以氧化铝为催化剂，加热时，

醇的蒸汽即在氧化铝表面上生成烯烃。

（3）卤代烷脱卤代氢：卤代烷与浓硫酸的强碱醇溶液（如浓的氧化钾乙醇溶液）共热，则脱去一分子卤代氢生成烯烃。

1.3.4 丙烯生产新技术现状及发展趋势

目前增产丙烯的新技术研究主要集中在四个方面。一是改进FCC 等炼油技术，挖掘现有装置潜力，增产丙烯的FCC 装置升级技术；二是充分利用炼油及乙烯裂解副产品的C 4-8等资源，转化为乙烯、丙烯的低碳烯烃裂解技术、烯烃歧化技术；三是丙烷脱氢技术；四是以天然气、煤等为原料，生产乙烯、丙烯的甲醇制烯烃技术等。

2 丙烯精馏塔的物料衡算及热量衡算

本设计的初步流程是把从装置外脱乙烷塔来的混合物料1做为进料，送入精馏塔内。经过反应后塔顶气体物料2经过精馏塔顶冷凝器冷凝后，冷凝液用回流泵抽出，一部分送回精馏塔顶部作为回流，另一部分经丙烯冷却器冷却至40℃后送出装置，即为目标产物丙烯；而塔底物料3大部分为丙烷，经过丙烷冷却器冷却至40℃后，用丙烷送出泵送出装置。在塔釜有再沸器作用。流程图如右图所示：

2.1 原始数据

根据已知条件，设计初始数据如表2.1所示：

表2.1 原始数据列表

设定其操作压力为 P=1.74MPa(表压)。

计划每年生产80000t 丙烯

2.2 物料衡算

2.2.1 确定关键组分

按多组分精馏确定关键组分；挥发度高的丙烯作为轻关键组分在塔顶分出；挥发度低的丙烷作为重关键组分在塔底分出。

2.2.2计算每小时塔顶产量

每年的操作时间8000h 按计算。

由题目给定：80000000/8000=10000kg/h

2.2.3 计算塔釜质量组成

设计比丙烷重的全部在塔底，比丙烷轻的全部在塔顶。

以100kg/h 进料为基准，进行物料衡算见表2.2。

表2.2 物料衡算

F D W =+ （2.1）

0.15215.2%7.250.0040.152100

W D W D W ?=?-+??=+?

或

92.750.9960.152100D W D W

=+??=+? 解得： 8.1161/W kg h =

1008.116191.8839/D kg h =-=

丙烷：38115.2%84.8%W X C H =-=

式中 F ——原料液流量，kg/h ；

D ——塔顶产品（馏出量）流量，/kg h ；

W ——塔底产品（釜残液）流量，/kg h ；

w x ——釜液中各组分的质量分数。

（1）将质量分数换算成摩尔分数

按下式计算： wA A A WA A WB B

x M x x M x M =+ （2.2）

式中 A x ——液相中A 组分的摩尔分数；

A M

B M ——AB 组分的摩尔质量，/kg kmol ；

WA WB x x ——液相中AB 组分的质量分数。

各组分的相对分子质量见表2.3。

表2.3 各组分的相对分子质量

计算举例：

丙烯进料摩尔组成： 360.927542.080.93060.927542.080.072544.09

F x C H ==+ 丙烷进料摩尔组成： 3810.93060.0694F x C H =-=

丙烯塔顶摩尔组成： 380.9960/42.080.99620.9960/42.080.004/44.09

D x C H ==+ 丙烷塔顶摩尔组成： 3810.99620.0038D x C H =-=

丙烯塔釜摩尔组成： 360.1520/42.080.15810.1520/42.080.8480/44.09w x C H ==+ 丙烷塔釜摩尔组成： 3810.15810.8419w x C H =-=

同理，计算得各组分的摩尔分数如表2.4所示。