年产9.8万吨异丙醇装置丙烯精制工段工艺设计----脱乙烷塔部分

年产9.8万吨异丙醇装置丙烯精制工段工艺设计

----脱乙烷塔部分

摘要

丙烯是石油化工的原料之一，在原油加工中具有重要作用。由裂解气净化与分离工段的丙烯精馏塔分离出的丙烯除了用于生产聚丙烯外，还大量地作为生产丙烯腈，丁醇，辛醇，环氧丙烷，异丙醇等产品的主要原料。为了更好的提高生产能力，本着投资少，能耗低，效益高的想法，本设计根据设计任务书中确定的生产任务进行的，年产9.8万吨异丙醇，开工周期为8000小时/年，原料组成为乙烷、丙烯、丙烷、异丁烷，其中丙烯含量为74.1%，按其各组分的沸点和相对挥发度的不同使各组分分离。

由于对丙烯纯度要求极高，本文设计的精馏塔塔板数较多，丙烯塔较高。最后以优化后的精馏塔结果为基础，确定了该塔的设备参数，塔径，浮阀塔盘，塔高，热负荷，从而设计了塔底再沸器，塔顶冷凝器以及塔体主要设备。流程简单，投资较少，操作较为简单，基本可以满足丙烯优等品的工业生产。

本设计采用多组分精馏，按挥发度递减流程方案，两塔流程设计即先经过脱乙烷塔塔顶分离出乙烷，再由丙烯塔精馏塔塔顶得到丙烯，其纯度为93.5%以上，丙烯作为产品出装置为生产异丙醇提供原料，塔底的丙烷可作为商品出售或作为烧火油。

设塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。

设计时依次进行了物料衡算，热量衡算，塔结构的相关工艺计算，换热设备的计算及附属设备的选型，并根据设计数据分别绘制了自控流程图，设备选型方面主要按照现场实际，并兼顾工艺控制要求与经济的合理性。

随着先进控制技术的兴起，关键控制指标由定值控制向区间控制转变，调节变量与控制变量的关系由单对单向多变量预估控制转变。它是装置控制技术发展的方向，正在逐步普及。为了为装置以后上先进控制提供方便，我们在设计时，注意为塔顶温度，塔底温度，回流量等指标保留较大的操作弹性。

关键词：丙烯；脱乙烷塔；热量衡算；物料衡算；丙烯精馏塔。

Annual output of 98,000 tons refined isopropyl alcohol propylene Process Design Section --- Deethanizing Tower

Abstract

Propylene is one of raw materials for Petrochemical industry，it occupies an important place in the processing of crude oil. Rectifying column purified and seprated pyrolysis gas to get propylene that largely uses to product principal raw material of the acrylonitrile, butyl alcohol, octyl alcohol, propylene epoxide and isopropanol.In order to improve production capacity with low investment and power,high benifit,Title I design production capacity is 98,000 tons annual output of isopropyl alcohol, started a period of 8,000 hours / year, material composition of ethane, propylene, propane, butane, propylene is 74.1% in material, boiling point of each component and its relative volatility differences of degree of separation of each component. Due to high propylene purity requirement, this paper design the column plate number is more, the propylene tower is higher. Finally based on the results of optimized distillation, determined the equipment parameters of the tower, tower diameter, float valve tray, high tower, heat load, so as to design the bottom reboiler, the overhead condenser and tower body of the main equipment. Simple process, less investment, the operation is relatively simple, basic can satisfy the industrial production of propylene classy article.

The design uses a multi-component distillation, the process by decreasing volatility program, process design the two towers that is, first isolated by de-ethane ethane tower, tower distillation top separated from the ethane , top of the propylene tower geit that propylene, the purity of 93.5%, and propylene as the product of a device to provide raw materials production and isopropanol, the bottom of the propane can be sold as a commodity or as fires, oil.

A tower equipment generally divided into two types: contact and continuous contact between level. Is the former representative of the plate column, the latter represents the packed tower, in all kinds of tower, currently the most widely used is the sieve plate tower and float valve tower.

In turn the design of the material balance, heat balance, the tower structure of the relevant process calculation, the calculation of heat transfer equipment and ancillary equipment selection, and the data were plotted according to the design automation flow, selection of equipment in accordance with terms of the main site practical, taking into account the requirements of process control and economic rationality.

With the rise of advanced control technology, the key control target range from the control value control to change, adjust the relationship between variables and control variables by a single pair of one-way transformation of multivariable predictive control. It is the device controlling the direction of technology development, is gradually spread. In order for the device to facilitate future advanced control, we design, attention to tower top temperature, the bottom of the column temperature and flow indicators are back to keep a large operation flexibility.

Key words: propylene ,de-ethane tower, heat balance, material balance, propylene distillation column.

目录

摘要................................................................ I Abstract ............................................................. II 1 概述. (1)

1.1我国化工工艺发展 (1)

1.2丙烯的性质及用途 (1)

1.3丙烯的来源及丙烯生产在化工生产中的地位 (1)

1.4 丙烯精制生产方法的确定 (2)

1.5 丙烯精制工艺流程的叙述 (2)

1.6丙烯的发展前景 (3)

1.7丙烯生产新技术现状及发展趋势 (3)

2 丙烯精制装置的物料衡算 (4)

2.1确定关键组分 (4)

2.2脱乙烷塔的物料衡算 (4)

2.2.1 脱乙烷塔的进料量及进料组成 (4)

2.2.2 脱乙烷塔塔顶及塔底的流量及组成 (5)

2.2.3 脱乙烷塔的物料平衡 (6)

2.3 丙烯塔的物料衡算 (6)

2.3.1 丙烯塔的进料量及进料组成 (6)

2.3.2 丙烯塔塔顶及塔底的流量及组成 (7)

2.3.3 丙烯塔的物料平衡 (8)

3 脱乙烷塔和丙烯塔精制工艺条件的确定 (9)

3.1脱乙烷工艺条件的确定 (9)

3.1.1操作压力的确定 (9)

3.1.2 回流温度的确定 (10)

3.1.3塔顶温度的计算 (10)

3.1.4 塔底温度的计算 (11)

3.1.5 进料温度的计算 (12)

3.1.6 脱乙烷塔操作条件汇总 (12)

3.2丙烯塔工艺条件的确定 (13)

3.2.1 操作压力的确定 (13)

3.2.2 塔顶温度的计算 (14)

3.2.3 塔底温度的计算 (14)

3.2.4 进料温度的计算 (14)

3.2.5 丙烯塔操作条件汇总 (15)

4 脱乙烷塔和丙烯塔塔板数的确定 (16)

4.1 脱乙烷塔塔板数的计算 (16)

4.1.1 最小回流比的计算 (16)

4.1.2 最少理论塔板数的计算 (17)

4.1.3 理论塔板数和实际回流比的确定 (18)

4.1.4 实际塔板数的确定 (18)

4.1.5 实际进料位置的确定 (19)

4.1.6 脱乙烷塔塔板数计算结果汇总 (20)

4.2 丙烯塔塔板数的计算 (20)

4.2.1 最小回流比的计算 (20)

4.2.2 最少理论塔板数的计算 (22)

4.2.3 理论塔板数和实际回流比的确定 (22)

4.2.4 实际塔板数的确定 (23)

4.2.5 进料位置的确定 (23)

4.2.6 丙烯塔塔板数计算结果汇总 (24)

5 热量衡算 (25)

5.1 脱乙烷塔热量衡算 (25)

5.1.1 脱乙烷塔再沸器热负荷的计算 (25)

5.1.2 脱乙烷塔冷凝器热负荷的计算 (27)

5.2丙烯塔的热量衡算 (28)

5.2.1再沸器热负荷的范围 (28)

5.2.2 丙烯塔冷凝器热负荷的计算 (30)

结论 (1)

参考文献 (2)

谢辞 (3)

1 概述

1.1我国化工工艺发展

我国石油工业具有一定的水平，但还是一个发展中的国家,摆在我们石油工作者面前的任务是繁重的。炼油工业要对现有的炼油厂进行技术改造，继续坚持“自力更生，革新挖潜，全面提高，综合利用，大搞化工原料，赶超世界先进水平”的发展方针。要立足现有基础，搞好一、二次加工和系统工程的配套，扩大综合生产能力;要革新工艺，革新技术，革新设备，把老装置开出新水平;要发展加氢技术，发展新型催化剂和添加剂，全面提高产品质量，增加品种;要开展综合利用，大搞三次加工，增产有机化工原料;要充分利用热能，大力降低消耗，各项经济技术指标要创出新水平;要治理“三废”，保护环境，为实现赶超世界先进水平而奋斗。

1.2丙烯的性质及用途

化学式C3H6，结构简式为CH3-CH=CH2，烯烃同系列中第二个成员，是重要的有机化工原料，丙烯常温下为无色、无臭、稍带有甜味的气体。易燃，爆炸极限为2%～11%。不溶于水，溶于有机溶剂。分子量42.08，密度5.139kg/m（20/4℃），冰点-185.3℃，沸点-47.4℃。液态时相对密度为0.5193；易液化，临界温度为920C，临界压力为4.56MPa；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，燃烧会产生一氧化塔、二氧化碳等气体，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。

丙烯是三大合成材料的基本原料,主要用于生产丙烯腈、异丙烯、丙酮和环氧丙烷等。丙烯与乙烯共聚生成乙丙橡胶。丙烯与氯和水起加成反应，生产环氧丙烷，

加水丙二醇。丙烯在酸性催化剂存在下与苯反应，生成异丙苯 C

6H

5

CH（CH

3

)

2

，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，丙烯在高温下氯

化，生成烯丙基氯CH

2=CHCH

2

Cl。本文利用丙烯与硫酸起加成反应，生成异丙基硫酸，

后者水解生成异丙醇，但由于所用原料丙烯含量为74.1%，需精制后丙烯含量为93.5%以上才可作异丙醇生产原料。

1.3丙烯的来源及丙烯生产在化工生产中的地位

丙烯主要通过石油加工获得，丙烯精制产品中，聚丙烯、丙烯腈需求旺盛，特别是聚丙烯需求高于总体平均水平为6.1%。亚洲地区需求年均增长率5.6%，北美

5.8%，西欧3.8%。根据新装置增设计划，中东地区从110万吨提高为240万吨，增幅为14.9%。亚洲地区新增能力将达340万吨，增幅为3.2%。中国是生产能力增幅最高的国家，同期能力将从370万能胶和增加到620万吨，年均增幅达9.2%。日本年均增长率仅为2.2%。

1.4 丙烯精制生产方法的确定

由于原料中的

3

C和0

3

C常压沸点相近，都在－40℃以下，常压下分离这两个组

分需采用深冷的方法，使用制冷剂，工艺流程复杂，附属设备多，设备的投资费用加大，根据烃的沸点随压力增加而升高的特点，采用高压分离的方法，用冷却水即可满足工艺要求，所以本设计采用常温加压分离方法。

流程安排有两种，一种是相对挥发度递减顺序流程，另一种是对挥发度递增顺序流程，本设计采用相对挥发度递减顺序流程分离出丙烯。

图1-1 工艺流程比较

1.5 丙烯精制工艺流程的叙述

丙烯含量为74.1%的饱和液体原料（86℃,4.05Mpa），定量进入脱乙烷塔、经精馏处理该塔轻关键组分乙烷经过冷却（35℃,3.9Mpa）作为塔顶产品在塔顶引出（35℃,3.9Mpa），另一部分塔顶馏分经过冷却作为回流液返回脱乙烷塔（35℃,3.9Mpa）。脱乙烷塔塔底馏分经再沸器加热（86℃,4.1Mpa）进一步脱除轻关键组分后进入脱丙烯塔（44℃,1.75Mpa），经精馏处理该塔轻关键组分丙烯在塔顶经过冷却（35℃,1.6Mpa），在塔顶引出作为合成异丙醇的原料（35℃,1.6Mpa），

另一部分塔顶馏分回流返回脱丙烯塔（35℃,1.6Mpa），重关键组分丙烷则在塔底引出（52℃,1.8Mpa）。

工艺流程见附录中“丙烯精制工段工艺流程图”共1张。

1.6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。

1.7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C4-8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 丙烯精制装置的物料衡算

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脱乙烷塔的物料衡算

脱乙烷塔进料量=

进料当中丙烯浓度

丙烯塔的回收率脱乙烷塔回收率消耗定额生产任务??????80001000

100%

2.2.1 脱乙烷塔的进料量及进料组成

年处理量9.8万吨，年工作时间8000小时，则原料质量流量为

F=（生产任务×消耗定额×1000）/(8000×脱乙烷回收率×丙烯塔回收率×进料中丙烯的浓度)

年处理量9.8万吨，年工作时间8000小时 原料质量流量为

Fw=（98000×0.83×1000）/(8000×94%×97%×74.1%)=15048.61（kg/h ） 计算示例：以乙烷为例，进行原料组成及流量的换算： 乙烷的质量流量：

Fwc 2=15048.61×2.7%=406.31(kg/h ）

乙烷的摩尔数：406.31/30=13.5437kmol/h

由上表可见原料摩尔流量为： Fw=355.6918 ( kmol/h )

2.2.2 脱乙烷塔塔顶及塔底的流量及组成

选乙烷为轻关键组分，丙烯作为重关键组分，根据产品质量指标，脱乙烷塔顶

02C ≥72％；脱乙烷塔底02C ≯0.1％，丙烯在塔顶产品中的含量≯28%（mol%），进

行清晰分割物料衡算，物料衡算图见下图。

图2-1 脱乙烷塔物料衡算图

（1） 计算塔顶馏出液量D 和塔底釜液量W 列于下表。

列全塔物料衡算式：

15048.61=D+W

406.31-0.001W +0.28D=D

解得： D=543.42（kg/h ）

W=14504.436（kg/h ）

（2）求出塔顶及塔底的产品量及组成。

2.2.3 脱乙烷塔的物料平衡

脱乙烷塔物料平衡数据见下表

2.3 丙烯塔的物料衡算

2.3.1 丙烯塔的进料量及进料组成

丙烯塔以脱乙烷塔底物料为原料，进行原料组成及流量的换算：原料的摩尔流量为 F=15048.61(kmol/h )

原料各组分组成及流量见下表。

表2-6 丙烯塔进料中各组份的量及组成

2.3.2 丙烯塔塔顶及塔底的流量及组成

选丙烯为轻关键组分，丙烷为重关键组分，根据产品质量指标，丙烯塔顶=3C ≥ 93.5％；丙烯塔底03C ≥ 93％；丙烯塔顶=3C ≯0.5％

进行清晰分割物料衡算，物料衡算图见图2-2

图2-2 丙烯塔物料衡算图

（1）计算塔顶馏出液量D 和塔底釜液量W 列于下表。

计算结果见下表

14504.436=D+W

0.005w +0.93w +180.58=W

解得：D=11726.282（kg/h）

W=2778.154（kg/h）

2.3.3 丙烯塔的物料平衡

求出塔顶及塔底的产品量及组成如下表。

丙烯塔物料平衡数据见下表

3 脱乙烷塔和丙烯塔精制工艺条件的确定

3.1脱乙烷工艺条件的确定

3.1.1操作压力的确定

塔顶采用水作为冷却剂，设水温为25℃，冷凝器冷凝液的出口温度比水温度高10℃，则回流罐中冷凝液的温度为35℃。

脱乙烷塔顶的冷凝器为全凝器，则回流罐中冷凝液的温度为泡点，因此采用泡点方程计算回流罐的压力。

泡点就是多组分混合液开始沸腾，产生第一个气泡的温度。当混合液处于泡点时，各组分均服从

1.......=++++n C B A y y y y

带入i i x K =i y

得1......=++++n n C C B B A A x K x K x K x K

或∑∑==1i i i x k y

式中 y i ——任意组分i 在气相中的摩尔分数；

x i ——任意组分i 在液相中的摩尔分数； k i ——相平衡常数。

按上式求压力时需用试差法。式中x A ，x B ，

x C ……x n 均为已知，因此，在试差时，可先在泡点温度，查出各组分在假设压力下的K 值，

若∑i y ＞1说明所设压力偏高，k i 值太小，若∑i y ＜1说明压力偏低，k i 值太大，经反复假设压力，并求出相应的k i x i 直到满足∑=1i y 为止，此时的压力即泡点时回流罐的压力。

根据冷凝液的泡点，假设回流罐的压力，由p -T-k 图查得液相各组分的平衡常数，计算过程及结果列表如下表

如上，当回流罐压力为3.9 MPa 时，满足归一条件：

平衡汽相组成之和∑i y =0.9909≈1，故回流罐压力为3.9 MPa 。

设塔顶到回流罐的压力差为0.1MPa ，则塔顶压力P 顶＝4.0MPa ；塔顶到塔釜压力降为0.1MPa ，则塔釜压力P 底＝4.1MPa ；进料口压力取塔顶压力和塔釜压力的平均值，故设进料压力P 进＝4.05MPa 。 3.1.2 回流温度的确定

回流液温度即为全凝器的冷凝温度，T 回=35℃ 3.1.3塔顶温度的计算

塔顶为饱和汽相，故应采用露点方程计算塔顶温度。露点就是多组分混合液开始冷凝，产生第一个液滴的温度。当混合液处于泡点时，各组分均服从

1......=++++n C B A x x x x

带入

i

i i

y x k =

得 1i

i i

y x k ==∑∑

式中 y i ——任意组分i 在气相中的摩尔分数；

x i ——任意组分i 在液相中的摩尔分数； k i ——相平衡常数。

按上式求露点时也需用试差法。式中y A ，y B ，y C …….yn 均为已知，因此，在试差时，可先假定一个露点温度，查出各组分在该温度下的K 值。若∑i x ＞1说明所设温度偏低，k i 值太小，若∑i x ＜1说明温度偏高，k i 值太大，经反复假设温度，

并求出相应的i

i

k y 直到满足1=∑i x 为止，此时的温度即露点。

在塔顶压力下，假设塔顶露点温度，由p -T-k 图查得汽相各组分的平衡常数，计算过程及结果列表如下。

当塔底温度为39℃时，组成之和∑i x =0.9943≈1，故塔顶的温度为39℃ 3.1.4 塔底温度的计算

塔底为饱和液相，故应采用泡点方程计算塔底温度。

泡点就是多组分混合液开始沸腾，产生第一个气泡的温度。当混合液处于泡点时，各组分均服从

1.......=++++n C B A y y y y

带入i i x K =i y

得1......=++++n n C C B B A A x K x K x K x K

或

∑∑==1i

i

i

x

k y

式中 y i ——任意组分i 在气相中的摩尔分数；

x i ——任意组分i 在液相中的摩尔分数； k i ——相平衡常数。

按上式求泡点时需用试差法。式中x A ，x B ，x C ……x n 均为已知，因此，在试差时，可先假定一个泡点温度，查出各组分在假设温度下的K 值，若∑i y ＞1说明所设温度偏高，k i 值太大，若∑i y ＜1说明温度偏低，k i 值太小，经反复假设温度，并求出相应的k i x i 直到满足∑=1i y 为止，此时的温度即泡点。

在塔底压力下，假设塔底泡点温度，由p -T-k 图查得液相各组分的平衡常数，计算过程及结果列表如下。

表3-3 在塔底压力下不同温度的平衡常数计算过程及结果

当塔底温度86℃时，满足归一条件，平衡汽相组成之和∑i y =0.98014，故塔

底温度为

86℃。 3.1.5 进料温度的计算

乙烷塔采用饱和液相进料，与上塔底温度计算同理，故采用泡点方程计算。

i i i y k x = 1i i i y k x ==∑ 计算结果列表如下

当进料温度为86℃时，组分之和∑i y =0.9940≈1，故进料温度为86℃。 3.1.6 脱乙烷塔操作条件汇总

3.2丙烯塔工艺条件的确定

3.2.1 操作压力的确定

塔顶采用水作为冷却剂，设水温为15℃，冷凝器冷凝液的出口温度比水温高20℃，则回流罐中冷凝液的温度为35℃。

丙烯塔顶的冷凝器为全凝器，则回流罐中冷凝液的温度为泡点，因此采用泡点方程计算回流罐的压力。

i i i x k y =

∑∑==1i

i

i

x

k y

式中 y i ——任意组分i 在气相中的摩尔分数；

x i ——任意组分i 在液相中的摩尔分数； k i ——相平衡常数。

根据冷凝液的泡点，假设回流罐的压力，由p -T-k 图查得液相各组分的平衡常数计算过程及结果列表如下。

当回流罐压力为1.6MPa 时，满足归一条件：

平衡汽相组成之和∑i y =0.99588≈1，故回流罐压力为1.6MPa 。

设塔顶到回流罐的压力差为0.1MPa ，则塔顶压力P 顶＝1.7MPa ；塔顶到塔釜压力降为0.1MPa ，则塔釜压力P 底＝1.8MPa ；进料口压力取塔顶压力和塔釜压力的平均值故设进料压力P 进＝1.75MPa 。

丙烯塔顶的冷凝器为全凝器，采用露点进料方程计算回流罐的压力。

i

i i

y x k =

1i x =∑

计算过程及计算结果列表如下 3.2.2 塔顶温度的计算

当塔顶温度为38℃时，平衡液相组成之和∑i x =0.99636≈1，故塔顶温度为38℃。 3.2.3 塔底温度的计算

塔底为饱和液相，故应采用泡点方程计算塔底温度

i i i y k x = 1i i i y k x ==∑

当塔底温度为52℃时，组成之和∑i y =1.011948≈1，，故塔底温度为52℃。 3.2.4 进料温度的计算

乙烷塔底的饱和液体靠自压进入丙烯塔，故丙烯塔为饱和液体进料，温度采用泡点方程计算。

i i i y k x = 1i i i y k x ==∑

计算结果列表如下：

当进料温度为44℃时，组成之和∑i y=0.999239≈1，故丙烯塔进料温度44℃。

3.2.5 丙烯塔操作条件汇总