660万吨原油常压蒸馏课程设计方案

660万吨原油常压蒸馏课程设计方案

摘要

常压塔是石油加工中重要的流程之一，这次的设计主要就是对660万吨/年处理量的原油常压塔进行设计，其中包括塔板的设计。常压塔的设计主要是依据所给的原油实沸点蒸馏数据及产品的恩氏蒸馏数据，计算产品的相关物性数据从而确定切割方案、计算产品收率。参考同类装置确定塔板数，进料及侧线抽出位置，再假设各主要部位的操作温度及操作压力，进行全塔热平衡计算。采取塔顶二级冷凝冷却和两个中段回流，塔顶取热、第一中段回流取热、第二中段回流取热的比依次为5:2:3。经过校核各主要部位温度都在允许的误差范围内。塔板型式选用F1型重阀浮阀塔板，依据常压塔内最大气、液相负荷算得塔板外径为 5.0m，板间距为0.6m。这部分最主要的是核算塔板流体力学性能及操作性能，使塔板在适宜的操作范围内操作。本次设计的结果表明，参数的校核结果与假设值间的误差在允许范围内，其余均在经验值范围内，因此可以确定，该蒸馏塔的设计是符合要求的。

关键词：常压蒸馏；物料衡算；热量衡算

目录

1.设计背景 (1)

1.1 选题背景 (1)

1.2 设计技术参数 (2)

2.设计方案 (3)

2.1 设计要求 (3)

2.2 设计计划 (4)

2.3 原油的实沸点切割及产品性质计算 (5)

2.4产品收率和物料平衡 (13)

2.5汽提水蒸汽用量 (15)

2.6塔板型式和塔板数 (16)

2.7常压塔计算草图 (17)

2.8 操作压力 (17)

2.9汽化段温度 (18)

3 塔底温度 (20)

4 塔顶及侧线温度的假设与回流分配 (21)

4.1全塔回流热 (21)

4.2侧线及塔顶温度核算 (22)

4.3全塔汽、液相负荷 (27)

4.4全塔汽液相负荷分布 (36)

5 塔的工艺计算 (36)

5.1塔径计算 (36)

5.2溢流装置 (37)

5.3塔板布置及浮阀数目与排列 (38)

6.致谢 (40)

7.参考文献 (40)

8.附件 (41)

1.设计背景

1.1 选题背景

我国炼油工业经过50多年的发展，到21世纪初期，已经形成281Mt/a的原油加工能力，生产的汽油、煤油、柴油、润滑油等石油产品基本满足的国民经济的发展和人民生活的需要。但是，进入21世纪，特别是我国成为世界贸易组织的正式成员后，按照市场准入、关税减让的相关壁垒协议，国内成品油市场将逐渐融入国际市场，不可避免的要参与世界贸易大环境下的竞争，基本依靠自有技术发展起来的我国炼油工业面临着严峻挑战。石油是重要的能源之一，我国的工业生产和经济运行都离不开石油，但是又不能直接作为产品使用，必须经过加工炼制过程，连制成多种在质量上符合使用要求的石油产品，才能投入使用。国民经济和国防部门众多的各种应用场合对石油产品提出了许多不同的使用要求。随着我国社会经济情况的变化、科学技术水平以及工业生产水平的大幅度提高，对石油产品质量指标的要求不断严格，所要求的石油产品的品种和数量也不断增加。目前，我国原油的年加工量约为2亿吨。而国内所能提供原油量仅为1.3亿吨，为了满足原油的需求量，则需要每年从国外二十多个国家和地区进约6940万吨原油。为了更好的提高石油资源的利用率，增加企业的经济效益，对从国外进口的原油炼制构成进行开发研究也是十分必要的。

目前，我国将石油产品分为染料、润滑剂、石油沥青、石油蜡、石油焦、溶剂和化工原料六大类。

1.1.1设计目的及意义

通过对化学工程的学习，基本掌握常压塔设计过程中的原始数据处理，设计出基本符合要求的常压塔。

1.1.2 设计的工艺国内外发展现状

我国蒸馏装置规模较小大部分装置处理能力为 2.5Mt/a,仅有几套加工能力超过 4.5Mt/a.我国蒸馏装置的总体技术水平与国外水平相比在处理能力产品质量和拔出率方面存在较大差距。新建较大炼油厂镇海、高桥8Mt/a及大连西太平洋10Mt/a 等大型化的蒸馏装置,其中高桥为润滑油型大型蒸馏装置,拟建的大型蒸馏装置也基本为燃料型。

我国蒸馏装置侧线产品分离精度差别较大,如中石化有些炼厂的常顶和常一线能够脱空,但尚有40%的装置的常顶与常一线恩氏蒸馏馏程重叠超过10℃,最多重叠度达到86℃,多数装置常二线与常三线恩氏蒸馏馏程重叠在15 ℃以上,实沸点重叠则超出25 ℃.润滑油馏分切割也同国外先进水平存在一定差距,主要表现在轻质润滑油馏分的挥发度及重质润滑油馏分的残炭和安定性等方面存在差距较大。

由于原油进入炼油厂后必须首先进入常减压装置进行一次加工,因此炼油厂的加工能力一般用原油常压蒸馏装置的加工能力来表示,因此世界原油加工的能力基本上就是世界常压蒸馏装置的加工能力。

1.2 设计技术参数

1、处理量：6.6Mt/a

2、开工时间：8000h/a，按开工330d/a计

3、原油性质

表1-2 原油实沸点蒸馏数据

4、产品性质

表1-3产品恩氏蒸馏数据

5、汽提蒸汽性质

汽提蒸汽温度为420℃，压力为0.3MPa

6、常压塔塔板选型

型重阀浮阀塔板，塔板压降为0.0005MPa

塔板型式选用F

1

2.设计方案

2.1 设计要求

1、根据设计要求选择并绘制原油常减压蒸馏装置工艺流程图。

2、根据设计参数（原油及产品性质、产品收率等）进行全塔的工艺计算并绘制常压塔的计算草图及全塔的气液相负荷图。

3、根据设计参数进行常压塔的尺寸并绘制常压塔设备图。

4、根据设计参数塔板的水力计算并绘制全塔的塔板负荷性能图。

2.2 设计计划

2.2.1常减压蒸馏装置工艺流程

原油进入厂区后（温度为45℃），由原油泵抽出，分为平衡的两路进行换热。第一路原油与初顶油、重柴（五次）换热、轻柴（三次）换热、常一中路（二次）换热和重柴（四次）换热，至此原油温度升至131℃左右，进入电脱盐罐，从电脱盐罐出来的一路原油再次与轻柴（二次）换热、常压一中段（一次）换热、重柴（三次）换热、轻柴（一次换热）和重柴（二次）换热，至此原油温度升至230℃左右，与二路原油混合进入初馏塔；原油二路和汽油（二次）换热、常二中段（四次）换热、重油（五次）换热、汽油（一次）和常二中段（三次）换热，原油温度至此升为129℃左右，进入电脱盐罐，从电脱盐罐出来的二路原油与重油（四次）换热、煤油换热、常二中段（二次）换热、重油（三次）换热和常二中（一次）换热，至此原油温度升至230℃左右，与一路原油混合进入初馏塔加工。初馏塔塔顶出来的塔顶油气即初顶油经换热之后，部分回流初馏塔内，部分进入产品罐。塔底物料温度为223℃左右，分为平衡两路，一路和重柴（一次）换热温度升至268℃左右，和二路混合再次加热。二路和重油（二次）换热，温度升至269℃左右，同一路混合后同重油（一次）换热，温度升至298℃。进入常压加热炉，加热至365℃左右。

从常压炉出来的原油温度在365℃左右，自常压塔的第30块板进入常压塔。塔顶的油气经过空冷、水冷、一部分作冷回流，经常压塔顶回流泵打回常压塔，另一部分作为产品流出装置。一线煤油与原油换热一次，温度至115℃左右去产品罐，二线轻柴油与原油换热两次次，温度至70℃左右去产品罐，常压第一中段回流从常压塔的第13板抽出，经过常压泵与原油换热，温度降至140℃左右，然后回流至常压塔。常压第二中段回流从常压塔的23板抽出，经过常压泵与原油换热，温度降

至197℃左右，然后回流至常压塔。

2.3 原油的实沸点切割及产品性质计算2.

3.1体积平均沸点

由公式：t

v ＝（t

10

＋t

30

+t

50

+t

70

+t

90

)/5 ℃得

汽油：t

v

＝101+119+130+139+149/5=127.6℃

煤油：t

v

＝142+155+170+188+210/5=173℃

轻柴油：t

v

＝205+215+223+233+246/5=224.4℃

重柴油：t

v

＝270+284+293+303+321/5=294.2℃2.3.2恩氏蒸馏曲线斜率S

由公式：斜率S＝（T

90-T

10

)/(90-10) ℃/% 得

汽油：斜率S＝(149-101)/(90-10)=0.6℃/%

煤油：斜率S＝(210-142)/(90-10)=0.85℃/%

轻柴油：斜率S＝(246-205)/(90-10)=0.5125℃/%

重柴油：斜率S＝(321-270)/(90-10)=0.6375℃/%

2.3.3立方平均沸点tcu

由公式：t c u＝t v-△c u

∵ln△c

u

＝-0.82368-0.089970t v0.45+2.45679S0.45求得

∴△c

u ＝exp（-0.82368-0.089970t

v

0.45+2.45679S0.45）

汽油：△c

u

＝-1.5

tc

u

＝127.6-1.5=126.1℃

煤油：△c

u

＝-1.2

tc

u

＝173-1.2=171.8℃

轻柴油：△c

u

＝-0.7

tc

u

＝224.4-0.7=223.7℃

重柴油：△c

u

＝-0.4

tc

u

＝294.2-0.4=293.8℃2.3.4中平均沸点tMe

由公式：t

Me ＝t

v

-△

Me

∵ln△

Me ＝-1.53181-0.0128t

v

0.6667+3.64678S0.3333

∴△

Me ＝exp（-1.53181-0.0128t

v

0.6667+3.64678S0.3333）

汽油：△

Me

＝-3.6

t

Me

＝127.6-3.6=124℃

煤油：△

Me

＝-3.8

t

Me

＝173-3.8=169.2℃

轻柴油：△

Me

＝-2.4

t

Me

＝224.4-2.4=222℃

重柴油：△

Me

＝-0.3

t

Me

＝294.2-0.3=293.9℃

2.3.5特性因数K

由公式 K＝(1.216T1/3)/d

15.6

15.6，

式中T现一般使用中平均沸点，且T为油品平均沸点的绝对温度（K)

已知： d

15.615.6＝d

4

20+△d

汽油：已知d

420＝0.7352 , △d =0.0049 d

15.6

15.6＝0.7401

K=12.05

煤油：已知d

420＝0.7757 , d

15.6

15.6＝0.7804

K=11.88

轻柴油：已知d

420＝0.7952, d

15.6

15.6＝0.7998

K=12

重柴油：已知d

420＝0.8336 , d

15.6

15.6＝0.838

K=11.9

2.3.6油品的API

15.6-131.5可得

由API.＝141.5/d

15.6

汽油：API.=141.5/0.7401-131.5=59.69

煤油：API.=141.5/0.7804-131.5=49.82

轻柴油：API.=141.5/0.7998-131.5=45.42

重柴油：API.=141.5/0.838-131.5=37.35

2.3.7平衡汽化温度

首先校正恩氏蒸馏温度高于246℃的温度，考虑到裂化，用下式校正：logD=0.00852t-1.691

式中D—温度校正值（加至t上），℃

校正后的各馏分温度为：

表2-1 各馏分温度

表2-2

汽油恩氏蒸馏数据：

恩氏蒸馏10％～70％点斜率＝（139-100）/(70-10)=0.63℃/% 查图查得：平衡汽化50％-恩氏蒸馏50％=-6.5℃ 故 平衡汽化50％＝130-6.5=123.5℃ 则 汽油：%30EFV t =%50EFV t -%50%30-?t =123.5-5=118.5 %10EFV t =%30EFV t -%30%10-?t =118.5-10=108.5℃ %0EFV t =%10EFV t -%10%0-?t =108.5-5=103.5℃ %70EFV t =%50EFV t +%70%50-?t =123.5+5=128.5℃ %90EFV t =%70EFV t +%90%70-?t =128+3=131℃ %100EFV t =%90EFV t +%100%90-?t =131+2=133℃ 煤油恩氏蒸馏数据：

恩氏蒸馏10％～70％点斜率＝（188-142）/(70-10)=0.7667℃/% 查图查得：平衡汽化50％-恩氏蒸馏50％=-4.5℃ 故 平衡汽化50％＝170-4.5=165.5℃

则 煤油：%30EFV t =165.5-7=157.5℃ %10EFV t =157.5-7=150.5℃ %0EFV t =150.5-7=143.5℃ %70EFV t =165.5+9.5=175℃ %90EFV t =175+10.5=185.5℃ %100EFV t =185.5+9.5=195℃ 轻柴油恩氏蒸馏数据：

恩氏蒸馏10％～70％点斜率＝（233-205）/(70-10)=0.47℃/% 查图查得：平衡汽化50％-恩氏蒸馏50％=3.3℃ 故 平衡汽化50％＝223+3.3=226.3℃

则 轻柴油：%30EFV t =226.3-5=221.3℃ %10EFV t =221.3-11=210.3℃ %0EFV t =210.3-5=205.3℃ %70EFV t =226.3+5=231.3℃ %90EFV t =231.3+4.5=235.8℃%100EFV t =235.8+8=243.8℃

重柴油恩氏蒸馏数据：

恩氏蒸馏10％～70％点斜率＝（310.8-274.1）/(70-10)=0.612℃/% 查图查得：平衡汽化50％-恩氏蒸馏50％=11.8℃ 故 平衡汽化50％＝299.4+11.8=311.2℃

则 重柴油：%30EFV t =311.2-5=306.2℃ %10EFV t =306.2-6=308.2℃ %0EFV t =308.2-5=303.2℃ %70EFV t =311.2+5=316.2℃ %90EFV t =316.2+8.5=324.7℃%100EFV t =324.7+8=332.7℃ 2.3.8临界温度

表2-3

2.3.9临界压力

表2-4

由tv 和S 10-90%可查《石油炼制工程》P201页图6-22得到焦点温度-临界温度值 汽油：已算得t v ＝127.6℃ S 10-90%＝0.6℃/% t c =307.3℃ 可查 焦点温度-临界温度=42℃ 焦点温度＝42+307.3＝349.3℃

煤油：已算得t v =173℃ S 10-90% =0.85 t c =356℃ 焦点温度-临界温度=41℃ 焦点温度＝41+356℃＝397℃

轻柴：已算得t v =224.4℃ S 10-90% =0.51 t c =404.1℃ 焦点温度-临界温度=28.5℃ 焦点温度＝28.5+404.1＝432.6℃

重柴：已算得t v =294.2℃ S 10-90% =0.64 t c =470.8℃ 焦点温度-临界温度=17.5℃ 焦点温度＝17.5+470.8＝488.3℃ 2.3.11 焦点压力 由t v 和S 10-90%可查图得到

焦点压力-临界压力,× 0.101MPa

汽油： 焦点压力-临界压力＝17.5℃

焦点压力＝3.41+17.5×0.101＝5.1775MPa

煤油： 焦点压力-临界压力＝10.5℃

焦点压力＝2.94+10.5×0.101＝4.0MPa 轻柴: 焦点压力-临界压力＝6.5℃

焦点压力＝2.18+6. 5×0.101＝2.84MPa 重柴: 焦点压力-临界压力＝5.1℃

焦点压力＝1.76+5.1×0.101＝2.28MPa 2.3.12相对分子质量（M ）

查《石油炼制工程》P65 图3-4可得：

汽油：M=114 煤油：M=138 轻柴油：M=178 重柴油：M=236 2.3.13 实沸点温度计算

根据公式可得： }67.491）67.4915

9（a {9586-+=b

D TBP t t

=86D t 常压温度℃

表2-5 常数a,b 的值

表2-6 各油品实沸点温度

当产品方案已经确定，同时具备产品的馏分组成和原油的实沸点蒸馏曲线时，可以根据各产品的恩氏蒸馏数据换算得到它们的实沸点蒸馏0％点和100％点，相

邻两个产品是互相重叠的，即实沸点蒸馏（t

0H-t

100

L）是负值，通常相邻两个产品的

实沸点切割温度就在这个重叠值的一半之处，因此可取t

0H和t

100

L之间的中点温度作

为这两个馏分的切割温度。

①汽油已知t

0H＝95.40℃ t

100

L＝168.28℃

得切割温度为（95.40+168.28）/2=131.84℃

②煤油已知t

0H＝138.17℃ t

100

L＝246.24℃

得切割温度为:（ 138.17+246.24）/2＝192.205℃

③轻柴油已知t

0H＝187.46℃ t

100

L＝279.02℃

得切割温度为: （187.46+279.02）/2＝232.2℃

④重柴油已知t

0H＝247℃ t

100

L＝359.66℃

得切割温度为:（ 247+359.66）/2＝303.33℃将上面所算所有数据制表，如下列表2-7、表2-8、表2-9示

表2-7各馏分沸点数据

表2-8油品的有关性质参数

表2-9各馏分切割范围数据

2.4产品收率和物料平衡

已知开工330天/年按8000小时计。 处理量：0.2×23+2=6.6Mt/a＝660万吨/年 汽油体积分数：5.6 质量分数=

83.48587

.07401

.06.5=?

煤油体积分数：11.2-5.5=5.6 质量分数：

09.58587

.07804

.06.5=? 轻柴油体积分数：15.3-11.2=4.1质量分数：

82.38587.07998

.01.4=?

重柴油体积分数：23.3-15.3=8 质量分数：

81.78587

.08380

.08=?

原油体积分数：100 质量分数：100 重油体积分数：76.7 质量分数：78.45

汽油：万吨/年=处理量×质量分数=660×4.83%=31.88万吨/年

吨/天=

966330

10000

88.31开工天数年/万吨=?=吨/天

千克/小时=

40250241000

966=?Kg/h

千摩尔/小时=

07.353114

40250

=Kmol/h

煤油：万吨/年=660×5.09%=33.549万吨/年

吨/天=

1018330

10000

594.33=?吨/天

千克/小时=

42417241000

1018=? Kg/h

千摩尔/小时=

37.307138

42417

= Kmol/h

轻柴油：万吨/年=660×3.82%=25.21万吨/年

吨/天=

746330

10000

21.25=?吨/天 千克/小时=

31833241000

746=? Kg/h

千摩尔/小时=

84.178178

31833

= Kmol/h

重柴油：万吨/年=660×7.81%=51.55万吨/年

吨/天=

1562330

10000

55.51=?吨/天

千克/小时=

6508324

1000

1562=? Kg/h 千摩尔/小时=78.275236

65083

= Kmol/h

表2-10 物料平衡

2.5汽提水蒸汽用量

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。由《石油炼制工程》P240页图6-16查得，选定汽提水蒸汽用量。一线煤油：水蒸汽用量（质量分数%）3%

水蒸汽千克/小时=油千克/小时×质量分数=42417×3%=1272.15千克/小时

水蒸汽千摩尔/小时=水蒸汽千克/小时÷18=70.69千摩尔/小时

同理，可计算出二线轻柴油、三线重柴油和重油的水蒸气用量。汇总表格如下：

表2-11 汽提水蒸汽用量

2.6塔板型式和塔板数

原油常压塔选用F1浮阀塔板

参照《石油炼制工程》选定塔板数如下：

汽油--煤油段 9层

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

考虑采用两个中段回流，每个用3层换热塔板，共6层，全塔塔板数总计为34层。