丙烯精制塔工艺设计.docx

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1、化 工 毕 业 设 计毕业设计（论文）手册学 院 ： 职业技术学院 专业班级 ： 化工 0832 姓 名 ： 杨文龙 指导教师 ： 王景芸 2011 年 6 月毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 丙烯精制塔工艺设计 设计（论文）时间： 2011-4-11 至 2011-6-19 设计（论文）进行地点： 校 内 1、 设计（论文）内容： 1.丙烯简介及应用 2.工艺流程的选择与确定 3.物料衡算，热量衡算 4.丙烯精馏塔的设计 5.精馏塔附属设备的选用 2、 设计（论文）的主要技术指标 主要进料：丙烯，丙烷，丁烷。其中进料组成（质量分数%）分别为：92.75；7.05； 0.20；要求通过

2、设计的丙烯精制塔后的塔顶组成为丙烯：99.6；丙烷：0.4；丁烷： 0；塔底组成要求丙烯小于15.2% 。 3、 设计（论文）的基本要求设计思路明确 设计层次分明 内容详尽严谨求实 书写规范等 毕业设计（论文）任务书4、应收集的资料及主要参考文献.天津大学化工原理教研室编。化工原理（下）。天津：天津科技出版社，1990 .上海化工学院。基础化学工程（中）。上海：上海科学技术出版社，1978 .石油化工规划设计院。塔的工艺设计。北京：石油化学工业出版社，1977 .化工设备手册编写组。金属设备。上海：上海人民出版社，1975 .中国石化集团。化工工艺设计手册（上、下）。北京：化学工业出版社，19

3、94 .天津大学。基本有机化学工程（中）。北京：人民教育出版社，1978。等 5、 进度安排及完成情况序号设计（论文）各阶段任务日 期完成情况1有关设计任务资料的收集4月11日4月20日完成2设计的大纲安排4月20日4月25日完成3设计任务的计算4月25日4月30日完成4设计计算的审核4月30日5月10日完成5设计任务的电子版录入5月10日5月30日完成6毕业设计的校验和打印5月30日6月19日完成学生签名： 杨文龙 指导教师签名： 系主任签名： 2011年 6 月 19 日毕业设计（论文）评阅书指导教师评语： 评 分 表（导师建议成绩）项目创新摘要内容排版表现合计权重105601015100

4、分数指导教师签字： 年 月 日 毕业设计（论文）评阅书评阅教师评语： 评 分 表（评阅教师建议成绩）项目创新摘要内容排版合计权重1057510100分数评阅教师签字： 年 月 日 毕业答辩情况表答辩时间： 年 月 日答辩组成员姓 名职 称工 作 单 位注 备答辩评语： 建议答辩成绩：答辩组长： 年 月 日答辩委员会意见：答辩委员会主任： 年 月 日成 绩摘要本人所设计所依据的是以丙烯精制塔为设计原型。我所设计的题目是年产60000吨丙烯精制塔设计，开工周期为7900小时/年，其中原料主要组成为丙烯，丙烷，丁烷等组分，按各组分的沸点和相对挥发度的不同使各组分分离。工艺流程说明如下： 原料（丙稀、

5、丙烷、丁烷的混合液体）经进料管由精馏塔中的某一位置 （进料板处）流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸气凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。 回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸气多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被再沸器加热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。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，及换热设备的计算及附属设备的选型。设备选型方面主要按照现场实际，并兼顾工艺控制要

6、求与经济合理性。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；精馏塔；物料衡算；热量衡算；塔温；操作弹性；目录1.前言11.1丙烯概述11.1.1主要特性11.1.2危险性11.2丙烯行业特点22.丙烯精制塔的工艺计算32.1原始数据32.2物料衡算42.2.1关键组分42.2.2计算塔顶小时产量42.2.3计算塔釜质量组成42.2.4质量分数转换52.2.5计算进

7、料量和塔底产品量52.2.6物料衡算计算结果62.3塔温的确定62.3.1确定进料温度62.3.2确定塔顶温度62.3.3确定塔釜温度72.4塔板数的计算72.4.1最小回流比的计算72.4.2计算最少理论板数92.4.3塔板数和实际回流比的确定92.5确定进料位置102.6全塔热量衡算102.6.1冷却器的热量衡算102.6.2再沸器的热量衡算112.6.3全塔热量衡算112.7板间距离的选定和塔径的确定122.7.1计算混合液塔顶、塔釜、进料的密度及气体的密度122.7.2求液体及气体的体积流量132.7.3初选板间距及塔径的估算142.8浮阀塔塔板结构尺寸确定152.8.1塔板布置152

8、.8.2溢流堰及降液管设计计算162.9水力学计算172.9.1塔板总压力降的计算182.9.2雾沫夹带182.9.3淹塔情况校核222.10浮阀塔的负荷性能图222.10.1雾沫夹带线222.10.2液泛线242.10.3降液管超负荷线252.10.4泄露线252.10.5液相下限线252.10.6操作点262.11塔的附属设备计算272.11.1再沸器的计算272.11.2塔顶冷凝器的计算272.11.3确定塔体各接管及材料283.总结314.致谢32设计参考资料33化 工 毕 业 设 计1.前言1.1丙烯概述【6】丙烯（propylene,CH2=CHCH3）常温下为无色、无臭、稍带有甜

9、味的气体。分子量42.08，密度0.5139g/cm(20/4)，冰点-185.3，沸点-47.4。易燃，爆炸极限为2%11%。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，主要用于生产丙烯腈、异丙烯、丙酮和环氧丙烷等。1.1.1主要特性化学品名称：化学品中文名称：丙烯化学品英文名称：propylene英文名称：propene 分子式：C3H6结构简式：CH2=CH-CH3分子量：42.081丙烯燃烧化学方程式：2C3H6+9O2=6CO2+6H2O1.1.2危险性 健康危害：本品为单纯窒息剂及轻度麻醉剂。急性中毒：人吸入丙烯可引起意识丧失，当浓度为15时，需30分

10、钟；24时，需3分钟；3540时，需20秒钟；40以上时，仅需6秒钟，并引起呕吐。慢性影响：长期接触可引起头昏、乏力、全身不适、思维不集中。个别人胃肠道功能发生紊乱。环境危害：对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。燃爆危险：本品易燃。1.1.3急救措施吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。1.1.4消防措施危险特性：易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物。遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与二氧化氮、四氧化二氮、氧化二氮等激烈化合，与其它氧化剂接触剧烈反应。气体比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。有害燃烧产物

11、：一氧化碳、二氧化碳。灭火方法：切断气源。若不能切断气源，则不允许熄灭泄漏处的火焰。喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂：雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉。1.1.5泄漏应急处理应急处理：迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防静电工作服。尽可能切断泄漏源。用工业覆盖层或吸附/ 吸收剂盖住泄漏点附近的下水道等地方，防止气体进入。合理通风，加速扩散。喷雾状水稀释、溶解。构筑围堤或挖坑收容产生的大量废水。如有可能，将漏出气用排风机送至空旷地方或装设适当喷头烧掉。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。丙烯是仅次于乙烯的一

12、种重要有机石油化工基本原料，它主要用于生产聚丙烯、苯酚、丙酮、丁醇、辛醇、丙烯腈、环氧丙烷、丙烯酸以及异丙醇等，其他用途还包括烷基化油、催化叠合和二聚，高辛烷值汽油调合料等。1.2丙烯行业特点纵观中国丙烯行业，有如下几个主要的特点：1、总体规模较大。2、中国丙烯工业体系较为完善、发展实力雄厚，具有资源优势。3、丙烯工厂较多、较为分散，单线丙烯生产能力相对较小。4、丙烯生产技术有待多样化，丙烯来源途径需要增加。中国丙烯主要来源于乙烯裂解装置、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%。中国丙烯增产技术与国际水平同步，特别是炼厂深度催化裂解装置增

13、产丙烯技术，已处于世界领先地位。但中国在其他丙烯生产技术如丙烷脱氢（PDH）、甲醇制烯烃技术（MTP）、烯烃相互转化、乙烯丁烯易位歧化技术等方面，与国际先进水平有一定差距。国外上述技术已工业化或正在工业化，而国内尚处于研究阶段。近年来，中国丙烯工业都是以进口为主，出口相对较少。2007年1-12月，中国丙烯进口量726010.499吨，累计金额81395.39万美元。2007年12月，中国丙烯进口量75702.81吨，12月交易金额88077966美元，12月货物平均单价1163.47美元/吨。2007年1-12月，中国丙烯进口均价1121.1美元/吨，较2006年的1108.1美元/吨增长1

14、.2%。2007年1-12月，中国丙烯出口量86.575吨，累计金额15.89万美元。2007年12月，中国丙烯出口量2吨，12月货物平均单价1000美元/吨。2008年1-12月，中国丙烯进口量917259.245吨，累计金额113171.4027万美元。2008年12月，中国丙烯进口量118047.072吨，12月交易金额5993.26万美元。2008年1-12月，中国丙烯进口均价1233.8美元/吨，较2007年的1121.1美元/吨增长1.0%。2008年1-12月，中国丙烯出口量118.13吨，累计金额18.05万美元。2008年1-12月，中国丙烯出口均价1527.77美元/吨。近

15、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，丙烯消费量为1905万吨，缺口为825万吨。届时，聚丙烯仍是丙烯最大的消费衍生物，约占丙烯消费量的76左右。中国到2011年的丙烯产能将达到1380万吨/年。预计2008-2011年间，中国丙烯产能年均增长率为12.3%，高于全球平均增长率4.1%。届时还将有大量丙烯衍生物进口，中国丙烯开发利用前景广阔。2.丙烯精制塔的工艺计算2.1原始数据原始数据见表1表1原始数据物料名称进料组成（质量分数/%）塔顶组成（质量

16、分数/%）塔釜组成（质量分数/%）丙烯92.75(92+0.25N)99.615.2丙烷7.050.4丁烷0.200操作压力 P=1.74Mpa（表压）。年生产能力60000t丙烯。丙烯精馏塔工艺流程简图如图1所示。精 馏 塔再沸器贮 罐贮 罐冷凝器冷凝器图1 丙烯精馏塔工艺流程简图工艺流程说明如下： 原料（丙稀、丙烷、丁烷的混合液体）经进料管由精馏塔中的某一位置 （进料板处）流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸气凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返

17、回塔顶。 回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸气多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被再沸器加热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出【5】。2.2物料衡算2.2.1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计算塔顶小时产量计算每小时塔顶产量，每年的操作时间按7900h计算（7000+100N）。由题目给定60000000/7900=7595/h2.2.3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100/h进料为基准，进行物料衡算见表2。表2物料衡算

18、组 分项 目进料量/（/h）馏出流量/（/h）釜液量/（/h）丙烯92.750.996D0.152W丙烷7.050.004D7.05-0.004D丁烷0.200.2共计100D7.25-0.004D+0.152WF=D+W =15.2% 100=D+W或 92.75=0.996D+0.152W 100=D+W解得： W=8.1161/h D=100-8.1161=91.8839/h 丙烷 XWC3H8=82.34% 丁烷 XWC4H10=2.46%式中 F原料液流量，/h； D塔顶产品（馏出液）流量，/h； W塔底产品（釜残液）流量，/h；XW釜液中各组分的质量分数。2.2.4质量分数转换将质

19、量分数换算成摩尔分数按下式计算： XA=式中 XA液相中A组分的摩尔分数； MA、MB、 MCA、 B、 C组分的摩尔分数，/kmol；XWA、XWB 、XWC液相中A、 B、 C组分的质量分数。各组分的相对分子质量见表3。表3各组分的相对分子质量组 分项 目分 子 式相对分子质量丙烯C3H642.08丙烷C3H844.09丁烷C4H1058.12丙烯进料摩尔组成： XF C3H6= =0.9310同理，计算得各组分的摩尔分数如表4所示。表4各组分的摩尔分数组 分项 目进 料塔 顶 产 品塔 釜 液丙烯0.93100.99620.1591丙烷0.06750.00380.8223丁烷0.0015

20、00.0186共计1.00001.00001.00002.2.5计算进料量和塔底产品量 F=W+D FXF=DXD+WXW因为 D=7595/h所以 F=7595+W F0.9310=75950.9962+W0.1591解得 W=641.5261/h F=7595+641.5261=8236.5261/h式中 XF原料液中易挥发组分的质量分数； XD馏出液中易挥发组分的质量分数； XW釜残液中易挥发组分的质量分数。2.2.6物料衡算计算结果见表5表5物料衡算组 分C3H6C3H8C4H10共计相 对 分 质 量42.0844.0958.12进 料/h7639.3780580.675116.47

21、308236.5261质量分数/%92.757.050.2100Kmol/h181.544213.17020.2834194.9978摩尔分数/%93.106.750.15100塔 顶/h7564.6230.3807595质量分数/%99.60.40100Kmol/h179.76760.68900180.4566摩尔分数/%99.620.380100塔 釜/h97.5120528.232615.7815641.5261质量分数/%15.282.342.46100Kmol/h2.317311.98080.042314.3404摩尔分数/%15.9182.231.861002.3塔温的确定2.3.

22、1确定进料温度 操作压力为P=1.84（绝对压力）。假设：泡点进料，温度为45，依T、P，得到平衡常数k值【10】因为 =0.992221所以 确定进料温度为45，进料组成的KiXi值见表6表6进料组成的KiXi值进 料XiKiKiXiC3H60.93101.00.9310C3H80.06750.90.06075C4H100.00150.310.000465共计1.00002.210.9922222.3.2确定塔顶温度 假设：塔顶露点温度为44，同理得k值【10】。塔顶物料组成的yi/ki值见表7。表7塔顶物料组成的yi/ki值塔 顶 物 料xiyiki=C3H60.99620.981.016

23、531C3H80.00380.880.004318C4H1000.300共计1.00002.161.020849因为 =1.02089481所以 确定塔顶温度为44，塔顶物料组成的yi/ki值见表72.3.3确定塔釜温度假设：塔釜温度为52，得k值【10】。因为 =1.053076 误差超过2%，说明假设温度过高。再假设：塔釜温度为51，得k值【10】。因为 =1.0070021所以 确定塔釜温度为51，计算过程数据见表8、表9表8塔釜温度计算过程数据（一）塔 釜 物 料xikikixiC3H6C3H8C4H10共计0.15910.82230.01861.00001.151.050.362.5

24、60.1829650.8634150.0066961.053076表9塔釜温度计算过程数据（二）塔 釜 物 料xikikixiC3H6C3H8C4H10共计0.15910.82230.01861.00001.121.000.352.470.1781920.8223000.0065101.0070022.4塔板数的计算2.4.1最小回流比的计算（1）求相对挥发度ij66页式（7-18）【1】 ij = = 丙烯 k44=0.98 k51=1.12 Ki=1.0477丙烷 k44=0.88 k51=1.00 Ki=0.9381丁烷 k44=0.30 k51=0.35Kj=0.3240其相对挥发度为

25、ij = =相对挥发度见表10。表10相对挥发度组 分k44k51ij丙烯丙烷丁烷0.980.880.301.121.000.351.04770.93810.32403.23362.89541（2）求值87页式（7-39）【1】 =1-式中组分i对某一参考组分的相对挥发度。可取塔顶、塔釜的几何平均值或用进料泡点温度下的相对挥发度； xi进料混合物中组分i的摩尔分数； 进料的液相分率； 满足上式的根。 因为泡点进料，故=1.0 则有 整理得 3.2074-12.5636+9.3626=0 解得 =2.9160（1.00104舍去）（3）求最小回流比87页式（7-40）【1】 =8.6086式中

26、最小回流比； xDi馏出液中组分i的摩尔分数。2.4.2计算最少理论板数塔顶丙烯-丙烷的相对挥发度 塔釜丙烯-丙烷的相对挥发度 90页式（7-42）【1】=63.6533块式中 塔顶、塔底温度下相对挥发度的几何平均值；下标1、h分别代表轻、重关键组分； 最少理论塔板数。2.4.3塔板数和实际回流比的确定取回流比 R =15 由 依据107页吉利兰特图得【10】解得实际塔板数 N=92.70其余实际塔板数的确定见表11.表11实际塔板数的确定RNTRN131414.50.31370.35940.38010.380.350.32103.2898.4794.081515.5160.39950.41770.43790.310.300.2892.7091.3688.80 由上表可见，当R=14.515之间时塔板数变化为最慢，所以NT=94.08块。取实际塔板数N=100块计算板效率，109页式（6-53）【10】 ET=式中 ET塔板效率； NT理论塔板数，块； N实际塔板数，块。2.5确定进料位置依据90页式（7-43）【10】泡点进料： lg 解得 NS=38.01块 Nr=61.99块式中 Nr精馏段塔板数，块；