丙烯精制塔工艺设计.docx

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
①.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
②.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
③.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
④.化工设备手册编写组。金属设备。上海：上海人民出版社，1975
⑤.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，1994
⑥.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
10
5
60
10
15
100
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
10
5
75
10
100
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、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 1
1.1丙烯概述 1
1.1.1主要特性 1
1.1.2危险性 1
1.2丙烯行业特点 2
2.丙烯精制塔的工艺计算 3
2.1原始数据 3
2.2物料衡算 4
2.2.1关键组分 4
2.2.2计算塔顶小时产量 4
2.2.3计算塔釜质量组成 4
2.2.4质量分数转换 5
2.2.5计算进料量和塔底产品量 5
2.2.6物料衡算计算结果 6
2.3塔温的确定 6
2.3.1确定进料温度 6
2.3.2确定塔顶温度 6
2.3.3确定塔釜温度 7
2.4塔板数的计算 7
2.4.1最小回流比的计算 7
2.4.2计算最少理论板数 9
2.4.3塔板数和实际回流比的确定 9
2.5确定进料位置 10
2.6全塔热量衡算 10
2.6.1冷却器的热量衡算 10
2.6.2再沸器的热量衡算 11
2.6.3全塔热量衡算 11
2.7板间距离的选定和塔径的确定 12
2.7.1计算混合液塔顶、塔釜、进料的密度及气体的密度 12
2.7.2求液体及气体的体积流量 13
2.7.3初选板间距及塔径的估算 14
2.8浮阀塔塔板结构尺寸确定 15
2.8.1塔板布置 15
2.8.2溢流堰及降液管设计计算 16
2.9水力学计算 17
2.9.1塔板总压力降的计算 18
2.9.2雾沫夹带 18
2.9.3淹塔情况校核 22
2.10浮阀塔的负荷性能图 22
2.10.1雾沫夹带线 22
2.10.2液泛线 24
2.10.3降液管超负荷线 25
2.10.4泄露线 25
2.10.5液相下限线 25
2.10.6操作点 26
2.11塔的附属设备计算 27
2.11.1再沸器的计算 27
2.11.2塔顶冷凝器的计算 27
2.11.3确定塔体各接管及材料 28
3.总结 31
4.致谢 32
设计参考资料 33

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+6H2O
1.1.2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分钟；24％时，需3分钟；35％～40％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：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1.2%。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（质量分数/%）
塔釜组成（质量分数/%）
丙烯
92.75(92+0.25×N)
99.6
＜15.2
丙烷
7.05
0.4

丁烷
0.20
0

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+100×N）。
由题目给定60000000/7900=7595㎏/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100㎏/h进料为基准，进行物料衡算见表2。
表2物料衡算
组 分
项 目

进料量/（㎏/h）

馏出流量/（㎏/h）

釜液量/（㎏/h）
丙烯
92.75
0.996D
0.152W
丙烷
7.05
0.004D
7.05-0.004D
丁烷
0.2
0
0.2
共计
100
D
7.25-0.004D+0.152W
F=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、 MC—A、 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
C3H6
42.08
丙烷
C3H8
44.09
丁烷
C4H10
58.12

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
0.9310
0.9962
0.1591
丙烷
0.0675
0.0038
0.8223
丁烷
0.0015
0
0.0186
共计
1.0000
1.0000
1.0000

2.2.5计算进料量和塔底产品量
F=W+D

F·XF=D·XD+W·XW
因为 D=7595㎏/h
所以 F=7595+W

F×0.9310=7595×0.9962+W×0.1591
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
C3H6
C3H8
C4H10
共计
相 对 分 质 量
42.08
44.09
58.12

进 料

㎏/h
7639.3780
580.6751
16.4730
8236.5261
质量分数/%
92.75
7.05
0.2
100
Kmol/h
181.5442
13.1702
0.2834
194.9978
摩尔分数/%
93.10
6.75
0.15
100
塔 顶

㎏/h
7564.62
30.38
0
7595
质量分数/%
99.6
0.4
0
100
Kmol/h
179.7676
0.6890
0
180.4566
摩尔分数/%
99.62
0.38
0
100
塔 釜

㎏/h
97.5120
528.2326
15.7815
641.5261
质量分数/%
15.2
82.34
2.46
100
Kmol/h
2.3173
11.9808
0.0423
14.3404
摩尔分数/%
15.91
82.23
1.86
100

2.3塔温的确定
2.3.1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 =0.99222≈1
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
Xi
Ki
KiXi
C3H6
0.9310
1.0
0.9310
C3H8
0.0675
0.9
0.06075
C4H10
0.0015
0.31
0.000465
共计
1.0000
2.21
0.992222
2.3.2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
xi≈yi
ki
=
C3H6
0.9962
0.98
1.016531
C3H8
0.0038
0.88
0.004318
C4H10
0
0.30
0
共计
1.0000
2.16
1.020849
因为 =1.0208948≈1
所以 确定塔顶温度为44℃，塔顶物料组成的yi/ki值见表7
2.3.3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 =1.007002≈1
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
xi
ki
kixi
C3H6
C3H8
C4H10
共计
0.1591
0.8223
0.0186
1.0000
1.15
1.05
0.36
2.56
0.182965
0.863415
0.006696
1.053076
表9塔釜温度计算过程数据（二）
塔 釜 物 料
xi
ki
kixi
C3H6
C3H8
C4H10
共计
0.1591
0.8223
0.0186
1.0000
1.12
1.00
0.35
2.47
0.178192
0.822300
0.006510
1.007002
2.4塔板数的计算
2.4.1最小回流比的计算
（1）求相对挥发度αij
66页式（7-18）【1】
αij = =
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℃=0.35
Kj===0.3240
其相对挥发度为
αij = =
相对挥发度见表10。
表10相对挥发度

组 分
k44℃
k51℃

αij
丙烯
丙烷
丁烷
0.98
0.88
0.30
1.12
1.00
0.35
1.0477
0.9381
0.3240
3.2336
2.8954
1

（2）求θ值
87页式（7-39）【1】
=1-δ
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；
δ—进料的液相分率；
θ—满足上式的根。
因为泡点进料，故δ=1.0
则有

整理得 3.2074θ²-12.5636θ+9.3626=0
解得 θ=2.9160（1.00104舍去）
（3）求最小回流比
87页式（7-40）【1】

=8.6086
式中 —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

R

NT

R

N
13
14
14.5
0.3137
0.3594
0.3801
0.38
0.35
0.32
103.28
98.47
94.08

15
15.5
16
0.3995
0.4177
0.4379
0.31
0.30
0.28
92.70
91.36
88.80
由上表可见，当R=14.5~15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；
Ns—提留段塔板数，块。
所以 进料位置为从塔顶数62块塔板数进料。