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1、.专业整理. 化学工艺学课程设计 题 目：年产22.7520万吨的乙烯车间工艺设计学 院: 化学与材料工程学院 专业: 化学工程与工艺 班级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 完成日期: 2012年1月7日 目录1、总论21.1概述21.2设计依据及规模21.3工艺方案22、工艺设计方案32.1概述32.2石脑油裂解工艺现状32.2.1日本共同研究集团裂解工艺32.2.2韩国LG石化公司裂解工艺42.2.3国内传统石脑油蒸汽裂解工艺42.3石脑油裂解工艺设计确定82.3.1原料及产品指标82.3.2催化裂解及预分馏工艺82.3.3裂解气分离精制工艺113、物料衡算123.1概述123.2物料衡
2、算的原理和基准123.3物料衡算123.3.1石脑油裂解预处理物料123.3.2预处理后裂解气物料124、热量衡算144.1工艺流程和热量衡算说明145、设备选型155.1反应器设计155.1.1裂解过程对管式炉的要求155.2换热器的设计选型165.2.1概述165.2.2选型范例165.3塔设备设计205.3.1概述205.3.2塔型选用原则205.3.3分离塔的设计215.3.4塔设计结果34第一章 总论1.1概述随着社会的发展，我国乙烯丙烯的市场需求急剧增加，乙烯丙烯及其下游产品的进口量逐年增加，国内产品市场占有率还不到一半。目前全世界乙烯主要以石脑油（或乙烷）为原料，采用蒸汽热裂解技
3、术（在800左右的温度下）生产，其产量超过总产量的90%。乙烯工业是石油化工的龙头，其发展水平已成为衡量一个国家经济实力的重要标志之一，在石化工业乃至国民经济发展中占有重要地位。聚乙烯得到了广泛应用，如粘合剂、农膜、电线和电缆、包装(食品软包装、拉伸膜、收缩膜、垃圾袋、手提袋、重型包装袋、挤出涂覆)、聚合物加工（旋转成型、注射成型、吹塑成型）。丙烯是仅次于乙烯的一种重要有机石油化工基本原料，主要用于生产聚丙烯、苯酚、丙酮、丁醇、辛醇、丙烯腈、环氧丙烷、丙二醇、环氧氯丙烷、合成甘油、丙烯酸以及异丙醇等，其他用途还包括烷基化油、高辛烷值汽油调合料等。（1）丙烯制成聚丙烯，聚丙烯应用在塑制品、薄膜制
4、品、纤维制品；（2）丙烯制成苯酚，苯酚制成木材防腐剂、皮肤科常用的治疗药物、面部美容治疗药物。1.2设计依据及规模本设计主要以中国石油化工新建四所石脑油裂解厂为现实基础，根据设计要求石脑油31600kg/h的进料，年产22.74万吨聚合级乙烯产品。1.3工艺方案本设计借鉴中国石油化工股份有限公司的石脑油裂解方式，选用Kellogg公司和日本出光石油化学公司共同开发的一种新型裂解炉毫秒炉或超短时间炉（USRT炉），蒸汽裂解反应之后对得到的裂解气进行预分馏，最后选用前脱乙烷后加氢的方法进行分离精制得到乙烯、丙烯。裂解气的分离精制工段现工业应用上也已经非常成熟、高效。裂解气进入分离工段的主要是C1C
5、5混合气体，混合气体在水洗塔进行水洗，除去有机杂质；再流入碱洗塔中洗去酸性杂质气体；为避免水对之后分离过程的影响，需将气体干燥；干燥后的气体经过压缩、制冷流入脱乙烷塔系统，分离出C3C5和C2以下产品；C2及以下产品进入脱甲烷塔分离出甲烷和C2产品；C2产品脱炔后进入乙烯精馏塔，分离出聚合级乙烯；C3C5产品进入脱丙烷塔分离出C3和C4及以上产品，C4及以上产品进入脱丁烷塔得到C4，C3脱炔后进入丙烯精馏塔分离出聚合级丙烯产品。第二章 工艺设计方案2.1概述石脑油制乙烯丙烯主要分为石脑油裂解及预分离工段和裂解气分离工段。目前全世界乙烯主要以石脑油（或乙烷）为原料，采用蒸汽热裂解技术（在800左
6、右的温度下）生产，其产量超过总产量的90%。催化裂解同蒸汽裂解相比，该过程反应温度比标准裂解反应约低50200，因此比普通蒸汽裂解能耗少，裂解炉管内壁结焦速率将会降低，从而可延长操作周期，增加炉管寿命；二氧化碳排放也会降低，并可灵活调整产品结构，可增加乙烯和丙烯的总收率，乙烯生产成本大幅度降低。2.2石脑油裂解工艺现状（一）日本共同研究集团裂解工艺日本通产省工业技术院推进新阳光计划，其中经5年官民集中共同研究的“下世纪化学工艺技术开发”项目中，由日本化学工业协会与工业技术院物质工学工业技术研究所组成的共同研究集团，开发成功了生产乙烯、丙烯的石脑油催化裂解工艺，可实现大幅度节能和降低环境负荷，并
7、可按乙烯、丙烯供需变化灵活控制烯烃生成比例。共同研究集团（日本化学工业协会方面参加的企业有出光石油化学、东燃化学、日本石油化学、丸善石油化学等）为了证实催化裂解工艺的竞争力,进行了石脑油日处理能力3000t 规模的可行性研究。该工艺采用固定床，因裂解温度下降,可大幅节能,乙烯和丙烯收率60%，大大超过目标值57%。采用这种固定床型催化裂解工艺，不仅可节能20%，减少CO2排放20%，而且由于与现行蒸汽转化炉的结构类似，现行工艺经改造和后续工序作若干改造即可使用, 证实有助于石化产业强化竞争能力，可望实现新工艺的工业化。石脑油经蒸汽热解生产乙烯、丙烯，其设备大型化和节能工艺开发有一定限度，但为了
8、提高石化产业的国际竞争能力和实现削减CO2排放的中长期目标，能耗占石化工业40%的石脑油裂解炉的节能和削减CO2排放的工艺开发又是最重要的课题。共同研究集团的催化裂解工艺，裂解温度比现行蒸汽裂解的820约低100。同时，对以沸石为中心的固体酸等催化剂以及烃的催化裂解反应进行了广泛研究。结果显示，沸石系统负载稀土金属的催化剂，除活性没有降低、烯烃收率高外，还抑制副产芳烃，特别是负载镧的沸石(ZSM-25)催化剂，反应温度650(开发目标为750)，乙烯和丙烯收率61%(开发目标57%)，显示良好的裂解特性。另外，乙烯和丙烯组成比0.7，比现行热裂解的丙烯收率高。共同研究集团的催化剂添加10%镧可
9、抑制芳烃生成，从而增加乙烯、丙烯收率。这种催化剂再添加2%的磷，由于担体中氧化铝与磷的相互作用抑制了脱铝，因此反复使用性能不衰减，活性高，寿命长。（二）韩国LG石化公司裂解工艺LG石化公司（Seoul）开发了石脑油催化裂解新工艺，与传统的蒸汽裂解工艺相比，该工艺可大大提高烯烃产率。采用该技术可提高乙烯产率20%，提高丙烯产率10%。现有裂解装置稍加改进就可使用这一工艺。该工艺使用含特定金属氧化物的专用催化剂，工艺过程在比标准的反应温度低50100下操作，因此与常规蒸气裂解相比，耗能大大减少，裂解炉管内结焦速率也将下降，可延长连续运行时间和炉管寿命，同时，CO2排放也较少。LG公司正在韩国丽川一
10、套30万美元的中型装置上进行试验。该公司在丽川的乙烯生产能力为75万t/a，在2003年使丽川一台裂解炉采用该技术。烯烃产能增加和运行费用的降低，将使年现金流通费用增加约1500万美元。长期以来，人们期望开发工业化催化工艺过程用于石油原料裂解为轻烯烃，并用于甲烷氧化偶联以生产乙烯。（三）国内传统石脑油蒸汽裂解工艺早期的管式裂解炉是沿用石油炼制工业的加热炉的结构采用横置裂解炉管的方箱炉。反应管放置在靠墙内壁处，采用长火焰烧嘴加热，炉管表面热强度低，约为85125MJ/(m2h)。20世纪50年代，裂解炉结构有较大改进，炉管位置由墙壁处移至辐射室中央，并采用短焰侧壁烧嘴加热，提高了炉管表面热强度和
11、受热均匀性。热强度可达210MJ/(m2h)。至60年代，反应管开始由横置式改为直立吊装式，这是管式炉的一次重大技术改进。它采用单排管双面辐射加热，进一步把炉管表面热强度提高到约250MJ/(m2h)，并采用多排短焰侧壁烧嘴，以提高反应的径向和轴向温度分布的均匀性。美国鲁姆斯公司短停留时间裂解炉（简称SRT炉）是初期立管式裂解炉的典型装置。现在世界上大型乙烯装置多采用立式裂解反应管。1、反应炉炉型目前国际上应用较广的管式裂解炉有短停留时间炉、超选择性炉、林德-西拉斯炉、超短停留时间炉。（1）短停留时间炉鲁姆斯公司在60和70年代开发的炉型（SRT），有三种：即SRT-、SRT-1及SRT-型，
12、其中SRT-又可分为高选择性（HS）和高生产能力（HC）两种。SRT-型由等径管组成；SRT-及SRT-则为前细后粗的变径管，四股平行进料以强化前期加热，缩短停留时间和后期降低烃分压,从而提高选择性，增加乙烯产率。由于三种反应管采用了不同的管径及排列方式，其工艺特性差异较大。 SRT型炉是目前世界上大型乙烯装置中应用最多的炉型。中国的燕山石油化工公司，扬子石油化工公司和齐鲁石油化工公司的300kt乙烯生产装置均采用此种裂解炉。 （2）超选择性裂解炉简称USC炉。它是美国斯通韦伯斯特公司在70年代开发的一种炉型，炉子的基本结构与SRT炉大体相同，但反应管由多组W型变径管组成，每组四根管,前两根材
13、质为HK-40，后两根为HP-40，全部离心浇铸和内部机械加工平整,管径由小到大，一般为5083mm，长为1020m。按照生产能力的要求，每台炉可装16、24或32个管组，裂解产物离开反应管后迅速进入一种专用急冷锅炉(USX),每两组反应管配备一个急冷锅炉。USC炉的主要技术特性为：采用多组小口径管并双面辐射加热，炉管比表面较大，加热均匀且热强度高，从而实现了0.3s以下的短停留时间。采用变径管以降低过程的烃分压。短的停留时间和低的烃分压使裂解反应具有良好的选择性。USC炉单台炉子乙烯年生产能力可达40kt。中国大庆石油化工总厂以及世界上很多石油化工厂都采用它来生产乙烯及其联产品。（3）林德西
14、拉斯裂解炉简称LSCC炉。是林德公司和西拉斯公司在70年代初合作研制而成的一种炉型。炉子的基本结构与SRT炉相似。炉膛中央吊装构形特殊的反应管，每组反应管是由12根小口径管（前8根组成4对平列管,后4根组成两对平列管）以及4根中口径管（由4根管组成两对平列管）和一根大口径管组成，管径为615cm，管总长4560m。裂解产物离开反应管后立即进入急冷锅炉骤冷。LSCC炉反应器的特点是原料入口处为小口径管双排双面辐射加热，物料能迅速升温，缩短停留时间，后继的反应管则为单排双面辐射，管径采取逐管增大方式以达到降低烃分压的目的。物料在反应管中的停留时间为0.20.4s。短停留时间和低烃分压使裂解反应具有
15、较高的选择性，乙烯产率高。LSCC裂解炉在工业上得到一定的应用，单台炉的乙烯年产量可达70kt。（4）超短停留时间裂解炉简称USRT炉，或称毫秒裂解炉。是美国凯洛格公司和日本出光石油化学公司在70年代末共同开发成功的新型管式裂解炉。炉子由十多根直径约为2.54cm,长约10m的单根直管并联组成。反应管吊在辐射室中央，由底部烧嘴进行双面辐射加热。物料由下部进入上部离开并迅速进入专用的USX型急冷锅炉,每两根反应管合用一个USX，多个USX合接一个二次急冷锅炉。裂解过程停留时间可低于100ms,从而显著提高了反应的选择性。同传统的管式裂解炉相比，乙烯相对收率约可提高10，甲烷和燃料油则有所减少。USRT炉单台炉的乙烯年产
