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1、500万吨/年炼油减压蒸馏装置设计书第一章文献综述1.1 石油工业简介石油又称原油，是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体。由碳和氢化合形成的烃类构成石油的主要组成部分，约占95%99%含硫、氧、氮的化合物对石油产品有害，在石油加工中应尽量除去。不同产地的石油中，各种烃类的结构和所占比例相差很大，但主要属于烷烃、环烷烃、芳香烃三类。通常以烷烃为主的石油称为石蜡基石油；以环烷烃、芳香烃为主的称环烃基石油；介于二者之间的称中间基石油。我国主要原油的特点是含蜡较多，凝固点高，硫含量低，镍、氮含量中等，钒含量极少。除个别油田外，原油中汽油馏分较少，渣油占1/3。组成不同类的石油，加工方法有差别，产品的性
2、能也不同，应当物尽其用。石油炼制工业是国民经济最重要的支柱产业之一，是提供能源，尤其是交通运输燃料和有机化工原料的最重要的工业。据统计，全世界总能源需求的40依赖于石油产品，汽车，飞机，轮船等交通运输器械使用的燃料几乎全部是石油产品，有机化工原料主要也是来源于石油炼制工业，世界石油总产量的10%用于生产有机化工原料。石油是十分复杂的烃类非烃类化合物的混合物。石油产品种类繁多，市场上各种牌号的石油产品达1000种以上，大体上可分为以下几类：燃料：如各种牌号的汽油、航空煤油、柴油、重质燃料油等；润滑油：如各种牌号的燃机油、机械油等；有机化工原料：如生产乙烯的裂解原料、各种芳烃和烯烃等；工艺用油：如
3、变压器油、电缆油、液压油等；沥青：如各种牌号的铺路沥青、建筑沥青、防腐沥青、特殊用途沥青等；蜡：如各种食用、药用化妆品用，包装用的石蜡和地蜡；石油焦炭：如电极用焦、冶炼用焦、燃料焦等。从上述石油产品品种之多和用途之广也可以看到石油炼制工业在国民经济和国防中的重要地位。石油作为一种能流密度高，便于储存、运输、使用的清洁能源已广泛应用于国民经济的方方面面。按2001年中国各行业石油消费构成看，交通运输业占30%以上，是消费石油最多的行业。在交通运输业中，汽车是最大的石油消费用户。在石油产品中，汽油的85%-90%和柴油的30%被汽车所消耗。面对中国目前汽车的飞速发展，保有量的迅猛增长，不能不未雨绸
4、缪，以防石油短缺制约汽车工业的正常发展。从世界围看，汽车的出现把石油工业推向了快速发展的轨道，加快了石油产品的消费和需求。燃料包括汽油、柴油及喷气燃料（航空煤油）等发动机燃料以及灯用煤油、燃料油等。我国的石油产品中燃料约占80%，而其中约60%为各种发动机燃料，所产柴油和汽油的比例约为1.3:1；润滑剂包括润滑油和润滑脂，主要用于降底机件之间的磨擦和防止磨损，以减少能耗和延长机械寿命。其产量不多，仅占石油产品总量的2%左右，但品种达数百种之多；石油沥青用于道路、建筑及防水等方面；其产量约占石油产品总量3%；石油蜡属于石油中固态烃类，是轻工、化工和食品等工业部门的原料，其产量约占石油产品总量的1
5、%；石油焦可用以制作炼铝及炼钢用电极等，其产量约为石油产品总量的2%；约有10%的石油产品，是用作石油化工原料和溶剂，其中包括制取乙烯的原料（轻油），以及石油芳烃和各种溶剂油。1.2 石油蒸馏工艺最基本的石油炼制过程，指用蒸馏的方法将原油分离成不同沸点围油品（称为馏分）的过程。通常包括三个工序：原油预处理：即脱除原油中的水和盐。 常压蒸馏:在接近常压下蒸馏出汽油、煤油（或喷气燃料）、柴油等的直馏馏分，塔底残余为常压渣油（即重油）。减压蒸馏：使常压渣油在8kPa左右的绝对压力下蒸馏出重质馏分油作为润滑油料、裂化原料或裂解原料，塔底残余为减压渣油。如果原油轻质油含量较多或市场需求燃料油多，原油蒸馏
6、也可以只包括原油预处理和常压蒸馏两个工序，俗称原油拔头。原油蒸馏所得各馏分有的是一些石油产品的原料；有的是二次加工（见石油炼制过程）的原料。1.3.1 塔设备塔设备简介塔设备是化工，石油化工、炼油厂等厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。据有关材料报道，塔设备的投资费占整个工艺设备投资费的较大比例，它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，塔设备的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，
7、塔设备还得考虑下列的各项要求1.生产能力大。在较大的气（汽）夜流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或者液泛等破坏正常操作的现象。2.操作稳定、弹性大。塔设备的气（汽）夜负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应保证能长期连续操作。3.流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将有助于节省生产中的动力消耗，用来降低经常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还可以使系统无法维持必要的真空度。4.结构简单、材料用量小、制造和安装容易，这可以减少基建过程中的投资费用。5.耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。1.3.2 塔设备的发展状况精馏过程是一种传热和传质
8、的过程，用于分离组分沸点不同的液体混合物；是应用数量最多、能耗最大和涉及面最广的石油、化工工业单元操作，精馏塔设备任何新的发展都将可能产生巨大的经济效益和社会效益，是西方发达国家近100多年化学工程单元操作最活跃的研究开发应用领域。塔设备的广泛应用是伴随着十九世纪初迅猛发展的炼油工业。1904年炼油工业出现了早期的填料塔，1912年穿流塔板也应用于炼油工业。1914Rachig环问世，标志着第一代乱堆填料的诞生，但实际生产效果仍没有很大的提高，人们开始意识到汽液分布性能对填料塔操作的重要性。1920年泡罩塔板在炼油工业中应用，标志着现代塔设备研究开发的开始。按照典型的技术发展，可将现代塔设备技
9、术的发展应用归纳为5个阶段，详见图1。1920406080200050!阶段I|阶Btn阶段IBi阶段H|图1塔设备研究阶段示意图阶段I（20世纪2050年代）此阶段的塔设计处于简单的平衡量、塔板效率、传质系数、液泛等概念和简单设计的水平，此时尽管乱堆填料也在小型塔设备中应用，但泡罩塔板是工业应用无可比拟的塔件，在当时被认为是不可替代的。在此阶段，研究开发由实验室级别向实验工厂规模的转变。阶段U（5070年代）由于塔设备巨大的工业应用市场和开发潜力，在50年代，在发达国家，精馏塔件的研究发展到一个全新、大规模、集团化的研究的阶段。浮阀塔板的开发在1951年Koch公司的Nuter率先发明了浮阀
10、塔板的概念，浮阀塔板以比泡罩塔板更低的压降、更高的操作效率、更大的处理能力、更大的操作弹性、极低的液面落差和低造价适用于脏、粘体系等强大的生命力成为塔件的主流，很快替代了泡罩塔板，标志着一个新时代的开始，直到今天浮阀塔板仍是工业应用的主流。由于放大效应，塔设计出现了几个放大失败的例子，造成很大的经济损失。人们意识到对于精馏塔的传热、传质和流体力学研究需要开展相同或相近规模的热膜研究。1952年，由美国十二家大型石油和化学公司共同发起、并集资建立了一个联合工厂规模的精馏试验基地FRI开展广泛的蒸馏塔应用基础研究和生产问题研究，为精馏塔设计水平的提高作出了重大的贡献。FRI的成立标志着精馏设备集团
11、化研究的开始。1955年，Monsanto公司的Boles发表了著名的泡罩塔板设计手册,首先提出了科学的、规化塔板设计技术，该方法到目前为止仍然广泛流行。AIChE放大效应的研究50年代在美国AIChE组织了三所大学进行了著名的AIChE精馏和吸收板效率的五年研究计划，试图建立一套完整和通用的精馏塔效率预测理论和放大方法。工程实际中被证明不能可靠用于工业放大，但其研究工作对板式塔基础研究作出了巨大贡献，其AIChE塔板效率理论和预测方法成为最经典的板效率估算方法。60年代，板式塔的另一个标志性的技术进步就是大孔筛板的研究与应用。大孔筛板的广泛应用也标志着塔设备操作控制技术、可靠精馏工艺模拟和塔
12、设备设计技术的发展，尤其是计算机在线控制技术为生产控制带来了革命性地变化。阶段川（7090年代）大型液体分布器的基础研究使得填料塔的放大研究成功，并在减压塔中应用获得极大的经济效益和社会效益。阶段W（8021世纪）世界围炼油和石油化学工业向精细、大型化的方向发展，在计算机控制水平、工艺模拟和设计包、塔件基础研究和工业应用经验积累越来越丰富等技术支撑下，现有塔设备的增效、增能、降耗，消除瓶颈、挖潜改造，降低加工成本，提高经济效益成为热门的发展方向。填料继续广泛应用于减压塔，并出现了某些常压塔和加压塔生产的增效、增能中获得一定的效果报导的实例。新型、高效、大处理能力板式塔的不断开发和研究，并在工业
13、应用中获得成功。1.3.3 减压蒸馏塔根据生产任务的不同，减压塔可分为润滑油性和燃料型两种。在一般情况下，无论是哪种类型的减压塔，都要求有尽可能高的拔出率。减压蒸馏的核心设备是减压精馏塔和它的抽真空系统。对减压塔的基本要求是在尽量避免油料发生分解反应的条件下尽可能多地拔出减压馏分油。做到这一点的关键在于提高汽化段的真空度，为了提高汽化段的真空度，除了需要有一套良好的塔顶抽真空系统外，一般还采取以下几种措施： 降低从汽化段到塔顶的流动压降。这一点主要依靠减少塔板数和降低气相通过每层塔板的压降。 降低塔顶油气流出管线的流动压降。现代减压塔塔顶都不出产品，塔顶管线只供抽真空设备抽出不凝气之用，采用塔
14、顶循环回流而不采用塔顶冷回流。 一般的减压塔塔底汽提蒸汽用量比常压塔大，其主要目的是降低汽化段中的油气分压。当汽化段的真空度比较低时，要求塔底汽提蒸汽量较大。近年来，少用或不用汽提蒸汽的干式减压蒸馏技术有较大的发展。 减压塔汽化段温度并不是常压重油在减压蒸馏系统中所经受的最高温度，此最高温度的部位是在减压炉出口。为了避免油品分解，对减压炉出口温度要加以限制，在生产润滑油是不得超过395C,在生产裂化原料是不超过400420C,同时在高温炉管采用较高的油气流速以减少停留时间。 缩短渣油在减压塔的停留时间。塔底减压渣油是最重的物料，如果在高温下停留时间过长，则其分解、缩合等反应会进行的比较显著。其
15、结果，一方面生成较多的不凝气使减压塔的真空度下降；另一方面会造成塔结焦。因此，减压塔底部的直径常常缩小以缩短渣油在塔的停留时间。除了上述为满足“避免分解、提高拔出率”这一基本要求而引出的工艺特征外，减压塔还由于其中的油、气的物性特点而反映出另一些特征。 在减压下，油气、水蒸气、不凝气的比容大，比常压塔中油气的比容要高出十余倍。尽管减压蒸馏时允许采用比常压塔高的多（通常约两倍）的空塔线速，减压塔的直径还是很大。为此，减压塔一般采用多个中段循环回流，常常是在每两个侧线之间都设中段循环回流。这样做也有利于回收利用回流热。 减压塔处理的油料比较重、粘度比较高，而且还可能含有一些表面活性物质。加之塔的蒸
16、气速度又相当高，因此蒸气穿过塔板上的液层时形成泡沫的倾向比较严重。为了减少携带泡沫，减压塔的板间距比常压塔大。加大板间距同时也是为了减少塔板数。此外，在塔的进料段和塔顶都涉及了很大的气相破沫空间，并设有破沫网等设施。由于上述各项工艺特征，从外形来看，减压塔比常压塔显得粗而短。此外，减压塔的底座较高，塔底液面与塔底油抽出泵入口之间的高差在10m左右，这主要是为了给热油泵提供足够的灌注头。1.4小结常减压蒸馏装置是原油深加工的基础，蒸馏过程的方案和设计是否合理、生产操作是否稳定优化、产品质量是否良好等，直接影响各个后续加工过程的处理量收率和全厂的生产均衡性、能耗及经济效益。本课题为500万吨/年的原油蒸馏工程的燃料型常减压塔的设计，主要任务是为催化裂化和加氢裂化提供原料。对燃料型减压塔的基本要求是在控制
