乙烯精馏塔设计

处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-1-目录第一章乙烯精馏塔设计文献综述第一节关于乙烯及其制取方法1.1.1乙烯生产概况??????????????????????????????????31.1.2乙烯生产方法概述??????????????????????????????31.1.3乙烯作为化工原料??????????????????????????????6第二节精馏塔1.2.1填料塔????????????????????????????????????????71.2.2板式塔设计????????????????????????????????????81.2.3板式塔的性能要求??????????????????????????????91.2.4板式塔中气、液相的异常流动????????????????????101.2.5塔板上气液两相接触状态????????????????????????101.2.6常用塔板的类型????????????????????????????????111.2.7板式塔和填料塔的性能比较??????????????????????14第二章工艺流程简介第一节顺序分离流程??????????????????????????????????16第二节前脱乙烷流程??????????????????????????????????18第三节前脱丙烷分离流程??????????????????????????????18第四节前、后加氢流程????????????????????????????????18第三章工艺及结构设计计算第一节工艺设计计算设计条件????????????????????????????????????????????203.1.1全塔的物料衡算????????????????????????????????203.1.2平均分子量的计算??????????????????????????????203.1.3相对挥发度????????????????????????????????????203.1.4塔内气、液相流量??????????????????????????????203.1.5理论塔板数????????????????????????????????????213.1.6塔径的确定????????????????????????????????????213.1.7塔板布置、溢流装置处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-2-和其余结构尺寸的选取????????????????????????????243.1.8浮阀尺寸与排列??????????????????????????????253.1.9塔板校核????????????????????????????????????263.1.10负荷性能图??????????????????????????????????28第二节结构设计计算3.2.1塔板结构设计????????????????????????????????323.2.2塔底高度、塔顶高度人孔数塔总高????????????????????????????????333.2.3主要接管尺寸确定????????????????????????????343.2.4仪表管??????????????????????????????????????34第三节强度计算及校核3.3.1塔壳强度计算????????????????????????????????363.3.2质量载荷计算????????????????????????????????363.3.3塔的自振周期计算????????????????????????????373.3.4地震载荷及地震弯矩计算??????????????????????373.3.5风载荷及风弯矩计算??????????????????????????393.3.6最大弯矩计算????????????????????????????????423.3.7圆筒应力校核????????????????????????????????423.3.8裙座壳轴向应力校核??????????????????????????473.3.9基础环设计??????????????????????????????????473.3.10地脚螺栓??????????????????????????????????483.3.11裙座与塔壳对接焊缝校核????????????????????493.3.12开孔补强计算??????????????????????????????49第四章个人重点专题????????????????????????????????53第五章参考文献附录??????????????????????????????????57处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-3-第一章文献综述第一节关于乙烯及其制取方法1.1.1乙烯生产概况乙烯是结构最简单的一种烯烃石油化学工业中大多数的中间产品和最终产品均是以烯烃和芳烃为基础原料约占到总原料烃的四分之三。乙烯是石油化工的重要基础原料是一个国家石油化工工业发展水平的重要标志。目前世界乙烯生产能力达到83000千吨/年。以下是世界钢铁和乙烯生产发展情况石油烃裂解制取乙烯同时还可得到丙烯、丁二烯及三苯等。乙烯可用来制取聚乙烯采用不同的工艺技术可分别得到高密度聚乙烯、低密度聚乙烯进而可加工成各种聚乙烯制品。乙烯还可以生产氯乙烯及聚氯乙烯进而加工制成各种聚氯乙烯制品.近三十年中钢产量增长2.08倍平均年递增率约2.5而乙烯产量增长17.01倍平均年增长率约10.26。1.1.2乙烯生产方法概述1早在30年代就开始对石油烃碳二以上饱和烷烃高温裂解生产烯烃乙烯、丙烯的技术进行了研究并在40年代初建成年份钢铁产量千吨/年乙烯产量千吨/年1960328150291219654481308661197058079019762197562916021744198066967034057198571890038872198968500049500处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-4-了管式炉裂解生产烯烃的工业装置。经过50多年的发展石油烷烃经管式炉裂解生产乙烯的方法至今仍在乙烯生产中占统治地位其乙烯产量占世界乙烯产量的99。石油烃裂解装置最初采用天然气中回收的乙烷丙烷为原料。以乙烷为裂解气时可得到大约80的乙烯产品而其余20则以副产甲烷氢气为主而副产丙烯等量甚微。以丙烷为裂解原料时乙烯收率降低一半丙烯收率大幅度增加但芳烃副产量仍较小一般不具回收利用的价值。随着烯烃需求的增大仅以乙烷和丙烷为裂解原料远不能满足市场对烯烃的需求裂解原料开始向重质化发展。除使用轻质烷烃以外到60年代逐步发展到大量使用石脑油70年代又将裂解原料扩大到煤油及轻重柴油。1蓄热炉裂解蓄热炉裂解是以蓄热砖为热载体使石油烃裂解制烯烃的技术。此法首先用燃料和空气在蓄热炉燃烧将蓄热炉内残余氧吹扫至安全范围内即可通入裂解原料和水蒸气。裂解原料在水蒸气存在的条件下与高温蓄热砖接触借助蓄热砖提供的热量和温度条件进行裂解反应。随着裂解反应的进行蓄热砖的温度逐步下降当温度降至一定程度则停止裂解原料进料用蒸汽吹扫在用燃料和空气进行加热升温同时烧除积存的结炭。如此反复循环。2流动床裂解流动床裂解技术是在催化裂化技术基础上发展的烃类裂解技术。它以流动床方式循环固体颗粒热载体循环的热载体在加热器或再生器中被加热在反应器中则利用热载体积蓄的热量进行烃类裂解反应。由于此法在裂解过程中生成的结炭可在热载体加热过程中烧除因此可裂解原油渣油等重质原料而维持连续操作。作为重质油裂解的手段曾得到广泛重视。TPC法、Lurgi-Ruhrgas砂子炉法、BASF流动床法、K-K法均为有代表性的流动床裂解技术。处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-5-3流化床部分氧化裂解本法是在流化床反应器中将空气或氧气混入原料烃部分原料烃燃烧生成的热量供其余原料烃进行裂解的反应也称为自热裂解法。对轻质裂解原料而言本法用于生产乙烯对重质裂解原料则用于制取烯烃。4高温水蒸气裂解高温水蒸气裂解法是以水蒸气为热载体利用高温水蒸气的热量为裂解反应供热显然其技术关键在于高温蒸汽的发生。5管式炉裂解管式炉裂解是以间壁加热方式为烃类裂解提供热量的。通常首先在对流段中将管内的烃和水蒸气混合物预热至开始裂解的温度再将烃和水蒸气的混合物送到高温辐射管继续升温以进行裂解管式炉裂解法自40年代初实现工业化生产以来已有50年历史至今仍在乙烯生产中占主导地位。早期的管式裂解炉均为水平排列辐射管的箱式炉其辐射管水平贴壁排列在辐射室内由于停留时间长副反应多结焦量大因而难于适应重质原料油的裂解立式管式裂解炉在60年代研发成功时其反应停留时间缩至0.6-0.7秒70年代进一步改进盘式结构已缩至0.3-0.4秒80年代经过进一步改进炉管结构停留时间已缩短至0.1秒以下即所谓的毫秒裂解炉毫秒裂解炉技术只有在清焦周期方面进一步改善才能使其得到发展。6加氢热裂解加氢热裂解是以管式裂解技术为基础以氢气代替水蒸气作为裂解稀释剂的裂解技术。以氢作稀释剂时氢可以促进裂解反应并在裂解反应中使部分不饱和烃加氢饱和从而减少炉管内的结焦趋势又由于加氢反应为强放热反应加氢裂解所需外热相应减少因此加氢裂解有可能明显提高裂解温度和缩短停留时间并可进一步扩大对裂解原料的适应度。但氢的存在对裂解反应也存在负面影响只能采用加压加氢热裂解而降低能耗的方法来减弱这种影响但处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-6-加压条件显然又对裂解反应产生不利影响这就要求进一步缩短停留时间以平衡压力对裂解反应的不利影响此外将加氢热裂解在重质原料油裂解方面优势与蒸汽裂解在轻烃原料裂解的优势组合起来可能取得较为理想的效果。7催化裂解法催化裂解法是在催化剂存在条件下对石油烃进行高温度裂解的过程。研究表明催化裂解可以提高烯烃的收率同时也将高芳烃收率。由于催化剂的存在作为稀释剂的水蒸气可生成活性基团既可加氢裂解又可促进反应。8小结在烃类裂解生产乙烯的各种裂解方法中对轻烃、石脑油、煤油、轻柴油甚至部分重柴油等裂解原料至今仍是管式炉热裂解法在工业生产中占绝对优势。当使用减压柴油或常压重油做裂解原料时催化裂解法显示出相当的竞争力。预计在重油裂解方面催化裂解法前途十分可观。1.13乙烯作为化工原料由乙烯出发可以生产出许多重要的基本有机化学工业的产品如下表所示这些产品不仅与人们的日常生活息息相关而且关系到一个表面活性剂、增塑剂聚丁烯、线性低密度聚乙烯合成纤维、涂料、粘合剂酯类、维尼龙、制药等合成原料增塑剂原料表面活性剂电线、电缆薄膜、成型制品薄膜、成型制品乙烯氯化乙醇胺水合齐聚、水合苯烷基化乙酰氧基化二聚氧化高碳醇丁烯苯乙烯醋酸脱氢乙苯醋酸乙烯二氯乙烷乙醛氯乙烯第二单体1-丁烯与丙烯共聚氧化聚合聚合聚合线性低密度聚乙烯水合乙丙橡胶环氧乙烷乙二醇高压聚乙烯低压聚乙烯聚苯乙烯塑料、ABS、丁苯橡胶塑料薄膜合成纤维聚氯乙烯涤纶、抗冻剂、炸药等薄膜、成型制品乙醇溶剂、合成原料处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-7-国家的科技发展和社会进步的程度因此乙烯的产量是一个国家化学工业发展的水平。第二节精馏塔2为实现气、液两相的传质过程如精馏吸收分离过程通常需要提供既能使两相接触传质又?苁迪至较喾掷氲钠⒁捍噬璞浮Ｕ庵执噬璞竿ǔ？煞治嚼嗉窗迨塔和填料塔。气、液两相在板式塔内逆向接触逐级通过塔板进行多次接触和分离使两相组成发生阶跃式变化在填料塔内气液两相则是逆向微分接触两相组成发生连续变化在塔两端两相进行完全的分离。两种形式的塔设备在生产中均得到广泛的应用。1.2.1填料塔填料塔是最常用的一类汽液传质设备已有百余年的悠久历史。最早被用做塔填料的是石块、焦碳、玻璃球等1907年拉西环的出现是一个变革但在本世纪60年代以前填料塔仅适用于小直径塔。近二三十年随着研究的深入各种新型高效高通量的散装填料和规整填料以及相应的分布器等塔内件的开发成功填料塔的设计技术也进入了新阶段填料塔只能用于小直径塔的历史已告结束。据文献报道目前矩鞍环填料塔的最大直径达20米金属波纹填料塔直径达13.4米。填料塔在减压和常压操作中获得了成功应用在高压操作中也有不少成功的应用实例。填料塔正在汽液传质设备中发挥着十分重要的作用。填料是填料塔的主要构件塔的性能主要由它决定。工业上采用的填料形式很多总体上可分为散装填料规整填料和格栅填料三类。工业生产对填料的基本要求如下1传质分离效率高2压降小汽液相通量大综上所述表明填料流体力学性能的最基本特性为比表面积和孔隙率/ε常称为干填料因子其值小表明他的处理能力较大。填料种类的发展处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-8-1、散装填料从散装填料的发展历程看它已经经历了三代发展阶段从1907年到50年代发展出了以拉西环和弧鞍型填料为代表的第一代填料随后到70年代相继开发出了鲍尔环和矩鞍形填料为代表的第二代填料从70年代起又开发出了环矩鞍、阶梯环和纳塔环等第三代填料。2、规整填料与散装填料发展的同时多种规整填料得到了研究和开发。第一个规整填料—斯特曼stedman填料于1937年出现但直到50年代后期Goodloe盘绕式丝网填料开发并开发成功了板波纹填料Mellapak。之后相继开发出的分布性能优良的液体分布器等内件使规整填料不在局限于应用在小塔在大规模生产中得到了越来越广的应用。3、我国塔设备技术发展我国塔设备技术的发展经历了一个漫长的过程。新中国成立后随着国民经济的发展陆续建立了一批现代化的石油化工装置。随着这些装置引进的新型塔设备不仅在操作、使用这些设备方面提供了大量的第一手资料还带动了塔设备的科研、设计工作加速了这方面的技术开发。目前我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等填料种类除拉西环、鲍尔环外阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。近年来参加国外塔设备技术的发展动向加强了对筛板塔的科研工作提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。对多降液管塔盘、导向筛板、网孔塔盘等也都作了较多的研究并推广应用于生产。其它如大孔径筛板、双孔径筛板、穿流式可调开孔率筛板、浮阀——筛板复合塔盘以及喷杯塔盘、角钢塔盘、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋叶塔盘等多种塔型和金属鞍环填料的流体力学性能、传质性能和几何结构等方面的试验工作也在进行有处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-9-些已取得了一定的成果或用于生产。1.2.2板式塔设计板式塔结构比较复杂在圆柱形的塔体内装有多层水平塔板。气液两相主要在塔板上进行接触传质过程。因此塔板上必须为气液两相的通道为使气相通过在塔板上开设了一定数量的通道最简单的通道是冲压出一定数量的圆形筛孔故该塔板常称为筛板塔盘该塔也称为筛板塔。气相从塔板下方穿过塔板筛孔进入塔板上方液层与液层鼓泡接触传质。气液两相接触状态传质效果将受气相通道的型式及数量等影响因此气相通道存在多种型式各种类型塔板具有不同的性能。液相横向流过塔板进入通向下层塔板的液相通道降液管或溢流管。降液管通常由一平板与塔壁围成其截面常为弓形。为维持塔盘上一定的液层在塔盘降液管液相入口处设有入口堰在降液管下方留有一定空隙即降液管底隙以便液相从降液管中流到下方的塔盘上。塔板为接受上层塔板流入的液体在降液管下方设有受液盘。有时为保证塔板上液相流动更均匀及液体流量的大小可设一个或多个或不设降液管并称为单流型、多流型及无溢流塔板。无溢流塔板通常为栅板或筛板塔板塔板上的液相随机的穿过部分栅格或筛孔流至下一塔板气相则穿过余下筛孔进入液层或栅格升至上层塔板与液相接触实现气液两相的传质和分离。可见多数板式塔内气液两相流动实际总体上是逆流而塔板上两相为错流流动。1.2.3板式塔的性能要求⑴生产能力的大是指通过单位塔截面上的气液相流量大。⑵塔板效率高即在相同操作条件下完成相同的分离要求所需的实际塔板数少从而可以降低塔高减少投资。处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-10-⑶具有适当的操作弹性即生产负荷或进料流量在一定范围内变化塔仍能正常操作且保持叫高的分离效率完成规定的分离要求。⑷塔板阻力小或塔压差小这对减压塔尤为重要。塔板压差大小常常与塔的处理能力相关。⑸塔结构简单易于加工制造维修保养。1.2.4板式塔中气、液相的异常流动选择或控制塔板上气液两相适宜接触状态如泡沫态和喷射态是为了提高两相的有效传质面积和湍动程度以提高塔板的传质效率。如果塔结构设计不合理或操作条件不适宜将会造成塔内气液两相的异常流动以至造成严重返流塔内两相流动不畅是塔板效率下降生产能力下降甚至会破坏塔的正常操作.因此在精馏塔设计中必须保证给定工艺条件下避免发生异常流动以满足塔内气液两相的流通能力以及塔板分离效率的要求。1液泛由于设计或操作不当诱发某一原因引起塔内气液两相流动不畅最终导致液相充满整个塔板之间的空间使塔的正常操作遭到破坏称此为液泛.根据液泛发生的原因和过程将液泛归纳为两类。a.过量液沫夹带液泛b.降液管液泛2严重漏液塔板上要求维持一定的液层高度以便与气相充分有效的接处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-11-触进行传质.对于大多数形式的板式塔板当通过其气体通道的气速不够大板上的液相会从气相通道漏下称这种现象为漏夜.1.2.5塔板上气液两相接触状态塔板下方的气相穿过筛孔或阀孔进入塔板上的液层时常常因为两相的流量或流速以及物性的差异形成不同的两相接触状态具有不同的传质面积和湍动程度对传质过程产生不同的影响.因此塔板上气液两相的接触状态是直接影响塔板上流体流动状态以及气液两相的传热传质过程的重要因素.所以保证或促成塔板上气液两相形成适宜的接触状态是十分必要的.对筛板和浮阀塔的研究和生产实践发现在严重漏夜至液泛的整个操作范围内存在五种气液接触状态。a.鼓泡状态b.蜂窝状跑沫态c.泡沫状态d.喷射状态e.乳化状态1.2.6常用塔板的类型1泡罩塔板这种塔板气体通常由升气管和泡罩组成如图a所示.升气管的存在避免了塔板的漏夜还常需要开少数几个泪孔以便停工时排除所积存的液体。泡罩的形状不一除大多为圆形外亦有条形相应称S型塔板.泡罩下沿常开有长条形缝隙或制成锯齿状使气体均匀的和液层接触.这种塔板在气液负荷有较大变动处理量为105Kmol的乙烯精馏塔设计-12-时也可操作且具有较高的塔板效率操作弹性较大.它不易堵塞对物料的适应性强长期以来应用较广.但泡罩板的生产能力不大结构过于复杂不仅制造成本高且塔板阻力也大今年来在许多场合已逐渐为其他形式的塔板所取代。2筛板塔板筛板的突出优点是结构简单造价低且塔板阻力小但过去认为它很容易漏夜操作弹性小且易堵塞应用不广.经过长期研究发现只要设计合理和操作适当筛板仍能满足生产上所要求的操作弹性而且效率较高。小筛孔孔径一般在3-6mm大筛孔?拙兑话阄?0-25mm.若采用