第三节 石油精馏塔

第二节原油精馏塔石油精馏的这些特点主要来源于两个方面：（1）石油是烃类和非烃类的复杂混合物，石油精馏是典型的复杂系精馏；（2）炼油厂的处理量大，规模大。2/5/20231一、常减压蒸馏流程

工艺流程：就是一个生产装置的设备、机泵、工艺管线和控制仪表，按生产的内在联系而形成的有机组合。原理流程图：为了简单明了起见，在图中只列出主要设备、机泵和主要工艺管线，这叫原理流程图。2/5/20232图7－33

原油常减压蒸馏原理流程图原油换热器常压炉常压塔汽油回流煤油轻柴油重柴油减压炉减压塔接抽空系统减压一线减压二线减压三线减压渣油2/5/20233二、原油常压精馏塔的工艺特征1.复合塔原油通过常压蒸馏要切割成汽油、煤油、轻柴油、重柴油和重油等四、五种产品，需要四个精馏塔串联。但是它们之间的分离精确度并不要求很高，可以把几个塔结合成一个塔，如图7－35所示。

这种塔实际上等于把几个简单精馏塔重叠起来，它的精馏段相当于原来四个简单塔的四个精馏段组合而成，而其下段则相当于第一个塔的提馏段。这样的塔称为复合塔或复杂塔。2/5/20234图Ⅱ-2-3

常压塔水水水蒸汽水蒸汽水蒸汽水蒸汽原油气体烃汽油煤油轻柴油重柴油常压重油2/5/202352.汽提塔和汽提段在复合塔内，在汽油、煤油、柴油等产品之间只有精馏塔段而没有提馏段，侧线产品中必然会含有相当数量的轻馏分，这样不仅影响本侧线产品的质量，而且降低了较轻馏分的产率。因此，在常压塔外侧，为三个侧线产品设提馏段。对石油精馏塔、提馏段的底部常常不设再沸器，只需向底部吹入过热水蒸汽以降低塔内油汽分压，使混入产品中的较轻馏分汽化而返回常压塔。这样做既可达到分离要求，而且也很简便。这与精馏塔的提馏段在本质上有所不同，故经常不叫提馏段而称为汽提段。侧线汽提用的过热水蒸气量为侧线产品的2~3％（重）。2/5/20236常压塔汽化段中未汽化的油料流向塔底，这部分油料中还含有相当多的<350℃

轻馏分。因此，在进料段以下也要有汽提段，在塔底吹人过热水蒸汽以使其中的轻馏分汽化后返回精馏段，以达到提高常压塔拔出率和减轻减压塔负荷的目的。塔底吹人的过热水蒸汽量一般为2~4％（重）。常压塔底不可能用再沸器代替水蒸汽汽提，因为常压塔底温度一般在350℃左右，如果用再沸器，很难找到合适的热源，而且再沸器十分庞大，减压塔的情况也是如此。

由上述可见，常压塔不是一个完整精馏塔，它不具备真正的提馏段。2/5/202373.全塔热平衡全塔热平衡引出以下结果：过汽化度：为了使常压塔精馏段最低一个侧线以下的几层塔板（在进料段之上）上有一定的液相回流以保证最低侧线产品的质量，原料油进塔后的汽化率应比塔上部各种产品的总收率略高一些，高出的部分称为过汽化量。过汽化量占进料的百分数称为过汽化度。常压塔的过汽化度一般为2~4％。（1）常压塔进料的汽化率至少应等于塔顶产品和个侧线产品的产率之和，否则不能保证要求的拔出率或轻质油收率。（2）在常压塔只靠进料供热，而进料的状态（温度、汽化率）又已被规定的情况下，塔内的回流比实际上就被全塔热平衡确定了。2/5/202384.恒分子回流的假定完全不适用在二元和多元精馏塔的设计计算中作出了恒分子回流的假设，即在塔内的汽、液相的摩尔流量不随塔高而变化。这个近似假设对原油常压精馏塔是完全不适用的。这是因为：（1）原油是复杂混合物，各组分的摩尔汽化潜热可以相差很远；（2）各组分的沸点相差几百度；（3）塔顶、塔底温差很大，常压塔可达250℃。2/5/20239三、分馏精确度1.分馏精确度的表示方法（1）二元或多元组分的分馏精确度二元混合物的分馏精确度可用塔顶产物中B和塔底产物中A的含量来表示（A为轻组分，B为重组分）。（2）石油馏分的分馏精确度对于石油精馏塔中相邻两个馏分之间的分馏精确度，通常用这两个馏分的馏分组成或蒸馏曲线（一般是恩氏蒸馏曲线）的相互关系来表示。2/5/202310如图Ⅱ-2-4所示，倘若较重馏分的初馏点高于较轻馏分的终馏点，则两个馏分之间有些“脱空”，则称这两个馏分之间有一定的“间隙”。间隙可以下式表示：恩氏蒸馏（0~100）间隙＝t0H-t100L

t0H—重馏分的初馏点t100L—轻组分的终馏点

它们的间隙越大，表明分馏精确度越高。当t0H<t100L或（t0H-t100L）为负值时则称为重叠，这意味着有一部分轻馏分进入到重馏分中去了。重叠值（绝对值）愈大，则表示分馏精确度愈差。2/5/202311图Ⅱ-2-4

相邻馏分间的间隙与重叠

思考题：为什么会出现“脱空”？相邻馏分间能分离的这么好吗？问题出在哪？2/5/202312图Ⅱ-2-5

实沸点曲线的重叠2/5/202313

在图Ⅱ-2-5中，1是某一原料馏分的实沸点曲线，要求在tf

温度处分馏切割为两个馏分。当分馏精确度很高以致达到理想的分离时，两个产品的实沸点曲线为2和3，它们之间刚好衔接，即t0H＝t100L＝tf，既不重叠，也不可能出现间隙。当分馏精确度不很高时，则所得轻馏分的实沸点曲线5与重馏分的实沸点曲线4就出现了重叠。一直到分离效果最差的平衡汽化，所得到的轻、重馏分的实沸点曲线7和6就完全重叠了。通常用较重馏分的5％点t5H与较轻馏分的95％点t95H之间的差值来表示分馏精确度，即恩氏蒸馏（5~95）间隙＝t5H-

t95H上式结果为负值时表示重叠。2/5/2023142.分馏精确度与回流比、塔板数的关系（1）影响分馏精确度的因素a.物质中组分之间分离的难易程度，一般是指相对挥发度；b.回流比；c.塔板数。（2）石油馏分的分离精度表示方法用两馏分的恩氏蒸馏50％点温度之差Δt50来表示。2/5/202315（3）常压塔中分馏精度与分离能力和混合物分离难易程度

图Ⅱ-2-7与图Ⅱ-2-8是用于估算常压塔中分馏精确度与回流比、塔板数的关系图。图中纵座标F为回流比与塔板数之乘积，表示该塔段的分离能力；横座标是相邻两馏分的恩氏蒸馏间隙；等Δt50线在图Ⅱ-2-7中表示塔顶产品与一线产品的恩氏蒸馏50％点温度之差，而在图Ⅱ-2-8则表示第m板侧线的t50％与m板以上所有馏出物（作为一个整体）的t50％之差。该两图主要是用于校核在选定的回流比和塔板数的条件下能否达到所要求的分馏精确度，也可以据此来调整所选的回流比和塔板数。2/5/202316图Ⅱ-2-7

原油常压精馏塔塔顶产品与一线之间分馏精确度图2/5/202317图Ⅱ-2-8

原油常压精馏塔侧线产品之间分馏精确度图2/5/202318表Ⅱ-2-2

常压塔塔板数国外文献推荐值石油精馏塔的塔板数主要靠经验选用，表Ⅱ-2-2、表Ⅱ-2-3是常压塔塔板数的参考值。被分离的馏分推荐板数轻汽油－重汽油6~8汽油－煤油6~8煤油－柴油4~6轻柴油－重柴油4~6进料－最低侧线3~6汽提段或侧线汽提42/5/202319表Ⅱ-2-3

国内某些炼厂常压塔塔板数

被分离的馏分东方红Ⅱ套南京Ⅰ套上海炼厂汽油－煤油8109煤油－轻柴油996轻柴油－重柴油746重柴油－裂化原料846最低侧线－进料443进料－塔底4642/5/2023203.实沸点切割点和产品收率（1）实沸点切割点的确定按第一节介绍的方法将恩氏蒸馏的初馏点和终馏点换算为实沸点蒸馏初馏点和终馏点，也可以用图Ⅱ-2-9作近似换算。取（t0H+

t100L）/

2为实沸点切割温度，式中t0H和t100L分别是重馏分的实沸点初馏点和轻馏分终馏点。（2）产品收率有了实沸点切割温度，在原油的实沸点曲线上即可查得相应的产品收率。2/5/202321例Ⅱ-2-1

某原油常压蒸馏要求取得的汽油和煤油的恩氏蒸馏馏程如下表。求实沸点切割温度和它们的产率。已知原油的实沸点蒸馏曲线。馏分的恩氏蒸馏数据馏出％（体）0％10％30％50％70％90％100％汽油，°C34608196109126141煤油，°C1591711791942082252392/5/202322图Ⅱ-2-9

实沸点蒸馏与恩氏蒸馏的初馏点和终馏点的换算用图Ⅱ-2-9的曲线换算：得汽油的实沸点蒸馏终馏点＝150°C

煤油的实沸点蒸馏初馏点＝133°C

实沸点切割点＝（150＋133）/2＝141.5°C实沸点蒸馏温度，°C恩氏蒸馏温度，°C2/5/202323图Ⅱ-2-10

相邻两馏分的实沸点切割温度在图Ⅱ-2-10上141.5°C处作一水平线交原油实沸点曲线于一点，由此点读出汽油的蒸馏收率为4.2％（体）。至于煤油的收率则还需定出煤油和轻柴油之间的切割点后才能确定。2/5/202324同学们上午好！今天是2007年4月4日星期三第三周第八次课上次课我们讲的是石油精馏塔的分馏精确度今天我们讲石油精馏塔的汽液相负荷2/5/202325四、石油精馏塔的汽、液相负荷分布规律符号说明：D、M、G、W—分别为塔顶汽油、侧线煤油、柴油和塔底重油的流量，千摩/时；tD、tM、tG、tW—分别为D、M、G、W的温度，°CtF、

tl—分别为进料和塔顶的温度，°C；LO—塔顶回流量，千摩/时；e—进料汽化率，分子分率；S—塔底汽提蒸汽用量，千摩/时；tS—汽提用过热水蒸汽温度，°C；h—物流焓，千摩/时，上角标V代表汽相，L表示液相。2/5/2023261.塔顶汽、液相负荷L0+D+ShL0V,t1hDV,t1hSV,t1t1L0,t0

hL0L,t0D+S,tD

hDL,tD,hSL,tDM,tMhML,tMG,tGhGL,tGW,tWhWL,tWF,tF

hFV,tF,hFL,tFeS,tS

hSV,tS图Ⅱ-2-11常压精馏塔全塔热平衡示意图2/5/202327对虚线框出的这个隔离体系做热平衡。为简化计算，侧线汽提蒸汽量暂不计入，先不考虑塔顶回流，则进入该隔离体系的热量Q入＝FehFV，tF+F(1-e)hFL，tF+ShSL，tS,千焦/时；离开隔离体系的热量Q出＝DhDV，t1+ShSV，t1+MhML，tM+GhGL，tG+WhWL，tW，千焦/时2/5/202328令Q=Q入-Q出

则Q显然是为了达到全塔热平衡必须由塔顶回流取走的热量，亦即全塔回流热。温度为t0,流量为L0的塔顶回流入塔后再塔顶部第一层塔板上先被加热，至饱和液相状态，继而汽化为温度t1的饱和蒸汽，自塔顶逸出并将回流热Q带走。所以

Q=L0(hL0V,t1-hL0L,t0)千焦/时塔顶回流量L0=Q/(hL0Vt1-hL0L,t0)千摩/时塔顶汽相负荷V1=L0+D+S千摩/时2/5/2023292.汽化段汽、液相负荷（1）若将过汽化量忽略，则汽化段液相负荷（亦即从精馏段最低一层塔板n流下的液相回流量）为

Ln＝0千摩/时（2）汽化段的汽相负荷

VF=D+M+G+S+Ln千摩/时2/5/202330图Ⅱ-2-12常压塔汽化段与精馏段的汽、液相负荷3.最低侧线抽出板下方的汽、液相负荷m,tmⅠⅡⅢDMGSGLm-2Lm-1Ln-2m-1,tm-1n-1,tn-1n,tnFtF2/5/202331

图Ⅱ-2-12

是汽化段至柴油侧线抽出板下的塔段。

（1）考察Ln-1，作隔离体系I，并对隔离体系I作热平衡。暂不计液相回流Ln-1在n板上汽化时焓的变化，则进出隔离体系I的热量

Q入，n=DhDV,tF+MhMV,tF+GhGV,tF+ShSV,tF千焦/时

Q出，n=DhDV,tn+MhMV,tn+GhGV,tn+ShSV,tn千焦/时在精馏过程中，沿塔高自上而下有一个温度梯度，故tF>

tn，2/5/202332因Q入，n>Q出，n令Qn=Q入，n-Q出，n

千焦/时则Qn就是液相回流Ln-1在第n板上汽化所取走的热量，称为n板上的回流热。显然

Ln-1＝Qn/（hV

Ln-1,tn-hL

Ln-1,tn–1)千摩/时上式是Ln-1第n-1板下的液相负荷。第n板上的汽相负荷

Vn=D+M+G+S+Ln-1千摩/时2/5/202333（2）柴油抽出板（第m-1板）下的Vm和Lm-1

在图Ⅱ-2-12

作隔离体系Ⅱ的热平衡，进出体系Ⅱ的热量：Q入，m=DhDV,tF+MhMV,tF+GhGV,tF+ShSV,tF=Q入，n千焦/时

Q出，m=DhDV,tm+MhMV,tm+GhGV,tm+ShSV,tm千焦/时令m板上的回流热为Qm，则Qm＝Q入，m-Q出，m。2/5/202334从第m-1板流至第m板的液相回流量为

Lm-1＝Qm/（hV

Lm-1,tm–hL

Lm-1,

tm–1)千摩/时由Qm＝Q入，m–Q出，m

；

Qn＝Q入，n–Q出，n

；

Q入，m＝Q入，n；又因tm<tn;

所以Q出，m<Q出，n因此Qm>Qn

即自汽化段以上，沿塔高上行，须由塔板上取走的回流热逐板增大。即Lm-1>Ln-12/5/202335（3）结论

沿着石油精馏塔自下而上分析，各层塔板上的油料愈来愈轻，平均分子量愈来愈小，其摩尔汽化潜热也不断减小；但每层板上的回流热却愈来愈大。由此可以判断：以摩尔表示的液相回流量沿塔高自下而上是逐渐增大的，即

Ln<

Ln-1<

Lm<

Lm-12/5/202336表Ⅱ-2-4几种烃的汽化潜热烃正已烷正十二烷环已烷甲基环已烷苯异丙苯分子量86.172170.3384.1698.1878.1120.19汽化潜热千焦/千摩288643917630093317353076437541表Ⅱ-2-4

说明烃类的摩尔汽化潜热随其分子量的增大而增大。2/5/202337

再分析汽相负荷：

自第n板上升的汽相负荷应为

Vn=D+M+G+S+Ln-1千摩/时

自第m板上升的汽相负荷应为

Vm=D+M+G+S+Lm-1千摩/时因Ln-1<Lm-1显然Vm>Vn和液相回流的变化规律相同，以摩尔流量表示的汽相负荷也是沿塔高自下而上增大的。2/5/2023384.经过侧线抽出板时汽、液相负荷的变化以柴油侧线抽出板m-1板为例。仍用图Ⅱ-2-12

，对隔离体系Ⅲ作热平衡。先不计回流，则

Q入，m-1＝

Q入，n=

Q入，m千焦/时Q出，m-1=DhDV,tm-1+MhMV,tm-1+GhGL,tm-1+ShSV,tm-1千焦/时便于分析，上式可写成：Q出，m-1=DhDV,tm=1+MhMV,tm-1+GhGV,tm-1+ShSV,tm-1

–G（hGV,tm-1–hGL,tm–1)

千焦/时第m-1板上的回流热Qm-1＝

Q入，m-1–Q出，m-1千焦/时所以由第m-2板流至第m-1板的液相回流量为

Lm-2＝Qm-1/（hVLm-2,tm-1–hLLm-2,tm–2)千摩/时2/5/202339由此又可得一结论：沿塔高自下而上，每经过一个侧线抽出塔板，液相回流量除由于塔板温降所造成的少量增加外，另有一个突然的增加。这个突增量可以认为等于侧线抽出量。对侧线抽出板上的汽相负荷来说，情况与液相负荷有所不同。柴油抽出板上的汽相负荷为

Vm-1=D+M+S+Lm-2千摩/时与前面Vm相比，Vm-1中减少了G，但是Lm-2比Lm-1却除了因塔板温降而引起的少量增加外，还增加了一个突增量，这个突增量正好相当于G。因此，在经过侧线抽出板时，虽然液相负荷有一个突然的增量，而汽相负荷却仍然只是平缓地增大。2/5/2023405.塔顶第一、二层塔板之间的汽、液相负荷图Ⅱ-2-13

塔顶部的汽、液相负荷D+L0+SD+SDSL0L0,t0L1t1t2122/5/202341图Ⅱ-2-13

示出塔顶部的物流及其温度。

令Q2为第2板上的回流热，Q1为第1板上的回流热。在不设循环回流时，Q就是全塔回流热。则从第一板流至第二板的回流量为

L1＝Q2/（hVL1,t2–hLL1,t1)千摩/时塔顶冷回流量为

L0＝Q1/（hVL0,t1–hLL0,t0)千摩/时由于相邻两板温差不大，可近似地认为Q2≈Q1，t2≈

t1，又可以简化地认为hVL1,t2

≈hVL0,t1.。比较以上两式，可以看到由于t0明显低于t1，故hLL0,t0也明显小于hLL1,t0,结果是L1>L0。即：沿塔高自下而上，液相回流逐板增大，至第二板上达到最大，而到第一板上则有一明显的突降。汽相负荷：V1=D+S+L0

千摩/时

V2=D+S+L1

千摩/时显然V2>V1即：在从第二板进入第一板后，汽相负荷也有一明显的突降。2/5/202342原油精馏塔内的汽、液相负荷分布规律可归纳如下：原油进入汽化段后，其汽相部分进入精馏段。（1）自下而上，液相回流逐渐增大，因而汽相负荷也不断增大；（2）到塔顶第一、二层塔板之间，汽相负荷达到最大值，经第一板后，汽相负荷显著减小；（3）从塔顶送入的冷回流自上而下流经第一板后，冷回流变成热回流，液相回流量有较大幅度的增加，达到最大值；（4）这以后自上而下，液相回流量逐板减小；（5）每经过一层侧线抽出板，液相负荷均有突降；（6）到汽化段，如果进料没有过汽化量，则从精馏段末一层流向汽化段的液相回流为零；（7）汽提段，由上而下，液相和汽相负荷愈来愈小，其变化的大小视流入液相携带的轻组分的多少而定。2/5/202343图Ⅱ-2-14

常压塔精馏段汽、液相负荷分布图102030102030塔板序号液相回流汽相负荷汽相负荷与液相回流，千摩/时2/5/202344同学们上午好！今天是2007年4月6日星期五第三教学周第九次课上次课我们讲的是常压塔的气液相负荷今天我们讲回流方式2/5/202345五、回流方式石油精馏塔与二元或多元系精馏塔的区别：（1）处理量大；（2）回流比是由精馏塔的热平衡确定的，而不是由分馏精确度确定的；（3）塔内的汽、液相负荷沿塔高是变化的；（4）沿塔高的温差比较大。2/5/202346石油精馏塔的回流方式塔顶冷回流：低于泡点温度的回流。塔顶热回流：泡点温度的回流。塔顶循环回流：塔顶液相抽出液相返回。塔顶油气二级冷凝冷却：塔顶油气先冷到饱和温度，在冷却到安全温度。中段回流：塔的中部液相抽出液相返回。2/5/2023471.塔顶油汽二级冷凝冷却

二级冷凝冷却就是将塔顶油汽冷到基本上冷凝，即将回流部分泵送回塔顶，只有出装置的产品部分才进一步冷却到安全温度以下。如图7－47。二级冷凝冷却方案的优缺点：（1）二级冷凝冷却方案所需的总传热面积比一级冷凝冷却方案小得多；（2）采用二级冷凝冷却方案时回到塔顶的是热回流，故回流量比冷回流量多，输送回流所需的能耗也较大；（3）采用二级冷凝冷却方案时，流程较复杂。2/5/202348图Ⅱ-2-15

二级冷凝冷却冷凝器回流罐产品罐冷却器常压塔2/5/202349图Ⅱ-2-16

塔顶循环回流2.塔顶循环回流塔顶产品t2,LCt12/5/202350

塔顶循环回流的工艺流程如图7－48所示。循环回流的量可由下式计算：

LC=QC/(hL

t1

–hL

t2)式中LC—循环回流量，公斤/时；

QC—由LC取走的回流热，千焦/时；

hL

t1，

hL

t2—LC在出塔和入塔温度下的液相焓值，千焦/时。上式对于计算其它形式的循环回流同样适用。

2/5/202351塔顶循环回流主要用在以下几种情况：（1）塔顶回流热较大；（2）塔顶馏出物中含有较多的不凝气；（3）要求尽量降低塔顶馏出线及冷凝冷却系统的流动压降，以保证塔顶压力不致过高，或保证塔内有尽可能高的真空度。2/5/202352

3.中段循环回流

循环回流如果设在精馏塔的中部，就称为中段循环回流。设置中段循环回流，是出于以下两点考虑：（1）如果在塔的中部取走一部分回流热，在设计时就可以采用较小的塔径，或者对某个生产中的精馏塔，采用中段循环回流后可以提高塔的生产能力。图Ⅱ-2-17显示了采用中段循环回流前后塔内汽、液相负荷分布的变化情况。（2）石油精馏塔的回流热数量很大，如何合理回收利用是一个节约能量的重要问题。

2/5/202353图Ⅱ-2-17

采用中段回流前后汽、液相负荷分布的变化2/5/202354

设置中段循环回流时，还须考虑以下几个具体问题：（1）中段循环回流的数目。（2）中段循环回流进出口的温差。（3）中段循环回流的进出口位置。由于以上两点考虑，大、中型石油精馏塔几乎都采用中段循环回流。思考题：为什么国内炼厂的常压塔过去几乎都只采用塔顶冷回流？2/5/202355表Ⅱ-2-5

几种常压塔的回流方案

炼厂上海大庆胜利南京日本某厂加工原油大庆大庆胜利胜利轻质原油各回流取热％：塔顶冷回流21.246.544.756.7–—塔顶循环回流27.3–—–—–—54.0一中循环回流31.031.023.610.825.8二中循环回流20.522.531.732.520.22/5/202356同学们上午好！我们讲石油精馏塔操作条件的确定今天是2007年4月9日，星期一第四教学周第10次课。上次课我们讲了石油精馏塔的回流方式。今天。2/5/202357六、操作条件的确定1.操作压力原油常压精馏塔的最低操作压力最终是受制约于塔顶产品接受罐的温度下塔顶产品的泡点压力。提高塔的操作压力的不利之处：（1）精馏效率有所降低；（2）塔顶冷凝冷却器的负荷增大；（3）由于加热炉的出口温度不能任意提高而使轻质油品的收率会受到影响。提高操作压力的有利之处：（1）可以提高处理能力；（2）操作温度提，有利于侧线馏分的热量的回收。2/5/202358塔顶压力确定后，塔的各部位的压力也随之确定。塔的各部位的操作压力与气流经塔板时所造成的压降有关，油气自下而上流动，故塔内压力由下而上逐渐降低，常压塔采用的各种塔板的压降大致如表7－11所示。

由加热炉出口经转油线到精馏塔汽化段的压降通常为0.034MPa，因此，由汽化段的压力即可推算出炉出口的压力。2/5/202359表7－11

各种塔板的