毕业设计-500万吨年炼油减压蒸馏装置设计

毕业设计（论文）说明书

学 院 化工学院 专 业 过程装备与控制工程 年 级 姓 名 指导教师

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毕业设计（论文）任务书

题目：500万吨/年炼油减压蒸馏装置设计

学生姓名 学院名称 化工学院 专 业 过程装备与控制工程 学 号 指导教师

职 称 教授

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一、原始依据

随着工业的兴旺发展，我国对于石油的需求缺口越来越大。所以，石油的制备与储备也重要万分，炼油装置的高产高效也日益重要。

原油蒸馏是原油加工的第一道工序，它是先将原油进行加热，使其全部或部分气化，再将生成的气化物按照不同的温度，分段进行冷凝和冷却，得到不同要求的各种产品。这种气化与冷却冷凝的方式可以重复进行多次。原油通过蒸馏可分割成汽油、煤油、柴油等轻质馏分油，各种润滑油馏分、裂化原料(即减压馏分油或蜡油)等重质馏分油及减压渣油。

从常压塔底抽出的塔底油经减压炉加热至370—410 ℃左右后进入减压塔。由于原油在常压下加热至400 ℃以上时会产生裂化，引起加热炉炉管结焦，并影响产品质量，因此加热温度不宜再高，采用在负压下进行蒸馏，可获得更多的馏出油，以提供更多的二次加工原料。为了降低塔顶冷却器的阻力降，减少塔顶抽真空设备的负荷，减压塔馏出的产品基本上全部从侧线抽出，塔顶一般不出产品，直接与抽真空设备连接，一般塔顶压力为40 mmHg以下。抽真空设备的作用是将塔内产生的不凝气(主要是裂解气和漏入的空气)和吹入的水蒸汽连续地抽走以保证减压塔的真空度要求。根据生产要求，减压塔常开3—5个侧线，可用来制造润滑油或作催化裂化的原料。如对最下一个侧线产品的残炭值和重金属含量有较高要求，则需在塔进口与最下一个侧线抽出口之间设1—2个洗涤段。塔底渣油可以送至焦化或氧化沥青装置或其它渣油深度加工装置。为了充分回收热量，在装置流程中，将原油与减压塔各种经加工的馏分油在一系列换热器中进行换热。

减压精馏塔一般要求有尽可能高的拔出率，为此除了选用适当的真空泵使塔顶保持较高真空度外，应采用低阻力的塔内件。本课题主要是根据工艺数据进行设计原油减压蒸馏内件的结构，使得全塔压降降低，提高拔出率。通过对流程的分析和塔的设计，了解目前国内外该类设备的发展现状，思考对其有何改进，对蒸馏减压塔设备的研究可以提高学生的专业知识水平，对将来工作、科研打下良好的基础。

二、参考文献

[1] 廖芝文.常减压装置减压深拔模拟与实践.石化技术与应用,2008,26(2): 172-176

[2] 刘海燕,于建宁,鲍晓军.世界石油炼制技术现状及未来发展趋势.过程工程学

报,2007,7(1):176-185

[3] 赵建明．简述炼油技术的现状及发展[J]．中国科技财富，2008，10. [4] 王松汉主编，石油化工设计手册[M]．北京，化学工业出版社，2001年 [5] 罗资琴.论原油蒸馏技术的发展方向.兰州石化职业技术学院学报,2003,3 (1):1-3

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[6] 汤湘华，丁少恒．2008年我国成品油市场半年回顾与展望．国际石油经济，2008，8：

55-60.

[7] 于长青．加氢裂化装置能耗分析及降耗措施[J]．广石化科技，2008，9(3)：17-21. [8] 陈士军，黄费喜．常减压蒸馏装置扩能改造新途径[J]．石油炼制与化工，2004，35(7)：

27-30.

[9] 兰州石油机械研究所主编．现代塔器技术[M]．北京，中国石化出版社，2005

三、设计（研究）内容和要求

设计目标：根据已有的工艺模拟计算和塔内件水力学计算结果，完成500万吨/

年减压塔内件的设计，掌握常规塔的设计方法，并熟练设计软件的应用。

设计内容：减压塔设计规格为φ4800/φ7800。总图和支承；DN4800管子、槽式

液体分布器、压圈、塔盘、集油箱(不考虑热膨胀结构，全连通设计)、填料支撑（云梯梁支承）；DN7800管子、槽式液体分布器、压圈、集油箱(考虑热膨胀结构，底部集油箱高度为250~300mm)、双切向和能量吸收器；双列叶片气体分布器

设计要求：(1) 各段填料、集油箱等支撑件需采用轻型结构，尽量减少占塔截面

积比例，尽可能避免填料段产生气液接触“死区”。

(2) 集油箱、液体分布器的设计要结构简单、易于制造安装，其高度

能满足上限操作即可。

(3) 液体分配器等在设计时应考虑塔内安装过程中能进行水平调节。 (4) 汽提段塔盘怕吹翻需考虑加强，辅梁用槽钢梁采用冲阀结构。

指导教师（签字）

年 月 日

审题小组组长（签字）

年 月 日

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天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告

课题名称 学院名称 学生姓名 500万吨/年炼油减压蒸馏装置设计 化工学院 专业名称 指导教师 过程装备与控制工程 一、课题的来源及意义 随着国民经济的快速发展，世界上对能源的需求量迅速上升，我国原油一次加工能力达到3.28亿吨/年，居世界第二位。我国的炼油技术主要借鉴国外，整体工艺流程多从国外引进，长期以来缺乏自主知识产权的技术，流程改进甚微，与发达国家有一定的差距，特别是我国炼油技术的能耗远远高于国外能耗水平，是制约我国原油加工技术发展的瓶颈。为了减少对国外的依赖，需要独立自主地解决重大工程技术难题。目前，由于原油价格体系与国际接轨，生产操作成本不断提高，石油化工行业面临着严峻的挑战。因此，必须提高炼油厂的应变能力，降低生产成本，以保持企业的竞争力。 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。 500万吨/年炼油减压装置设计工作的参与和完成将会对我的专业素养有一个质的提升，比如对化工设备内件的设计标准的熟悉，化工设备设计思路的开拓，设备设计方面经验的养成以及CAD制图能力。另外，从这次毕业设计中我也能学到设计工作的流程与分工，以及了解化工设备设计领域的情况。这一切无疑对我日后的发展有着举足轻重的作用。 二、国内外发展状况 原油预处理工艺， ? 某新粘稠原油预处理的方法：先将稠油用煤油馏分稀释，然后将脱钙剂与稀释后的稠油混合、沉降，再将脱酸剂与脱钙后的稠油混合、萃取，最后将脱钙剂和脱酸剂中的溶剂回收后返回脱钙段和脱酸段循环使用。该方法流程简单，能同时有效脱除粘稠原油中的钙、酸、盐等杂质。 ? 破乳剂价格的昂贵和极大短缺导致了必须寻找提高破乳剂再次使用效果的有效措施。研究表明可以通过正确计算相位间分配的数据来提高破乳剂再次使用的效果，通常是指进入原油预处理工艺流程选择投药点时的非离子表面活性剂。用这种方法已经解决了提高破乳剂再次使用的部分问题，它的关键在于乳化剂破

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目 录

第一章 文献综述 ????????????????1

1.1 石油工业简介 ?????????????????1 1.2 石油蒸馏工艺 ?????????????????2 1.3 塔设备及原油减压塔 ??????????????3 1.4 小结 ?????????????????????6

第二章 原油蒸馏工艺流程???????????? 8

2.1 原油蒸馏具体工艺流程?????????????8

2.2 原油蒸馏工艺特点 ???????????????9

第三章 原油减压蒸馏塔的设计??????????10

3.1 原油减压蒸馏塔基本设计要求??????????10

3.2 原油减压蒸馏塔设计方案????????????10 3.3 原油减压蒸馏塔内件设计???????????14 3.4 原油减压蒸馏塔内件应力分析??????????20

参考文献????????????????????? 附录 外文资料 中文译文

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天津大学2010届本科毕业设计（论文）

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：

⑴ 燃料：如各种牌号的汽油、航空煤油、柴油、重质燃料油等； ⑵ 润滑油：如各种牌号的内燃机油、机械油等；

⑶ 有机化工原料：如生产乙烯的裂解原料、各种芳烃和烯烃等； ⑷ 工艺用油：如变压器油、电缆油、液压油等；

⑸ 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； ⑹ 蜡：如各种食用、药用化妆品用，包装用的石蜡和地蜡； ⑺ 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，不能不未雨绸缪，以防石油短缺制约汽车工业的正常发展。从世界范围看，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%；石油焦可用以

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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范围油品(称为馏分)的过程。通常包括三个工序：①原油预处理：即脱除原油中的水和盐。②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)。③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塔设备 1.3.1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，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

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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，可将现代塔设备技术的发展应用归纳为5个阶段，详见图1。

图1 塔设备研究阶段示意图

阶段Ⅰ (20世纪20～50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内件，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Ⅱ (50～70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，精馏塔内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内件的主流，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内的传热、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、规范化塔板设计技术，该方法到目前为止仍然广泛流行。

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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Ⅲ(70～90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Ⅳ (80～21世纪)

世界范围内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、塔内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：

①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。

②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，采用塔顶循环回流而不采用塔顶冷回流。

③一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。

④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395℃，在生产裂化原料是不超过400～420℃，同时在高温炉管内采用较高的油气流速以减少停留时间。

⑤缩短渣油在减压塔内的停留时间。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；另一方面会造成塔内结焦。因此，减压塔底部的直径常常缩小以缩短渣油在塔内的停留时间。

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。

①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

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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。

②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。加之塔内的蒸气速度又相当高，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，减压塔内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馏出油中的胶质、沥青质和重金属含量的前提下尽可能提高馏出油的拔出率。根据以上分析可以得到：

①采取填料塔结构以降低从汽化段至塔顶的压降。

②可以大大减少内回流量，在某些塔段，甚至可使内回流量减少到零。这可以通过塔顶循环回流和中段循环回流做到。

③为了降低馏出油的残碳值和重金属含量，在汽化段上面设有洗涤段。洗涤段中设有塔板和破沫网。所用的回流油可以是最下一个侧线馏出油，也可以设循环回流。为了保证最低侧线抽出板下有一定的回流量，通常应用1%～2%的过汽化度。对裂化原料要求严格时，过汽化度可高达4%。一般来说，过汽化度不要过高。

④燃料型减压塔的气、液相负荷分布与常压塔或润滑油型减压塔有很大的不同。在燃料型减压塔内，除了汽化段上面的几层板上有内回流以外，其余塔段里基本上没有内回流。因此，它的气、液相负荷分布无须借助于热平衡和猜算而可以通过分析直接算出。

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第二章 原油蒸馏工艺流程

2.1原油蒸馏具体工艺流程

确定原油加工方案是炼厂设计和生产的首要任务。炼厂根据所加工原油的性质、市场需求、加工技术的先进性和可靠性以及经济效益等方面的综合考虑，进行全面的分析、研究对比，才能制定出合理的加工方案。

原有蒸馏具体工艺流程如下：

原油预处理

应用电化学分离或加热沉降方法脱除原油所含水、盐和固体杂质的过程。主要目的是防止盐类（钠、钙、镁的氯化物）离解产生氯化氢而腐蚀设备和盐垢在管式炉炉管内沉积。

采用电化学分离时,在原油中要加入几到几十ppm破乳剂（离子型破乳剂或非离子型聚醚类破乳剂）和软化水，然后通过高压电场(电场强度1.2～1.5kV/cm),使含盐的水滴聚集沉降，从而除去原油中的盐、水和其他杂质。电化学脱盐常以两组设备串联使用（二级脱盐,图1原油二级电化学脱盐流程）以提高脱盐效果。

常压蒸馏

预处理后的原油经加热后送入常压蒸馏装置(图2常压蒸馏（双塔）流程)的初馏塔,蒸馏出大部分轻汽油。初馏塔底原油经加热至360～370°C，进入常压蒸馏塔（塔板数36～48），该塔的塔顶产物为汽油馏分（又称石脑油），与初馏塔顶的轻汽油一起可作为催化重整原料，或作为石油化工原料，或作为汽油调合组分。常压塔侧线出料进入汽提塔，用水蒸气或再沸器加热,蒸发出轻组分，以控制轻组分含量(用产品闪点表示)。通常,侧一线为喷气燃料（即航空煤油）或煤油馏分，侧二线为轻柴油馏分，侧三线为重柴油或变压器油馏分（属润滑油

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馏分），塔底产物即常压渣油(即重油)。

减压蒸馏

也称真空蒸馏。原油中重馏分沸点约370～535°C,在常压下要蒸馏出这些馏分,需要加热到420°C以上,而在此温度下,重馏分会发生一定程度的裂化。因此,通常在常压蒸馏后再进行减压蒸馏。在约2～8kPa的绝对压力下，使在不发生明显裂化反应的温度下蒸馏出重组分。常压渣油经减压加热炉加热到约380～400°C送入减压蒸馏塔。减压蒸馏可分为润滑油型（图3 润滑油型减压蒸馏流程）和燃料油型两类。前者各馏分的分离精确度要求较高，塔板数24～26；后者要求不高，塔板数15～17。

2.2原油蒸馏工艺特点

由以上流程分析可知，与一般的蒸馏一样，原油蒸馏也是利用原油中各组分相对挥发度的不同而实现各馏分的分离。但原油是复杂烃类混合物，各种烃（以及烃与烃形成的共沸物）的沸点由低到高几乎是连续分布的，用简单蒸馏方法极难分离出纯化合物，一般是根据产品要求按沸点范围分割成轻重不同的馏分，因此，原油蒸馏塔与分离纯化合物的精馏塔不同，其特点为：① 有多个侧线出料口，原油蒸馏各馏分的分离精确度不要求像纯化合物蒸馏那样高，多个侧口(一般有3～4个)可以同时引出轻重不同的馏分。②提浓段很短。原油蒸馏塔底物料很重，不宜在塔底供热。但通常在塔底通入过热水蒸气，使较轻馏分蒸发，一般提浓段只有3～4块塔板。③中段回流。原油各馏分的平均沸点相差很大，造成原油蒸馏塔内蒸气负荷和液体负荷由下向上递增。为使负荷均匀并回收高温下的热量，采用中段回流取热（即在塔中部抽出液体，经换热冷却回收热量后再送回塔内）。通常采用2～3个中段回流。 。

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第三章 原油减压蒸馏塔的设计

3.1设计基本要求

基本要求如下：

装置处理能力：原油加工量500万吨/年 年开工时间：8000小时 操作弹性：50%～105% 原油品种及掺炼比例：

减压塔设计须满足下列二种工况：

工矿一：大庆原油：阿曼原油：沙特原油＝50：25：25（wt%） 工矿二：大庆原油：俄罗斯原油＝90.48：9.52（wt%）

产品方案：减一线作为柴油产品，ASTM D86 95%≦365摄氏度 减压塔尽可能多抽出催化原料及侧线抽出 主要操作条件：

减压塔顶设计压力：20mmHg

在设计条件和操作弹性范围内保证所提供的产品的机械性能、水力学性能、产品质量和收率

3.2减压塔设计方案

根据减压塔工艺条件所提供的原油性质及产品质量要求，我对常减压蒸馏系统进行了工艺模拟计算，对减压塔进行了流体力学核算，确定了塔径及填料、内件布置方案。

减压塔塔顶至进料段全部采用规整填料，根据工艺要求，填料共分为5段，设计主塔规格为Φ4800/Φ7800/Φ4800mm，塔总高为47576mm。

各段填料及内件设计说明如下：

（1）顶循换热段（床层ⅰ）

顶循换热段填料采用传质、传热效率高的天津大学专利产品双向金属折波式波纹填料ZUPAC1.5型，高度2.0米，设计塔径Φ4.8米。顶循液体分布器采用综合性能优良的倒班连通槽式液体分布器。减一线抽出集油箱采用新型槽盘式集油箱，在保证减一线及顶循液体抽出的同时，可将上升气体分布均匀，集油箱采用可吸收受热膨胀的结构，防止生产过程中由于热膨胀造成的变形或毁坏。 为了改善填料层顶部液体初始分布效果，在填料段顶部设置2层100mm高的填料盘，其下面则为9层200mm高填料盘。

（2）柴油分离段（床层ⅱ）

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按工艺要求，为了使减一线生产合格的柴油产品，在减一线和减二线之间设置柴油分离段，该段要求有较高的理论板数。该段设计塔径。4.8米，填料采用双向金属折峰式波纹填料ZUPAC3型高度2.6米，以保证分离效果。 液体分布器采用综合性能优良的导板连通槽式液体分布器。填料下方设新型槽盘式集油箱，将液体收集后，经降液结构导入下面一中液体分布器的一级槽中。集油箱采用可吸收受热膨胀的结构，防止生产过程中由于热膨胀造成的变形或毁坏。

为了改善填料层顶部液体初始分布效果，在填料段顶部设置2层100mm高填料盘，其下面则为12层200mm高填料盘。

（3）一中换热段（床层ⅲ）

一中换热段填料采用双向金属折峰式波纹填料ZUPACI15 型，高度1.8米，设计塔径Φ7．8米。其中填料段顶部为2层100mm高填料盘，其余为8层200mm高填料盘，以改善初始分布效果。

一中换热段抽出集油箱采用新型槽盘式集油箱，在保证减二线及一中抽出的同时，将上升气体分布均匀。集油箱采用可吸收受热膨胀的结构，防止生产过程中变形或毁坏。

（4）二中换热段（床层ⅳ）

该段设计塔径7.8米。二中换热段填料采用双向金属折峰式波纹填料ZUPACI15型填料2.2米，其中填料段顶部为2层100mm高填料盘，其余为10层200mm高填料盘，以改善初始分布效果。液体分布器采用新型导板连通槽式液体分布器；

二中及减三线抽出集油箱采用新型槽盘式集油箱，可同时保证减三线及二中循环油的抽出和上升气体重新调整、分布。集油精采用可吸收受热膨胀的结构，防止生产过程中变形或毁坏。

（5）洗涤段（床层ⅴ）

洗涤段设计塔径Φ7.8米。填料上段采用双向金属折峰式波纹填料ZUPAC3型2.0米，填料下段采用新型抗堵塞填料TUPACI15型0.6 米。填料盘设置为（从上到下）：100mm高ZUPAC3型2层，200mm高ZUPAC3型9层，200mm高TUPACI．5型3层。

填料上方液体分布器采用新型导板连通槽式液体分布器；过汽化油抽出集油箱采用新型槽盘式集油箱。集油箱设计为热壁式集油箱，结构设计有利于过汽化油的采出，可避免集油箱存液结焦。该段集油箱同时采用可吸收受热膨胀的结构，防止生产过程中因热膨胀问题引起变形或毁坏。

（6）进料段

大型塔器的气体分布也是保证填料性能发挥、关系全塔设计成功与否的关键。进料分布器采用综合性能优良的具有捕液吸能作用的双环流进料分布器。

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（7）塔底气提段

塔底气提段设计采用4层大固舌塔盘，可使进料降液充分气提，保证减压塔的拔出率及减底渣油的产品质量，设计塔径Φ4.8米。

塔底抽出加设Φ3.2米抽出釜，可减小塔釜存液量以避免釜液结焦，能更好控制抽出时间。塔底渣油抽出口设置防涡流器。 由此可得减压塔整体结构示意如下：

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1减一中回流分布管支座 2槽式液体分布器支座（一） 3填料支撑支座（一） 4集油箱支座（一） 5减一内回流分布管支座 6集油箱支座（二） 7减二中回流分布管支座 8槽式液体分布器支座（二） 9填料支撑支座（二） 10集油箱支座（三） 11减三中回流分布管支座 12集油箱支座（四） 13洗涤油分布管支座 14集油箱支座（五） 15双列叶片气体分布器 16能量吸收器支座 17塔盘固定件（一） 18塔盘固定件（二） 19塔盘固定件（三） 20液封盘 21汽提蒸汽分布管支座

图2 减压塔整体结构示意图

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3.3减压塔内件设计 3.3.1槽式液体分布器设计 3.3.1.1整体结构确定

本填料塔采用规整填料,分离率高,持液量小,孔隙率大.需要有好的液体分布器配合,以达到好的汽液分布效果.良好的分布器应有的特点是:气相通过的自由截面大,压降小阻力小,不容易堵塞,不易造成雾沫夹带,且应便于制造安装. 本次设计采用的是二级槽式液体分布器，它在大、中型填料塔中的应用十分普遍，适用于液体流量范围较宽的场合，其操作弹性可达到4或者更高。该种分布器的气相流通面积比盘式液体分布器大，因此可以降低气流通过分布器的阻力。本次设计的原油蒸馏减压塔在各段填料上部均采用了新型抗堵塞的槽式液体分布器。二级槽式液体分布器一般由一级槽和多条相互保持一定间距，平行布置于塔内的二级槽组成。回流液和液体物料通过一级槽上方的进料管进入一级槽中，一级槽按比例将其分配到各个二级槽中，再由二级槽实现整个塔截面的液体均匀分布，气体从二级槽空隙处向上流动，这样提供的气体通道要比盘式分布器所能提供的大，可以占到55％的塔截面。一级槽内有两个对称布置的缓冲槽，当液体引入一级槽时，沿着液体流动方向存在一个较大的液体冲力，如果这个冲力不被消除或减轻的话，该位置的对应的二级槽液体分布的效果会受到一定影响。因此在该位置设有缓冲槽，使冲力减小，液体分布的效果大大优于直接进入一级槽时的分布效果。最终效果图如下：

二级槽缓冲槽一级槽连通槽梁挡液板

图3 槽式液体分布器效果图

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3.3.1.2设计计算说明

按照流体力学的孔流公式,重力分布器的排液量与小孔数目以及孔径存在着以下关系:

式中 Q —— 液体流率；m3 /s ；

Q?C0πn4d22ghd —— 布液孔直径,m ； C0 —— 孔流系数，无因次； n —— 布液孔数量；

g —— 重力加速度 ，9.81m/s2； h —— 液位高度；m。

孔流系数C0值随小孔液体流出的雷诺数Re变化。孔流系数越大，表明孔对液体的阻力越小，液体越容易从小孔流出，液位越低，所以分布器的高度越小。在实际设计中应根据实验测得的数据选取孔流系数。对于此次设计的槽式液体分布器，可以利用柏努利方程，按分布器的气体阻力为零得出液位高度值，再加10mm作为实际液位高度，以保证安全.由此得出开孔表

孔径(mm) 塔径(m) 孔数 设计流量(m3/h) Hst(m) Hmin(m) Hmax(m) Lmin(m3/h) Lmax(m3/h) 孔面积(m2) 32一级槽分布器位置 1～2 8 4.8 420 63.223 0.201 0.023 0.2 32.411 77.31 26.023 0.5~1.3 0.74 3～7 10 4.8 420 91.31 0.201 0.023 0.2 45.333 123.3 26.023 7.32 0.5~1.3 0.81 二级槽分布器位置 1～2 8 4.8 2226 63.223 0.201 0.023 0.2 32.411 77.31 130.24 6.11 0.5~1.3 0.91 3～7 10 4.8 2226 91.31 0.201 0.023 0.2 45.333 123.3 130.24 7.32 0.5~1.3 0.93 喷淋密度(m/ mh) 6.11 操作弹性 孔流系数

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3.3.1.3设计结构说明：

槽式分布器由第一级槽及第二级槽组成.液体首先进入第一级槽,再有第一级槽分配到各第二级槽,然后把液体喷于填料上.为防止一级槽内液体波动及液体飞溅,液体进入布液孔速度不应超过1.2米每秒.我们将分布器设计成分体式,以便组装.

为了改善分布效果,我们在喷淋孔边设置挡板,将液体流击碎为液滴群,从而改善分布.

图4槽式液体分布器挡板

槽式液体分布器是一种新型高效液体分布器,其质量高低对填料塔的操作影响很大,设计时应根据理论公式详细分析,充分发挥其布液均匀,操作弹性大的优点,以改善填料塔的操作性能. 最终具体设计图如下：

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图9.集油箱的结构简图

3.4.2分析计算条件

1.分析计算条件 1）工况说明：

考虑自重+承重+开车冲击压力等荷载的影响 表 不同构件对应的自重、温度、压力条件 构件 承重(Kg) 冲击压力(MPa) [1] 集油箱 24432 0.007 注：冲击压力选用可能出现的最大冲击荷载进行计算，这对于分析结果是偏于安全的。

2）荷载作用点

将承重等效成面力均匀的施加在塔盘、渠和斗上。自重作用在各构件的重心。 3）应力分析坐标规定

选用直角坐标与局部坐标相结合。 2．材料性能数据：

表3 358℃下材料的性能数据 密度 集油箱构件 材料 泊松比 弹性模量（MPa） 许用应力（MPa） 3（kg/mm） 93.4 底板 06Cr19Ni10 7.8×10-6 0.3 1.73×105 升气管 斗 筋板 06Cr19Ni10 7.8×10-6 -6 06Cr19Ni10 7.8×1006Cr19Ni10 7.8×10-6 0.3 0.3 0.3 1.73×105 51.73×10 1.73×105 93.4 93.4 93.4 3.4.3结构分析和力学模型

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3.4.3.1结构分析

本分析报告中的有限元应力分析基于该参数进行。由于集油箱采用不锈钢06Cr19Ni10，应力分析计算中考虑腐蚀余量为0。集油箱所受载荷包括自重、承重和冲击压力，忽略设备自身的温度应力。

根据集油箱的结构特性和承载特性，在有限元模型构建中，建立图10所示有限元计算模型。

1ELEMENTSOCT 12 200921:15:561ELEMENTSOCT 12 200921:15:32YZX COLUMN PACK SUPPORT TRUSS COLUMN PACK SUPPORT TRUSS 图10 有限元计算模型

边界条件和所用单元如下： 位移边界条件 ：

对于集油箱模型，约束其塔盘外圈的UY自由度，约束斗支承胁板与塔壁内侧焊缝的所有自由度。如果在塔壁上焊有筋板，则对筋板与塔壁的焊缝处进行全约束。 载荷边界条件 ：

将承重等效为均布载荷加在集油箱的底板、渠以及斗上，利用重力场考虑模型各组件自重的影响。 有限单元选择 ：

采用ANSYS软件中的壳单元Shell63，可以较好的模拟集油箱的真实受力状态。

3.4.4应力分析

有限元分析采用ANSYS软件，应力分析结果图的变形放大倍数为100。图11给出了集油箱的应力分析云图。图4给出集油箱的挠度变化图。图13对应的是集油箱中各构件的应力云图。

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =8.852SMN =.009933SMX =65.146OCT 12 200921:16:111NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =8.852SMN =.009933SMX =65.146OCT 12 200921:16:17MNYZMXYXZXMXMN.009933 (a) 主视图 (b) 右视图

COLUMN PACK SUPPORT TRUSS COLUMN PACK SUPPORT TRUSS 7.24714.48521.72228.95936.19743.43450.67157.90965.146.0099337.24714.48521.72228.95936.19743.43450.67157.90965.14621

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1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =8.852SMN =.009933SMX =65.146OCT 12 200921:16:291NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =8.852SMN =.009933SMX =65.146OCT 12 200921:16:35MNMNYMXYZXZMXX.0099337.24714.48521.72228.95936.19743.43450.67157.90965.146.0099337.24714.48521.72228.95936.19743.43450.67157.90965.146 COLUMN PACK SUPPORT TRUSS COLUMN PACK SUPPORT TRUSS (c) 俯视图 (d) 等视图 图11 集油箱的应力分布云图

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1UY (AVG)RSYS=0DMX =8.852SMN =-8.833SMX =.011504OCT 12 200921:16:44MXYMNZX-8.833-7.851-6.868-5.885-4.902-3.92-2.937-1.954-.971264.011504 COLUMN PACK SUPPORT TRUSS 图12 集油箱的挠度分布云图

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =7.353SMN =.009933SMX =59.023MN1NODAL SOLUTIONOCT 12 200921:21:00STEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =8.852SMN =.252867SMX =65.146OCT 12 200921:21:16MXYZXYZMXXMN.0099336.56713.12419.68126.23832.79539.35245.90952.46659.023.2528677.46314.67421.88429.09436.30543.51550.72557.93665.146 COLUMN PACK SUPPORT TRUSS COLUMN PACK SUPPORT TRUSS (a) 升气管 (b) 塔板

1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =7.344SMN =.517393SMX =45.504OCT 12 200921:21:39YZXMNMX.5173935.51610.51415.51320.51125.5130.50835.50740.50545.504 COLUMN PACK SUPPORT TRUSS (c) 斗

图13 集油箱各构件的应力分布云图

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表 不同构件的最大等效应力及挠度 构件 升气管 塔板 斗 最大等效应力 (MPa) 59 65.1 45.5 最大挠度 (mm) 7.353 8.852 7.344 3.4.5强度评定

由于集油箱局部点最大应力强度值为65.1MPa，而06Cr19Ni10在设计温度358℃下的许用应力为93.4MPa，根据GB150-1998判断强度评定通过。

集油箱所允许的最大挠度不能大于1/1000直径，即挠度应小于9.2mm。本例中集油箱所发生的最大挠度为8.852mm，满足挠度要求。可以判断刚度评定通过。

3.4.6集油箱安装说明

1) 集油箱中支座及支持圈处的所有螺母塔内拧紧后与螺栓点焊。 2) 抽出斗安装时底板稍微向塔壁一侧倾斜，防止积液。

3) 如果抽出口处的防旋挡板与浮球液位计相碰，需要现场改造防旋挡板。 4) 集油箱（一）～（五）参照JB/T1205-2001《塔盘技术条件》进行制造

和验收。均以支持圈上表面为定位基准。

安装完检查：

1) 集油箱安装后应去除尘土焊渣及其它杂物。 2) 集油箱安装后应调整水平，集油箱（一）（二）安装水平度偏差≤4mm，

集油箱（三）～（五）安装水平度偏差≤6mm。 集油箱试漏：

1) 临时将底板上的泪孔及出料口封堵，并向集油箱内注水。保证水位到集

油箱溢流管上口下方一定高度。

2) 充水保持一段时间，从集油箱下面观察有无泄漏点（有束状液体漏出为

泄漏），找出并记下所有泄漏点位置。放水后补焊或封堵泄漏点，并再次充水查找泄漏点，反复以上程序直到找不到泄漏点为止。 3) 充水至设计最高液位（或距升气管上沿50mm），保持20分钟，液面下降

不得超过25mm。

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参考文献

[1] 廖芝文.常减压装置减压深拔模拟与实践.石化技术与应用,2008,26(2): 172-176 [2] 刘海燕,于建宁,鲍晓军.世界石油炼制技术现状及未来发展趋势.过程工程学

报,2007,7(1):176-185

[3] 赵建明．简述炼油技术的现状及发展[J]．中国科技财富，2008，10. [4] 王松汉主编，石油化工设计手册[M]．北京，化学工业出版社，2001年.

[5] 罗资琴.论原油蒸馏技术的发展方向.兰州石化职业技术学院学报,2003,3 (1):1-3. [6] 汤湘华，丁少恒．2008年我国成品油市场半年回顾与展望．国际石油经济，2008，8：

55-60.

[7] 于长青．加氢裂化装置能耗分析及降耗措施[J]．广石化科技，2008，9(3)：17-21. [8] Marco A. Satyro, Harvey Yarranton.Oil Characterization from Simulation of Experimental

Distillation Data.Energy & Fuels.2009, 23, 3960–3970

[9] 陈士军，黄费喜．常减压蒸馏装置扩能改造新途径[J]．石油炼制与化工，2004，35(7)：

27-30.

[10]Frank Seibert, J. Christopher Lewis, and James R. Fair.Liquid-Continuous Distillation.Ind.

Eng. Chem. Res. 2008, 47, 4290–4294.

[11]Lisa S. Ott, Beverly L. Smith, and Thomas J. Bruno.Composition-Explicit Distillation Curves of Mixtures of Diesel Fuel with Biomass-Derived Glycol Ester Oxygenates: A Fuel Design Tool for Decreased Particulate Emissions.Energy & Fuels 2008, 22, 2518–2526. [12]兰州石油机械研究所主编．现代塔器技术[M]．北京，中国石化出版社，2005. [13]杨云波，杨章远，许志宏，高凌宵．石油炼制与化工[M]，1997，28 (12)：47～50. [14]董谊仁，裘俊红，陈国标.填料塔液体分布器的设计[M] 化工生产与技术,1998, 18(2) [15]贺丽娜.填料塔设计中应注意的几个问题,木薯精细化工.南宁,2000,3.

[16]赵静妮.填料塔技术的现状与发展趋势.兰州石化职业技术学院院报,2002,3(2). [17]王吉红,于健,丁浩.填料塔的气液分布及分布器的设计,石油化工设计.2001,2(18). [18]曹纬.国外填料塔最新发展.石油化工设备,2000,29(2).

[19]董谊仁,丁示波.填料塔液体分布器设计中一些问题的探讨.浙江工学院学

报.1994.1(62).

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