年产100万吨乙烷热裂解制乙烯乙烯精馏工序初步设计

1、XXXX本科毕业设计（论文）选题审批表届：2014 学院（系）：化学化工学院 专业：化学工程与工艺 2013 年 11月 11 日学生姓名学号指导教师职称所选题目年产100万吨乙烷热裂解制乙烯乙烯精馏工序初步设计题目来源 生产实践选题理由（选题意义、拟解决的问题、对专业知识的综合训练情况等）：乙烯是世界石油化工工业最重要的基础原料之一，约75%的石油化工产品由乙烯生产，一个国家乙烯工业的水平标志了这个国家石化工业的实力。在顺序分离流程中，最后一步分离过程为乙烯精馏过程，其目的是将脱乙烷系统中分离出的混合碳二馏分分开，得到合格的乙烯产品，并在塔釜得到乙烷产品。在本设计项目的分离流程中，以脱乙烷塔

2、塔顶产品作为乙烯精馏塔进料，进料以碳二馏分乙烷和乙烯为主，乙烷和乙烯含量约占99.9%（mol）以上，另含甲烷等轻组分0.0063%左右，丙烯等重组分在0.093%（mol）左右。因此，乙烯精馏塔可以近似看作乙烯-乙烷二元精馏系统。本设计的目标是根据生产任务，利用软件对乙烷裂解制乙烯乙烯精馏的流程进行模拟，本设计的内容涉及工艺流程的选择，工艺过程的物料衡算，主要设备的热量衡算，主要非标设备的工艺设计计算，车间的工艺布置，车间附属设备的计算、选型，生产控制方案的设计，工艺流程图、设备工艺条件图、车间布置图的绘制等多方面的内容，最后撰写设计说明书，使学生在正确运用四年大学学习的知识于实践以及多种设

3、计规范的使用方面得到较全面的综合训练签字： 年 月 日指导教师意见教研室（研究所）意见院（系）专家组意见签字：（签名和日期手签）2013年 11月 12 日签字：（签名和日期手签）2013年11 月 13 日签字：（签名和日期手签）2013年 11 月 14日注：（1）“选题理由”由拟题人填写。 （2）本表一式二份，一份院系留存，一份发给学生，最后装订在毕业设计说明书（毕业论文）中。XXXX大学教务处制表XXXX大学本科毕业设计任务书题目：年产100万吨乙烷热裂解制乙烯乙烯精馏工序初步设计学生姓名 届 2014学院 化学化工学院专业化学工程与工艺指导教师 下达任务日期 2013年11月10日

4、XXXXX大学教务处制一、毕业设计内容及要求乙烯是世界石油化工工业最重要的基础原料之一，约75%的石油化工产品由乙烯生产，一个国家乙烯工业的水平标志了这个国家石化工业的实力。在顺序分离流程中，最后一步分离过程为乙烯精馏过程，其目的是将脱乙烷系统中分离出的混合碳二馏分分开，得到合格的乙烯产品，并在塔釜得到乙烷产品。在本设计项目的分离流程中，以脱乙烷塔塔顶产品作为乙烯精馏塔进料，进料以碳二馏分乙烷和乙烯为主，乙烷和乙烯含量约占99.9%（mol）以上，另含甲烷等轻组分0.0063%左右，丙烯等重组分在0.093%（mol）左右。因此，乙烯精馏塔可以近似看作乙烯-乙烷二元精馏系统。毕业设计是理论学习

5、的一次复习、综合、巩固和提高，在毕业设计中要结合以往学习的专业基础课、专业课和专业选修课的相关内容进行设计。本设计运用ASPEN PLUS ONE 7.2模拟软件对乙烯精馏过程进行模拟计算，乙烯精馏工序设计的内容主要包括：(1) 根据设计依据，详细查阅资料，掌握国内外乙烯精馏技术状况，在充分论证的基础上，确定乙烯精馏工艺路线和流程；(2) 乙烯精馏工序工艺计算，包括生产流程的物料能量衡算，乙烯精馏塔的工艺条件和外形尺寸计算；(3) 进行乙烯精馏工段车间的平、立面设计，包括车间厂房、设备平台的空间方位；(4) 绘制设计图纸，包括PFD、PID图 1张，能表达分楼层设备布置的车间平面布置图(1号图

6、12张)，车间立面布置图(1号图12张)，主要设备工艺条件图 (5) 说明在生产过程中的安全控制体系和控制方法及三废处理；(6) 使用HAZOP分析方法进行危险性分析(7) 对本设计评述和结论(8) 设计依据:1.本设计中产品质量标准遵照GB/T 7715-2003执行，具体指标列于下表。 乙烯 GB/T 7715-2003组分单位规格乙烯%(体积分数)99.95(min)甲烷+乙烷(mL/m3)500(max)C3和C3以上(mL/m3)20(max)乙炔(mL/m3)5(max)氧(mL/m3)2(max)一氧化碳(mL/m3)2(max)二氧化碳(mL/m3)5(max)氢 *(mL/m

7、3)5(max)硫(mg/kg)1(max)水(mL/m3)5(max)甲醇(mg/kg)10(max)注：*该项目按用户要求，需要时测定2.每年生产时间为8000小时。3.年产乙烯43万吨4.由于实际生产中受条件影响存在一定的波动，要求设计具有良好的弹性以应对不可避免的变化，所以本设计的参数条件应比理论值更宽泛一些。5.本设计中，采用Aspen软件进行流程模拟，表格和部分流股计算采用Microsoft Excel。二、毕业论文进度计划及检查情况记录表序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签名12013-11-102014-2-26查阅文献，做文献综述，完成开题报告22014-2-

8、272013-3-11进行乙烯精馏塔的工艺设计计算32014-3-122014-3-21运用ASPEN PLUS 7.2模拟软件对乙烯精馏过程进行模拟计算，画出PFD图，42014-3-222013-3-28设备强度设计以及工艺控制设计做出PID 52014-3-222013-4-25车间的平、立面设计62014-4-262013-5-16使用HAZOP分析方法进行危险性分析72014-5-172014-6-3完成设计说明书89注：（1）表中“实际完成内容”、“检查人签名”栏目要求用笔填写，其余各项均要求打印。（2）毕业设计（论文）任务书一式二份，一份学院系留存，一份发给学生，任务完成后装订毕

9、业设计说明书（毕业论文）内。XXXXX大学本科毕业设计（论文）开题报告届：2014 学院（系）：化学化工学院 专业：化学工程与工艺 2014 年2 月 24 日毕业设计（论文）题目年产100万吨乙烷热裂解制乙烯乙烯精馏工序初步设计学生姓名学号指导教师职称一、课题的来源及意义在烯烃生产中，乙烯工业是石油化工的龙头工业，其生产能力也是一个衡量国家工业生产能力的标准。乙烯生产的规模、成本、生产稳定、产品质量对整个石油化工联合企业起到支配作用，因此乙烯装置成为关系全局的核心生产装置。但是乙烯精馏塔是能耗最多的设备之一，对乙烯精馏过程的设备和操作所作的微小改进都可能产生巨大的经济效益，因此准确可靠的模拟

10、和设计精馏过程具有重要意义。二、国内外发展状况未来几年，中国将进入新一轮乙烯建设高峰，乙烯装置等项目相继投产,除此以外，有些石化企业正在酝酿新建乙烯装置，现有乙烯装置也在策划新一轮乙烯扩能,已有数套乙烯装置单套能力达到世界级规模。1960年世界乙烯产量为2910kt，1970年为19760kt，1980年达到34020kt1990年达到56300kt。20世纪80年代末、90年代初，由于全球经济复苏，特别是亚洲发展中国家的经济迅速发展，对石化产品的需求大大增加，刺激了各国石油化工装置的增建和扩建。三、研究内容1根据设计依据，详细查阅资料，掌握国内外乙烯精馏技术状况，在充分论证的基础上，确定乙烯

11、精馏工艺路线和流程；2乙烯精馏工序工艺计算，包括生产流程的物料能量衡算，乙烯精馏塔的工艺条件和外形尺寸计算；3进行乙烯精馏工段车间的平、立面设计，包括车间厂房、设备平台的空间方位；4绘制设计图纸，包括PFD、PID图 1张，能表达分楼层设备布置的车间平面布置图(1号图12张)，车间立面布置图(1号图12张)，主要设备工艺条件图；5说明在生产过程中的安全控制体系和控制方法及三废处理；6使用HAZOP分析方法进行危险性分析；7对本设计评述和结论；四、研究方法在顺序分离流程中，最后一步分离过程为乙烯精馏过程，其目的是将脱乙烷系统中分离出的混合碳二馏分分开，得到合格的乙烯产品，并在塔釜得到乙烷产品。本

12、课题的研究方法天津理工大学教务处制表是根据生产任务，利用软件将乙烷裂解制乙烯中乙烯精馏的流程进行模拟，设计出主要设备的工艺条件和参数并画出设备条件图，然后对整个工程项目进行控制、安全、经济和环境保护等方面的设计和评价，使设计的工程项目符合实际生产的要求，使学生在正确运用四年大学学习的知识于实践以及多种设计规范的使用方面得到较全面的综合训练。五、研究手段利用Aspen plus软件进行流程模拟，严格遵守国家标准中关于设备的要求，参考现有工程的实际情况，结合工业生产经验进行设备的设计，并使用HAZOP分析方法进行危险性分析，产品质量标准遵照GB/T 7715-2003执行，表格和部分流股计算采用M

13、icrosoft Excel。六、研究步骤本设计从二月底开始，六月初完成定稿，历时约16周，其中：2013-11-52014-2-24查阅文献，做文献综述，完成开题报告2014-2-252014-3-11进行乙烯精馏塔的工艺设计计算2014-3-122014-3-21运用ASPEN PLUS ONE 7.2模拟软件对乙烯精馏过程进行模拟计算，画出PFD图，2014-3-222014-3-28设备强度设计以及工艺控制设计做出PID 2014-3-222014-4-25车间的平、立面设计2014-4-262014-5-16使用HAZOP分析方法进行危险性分析2014-5-172014-6-3完成设

14、计说明书七、参考文献及资料1王汉松何细藕.乙烯工艺与技术.北京，中国石化出版社，20002王汉松.乙烯装置技术与运行.北京，中国石化出版社，20093钱伯章朱建芳.国内外乙烯生产与发展趋势J.石化技术，200714（1）：504陈滨.乙烯工学.北京，化学工业出版社，1997指导教师意见签字：（签名、日期应为手签）2014年3月5日XXXXX学教务处制表年产 100 万吨乙烷热裂解制乙烯乙烯精馏工序初步设计摘要乙烯是世界石油化工工业最重要的基础原料之一，约75%的石油化工产品 由乙烯生产，一个国家乙烯工业的水平标志了这个国家石化工业的实力。 本设计为乙烷热裂解制乙烯流程中裂解气顺序分离流程中的最

15、后一步乙烯 精馏过程，以脱乙烷塔塔顶产品作为乙烯精馏塔进料，进料以碳二馏分乙烷和 乙烯为主，由侧线采出合格的乙烯产品，并在塔釜得到乙烷产品。 本次设计的主要内容是根据设计依据详细查阅资料，掌握工艺流程; 采用溢 流式筛板塔，然后通过 Aspen Plus 软件进行模拟完成塔的初步设计，画出 PDF 图，塔板布置图，车间布置图以及工艺流程图;然后进行塔及储罐的校核;再进行 HAZOP 危险性分析，完成乙烯精馏工序的初步设计。关键词：乙烷； 乙烯； 乙烯精馏； 溢流式筛板塔； 侧线The Primary Design of Ethylene Fractionator in Annual Outpu

16、t of 1000000 Tons of Ethylene from Ethane Heat CrackingAbstractEthylene is one of the most important basic materials in the petroleum and chemical industry of the word. About 75% of the petrochemical products are outputted by ethylene. What the industry of ethylene respect the level of the petrochem

17、ical industry in the country. The design which is ethylene distillation is the final circuit of sequential separation of cracking gas. The separation is one step of the circuit that ethylene is produced by cracking of ethane. Using overflow sieve-plate tower, I feed the tower the product which is fr

18、om the top of the ethane distillation tower. Most of the feed is ethylene and ethane. So we can take ethylene distillation as ethylene-ethane distillation. From the lateral line, we can get qualified ethylene product. The ethane product is gained from the bottom of the tower. The first step of the d

19、esign is that look over a lot of data to master the circuit of ethylene distillation. After that, the second step is that we can imitate the tower by Aspen Plus. The size of the tower and can be calculated. So do trays and tubes. Than, the main work is draw the PDF, the arrangement diagram of the tr

20、ay, he arrangement diagram of the plant and the process flow diagram. The third step is that we must check the tower and some storage tanks. The last step of the design is that analyze the risks which may occur in the process of the produce by a way called HAZOP. After all the steps above have been

21、done, we can finish the design.Key words: Ethane; Ethylene; Ethylene distillation; Overflow sieve-plate tower; Lateral line目录第一章文献综述111.1乙烯精馏介绍11乙烯在石油化工工业的作用和地位11乙烯的性质及用途11乙烯市场分析12工艺流程方案的选择12乙烯精馏塔的节能措施161.2塔设备的结构的选择16塔设备的选型16塔型的选择17塔型选择一般原则18塔盘的类型与选择18第二章工艺计算202.1 设计依据20进料组成20分离纯度指标及产品质量控制20操作参数212.

22、2精馏塔的模拟计算222.3 塔板数及塔高的计算28塔板数的确定28塔高的计算292.4塔工艺条件与物性数据的计算302.5气液负荷计算312.6 塔和塔的主要工艺尺寸计算32塔径的计算32溢流装置计算34塔板布置372.7 筛板的流体力学验算40气体通过筛板压降相当的液柱高度40雾沫夹带量计的验算42漏液的验算43液泛验算432.8塔板负荷性能图45雾沫夹带线45液泛线46液相负荷上限线47漏液线48液相负荷下限48塔板负荷性能图49操作弹性的计算552.9 筛板塔的工艺设计结果总表562.10精馏塔附属设备的选型与计算59冷凝器、再沸器设计与校核59回流泵的选型60接口径的计算612.11

23、精馏塔的校核66第三章自动控制73第四章危险性分析74第五章结果评价785.1 设计符号说明78参考文献81致谢82XXXXXX本科毕业设计说明书第一章 文献综述1.1 乙烯精馏介绍乙烯在石油化工工业的作用和地位石油化工业中大多数中间产品和最终产品均以烯烃和芳烃为基础原料，在烯烃生产中，乙烯工业是石油化工的龙头工业，其生产能力也是一个衡量国家工业生产能力的标准。乙烯生产的规模、成本、生产稳定、产品质量对整个石油化工联合企业起到支配作用，因此,乙烯装置成为关系全局的核心生产装置。物理性质：通常情况下，乙烯是一种无色稍有气味的气体，密度为1.25g/L，比空气的密度略小。其外观与性状：无色气体，略

24、具烃类特有的臭味。少量乙烯具有淡淡的甜味，不溶于水，微溶于乙醇、酮、苯，溶于醚，溶于四氯化碳的有机溶剂。化学性质：乙烯是现代石油化学工业最为重要的基础原料之一。由于它有活跃的双键结构，因此反应能力很强，通过乙烯的聚合、氧化、卤化、烷基化、水合、羰基化、齐聚反应的实现，可以得到一系列极有价值的乙烯衍生物。乙烯装置主要裂解产品及副产品的用途见图1.1。图1.1 乙烯系列产品Fig. 1.1 Ethyleneseries product乙烯市场分析改革开放30年来，中国乙烯产业得到迅速发展，产能从1978年的仅49.5万吨/年增加到2009年的1269.9万吨/年。2009年是中国乙烯克服全球金融危

25、机，实现继续发展的一年。这二年中国乙烯产能突破千万吨大关，至年底时已经恢复了危机前的水平，保证国内供应。201010年中国乙烯工业继续发展，产能继续增加，全年新增乙烯产能257万吨。今后三年，中国乙烯的发展将更加注重区域化和规模化，更加注重节能增效，将加快重大项目建设，加快科技创新，进一步提高装置的国产化程度和规模，使乙烯平均规模提高到60万吨/年。截止至2009年底，我国乙烯产能为1268.9万吨/年，装置总规模比2008年增加273万吨/年，增长27.4%。目前，我国共有21家乙烯生产企业，乙烯生产主要集中在中国石化和中国石油两个集团，两者合计产能占全国总产能的91.2%。中国石化共拥有1

26、2家乙烯生产企业，共13套乙烯装置，2009年乙烯生产能力8094万吨/年，占全国总产能的63.7%，中国石油拥有6家乙烯生产企业，共7套乙烯装置，2009年乙烯生产能力349.4万吨/年，占全国总产能的27.5%。长期以来，国内乙烯的进口量非常小（主要进口的是其下游产品），因此一般以乙烯当量消费量（当量消费量=产量+进口量出口量+下游产品净进口量折算量）来评价国内乙烯的实际市场容量。据中国石油和化学工业协会统计，2008年，我国乙烯产量为1025万吨，乙烯当量进口量近1000万吨，对外依存度接近50%，乙烯产量无法满足下游市场的需求。2010年我国乙烯当量需求量约2484万吨，产量约1784

27、万吨，供需缺口700万吨。我国乙烯的市场缺口较大。乙烯的市场前景广阔。工艺流程方案的选择制取乙烯的方法：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，石油烷烃经管式炉热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%以上。在石油化工发展的早期，由乙醇脱水制乙烯和焦炉气深冷分离回收乙烯，均为乙烯工业生产的途径之一。随着挺累裂解制乙烯生产技术的发展以及生产规模的大型化，乙醇脱水制乙烯的和焦炉气回收乙烯在乙烯工业中的地位已微乎其微。随着碳一化学发展，由

28、合成气制乙烯或以合成气经甲醇制乙烯的生产路线收到广泛的重视。近期，已甲烷耦合制乙烯在研究又去的很大进展。但是。在邮件相对稳定的情况下，预计在详单时期内，碳一化学的乙烯生产路线，尚难于烃类裂解相竞争。下列为工业中制取乙烯的方法管式裂解制乙烯在原料通过裂解炉时，由外界通入大量的高温温过热蒸汽和原料进行混合，进入到裂解炉中，原料由于高温受热，长链烯烃断裂成小分子的烷烃或烯烃，生成乙烯、丙烯等产品。甲醇制烯烃随着石油的短缺，原油价格不断的上涨，以石油为原料的烯烃工业优势逐渐下跌，开发新的烯烃技术已成为各国发展的重点，而甲醇制烯烃是以甲醇为原料生产烯烃的新型技术，生产甲醇的原料有煤炭、石脑油、渣油、天然

29、气、油田气和煤层气等。我国的煤炭资源丰富，为甲醇制烯烃提供了充足的原料。催化裂解制乙烯通过设计和开发新的裂解炉，满足高温、短停留时间、低烃分压、高裂解选择性来提高乙烯的收率，降低能耗，优化控制。生物乙醇制乙烯技术生物乙烯以大宗可再生生物质为原料，通过为生物发酵得到乙醇，进而在催化剂作用下脱水生成乙烯。发酵乙醇可由取之不尽的生物质资源获得，低浓度的乙醇更廉价易得，利用低浓度乙醇脱水制备生物乙烯具有很大的经济价值和战略意义。甲烷制取烯烃甲烷通过甲烷-氯气高温反应、氯催化氧化法、热扩散反应管法、催化氧化偶和制得乙烯，与传统工业相比，由于其开辟了新的、提供廉价原料的乙烯生产路线，可以大幅度降低乙烯生产

30、成本从而获得巨大的经济效益。其他裂解技术其他裂解方法，以原油等重质油为原料进行裂解的技术占有重要地位，为避免依赖于炼油厂和气体加工厂提供原料。一些公司开发出直接裂解原油的工艺.2制取乙烯的工艺流程目前世界上乙烯装置的工艺：鲁姆斯（Lummus）公司乙烯技术、Stone Webster 公司乙烯技术和林德（Linde）公司乙烯技术。各公司的工艺各有特点，但总的来说，不同公司有不同的裂解技术，分离工艺流程主要差别在于精馏分离烃类的顺序和脱炔烃的安排，分离工艺有5种:顺序分离流程、前脱乙烷前加氢流程、前脱丙烷前加氢流程、前脱乙烷后加氢流程、前脱丙烷后加氢流程。前3种流程应用最多，其中顺序分离功耗最小

31、，前加氢前脱乙烷流程次之，前加氢前脱丙烷流程功耗较大，因此，国内大部分乙烯装置都采用顺序流程(1)顺序分离技术如图1.2典型的生产工艺为ABBLummus公司的顺序分离低压脱甲烷技术。裂解气首先进入急冷系统进行快速降温，同时分离出重组分燃料油和粗裂解汽油。然后经过裂解气压缩机将裂解气压力提高到约3.6 MPa，干燥脱水后进人深冷系统，经过冷箱和脱甲烷塔分离出氢气和甲烷。脱甲烷塔釜物料含有C2及以上组分，依次进入脱乙烷塔、脱丙烷塔、脱丁烷塔，从塔顶分出C2、C3和C4组分。脱乙烷塔和脱丙烷塔顶的C2和C3分别经C2和C3加氢脱炔后进入乙烯塔和丙烯塔，精馏后得到乙烯和丙烯产品。C2加氢系统位于冷箱

32、前及脱甲烷下游，为后加氢。乙烯精馏塔须设置巴氏精馏段，并需设置绿油洗涤系统，这些使设备投资和能耗增多。另外，由于C2加氢系统则需要冷箱分离出的氢气物料，所以在不能从外部引入氢气的情况下，生产出合格乙烯产品所需要的时间长。由于顺序分离技术中的循环物料稍多，故不利于系统节能。图1.2典型的顺序流程深冷分离装置The order of the typical process cryogenic separation device(2)前脱丙烷前加氢技术如图1.3典型工艺为StoneWebster公司的前脱丙烷前加氢技术。该技术是在进行脱甲烷之前先将C3及轻组分与C4及重组分进行分离，并将分离出的C3

33、及轻组分进行C2加氢反应，然后送入到深冷系统。前加氢技术聚有很多优势：(a)前加氢产生的绿油量甚微，无需进行绿油洗涤系统；(b)由于C2加氢位于脱甲烷塔上游，从脱乙烷塔釜进人乙烯塔的C2馏分中不含氢气和甲烷轻组分，乙烯塔可采用开式热泵技术以降低能耗；(c)由于C2加氢进料中富含氢气，因而不需要冷箱分离出的氢气，所以，在装置开车时，能很快生产出合格的乙烯产品，能缩短开车时间；(d)由于在进行C2加氢时也对50%以上的MAPD加氢，可以减少下游的C3加氢系统负荷；(e)乙烯塔中不需要巴氏精馏段，也没有不凝气返回。前脱丙烷前加氢技术中只有丙烯塔顶不凝气循环。图1.3典型的前脱丙烷深冷分离装置Typi

34、cal before depropanization cryogenic separation device(3)前脱乙烷前加氢技术如图1.4典型工艺为Linde公司的前脱乙烷前加氢技术。从裂解炉来的裂解气经急冷、压缩后预冷，首先进入脱乙烷塔系统，把比C2轻的组分和比C3重的组分分开。C2及轻组分先进行C2加氢，然后进入冷箱和脱甲烷系统。脱甲烷塔釜液只含C2，直接进入乙烯塔。脱乙烷塔塔釜物料进入脱丙烷塔，脱丙烷塔顶的C3进行C3加氢后进入丙烯塔。该技术也采用前C2加氢， 所以具有与前脱丙烷前加氢类似的优点。图1.4 典型的前脱乙烷深冷分离装置Before the typical ethane

35、cryogenic separation device通过对以上几种工艺的介绍，比较每种工艺的优点与缺点，根据国家的资源及需求选取符合我国国情的最优的工艺方法。塔的节能措施乙烯精馏塔是乙烯生产过程重要的生产单元之一，其操作状况直接关系到乙烯产品的质量和收率。在乙烯精馏塔中，进料组分有20多种，其传热与传质过程较为复杂，并且要求得到的产品纯度不能低于99.95%，所以，对乙烯精馏塔而言，研究其节能工艺对整个工艺的能耗具有重要意义。1. 采用热泵精馏技术常规精馏塔需从塔顶冷凝器取出热量,从塔釜再沸器加入热量,其消耗的能量为精馏塔的主要操作费用。热泵利用机械能或电能将低温位热能提高到高温位热能,在精

36、馏中将塔顶气相加压冷凝后作为塔底再沸器的热源,特别是在乙烯装置乙烯精馏中运用热泵,将乙烯冷剂的循环和乙烯精馏结合为一体,利用乙烯冰机将开式热泵用在乙烯精馏中,可节约能耗,降低生产成本。2. 采用中间再沸器利用多股进料作用原理，在乙烯精馏塔提馏段部分加一个再沸器，代替一部分由塔底再沸器加热的热量，回收较大的能量，从而提高了塔的热力学效率，同时降低了塔的能量的消耗。3. 采用侧线采出乙烯精馏塔中组分多达20余种，采用侧线出料的方法，可以减少设备的投资和缩短流程。4. 回流比最优化蒸馏过程所需热能一般与回流比有关，最小热能取决于最小回流比2。在实际运行中，应达到分离度的前提下才能确定最佳回流比。1.

37、2塔设备的结构的选择塔设备的选型在化工、石油化工及炼油中，由于炼油工艺和化工生产工艺过程的不同，以及操作条件的不同，塔设备内部结构形式和材料也不同。塔设备的工艺性能，对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，都用重大的影响。在石油炼厂和化工生产装置中，塔设备的投资费用占整个工艺设备费用的25.93%。塔设备所耗用的钢材料重量在各类工艺设备中所占的比例也较多，例如在年产250万吨常压减压炼油装置中耗用的钢材重量占62.4%，在年产60-120万吨催化裂化装置中占48.9%。因此，塔设备的设计和研究，对石油、化工等工业的发展起着重要的作用。塔型的选择塔主

38、要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。a板式塔。塔内装有一定数量的塔盘，是气液接触和传质的基本构件；属逐级（板）接触的气液传质设备；气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气液相密切接触而进行传质与传热；两相的组分浓度呈阶梯式变化。b填料塔。塔内装有一定高度的填料，是气液接触和传质的基本构件；属微分接触型气液传质设备；液体在填料表面呈膜状自上而下流动；气体呈连续相自下而上与液体作逆流流动，并进行气液两相的传质和传热；两相的组分浓度或温度沿塔高连续变化。填料塔与板式塔之间的比较如表1.1表1.1 填料塔与板式塔的比较Ta

39、ble 1.1Sieve plate and packing column comparison 塔型项目填料塔板式塔压降小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小。较大空塔气速(生产能力)小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大。较大塔效率传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高。较稳定、效率较高液-气比对液体量有一定要求。适用范围较大持液量较小较大安装、检修较难较容易材质金属及非金属材料均可一般用金属材料造价新型填料，投资较大大直径时造价较低选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。（1）下列情况优先选用填料塔：a.在分离程度要求高

40、的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；b.对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；c.具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、塑料等；d.容易发泡的物料，宜选用填料塔。（2）下列情况优先选用板式塔：a.塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，操作易于稳定；b.液相负荷较小；c.含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的塔板，堵塞的危险较小；d.在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管，需要多

41、个进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔的结构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热；e.在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔。综合考虑，本项目采用板式塔。塔盘的类型与选择（1）板式塔塔板种类：根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。（2）各种塔盘性能比较：工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，现将几种主要塔板的性能比较列表1.2：表1.2 几种主要塔板的性能比较Table 1.2

42、Several main plate performance comparison塔盘类型优点缺点适用场合泡罩板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小特别容易堵塞的物系浮阀板效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求高、负荷变化大筛板结构简单、造价低、塔板效率高易堵塞、操作弹性较小分离要求高、塔板数较多舌型板结构简单、塔板阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的闪蒸塔浮动喷射板压降小、处理量大浮板易脱落、效率较低分离要求较低的减压塔下表给出了几种主要塔板性能的量化比较如表1.3表1.3 几种主要塔板性能的量化比较Table 1.3Several kinds of main plate

43、 performance quantitative comparison塔盘类型塔板效率处理能力操作弹性压降结构成本泡罩板1.01.051复杂1筛板1.21.41.430.5简单0.40.5浮阀板1.21.31.590.6一般0.70.9舌型板1.11.21.530.8简单0.50.6从以上各表可以看出：浮阀塔在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面筛板塔较为优越，结合本项目实际情况，初步选择筛板塔。第二章 工艺计算2.1 设计依据2.1.1进料组成进料组成如表2.1表2.1 进料组成Table 2.1 Feed composition进料组分摩尔分率甲烷0.0009乙烷0.1971乙烯0.80

44、17丙烯0.00022.1.2.分离纯度指标及产品质量控制本设计中乙烯产品质量标准遵照GB/T 7715-2003执行，具体指标列于下表表2.2 乙烯 GB/T 7715-2003Table 2.2 Ethylene GB/T 7715-2003组分单位规格乙烯%（体积分数）99.95(min)甲烷+乙烷（mL/m3）500(max)C3和C3以上（mL/m3）20(max)乙炔（mL/m3）5(max)氧*（mL/m3）2(max)一氧化碳（mL/m3）2(max)二氧化碳（mL/m3）5(max)氢（mL/m3）5(max)硫(mg/kg)1(max)水（mL/m3）5(max)甲醇(mg

45、/kg)10(max)注：*该项目按用户要求，需要时测定乙烯精馏塔的产品质量控指标如表2.3表2.3 产品控制指标Table 2.3 Product control indicators项目产品质量控制指标甲烷0.02mol%乙烷0.03mol%乙烯99.95mol%塔蒂产品乙烯含量0.45mol%2.1.3.操作参数本次设计操作参数表2.4所示表2.4 乙烯精馏塔主要操作参数Table 2.1 The main operating parameters of the ethylene distillation column参数名称单位设计值进料量kg/h123914进料温度-24进料压力Mp

46、ag1.874塔釜量kg/h7867侧线采出液体量kg/h59176侧线采出产品量kg/h563712.2精馏塔的模拟计算化工流程模拟软件Aspen Plus是为解决化工领域中的研究开发、设计、技术改造、过程优化等而被开发的一种应用计算机模拟计算的软件，从而简化了人们计算的复杂性，大大缩短了设计的时间，从而提高设计效率。本次设计采用Aspen One V7.2 对精馏塔的模拟计算，得出需要的计算结果。根据设计依据，选择合适的塔进行模拟过程，通过对精馏塔的每块塔板组成的分析，结合相关文献给出的相关参数，调节回流量、理论板数及进料位置，使模拟达到收敛，从而得到理论塔板数及相关的物性参数及条件，最终

47、达到产品符合分离要求的目的。具体模拟过程如下：1.打开Aspen Plu1s User Interface，定义计算的单位及报告需要显示的结果的格式，选择Columns中的RadFrac模块，画出精馏塔，选择Material STREAM连接物流，得到流程模拟简图，如图2.1所示。图2.1 模拟过程12.输入物料组分，选择计算所需的物性方法为PR方程，如图2.2所示图2.2 模拟过程2Fig.2.2 Simulation process 23.根据表2.2输入进料物流的操作参数，如图2.3所示。图2.3 模拟过程3Fig.2.1 Simulation process 34.输入理论板数，选择塔

48、顶冷凝器为部分冷凝器（不凝气），塔釜为釜式再沸器，根据表2.2输入回流量及塔釜液体流量，如图2.4所示。图2.4 模拟过程4Fig.2.4 Simulation process 45.根据表2.2输入塔顶压强及单板压降，如图2.5所示。图2.5 模拟过程5Fig.2.5 Simulation process 56.至此数据输入完毕，运行，查看结果。由于本次设计为乙烯精馏塔的计算，其中共有两条侧线采出，对分离的产品纯度要求较高，造成模拟计算不易收敛，通过对进料组成、进料位置、回流量、侧线采出的纯度及进料位置的分析，得出产品的回流量和采出量对乙烯的纯度有较大的影响，利用软件中的设计规定及重要参数的

49、调节，满足了本次设计的要求，得到相关的数据。则结果如图2.7所示。图2.6 模拟过程6Fig.2.6 Simulation process 6模拟所得产品组成如表2.5表2.5 模拟产品组成Table 2.5 The composition of the product in the simulationCH4C2H6C2H4C3H6侧线采出乙烯产品中各组分含量mol%0.00010.00030.99950.0004塔釜产品中各组分含量mol%0.00010.99230.00040.0041由表2.5可知，模拟产品组成符合产品质量控制指标。由Aspen Plus V7.2 模拟结果得到流体力学

50、数据如表2.6对软件中所得的结果进行整理得到本次设计中所需要的流体力学参数如表2.6表2.6流体力学模拟结果表Table2.6Fluid mechanics simulation results塔板序号2786162646599气体体积流量Vh(m3/h)7000.6447235.。6627234.3887148.6833777.3993775.2093773.1253764.765液相体积流量Lh(m3/h)560.0067601.587601.7474.045747.168474.295474.342256.626操作压强P（MPag）1.83151.8341.83451.86131.86

51、181.86281.86331.8805操作温度t()-38.4004-30.1295-30.1137-25.4722-25.3803-25.0026-25.5776-7.6643分子量M(kg/kmol)27.47428.052428.052928.544528.553328.592728.63830.0807液相密度L(kg/m3)447.739440.933440.906437.277437.193436.881436.54418.004气相密度(kg/m3)35.88636.72736.73836.9537.12837.12537.10837.503液体表面张力(mN/m)8.3705

52、7.64537.64397.41417.40947.39277.37346.0025液体粘度(cP)0.0092000930.00930.06680.06680.06690.0670.06442.3 塔板数及塔高的计算图2.7 流程模拟图Fig. 2.7 Process simulation根据图2.7流程模拟流程计算模拟结果可以得出精馏塔理论塔板数为100块板（包括塔顶冷凝器为第1块理论板，塔底再沸器为第100块理论板），故精馏塔内理论塔板数为98块。1代表进料，进料板为第62块理论板；2 代表塔顶出料，为通过塔顶部分冷凝器后的不凝气，主要成分是甲烷；3 代表塔釜出料，主要成分是乙烷，丙烷等重组分；4 代表侧线产品采出，采出乙烯产品，采出的位置为第8块理论板；5 代表侧线采出液体，采出的位置为第65块理论板。可以将乙烯精馏塔分为四段：塔顶到侧线采出乙烯产品为第一段，其中理论塔板数为7块；侧线采出乙烯产品到进料为第二段，其中理论塔板数为54块；进料到侧线采出液体物料为第三段，其中理论塔板数为3块；侧线采出液体物料到塔釜为第四段，其中理论塔板数为35块。实际塔板数可由下式计算得出NP=NTET式中：ET总板效率，根据化工流程模拟实训-Aspen Plus教程(孙兰义)查得，乙烯精馏塔总板效率一