（化学工程专业论文）提高气体分馏装置精丙烯塔分馏效果的研究.pdf

本人郑重声 取得的研究成果。除了文中特另i j 加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 易t 修 日期：研年七月 o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。， 保密影在互年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 、函憾日期：。嘶岬月【。日 导师签名： f 隧 日期：。广年严月归日 摘要 摘要 气体分馏装置是催化裂化液化气分离的主要装置，主要生产丙烯，分馏塔是 该装置的核心。本文针对茂名石化公司实华股份有限公司第一套气体分馏装置存 在的丙烯拔出率低、丙烯、丙烷质量达不到要求等问题，应用a s p e np l u s 流程模 拟软件对全装置的分馏效果进行模拟计算和运用t r a y 3 0 对主要塔设备进行水 力学核算，分析认为影响该装置分离效果的主要因素是两条丙烯塔( f l 浮阀塔) 设计流程不合理及液相流通能力严重不足。通过对国内气体分馏技术和分离设备 的研究，决定将原来两条完全独立的丙烯塔设计成一条塔，同时在不改变原丙烯 塔的板间距和塔径的情况下，采用具有大的降液管面积及强的液相流通能力的 s u p e r f r a c 塔盘，并同时进行适当的工艺流程改造。工程实践表明，丙烯塔经 过改造后，在装置处理量i o x1 0 4 f f a 的情况下，丙烯纯度达9 8 0 5 ，比原来提高 0 9 8 ；丙烷纯度9 1 3 4 ，比原来提高3 4 8 9 1 丙烯拔出率达9 7 2 7 ，比原来 提高1 1 9 2 ：经济效益达6 4 1 6 7 万元。通过装置改造，装置处理能力增大，丙 烯纯度提高，丙烯收率增加，装置能耗降低，改造投资少，取得了较好的经济效 益。 关键诃：气体分馏装置：分馏效果；模拟计算；s u p e r f r a c 塔盘；装置改造 c a l c u l a t et h ef l u i dm e c h a n i c sf o rt o w e r so fi n s t a l l a t i o n ( l p gs e p e r a t i o n ) a c c o r d i n gt o a n a l y s i s f r o md a t aa b o v e ，i t g o e s t oac o n c l u s i o nt h a tt h em a i nf a c t o ra f f e c t i n g s e p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fl p gi st h a tt h el i q u i df l o w w t h r o u g ha b i l i t y ( f lf l o a tv a l v e t r a y ) i si n s u f f i c i e n t b ys t u d i n gt e c h n o l o g i e s a n df a c i l i t i e so fl p gi no u rc o u n t r y , s u p e r f r a cp l a t e ( w h i c hh a sd o w n f l o ws p o u tw i t hl a r g e a r e aa n dl a r g ef l o w - t h r o u g h a b i l i t y ) w i l lh a v eb e e nu s e dt or e f o r mp r o p y l e n et o w e r ，a n dt h ep r o c e s s i n gw i l lh a v e b e e na d e q u a t e l yr e f o r m e d ，w i t h o u ta l t e r i n gt h et r a yd i s t a n c e sa n dt h ed i a m e t e ro f p r o p y l e n et o w e r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h er e f o r mi n d i c a t e st h a tp r o p y l e n ec o t e n ti sa b o u t 9 8 0 5 ( 1 a r g e rt h a nb e f o r eb y0 9 8 ) ，a n dp r o p a n ec o n t e n ta b o u t91 3 4 ( i n c r e a s e db y 3 4 8 9 ) ，a n dr e c o v e r yo fp o p y l e n e i s 9 7 2 7 ( 11 9 2 h i g h e r t h a n b e f o r e ) ；t h e c o m m e r c i a lb e n e f i t si so b v i o u s k e y w o r d s ：l p gs e p a r a t i o n ；r e f i n i n ge f f e c t ；s i m u l a t i o n ；s u p e r f r a ct r a y ；r e f o r m i n g i n s t a l l a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言。l 第二章文献综述3 2 1 气体分馏装置的下游产品及应用3 2 1 1 炼油厂丙烯的利用3 2 1 2 碳四利用技术5 2 2 气体分馏装置的工艺技术进展9 2 2 1 原料精制系统3 0 _ 3 3 1 9 2 2 2 脱乙烷塔的有关影响因素l o 2 2 3 碳四分离塔在气体分馏装置的地位l o 2 3 新技术、新工艺在气体分馏装置上的应用1 0 2 3 1 能量综合优化1 0 2 3 2 各种调优方法在气体分馏装置上的应用1 2 2 4 气体分馏设备的研究、发展和应用情况概述1 3 2 4 1 板式塔发展概况。1 5 2 4 2 部分板式塔的特点1 6 2 4 3 板式塔水力学计算中一些共性问题5 6 5 射2 2 2 4 4 板式塔脱“瓶颈 问题的讨论2 5 第三章第一套气体分馏装置的工艺分析2 7 3 1 装置概况2 7 3 2 装置工艺流程简介2 7 3 2 1 碱洗、脱硫醇部分：2 7 3 2 2 精馏部份2 7 3 3 装置主要设备参数2 8 3 3 1 脱丙烷塔( 塔4 ) 2 8 3 3 2 丙烯塔2 9 3 4 装置主要数据3 0 华南理工大学硕十学位论文 3 4 1 原料性质指标3 0 3 4 2 装置生产物料平衡3 0 3 4 3 装置生产主要工艺操作条件3 l 3 4 4 产品质量要求及收率指标3 2 3 4 5 装置能耗及消耗指标3 2 3 5 装置存在问题3 2 3 5 1 塔4 改造情况3 2 3 5 2 塔5 、塔6 生产情况3 4 第四章用a s p e np l u s 流程模拟软件改造丙烯塔的理论研究4 0 4 1 装置的全流程模拟4 0 4 1 1 流程模拟的基础4 0 4 1 2 丙烯塔改造方案的初步确定4 0 4 1 3 流程模拟简图4 l 4 1 4 模拟计算方法的选择5 6 1 一4 2 4 1 5 主要模拟结果4 2 4 2 丙烯塔的水力学研究4 4 4 2 1fl 型浮阀4 4 4 2 2 高效塔板4 6 4 3 丙烯塔改造方案的选择4 9 第五章气体分馏装置扩能改造的方案研究和工程实践5 i 5 1 装置改造情况5l 5 1 1 塔5 、6 塔盘改造5l 5 1 2 工艺流程改造5 l 5 2 装置改造后的运行情况5 2 5 2 1 丙烯塔进料数据( 脱丙烷塔顶组成) 5 2 5 2 2 丙烯塔的操作条件5 2 5 2 3 改造后的生产数据及数据分析5 3 5 2 4 装置操作情况5 4 5 3 微型浮阀工业应用前后塔的性能核算结果及分析5 4 5 3 1 丙烯塔的板效率核算5 4 5 3 2 丙烯塔的塔板水力学核算5 4 5 3 3 丙烯塔的热负荷计算一5 5 5 4 装置改造经济效益分析5 6 在学期间发表与学位论文内容相关的学术论文6 2 致谢6 3 | l l 第一章弓i 言 第一章引言 石油化学工业是我国国民经济的支柱产业。它以其原料易得、产品链长、带 动面宽、技术先进、发展远景好等特点，受到各国的重视，其发展速度一般高于 本国国民经济增长率。2 0 0 3 年我国原油加工量为2 4 2 5 5 i 万吨，比上年增长1 0 8 ， 居世界第三位；丙烯5 9 3 2 万吨，比上年增长1 1 8 ；近年来，由于国产原油的 重质化，我国炼厂相应地新建了不少原油二次加工装置，以确保轻质油品的收率。 在各种二次加工工艺中，催化裂化在我国一直是最主要的二次加工手段。目前我 国催化裂化的加工能力为9 2 1 0 7 t a ，仅次于美国，居世界第二位。1 9 9 9 年全行 业掺炼减压渣油的比例已达3 3 ，居世界第一位，并且实现了技术的国产化，3 5 年来，催化裂化己以成为我国炼油工业企业的核心技术和石油化工企业经济效益 的主要支柱。催化裂化的目的产品已由主要生产汽油，发展到多产柴油、多产液 化石油气( l p g ) ，开发出了d c c ，m g g a r g g ，m i o 等多产丙烯和碳四烯 烃的工艺技术，实现了功能的多元化，使炼厂气的产量成倍增加，从而为炼厂气 生产丙烯、丁烯提供了充足的气源，综合利用炼厂气资源，是提高炼油加工深度 和经济效益的必要手段。 催化裂化液化气中含有丰富的丙烯、丁烯，目前炼厂丙烯主要用于生产聚丙 烯、丙烯腈、异丙醇、丙酮等，其中2 0 0 0 年间歇式聚丙烯生产装置利用炼油厂丙 烯生产的聚丙烯达8 3 2 3 1 0 4 t 。利用炼油厂丙烯生产异丙醇达6 1 0 4 t 。丙烯还可 氧化制丙烯醛，丙烯醛氧化制丙烯酸，丙烯酸酯化制丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、 丙烯酸丁酯等，目前国内现有生产能力达1 0x1 0 4 t a 。炼油厂碳四烯烃主要用于 生产m t b e 、甲乙酮、聚异丁烯以及烷基化生产汽油组分。 催化裂化液化气的分离提纯装置即为气体分馏装置。一般气体分馏装置主要 包括原料精制( 脱h 2 s 和脱硫醇) ，脱乙烷塔、脱丙烷塔、丙烯塔及碳四分离塔 组成。由于各炼油厂气体分馏装置目标产品的不同，工艺流程不尽相同，主要区 别在于是否需要脱乙烷塔和碳四分离塔。塔板是分馏塔的核心，是塔内气液两相 进行传质和传热的必要场所。塔板上气液接触和塔内气液流动状况主要取决于塔 板上的流体力学性能，它直接影响塔板上气液分离效果，是塔板操作和设计的重 要因素。 气体分馏装置的技术发展主要在于两方面，一是优化操作条件，提高目标产 品质量和收率( 特别是丙烯的质量和收率) ，节能降耗。二是对塔板进行改造，尤 其是采用高效塔板改造传统f l 浮阀柬扩大装置处理能力，提高产品质量和收率 降低装置能耗。随着催化裂化装置能力的不断增大，d c c ，m g g ，a r g g ，m i o 在对装置进行模拟过程中，常用软件有美国a s p e n 公司开发的石油化工流 程模拟软件a s p e np l u s 以及其它如p r o c e s s 软件( p r o ，l i ) ，h y s i m 软件、 洛阳工程公司开发的t r a y 3 0 软件等，这些软件对多数炼油装置的工艺计算都得 到了与生产实际相吻合的工艺计算结果。在本研究中，拟采用a s p e np l u s 及 t r a y3 0 软件对茂名石化公司实华股份有限公司第三套气体分馏装置进行模拟。 希望通过本研究工作，提高装置丙烯收率，提高装置分馏效果，从而达到提 高经济效益的目的。 2 气体分馏装置是炼油催化裂化装置的配套项目，主要对催化裂化装置生产的 c 2 一c 5 液化气进行逐级分离，生产丙烯、丙烷、及c 4 ，为下游化工生产装置提供 原料。2 0 0 0 年底我国原油一次加工能力约2 7 6 1 0 8 t a ，由于原油中重质馏分较 多，因此，原油二次加工装置占的比例很大。其中催化裂化( f c c ) 装置的加工 能力就达9 2 1 0 7 u a 左右，原油二次加工装置多，催化液化气的资源非常丰富。 特另i j 是近年来我国研究开发成功的d c c 、m g g 、m i o 技术川，使丙烯、丁烯的 产量成倍( 甚至几倍) 增加，为炼厂气的综合利用提供了充足的原料，再加上丙 烯、丁烯等炼厂气进一步加工生产石油化工产品技术的发展，大大促进了气体分 馏技术的发展，尤其是气体分馏设备的发展日新月异，所有这些发展使气体分馏 装置的处理能力、产品收率和经济效益取得了很大的提高。 2 1 气体分馏装置的下游产品及应用 催化液化气原料中含有丰富的化工产品资源，其中丙烯、异丁烯、正丁烯用 途最广。 2 1 1 炼油厂丙烯的利用 我国炼油厂丙烯的资源非常丰富，特别是多产烯烃的催化裂化技术如石油化 工科学院( r i p p ) 开发的d c c i 、d c c i t 、m g g 、a r g g 、m i o 工艺，a b bl u m m u s 公司开发的s c c 工艺，a r c oc h e m i c a l 公司开发的s u p e r f l e x 工艺，k e l l o g gb r o w n & r o o t 与m o b i lt e c h n o l o g 公司合作开发的m a x o f i n 工艺，e x x o n 公司开发的 f l e x i c r a c k i n g i i r 工艺和u o p 公司开发的p e t r o f c c 工艺【2 _ 4 l 。这些催化裂化技术 的开发成功，丙烯收率由3 一5 提高到1 0 2 2 。而且研究开发成功了一种简单 易行的液相常温精制炼油厂丙烯的工艺【5 西l 。精制后的炼厂丙烯完全达到了聚合 级丙烯的指标【7 】，为炼油厂丙烯的化工利用创造了条件。目前炼油厂丙烯主要用 于生产聚丙烯、丙烯腈、异丙醇、丙酮及丙烯三聚、丙烯四聚生产c 9 、c 1 2 烯。 2 1 1 1 用炼油厂丙烯生产聚丙烯的技术 等规聚丙烯于1 9 5 7 年在意大利首次工业化以来发展迅速【s l 。据估计， 1 9 9 5 2 0 0 0 年间，全世界聚丙烯平均年增长率为7 4 ，大约有9 1 0 6 t a 的新增生 产能力投入运行。1 9 9 8 年，我国聚丙烯总产量首次突破2 1 0 6 t a 。其中，利用炼 油厂丙烯生产的聚丙烯占到了近4 0 的水平，问歇式聚丙烯装置生产的聚丙烯占 总产量的31 。我国炼油厂丙烯生产聚丙烯的工艺的主要有：我国自行研究成 3 华南理工大学硕士学位论文 功的间歇小本体聚合工艺、连续釜式法聚合工艺和我国自行制造的液相环管法本 体聚合装置 9 1 。所用催化剂有北京化工研究院研究开发的络合i i 型催化剂和n 型 催化剂，中国科学院化学研究所研制的c s 1 、c s 2 催化剂，r i p p 开发的h d c 球形催化剂。由于炼油厂丙烯的价格低于轻油裂解丙烯的成本，所以用炼油厂丙 烯生产聚丙烯有很好的经济效益。几乎每个炼油厂都有聚丙烯生产装置。为了扩 大生产规模，提高技术水平，近年来国内建成了7 套7 1 0 4 t a 的以炼厂丙烯为原 料的环管液相本体聚丙烯生产装置。 间歇式聚丙烯使用络合型i i 、c s 1 、n 、h d c 型催化剂所生产的聚丙烯质量 【l o - 1 3 1 见表2 1 。 表2 i 聚丙烯产品质量 t a b l e2 1 q u a l i t yo fp o l y p r o p y l e n ep r o d u c t 等规度熔融指数灰分挥发分氯含量表观密度 活性 催化剂 g ( 1 0 m i n ) l o 6 g c m 。3 10 k g g c a t 络合i i9 2 - 9 7 可调 0 0 3 0 0 5o o l o 0 42 0 0o 4 43 - 4 c s l可调 o 0 l o 0 3o 1 9 - 4 0 0 4 5 0 4 63 9 2 - 4 4 4 n 型 9 7 6 9 9 2可调 o 0 l o 0 30 0 8 - 0 19 - 4 00 3 9 - 0 4 63 4 - 5 3 3 h d c 9 5 8 9 8 可调 7 0 1 3 0 o 0 2 0 0 4 7 9 一1 6o 4 l 一0 4 5 5 5 - 5 8 以每克催化剂所生产的聚丙烯计算。 从表2 1 可以看出，目前炼油厂聚丙烯的质量已可以满足一般聚丙烯制品对 聚丙烯原料的要求。 2 1 1 2 用炼油厂丙烯生产丙烯腈的技术t 1 5 1 上海石油化工研究院等单位研究开发成功的m b 8 6 系列丙烯腈催化剂、u l 型内构件反应器、复合萃取新技术、乙腈连续回收技术及脱氰塔负压操作等丙烯 腈生产的成套技术，在大庆、抚顺等丙烯腈生产装置上应用取得了较好的效果。 安庆石油化工总厂d c c 工业装置投产成功后，该厂5 1 0 4 t a 丙烯腈装置使用国 产技术也获得成功。 在反应温度4 4 5 5 、反应压力0 0 5 0 0 6 m p a 、氨，烯( 摩尔比) = 1 1 0 1 1 5 的条件下丙烯腈单程收率约为8i 。产品质量达到国家标准优级品指标，装置排 污综合合格率为9 8 5 8 ，综合技术水平达到了国际先进水平。 2 1 1 3 用炼油厂丙烯生产异丙醇的技术 丙烯直接水合生产异丙醇是近年来国际上新发展的工艺，目前有磷酸硅藻土 催化剂法、离子交换树脂法和杂多酸法。我国利用炼厂丙烯生产异丙醇已有多年 的历史，锦州石油化工公司将硫酸硅藻土催化剂改成硅胶球载体硫酸催化剂解决 了硅藻土易泥化的问题以后，生产一直平稳正常。在压力2 o m p a 、温度1 8 0 2 6 0 4 第二章文献综述 的条件下，丙烯单程转化率为5 一6 ，异丙醇产品质量达到g b 7 81 4 8 7 一级 品标准，年产量达6 1 0 4 t a 。 为了提高丙烯单程转化率，抚顺石油化工研究院研究开发x p 耐高温强酸性 树脂丙烯水合催化剂。使用温度可达1 6 0 以上。在反应压力8 m p a 、反应温度 1 4 0 、水丙烯( 摩尔比) 1 5 、空速o 3 h 以的条件下，丙烯单程转化率达6 0 以 上，异丙醇选择性9 0 。 2 1 1 4 炼油厂丙烯的其它利用 炼油厂丙烯除上述三种主要利用外，黑龙江炼油厂还利用炼油厂丙烯与苯酚 合成壬基酚。上海高桥石化公司、燕山石化二厂等公司利用丙烯和苯为原料在分 子筛催化剂的作用下生产异丙苯，异丙苯经氧化生产过氧化氢异丙苯，再酸分解 制得苯酚和丙酮 j 。1 9 9 9 年我国苯酚产量为2 0 8 1 0 4 t ，其中9 5 为异丙苯法装 置生产，1 9 9 0 年代末，苯酚生产技术有了较大发展，其中最为突出的技术为沸石 分子筛催化法异丙苯技术及已二胺苯酚中和精制技术。丙烯另外丙烯还可氧化制 丙烯醛，丙烯醛氧化制丙烯酸，丙烯酸酯化制丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸 丁酯等产品，目前国内现有生产能力达1 0x1 0 4 t a 。 2 1 2 碳四利用技术 目前我国炼油厂碳四主要作民用液化气，作为石油化工生产原料主要用于生 产m t b e 、丁二烯、烷基化或叠合生产汽油组分，其次用于生产异丁烯、甲乙酮、 聚异丁烯以及l - 丁烯。 2 1 2 1 用炼油厂碳四生产m t b e ( 甲基叔丁基醚) 技术n l 91 m t b e 是一种辛烷值较高的调合组份，也有人称其为汽油辛烷值添加剂。 m t b e 是以甲醇、异丁烯为原料制得的。由甲醇和异丁烯制取m t b e 反应早 在1 8 0 7 年就已经发现，但工业上制取m t b e 直到1 9 7 3 年才由意大利的a n i c 公 司完成。 1 9 9 0 年美国公布的“清洁空气法”( 修正案) 规定，禁止在汽油中加铅，逐 步推广使用含氧汽油和新配方汽油，减少汽车排放一氧化碳和臭氧对空气的污染。 从而促进了m t b e 工艺的迅速发展。 但自1 9 9 7 年美国加州发现m t b e 污染地下水及改进空气质量效果有限，2 0 0 0 年3 月2 0 日美国政府实施禁令，禁止汽油中添加m t b e 。对m t b e 的开发应用 带来了不利的影响。 m t b e 还可裂解制聚合级异丁烯装置作丁基橡胶装置原料或生产聚异丁烯自 齐鲁石油化工公司等单位合作研究开发成功的m t b e 生产技术在高桥石化公司工 业化成功以来，我国先后成功地开发了m t b e 的固定床、膨胀床、催化蒸馏、混 相床催化蒸馏工艺技术及其所用催化剂，并在我国炼油厂得到了普遍的应用。从 5 华南理i ：大学硕十学位论文 工业生产的结果来看，我国这些技术与国际先进水平基本相当。例如，哈尔滨炼 油厂采用我国开发的混相床催化蒸馏技术建设的lx1 0 4 t a m t b e 装置，1 9 9 5 年2 月投产获得成功，产品质量较好，详见表2 2 。 气体分馏的c 4 组分经m t b e 装置后，c 4 馏分中异丁烯含量可以降低到l 左 右，对烷基化反应有利。也可用于分离丁烯一l 和丁烯2 ，丁烯1 用于线性低密度 聚乙烯装置的聚合单体，丁烯1 或丁烯2 可用于生产甲乙酮。 表2 2m t b e 质量 t a b l e2 2m t b eq u a l i t y 项目结果 甲醇o 0 3 叔丁醇 o 2 7 低聚物 o - 3 5 c 4 0 0 4 c 5 0