1、 学号: 08014020157 毕 业 论 文减压塔抽真空系统工艺路线选择The reduced pressure tower vacuum system process route choice学院 化工学院 专业 化学工程与工艺 班级 化工 08-1 班 学生 龙海辉 指导教师(职称) 吴伯明 完成时间 2012 年 2 月 28 日至 2012 年 6 月 1 日广东石油化工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺保证书本人郑重承诺:减压塔抽真空系统工艺路线选择毕业设计(论文)的内容真实、可靠,是本人在 吴伯明 指导教师的指导下,独立进行研究所完成。毕业设计(论文)中引用他人已经发表或未发表的
2、成果、数据、观点等,均已明确注明出处,如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况,本人愿承担全部责任。学生签名:年 月 日摘要减压塔抽真空系统工艺路线比选是一项为了找到不同操作工况下保持减压塔顶高真空度而耗能相对较少的工艺路线的重要设计工作。目前国内干式减压蒸馏一般采用蒸汽喷射器与二级蒸汽抽真空组合三级抽真空系统,湿式减压蒸馏一般采用二级蒸汽抽真空系统,但真空度一般较低。本文提出两个方案工艺路线,此两种工艺路线既可以用于干式减压蒸馏,也可以用于湿式减压蒸馏,并且能达到高真空度,但此两种工艺路线在不同型式的减压蒸馏中耗能有所差别,减压塔抽真空系统的工艺路线的选择的主要目标就是满足经济效益的同时保护环境,
3、其主要指标体现为拔出率、投资、操作费用与能耗等方面。关键词: 减压塔 抽真空 系统组合 喷射器 机械真空泵 真空度Abstract:Process route of vacuum tower vacuum system than is a dry type vacuum distillation in order to find different operating conditions to maintain the high vacuum of the decompression tower while relatively less energy-consuming process l
4、ine design; general election three steam ejectors and vacuum combination of two steam vacuum systems, wet vacuum distillation generally use two steam vacuum system, but the degree of vacuum generally lower. This paper presents the process route of the two programs, these two process routes can be us
5、ed for dry-type vacuum distillation, can also be used wet vacuum distillation, and can achieve a high degree of vacuum, but this two process routes in different types of reduction energy in different pressure distillation, vacuum tower pumped vacuum system, the choice of process route, the main goal
6、 is to meet the economic benefits while protecting the environment and its key indicators for the extraction rate, investment, operating costs and energy consumption.Keywords: The reduced pressure tower, vacuum, system combination, projector, mechanical vacuum pump, Economic benefits, Environmental
7、Protection第一章 减压蒸馏概述随着我国国民经济快速发展,石油产品的需求量也迅速增长。然而伴随着原油价格的不断提高,以及原油重质化和劣质化日趋严重,炼油企业如何保持自身的盈利性就成为一个越来越严峻的问题。另外,随着燃油标准和污染物排放标准的日趋严格,对炼厂提出了更高的要求。为了提高盈利性和满足环保标准,炼厂节能减排已经成为首要之举。对常减压装置而言,蒸汽是除燃料油或燃料气之外最大的能耗,而减顶抽真空系统是减压蒸馏过程中蒸汽耗量最大的设备,降低这部分消耗,意义重大。1.1 减压蒸馏原油蒸馏是原油加工的第一道工序,一般包括常压蒸馏和减压( 真空)蒸馏两部分。原油在常压蒸馏的条件下只能得到约
8、占原油总量 20%30%的轻质油品( 汽油、煤油、柴油等) 。其余部分为常压重油。为了蒸出更多的馏分油作为二次加工原料而又不使重油中大分子烃类发生热裂解反应故采用减压蒸馏即真空蒸馏。由于物质的沸点随外界压强的减小而降低,因此在较低的压强下加热常压重油,高沸点馏分(即大分子烃类)将会在较低的温度下气化,从而有效地分出沸点低于 500的高沸点馏分油和渣油,避免其发生裂解。按操作条件,减压蒸馏分“湿式”和“干式”两种。所谓干式减压蒸馏,即不依靠注入水蒸汽来降低油气分压的减压蒸馏,干式减压蒸馏能耗低拔出率高应用日见广泛,而湿式减压蒸馏工艺则逐渐被前者所取代。就真空系统而言湿式蒸馏采用两级水蒸汽喷射泵,
9、塔顶残压为 35kPa,而干式减压蒸馏多采用三级蒸汽喷射泵,塔顶残压可降至 12kPa 1。1.1.1 湿式减压蒸馏传统的减压塔使用塔底水蒸汽汽提,并且在加热炉管中注入水蒸汽,其目的是在最高充许温度和气化段能达到的真空度的限制的条件下尽可能地提高减压塔的拔出率。通常,当减压塔顶残压约 8kPa 时,水蒸汽用量约 5kg/t 进料,而在塔顶残压约 13.3kPa时则达约 20kg/t 进料。减压塔中使用水蒸汽虽然起到提高拔出率的作用,但是也带来一些不利的结果,主要有一下几点:a)消耗蒸汽量大。b)塔内气相负荷增大。塔内水蒸汽在质量上虽然只占塔进料的1%-3%。但是对气相负荷(按体积流量计)却影响
10、很大,因为水蒸汽的相对分子质量比减压瓦斯油的平均相对分子质量小的多。以拔出率为35%(质量分数) (对进料) 、减压瓦斯油相对分子质量为350计算,则当水蒸汽量为进料量质量分数的1%时,在气相负荷中,水蒸汽的份额约占三分之一。c)增大塔顶冷凝器负荷。d)含油污水量增大 2。1.1.2 干式减压蒸馏如果能够提高减压塔顶的真空度,并且降低塔内的压力降,则很有可能在不使用气提蒸汽的条件下也可以获得提高减压拔出率的同样的效果,这种不依赖注水一降低油汽分压的减压蒸馏方式称为干式减压蒸馏,而传统使用水蒸汽的方式则称为湿式减压蒸馏。近年来干式减压蒸馏技术已有很大的发展,在蒸馏方面已有取代湿式减压蒸馏的趋势。
11、实现干式减压蒸馏的技术实施:a)使用三级抽真空以提高减压塔顶的真空度。减压塔所能达到的真空度受到水温的限制,当塔顶冷凝器内的水温为 20时,理论上的极限真空度约 2.4kPa,而实际生产中的使用二级抽真空式,减压塔顶的残压一般在 8.0kPa 以上,为了把塔顶残压降到 1.3kPa-2.7kPa,有必要采用正压泵,而干式减压蒸馏不使用气提蒸汽,给使用增压泵也创造了条件。通常是在减压塔顶使用增压泵,并在中间冷凝器之后再用两级抽真空,这样的抽真空系统有可能将减压塔顶的残压降到 0.7kPa 左右,但从优选条件的计算结果来看,塔顶残压在 1.2kPa-2.7kPa 时的经济效益最为佳。干式减压蒸馏完
12、全可以用机械真空泵来代替蒸汽喷射器。国外有不少大型炼油厂的减压蒸馏装置采用了液还式机械泵,与采用蒸汽喷射器相比,具有效率高、能耗低的有点,取得良好的经济效益。但是蒸汽喷射器具有无机械传动部件、操作可靠和一次投资少的特点,因此在设计时应作综合考虑和比较。目前,国内的机械真空泵如何进一步提高效率、提高操作的可靠性、稳定性等问题还有待研究。b)降低从气化段至塔顶的压降。不用或少用水蒸汽本身就是有利于减小塔内的压力降,但是仅靠此还是不够的,还需要选用高效、低压降的塔板。近年来,在干式减压塔内广泛采用新型填料部分地或全部地代替塔板。这些填料不仅有气-液接触效率高的优点,而且压降小。在一个减压塔里也可以根
13、据需要,在不同的塔段使用不同型号的填料,也可以在部分塔段使用低压降塔板一减少投资。c)降低减压炉出口至减压塔入口间的压力降。由于减压炉内不再注入水蒸汽,故在炉出口处应维持较高的真空度以保证常压重油在炉出口处有足够的气化率,否则,即使减压塔气化段的温度、压力条件具备达到要求的气化率的可能性,也会由于减压炉供应的热量不足而达不到要求的气化率。降低减压炉出口处压力的办法就是采低速转油线以减小从炉出口到减压他的压力降。d)设洗涤和喷淋段。除了在气化段上方设洗涤段以减少携带的杂质外,在采用填料时,在填料层的上方应设有适当设计的液体分配器。1.3 干式减压蒸馏和湿式减压蒸馏的比较1.3.1 干式减压蒸馏和
14、湿式减压蒸馏的比较我们可以得到以下几点:a)由于气化段真空度的提高,即使气化段的温度比湿式减压蒸馏低,但仍然可以得到更高的拔出率。b)在同样的气化段温度下,提高原油处理量时,虽然气化段的残压稍有升高,但仍可保持较高的拔出率。c)虽然干式减压蒸馏时采用了增压喷射器,但因减压塔顶馏出线内基本上不含水蒸汽,而且由于加热炉出口温度低、分解产物不凝气减少,因此,增压喷射器的负荷并不大,后面二级蒸气喷射器的负荷也有所降低,故抽真空系统消耗的水蒸汽反而有所减少。d)由于路出口温度降低,在同样的处理量时,减压炉的热负荷降低,从而节约了燃料。e)塔顶馏出物基本上不含水蒸汽,大大降低了塔顶冷凝器的负荷,可以减少冷
15、却水用量或减少风机(当用空冷时)的耗电量。f)采用干式减压蒸馏时,塔底温度比气化段温度只低 3左右。塔底渣油温位的提高有利于热量的回收利用 3。1.3.2 一般干式蒸馏要用增压器, 湿式蒸馏不用增压器干式减压蒸馏塔的塔顶压力一般要求小于 1.6kPa (12mmHg,绝)塔顶流出物由不凝气和减压塔顶油气组成,没有水蒸气。由于吸入压力小于 2.7kPa( 20mmHg ), 应采用三级喷射器, 而常规湿式减压蒸馏的现有装置上大多只有两级喷射器,达不到所要求的真空度。为此在塔顶冷凝器前加设增压器。所谓增压器,原理与蒸汽喷射器相同,其含义是它把塔顶流出物的压力提高到在常规冷媒 (如循环冷却水或空气)
16、 所能达到的冷却温度下,塔顶流出物和增压器的工作蒸汽能够被冷凝,达到液体的压力。通常增压器的压缩比约为 6-8。采用增压器后塔顶压力不再受塔顶冷凝器冷凝温度的限制,能达到干式蒸馏的要求。干式减压蒸馏的原理是通过增加蒸汽喷射器的级数并改造减压塔内件,使减压塔进料段的总压小于常规湿式减压蒸馏条件下的烃分压,从而取消炉管注汽和塔底的汽提蒸汽,实现干式操作。只有在减压塔压力降值较小,取消的炉管注汽和塔底汽提蒸汽量大于增设的增压器所需要的工作蒸汽量时,干式操作在经济上才是合理的。如果减压塔压力降值校大,即使采用增压器把塔顶压力降低了,但减压塔进料段的压力未降到小于常规湿式减压蒸馏条件下的烃分压,则仍需在
17、塔底注入汽提蒸汽维持湿式蒸馏操作。此时注入减压塔的汽提蒸汽全部从塔顶流出,成为增压器的吸入气体,大大增加了增压器的负荷,因此要相应地加大增压器的工作蒸汽量和增压器尺寸,在这种情况下,增压器的工作蒸汽量必然大于减压塔底汽提蒸汽量的减少值,使减压蒸馏系统总的蒸汽用量增加,但又不能提高减压拔出率和提高分馏效率,因此是不合理的。这就是湿式减压蒸馏不用增压器的原因。1.4 干式减压蒸馏和湿式减压蒸馏抽真空的级数的选定抽真空的级数根据减压塔所要求的真空度来确定,表 1.4-1 列出两者之间的关系。对于湿式减压,减压塔残压一般在 5.5kPa-8.0kPa,因而通常采用两级(喷射)抽真空系统。对于干式减压,
18、减压塔顶残压一般为 1.3kPa 左右,通常要采用三级抽真空系统4。表 1.4-1 减压塔顶残压与抽真空级数的关系塔顶残压,kPa 级数13.3 1122.7 23.30.5 3(有增压喷射器)0.80.04 4(有增压喷射器)0.130.007 5(有增压喷射器)原油通过蒸馏得到的各馏分油的总和与原油处理量之比叫做总拔出率。提高原油拔出率主要是提高减压塔的拔出率, 或提高原油切割深度,我国减压蒸馏只能拔出沸点在 500以前的馏分,而国外采用深度切割技术,使减压蒸馏的切割温度高达 620。 提高减压塔拔出率的关键是提高塔气化段的真空度。在相同的气化温度下,真空度愈高,油品的气化率愈高,塔的拔出
19、率也就愈高。减压深拔的目的是增加减压蜡油的拔出量,为催化裂化装置和加氢裂化装置提供优质的原料,减少低值的减压渣油的产量,对下游装置和全厂效益有着极为积极的意义 5。炼油工艺中的真空流程多种多样,所用真空泵却比较单一-主要是水蒸汽喷射泵( 双级或三级) 。蒸汽喷射泵的主要优点是:结构简单、造价低廉、维修方便、操作可靠、耐磨损、耐腐蚀(适当选材) 。蒸汽喷身泵的最大缺点是能量利用效率非常低,蒸汽喷射泵的另一缺点是:当采用混合式冷凝器时,可能造成水污染,加大了设备投资及环保费用。节能降耗,保护环境实现可持续发展是新世纪人类一切生产活动的永恒主题。作为能源生产单位的炼油企业自然首当其冲,据统计 80
20、年代末期炼油生过程所消耗的各种形式的能量折合成原油已占原油加工总量的 6.94%,其中仅原油常减压装置就占去了 20%。炼油生产过程的节能不仅仅是降低成本、增加产量和品种,而且关系到有限石油资源的合理利用和炼油企业整体运行质量的全面提高 6。提高真空度和主要从以下两方面改进。1.4.1 以液环泵取代蒸汽喷射泵末一级或末二级实现节能。蒸汽喷射泵末级的能量利用率只有1.23%如用液环式泵取代可将效率提高至30.3%( 见表 1.4.1-1) 。表 1.4.1-1 喷射泵和真空泵能量利用率对比蒸汽喷射抽空器项目一级 二级液环式真空泵吸入压力/kPa 5.73 22 22吸入温度/ 32 40 40吸
21、入气体量/kg.h 1-不凝气可凝油 水凝汽 655721565206520排出压力/kPa 24 104 104工作流量/kg .h 1-766 386 -工作温度/ 240 240 -工作压力/kPa 980 980 -电耗/kW - - 30理论功/kW 16.66 4.20 4.20实际能量消耗/kW 677.10 341.20 13.90能量利用率/ 2.46 1.23 30.30据国外某公司提供数据整理的全面比较以水环泵取代末级喷射泵利弊对照表(见表 1.4.1-2) 。最近辽河石油化工总厂在 100 万 t/ a 常减压蒸馏装置上以液环泵取代蒸汽喷射泵末级同样取得了良好的效果:
22、a)塔项真空度提高约 1.34kPa。 b) 每小时节能 2721M J 与应用前的抽空系统能耗 6620MJ/ h 相比节能 41%。 c) 采用液环泵后减压塔顶真空度提高,降低了油气分压,使原油中的轻组分更易汽化,增加了减压塔的拔出率,使减压塔的总收率由 29.84%提高到 31.20%,相当于每年每套装置增加 1.36 万吨轻质石油产品。目前我国炼油厂减压蒸馏装置数以百计, 如能推广此项工艺技术节能效果将十分可观。表 1.4.1-2 取代末级喷射泵的方案减压塔 *3618设备购置费 100% 150% 162.5% 187.5%蒸汽费(全年) 100% 61.7% 54.9% 47.9%
23、水费(全年)100%124% 128% 132% -电费/蒸汽费100%- 5.5% 7.0% 10.9%全年运行费 100% 71.6% 67.1% 64.5%前三年总费用 100% 79.9% 77.1% 77.5%设备费 100% +50% +62.5% +87.5%运行费 -28.4% -32.9% -35.5% -投资回收时间 5 个月 5.4 个月 7 个月 -方案一 方案二 方案三 方案四 个方案利弊设备投资最低,如蒸汽费用大幅减低此方案最佳第三级水环泵投资需 5 个月回收第二级喷射泵真空度略有提高水环泵容量增大,节约效果更明显,投资消有增加,第二级喷射泵真空度明显提高运行费用减
24、低,年运行费设备投资的 146%,在方案一中年度运行费为设备投资的 4.42 倍1.4.2 机械真空泵应用于炼油行业呈上升势头炼油企业采用的真空获得的设备大量是蒸汽喷射泵只有少的机械真空泵用于一些干式减压蒸馏塔和小炼油厂的减压塔。随着减压塔的日益大型化,蒸汽喷射泵也变庞然大物,能耗大、效率低、水污染等矛盾日益突出。与蒸汽喷射泵相比,机械真空泵虽然抽气能力偏小,一次购置费用较大,但其节能效果显著,可以回收利用,对于塔顶产品蒸汽而言可消除混合冷凝器的污水,节约大笔环境治理费用。况且机械真空泵的抽气能力近年也大幅提高,足以满足某些中小型减压装置、溶剂回收装置、油品精制装置的抽真空要求。国产大型机械真
25、空抽气能力见表 1.4.2-1。表 1.4.2-1 国产大型机械真空抽气能力泵类型 水环泵 SK-250 气冷罗茨泵 国外减压塔用蒸汽喷射泵-液环LQ-10000 泵抽速(m 3/h) 16800 36000 689.337极限真空(kPa)16 13 0.81.4.3 冷凝-真空系统的发展近年来,冷凝-真空系统的发展有三:a)为了减轻抽真空系统的负荷,减压塔顶部设置了全凝段。b)用间接冷凝冷却方式(水冷或空冷)取代直接混合式冷凝冷却,以消除污染,保护环境。直接混合式冷凝器虽然具有冷凝冷却效率很高、占地面积小的优点,但是一个中等规模的减压蒸馏抽真空系统的冷凝冷却器,往往需要 600800t/h
26、 的循环水,需设置庞大的循环水净化、冷却设施,占地面积很大,而且,会造成大气污染。因此,直接混合式冷凝喷射抽真空系统如果将装置内外的全部设施加在一起的话,则是一个复杂而庞大的系统。为了节约水资源,地处内陆的炼厂则更倾向于采用空气冷凝冷却器作预冷凝器和喷射器级间冷凝器。应当指出的是,北方寒冷地区的抽空系统采用空冷器作预冷凝器和级间冷凝器时,必须采取防冻防凝措施,如空冷器热风循环等,否则,将会严重破坏抽空系统的正常运行。空冷器宜采用湿式空冷器,以确保夏季的冷凝冷却。c)采用喷射 机械真空泵联合抽真空系统。喷射抽真空系统与机械抽真空系统二者联合,可以优势互补,相得益彰,成为能量利用、运行维护、操作管
27、理综合优化的抽空系统 7。1.5 影 响 真 空 度 的 因 素1.5.1 塔顶的油气量塔顶油气量的提高,增加了真空泵的负荷,会降低真空度。造成塔顶油气量增加的原因主要有:a)进料的性质。减压塔炉出口温度越高,进料的裂解程度越大,生产的气体烃量越大。现在越来越追求减压的深拔,势必会提高减压炉的炉温,国外某炼油厂采用特殊技术,炉出口温度可高达 440 ,这样会产生大量的裂解气。如果常压塔的分离效果C0不好,350 以前的柴油组分没有拔净,会给减压塔带来相对大的气相负荷。进料量C0增加,不凝气量也会增加。b)减压塔顶温度高,塔上部气相负荷也会增加,许多轻蜡油组分会进入抽真空系统。因此要控制好塔顶温
28、度,一般干式减压的顶温工艺指标是不大于 70 。C0c)减压塔底温度及减渣在塔底的停留时间也会影响不凝气量。塔底温度过高,减渣容易裂化,产生不凝气。减渣在塔底的停留时间越长,裂化时间也越长,因此减压塔底采用缩径以降低减渣的停留时间。d)如果是湿式减压或微湿式减压,油气里会有大量的蒸汽。e)减压塔的泄漏,空气被吸入塔内,造成油气量增加,而且空气不能冷凝,会导致真空度的下降。由于减压塔是负压,发生小的泄漏很难被发现。如果泄漏较大,会听到尖锐的哨音。减压塔的泄漏量可以通过分析减顶的瓦斯中的空气含量的大小判断。1.5.2 蒸汽压力当蒸汽压力下降到一定程度时,蒸汽经过喷嘴后的动能下降,真空泵混合室的负压
29、会降低,造成抽真空能力不足。另外,蒸汽压力过高,如果冷却器冷凝能力不足,也会导致真空度下降或产生波动。正常生产中,蒸汽管网经常波动,因此影响真空度最频繁、最容易发生的原因就是蒸汽压力的波动。同时要加强蒸汽的排凝,避免蒸汽带水造成抽真空能力下降。1.5.3 冷凝设备的冷却能力冷却能力对真空度而影响也非常大。冷却深度大,不凝气量少,下级真空泵的负荷降低。影响冷却能力的因素有很多方面。冷却器结垢、冷却水压力低、循环量会减小,或冷却水上水温度高、热量带不出去、冷却器腐蚀严重、折流板被腐蚀掉、不凝气走短路、换热效果变差、空冷运行不良等都会降低冷却能力。冷却方法主要是采用水冷和空冷。有的装置为了提高冷却能
30、力,采用新鲜水代替循环水。空冷既可以减少装置的用水量,不产生含油含硫污水;又可保持较高的真空度。目前全国各炼油厂都在逐步改为空冷式。真空泵“喘”的不正常状态,很多时候都是由于冷却能力不足造成的。真空泵喘时,DCS 上可以看到真空度来回波动,剧烈时会波动 6-7kPa,现场可以听到明显的不均匀的声音。这是可以进行减顶冷却器的反冲洗,提高冷却效果,一般可以解决喘的问题 8。1.6 提高真空度的关键提高真空度的关键是在保持工作蒸气压力稳定的前提下,努力降低减压塔顶冷凝器的出口温度即喷射器的吸入温度,以减少吸气量。吸入气体由不凝气、减压塔顶油气和水蒸气三者组成。当减压进料量和减压炉温稳定时,不凝气量基
31、本不变。由于减压塔顶油气量和水蒸气量随各自的饱和蒸汽压成正比例变化,也就随吸入温度成对数关系变化。根据道尔顿分压定律, 吸入压力等于不凝气、减压塔顶油气和水蒸气三者的分压之和。所以吸入压力必然大于水蒸气分压,即大于吸入温度下的饱和水蒸气压。而在不凝气量和减压塔顶油气量比例很小的假想条件下,极限最低吸入压力为吸入温度下的饱和水蒸气压。冷凝器出口温度与喷射器能达到的吸入压力的关系如表1.6-1。表1.6-1 冷凝器出口温度与喷射器能达到的吸入压力的关系冷凝器出口温度 20 25 30 35 40喷射器入口达到的压力kPa(mmHg)3.3(25)4.3(32)5.3(40)6.9(52)8.7-9
32、.3(65-70)这就是减压塔真空度冬天高、夏天低的原因。我国华中、华南一些炼油厂塔顶冷凝器用循环水冷却,夏天水温 33 -36 , 蒸汽喷射器吸入温度接近 40 , 减压塔顶压力约 10.7kPa(80mmHg),这不是因为喷射器效率不高造成的,而是由于冷凝温度太高造成的。在湿式减压蒸馏工况下,喷射器的吸入真空度会受到减压塔顶冷凝器冷后温度的限制,要提高真空度最为关键的是要降低冷凝器冷后温度 9。第二章 减压蒸馏方案的选择2.1 减压蒸馏的抽真空系统组合方案减压精馏塔的抽真空设备可以用蒸汽喷射器(也称蒸汽喷射泵或抽空器)或机械真空泵。蒸汽喷射器的结构简单,没有运行部件,使用可靠而无需动力机械
33、,而且水蒸汽在炼厂中也是既安全又容易得到的。因此,炼油厂中的减压塔广泛地采用蒸汽喷射器来产生真空。但是蒸汽喷射器的能量利用效率非常低,仅 2%左右,其中末级蒸汽喷射器的效率最低。机械真空泵的能量利用效率一般比蒸汽喷射器高 8-10 倍,还能减少污水量。蒸汽喷射器与其他机械真空泵的能耗对比数据见下表 2.1-1 和表 2.1-2。表 2.1-1 蒸汽喷射器及机械真空泵的能耗吸入压力(绝) ,KPa 66.6 33.3 16.6 8.33 1.3蒸汽喷射器 1745.6 7007.4 17522.6 15140.8 47686.9液环泵 159.1 347.4 699 1331.2 11243.6
34、鼓风机(罗茨) 67 276.3 422.8 866.5 -能耗kJ/kg(空气)机械真空泵 105 226 422.8 636.5 2779.5表 2.1-2 两种抽真空系统的技术经济特性比较机械抽真空系统 蒸汽喷射抽真空系统运行可靠性运行费用适应能力维修费用适应范围低较低较低高广高较高高低较广对于一套加工能力为 250 万吨/年的常减压装置,若把减压塔的二级蒸汽喷射器改为液环泵,能量效率可由 1.1%提高到 25%,可节省 3195.8MJ/h,使装置能耗下降10.22MJ/t 原油。国外大型蒸馏装置的数据表明,采用蒸汽喷射器机械真空泵组合抽真空系统操作良好,具有较好的经济效益。因此,近年
35、来,随着干式减压蒸馏技术的发展,采用机械真空泵的日渐增多。国内小炼油厂的减压塔采用机械真空泵的比较多10。经过上述的比较和对经济性考虑得出两个实用方案:方案一:蒸汽喷射器(增压器)机械真空泵组合三级抽真空系统 11; 方案二:冷 凝 冷 冻 -蒸 汽 喷 射 器 二 级 抽 真 空 系 统 。2.1.1 方案一抽真空系统流程抽真空系统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) 、减压塔顶油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。图 2.1.1-1 是方案一采用蒸汽喷射器机械真空泵组合三级抽真空系统的流程。 减压塔 增压器 一级抽真空 冷 却 器冷 却 器冷 却 器 抽
36、空 蒸 汽 不 凝 气水 封 池 液 环真 空泵 组大 气 腿图 2.1.1-1 蒸汽喷射器(增压器) 机械真空泵组合三级抽真空系统减压塔顶出来的不凝气、水蒸汽和由它们带出的少量油气首先进入增压喷射器升压抽出从而形成塔顶真空,由增压器抽出的油气和水蒸汽被第一个管壳式冷凝器冷凝后排入水封池,不凝气则由一级喷射器抽出。由一级喷射器抽出的不凝气再排入一个中间冷凝器,将一级喷射器排出的水蒸汽冷凝。不凝气再由二级机械真空泵抽走而排入大气。为了消除因排放二级机械真空泵的蒸汽所产生的噪音以及避免排出的蒸汽的凝结水洒落在装置平台上,常常再设一个后冷凝器将水蒸汽冷凝而排入水封池,而不凝气排往低压瓦斯系统。本系统
37、的冷凝器是采用间接冷凝的管壳式冷凝器,故通常称为间接冷凝式二级抽真空系统。在老的炼油厂,也还有用直接混合式冷凝器代替上述流程中的间接冷凝器的。从实际操作情况来看,采用直接混合式冷凝器有时可以得到高一些的真空度,但采用间接式冷凝器可以避免形成大量的含油污水,从而减小污水处理的负荷,有利于环境保护。如果把有关的污水处理也考虑在内,则直接冷却的抽真空系统投资、占地面积和操作费用都比较高,因此,新见炼厂的设计都采用间接冷凝式抽真空系统。冷凝器是在真空下操作的,为了冷凝水顺利地排出,排出馆内水柱的高度应足以克服大气压力与冷凝器内残压之间的压差以及馆内的流动的阻力。通常此排液管的高度至少应在 10m 以上
38、,在炼油厂称此排液管为大气腿。系统中的冷凝器的作用在于使可凝的水蒸汽和油气冷凝而排出,从而减轻喷射器的负荷。冷凝器本身并不形成真空,因为系统中还有不凝气的存在。为了减少冷却水用量,进入一级喷射器之前的冷凝器也可以考虑用空冷器代替。由真空系统排出的放空尾气中,气体烃占 80%以上,并含有硫化物气体,造成空气污染和可燃气的损失。因此,应考虑回收这部分气体并加以利用(如用作加热炉燃料等) 。2.1.1.1 蒸汽喷射器的工作原理图蒸汽抽真空的原理是,利用一定压力的水蒸汽,通过一个拉法尔喷嘴,蒸汽体积迅速膨胀,一般出口处的蒸汽体积是进入喷嘴前的几百倍,在喷嘴出口处产生超音速汽流。蒸汽在此进行了一次能量转
39、换,由压力能转变为动能,高速汽流在喷嘴入口处形成低压状态,由于高速汽流的引射作用,使与喷射器相连的减压塔形成负压,从而达到抽真空作用 12-14。 (见图 2.1.1.1 -1)图 2.1.1.1-1 蒸汽喷射增压器结构示意图2.1.1.2 机械真空泵的工作原理图新型液体喷射技术的核心喷射器用可备选的各种液体作动力介质,能稳定可靠地提供系统真空,并可大幅度节省操作费用,而且几乎没有酸性水排放。液体喷射技术,以文丘里原理为设计基础,高速循环液体从喷嘴处高速喷出, 高分散液体向气体传递,形成超声速的气液两相流,在喷嘴下方形成负压区域,将减压塔顶气体抽入喷射器的混合室,继而达到抽真空目的,在整个过程
40、中,液体的动能转化为压缩气体的势能。循环液从分离器的底部用泵抽出,经冷却后输送到喷射器的喷嘴,形成喷射循环。在液体循环和气体升压过程产生的热量以及气体带入的热量被循环溶液携带,通过冷却器移出系统 15。其原理如图 2.1.1.2-1 所示。工 作 液 体 减 顶 油 气工 作 流 体 收 集 器 ; 2 喷 嘴 ; 3混 合 室 ; 4扩 压 室图 6.1.1.2-1 机械真空泵的工作原理2.1.1.3 真空度的极限和增压喷射泵a)真空度的极限在抽真空系统中,不论是采用直接混合冷凝器、间接式冷凝器还是空冷器,其中都会有水(冷却水或冷凝水)的存在。水在其本身温度下有一定的饱和蒸汽压,故冷凝器内总
41、是会有若干水蒸汽。因此,理论上冷凝器中所能达到的残压最低只能达到该处温度下水的饱和蒸汽压。至于减压塔顶所能达到的残压,则显然应在上述的理论极限值上加上不凝气的分压、塔顶馏出管线的压降、冷凝器的压降,故减压塔顶残压还要比冷凝器中水的饱和蒸汽压高得多,当水温为 20 时,冷凝器所能达到的最低残压为 2.3kPa,此时减压塔C0顶的残压就可能高于 4.0 kPa 了。冷凝器中的水温决定于冷却水的温度。在炼厂中,循环水的温度一般高于新鲜水的温度,因此,抽真空系统多采用新鲜水做冷却水。b)增压喷射泵在一般情况下,20 的水温是不容易达到的,因此,二级或三级蒸汽喷射抽真空C0系统很难使减压塔顶的残压达到
42、4.0kPa 以下。如果要求更高的真空度,就必须打破水的饱和蒸汽压这个限制。为此,可以再减压塔馏出物进入第一个冷凝器以前在安装一个蒸汽喷射器使馏出气体升压,这个喷射器称为增压喷射器或增压喷射泵,则这个系统叫设增压喷射器的抽真空系统。由于增压喷射器的上游没有冷凝器,它是与减压塔顶的馏出线直接连接,所以塔顶真空度能摆脱水温的限制,减压塔的残压相当于增压喷射器所能造成的残压加上馏出线压降 16。增压喷射器所吸入的气体,除减压塔来的不凝气以外、还有减压塔的汽提水蒸汽,因此负荷很大。这不仅使增压泵要有很大的尺寸,更重要的是它的工作蒸汽耗量很大,使装置的能耗和操作费用大大增加。表 2.1.1.3-1 所列
43、的一个处理量为 常减t/a104压装置的计算数据说明了这一点。因此,除非特别需要,尽可能不使用增压喷射器。但对于干式减压蒸馏,由于减压塔内基本上不用汽提水蒸汽,对于这种情况又当别论。在我国南方,为了适应冬夏气温变化的影响,可以考虑采用灵活启用的增压喷射器。例如某厂减压塔顶抽真空系统按此原则设计了两套并联的三级抽真空流程,其中第一级是可灵活启用的增压喷射器。在夏季开两套三级抽真空,其工作蒸汽消耗量为6.6t/h,春秋开两套二级抽真空,其工作蒸汽耗量为 3.6t/h,冬季则只开一套二级抽真空,其工作蒸汽耗量为 1.8t/h。开工后证明使用效果良好 17。表 2.1.1.3-1 某减压塔的蒸汽喷射器
44、计算数据项目 增压喷射器 一级喷射器 二级喷射器喷嘴个数/喉径/mm 9/11.7 1/14.7 1/13.7扩压管喉径 /mm 305 84 46.5工作蒸汽压/MPa( 表) 0.9 0.9 0.9吸入气体温度/ C0100 40 40油气 780 - -分解气 310 310 310空气 25 30 35吸入气量kg/h水蒸汽 1000 250 40吸入气体压力/kPa 2.7 12.0 41.3工作蒸汽用量/kg/h 2760 690 7002.2 方案二抽真空系统流程本方案采用如图 2.2-1 冷 凝 冷 冻 -蒸 汽 喷 射 器 二 级 抽 真 空 系 统 流程方案。减压塔顶出来的
45、不凝气、水蒸汽和由它们带出的少量油气首先进入第一个管壳式冷凝器采用循环水冷凝,冷凝液排入水封池,不凝气则进入第二个管壳式冷凝器采用冷冻水冷凝冷却,冷凝冷却后的冷凝液排入到水封池,冷冻水由装置的低温余热通过溴化锂吸收制冷获得,不凝气则由一级喷射器抽出,由一级蒸汽抽真空喷射器抽出的混合气体排入中间冷凝器进行冷凝,冷凝液排入水封池,不凝气体再由二级蒸汽喷射器真空泵抽出,由二级蒸汽抽真空喷射器抽出的混合气体排入冷凝器进行冷凝,冷凝液排入水封池,不凝气排往低压瓦斯系统。本系统的冷凝器是采用间接冷凝的管壳式冷凝器,故通常称为间接冷凝式二级抽真空系统。 减压塔 大气腿冷 却器 一级抽真空 二级抽真空 冷 却
46、 器冷 却 器冷 却 器 抽 空 蒸 汽 不 凝 气水 封 池图 2.2-1 冷 凝 冷 冻 -蒸 汽 喷 射 器 二 级 抽 真 空 系 统2.2.1 冷凝器型式和优缺点减压塔顶冷凝器、级间冷凝器和后冷凝器有三种类型可供选用, 一为直接水冷凝器,二为管壳式水冷凝器,三为湿式空气冷却器。三者的优缺点比较如下:a)直冷式的优点是:冷却水与塔顶气体直接接触,冷后气体温度(即喷射器的吸入温度) 与冷却水入口温度之间的差值最小。在冷却水温度相同的情况下,它所能达到的真空度略高于管壳式,而且冷后气体温度稳定,因而真空度稳定。此外,直接水冷凝器的设备尺寸小,可以挂在减压塔塔体上,不用安装框架,占地面积小。
47、直冷式缺点是:冷却水全部变为含油污水排至含油污水系统,或需单独建设这一种水的循环水冷却系统, 因此污水量大。如果把污水处理设施所需的投资计算在内,则其投资和占地面积都比管壳式大得多。基于上述缺点, 新建炼油厂从 60 年代起已不采用直冷式,而且老厂也陆续将直冷式改造为管壳式或增湿空冷器。b)管壳式的优点是:冷却水与塔顶气体间接传热,冷却水不受油品污染,因此它的投资、操作费用和占地面积与直冷式冷凝器加上污水处理设施的合计投资、操作费用和占地面积相比都小得多。管壳式的缺点是召冷凝效果受水质的影响大,水质差,水压不足,使水的流速过小(小于 1m/h) 时,积垢快,传热速率迅速下降,则此常常出现在装置
48、检修后开工初期,塔顶真空度较高,然后随时间的推移,真空度逐渐下降的现象。此外,我国南方的一些炼油厂夏季的循环冷却水温度高达 33-36 , 使塔顶冷凝器的冷后温度高达 40 , 所以塔顶压力约为 9.3-10.7k p a (70-80mmHg , 绝)。减压蒸馏拔出率较低。为了克服这些缺点,有的炼油厂增设减顶冷凝器冷却水的升压泵,以保持水压,加大流速,并设立冷凝器管程水侧反冲洗的管线,同时加注防垢剂,以减缓积垢。c)湿式空气冷却器不但具有管壳式水冷凝器的优点, 而且由于不用循环冷却水,所以不存在管壳式的上述缺点。以上海炼油厂 1 号蒸馏装置(250 x104 t/ a )为例, 把管壳式改造
49、为湿式空冷以后,装置能耗下降 14.2MJ /t 原油, 全年装置操作费节约 30.7x104元。而且夏季的塔顶真空度提高约 1.3kPa (10mmHg )。湿式空冷器的缺点是:1 )占地面积较大,在老装置改造时这往往成为限制因素。2) 在室外气温低于-10 时,易发生管内冻结,管子破裂的故障,影响真空度的稳定。在长江流域以南采用湿式空冷器可不加设防冻设施,但在北方,尤其在东北地区,宜采用热风循环式结构以防止管子冻裂,确保真空稳定。第三章 数据模拟和经济评估3.1 模拟数据3.1.1 工艺数据a)塔顶操作条件: T=70100 P=4 KPa(a)b)工艺气体流量(100%):序号名称 流量kg/h分子量 绝 热 指 数Cp/Cv定 压 比 热kcal/kg.1 空 气 50 292 不凝气 261 18.23 减顶油汽(可凝油品)413 1774 水 蒸 汽 4150 181.130 0.4645 总流量 4874c) 动力蒸汽条件: 压力 P=0.851.2 MPa (G)