论文总字数：18335字

摘 要

丙烯是非常重要的化工原料，放眼全球来看，丙烯及其衍生产品的需求量再逐年增长。伴随着丙烯产品需求量的上涨，丙烯的生产技术也在朝着多样化的方向发展。现在全球主要的丙烯产品除了少部分来自烯烃的裂化反应转化反应和丙烷的脱氢，剩下的大部分都来自于炼化厂的催化裂化反应工艺以及烃类化合物的蒸汽裂解工艺反应得到。

在丙烯催化裂化的生产工艺过程中，精馏过程是此工艺的重点以及技术上的难点所在，因为精馏过程是在烯烃歧化生产丙烯的工艺过程中能耗能耗较高的工段，因此精馏工段的设计计算对于生产丙烯来说就显得尤为重要。

此次本设计采用连续生产，主要研究整个工艺中精馏工段的参数计算和精馏工段换热器的设备的设计。在整个生产工艺中精馏工段的进料物料主要为C3混合气体还有少部分的杂质，在物料进入精馏塔之前还要经预热器进行预热到达精馏工艺所需要温度条件，之后在精馏塔内进行精馏操作。在实际的操作过程中，塔底的塔釜会流出一部分的残液，而塔中的物料蒸汽向上进入塔顶冷凝器中进行冷却，一部分会作为丙烯产品产出，剩余的部分则回流到塔内。

换热器在众多行业都有着广泛的使用，而石化行业更甚。本次设计的主要对象塔顶冷凝器在丙烯的催化裂化生产中又有着重要作用，塔顶冷凝器在精馏工段过程中主要起将精馏塔顶部的大量的蒸汽介质进行冷却，使其回流。塔顶冷凝器直接影响到精馏工段的进行，因此近年来越来越多的关于塔顶冷凝器的研究出现。

在本设计的流程中，先针对产品入手搜集产品的物性参数和工艺流程，之后根据信息进行物料和热量衡算，根据核算的结果进行设备的结构设计以及标准件的选型。

关键词：丙烯、精馏、换热器、设计

Design of heat exchanger for propylene rectification section with annual output of 180,000 tons

Abstract

Propylene is a very important chemical raw material. From a global perspective, the demand for propylene and its derivative products is increasing year by year. With the increase in demand for propylene products, propylene production technology is also developing in a diversified direction. The main propylene products in the world now come from hydrocarbon steam cracking ethylene plants and oil refinery fluid catalytic cracking (FCC) plants. The remaining small part is obtained from propane dehydrogenation and other olefin conversion and cracking reactions.

This design uses continuous production, mainly to study the parameter calculation of the rectification section of the entire process and the design of the heat exchanger equipment of the rectification section. The feed to the propylene rectification tower is a mixture of propylene and propane, containing a small amount of propyne (methylacetylene, propadiene). After being heated to the specified temperature by the preheater, it is fed to the feed plate of the tower After the reflux liquid descending from the upper part of the tower merges, it descends plate by plate and finally flows into the reboiler of the tower. On each tray, the reflux liquid and rising vapor are in contact with each other for mass and heat transfer. During operation, a part of the liquid is taken from the bottom reboiler and discharged as the residual liquid in the tower, part of the liquid is vaporized, and the generated vapor rises through the trays of each layer in sequence. The vapor at the top of the tower enters the condenser to be condensed, and part of the condensate is pumped back to the top of the tower as reflux liquid, and the remaining part is sent out as the top product after passing through the cooler.

In this design process, we first collect the product's physical parameters and process flow for the product, and then calculate the material and heat balance according to the information, and then perform the structural design of the equipment and the selection of standard parts according to the results of the calculation.

Keywords: propylene; rectification section; heat exchanger; design

目录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 绪论 6

1.1 背景和意义 6

1.2 研究现状概述 6

1.3精馏工段的方案选择 7

1.4 主要内容和预期目标 7

第二章 精馏工段工艺计算 9

2.1 物料原始数据 9

2.2 物料衡算 9

2.2.1 确定精馏过程关键组分 9

2.2.2 确定塔顶每小时丙烯产量 9

2.2.3 确定塔底物料重量组成 9

2.2.4 将重量百分比换算成摩尔分数 10

2.2.5 计算进料量和塔底产量 11

2.2.6 物料衡算结果列表 11

2.3 热量衡算 11

2.3.1 计算进料温度 11

2.3.2 确定塔顶温度 12

2.3.3 换热器热量衡算 12

第三章 冷凝器设计 14

3.1 塔顶冷凝器段工艺计算 14

3.1.1 原始数据 14

3.1.2 定性温度与物性参数 14

3.1.3 物料与热量衡算 15

3.1.4 有效平均温差 15

3.1.5 初算传热面积 15

3.1.6 换热器结构设计 15

3.1.7 管程传热与压降 16

3.1.8 壳程传热与压降 17

3.1.9 总传热系数 18

3.1.0 传热面积与壁温核算 18

第四章结构设计与强度计算 18

4.1 确定所有零部件的材料和尺寸，并且对设备所有受压零部件进行强度校核 18

4.2 各零部件的结构设计 19

4.2.1 筒体 19

4.2.2 封头 20

4.2.3 管程接管补强计算 21

4.2.4 壳程接管补强计算 21

4.2.5 换热管 22

4.2.6 折流板 22

4.2.7 拉杆 23

4.2.8 管板 （GB151-1999） 23

第五章 经济核算 23

结语 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1 背景和意义

如今伴随着全球化工行业的快速发展，而且原材料丙烯在现代化工中有着非常重要的地位，对于我们国家的经济发展和对我国化工行业的产业链来说丙烯都是至关重要的。我们国家在最近十几年来丙烯工业生产的和国内的市场需求都有了长足的发展，以至于我国目前已成为全球的丙烯产品制造和消耗大国。^[1] 随着本国丙烯产业领域的规模化装备建设速度加紧，下游产品种类不断增加，社会需求不断增加，为了解决我国能源需求量不断增大，保证我国丙烯资源安全，本文综述了国内外的丙烯生产技术发展现状和在换热器设计中可能出现的问题的探讨。

1.2 研究现状概述

无论时国内还是国外都十分看重丙烯的精馏生产。丙烯是产量仅次于乙烯的重要化工原材料，丙烯可以用来生产苯酚、丙酮、丙烯晴、环氧丙烷、环氧氯四丙烷、聚丙烯和丁醇^[2][3]等非常多的重要化工产品和原料。放眼全世界来看，丙烯的工艺技术取得了迅猛的发展。从丙烯的全球产能中来看，来自于化工厂催化炼化和蒸汽裂解的方式增产的丙烯产量已经从过年的的水平下降到了年的^[4]，余下的丙烯增产的份额主要通过烯烃的歧化工艺和裂解工艺，通过甲醇制取丙烯和通过丙烷脱氢来制取丙烯。^[5]在所有的主流丙烯增产工艺技术当中，其中丙烷脱氢的增产技术又可以占到丙烯增产总产能的。丙烷脱氢技术自被开发出来已经经过一段长足的发展，这种技术自上个世纪年代以来就已经成为了丙烯增产的主要手段。目前主要的丙烷脱氢装置主要采用了由公司通过技术专利转让的催化脱氢）技术和公司通过专利技术转让的技术。^[6]目前丙烷脱氢工艺采用的反应器还是固定式反应床占多数，但是一家美国公司正在开发一种叫做流化床丙烷脱氢技术工艺^[7]，相比固定床丙烷脱氢技术相比，流化床催化脱氢技术优势体现在因为物料的反应速度相较于固定床式有很大提升，所以可以减少使用氢气循环来促进反应的进行，故可以使用一个较小功率的压缩机即可达到既定的目标，还可以节约设备的使用空间，还可以提高催化剂的催化稳定性，这意味着大大减少催化剂中贵金属的使用。综合考虑这些因素可以使整个生产设备的投资削减,操作费用削减。

目前我国工业化生产丙烯的技术以及研究水准已经全面接近国际领先水平，甚至在一些局部领域还取得了国际领先的技术创举，全国也已经建立了许多高技术高水平的现代大型化工项目^[8]。但在我国由于丙烷资源相对短缺^[9]，尤其是缺少丙烷含量较高的气田，所以目前在我国发展丙烷脱氢（PDH）增产工艺的条件在比较欠缺。就目前几种丙烯增产工艺中，我国主要采用烯烃歧化工艺^[10]化工艺，采用这种工艺的主要原因是烯烃歧化工艺与我国目前大量采用的传统的裂解工艺可以进行兼容，可以提高产品产量的同时还能尽量的降低改造生产的成套设备带来的附加成本，在我国未来有着广阔的市场，既与其他工艺不会竞争而且还具有互补性。^[11]尽管烯烃歧化这一工艺对乙烯产品的需求量较大，但是结合我国目前基础化工原料中乙烯具有一定的价格优势的大背景该工艺仍然具有较大的经济价值，而且我国目前的资源较为丰富，故烯烃歧化对于我国而言，是一条具备可行性，发展性且符合我国国情的路线。

1.3精馏工段的方案选择

在目前的丙烯的工业生产中丙烯的精馏主要有两种主流的生产工艺：第一种是采用塔顶水冷的冷凝器，塔底采用再沸器的高压精馏方案，第二种是主要选用热泵系统的低压精馏方案。

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