工艺设计说明书(2)

北方民族大学 学士学位论文

论文题目: 年产1万吨液化石油气装瓶站工艺设计

院(部)名 称: 化学与化学工程学院 学 生 姓 名: 张宝银 专 业: 化学工程与工艺 学号: 20091340 指导教师姓名: 靳治良 论文提交时间: 2013年5月1日 论文答辩时间: 2013年5月10日 学位授予时间:

北方民族大学教务处制

摘 要

液化石油气在家用、化工生产、汽车工业等领域有着广泛的应用。炼化厂释放的废气中，含有一定量的C3、C4组分（丙烷、丁烷、丁烯、异丁烯等），过去传统的处理办法是通过火炬燃烧排空，既造成资源浪费，又带来环境污染，为了实现能源的可持续发展，近年来新建厂和老厂都通过新建或技术改造，将C3、C4回收利用，制得液化气外销，取得一定经济及社会效益。

本设计基于炼化厂排放的C3、C4废气回收利用为目的，以此为原料生产液化石油气。采用压缩冷凝的方法，将炼化厂释放废气中的C3、C4组分予以液化，建设年产1万吨液化石油气生产装置及灌装台站。涉及原料废气预处理、压缩、冷凝、液化气输送、储存、灌装等诸多单元过程。设计深度为初步设计。

该工艺流程较短，设备投资较少，操作运行稳定可靠，产品质量易于控制，无新增污染物排放，具有较好的经济效益、环境效益、社会效益。

设计内容包括：工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、分子筛吸附器的设计计算以及生产装置中其他设备的选型计算、安全环保设施等。图纸包括：带控制点工艺流程图、装置平面布置图。

关键词： 液化石油气，压缩机，换热器，分子筛，装瓶站

ABSTRACT

Liquefied petroleum gas is widely used in household, chemical industry, automobile industry and other fields. Exhaust gas refinery release, C3、C4 group contains a certain amount of points (propane, butane, isobutene butene, etc.), the past traditional approach is through the torch burning emptying, not only a waste of resources, but also brings environmental pollution, in order to realize the sustainable development of resources, in recent years, the new plant and old plant through new or technological transformation, C3、C4 recycling, prepared with liquefied gas export, and achieved certain economic and social benefits.

The design is based on the use of refinery emissions of C3、C4 waste gas recovery for the purpose, as a raw material for the production of liquefied petroleum gas. By using the method of compression and condensation, the refinery to release C3、C4 constituents in exhaust gas to be liquefied, the construction of an annual output of 10000 tons of liquefied petroleum gas production device and filling stations. Involve the raw material gas pretreatment, compression, condensation, liquefied gas transportation, storage, filling and other units. The design depth of the preliminary design.

The technological process is short, the equipment investment is less, the operation is stable and reliable, the quality of the products is easy to control, no additional pollutant emissions, with good economic benefits, environmental benefits, social benefits.

The design content includes: selection of other equipment design and calculation process design, material balance, heat balance, molecular sieve adsorber and production equipment in the calculation, safety and environmental protection facilities.Drawings including: process flow chart with control points, device layout.

Keywords: Liquefied petroleum gas, compressor, heat exchanger, molecular sieve, bottling station

目 录

前 言.............................................................................................................................. 1 第1章 综述.................................................................................................................. 2

1.1 液化石油气的概念.......................................................................................... 2 1.2 液化石油气的来源.......................................................................................... 2

1.2.1 从油、气田开采中生产........................................................................ 2 1.2.2 从炼油厂中生产.................................................................................... 2 1.2.3 从乙烯工厂中生产................................................................................ 3 1.3 液化石油气的性质.......................................................................................... 3 1.4 液化石油气的运输.......................................................................................... 4

1.4.1 管道运输................................................................................................ 4 1.4.2 铁路运输................................................................................................ 4 1.4.3 公路运输................................................................................................ 4 1.4.4 水路运输................................................................................................ 4 1.5 液化石油气供应基地...................................................................................... 5

1.5.1 液化石油气储配站的任务及功能........................................................ 5 1.5.2 液化石油气的装卸................................................................................ 5 1.5.3 液化石油气的储存................................................................................ 5 1.5.4 液化石油气灌装工艺............................................................................ 6 1.5.5 残液回收................................................................................................ 6 1.5.6 液化石油气供应基地的选址与平面布置............................................ 7 1.5.7 工艺流程................................................................................................ 7 1.6 液化石油气的用户供应.................................................................................. 7

1.6.1 液化石油气的气化方式........................................................................ 7 1.6.2 液化石油气钢瓶供应............................................................................ 8 1.6.3 液化石油气的管道供应........................................................................ 8 1.7 液化石油气的工业前景.................................................................................. 8 1.8 液化石油气的脱水.......................................................................................... 9

1.8.1 原料气脱水吸附.................................................................................. 10 1.8.2 脱水塔冷却再生.................................................................................. 11 1.8.3 再生气冷却外送.................................................................................. 11

第2章 设计依据........................................................................................................ 13 第3章 产品方案及生产规模.................................................................................... 15

3.1 界区条件........................................................................................................ 15 3.2 条件参数........................................................................................................ 15 3.3 产品质量........................................................................................................ 16 3.4 工艺流程........................................................................................................ 17 第4章 物料衡算........................................................................................................ 18

4.1 计算基准........................................................................................................ 18 4.2 计算过程........................................................................................................ 19

4.2.1 最小液化压力的确定.......................................................................... 19 4.2.1 临界液化压力的确定.......................................................................... 20 4.3 液化石油气压缩机选型................................................................................ 21

4.3.1 工艺参数.............................................................................................. 21 4.3.2 设备参数.............................................................................................. 21

第5章 热量衡算........................................................................................................ 24

5.1 氮气加热器的计算........................................................................................ 24

5.1.1 选型和确定流体通入空间.................................................................. 24 5.1.2 计算定性温度和确定物理常数.......................................................... 24 5.1.3 计算热负荷.......................................................................................... 25 5.1.4 计算对数平均温度差.......................................................................... 25 5.1.5 初选总传热系数K0 ............................................................................ 26 5.1.6 换热器参数计算.................................................................................. 26 5.1.7 计算总传热系数K0 ............................................................................ 26 5.1.8 选型...................................................................................................... 28 5.2 液化石油气冷凝器的计算............................................................................ 28

5.2.1 计算流体的定性温度，确定流体的物性数据.................................. 28

5.2.2 计算热负荷.......................................................................................... 30 5.2.3 选型和确定流体通入空间.................................................................. 30 5.2.4 计算对数平均温度差.......................................................................... 31 5.2.5 初选总传热系数K0 ............................................................................ 31 5.2.6 换热器参数计算.................................................................................. 31 5.2.7 计算总传热系数K0 ............................................................................ 32 5.2.8 选型...................................................................................................... 33

第6章 主要设备工艺计算及设备选型.................................................................... 35

6.1 分子筛吸附器工艺计算及设备选型.......................................................... 35

6.1.1 分子筛的选型...................................................................................... 35 6.2 分子筛吸附器设计........................................................................................ 37

6.2.1 一个周期内分子筛理论吸附水量...................................................... 37 6.2.2 设备选型.............................................................................................. 37 6.3 分离器............................................................................................................ 37

6.3.1 计算方法.............................................................................................. 38 6.3.2 选型...................................................................................................... 38 6.3.3 设计条件.............................................................................................. 38 6.3.4 确定容器内径D .................................................................................. 39 6.4 液化气储罐.................................................................................................... 41

6.4.1 设计温度.............................................................................................. 41 6.4.2 设计压力.............................................................................................. 42 6.4.3 储配站储罐区设计.............................................................................. 42 6.4.4 选型...................................................................................................... 43 6.5 液化石油气泵................................................................................................ 43

6.5.1 液化石油气泵...................................................................................... 43 6.5.2 液化石油气钢瓶和槽车的主要技术参数.......................................... 44 6.5.3 液化石油气泵的选型.......................................................................... 44 6.6 灌装台............................................................................................................ 45 第7章 设备一览表.................................................................................................... 46

第8章 仪表及自动控制系统.................................................................................... 47

8.1 仪控系统设计原则........................................................................................ 47 8.2 系统功能........................................................................................................ 47 8.3 仪表选型原则................................................................................................ 48 8.4 自动控制系统选择........................................................................................ 48

8.4.1 泵的控制.............................................................................................. 48 8.4.2 换热器的控制...................................................................................... 49 8.4.3 储罐的控制.......................................................................................... 49

第9章 平面布置........................................................................................................ 50

9.1 布置标准........................................................................................................ 50 9.2 布置类型的确定............................................................................................ 50 9.3 总平面布置说明............................................................................................ 50 第10章 工程概算...................................................................................................... 52

10.1 第一部分费用.............................................................................................. 52

10.1.1 直接投资费........................................................................................ 52 10.1.2 间接费用............................................................................................ 52 10.2 第二部分费用.............................................................................................. 53 10.3 工程预备费用.............................................................................................. 53 10.4 投资.............................................................................................................. 53 10.5 年经营成本计算.......................................................................................... 53 10.6 经济效益...................................................................................................... 54 第11章 环境保护、消防、安全及职业卫生 .......................................................... 55

11.1 环境保护 ...................................................................................................... 55

11.1.1 危害因素分析 .................................................................................... 55 11.1.2 危害的防护措施 ................................................................................ 55 11.2 消防设计 ...................................................................................................... 56

11.2.1 罐区概况 ............................................................................................ 56 11.2.2 消防给水设计概况 ............................................................................ 56 11.2.3 消防给水水质 .................................................................................... 56

11.2.4 消防方案 ............................................................................................ 57 11.3 安全及职业卫生 .......................................................................................... 58 致 谢............................................................................................................................ 59 参考文献...................................................................................................................... 60 外文翻译...................................................................................................................... 61 外文文献...................................................................................................................... 76 附 录............................................................................................................................ 85

附录A DW-17/0.15-19型液化气压缩机技术说明 ............................................ 86 附录B 设计的体会和收获 ................................................................................. 90 附录C 年产1万吨液化石油气装瓶站工艺流程图 ......................................... 91 附录D 年产1万吨液化石油气的装瓶站设备平面布置图 ............................. 91

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前 言

液化石油气，英文缩写LPG（Liquefied petroleum gas）。LPG由甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等多种易燃易爆物质组成，常温常压下为气体，属于甲类危险品。

随着石油化学工业的发展，液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们的重视。在化工生产方面，液化石油气经过分离得到乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等，用来生产合成橡胶、合成纤维、合成塑料及生产医药、炸药、染料等产品。用液化石油气作燃料，由于其热值高、无炭渣无烟尘，操作使用方便，已广泛地进入人们的生活领域。此外，液化石油气还用于切割金属，用于工业窑炉的焙烧和农产品的烘烤等。

能源的安全以及环境保护是人类面临的共同挑战，也是除了贸易之外的各大经济体之间最受关注的两个话题。我国的能源和环境方面也正面临着有史以来最为严峻和规模的挑战，为正在进行的城镇化、机动车化和工业化的过程以及为全国人口提供充足、可靠、廉价、清洁、便利的能源供应，在规模上比任何国家以往所经历的都要大得多。高昂的国际油价，能源的短缺和快速增长的能源进口，生产和使用造成的严重污染，国际能源地缘政治，全球气候变暖，国内能源领域市场化改革的复杂性，这些因素都使得我国面临的挑战比任何所面临和以往经历过的国家挑战都更为严峻。

炼化厂释放废气中，含有一定量的C3、C4组分（丙烷、丁烷、丁烯、异丁烯等），过去传统的处理办法是通过火炬燃烧排空，既造成资源浪费，又带来环境污染。近年来新建厂及老厂都通过新建或技术改造，将C3、 C4回收利用，制得液化气外销，取得一定经济及社会效益。

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第1章 综述

1.1 液化石油气的概念

液化石油气无色无味，是石油产品之一。通常由甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等组成，常温常压下为气体，属于甲类危险品。无色气体或黄棕色油状液体，有特殊臭味；密度：液态密度为580 kg/m3，气态密度为2.35 kg/m3；引燃温度：360℃～460℃；闪点：-74℃；爆炸下限%（V/V）：5；爆炸上限%（V/V）：33；热值：10650 kJ/m3。

LPG充装系统设施危险性大，是油气生产销售的重点防火防爆场所。LPG从液态转变为气态时，其体积膨胀约250～300倍。

1.2 液化石油气的来源

1.2.1 从油、气田开采中生产

在油田开采时，携带在原油中的；在气田开采时，携带在天然气中的气体烃类，经初步分离和处理后，再集中送到气体分离室脱水，最后分别获得丙烷和丁烷等。再加压和降温的条件下将丙烷、丁烷分别液化，分装在不同的储罐内。厂家可以直接出售丙烷、丁烷，也可以根据用户要求，把丙烷、丁烷按一定比例混合，调配成符合国家质量标准的液化石油气再出售给用户。 1.2.2 从炼油厂中生产

在石油炼制过程中液化石油气是副产品。 通常原油在常减压蒸馏、催化裂化、热裂化、催化重整、加氢裂化及延迟焦化等工艺装置加工处理过程中都会产生烃类气休， 这些气体经吸收稳定工序后，在一定压力下分离出贫气与富气。

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贫气的主要组分为非烃类气体和甲烷，还有少量的乙烯和乙烷等，这类气体通常送到气柜集中处理后分送到加热炉中作燃料；富气的主要组分为丁烷、丁烯、丙烷、丙烯，还有少量非烃类化合物和戊烯，这类气体在一定压力下成为主要由丙烷、丙烯、丁烷、丁烯组成的液化石油气。我国炼油厂的液化石油气主要从催化裂化装置中获得。[1] 1.2.3 从乙烯工厂中生产

在轻油或轻烃进行裂解生产乙烯的过程中，也会产生液化石油气组分，由于乙烯是工厂的生产目标，决定了这类工厂生产出的液化石油气质量较差，一般含碳四组分高。如果炼油厂与乙烯工厂是同属一个单位，通常可把这两种来源不同的液化石油气进行适当的调配，以便获取符合国家标准的液化石油气。

1.3 液化石油气的性质

由于液化石油气为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等烃类的混合物，不同厂生产的产品也略有不同，故列出单一气体在标准状态下的物理热力性质如表1-1所示。

表1-1 单一气体在标准状态下的物理热力性质

爆炸极限空

分子

名称

式

密度

相对分 颜 形

气中体积% 上

丙烷 丙烯 丁烷 异丁烷 1-丁烯

C3H8 C3H6 C4H10 C4H10 C4H6

500 517 579 551 595 623 604 626 621

44.09 42.05 58.12 58.12 56.1 56.1 56.1 72.15 72.15

无 气 无 气 无 气 无 气 无 气 无 气 无 气 无 液 无 液

3

9.5 11.7 8.5 8.5 10 10 10 8.3 8.3

下 2.1 2.0 1.5 1.5 1.6 1.6 1.6 1.4 1.4

℃ 熔点

沸点

kg/m3 子质量 色 态

热值Q (千卡/标米3) 高

低

-189.9 -42.2 24172 22256 -185.2 -47.7 22358 20925 -138.4 -145 -185.4 -138.9 -105.5

-0.5

31957 29513

-11.7 31957 29513 6.3 3.7 0.9

30038 28092 30038 28092 30038 28092

2-丁烯（顺） C4H8 2-丁烯（反） C4H8

戊烷 异戊烷

C5H12 C5H12

-129.7 36.3 40428 37410 -160

28

40428 37410

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1.4 液化石油气的运输

1.4.1 管道运输

液化石油气的运输量大，系统运行安全、可靠，运行费用低。但这种运输方式一次投资较大(管道全线需一次建设完成)，金属(管材)耗量大。当运输量不大，但运输距离比较近时也可以采用管道运输方式。 1.4.2 铁路运输

火车槽车是液化石油气利用铁路运输时的主要运输工具。铁路运输方式适用于运输距离较远、运输量较大的情况。火车槽车配置数量主要取决于供应规模、列车编组情况、气源厂到储配站的距离、槽车几何容积及检修情况等。 1.4.3 公路运输

汽车槽车是液化石油气采用公路运输方式的主要运输工具。采用汽车槽车运输方案时必须充分考虑汽车活动范围内的交通情况，如：桥梁限载、道路路面及坡度、行车规定等。还要经过交通管理部门的批准，选择合理的运输线路。如道桥的限高。目前，我国使用的液化石油气汽车槽车主要有三类：半拖式固定槽车、固定槽车和活动挡车。汽车槽车配置数量应根据运输距离的长远、运输量的多少和槽车检修情况等因素确定。 1.4.4 水路运输

在水路交通运输比较方便的地方，槽船运送液装有液化石油气储罐的是可选择的方案之一。目前使用的主要有常温压力式、槽船和低温常压式槽船两类。水路运输分为河运和海运两类。

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1.5 液化石油气供应基地

1.5.1 液化石油气储配站的任务及功能

根据需要，液化石油气储配站一般可以完成接收、储存、灌装及残液回收等任务。同时，还应具有储罐间的倒罐、储罐的升压、排污、投产置换、残液处理及钢瓶检验、维修等功能。 1.5.1.1 接受

接收是指将运输来的液化石油气送入(或卸入)储罐的工艺过程。 1.5.1.2 储存

储存是储配站的主要功能之一。储罐的个数一般不应少于2个。 1.5.1.3 灌装

灌装是指将液化石油气按规定的重量灌装到钢瓶、汽车槽车或铁路槽车中的工艺过程。一般城镇液化石油气储配站主要灌装钢瓶和汽车槽车。 1.5.2 液化石油气的装卸

(1) 利用地形高程差所产生的静压差卸车； (2) 利用泵装卸； (3) 利用压缩机加压装卸。 1.5.3 液化石油气的储存

液化石油气的储存是液化石油气供应系统的一个重要环节。储存天数主要取决于气源情况和气源厂到供应基地的运输方式等因素，如气源厂的个数、距离远近、运输时间长短、设备检修周期等。储存容积要由供气规模、储存天数决定。储存方式与储存量的大小一般要根据气源供应、用户数量和用气情况等多方面的

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因素综合考虑确定。

1.5.3.1 按储存的液化石油气形态分类 （1）常温压力液态储存(全压力式储存)； （2）低温常压液态储存(全冷冻式储存)； （3）固态储存。 1.5.3.2 按空间相对位置分类 （1）地层岩穴储存；

（2）地下金属罐储存：全压力式、全冷冻式； （3）地上金属罐储存。

在城镇液化石油气供应系统中，目前使用最多的是将液化石油气以常温压力的液态形式储存在地上的固定金属储罐中。近年来，一些企业也引进了低温常压液态储存的装置。

1.5.4 液化石油气灌装工艺

将液化石油气按规定的重量灌装到钢瓶中的工艺过程称为灌装。钢瓶的灌装工艺一般包括空瓶搬运、实瓶搬运、空瓶分拣处理、灌装及实瓶分拣处理等环节。 （1） 按灌装原理可分为：

a 重量灌装 ； b 容积灌装。

（2） 按机械化自动化程度可分为：

a 手工灌装；

b 半机械化、半自动化灌装； c 机械化、自动化灌装。

1.5.5 残液回收

残液是指液化石油气中C5以上成分，它们在使用过程中，一般不能气化。残液倒空回收还可以采用抽真空法和引射器法等。

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1.5.6 液化石油气供应基地的选址与平面布置

液化石油气供应基地在节约用地、保证安全间距的前提下，必须分区布置，以便于安全和生产管理。液化石油气供应基地一般包括生产区、罐区、生活辅助区。

1.5.7 工艺流程

储配站的工艺流程因液化石油气的接收、净化、储存、灌装及残液回收、分配方式的不同而有所差异。

1.6 液化石油气的用户供应

1.6.1 液化石油气的气化方式

根据液化石油气的气化原理及特点，液化石油气的气化过程可分为自然气化和强制气化两类。 1.6.1.1 自然气化

自然气化是指液态液化石油气吸收自身的显热和通过容器壁吸收周围介质的热量而进行气化的过程。自然气化过程的特点： （1）气化过程中有组分的变化； （2）具有一定的气化能力适应性； （3）液化问题。 1.6.1.2 强制气化

强制气化是指人为地加热从容器中引出的液态液化石油气使其气化的方法。气化是在专门的气化装置(气化器)中进行的。加热液化石油气的热媒通常使用热水或蒸汽，也可采用电加热或火焰加热方式。 （1）强制气化过程的特点：

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