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常减压技术培训教案第一章基础知识第一节炼油基础知识一、流体力学基础知识流体是指具有流动性的物体，是气体和液体的总称。流体力学是以力学原理为基础，运用数学和试验的方法，研究流体在静止和运动时的规律。在石油化工生产中有广泛应用。1、流体静力学流体静力学是研究流体在静止状态或流体在外力作用下达到平衡时，流体内部压力变化的规律。1)压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强。国际制单位为帕斯卡（Pa=N/m2），1Mpa=106Pa。现列出一些常见的压力单位及它们的换算关系如下：1atm=101325Pa=101.3kPa（千帕）=0.1013（兆帕）=10330千克（力）/米2=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg压强的表示方法：绝对压强、表压强、真空度。绝对压强是以绝对零压作为起点计算的压强。通常大气压强为0.1Mpa。表压强是以大气压强为起点计算的压强，即用测压仪表所测得的压强。表压强=绝对压强-大气压强。真空度是当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，用真空表测量的。真空度=大气压强-绝对压强。2)流体静力学基本方程流体静力学方程是研究流体在重力作用下，静止流体内部压强变化的规律。P=P0+ρgh称为流体的静力学方程。其中P为流体压强，ρ为流体密度，h为流体的高度。2、流体动力学1)流量与流速单位时间内通过管道任一截面的流体量，称为流量。流量通常用体积流量和质量流量来表示。体积流量与质量流量的关系为：m=Vρ，kg/s式中V——体积流量，m3/sm——质量流量，kg/sρ——在操作条件下流体的密度，kg/m3单位时间内流过单位截面积的流体量，称为流速。通常用体积流速和质量流速来表示。体积流速用ν表示（单位：m/s）ν=V/A式中A——与流体方向相垂直的管道截面积，m2。质量流速用u表示（单位：kg/m2·s）u=m/A2)稳定流动下的物料平衡—连续性方程流体在管道中流动时，任一截面处流体的密度、压强、流量和流速等均随位置而变化，不随时间而变化，这种流动称为稳定流动。流体在管道中流动时，任一截面处流体的密度、压强、流量和流速等均随时间而变化，称为不稳定流动。流体在稳定系统中连续流动时，如果管路中没有流体的增加和损失，根据能量守恒定律，每单位时间内通过不同管径的各截面的流体质量应相等。ν1A1ρ1=ν2A2ρ2为流体在管道中作稳定流动时的连续性方程。其中A1、A2为管道截面积，ν1、ν2为流速，ρ1、ρ2为密度。3、流量测量方法：1)孔板流量计孔板流量计是根据静压能和动能可以互相转化为原理而设计的。孔板流量计的流量与压强差之间的定量关系，可以由柏努力方程进行分析。工程应用范围较广。2)转子流量计转子流量计是在一根倒锥形的垂直玻璃管内，装有一个能自由旋转的转子对流体进行测量。它的优点是读取流量方便，能量损失小，测量范围宽、精度高，但操作中流量计玻璃管易破碎。二、蒸馏原理蒸馏是利用液体混合物中各组分在同一压力下沸点不同，将液体混合物中各组分进行分离的方法。在蒸馏操作中，可归纳为：闪蒸（平衡汽化）、蒸馏、精馏。1、闪蒸进料以某种方式被加热至部分汽化，经过减压设施，在容器（如闪蒸罐、蒸发塔、蒸馏塔的汽化段等）内，在一定温度和压力的作用下，汽、液两相迅速分离，得到相应的汽相和液相产物，此过程即称为闪蒸。2、蒸馏蒸馏是液体混合物在蒸馏釜中被加热，在一定压力下，当温度达到混合物的泡点温度时，液体开始汽化，生成微量蒸汽。生成的蒸汽当即被引出并经过冷凝冷却后收集起来，同时液体继续加热，继续生成蒸汽并被引出。这种蒸馏方式称为蒸馏。3、精馏精馏是分离液相混合物的很有效的手段，精馏有连续式和间歇式两种。现代石油加装置中都采用连续式精馏，而间歇式精馏则由于它是一种不稳定过程，而且处理能力有限，因而只用于小型装置和实验室。精馏塔内沿塔高的温度梯度和浓度梯度的建立以及接触设施的存在是精馏过程得以进行的必要条件。精馏的基本原理和规律不仅适用于二元或多元系精馏过程，而且也同样适用于石油精馏过程。石油精馏有它自己明显的特点：第一，石油是烃类和非烃类的复杂混合物，石油精馏是典型的复杂系精馏。在实际的石油精馏过程中，不可能按组分要求分离产品，而且石油产品的使用也不需要提出这样的要求。因此，石油精馏时对分馏精确度的要求一般不如化工产品的精馏所要求的那样高。再者，精馏原料的沸程很宽，对原油来说，甚至在真空条件下，还有许多重组分都不能汽化而不发生化学变化。第二，炼油工业是个大规模生产的工业，大型炼厂的年处理量动辄以百万吨乃至千万吨计，即使所谓的小炼厂，其处理量也达几万吨至十数万吨。这个特点必然会反映到对石油精馏在工艺、设备、成本、安全等方面的要求。4、石油精馏塔的工艺物征1)复合塔按照一般的多元精馏办法，需要n-1个精馏塔才能把原料分割成n个产品。但是在石油精馏中，各种产品本身也是一种复杂的混合物，它们之间的分离精确度并不要求较高，两种产品之间需要的塔板数并不多，因此，可以把几个塔结合成一个塔。这种塔实际上等于把几个塔简单精馏塔重叠起来，它的精馏段相当于原来几个塔的精馏段的组合，下段为第一个塔的提馏段，这样的塔称为复合塔或复杂塔。2)汽提塔和汽提段在精馏塔内汽油、柴油等产品之间只有精馏段而没有提馏段，侧线产品中必然会含有相当数量的轻馏分，这样不仅影响本侧线产品的质量，而且降低了较轻馏分的产率。为此，常在外侧设提段塔，经常塔底不设重沸器，而只是通入少量过热蒸汽，降低塔内油汽分压，使混入产品中的较轻组分返回分馏塔。3)全塔热平衡由于塔底不设再沸器，它的热量来源几乎完全取决于加热炉加热的进料。汽提水蒸汽虽也带入一些热量，但由于只放出部分显热，而且水蒸汽量不大，因而这部分热量是不大的。这种全塔热平衡的情况引出以下的结果：第一，塔进料的总热量加上水蒸汽热量应等于各侧线抽出热量之和；第二，在进料状态被规定的情况下，塔内的回流比实际上就被全塔热平衡确定了。三、传热的基本方式热量的传递是由于物体内或系统内两部分之间的温度不同而引起的，也就是说温度差是传热过程的推动力。根据传热的基本原理不同，热量传递的基本方式分为热传导、对流传热和辐射传热。1、热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程为热传导，简称导热。在工程中，研究热传导的中心问题是单位时间内通过固体壁所传递的热量，称为传热速率。所谓速率是指物质或能量传递的快慢程度。2、对流对流是指流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，因而对流只能发生在流体中。3、辐射辐射是一种以电磁波传播能量的现象。辐射传热不需要任何物质做媒介，可以在真空中进行，不仅有能量的转移，而且伴有能量形式的转化。传导、对流、辐射这三种传热方式往往不是孤立出现的，很多情况下是同时出现的，问题只是哪一种传热占主导地位。例如换热器主要是以对流和热传导结合方式进行传热，而加热炉则以辐射传热方式为主。4、强化传热的途径强化传热就是提高传热效率。这是当前生产中充分利用热源，提高热能回收率的一个关键问题。1)增大传热面积增大传热面积可以增加传热的热量，但单独增大传热面积并不算强化。改进设备结构，如空冷器在钢管外缠绕翅片，则可显著提高传热效率。目前国内应用的板式、板翅式换热器都能有效地提高传热效率。2)增加传热温差温差是传热过程中的推动力，温差越大，传热效果越好。但是生产中物料温度往往由工艺条件所决定，不能任意变动。因此温差Δtm改变是有限的，只能在流程设计时确定合理的换热方案，采用逆流操作，尽可能提高传热温差。3)提高传热系数提高传热系数a是强化传热的有效途径。根据传热系数计算公式可知，要提高a值，就必须设法减小对流及传导的热阻，也就是说要提高对流给热系数和传导系数。具体可采用下列方法：（a）增加流体流速，增大流体湍流程度，以减小层流边界层厚度，减小热阻，则可以提高传热系数a值。在换热器中安装折流板或折流杆等方法可达到上述目的。（b）增大流体的导热系数，如原子能工业中采用液体金属作热载体，以提高a值。（c）防止换热器管内外结垢和及时除垢是工业生产中提高传热效率的有效办法。换热器使用一段时间后，垢层变厚，影响传热效率。生产实践证明，若管子的两侧各结油垢厚1mm（油垢导热系数为0.58W/（m..C），计算出传热系数a值就能下降25%左右。因此提高传热系数a值，首先要清除换热器内结垢。四、物料平衡和热量平衡1、物料平衡物料衡算的根据是质量守恒定律：进入任何过程的物料质量，必须等于从该过程离开的物料质量与积存于该过程中的物料质量之和：输入=输出+积存2、热量平衡化工生产中所需的能量以热量为主，用于改变物料的温度与聚集状态，以及提供反应所需热量等。若操作中有几种能量相互转化，则其间的关系可通过能量衡算确定；若只涉及到热能，能量衡算便简化为热量衡算。能量衡算的根据是能量守恒定律。对于稳定过程，有“输入=输出”，这个关系若针对焓来运用，所作的衡算即为热量衡算。热量衡算中需要考虑的项目是进出设备的物料本身的焓与从外界加入或向外界送出的热，有化学反应时则还包括反应所吸收或放出的热。SI制中能量和热量的单位都是J（焦尔）或kJ（千焦尔）。1J=1N·m。工程制的能量单位是千克（力）·米，热量单位是千卡。它们之间的换算关系如下：1千卡=427千克（力）·米=4.187kJ作热量衡算时也和物料衡算时一样，要表示清楚衡算范围和衡算基准。此外，由于焓值大小与从哪一温度算起有关，因而热量衡算还要指明基准温度。物料的焓值常从0℃算起，若以0℃为基准，亦可不再指明。有时为方便计，以进料温度或以环境温度作为基准温度，或采用数据资料的基温（例如反应热的基温是25℃），这时就一定要指明。第二节原油化学组成及产品性质一、原油的一般性状、元素组成、馏分组成1、原油的一般性状原油通常是黑色、褐色或黄色的流动或半流动的粘稠液体，相对密度一般介于0.80~0.98之间。2、原油的元素组成原油的元素组成：原油是由烃类及非烃类化合物组成的一种复杂的混合物，除了含有碳、氢之外，还含有硫、氮、氧及微量的金属和非金属元素。原油中碳氢这两种元素含量一般占95%以上。3、原油的馏分组成原油中从常压蒸馏开始馏出的温度（初馏点）到200℃（或180℃）之间的轻馏分称为汽油馏分（也称轻油或石脑油馏分）；常压蒸馏200（或180℃）~350℃之间的中间馏分称为煤柴油馏分或称常压瓦斯油；将相当于常压下350~500℃的高沸点馏分称为减压馏分或称润滑油馏分或称减压瓦斯油；而减压蒸馏后残留的500℃的油称为减压渣油；将常压蒸馏后350℃的油称为常压渣油。二、原油馏分的烃类组成原油中主要含有烃类和非烃类这两大类。原油中烃类主要是由烷烃、环烷烃和芳香烃以及在分子中兼有这三类烃结构的混合烃构成。1、原油烃类组成表示方法1)单体烃组成单体烃组成是表明石油及其馏分中每一单体化合物的含量。2)族组成：以某一馏分中不同族烃含量来表示。煤油、柴油及减压馏分，族组成通常以饱和烃（烷烃和环烷烃）、轻芳香烃（单环芳烃）、中芳香烃（双环芳烃）、重芳香烃（多环芳烃）及非烃组分等含量来表示。对于减压渣油，目前一般还是用溶剂处理及液相色谱法将减压渣油分成饱和分、芳香分、胶质、沥青质四个组分来表示。3)结构族组成表示法2、原油气体及原油馏分的烃类组成原油气体主要由气态烃组成。原油气体因其来源不同，可分为天然气和原油炼厂气两类。1)天然气的组成天然气是指埋藏于地层中自然形成的气体。2)炼厂气的组成原油炼厂气的组成因加工条件及原料的不同，可以有很大差别。在高温热解反应的气体中含有烯，而在催化重整反应的气体中其主要是大量的乙烯；在催化裂化反应的气体中含有较大量的异丁烷；在催化裂解反应的气体中含有大量的丙烯和丁成分是氢气。三、原油中的非烃化合物原油中的非烃化合物主要包括含硫、含氮、含氧化合物以及胶状沥青状物质。1、原油中的含硫化合物1)原油及其馏分中硫的分布通常将含硫量高于2.0%的原油称为高硫原油，低于0.5%的称为低硫原油，介于0.5%~2.0%之间的称为含硫原油。2)硫在石油及其馏分