【毕业论文】催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算

催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 4摘要 催化裂化作为石化炼制企业的主要生产装置， 在石油加工中占有相当重要的地位。而塔器在催化裂化中是一种重要的单元操作设备，根据不同的操作单元，塔分为精馏塔，吸收塔，萃取塔和冷却塔等。塔设备的总体结构均包括：塔体，内件，支座和附件。板式塔是一种逐级接触的气液传质设备。按塔板的结构可分为泡罩塔，筛板塔，浮阀塔，舌形塔等。在本设计中选择浮阀塔板。根据已知的塔器参数，进行再吸收塔的结构设计和理论计算，并进行校核以及开孔补强和法兰设计等，同时依据计算数据进行计算机绘图等。并概述再吸收塔的控制，对再吸收塔的总体价钱进行经济分析。 关键词：塔器，浮阀塔，再吸收塔，机构设计 催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 5Abstract： The catalytic cracking as the main production of the business enterprise to equip, occupy a very important position in the petroleum process. In catalytic cracking, columns are the important unit operation which is most widely applied. Basis different operation unit, the tower is divided into the tower of fine distil, absorb tower, extract tower, cooling tower and so on. The total structure of the tower equipments all includes: the tower body, internal spare parts, pay and enclosure. Plate column is a kind of gas-liquid mass transfer equipment of stage-by-stage contact. According to the structure of tray sheet, columns contain bubble cap column, sieve tray column, float valve column, jet column, etc. In this paper, first of all, the author takes type of the float valve column as the designing model. Secondly, according to the known column parameter, the author carry out the construction design of re-absorption column, theoretical calculate, check, opening reinforcement and flange design, etc., and at the same time put down computer painting in terms of calculation data. Lastly, summarize the control of re-absorption column and operate economy analysis on the total price of re-absorption column. Key words: tower , float valve column, re-absorption column， construction design 催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 6目 录 第一章 前言 .1 1.1 塔设备的应用 .1 1.2 板式塔 .1 1.2.1 板式塔的分类 .2 1.2.2 板式塔工作原理 .3 1.3 填料塔 .4 1.3.1 填料塔工作原理 .4 第二章 再吸收塔结构设计及理论计算 .5 2.1 引言 .5 2.2 筒体设计计算 .7 2.2.1 塔体分段 .7 2.2.2 塔体厚度 .7 2.2.3 容器质量 .8 2.2.4 自震周期 .10 2.2.5 地震载荷和地震弯矩 .10 2.2.6 风载荷和风弯矩 .12 2.2.7 最大弯矩 .13 2.2.8 塔壳的强度与稳定计算 .13 2.3 裙座验算部分 .14 2.3.1 裙座筒体稳定性验算 .14 2.3.2 基础环设计 .15 2.3.3 地脚螺栓的选用 .16 2.3.4 裙座与壳体连接焊缝计算 .17 2.4 开孔补强计算 . 17 2.4.1 气体进入口 .17 2.4.2 气体出口 .20 2.4.3 吸收剂入口 .22 2.4.4 吸收剂出口（塔） .24 2.4.5 吸收剂出口（裙座） . 27 2.4.6 塔体人孔（8 个） . 29 2.4.7 裙座人孔 . 31 2.5 法兰设计部分 . 34 2.5.1 垫片设计 .35 2.5.2 螺栓设计 . 36 2.5.3 法兰设计 .38 2.6 小结 . 42 第三章 专题讨论 . 43 3.1 再吸收塔的工艺流程 . 43 3.2 再吸收塔控制的概述 . 43 3.3 再吸收塔总体价值初步估计 . 44 第四章 结论 . 46 4.1 结论 . 46 催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 74.2 毕业设计小结 . 46 参考文献 . 47 致谢 . 48 声明 .49 催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 8第一章 前 言 1.1 塔设备的应用 在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。它的应用面广、量大。据统计，塔设备无论其投资费用还是所消耗的钢材重量，在整个过程设备中所占的比例都相当高，表1-1所示为几个典型的实例。 表1-1塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例 装置名称 塔设备投资的比例（%） 装置名称 塔设备重量的比例（%） 化工及石油化工 25.4 60万吨，120万吨/a催化裂化 48.9 炼油及煤化工 34.85 30万吨/a乙烯 25.3 化纤 44.9 4.5万吨/a丁二烯 54 塔设备的作用是实现气（汽）-液相或液-液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、介吸（气提）、萃取、气体的洗涤、 增湿及冷却等单元操作中， 它的操作性能好坏、 对整个装置的生产，产品质量、产量、成本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响。因此对塔设备的研究一直是工程界所关注的热点。随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型及设计将越来越受到关注和重视1。 1.2 板式塔 国外近30 年来, 塔板是按泡罩、筛孔和浮阀这3 种基本塔类而发展的, 一些新开发的塔板多数也是这3 种塔板的改进型, 均具有气相分散的特点。到80 年代, 节能和满足产品高纯度要求已成为主要研究目标之一。 因此, 相继出现了罩型挡板筛孔塔板和蒸汽对股流蒸馏塔板。 80 年代到90 年代国外塔器发展的总要求是节能、高效和优质。 我国自60 年代起加快了消化吸收步伐, 应用了S形塔板、舌型塔板、浮阀塔板和筛孔塔板, 并在此基础上紧跟国外发展动向, 先后自行开发了浮喷塔板、 斜孔塔板、浮舌塔板、旋流塔板和T 排条阀塔板等。同时, 还引进了导向筛板、MD 催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 9筛板、网孔塔板、新型垂直筛板、角钢塔板和锥心浮阀等1 。近年来, 我国塔器技术有了很大提高, 新型塔板的试验引进工作扩展十分活跃。 在借鉴国外技术的基础上, 开发出了一批新型塔板。如华东化工学院开发的导向浮阀塔板、郑州工学院开发的高效吸收喷旋塔、 上海科技大学研制的网角塔板及石油大学发明的HTV (Half2Tube2V alve T ray) 船型浮阀塔板等都各有创新, 并且大都取得了较好的效益。 目前就工业应用而言, 仍以筛板和浮阀塔为主。 这两种塔板的改进型, 工业应用也较成功。如MD 塔板和在其基础上改进的DJ 型塔板。DJ 塔板具有多根悬挂式降液管, 相邻两板间的降液管互成90 度排列。 这种塔板的特点是板间距小、板压降小、通量大、操作稳定、气液分布好且具有再分布能力, 尤其适用于处理高液气比操作和加压操作的气液传质过程。主要用于脱除CO 2 的加压水洗和碳丙脱碳等过程。从另一方面讲, 新型塔板的应用相对较少。在国内, 对新型垂直筛板的研究较多一些, 现在已有不少成功应用的实例 , 且收到了较好的效果。人们期待着结构简单、气液接触好、通量大和效率高的新型塔板出现2。 1.2.1 板式塔的分类 判别一种塔板的性能主要从塔板效率、 处理能力、 操作弹性、 压降及抗堵性、机械强度、造价等几方面来考虑。一般塔板效率是最重要的, 而影响塔板效率的因素很多, 对塔板效率也有很多种关联方法板式塔按(在一块塔板上) 气液流向的不同分为气液呈错流的塔板、气液呈逆流的塔板及气液呈并流的塔板。 气液呈错流的塔板主要包括泡罩型、筛孔型、浮阀型和喷射型。 1. 泡罩型塔板 它在板式塔发展史上起了重要作用, 泡罩塔技术成熟, 操作稳定, 抗漏液性能好, 操作弹性较大; 塔板上液层较高, 两相接触时间长, 因而塔板效率较高。但由于塔板压降较高、雾沫夹带大、塔板上的液面落差较大以及泡罩的生产制造复杂、造价较高等原因, 目前使用较少。 2. 筛孔型塔板 筛板塔技术成熟, 造价低, 应用较广泛。 3. 浮阀塔板 它是在塔盘上开阀孔, 安置能上下浮动的阀片。 由于浮阀与塔板之间流通面积能随气体负荷变动自动调节, 因而在较宽的气体负荷也能保持稳定操作; 同时气体以水平方向吹出, 气液接触时间较长, 雾沫夹带少, 液面落差小; 不怕脏粘物料, 使用周期长; 结构简单、造价低。但是塔板上液层梯度大, 液体返混催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 10较大, 浮阀易磨损和脱落。 4. 喷射型塔板 它充分利用蒸汽动能推动板上的液体流动, 增大液体的处理量; 开孔率较鼓泡塔板大; 同时气液同向运动, 减少了液体返混。 但是塔板上液体高速流过塔板, 气液接触时间短; 液体被气体不断加速, 分散的液体不易再聚合, 致使雾沫夹带较大。 气液逆流塔板主要是无溢流塔板, 亦称淋降塔板。 特点是气液都从孔中或栅格中上升和下降; 塔板全部面积可以用来开孔或安置栅格, 降低了压降。 缺点是若液体负荷过大时, 气体将不能正常进入上一层塔板,导致气体脉冲震动上升; 若液体负荷过小时, 则液体不能正常进入下一层塔板, 亦是脉冲下流, 二者均是不正常操作, 因而塔板的操作弹性较小。 另外, 液体直接通过孔成栅格进入下一层, 在塔板上的停留时间很短, 塔板点效率较低, 而淋降塔板的板效率 EMVEOV, 因而全塔效率也低。 气液并流的塔板的主要特点是: 利用气相动能来强化气液传质; 不存在错流塔板的液泛限制。 由于这种塔板的特殊设计, 使得液相在塔板上形成小循环, 增加了液相在塔板上的停留时间, 提高了塔板的点效率3。 1.2.2 板式塔工作原理 图1为板式塔脱臭原理示意图。从图1可知,若板式塔内真空为250 Pa ,则在油位为50 cm 的塔盘中,盘底B2 处的压降由于50 cm 油位的存在将增为4 kPa ,那么相比液面A2 处由于B2 处压力的增高,根据道尔顿分压定律,则需要更大压 图2 板式塔脱臭原理示意图 催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 11力的搅拌蒸汽和真空才可将油中的游离脂肪酸和臭味组分脱除,故耗汽量相比填料塔会明显增加。且塔内每一点因油压降不同,故脱除游离脂肪酸和臭味组分所需蒸汽压也不同。而填料塔因无油位存在,则整个塔内油压和真空基本不变4。 1.3填料塔 在散堆填料发展的同时, 60 年代后, 生产规模大型化要求填料具有大通量; 改善流体均匀分布, 以提高分离效率及解决放大效应; 降低填料层的阻力和持液量以起到节能的效果, 这样规整填料应运而生。 目前可根据需要制成金属波纹填料, 金属丝网填料, 塑料及陶瓷波纹填料等。其中金属波纹填料应用最广。 规整填料具有如下特点: 分离效率高 该填料可根据需要制出较大的比表面积, 可提高单位高度的理论板数。如金属丝网填料每米高的理论板数可达10 以上。 通量及操作弹性大 由于规整填料允许的气、 液通量较大, 所以与相同塔径的板式塔相比, 一般产量可大幅度增加。 同时允许通量在较大的范围变化, 规整填料本身的弹性比可高达100, 但实际填料塔的弹性比主要受到塔内液体分布器操作弹性的限制。 阻力压降小 一般即使在较大负荷下规整填料的压降也是比较小的, 这是其显著优点之一。 放大效应低 与颗粒填料不同, 规整填料用于大型塔时, 其效率降低较小。 我国在规整填料方面也有不少突破。天津大学与英国A ston 大学联合开发了以U napak 命名的脉冲规整填料。天津市天进新技术开发公司开发了高效廉价的板花规整填料, 其80 型(比表面积80m2m 3) 的传质效率与M ellapak 350Y 型(比表面积350m2m 3) 相当。天津大学填料塔新技术公司1991 年引进了苏尔寿公司的M el2lapak 自动生产线, 并自己开发了碳钢掺铝板波纹填料;清华大学和上海化工研究院分别开发了压延板网波纹填料; 中石化洛阳工程公司开发了LH 型规整填料。这些都在工业中取得了成功的应用。 80 年代规整填料在工业塔应用中取得了的成功, 改变了工业上长期以来以板式塔为主的局面。 如瑞士苏尔寿公司用规整填料改造过的塔其塔径最大达1214 m , 我国天津大学用规整填料改造过乙烯装置中塔径为618 m的汽油分馏塔2。 1.3.1 填料塔工作原理 催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 12图2为填料塔脱臭示意图。 我们把整个脱臭工艺过程明确地分两段进行:一是脱臭段,在高温高真空下用搅拌蒸汽脱除油中游离脂肪酸和气味组分;二是维持段,让脱臭油在高温、 高真空状态下停留一段时间,使热敏性色素及过氧化物彻底分解,保证油品质量及稳定性。 图2 填料塔脱臭原理示意图 由于油在填料上分布成约10m 厚左右的油膜,故油滴在整个塔内的压降仅为200 Pa (如图1 中最低点B1 及任意一点A1) ,只需约50 kPa 直接蒸汽、5 min 即可将脱色油中游离脂肪酸含量从0. 3 %左右降到0. 02 %或更低,同时彻底脱除脱色油中气味组分,这是脱臭的第一阶段。第二阶段我们称为“维持段”或“脱色段”,在这一阶段需30 min 将脱臭油中热敏性色素及过氧化物彻底分解,因为如果油的色素分解不彻底会影响精炼油品质和稳定性4。 催化裂化再吸收塔的结构设计及理论计算 13第二章 再吸收塔结构设计及理论计算 2.1 引言 本章将根据给定的设计参数和要求对再吸收塔的结构作一整体的设计， 主要围绕筒体设计计算（包括应力校核和壳体稳定验算等），裙座验算（包括裙座筒体稳定验算、焊缝验算、地脚螺栓的选用等）、接管开孔补强计算（其中包括人孔的选用）和法兰设计（包括垫片及螺栓的选用等）四部分展开，设计过程严格按照国家标准（ GB150-89）-钢制压力容器和中华人民共和国行业标准（JB470-92）-钢制塔式