脱丁烷塔的结构设计与理论计算

密 级 学 号 030673 毕 业 设 计（论 文） 脱丁烷塔的结构 设计及理论计算 院（系、部） ： 机械工程学院 姓 名： 高 勇 年 级： 2003 级 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 刘金暖、孙学俭 教师职称： 副教授、教授 2008 年 1 月 3 日北京 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文 脱丁烷塔的结构设计及理论计算 系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院 作者签名： 高 勇 学 号： 030673 2008 年 6 月 25 日 脱丁烷塔的理论计算及结构设计 摘 要 催化裂化脱丁烷塔是石油化工中催化裂化装置的一台重要设备，设计好该台设备能提高石油产品的质量和数量，对满足日益增长国民经济发展的需要具有重要的意义。塔按内件结构分为板式塔和填料塔两大类。在板式它中，塔内装有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡射的形式穿过塔盘上的液层，使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。常用板式塔的类型有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形及浮动舌形塔。最常用的板式塔是浮阀塔。在本计中，根据以知的基本参数，查看相关塔器资料，进行脱丁烷塔的结构设计及理论计算。最后，对脱丁烷塔小结，并对其进行经济分析。 关键词：催化裂化脱丁烷塔，板式塔，理论计算，经济分析 I脱丁烷塔的理论计算及结构设计 Abstract The columns of catalytic cracking of pull off butane is an important equipment of the petroleum chemical industry in catalytic cracking. Designing the equipment can improve petroleum productions quality an quantity in well. It is important to satisfy the needing of the increasingly jacking-up country economy development. According to the intramural structure， columns contain two kinds of Plate column and Filling column. In the Plate columns， Tray sheet is the basic component of tower internal， the gas goes through the liquid la yer on the tray sheet from the tower bottom in the form of bubble or spray， which makes the gas and the liquid contact closely to arise mass transfer and heat transfer， their component concentration varies in the form of step-type. The kinds of the Plate columns in common use are bubble cap column， sieve tray column， float valve column， jet column， etc. Float valve column is the most widely using. In this paper， according to the known parameter， look over the information of correlation column ， carry through the columns structure design an theory calculate. In the end， get the brief summary and put up the economy analysis on the column of pull off butane. Key phrase: catalytic cracking， the column of pull off butane ， theory calculate ， economy analyses II脱丁烷塔的理论计算及结构设计 目 录 第一章 前 言 .1 1.1 板式塔的发展趋势。 .1 1.2 三种塔板优缺点的比较 .3 1.3 设计板式塔所要达到的标准 .3 1.4 脱丁烷塔各部分设计概述 .4 第二章 催化裂化脱丁烷塔结构设计及理论计算 .7 催化裂化脱丁烷塔的设计计算： .7 塔体设计参数： .7 2.1 引言 .7 2.2 筒体设计部分 .7 2.2.1 筒体分段 .7 2.2.2 塔体厚度 .7 2.2.3 容器质量 .8 2.2.4 自振周期 .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 最大弯矩计算 .14 2.2.8 塔壳的强度与稳定计算 .14 2.3 裙座验算部分 .16 2.3.1 裙座筒体稳定验算 .16 2.3.2 基础环的设计 .17 2.3.3 地脚螺栓的选用 .19 2.3.4 裙座与塔壳连接焊缝验算 .19 2.4 开孔补强计算 .20 2.4.1 气体进料口 .20 2.4.2 气体出口 .23 2.4.3 塔釜出料口 .26 2.4.4 吸收剂进入口 .28 2.4.5 管口（吸收剂出口（裙座） .31 2.4.6 塔体人孔 .34 2.4.7 裙座入孔 .37 2.5 法兰设计部分 .40 III脱丁烷塔的理论计算及结构设计 2.5.1 垫片设计 .41 2.5.2 螺栓设计 .43 2.5.3 法兰设计 .45 2.6 小结 .50 第三章 专题讨论 .51 3.1 引言 .51 3.2 脱丁烷塔的控制系统 .51 3.3 脱丁烷塔总体价值评估 .52 3.3.1 生产成本分析 .52 3.3.2 社会效益分析 .52 第四章 结 论 .54 4.1 结论 .54 4.2 毕业设计小结 .54 致 谢 .56 参 考 文 献 .57 声 明 .59 IV脱丁烷塔的理论计算及结构设计 第一章 前 言 1.1 板式塔的发展趋势。 催化裂化装置是炼油(汽油、煤油和柴油等)工业最重要的装置之一。我国各大石油化工厂(北京燕山、 东北大庆、 山东胜利等)都有该装置。脱丁烷塔就是该装置中最重要的设备之一。脱丁烷塔设计的好坏直接影响到炼油产品的质量和数量等。 石油炼制者和石化生产企业均在工厂的各个工艺装置上探寻创造最大价值的机会，创造最大价值的方法包括消除工艺和设备的瓶颈来优化装置生产能力。同样重要的是，激烈的市场竞争造成了复杂的生产窘境，企业必须找出使主要设备在满负荷或尽可能大的负荷下操作的方法，同时维持其可靠的长周期运行46年甚至更长1。 随着国内外炼油工业发展，尤其是催化裂化技术的不断提高，炼厂气的深加工越来越受到人们的重视。炼厂气C4的综合利用成为人们普遍关注的课题之一。我国每年生产C4200多万t，其中190多万t来自炼油厂的催化裂化装置、焦化装置、减粘裂化装置和热裂化装置，其中由催化裂化装置生产的C4最多，占90%以上。催化裂化装置生产的液化石油气中正丁烷约占3%8%，正丁烯中的1-丁烯和2-丁烯和异丁烯各约占5%15%，异丁烷最多，占20%左右，其中丁二烯燃烧时易生成煤烟，不适于作燃料，一般用作生产合成橡胶和ABS树脂的原料， n-丁烯用来生产仲丁醇及甲乙酮等石化产品， i-丁烯也只限于生产丁基橡胶。目前我国大部分炼厂C4没有得到充分利用，一般是作为液化气充当民用燃料使用，不但造成资源的浪费，而且经济效益差。炼厂的混合气C4是宝贵的精细化工原料，开发利用混合气C4具有重要的意义2。 板式塔的发展和现状板式塔作为重要的单元设备一直受到重视，在对原有塔板的改进和性能研究以及新型塔板的开发与应用等方面都取得了进展。在塔板研究方面，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，它们均具有气相分散的共同特点3。 80 年代到 90 年代国外塔器发展总的要求是：节能、高效和优质。我国塔器的研究开发工作起步较晚，但自60年代起加快了消化吸收步伐，应用了S形塔板、舌形塔板、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4。1脱丁烷塔的理论计算及结构设计 同时，还引进了导向筛板、MD筛板、网孔塔板、新型垂直筛板、角钢塔板和锥心浮阀等。近年来，我国塔器技术又有了很大提高，新型塔板的试验引进工作开展得十分活跃。在借鉴国外技术的基础上，我国又开发出了一批新型塔板。如导向浮阀塔板、高效吸收喷旋塔、网角塔板及HTV船型浮阀塔板等都各有创新，并且大都取得了较好的效益。总体来讲，目前，就工业应用而言，仍以筛板和浮阀塔为主。而且，不少是这两种塔板的改进型，在工业上应用也较为成功。70年代以来，塔板上液体流动的不均匀性对板效率的影响开始引起国内外学者的注意。我国学者近年来对此进行了研究。如通过大型塔板的采样分析对塔板上液体停留时间分布的研究，由此提出了改善大型塔板液流分布的多种塔板结构，同时建立了板上液体流动分布的二维理论模型。最近还提出了基于N-S方程求解的，考虑到液相错流影响的塔板气、液两相流速度分布模型。这些为大型塔板的设计以及考虑流动分布因素的精馏塔模拟计算提供了依据。 板式塔是属于逐级逆流接触操作的单元设备，塔内件是以塔板作为两相接触的基本构件。在本设计中主要选择F-1型浮阀塔板，标准号为JB1118-98。阀片上有三条腿，插入阀孔后可以将各底角转90度定位，形成限制阀片上升高度和防止被气体吹走的凸肩。当气体穿过圆孔上升时将阀片顶起，气体沿水平方向喷出，吹入塔盘上的液层内进行鼓泡。阀片的开度随气量的变化气流量增大，浮阀被顶起的开度也增大，直到三条支腿下脚接触塔板为止。F-1 型浮阀塔板操作弹性大、效率高等诸多优点，在工业生产中得到极为广泛的应用。浮阀塔之所以广泛应用是由于浮阀在塔盘上可安排的比泡罩紧凑，其生产能力比圆形泡罩塔盘提高 20%-40%，接近与筛板塔；由于浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化，因此能在较宽的流量范围内保持高效率，其操作弹性为5-9，比筛板、泡罩和舌形塔盘大得多；由于气液接触良好，且蒸气以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少，塔板效率比泡罩塔高 15%左右；由于气流通过浮阀时只有一次收缩、扩大几转弯，故干板压力降比泡罩塔低；浮阀形状简单，液面落差小；由于阀盘大多用不锈钢制造，加之浮阀不停地浮动，所以不易积垢堵塞，故操作周期较泡罩长，清理也节省时间5。 本设计项目的是设计一台脱丁烷塔并对其元件进行结构设计及理论计算。其结构简单，制造方便，安装也容易，制造费用仅为泡罩塔盘的60-80%。塔盘结构本身必须具有一定的刚度以维持水平；塔盘与塔壁之间要保持一定的密封性以免气、液短路。该塔采用分块、自身梁式式塔盘，塔径大，容易满足刚度、制造、装拆方便等要求。同时，为了进行塔内清洗和检修，使人能进入各层塔盘，在塔盘中央附近设置一块内部通道板；内部通道板要求装拆方便，故应设2脱丁烷塔的理论计算及结构设计 计成上下均可拆的连接结构。塔盘与通道板之间联接常用的紧固件是螺栓和椭圆垫板，从上或下松开螺母，并将椭圆垫板转开，通道板即可自由撤开。塔盘安放于焊接在塔壁上的支撑圈上，塔盘与支撑圈的连接用卡子，卡子由下卡（包括卡板及螺柱）、椭圆垫板及螺母等零件组成，这种结构是上可拆的（和塔盘与通道板的连接结构不同）。考虑到塔体椭圆公差吉塔盘长度公差的因素，塔盘上的卡子空加工成长圆形6。 1.2 三种塔板优缺点的比较 1. 泡罩型塔曾有辉煌的过去，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，操作弹性较大；加之塔板上液层较高，两相接触时间较长，因此板效率较高。但泡罩塔存在着塔板压降较高，雾沫夹带大及造价较高等问题，目前使用较少。 2. 浮阀塔板主要优点：(1)浮阀与塔板之间流通面积能随气体负荷变动自行调节，操作气体负荷弹性较大；(2)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；(3)结构简单，造价低。不足之处是塔板上液层梯度大，液体返混较大，浮阀易磨损和脱落7。 3. 筛孔塔板分为有溢流装置和无溢流装置的筛板。有溢流装置的筛板其特点是处理能力大，效率较高，压降小，造价低；缺点是负荷范围窄，筛孔易堵塞，对具有内溢流的筛板有效利用面积低，塔板上存在液面落差，气体会产生偏流，使鼓泡不匀。无溢流装置的筛板其特点是塔板面积的利用率高，有利于提高塔的生产能力，塔板结构特别简单，造价低，压降小。主要缺点是操作弹性小，对易聚合生垢的系统也不适宜。 1.3 设计板式塔所要达到的标准 1. 生产能力大，即气液处理量大。 2. 高的传质、传热效率，即气液有充分的接触空间、接触时间和接触面积。 3. 操作稳定、操作弹性（最大负荷对最小负荷之比）大，即气液负荷有较大波动时仍能在较高的传质下进行稳定的操作，且塔设备应能长期连续运转。 4. 流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小，以达到节能降低操作费用的要求8。 5. 结构简单可靠，材料耗用量小，制造安装容易，以达到降低设备投资的要求。 3脱丁烷塔的理论计算及结构设计 1.4 脱丁烷