催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算

催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 摘 要 本论文论述了催化裂化反应在石油化工工业中的重要地位， 并对催化裂化反应中的三大装置作了简单的介绍， 并介绍了催化裂化的发展概况。 对汽液分离罐的工作原理和在相应化学工业中的作用作了较为详细的介绍。 然后， 详细的介绍了指定条件下-催化裂化汽液分离罐的结构设计和理论计算，具体的分为筒体选择，工艺计算，结构计算，零部件设计及选取，筒体强度校核等几部分。最后，还设计了一个 C程序来计算筒体的厚度。还相应的绘制了装配图. 关键词 :催化裂化，汽液分离灌，工艺计算，结构设计，强度校核 I催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 Abstract This report is to introduce the importance of the catalyst cracking in the petro-oil industrial,also,make a simply introduce to the three major equipment of the catalyst cracking,and forcast the trend of development of the equiment of the catalyst cracking .Following ,it make a detail introduce of the use of vapour-liquid separate pot in the commensurable chemical technology,and make a introduce of the stracture design and theoretical compute of the vapour-liquid separate pot in detail,and the process is divide into: the choise of the bowl,the technological compute,the structure design,and the intensity alternate of the bowl. In the end,it design a program to compute the thickness of the bowl,and drawing three commensurable paper. Key word: catalyst cracking， pour-liquid separate pot， tehology caculate structure design， intensity alternate II催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 目 录 第一章 绪 论 . 0 1.1 催化裂化反应工程的地位和作用 . 0 1.2 催化裂化技术的发展概况 . 3 1.3 催化裂化催化剂 . 4 1.4 催化裂化助剂 . 7 1.5 催化裂化发展方向 . 11 1.6 催化裂化装置的主要组成部分 . 13 1.7 汽液分离罐 . 13 1.8 解决方案 . 14 1.9 研究的基本内容，拟解决的主要问题 . 15 第二章 容器结构设计及计算 . 17 2.1 筒体设计 . 17 2.2 封头设计： . 18 2.3 锥壳的设计 . 19 第三章 开孔及补强设计 . 22 3.1 接管 . 22 1n3.2 接管 . 25 2n3.3 人孔开孔补偿 . 27 第四章 法兰设计及附件选择 . 29 4.1 法兰设计 . 29 4. 接管 . 36 4. 人孔 . 37 4. 支座 . 38 第五章 壳体强度校核 . 38 5.1 鞍座反力计算 . 38 5.2 计算圆筒轴向弯矩 . 41 5.3 计算圆筒轴向应力 . 42 5.4 计算圆筒，封头切向应力 . 44 III催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 5.5 计算圆筒周向应力 . 45 5.6 计算鞍座有效断面平均应力 . 46 第六章 地脚螺栓受力校核 . 47 6.1 地脚螺栓分布示意图 . 47 6.2 螺栓受力分析 . 47 6.3 确定螺栓的直径 . 49 第七章 经济技术分析 . 50 装置大型化的分析和现状 . 50 第八章 催化裂化装置动态机理模型的应用 . 53 原料处理量对过程动态和稳定性的影响 . 53 1.反应压力和反应温度均不控时系统动态特性 . 53 2.各种控制组合条件下的系统稳定性 . 55 结 论 . 56 参 考 文 献 . 57 致 谢 . 58 附录 .59 筒体壁厚设计程序 . 60 声 明 . 62 IV催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 第一章 绪 论 1.1 催化裂化反应工程的地位和作用 石油是当代世界最主要的能源之一， 被人们称之于 “工业的血液” ， 从石油中用简单蒸馏方法获得的汽、 煤、 柴油轻质燃料， 在质和量方面已不能满足人们的需要， 因此， 便将石油中的重质部分通过催化裂化的作用在一定条件下经一系列化学反应生成重质油品。 催化裂化是重质油重质化的一个主要炼油工艺， 由于轻质油需求量大，价值高，催化裂化反应工程自 1936 年世界第一套固定床催化装置问世以来，得到了很大发展。目前，我国催化裂化总加工能力约占四分之一以上。 催化裂化是石油加工的重要工艺过程之一， 更是最重要的重质油轻质化过程之 一， 在汽油和柴油等轻质油品的生产中占有很重要的地位。 从催化裂化的原料和产品可以看出，催化裂化过程在炼油工业以至国民经济中占有重要的地位。 催化剂的作用是促进化学反应， 从而提高反应器的处理能力， 它对产品的产率分布及质量好坏起重要作用。裂化催化剂不仅提高了分解，芳构化等反应的速率,而且提高了异构化，氢转移等反应的速率,从而使催化裂化装置的生产能力不仅比热化装置的生产能力大，而且所得的汽油的辛烷值也高，安定性也好。 催化裂化装置一般由三个部分组成， 即： 反应再生系统， 分馏系统， 吸收稳定系统。在处理量很大、反应压力较高（0.25 ）的装置上，常常还有再生烟气的能量回收系统。 MPa1.1.1 反应再生系统 反应再生系统就是反应器内烃类的化学反应，再生是催化剂活性的再生。 1.1.2 分馏系统 分馏系统的任务是把反应产物油气混合物进行冷却， 分成各种产品， 并使产品的主要性质合乎规定的质量标准。 由反应器来的反应产物油气混合物从底部进入分馏塔， 经底部的脱过热段后在分馏段分割成几个中间产品， 塔顶为油气及富气，侧线有轻柴油，重柴油和回柴油，塔底产品是油浆。 1.1.3 吸收稳定系统 0催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 吸收 稳定系统主要由吸收塔， 再吸收塔， 解吸塔及稳定塔组成。 从分馏塔顶油气分离器出来的富气中带有汽油组分，而粗汽油中则溶解了有 和 组分，吸收稳定的作用就是利用吸收和精馏的方法将富气和粗汽油分离。 2C4C汽液分离罐和换热器， 分馏塔等大设备相比， 在催化裂化装置中仅是一个小设备， 但其作用并不因为其小而小。 汽液分离罐是石油化工中催化裂化装置的一台重要设备， 一台好的汽液分离罐能提高石油产品的质量和数量， 对满足日益增长的国民经济发展的需要具有重要意义。 汽液分离罐在化工生产中有重要的应用， 在一般的炼油厂的分离装置中都有汽液分离罐。 汽液分离罐除了在化工中有广泛的应用外， 在环保设备中也有很广泛的应用。 催化裂化是最重要的重质油轻质化过程之一， 在汽油和柴油等轻质油品的生产中占有很重要的地位。 传统的催化裂化原料是重质油分馏， 主要是直馏减压馏分油 （VGO） ， 也包括焦化重馏分油 （CGO， 通常须经加氢精制） 。 由于对轻质油品的需求不断增长及技术进步，近 20 年来，更重的油料也作为催化裂化的原料，例如减压渣油、脱沥青的减压渣油、 加氢处理重油等。 一般都是在减压馏分油中掺入上述重质原料， 其掺入的比例主要受制于原料的金属含量和残碳值。 对于一些金属含量很低的石蜡基原油也可以直接用常压重油作原料。 当减压馏分油中掺入更重质的原料时则通称为重油催化裂化。 原料油在 500左右， 2-4atm及裂化催化剂接触的条件下， 经裂化反应生成气体、汽油、柴油、重质油（可循环作原料）及焦炭。反应产物的产率与原料性质、反应条件及催化剂性能有密切的关系。 催化裂化气体富含烯烃， 是宝贵的化工原料和合成高辛烷值汽油的原料。 从催化裂化的原料和产品可以看出， 催化裂化过程在炼油工业以至国民经济中占有重要的地位。 催化裂化是使重质馏分油或重油、 渣油在催化剂的存在下， 在温度为 460530和压力为 条件下， 经过以裂解为主的一系列化学反应， 转化成气体、汽油、柴油以及重质油、焦炭等的生产过程。 Pa51031 催化裂化产品有以下几个特点： （1）气体产品是优良的石油化工原料和生产高辛烷值汽油组分的原料 1催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 在一般工业条件下， 汽油产率约为 1020% （重） ， 其 中含有氢气、 硫化氢和烃类等组分。 一般把 的气体叫干气， 约占气体总量的 1020% （重） ，其余的 气体叫液态烃（或液化气），其中烯烃含量可以达到 50%左右。 41 CC2C43C、C干气中含有 1020%的乙烯， 它不仅可以作为燃料， 还可以作为生产乙烯、 制氢等的原料。 液态烃中含有丙烯、 丁烯， 是石油化工的宝贵原料； 丙烯、 丁烯可作制取乙烯的裂解原料， 也是渣油脱沥青的溶剂。 液态烃还是生产高辛烷值汽油组分的优良原料。 如异丁烷和各种丁烯经烃基化可生产工业异丁烷； 异丁烷可以与甲醇反应生成甲基叔丁基醚（简称 MTBE）；丙烯和异丁烯可采用二聚或烃化的方法合成高辛烷值的汽油组分等。 （ 2）液体产品 催化汽油产率约为 4060% （重） 。 由于其中含有较多的异构烷烃和芳烃， 其辛烷值较高， 约为 88（RON） 。 若使用高辛烷值汽油催化剂或助催化剂， 可使催化裂化汽油的 RON约提高 23 个单位， 不需要铅即可直接生产 90号汽油。 又因催化汽油所含烯烃中，-烯烃很少，且基本不含二烯烃，所以安定性较好。 催化柴油的产率约为 2040% （重） 。 因其中含有较多的芳烃， 约为 4050%，所以十六烷值较直馏柴油低得多，只有 3545，用作柴油发动机燃料时，常常需要与直馏柴油调和使用。但柴油中的芳烃是优良的石油化工原料。 渣油中含有少量催化剂细粉， 一般不作产品而作回炼油， 若经澄清除去催化剂后也可以生产部分澄清油， 产率约为 35% （重） 。 澄清油中多环芳烃含量高达 5080%（重），若回炼必然很难裂化，而且容易生焦。但澄清油的粘度和机械杂质等比减压渣油低得多， 因此它是很好的燃料油调和组分， 又是生产针形焦和炭黑的好原料，也是加氢裂化的原料。 （ 3）焦炭 催化裂化的焦炭是缩合产物，沉积在催化剂上，不能做产品，其碳氢比为。长跪催化裂化的焦炭产率为 4.56%（重），以常压渣油为原料时可高达 10%（重）以上。焦炭的产率视原料的质量不同而异。 11.031H =C鉴于上述特点， 催化裂化有一般热破坏加工所不能比拟的优点。 它对于提高原油加工深度、 生产高辛烷值汽油具有决定性意义， 它能从各种不同的低值重质原料中获得大量的高辛烷值汽油、石油化工等的原料。 2催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 1.2 催化 裂化技术的发展概况 最早的工业催化裂化出现于 1936年。六十多年来，无论是在规模还是在技术上都有了巨大的发展， 从技术的发展角度来说， 最基本的是反应再生系统和催化性能两个方面。 原料油在催化剂上进行催化裂化时， 一方面通过分解等反应生成气体、 汽油等较小分子的产物， 另一方面同时发生缩合反应生成焦炭。 这些焦炭沉积在催化剂的表面， 使催化剂活性下降。 因此， 经过一段时间的反应后， 必须烧去催化剂上的焦炭以恢复催化剂的活性。这种用空气烧去积炭的过程称为“再生” 。一个工业催化裂化装置必须包括反应和再生两个部分。 最早在工业上采用反应器形式是固定床反应器。反应与再生在一容器内进行。其设备结构复杂， 发生连续性差。 在四十年代初， 移动催化裂化和流化床催化裂化差不多同时发展起来。 移动催化裂化的反应和再生分别在两个容器内进行， 通过循环提升以连续反应和再生。 流动催化裂化的反应和再生也在两个容器内进行， 其原理和移动床相似， 只是在反应器内和再生气内， 催化剂和油气或空气形成沸腾的液体相似的硫化状态。 同固定硫化床催花裂化相比较， 移动床和固定床催花裂化都具有生产连续 产品性能稳定和设备简化等优点，尤其是硫化床在设备简化方面，大处理方面突出。 在 1936 年最先在工业上采用的就是固定床反应器。其反应和再生在同一个反应器内轮流间歇地进行。 为了在反应时供热及在再生时取走热， 在反映器内装有取热的管束， 用一种融盐循环取热。 为了使生产连续化， 可以将几个反应器组成一组，轮流地进行反应和再生。 由于固定床催化裂化的设备结构复杂， 生产连续性差， 因此，在工业上已被淘汰，旨在试验研究中还有一定使用价值。 移动床催化裂化的反应和再生是分别在反应器和再生器内进行的， 采用机械循环， 使催化剂不断循环于反应器和再生器之间， 使反应连续化。 但由于设备更加复杂，投资高，处理量小等缺点，现已被淘汰。 流化床催化裂化的反应和再生也是分别在两个设备中进行， 其原理与移动床相似， 只是在反应器和再生器内催化剂与油气或空气形成与沸腾的液体相似的流化状态。 催化剂在两器之间不断循环流动， 使得反应连续化， 而且设备结构简单， 处理能力大，因而被广泛使用。 提升管反应器采用了反应中止技术； 即在提升管的中上部某个适当的位置注入3催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 冷却介质以降低中上部的反应温度， 从而抑制二次反应。 提升管上端设有气固快速分离构件， 使催化剂与油气快速分离， 抑制了反应的继续进行； 近年来较多采用旋风分离器。 在提升管下部的进料段选用喷雾粒径小、 分布范围窄的高效雾化喷嘴，增大原料油的传热面积， 且原料油分散程度高， 油雾与催化剂接触机会均等， 从而提高了气化效率。催化裂化提升管反应技术是自 60 年代来，为配合高活性的分子筛催化剂发展而来的， 其设备结构简单， 生产连续型号， 是目前世界上运用最广泛的催化裂化装置。 我国的炼油工业起步较晚，1958 年才在兰州炼油厂建成第一套移动床催化裂化装置， 生产出高辛烷值的车用汽油和航空汽油， 且当时所用的催化剂和设备完全依赖进口。196 5年 5月抚顺石化公司石油二厂建成了我国第一套年处理量 600万吨/年的流化床催化裂化装置，填补了我国炼油技术上的一次空白。同时在兰州炼油化工总厂生产出催化剂， 从此， 流化催化裂化工艺随着技术上的不断革新而迅速发展，有些方面已经接近或达到世界先进水平。197 4年 8月在玉门炼油厂首次改建了一套 150万吨/年高低并列式提升管催化裂化装置， 以后相继在武汉、 独子山、乌鲁木齐、南充、清江等地建成了高低并列式提升管和同轴式提升管装置。 1.3 催化裂化催化剂催化剂的作用是促进化学反应， 从而提高反应器的处理能力。 而且， 催化剂能有选择性地促进某些反应。 因此， 催化剂还能对产品的产率分布及质量好坏起重要作用。 催化剂所以能加快反应速度的原因在于它使反应活化能降低， 从而使原料分子更容易达到活化状态而进行反应，而且也能改变化学反应的历程。 裂化催化剂不仅提高了分解、 芳构化等反应的速率， 而且提高了异构化、 氢转移等反应的速率，从而使催化裂化装置的生产能力不仅被热裂化装置的生产能力大，而且所得的汽油的辛烷值也高，安定性也好。 在催化裂化装置中， 催化剂不仅对装置的生产能力、 产品产率及质量好坏、 经济效益其主要影响，而且对操作条件、工艺过程和设备型式的选择有重要影响。 1.3.1 裂化催化剂的组成和结构 工业催化裂化装置最初使用的催化剂是经处理的天然活性白土，其主要活性 组分是硅酸铝。其后，天然白土就被人工合成硅酸铝所取代。到了 60 年代，分子4催化裂化汽液分离罐的结构设计及理论计算 筛催化剂得到应用。 与无定型硅酸铝相比， 分子筛催化剂有更高的选择性、 活性和稳定性，因此，它很快就完全取代了无定型硅酸铝催化剂。