催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算

催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 I摘 要 本论文简要说明了催化裂化反应在石油化工工业中的地位， 介绍了气液分离的方法及相关设备， 气液分离器中的基本结构以及气液分离罐的主要形式和各自的优缺点。然后，详细的着重介绍了在指定条件下催化裂化气液分离罐的结构设计和理论计算，包括气液分离罐的整体结构设计，工艺计算，零件结构计算，零部件设计及选取，接管开口补强计算以及法兰的设计及附件选择，筒体强度校核等几部分。本设计计算部分主要依据国标GB150-1998。还运用软件对气液分离罐绘制了装配图以及零件图。 最后对气液分离罐的控制做了简要的概述，以及对气液分离罐做了初估总体价钱和经济分析。 关键词 ： 催化裂化，气液分离罐，工艺计算，结构设计，强度校核 催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 IIAbstract The catalytic cracking response in the petroleum chemical industry status was briefly illustrated in this paper, Next introduced the method for separating the gas from liquid, and the related equipment on the gas-liquid separation. The basic structure and the relative merits in the gas-liquid pot are also introduced. Then, was detailed emphatically introduced in assigned under the condition about the structural design and the theoretical calculation, concrete divided into the overall construction design, the process design, the components structure computation, the spare part design and the selection, the tubes opening reinforcement calculation as well as the flange design and the appendix choice, the tube body intensity examination and so on several parts. This design calculation partial mainly rests on GB150-1998. Also using software to drawn up the assembly drawing as well as the detail drawing. Finally made the brief outline to introduce the controlling of the pot, as well as initially estimated the overall price and the economic analysis. Keywords : Catalytic cracking, gas-liquid separation, process design, structural design, strength Check 催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 III目 录 第一章 绪 论 .1 1.1 催化裂化 .1 1.2 气液分离及气液分离器 .1 1.3 气液分离罐 .7 1.4 研究的基本内容，拟解决的主要问题 .8 1.5 催化裂化气液分离罐各部分设计概述 .9 第二章 容器结构设计及计算 .11 2.1 筒体设计 .11 2.2 封头设计 .12 2.3 立式筒体部分的设计 .13 第三章 开孔及补强设计 .16 3.1 人孔M的补强计算 .16 3.2 接管 N3（ 37711）的补强计算 .19 3.3 接管 N4（ 15918）的补强计算 .21 第四章 法兰设计及附件选择 .26 4.1 垫片设计 .27 4.2 螺栓设计 .28 4.3 法兰设计 .30 4.4 接管 .33 4.5 人孔 .34 4.6 支座 .34 4.7 内部斜直梯 .34 4.8 防冲板 .34 第五章 壳体强度校核 .35 5.1 鞍座反力计算 .35 5.2 计算圆筒轴向弯矩 .40 5.3 计算圆筒轴向应力 .41 5.4 计算圆筒，封头切向应力 .43 5.5 计算圆筒周向应力 .44 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 .48 催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 IV6.1 地脚螺栓分布示意图 .48 6.2 螺栓受力分析 .48 6.3 确定螺栓的直径 .49 第七章 对气液分离罐的控制的概述 .50 7.1 液位控制 .50 7.2 压力控制机构 .51 经 济 分 析 .53 设 计 总 结 .54 参 考 文 献 .55 致 谢 .57 附 录 .58 声 明 .59 催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 1第一章 绪 论 1.1 催化裂化 催化裂化是炼油工业中最重要的一种二次加工工艺， 在炼油工业生产中占有重要的地位。催化裂化是石油炼制过程之一，是在热和催化剂的作用下使重质油发生裂化反应，转变为裂化气、汽油和柴油等的过程。原料采用原油蒸馏（或其他石油炼制过程）所得的重质馏分油；或重质馏分油中混入少量渣油，经溶剂脱沥青后的脱沥青渣油；或全部用常压渣油或减压渣油。在反应过程中由于不挥发的类碳物质沉积在催化剂上，缩合为焦炭，使催化剂活性下降，需要用空气烧去（见催化剂再生） ，以恢复催化活性，并提供裂化反应所需热量。催化裂化是石油炼厂从重质油生产汽油的主要过程之一。所产汽油辛烷值高（马达法 80左右） ，安定性好，裂化气（一种炼厂气）含丙烯、丁烯、异构烃多1。 1.2 气液分离及气液分离器 目前,在化工、石化行业的气液分离设备中主要涉及如下几类气液分离方法25:一是重力分离器,主要是依靠重力进行沉降分离,气液流量越低,容器尺寸越大,气液分离效率越高,但是该方法往往不仅需要大容器,而且需要足够的沉降时间,因此很少用于除去300 m以下的液滴。如图1-1所示。 图1-1 油气重力分离原理 1-气体出口；2 气液混合物入口；3 加热器热源入口；4 加热器热源出口；5 排污口；6 液体出口；7 安全阀；8 除雾器；9 压力表；10 液面控制器 催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 2二是采用离心分离器或旋风分离器,通过产生数倍于重力的离心力,一般用于去除100 m以上的液滴,但经其处理后的气体冲动力很大,对后续处理装置的结构设计和可靠性要求往往有特殊要求。如图1-2所示。 图1-2 离心式油气分离原理 1-油气入口短管；2-圆筒部分；3- 气体出口管；4-锥筒部分；5-集液部分 三是采用油雾消除器,利用其内部通常装有的纤维或滤网制成的过滤垫,流速很低,容器大,它能除去1-5 m的细小液滴。如图1-3所示。 图1-3 过滤式油气分离器 1-封头；2-入口分离器；3-气体入口；4- 滤管；5-除雾气；6-气体出口；7-液体出口 四是采用聚结器,利用其具有油雾消除器和叶片分离器的特征,这种高效的分离聚结器,通常可使油气通过其外层聚结性强的微细纤维组成的滤芯,这种滤芯能够捕获0.1 m的液滴。 催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 3目前广泛应用的气液分离器在处理混合物气液比相对稳定的情况下,都有比较好的效果。 尽管分离器的类型有多种多样，但其基本结构类似，都是由主体容器、分离部分、液面控制机构和压力控制机构等主要部分构成的。 1.2.1 主体容器 主体容器是分离器的最基本部件，它的承压能力决定了分离器的工作压力，它的尺寸决定了分离器的处理能力。 主体容器通常是由具有蝶形头盖的圆筒制成， 其强度计算方法与压力容器相同。容器上连接有混合物入门、气体出口、液体出口、排污口、仪表、阀门等各种工艺需要的接口，以及安装、维修、检查等需要的人孔、手孔等。 1.2.2 分离部分【 6,7】 分离器中的分离，一般都经过初分离、主分离和除雾分离三个环节。 1.2.2.1 初次分离部分 初次分离发生在混合物的入口处， 其目的是把从前一工序来的混合物快速分离成以气体为主和以液体为主的两相。为了达到这个目的，常采用动能吸收型和旋流式两种入口装置。 常用的动能吸收型入口装量如图4所示。这种装置适用于处理量较大的大型三相分离器中。因为在这种情况下，混合物以很高的入口速度与入口装置碰撞，能有效地破坏油水乳状液的外膜，取得较好的分离效果。 如图1-4（a)所示的是一种蝶形冲击头和陨板构成的入口装置，在中低油气比的大容积卧式原油分离器中应用，效果较好。 如图1-4（b）所示的带有折流板的蝶形冲击头人口装置，避免了流体直接冲击包尔环箱，并且增大了接触表面积，初次分离效果较好。但造价较高，通常应用于分离器的尺寸特别大，或工艺有特别要求的卧式分离器中。 如图1-4(c)所示的是一种捕鼠器式入口装置 它增大了入口处气液相的接触表面积，能使气液流产生良好的碰撞，初次分离效果较好，造价较比包尔环箱式低一些，常作为卧式分离器的入口装置。 如图1-4(d)所示的是一种分离头式入口装置， 它能使进入分离器的气液流扩展并分布成A A剖视图的形状，有利于气体从液体中逸出，同时，消除了高速流体对分离器内壁的冲击，减小了扰动。这种入口装置可用于中小型卧式分离器，也可用于立式分离器。 催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 4图1-4 动能吸收型入口装置 （a）转向冲头与隔板入口装置； （b）折流冲头与包尔环箱入口装置； （c）捕鼠器式入口装置； （d）分离头式入口装置 图1-5是旋流式入口装置在立式分离器上应用的示意图。这种入口装置的进口管与分离器的主体容器内壁成切线方向。混合物沿切向进入，沿分离器内壁旋转，产生离心力，密度较大的液相组分受离心力较大，被甩到筒壁上，沿筒壁沉降至盛液段；密度较小的气相组分受离心力较小，向容器中心聚积，并逐渐上升至分离段，从而实现离心式初次分离。这种如口装置多用于立式分离器。 图1-5 旋流式入口装置 催化裂化气液分离罐结构设计及理论计算 5为了保证气体有一定的上升距离，液体有一定的停留时间，立式分离器的入口管一般装在分离器高度的23处，也就是稍高于最高液面处。 切向进入的多相混合物，对分离器主体容器内壁的冲刷较严重，在混合物中携带有砂粒时，这种冲刷损坏更为突出。为此，常在切向人口处的容器壁上加一层旋流挡板。图1-6所示的内旋式入口装置，对减轻容器内壁的冲刷损坏，也有一定的效果。另外，内旋式入口装置还可用于卧式分离器。 图1-6 内旋式入口装置 1.2.2 主分离部分 主分离部分是指主体容器本身。经初次分离后的气相中，仍携带许多直径大小不等的液珠。主分离部分的作用是在气体流速大大降低后，利用重力分离和碰撞分离原理，把直径在100 m以上的液珠最大限度地从气体中分离出来。 1.2.3 除雾分离部分 除雾分离部分的作用是利用碰撞、离心、聚结等原理，除去经主分离后气体仍然携带的直径在10-100 m之间的液滴。分离器中常用的除雾器有叶片式和 丝网式等不同型式。 图1-7所示为蛇型叶片式除雾器。 它由若干固定间距的蛇形波纹板叠置而成，相邻两波纹板间形成曲折、 变截面的流道。 携带着小液滴的气体从流道中通过时，一方面，接触表面积增大，细小的液滴碰到经常润湿的结构表面