催化裂化蒸汽分水器的结构设计及理论计算

密 级 公开 学 号 050464 毕 业 设 计（论 文） 催化裂化蒸汽分水器的 结构设计及理论计算 院（系、部） ： 机械工程学院 姓 名： 张 文 班 级： 过053 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 孙学俭 教师职称： 教授 2009 年 5 月 31 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 催化裂化蒸汽分水器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： 张文 学 号： 050464 2009 年 6 月 18 日 催化裂化蒸汽分水器结构设计及理论计算 I 摘 要 本文概述了蒸汽分水器的意义、原理、结构形式和工艺流程，并对蒸汽分水器进行了详细设计和整体校核。 本文依据GB150-1998，GB150-1989,对蒸汽分水器进行总体设计，包括材料的选择；筒体和封头厚度计算和应力校核；接管的选择和尺寸确定；开孔补强的判定与计算；法兰垫片的选择和校核，螺栓数量的确定，以及法兰的应力校核；支座的选定。本文也对蒸汽分水器质量、几何尺寸、地震弯矩、风弯矩、支腿、地脚螺栓等进行了计算，确定了最大弯矩，对由最大弯矩引起的圆筒应力进行了校核，并对其进行了在液压试验时的应力校核，确定其满足使用要求。 关键词： 蒸汽分水器，催化裂化，分离，经济分析 催化裂化蒸汽分水器结构设计及理论计算 II Abstract This paper summarized the significance , and principle, structural form and technical flow of the steam water-separator, and made detailed designs and integer checks for it. According to GB150-1998,GB150-1989 this paper designed a set of steam water separator with a pressure ,including the selection of the material;the thickness calculations and stress checks of the cylinder and head; the selection and size confirmability of the pipe; the judgment and calculation of the opening reinforcement;the selection and check of the gasket, the confirmability of the number of the bolt, and the stress check of the flange; the selection of support. This paper also calculated the mass, the size, the seismic moment, the wind moment, the leg-bearing and the anchor bolt etc. of the steam water-separator, and then confirmed the maximum moment, checked the cylindric stress produced by maximum stress, and checked the stress when hydraulic test, to make sure the steam water-separator meet its application requirements. Keywords: steam water-separator, separation, FCC,economic analysis 催化裂化蒸汽分水器结构设计及理论计算 III 目 录 第一章 前 言 . 1 1.1 选题背景. 1 1.2 催化裂化的介绍. 1 1.2.1 催化裂化工艺流程. 2 1.2.2 催化裂化装置类型. 3 1.2.3 催化裂化发展计划和前景. 4 1.3 蒸汽分水器. 4 1.3.1 蒸汽分水器的工作原理. 4 1.3.2 蒸汽分水器的工艺流程. 5 第二章 蒸汽分水器结构设计 . 6 2.1 化工容器设计说明. 6 2.1.1 化工容器的技术经济指标. 6 2.1.2 化工容器结构上的基本要求. 6 2.1.3 化工容器的焊接结构设计. 7 2.1.4 容器焊接接头的坡口设计. 8 2.2 筒体设计. 8 2.2.1 设计条件. 8 2.2.2 筒体材料. 9 2.2.3 筒体厚度. 9 2.2.4 压力试验. 10 2.2.5 压力计算. 11 2.3 封头设计. 11 2.3.1 设计条件. 11 2.3.2 封头材料. 12 2.3.3 封头厚度. 12 2.3.4 压力计算. 13 2.4 接管设计. 14 2.4.1 接管壁厚. 14 2.4.2 接管长度. 14 催化裂化蒸汽分水器结构设计及理论计算 IV 2.4.3 接管的重量. 14 2.5 开孔及补强设计. 15 2.5.1 设计条件. 15 2.5.2 补强计算方法判别. 15 2.5.3 壳体及接管厚度计算. 16 2.5.4 所需最小补强面积. 16 2.5.5 有效补强范围：. 16 2.5.6 有效补强面积. 17 2.5.7 所需另行补强面积. 18 2.5.8 补强圈. 18 2.6 法兰设计. 19 2.6.1 设计条件. 19 2.6.2 蒸汽入口及出口法兰设计. 19 2.6.3 排气口法兰设计. 29 2.6.4 排水口法兰设计. 37 2.7 腿式支座设计. 44 2.7.1 设计计算. 44 2.7.2 材料选用. 45 2.7.3 选用标准. 45 2.7.4 应力计算及校核. 46 2.8 地脚螺栓的设计. 49 2.8.1 型号选择. 49 2.8.2 材料选择. 49 第三章 蒸汽分水器整体校核 . 50 3.1 引言. 50 3.2 容器质量. 50 3.2.1 容器壳体（包括椭圆形封头、支腿）的质量. 50 3.2.2 构件质量. 50 3.2.3 附件质量. 50 3.2.4 容器操作质量. 50 3.2.5 容器内充水质量. 50 3.2.6 容器的最大质量. 50 催化裂化蒸汽分水器结构设计及理论计算 V 3.2.7 容器的最小质量. 50 3.3 自震周期. 50 3.4 地震载荷和地震弯矩. 51 3.4.1 水平地震力的计算. 51 3.4.2 地震弯矩计算. 52 3.5 风载荷. 52 3.5.1 水平风力计算. 52 3.5.2 风弯矩计算. 53 3.6 最大弯矩. 53 3.7 筒体轴向应力校核. 54 3.7.1 筒体轴向应力计算. 54 3.7.2 筒体温度校核. 54 3.7.3 筒体拉应力校核. 55 3.8 容器液压试验时的应力校核. 55 3.8.1 壳体的应力计算. 55 3.8.2 应力校核. 56 第四章 对蒸汽分水器的控制和经济分析 . 58 4.1 引言. 58 4.2 对蒸汽分水器温度的控制. 58 4.3 对蒸汽分水器的经济分析. 59 第五章 设计总结 . 60 参 考 文 献 . 61 致 谢 . 62 声 明 . 63 催化裂化蒸汽分水器的结构设计及理论计算 1 第一章 前 言 1.1 选题背景 我国石油资源中，原油大部分偏重，轻质油品含量低，这就决定了炼油工业必须走深加工的路线。近十几年来，催化裂化掺炼渣油量在不断上升，已居世界领先地位。催化剂的制备技术已取得了长足的进步，国产催化剂在渣油裂化能力和抗金属污染等方面均已达到或超过国外的水平。在减少焦炭、取出多余热量、催化剂再生、能量回收等方面的技术有了较大发展1。 催化裂化是在热裂化工艺上发展起来的。是提高原油加工深度，生产优质汽油、柴油最重要的工艺操作。原料主要是原油蒸馏或其它炼油装置的 350 540 摄氏度馏分的重质油，催化裂化工艺由三部分组成：原料油催化裂化、催化剂再生、产物分离。催化裂化所得的产物经分馏后可得到气体、汽油、柴油和重质馏分油，有部分油返回反应器继续加工称为回炼油。催化裂化操作条件的改变或原料波动，可使产品组成波动2。 据统计 ,截止到 1999 年 1 月 1 日 ,全球原油加工能力为 4015.48Mta,其中催化裂化装置的加工能力为 668.37Mta,约占一次加工能力的 16.6%,居二次加工能力的首位。美国原油加工能力为 821.13Mta,催化裂设计化能力为 271Mta,居世界第一 ,催化裂化占一次加工能力的比例为 33.0%。我国催化裂化能力达 66.08Mta,约占一次加工能力的 38.1%,居世界第二位3。 1.2 催化裂化的介绍 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。 催化裂化蒸汽分水器的结构设计及理论计算 2 催化裂化技术由法国 E.J.胡德利研究成功，于 1936 年由美国索康尼真空油公司和太阳石油公司合作实现工业化，当时采用固定床反应器，反庆和催化剂再生交替进行。由于高压缩比的汽油发动机需要较高辛烷值汽油，催化裂化向移动床（反应和催化剂再生在移动床反应器中进行）和流化床（反应和催化剂再生在流化床反应器中进行）两个方向发展。移动床催化裂化因设备复杂逐渐被淘汰；流化床催化裂化设备较简单、处理能力大、较易操作，得到较大发展。 60 年代，出现分子筛催化剂，因其活性高，裂化反应改在一个管式反应器（提升管反应器）中进行，称为提升管催化裂化。 中国 1958 年在兰州建成移动床催化裂化装置， 1965 年在抚顺建成流化床催化裂化装置， 1974 年在玉门建成提升管催化裂化装置。 1984 年，中国催化裂化装置共 39 套，占原油加工能力 23。 1.2.1 催化裂化工艺流程 催化裂化技术的发展密切依赖于催化剂的发展。有了微球催化剂，才出现了流化床催化裂化装置；分子筛 催化剂的出现，才发展了提升管催化裂化。选用适宜的催化剂对于催化裂化过程的产品产率、产品质量以及经 济效益具有重大影响。 催化裂化装置通常由三大部分组成，即反应 -再生系统、分馏系统和吸收稳定系统。其中反应 再生系统 是全装置的核心，现以高低并列式提升管催化裂化为例，对几大系统分述如下： （1） 反应再生系统 新鲜原料 (减压馏分油 )经过一系列换热后与回炼油混合，进入加热炉预热到370左右，由原料油喷嘴以雾 化状态喷入提升管反应器下部，油浆不经加热直接进入提升管，与来自再生器的高温 (约 650 700 )催化剂接 触并立即汽化，油气与雾化蒸汽及预提升蒸汽一起携带着催化剂以 7 米 /秒 8 米 /秒的高线速通过提升管，经快速 分离器分离后，大部分催化剂被分出落入沉降器下部，油气携带少量催化剂经两级旋风分离器分出夹带的催化 剂后进入分馏系统。 积有焦炭的待生催化剂由沉降器进入其下面的汽提段， 用过热蒸气进行汽提以脱除吸附在催化剂表面上的 少量油气。待生催化剂经待生斜管、待生单动滑阀进入再生器，与来自再生器底部的空气 (由主风机提供 )接触 形成流化床层，进行再生反应，同时放出大量燃烧热，以维持再生器足够高的床层温度 (密相段温度约 65068 0 )。 再生器维持 0.15MPa0.25MPa (表 )的顶部压力， 床层线速约 0.7 米 /秒 1.0催化裂化蒸汽分水器的结构设计及理论计算 3 米 /秒。再生后的催化剂经淹流 管，再生斜管及再生单动滑阀返回提升管反应器循环使用。 烧焦产生的再生烟气，经再生器稀相段进入旋风分离器，经两级旋风分离器分出携带的大部分催化剂，烟 气经集气室和双动滑阀排入烟囱。再生烟气温度很高而且含有约 5%10% CO，为了利用其热量，不少装置设有 CO 锅炉，利用再生烟气产生水蒸汽。对于操作压力较高的装置，常设有烟气能量回收系统，利用再生烟气的热能 和压力作功，驱动主风机以节约电能。 （ 2） 分馏系统 分馏系统的作用是将反应 再生系统的产物进行分离，得到部分产品和半成品。由反应 再生系统来的高温油气进入催化分馏塔下部，经装有挡板的