FCC装置同轴式提升管反应器设计.pdf

文章编号 100027466 2004 0420046203 收稿日期 2004202205 作者简介 刘广宇 19662 男 汉族 山东省既墨人 高级工程师 硕士 主要从事石油化工设备研究 FCC装置同轴式提升管反应器设计 刘广宇 大连齐化化工有限公司 辽宁 大连 116600 摘要 由于原料油不断重质化 而且要求轻质油收率不断上升 因此对炼油装置提升管反应器的要 求更加苛刻 主要针对提升管系统应力分析及结构设计进行了探讨 并在实践中得以应用 收到了 良好的效果 关 键 词 催化裂化 反应器 设计 中图分类号 TQ 052 502 文献标识码 B Design of coaxial lift pipe reactor employed in FCC unit LIU Guang2yu Dalian Qihua Chemicals Co Ltd Dalian 116600 China Abstract As increasing of heavy oil component in raw oil and rising of light oil yield this result in stricter requirement for lift pipe reactor of oil refining unit The stress analysis and structure design on lift pipe system is discussed it s applied in practice and obtained good results Key words catalytic cracking reactor design 流化床催化裂化 简称 FCC 反应属于非扩散控 制的气相化学反应 其特点是平行顺序反应 同时还 发生烃类的异构化 芳构化 加氢和叠合反应等 随 着催化剂技术的不断发展 由床层反应逐渐过渡到 提升管反应 裂化速度主要取决于吸附和化学反应 的速度 与此同时 裂化原料不断重质化 要求轻质 油收率不断上升 因此提升管内的线速不断增加 反 应时间逐渐变短 气固流态的变化引起提升管壳体 受力情况的变化 由于反应温度和反应压力影响转 化率 因而是决定装置处理量的重要指标 其大小对 图4 ph 0 5MPa时弹簧比压与泄漏率间的关系 表明 噪音干扰的排除是采集系统的关键 微小信号 的采集是采集系统的难点 另外振动对测量的影响 应该引起重视 参考文献 1 G B T 14211 93 机械密封试验方法 S 2 曾星绍 机械密封的密封性能试验及其装置 J 化工机械 1989 16 1 30231 3 王得周 泵用机械密封的密封性能试验分析和检测 J 流体工 程 1990 6 18220 4 孙见君 弹簧比压可控振动可测型机械密封试验装置 J 石油 机械 2002 30 2 25228 5 孙见君 扬子芳烃厂3602 泵用机械密封失效分析及新结构设 计 D 南京 南京化工大学 1995 张编 第33卷 第4期 2004年7月 石 油 化 工 设 备 PETRO2CHEMICAL EQUIPMENT Vol133 No14 July 2004 提升管壳体的一次薄膜应力值起决定作用 而热变形 造成的应力更是决定整个提升管系统应力水平的主 要因素 提升管与再生器和沉降器 以下简称两器 的连接部位以及提升管壳体的转弯部位由于结构形 状的突变极易形成整个提升管系统的薄弱环节 考 虑到在以往的设计中 提升管系统的应力分析计算及 结构设计并无统一的方法 因此作者对这两个方面进 行探讨 并着重对由于两器在热态下的膨胀量不同而 引起的提升管热应力进行简单的分析计算 1 提升管应力分析 1 1 受力分析 提升管除受自身重力 物料重力和内压外 还受 沉降器 再生器 提升管反应器之间的热膨胀差所引 起的力及弯矩的影响 此外 催化剂在预提升段的 不稳定流动还会引起提升管潜在的振动 还可能受 由于支架设置不当而产生的支反力的影响等 1 2 热膨胀差引起的应力计算 提升管系统可以被看作管道来处理 并且可把 它简化成如图1所示的模型 1 提升管系统各方向总位移量的计算 提升管系统在x方向上的总位移量 x L01 t 提升管系统在y方向上的总位移量 y L 12 L34 L04 t 式中 为材料的平均线膨胀系数 C 1 L为各计 算管段的长度 mm t为热态和冷态下计算管段 的管壁温差 C 图1 提升管系统简化模型 z是提升管系统在z方向上的总位移量 2 各管段吸收的各方向位移量计算 x L3 x Ly3 Lz3 y L3 y Lx3 Lz3 z L3 z Lx3 Ly3 对于提升管反应器 若再生斜管和提升管以及 水平段布置在同一平面内 即 z 0 则以上各式 中相关项计算如下 Ly3 Lz3 L123 L343 Lx3 Lz3 L013 L233 3 管段的允许变形量计算 L2 A 104 3EDo 式中 Do为计算管段的外径 mm 许用应力的范围 A 1 25 c 0 25 h h c分别为热态和冷态时管 材的许用应力 如果 max x y z 则表示整个管系具有 足够的柔性 由于热膨胀差而引起的二次应力没有 超过热胀许用应力范围 如果 max 则认 为该管段仍有足够的柔性 否则可改变衬里厚度或 型号 减少提升管与两器的壁温差从而降低热应力 以不设置三铰链膨胀节为佳 4 实际估算应力 E的计算 由弹性力学的基本定理 应力等于弹性模量乘 应变可知 以上计算所得 max f 为许用应力与 实际估算应力的比值 由此可得 E max A f 5 端点最大弯矩的计算 端点最大弯矩可由下式得出 M EW 式中 W为抗震截面系数 1 3 提升管与斜管连接处应力分析 以上计算所得应力属于二次应力 其特征是局 部性的和自限性的 当局部超过屈服极限时 可以 使应力不再成比例地增加 而且限定在某个范围内 从而满足变形谐调性的要求 但由于再生斜管与提 升管的连接成一定角度 此处既不能按三通来计算 也超过了大开孔补强的计算范围 通过比较图2中 的2种型式可以看出 a型结构由于开孔尺寸超过 G B 150 1998规定的范围而无法按该标准计算其 壁厚 又不能按等径三通来计算厚度 用有限元可求 出此处的准确应力 但计算繁琐困难 因此国外资 料认为 对于大开孔 可以在按常规计算的补强圈截 面积的基础上增大20 并把补强圈截面积的2 3 布置在离孔边的d 4以内区域里 这样就可以认为 74 第4期 刘广宇 FCC装置同轴式提升管反应器设计 起到充分补强的作用 1 当补强圈上增设加强筋等 缓和弯曲应力时 则按照常规求出补强圈的大小就 可以了 在缺乏资料时 可以用1种由经验数据得 来的计算应力集中系数的方法 对于钢制薄壁筒体 D S 10 上的大径向开孔 d D 0 25 应力集 中系数可按下式计算 Kt 1 2 57 d D 2St D 1 2 1 St S 2St D 1 2 式中 为开孔系数 d D D 2 S 1 2 D S为筒 体平均直径及壁厚 d St为接管平均直径及壁厚 mm 图2 提升管与斜管连接的2种模型 容器上非径向接管的应力集中系数要比径向接 管的大 且最大应力发生在容器上靠近接管的椭圆 孔长轴处 其应力集中系数与径向接管应力集中系 数的关系为 Kt Kt 1 tg 4 3 式中 Kt 为非径向接管的应力集中系数 为接管 轴线与圆柱壳轴线的夹角 从上式可知 非径向接管的应力集中系数随着 非径向度 的增大而显著上升 b型结构也超出了G B 150 1998中允许开孔 的范围 因此也属于大开孔补强的范围 可参照上面 介绍的方法来计算 但一般来说b型结构的壁厚比 a型结构的壁厚薄 提升管顶部可采用偏心截锥弯头 这样就在弯 头上部形成一催化剂的垫层 避免冲蚀 当采用锥 形连接时 虽然设备制造时有点困难 但这种结构可 减轻催化剂的磨损 因为此处有一部分为平板 所 以此处壁厚应按受均布载荷的矩形薄板来计算 可 参考弹性力学的计算公式进行 2 提升管结构设计 2 1 提升管强度与柔性控制 提升管结构设计一般有2条原则 第一是使提 升管具有适当的柔性 并要满足强度和衬里使用的 要求 第二是合理设置支吊架 并要正确地安装 这就表明 在提升管结构设计中应设法提高提升管 系统的整体柔性 合理设置支吊架来降低提升管整 体应力水平以及连接和转弯处的局部应力 2 2 承重支架及导向支架设置 承重弹簧支架的安装对提升管的受力状况有明 显影响 应设法使支反力所产生的弯矩达到最小 可通过选用合适的弹簧支座计算出提升管与两器在 热态与冷态的膨胀差 然后根据此膨胀差对弹簧进 行预压缩 使弹簧载荷在热态时刚好等于提升管的 自重加上物料的质量 这样 就能使支反力产生的 弯矩最小 降低提升管与两器连接处的应力 由于预提升段催化剂的流动是以一定的角度呈 螺旋向上运动 极易引起提升管的振动 如果不对 其振幅进行限制 当此振动频率与提升管本身固有 频率相等时将引起共振而破坏提升管 因此在提升 管底部设置一导向减振弹簧支架 此外还需要考虑 提升管的导向支架处在热态与冷态的膨胀差 使提 升管在工作状态下偏离正常位置时就会受到1个相 反方向的力作用 使其回到正常位置 3 反应器施工注意问题 1 在施工过程中应严格控制提升管的垂直度 提升管的倾斜度应小于30 mm 否则会造成催化剂的 偏流 降低转化率 2 由于弹簧支架的预压缩量是按300 设备 壁温来计算的 实际情况不一定如此 由此而计算出 的膨胀差和实际情况有一定出入 进而可知弹簧的 预压缩量不一定正好能和提升管的自重相抵消 因 此在施工过程中应严格按设计尺寸进行安装 否则 可能会发生不可预知的结果 4 结语 通过在齐化集团炼油装置上的试验 按文中所 述设计的提升管基本上能满足工艺要求 作为实现 催化裂化反应的载体 提升管反应器是催化裂化装 置的关键设备之一 提升管设计的好坏将直接关系 到催化装置能否正常运行 而提升管反应器能否满 足