項(xiàng)目三典型化工設(shè)備設(shè)計(jì)單元十五塔設(shè)備及其機(jī)械設(shè)計(jì)1塔設(shè)備第6章塔設(shè)備及其機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2塔設(shè)備平面簡(jiǎn)圖3第四節(jié)塔體與裙座的強(qiáng)度設(shè)計(jì)一.塔體載荷分析：1.自重載荷：m01—塔設(shè)備的殼體與裙座質(zhì)量；m02—塔設(shè)備內(nèi)件質(zhì)量（塔板或填料及其支撐裝置）；m03—保溫材料質(zhì)量；m04—平臺(tái)扶梯質(zhì)量；m05—操作時(shí)塔內(nèi)物料質(zhì)量；ma—人孔法蘭接管等附件質(zhì)量；mw—液壓試驗(yàn)時(shí)塔內(nèi)充液質(zhì)量；me—偏心質(zhì)量。操作質(zhì)量：m0=m01+m02+m03

+m04+m05

+ma+me水壓試驗(yàn)質(zhì)量：mmax=m01+m02+m03

+m04+mw

+ma+me

吊裝質(zhì)量：mmin=m01+0.2m02+m03

+m04

+ma+me4將質(zhì)量離散：簡(jiǎn)化力學(xué)模型———多質(zhì)點(diǎn)體系的懸臂梁發(fā)生地震時(shí)的受力2.地震載荷5（1）.水平地震力任一段集中質(zhì)量mk所引起的基本振型水平地震力為：

Fk=CZα1ηkmkgN式中CZ——結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù)，圓筒形直立設(shè)備取0.5；

α1——對(duì)應(yīng)于設(shè)備基本自振周期T1的地震影響系數(shù)；

ηk——基本振型參與系數(shù)；

mk——任一段（第k段）塔體的操作質(zhì)量。6（2）.垂直地震力地震烈度為8度或9度地區(qū)的塔設(shè)備考慮垂直地震力。垂直地震力的作用點(diǎn)：塔器底截面。計(jì)算式：Fv=αvmax·meq．g式中αvmax——垂直地震影響系數(shù)最大值，取0.6αmax。

meq——塔器的當(dāng)量質(zhì)量，取0.75m0

。（3）.地震彎距懸臂梁的彎矩：7任一質(zhì)點(diǎn)mk對(duì)塔底(0-0截面）的彎矩為： 所有質(zhì)點(diǎn)（k=1,2,……n)對(duì)塔底截面的彎矩和為：對(duì)于等直徑、等壁厚塔器的底截面地震彎矩為：8地震載荷分布圖9塔的迎風(fēng)面受到風(fēng)壓載荷，并隨高度而增加。將風(fēng)壓按塔的高度離散，任一計(jì)算段的風(fēng)載荷，就假定是集中作用在該段中點(diǎn)的風(fēng)壓合力：（1）.力學(xué)模型的簡(jiǎn)化：3.風(fēng)載荷10（2）.風(fēng)載荷的計(jì)算影響風(fēng)載荷的因素：所在地區(qū)的基本風(fēng)壓值q0(距地面10米高處的風(fēng)壓）；塔器高度、直徑、截面形狀以及自振周期。任一計(jì)算段的水平風(fēng)力為：式中K1——塔體形狀系數(shù)；

K2——風(fēng)振系數(shù)（與塔自振周期有關(guān)）；

qo——10米塔高處的基本風(fēng)壓值；

fi——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；li——計(jì)算段的高度；Dei——該計(jì)算段的有效直徑。11（3）.風(fēng)彎矩計(jì)算風(fēng)彎矩圖風(fēng)載荷對(duì)基底截面的彎矩：124.偏心載荷塔設(shè)備頂部懸掛有分離器、冷凝器等附屬設(shè)備，其重力對(duì)塔體產(chǎn)生偏心載荷。

偏心載荷引起的彎矩：Me=meg·e

5.介質(zhì)壓力載荷——設(shè)計(jì)壓力p；水壓試驗(yàn)時(shí)的液柱壓力。13二.自支撐式塔設(shè)備塔體壁厚的確定方法1.塔設(shè)備的危險(xiǎn)截面：0-0截面——基底；1-1截面——人孔截面；2-2截面——塔體與裙座連接焊縫截面。位于塔體上的危險(xiǎn)截面——2-2截面。142.塔體應(yīng)力組合（2-2截面）組合軸向應(yīng)力的構(gòu)成：σ1——介質(zhì)壓力引起的軸向應(yīng)力；σ2——塔體自重引起的軸向應(yīng)力；σ3——塔體所受彎矩引起的軸向應(yīng)力。例如，內(nèi)壓操作的塔設(shè)備在2-2截面處的應(yīng)力組合：位于背風(fēng)面，組合軸向應(yīng)力為：σ=σ1-σ2-σ3位于迎風(fēng)面，組合軸向應(yīng)力為：σ=σ1-σ2+σ315內(nèi)壓塔在停車時(shí)和操作時(shí)的應(yīng)力組合：操作時(shí)停車時(shí)16外壓塔設(shè)備的應(yīng)力組合：操作時(shí)停車時(shí)173.塔體壁厚的確定方法（1）依據(jù)內(nèi)壓容器或外壓容器壁厚設(shè)計(jì)方法確定塔體有效壁厚Se1。（2）塔體穩(wěn)定驗(yàn)算。根據(jù)（1）假定一有效壁厚Se2?！裼?jì)算壓力引起的軸向應(yīng)力：●自重載荷及垂直地震力引起的軸向應(yīng)力：18●彎矩在塔體中引起的軸向應(yīng)力：穩(wěn)定條件：組合軸向壓應(yīng)力要滿足：式中K——載荷組合系數(shù)，取K=1.2;B——見書p168。19（3）塔體拉應(yīng)力驗(yàn)算依前述，假設(shè)一有效壁厚Se3。計(jì)算σ1,σ2,σ3，并進(jìn)行組合，滿足如下強(qiáng)度條件：（4）水壓試驗(yàn)應(yīng)力驗(yàn)算確定塔殼體試驗(yàn)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，驗(yàn)算是否滿足強(qiáng)度條件和穩(wěn)定條件。由試驗(yàn)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力：20水壓試驗(yàn)組合軸向應(yīng)力的確定：由試驗(yàn)壓力引起的軸向應(yīng)力：由液壓試驗(yàn)時(shí)重力引起的軸向應(yīng)力：由彎矩引起的軸向應(yīng)力：液壓試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性判據(jù)：式中K——載荷組合系數(shù)，取K=1.2;[σ]cr——許用軸向壓應(yīng)力，21塔體壁厚確定方法：(1)根據(jù)內(nèi)(外)計(jì)算壓力,確定容器設(shè)計(jì)計(jì)算壁厚，確定一有效壁厚Se1;(2)參照Se1，進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，確定一有效壁厚Se2;(3)參照Se2，進(jìn)行塔體拉應(yīng)力驗(yàn)算，確定一有效壁厚Se3;(4)取Se1、Se2、Se3中較大者，加上壁厚附加量，并考慮安裝運(yùn)輸?shù)葘?duì)剛度的要求，最終確定塔體壁厚；(5)水壓試驗(yàn)驗(yàn)算。22三裙座設(shè)計(jì)四個(gè)部分：1.座體---承受并傳遞塔體載荷。2.基礎(chǔ)環(huán)---將載荷傳遞到基礎(chǔ)上。3.螺栓座---固定塔于基礎(chǔ)上。4.管孔---人孔、排氣孔、引出管孔。（一）裙座結(jié)構(gòu)23（二）.裙座的設(shè)計(jì)方法1.座體設(shè)計(jì)：（1）按塔體壁厚設(shè)定一有效壁厚Ses。（2）驗(yàn)算裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。危險(xiǎn)截面為基底截面（0-0）和人孔截面（1-1）。242.基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)環(huán)結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)環(huán)厚度的確定方法：將座體載荷轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的均布載荷，計(jì)算彎矩載荷，再確定板厚。25（三）.裙座與塔體的連接26項(xiàng)目三典型化工設(shè)備設(shè)計(jì)單元十五塔設(shè)備及其機(jī)械設(shè)計(jì)27塔設(shè)備282930第六章塔設(shè)備及其機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

教學(xué)重點(diǎn)：板式塔的基本結(jié)構(gòu)和塔設(shè)備的應(yīng)力校核教學(xué)難點(diǎn)：風(fēng)載荷的計(jì)算31內(nèi)件支座附件塔體32第一節(jié)概述塔設(shè)備是重要的單元操作設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣（汽）—液相或液—液相之間的充分接觸，從而達(dá)到相際間進(jìn)行傳質(zhì)及傳熱的目的。塔設(shè)備完成的單元過程有：精餾、吸收、解吸、萃取。這些過程是在一定的溫度、壓力、流量等工藝條件下完成的。因此，塔的結(jié)構(gòu)必須保證氣－液兩項(xiàng)，或者液－液兩項(xiàng)的充分接觸，和必要的傳質(zhì)、傳熱面積、以及兩項(xiàng)分離的空間。33塔設(shè)備除要滿足工藝條件以外，還應(yīng)滿足下列條件：氣液兩相充分接觸，相際間傳熱面積大，接觸時(shí)間充分。阻力小，壓降小，塔內(nèi)熱量損失少

。生產(chǎn)能力大，即氣液處理量大。操作穩(wěn)定，操作彈性大。盡力減少霧沫夾帶和泄露量，及液泛的可能。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝、維修方便，設(shè)備的投資及操作費(fèi)用低。耐腐蝕，不易堵塞，檢修方便。34部分吸收劑再循環(huán)流程尾氣混合氣新吸收氣取出的溶液35１２空氣解吸氣混合氣凈化氣體空氣解吸收硫化氫的吸收流程36塔設(shè)備的投資及重量在過程設(shè)備中所占的比重一、塔設(shè)備的應(yīng)用

裝置名稱塔設(shè)備投資的比例(%)裝置名稱塔設(shè)備重量的比例(%)化工及石油化工25.460萬噸，120萬噸/年催化裂化48.9煉油及煤化工34.8530萬噸/年乙烯25.3化纖44.94.5萬噸/年丁二烯5437填料塔與板式塔的比較二、塔設(shè)備的選型

塔

型項(xiàng)

目填

料

塔板

式

塔壓降小尺寸填料，壓降較大，而大尺寸填料及規(guī)整填料，則壓降較小較大空塔氣速小尺寸填料氣速較小，而大尺寸填料及規(guī)整填料則氣速可較大較大塔效率傳統(tǒng)的填料，效率較低，而新型亂堆及規(guī)整填料則塔效率較高較穩(wěn)定、效率較高液-氣比對(duì)液體量有一定要求適用范圍較大持液量較小較大安裝、檢修較難較容易材質(zhì)金屬及非金屬材料均可一般用金屬材料造價(jià)新型填料，投資較大大直徑時(shí)造價(jià)較低38

1）在分離程度要求高的情況下，因某些新型填料具有高的傳質(zhì)效率，故可采用新型填料以為降低高度；

2）對(duì)于熱敏性物料的蒸餾分離，因新型填料的持液量較小，壓降小，故可有限選擇真空操作下的填料塔；

3）具有腐蝕性的物料，可選擇填料塔；

4）容易發(fā)泡的物料，宜選用填料塔；下列情況優(yōu)先選用填料塔:

下列情況優(yōu)先選用板式塔：1）塔內(nèi)液體滯液量較大，要求塔的負(fù)荷變化范圍較寬，對(duì)進(jìn)料濃度變化要求不敏感，要求操作易于穩(wěn)定；

2）塔內(nèi)負(fù)荷較?。?/p>

3）含固體顆粒、容易結(jié)垢、有結(jié)晶的物料；39一、總體結(jié)構(gòu)第二節(jié)板式塔結(jié)構(gòu)1、塔體與裙座結(jié)構(gòu)2、塔盤結(jié)構(gòu)：塔盤板、降液管、溢流堰、緊固件和支承件。3、除沫裝置：用于分離氣體夾帶的液滴，多位于塔頂出口處。4、設(shè)備管道：人孔、接管等。5、塔附件：保溫圈、吊柱、扶梯、平臺(tái)等。圖6-1板式塔的總體結(jié)構(gòu)40

板式塔的結(jié)構(gòu)和種類板式塔因空塔速度比填料塔高，生產(chǎn)強(qiáng)度比填料塔大。板式塔的種類：按氣液流向分：錯(cuò)流、逆流、并流。按溢流裝置分：有溢流裝置、無溢流裝置。按塔盤結(jié)構(gòu)分：泡罩塔、浮閥塔、篩板塔。41二、塔盤結(jié)構(gòu)塔盤實(shí)際上是塔中的氣、液通道。為了滿足正常操作要求，塔盤結(jié)構(gòu)本身必須具有一定的剛度以維持水平，塔盤與塔壁之間要保持一定的密封性以避免氣、液短路。塔盤的結(jié)構(gòu)有整塊式和分塊式兩種。整塊式塔盤DN≤700mm分塊式塔盤DN≥800mm421、整塊式塔盤

圖6-3定距管式塔盤結(jié)構(gòu)43結(jié)構(gòu)——塔體由若干塔節(jié)組成，內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤，塔節(jié)間用法蘭連接。重疊式組裝方式定距管式1、整塊式塔盤

44定距管式塔盤用定距管和拉桿將同一塔節(jié)內(nèi)的幾塊塔盤支承并固定在塔節(jié)內(nèi)的支座上，定距管起支承塔盤和保持塔盤間距的作用。塔盤與塔體之間的間隙，以軟填料密封并用壓圈壓緊。高度隨塔徑增加。塔徑DN=300～500mm時(shí)，塔節(jié)高度L=800～1000mm；塔徑DN=600～700mm時(shí)，塔節(jié)高度L=1200～1500mm。為方便安裝，每個(gè)塔節(jié)中的塔盤數(shù)為5-6塊。451—塔盤板2—降液管3—拉桿4—定距管5—塔盤圈6—吊耳7—螺栓8—螺母9—壓板10—壓圈11—石棉繩

定距管式塔盤結(jié)構(gòu)462、分塊式塔盤

47做成分塊式的原因

1）在工藝上，塔徑大，塔盤過大，分液不均勻；2）對(duì)碳鋼，塔板厚3~4mm，不銹鋼2~3mm，塔徑過大，易形成弧形，安裝時(shí)水平度不好，從剛度出發(fā)，仍要分塊；3）塔板過大，不能放進(jìn)塔內(nèi)，因一般從人孔進(jìn)出，人孔尺寸有限制，因而塔盤受此限制要分塊。與整塊式的區(qū)別

分塊式：無塔盤圈，有支持圈(支持板)，無密封結(jié)構(gòu)整塊式：有塔盤圈，無支持圈(支持板)，有密封結(jié)構(gòu)48塔盤板結(jié)構(gòu)

主要有自身梁式和槽式。圖6-9塔盤板結(jié)構(gòu)4950分塊式塔盤板（自身梁式）51通道板——接近中央處設(shè)置，塔內(nèi)清洗和維修。在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。也可用一塊塔盤板代替，見下圖523、塔盤的支承對(duì)直徑不大的塔（＜2000mm)，塔盤的支承一般用焊在塔壁上的支持圈對(duì)直徑較大的塔（＞2000~3000mm），需支承梁結(jié)構(gòu)。53第三節(jié)填料塔填料塔在傳質(zhì)形式上與板式塔不同，它是一種連續(xù)式氣液傳質(zhì)設(shè)備。這種塔由塔體、噴淋裝置、填料、再分布器、柵板以及氣、液的進(jìn)出口等部件組成。開發(fā)多種形式、規(guī)格和材質(zhì)的高效，低壓降，大流量的填料。(2)與不同填料相匹配的塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)。(3)填料層中液體的流動(dòng)及分布規(guī)律。(4)蒸餾過程的模擬。科技前沿基本特點(diǎn)圖8-20填料塔54一.填料填料大致可分為實(shí)體填料和網(wǎng)體填料兩種。拉西環(huán):（瓷環(huán)）填充方式有亂堆和整砌兩種。鮑爾環(huán)：在金屬拉西環(huán)的壁上開了一排或兩排長(zhǎng)方形的小窗，小窗葉片向環(huán)中心彎入，在中心處相搭，上下兩排小窗的位置相錯(cuò)，增加了接觸面積，效率得到了提高。55階梯環(huán)：一頭為鮑爾環(huán)，一頭翻卷，由于不對(duì)稱，裝入塔內(nèi)可減少填料環(huán)相互重疊，使填料表面得以充分利用，同時(shí)增大了空隙，使壓降降低，傳質(zhì)效率提高。鞍形填料：這種填料重迭部分少，空隙率大，利用率高。它有兩種形式，一種是矩鞍環(huán)，一種是弧鞍環(huán)，都是敞開式填料，這種填料比拉西環(huán)傳質(zhì)效率高，壓力降低，且強(qiáng)度高。波紋填料：由許多波紋形薄板垂直疊在一起，各層的波紋成４５°，盤與盤之間成９０°排列，結(jié)構(gòu)緊湊，比表面積大。傳質(zhì)好，且可根據(jù)物料溫度及腐蝕情況采用不同的材料。561、作用二、填料支承結(jié)構(gòu)

支承填料2、設(shè)計(jì)要求

足夠的強(qiáng)度、剛度以及足夠的自由截面3、柵板設(shè)計(jì)注意問題

1）柵板必須有足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性；2）柵板必須有足夠的自由截面，一般應(yīng)各填料的自由截面大致相等；3）槽板扁鋼條之間的距離約為填料外徑的60%~80%；4）柵板可以制成整塊的或分塊的。57圖6-19柵板結(jié)構(gòu)5859四、噴淋裝置要求：使整個(gè)塔截面的填料表面很好潤(rùn)濕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造維修方便。作用：噴出液體，使整個(gè)塔截面的填料很好潤(rùn)濕，直接影響塔的處理能力和分離效率。1、噴灑型

管式噴灑器環(huán)管多孔噴灑器

蓮蓬頭噴灑器

6061管式噴灑器

DN≤300mm，可選用管式噴灑器，通過填料上的進(jìn)液管（直、彎或缺口）進(jìn)行噴灑，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但噴淋面積較小且不均勻。圖6-2