填料塔的简单介绍及其相应计算.doc

目 录一、塔设备的概述21.1 填料塔31.2 板式塔41.3填料塔与板式塔的比较5二、塔设备设计的基本步骤6三、塔设备的强度和稳定性计算63.1塔设备的载荷分析和设计准则63.2 质量载荷83.3地震载荷83.4偏心弯矩83.5最大弯矩83.6 圆筒轴向应力核核93.6.1 圆筒轴向应力93.6.2 圆筒稳定校核93.6.3 圆筒拉应力校核103.7裙座轴向应力校核103.7.1 裙座底截面的组合应力104.7.2裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力114.8轴向应力校核条件12五、心得体会13一、塔设备的概述塔设备是石油化工、化学工业、石油工业等生产中最重要的设备之一。它可使气（汽）液或液液相之间进行充分接触，达到相际传热及传质的目的。在塔设备中能进行的单元操作有：精馏、吸收、解吸，气体的增湿及冷却等。表1中所示为几个典型的实例。表1 塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例装置名称塔设备投资的比例（%）装置名称塔设备重量的比例（%）化工及石油化工25.460万，120万t/a催化裂化48.9炼油及煤化工34.8530万t/a乙烯25.3化纤44.94.5万t/a丁二烯54实现气（汽）液相或液液相之间的充分接触，从而达到相际传质和传热的目的。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置性能好坏、对整个装置的生产，产品产量、质量、成本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响。因此对设备的研究一直是工程界所关注的热点。随着石油、化工的发展，塔设备的合理造型及设计将越来越受到关注和重视。为了使塔设备能更有效、更经济的运行，除了要求它满足特定的工艺条件，还应满足以下基本要求。 满足特定的工艺条件； 气液两相能充分接触，相际传热面积大； 生产能力大，即气、液处理量大； 操作稳定，操作弹性大，对工作负荷的波动不敏感； 结构简单、制造、安装、维修方便，设备投资及操作成本低； 耐腐蚀，不易堵塞。为了便于研究和比较,人们从不同的角度对塔设备进行分类。按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔。用以实现蒸馏和吸收两种分离操作的塔设备分别称为蒸馏塔和吸收塔。这类塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会,使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行,还要能够使接触之后的气、液两相及时分开,互不夹带。也有按形成相际接触面的方式和按塔釜型式分类的;但是,最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两大类,人们又按板式塔的塔盘结构和填料塔所用的填料,细分为多种塔型。目前工业上应用最广泛的是填料塔及板式塔。1.1 填料塔以填料作为气、液接触和传质的基本构件，液体在填料表面呈膜状自上而下流动，气体呈连续相自下而上与液体作递向流动，并进行气、液两相间的传质和传热。两相的组分浓度和温度沿塔高连续变化。填料塔属于微分接触型的气、液传质设备。如图2.1为填料塔的总体结构：图2.1 填料塔的总体结构1.2 板式塔以塔板作为气、液接触和传质的基本构件，液体自上而下流入各层塔板，形成液池，气体以鼓泡或喷射的形式自下而上穿过各层塔板的筛孔、液池，使气、液两相密切接触而传质和传热。两相的组分浓度呈阶梯式变化，板式塔属于逐级接触型的气、液传质设备。如图2.2为板式塔的总体结构。图2.2 板式塔的总体结构无论是板式塔还是填料塔，除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。 a.塔体 塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、等厚度的圆筒及上下封头组成。塔设备通常安装在室外，因而塔体除了承受一定的操作压力（内压或外压）、温度外，还要考虑风载荷、地震载荷、偏心载荷。此外还要满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度及稳定性要求 b.支座 塔体支座是塔体与基础的连接结构。因为塔设备较高、重量较大，为保证其足够的强度及刚度，通常采用裙式支座。 c.人孔及手孔 为安装、检修、检查等需要，往往在塔体上设置人孔或手孔。不同的塔设备，人孔或手孔的结构及位置等要求不同。 d.接管 用于连接工艺管线，使塔设备与其他相关设备相连接。按其用途可分为进液管、出液管、回流管、进气出气管、侧线抽出管、取样管、仪表接管、液位计接管等。 e.除沫器 用于捕集夹带在气流中的液滴。除沫器工作性能的好坏对除沫效率、分离效果都具有较大的影响。 f.吊柱 安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。1.3填料塔与板式塔的比较对于许多逆流气液接触过程，填料塔和板式塔都是可以适用的，设计者必须根据具体情况进行选用。填料塔和板式塔有许多不同点，了解这些不同点对于合理选用塔设备是有帮助的。填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷变化更为敏感。当液体负荷较小时，填料表面不能很好地润湿，传质就效果急剧下降；当液体负荷过大时，则容易产生液泛。设计良好的板式塔，则具有大得多的操作范围。填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料，而某些类型的板式塔（如大孔径筛板、泡罩塔等）则可以有效地处理这种物质。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时，填料塔因涉及液体均不问题而使结构复杂化。板式塔可方便地在塔板上安装冷却盘管。同理，当有侧线出料时，填料塔也不如板式塔方便。以前乱堆填料塔直径很少大于0.5m，后来又认为不宜超过1.5m，根据近10年来填料塔的发展状况，这一限制似乎不再成立。板式塔直径一般不小于0.6m。关于板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠，因此板式塔的设计比较准确，安全系数可取得更小。当塔径不很大时，填料塔因结构简单而造价便宜对于易起泡物系，填料塔更适合，因填料对泡沫有限制和破碎的作用。对于腐蚀性物系，填料塔更适合，因可采用瓷质填料。对热敏性物系宜采用填料塔。二、塔设备设计的基本步骤塔设备大多安装在室外，靠裙座底部的地脚螺栓固定在混凝土基础上，通常称为自支承式塔，除承受介质压力外，塔设备还承受各种重量（包括塔体、塔内件、介质、保温层、操作平台、扶梯等附件的重量）、管道推力、偏心载荷、风载荷及地震载荷的联合作用，由于在正常工作、停工检修、压力试验等三种工况下，塔所受的载荷并不相同，为了保证塔设备安全运行，必须对其在这三种工况下进行轴向强度及稳定性校核。 轴向载荷及稳定性强度校核的基本步骤：（1）按设计条件，初步确定塔的厚度和其他尺寸；（2）计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震载荷和偏心载荷等；（3）危险截面的轴向强度和稳定性校核；（4）设计计算裙座、其他环板、地脚螺栓等。三、塔设备的强度和稳定性计算根据课程设计的特点，着重介绍等截面、等壁厚塔设备的设计计算。 3.1塔设备的载荷分析和设计准则塔设备在操作时主要承受的以下几种载荷作用：操作压力、质量载荷、地震载荷、风载荷、偏心载荷。各种载荷示意图及符号见图5-3。图 5-3 塔设备各种载荷示意图及符号(a)质量载荷；(b)地震载荷；(c)风载荷；(d)偏心载荷塔设备的强度和稳定性计算通常按下列步骤计算。 根据GBl50-1998相应章节或参考文献1第十一章，按压力确定圆筒有效厚度及封头的有效厚度； 根据地震和风载的需要，选取若干计算截面(包括所有危险截面)，并考虑制造、安装、运输的要求，设定各截面处圆筒有效厚度与裙座有效厚度。应满足，； 根据自支承式塔设备承受的质量载荷、风载荷、地震载荷及偏心载荷的作用，依次进行校核和计算，并应满足各相应要求，否则需重新设定圆筒的有效厚度，直至满足全部校核条件为止。塔设备设计计算常用符号及说明见表5-3。 3.2 质量载荷塔设备的操作质量（5-1）塔设备的最大质量（5-2）塔设备的最小质量（5-3）式5-3中的0.2m02系考虑焊在壳体上部分内构件的质量，如塔盘支持圈、降液管等。当空塔起吊时，如未装保温层、平台、扶梯，则mmin应扣除m03和m04。式中的壳体和裙座质量m01按求出的壳体名义厚度、封头名义厚度及裙座名义厚度计算，也可分段计算。部分塔设备零部件，若无实际资料，可参考表5-4，计算中注意单位统一。3.3地震载荷当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在地震载荷作用下产生弯曲变形。安装在七度或七度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力，计算出它的地震载荷3.4偏心弯矩当塔设备的外侧悬挂有分离器、再沸器、冷凝器等附属设备时，可将其视为偏心载荷。由。于有偏心距e的存在，偏心载荷在塔截面上引起偏心弯矩。偏心载荷引起偏心弯短沿塔高无变化，可按式(5-22)汁算：（5-22） 3.5最大弯矩塔设备任意计算截面II处的最大弯矩按式（5-23）计算： 取其中较大值（5-23）塔设备底部截面0-0处的最大弯矩按式(5-24)计算： 取其中较大值（5-24） 3.6 圆筒轴向应力核核校核圆简轴向应力，使之满足稳定条件。 3.6.1 圆筒轴向应力圆筒任意计算截面II处的轴向应力分别铵式（5-25）、式（5-26）和式（5-27）计算：由内压和外压引起的轴向应力：（5-25）其中设计压力p取绝对值。操作或者非操作时重力及垂直地震力引起的铀向应力：（5-26）其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。最大弯矩引起的轴向应力：（5-27） 3.6.2 圆筒稳定校核圆筒许用轴向压应力按式(528)确定： 取其中较小值（5-28）圆筒最大组合压应力按式(5-29)或式(5-30)校核：对内压塔器 （5-29）对外压塔器 （5-30） 3.6.3 圆筒拉应力校核圆筒最大组合拉应力按式(5-31)或式（5-32）校核：对内压塔器 （5-31）对外压塔器 （5-32）如校核不能满足条件时，须重新设定有效厚度，重复上述计算，直至满足要求。 3.7裙座轴向应力校核 塔设备常采用裙座支承。并根据承载不同，分为圆筒形和圆锥形两种。由于圆筒形裙座。制造方便，采用极为广泛。但需配置较多的地脚螺栓和具有足够大求载由积的基础环，以防止由于风载荷或地震载荷所引起的弯矩而造成翻倒。若经应力校核不能满足，只能选用圆锥形裙座支承。这里重点介绍圆筒形裙座。圆筒形裙座轴向风力校核首先选取裙座危险截面。危险截面的位置，一般取裙座底截面 (0-0)或裙座检查孔和较大管线引出孔(hh)截面处(见图5-8)。然后按裙座有效厚度验算危险截面的应力3.7.1 裙座底截面的组合应力裙座底截面的组合应力按式(5-43)和式(5-44)校核：（5-43）其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。（5-44）式中裙座底部截面积，mm2； 裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，mm3。 4.7.2裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力裙座检查孔和较大管线引出孔(见图5-8)hh截面处组合应力按式（5-47）和式（5-48)校核：（5-47）其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。（5-48）式中h-h截面处水平方向的最大宽度，mm；h-h截面处裙座壳的内直径，mm；h-h截面处的垂直地震力。但仅在最大弯短为地震弯矩参与组合时计入此项，N；检查孔和较大管线引出孔加强管长度，mm； h-h截面处的最大弯矩，Nmm；h-h截面处的风弯矩，Nmm；h-h截面以上塔设备压力试验时的质量，kg；h-h截面以上塔设备的操作质量，kg；h-h截面处加强管的厚度(见图5-8)，mm；h-h截面处裙座的截面积，mm2； （5-49）（5-50）h-h截面处的裙座壳截面系数，mm3； （5-51） （5-52）如校核不能满足条件时，须重新设定裙座壳有效厚度，重复上述计算，直至满足要求。4.8轴向应力校核条件 由于最大弯矩在筒体中引起的轴向应力沿环向是不断变化的。与沿环向均布的轴向应力相比，这种应力对塔强度或稳定失效的危害要小一些。为此，在塔体应力校核时，对许用拉伸应力和压缩应力引入载荷组合系数K,并取K=1.2。 在正常操作和停工检修工况下，轴向拉伸应力用K限制。其中，为