重油减压塔强度和结构设计

1、重油减压塔强度和结构设计第一章概述1重油：重油的比重一般在082095，比热在10,00011,000kcalkg左右。其成分主要是炭水化物，另外含有部分的（约014）的硫黄及微量的无机化合物。龙江大庆有关数据显示重油密度及其他如下：粘度:180 发热量:40800 密度:0.978 凝点:20 机械杂质:0.3 含硫量:2.43 水分:0.32采用工艺与一般的精馏塔和原油常压精馏塔相比，减压精馏塔有如下几个特点： 根据生产任务不同，减压精馏塔分燃料型与润滑油型两种。润滑油型减压塔以生产润滑油料为主，这些 馏分经过进一步加工，制取各种润滑油。燃料型减压塔主要生产二次加工的原料，如催化裂化或加氢

2、裂化原料 。 减压精馏塔的塔板数少，压降小，真空度高，塔径大。为了尽量提高拔出深度而又避免分解，要求减压 塔在经济合理的条件下尽可能提高汽化段的真空度。因此，一方面要在塔顶配备强有力的抽真空设备，同时要 减小塔板的压力降。减压塔内应采用压降较小的塔板，常用的有舌型塔板、网孔塔板等。减压馏分之间的分馏 精确度要求一般比常压蒸馏的要求低，因此通常在减压塔的两个侧线馏分之间只设35块精馏塔板。在减压下， 塔内的油汽、水蒸汽、不凝气的体积变大，减压塔径变大。 缩短渣油在减压塔内的停留时间 塔底减压渣油是最重的物料，如果在高温下停留时间过长，则其分解 、缩合等反应会进行得比较显著，导致不凝气增加，使塔的

3、真空度下降，塔底部分结焦，影响塔的正常操作。 因此，减压塔底部的直径常常缩小以缩短渣油在塔内的停留时间。另外，减压塔顶不出产品，减压塔的上部汽 相负荷小，通常也采用缩径的办法，使减压塔成为一个中间粗、两头细的精馏塔。根据以上减压精馏特点选择减压精馏塔3精馏操作最塔设备的要求（1） 由于重油容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大，堵塞的危险小。（2） 在石油、化工生产的塔设备中，板式塔所占的比例比填料塔要大的多，约占增设备总数的80%。当生产量较大时，一般都采用板式塔。它广泛用于蒸馏、吸收等传质过程。板式塔与填料塔相比，具有生产能力大，传质效率高，操作弹性大等优点。综合以上两点故选

4、择板式塔。板式塔的分类泡罩塔 组成：泡罩，外气管，溢流堰，塔板 优点：操作弹性大，气液比范围大，不易堵塞 缺点：结构复杂，造价高，气相压降大。适合：生产能力大，操作稳定性要求高 浮阀塔 ：塔盘上有阀孔，孔中装有上下浮动的阀片，圆形或矩形 优点：生产能力大，比泡罩塔高2040，操作弹性大，塔板效率高 缺点：气液较低时，有塔板漏液，阀片有卡孔死，塔板压力降大 筛板塔塔盘分：塞孔区，无孔区，溢流堰，降液管优点：结构简单，造价低，效率比泡罩高1015，安装方便缺点：操作弹性较小，小孔塞板易堵塞无降液管塔 塔盘上开栅棚缝或筛孔，气液两相相同时，在其上下穿过。 优点：无降液管，结构简单，通过气量大。开孔效

5、率低，压力降小，比泡罩塔低4080。 缺点：板效率低，比一般板式塔低3060，操作弹性小综合以上情况选择浮阀塔。4板式塔主要尺寸的设计计算板式塔主要尺寸的设计计算，包括塔高、塔径的设计计算，板上液流形式的选择、溢流装置的设计，塔板布置、气体通道的设计等工艺计算。板式塔为逐级接触式的气液传质设备，沿塔方向，每层板的组成、温度、压力都不同。设计时，先选取某一塔板（例如进料或塔顶、塔底）条件下的参数作为设计依据，以此确定塔的尺寸，然后再作适当调整；或分段计算，以适应两段的气液相体积流量的变化，但应尽量保持塔径相同，以便于加工制造。所设计的板式塔应为气液接触提供尽可能大的接触面积，应尽可能地减小雾沫夹

6、带和气泡夹带，有较高的塔板效率和较大的操作弹性。但是由于塔中两相流动情况和传质过程的复杂性，许多参数和塔板尺寸需根据经验来选取，而参数与尺寸之间又彼此互相影响和制约，因此设计过程中不可避免要进行试差，计算结果也需要工程标准化。基于以上原因，在设计过程中需要不断地调整、修正、和核算，直到设计出较为满意的板式塔。（1）塔的有效高度和板间距的初选(1.1)塔的有效高度板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算： （4-1）式中 z塔的有效高度，m；et全塔总板效率；nt 塔内所需的理论板层数；ht塔板间距，m。(1.2)板间距的初选板间距nt的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、

7、分离效率、操作弹性及塔的安装检修等因素。对完成一定生产任务，若采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，对塔板效率、操作弹性及安装检修有利；但板间距增大后，会增加塔身总高度，金属消耗量，塔基、支座等的负荷，从而导致全塔造价增加。反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增大，但塔高可降低；但是板间距过小，容易产生液泛现象，降低板效率。所以在选取板间距时，要根据各种不同情况予以考虑。如对易发泡的物系，板间距应取大一些，以保证塔的分离效果。板间距与塔径之间的关系，应根据实际情况，结合经济权衡，反复调整，已做出最佳选择。设计时通常根据塔径的大小，由表4-1列出的塔板间距的经验数值选取。表

8、1-1 塔板间距与塔径的关系塔 径/d，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距/ht，mm200300250350300450350600400600化工生产中常用板间距为：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在决定板间距时还应考虑安装、检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间，其值不应小于600mm。 (2)塔径塔的横截面应满足汽液接触部分的面积、溢流部分的面积和塔板支承、固定等结构处理所需面积的要求。在塔板设计中起主导作用，往往是气液接触部分的面积，应保证有适宜的气体速度。计算塔径的方法有两类：一类是根

9、据适宜的空塔气速，求出塔截面积，即可求出塔径。另一类计算方法则是先确定适宜的孔流气速，算出一个孔（阀孔或筛孔）允许通过的气量，定出每块塔板所需孔数，再根据孔的排列及塔板各区域的相互比例，最后算出塔的横截面积和塔径。(2.1)初步计算塔径板式塔的塔径依据流量公式计算，即 式中 d 塔径m；vs 塔内气体流量m3/s；u 空塔气速m/s。由式（4-2）可见，计算塔径的关键是计算空塔气速u。设计中，空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即 最大空塔气速umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为 式中 umax允许空塔气速，m/s；v，l分别为气相

10、和液相的密度，kg/m3 ； c气体负荷系数，m/s，对于浮阀塔和泡罩塔可用图4-1确定；图4-1中的气体负荷参数c20仅适用于液体的表面张力为0.02n/m，若液体的表面张力为6n/m，则其气体负荷系数c可用下式求得： 所以，初步估算塔径为： 其中，u适宜的空塔速度，m/s。由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。(2.2)塔径的圆整目前，塔的直径已标准化。所求得的塔径必须圆整到标准值。塔径在1米以下者，标准

11、化先按100mm增值变化；塔径在1米以上者，按200mm增值变化，即1000mm、1200mm、1400mm、1600mm图1-1中 ht塔板间距，m； hl板上液层高度，m；v ,l分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s； v，l 分别为塔内气、液相的密度，kg/m3 。(2.3) 塔径的核算塔径标准化以后，应重新验算雾沫夹带量，必要时在此先进行塔径的调整，然后再决定塔板结构的参数，并进行其它各项计算。当液量很大时，亦宜先按式4-7核查一下液体在降液管中的停留时间。如不符合要求，且难以加大板间距来调整时，也可在此先作塔径的调整。(3) 板式塔的结构(3.1) 塔的总体结构塔的外壳多用钢板焊接

12、，如外壳采用铸铁铸造，则往往以每层塔板为一节，然后用法兰连接。板式塔除内部装有塔板、降液管及各种物料的进出口之外，还有很多附属装置，如除沫器、人（手）孔、基座，有时外部还有扶梯或平台。此外，在塔体上有时还焊有保温材料的支承圈。为了检修方便，有时在塔顶装有可转动的吊柱。如1-2图为一板式塔的总体结构简图。一般说来，各层塔板的结构是相同的，只有最高一层，最低一层和进料层的结构有所不同。最高一层塔板与塔顶的距离常大于一般塔板间距，以便能良好的除沫。最低一层塔板到塔底的距离较大，以便有较大的塔底空间贮液，保证液体能有1015min的停留时间，使塔底液体不致流空。塔底大多是直接通入由塔外再沸器来的蒸气，

13、塔底与再沸器间有管路连接，有时则再塔底釜中设置列管或蛇管换热器，将釜中液体加热汽化。若是直接蒸汽加热，则在釜的下部装一鼓泡管，直接接入加热蒸汽。另外，进料板的板间距也比一般间距大。 (3.2)塔体总高度 板式塔的塔高如图1-3所示，塔体总高度（不包括裙座）由下式决定： 式中 hd塔顶空间，m；hb塔底空间，m；ht塔板间距，m；ht开有人孔的塔板间距，m； hf进料段高度，m； np实际塔板数；s人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。(3.3)塔顶空间hd 塔顶空间（见图1-3）指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常取hd为（ 1.52.

14、0）ht。若图1-3 塔高示意图需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要求确定塔顶空间。(3.4)人孔数目 人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处理不需要经常清洗的物料，可隔810块塔板设置一个人孔；对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔46块塔板开一个人孔。人孔直径通常为450mm。图1-2 板式塔总体结构简图 1-3 板式塔的塔高 (3.5)塔底空间hb塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。其值视具体情况而定：当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可取35分钟，否则需有1015分钟的储量，以保证塔底料液不致流空。塔底产品量大时，塔底容量可取小些，停留时间可取35分

15、钟；对易结焦的物料，停留时间应短些，一般取11.5分钟。（3.6）塔板结构 塔板类型按结构特点可分为整块式或分块式两种。一般，塔径从300900mm时采用整块式塔板；当塔径在800mm以上时，人已能在塔内进行拆装操作，无须将塔板整块装入。并且，整块式塔板在大塔中刚性也不好，结构显得复杂，故采用分块式塔板；塔径在800900mm之间，设计时可按便于制造、安装的具体情况选定。（3.7）整块式塔板结构小塔的塔板均做成整块式的，相应地，塔体则分成若干段塔节，塔节与塔节之间用法兰连接。每个塔节中安装若干块叠置起来的塔板。塔板与塔板之间用一段管子支承，并保持所需要的板间距。图1-4为整块式塔板中的定距管式

16、塔板结构。塔节内的板数与塔径和板间距有关。如以塔径dg=600700mm的塔节为例，对应于不同的板间距， 塔节内安装的塔板数nf塔板与下法兰端面的距离h1以及塔节高度l如表1-2所示。表1-2 塔板的有关尺寸ht,mmnl,mmh1,mm3006180020035051750250450418003505塔设备强度计算（1） 塔设备的自振周期在动载荷（风载荷，地震载荷）作用下，塔设备各截面的变形以及内力与塔的自由振动周期及阵型有关。因此在进行塔设备的载荷计算及强度校核之前，必须首先计算其固有（或自振）周期。等直径，等厚度塔的自振周期塔设备的振动属多质点体系的振动，具有多个自由度，可出现多种振型

17、，由于塔设备的刚度较大，通常只考虑第一振型。式中e:塔体材料在设计温度下的弹性模量 i：塔截面形心轴惯性矩，：塔的内直径，m:塔的外直径，m:塔壁有效厚度，m不等直径，或不等厚度塔的自振周期式中：第i段塔节底部截面至塔顶的距离，m；:第i段塔节材料在设计温度下的弹性模量，pa;:第i段塔节形心轴惯性矩，对于圆柱形塔节，对于圆锥形塔节，：圆锥形塔节大端内直径，m:圆锥形塔节小内直径，m：第i段塔节有效厚度，m若第i段塔节形状为圆柱形，则(2)塔的载荷分析（2.1）质量载荷设备操作时的质量：m0=m01 + m02 + m03+ m04+ m05+ m a+ m e 设备水压试验时的最大质量：mm

18、ax= m01+ m02 + m03+ m04+ mw+ m a+ m e 设备停工检修时的最小质量：mmin= m01+ 0.2m02 + m03+ m04 + m a其中：m01设备壳体（包括裙座）质量 m02设备内件质量 m03设备保温材料质量 m04设备上平台、扶梯质量 m05设备内物料质量 m a设备上人孔、接管、法兰等附件质量 mw设备内充水质量 m e偏心质量0.2 m02是考虑停工检修时壳体上的内件质量，如塔盘支持圈、降液管等质量载荷使塔的各个截面产生轴向压应力不同截面、不同工作状况（操作或非操作）的载荷不同质量(2.2) 偏心载荷me=9.8eme-偏心弯矩，n/me-偏心距(2.3) 风载荷水平风力计算计算风速v0 基本风压q0=v02/2 各段风压qi=fi q0 水平风力pi=k1 k2i fi q0lidei风弯矩的计算其实式中塔设备中第i段的水平风力，