第八章 塔设备的机械设计

1、1塔设备塔设备2第八章第八章 塔设备的机械设计塔设备的机械设计教学重点：教学重点：板式塔的基本结构和塔设备的应力校核板式塔的基本结构和塔设备的应力校核教学难点：教学难点：风载荷的计算风载荷的计算3第八章第八章 塔设备的机械设计塔设备的机械设计内件内件支座支座附件附件塔体塔体4一、塔体厚度的计算一、塔体厚度的计算第一节第一节 塔体与裙座的机械设计塔体与裙座的机械设计 1、按计算压力计算塔体及封头厚度、按计算压力计算塔体及封头厚度 2、塔体承受的各种载荷计算、塔体承受的各种载荷计算 5承受载荷承受载荷介质压力介质压力自重载荷自重载荷偏心载荷偏心载荷风载荷风载荷地震载荷地震载荷如图如图8-367塔设

2、备自重载荷的计算塔设备自重载荷的计算 m01-塔体重量（包括外壳及伸出的接管）塔体重量（包括外壳及伸出的接管）m02-塔内件重量塔内件重量m03-保温层重量保温层重量 m04-平台和扶梯的重量平台和扶梯的重量m05-物料重量物料重量 me-偏心重量偏心重量ma-附件重量（人孔、法兰）附件重量（人孔、法兰） mw-充水重量充水重量8塔设备在正常操作时的质量塔设备在正常操作时的质量塔设备在水压试验时的最大质量塔设备在水压试验时的最大质量塔设备在吊装时的最小质量塔设备在吊装时的最小质量eammmmmmmm05040302010eawmmmmmmmm04030201maxeammmmmmm040302

3、01min2 . 0(8-1)(8-2)(8-3)9地震载荷地震载荷安装在安装在7度及度及7度以上度以上地震烈度地区的塔设地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震备必须考虑它的抗震能力能力 塔设备作为悬壁梁，塔设备作为悬壁梁，在地震载荷作用下在地震载荷作用下产生弯曲变形产生弯曲变形 10风载荷风载荷 作用之一作用之一 造成风弯矩造成风弯矩 作用之二作用之二 卡曼涡街卡曼涡街 图图8-5 风载荷的分布风载荷的分布11图图8-6 卡曼涡街卡曼涡街12图图8-7 卡曼涡街卡曼涡街13计算步骤计算步骤 分段（分段（P235图图8-8） 选危险截面选危险截面 00截面，塔设备的基底截面，塔设备的基底截面；截

4、面； 11截面，裙座上人孔截面，裙座上人孔或较大管线引出孔处的或较大管线引出孔处的截面；截面；22截面，塔体与裙座连截面，塔体与裙座连接焊缝处的截面。接焊缝处的截面。14图图8-8 风载荷计算简图风载荷计算简图15两相邻计算截面间的水平风力两相邻计算截面间的水平风力 602110eiiiiiDlfqKKP(8-18)eiDiP式中式中塔设备中第塔设备中第i i段的水平风力，段的水平风力，N；1K体型系数体型系数, ,取取0.7；iK2塔设备中第塔设备中第i i 计算段的风振系计算段的风振系数；数；if风压高度变化系数风压高度变化系数, ,按表按表8-58-5查查取；取；0q各地区的基本风压，各

5、地区的基本风压，N/mN/m2 2，见表见表8-48-4；il塔设备各计算段的计算高度塔设备各计算段的计算高度(见图见图8-8)，mm； 塔设备中第塔设备中第i 段的有效直径，段的有效直径， mm .16风弯矩风弯矩 将塔设备沿高度分为若干段，则水平风力在任意截面处的将塔设备沿高度分为若干段，则水平风力在任意截面处的风弯矩为（图风弯矩为（图8-8所示）所示）22221211iiiiiiiiiIIWlllpllPlPM221niiinllllP(8-22)17偏心载荷计算偏心载荷计算 定义：塔体上悬挂的再沸器、冷凝器等附属设备或其它附件定义：塔体上悬挂的再沸器、冷凝器等附属设备或其它附件 所引起

6、的载荷。所引起的载荷。载荷产生的弯矩为：载荷产生的弯矩为：gemMee(8-23) g重力加速度，重力加速度，m/s2; 式中式中e偏心距，即偏心质量中心至塔设备中心线偏心距，即偏心质量中心至塔设备中心线 间的距离，间的距离，m；eM偏心弯矩，偏心弯矩，Nm。183、塔体稳定校核、塔体稳定校核 计算压力在塔体中引起计算压力在塔体中引起的轴向应力的轴向应力 重量载荷及垂直重量载荷及垂直地震力在塔体中地震力在塔体中引起的轴向应力引起的轴向应力 弯矩在塔体中引弯矩在塔体中引起的轴向应力起的轴向应力 第一筒体轴向应力第一筒体轴向应力eiiPD41eiiIIVIIIIDFgm02eiiIIIIDM2ma

7、x3419eiiPD41II2II320求出最大组合压应力max，使max cr cr=minKB,Kt 轴向许用压应力轴向许用压应力 第二第二其中其中B为许用轴向压缩应力。为许用轴向压缩应力。t和和B的确定参见本书第的确定参见本书第5章。章。 21最大组合压应力的求法 第三第三eiiPD41II2II322内压操作的塔设备，内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力最大组合轴向压应力出现在停车情况出现在停车情况 公式：=+ 23外压操作的塔设备，外压操作的塔设备，最大组合轴向压应力最大组合轴向压应力出现在正常操作情况出现在正常操作情况 =+ 244、塔体拉应力校核塔体拉应力校核 计算压力在塔体中引

8、起计算压力在塔体中引起的轴向应力的轴向应力 重量载荷及垂直重量载荷及垂直地震力在塔体中地震力在塔体中引起的轴向应力引起的轴向应力 弯矩在塔体中引弯矩在塔体中引起的轴向应力起的轴向应力 第一筒体轴向应力第一筒体轴向应力eiiPD41eiiIIVIIIIDFgm02eiiIIIIDM2max3425第二第二求出最大组合拉应力max，使max tK 26第三第三最大组合拉应力的求法最大组合拉应力的求法 eiiPD41II2II327 内压操作的塔设备，内压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力最大组合轴向拉应力出现在正常操作情况出现在正常操作情况 =1+ 28外压操作的塔设备，外压操作的塔设备，最大组合轴

9、向压应力最大组合轴向压应力出现在停车情况出现在停车情况 =+ 295、塔体最终厚度的确定、塔体最终厚度的确定 取上述三者中的最大值，作为塔体的有效厚度。取上述三者中的最大值，作为塔体的有效厚度。 按设计压按设计压力计算的塔体厚度力计算的塔体厚度 按稳定条件验算确定的厚按稳定条件验算确定的厚度度按抗拉强度验算条件确定的厚度按抗拉强度验算条件确定的厚度 i eeiei306、塔设备水压试验时的应力验算（自阅）、塔设备水压试验时的应力验算（自阅） 31一、总体结构一、总体结构第二节第二节 板式塔结构板式塔结构 1、塔体与裙座结构、塔体与裙座结构2、塔盘结构：塔盘板、降液管、溢、塔盘结构：塔盘板、降液

10、管、溢流堰、紧固件和支承件。流堰、紧固件和支承件。3、除沫装置：用于分离气体夹带的、除沫装置：用于分离气体夹带的液滴，多位于塔顶出口处。液滴，多位于塔顶出口处。4、设备管道：人孔、接管等。、设备管道：人孔、接管等。5、塔附件：保温圈、吊柱、扶梯、塔附件：保温圈、吊柱、扶梯、平台等。平台等。图图8-15 板式塔的总体结构板式塔的总体结构32二、塔盘结构二、塔盘结构塔盘实际上是塔中的气、液通道。塔盘实际上是塔中的气、液通道。为了满足正常操作要求，塔盘结构为了满足正常操作要求，塔盘结构本身必须具有一定的刚度以维持水本身必须具有一定的刚度以维持水平，塔盘与塔壁之间要保持一定的平，塔盘与塔壁之间要保持一

11、定的密封性以避免气、液短路。密封性以避免气、液短路。 塔盘的结构有整块式和分块式两种。塔盘的结构有整块式和分块式两种。 整块式塔盘整块式塔盘DN700mm分块式塔盘分块式塔盘DN800mm331、整块式塔盘、整块式塔盘 图图8-16 定距管式塔盘结构定距管式塔盘结构34结构结构塔体由若干塔节组成，内装有一定数量塔体由若干塔节组成，内装有一定数量 的塔盘，塔节间用法兰连接。的塔盘，塔节间用法兰连接。重叠式重叠式组装方式组装方式定距管式定距管式1、整块式塔盘、整块式塔盘 35定距管式塔盘定距管式塔盘用定距管和拉杆将同一塔节内的几块塔盘支承并固定用定距管和拉杆将同一塔节内的几块塔盘支承并固定在塔节内

12、的支座上，定距管起支承塔盘和保持塔盘间在塔节内的支座上，定距管起支承塔盘和保持塔盘间距的作用。距的作用。塔盘与塔体之间的间隙，以软填料密封并用压圈压紧塔盘与塔体之间的间隙，以软填料密封并用压圈压紧, ,见图见图7-437-43。高度随塔径增加。高度随塔径增加。塔径塔径DN=300500mm时，塔节高度时，塔节高度L=8001000mm；塔径；塔径DN=600700mm时，塔节高度时，塔节高度L=12001500mm。为方便安装，每个塔节中的塔盘数为为方便安装，每个塔节中的塔盘数为5-65-6块。块。361塔盘板塔盘板 2降液管降液管 3拉杆拉杆 4定距管定距管 5塔盘圈塔盘圈 6吊耳吊耳7螺栓

13、螺栓 8螺母螺母9压板压板 10 压圈压圈11石棉绳石棉绳图图8-17 定距管式塔盘结构定距管式塔盘结构372、分块式塔盘、分块式塔盘 38做成分块式的原因做成分块式的原因 1）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀；）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀；2）对碳钢，塔板厚）对碳钢，塔板厚34mm，不锈钢不锈钢23mm，塔塔径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚度出发，仍要分块；度出发，仍要分块；3）塔板过大，不能放进塔内，因一般从人孔进出，）塔板过大，不能放进塔内，因一般从人孔进出，人孔尺寸有限制，因而塔盘受此限制要分块。人孔尺寸有限制，因而

14、塔盘受此限制要分块。与整块式的区别与整块式的区别 分块式：无塔盘圈，有支持圈分块式：无塔盘圈，有支持圈(支持板支持板)，无密封结构，无密封结构整块式：有塔盘圈，无支持圈整块式：有塔盘圈，无支持圈(支持板支持板)，有密封结构，有密封结构39塔盘板结构塔盘板结构 主要有自身梁式和槽式。主要有自身梁式和槽式。 图图8-18 塔盘板结构塔盘板结构4041图图8-19 分块式塔盘板（自身梁式）分块式塔盘板（自身梁式）42通道板通道板接近中央处设置，塔内清洗和维修。接近中央处设置，塔内清洗和维修。在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。也可用一块塔盘板代替，见下图也可用一块塔盘

15、板代替，见下图433、塔盘的支承、塔盘的支承 对直径不大的塔（对直径不大的塔（2000mm)，塔盘塔盘的支承一般用焊在塔壁上的支持圈的支承一般用焊在塔壁上的支持圈 对直径较大的塔（对直径较大的塔（20003000mm），），需支承梁结构。需支承梁结构。44第三节第三节 填料塔填料塔 填料塔在传质形式上与板式塔不同，填料塔在传质形式上与板式塔不同，它是一种连续式气液传质设备。这它是一种连续式气液传质设备。这种塔由塔体、喷淋装置、填料、再种塔由塔体、喷淋装置、填料、再分布器、栅板以及气、液的进出口分布器、栅板以及气、液的进出口等部件组成。等部件组成。 开发多种形式、规格和材质的高效，开发多种形式、

16、规格和材质的高效，低压降，大流量的填料。低压降，大流量的填料。(2) 与不同填料相匹配的塔内件结构。与不同填料相匹配的塔内件结构。(3) 填料层中液体的流动及分布规律。填料层中液体的流动及分布规律。(4) 蒸馏过程的模拟。蒸馏过程的模拟。科技前沿科技前沿基本特点基本特点图图8-20 填料塔填料塔 45一、喷淋装置一、喷淋装置 要求：使整个塔截面的填料表面很好润湿，结要求：使整个塔截面的填料表面很好润湿，结构简单，制造维修方便。构简单，制造维修方便。作用：喷出液体，使整个塔截面的填料很好润作用：喷出液体，使整个塔截面的填料很好润湿，直接影响塔的处理能力和分离效率。湿，直接影响塔的处理能力和分离效

17、率。1、喷洒型、喷洒型 管式喷洒器管式喷洒器 环管多孔喷洒器环管多孔喷洒器 莲蓬头喷洒器莲蓬头喷洒器 4647管式喷洒器管式喷洒器 DN300mm，可选用管式喷洒器，通可选用管式喷洒器，通过填料上的进液管（直、弯或缺口）过填料上的进液管（直、弯或缺口）进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较小且不均匀。小且不均匀。 图图8-21 管式喷洒器管式喷洒器48环管多孔喷洒器环管多孔喷洒器 DN1200mm，可选用单环管多孔喷洒器，结构可选用单环管多孔喷洒器，结构简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不够均匀，而且液体要求清洁，否则小

18、孔易堵塞。够均匀，而且液体要求清洁，否则小孔易堵塞。（环管下面开小孔，一般为（环管下面开小孔，一般为35排）。排）。 图图8-22 环管多孔喷洒器环管多孔喷洒器49 莲蓬头喷洒器莲蓬头喷洒器 主要有半球形、碟形、杯形，优点是结构简单，制主要有半球形、碟形、杯形，优点是结构简单，制造安装方便，缺点是小孔易堵塞，不适于处理污浊造安装方便，缺点是小孔易堵塞，不适于处理污浊液体，一般可用于塔径小于液体，一般可用于塔径小于600mm的塔中。的塔中。 图图8-23 莲蓬头喷洒器莲蓬头喷洒器502、溢流型、溢流型 盘式分布器盘式分布器图图8-24 中央进料的盘式分布器中央进料的盘式分布器图图8-25 有升气

19、管的盘式分布器有升气管的盘式分布器液体从中央进料管加到喷淋盘内，液体从中央进料管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘上的降液管溢流然后从喷淋盘上的降液管溢流 51槽式分布器槽式分布器主要用于主要用于DN1000mm的塔，其优点是自由截面大，适应性的塔，其优点是自由截面大，适应性好，处理量大，操作弹性大，其结构见（图好，处理量大，操作弹性大，其结构见（图852），液体先），液体先加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽上加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽上有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于同一水平面上，再由此溢流到填料上。同一水平面上，再由此溢流到填料上。图图8-26 分布槽分布槽52图图7-27 槽式孔流分布器槽式孔