填料塔的简单介绍及其相应计算

1、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塔设备的概述塔设备是石油化工、化学工业、石油工业

2、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：精储、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）一液相或液一液相之间的充分接触，从而达到相际传质和传热 的目的。塔设备广泛用于蒸储、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等 单元操

3、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； 气一液两相能充分接触，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

4、。按单元操作分 为精储塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔。用以实现蒸储和吸收两 种分离操作的塔设备分别称为蒸储塔和吸收塔。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

5、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：除沫器图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。

6、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

7、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

8、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

9、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，

10、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GB150-1998相应章节或参

11、考文献1第H一章，按压力确定圆筒有效 厚度e及封头的有效厚度eh ; 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 川与裙座有效厚度eso 应满足 ei e, es 6mm ；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ei ,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m0（kg） ：momoimo2mo3m04m05ma me（5_1）塔设备的最大质量 mmax（kg）：

12、 mmax m°i m02 mo3 mo4 m05 ma me （5-2） 塔设备的最小质量 mmin（kg）: mmin moi o.2mo2 m03 m04 m05 ma me（5-3） 式5-3中的o.2mo2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m04o式中的壳体和裙座质量 m01按求出的壳体名义厚度n、封头名义厚度nh及裙座名义厚度ns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

13、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 Meo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)M e mege3.5 最大弯矩仙I I塔设备任意计算截面II处的最大弯矩Mmax按式（5-23）计算:IImaxIIM WmE iMe0.25MW；Me取其中较大值(5-23)00塔设备底部截面0-0处的最大弯矩Mmax按式（5-24）计算:M00 MJ0 MeM max o 00

14、 0ME 0.25MW Me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处的轴向应力分别钱式（5-25）、式（5-26）和式（5-27）计算:由内压和外压引起的轴向应力pDi 14ei(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2 :I IImo gFvDi ei(5-26)其中FV I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3:4乂痴3 D i ei(5-27)3.6.2圆筒稳定校核圆筒许用轴向压应力cr按式（528）确定:KBcr =t取其中较小值

15、圆筒最大组合压应力按式（5-29）或式（5-30）校核：(5-28)对内压塔器 2+ 3 cr(5-29)对外压塔器 12+ 3 cr（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 12+ 3 K（5-31）t对外压塔器 2+ 3 K（5-32）如校核不能满足条件时，须重新设定有效厚度ei ,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

16、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es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:0 0M maxZsb0 0m°gFvKBt取其中较小值Ks(5-43)I I其中Fv仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。0.3M max M e mmaxgKB 取其中较小值(5-44)ZsbAsb0.9 s式中Asb -裙座底部

17、截面积，AsbDis s, mm2；乙b -D2 scZsb裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，4is, mm3。5-47)和式4.7.2裙座检查孔和较大管线引由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）h-h截面处组合应力按式（5-48放核:M_mxZsmh hmo gKB取其中较小值Asm(5-47)h h其中Fv仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。0.3MM Me mmahgZsmAsmKB0.9 s取其中较小值式中 bm - h-h截面处水平方向的最大宽度，mm；Dim - h-h截面处裙座壳的内直径，mm ；h hV - h-h截面处的垂直地震力。但仅在最大弯短为地震弯

18、矩参与组合时计入此项，N ;1m-检查孔和较大管线引出孔加强管长度，mm；(5-48)M h hM max - h-h截面处的最大弯矩，N mm ；h hMW - h-h截面处的风弯矩，N mm；h hmmax - h-h截面以上塔设备压力试验时的质量，kg；h hm0 - h-h截面以上塔设备的操作质量，kg;m - h-h截面处加强管的厚度（见图5-8）, mm；Asm - h-h截面处裙座的截面积，mm2;AsmDim esbm2 m mAm(5-49)(5-50)Zsm - h-h截面处的裙座壳截面系数，mm3;sm一 D2 im es4bmDmT2Zm(5-51)2 bm2(5-52)图 5-9图 5-10如校核不能满足条件时，须重新设定裙座壳有效厚度 ei,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。t在正常操作和停工检修工况下，