分馏塔的常规设计毕业论文

1、分馏塔的常规设计毕业论文目录1 .说明部分 11.1 塔设备在化工生产中的作用和地位 11.2 设计概述 31.3 对塔设备的要求 41.4 塔设备的构造 51.5 塔设备的发展及现状 71.6 板式塔的分类 141.7 板式塔的常用塔型及其选用 171.7.1 泡罩塔 171.7.2 筛板塔 191.7.3 浮阀塔 201.7.4 形塔及浮动舌形塔 211.7.5 穿流式栅板塔 221.7.6 其他类型塔盘 231.8 塔型选择一般原则 241.8.1 与物性有关的因素 241.8.2 与操作条件有关的因素 241.8.3 其他因素 251.9 板式塔的强化 261.10 选材 272 .

2、设计计算部分 292.1 设计条件 292.2 塔设备材料的选取 292.3 圆筒、封头、裙座厚度计算 302.4 塔设备的质量计算 312.5 塔的自振周期 342.6 载荷分析 342.6.1 地震载荷计算 342.6.2 风载荷计算 392.6.3 最大弯矩 422.7 应力校核 432.7.1 圆筒应力校核 432.7.2 群座壳轴向应力的校核 442.7.3 液压试验时的应力校核（校核- 截面） 462.8 基础环厚度计算 472.9 地脚螺栓计算 482.10 筋板 482.11 盖板 492.12 裙座与塔壳连接焊缝验算 50总结 51参考文献 错误！未定义书签。谢辞 53iii

3、分馏塔（T1404）设计1. 说明部分1.1 塔设备在化工生产中的作用和地位塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质传热的目的。可在塔设备中进行的常见的单元操作有：精馏、解吸、吸收和萃取等，此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在石油、化工等生产过程中，常常需要将混合物质（气态或液态）分离成为较纯的物质，通常采用精馏、吸收、萃取等方法。这些生产过程称为物质分离过程或物质传递过程，它们大多是在塔设备内部进行的。塔类设备的型式种类繁多，用途广泛，是完成炼油加工过程或其他化工生

4、产过程的主要场所。塔设备一般都具有庞大的外形，设备直径最多可达十多米，高度达数十米，金属重量达数百吨，通常安装在露天。目前石油炼厂和化工生产装置中，塔设备的投资费用占整个工艺费用的25.39%.塔设备所耗用的钢材重量在各类工艺设备中所占的比例也较多，例如在年产 250 万吨常减压炼油装置中好用重量占62.4%，在年产60至 120万吨催化裂化装置中占48.9%。因此，塔设备的设计和研究，对石油、化工等工业的发展起着重要的作用。目前石油炼厂中应用最多的塔设备是各种分馏塔，也叫精馏塔。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组

5、分转移到汽相中，汽相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。因此精馏塔操作的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益在化工厂、石油化工厂和炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响， 据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例，（见表 1-1 ） ，它所消耗的钢材重量在各类工艺设备中也属较多（见表1-2 ） ，因此，随着石油化工的迅速发展，塔设备的设计和研究受到化工、炼油等行业的极大重视。表 1-1 化工生产装置中塔设备所占投资比例装置名称塔设备化工和石油化工25.39%煤油和煤化工34.85%人

6、造纤维44.90%药物和制药9.87%油脂工业20.49%油漆和涂料11.40%橡胶15.11%表 1-2 化工生产装置中塔设备所占的质量比例化工装置名称塔设备质量所化工设备名称塔设备质量所占百占百分比分比250 万吨 / 年常压蒸馏16.97 万吨及6 万吨 / 年21.027.1250 万吨 / 年常减压蒸芳烃抽提馏45.510 万吨/年苯60 万吨及120 万吨 / 年38.3催化裂化48.94.5 万吨 /年丁二烯54.011.5 万吨及30 万吨 /8 万吨 / 年氯乙烯年乙烯25.028.333.31.2 设计概述塔又称塔器，用以使气体与液体、气体与固体、液体与液体或液体与固体密

7、切接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中热量传递和质量传递过程。所采用材料必须对被处理的物料具有耐腐蚀性能，并按其所能承受的压力进 行设计。根据其结构可分为板式塔和填料塔二类。常用的有泡罩塔、填料塔、筛板塔、淋降板塔、浮阀塔、凯特尔塔、槽形塔（S型塔）、舌型塔、穿流栅板塔、转盘塔以及导向筛板塔等。并且应用于蒸馏、吸收、萃取、吸附等操作。1.3 对塔设备的要求作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：（ 1） 生产能力大。在较大的气液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或 液泛等破坏正常操作的现象

8、。（ 2） 操作稳定、弹性大。当塔设备的气液负荷量有较大的波动时，仍能在较高 的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应保证能长期连续操作。（ 3） 流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中 的动力消耗，以降低经济操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还 将使系统无法维持必要的真空度。（ 4） 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投 资费用。（ 5） 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作，调解和检修。 事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅在某些方面具有独到之处。人们对于高效率大生产能力，稳定操作和低压力降的追求，推动着塔设备

9、新结构型式的不断出现和发展。61.4 塔设备的构造在石油加工工业中，分馏塔是必不可少的设备，它的作用是把含有多种沸点不同的烃类按沸点的高低进行分段或分离。这种分离效率的高低主要由塔身的层数和塔板的结构来决定。目前炼油厂精馏塔的塔板有多种类型，但无论哪一类型，都包括有四个基本部分：每一塔板都有特制的一些开孔，可供下一层塔板上升的蒸汽从中穿过；每一塔板上都有高度的溢流堰，以保证塔板上有足够厚的液层；每一塔板上都有溢流管，可供塔板上液体流向下一层；塔板上有足够的面积和特殊的结构，供蒸汽和液体之间充分接触，以完成质和热的交换。塔设备的构造主要包括以下几个主要方面：(1) 塔体塔体是塔设备的外壳。常见的

10、塔体石油等直径等壁厚的圆筒合作为头盖和帝盖的椭圆形封头所组成。随着化工装置的大型化，渐有采用不等径的不等壁厚的塔体。塔体满足的工艺条件(如温度，压力，塔径和塔高等)下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所引起的强度刚度问题，以及吊装，运输，检验，开停工等的影响。对于板式塔来说，塔体的不垂直度和弯曲度，将直接影响塔盘的水平度 (这指标对板式塔效率的影响是十分明显的)， 为此， 在塔体的设计zhon，制造，检验，运输和吊装等环节中，都应严格保证达到有关要求，不使其超差。(2) 塔体支座塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分，它必须保证塔体坐落在确定的位8置上进行正常的工作。为此，它应当具有足

11、够的强度，能承受各种操作情况下的全塔重量，以及风力，地震等引起的载荷。最常用的塔体支座是裙式支座(简称为裙座) 。(3) 除沫器除沫器用于捕集夹带在气液中的液滴。使用高效的除沫器，对于回收贵重物料，提高分离效率，改造塔后设备的操作状况，以及减少对环境的污染等，都是非常必要的。(4) 接管塔设备的接管是用以连接工艺管路，把塔设备与相关设备连成系统，按接管的用途，分为进液管、出液管、进气管、出气管、回流管、侧线抽出管和仪表管等。(5) 人孔和手孔人孔和手孔一般都是为了安装，检修检查和装填填料的需要而设置的。在板式塔和填料塔中，各有不同的设置要求。(6) 吊耳塔设备的运输和安装，特别是在设备大型化后

12、，往往是工厂基建工地上一项举足轻重的任务。为吊装方便，可在塔设备上焊以吊耳。(7) 吊柱在塔顶设置吊柱是为了在安装和检修时，方便塔内件的运送。1.5 塔设备的发展及现状泡罩塔是1813 年 Cellier 提出的，它在化工生产中一直占有重要的地位。从1832 年开始用于酿造工业，是出现较早并获得广泛应用的一种塔型。工业规模的填料塔始于1881 年的蒸馏操作中，1904 年才用于炼油工业，当时的填料是碎砖瓦、小石块和管子缩节等。20 世纪初，随着炼油工业的发展和石油化学工业的兴起，塔设备开始被广泛采用，并逐渐积累了有关设计、制造、安装、操作等方面的数据和经验。当时，炼油工业中多用泡罩塔，无机酸碱

13、工业则以填料塔为主，则筛板塔因当时尚无精确的设计方法和操作经验，故未能广泛使用。20 世纪中期，为了适应各种化工产品的生产和发展，不仅需要新建大量的塔，还得对原有得塔设备进行技术改造，故而陆续出现了一批能适应各方面要求的新塔型。这一时期发展的塔盘如下。1 泡罩型（ 1）条形泡罩塔盘。（ 2）单流式泡罩塔盘（uniflux tray） ，亦称 S形塔盘。2 筛板型（ 1）有溢流的栅板塔盘。（ 2）波纹筛板塔盘（ripple tray） 。3 浮阀型（ 1）条形浮阀塔盘（nutter float valve tray） 。（ 2）重盘式浮阀塔盘（ballast valve tray） 。( 3)

14、A型和 T型的圆盘形浮阀塔盘(flexitray) 。4 喷射型( 1)文丘里阶梯式塔盘(benturi kaskade tray) 。( 2)条孔网状塔盘(kittel tray) 。( 3)舌形塔盘(jet tray) 。( 4)导向浮阀塔盘。这批新型塔盘的出现，不仅为创建综合性能更好的塔型打开了思路，而且为接着发生的设备大型化后选择塔型指出了方向。在此期间，许多学者总结了塔设备长期操作的经验，并对筛板塔作了系统研究，认为设计合理筛板塔，不仅保留了制造方便、用材省、处理能力大等优点，而且操作负荷在较大范围内变动时，仍能保持理想的效率。近年来，随着对筛板塔研究工作的不断深入和设计方法的日趋完

15、善，筛板塔已成为生产上最为广泛采用的塔型之一。这一时期填料塔也进入了一个新的发展阶段。在瓷环填料，亦称拉西环填料( Raschigring)被广泛采用后，弧鞍形填料(Berl saddle)相继问世，特别是出现了斯特曼(Stedman)填料后，更大大地促进了规整填料的发展，其中有：帕纳帕克(Panapak)填料、古德洛(Goodloe)填料、斯普雷帕克(Spraypak)填料等。同时， 麦克马洪 ( Mcmahon) 填料、 鲍尔环填料( Pall ring) 、 狄克松环填料( Dixonring) 、坎农(Cannon)填料和矩鞍形填料(Intalox saddle)等颗粒型填料也纷纷出现

16、。除了各种填料大量涌现外，还发展了多管塔、乳化塔等被称为高效填料塔德新塔型。从 20 世纪 60 年代起，由于化工机械制造业成功地解决了高压离心式压缩机 的转动密封和高温高压废热锅炉的结构强度设计等技术关键，使化肥和石油化工的生产，在能量综合利用方面提高到一个新水平，继而带动了整个化学、炼油工业向大型化方向迅速发展。据有关资料报道，炼油装置的年处理能力也达1000 万吨，年产60 90 万吨的乙烯工厂、60 万吨的甲醇工厂、45 万吨的氯乙烯工厂、34 万吨的低密度聚乙烯工厂、31.5万吨的苯乙烯工厂以及22.5万吨的异丙苯工厂，也将相继兴建。在大型装置中，塔设备的单台规模也随之增大。直径在1

17、0m 以上的板式塔时有出现（如某炼油厂的减压蒸馏塔塔径为12.2m，并在酝酿设计18m直径的塔），塔板数多达上百块，塔的高度达80 余米，设备重量有几百吨（操作时的最大塔重可达1500 吨） ； 填料塔的最大直径也有15m， 塔高达100m。 近年来，由于出现了世界性的能源危机，暴露出设备大型化带来的不容忽视的问题：大型设备必须保证在全负荷下长期连续运转，否则经济损失将是非常巨大的。在此期间，为了满足设备大型化以及化工工艺方面提出的高压、减压、高操作弹性等特殊要求，又出现了很多新型塔盘，但按其结构特点，仍属泡罩、筛板、浮阀、舌型等几种典型塔型的改进或相互结合。举例如下:1. 属泡罩型的（1）

18、旋转泡罩塔盘。（2） 带有导流叶片的泡罩塔盘。（3） 扁平泡罩塔盘。（4） 蜂窝形泡罩塔盘。2. 属筛板型的（ 1） 导向筛板塔盘（linde sieve tray） ，即林德筛板塔盘。（ 2） 多降液管筛板塔盘（multiple downcomer sieve tray） ，即 MD 筛板塔盘。（ 3） 筛网塔盘（hyflux tray） 。（ 4） VST 塔盘（vertical sieve tray） 。此外，筛板本身也可斜置，还发展了斜孔、针孔和大孔径、双孔径等多种筛孔。3. 属浮阀型的（1） 旋转浮阀型塔盘。（2） 锥心浮阀塔盘（Hy-contact valve tray） 。（3）

19、 管式浮阀塔盘。（4） 长条形浮阀塔盘。（5） 链网式浮阀塔盘（grid valve tray） 。（6） 带螺旋叶片的浮阀塔盘（spiral valvetray） 。（7） 方形浮阀塔盘（speichim） 。（8） 错流式长方形浮阀塔盘。4. 属喷射型的（1） 浮动舌形塔盘。（2） 活动舌形塔盘。3） 带垂直挡板的舌形塔盘。（4） 片状喷射塔盘。（5） 浮动喷射塔盘。（6） 带倾斜挡沫板的斜孔塔盘.（7） 网孔塔盘（performtray） 。（8） 旋流塔盘。（9） thormann 喷射塔盘。（10） 导向浮阀塔盘。5. 属复合类型的（1） 泡罩与筛板的复合。（2） 筛板与浮阀的复合。

20、（3） 筛板与舌形的复合。此外，无溢流装置的穿流式塔盘，也有较多的发展，其型式有：（1） 穿流式栅板塔盘。（2） 穿流式筛板塔盘。（3） 穿流式双孔径筛板塔盘。（4） 穿流式可调开孔率筛板塔盘。（5） 穿流式条形或圆形浮阀塔盘。（6） 穿流式旋叶塔盘。这一时期，新型填料也有了较多的发展。属于颗粒型填料的有：海佐涅尔Hydronyl）填料、阶梯环（Cascade mini ring）填料、多角螺旋填料、金属鞍环填料( Intalox metal pakcing) 、比阿雷茨基环(Bialecki ring) 、莱瓦填料(Levapak)以及它们的改进型式。属于规整填料的有：苏采尔填料(Sulze

21、r packing) 、重叠式丝网波纹板填料、重叠式金属波形板填料、格利希栅格填料(Glitsch grid) 、格子填料、拉伸金属板网填料、塑料蜂窝填料、Z 形格子填料、Perform 喷射式填料和脉冲填料 ( Impulse packing) 等。 同时， 还创建了使小球浮动莱强化传质的湍球塔。为了加强工业技术的竞争能力，长时期以来，各国都相继建立了技术专利的管理机构。在这众多的专利中，新型塔盘及高效填料的开发工作，也占有一定的数量。从这里可以看出各国塔设备发展趋向，作为我们工作的参考。但是，进入20 世纪 70 年代后， 有关塔设备传质理论和塔盘结构方面的论文，已不如以前那么多了。这反映

22、了基础理论研究工作的进度放慢了，同时也表明了人们通过实践接受前辈们的观点：当负荷达到最高负荷的85时，所有不同结构的塔盘，其效率大致是相同的。研究结果表明，塔盘的效率并不取决于塔盘的结构，而主要取决于物系的性质，如相对挥发度、黏度、混合物的组分等。国外塔设备的发展已转向“要求在提高处理能力和简化结构”的前提下，保持一定的操作弹性和适当的压力降，并尽量提高塔盘的效率。至于新型填料的研究，则希望找到有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。随着塔设备技术的发展，各工业国家还陆续制订了多种气液接触元件(如泡罩、浮阀、填料等)及有关塔盘制造、安装、验收的标准、规范和技术条件等，以保证塔设备运行的质量和

23、缩短其制造、安装周期，进而减少设备的投资费用。当然，盲目地套用标准或是忽视标准等的修订工作，也会对技术的发展起阻碍作用。我国塔设备技术的发展，经历了一个漫长的过程。新中国成立以后，随着国民经济的发展，陆续建立了一批现代化的石油化工装置。随着这些装置引进的新型塔设备，不仅在操作、使用这些设备方面提供了大量的第一手资料，还带动了塔设备的科研、设计工作，加速了这方面的技术开发。目前，我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等，填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。近年来，参考国外塔设备技术的发展动向，加强了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷

24、射塔等新塔型。对多降液管塔盘、导向筛板、网孔塔盘等，也都作了较多的研究，并推广应用于生产。其他如大孔径筛板、双孔径筛板、穿流式可调开孔率筛板、浮阀筛板复合塔盘，以及喷杯塔盘、角钢塔盘、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋叶塔盘等多种塔型和金属鞍环填料的流体力学性能、传质性能和几何结构等方面的试验工作，也在进行，有些已取得了一定的成果或用于生产。从塔设备的化工设计到结构强度设计，国内也做出了不断的改进，并陆续引入了一些新的方法和标准规范。特别是由于电子计算机技术的发展，化工设计中计算工作量极大的逐板计算法，已能快速而方便地得到满意结果。在结构强度设计中，电子计算机也可以把受载情况异常复杂的塔设备强度问题，逐项

25、加以考虑，并做出详细的计算。现有全国化工设备设计技术中心站组织编制的压力容器强度计算软件SW6 中可对设备强度和刚度进行计算。目前正在考虑作塔设备的最优化设计。20 世纪 60 年代以来，我国着手编制了塔设备零部件标准，1965 年起正式颁发了一批有关的标准和技术条件。70 年代又修订、合并、补充、充实了一批标准。1.6 板式塔的分类板式塔的种类很多，通常可按如下分类： 按塔板的结构分有泡罩塔，筛板塔，浮阀塔，舌形塔等，应用最早的是泡罩塔和筛板塔，20 世纪后期开发了浮阀塔，目前应用最广泛的板式塔是筛板塔及浮阀塔，一些新型的塔板仍在不断的开发和研究。a) 筛板塔筛板塔也是很早出现的一种板式塔。

26、筛板塔盘的结构简单，就是在钢板上钻许多三角形排列的直径为3 至 8 毫米的小孔。气流从小孔中穿出吹入液体鼓泡，液体则横流过塔盘从降液管中流入下一层塔盘。这种塔盘开孔率较大，生产能力也较大，气流没有拐弯，压力降较小。塔盘上无障碍物，液面落差较小，鼓泡较均匀。塔盘造价较低，安装维修都较容易，但它的操作弹性小气流负荷变小时，就易泄漏，效率下降，小孔易堵塞。不易处理脏的，黏性大的和带固体粒子的物料。b) 浮阀塔浮阀塔大体分两类：一类是盘状浮阀。一类是条状浮阀。盘状浮阀是在塔板上开有圆孔，浮阀分别用三条支腿或用十字架，安装在塔盘孔上。条状浮阀是带支腿的长条片，塔板上开长条孔，浮阀装在长条孔上。浮阀塔盘操

27、作时，蒸汽自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液曾，形成泡沫。浮阀能够随着气速的增减在相当宽广的气速范围内自由调节、升降，以保持稳定操作。 按气液两相流动方式分：有错流板式塔和逆流板式塔，或称有降液管的塔板和无降液管的塔板。 按液体流动形式分：有单溢流型和双溢流型等，单溢流型塔板应用广泛，它的结构简单，流体行程长，有利于提高塔板效率，但当塔径或液量大时，塔板上液位梯度较大，导致气液分布不均或降液管过载。双溢流塔板宜用于宜用于塔径及液量较大时，液体分流为两段，减小了塔板上的液位提督，也减少了降液管的负荷，缺点是降液管要相间的置于塔板的中间或两边，多占了一部分塔板的传质面积。其中，泡

28、罩塔是工业应用最早的板式塔，而且在相当长的一段时期内是板式塔中较为流行的一种塔型。随着化学和石油化学工业的迅速发展，生产对塔设备提出了越来越高的要求。从20 世纪 50 年代以来，由于各种新型塔板的出现，泡罩塔已几乎被浮阀塔河筛板塔所代替。泡罩塔的优点是操作弹性大，因而在负荷波动范围较大时，仍能保持塔的稳定操作及较高的分离效率；气液化的范围大，不易堵塞等。其缺点是结构复杂、造价高、气相压降大、以及安装维修麻烦等。目前，只是在某些情况如生产能力变化大，操作稳定性要求高，要求有相当稳定的分离能力等要求时，可考虑使用泡罩塔。浮阀塔是20 世纪 50 年代前后开发和应用的，并在石油、化工等工业部门代替

29、了传统使用的泡罩塔，成为当今应用最广泛的塔型之一，并因具有优异的综合性能，在设计和选用塔型时常是被首选的板式塔。浮阀塔塔盘上开有一定形状的阀孔，孔中安装了可在适当范围内上下浮动的阀片，因而可适应较大的气相负荷的变化。阀片的形状有圆形、矩形等。筛板塔也是应用历史较久的塔型之一，与泡罩塔相比，筛板塔的结构简单，成本低（比泡罩塔减少40%左右）， 板效率提高10%15%， 安装维修方便。自 20世纪 50 年代起，对于筛板的效率、流体力学及漏液等问题进行了大量的研究，在理论及实际上获得了成熟的经验，使筛板塔成为应用较广的一种塔型，近年来， 发展了大筛孔（孔径达2025mm） ，导向筛板等多种筛板塔。

30、无降液管塔，无降液管塔是一种典型的气液逆流式塔，这种塔的塔盘上无降液管。但开有栅缝或筛孔作为气相上升和液相下降的通道。在操作时，蒸汽由栅缝或筛孔上升，液体在塔盘上被上升的气体阻扰，形成泡沫。两相在泡沫中进行传热与传质。与气相密切接触后的液体又不断从栅缝或筛孔流下，气液两相同时在栅缝或筛孔中形成上下穿流。因此又称为穿流式栅缝或筛孔塔。导向筛板塔，导向筛板塔是在普通筛板塔的基础上对筛板作了两项有意义的改进：一是在塔盘上开有一定数量的导向孔，通过导向孔的气流对液流有一定的推动作用，有利于推进液体并减小液面梯度；二是在塔板的液体入口处增设了鼓泡促进结构，也称鼓泡促进器，有利于液体刚进入塔板就迅速鼓泡，

31、达到良好的气液接触，以提高塔板的利用率，使液层减薄，压降减小。与普通筛板塔相比，使用这种塔盘，压降可下降15%，板效率可提高13%左右，可用于减压蒸馏和大型分离装置。斜喷式塔，一般情况下，塔盘上气流垂直向上喷射（如筛板塔），这样往往造成较大的雾沫夹带，如果使气流在盘上沿水平方向或倾斜方向喷射，则可以减轻夹带，同时通过调节倾斜角度还可以改变液流方向，减小液面梯度和液体返混.1.7 板式塔的常用塔型及其选用板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多。根据目前国内外实际使用的情况，主要塔型是浮阀塔、筛板塔及泡罩塔。1.7.1 泡罩塔泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作所使用的塔设

32、备中，曾占有主要地位，近三十年来由于塔设备有很大的进展，出现了许多性能良好的新塔型，才使泡罩塔的应用范围和在塔设备中所占的比重有所减少。但泡罩塔并不因此失去其应用价值，因为它具有如下优点: 操作弹性较大，在负荷变动范围较大时仍能保持较高的效率。 无泄漏。 液气比的范围大。 不易堵塞，能适应多种介质。泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修麻烦以及气相压力降较大。然而，泡罩塔经过长期的实践，积累的经验比其他任何塔型都丰富，常用的泡罩已经标准化。在处理非腐蚀性物料时，整个泡罩塔盘都可用碳钢制造。泡罩塔盘的蒸气压力降虽然高一些，但在常压或加压下操作时，并不是主要问题。根据现今的情况，泡罩塔盘在

33、工业上仍有一定的实用价值。泡罩塔盘的主要结构包括泡罩、升气管、溢流管及降液管。泡罩塔如果塔盘设计欠妥或操作不当，常会出现以下不正常现象，从而使塔板效率下降，甚至破坏操作。（ 1） 锥流当液体流量很小或液封高度不够时，从齿缝出来的蒸气，能推开液体，掠过液面直接上升，以致气液接触不良。（ 2） 脉动当蒸气流量很小、不能以连续鼓泡的形式通过液层时，必然是逐渐积累蒸气，使塔盘下方的气压逐渐升高，当增加到足够的数值后，才能通过齿缝鼓泡逸出；而当流过若干气泡后，气压下降，就停止鼓泡；再等到上升至一定压力后，才能重新鼓泡。即蒸气的流动过程表现为蒸气脉动鼓泡。（ 3） 偏流和倾流当液体流量过大和蒸气流量过小时

34、，塔盘上液面落差大，使气流分布不均，就称为偏流；情况严重时，液体从升气管溢流而下，称为倾流。这现象多出现于大塔中。（ 4） 过量的雾沫夹带蒸气速度过高时，被夹带到上一塔盘的液量超过了允许值，称为过量的雾沫夹带。（ 5） 液泛 部分液体未能通过降液管流下，被拦截在塔板上，泡沫层高度充满板间距，以致无法操作，这称为液泛（或淹塔）。造成液泛的原因有：板间距太 小，降液管面积太小，或是气液流量太大，超过了设计限度。泡罩是泡罩塔板最主要的部件，品种很多，目前应用最多的型式是具有矩形或梯形齿缝，底部有缘圈、结构可拆的圆泡罩。1.7.2筛板塔筛板塔也是很早出现的一种板式塔。20 世纪 50 年代起对筛板塔进

35、行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力大(2040) ，塔板效率高(1015) ，压力降低(3050)，而且结构简单，塔盘造价减少40左右，安装、维修都较容易。从而一反长期的冷落状况，获得了广泛应用。近年来对筛板塔盘的研究还在发展，出现了大孔径筛板(孔径可达20 25mm) 、导向筛板等多种型式。筛板塔盘上分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等几部分。工业塔常用的筛孔孔径为3 8mm， 按正三角形排列，孔间距与孔径的比为2.5 5。近年来有用大孔径(10 25mm)筛板的，它具有制造容易、不易堵塞等优点，只是漏液点稍高

36、，操作弹性较小。与泡罩塔操作情况类似，液体从上一层塔盘的降液管流下，横向流过塔盘，经溢流堰进入降液管，流入下一层塔盘。依靠溢流堰来保持塔盘上的液层高度。蒸气自下而上穿过筛孔时，分散成气泡，穿过板上液层。在此过程中进行相际的传热和传质。筛板塔盘的特点如下1） 结构简单，制造维修方便。（ 2） 生产能力较大。（ 3） 塔板压力降较低。（ 4） 塔板效率较高，但比浮阀塔盘稍低。（ 5） 合理设计的筛板塔可具有适当的操作弹性。（ 6） 小孔径筛板易堵塞，故不宜处理脏的、黏性大的和带有固体粒子的料液。1.7.3浮阀塔20 世纪 50 年代起，浮阀塔已大量用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收

37、、脱吸等传质过程。大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板数有数百块之多。浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm 到 6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。浮阀塔之所以广泛应用，是由于它具有下列特点:（ 1） 处理能力大

38、浮阀在塔盘上可安排得比泡罩更紧凑。因此浮阀塔盘的生产能力可比圆形泡罩塔盘提高2040。2）操作弹性大浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化，而气缝速度几乎不变，因之能在较宽的流量范围内保持高效率。它的操作弹性为3 5，比筛板和舌形塔盘大得多。（ 3） 塔板效率高由于气液接触状态良好，且蒸气以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少。因此塔板效率较高，一般情况下比泡罩塔高15左右。（ 4） 压力降小气流通过浮阀时，只有一次收缩、扩大及转弯，故干板压力降比泡罩塔低。在常压塔中每层塔盘的压力降一般为400 666.6Pa。浮阀的型式很多，国内已采用的浮阀，如V-1 型、 V-4 型、 V-6 型、十字架

39、型和 A 型，其中常用的是V-1 型和 V-4 型。浮阀塔盘操作时的气液流程和泡罩塔相似；蒸气自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀能够随着气速的增减在相当宽广的气速范围内自由调节、升降，以保持稳定操作。1.7.4 形塔及浮动舌形塔舌形塔是喷射型塔，20 世纪 60 年代开始应用。它是在塔盘板上开有与液流同方向的舌形孔，蒸气经舌孔流出时，其沿水平方向的分速度促进了液体的流动，因而在大液量时也不会产生较大的液面落差。由于气液两相呈并流流动，这就大大地减少了雾沫夹带。当舌孔气速提高到某一定值时，塔盘上的液体被气流喷射成滴状和片状，从而加大了气液接触面积。与泡罩塔相比

40、，其优点是：液面落差小，塔盘上液层薄、持液量小，压力降小（约为泡罩塔盘的3350），处理能力大，塔盘结构简单，钢材可省1245，且安装维修方便；其缺点是：操作弹性小（仅2 4） ，塔板效率低，因而使用受到一定限制。浮动舌形塔盘也是一种喷射塔盘，其舌片综合了浮阀及固定舌片的结构特点，因此既有舌形塔盘的大处理量、低压力降、雾沫夹带小等优点，又有浮阀塔的操作弹性大、效率高、稳定性好等优点；缺点是舌片易损坏。1.7.5 穿流式栅板塔穿流式栅板塔属于无溢流装置的板式塔，在工业上也得到广泛应用。属于穿流式的还有：穿流式波纹筛板塔盘、穿流式双孔径筛板塔盘等。穿流式塔盘根据板上开有栅缝或筛孔，分别称为穿流式栅

41、板塔或穿流式筛板塔。这种塔盘没有降液管，气液两相同时相向通过栅缝或筛孔。操作时蒸气通过孔缝上升，进入液层，形成泡沫；与蒸气接触后的液体，也不断地通过孔缝流下。这种塔盘由于操作范围窄，一直未能推广应用。至20 世纪 50 年代初，穿流式栅板塔的工业应用获得成功，因而近年来应用日广。穿流式栅板塔的特点如下:（ 1） 结构简单塔盘上无溢流装置，结构比一般筛板塔盘还简单。因而制造容易，安装维修方便，节省材料和投资。（ 2） 生产能力大由于没有溢流装置，就节省了降液管所占的塔截面积（一般约占塔盘总面积的1530），所以蒸气流量较大。（ 3） 压力降小开孔率大，孔缝气速可比溢流式塔盘为小，其压力降比泡罩塔

42、小4080，因而可用于真空蒸馏。（ 4） 污垢不易沉积、孔道不易堵塞可用塑料、陶瓷、石墨等非金属耐腐蚀材料制造。（ 5） 操作弹性较小能保持较好效率的负荷上下限之比约为1.5 2.0， 低于其他板式塔。（ 6） 塔板效率较低比一般板式塔约低3060。但穿流式塔的孔缝气速较小，雾沫夹带量也小，故塔板间距可缩小，因而在同样的分离条件下，塔的总高度与泡罩塔大致相同。穿流式塔盘上的气液通道可制成长条形栅缝或圆形筛孔，栅缝或筛孔大小可按物料的污垢程度、所要求的效率等情况而定，孔缝大，则耐污垢性好、加工容易，但效率较低。栅缝一般宽为3 12mm、长为100 150mm，常用缝宽为3 5mm。筛孔孔径一般为

43、3 10mm，近来有用到25mm的，常用孔径为5 8mm。塔盘开孔率一般为1525，亦有大到40的。1.7.6 其他类型塔盘1. 导向筛板塔盘2. 多降液管筛板塔盘3. 网孔塔盘4. Kittel 塔盘5. 旋流塔盘6. 角钢塔盘1.8 塔型选择一般原则塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节。选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备的性能，以及塔设备的制造、安装、运转和维修等。1.8.1 与物性有关的因素（ 1） 易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。因为填料能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛。（ 2） 具有腐蚀性的介质，可选用填料塔。如必须用板式塔，宜选用结构简单、造价

44、便宜的筛板塔盘、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。（ 3） 具有热敏性的物料须减压操作，以防过热引起分解或聚合，故应选用压力降较小的塔型。如可采用装填规整填料的散堆填料等，当要求真空度较低时，也可用筛板塔和浮阀塔。（ 4） 黏性较大的物系，可以选用大尺寸填料。板式塔的传质效率较差。（ 5） 含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜。可选用泡罩塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等。不宜使用填料。（ 6） 操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。因塔盘上积有液层，可在其中安放换热管，进行有效的加热或冷却。1.8.2 与操作条件有关的因素（ 1） 若气相传质阻力大（即气相

45、控制系统，如低黏度液体的蒸馏，空气增湿等） ，宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相控制的系统（如水洗二氧化碳），宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体在液层中鼓泡。（ 2） 大的液体负荷，可选用填料塔，若用板式塔时，宜选用气液并流的塔型（如喷射型塔盘）或选用板上液流阻力较小的塔型（如筛板和浮阀）。此外，导向筛板塔盘和多降液管筛板塔盘都能承受较大的液体负荷。（ 3） 低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定量的喷淋密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合。（ 4） 液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动较大时宜用板式塔。1.8.3其他因素（

46、 1） 对于多数情况，塔径小于800mm 时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。对于大塔径，对加压或常压操作过程，应优先选用板式塔；对减压操作过程，宜采用新型填料。（ 2） 一般填料塔比板式塔重。（ 3） 大塔以板式塔造价较廉。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面积计算的价格，随塔径增大而减小。1.9 板式塔的强化板式塔产生、发展的过程，实际上就体现了塔设备的强化途径。可将板式塔的发展划分为三个时期，由于当时的主观要求和客观条件所决定，各个时期的发展有所侧重。（ 1） 从板式塔的产生到第二次世界大战结束这阶段的板式塔主要用来炼油，典型设备是泡罩塔。由于当时设计于操作的水平不高，人们希望板式

47、塔有较大的操作弹性，且操作方便，而这正是泡罩塔的特点。筛板塔虽然具有结构简单、造价低、处理能力大等优点，但因缺乏设计资料和难于操作管理而较少采用。（ 2） 从第二次世界大战结束至20 世纪 50 年代末 在炼油工业继续发展的同时，以三大合成为中心的化学工业开始有了较大的发展。这一阶段由于处理量的扩大和多方面的要求，泡罩塔已不甚适应。筛板塔则逐渐为人们所接受，技术上有较大的进展。同时，为了适应工业发展的要求，对原有的板式塔提出了造价低、处理能力大、能保持高的效率和大的操作弹性等方面的要求，因而相继出现了 S 形塔盘、条形泡罩塔盘等泡罩型新塔盘，结合泡罩、筛板的优点而创制的各种浮阀塔盘，以及一些喷

48、射型、穿流型的塔盘。这些塔型与泡罩塔相比，都有结构简单、造价便宜、处理能力较大的优点。（ 3） 20 世纪 60 年代至今从 60 年代起，开始出现生产装置的大型化，所以也要求塔设备向大型化方向发展。与此同时，塔设备的广泛应用，又提出了高压、真空、大的液体负荷、高弹性比等许多特殊要求，迫使板式塔以强化设备的生产能力为中心，向高效率、大通量方向发展，因而各种新型塔板不断出现。常用塔型如筛板、浮阀、泡罩塔盘的设计方法也日趋完善，建立了系列、标准，并采用电子计算技术，使设计快速化和最优化。还应指出，节约能源也日益成为板式塔发展中必须考虑的问题。板式塔强化的具体途径是改进流体动力学因素，以提高设备的通

49、过能力和改善相间的接触状况，同时又充分利用气液两相之间的热力学因素，以提高设备的传质速率与分离效率。从塔盘的流体力学来看，随着气速的增大，气液两相接触时的操作状态是：鼓泡 - 泡沫 -喷射，依次过渡。一定的操作状态都要求相应的塔盘结构。同时，结 构的改变又为解决生产能力与分离效率之间的矛盾创造了有利条件。例如喷射型塔盘的生产能力一般都比泡罩塔盘、浮阀塔盘为大，且压力降也低。事实上每种塔盘结构都可以历经从鼓泡到喷射的过渡，问题在于什么是最好的操作状态，由 设计操作参数所决定的。1.10 选材材料是构成化工设备的物质基础，化工成产工艺的复杂性决定了化工设备用材料的广泛性，但使用量最多的还是各种钢材

50、。要确保化工设备安全可靠的运行就必须对其所用的钢材有较为全面的、综合的认识，不仅要熟悉钢材的常规性能，也要了解设备在特殊条件下，如高温、低温、特殊介质下长周期运行，对材料的特殊要求，以便合理地选用材料。化工设备的主体是一个承受压力的容器，压力的容器是一种特殊的设备，所以材料选用主要是针对压力的容器而言。本设计满足其特定的工艺要求，能够在规定的工作条件下，即规定的压力和温度条件下去实现气液相密切接触而进行传质传热，两相组分可成阶梯式变化。本文严格按照GB150-1998中的材料要求选材。塔设备作为基本的压力容器，其基本要求反映在它的质量上，而质量是通过适用性，可靠性，安全性，耐久性和经济性等质量

51、特性表现的。针对不同的要求，各有所侧重，保证塔设备的安全性最为突出，在此基础上，充分考虑其他方面的要求，而经济型则是市场的法则，因为没有经济效益和社会效益的产品就没有市场。为了确保塔设备的使用特征和安全可靠性，正确的选用和合理的加工材料是必要的基础。在熟悉了钢材的常规性能，塔设备的特定条件，对材料的性能要求基础上，本文采用20R， 20R使用历史悠久，价格廉价，来源广泛，且20R在优质碳素钢 20 钢基础上发展起来的容器用钢，既保证力学性能又保证化学成分。512. 设计计算部分2.1 设计条件最高（低）工作压力0.09MPa; 最高 （抵）工作温度323 ; 设计压力0.27MPa；设计温度3

52、43；介质：油气油品；腐蚀余量4mm； 焊接接头系数0.85； 容积97.1 m3；抗震设防烈度7 度（ 0.15g） ； 场地土类别：II 类第一组；地面粗糙度类别： A类； 基本风压值550Pa； 保温材料：复合硅酸盐卷毡；保温厚度100mm;容器设计使用寿命：15 年2.2 塔设备材料的选取设计材料的选择主要有设计温度，设计压力，介质特性和操作特点这几个使用条件决定，压力容器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。（1） 碳素钢 压力容器用碳素钢主要有三类：第一类是碳素结构钢，如 Q235-B和 Q235C钢板；第二类是优质碳素结构钢，如10、 20 钢钢管，20、 35 钢锻件；第三类是

53、压力容器专用钢板，如20R， 20R 是在 20 钢基础上发展起来的，主要是对硫、磷等有害元素的控制更加严格，对钢材的表面质量和内部缺陷控制的要求也较高。这类钢强度较低，塑性和可焊性较好，价格低廉，故常用于常压或中、低压容器的制造，也用作支座、垫板等零部件的材料。（2） 低合金钢是一种低碳合金钢，合金元素含量较小，具有良好的综合力学性能。（3） 高合金钢石油化工设备中设用的高合金钢主要指不锈钢和耐热钢。表 2-1 压力容器用钢性能示例编号钢板使用状态板厚常温强度指标使用范围byQ235热轧4.5-163752350-35020R热轧、正火6-16> 16-36400400245235-20-475 16MnR热轧、正火6-16> 16-36510490345325-20-475 15MnVR热轧或正火6-16> 16-36530510390375-40-400 18MnMoNbR正火加回火6-16> 16-365905704404100-475综合以上，选用20R钢板。2.3 圆筒、封头、裙座厚度计算筒体材料