石油化工过程系统概论 第八章

第八章塔设备的机械设计第一节概述目录第四节辅助装置及附件第二节板式塔结构设计第三节填料塔结构设计第五节塔的强度和稳定性计算简介二、塔设备机械设计的基本内容一、塔设备机械设计的基本要求第一节概述

本阶段的设计，既要满足工艺要求，又要满足机械要求，确保塔设备安全高效生产。

塔设备机械设计的基本要求：1.满足强度要求，防止外力下的破坏2.满足刚度要求，防止在操作、运输、安装过程中发生不允许的变形。3.满足稳定性要求，防止失稳破坏4.耐久性5.密封性，保证安全生产。6.结构简单，节省材料，便于制造、运输、安装、维修等一、塔设备机械设计的基本要求

塔设备机械设计的基本内容：

1.塔设备的结构设计2.设备的材料选取3.塔设备的强度和稳定性计算4.设备零部件的设计选用5.绘制总装配图和零部件图6.编写设计说明书二、塔设备机械设计的基本内容二、塔盘的机械计算一、塔盘第二节板式塔结构设计三、塔盘构件的最小厚度四、塔节简介思考：板式塔结构由哪些部分组成？筒节封头连接法兰塔盘支承装置裙式支座除沫器人孔、手孔平台、扶梯吊柱保温层板式塔常用塔体内件支座附件一、塔盘思考：塔盘由哪些结构组成？

整块式塔盘：D<800mm分块式塔盘:D>800mm塔盘在结构方面要求：1.有一定的刚度以维持水平2.塔盘和塔壁之间应有一定的密封性，以避免气液短路。3.塔盘应便于制造、安装、维修4.制造成本低塔盘分类看书P390~394，思考：1.塔盘圈采用角焊结构时如何减小焊接变形？2.图9-3、9-4中塔盘圈分别属于哪种结构？3.定距管支承结构中定距管的作用？4.为何在塔盘上要采用密封结构？5.图9-5（b）中采用多个密封圈的作用是什么？看懂图9-3、9-4的结构（一）整块式塔盘1.塔盘圈结构：角焊结构、翻边结构优点：塔盘制造方便缺点：焊接变形可能引起塔板不平，故需要采取必要的措施，减小焊接变形（1）角焊结构（2）翻边结构由塔板直接翻边构成塔圈可避免焊接变形。塔盘圈高度h1一般取70mm，但不得低于溢流堰的高度。2.整块式塔盘的支承结构定距管的作用：支撑塔盘，保持塔盘间距。（1）定距管式支承结构用定距管和拉杆把塔盘紧固在塔节内的支座上。定距管式支承结构重叠式支承结构优点：结构简单、装拆方便思考：此结构中拉杆、定距管如何安装？（2）重叠式支承结构1.每一塔节下部焊有一组支座1，底层塔盘安装在支座上，然后依次装入上一层塔盘。2.每层塔盘的间距由焊在塔盘上的支柱9和支撑板10定位，并用调节螺钉11调整塔盘的水平度优点：塔盘的水平度可以通过调节螺栓逐层调节。但人需进入塔内，故此结构适用于直径≧700mm的塔重叠式支承结构3.塔盘的密封结构由填料、压圈、压板、螺栓、螺母组成思考：为何要采用密封结构？密封填料：Φ10～Φ12mm的石棉绳，放置2～3层4.降液管的结构弓形、圆形（液相负荷较小时采用）图9-6整块式塔盘的弓形降液管结构弓形降液管结构：平板+弧形板降液管处的液封，由下层塔盘的受液盘保证；但最下层塔盘的降液管的末端应设置液封槽，如P304图9-7。5.塔节长度受塔径、塔盘支承结构和塔盘安装等因素影响。定距管支承结构中：塔节受塔径、拉杆长度和塔盘数的限制，一般每个塔节内的塔板数不超过5~6块。其尺寸选择见表9-2对于重叠式塔盘：塔节长度不受限制（二）分块式塔盘

采用分块式塔盘原因：1.工艺上，塔盘过大，分液不均匀2.塔盘过大，刚度较差，受介质压力、重量等作用易形成弧形；3.塔径过大，安装时水平度不好4.人孔尺寸大小的限制，要求塔盘要分块分块式塔盘的塔体是焊制的整体圆筒，不分塔节。按塔径大小，可分为单流塔盘、双流塔盘和多流塔盘。1、设计注意事项（1）塔盘板的分块宽度由人孔尺寸、塔板结构强度、开孔排列的均匀对称性等因素决定，其最大宽度以通过人孔为宜。（2）内部通道板最小尺寸为300×400mm，通道板应容易装拆。（3）塔内所有可拆件的外形尺寸均应保证能从人孔通过。（4）单件质量不应超过30kg.2.塔盘板的结构平板式：制作方便，但需在塔内设置支承梁，使有效传质面积减少，钢材消耗增加自身梁式、槽式：结构简单，自身的折边起到了支承梁作用，增加了刚性。（a）平板式（b）（c）自身梁式（d）槽式3.降液管结构降液管可分为固定式和可拆式两种。(1)固定式降液管适用场合：适用于物料洁净、不易聚合的场合

优点：结构简单，制造方便。缺点：不能对降液板进行校正调节，也不便于检修清理。（2）可拆式降液管适用场合：物料易于聚合、堵塞的情况下结构：上降液板、可拆降液板、连接板4.受液盘结构有平形和凹形两种形式1-入口堰；2-筋板；3-受液盘；4-降液板；5-塔盘板；6-塔壁适用场合：物料易聚合（1）平形受液盘入口堰的作用：（1）减小液体对塔盘的水平冲击（2）保证液封。思考：筋板的作用？（2）凹形受液盘优点：保证良好的液封；减少对塔盘入口区的冲击作用。5.溢流堰结构有平直堰，齿形堰和可调节堰三种。（1）平直堰液体溢流量大时，可采用平直堰。（2）齿形堰当液体流量小，堰上溢流高度小于6mm时，为避免液体流动不均，应采用齿形堰。（3）可调节堰既可调节溢流堰堰高，又可调整堰顶的水平度6.塔盘的支承结构与紧固件（1）塔盘的支承结构塔径较小时:可通过支持圈、支持板、降液板和受液盘支承，如下图。1-入口堰；2-筋板；3-受液盘；4-降液板；5-塔盘板；6-塔壁塔径较大时：一端放在支持圈上，另一端支在梁上，如图9-8、9-9（2）塔盘紧固件是组装分块式塔盘的连接构件，用于塔盘之间的连接，塔盘板与支承圈、支承板、受液盘或支承梁，以及降液板与支持板之间的连接。常用紧固件有螺纹、螺纹卡板、楔卡等结构。(1)螺纹紧固件：可用于塔盘板之间的连接，以及塔盘板与支持圈之间的连接a.塔盘之间上可拆的螺纹连接b.塔盘板之间下可拆的螺纹连接。c.塔盘板间双面可拆的螺纹连接。塔盘板1塔盘板2液体通过分布盘上方的中心管加入盘内的，中心管口距围环上缘50--200mm。为使盘上液体稳定，对直径较大的塔须增设进液缓冲管。如图9-34（1）不可调式盘式孔流型液体分布器的支承结构不可调式可调式（2）可调式特点：可调节盘面水平度，但结构复杂。1.液体分布器在加工和安装时，应保持盘面水平，否则易造成布液不均。2.安装位置在距填料上表面150~300mm处，以留有足够的气体释放空间。注意：4.槽式溢流型装置（2）支承结构：a.不可拆式：各分槽与支撑圈焊接连接；主槽与分槽焊接连接b.可拆式：螺栓连接（1）组成主槽（开溢流孔）；分槽1.截锥式液体再分布器二.液体收集及再分布装置2.盘式液体再分布器盘式液体再分布器常与气体喷射式支承板配合使用1.栅板型支承装置填料支承栅板是最常用、结构最简单的填料支承装置。它是用扁钢条和扁钢圈焊接而成。三、填料支承装置（1）栅板形式塔径≤800mm时，采用整块式栅板；塔径>800mm时，采用分块式栅板，每块的宽度为300～400mm；当塔径≥900mm时，为增加栅板的刚度，须加设上、下连接板，如图9-42（2）栅板的安装结构将它放置在焊接于塔壁的支持圈上。直径大于1000mm的塔，支持圈还需要用支持板来加强。塔径超过2000mm,则应加中间支承板。栅条强度计算：简化为简支梁，作用于栅条上的总载荷为：P=PP+PL式中：P——栅条总载荷，

PP——栅条上填料重量，N

H——填料层高度，m

L——栅条长度，m

t——栅条间距，m

γp——填料堆积密度，kg/m3

PL——填料层持液量，N对颗粒填料PL=3.43HLtγL

对丝网填料P=0.49HLtγL

γL——液体的密度，kg/m3

由于栅条上填料负荷分布的不均匀，为安全起见，假定：抗弯截面模量:弯曲应力校核为:栅条高度:式中

s——栅条厚度，m

h——栅条高度，m

C——腐蚀余量，m

σ——弯曲应力，Pa

[σ]——许用应力，Pa2.气体喷射式支承板目前常用的是驼峰式支承装置。这种支承板是目前性能最好的散装填料支承装置，适用于直径1200mm以上的大塔。驼峰式支撑板由若干个单体梁组成，单体梁之间的连结方式有：内联式和外联式当塔径很大，或需要增加支撑板的承载能力时，可增设工字钢主梁作为支撑梁（一)填料压板设计要点：1.填料压板直接置于填料层上，无须固定于塔壁，凭借自身重量限制填料的运动；2.压板的重量要适当，既能压住填料，又不至于压碎填料，重量一般为1100N/m2左右：3.压板具有高的自由截面，空隙率应大于70%。四、填料压板和床层限制板（1）栅条压板结构和尺寸可参照支承栅板，但重量需满足压板的要求。（2）丝网压板由金属网和扁钢圈焊接而成。钢圈外缘的限制台肩与焊在塔壁上的限制板配合，以控制压板的上限位置。

（二）床层限制板床层限制板重量很轻，因此需固定在塔壁上。二、进出料接管一、丝网除沫器的结构第四节辅助装置及附件三、裙座一、丝网除沫器的结构组成：丝网层、上下栅板优点：比表面积大、重量轻、孔隙率大、除沫效率高。适用场合：适用于洁净的气体，不宜用于液滴中含有或易析出固体物质的场合。丝网除沫器按其安装形式分为：升气管型、缩径型、全径型（1）升气管型用于除沫器直径较小且与气体出口管直径接近时。思考：如何安装？（2）缩径型丝网除沫器用于除沫器直径小于且接近设备筒体内径时。（3）全径型丝网除沫器用于除沫器直径等于设备筒体内径时。二、进出料接管设计原则：根据进料状态、分布要求、物料性质、塔内件结构及安装检修等情况进行选择。1.进料管和回料管（1）进料管有直管和弯管结构形式。根据物料性质的不同可分别采用可拆式结构和不可拆式结构。

T型进料管，由主管和支管组成的等径三通管。分为A型和B型两种2.塔底出料管塔底出料管一般需要引出裙座外壁。当塔釜物料易堵或具有腐蚀性时，为便于检修，塔底出料管应采用法兰连接。思考：筋板的作用是什么？在塔底出料的管口处，常设置防涡流挡板和防碎填料堵塞挡板。3.气体进出口管（1）气体进口管

进气管安装位置，应在塔釜最高液面之上的一定距离，以免产生冲溅、夹带现象。(a)、(b)结构简单，用于气体分布要求不高的场合。(c)常用于直径较大的塔中。（2）气体出口管思考：挡板的作用？裙座的结构形式有：

圆筒形、圆锥形三、裙座1.裙座与塔体的连接形式可采用对接接头和塔接接头的形式。2.引出孔引出孔的加强管上，一般应焊有支撑板，支持板与引出管之间应预留有间隙，应考虑热膨胀的需要。二、设计计算公式一、计算步骤第五节塔的强度和稳定性计算简介三、设计计算用图表四、设计示例

塔的强度和稳定性计算的目的：确定出塔体、封头、裙座的壁厚，并使其满足强度和稳定性条件，以保证塔设备的安全性和可靠性一、计算步骤

塔设备的强度和稳当性计算的步骤：1.按计算压力确定筒体、封头的有效壁厚Se和Seh;2.根据塔设备的设置地区和各种工况状态，选取若干计算截面，计算各种载荷；3.设定