第八章 塔设备的机械设计

第八章塔设备的机械设计

教学重点：板式塔的基本结构和塔设备的应力校核教学难点：风载荷的计算基本结构：塔体：包括筒节、端盖和联接法兰等；内件：塔板或填料及其支承装置；支座：一般为裙式支座；附件：包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。）（一）塔体厚度的计算第一节塔体与裙座的机械设计1、按设计压力计算筒体及封头壁厚（强度）按第四章“内压薄壁圆筒与封头的强度设计”以及第五章“外压圆筒与封头的设计”方法，计算塔体和封头的有效厚度。（二）塔设备所承受的各种载荷计算（稳定性）以下要讨论的载荷主要有：

操作压力；质量载荷；风载荷；地震载荷；偏心载荷。

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）m02------塔内件重量m03------保温层重量m04------平台和扶梯的重量m05------物料重量me-------偏心重量ma-------附件重量（人孔、法兰）mw------充水重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吊装时的最小质量(8-1)(8-2)(8-3)地震载荷当发生地震时，塔设备作为悬壁梁，在地震载荷作用下产生弯曲变形。所以，安装在7度及7度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力，计算出水平地震力，垂直地震力和地震弯矩。塔设备作为悬壁梁，在地震载荷作用下产生弯曲变形。

将质量离散：简化力学模型———多质点体系的悬臂梁发生地震时的受力地震载荷及塔体内力（1）.水平地震力任一段集中质量mk所引起的基本振型水平地震力为：

Fk=α1ηkmkgN式中α1——对应于设备基本自振周期T1的地震影响系数；

ηk——基本振型参与系数；

mk——任一段（第k段）塔体的操作质量。（2）.垂直地震力地震烈度为8度或9度地区的塔设备考虑垂直地震力。垂直地震力的作用点：塔器底截面。计算式：Fv=αvmax·meq．g式中αvmax——垂直地震影响系数最大值，取0.6αmax。

meq——塔器的当量质量，取0.75m0

。3.地震弯距悬臂梁的弯矩：任一质点mk对塔底(0-0截面）的弯矩为：

所有质点（k=1,2,……n)对塔底截面的弯矩和为：对于等直径、等壁厚塔器的底截面地震弯矩为：风对塔体的作用之一是造成风弯矩，在迎风面的塔壁和裙座体壁引起拉应力，背风面一侧引起压应力；作用之二是气流在风的背向引起周期性旋涡，即卡曼涡街，导致塔体在垂直于风的方向产生周期振动，这种情况仅仅出现在H/D较大，风速较大时比较明显，一般不予以考虑。

风载荷

塔的迎风面受到风压载荷，并随高度而增加。将风压按塔的高度离散，任一计算段的风载荷，就假定是集中作用在该段中点的风压合力：（1）.力学模型的简化：风载荷及塔体内力计算步骤

分段（图8-8）选危险截面0—0截面，塔设备的基底截面；

1—1截面，裙座上人孔或较大管线引出孔处的截面；2—2截面，塔体与裙座连接焊缝处的截面。两相邻计算截面间的水平风力

(8-4)式中─塔设备中第i段的水平风力，N；─体型系数,取0.7；─塔设备中第i计算段的风振系数；─风压高度变化系数,按表8-5查取；─各地区的基本风压，N/m2，见表8-4；─塔设备各计算段的计算高度(见图8-8)，mm；

─塔设备中第i段的有效直径，mm

.

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8-8所示）风载荷对基底截面的弯矩：风弯矩

塔设备顶部悬挂有分离器、冷凝器等附属设备，其重力对塔体产生偏心载荷。

偏心载荷引起的弯矩：Me=meg·e

偏心载荷计算

载荷产生的弯矩为：(8-6)─重力加速度，m/s2;式中─偏心距，即偏心质量中心至塔设备中心线间的距离，m；─偏心弯矩，N·m。7.1.2自支撑式塔设备塔体壁厚的确定方法1.塔设备的危险截面：0-0截面——基底；1-1截面——人孔截面；2-2截面——塔体与裙座连接焊缝截面。位于塔体上的危险截面——2-2截面。2.塔体应力组合（2-2截面）组合轴向应力的构成：σ1——介质压力引起的轴向应力；σ2——塔体自重引起的轴向应力；σ3——塔体所受弯矩引起的轴向应力。例如，内压操作的塔设备在2-2截面处的应力组合：位于背风面，组合轴向应力为：σ=σ1-σ2-σ3位于迎风面，组合轴向应力为：σ=σ1-σ2+σ33、塔体稳定校核

计算压力在塔体中引起的轴向应力

重量载荷及垂直地震力在塔体中引起的轴向应力

弯矩在塔体中引起的轴向应力第一筒体轴向应力轴向许用压应力第二其中B为许用轴向压缩应力。和B的确定参见本书第5章。

第三内压塔在停车时和操作时的应力组合：操作时停车时内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在停车情况

外压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在正常操作情况

3.塔体壁厚的确定方法（1）依据内压容器或外压容器壁厚设计方法确定塔体有效壁厚Se1。（2）塔体稳定验算。根据（1）假定一有效壁厚Se2。●计算压力引起的轴向应力：

●自重载荷及垂直地震力引起的轴向应力：●弯矩在塔体中引起的轴向应力：稳定条件：组合轴向压应力要满足：式中K——载荷组合系数，取K=1.2;B——见书p172。4塔体拉应力验算依前述，假设一有效壁厚Se3。计算σ1,σ2,σ3，并进行组合，满足如下强度条件：5水压试验应力验算确定塔壳体试验压力引起的环向应力和轴向应力，验算是否满足强度条件和稳定条件。由试验压力引起的环向应力：水压试验组合轴向应力的确定：由试验压力引起的轴向应力：由液压试验时重力引起的轴向应力：由弯矩引起的轴向应力：液压试验时的强度和稳定性判据：式中K——载荷组合系数，取K=1.2;[σ]cr——许用轴向压应力，塔体壁厚确定方法：(1)根据内(外)计算压力,确定容器设计计算壁厚，确定一有效壁厚Se1;(2)参照Se1，进行稳定性验算，确定一有效壁厚Se2;(3)参照Se2，进行塔体拉应力验算，确定一有效壁厚Se3;(4)取Se1、Se2、Se3中较大者，加上壁厚附加量，并考虑安装运输等对刚度的要求，最终确定塔体壁厚；(5)水压试验验算。8.2裙座设计四个部分：1.座体---承受并传递塔体载荷。2.基础环---将载荷传递到基础上。3.螺栓座---固定塔于基础上。4.管孔---人孔、排气孔、引出管孔。8.2.1裙座结构按所支承设备的高度与直径比，裙座分成两种：一种是圆筒形一种是圆锥形圆筒形裙座：制造方便和节省材料，被广泛采用。圆锥形裙座：地脚螺栓较多和基础环承受面积较大，承受较大风载荷和地震载荷。裙座筒体受载：受到重量和各种弯矩的作用，但不承受压力。应力校核：只校核危险截面的最大轴向压缩应力。

(因为轴向组合拉伸应力总是小于轴向组合压缩应力)2、设计1）座体设计首先参照塔体厚度试取一座体的有效厚度δes，然后验算危险截面的应力。

危险截面位置，一般取裙座基底截面（0－0截面）或人孔处（1－1截面）。如基底为危险截面时应满足下列条件：其中Fv0－0仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。

操作时其中Fv1－1仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。如裙座上人孔或较大管线引出孔处为危险截面时应满足下列条件：2）基础环设计基础环结构：基础环厚度的确定方法：

将座体载荷转化为基础对基础环的均布载荷，计算弯矩载荷，再确定板厚。塔设备的重量，风载荷、地震载荷及偏心载荷引起的弯矩通过裙座筒体作用在基础环上的力。（1）基础环应力分布基础环上受到的力：基础环上的应力：压缩应力始终大于拉伸应力。①基础环尺寸的确定基础环的内、外径一般可以参照下式选取：

Dob＝Dis＋（160～400）（mm）

Dib

＝Dis－（160～400）（mm）②基础环厚度计算操作时或水压试验时，设备重量和弯矩在混凝土基础上（基础环底面上）所产生的最大组合轴向压应力为：基础环的轴向压应力须满足σbmax≤Ra，Ra为混凝土基础的许用应力。

（1）基础环板上无筋板基础环板厚度不小于16mm基础环板厚度不小于16mm（2）基础环板上有筋板基础环厚度求出，应加上壁厚附加量2mm，并圆整到钢板的规格厚度，无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于16mm。3）地脚螺栓⒈作用:a.正确固定塔的位置

b.防止塔在风弯矩或地震弯矩等作用下发生倾倒。⒉计算原则:按拉伸计算→确定n、d⒊计算：

⑴迎风侧地脚螺栓承受的最大应力σB：如σB＜0→则表示塔设备自身稳定不会倾倒,原则上可不设地脚螺栓,但是为了固定设备的位置,

还应设置一定数量的地脚螺栓如σB＞0→则必须安装地脚螺栓并进行计算

③地脚螺栓计算地脚螺栓承受的最大拉应力为：

如果σB≤0，则设备自身足够稳定，为固定设备，设置一定数量的地脚螺栓。如果σB＞0，设备必须安装地脚螺栓，并计算地脚螺栓的螺纹根部的直径d1。计算时可先按4的倍数假定地脚螺栓的数量n，再按下式计算：圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24。4）裙座与塔体的连接①裙座与塔体连接焊缝结构a、对接焊缝②裙座与塔体对接焊缝的验算对接焊缝J－J截面处的最大拉应力：③裙座与塔体搭接焊缝的验算

J－J截面处搭接焊缝的剪应力按下列两式之一验算：一、总体结构第二节板式塔结构1、塔体与裙座结构2、塔盘结构：塔盘板、降液管、溢流堰、紧固件和支承件。3、除沫装置：用于分离气体夹带的液滴，多位于塔顶出口处。4、设备管道：人孔、接管等。5、塔附件：保温圈、吊柱、扶梯、平台等。图8-15板式塔的总体结构一除沫器二、塔盘结构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。整块式塔盘DN≤700mm分块式塔盘DN≥800mm塔盘间距（1）最高一层便于除沫（2）最低一层贮槽作用，保证液体不流空（3）进料层与上一层便于安装塔内附件（4）开人孔的塔盘便于维修和安装结构——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。重叠式组装方式定距管式1、整块式塔盘

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。塔盘与塔体之间的间隙，以软填料密封并用压圈压紧,见图7-43。高度随塔径增加。塔径DN=300～500mm时，塔节高度L=800～1000mm；塔径DN=600～700mm时，塔节高度L=1200～1500mm。为方便安装，每个塔节中的塔盘数为5-6块。1—塔盘板2—降液管3—拉杆4—定距管5—塔盘圈6—吊耳7—螺栓8—螺母9—压板10—压圈11—石棉绳图8-17定距管式塔盘结构图7-44重叠式塔盘结构

1—调节螺栓2—支承板

3—支柱4—压圈

5—塔盘圈6—填料

7—支承圈8—压板

9—螺母10—螺柱

11—塔盘板12—支座重叠式塔盘2、分块式塔盘

在直径较大的板式塔中，为了安装检修和增大塔板的刚度，将整块塔盘分为若干块，这种塔盘称分块式塔盘，根据装配的位置不同可分为：矩形板、弓形板和通道板三种。安装时由人孔将各块板送入塔内，拼装在焊于塔壁上的支撑圈上。图2-30分块式塔盘结构1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；2）对碳钢，塔板厚3~4mm，不锈钢2~3mm，塔径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚度出发，仍要分块；3）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。与整块式的区别

分块式：无塔盘圈，有支持圈(支持板)，无密封结构整块式：有塔盘圈，无支持圈(支持板)，有密封结构塔盘板结构

主要有自身梁式和槽式。图8-18塔盘板结构通道板——①目的:便于塔内清洗和维修,使人能进入各层塔盘②位置:a.在塔盘板接近中央处设置

b.各层通道板在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。

c.也可用一块塔盘板代替图7-48分块式塔盘的组装结构1—出口堰2—上段降液板3—下段降液板4—受液盘5—支撑梁6—支撑圈7—受液盘8—入口堰9—塔盘边板10—塔盘板11—紧固件12—通道板13—降液板14—出口堰15—紧固件16—连接板通道板塔盘连接的紧固方式椭圆垫板及螺柱:装拆迅速方便,常用不锈钢。楔形紧固件1—卡板2—椭圆垫板3—圆头螺钉4—螺母图7-52卡子的组装结构3、塔盘的支承对直径不大的塔（＜2000mm)，塔盘的支承一般用焊在塔壁上的支持圈对直径较大的塔（＞2000~3000mm），需支承梁结构。第三节填料塔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、液的进出口等部件组成。开发多种形式、规格和材质的高效，低压降，大流量的填料。(2)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。(4)蒸馏过程的模拟。科技前沿基本特点图8-20填料塔一、喷淋装置要求：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。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。1、喷洒型

管式喷洒器环管多孔喷洒器

莲蓬头喷洒器

管式喷洒器

DN≤300mm，可选用管式喷洒器，通过填料上的进液管（直、弯或缺口）进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较小且不均匀。图8-21管式喷洒器环管多孔喷洒器

DN≤1200mm，可选用单环管多孔喷洒器，结