《过程设备设计》课件-7.塔设备

7塔设备《过程设备设计》目录7.1塔设备的作用与分类7.2填料塔与板式塔简介7.3塔设备的选型7.4塔设备的设计7.5塔设备的振动塔设备的作用与分类1石化装置中的塔林重要的单元操作设备。实现气（汽）—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。石油化工、煤化工、医药、食品等行业有广泛应用。例如，在炼油和煤化工中，塔设备投资占所有工艺设备总投资的34.85%；在30万吨乙烯装置中，塔设备所占的质量比例高达25.3%。7.1塔设备的作用与分类（1）塔设备作用甲醇酒精回收塔按操作压力最常用的分类方法加压塔常压塔减压塔按单元操作精馏塔吸收塔萃取塔干燥塔按内件结构填料塔板式塔（2）塔设备分类填料塔与板式塔简介2填料塔为连续(或称微分)接触式的气液传质设备。在圆筒形的塔体内部，分段装有若干段填料，填料堆积于支撑装置上。液体由塔顶入口管进入分布器，均匀喷淋在填料表面上并在重力作用下向下流动，气体在压强差的推动下，由支承板下方气体入口管进入塔内，通过填料间的空隙由塔的顶部排出。填料塔内气液两相呈逆流流动，气体和液体在填料表面上进行传质和传热，两相的组成沿塔高连续变化。简图1简图27.2填料塔与板式塔简介（1）填料塔返回返回填料塔结构简图板式塔称为逐级(板)接触式的气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干块按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，液体靠重力作用由上层塔板经降液管流至下层塔板，最后由塔底流出；气体靠压强差推动，逐板由下向上穿过筛孔及板上液层而流向塔顶。气体通过每层板上液层时，形成气泡与液沫，泡沫可为两相接触提供足够大的相际接触面，有利于相间传质。简图2简图1（2）板式塔7.2填料塔与板式塔简介返回板式塔结构简图板式塔返回板式塔无论是填料塔还是板式塔，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。7.2填料塔与板式塔简介（2）塔设备的结构塔体即塔设备的外壳.常见的塔体由等直径、等壁厚的筒体及上下封头组成；对于大型塔设备，为了节省材料也有采用不等直径、不等壁厚的塔体。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、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、刚度要求。7.2填料塔与板式塔简介塔体支座是塔体与基础的连接结构，它必须保证塔体坐落在确定的位置上进行正常的工作。由于塔设备较高、质量较大，且又要承受各种动载荷，为保证足够的强度及刚度，通常采用裙式支座。裙座形式根据承受载荷情况不同，可分为圆筒形和圆锥形两种7.2填料塔与板式塔简介支座接管用于连接工艺管线，使塔设备与其它相关设备相连接。按其用途可分为进液管、出液管、回流管、进气管、出气管、侧线抽出管、取样管、仪表接管、液位计接管等。为满足安装、检修、检查等需要，往往在塔体上设置一定数量的人孔或手孔。7.2填料塔与板式塔简介接管人孔及手孔主要用于捕集夹带在气流中的液滴，通常安装在液体分布器的上方。常用的除沫装置有折流板除沫器、旋流板除沫器及丝网除沫器等。折流板除雾器旋流板除雾器7.2填料塔与板式塔简介除沫器安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。7.2填料塔与板式塔简介吊柱目录7.1塔设备的作用与分类7.2填料塔与板式塔简介7.3塔设备的选型7.4塔设备的设计7.5塔设备的振动塔设备的选型1两者塔内的传质机理不同：板式塔属于逐级接触逆流操作，其传质是通过上升的气体穿过塔板，与塔板上的液体接触来实现，传质通常只发生在塔板上，塔板提供稳定的液池。填料塔属于连续接触逆流操作，液体靠重力沿填料表面下降，与上升的气体接触，从而实现传质，填料提供所需的传质面积；填料充满塔内的有效空间，空间利用率很高。由于板式塔和填料塔的传质机理不同，从而导致两者的性能有较大的差异。7.3塔设备的选型（1）填料塔与板式塔的传质机理比较

填料塔板式塔塔径适宜于大、小塔径的塔，但对大塔要解决液体再分布问题一般推荐使用于塔径大于800mm的大塔压力降压力降小，较适于要求压力降小的场合压力降一般比填料塔大空塔气速（生产能力）空塔气速较大空塔气速大塔效率分离效率较高，塔径φ1.5m以下效率高，塔径增大，效率常会下降效率较稳定，大塔板效率比小塔板有所提高液气比对液体喷淋量有一定要求适用范围较大持液量较小较大安装、检修较困难较容易材料可用非金属耐腐蚀材料一般用金属材料造价φ800mm以下，一般比板式塔便宜，直径增大，造价显著增加直径大时一般比填料塔造价低重量较重较轻(2)填料塔与板式塔的性能比较塔型项目●易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。●具有腐蚀性的介质，可优先选用填料塔。●黏性较大的物系，可以选用大尺寸的填料。

●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；不宜使用填料塔。●大的液体负荷，可选用填料塔；而低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。●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。

(3)填料塔与板式塔选型一般原则●对于多数情况，塔径小于800mm时，宜优先选用填料塔；若是大塔径，对加压或常压操作过程，应优先选用板式塔；对于减压操作过程，宜采用新型填料塔。●若气相传质阻力大(即气相控制的系统，如低黏度液体的蒸馏，空气增湿等)，宜选用填料塔，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CO2等)，宜选用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体在液层中鼓泡。(3)填料塔与板式塔选型一般原则塔设备的设计2由于在正常操作、停工检修、压力试验等三种工况下，塔所受的载荷并不相同，为保证塔设备安全运行，必须校核三种工况下塔的轴向强度和稳定性。轴向强度及稳定性校核的基本步骤为：1)按设计条件，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、基础环板、地脚螺栓等。设计工况7.4塔设备的设计●内压或外压●液柱静压力●容器自重(包括内件和填料)以及正常操作条件下或试验状态下内装物料的重力载荷●附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷●风载荷●地震载荷●偏心载荷等(1)设计时应考虑的载荷●内(或外压)产生环向应力和轴向拉(压)应力。●质量载荷产生轴向压应力。●风载荷产生弯曲应力，迎风面拉应力，背风面压应力。●地震载荷作用下，可产生水平方向振动、垂直方向振动、扭转，其中以水平方向振动危害较大；塔设备计算仅考虑水平地震力。●偏心载荷等引起轴向压应力和轴向弯矩。(2)各类载荷受力分析塔设备属于高耸结构。在压力较低时，风载荷或地震载荷就成为塔设备安全运行的主要载荷。通常，在相同的风载荷与地震载荷条件下，塔器的高度越高，高度与直径之比(高径比)越大，壳体的弯曲应力也越大；低矮或高径比较小的塔器，壳体中的弯曲应力不会太大，这类塔器的壁厚大多数取决于压力载荷或最小壁厚。为减少设计计算工作量，规定当高径比H/D大于5的塔设备必须考虑风载荷和地震载荷，否则只要考虑地震载荷的底部剪切力。(3)载荷计算●基本风压是风载荷的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上10m高度处10min最大平均风速观测数据，经概率统计得出50年(原GBJ17-1998为30年)一遇最大风值确定的风压。●各地区的基本风压值查GB50009-2006，但均应不小于300N/m2。●平均风速随高度而增大，基本风压是根据10m高度处确定的。当塔高超过10m，应分段计算风载荷，视离地面高度的不同乘以风压高度变化系数fi。●一般习惯自地面起每隔10m一段。(4)风载荷风载荷计算图●基本烈度是指一定期限内(50年)，一个地区可能遭遇到的最大烈度。●设防烈度是按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。我国的抗震设防烈度分为6、7、8、9四个烈度级别。●地震设防烈度7度及以上地区，塔设备设计时必须考虑地震载荷，设防烈度一般情况下等于基本烈度。●通常设计时，不同时考虑风载荷和地震载荷。(5)地震载荷地震载荷可以分解为三个平动分量和三个转动分量。转动分量实测数据很少，一般不予考虑。地面水平方向（横向）的运动会使设备产生水平方向的振动，危害较大。垂直方向较小，一般只有在地震烈度为8度或9度地区的塔设备才考虑纵向振动的影响。所谓地震力是地震时地面运动对于设备的作用力。对于底部刚性固定在基础上的塔设备，如将其简化成单质点的弹性体系，则（水平）地震力即为该设备质量相对于地面运动时的惯性力。塔设备是一多质点的弹性体系，具有多个震型。根据震型叠加原理，可将多质点体系的计算转换为多个单质点体系相叠加。单质点体系的地震力多质点体系的地震力确定最大弯矩时，偏保守地假设风弯矩MW、地震弯矩ME和偏心弯矩Me同时出现，且出现在塔设备的同一方向。但考虑到最大风速和最高地震级别同时出现的可能性很小，在正常操作或停工检修工况时，取计算截面处的最大弯矩为：水压试验时，取最大弯矩为：塔设备最大弯矩对正常操作、停工检修及压力试验等工况，分别计算各工况下相应压力、重量和垂直地震力、最大弯矩引起的筒体轴向应力，再确定最大拉伸应力，并进行强度和稳定性校核。(1)内压或外压在筒体上引起的轴向应力σ1

(2)重力及垂直地震力在筒体上引起的轴向压应力σ2筒体轴向应力筒体的强度和稳定性校核(3)最大弯矩在筒体上引起的轴向σ3

——计算截面I-I处的最大弯矩，N.m

——计算截面I-I处的抗弯截面模量，筒体轴向应力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，对许用拉伸和压缩应力引入载荷组合系数K，并取K=1.2在压力实验工况下，轴向拉伸应力用（液压实验）或限制（气压实验）。轴向压缩应力用和KB中的较小值限制。轴向应力校核条件在正常操作和停工检修工况下，轴向拉伸应力用限制。轴向压缩应力用

和KB中的较小值限制。B为许用轴向压缩应力。设计压力较低且地震载荷与风载荷较小的塔设备，按公式计算所得的壁厚很薄，往往会给制造和运输、吊装带来困难。为此，对塔体规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度δmin。碳素钢、低合金钢制的塔体，δmin不小于2Di/1000，且不小于3mm；高合金钢制的塔体，δmin不小于2mm。

此外，裙座壳的名义厚度不应小于6mm。(6)关于塔设备的最小厚度压力试验方法由于塔设备高度较高，制造完毕进行首次水压试验时，无法直立施压，大多采用卧式放置施压。耐压试验一般应选用液压试验。塔设备卧置进行液压试验时，必须对塔体进行必要的支撑，以防止过大的弯曲变形。卧置液压试验时，试验压力应计入试验介质的液柱静压力。(7)关于压力试验耐压试验

液压试验气压试验耐压试验压力(内压、卧置)塔设备的振动3随着大型化工企业的兴起与发展，高径比大的塔器数量逐渐增多，塔振动的事故也逐年增多。1994年6月下旬，天津十四万吨乙烯工程中的高75米、重115吨的乙烯精馏塔，每逢刮四级风时，在与风垂直的方向上，会剧烈摇晃，塔顶振幅达到0.5米之多，并伴随着很大的响声。据不完全调查：近十年来，我国吉林、山东、盘锦、兰州等地的化工厂都曾发生大型精馏塔振动的事故，塔顶振幅最大的一次达到1.4米！由于各个塔的固有频率不同，振动时的风力，有的高达8级，有的仅3、4级。塔体产生持续的剧烈振动，轻者使塔产生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，影响塔设备的正常操作，重者可致使塔设备严重破坏，造成事故。如果遇到更大的风力，发生高振型的振动，危害性就更大了。风的诱导振动7.5.1风的诱导振动当风以一定的速度绕流圆柱形的塔设备时，将在两个方向上产生振动。一种是顺风向的振动，振动的风向与风的流向一致；另一种是横风向的振动，振动的方向与风的方向垂直，也称风的诱发振动。在一定速度范围内，风在圆柱形的塔设备背后的两侧周期性交替地形成旋涡并以相当确定的频率从柱体表面上脱落，在尾流中有规律地交错排列成两行，这就是通常所说的卡曼旋涡（见右图）。当旋涡的频率等于或接近塔设备固有频率时，便会产生共振，这便是风诱发的振动。诱导振动的流体力学原理安装在室外的圆柱形设备一般同时存在顺风向和横风向振动，而横风向风振往往不容忽视，甚至可能占到主导地位，比如：1972年上海一座高烟囱在台风中实测横风向位移比顺风向大得多。历史上曾因风诱发振动而造成灾难性的事故。位于美国塔珂玛海峡上跨长853米的大悬桥，在19米/秒的风速下，只经历1小时，便断裂坠毁。从五十年代至今，美、英、日、德、加、荷、捷等国都曾相继发生高耸的圆柱形设备，如塔设备、烟囱、电视塔、灯柱等剧烈振动甚至破坏的事例。在大海中，障碍物在共振时受到的侧向力比空气中的要大得多。正因如此，位于美国新泽西洲的一座近海石油钻井平台葬入大海。从潜艇潜望镜里看到的目标也将因镜杆的振动变得模糊不清。从卫星拍摄的照片上还