第5章 塔设备设计

49第5章塔设备设计5.1塔设备的分类和总体结构5.1.1塔设备的分类塔设备的分类方法很多。按单元操作可分为精料塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔等；最常用的是按塔的内件结构分为板式塔(图5-1)和填料塔(图5-2)两大类。板式塔和填料塔的特点见表5-l。表5-1塔的主要类型及特点类型板式塔填料塔结构特点塔内设置有多层塔板每层板上装配有不同型式的气液接触元件，如泡罩、浮阀等塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等填料为气液接触的基本元件操作特点气液逆流逐级接触微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作设备性能空塔速度（亦即生产能力）高效率稳定压力降大液气比的适应范围大持液量大空塔速度（亦即生产能力）低小塔径、小填料的塔效率高。直径大效率低压力降小要求液相喷淋量较大持液量小制造与维修直径在600mm以下的塔安装困难检修清理容易金属材料耗量大造价比板式塔便宜检修清理困难可采用非金属材料制造适用场合处理量大操作弹性大带有污垢的物料处理强腐蚀性物料液气比大真空操作要求压力降小5.1.2塔设备的总体结构塔设备的总体结构均包括：塔体、内件、支座及附件。塔体是典型的高大直立容器，多由筒节、封头组成。当塔体直径大于800mm时，各塔节焊接成一个整体；直径小的塔多分段制造，然后再用法兰连接起来。内件是物料进行工艺过程的地方，由塔盘或填料支承等件组成。支座常用裙式支座。附件包括人、手孔，各种接管、平台、扶梯、吊柱等。50图5-1板式塔1—吊柱；2—排气口；3—回流液入口；4—精馏段塔盘；5—壳体；6—进料口；7—人孔；8—提馏段塔盘；9—进气口；10—裙座；11—排液口；12—裙座人孔图5-2填料塔1—吊柱；2—排气口；3—喷淋装置；4—壳体；5—液体再分配器；6—填料；7—卸填料人孔；8—支撑装置；9—进气口；10—排液口；11—裙座；12—裙座人孔5.2塔设备设计的内容和步骤5.2.1塔设备设计的内容塔设备设计包括工艺设计和机械设计两方面。本课程设计是把工艺参数、尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对塔设备进行强度、刚度和稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行结构设计。塔设备设计任务书内容和格式常按表5-2。51表5-2塔设备设计任务书简图与说明比例设计参数及要求工作压力，MPa1.0设计寿命设计压力，MPa1.1填料形式、规格、容积工作温度，℃170填料的密度，kg/m3设计温度，℃200填料的堆积方式介质名称浮阀（泡罩）规格/个数介质密度，kg/m3800浮阀（泡罩）间距，mm传热面积，m2保温材料厚度，100基本风压，N/m2400保温材料密度，kg/m3300地震基本烈度8塔盘上存留介质层高度100场地类别Ⅱ壳体材料16MnR塔形内件材料塔板数目70裙座材料Q235-A塔板间距偏心质量4000腐蚀速率偏心距2000接管表符号公称尺寸DN连接面形式用途符号公称尺寸DN连接面形式用途a1.2人孔g100突面回流口b1.232突面温度计h1~425突面取样口c450突面进气口i1，215突面液面计d1.2100突面加料口j125突面出料口e1.225突面压力计k1~8450突面人孔f450突面排气口条件内容修改修改标记修改内容签字日期修改标记修改内容签字日期备注单位名称工程名称设计项目条件编号设备图号位号/台数提出人日期5.2.2塔设备设计的步骤在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行塔设备的机械设计。525.2.2.1进行强度、刚度和稳定性计算包括如下内容：○1了解设计条件；○2选材；○3按设计压力计算塔体和封头壁厚；○4塔设备质量载荷计算；○5风载荷与风弯矩计算；○6地震载荷与地震弯矩计算；○7偏心载荷与偏心弯矩计算；○8各种载荷引起的抽向应力；○9塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核；○10塔体水压试验和吊装时的应力校核；○11基础环设计；○12地脚螺栓计算。5.2.2.2进行结构设计(1)板式塔结构设计内容如下：①塔体与裙座结构；②塔盘结构是板式塔的主要结构部分，包括塔盘板，降液管，溢流堰，紧固件和支承件等；③除沫装置，用于分离气体中夹带的液滴，多位于塔顶出口处；④设备接管，包括用于安装、检修塔盘的人(手)孔，气体和物料进出口的接管，以及安装化工仪表的接管等；⑤塔附件，包括支承保温材料的保温圈，吊装塔盘用的吊柱以及扶梯、平台等。(2)填料塔结构设计内容如下：①塔体与裙座结构；②喷淋装置；③液体再分布器；④填料支承结构；⑤塔附件。5.3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。5.3.1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。53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。①根据GBl50-1998相应章节或参考文献1第十一章，按压力确定圆筒有效厚度e及封头的有效厚度eh；②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ei与裙座有效厚度es。应满足eie，6mmes；③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。5.3.2质量载荷塔设备的操作质量000102030405(kg)aemmmmmmmmm：（5-1）塔设备的最大质量maxmax0102030405(kg)aemmmmmmmmm：（5-2）塔设备的最小质量minmin0102030405(kg)0.2aemmmmmmmmm：（5-3）式5-3中的0.2m02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m04。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。54表5-3塔设备设计计算常用符号及说明符号符号说明符号符号说明B系数，按GB150相关章节，MPa01m壳体和裙座质量，kgDi塔设备壳体内直径，mm02m内件质量，kgDib基础环内直径，mm03m保温材料质量，kgDO塔设备壳体外直径，mm04m平台、扶梯质量，kgDOb基础环外直径，mm05m操作时塔内物料质量，kgDOS裙座壳体外直径，mmim塔设备第i段的操作质量，kgdO塔顶管线外径，mmkm距地面hk处的集中质量（见图5-4），kge偏心质量重心至塔设备中心线的距离，mmeqm塔设备的当量质量，取meq=0.75mo，kgE设计温度下材料的弹性模量，MPaI-IE1M任意计算截面I-I处的基本振型地震弯矩，N.mmfi风压高度变化系数，按表5-7选取0-0E1M底截面0-0处的地震弯矩，N.mm00VF塔设备底截面处的垂直地震力，NI-IWM任意计算截面I—I处的风弯矩，N.mmIIVF塔设备任意计算截面I—I处垂直地震力，N0-0WM底截面0-0处的风弯矩，N.mmKIF集中质量km引起的基本振型水平地震力，NI-ImaxM任意计算截面I—I处的最大弯矩，N.mmg重力加速度，取g=9.81m/s20q基本风压值，N/m2H塔设备高度，mmb基础环计算厚度，mmHi塔设备顶部至第i段底截面的距离，mme圆筒的有效厚度，mmhit塔设备第i段顶截面距地面的高度，mmeh封头的有效厚度，mmhi塔设备第i段集中质量距地面的高度，mmes裙座的有效厚度，mmIi、Ii-1第i段、第i-1段的截面惯性矩，mm4n圆筒的名义厚度，mmK载荷组合系数，取K=1.2nh封头的名义厚度，mmK1体形系数，取K1=0.7ns裙座的名义厚度，mmK3笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3=400mmps管线保温层厚度，mmK4操作平台当量宽度，mmsi塔设备第i段保温层厚度，mmil第i计算段长度（见图5-7），mm1由内压和外压引起的轴向应力，MPa0l操作平台所在计算段的长度，mm2重力及垂直地震力引起的轴向应力，MPaam人孔、接管、法兰等附属件质量，kg3最大弯矩引起的轴向应力，MPaem偏心质量，kg试验压力引起的周向应力，MPa0m塔设备操作质量，kgcr设计温度下圆筒的许用轴向压应力，MPawm液压实验时，塔设备内充液质量，kg试验介质的密度（用水时γ=0.001kg/m3）表5-4塔设备零部件质量载荷估算表名称笼式扶梯开式扶梯钢制平台圆泡罩塔盘舌形塔盘质量载荷40kg/m15~24kg/m150kg/m2150kg/m275kg/m2名称筛板塔盘浮阀塔盘塔盘填充液保温层瓷环填料质量载荷65kg/m275kg/m270kg/m230kg/m700kg/m5.3.3自振周期分析塔设备的振动时，一般情况下不考虑平台与外部接管的限制作用以及地基变形的影响，而将塔设备看成是顶端自由，底端刚件固定，质量沿高度连续分布的悬臂梁。其基本震型的自振周期1()Ts按式(5-4)计算：301390.3310eimHTHED（5-4）5.3.4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。555.3.4.1水平地震力任意高度hk处的集中质量mk引起的基本振型水平地震力Fk1按式(5-5)计算：111KZkkFCmg，N（5-5）式中ZC----综合影响系数，取ZC＝0.5；km----距地面hk处的集中质量(见图5-4)，kg；1-----对应于塔设备基本自振周期1T的地震影响系数值；------地震影响系数，查图5-5。图中的曲线部分按式(5-6)计算，但不得小于0.2max；0.9maxgTT（5-6）max--地震影响系数的最大值，见表5-5；gT-----各类场地土的特征周期，见表5-6；1k----基本振型参与系数；1.51.51131nkiiikniiihmhmh（5-7）图5-4水平地震力计算简图图5-5地震影响系数α表5-5地震影响系数最大值设计烈度789max0.230.450.90表5-6场地土的特征周期Tg场地土近振远振场地土近振远振Ⅰ0.20.25Ⅲ0.40.55Ⅱ0.30.4Ⅳ0.650.855.3.4.2垂直地震力地震烈度为8度或9度地区的塔设备还应考虑向上和向下两个方向垂直地震力作用，见图5-6。塔设备底截面处的垂直地震力00VF按式(5-8)计算：00maxVveqFmg（5-8）式中maxv-垂直地震影响系数最大值，取maxv=0.65max；56eqm---塔设备的当量质量，取eqm＝0.750m，kg。任意质量i处垂直地震力I-IVF按式(5-9)计算：I-I00iiVVnkkkimhFFmh（i=1,2，……n）（5-9）5.3.4.3地震弯矩塔设备任意计算截面J—J处基本振型地震弯矩M旨，按式(5-10)计算111nIIEkkkiMFhh（i=1，2，……n）（5-10）对于等直径、等壁厚塔设备的任意截面I-I和底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式(5-11)和式(5-12)计算：3.52.53.51012.5810144175IIZECmgMHHhhH（5-11）001101635EZMCmgH（5-12）当塔设备15HD，或20Hm时还需考虑高振型的影响，在进行稳定和其他验算时，也可按式（5-13）计算：11.25IIIIEEMM（5