化工設(shè)備設(shè)計教(學)案

1、過程設(shè)備設(shè)計教案7塔設(shè)備課程名稱：過 程設(shè)備設(shè)計專 業(yè)：過程裝備與控制工程任課教師：賀華第7章塔設(shè)備 7-1概述主要教學容授課方式授課時數(shù)1、塔設(shè)備在過程工業(yè)中的應(yīng)用和作用2、塔設(shè)備的基本要求3、設(shè)備的分類和總體結(jié)構(gòu)4、塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀講授自學1教學目的和要求1、了解塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和基本要求2、掌握塔設(shè)備的分類和總體結(jié)構(gòu)教學重點和難點塔設(shè)備的分類和設(shè)計要求課外作業(yè)思考題一、塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位塔設(shè)備是石油、化工生產(chǎn)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備，在石油、化工、輕工等生產(chǎn)過 程中，塔設(shè)備主要用于氣、液兩相直接接觸進行傳質(zhì)傳熱的過程，如精餾、吸收、萃取、 解吸等，這些過程大多是在塔

2、設(shè)備中進行的。塔設(shè)備可以為傳質(zhì)過程創(chuàng)造適宜的外界條件,除了維持一定的壓強、溫度、規(guī)定的氣、液流量等工藝條件外，還可以從結(jié)構(gòu)上保證氣、 液有充分的接觸時間、接觸空間和接觸面積，以達到相際之間比較理想的傳質(zhì)和傳熱效果。塔設(shè)備的投資及重量在過程設(shè)備中所占的比例裝置名稱塔設(shè)備的投資比例塔設(shè)備重量的比例石油及石油化工（60萬噸、120萬噸/年催化裂化裝置）25.4%48.9%煉油及煤化工（30萬噸/年乙烯裝置）34.85%25.3%化纖（4.5萬噸/年丁一烯裝置）44.9%54%二、對塔設(shè)備的基本性能指標要求三、塔設(shè)備的分類按壓力 加壓塔、常壓塔、減壓塔按單元操作 精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應(yīng)塔

3、、干燥塔等*按支承方式 框架塔、自支承式塔*按塔件結(jié)構(gòu) 板式塔、填料塔 四、塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀塔設(shè)備的形式繁多，規(guī)模圍也很大塔設(shè)備的大型化發(fā)展趨勢（ 1）強度、剛度及流體均布等方面的問題（ 2）全負荷運轉(zhuǎn)（3）大型塔設(shè)備的設(shè)計、制造、操作和維修塔設(shè)備的設(shè)計容：*結(jié)構(gòu)設(shè)計 確定塔體結(jié)構(gòu)；塔盤結(jié)構(gòu)；溢流裝置；緊固件及支持件；進出口接管結(jié)構(gòu)；裙座及其它附件；*機械設(shè)計 選擇材料；計算塔體壁厚裙座壁厚；計算地腳螺栓直徑及數(shù)量等；工藝設(shè)計 計算理論塔板數(shù)；選擇塔板效率并確定實際塔板數(shù)；選取板間距并初步確 定塔高；計算塔徑（或空塔氣速）；進行流體力學驗算； 7-2填料塔主要教學容授課方式授課時數(shù)1、填料2

4、、液體分布裝置3、液體再分布裝置4、填料支承裝置講授自學2教學目的和要求1、了解工業(yè)用填料的主要類型、優(yōu)缺點及用途2、掌握主要的液體分布裝置和液體再分布裝置的結(jié)構(gòu)3、了解填料支承裝置的結(jié)構(gòu)及強度計算教學重點和難點液體分布裝置 液體再分布裝置課外作業(yè)思考題填料塔是連續(xù)式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，氣液兩相間呈連續(xù)逆流接觸并進行傳質(zhì)和傳熱， 氣液兩相組分的濃度沿塔高呈連續(xù)變化。板式塔中氣液兩相間逐層逆流接觸并進行傳質(zhì)和傳熱，氣液兩相組分的濃度沿塔高 呈階梯式變化。在結(jié)構(gòu)上，填料塔主要優(yōu)點：（1 ）結(jié)構(gòu)簡單，壓力降?。?）便于處理腐蝕性物料（填料一般由耐蝕材料制成）、易起泡沫的物料（氣體 不是以發(fā)泡的形式通過液

5、層，而且填料對氣泡有破碎作用）及真空操作（氣液阻力降?。?缺點：（1）體極大、重量大（2）傳質(zhì)效率較低，操作穩(wěn)定性較差（3）不適于處理污濁液體、含塵氣體、含有固體顆粒及容易結(jié)垢的物料填料塔總體結(jié)構(gòu)（圖7-1 ）、填料環(huán)形填料拉西環(huán) 鮑爾環(huán) 改進鮑爾環(huán) 階梯環(huán)規(guī)整填料絲網(wǎng)波紋填料板波紋填料弧鞍填料亂堆填料 鞍形填料矩鞍填料填料改進矩鞍填料環(huán)鞍填料二、填料支承裝置基本要求：（ 1）具有足夠的強度和剛度（ 2）具有足夠的自由截面積（ 3）結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，能耐介質(zhì)腐蝕1、柵板（1）柵板的結(jié)構(gòu) 注意：柵條的間距不能過小，否則會使柵板自由截面積過小，而且填料會堵塞柵條間的氣 體通道，使氣體壓力降增大。

6、（2）柵板的強度計算（了解）P=PP+ PL NH=9.8HLt y p N亂堆填料：PL=3.43HLt 丫 lX 10-4 N絲網(wǎng)填料：PL=0.49HLt 丫 lX 10-4 NM=PL/6 N.mW 1（S C）（h C）6MW2、體噴射式支承板優(yōu)點：氣體和液體通過不同通道流動，可減小氣液流動的阻力（1）駝峰式氣體噴射式支承板（2）鐘罩型氣體噴射式支承板三、液體分布裝置基本要求：（1）結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、維修方便（2）不需很大的液體壓頭即能均勻分散液體，液體通道不易堵塞（3）滿足噴淋點數(shù)的要求送液能力：L d 2 n . 2gh（其中 0.60.62）（一）噴灑型1多孔直管式布液器優(yōu)

7、點：結(jié)構(gòu)簡單缺點：液體分布均勻性較差；液體不清潔時，小孔容易堵塞；*2、多孔排管式布液器優(yōu)點：噴淋面積大且均勻缺點：操作彈性小；要求壓力穩(wěn)定；3 、多孔環(huán)管式布液器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝方便缺點：噴淋面積小，不夠均勻；要求液體均勻，否則小孔容易堵塞4、篩孔盤式布液器氣體截面積小，阻力大，操作彈性小5 、蓮蓬頭式布液器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，安裝、拆卸方便缺點：小孔易堵塞；霧沫夾帶嚴重；流量或壓力改變時，液體分布狀況會產(chǎn)生較大改變蓮蓬頭直徑：d=(0.20.3)DN噴灑半角：aW 40送液能力：L d 2n2gh(其中0.82 0.85)小孔數(shù)目：n=1+ ni+2 n i+3 n 1+ .+mni

8、 (n 1為第一圈圓周上的孔數(shù) )安裝高度：h=(0.51) DN(二) 溢流型噴灑型液體分布裝置的局限性：(1) 液體需要有一定的壓力才能噴灑。(2 )孔眼容易堵塞。(3) 當塔徑較大時液體分布的均勻性較差。因此，對直徑較大的填料塔，多采用溢流型液體分布裝置。送液能力：L 2 bh . 2gh3(其中0.6)1、流盤式布液器2、溢流槽式布液器(三) 沖擊型布液器1、反射板式布液器2、寶塔式布液器四、液體再分布裝置作用：防止壁流；防止“干錐”的出現(xiàn)；對液體進行重新分布；1、分配錐 2、槽式液體再分布器3、多孔盤式液體再分布器4、斜板復合式液體再分布器1操作彈性大,在氣、液負荷波動較大時仍能保持

9、較恒定的塔板效率。 7-3板式塔主要教學容授課方式授課時數(shù)1常用板式塔的類型2、塔盤的結(jié)構(gòu)3、裙座及除沫器講授自學2教學目的和要求1、了解板式塔的類型及總體結(jié)構(gòu)2、掌握塔盤的結(jié)構(gòu)3、了解裙座及除沫器的結(jié)構(gòu)教學重點和難點塔盤的結(jié)構(gòu)課外作業(yè)思考題、總體結(jié)構(gòu) 板式塔的優(yōu)點：效率高、處理量大、重量輕、便于維修板式塔的缺點：結(jié)構(gòu)較復雜、阻力降較大主體部分：塔體、裙座鮎擠”心內(nèi)件：塔盤、降液管、 總體結(jié)構(gòu)設(shè)備接管口：人孔、手附件：吊柱、保溫圈、溢流堰、緊固件、支持 件、除沫器等 孔、物料進出口接管、儀表用接管等 扶梯、平臺等泡罩塔浮閥塔板式塔類型篩板塔無降液管塔（穿流式篩板塔）導向篩板塔斜噴型塔二、板式塔

10、類型（一）泡罩塔優(yōu)點:2、對物料適應(yīng)性強，塔板不易堵塞。缺點：1、結(jié)構(gòu)復雜，金屬耗量大，造價高，安裝和維修不方便。2、氣體壓力降大，霧沫夾帶較嚴重，因此限制了氣速的提高，生產(chǎn)能力不大。3、不好操作，液體或蒸汽流量很小時，會形成氣液接觸不良或蒸汽流動的脈動；反之會 形成霧沫夾帶、液泛等。（二）浮閥塔優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)能力大。2、蒸汽以水平方向吹入液層，阻力小，氣液接觸時間長且接觸狀況良好，故霧沫夾帶少， 塔板效率高。3、浮閥可根據(jù)氣量大小上下浮動，操作彈性大。4、浮閥結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，造價較低。缺點：在結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)能力、塔板效率等方面不及篩板塔，有待進一步的改進。（三）篩板塔優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)

11、簡單，制造容易，造價低。2、塔板效率較高，生產(chǎn)能力大。3、對物料的適應(yīng)性強，不易堵塞。缺點：1、操作彈性小，需保持較穩(wěn)定的氣、液流速。2、小孔徑篩板易堵塞，不適宜處理臟的、粘性大的和帶固體顆粒的料液。（四）穿流式柵板塔優(yōu)點：1、無溢流和降液裝置，結(jié)構(gòu)簡單，安裝和維修方便。2、塔板上的開孔有效面積大，開孔率大，故生產(chǎn)能力大。3、氣、液流動的壓力降小，適用于真空蒸餾。4、孔道不易堵塞，對物料的適應(yīng)性強。缺點：1、操作彈性小。2、塔板效率低。（五）斜噴型塔優(yōu)點：1、舌形塔是噴射型塔，氣體噴出的方向和液體流動的方向一致，可充分利用氣體動能促 進氣液兩相間的接觸，提高傳質(zhì)效率。2、氣體不必通過較深的液層

12、，壓力降小，霧沫夾帶小，可采用較大氣速，故生產(chǎn)能力高。3、結(jié)構(gòu)簡單，安裝、維修方便。缺點：1、液體被氣體沖至塔壁落入降液管，帶有大量泡沫，氣相夾帶嚴重，塔板效率低。2、固定舌形塔操作彈性小，氣流量小時易漏液；浮動舌形塔浮舌易損壞。三、板式塔塔盤結(jié)構(gòu)（一）塔盤塔盤設(shè)計要求：（1）有一定的強度和剛度以承載和維持水平（2）塔盤和塔壁之間應(yīng)保證一定的密封性以避免氣液短路（3）便于制造、安裝和維修（ 4）制造成本低按氣液兩相流動方式分： 溢流式（錯流式）：操作彈性大穿流式（逆流式）：生產(chǎn)能力大檢修時：d =0.95s分塊式：D 700mm任選：D=700800mm1整塊式塔盤定距管式重疊式2、分塊式塔盤

13、單流型雙流型(1)塔盤板自身粱式 槽式(2)塔盤支持件無主梁支撐結(jié)構(gòu)有主梁支撐結(jié)構(gòu)通道板的上下均可拆結(jié)構(gòu)塔盤連接的上可拆結(jié)構(gòu)(3)塔盤緊固件 塔盤連接的上、下均可 拆結(jié)構(gòu)塔盤板與支持件的上可拆結(jié)構(gòu)塔盤連接的楔形緊固件結(jié)構(gòu)補充：塔盤板及支撐梁的強度和剛度計算(1)塔盤板簡化為周邊簡支的矩形薄板，承受均布載荷(包括塔盤板的自重和塔盤板上物料的 重量)a.強度計算最大彎曲應(yīng)力:qb2t2取 c =max c x ,c y操作時：c =0.65L/ba3Y1.00.04790.04790.04331.20.06260.05010.06161.50.08120.04990.08431.80.09480.

14、04790.10172.00.10170.04640.11063.00.11890.04040.13364.00.12350.03840.14005.00.12460.03750.1416OO0.12500.03750.1422b 、剛度計算fmaxqb4Et3要求：f maxC fDNDN(2)支承梁浮閥塔盤：DN 2400mr時，f=3.2mm 2400mn9寸，f= DN/720 mm泡罩塔盤：DNC 1830mn時，f=1.6mm 1830mn9寸，f= 3.2mm（二）降液管和受液盤1、降液管按形狀分圓形弓形2、受液盤三）溢流堰按降液管和塔壁的連接 方式分 可拆式出口堰（ 1）保證塔

15、盤上有一定厚度的液層受液盤平受液盤凹受液盤2）使液流均勻 3）增加溢流周邊長度，有利于氣液分離進口堰（ 1）保證降液管密封（2）減少水平方向的沖擊，使液流均勻流過塔盤 7-4 塔設(shè)備的附件主要教學容授課方式授課時數(shù)1、除沫器2、裙座3、吊柱講授自學1教學目的和要求1、了解除沫器的結(jié)構(gòu)2、掌握裙座的結(jié)構(gòu)和裙座材料的選擇3、了解吊柱的結(jié)構(gòu)教學重點和難點裙座的結(jié)構(gòu)和裙座材料的選擇課外作業(yè)思考題一、除沫器作用：（1）分離塔頂出口氣體中夾帶的液滴，保證傳質(zhì)效率（2 ）減少有價值物料的損失（3）改善后續(xù)設(shè)備的操作條件絲網(wǎng)除沫器 折板除沫器旋流板除沫器、裙座1、裙座的總體結(jié)構(gòu)座圈裙座基礎(chǔ)環(huán)（地基環(huán)）螺栓座人

16、孔和管孔2、裙座材料（1）裙座與塔物料不直接接觸，也不承受塔的介質(zhì)壓力，所以不受壓力容器用鋼的限制，允許采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼， 如Q235-A、Q235-AF等制造。當裙座溫度w -20 C 時，應(yīng)選擇16M，且具有一定的沖擊韌性。（ 2）當塔底封頭材料為合金鋼時，座圈上部應(yīng)設(shè)短節(jié)，短節(jié)材料和底封頭相同，以 避免不同材料焊接對底封頭產(chǎn)生不利影響。短節(jié)長度：操作溫度t V 0 C或t 350 C時，短節(jié)長度取為保溫層厚度的四倍，且不小于 500mm。操作溫度t=0350 C時，短節(jié)長度取為 250300 mmo三、吊柱1、吊柱的作用2、吊柱的結(jié)構(gòu)3、吊柱的選用 7-5塔設(shè)備的強度計算主要教學容授課

17、方式授課時數(shù)1、塔設(shè)備的自振周期2、塔的受載分析3、筒體的強度計算及校核4、裙座的強度計算及校核講授3教學目的和要求1、掌握筒體的強度計算及校核方法2、了解裙座的強度計算及校核方教學重點和難點1、塔設(shè)備工作時所受的各種載荷分析和計算2、筒體的強度計算及校核方法課外作業(yè)思考題；綜合練習題；一、塔設(shè)備的自振周期塔設(shè)備的振動屬多質(zhì)點體系的振動，具有多個自由度，可出現(xiàn)多種振型，由于塔設(shè)備的剛度較大，通常只考慮第一振型。TiTiTi1.790.1魅TT21.790.2851、等截面塔的自振周期2、變截面塔的自振周期m 3 mT 2.3Ei1 J： i2】。EH)3ji 1 i 1 H此公式只能計算第一振

18、型的自振周期，第二振型自振周期可根據(jù)T2= T1/6 計算塔任意段的水平位移和塔頂位移的關(guān)系:3H二、塔的載荷分析（一）質(zhì)量載荷設(shè)備操作時的質(zhì)量：mi= + m 02 + m 03+ mo4+ mo5+ m a+ m e設(shè)備水壓試驗時的最大質(zhì)量：mmax= moi+ mo2 + m 03+ mo4+ mw+ m a+ m e設(shè)備停工檢修時的最小質(zhì)量：mmin = moi+ o.2m o2 + m o3+ m4 + m a其中：moi設(shè)備殼體（包括裙座）質(zhì)量mo2設(shè)備件質(zhì)量m。3設(shè)備保溫材料質(zhì)量mo4 設(shè)備上平臺、扶梯質(zhì)量mo5 設(shè)備物料質(zhì)量ma設(shè)備上人孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量mw設(shè)備充水質(zhì)量m

19、e 偏心質(zhì)量o.2 mo2是考慮停工檢修時殼體上的件質(zhì)量，如塔盤支持圈、降液管等質(zhì)量載荷使塔的各個截面產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力不同截面、不同工作狀況（操作或非操作）的載荷不同質(zhì)量（二）偏心載荷ME=9.8me.eM偏心質(zhì)量e一 偏心距（三）風載荷1、水平風力的計算計算風速VoI r , . 2基本風壓qo= p V）/2J各段風壓qi=fi q oJ水平風力 Pi=K K2i f i q ol iD2、風彎矩的計算2 2 2 2 吒P2 中Ih I號）P（h hl ” S卻MW0Pl11P2（ll上）P3（lll2h）Pn1Pn（llJ （四）地震載荷構(gòu)造地震塔設(shè)備在地震載荷作用下，產(chǎn)生三個方向的運動：水平方向的振動；垂直方向的振動；扭轉(zhuǎn)，其中水平方向的振動危害最大。地震時使塔設(shè)備相對于地面運動的慣性力稱為地震力，在一般計算中只考慮水平地震力對塔設(shè)備的作用。震級一一表示地震時釋放能量的大小地震烈度一一表示地震的破壞程度1、單質(zhì)點彈性體系水平地震力的計算F=C za MgC z-結(jié)構(gòu)系數(shù)，鋼制圓筒形設(shè)備 CZ=0.5a地震影響系數(shù)（圖7-76 ）M p集中于單質(zhì)點的質(zhì)量2、多質(zhì)點彈性體系水平地震力的計算F jk =Gan jkmkgnYjkYji mij i jk nYj2mij in