填料塔的簡(jiǎn)單介紹及其相應(yīng)計(jì)算

1、目 錄一、塔設(shè)備的概述21.1 填料塔31.2 板式塔41.3填料塔與板式塔的比較5二、塔設(shè)備設(shè)計(jì)的基本步驟6三、塔設(shè)備的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算63.1塔設(shè)備的載荷分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則63.2 質(zhì)量載荷83.3地震載荷83.4偏心彎矩83.5最大彎矩83.6 圓筒軸向應(yīng)力核核93.6.1 圓筒軸向應(yīng)力93.6.2 圓筒穩(wěn)定校核93.6.3 圓筒拉應(yīng)力校核103.7裙座軸向應(yīng)力校核103.7.1 裙座底截面的組合應(yīng)力104.7.2裙座檢查孔和較大管線(xiàn)引出孔截面處組合應(yīng)力114.8軸向應(yīng)力校核條件12五、心得體會(huì)13一、塔設(shè)備的概述塔設(shè)備是石油化工、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。它可使氣（汽）液

2、或液液相之間進(jìn)行充分接觸，達(dá)到相際傳熱及傳質(zhì)的目的。在塔設(shè)備中能進(jìn)行的單元操作有：精餾、吸收、解吸，氣體的增濕及冷卻等。表1中所示為幾個(gè)典型的實(shí)例。表1 塔設(shè)備的投資及重量在過(guò)程設(shè)備中所占的比例裝置名稱(chēng)塔設(shè)備投資的比例（%）裝置名稱(chēng)塔設(shè)備重量的比例（%）化工及石油化工25.460萬(wàn)，120萬(wàn)t/a催化裂化48.9煉油及煤化工34.8530萬(wàn)t/a乙烯25.3化纖44.94.5萬(wàn)t/a丁二烯54實(shí)現(xiàn)氣（汽）液相或液液相之間的充分接觸，從而達(dá)到相際傳質(zhì)和傳熱的目的。塔設(shè)備廣泛用于蒸餾、吸收、介吸、萃取、氣體的洗滌、增濕及冷卻等單元操作中，它的操作性能好壞，對(duì)整個(gè)裝置性能好壞、對(duì)整個(gè)裝置的生產(chǎn)，產(chǎn)品

3、產(chǎn)量、質(zhì)量、成本以及環(huán)境保護(hù)、“三廢”處理等都有較大的影響。因此對(duì)設(shè)備的研究一直是工程界所關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著石油、化工的發(fā)展，塔設(shè)備的合理造型及設(shè)計(jì)將越來(lái)越受到關(guān)注和重視。為了使塔設(shè)備能更有效、更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，除了要求它滿(mǎn)足特定的工藝條件，還應(yīng)滿(mǎn)足以下基本要求。 滿(mǎn)足特定的工藝條件； 氣液兩相能充分接觸，相際傳熱面積大； 生產(chǎn)能力大，即氣、液處理量大； 操作穩(wěn)定，操作彈性大，對(duì)工作負(fù)荷的波動(dòng)不敏感； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造、安裝、維修方便，設(shè)備投資及操作成本低； 耐腐蝕，不易堵塞。為了便于研究和比較,人們從不同的角度對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)。按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應(yīng)塔和干燥塔。用以實(shí)現(xiàn)蒸

4、餾和吸收兩種分離操作的塔設(shè)備分別稱(chēng)為蒸餾塔和吸收塔。這類(lèi)塔設(shè)備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機(jī)會(huì),使質(zhì)、熱兩種傳遞過(guò)程能夠迅速有效地進(jìn)行,還要能夠使接觸之后的氣、液兩相及時(shí)分開(kāi),互不夾帶。也有按形成相際接觸面的方式和按塔釜型式分類(lèi)的;但是,最常用的分類(lèi)是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類(lèi),人們又按板式塔的塔盤(pán)結(jié)構(gòu)和填料塔所用的填料,細(xì)分為多種塔型。目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是填料塔及板式塔。1.1 填料塔以填料作為氣、液接觸和傳質(zhì)的基本構(gòu)件，液體在填料表面呈膜狀自上而下流動(dòng)，氣體呈連續(xù)相自下而上與液體作遞向流動(dòng)，并進(jìn)行氣、液兩相間的傳質(zhì)和傳熱。兩相的組分濃度和溫度沿塔高連續(xù)變化。填料

5、塔屬于微分接觸型的氣、液傳質(zhì)設(shè)備。如圖2.1為填料塔的總體結(jié)構(gòu)：圖2.1 填料塔的總體結(jié)構(gòu)1.2 板式塔以塔板作為氣、液接觸和傳質(zhì)的基本構(gòu)件，液體自上而下流入各層塔板，形成液池，氣體以鼓泡或噴射的形式自下而上穿過(guò)各層塔板的篩孔、液池，使氣、液兩相密切接觸而傳質(zhì)和傳熱。兩相的組分濃度呈階梯式變化，板式塔屬于逐級(jí)接觸型的氣、液傳質(zhì)設(shè)備。如圖2.2為板式塔的總體結(jié)構(gòu)。圖2.2 板式塔的總體結(jié)構(gòu)無(wú)論是板式塔還是填料塔，除了各種內(nèi)件之外，均由塔體、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平臺(tái)等組成。 a.塔體 塔體即塔設(shè)備的外殼，常見(jiàn)的塔體由等直徑、等厚度的圓筒及上下封頭組成。塔設(shè)備通常安裝在室

6、外，因而塔體除了承受一定的操作壓力（內(nèi)壓或外壓）、溫度外，還要考慮風(fēng)載荷、地震載荷、偏心載荷。此外還要滿(mǎn)足在試壓、運(yùn)輸及吊裝時(shí)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求 b.支座 塔體支座是塔體與基礎(chǔ)的連接結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗O(shè)備較高、重量較大，為保證其足夠的強(qiáng)度及剛度，通常采用裙式支座。 c.人孔及手孔 為安裝、檢修、檢查等需要，往往在塔體上設(shè)置人孔或手孔。不同的塔設(shè)備，人孔或手孔的結(jié)構(gòu)及位置等要求不同。 d.接管 用于連接工藝管線(xiàn)，使塔設(shè)備與其他相關(guān)設(shè)備相連接。按其用途可分為進(jìn)液管、出液管、回流管、進(jìn)氣出氣管、側(cè)線(xiàn)抽出管、取樣管、儀表接管、液位計(jì)接管等。 e.除沫器 用于捕集夾帶在氣流中的液滴。除沫器工作性能的好壞

7、對(duì)除沫效率、分離效果都具有較大的影響。 f.吊柱 安裝于塔頂，主要用于安裝、檢修時(shí)吊運(yùn)塔內(nèi)件。1.3填料塔與板式塔的比較 對(duì)于許多逆流氣液接觸過(guò)程，填料塔和板式塔都是可以適用的，設(shè)計(jì)者必須根據(jù)具體情況進(jìn)行選用。填料塔和板式塔有許多不同點(diǎn)，了解這些不同點(diǎn)對(duì)于合理選用塔設(shè)備是有幫助的。 填料塔操作范圍較小，特別是對(duì)于液體負(fù)荷變化更為敏感。當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)，填料表面不 能很好地潤(rùn)濕，傳質(zhì)就效果急劇下降；當(dāng)液體負(fù)荷過(guò)大時(shí)，則容易產(chǎn)生液泛。設(shè)計(jì)良好的板式塔，則具有大得多的操作范圍。  填料塔不宜于處理易聚合或含有固體懸浮物的物料，而某些類(lèi)型的板式塔（如大

8、孔徑篩板、泡罩塔等）則可以有效地處理這種物質(zhì)。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。  當(dāng)氣液接觸過(guò)程中需要冷卻以移除反應(yīng)熱或溶解熱時(shí)，填料塔因涉及液體均不問(wèn)題而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。板式塔可方便地在塔板上安裝冷卻盤(pán)管。同理，當(dāng)有側(cè)線(xiàn)出料時(shí)，填料塔也不如板式塔方便。  以前亂堆填料塔直徑很少大于0.5m，后來(lái)又認(rèn)為不宜超過(guò)1.5m，根據(jù)近10年來(lái)填料塔的發(fā)展?fàn)顩r，這一限制似乎不再成立。板式塔直徑一般不小于0.6m。  關(guān)于板式塔的設(shè)計(jì)資料更容易得到而且更為可靠，因此板式塔的設(shè)計(jì)比較準(zhǔn)確，安全系數(shù)可取得更小。  當(dāng)塔徑不很大時(shí)，

9、填料塔因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而造價(jià)便宜  對(duì)于易起泡物系，填料塔更適合，因填料對(duì)泡沫有限制和破碎的作用。  對(duì)于腐蝕性物系，填料塔更適合，因可采用瓷質(zhì)填料。  對(duì)熱敏性物系宜采用填料塔。二、塔設(shè)備設(shè)計(jì)的基本步驟塔設(shè)備大多安裝在室外，靠裙座底部的地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，通常稱(chēng)為自支承式塔，除承受介質(zhì)壓力外，塔設(shè)備還承受各種重量（包括塔體、塔內(nèi)件、介質(zhì)、保溫層、操作平臺(tái)、扶梯等附件的重量）、管道推力、偏心載荷、風(fēng)載荷及地震載荷的聯(lián)合作用，由于在正常工作、停工檢修、壓力試驗(yàn)等三種工況下，塔所受的載荷并不相同，為了保證塔設(shè)備安全運(yùn)行，必須對(duì)其在這三種

10、工況下進(jìn)行軸向強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核。 軸向載荷及穩(wěn)定性強(qiáng)度校核的基本步驟：（1）按設(shè)計(jì)條件，初步確定塔的厚度和其他尺寸；（2）計(jì)算塔設(shè)備危險(xiǎn)截面的載荷，包括重量、風(fēng)載荷、地震載荷和偏心載荷等；（3）危險(xiǎn)截面的軸向強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核；（4）設(shè)計(jì)計(jì)算裙座、其他環(huán)板、地腳螺栓等。三、塔設(shè)備的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算根據(jù)課程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，著重介紹等截面、等壁厚塔設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算。 3.1塔設(shè)備的載荷分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則塔設(shè)備在操作時(shí)主要承受的以下幾種載荷作用：操作壓力、質(zhì)量載荷、地震載荷、風(fēng)載荷、偏心載荷。各種載荷示意圖及符號(hào)見(jiàn)圖5-3。圖 5-3 塔設(shè)備各種載荷示意圖及符號(hào)(a)質(zhì)量載荷；(b)地震載荷；(c)風(fēng)載荷；(d

11、)偏心載荷塔設(shè)備的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算通常按下列步驟計(jì)算。 根據(jù)GBl50-1998相應(yīng)章節(jié)或參考文獻(xiàn)1第十一章，按壓力確定圓筒有效厚度及封頭的有效厚度； 根據(jù)地震和風(fēng)載的需要，選取若干計(jì)算截面(包括所有危險(xiǎn)截面)，并考慮制造、安裝、運(yùn)輸?shù)囊?，設(shè)定各截面處圓筒有效厚度與裙座有效厚度。應(yīng)滿(mǎn)足，； 根據(jù)自支承式塔設(shè)備承受的質(zhì)量載荷、風(fēng)載荷、地震載荷及偏心載荷的作用，依次進(jìn)行校核和計(jì)算，并應(yīng)滿(mǎn)足各相應(yīng)要求，否則需重新設(shè)定圓筒的有效厚度，直至滿(mǎn)足全部校核條件為止。塔設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算常用符號(hào)及說(shuō)明見(jiàn)表5-3。 3.2 質(zhì)量載荷塔設(shè)備的操作質(zhì)量（5-1）塔設(shè)備的最大質(zhì)量（5-2）塔設(shè)備的最小質(zhì)量（5-3）式5-

12、3中的0.2m02系考慮焊在殼體上部分內(nèi)構(gòu)件的質(zhì)量，如塔盤(pán)支持圈、降液管等。當(dāng)空塔起吊時(shí)，如未裝保溫層、平臺(tái)、扶梯，則mmin應(yīng)扣除m03和m04。式中的殼體和裙座質(zhì)量m01按求出的殼體名義厚度、封頭名義厚度及裙座名義厚度計(jì)算，也可分段計(jì)算。部分塔設(shè)備零部件，若無(wú)實(shí)際資料，可參考表5-4，計(jì)算中注意單位統(tǒng)一。3.3地震載荷當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，塔設(shè)備作為懸臂梁，在地震載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形。安裝在七度或七度以上地震烈度地區(qū)的塔設(shè)備必須考慮它的抗震能力，計(jì)算出它的地震載荷3.4偏心彎矩當(dāng)塔設(shè)備的外側(cè)懸掛有分離器、再沸器、冷凝器等附屬設(shè)備時(shí)，可將其視為偏心載荷。由。于有偏心距e的存在，偏心載荷在塔截面上引

13、起偏心彎矩。偏心載荷引起偏心彎短沿塔高無(wú)變化，可按式(5-22)汁算：（5-22） 3.5最大彎矩塔設(shè)備任意計(jì)算截面II處的最大彎矩按式（5-23）計(jì)算： 取其中較大值（5-23）塔設(shè)備底部截面0-0處的最大彎矩按式(5-24)計(jì)算： 取其中較大值（5-24） 3.6 圓筒軸向應(yīng)力核核校核圓簡(jiǎn)軸向應(yīng)力，使之滿(mǎn)足穩(wěn)定條件。 3.6.1 圓筒軸向應(yīng)力圓筒任意計(jì)算截面II處的軸向應(yīng)力分別銨式（5-25）、式（5-26）和式（5-27）計(jì)算：由內(nèi)壓和外壓引起的軸向應(yīng)力：（5-25）其中設(shè)計(jì)壓力p取絕對(duì)值。操作或者非操作時(shí)重力及垂直地震力引起的鈾向應(yīng)力：（5-26）其中僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)

14、入此項(xiàng)。最大彎矩引起的軸向應(yīng)力：（5-27） 3.6.2 圓筒穩(wěn)定校核圓筒許用軸向壓應(yīng)力按式(528)確定： 取其中較小值（5-28）圓筒最大組合壓應(yīng)力按式(5-29)或式(5-30)校核：對(duì)內(nèi)壓塔器 （5-29）對(duì)外壓塔器 （5-30） 3.6.3 圓筒拉應(yīng)力校核圓筒最大組合拉應(yīng)力按式(5-31)或式（5-32）校核：對(duì)內(nèi)壓塔器 （5-31）對(duì)外壓塔器 （5-32）如校核不能滿(mǎn)足條件時(shí)，須重新設(shè)定有效厚度，重復(fù)上述計(jì)算，直至滿(mǎn)足要求。 3.7裙座軸向應(yīng)力校核 塔設(shè)備常采用裙座支承。并根據(jù)承載不同，分為圓筒形和圓錐形兩種。由于圓筒形裙座。制造方便，采用極為廣泛。但需配置較多的地腳螺栓和具有足夠

15、大求載由積的基礎(chǔ)環(huán)，以防止由于風(fēng)載荷或地震載荷所引起的彎矩而造成翻倒。若經(jīng)應(yīng)力校核不能滿(mǎn)足，只能選用圓錐形裙座支承。這里重點(diǎn)介紹圓筒形裙座。圓筒形裙座軸向風(fēng)力校核首先選取裙座危險(xiǎn)截面。危險(xiǎn)截面的位置，一般取裙座底截面 (0-0)或裙座檢查孔和較大管線(xiàn)引出孔(hh)截面處(見(jiàn)圖5-8)。然后按裙座有效厚度驗(yàn)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力3.7.1 裙座底截面的組合應(yīng)力裙座底截面的組合應(yīng)力按式(5-43)和式(5-44)校核：（5-43）其中僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)。（5-44）式中裙座底部截面積，mm2； 裙座圓筒和錐殼的底部截面系數(shù)，mm3。 4.7.2裙座檢查孔和較大管線(xiàn)引出孔截面處組合應(yīng)

16、力裙座檢查孔和較大管線(xiàn)引出孔(見(jiàn)圖5-8)hh截面處組合應(yīng)力按式（5-47）和式（5-48)校核：（5-47）其中僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)。（5-48）式中h-h截面處水平方向的最大寬度，mm；h-h截面處裙座殼的內(nèi)直徑，mm；h-h截面處的垂直地震力。但僅在最大彎短為地震彎矩參與組合時(shí)計(jì)入此項(xiàng)，N；檢查孔和較大管線(xiàn)引出孔加強(qiáng)管長(zhǎng)度，mm； h-h截面處的最大彎矩，N·mm；h-h截面處的風(fēng)彎矩，N·mm；h-h截面以上塔設(shè)備壓力試驗(yàn)時(shí)的質(zhì)量，kg；h-h截面以上塔設(shè)備的操作質(zhì)量，kg；h-h截面處加強(qiáng)管的厚度(見(jiàn)圖5-8)，mm；h-h截面處裙座的截面積，mm2； （5-49）（5-50）h-h截面處的裙座殼截面系數(shù)，mm3； （5-51） （5-52）如校核不能滿(mǎn)足條件時(shí)，須重新設(shè)定裙座殼有效厚度，重復(fù)上述計(jì)算，直至滿(mǎn)足要求。4.8軸向應(yīng)力校核條件 由于最大彎矩在筒體中引起的軸向應(yīng)力沿環(huán)向是不斷變化的。與沿環(huán)向均布的軸向應(yīng)力相比，這種應(yīng)力對(duì)塔強(qiáng)度或穩(wěn)定失效的危害要小一些。為此，在塔體應(yīng)力校核時(shí)，對(duì)許用拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力引入載荷組合系數(shù)K,并取K=1.2。 在正常操作和停工檢修工況下，軸向拉伸應(yīng)力用K限