塔设备的机械设计课件.ppt

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1、第六章 塔设备及其机械设计基础n塔设备可划分为板式塔和填料塔n塔设备的机械设计要求做到：n选材立足国内；n结构安全可靠，满足工艺要求；n制造、安装、使用、检修方便。第一节 概述塔设备塔设备内件内件支座支座附件附件塔体塔体 塔设备是重要的单元操作设备，实现气（汽）塔设备是重要的单元操作设备，实现气（汽）液相或液液相或液液相之间的充分接触，从而达到相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。际间进行传质及传热的目的。塔设备完成的单元过程有：精馏、吸收、解塔设备完成的单元过程有：精馏、吸收、解吸、萃取。这些过程是在一定的温度、压力、流吸、萃取。这些过程是在一定的温度、压力、流量等工艺条

2、件下完成的。因此，塔的结构必须保量等工艺条件下完成的。因此，塔的结构必须保证气液两项，或者液液两项的充分接触，和证气液两项，或者液液两项的充分接触，和必要的传质、传热面积、以及两项分离的空间。必要的传质、传热面积、以及两项分离的空间。塔设备除要满足工艺条件以外，还应满足下列条塔设备除要满足工艺条件以外，还应满足下列条件：件：1.气液两相充分接触，相际间传热面积大，气液两相充分接触，相际间传热面积大，接触时间充分。接触时间充分。2.阻力小，压降小，塔内热量损失少阻力小，压降小，塔内热量损失少。3.生产能力大，即气液处理量大。生产能力大，即气液处理量大。4.操作稳定，操作弹性大。操作稳定，操作弹性

3、大。5.尽力减少雾沫夹带和泄露量，及液泛的可尽力减少雾沫夹带和泄露量，及液泛的可能。能。6.结构简单，制造、安装、维修方便，设备结构简单，制造、安装、维修方便，设备的投资及操作费用低。的投资及操作费用低。7.耐腐蚀，不易堵塞，检修方便。耐腐蚀，不易堵塞，检修方便。1）在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有高的）在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有高的传质效率，故可采用新型填料以为降低高度；传质效率，故可采用新型填料以为降低高度；2）对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，）对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可有限选择真空操作下的填料塔；压降小，

4、故可有限选择真空操作下的填料塔；3）具有腐蚀性的物料，可选择填料塔；）具有腐蚀性的物料，可选择填料塔；4）容易发泡的物料，宜选用填料塔；）容易发泡的物料，宜选用填料塔；1）塔内液体滞液量较大，要求塔的负荷变化范围较宽，对）塔内液体滞液量较大，要求塔的负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，要求操作易于稳定；进料浓度变化要求不敏感，要求操作易于稳定；2）塔内负荷较小；）塔内负荷较小；3）含固体颗粒、容易结垢、有结晶的物料；）含固体颗粒、容易结垢、有结晶的物料；第二节 板式塔一、总体结构n1.塔体与裙座结构塔体与裙座结构n这是所有塔设备的基本工作结构和支撑结构。n2塔盘结构塔盘结构n这是塔设备

5、完成化工过程和操作的主要结构部分。它包括塔盘板、降液管及溢流堰、紧固件和支承件等。n3除沫装置除沫装置n用于分离气体夹带的液滴，多位于塔顶出口处。n4设备管道设备管道n包括用于安装、检修塔盘的人孔，用于气体和物料进出的接管，以及安装化工仪表的短管等。n塔附件塔附件n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。二、塔盘结构n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；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性，以避免气、液短路；塔盘应便于制造、安装、维修，并且成本要低。n 塔盘结构有整块式和分块式两种。当塔径在800900 mm以下时，建议采

6、用整块式塔盘。当塔径在800900 mm以上时，人可以在塔内进行装拆，一般采用分块式塔盘。1.整块式塔盘整块式塔盘n 此种塔的塔体由若干塔节组成，塔节与塔节之间则用法兰连接。每个塔节中安装若干块层层叠置起来的塔盘。塔盘与塔盘之间用管子支承，并保持所需要的间距。图为定距管式支承塔盘结构。1塔盘板塔盘板 2降液管降液管 3拉杆拉杆 4定距管定距管 5塔盘圈塔盘圈 6吊耳吊耳7螺栓螺栓 8螺母螺母9压板压板 10 压圈压圈11石棉绳石棉绳 定距管式塔盘结构定距管式塔盘结构定距管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

7、上，定距管起支承塔盘和保持塔盘间在塔节内的支座上，定距管起支承塔盘和保持塔盘间距的作用。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。塔盘与塔体之间的间隙，以软填料密封并用压圈压紧。高度随塔径增加。高度随塔径增加。塔径塔径DN=300500mm时，塔节高度时，塔节高度L=8001000mm；塔径塔径DN=600700mm时，塔节高度时，塔节高度L=12001500mm。为方便安装，每个塔节中的塔盘数为为方便安装，每个塔节中的塔盘数为5-65-6块。块。n降液管的结构有弓形和圆形两类 n 另设溢流堰圆形降液管 圆形降液管伸出塔盘表面兼作流堰的圆形降液管n 图6-5弓形降液管结构 图6

8、-6弓形降液管的液封槽 2分块式塔盘分块式塔盘n 在直径较大的板式塔中，如果仍然用整块式塔盘，则由于刚度的要求，势必要增加塔盘板的厚度，而且在制造、安装与检修等方面都很不方便。因此，当塔径在800 900 mm以上时，都采用分块式塔盘。此时塔身为一焊制整体圆筒，不分塔节。分块式塔盘分块式塔盘 做成分块式的原因做成分块式的原因 1）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀；）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀；2）对碳钢，塔板厚）对碳钢，塔板厚34mm，不锈钢不锈钢23mm，塔塔径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚度出发，仍要分块；度出发，仍要分

9、块；3）塔板过大，不能放进塔内，因一般从人孔进出，）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。人孔尺寸有限制，因而塔盘受此限制要分块。与整块式的区别与整块式的区别 分块式：无塔盘圈，有支持圈分块式：无塔盘圈，有支持圈(支持板支持板)，无密封结构，无密封结构整块式：有塔盘圈，无支持圈整块式：有塔盘圈，无支持圈(支持板支持板)，有密封结构，有密封结构塔盘板结构塔盘板结构 主要有自身梁式和槽式。主要有自身梁式和槽式。图图6-9 塔盘板结构塔盘板结构通道板通道板接近中央处设置，塔内清洗和维修。接近中央处设置，塔内清洗和维修。在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。在同

10、一垂直位置上，以利采光和拆卸。也可用一块塔盘板代替，见下图也可用一块塔盘板代替，见下图分块式塔盘之间的连接 n自身梁式塔盘板的上可拆连接n （b）螺柱 （c）椭圆垫板n 图6-11自身梁式塔盘上、下均可拆连接n 以上所述的塔盘紧固方式虽然普遍采用，但所用紧固构件加工量大，装拆麻烦，而且螺栓需用抗锈蚀材料。另一类紧固结构是用楔形紧固件，其特点是结构简单，装拆快，不用特殊材料，成本低等。n图6-12 塔盘板与支持圈的连接（上可拆）图 6-13用楔形紧固件盘连接三、塔盘的支承n 对于直径不大的塔（例如2000mm以下），塔盘的支承一般用焊在塔壁上的支持圈。支持圈一般用扁钢弯制成或将钢板切为圆弧焊成，

11、有时也有用角钢的。若塔盘板的跨度较小，本身刚度足够，则不需要用支承梁，可以只用支承圈支承。n对于直径较大的塔（例如2000mm以上），则由于塔盘板的跨度过大以致刚度不够，需要用支撑梁结构。1600单溢流塔盘用支持圈支承塔盘的结构详图 双溢流分块式塔盘支承结构 1一塔盘板；2一支持板；3一筋板；4一中心降液板（组合件）;5一两侧降液板（组合件）；6一可调节的溢流堰板；7一主梁；8一支座;9一压板；10一支持圈第三节第三节 填料塔填料塔 填料塔在传质形式上与板式塔不同，它是一种连续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、式气液传质设备。这种塔由塔体

12、、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。再分布器、栅板以及气、液的进出口等部件组成。(1)开发多种形式、规格和材质的高效，低压降，大流开发多种形式、规格和材质的高效，低压降，大流量的填料。量的填料。(2)与不同填料相匹配的塔内件结构。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。填料层中液体的流动及分布规律。(4)蒸馏过程的模拟。蒸馏过程的模拟。科技前沿科技前沿基本特点基本特点 填料塔结构填料塔结构n 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，典型结构如图所示。

13、填料填料n填料大致可分为实体填料和网体填料两种。填料大致可分为实体填料和网体填料两种。n拉西环拉西环:（瓷环）填充方式有乱堆和整砌两种。（瓷环）填充方式有乱堆和整砌两种。n拉西环填料于拉西环填料于1914年由拉西（年由拉西（F.Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，工业上已较少应用。工业上已较少应用。n鲍尔环：鲍尔环：在金属拉西环的壁上开了一排或两排在金属拉西环的壁上开了一排或两排长方形的小窗，小窗叶片向环中心弯入，在中长方形的小窗，小窗叶片向环

14、中心弯入，在中心处相搭，上下两排小窗的位置相错，增加了心处相搭，上下两排小窗的位置相错，增加了接触面积，效率得到了提高。接触面积，效率得到了提高。n阶梯环：阶梯环：一头为鲍尔环，一头翻卷，由于不对一头为鲍尔环，一头翻卷，由于不对称，装入塔内可减少填料环相互重叠，使填料称，装入塔内可减少填料环相互重叠，使填料表面得以充分利用，同时增大了空隙，使压降表面得以充分利用，同时增大了空隙，使压降降低，传质效率提高。降低，传质效率提高。n鞍形填料：鞍形填料：这种填料重迭部分少，空隙率大，利这种填料重迭部分少，空隙率大，利用率高。它有两种形式，一种是矩鞍环，一种是用率高。它有两种形式，一种是矩鞍环，一种是弧

15、鞍环，都是敞开式填料，这种填料比拉西环传弧鞍环，都是敞开式填料，这种填料比拉西环传质效率高，压力降低，且强度高。质效率高，压力降低，且强度高。n波纹填料：波纹填料：由许多波纹形薄板垂直叠在一起，各由许多波纹形薄板垂直叠在一起，各层的波纹成层的波纹成，盘与盘之间成盘与盘之间成排列，结排列，结构紧凑，比表面积大。传质好，且可根据物料温构紧凑，比表面积大。传质好，且可根据物料温度及腐蚀情况采用不同的材料。度及腐蚀情况采用不同的材料。一、喷淋装置n 液体喷淋装置设计的不合理，将导致液体分布不良，减少填料的润湿面积，增加沟流和壁流现象，直接影响填料塔的处理能力和分离效率。液体喷淋装置的结构设计要求是：能

16、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。n喷淋装置的类型很多，常用的有喷洒型、溢流型、冲击型等。1.喷洒型喷洒型n 对于小直径的填料塔（例如300mm以下）可以采用管式喷洒器，通过在填料上面的进液管（可以是直管、弯管或口管）喷洒，如图所示。该结构的优点是简单，缺点是喷淋面积小而且不均匀。管式喷洒器管式喷洒器 DN300mm，可选用管式喷洒器，通可选用管式喷洒器，通过填料上的进液管（直、弯或缺口）过填料上的进液管（直、弯或缺口）进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较小且不均匀。小且不均匀。图图6-20 管式喷洒器管式喷洒器环管多孔喷洒器环管多孔喷洒器 D

17、N1200mm，可选用单环管多孔喷洒器，结构可选用单环管多孔喷洒器，结构简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不够均匀，而且液体要求清洁，否则小孔易堵塞。够均匀，而且液体要求清洁，否则小孔易堵塞。（环管下面开小孔，一般为（环管下面开小孔，一般为35排）。排）。图图6-21 环管多孔喷洒器环管多孔喷洒器 莲蓬头喷洒器莲蓬头喷洒器 主要有半球形、碟形、杯形，优点是结构简单，制主要有半球形、碟形、杯形，优点是结构简单，制造安装方便，缺点是小孔易堵塞，不适于处理污浊造安装方便，缺点是小孔易堵塞，不适于处理污浊液体，一般可用于塔径小于液体，一般可用于塔径小于6

18、00mm的塔中。的塔中。图图6-22 莲蓬头喷洒器莲蓬头喷洒器2溢流型溢流型n 盘式分布器是常用的一种溢流式喷淋装置，液体经过进液管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘内的降液管溢流，淋洒到填料上。中央进料的盘式分布器如图所示。喷淋盘一般紧固在焊于塔壁的支持圈上，与塔盘板的紧固相类似。分布板上钻有直径约3mm的小泪孔，以便停车时将液体排净。槽式分布器槽式分布器主要用于主要用于DN1000mm的塔，其优点是自由截面大，适应性的塔，其优点是自由截面大，适应性好，处理量大，操作弹性大，其结构见（图好，处理量大，操作弹性大，其结构见（图852），液体先），液体先加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽

19、上加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽上有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于同一水平面上，再由此溢流到填料上。同一水平面上，再由此溢流到填料上。图图6-25 分布槽分布槽槽式孔流分布器槽式孔流分布器1主槽主槽2分槽分槽3、冲击型、冲击型 反射板式喷淋器反射板式喷淋器二、液体再分布器n 当液体流经填料层时，液体有流向器壁造成“壁流”的倾向，使液体分布不均，降低了填料塔的效率，严重时可使塔中心的填料不能润湿而成“干锥”。因此在结构上宜采取措施，使液体流经一段距离后再行分布，以便在整个高度内的填料都得到均匀喷淋。n 在

20、液体再分配器中，分配锥是最简单的，如图所示，沿壁流下的液体用分配锥再将它导至中央。三、支承结构n 填料的支承结构不但要有足够的强度和刚度，而且须有足够的自由截面，使在支承处不致首先发生液泛。n在填料塔中，最常用的填料支承是栅板，如图所示。在设计栅板的支承结构时，需要注意下述各点。n(1)栅板必须有足够的强度和耐腐蚀性；n(2)栅板必须有足够的自由截面，一般应和填料的自由截面大致相等；n(3)槽板扁钢条之间的距离约为填料外径的6080；n(4)栅板可以制成整块的或分块的。第四节 塔体与裙座的机械设计n一 塔体厚度的计算n 自支承式塔设备一般都很高，且承受多种载荷的作用。塔体除应满足强度条件外，还

21、需满足稳定条件。n1按计算压力计算塔体及封头厚度n按第4章“内压薄壁圆筒与封头的强度设计”的有关规定，计算塔体及封头的有效厚度S。和S 0，则设备必须安装地脚螺栓，并须进行计算。计算时可先按4的倍数假定地脚螺栓数量。，此时地脚螺栓的螺纹根部直径d1按式（(6-52)计算。4.裙座与塔体的连接裙座与塔体的连接n(1)裙座与塔体连接焊缝结构n裙座与塔体连接焊缝的结构型式有两种：一是对接焊缝，如图6-50(a),（b）所示；二是搭接焊缝，如图6-50(c),(d)所示。n(2)裙座与塔体对接焊缝的验算n对接焊缝J-J截面处的最大拉应力：n并使 n(3)裙座与塔体搭接焊缝的验算裙座与塔体搭接焊缝的验算nJ-J截面处搭接焊缝的剪应力截面处搭接焊缝的剪应力w按式（按式（6-54）或式（或式（6-55）验算：）验算：