化工设备设计教(学)案.pdf

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1、过程设备设计教案7塔设备课程名称：过程 设 备 设 计专业：过程装备与控制工程任课教师：贺华第7章 塔设备7-1 概述主要教学容授课方式授课时数1、塔设备在过程工业中的应用和作用2、塔设备的基本要求3、设备的分类和总体结构4、塔设备的发展及现状讲授自学1 教学目的和要求1、了解塔设备在化工生产中的作用和基本要求2、掌握塔设备的分类和总体结构教学重点和难点塔设备的分类和设计要求课外作业思考题一、塔设备在化工生产中的作用和地位塔设备是石油、化工生产中广泛使用的重要生产设备，在石油、化工、轻工等生产过程中，塔设备主要用于气、液两相直接接触进行传质传热的过程，如精馏、吸收、萃取、解吸等，这些过程大多是

2、在塔设备中进行的。塔设备可以为传质过程创造适宜的外界条件，除了维持一定的压强、温度、规定的气、液流量等工艺条件外，还可以从结构上保证气、液有充分的接触时间、接触空间和接触面积，以达到相际之间比较理想的传质和传热效果。塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例装置名称塔设备的投资比例塔设备重量的比例石油及石油化工（60万吨、120万吨/年催化裂化装置）25.4%48.9%炼油及煤化工（30万吨/年乙烯装置）34.85%25.3%化纤（4.5 万吨/年丁二烯装置）44.9%54%二、对塔设备的基本性能指标要求三、塔设备的分类按压力-加压塔、常压塔、减压塔按单元操作-精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反

3、应塔、干燥塔等按支承方式-框架塔、自支承式塔按塔件结构-板式塔、填料塔四、塔设备的发展及现状塔设备的形式繁多，规模围也很大塔设备的大型化发展趋势（1）强度、刚度及流体均布等方面的问题（2）全负荷运转（3）大型塔设备的设计、制造、操作和维修塔设备的设计容：结构设计-确定塔体结构；塔盘结构；溢流装置；紧固件及支持件；进出口接管结构；裙座及其它附件；机械设计-选择材料；计算塔体壁厚裙座壁厚；计算地脚螺栓直径及数量等；工艺设计-计算理论塔板数；选择塔板效率并确定实际塔板数；选取板间距并初步确定塔高；计算塔径（或空塔气速）；进行流体力学验算；7-2 填料塔主要教学容授课方式授课时数1、填料2、液体分布装

4、置3、液体再分布装置4、填料支承装置讲授自学2 教学目的和要求1、了解工业用填料的主要类型、优缺点及用途2、掌握主要的液体分布装置和液体再分布装置的结构3、了解填料支承装置的结构及强度计算教学重点和难点液体分布装置液体再分布装置课外作业思考题填料塔是连续式的气液传质设备，气液两相间呈连续逆流接触并进行传质和传热，气液两相组分的浓度沿塔高呈连续变化。板式塔中气液两相间逐层逆流接触并进行传质和传热，气液两相组分的浓度沿塔高呈阶梯式变化。在结构上，填料塔主要优点：（1）结构简单，压力降小（2）便于处理腐蚀性物料（填料一般由耐蚀材料制成）、易起泡沫的物料（气体不是以发泡的形式通过液层，而且填料对气泡有

5、破碎作用）及真空操作（气液阻力降小）缺点：（1）体极大、重量大（2）传质效率较低，操作稳定性较差（3）不适于处理污浊液体、含尘气体、含有固体颗粒及容易结垢的物料填料塔总体结构（图7-1）一、填料板波纹填料丝网波纹填料规整填料环鞍填料改进矩鞍填料矩鞍填料弧鞍填料鞍形填料阶梯环改进鲍尔环鲍尔环拉西环环形填料乱堆填料填料二、填料支承装置基本要求：（1）具有足够的强度和刚度（2）具有足够的自由截面积（3）结构简单，便于安装，能耐介质腐蚀1、栅板（1）栅板的结构注意：栅条的间距不能过小，否则会使栅板自由截面积过小，而且填料会堵塞栅条间的气体通道，使气体压力降增大。（2）栅板的强度计算（了解）P=PP+P

6、L N PP=9.8HLt P N 乱堆填料：PL=3.43HLt L10-4 N 丝网填料：PL=0.49HLt L10-4 N M=PL/6 N.m 2、体喷射式支承板优点：气体和液体通过不同通道流动，可减小气液流动的阻力（1）驼峰式气体喷射式支承板（2）钟罩型气体喷射式支承板三、液体分布装置基本要求：（1）结构简单，制造、安装、维修方便（2）不需很大的液体压头即能均匀分散液体，液体通道不易堵塞（3）满足喷淋点数的要求（一）喷洒型1、多孔直管式布液器优点：结构简单缺点：液体分布均匀性较差；液体不清洁时，小孔容易堵塞；*2、多孔排管式布液器优点：喷淋面积大且均匀缺点：操作弹性小；要求压力稳定

7、；3、多孔环管式布液器优点：结构简单，制造、安装方便缺点：喷淋面积小，不够均匀；要求液体均匀，否则小孔容易堵塞4、筛孔盘式布液器气体截面积小，阻力大，操作弹性小 5、莲蓬头式布液器）（其中送液能力：62.06.0242ghndL2)(61ChCSWWM优点：结构简单，安装、拆卸方便缺点：小孔易堵塞；雾沫夹带严重；流量或压力改变时，液体分布状况会产生较大改变莲蓬头直径：d=(0.20.3)DN 喷洒半角：40o小孔数目：n=1+n1+2 n1+3 n1+.+m n1 (n1为第一圈圆周上的孔数)安装高度：h=(0.51)DN （二）溢流型喷洒型液体分布装置的局限性：（1）液体需要有一定的压力才能

8、喷洒。（2）孔眼容易堵塞。（3）当塔径较大时液体分布的均匀性较差。因此，对直径较大的填料塔，多采用溢流型液体分布装置。1、流盘式布液器2、溢流槽式布液器（三）冲击型布液器1、反射板式布液器2、宝塔式布液器四、液体再分布装置作用：防止壁流；防止“干锥”的出现；对液体进行重新分布；1、分配锥2、槽式液体再分布器）（其中送液能力：85.082.0242ghndL）（其中送液能力：6.0232ghbhL3、多孔盘式液体再分布器4、斜板复合式液体再分布器7-3 板式塔主要教学容授课方式授课时数1、常用板式塔的类型2、塔盘的结构3、裙座及除沫器讲授自学2 教学目的和要求1、了解板式塔的类型及总体结构2、掌

9、握塔盘的结构3、了解裙座及除沫器的结构教学重点和难点塔盘的结构课外作业思考题一、总体结构板式塔的优点：效率高、处理量大、重量轻、便于维修板式塔的缺点：结构较复杂、阻力降较大二、板式塔类型（一）泡罩塔优点：1、操作弹性大，在气、液负荷波动较大时仍能保持较恒定的塔板效率。扶梯、平台等附件：吊柱、保温圈、仪表用接管等孔、物料进出口接管、设备接管口：人孔、手件、除沫器等溢流堰、紧固件、支持内件：塔盘、降液管、主体部分：塔体、裙座总体结构斜喷型塔导向筛板塔板塔）无降液管塔（穿流式筛筛板塔浮阀塔泡罩塔板式塔类型2、对物料适应性强，塔板不易堵塞。缺点：1、结构复杂，金属耗量大，造价高，安装和维修不方便。2、

10、气体压力降大，雾沫夹带较严重，因此限制了气速的提高，生产能力不大。3、不好操作，液体或蒸汽流量很小时，会形成气液接触不良或蒸汽流动的脉动；反之会形成雾沫夹带、液泛等。（二）浮阀塔优点：1、结构紧凑，生产能力大。2、蒸汽以水平方向吹入液层，阻力小，气液接触时间长且接触状况良好，故雾沫夹带少，塔板效率高。3、浮阀可根据气量大小上下浮动，操作弹性大。4、浮阀结构简单，安装容易，造价较低。缺点：在结构、生产能力、塔板效率等方面不及筛板塔，有待进一步的改进。（三）筛板塔优点：1、结构简单，制造容易，造价低。2、塔板效率较高，生产能力大。3、对物料的适应性强，不易堵塞。缺点：1、操作弹性小，需保持较稳定的

11、气、液流速。2、小孔径筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体颗粒的料液。（四）穿流式栅板塔优点：1、无溢流和降液装置，结构简单，安装和维修方便。2、塔板上的开孔有效面积大，开孔率大，故生产能力大。3、气、液流动的压力降小，适用于真空蒸馏。4、孔道不易堵塞，对物料的适应性强。缺点：1、操作弹性小。2、塔板效率低。（五）斜喷型塔优点：1、舌形塔是喷射型塔，气体喷出的方向和液体流动的方向一致，可充分利用气体动能促进气液两相间的接触，提高传质效率。2、气体不必通过较深的液层，压力降小，雾沫夹带小，可采用较大气速，故生产能力高。3、结构简单，安装、维修方便。缺点：1、液体被气体冲至塔壁落入降液管，

12、带有大量泡沫，气相夹带严重，塔板效率低。2、固定舌形塔操作弹性小，气流量小时易漏液；浮动舌形塔浮舌易损坏。三、板式塔塔盘结构(一)塔盘塔盘设计要求：（1）有一定的强度和刚度以承载和维持水平（2）塔盘和塔壁之间应保证一定的密封性以避免气液短路（3）便于制造、安装和维修（4）制造成本低按气液两相流动方式分：溢流式（错流式）：操作弹性大穿流式（逆流式）：生产能力大按塔径大小分整块式：D700mm 分块式：D700mm 任选：D=700800mm 补充：塔盘板及支撑梁的强度和刚度计算（1）塔盘板简化为周边简支的矩形薄板，承受均布载荷（包括塔盘板的自重和塔盘板上物料的重量）a 强度计算最大弯曲应力：22

13、6tqbx；226tqby取=max x，y要求：操作时：=0.65ts重叠式定距管式、整块式塔盘1双流型单流型、分块式塔盘2槽式自身粱式）塔盘板（1有主梁支撑结构无主梁支撑结构）塔盘支持件（2结构塔盘连接的楔形紧固件拆结构塔盘板与支持件的上可拆结构塔盘连接的上、下均可塔盘连接的上可拆结构构通道板的上下均可拆结）塔盘紧固件（3检修时：=0.95sL/b 1.0 0.0479 0.0479 0.0433 1.2 0.0626 0.0501 0.0616 1.5 0.0812 0.0499 0.0843 1.8 0.0948 0.0479 0.1017 2.0 0.1017 0.0464 0.11

14、06 3.0 0.1189 0.0404 0.1336 4.0 0.1235 0.0384 0.1400 5.0 0.1246 0.0375 0.1416 0.1250 0.0375 0.1422 b、刚度计算34maxEtqbf要求：fmax f 浮阀塔盘：DN 2400mm 时，f=3.2mm DN2400mm 时，f=DN/720 mm 泡罩塔盘：DN 1830mm 时，f=1.6mm DN1830mm 时，f=3.2mm（2）支承梁（二）降液管和受液盘 1、降液管弓形圆形按形状分2、受液盘（三）溢流堰出口堰（1）保证塔盘上有一定厚度的液层（2）使液流均匀（3）增加溢流周边长度，有利于气

15、液分离进口堰（1）保证降液管密封（2）减少水平方向的冲击，使液流均匀流过塔盘可拆式焊接固定式方式分按降液管和塔壁的连接凹受液盘平受液盘受液盘7-4 塔设备的附件主要教学容授课方式授课时数1、除沫器2、裙座3、吊柱讲授自学1 教学目的和要求1、了解除沫器的结构2、掌握裙座的结构和裙座材料的选择3、了解吊柱的结构教学重点和难点裙座的结构和裙座材料的选择课外作业思考题一、除沫器作用：（1）分离塔顶出口气体中夹带的液滴，保证传质效率（2）减少有价值物料的损失（3）改善后续设备的操作条件丝网除沫器折板除沫器旋流板除沫器二、裙座1、裙座的总体结构人孔和管孔螺栓座基础环（地基环）座圈裙座2、裙座材料（1）裙

16、座与塔物料不直接接触，也不承受塔的介质压力，所以不受压力容器用钢的限制，允许采用普通碳素结构钢，如Q235-A、Q235-AF等制造。当裙座温度-20 时，应选择 16Mn，且具有一定的冲击韧性。（2）当塔底封头材料为合金钢时，座圈上部应设短节，短节材料和底封头相同，以避免不同材料焊接对底封头产生不利影响。短节长度：操作温度 t 0或 t 350时，短节长度取为保温层厚度的四倍，且不小于500mm。操作温度 t=0350 时，短节长度取为250300 mm。三、吊柱1、吊柱的作用2、吊柱的结构3、吊柱的选用7-5 塔设备的强度计算主要教学容授课方式授课时数1、塔设备的自振周期2、塔的受载分析3

17、、筒体的强度计算及校核4、裙座的强度计算及校核讲授3 教学目的和要求1、掌握筒体的强度计算及校核方法2、了解裙座的强度计算及校核方教学重点和难点1、塔设备工作时所受的各种载荷分析和计算2、筒体的强度计算及校核方法课外作业思考题；综合练习题；一、塔设备的自振周期塔设备的振动属多质点体系的振动，具有多个自由度，可出现多种振型，由于塔设备的刚度较大，通常只考虑第一振型。1、等截面塔的自振周期2、变截面塔的自振周期此公式只能计算第一振型的自振周期，第二振型自振周期可根据T2=T1/6 计算EJmHT4179.1EJmHT41285.0EJmHT41102.06285.079.121TTmiminiii

18、iiiiHxmjHJHET1213133)(312塔任意段的水平位移和塔顶位移的关系：二、塔的载荷分析（一）质量载荷设备操作时的质量：m0=+m02+m03+m04+m05+m a+m e设备水压试验时的最大质量：mmax=m01+m02+m03+m04+mw+m a+m e设备停工检修时的最小质量：m min=m01+0.2m02+m03+m04+m a其中：m01设备壳体（包括裙座）质量 m02设备件质量 m03设备保温材料质量 m04设备上平台、扶梯质量 m05设备物料质量 m a设备上人孔、接管、法兰等附件质量 mw设备充水质量 m e偏心质量0.2 m02是考虑停工检修时壳体上的件质

19、量，如塔盘支持圈、降液管等质量载荷使塔的各个截面产生轴向压应力不同截面、不同工作状况（操作或非操作）的载荷不同质量（二）偏心载荷ME=9.8me.e Me-偏心质量e-偏心距（三）风载荷1、水平风力的计算计算风速 V0 230)(Hxyyii基本风压 q0=V02/2 各段风压 qi=fi q0水平风力 Pi=K1 K2i fi q0liDei 2、风弯矩的计算（四）地震载荷构造地震塔设备在地震载荷作用下，产生三个方向的运动：水平方向的振动；垂直方向的振动；扭转，其中水平方向的振动危害最大。地震时使塔设备相对于地面运动的惯性力称为地震力，在一般计算中只考虑水平地震力对塔设备的作用。震级表示地震

20、时释放能量的大小地震烈度表示地震的破坏程度1、单质点弹性体系水平地震力的计算 F=CZ Mpg CZ-结构系数，钢制圆筒形设备CZ=0.5-地震影响系数（图7-76）Mp-集中于单质点的质量2、多质点弹性体系水平地震力的计算 Fjk=CZjkmkg)2.(.)2()2(221132132121100nnnWlllPPlllPllPlPM)2.(.)2()2(21121211nniiniiiiiiiiiiiWllllPlllPllPlPMjk-j振型 k质点的振型系数Yk=Ya(hi/H)3/2 等截面塔：3、地震弯矩的计算对于等截面塔：ME10-0=35/16 CZ1mgH2 当H/D15或塔

21、设备的高度大于等于2 0m时，需考虑高振型的影响，采用简化计算方法：MEI-I=1.25 ME1I-I最大弯矩：njijinjijijkjkmYmYY121njiinjiikkmYmYY121考虑第一振型：njiinjiikkmhmhh1312/32/32/30302/32/3)(6.1HhmdhhmdhhhKHHkkdhHmmhhFMnkkkIIE011)(水压试验时：三、筒体的强度及稳定性校核（一）各种载荷引起的轴向应力1、设计压力引起的轴向应力：2、质量载荷引起的轴向应力：3、最大弯距引起的轴向应力：（二）最大组合应力的计算及校核（1）最大组合拉应力Lmax=1-2+3K t（2）最大组

22、合压应力Ymax=1+2+3 cr eiipD41eiiIIVIIDFm028.9ittcrRSEBKBK06.0minEWEEWMMMMMM25.0maxmaxeWMMM3.0maxIIIIIWMmax3四、裙座的强度及稳定性校核 1、裙座圈的计算应力校核2、基础环的计算厚度计算3、地脚螺栓的计算直径计算4、裙座圈与筒体焊缝的计算应力校核7-6 塔设备的振动主要教学容授课方式授课时数1、风诱导振动的原因2、风诱导振动频率和临界风速的计算3、塔设备的防振措施讲授自学1 教学目的和要求1、掌握风诱导振动的原因2、了解风诱导振动频率和临界风速的计算3、了解塔设备的防振措施教学重点和难点塔盘的结构课

23、外作业思考题一、风的诱导振动1、卡曼涡街（1）卡曼涡街的形成原因：风绕流圆柱体迎风侧（加速降压），背风侧（减速升压）边界层流体质点受粘性摩擦力作用背风侧边界层增厚流体主流绕流形成漩涡用流体力学方法计算振动方向与风向垂直，风的诱导振动用静力法计算振动方向与风向平行，风载荷振动塔设备的振动卡曼涡街（2）形成卡曼涡街的条件亚临界区；超临界区；2、升力 FL=CLv2A/2 3、风诱导振动频率Sr=fvD/v 300Re2105时：Sr=0.2 Re 3.5 106时：Sr=0.27 若Sr=0.2 临界风速塔共振时的风速 vcn=5 fcnD=5D/Tcn塔第一振型临界风速：vc1=5 fc1D=5D/Tc1当vvc1时，塔不会发生共振当vvc1时，塔将发生共振，需进行共振时的强度计算二、塔设备的防振防振措施：（1）增大塔的自振频率（2）采用扰流装置（3）增加塔的阻尼DvDvSfrv2.0则：