填料塔的簡單介紹及其相應(yīng)計算

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)計的基本步驟6三、塔設(shè)備的強度和穩(wěn)定性計算63.1塔設(shè)備的載荷分析和設(shè)計準則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13一、塔設(shè)備的概述塔設(shè)備是石油化工、化學工業(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、或液液相之間進行充分接觸，達到相際傳熱及傳質(zhì)的目的。在塔設(shè)備中能進行的單元操作有：精餾、吸收、解吸，氣體的增濕及冷卻等。表1中所示為幾個典型的實例。表1 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)備投資的比例（%）裝置名稱塔設(shè)備重量的比例（%）化工及石油化工25.460萬，120萬t/a催化裂化48.9煉油及煤化工34.8530萬t/a乙烯25.3化纖44.94.5萬t/a丁二烯54實現(xiàn)氣（汽）液相或液液相之間的充分接觸，從而達到相際傳質(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，對整個裝置性能好壞、對整個裝置的生產(chǎn)，產(chǎn)品

3、產(chǎn)量、質(zhì)量、成本以及環(huán)境保護、“三廢”處理等都有較大的影響。因此對設(shè)備的研究一直是工程界所關(guān)注的熱點。隨著石油、化工的發(fā)展，塔設(shè)備的合理造型及設(shè)計將越來越受到關(guān)注和重視。為了使塔設(shè)備能更有效、更經(jīng)濟的運行，除了要求它滿足特定的工藝條件，還應(yīng)滿足以下基本要求。 滿足特定的工藝條件； 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，對工作負荷的波動不敏感； 結(jié)構(gòu)簡單、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塔設(shè)備進行分類。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。用以實現(xiàn)蒸

4、餾和吸收兩種分離操作的塔設(shè)備分別稱為蒸餾塔和吸收塔。這類塔設(shè)備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機會,使質(zhì)、熱兩種傳遞過程能夠迅速有效地進行,還要能夠使接觸之后的氣、液兩相及時分開,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的;但是,最常用的分類是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類,人們又按板式塔的塔盤結(jié)構(gòu)和填料塔所用的填料,細分為多種塔型。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，氣體呈連續(xù)相自下而上與液體作遞向流動，并進行氣、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、操作平臺等組成。 a.塔體 塔體即塔設(shè)備的外殼，常見的塔體由等直徑、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，還要考慮風載荷、地震載荷、偏心載荷。此外還要滿足在試壓、運輸及吊裝時的強度、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)。因為塔設(shè)備較高、重量較大，為保證其足夠的強度及剛度，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，使塔設(shè)備與其他相關(guān)設(shè)備相連接。按其用途可分為進液管、出液管、回流管、進氣出氣管、側(cè)線抽出管、取樣管、儀表接管、液位計接管等。 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、檢修時吊運塔內(nèi)件。1.3填料塔與板式塔的比較對于許多逆流氣液接觸過程，填料塔和板式塔都是可以適用的，設(shè)計者必須根據(jù)具體情況進行選用。填料塔和板式塔有許多不同點，了解這些不同點對于合理選用塔設(shè)備是有幫助的。填料塔操作范圍較小，特別是對于液體負荷變化更為敏感。當液體負荷較小時，填料表面不能很好地潤濕，傳質(zhì)就效果急劇下降；當液體負荷過大時，則容易產(chǎn)生液泛。設(shè)計良好的板式塔，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，而某些類型的板式塔（如大孔徑篩板、泡罩塔等）則可以有效地處理這種物質(zhì)。另外，板式塔的

8、清洗亦比填料塔方便。當氣液接觸過程中需要冷卻以移除反應(yīng)熱或溶解熱時，填料塔因涉及液體均不問題而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。板式塔可方便地在塔板上安裝冷卻盤管。同理，當有側(cè)線出料時，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，后來又認為不宜超過1.5m，根據(jù)近10年來填料塔的發(fā)展狀況，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)計資料更容易得到而且更為可靠，因此板式塔的設(shè)計比較準確，安全系數(shù)可取得更小。當塔徑不很大時，填料塔因結(jié)構(gòu)簡單而造價便宜對于易起泡物系，填料塔更適合，因填料對泡沫有限制和破碎的作用。對于腐蝕性物系，填料塔更適合，因可采用瓷質(zhì)填料。對熱敏性物系宜采用填

9、料塔。二、塔設(shè)備設(shè)計的基本步驟塔設(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、扶梯等附件的重量）、管道推力、偏心載荷、風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)備安全運行，必須對其在這三種工況下進行軸向強度及穩(wěn)定性校核。 軸向載荷及穩(wěn)定性強度校核的基本步驟：（1）按設(shè)計條件，初步確定塔的厚度和其他尺寸；（2）計算塔設(shè)備危險截面的載荷，包括重量、風載荷、地震載荷和偏心載荷等；（3）危險截面的軸向強度和穩(wěn)定性校核；（

10、4）設(shè)計計算裙座、其他環(huán)板、地腳螺栓等。三、塔設(shè)備的強度和穩(wěn)定性計算根據(jù)課程設(shè)計的特點，著重介紹等截面、等壁厚塔設(shè)備的設(shè)計計算。 3.1塔設(shè)備的載荷分析和設(shè)計準則塔設(shè)備在操作時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、風載荷、偏心載荷。各種載荷示意圖及符號見圖5-3。圖 5-3 塔設(shè)備各種載荷示意圖及符號(a)質(zhì)量載荷；(b)地震載荷；(c)風載荷；(d)偏心載荷塔設(shè)備的強度和穩(wěn)定性計算通常按下列步驟計算。 根據(jù)GBl50-1998相應(yīng)章節(jié)或參考文獻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)地震和風載的需要，選取若干計算截面(包括所有危險截面)，并考慮制造、安裝

11、、運輸?shù)囊?，設(shè)定各截面處圓筒有效厚度與裙座有效厚度。應(yīng)滿足，； 根據(jù)自支承式塔設(shè)備承受的質(zhì)量載荷、風載荷、地震載荷及偏心載荷的作用，依次進行校核和計算，并應(yīng)滿足各相應(yīng)要求，否則需重新設(shè)定圓筒的有效厚度，直至滿足全部校核條件為止。塔設(shè)備設(shè)計計算常用符號及說明見表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5-3中的0.2m02系考慮焊在殼體上部分內(nèi)構(gòu)件的質(zhì)量，如塔盤支持圈、降液管等。當空塔起吊時，如未裝保溫層、平臺、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算，

12、也可分段計算。部分塔設(shè)備零部件，若無實際資料，可參考表5-4，計算中注意單位統(tǒng)一。3.3地震載荷當發(fā)生地震時，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，計算出它的地震載荷3.4偏心彎矩當塔設(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，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起偏心彎矩。偏心載荷引起偏心彎短沿塔高無變化，可按式(5-22)汁算：（5-22） 3.5最大彎矩塔設(shè)備任意計算截面II處的最大彎矩按式（5-23）計算： 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)

13、計算： 取其中較大值（5-24） 3.6 圓筒軸向應(yīng)力核核校核圓簡軸向應(yīng)力，使之滿足穩(wěn)定條件。 3.6.1 圓筒軸向應(yīng)力圓筒任意計算截面II處的軸向應(yīng)力分別銨式（5-25）、式（5-26）和式（5-27）計算：由內(nèi)壓和外壓引起的軸向應(yīng)力：（5-25）其中設(shè)計壓力p取絕對值。操作或者非操作時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計入此項。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：對內(nèi)壓塔器 （5-29）對外壓塔器 （

14、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：對內(nèi)壓塔器 （5-31）對外壓塔器 （5-32）如校核不能滿足條件時，須重新設(shè)定有效厚度，重復(fù)上述計算，直至滿足要求。 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大求載由積的基礎(chǔ)環(huán)，以防止由于風載荷或地震載荷所引起的彎矩而造成翻倒。若經(jīng)應(yīng)力校核不能滿足，只能選用圓錐形裙座支承。這里重點介紹圓筒形裙座。圓筒形裙座軸向風力校核首先選取裙座危險截面。危險截面的位置，一般取裙座底截面 (0-0)

15、或裙座檢查孔和較大管線引出孔(hh)截面處(見圖5-8)。然后按裙座有效厚度驗算危險截面的應(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計入此項。（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引出孔截面處組合應(yīng)力裙座檢查孔和較大管線引出孔(見圖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計入此項。（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

16、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計入此項，N；檢查孔和較大管線引出孔加強管長度，mm； h-h截面處的最大彎矩，Nmm；h-h截面處的風彎矩，Nmm；h-h截面以上塔設(shè)備壓力試驗時的質(zhì)量，kg；h-h截面以上塔設(shè)備的操作質(zhì)量，kg；h-h截面處加強管的厚度(見圖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）如校核不能滿足條件時，須重新設(shè)定裙座殼有效厚度，重復(fù)上述計算，直至滿足要求。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)力對塔強度或穩(wěn)定失效的危害要小一些。為此，在塔體應(yīng)力校核時，對許用拉伸應(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限制。其中，為